- 직조 구조를 모방한 소프트 로봇 그리퍼 개발
- 소프트 로봇 그리퍼의 우수한 성능·경제성·공정 효율성 모두 확보
[그림 1] 직조 구조의 그리퍼 구상도
[그림 2] 그리퍼의 동작 모습 및 성능
[그림 3] 직조 구조의 그리퍼와 소프트 그리퍼, 강체 그리퍼의 그리퍼 무게 대비 페이로드(로봇이 들어올릴 수 있는 최대 무게) 비교
천, 종이, 실리콘과 같은 부드럽고 유연한 소재를 활용해 만든 소프트 로봇 그리퍼(Gripper 일반적으로 물건을 붙잡거나 움직이는 데 사용되는 기계적인 장치)는 로봇의 손처럼 동작해 물체를 안전하게 잡거나 놓는 등의 기능을 수행하는 필수 장치이다. 기존의 강성 재료 그리퍼와 달리 유연성과 안전성이 높아 계란과 같이 깨지기 쉬운 물체를 다루는 가사용 로봇이나 다양한 형태의 물건을 운반해야 하는 물류용 로봇을 위해 연구되고 있다. 하지만 적재 용량이 낮아 무거운 물체를 들어올리기가 어렵고, 파지(grasping) 안정성이 떨어져 약한 외부 충격에도 물체를 놓치기 쉬웠다.
한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 지능로봇연구단 송가혜 박사 연구팀은 한국과학기술원(KAIST, 총장 이광형) 항공우주공학과 이대영 교수팀과 함께 130g의 소재로 100kg 이상의 물체를 파지할 수 있는 직조 구조의 소프트 그리퍼를 공동 개발했다고 밝혔다.
연구팀은 소프트 로봇 그리퍼의 적재 용량을 높이기 위해 새로운 소재를 개발하거나 구조를 보강하는 기존 방식과 달리 직물에서 착안한 새로운 구조를 적용했다. 연구팀이 주목한 직조 기술은 낱개의 실을 단단히 얽어 견고한 직물을 만드는 기술로, 무거운 물건을 안정적으로 지지할 수 있어 수 세기에 걸쳐 의류, 가방 및 산업용 직물 등에 활용되고 있다. 연구팀은 얇은 PET플라스틱(상대적으로 밀도가 높은 폴리에스터 수지로 결정성 또는 비결정성 열가소성 플라스틱) 띠들이 직조 구조로 얽히고 풀어질 수 있도록 설계해 그리퍼를 제작했다.
이렇게 제작된 직조 구조의 그리퍼는 130g의 무게로 100kg의 물체를 파지할 수 있다. 같은 무게의 기존 그리퍼는 최대 20kg 이내를 들어 올릴 수 있었고, 동일한 무게를 들어 올릴 수 있었던 그리퍼는 무게가 100kg에 달하는 점을 고려했을 때 자체 무게 대비 적재 용량을 월등히 증가시키는 데 성공했다.
또한, 연구팀이 개발한 소프트 로봇 그리퍼는 재료 단가가 수천 원에 불과한 플라스틱을 사용하며, 다양한 형상과 무게의 물체도 파지가 가능한 범용 그리퍼로 활용할 수 있어 높은 가격 경쟁력을 가지고 있다. 뿐만 아니라 플라스틱 띠를 체결하는 방식만으로 소프트 로봇 그리퍼의 제작이 완료되기 때문에 제작공정이 10분 이내로 간단하고 교체 및 유지보수도 쉬워 공정 효율성이 뛰어나다.
한편, 연구팀이 주재료로 활용한 PET 외에도 탄성을 보유한 고무 및 화합물 등의 다양한 재료로도 제작할 수 있어 강한 파지 성능이 필요한 산업 및 물류 현장이나 극한 환경을 견뎌야 하는 다양한 환경에 적합한 그리퍼를 맞춤 제작, 활용할 수 있다.
KIST 송가혜 박사는 “이번에 개발된 직조 구조의 그리퍼는 소프트 로봇의 강점이 있으면서도 강성 그리퍼 수준으로 무거운 물체를 움켜쥘 수 있다. 또한, 동전부터 자동차까지 다양한 크기로 제작할 수 있으며, 얇은 카드부터 꽃에 이르기까지 여러 가지의 형태와 무게의 물체를 파지할 수 있어 소프트 그리퍼를 필요로 하는 산업, 물류, 가사 등의 분야에서 활용 가능할 것으로 기대된다"라고 밝혔다.
본 연구는 과학기술정보통신부 (장관 이종호) 지원으로 KIST 주요사업과 한국연구재단 기초연구사업(2022R1C1C1003718), 해외고급과학자 초빙사업(NRF-2020H1D3A2A03099291), 기초연구실지원사업(NRF-2020R1A6A3A01099512)을 통해 수행됐다. 연구 결과는 국제학술지 ‘Nature Communications’ (IF:16.6, JCR 분야 상위 8.2%)에 8월 2일 게재됐으며 분야별 최고의 50개 논문을 소개하는 Editors’ Highlights에 선정됐다.
용어 설명
1. 소프트 로봇
소프트 로봇(Soft Robot)은 유연한 소재를 활용하여 제작하는 로봇으로써 강체 로봇과는 달리 가볍고 유연하며 적응성이 매우 뛰어나다는 특성을 가지고 있다. 따라서 소프트 로봇은 다양한 환경과 물체에 적응하여 작업을 수행하기 위해 주로 연구되고 있다. 이 소프트 로봇은 구동되기 위하여 내부에 압축 공기나 액체를 주입하여 팽창 및 수축을 활용하는 방법, 특수 소재를 활용하여 환경 변화에 따라 형상을 바꾸는 방법 등 다양한 작동 방식을 활용한다. 다양한 모양과 크기로 제작할 수 있고, 자유도가 높아 상호작용이 필요한 작업이나 협업 로봇에서 특히 유용하게 사용된다. 연구와 기술의 발전에 따라 더욱 다양하고 실용적인 응용 분야에서 소프트 로봇이 사용될 것으로 예상된다.
2. 그리퍼
그리퍼(Gripper)는 로봇이나 자동화 시스템에서 물체를 파지하는 장치를 말한다. 그리퍼는 로봇이 다양한 작업을 수행하기 위해 물체를 적절히 다룰 수 있도록 도와주는 중요한 부품 중 하나로, 다양한 형태와 기능을 가지며, 파지 대상에 따라 다양한 종류의 그리퍼가 사용된다.
3. 페이로드
페이로드(Payload)란 어떤 운송 수단(로봇, 드론, 우주선 등)이 수송하거나 운반하는 물체, 물질, 부품 또는 기타 하중을 말한다. 즉, 이동하는 시스템이 운반하는 실질적인 적재물을 가리킨다. 그리퍼에서 말하는 페이로드는 그리퍼가 작업을 수행하는 동안 운반하거나 다룰 수 있는 물체의 최대 하중을 의미한다.
