인간의 초능력 꿈을 실현해주는 외골격 로봇

  • 2018-10-10
  • 글 | 루디 라모스(Rudy Ramos) / 마우저 일렉트로닉스(Kr.mouser.com)




어릴 적 누구나 한 번쯤은 초능력을 꿈꿔 봤을 것이다. 엄청난 힘이나 놀라운 지구력을 갖고 싶다는 꿈도 있을 것이다. 신체를 자유롭게 움직이지 못하는 사람이라면 전처럼 다시 자유롭게 움직이고 싶다는 꿈을 꿨을 수도 있다. 말 그대로 이처럼 꿈같은 일들이 이미 현실이 되고 있다. 초스피드 인간을 보는 것도 그리 먼 일이 아니다.

이 모든 것을 가능하게 하는 것이 이른바 ‘외골격 로봇(robotic exoskeleton)'이다. 외골격은 보통 금속이나 다른 내구성이 강한 소재로 만들어지며, 신체에 착용해 마치 내 몸처럼 움직일 수 있다. 중요한 차이는 외골격 로봇은 엄청난 힘과 정확성, 속도로 그러한 일을 할 수 있다는 것이다.
외골격 로봇으로 달성할 수 있는 이런 현실적인 초능력에는 어떤 것들이 있는지 살펴보자.



외골격 로봇의 도움을 받으면 사람은 자기 몸무게의 몇 배나 되는 물건을 들어올릴 수 있다. 이러한 능력은 구조대원들이 구조나 복구 활동에서 붕괴된 건물에 깔린 사람들을 구조할 때 유용하게 활용된다. 고도로 훈련된 착용자와 결합된 외골격 로봇은 우수한 제어 능력과 강력한 힘을 통해 재난 현장에서 기존 중장비보다 더 효과적으로 임무를 수행할 수 있다.

지구력

사람과 달리, 외골격 로봇은 쉽게 피곤을 느끼지 않는다. 따라서 같은 일을 긴 시간 동안 반복할 수 있다. 또한 장비의 무게는 거의 느껴지지 않는다. 외골격 로봇을 착용하면, 중장비를 사용하는 작업을 로봇을 입지 않았을 때보다 더 오랫동안 수행할 수 있다.

외골격 착용자는 더 큰 장비를 사용하여 더 빨리 작업을 마칠 수 있으며, 외골격이 제공하는 정밀한 제어를 통해 보다 정확하게 작업을 수행할 수 있다.

외골격 로봇은 프로그래밍이 가능하기 때문에 외골격이 특정 작업을 수행하도록 훈련시켜 일을 맡기고 사람은 이 로봇이 제대로 임무를 수행하는지 감독할 수도 있다. 또 다른 방식으로는, 한 팀의 로봇이 다양한 작업을 수행하도록 감독하면서 전문지식이 필요한 주요 지점에서만 사람이 개입할 수도 있다.

속도

외골격 로봇의 작업 속도는 인간 신체에서 가능한 수준으로 제한할 필요가 없다. 망치질이나 절삭 같은 반복 동작은 속도를 크게 높일 수 있다.

반면, 달리기나 등반 같이 보다 정교한 동작은 더 많은 로봇 착용자의 경험과 훈련을 필요로 한다. 착용자의 두뇌는 이러한 종류의 일을 그리 빨리 처리하지 못할 수 있다. 하지만 적절한 연습을 통해 우리는 이러한 초스피드 선수들이 모든 종류의 기록을 깨는 것을 보게 될 수도 있다.



외골격 로봇의 소재


이러한 모든 초능력에서 훌륭한 점은 이를 실현하기 위해 새롭고 비싼 소재를 찾아야 할 필요가 없다는 점이다. 스테인리스 강 합금은 대부분의 용도에 적합하다. 탄소 강, 탄소 파이버, 크롬 몰리브덴 강, 알루미늄 및 티타늄 같은 보다 가벼운 소재들이 다른 분야에 모두 광범위하게 사용된다.

힘과 내구성이 가장 우선시되는 분야에서는 여전히 강철이 사용될 가능성이 높다. 힘보다 유연성과 응답성을 높여야 하는 경우라면 크롬 몰리브덴 강이 적합하다. 실제로 모든 복잡한 기계들과 마찬가지로 외골격 로봇 역시 부분별 특정 요건에 맞게끔 복합적인 소재들이 사용된다.

제어 시스템

외골격 로봇이 자율적으로 움직이고 인간의 입력에 실시간으로 응답하거나 심지어 인간의 입력으로부터 학습할 수 있으려면 극도로 강력한 제어 시스템이 필요하다.

이를 위해서는 밸런스, 외부 조건, 다른 물체와의 근접성 및 외골격 자체 상태에 대한 센서 데이터를 수집하여 이를 처리하고 그에 따라 반응할 수 있어야 한다.

학습 모드 또한 까다로운 과제가 될 수 있다. 이러한 시나리오에서는 방대한 양의 데이터를 처리할 수 있는 알고리즘이 필요하다. 가장 이상적인 것은 이러한 알고리즘이 각 외골격 로봇마다 하드웨어 매체에 저장되는 것이다. 흔히 진동이 많은 열악한 조건에서 외골격 로봇을 사용하는 경우라면 회전식 HDD는 적합하지 않다.



다양한 제어 모터를 구동하는 데 필요한 처리 성능이 있다. 아나로그디바이스의 ADSP-CM40 혼성신호 컨트롤러는 적합한 선택이다. 240MHz ARM 코어텍스-M4 프로세서인 CM40는 외골격 로봇을 제어하는 데 필요한 정교한 신호 처리 알고리즘을 위해 제작됐다. 또한 적절한 모터 제어 펌웨어를 사용하면 효율을 높이고 마모와 진동을 줄여 모터 수명을 늘릴 수 있다. 이 밖에 모터의 과열로 인한 파손을 방지하는 알고리즘도 필요하다. 그러나 가장 중요한 것은 특정 움직임이 한 부분에 너무 많은 응력을 주거나 착용자의 균형을 잃게 만들지 않는지 예측할 수 있게 하여 로봇 착용자를 보호하는 것이다.

모터 제어 알고리즘은 선택할 수 있는 것들이 많다. 항상 절충이 뒤따라야 하기 때문에 어떤 것을 선택할지는 용도에 따라 달라진다. 힘이 필수 요건이라면 높은 토크 레벨이 효율보다 중요하다. 이 경우 브러시리스 DC 모터가 이상적인 선택이다. 속도와 정밀성이 중시된다면 스테퍼 모터를 선택하는 것이 바람직하다. 또한 다양한 모터 제어 개발 키트와 구성 툴 및 라이브러리를 사용할 수 있다. 이러한 선택지에 대한 조언은 빌 슈웨버(Bill Schweber)가 정리한 “로봇 프로젝트에 맞는 적합한 모터 선택”을 참조할 수 있다.

외골격 로봇의 연결

이번에는 모든 컨트롤러, 액추에이터, 센서가 어떻게 서로에게 데이터를 전달할 것인지를 살펴보자. 다른 설계 선택과 마찬가지로 이러한 연결 역시 외골격 로봇을 어디에서, 어떻게 사용할 것인지에 따라 달라진다. 대부분의 경우, 가장 중요한 것은 견고성이다. 무선이 항상 적합하지 않을 수도 있다. 잡음이 많고 열악한 환경에서 특히 그렇다.

이는 견고한 커넥터를 사용하는 하드 와이어링이 광범위하게 사용될 것이라는 것을 의미한다. 또 다른 대안으로 광섬유 커넥터를 선택할 수도 있다. 이는 빠르고 견고한 데이터 전송이 가능하다. 전원 케이블링, 커넥터 및 하우징 역시 견고해야 한다. 몰렉스는 광섬유와 전통적인 데이터 및 제어 인터페이스에 사용할 수 있는 다양한 커넥터를 제공한다.

외골격 로봇을 어떻게 사용할 것인가?

앞서 언급한 인명 구조 시나리오는 엄청난 힘과 지구력, 속도를 갖는 외골격 로봇이 삶을 어떻게 변화시킬 수 있는지 보여주는 단편적인 사례일 뿐이다. 외골격 로봇은 화재 진압에 사용될 수도 있으며, 홍수가 발생한 경우 긴급 구조대원들이 중장비를 운반하거나 홍수 피해자들을 보호하기 위해 댐을 세우고 다리를 놓아 대피할 수 있게 하는 데에도 사용될 수 있다. 착용자와 전자장치를 충분히 보호할 수 있다면 화학물질 유출 사고 역시 적용 가능한 사례이다. 다만 이러한 상황은 사람을 투입하기에 너무 위험할 수 있으며, 이 경우 외골격 로봇 대신 원격 제어 로봇을 투입할 수 있다.

또 다른 삶을 변화시켜주는 적용 사례는 신체가 다치거나 마비된 사람들이 다시 신체의 일부를 움직이는 데 외골격 로봇을 사용하는 것이다. 외골격 로봇은 지능형 제어 시스템을 사용하여 착용자로부터 특정한 행동을 자율적으로 수행할 수 있도록 학습할 수 있다. 심지어 걷기와 달리기는 부분적으로 자동으로 수행할 수 있다. 이는 특정한 낮은 수준의 동작은 사람이 제어할 필요가 없다는 것을 의미한다.

이 밖에 뇌파를 이용하여 로봇의 움직임을 제어하는 연구가 진행 중이다. 이러한 연구를 딥러닝 알고리즘 및 자율 제어 기술과 결합하면 매우 높은 수준의 뇌파를 이용한 동작 제어가 가능하다. 아직 연구 단계이긴 하지만, 이 흥미진진한 가능성은 외골격 로봇이 얼마나 커다란 변화를 가져다 줄 수 있는지를 시사한다.

결론

지금까지 살펴본 이러한 종류의 초능력은 첨단 외골격 로봇과 그 기반이 되는 기술 덕분에 현재 사용이 가능한 것이다. 하지만 이는 이제 시작일 뿐이다. 지능형 제어 시스템의 발달로 이러한 초능력은 또 다른 수준으로 도약해 인간을 슈퍼맨처럼 강하고 빠르게 만들어주고, 어떤 재난 현장에서도 인명을 구할 수 있게 만들어 줄 것이다. 또 다른 중요한 점은 신체가 마비되거나 부상을 입은 사람들이 외골격 로봇을 이용해 다시 움직일 수 있게 된다는 것이다.

이러한 가능성들은 우리를 설레게 한다. 외골격 로봇이 인간의 삶을 바꾸고 있다.
 

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