오스트레일리아의 대표적인 문장 표식인 캥거루는 유대목과(캥거루나 코알라처럼 육아낭에 새끼를 넣어 가지고 다니는 동물)의 동물로서 독특한 긴 뒷다리의 도움을 받아 대지 위를 빠르고 효율적으로 이동할 수 있다.
역학적 측면에서 캥거루의 이러한 점핑(Jumping) 구조는 에너지를 추가적으로 사용하지 않고도 속도를 높일 수 있는 구조로, 모든 연속적인 점프 과정에서 이 구조는 착지 시에 에너지를 축적할 수 있고, 다음 점프 시에 축적된 에너지를 사용한다. 이 과정에서 아킬레스건은 매우 중요한 역할을 하는데, 이것은 다른 동물들과 확연하게 차이나는 캥거루 고유의 특징이다.
동작 중 자체 에너지/전원 공급(모바일 전원 공급)
FESTO 연구팀은 작동 중인 바이오닉 캥거루에의 에너지 공급 방법에 대해 특별한 연구를 진행했고, 이를 위해 몸체 내에 소형 압축 공기 발생기 혹은 고압 탱크를 장착하는 두 가지 콘셉트를 고안했다. 이 두 가지 방식 모두 캥거루의 점프에 필요한 충분한 양의 압축 공기를 제공한다.
FESTO는 고속 스위칭 밸브인 ‘MHE2’를 내장해 정확한 양의 압축 공기를 동작 중에 드라이브로 공급하는데, 리튬-폴리머 이차 전지는 전기 에너지 저장 장치의 역할을 하며, 고속 스위칭 밸브 및 전동 드라이브뿐만 아니라 함께 내장된 FESTO의 ‘CECC 컨트롤 시스템’에도 적정 수준의 전원을 공급한다.
제스쳐 컨트롤 시스템을 이용한 직관적인 작동 콘셉트
바이오닉 캥거루는 조작자가 특수한 암 밴드 형 컨트롤러를 장착한 상태에서 제스처를 취하는 것만으로 제어가 가능하다. 이 컨트롤러는 팔 근육의 움직임을 감지하며, 내장된 위치 센서는 팔의 움직임을 기록하고, 또한 블루투스를 이용해 이러한 신호를 바이오닉 캥거루의 소형 컨트롤 시스템으로 전송하게 되는 방식으로 기동을 준비한다. 이러한 일련의 과정을 통해 조작자는 간편하게 이 로봇을 컨트롤할 수 있다.
정밀한 동작을 위한 전동 드라이브
바이오닉 캥거루가 서 있는 자세를 살펴보면 두 다리와 꼬리가 바닥 면에 위치해 안정적으로 3점에서 몸체를 지지하도록 하며 꼬리는 점핑 동작 중에 필요한 몸체의 균형을 유지할 수 있게 도와준다. 특히 몸체에 내장된 서보 모터는 점프의 진행 방향에 따라 꼬리의 각도 및 이에 상응하는 동작을 제어하도록 프로그래밍이 되어 있다.
FESTO는 캥거루가 가진 아킬레스건의 기능을 고무소재의 탄성 스프링으로 구현하고, 캥거루의 발뒤꿈치와 무릎의 관절에 해당하는 부위에 고정시켰다. 이 인공 힘줄은 점프에 대한 쿠션작용을 하는 동시에 역학 에너지를 흡수하고 다음 점프 시 이를 방출하는 역할을 한다.
통합된 컨트롤과 실시간 진단
끝으로 FESTO는 상태 모니터링과 정확하고 정밀한 제어 기술을 통해 점프 및 착지 시 안정성을 확보했다. 이를 통해 바이오닉 캥거루의 에너지 상태, 내부적으로 조정되는 값과 점프의 진행 방향을 지속적으로 모니터링하고 이상 상태가 없는지 평가 및 진단하게 되며, 이와 동시에 컨트롤 시스템은 다중의 센서 값을 처리한다. 이러한 값들은 높은 수준의 고도화된 제어 알고리즘으로 전달 및 처리되어 실린더와 드라이브를 구동하는 값들로 조정된다. 경량의 하중을 구현하기 위해서 모든 부품 및 요소는 최소화된 공간에 최적으로 배치 및 연결되어 있다. 몸체는 경량의 발포 수지 폼을 절단해서 제작되었으며, 동작 기구 구조는 강화 카본을 레이저 소결 방식으로 형성했다. 그 결과 바이오닉 캥거루의 무게는 7㎏, 높이 1m의 사이즈로 높이 40㎝, 거리 80㎝까지 점프할 수 있다.
미래 생산 방식을 앞당길 촉진제
FESTO의 BLN(Bionic Learning Network) 프로젝트의 매력은 언제나 생체모사로봇이 직접적으로 활용될 수 있는 기술적 여지를 제공한다는 점이다. 이 바이오닉 캥거루 역시 마찬가지이다.
바이오닉 캥거루는 다양한 기능을 한 곳에 통합하는 통합 자동화적인 측면에서 여러 가능성을 보여준다. 이 로봇은 독특한 점프 운동 역학의 기술적인 구현 이외에 전체적으로 최소화된 공간에 다양한 부품을 내장하고, 많은 기능들이 고도화된 제어 기술을 이용해 상호 작용을 하도록 구성되어 있다.
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