“어떻게 하면 기계가 조금이라도 더 인간처럼 느끼고 행동할 수 있을까?”

이 같은 질문에서 출발한 Barrett Hand와 WAM은 지금 세계 곳곳의 수술실에서, 또 원자로 등에서 인간과의 조화로운 어울림을 구현한다. 가장 자연스럽게 인간환경에 적응하고 있는 WAM. 이 로봇 암의 국내 판매자인 WKP Machines Co.( www.wkpcom.co.kr T.02 2634 1173 대표 이한호)의 자료를 통해 WAM 로봇의 개발과정과 특징을 알아보자.

글 : 브라이언 룩스

Power flow Application - Healthcare, 재활기기 적용례

Puck가 드라이버샤프트에 붙어있는 콘트룰라가 없는것 처럼 보이는 WAM

야구로봇

WAM의 매우 낮은 마찰에 대한 기술력과 그 중요성은 도쿄대 Namiki 교수에 의해서 개발된 ‘볼 수 있는’ 야구로봇에서 극적으로 나타났다.

그의 팀은 매우 빠른 비전 시스템을 개발하고 이 시스템을 생생하게 표현하는 방법으로 야구를 생각해냈다.

처음 그들은 고속으로 유명한 제조용 로봇으로 테스트를 마친 상태였다.

그 로봇은 프로그램 된 경로에 반응하는 것은 능숙했지만, 반대로 운동학적으로 계산된 동작이 필요한 경우 계산시간이 늦어 그들이 원하는 결과를 얻는 데에는 실패했다.

Barrett의 CEO 타운젠트는 “WAM의 드라이브에 있어서 자연스러운 낮은 마찰과 관성은 운동학 계산이 필요 없는 Cartesian으로 수학의 응용을 가능하게 하지만, 기존 로봇 드라이브는 복잡하고 시간이 필요한 오프라인 계산을 필요로 합니다”라며 “공이 던져졌을 때 비전시스템은 계속 변화하는 공의 중심을 보고 1ms 내에 계산하고 WAM 암은 2ms 내에 반응하는데, 나는 공이 던져질 때마다 쳐내는 WAM을 목격했습니다.

더 인상적인 것은 배트로 공을 치는 일을 결코 실패하지 않고 달성하는 능력이었습니다.

나는 야구팬은 아니지만 정말 놀라웠습니다.”고 전했다.

오리지널 바렛 WAM 암의 독특한 기능은 MIT를 포함한 하버드, 노스웨스트 대학 그리고 U Mass Amherste등의 선도 연구소 뿐만 아니라 혼다, 포드, 소니, 화낙, Z-KAT 메디컬 등의 글로벌 기업의 구매욕을 높였다.

이들은 WAM의 잠재적인 능력을 인식하고 산업과 의학, 인간 재활 의학, 우주 등 다양한 섹터에서 어플리케이션을 개척하고 있다.

동시에 Barrett은 로보틱스 분야의 새로운 분야에 던져진 도전들을 마주하며 로봇 암의 발전에 힘쓰고 있다.

그리고, 4년 전 미국에너지성, 미국과학기금, NASA로부터 250만 달러를 받으면서 개발속도는 변해갔다.

10년 후의 서비스로봇과 모바일 매니퓰레이터를 위한 첫 번째 프로젝트를 접했고, 새로운 WAM 암이 디자인되었다.

이들은 종래와 같은 같은 저마찰과 제로 백래쉬, 케이블과 실린더 드라이브, 개선된 기계적 구성품을 사용했지만, 그동안 들어왔던 안전성 문제를 해결하고 암성을 높인 완전히 새로운 전자공학을 완성했다.

Power flow

인간과 함께하는 로봇에게 안전은 가장 중요한 부분이기에 자연히 이것은 WAM2를 개선하기 위한 첫 번째 영역이 되었다.

사용된 개념은 시스템으로서 로봇에게 흐르는 모든 힘의 크기를 인간에게 위해를 주지 않는 레벨로 제한하는 것이었다.

그것이 위험하게 되는 레벨인지는 정확하게 정의되지 않았지만, 100W에 있어서의 힘이 인간의 능력을 넘고 있으므로 바렛은 20~100W를 유지하는 것을 목표로 했다. 이러한 한계를 유지하고 실행하는 것은 어렵지만 간단한 개념이다.

그러나 10W의 변화를 정확히 모니터하고 안전하게 하는 것은 불가능하다.

WAM은 마찰이 거의 없는 드라이브를 위해 동력손실에 관한 고능률을 고민했다.

특히 고정된 상태에서의 손실 문제는 남아 있었다.

전통적인 3상 구동모터는 외부의 컨트롤러와 케이블 저항으로 손실되었고, 게다가 디바이스의 EMI 소음을 감속시키기 위해 모터를 별도로 장치하는 컨트롤 캐비닛 안에 열이 발생되어, 여기에는 송풍기를 통한 강제적 냉각을 필요로 했다.

로봇 컨트롤 캐비닛의 EMI 서보 드라이브와 같은 민감한 전자부품으로부터 분리시킬 필요가 있다는 것이 주된 이유다. 그런 분리공간은 ‘일반적인’ 구성요소가 더 이상 존재하지 않는다는 것을 의미한다.

전통적인 해결책은 전동기를 고립시키는 것이다.

열을 발생시키고 새로운 공간을 필요로 하는 이들은 더 많은 쿨링팬과 더 큰 캐비닛을 필요로 하는 문제를 갖게 된다.

콤팩트한 사이즈와 동전기 고립의 필요성을 배제하는 이 같은 사실은 일반적인 것이 아니었다.

EMI 소음을 줄이는 기본을 보면 전동기를 고립시키는 것이었는데, 바렛을 정반대의 방법으로, 시끄럽고 민감한 컴포넌트들을 분리시키는 것보다 그들을 함께 넣어 폐쇄시키는 것이 더 좋다고 결정했다.

이에 대해 타운젠트는 “당신이 정밀한 서보드라이브를 사용함에 있어 EMI 효과를 조금이라도 걱정한다면 당신은 소음을 일으키는 컴포넌트를 가능한 떨어뜨려 소음을 줄이는 일반적인 방법을 인지하고 있는 것입니다.

우리 팀은 경로를 짧게 하면 컴포넌트의 근접이 커플링의 소음보다 잡음을 완화하는데 도움이 된다는 것을 발견했습니다. 특히 당신이 동으로 만들어진 방음소재를 사용한다면 더 좋은 디자인으로 탄생할 것입니다.

더 좋은 제품을 더 작게 만드는데 성공했습니다.”라고 말했다.

Puck servo-controller

사이즈 축소와 전도냉각이라는 개념은 바렛이 세계에서 가장 작고 정확한 브러시리스 서보컨트롤러를 개발하는 것을 가능케 했다. 이 제품은 35mm의 직경의 병뚜껑을 비롯해 아주 작은 것들을 정확히 측정했다.

초소형 전자모듈은 아이스하키에서 사용되는 ‘퍽’과 유사해 ‘퍽’이라 불리며, 0.2g의 무게를 자랑했다.

두께 1mm, 14mm 직경은 광학적으로 모터 샤프트 뒤의 반사적 휠을 근거로 제작되었다.

이 ‘퍽’은 서보모터를 구동하고 제어하는 모든 특징이 있다(다른 전자공학 기기가 처리기능을 맡은 것과 같이).

그것은 전원과 스페이스 벡트 교환, 32비트의 DSP(디지털 신호 프로세서), 고정도 코일전류 센서, CANbus, RS232 시리얼 통신, 비휘발성 메모리 등을 적용했다.

게다가 그것은 많은 컨트롤과 모터온도 모니터, 아날로그 및 디지털 입출력 센서 등을 통해 내부 온도를 측정하고, 자동적으로 18~100vdc로 변화하는 입력전압 레벨에 적응하는 능력을 갖는다.

새로운 WAM 암에는 ‘서비스’라 하는 퍽이 각각의 드라이브 모터에 사용되었다.

이것의 외부 접촉을 위해 마련된 44개의 전기접촉 부분은 에폭시 캐스트 실린더 퍽의 주위를 봉인해 외부의 영향을 받지 않았다.

이러한 플루트는 전선연결과 PCB의 접착을 위해 핀을 이용해 긴장감을 준다.

또한 에폭시 캐스팅에는 정렬기능이 있고, 레이저 광학으로 전기가 증대했는지는 퍽과 모터 샤프트 사이의 불량을 조정하며, 엔코더는 늘 자장균일도의 조정 없이 처음과 같이 동작한다.

퍽은 정확히 50℃의 온도상승을 수반하는 10A RMS 피크와 3.3A RMS 정상 상태의 전류를 펌프로 보낼 수 있다.

기술 및 제품 문의 : WKP Machines co.

T.02 2634 1173 www.wkpcom.co.k

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