IEEE/ASME International Conference on AIM 2011 참관기

로봇 및 구동기 최신기술에 대한 열띤 토론의 장

10번째 생일을 맞은 IEEE/ASME International Conference on AIM 학회는 1992년에 시작되어 매년 열리는 국제학술대회이다. 본 학회는 기계와 전기전자 분야를 아우르는 메카트로닉스(Mechatronics) 분야를 다루고 있고, 새로운 형태의 로봇, 구동기, 센서의 개발 등이 다양하게 소개되고 있다. 다음은 IEEE ASME Transaction on Mechatronics(TMECH) 저널의 대표 학회인 AIM 학회를 KAIST 하창완 박사가 다녀와서 저술한 참관기 내용이다.

AIM 2011 학술대회, 세계 메카트로닉스 연구자 300여명 참석
「IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics(AIM) 2011」 학술대회는 지난해 캐나다 몬트리올에서 개최된 데 이어 올해는 지난 7월 3일부터 7일까지 5일 동안 헝가리 부다페스트에서 개최됐다. IEEE Robotics and Automation Society(RAS), IEEE Industrial Electronics Society(IES), ASME Dynamics System and Control Division(DSCD)의 후원을 받는 AIM 학회는 올해에도 예년과 마찬가지로 약 200편의 엄선된 연구결과를 구두발표(Oral Presentation) 형태로 진행됐고, 서로 아이디어를 공유하며 향후 연구방향을 토론하는 귀중한 시간을 가졌다.

올해에도 어김없이 세계 각지의 산·학·연 메카트로닉스 관련 연구자 300여명의 뜨거운 호응 속에 학회가 진행됐다. 이번 학술대회에서는 새로운 형태의 로봇(Robot), 구동기(Actuator), 센서(Sensor)의 개발과 최적화, 기계와 전자가 융합된 시스템의 제어 및 알고리즘 개발 등 기계와 전자가 융합된 학문이 많이 소개됐다. 특히, 세계적인 메카트로닉스 분야 거장(KUKA社 CEO-Ralf Koeppe, Prof. Carnegie Mellon Univ.-Metin Sitti, Prof. Eotvos Univ.-Adam Miklosi, National Institute of Advanced Industrial Science and Tech.-Takanori Shibata)들을 모시고 특별 세미나를 열어 최근 연구동향을 공유하고 향후 나아가야 할 방향에 대해 열띤 토론이 이루어졌다.

본 특별 세미나를 통해 개별적으로 진행되어온 연구가 서로간의 시너지를 극대화하기 위해 긴밀히 융합되고 있다는 것을 알 수 있었고, 기계와 전기·전자 융합뿐만 아니라 감성로봇 또는 인간과 로봇의 상호작용을 다루는 분야에서 심리학과 같은 인문학까지 복합적으로 융합되고 있다는 것을 느낄 수 있었다.

AIM 2011 학술대회의 주요 연구 발표 내용
- 개별·그룹 별로 제어 가능한 초소형 로봇 개발

카네기 멜론 대학 교수, Metin Sitti가 ‘Miniature Mobile Robots Down to Micron Scale’이라는 주제로 초청세미나를 진행했다. Metin Sitti 교수는 1999년 도교대학에서 Atomic Force Microscope(AFM) 주제로 Micro Scale 사이즈 분야 연구를 꾸준히 진행해 현재는 새로운 개념의 초소형 모바일 로봇을 만들고 있다. Macro Scale과 달리 Micro Scale에서는 관성에 비해 표면장력과 항력의 영향이 커진다. 이런 특징을 이용해 Fig. 1과 같이 강한 접착 특성을 지닌 버섯모양의 마이크로 섬유 접착제를 개발했고, 이를 다양한 모바일 로봇에 적용했다. 그 대표적인 사례가 Fig. 2의 Gecko 로봇이다.

뿐만 아니라 현재는 마이크로 사이즈의 개별 또는 그룹 별로 제어 가능한 초소형 로봇을 개발하고 있다. Fig. 3은 현재 개발 중인 마이크로 로봇으로, 초소형의 영구자석을 외부의 자기장 변화를 이용해 개별 또는 그룹별로 제어 가능하다. 개발된 기술이 상용화되기까지는 가야 할 길이 많이 남아 있지만 박사 졸업 후 10년 만에 한 분야의 대가가 된 그의 발자취는 많은 연구자들에게 신선한 자극이 되리라 사료된다.

- 줄꼬임 메커니즘 이용한 로봇 손가락 설계
일본의 Fukuoka Industry, Science & Tech. Foundation과 Univ. of Kitakyushu는 공동으로 연구한 줄꼬임(Twisted String Actuation) 메커니즘을 이용해 로봇 손가락 설계 및 제작, 그리고 이를 제어하는 방법을 발표했다. 줄꼬임 메커니즘은 Fig. 4와 같이 두 가닥의 줄을 꼼으로써 기어와 같이 힘을 증폭하는 메커니즘이다. 줄꼬임 메커니즘은 가볍고 간단한 구조이기에 로봇손가락과 같은 초소형 구조체에 적용하기 알맞다. 본 연구진은 줄꼬임 메커니즘을 이용해 사람 손가락 크기의 큰 파지력을 얻을 수 있는 로봇 손가락을 설계하고 제작했다. 또한 비선형적인 특성을 갖는 로봇 손가락에 PI제어기를 이용해 위치제어 및 힘제어를 수행했다. 앞으로 초소형 사이즈의 하드웨어 부재로 소강상태에 있었던 로봇분야에 일상에서 흔히 볼 수 있는 줄꼬임이 어떤 파장을 일으킬지 관심이 주목되고 있다.

- 잔류진동 최소화하면서 빠른 움직임 만드는 모션프로파일
필자는 본 학회에서 초고속 초정밀 이송장비 또는 로봇의 핵심 기술인 잔류진동(Residual Vibration)을 최소화하면서 빠른 움직임을 얻기 위한 모션프로파일(Motion Profile) 설계방법을 Laplace Domain 상에서 해석적으로 규명했다. 본 연구에서는 사다리꼴 속도 프로파일(Trapezoidal Velocity Profile), S-curve, 비대칭적 S-curve(Asymmetric S-curve, AS-curve)에 대해 극영점상쇄(Pole-Zero Cancelation) 개념을 이용해 통합된 설계방법론을 제시했다.

이번 논문의 핵심아이디어는 시스템의 진동모드를 표현하는 극점(Pole)을 모션프로파일에 의해 만들어지는 영점(Zero)으로 상쇄시킴으로 잔류진동을 최소화한다는 것이다. 또한 모델링오차(Modeling Error)에 대해 제안된 설계방법론의 강인성을 분석했고, 이를 시뮬레이션과 실험으로 검증했다. 본 발표는 피드백에서만 다루던 강인성 해석을 오픈루프 제어기법인 모션프로파일 설계에 반영했다는 점에서 많은 관심이 주목됐다. 제안된 설계방법론은 해석적이고 간단하다는 점에서 잔류진동을 최소화하면서 빠른 움직임을 만드는 모션프로파일 설계에 효과적이고 효율적인 디자인 가이드라인을 제공하리라 사료된다.

- 스마트물질 이용한 가변진동흡수체 개발
다음에 소개된 논문은 KAIST에서 발표한 것으로, Magnetorheological Elastomer(MRE)라는 스마트물질(Smart Material)을 이용해 가변진동흡수체(Tunable Vibration Absorber, TVA)를 개발한 내용이다. 정찰인공위성에서 이미지센서 냉각을 위해 극저온 냉각기(Cryogenic Cooler)를 사용해야만 하는데 냉각기에서 발생하는 진동으로 인해 이미지센서로부터 선명하고 깨끗한 이미지 획득이 쉽지 않다. 이 문제를 해결하기 위해 냉각기에서 발생하는 진동을 흡수하는 진동흡수체 설계가 필수적인데, 본 논문에서는 MRE라는 스마트물질을 이용한 가변진동흡수체를 설계했다.

MRE 물질은 가해주는 자기장에 따라 강성이 변하는 물질로, 이 성질을 이용해 가해주는 자기장에 따라 가변진동흡수체의 작동주파수를 변화시킬 수 있다. 저자는 정찰인공위성의 프로토타입(Prototype)을 만들고 제안한 가변진동흡수체을 장착해 그 효용성을 검증했다.

- 피에조 구동기 이용한 새로운 형태의 공압밸브 개발
Okayama 대학에서 발표한 논문은 피에조 구동기를 이용한 새로운 형태의 공압밸브 개발에 관한 내용이었다. Fig. 10과 같이 구멍이 있는 얇은 박막에 Particle들이 구멍을 막고 있을 때 얇은 박막 둘레로 설치된 피에조 구동기가 가진 되면 Particle들이 가해지는 진폭에 의해 선택적으로 진동해 유량이 제어되는 밸브이다. 이를 검증하기 위해 가해지는 공기 압력과 가진 되는 진폭에 따라 Particle들이 진동하는 관계를 수치적으로 계산했고, 이를 시뮬레이션으로 확인했다. 피에조의 가진 진폭이 작을 때에는 변형이 많은 얇은 박막 중심부분에 위치한 Particle만 진동하며, 피에조 진폭이 커짐에 따라 Particle 진동이 얇은 박막 가장자리까지 확장된다.

이런 수치적 결과를 바탕으로 Fig. 12와 같이 프로토타입을 제작하고, Fig. 11과 같이 가해지는 진폭 별로 Particle들이 선택적으로 진동하여 유량이 제어된다는 것을 검증했다.

최신 동향에 대한 활발한 공유 이루어지길…
AIM 학회는 2009년도부터 필자가 관심을 가졌던 국제학술대회로, 많은 지식과 창의적인 아이디어를 제공해줄 뿐만 아니라 연구에 대한 강한 자극을 주는 학술대회이다. 이번 학술대회에서도 느꼈듯이 항상 아쉬운 점은 한국 연구자들이 다른 나라에 비해 상대적으로 그 수가 매우 적다는 점이다. 이번에도 300명이 넘는 참가자 중 한국 연구자들은 20여명에 그치는 수준이었다. 반면 일본과 중국은 해가 거듭하면 할수록 참여자가 늘어나고 있다. 임원진 구성만 보아도 임원의 25%를 일본과 중국이 차지하고 있다. 내년 AIM 학회는 가까운 타이완에서 개최될 예정인데, 금년보다 더 많은 한국 연구자들이 참석해 세계적인 거장들과 최신의 연구 동향을 공유하고 열띤 토론을 통해 활발한 교류가 이루어지길 바란다. 하창완(KAIST 기계공학과 박사과정)
기계공학연구정보센터 www.metric.or.kr

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