* 자료 : WKP Machines Co. www.wkpcom.co.kr
* 글 : 브라이언 룩스

“어떻게 하면 기계가 조금이라도 더 인간처럼 느끼고 행동할 수 있을까?”

이 같은 질문에서 출발한 Barrett Hand와 WAM은 지금 세계 곳곳의 수술실에서, 또 원자로 등에서 인간과의 조화로운 어울림을 구현한다.

가장 자연스럽게 인간환경에 적응하고 있는 WAM. 이 로봇 암의 국내 판매자인 WKP Machines Co.의 자료를 통해 WAM 로봇의 개발과정과 특징을 알아보자.

_바렛 WAM 로봇
WAM`s beginning

1950년대 후반 수압의 힘을 이용한 세계 최초의 로봇 Unimate가 선보였다.

이 로봇은 위험하거나 불쾌한 환경에서 일하는 노동자를 대신하기 위해 개발되었다.

또한 크고 파워풀 해 생산 공장에서는 문제가 없었지만 위험했기에 인간과 함께 하는 환경에서는 펜스를 이용해 작업자를 보호했다.

이는 로봇이 아직 사무실이나 호텔, 집, 병원 등에서는 함께 할 수 없다는 것을 의미한다.

만약 이것을 가능케 하려면 인간과 안전하게 조화될 수 있는 완전히 새로운 콘셉트의 로봇이 필요했다.

이 이야기는 약 20년 전 MIT의 한 연구원이 본질적으로 안전한 로봇이 있는지 없는지 디자인 방법론을 연구한 로봇기술의 원리를 조사했을 때의 시나리오다.

목적은 보다 안전하게 사람 및 환경에 어울려 인간과의 상호작용이 가능한 로봇이었다.

이 프로젝트의 결과는 암 매니퓰레이터(WAM, 이하 WAM)로 나타났다. WAM 암은 계속 업그레이드되었고, 바렛 테크놀로지에 의해 상업적으로 성공할 수 있었고, 캠브리지(매사추세츠)에 거점을 두고, 「WAM」이라는 브랜드로 판매되기 시작했다.

WAM 암의 디자인 방법론은 전통적인 제조용 로봇과는 차이가 있다.

제조용 로봇은 엔드이펙터 위치를 컨트롤할 때 그 이펙터와 환경이 경험할 힘에 대한 고려 없이 설계된다.

이와 달리 WAM 암은 본질적인 힘과 접속 토르크 제어로 설계되고 있다.

이는 전체 암 위에 있는 힘 센서에 의해 가능하게 한다.

Backdrivability

WAM 암과 기존 로봇의 가장 중요한 차이 중 하나는 고유의 오픈루프(Open-loop) ‘backdrivability’이다.

이는 출력 힘이 엔드이펙터에 전해질 때 드라이브 모터로 어느 정도 정확하게 재생할 것인가에 대한 측정이다.

좋은 backdrivability는 조작자가 엔드이펙터를 움직이는 것으로 암을 조종할 수 있게 한다.

그것이 이음새에 의해 폐루프(Closed-loop) backdrivable 장치가 변환되지 않으면 위치와 컨트롤 등이 불가능해 로봇이 센서를 인식하거나 잡는 등의 동작을 할 수 없다.

이러한 사실은 조작자의 안전문제를 제기하게 한다. 하지만 원래 안전한 WAM은 드라이브 모터 코일에서 전류를 측정함으로써 절대로 일어나지 않는다.

좋은 backdrivability의 완성은 MIT에서 일하고자 하는 WAM의 ‘원동력’ 중 하나였다.

그것은 로봇/매니퓰레이터의 컨트롤을 통해 힘을 제어하는 능력과 함께 인간과 함께 일하면서 조작자를 더 안전하게 리드하는 모습을 보여주었다.

그러나 기존의 로봇은 기어로 작동되기에 마찰을 줄이기 위해서는 기어 사이 맞물림을 느슨하게 해야 하는데, 이는 증가하는 백래쉬의 정도를 줄이게 된다.

거의 모든 기계에는 볼 스크루, 하모닉 기어 등의 트랜스미션에서 마찰과 백래쉬의 교환이 일어나는데, 이 같은 교환이 일어나지 않는 1개의 트랜스미션은 케이블이나 테이프를 이용하는 방법이 있다.

Cable transmission

케이블 트랜스미션 드라이브는 기어가 맞물릴 때 이동하는 움직임과 관계없이 깨끗하게 회전해 백래쉬가 없다.

이 같은 제로 백래쉬와 낮은 마찰이라는 특성은 완전한 케이블과 실린더 트랜스미션으로 작동하는 로봇 암을 설계하고자 하는  MIT의 연구자의 관심을 모았다.

케이블 트랜스미션은 신뢰성과 당면한 몇 가지 중요한 기술문제로 인해 최고의 평판을 받지 못했고, 로봇 드라이브에 있어서는 특히 그러했다.

그러나 MIT의 연구자는 이러한 장애들을 극복하고 케이블과 실린더 로봇 트랜스미션 장치를 위해 정밀한 디자인을 개발했고, 이 기술을 WAM 암 설계에 적용했다.

그리고 그것은 1988년 윌리엄 타운젠트(William Townsend)에 의해 설립된 바렛테크놀로지(Barrett Technology)의 기초가 되었다.

그는 MIT에서 WAM 프로젝트를 진행하던 오리지널 팀 중 하나였다.

결국 바렛은 4자유도의 WAM 암에 3자유도를 갖는 손목을 더해 7자유도를 갖는 WAM 암을 시장에 선보였다.

4자유도 WAM 암은 로터리를 기본으로 2자유도 견관절(Shoulder Joint) 및 위쪽 팔과 팔꿈치를 완성했다.

손목 축은 가벼운 세라믹으로 싸여진 1mm 스틸 케이블과 희토(稀土) 브러시리스의 고 토르크 관성비의 서보모터를 기본으로 만들어졌다(Townsend and Guertin, 1999).

암을 위한 모터는 관성을 최소로 하기 위해 어깨 높이로 장착됐지만, 7자유도 버전의 손목 모터는 팔꿈치에 의한 케이블 움직임을 위해 아래팔뚝에 장착됐다.

WAM의 낮은 관성과 마찰을 위해 모터의 사이즈는 더 작게 하고, backdrivability도 최소화시켰기 때문이다.

기본적인 WAM 암은 운동학적으로 필요한 기능을 넘치게 제공했던 기존의 3자유도(손목과 있는 6자유도)의 명확한 암 로봇과 달리 4자유도로만 디자인되었다.

WAM은 기존 로봇과 다르게 각각의 조인트가 제어되었기에 어떤 위치에서도 다양한 자세로 임할 수 있기 때문이다.

이것은 프로그래머가 마지막 위치와 팔꿈치 양쪽 자세 모두를 설정할 수 있게 한다.

실례로 암을 제한된 구멍으로 또는 접근하기 쉽지 않은 곳의 물건을 조준선 안으로 옮긴다.

프로그래머가 엔드포인트를 제어하는 것만으로 외부접촉에 한층 더 안전하고 조용히 구조를 따르게 되는 것이다.

이는 WAM 암 전체 기능을 그대로 보여준다.