로보랜드에서 각종 로봇시스템을 개발했으며, 현재는 서울대학교 로보틱스 및 지능 시스템 연구실에서 석사 과정을 밟고 있다. 센서 및 각종 퓨전 기술과 햅틱 기술에 관심이 많다.
이제훈 | ljh0205@snu.ac.kr
소프트웨어 업체에서 프로그래머로 다양한 애플리케이션을 개발했으며, 현재는 서울대학교 로보틱스 및 지능 시스템 연구실에서 석사 과정을 밟고 있다. 휴먼-로봇 인터랙션과 엔터테인먼트 로봇에 관심이 많다.
아마도 햅틱(Haptic)이라는 말이 독자들에게는 생소하게 들릴지 모르겠다. 하지만 사실 햅틱이란 것을 예전부터 우리 주변에서 흔히 볼 수 있었다면 믿겠는가? 독자들은 소니의 게임기 플레이스테이션의 듀얼 쇼크라는 조이패드를 만져본 경험이 있을 것이다. 게임에서 펼쳐지는 전투 장면에서 우리는 자신의 캐릭터가 받는 충격을 게임기의 진동으로 실감나게 느낄 수 있다. 공군에서 실시하는 비행 시뮬레이션에서도 조종사는 조정관을 통해 외부의 힘에 의한 비행기의 현재 상태와 기울어짐을 느낄 수 있다. 또한 낚시 시뮬레이션 게임은 미끼를 문 물고기가 물거나 끄는 힘의 느낌을 그대로 낚싯대로 전달해 게임 플레이어가 실제로 낚시를 하고 있는 착각을 일으킨다. 로지텍의 아이필(iFeel) 마우스는 스크롤바나 아이콘 위에 마우스 포인터를 놓으면 손에 느낌이 전달된다. 이러한 ‘인공 촉각’을 느끼게 해주는 일련의 장치를 가리켜 ‘햅틱 장치(haptic device)’라 한다.
인공 촉감 출력 장치, 햅틱
햅틱이란 ‘촉각에 의한’이란 뜻의 형용사이며 그리스어로 ‘만지다’라는 의미다. 쉽게 말해 햅틱 장치는 인공 촉감을 출력하는 장치라 할 수 있다. 즉 햅틱 장치는 사용자의 움직임, 위치 등을 입력받는 기능과 가상현실 속에서 발생하는 사건에 상응하는 촉각·힘을 사용자에게 출력하는 기능을 동시에 수행한다. 햅틱 기술은 기존의 로봇 기술을 이루는 기계, 전기, 컴퓨터 공학을 기본으로 하지만 여기에다 컴퓨터 그래픽스 기술, 생체공학 기술, 초고속 네트워크 기술 등이 합쳐진 첨단 분야다. 그리고 햅틱 기술의 응용 또한 학문적으로 가치가 있을 뿐만 아니라 새로운 시장을 창출하고 있어 각국의 연구소나 기업에서 그 연구가 활발히 진행되고 있다.
초기의 햅틱 장치는 원격 작업이나 장애인을 위한 장치 개발로 연구가 시작됐다. 장애인의 불편한 움직임을 돕기 위해 외부의 미세한 작용을 장애인에게 실시간으로 전달하거나, 원격 수술과 극한 환경에서 기계 조작 등에 필요한 장치 개발이 주요한 목적이었다. 하지만, 지금은 인간의 조정이 필요한 각종 로봇의 조작뿐 아니라 가상현실에서 현실감을 증폭시키는 작용 등 여러 엔터테인먼트 산업에 응용되고 있다. 실제로 우리가 로봇이나 컴퓨터와의 상호작용에서 감촉과 힘을 느껴야 할 상황은 무수히 많다. <표 1>은 세계적으로 연구되고 있는 햅틱 기술의 내용과 우리 주변에서 볼 수 있는 연구 사례를 정리한 것이다.
햅틱 장치 분류 및 특징
햅틱 장치는 기준에 따라 다양하게 분류될 수 있다. 먼저 사용 목적에 따라 ‘조작 장치로써 햅틱 장치’, ‘가상환경의 매개체로써 햅틱 장치’, ‘엔터테인먼트로써 햅틱 장치’가 있다. 그리고 신체 부착 여부에 따라서는 부착형과 미부착형으로 나눌 수 있다. 또한 기구적 특성에 따라서는 직렬형, 병렬형, 하이브리드형으로 나눈다. 신체 부착 여부에 따른 분류는 다음과 같다.
◆ 부착형(body-based Type) : 햅틱 장치를 신체의 외부에 부착하는 형태를 말한다. 외골격형(exoskeleton)이라고도 하며, 부피가 크고 무겁지만 인간의 움직임을 그대로 반영하는 장점이 있다. <화면 2, 3>과 같이 신체 외부를 덮는 몸 부착형과 장갑처럼 끼는 손 부착형이 있다.
◆ 미부착형 (ground-based Type) : 햅틱 장치가 책상 위에 설치되거나 독립적인 장치로 되어 있고, 사용자가 이를 조작하는 형태다. 미부착형은 조이스틱 모양과 펜 같은 툴 모양이 있다.
<표 2>는 신체 부착 여부에 따른 상용화된 전문적인 햅틱 제품을 정리한 것이다.
기구적인 특성에 따른 분류는 다음과 같다.
◆ 직렬형(serial type) : 직렬형(<화면 6>)은 필요한 자유도를 구성하기 위해 링크들이 직렬로 연결된 구조를 말한다. 초기 햅틱 장치들은 주로 이 형태로 개발됐다. 직렬형은 기구학적으로 정위치 해석(forward kinematics : 각 관절의 위치로부터 최종적인 조작 장치의 위치를 계산하는 것)을 하기가 좋고 동역학적 해석이 쉽다. 그러나 링크들이 직렬로 배치되어 내구성이 약하고, 역학적 관성이 크며, 관절 측정 오차들이 위치 해석에 누적되는 단점이 있다. 이런 원인으로 정밀도가 떨어진다.
◆ 병렬형(parallel type) : 병렬형 타입은 여러 개의 링크가 병렬로 연결되어 있는 구조적 특징을 지닌다. 병렬형의 장점은 여러 개의 링크가 병렬 연결됨으로써 힘이 분산되어 내구성이 강하고, 안정된 구조를 가지며, 관절에서 발생하는 오차 누적이 크지 않다. 또한 직렬형처럼 길게 연결된 구조가 아니므로 물리적 관성도 최소화되는 장점이 있다. 하지만, 정위치 해석에서 단일해(unique solution)가 존재하지 않아 실시간 제어가 어렵고, 특이점(singular point : 로봇의 자유도(D.O.F)가 줄어들어 정상 제어가 불가능한 지점)을 고려해야 하는 기술적 어려움이 있다.
◆ 하이브리드형(hybrid type) : 병렬형 구조의 단점을 보완하기 위해 최근에 연구되고 있는 구조다. 이것은 여러 개의 병렬형 구조를 순서적으로 연결하는 구조를 가지고 있다. 예를 들어, 6자유도를 구성하기 위해 3자유도 직렬과 3자유도의 병렬로 연결하는 구조를 말한다. 이는 직렬과 병렬형의 장점을 살리고 단점을 보완하는 구조로 아직은 연구가 미진하나 앞으로 활발한 연구가 기대된다.
<표 3>은 앞에서 언급한 기구적 특성에 따른 햅틱 장치들의 장단점을 비교한 내용이다.
햅틱 장치의 기술적 배경 지식
햅틱 장치를 이해하기 위한 기술적 배경 지식을 간략히 소개하겠다. 햅틱 장치는 크게 세 가지 구성요소가 연결되어 있다(<그림 1>).
우선 가상환경에서는 물체 간에 일어나는 역학적인 상호작용을 처리하는 것이 필요하다. 따라서 가상공간 속의 사용자와 물체 간의 접촉력(햅틱 렌더링)과 물체 간에 서로 작용하는 힘을 물리적으로 모델링하는 것이 기술적 이슈다. 그리고 로봇은 여러 군데에 부착된 각종 센서로부터 들어온 정보를 종합한 후, 햅틱 장치로 보낼 정보로 처리하는 과정이 필요하다. 이런 정보를 받은 햅틱 장치는 들어온 정보에 대해 각종 제어 알고리즘을 적용해 사용자가 실제와 같이 느낄 수 있도록 만든 다음 사용자에게 전달하는 기능을 담당한다. 이 때 각 사용자의 개인 경험차를 고려해 신호를 전달하려면, 각 개인의 정보를 저장하는 데이터베이스 시스템을 활용하는 것도 고려해 볼 수 있다. 정리하면, 가상에서 일어나거나 로봇이 받아들이는 각종 정보를 햅틱 장치가 받아서 적절히 가공해 사용자에게 실감나도록 전달하는 것이다.
기구적인 요소
햅틱 장치의 기구적 설계시 고려해야 하는 요소로는 작업영역(workspace), 등방성(isotropy), 특이성(singularity), 힘전달비(force transmission ratio) 등이 있다. 이외에도 고려 대상이 많겠지만 실제 제작시 많이 다루어지는 것을 중심으로 이 네 가지 요소에 대해서만 언급하겠다.
◆ 작업영역 : 햅틱 장치가 기구적으로 움직일 수 있는 공간을 말하며, 3차원 공간에서 다뤄지기 때문에 작업공간(workvolume)이라고도 한다. 초기 툴형 햅틱 장치가 책상 위에서 마우스가 움직이는 정도의 작은 공간만을 사용했다면, 최근에는 고정된 위치에 있는 사람이 관절을 움직일 수 있는 정도의 공간으로 발전하고 있다. 작업영역은 궁극적으로 인간공학(ergonomic) 연구를 통해 인간에게 최적화한 공간으로 확대될 것이다.
◆ 등방성 : 햅틱 장치가 현재 위치에서 전 방향으로 잘 움직일 수 있느냐에 대한 척도다. 이를 위해 인덱스를 사용하는데(<수식 1>), 이동 가능한 범위에서 드는 가장 큰 힘과 가장 작은 힘의 비율이다. 이 값이 1에 가까울수록 어느 방향으로든 움직이기 좋다는 물리적인 의미를 지닌다.
◆ 특이성(병렬형에서) : 로봇 공학에서 관절의 입력과 출력 속도의 관계를 나타낸 것이 자코비안(Jacobian)이다. <수식 2>를 보자. (식 1)은 이러한 자코비안의 관계식이다. 이를 이용해 모터 토크와 힘의 출력 관계식인 (식 2)를 얻을 수 있다([G]는 자코비안). 따라서 수식적으로 자코비안의 역행렬이 존재해야 사용자와 연결된 햅틱 장치의 속도에서 각 관절각의 각속도를 계산해낼 수가 있다. 하지만, 작업영역 내에 역행렬이 존재하지 않는 점이 있을 수 있는데, 이를 특이성이라 한다. 예를 들면, <그림 2>에서 보듯이 두 개의 링크를 가진 구조에서 링크가 폴드 인/폴드 아웃(fold in/fold out)된 경우가 이에 해당한다. 또 병렬 구조에서는 힘의 합력이 0인 지점이 발생할 수 있다. 이런 지점에서는 원하는 모멘트를 발생시킬 수 없으며 이를 locking configuration이라 한다. 이상의 두 가지는 우리가 원하는 출력을 내기 위한 입력 값을 구할 수 없는 특이성이 발생한 경우라 하겠다. 이런 특별한 상황이 병렬형 구조의 기술적 난제다. 이 문제의 해결을 위해 보조 액추에이터나 여유 자유도를 추가하는 방법들이 고려되고 있다.
◆ 힘전달비 : 최종 사용자에게 원하는 힘을 전달하기 위해 액추에이터가 내야 하는 힘들 사이의 비율을 말한다. 이 값은 모터 선정과 기구적 배치를 다룰 때 중요한 요소이며, 값이 작을수록 작은 액추에이터 이용이 가능하다는 의미다.
기구적인 요소 설계시 앞에서 언급한 모든 요소를 최상으로 만족시킬 수는 없다. 즉, 모든 요소를 종합적으로 고려해 최적 설계를 해야 한다. 최적 설계를 위해 유전 알고리즘과 같은 최적화 기법이 사용된다.
전자·제어 기술적인 요소
기구적인 요소가 햅틱 장치의 동작 범위와 형태 등을 다루었다면, 제어 기술적인 요소는 사용자에게 실제 상황과 같은 느낌을 전달하기 위한 신호 처리를 하는 부분에 해당한다. 우리가 영화를 볼 때 정지된 화상을 초당 24프레임 정도로 보면 움직이는 영상으로 인식하듯이 햅틱 장치에서 사용자가 실제처럼 상황을 인식하고 느끼는 기준은 대략적으로 최소 2000Hz의 샘플링, 12비트의 장치 출력 해상도, 0.25mm의 위치 해상도 및 1msec의 최소 지연 시간, 50Hz 이상의 시스템 대역폭을 요구한다. 실시간 제어 기술을 적용하기 위해서는 DSP (Digital Signal Process)를 이용한 빠른 디지털 정보의 처리 기술 또한 중요한 요소이며, 햅틱 장치와 처리 프로그램간의 빠른 통신을 할 수 있도록 처리하는 것도 중요하다. 특히 가상현실과 같은 3차원 공간의 그래픽 처리는 컴퓨터 그래픽 분야의 몫이다.
여기서 필자가 개발한 평면 3자유도 병렬 햅틱 장치(<화면 8>)를 예로 들어 기구적인 요소를 고려해 최적 설계된 햅틱 장치에서 들어온 데이터가 전자, 제어 요소를 거쳐 사용자에게 어떻게 다시 전달되는지 전체 데이터 흐름을 통해 소개하겠다.
<그림 3>은 병렬형 3자유도 햅틱 장치의 시스템 구성 및 데이터 흐름을 보여주고 있다. 우선 사용자가 햅틱 장치를 움직이면, 포텐쇼미터(potentiometer)가 관절각의 위치 값을 읽어내고, 제어 보드는 관절각을 A/D 컨버터를 통해 디지털 신호로 바꾼다. 이 관절각 정보를 가지고 햅틱 제어 프로그램은 장치의 위치, 속도, 자코비안 등을 계산한다. 이 과정을 통해 햅틱 제어 프로그램은 햅틱 장치의 현재 상태를 실시간으로 확인하고 시뮬레이터 상의 로봇을 이동시킨다.
로봇의 이동으로 발생된 가상공간의 충돌이나 힘의 발생은 물리적 모델링에 의해 힘 정보로 제어 프로그램에 전달된다. 제어 프로그램에서는 힘-토크 계산식(<수식 4>)으로 힘 정보를 모터 토크로 변환한다. 변환된 각 모터 토크들은 RS485 Multidrop 통신 방식으로 제어 보드에 전달되고, 제어 보드는 PWM 방식으로 모터를 구동한다. 이러한 과정으로 시뮬레이터에서 발생된 힘이 사용자에게 전달된다. 특히 신호의 상호 전달시 앞에서 언급한, 인간이 감지할 수 있는 최소 기준치에 맞게 실시간 제어를 구현해야 한다. 그러나 필자가 사용한 RS 직렬 방식은 실제 감각을 표현하기에 부족한 점이 있다. 이것을 보완하기 위해 DSP 등의 빠른 디지털 처리 프로세서를 이용하고, USB 등의 빠른 통신을 이용하는 것이 고려될 수 있다.
로봇과 함께 느끼며 제어한다
21세기를 맞이해 로봇은 산업 현장에서 벗어나 다양한 분야로 진출하고 있다. 국내에서는 KIST를 중심으로 극한 작업 로봇 롭헤즈(ROBHAZ)를 개발했다. 이 로봇의 작업 환경은 인간에게 위험한 화재 현장이나 재난 현장 같은 곳이다. 따라서 조정자가 로봇에게 닥친 상황들을 실시간으로 알 수 있도록 하는 햅틱 기술이 필요하다. 필자가 있는 연구소에서는 이에 관한 연구를 수행했다. 즉, 로봇이 동작하기에 위험한 상황에 처하면 조정관을 잡은 조정자도 로봇과 같은 위험 상황을 느끼도록 신호를 주는 것이다. 이 기술은 로봇에 손상을 주는 장애물과 충돌이나 로봇의 파괴를 사전에 감지해 막을 수 있기 때문에 로봇 제어에서 매우 중요한 기술이라 할 수 있다. <화면 9>는 롭헤즈 로봇의 모습이며, <그림 4>는 롭헤즈의 전체 구성도다.
지금까지의 로봇 조정 방식이 사용자가 일방적으로 로봇에게 지시를 내리는 것이었다면, 앞으로의 로봇 조정 방식은 로봇의 상황을 사용자에게 전달하는 방식이 될 것이다. 이것이 미래의 로봇 기술이 지향하고 있는 인간-기계 인터랙션 시스템(man-machine interaction system)인 것이다.
미래를 바꿀 햅틱 기술
영화 로스트 인 스페이스(Lost in Space)를 보면 아이가 홀로그램 안에서 로봇을 조정해 외계 생물과 전투하는 장면이 나온다. 이 장면에서 아이는 홀로그램 안에서 움직임에 제약을 받지 않으며 전투를 벌인다. 전투 중 발생하는 충격은 아이에게 전달된다. 이것은 영화 속 장면이지만 필자는 햅틱 기술의 발전이 이런 장면을 실제로 가능하게 할 것이라고 생각한다.
앞으로 햅틱 기술이 발달하면 인류 생활 방식에 큰 변화를 가져올 것이다. 직장에서 퇴근하면서 물건을 사기 위해 할인 매장에 갈 필요가 없다. 집에 돌아와서 사이버 쇼핑몰에 접속해 사려고 했던 물건을 햅틱 장치를 통해 만져보고 원하는 동작을 해 볼 수 있기 때문이다. 실제 매장에 간 것과 전혀 차이가 없으니 안심하고 물건을 주문한다. 카펫에 관한 카탈로그를 볼 때도 지금처럼 사진만 보며 그 느낌을 상상하지 않아도 된다. 햅틱 장갑을 끼고 카탈로그 위의 원하는 카펫을 만져봄으로써 디자인과 질감 확인이 가능하기 때문이다. 촉감뿐만 아니라 온도, 미각과 같은 다른 감각 정보도 피드백 받음으로써 의사는 수십Km 떨어진 환자의 상태를 정밀하게 진단할 수 있다. 환자가 내뿜는 숨소리도 바로 앞에서 숨쉬는 것처럼 느낄 것이다. 농부는 자신의 농작물의 상태를 확인하고 농장에서 작물을 돌보던 일을 집에서도 똑같이 할 수 있을 것이다.
이러한 햅틱 장치의 지속적인 발전은 가상현실에서 걷거나 뛰는 것이 가능한 시뮬레이션인 로코모션 인터페이스(locomotion interface : 햅틱 장치를 가상현실에 접목한 미래의 모습)의 시대를 열 것이다. 이는 또한 햅틱 장치를 통한 가상현실과 실제의 경계를 모호하게 만들 것이다. 영화 매트릭스처럼 현실과 가상을 넘나드는 미래가 펼쳐질지도 모를 일이다. 로봇의 연구 분야는 매우 다양하고, 햅틱은 그 중 한 분야에 지나지 않는다. 하지만, 햅틱은 여러 다른 분야로 적용될 수 있는 무한한 잠재력이 있는 첨단 분야다. 많은 분야의 연구원들이 햅틱에 대해 관심을 가지고 자신의 연구 분야에 적용한다면 앞으로 펼쳐질 미래는 우리가 상상할 수 없을 정도로 달라질 것이다.
지금까지 햅틱 장치에 대해 간략히 알아봤다. 최대한 기술적이고 수식적인 부분은 배제하고 용어 정리와 개론을 통해 햅틱 기술의 현주소를 파악할 수 있도록 글을 전개했다. 더 많은 구체적인 정보를 얻고자 한다면 기초적인 기계, 전기 및 컴퓨터 관련 지식을 토대로 필자가 참고한 논문과 더불어 여러 웹 사이트를 통해 접근하는 방법을 권하고 싶다. 아무쪼록 이 글을 통해 독자들이 햅틱에 대해 조금이나마 이해와 관심이 유발됐기를 바란다.
정리 | 송우일 | wooil@korea.cnet.com
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