'젊은 로봇 공학자' (63) 한국기계연구원 안정도 박사

젊은 로봇 공학자(Young Robot Engineer)' 코너는 한국로봇학회와 로봇신문이 공동으로 기획한 시리즈물로 미래 한국 로봇산업을 이끌어 갈 젊은 로봇 공학자를 발굴해 소개하는데 있다.

63번째 인터뷰는 한국기계연구원 안정도 박사다. 안 박사는 1988년생으로 한국기술교육대학교 메카트로닉스 공학과를 2012년 2월 졸업하고, 2015년 12월까지 LIG넥스원 탐색기 광학연구센터에서, 2017년 3월까지 전남대학교 로봇연구소에서 연구원으로 재직했다. 이후 2022년 2월 한국과학기술원 (KAIST)에서 기계공학으로 박사 학위를 받았고, 2022년 2월부터 현재까지 한국기계연구원에서 선임연구원으로 재직하고 있다.

2009년 9월 국제로봇콘테스트 휴머노이드 경진대회에서 지식경제부 장관상, 2012년 2월 한국기술교육대에서 노동부 장관상, 2018년 ‘수술로봇 챌린지(Surgical Robot Challenge) 2018’에서 최우수 어플리케이션 상 및 종합 우승(Best Application Award and Overall Winner)’을 수상하였으며, 2019 올해의 10대 기계기술인 유연 내시경 수술 로봇인 K-FLEX의 개발 핵심인력이다.

주요 연구 및 관심 분야는 기구 및 메커니즘 설계 분야로 특히, 와이어 구동 메카니즘(Tendon-driven mechanism), 2륜 로봇(Two-wheeled robot), 직관적이고 인체공학적인 조종장치(Ergonomic and Intuitive master device) 등이다.
 

▲한국기계연구원 안정도 박사

Q. 한국기계연구원 로봇메카트로닉스연구실에 대한 소개 부탁 드립니다.

AI로봇연구본부 산하의 로봇메카트로닉스 연구실은, 인간과 로봇이 공존하는 미래를 위하여 다양한 차세대 로봇 시스템 기술과 인간-로봇 협력 기술을 개발하고 있습니다. 이를 위해 모듈형/초경량/고출력 로봇 구동기, 형상기억합금 스프링을 이용한 인공근육, 인간형 핸드 및 흡착형 만능 그리퍼와 같은 말단장치 등 로봇용 핵심부품 기술을 연구하고 있으며, 이를 바탕으로 협동로봇, 저동력 로봇, 양팔로봇, 웨어러블 로봇, 로보틱 휠체어 등 다양한 로봇 시스템 기술과 인간-로봇의 협력 기술 및 로봇응용시스템의 표준공정모델 기술을 개발하고 있습니다.

Q. 최근 하고 계신 연구가 있다면 소개 부탁드립니다.

저는 로봇의 메커니즘을 개발하는 연구를 주로 하고 있습니다. 저희 연구실에서 수행하고 있는 중요한 연구중에서 거동이 불편한 하지 장애인들이 지나가기 힘든 계단이나 둔턱을 주행할 수 있는 휠체어 로봇 개발이 있습니다. 다양한 형태의 계단 극복 휠체어 로봇 중에서 저는 휠클러스터를 활용한 버전의 휠체어 로봇을 연구하고 있습니다. 이 휠체어 로봇은 3개의 소형 휠이 연결된 회전판(휠클러스터)와 한 쌍의 지지용 다리로 구성되어 있습니다. 평지에서는 소형 휠을 이용하여 일반 전동 휠체어처럼 주행이 가능합니다. 계단을 넘을 때는 회전판이 회전하면서 작은 바퀴가 계단의 윗면을 지지하고, 회전판이 다시 회전하여 계단을 넘으면서 작은 바퀴는 다음 계단의 윗면을 받쳐줍니다. 이와 동시에 계단을 오르고 내릴 때의 안정성을 높이기 위해 지지용 다리의 길이와 각도를 조절하여 휠체어가 전복되는 것을 막습니다. 계단의 높이와 폭에 따라서 휠클러스터의 길이와 폭, 바퀴의 지름, 지지 다리의 길이 등 각 요소의 치수가 결정되고, 기구학을 기반으로 적합한 휠클러스터와 지지용 다리의 궤적(trajectory)을 도출하게 됩니다. 이 로봇이 개발된다면 하지 장애인들의 활동 범위가 현저히 확대되어 삶의 질을 높일 수 있을 것입니다. 또한 휠클러스터와 지지 다리를 사용한 모바일 플랫폼을 라스트마일 배송 로봇이나 공사 현장에서의 시멘트 운반 등 화물 이동 로봇에 적용하면 장애물 극복이 가능한 모바일 플랫폼으로써 큰 효과를 볼 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.

▲ 휠클러스트와 지지용 다리를 결합한 계단 극복용 휠체어 로봇

정찰이나 탐색을 위한 소형 모바일 로봇은 주로 바퀴나 트랙, 다리를 주로 이동 수단으로 사용합니다. 하지만 위와 같은 전통적인 이동 수단의 크기에 따라 극복할 수 있는 장애물의 크기가 매우 한정적일 수 밖에 없습니다. 

▲ 투휠 기반의 도약 로봇

이러한 한계를 극복하기 위해 저희 연구실에서는 평지에서의 빠른 이동이 가능한 바퀴와 도약을 통한 장애물 극복 성능이 우수한 다리를 결합한 투휠 기반의 도약 로봇을 연구하고 있습니다. 평지에서는 두 개의 바퀴를 이용하여 밸런싱, 경사로 주행이 가능하고, 계단이나 둔턱과 같은 장애물을 만나면 다리를 캥거루처럼 뻗으면서 도약하여 넘어갈 수 있습니다. 하나의 구동기만으로 엉덩이와 무릎을 동시에 움직일 수 있도록 4절 링크 구조로 다리를 설계하였고, 최적화를 통하여 각 4절 링크의 길이를 도출하였습니다. 또한 도약시 구동기의 필요 부하를 줄이고 착지 시의 충격을 완화하기 위해 탄성체를 무릎에 적용하였습니다. 아직은 기초단계의 연구로써 이제 막 걸음마를 뗀 상태지만 지속적으로 연구를 진행하여 무거운 물체를 얹고서도 주행 및 도약이 자유로운 모바일 로봇을 연구하고자 합니다.

Q. KAIST에서 “Flexible Endoscopic Surgery Robot with High Payload Asymmetric Rolling Joint and Ergonomic Master Device”로 박사 학위를 받으셨는데 어떤 내용인지 소개 부탁 드립니다.

▲ 유연 내시경 수술로봇, K-FLEX2의 개념도

저의 박사학위 주제는 식도, 위, 대장처럼 좁고 구불구불한 장기에서 내시경 수술을 수행하는 유연 내시경 수술 로봇의 핵심 기술인 유연 수술 도구와 인체공학적인 조종장치 연구였습니다. 내시경 수술에서 주로 수행되는 내시경적 점막하 박리술(ESD)과 고난이도 술기인 봉합작업을 수행하기 위해서는 특정한 방향으로 큰 힘을 낼 수 있는 수술 도구가 필요하다는 점에 착안하였습니다. 이를 위해 기존의 대칭형 관절과는 다른 비대칭 구름관절을 이용하여 특정 방향으로 큰 힘을 낼 수 있는 수술 도구 설계 가이드라인과 수술 도구의 강성을 높일 수 있는 방법을 제시하였습니다. 수술 도구의 구동을 위해서는 유연한 와이어와 스프링코일로 텐든 시스 메카니즘(tendon-sheath mechanism)을 이용하였습니다. 또한 비대칭 구름 관절에 의해 발생하는 비대칭 히스테리시스를 보상하기 위해 수술 도구의 굽힘 각도에 따라 구동 와이어의 제어 방식을 바꿀 수 있는 제어 방법을 제시하였습니다. 견인력 실험을 통해 기존의 대칭형 구름 관절을 이용한 수술 도구에 비해 최대 71.9%의 견인력 상승이 확인되었고, 직경 3.4 mm의 수술 도구로 230g의 물체를 들어올릴 수 있음을 검증하였습니다.

▲ 비대칭 구름 관절을 적용한 소형 수술 도구

이와 더불어 유연 내시경 도구를 원격에서 조작하기 위한 직관적이면서 동시에 인체공학적인 조종장치를 개발하였습니다. 영상을 보며 수술 도구를 조작하기 위해서는 직관적인 조종장치가 필수적입니다. 수술 도구와 사람 손목의 자유도와 작업 반경, 관절의 배치를 고려하여 직관적인 조종장치를 개발하였고, 과도한 손목의 꺾임을 방지하기 위해 여자유도를 추가함으로써 인체공학적인 성능을 향상시킬 수 있었습니다. 아이소메트릭(Isometric) 성능 시뮬레이션과 내시경 수술을 모사한 실험을 통하여 제안한 조종장치의 직관성, 인체공학 성능을 정량적으로 평가하였습니다.

▲ 직관적이고 인체공학적인 조종장치

제안한 수술 도구와 조종장치를 유연 내시경 수술 로봇 시스템 (K-FLEX2)으로 통합하였고, 적출한 돼지의 위에서 내시경 술기를 수행함으로써 기존의 내시경 보다 제안한 수술 로봇 시스템이 우수한 성능을 가지고 있음을 검증하였습니다.

▲ 유연 내시경 수술 로봇으로 적출한 돼지 위에서 수행한 내시경 술기

Q. 박사님의 주요 관심 분야가 와이어 구동 메카니즘(Tendon-driven mechanism) 관련 유연 내시경 수술 로봇, 경량 로봇 핸드, 그리고 2륜 로봇 관련해서 바퀴-다리 점핑 로봇, 계단을 오를 수 있는 전기 휠체어 등으로 알고 있습니다. 유연 내시경 수술 로봇 분야의 최신 동향이나 특이사항이 있다면 무엇인지 궁금합니다.

다빈치 수술 로봇으로 대표되는 강체 기반의 복강경 수술 로봇과는 달리 유연 내시경 수술 로봇은 병변으로의 접근성의 어려움으로 인하여 개발 난이도가 상당히 높습니다. 하지만 유연한 수술 로봇은 강체 수술 로봇이 접근하지 못하는 장기, 예를 들어 위, 식도, 대장, 기도, 요도 내부로 접근이 가능하기 때문에 잠재적인 시장은 물론 적응증이 매우 넓다고 할 수 있습니다. 제가 연구했던 소화기용 유연 내시경 수술 로봇의 관점에서 말씀을 드리면, 수술 도구를 좁고 구불구불한 장기 내부로 진입시키기 위해서는 우선 수술 도구 채널과 내시경 카메라를 포함한 오버튜브를 먼저 삽입해야 합니다. 오버튜브를 병변 근처까지 도달시키기 위해서는 경우에 따라 오버튜브를 단단하게 또는 유연하게 강성을 조절하는 기능이 매우 중요합니다. 오버튜브의 채널을 통해서 1m 이상의 길고 가느다란 수술 도구를 삽입하면 와이어 구동 메커니즘의 주요 문제점 중 하나인 와이어와 시스(sheath) 사이의 마찰이 발생하게 되고, 이는 수술 도구의 견인력, 위치 정밀도 등 수술 도구의 성능을 저하시키게 됩니다.

이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 연구의 일환으로 근본적인 마찰력을 감소시키기 위해 진동을 이용하는 연구도 진행되고 있으며, 견인력을 높이기 위해 수술 도구의 독특한 형태의 관절 구조를 개발하기도 합니다. 위치 정밀도를 높이기 위해서 구동 와이어의 장력을 측정 함으로써 수술 도구의 히스테리시스를 예측하거나 내시경 카메라에서 비춰지는 수술 도구의 형상을 학습하여 위치 제어에 활용하는 연구도 활발하게 진행되고 있습니다.

유연 내시경 수술 로봇을 상업화 하기 위해 다양한 연구기관 및 기업에서 노력하고 있지만 그럼에도 불구하고 아직까지 상업적으로 성공한 유연 내시경 수술 로봇은 흔치 않습니다. 해외에서는 메드로보틱스(Medrobotics)의 '플렉스(Flex)', 인튜이티브의 '이온(ion)', 한센메디칼(Hansen Medical)의 '마젤란(Magellan)'이 FDA 승인을 받은 대표적인 유연 내시경 수술 로봇이며, 국내에서는 로엔서지컬의 신장결석 제거용 이지유레테로가 임상시험 이후 상용화를 앞두고 있습니다.

Q. 와이어 구동 메카니즘(Tendon-driven mechanism) 개발시 가장 고려해야 할 사항은 무엇일까요?

와이어 구동 메커니즘은 크게 와이어와 풀리를 이용하는 와이어 라우팅(wire routing) 방식과 와이어와 와이어를 감싸는 시스(sheath)를 이용한 텐든 시스(tendon-sheath) 방식으로 나눌 수 있습니다. 두 구동 메커니즘 모두 와이어의 인장을 반드시 고려해야 합니다. 와이어는 기본적으로 탄성계수를 갖고 있는 탄성체입니다. 와이어가 길어질수록 같은 크기의 장력이나 하중, 마찰에 의해 와이어의 인장량이 증가하게 되고, 이로 인해 와이어의 장력이 낮아지거나 와이어의 처짐(slack)이 발생하게 됩니다. 초기 길이보다 와이어가 인장되면 히스테리시스가 발생하여 와이어 구동 메커니즘의 정밀도가 현저하게 감소하게 됩니다. 특히 와이어 인장의 원인인 마찰력은 구동기에서 발생한 와이어 장력 전달률을 저하시키게 됨으로써, 와이어 구동 메커니즘의 설계 견인력보다 적은 견인력을 발생하게 됩니다. 와이어와 시스 사이의 마찰을 줄이기 위해 톨러런스(tolerance)를 높이게 되면 와이어의 실제 경로와 시스(sheath)의 경로 사이의 오차가 커져서 역시 정밀도가 감소하게 됩니다.

이와 같은 이유 때문에 와이어 구동 메커니즘이 적용된 많은 로봇 플랫폼들이 와이어의 처짐과 낮아진 장력을 정상 상태로 되돌리기 위해 여러 가지 시도들을 하고 있습니다. 와이어의 장력을 측정하여 제어에 적용하거나 다수의 구동기를 사용하는 방법도 있고 탄성체 기반의 장력 보상 장치를 사용하기도 합니다. 이 외에도 다양한 방법들이 연구되고 있습니다.

Q. 로봇을 연구하시면서 가장 어려운 점은 무엇입니까?

어렵다기 보다는 로봇을 연구함에 있어서 매우 중요한 점인데, 로봇은 기계, 전자, 전기, 소프트웨어 등 다양한 분야의 학문이 융합된 기술의 집약체이기 때문에 내가 연구한 분야와 다른 분야의 사람과 같이 협력해야할 일이 매우 많습니다. 많은 경우에 있어서 로봇을 연구하면서 발생한 문제를 해결하기 위한 방법이 어느 한 분야에만 국한되는 경우는 드뭅니다. 이때 각 분야를 담당하는 전문가들과 해결 방안을 고민하고 조율하는 과정이 필수적입니다. 따라서 효과적인 의사소통을 위해서는 내가 잘 알고 있는 전문 분야 뿐만 아니라 다른 분야에 대해서도 어느 정도의 이해를 갖추고 있어야 합니다.

Q. 로봇을 연구하시게 된 동기가 있다면?

어릴 때부터 로봇을 좋아했습니다. TV에서 방영하는 로봇 애니메이션을 보거나 문방구에서 파는 500원짜리 로봇 장난감을 많이 가지고 놀았습니다. 과학상자를 가지고 머릿속으로 생각했던 것을 실제로 눈앞에서 구현하는 것이 취미였고 프라모델이나 레고를 직접 조립하면서 각 관절과 기어들이 맞물려 정교하게 구동되는 것을 보는 것이 마냥 좋았던 것 같습니다. 저에게 로봇은 상상할 수 있는 모든 것을 실제로 눈앞에 구현할 수 있는 멋진 놀이터였습니다. 그러다 보니 자연스럽게 로봇을 연구하고 개발할 수 있는 학과를 선택하게 되었고, 매번 새로운 형태의 로봇을 연구할 수 있는 기회를 얻게 되었습니다. 학부과정에서는 5kg 이하의 이족 보행 휴머노이드를, 석사와 박사 과정에서는 각각 생체모방 도약로봇과 유연 내시경 수술로봇을 연구했습니다. 지금은 그 동안의 연구 노하우를 바탕으로 새로운 구조와 기능을 갖춘 로봇들을 연구하고 있습니다.

▲ 안정도 박사가 취미로 학부~박사학위 까지 개발한 로봇들

Q. KAIST에서 석사 학위 후 LIG NEX1, 전남대 로봇연구소에서 연구원으로 3년여 계셨는데 전남대 계실 때 개발에 참여한 ‘케이블을 이용한 평면형 이동 로봇 연구’에 대한 설명과 어디에 이용 가능한 로봇인지 설명 좀 부탁 드립니다. 

이 로봇은 우주정거장이나 대형 인공위성, 월면 등에 설치될 태양광 패널과 같이 면적이 수십 제곱미터 이상으로 충분히 큰 작업공간을 필요로 하는 작업을 위한 경량 우주 로봇의 개발을 위한 기초연구를 수행하는 것을 목표로 개발되었습니다. 넓은 작업공간을 가지면서도 초경량 구조를 구현하기 위하여, 4개의 케이블이 병렬형으로 연결되어 모바일 형태로 제어되는 케이블 기반 병렬형 로봇입니다. 지상에서의 실험을 위해 4개의 옴니휠을 이용해서 태양 전지판 상부를 이동할 수 있으며, 태양 전지판의 네 귀퉁이에 케이블 자동 설치 유닛을 설치하여 4개의 케이블을 모바일 로봇에 연결합니다. 이때, 각각의 옴니휠과 케이블 구동 드럼은 톱니형 클러치를 이용하여 동력 전달을 스위칭 할 수 있습니다. 모든 케이블이 연결된 이후에는 빠르고 정밀한 이동이 가능한 케이블 병렬형 로봇의 장점을 살려서 태양광 패널 상부를 이동하게 됩니다. 일반적인 형태의 케이블 기반 병렬형 로봇은 케이블의 길이와 장력을 제어하는 구동기와 드럼을 모바일 플랫폼 외부 구조물에 설치해야 하고 이에 따라 모바일 플랫폼의 작업 영역의 크기가 결정됩니다. 하지만 이 연구에서는 구동기와 드럼이 모바일 플랫폼에 장착되어 있기 때문에 단순한 구조의 케이블 자동 설치 유닛의 위치만 변경한다면 얼마든지 작업 영역의 크기를 바꿀 수 있는 장점이 있습니다.

▲ 태양광 패널 청소를 위한 케이블 기반 병렬형 로봇

Q. 로봇 연구자로서 앞으로의 꿈과 목표가 있다면?

저는 사람을 이롭게 하는 로봇을 연구하고 싶습니다. 사람의 구조적, 감각적, 기능적 한계를 극복할 수 있도록 도와주는 로봇은 사람이 할 수 있는 작업의 영역을 넓혀 줄 수 있습니다. 사람이 하기 위험한 작업을 대신해 줄 수 있는 로봇은 사람의 생명과 건강을 지켜줄 수 있습니다. 저는 사람과 함께 협동하여 작업을 수행하더라도 안전하면서 작업 효율은 더욱 높아질 수 있는 로봇, 사람과 일상생활을 함께 영위할 수 있는 로봇을 연구하는 것이 저의 목표입니다.

Q. 로봇공학자가 되려는 후배들에게 어떤 준비와 노력이 필요한지 조언해 주신다면?

앞에서도 언급하였지만 로봇은 다양한 분야의 학문이 융합된 기술의 집약체입니다. 사람마다 관심 분야와 적성이 다르듯이, 로봇에도 정말 다양한 분야의 전문가가 필요합니다. 로봇공학자의 길을 목표로 삼았다면, 자기 분야의 전문가가 되도록 꾸준히 노력하는 것뿐만 아니라 다른 분야 전문가들과의 협업과 의사소통 능력도 갖추어야 합니다. 고리타분할 수도 있는 이야기이지만 자신만의 신념을 지키는 것과 마찬가지로 다른 사람의 의견에도 귀를 기울이는 것이 중요하다고 말씀드리고 싶습니다.

Q. 국내 로봇산업이 한 단계 더 발전하기 위해 혹시 조언해 주실 말씀이 있다면...

차세대 로봇 기술은 4차 산업혁명의 한 축을 담당하는 핵심 기술로써, 대한민국의 로봇 기술이 세계를 선도하기 위해 반드시 필요한 분야라고 생각합니다. 하지만 10년 넘게 로봇을 연구해 오면서 꾸준히 드는 생각은 ‘왜 우리 주변에서는 로봇을 볼 수 없는가, 왜 로봇은 만년 유망 기술인가’입니다.

물론 자동차 조립 공장과 같이 이미 오래전부터 로봇이 투입되고 발전되어온 산업 분야에서는 로봇의 도입으로 인한 효과가 충분히 검증되고 있습니다. 하지만 우리의 일상생활로 눈을 돌리면 로봇 청소기나 서빙 로봇 정도의 로봇밖에 볼 수 없습니다. 국내의 여러 우수한 연구 기관과 대학원의 연구실에서 로봇을 개발하고 뛰어난 요소기술들을 연구하고 있지만, 이를 제품화 단계인 TRL7 이상으로 기술을 고도화하여 사업화에 성공한 사례는 아직까지 찾기 힘든 것 같습니다.

연구가 목적인 로봇 개발과는 달리 사업화를 위한 로봇 개발은 산업계 전반의 축적된 기술 노하우와 많은 자본의 투자가 필요하다고 생각합니다. 지금도 매년 산학연 연계 사업이 기획되고 수행되고 있지만 보다 적극적인 지원과 관심이 필요하다고 생각합니다. 그래야만 연구실 규모의 로봇 기술이 일회성/단기성 연구로 끝나는 것이 아니라 제품으로 개발되어 소비자에게 전달될 것이고, 소비자와 사회로부터의 피드백은 로봇의 성능과 기능 향상을 위한 귀중한 밑거름이 될 것입니다.

Q. 연구에 주로 영향을 받은 교수님이나 연구자가 계시다면...

이루 다 말씀드릴 수 없을 정도로 많은 분들의 지도와 응원에 힘입어 제가 지금 이 자리에 서 있을 수 있다고 생각합니다. 저는 박사과정 지도교수님이신 KAIST 권동수 교수님께 가장 많은 영향을 받았습니다. 교수님께서는 늘 “책상 위에서 수식만 끄적거려서는 세상을 바꿀 수 없다”고 말씀하셨습니다. 이 표현이 다소 날 것으로 들릴 수도 있지만 실제로 우리 삶에 도움이 될 수 있는 실용적인 연구를 할 수 있도록 이끌어 주셨고, 여전히 제가 연구를 함에 있어서 중요하게 생각하고 있는 기준입니다.

▲ KAIST 권동수 교수님 연구실 (TCL)

또한 이 자리를 빌어 석사과정 지도교수님이신 KAIST 김수현 교수님과 학부과정 지도교수님이신 한국기술교육대학교 이상순 교수님께도 감사 인사를 드리고 싶습니다. 

▲ (좌) KAIST 김수현 교수님 연구실 (MSC), (우) 한국기술교육대 이상순 교수님 연구실 (CAE)

김수현 교수님께는 단순히 지식을 쌓는 것이 아니라 문제를 어떻게 정의하고 해결해 나가는 지를 배울 수 있었고, 이상순 교수님께는 “없을수록 베풀어라”는 말씀처럼 성숙한 삶의 자세를 배울 수 있었습니다.