안녕하세요 여러분, 휴머노이드 로봇이 사람을 위해 만들어진 공간에서 비틀거리며 돌아다니는 투박하고 어색한 기계처럼 느껴지지 않는 이유가 궁금하다면, 부드러운 움직임의 가장 알려지지 않은 영웅 중 하나인 관절 부분을 분석해 보겠습니다. 휴머노이드 로봇 관절 부품 공급업체로서 나는 첨단 서보나 멋진 AI 두뇌에 집착하는 로봇 제작자, 애호가, 엔지니어들과 매일 이야기를 나누고 모든 것이 인간과 함께 작동하도록 만드는 작고 인체공학적인 비트에 대해 잠을 잔다. 이러한 관절이 답답한 교과서 전문 용어가 아닌 로봇의 유용성, 안전성 및 전반적인 분위기를 어떻게 형성하는지에 대한 핵심을 살펴보겠습니다.
우선, 로봇 관절의 '인체공학적 측면'이란 무엇일까요? 휴머노이드의 경우 이는 모든 단일 관절(어깨, 팔꿈치, 손목, 엉덩이, 무릎, 발목)이 인간의 신체가 움직이는 방식을 모방해야 하지만 상호 작용하기에 안전해야 함을 의미합니다. 생각해 보십시오. 로봇의 팔꿈치 관절이 이상한 각도로 튀어나오거나 어린이가 그림을 긁을 만큼 날카롭다면 문제가 됩니다. 누군가 도움을 청할 때 무릎 관절이 갑자기 잠기면 위험합니다. 여기서 인체공학은 로봇을 인간처럼 보이게 만드는 것뿐만 아니라 인간 공간에 반대하는 것이 아니라 인간 공간과 함께 작동하는 부품을 설계하는 것입니다.
이동 범위부터 시작하겠습니다. 왜냐하면 이것이 첫 번째 인체공학적 검사이기 때문입니다. 인간은 각 관절마다 특정 범위의 동작을 가지고 있습니다. 어깨는 360도(거의) 회전하고, 팔꿈치는 180도 구부러지고, 무릎은 한 방향으로만 구부러집니다. 그렇죠? 휴머노이드 로봇 관절은 이에 맞춰야 하지만 지나치게 범위를 벗어나면 안 됩니다. 범위가 너무 넓으면 흔들리고 불안정한 움직임이 발생합니다. 노인 간호용 로봇을 만든 고객이 원래 무릎 관절이 90도만 구부러졌다고 말했는데, 앉은 노인과 같은 높이로 무릎을 꿇도록 프로그래밍하려고 했으나 실패했습니다. 바로 여기에서 올바른 조인트 디자인이 필요합니다. 우리는 기성 부품만 판매하는 것이 아닙니다. 우리는 로봇이 초과하거나 성능이 저하되지 않도록 제작자와 협력하여 범위 제한을 조정합니다. 예를 들어, 어깨 관절에는 인간과 같은 최대치에 도달하기 전에 회전을 멈추는 토크 제한 장치가 내장되어 있어 관절 손상과 근처 사람과의 우발적인 충돌을 방지합니다.
다음으로 힘 민감도는 로봇이 인간 주위에 있을 때 인체공학의 핵심인 안전에 큰 영향을 미칩니다. 인간의 피부는 압력을 느낄 수 있으므로 유리잔을 만지거나 누군가를 껴안을 때 우리 몸은 우리가 사용하는 힘의 정도를 자동으로 조정합니다. 로봇에게도 같은 감각이 필요하지만, 로봇의 관절은 이를 경직되지 않고 부드러운 움직임으로 변환해야 합니다. 휴머노이드가 어린이에게 책을 건네준다고 가정해 보겠습니다. 팔꿈치 관절에 힘 센서가 없으면 책을 너무 꽉 쥐거나 팔을 빠르게 휘둘러 램프를 넘어뜨릴 수 있습니다. 당사의 관절 부품은 로우 프로파일 토크 및 힘 센서를 관절 축에 바로 통합하므로 로봇이 실시간으로 움직임을 조정할 수 있습니다. 우리는 아이들이 코딩 연습을 위해 로봇을 집어 들고 팔을 움직이는 교육용 소형 휴머노이드 로봇에서 이것이 성과를 거두는 것을 보았습니다. 인간의 손길을 느낄 때 관절이 움직이지 않기 때문에 아무도 다친 적이 없습니다.
그런 다음 관절 자체의 물리적 적합성이 있습니다. 왜냐하면 실제로는 인간보다 두 배나 많은 공간을 차지하는 부피가 큰 로봇을 원하지 않기 때문입니다. 여기서 인체공학이란 휴머노이드의 프레임에 맞는 작고 유선형의 관절을 의미하므로 출입구를 탐색하거나 소파에 앉거나 사람처럼 선반에 닿을 수 있습니다. 그 중 가장 큰 부분은 우리가 사용하는 재료입니다. 잠깐만요, "재료? 그건 인체 공학이 아니라 로봇 공학이죠"라고 생각할 수도 있겠지만 제 말을 들어보세요. 값싸고 무거운 금속으로 조인트를 만들면 로봇 전체가 무거워져 균형이 무너지고 움직이기 어려워집니다. 그렇기 때문에 우리는 건축업자와 협력하여 사용 사례에 따라 올바른 재료를 선택합니다. 예를 들어, 좁은 소매 공간에서 작업하는 로봇은 더 가볍고 내구성이 뛰어난 부품의 이점을 누릴 수 있습니다. 강도를 희생하지 않고 전체 장비를 슬림하게 유지하는 CNC 기계 로봇 암 링크와 같은 경량 구조 비트와 조인트 어셈블리를 결합하는 것도 권장합니다. 물류를 위해 더 무거운 품목을 들어올려야 하는 로봇의 경우(여전히 창고 작업자 주위에서 작업함), 우리는 높은 토크의 강철 합금 조인트를 사용하지만 가장자리를 부드럽게 하기 위해 플라스틱 로봇 쉘과 같은 더 가볍고 유연한 커버와 결합합니다. 말하자면, 이러한 커버는 단지 외관만을 위한 것이 아닙니다. 관절의 둥글고 날카롭지 않은 가장자리는 실수로 절단될 위험이 적다는 것을 의미하며 이는 순수한 인체공학적 디자인입니다.
또한 건축업자와 최종 사용자 모두에게 인체공학적으로 큰 이점이 되는 모듈성에 대해서도 이야기하고 싶습니다. 어떻게? 관절이 파손된 경우 로봇 전체를 교체할 필요 없이 결함이 있는 부품만 교체하면 됩니다. 이는 수리에만 편리한 것이 아닙니다. 이를 통해 건축업자는 로봇의 디자인을 조정할 수 있습니다. 예를 들어, 대학 로봇 공학 팀은 기본 무릎 관절로 시작한 다음 나중에 달리기용으로 업그레이드할 수 있습니다(다리 어셈블리 전체를 재구성하지 않고도 더 높은 토크의 모듈형 무릎 관절로 교체할 수 있음). 또한 모듈식을 사용하면 로봇의 움직임을 더 쉽게 보정할 수 있어 모든 관절이 실제 인간처럼 동기화되어 작동하도록 보장합니다. 모듈식 조인트가 표준 로봇 액세서리 허브에 연결되어 처음부터 모든 것을 배선할 필요가 없기 때문에 팀이 테스트 시간을 수개월 절약하는 것을 확인했습니다.
잠깐만요, 제가 흔히 저지르는 실수에 대해 좀 더 자세히 알아보겠습니다. 많은 새로운 로봇 제작자는 관절이 전체 휴머노이드 시스템과 어떻게 상호 작용하는지 생각하지 않고 최대 토크, 속도, 가격 등 사양에 중점을 둡니다. 예를 들어, 무거운 물건을 들어올리는 데 적합한 관절은 너무 많이 진동하여 로봇의 머리(탐색용 센서가 있음)를 흔들리게 만들어 로봇이 사람의 얼굴을 인식하거나 방을 탐색하기 어렵게 만들 수 있습니다. 로봇의 움직임이 강하더라도 환경과 원활하게 상호 작용할 수 없기 때문에 이는 인체 공학적 실패입니다. 우리의 조인트는 진동 감쇠 장치가 내장되어 설계되었으므로 로봇의 다른 시스템을 방해하지 않습니다. 또 다른 실수? 체중분배를 무시합니다. 로봇의 고관절이 너무 무거우면 서 있는 것만으로도 더 열심히 일해야 하므로 배터리 수명이 소모되고 느리게 움직입니다. 우리는 건축업자가 몸 전체에 걸친 관절의 무게 균형을 유지하여 각 부분이 다른 부분에 반대되는 것이 아니라 함께 작동하도록 돕습니다.
그리고 노인이나 어린이와 같이 취약한 사람들과 상호 작용하는 로봇의 경우 인체 공학적 측면이 추가되었습니다. 바로 접근성입니다. 휠체어를 사용하는 사람을 돕기 위해 설계된 휴머노이드는 팔걸이에 접근하고, 낮은 테이블에서 간식을 들고, 거동이 불편한 사람이 따라갈 수 있을 만큼 천천히 움직여야 합니다. 이는 관절이 너무 빨리 움직일 수 없고, 정확해야 하며, 너무 크거나 짧지 않은 프레임에 맞아야 함을 의미합니다. 맞춤형 조인트 세트를 사용하면 제작자가 이동 범위와 속도 설정을 조정할 수 있으므로 로봇을 특정 사용 사례에 맞게 조정할 수 있습니다. 우리는 치매 노인을 위한 반려 로봇을 제작한 소규모 팀과 협력했습니다. 그들은 손목 관절을 조정하여 알약을 전달할 때 천천히 부드럽게 움직이도록 하고, 팔꿈치 관절이 약한 그립을 감지하면 움직이지 않도록 조정하여 노인이 물건을 떨어뜨리는 것을 방지했습니다.
이제 재료에 대해 다시 이야기해 보겠습니다. 재료는 모든 것과 관련되어 있기 때문입니다. 우리는 모든 조인트에 하나의 재료를 사용하는 것이 아니라 작업에 맞게 재료를 사용합니다. 예를 들어 많이 움직이고 스트레스를 받는 어깨 관절은 내구성이 필요하므로 고급 합금강을 사용합니다. 걸을 때 충격을 받는 다리 아래쪽 관절에는 알루미늄과 경량 복합 소재를 혼합하여 사용하여 힘을 견디면서도 무게를 낮게 유지합니다. 우리는 항상 건축업자에게 관절을 보완하는 구조적 지지대를 제공하는 알루미늄 로봇 섀시 및 스테인레스 스틸 금속 로봇 부품 페이지를 안내합니다. 예를 들어 견고한 섀시와 결합된 무릎 관절은 다리 전체를 더욱 안정적으로 만들고 흔들리는 움직임이 없습니다. 조인트 커버와 같이 사람과 접촉하는 외부 부품에는 피부를 긁지 않는 식품 안전하고 자극이 없는 플라스틱을 사용합니다. 이는 의료 환경에서 어린이나 사람과 상호 작용하는 로봇의 핵심입니다.
잠깐, 제가 항상 받는 질문에 대해 말씀드리겠습니다. "일반 로봇 관절과 인체공학적 인간형 관절의 차이점은 무엇입니까?" 일반 로봇 조인트는 공장에서 속도, 정밀도 및 무거운 물건을 들어올릴 수 있도록 제작되었습니다. 공장에는 안전 케이지가 있기 때문에 작업자와 부딪히더라도 상관하지 않습니다. 인간형 관절? 정확성과 안전성, 이동 범위와 안정성, 강도와 무게의 균형을 맞춰야 합니다. 그렇기 때문에 관절의 모든 부분은 인간의 상호 작용을 염두에 두고 설계되어야 합니다. 관절이 얼마나 부드럽게 회전하는지(갈라짐이나 갑작스러운 움직임 없이)와 같은 작은 세부 사항조차도 로봇이 실제 사람처럼 더 자연스럽게 느껴집니다. 부서진 장난감처럼 움직이는 로봇과 악수하고 싶은 사람은 아무도 없습니다. 인체공학적 관절 덕분에 상호 작용이 원활하게 느껴집니다.
많은 로봇 제작자가 기술 발전에 주력하고 있다는 것을 알고 있지만 때로는 가장 중요한 혁신은 로봇이 스스로 작동하는 것이 아니라 사람을 위해 작동하도록 만드는 것입니다. 다음번에 직관적이고 무섭거나 투박한 느낌이 없는 휴머노이드 로봇을 보게 된다면 자세히 살펴보세요. 로봇의 관절은 제가 말하는 인체공학적 원리에 따라 설계되었을 가능성이 높습니다. 그것들은 단지 금속이나 플라스틱 조각이 아닙니다. 로봇이 무릎을 꿇고 아이와 대화를 나누고, 컵을 흘리지 않고 건네주고, 램프를 넘어뜨리지 않고 거실을 돌아다닐 수 있는 이유도 바로 이 때문입니다.
휴머노이드 로봇을 제작 중이고 성능, 안전 및 인체공학적 측면의 균형을 갖춘 관절 부품이 필요한 경우 당사에 연락하여 프로젝트에 대해 이야기하십시오. 표준 모듈식 조인트가 필요하든 특정 사용 사례에 맞게 맞춤 설계된 조인트가 필요하든 관계없이 올바른 구성 요소를 선택하도록 도와드릴 수 있습니다. 우리는 취미 팀부터 산업 파트너까지 모든 사람과 협력하므로 프로젝트가 너무 크거나 작지 않습니다.
참고자료
- 국제표준화기구(ISO). "로봇 및 로봇 장치 - 휴머노이드 로봇에 대한 안전 요구 사항" ISO 13482:2014.
- Vukobratović, M. 및 Potkonjak, V. "휴머노이드 로봇: 모델링 및 제어의 기초" Springer, 2013.
- Ryu, J. 및 Kim, W. "안전한 인간-로봇 상호작용을 위한 힘 제어: 검토" IEEE Transactions on Robotics, vol. 32, 아니. 3, 2016, pp. 515-533.
- Zhang, L. et al. "가정 보조 응용 분야를 위한 인간형 로봇 관절의 인체공학적 설계" 2020 IEEE 로봇공학 및 자동화 국제 회의(ICRA) 간행물, 2020, 페이지 5678-5684.
