출처 : https://www.mri.co.jp/knowledge/column/20241108.html

로봇이 인간 사회의 모든 장면에서 활약하려면 ‘시각’에 더하여 ‘촉각’을 활용해야 한다. 로봇이 촉각을 가지게 되면 딱딱한 정도를 알 수 없는 다양한 물체를 적절한 힘으로 파지(잡는 것)할 수 있고, 충돌하거나 휘말리는 등의 문제를 미리 방지할 수 있다. 하지만 촉각 센서의 후보는 다양하게 제안되고 있지만, 아직까지 실용화는 되지 않고 있다. 반대로 말하면, 실용화에 성공한다면 미래의 디팩트를 획득하게 될 가능성이 커진다고 할 수 있다. 여기에서는 조기에 실용화될 것으로 기대되는 촉각 기술의 최신 동향을 설명한다.

▣ 로봇의 ‘촉각’의 중요성

촉각은 시각이나 청각과는 달리 신체 표면 전체에 널리 분산되어 있는 감각(체성감각) 중 하나다. 체성감각에는 이밖에도 압각, 통각, 온각, 냉각 등이 있으며, 이들이 복잡하게 작용하여 접촉 시 감각(감촉)이 된다. 로봇 역시 자율적으로 이동하여 다양한 물체를 파지하는 기능을 가지려면 생물과 마찬가지로 촉각이 실장되어야 한다. 촉각이 있으면 로봇은 무언가에 충돌했음을 감지하거나 잡으려는 물체가 딱딱한지 물렁한지 판단하여 적절한 힘으로 들어 올려 움직일 수 있다.

공학적으로 볼 때 촉각은 촉각 센서, 촉각 정보 처리부, 촉각 디스플레이로 구성되어 있다.

촉각 센서는 대상물에 연결되었을 때 압력 분포 및 진동 상태 등 촉각으로 변환할 수 있는 역학적 자극을 수용하기 위한 장치이다.

촉각 정보 처리부는 촉각 센서에서 들어온 정보를 온각 및 통각, 심부 감각 등을 포함한 다양한 정보와 함께 통합ㆍ처리하고 촉각 정보(닿은 부분의 위치나 감촉을 나타내는 다양한 지표를 수치화한 정보)로서 재구축하는 부분이다.

촉각 디스플레이는 피부 감각을 재현하는 장치로서, 촉각 신호를 바탕으로 사람의 피부라는 수용체에 대해 적절한 촉각 자극을 부여하는 부분이다.

<그림1> 촉각 기술의 전체상에서 로봇의 촉각 기술의 위치

자료 : 미쓰비시종합연구소

이를 통해 실현되는 촉각 기술은 로봇에 응용될 뿐 아니라 원격 매니퓰레이션 및 가상현실에서도 응용될 것으로 기대된다. 원격 매니퓰레이션은 원격 수술 및 원격 공장 작업, 농업 작업 등에 꼭 필요한 기술이다. 이 경우, 이 3가지 구성 요소를 통합 적용해야 한다. 또한 가상현실의 촉각은 가상현실의 질을 향상시키는 중요한 기술이다. 이 경우 촉각 정보 처리부의 일부(촉각 신호를 발생시키는 기술)와 촉각 디스플레이가 주요 주력 요소이다.

이번에 대상으로 하는 로봇의 촉각에서는 촉각 센서와 촉각 정보 처리부의 일부(촉각 센서를 통한 정보를 통합 처리하는 부분)가 중심적으로 개발되고 있다.

▣ 로봇에 당장 필요한 촉각 기술은?

미래에는 로봇도 온각, 냉각 등을 표면 전체에서 감지하게 될 수도 있겠지만, 당장은 로봇이 표면 전체에서 온도를 감지할 필요는 없는 듯하다(국소적으로 온도를 계측할 필요는 있다). 또한 역각은 파지부의 액츄에이터 발생 토크 등으로부터 어느 정도 알 수 있기 때문에, 반드시 표면부에 실장할 필요는 없다.

기본적으로는 로봇이 통각을 가질 필요성도 없다.

그런 의미에서 로봇에 당장 필요한 촉각은 사람의 촉각의 정확한 재현을 목적으로 하는 경우보다 훨씬 간략화된다.

다만 로봇이 최소한으로 필요로 하는 촉각 정보는 보디부와 파지부에 따라 다르다. 보디부에서는 표면에 수직 방향의 압력을 비교적 엉성한 표면 분해능으로 검출할 수 있으면 충분하다. 이러한 접촉 압력 검출 기능이 있으면 로봇이 물체와 접촉한 상태인지 아닌지를 알 수 있다.

한편 사물을 핸들링해야 하는 파지부에서는 수직 방향의 압력 분포와 미세 슬립 분포를 촘촘한 간격(최소 밀리미터 간격)으로 알아야 한다. 그 관계를 아래 그림에 나타냈다.

<그림2> 로봇에 필요한 촉각 정보의 개요

자료 : 미쓰비시종합연구소

▣ 로봇 촉각의 실용화 상황과 과제

다음으로 로봇의 촉각에서 빼놓을 수 없는 촉각 센서에 대해 설명한다. 공학적으로 적용이 가능한 촉각 센서의 후보로서 다양한 원리에 근거한 기술이 연구 개발되고 있다. 대표적인 기술 사례를 아래 표에 정리했다.

보디부에서 사용할 수 있는 촉각 센서로는 전기 저항 변화형, 용량 변화형, 압전형, 유도형 등 많은 방식이 제안되고 있다. 모두 표면의 미세한 변위를 전기적으로 검출하는 것으로서, 검출 감도는 모두 로봇용으로서 충분한 수준이다. 실용화할 때의 문제점은 면적이 커졌을 경우 센서 비용이 증가하는 데 대한 대응과 위치 분해능을 어느 정도 실용적인 수준으로 유지하면서 급전 및 신호 전송을 위한 배선을 절감하기 위한 집약화 기술이다.

파지부의 촉각 센서 기술로는 섬모, 캔틸레버군, 투명 엘라스토머 등의 후보가 있다. 이들은 수직 방향의 압력, 센서면과 수평 방향의 미끄러짐을 검출할 수 있어, 경도가 불투명한 물체를 적절한 힘으로 파지하는 데 필요한 특성을 가진다. 또한 최근에는 이러한 기술들 모두 기계학습 등 AI 기반 정보 처리와 기존 수치 처리를 조합하여 정보를 통합ㆍ분석한다.

이처럼 촉각 센서는 현재 여러 가지 방식이 실용화를 위해 경쟁하고 있다. 반대로, 그 모든 방식이 감각 센서의 디팩트를 획득하게 될 가능성이 있다고 할 수 있다.

<표1> 촉각 센서 기술 사례

자료 : 미쓰비시종합연구소

▣ ‘촉각’ 기능으로 로봇과 사람이 공생

로봇이 사람과 공생하려면 미리 인식할 수 없는 사람의 모든 움직임에 대응해야 한다. 사회에서 로봇이 사람과 가까이에서 다양한 동작을 수행하게 되면 사람에게 물리적인 피해를 미칠 가능성이 커진다. 예를 들어 로봇을 잘 모르는 제3자가 부딪힐지도 모르고, 로봇의 구동부에 사람의 신체 일부가 끼게 될지도 모른다. 이러한 사태에 대응하려면 앞서 언급한 것처럼 로봇의 보디부에 촉각이 실장되어야 한다. 이것이 보행자와 접촉하는 일을 절대적으로 피해야 하는 자율주행차와는 다른 점이다.

또한 로봇은 사물을 잡아 올려 이동시키는 파지부를 가지는 경우가 많은데, 사회에서 사람과 공생하는 로봇의 파지부는 촉각 기능이 포함되어 있어야 한다. 산업용 로봇이나 농업 로봇과 같은 목적 특화형 로봇의 경우에는 파지ㆍ조작하는 물체의 형태나 재질을 미리 알 수 있기 때문에 그에 따라 적절한 파지부를 선택할 수 있으며 파지 방법도 최적화할 수 있다. 하지만 사회의 모든 국면에 로봇이 침투되려면 하나의(또는 적은 수의) 파지부가 딱딱하거나 물렁한 정도가 다 다른 물체를 파지하고 이동시키는 기능을 갖추어야 한다. 그러려면 로봇이 촉각을 가지고 대상물의 성상에 맞춰 파지력과 파지 방법을 선택적으로 실행할 수 있어야 한다.

이처럼 촉각은 우리 사회에서 사람과 로봇이 공생하는 데 꼭 필요한 기능이다. 이러한 기능에서 앞서나가게 되면 핵심 요소로서 디팩트를 얻을 가능성이 있다.

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