KAIST, 스스로 물체를 집고, 걷는‘실시간 프로그래밍 로봇 시트’개발

KAIST(총장 이광형은) 기계공학과 김정 교수, 박인규 교수 공동 연구팀이 형상을 실시간으로 프로그래밍할 수 있는 로봇 시트 원천 기술(field-programmable robotic folding sheet)을 개발했다고 밝혔다.



1. 연구 배경

접힘(folding)은 면과 접힘선(hinge)의 배열을 기반하여 비교적 단순한 디자인으로 고차원의 형상 변화를 구현할 수 있어 로봇 설계에 최근 많이 접목되고 있다. 기존의 복잡한 구조 설계나 기계적 작동 대비, 접어냄으로써 적재시 높은 공간 효율성을 얻을 수 있고 유연한 구조 설계에 유리하여 물리적으로 안전한 로봇 기술, 첨단 구조 재료, 우주 탑재 구조물 등에서 널리 활용되고 있다.

그러나 기존 접힘 시스템은 사전에 정의된 힌지 위치와 각도로 제한된 구성을 가지며, 사용 도중에 접힘 형태를 변경하는 것이 어려워 기능 확장의 유연성이 떨어지는 문제가 있다. 이에 대안으로 힌지 구조를 재구성할 수 있는, 이른바 reprogramming 할 수 있는 소재 기술이 최근 많이 개발되고 있으나, 이 역시 별도의 수정 공정을 수반하므로 실시간으로 재구성하지 못한다는 문제가 있었다.

따라서, 실시간으로, 그리고 현장 (field)에 투입되어있는 채로 형상을 프로그래밍할 수 있는, 즉 field-programmable 하게 접힘 형상을 실시간으로 제어할 수 있는 로봇 소재의 개발 및 그의 운용전략이 필요하다. 

이러한 배경에서 본 연구진은 2차원 평면 시트 형태의 로봇으로, 사용자 의도에 따라 어느 부분이든 접힘선 (hinge)로 현장에서 즉시 지정하여 다양한 3차원 형상으로 변형시킬 수 있는 기술을 개발하였다. 쉽게 말해, 일종의 전자 종이처럼 생긴 로봇 시트가 필요한 순간에 원하는 위치가 접히도록 프로그래밍할 수 있다.

2. 연구 내용

본 로봇 시트는 유연 고분자 필름 상에 형성된 금속 저항체 네트워크를 기반으로 작동하며, 각 금속 저항체는 히터와 온도 감지 센서의 역할을 동시에 수행한다. 사용자가 특정 접힘 위치, 방향, 정도를 설정하면, 디지털 인터페이스와 전자회로가 저항체 네트워크 전체에 걸친 전류 분포를 조절해 고분자 필름의 해당 부위에 국부 가열을 발생시킴으로써 국소적인 곡률 변화를 유도한다. 저항체 네트워크는 저항체의 갯수(308 개)보다 적은 다수의 전극(8 x 8 배열)을 통해 제어된다. 

유연 고분자 필름은 폴리이미드와 특수 설계된 실리콘 탄성체 구조를 접목하여, 기존 대비 높은 굴곡 반응성을 보이도록 설계하였다. 이 결과, 단위 접힘이 상온에서 최대 온도 구간 내에서 –87°~+109°의 높은 접힘 굴곡을 확보할 수 있었다.
 
저항의 발열은 저항에 흐르는 전류의 제곱에 비례한다. 이와 동시에, 금속 저항체는 온도의 상승에 따라 선형적으로 변하는 특성을 띔에 착안하여, 고전류를 통한 발열과 동시에 저전류로 이 저항 변화를 감지하여 온도 분포를 측정한다. 이러한 온도 분포의 인가와 감지는 자체 개발한 전자 회로로 고속 스위칭 되며 수행되며, 서로간의 구동적 간섭이 없게 설계되었다. 본 방식은 온도측정에 별도의 센서 추가 없이, 단일 소재 만으로 구동과 센싱을 동시에 할 수 있다는 기술적 장점을 갖는다.

이러한 분포형 엑추에이션/센싱은 저항 네트워크의 해석 계산을 기반으로한 별도의 알고리즘으로 수행되어야 한다. 따라서, 본 연구에서는 인공지능을 기반으로한 소재 프로그래밍 인터페이스를 제안하였다. 사용자의 형상 의도를 최적의 전극 전압 입력으로 디코딩 하는데에 머신러닝 기법중 하나인 유전알고리즘 (genetic algorithm)을, 그리고 정확한 온도 분포를 이미징하기 위해 심층 신경망 (deep neural network)을 접목하였다. 이러한 기반 기술을 토대로, 온도 분포를 피드벡 제어 (feedback control) 함으로써, 접힘 제어의 정확도를 향상시키고, 접힘 제어의 속도를 개선하였으며 (피드백이 없는 개루프 제어 대비 대역폭 0.03Hz 에서 0.1Hz), 바람이 불거나 외부 온도의 상승 등 환경적 변화에 대한 강건성을 확보할 수 있었다.

3. 기대 효과

이번에 개발된 현장 프로그래밍형 접이식 로봇 시트 기술은 로봇의 형태 변화 능력을 획기적으로 향상시킴으로써, 향후 로봇 공학 분야에 새로운 가능성을 열어줄 것으로 기대된다. 특히 접힘 구조를 사전에 고정해야 했던 제약을 극복하여, 마치 전자회로에서 로봇의 물리적 형태를 작동 중에도 재설계할 수 있다. 이러한 필드-프로그래머블 폴딩 개념은 다양한 자율 로봇 시스템에서 요구되는 복잡한 형태변환을 간소화하고, 하나의 로봇으로 여러 임무에 대응할 수 있는 길을 제시합니다. 


접힘 위치 및 형태를 사용자 입력에 따라 조정할 수 있기 때문에, 구조물의 기능을 동적으로 변경하거나 재구성하여 다기능성의 확보 가능성이 있다. 본 연구에서는 그 예로, 파지 (grasping) 물체의 형상에 적응하는 파지 기법과, 동일한 로봇 시트를 바닥에 두어 보행하거나 기어가게 하는 등 생체 모방적 이동 전략을 선보였다.

폐루프 온도 제어와 실시간 온도 감지 기능을 자체적으로 수행함으로써, 외부 센서에 의존하지 않고도 형상 제어 안정성을 확보할 수 있는 방법론을 제시하였다. 이는 향후 다양한 환경에의 투입이 요구되는 응용에서도 유용하게 작용할 수 있다.

향후 기술 확장을 위해, 고속 냉각, 다양한 크기 및 형상으로의 확장, 일체형 전극 구조 설계 등의 후속 연구가 가능하며, 실증 환경에 적합한 소재 내구성 검증을 통해 응용 범위가 점차 확대될 수 있다.