전문 서비스용 로봇들
의료로봇 & 기타 로봇
IFR은 지난해 서비스로봇의 분류와 함께 각 시장의 현황을 살펴본 자료집을 발표했다. 서비스로봇에 대해 다양한 내용을 담고 있는 이 자료집에서 확실한 시장을 보이고 있는 전문 서비스용 로봇을 발췌 소개하고자 한다. 본 내용에서는 생각보다 많은 산업에서 생각보다 많은 국가와 기업들이 이 같은 특수로봇에 집중하고 있는 모습을 확인할 수 있다.
▶ 의료로봇
80년대 중반 이래로 의료로봇의 성장은 혁신 및 연구 분야는 물론, 새로운 제품 및 서비스 시장에서도 놀라울 정도로 발전했다. 현재의 의료로봇은 서비스로봇의 성공 사례 중 하나로 여겨지며, 일반적으로 의료로봇은 의료로봇 활동에 혁신을 가져올 큰 잠재력을 가지고 있다고 믿고 있다.
1. 진단 시스템
진단용 로봇은 인체 외부의 진단장비 및 진단 장비에 연관된 신체를 지도하거나 인체 내 진단장비를 이동시키는 장비의 형태로 사용될 수 있다.
Estele은 원격으로 초음파 진단을 할 수 있도록 하는 원격조정 로봇시스템이다. Robofost(프랑스)가 개발한 이 제품은 가벼운 4-축 초음파 홀더로봇(의료보조진이 환자에게 연결함)을 기반으로 전문가가 원격으로 컨트롤한다. 양측성 화상회의 시스템으로 환자와 전문가가 마치 같은 공간에 있는 듯 대화할 수 있다.
또한 PILL CAM과 같은 마이크로 로봇은 인체 내로 삽입된다. 이는 복통, 설사, 출혈 또는 빈혈과 같은 내부적 증상의 원인을 밝히는 데에 도움을 준다. 캡슐 안에 포함된 소형 카메라가 인체 내를 움직여 컴퓨터로 이미지를 전송함으로써, 의사가 이를 확인하고 진단을 내릴 수 있도록 한다. 유사한 시스템인 Sayaka 내시경 캡슐이 RF System Lab(일본)에서 개발되었다. Sayaka는 모터가 움직일 필요는 없으나 50mW를 필요로 하며 이는 해당 카메라, 조명 및 컴퓨터를 작동시키기 위해 필요한 것이다. 환자가 입는 조끼는 계속해서 동력을 보내는 코일을 포함한다.
2. 로봇 보조수술 및 치료
최소 접근수술(MAS)의 사용 및 적용 기술이 발전하고 있다. 환자에 대한 그 혜택은 매우 크다. 환자의 고통은 줄여주면서도 수술 후 회복을 빠르게 해준다. 이는 나이가 많은 환자에게 특히 더 중요하다. 짧은 입원기간으로 보험 비용이 줄어든다. MAS는 더욱 특수화된 분야의 수술에서 점차로 더 많이 도입되고 있다.
일반적으로 보조기능을 내시경 카메라를 이용하여 로봇 암이 수행하게 된다. 이 로봇암은 음성컨트롤이 가능하거나 의사의 머리 이동을 자동으로 따라가기도 한다. 원격수술 기구로 의사가 로봇을 자신의 직접적 조종 능력처럼 사용할 수도 있다. 방향인식 시스템으로 환자의 해부학적 측면에 관련된 수술기구의 위치상에 정확한 위치 피드백을 제공한다. 이 로봇은 전형적으로 체적 분석 의료 이미지에 관련된 위치를 보여주는 3D 장치와 워크스테이션으로 구성되어 있으며, 일부 시스템에서는 수술 전 이미지와 모델을 통합하고 있는 경우도 있다.
Accuracy(미국)의 CyberKnife 등의 기존 로봇시스템이 방사능 치료에 사용되고 있다. 산업용 로봇 암에 설치된 소형 선상 가속기를 구성함으로써 시스템을 통해 의사가 목표물에 대해 일정한 유연성을 유지할 수 있도록 한다. 더욱 진보된 이미지 안내기술은 위험한 도구를 사용하지 않고도 정확성을 높여주는 동시에, 치료 도중 환자 및 목표지점을 따라간다.
Siemens(독일)의 새로운 X-ray 시스템은 산업용 로봇기술을 사용하여 인체 내에 도뇨관 삽입을 용이하게 한다. 의사가 환자를 중심으로 혈관촬영용 C-arm을 회전시키고 배치시키는 데에 있어서의 정확도를 증대시킨다. 이를 통해 이전보다 더 상세하게 혈관 및 질환 분위를 확인할 수 있게 되었다.
신경수술, 세포 이식 등과 같은 새로운 기술 및 치료의 출현은 세밀구조체에 대한 수술을 필요로 하는데, 이는 기술적 도움이 없이는 불가능한 것이다. 밀리미터 이하 단위의 조작을 위해 개발된 육각 시스템은 이미 10 마이크로미터의 정확도로 배치를 시킬 수 있는 수준에 달했다. 심장 및 복강경 수술시에 적용되는 Intuitive Surgical Solutions(미국)의 daVinci 등과 같이 기존의 주-종 수술 원칙을 따르는 또 다른 로봇설계가 성공적으로 수술 시나리오에 도입되어오고 있다.
이는 최종 효과기에 대한 손과 손가락의 움직임을 해석하는 정밀입력 개체를 의사가 조작하게 됨을 의미하는데, 이를 통해 시각적 안내 및 검사를 위한 도구, 진단장비 또는 광학 렌즈를 이용할 수 있게 된다. 또한 특수 공학적 의자가 개발되어 시각적 및 촉각적 피드백을 주고 의사에 대해 집중적이고 지속적인 동작을 보조하며 효과를 최적화시킬 수 있게 되었다. 로봇은 신경수술, 미세수술, 정형외과 수술, 이비인후과 수술, 심장학 및 기타 치료법 등에 사용될 수 있다.
MAKOplasty는 Rio Robotic Arm Interactive Orthopoaedic System을 사용하여 정확하게 초기에서 중기까지의 정형외과적 무릎 질환을 정형외과 의시가 환자에 맞게 치료할 수 있도록 하는 회복 수술 솔루션이다. 무릎 수술은 손으로 하기 어려운 것으로 보고되었으나, 로봇 암 플랫폼을 통해 정확성을 이룰 수 있게 됐다.
Cadiorobotics의 cardioARM과 같이 미세수술용 설계제품도 출시되어 있다. 스네이크 로봇과 유사한 혁신적 설계는 2009년에 임상실험을 시작한 것으로 보고되었다. 중요한 이점은 로봇이 심장개복수술에 필요한 심장-폐 기계의 사용을 제한한다는 것이다(판막 복구 등). 위험도를 줄이는 한편 화자의 회복기간을 단축시키는 것으로 보고되고 있다.
이미 사용 중인 시스템으로부터 획득되는 경험과 지식으로, 수술로봇의 수용이 일반적으로 증가하는 추세다. 발전된 기술적 방법을 필요로 하는 수술이 증가하고 있으며, 이에 따라 새로운 방법들도 추구되고 있다. 또한 기타 많은 시스템들이 개발되고 있거나 현재 플로토 타입으로서 의료기관으로부터의 승인을 기다리는 단계에 있다. 지금까지 5,110 시스템이 사용되고 있으며, 2,400개체가 2009~2012년 사이에 판매될 것으로 예상된다.
3. 요양 시스템
요양로봇은 필수 활동이 어려운 사람들을 돕거나 신체 또는 인지적 기능을 향상시킬 목적으로 환자에게 치료를 제공한다.
구동성 훈련은 특히 노동집약적이고 치료사에게 스트레스를 주는 일이므로, 자동화의 1차 타깃이 된다. 4개의 구동성 훈련 로봇시스템이 세계적으로 다수의 클리닉에서 사용 중에 있다.
인간의 사회활동을 지원하는 로봇공학은 인간의 육체적인 상호작용보다는 사회적인 상호작용에 초점을 맞추어 노인, 육체적 장애를 가진 장애인, 인지 장애와 성장 장애 및 사회적응 장애를 가진 장애인과 같은 넓은 범위의 사용자가 원하는 삶의 질을 높여줄 것이며, 일본 AIST에서 개발하였다. 아기 물개모양을 한 이 로봇은 앞으로 동물병원에서 아프거나 거동이 불편한 동물을 치료하는 동물치료시설과 같은 환경에서 아프거나 거동이 불편한 동물에게 약물을 투여하는 일과 같은 업무를 수행할 것이다. PARO 로봇은 촉각, 시각, 청각, 온도, 자세를 감지하는 5가지의 센서가 있으며, 앞에 놓인 사람과 주위 환경을 인식할 수 있으며 치료로 인한 유익 지표가 120에 달할 만큼 인식도가 넓다.
▶ 기타
1. 수중 시스템
수중로봇은 사람이 안전하게 일할 수 없거나 근처에 접근하기조차 어려운 장소에서 일하거나 조사할 때 사용된다.
수중로봇의 시장성은 매우 전망이 높다. 무인수중로봇의 판매량은 2009년에서 2012년까지 6억4000만달러 이상이 될 것으로 보인다. UAV 소매업자의 리스트와 이 생산물의 종류는 유럽의 해양과학과 기술부문 유럽에도 진출할 수 있으리라 본다. 유럽에서는 수중 로봇이 아직 과학사회에서만 사용되고 있다. 자율형 수중로봇에 관한 선별적 개발 프로젝트가 다른 영역에서 올려져 있다.
2008년 말에 수중로봇 5,115개가 사용되고 있다고 보고된다. 2009년에서 2012년 사이에 판매량이 700단위 이상이 될 것이다.
2. 범용 모바일 플랫폼
현재까지 해당 기기들을 직접적으로 활용하거나 원격 조정 장치로 조정하여 왔으므로 인력이 필요하다. 모바일 로봇 플랫폼은 해당 기기의 독립적인 동작을 참조하여 모바일 로봇에 모두 활용되도록 기반이 이루어진다.
비시공 환경에서 이를 자동적으로 활용하기 위해 모바일로봇은 정확한 냐바개이션 시스템을 활용한다. 이 내비게이션 시스템은 모바일 로봇의 ‘핵심’ 부분이므로 해당 시스템들 간에 주요한 차이점을 규명할 수 있고, 더욱 간편한 솔루션 및 비용절감을 이루기 위해 향후 중요한 변경이 이루어지고 기능이 대부분 향상될 부분이다.
해당 시스템들이 스스로 작동하기에 앞서 작업 지역에서 활용되는 프로그램(혹은 교육) 종류가 필요한 시스템들도 있다. 지반, 벽면 내 경보등 내지 기타 인공위치 표시알림 장치 내 자기핀(Magnetic Pin)들의 도움으로 로봇은 내장된 센서로 나아갈 방향을 찾게 된다. 가장 정교한 버전은 자연적 위치알림 장치들(코너, 벽면 및 기타 지질적 특성을 나타낸 형상)이 필요하거나 알려지지 않은 환경에 관한 지도를 구성하는 동시에 현 위치(SLAM; Simutaneous Localization and Mapping, 시뮬레이션 위치추적 및 매핑)를 계속 탐색한다.
또한 모바일 로봇은 예상치 못한 장애물을 확인, 정지, 회피할 수 있어야 한다.
본 내비게이션 시스템 및 네트워크 통신장치와 결합한 센서 일체를 통해 중앙통제 기반의 다변환경 자가 조절 상태로 인공지능 모바일 플랫폼 ‘커뮤니티’와 상호접속 및 통신이 가능하다.
어떤 모바일 플랫폼을 사용하는데 있어 분명한 기준은 옥내 작업 및 옥외 작업에 적합한지 그렇지 않은지에 달려 있으며 본 장치는 구동시스템(무환궤도 대신에 전/후륜 구동 사용) 및 3중 전/후륜 차동 장치내지 3중 사이클 구동 장치 혹은 4중 천/후륜 구동장치와 같은) 역학적 구동장치를 갖추고 있다.
이러한 로봇 중에는 지면 및 표면에서 어떠한 방향으로도 자유로이 이동할 수 있는 홀로노믹(Holonomic) 로봇이라고 하는 로봇이 있는데, 일련의 롤러들이 기존 전/후륜 구동방식(Fully Steerable Wheels)을 기반으로 하고 있다.
이러한 모바일 로봇 플랫폼은 광범위한 분야에 적용할 수 있으며, 공급 체인은 모바일 로봇핵심기술(자동 내비게이션 내지 기본 플랫폼을 포함한), 최종 사용자용, 턴키 방식을 전달하는 시스템 통합장치로 이루어져 있다.
3. 범용 로봇팔
상업 및 용역로봇 분야에서 비중 있게 다루는 로봇속도와 중량과 관련한 조건들에 따라 뛰어난 운동역학 및 명령송수신 설계가 이루어지고 있다. 초기에는 로봇구조물의 질량이 경량화되고 느린 동작을 빠르게 전환하는 일이 우선적인 주요 목표였고, 인간의 팔로 작업하는 속도와 같은 속도가 궁극적인 달성 수준으로 여겨졌다.
이러한 개발 방향에서 이루어지고 있는 선도적인 단계는 1990년대 초기 네덜란드의 Exact Dynamics사가 개발한 ‘Manus’로 알려진 Assistive Robot 서비스 Manipulator(ARM)의 사용화로 이어졌으며, 이 로봇은 팔 상단부에 심각한 장애를 겪고 있는 사람들이 팔을 사용할 수 있게 도와주는 6 2 DOF 로봇으로 팔을 못 쓰는 장애인들의 팔과 손의 기능을 보충해줄 수 있으며, 작업 및 옥외에서 작업시 가정에서 매일하는 일을 하듯이 만들어준다. 키패드(4×4 버튼), 조이스틱(휠체어에 달린), 장애를 입지 않은 신체 일부에 부착한 기타 장치들 덕분에 ARM은 짚는 역할을 그리퍼로 물건을 집어 올릴 수 있게 되어 있으며, 사용하지 않을 경우 접어서(휠체어 옆면에다) 따로 보관할 수 있게 되어 있다.
미국 Barrett Technology사가 개발한 WAM arm은 원래부터 후면으로 구동할 수 있는 장치이며, 마찰 및 타력이 낮고 밀림이 전혀 없는 케이블 및 실린더 동력전달 장치로 구동한다. 또한 Mako Surgical사가 개발한 WAM Arm은 정형외과 및 신경외과 수술용으로 사용되도록 설계되어 있으며 Barrete 핸드는 3 손가락이 장착되어 있어 프로그램에 따라 완벽하게 물건을 집을 수 있다.
범용 일반 모듈 암 시스템인 PowerCube는 1994년 Amtecrobotics사에 의해 도입되었으며 고강도의 모듈로 용역 로봇공학 영역에서 다양하게 적용되는 7-DOF 로봇팔의 구조가 나오게 되었다. 현재는 제3세대가 나오면서 이러한 모듈을 통해 각종 케이블과 공기 튜브들을 차용할 수 있도록 구멍을 내어 강력하고 민첩한 로봇팔의 동작을 정확하게 구현할 수 있도록 되었다. 이러한 로봇팔은 Amtec Robotics사에서 인수한 독일 Schunk사로부터 최신의 다중 손가락 그리퍼를 차용하고 있으며, Schunk Dectrous Hand(SDH) 및 Schunk Anthropomorphic Hand(SAH)의 손가락 그리퍼가 대표적이다.
SAH는 4개의 독립적인 손가락이 있고 맞은편 엄지손가락 기능을 할 수 있는 추가 구성축을 갖추고 있으며 전기구동력 생산이 한 번에 이루어지므로 중앙전자 유도장치를 갖춘 Flat Changing System(FCS)이 연결되어 사용되므로 SAH는 수십 가지 분야에 가장 적합한 로봇팔이다.
저비용의 로봇팔은 최근 덴마크의 Universal Robots사에서 소개했는데, 이 로봇팔은 중량이 가볍고 기존 기기를 통합하여 배치했다고 말할 수 있다.
암축 공기를 기반으로 하는 용역 로봇팔은 영국 Shadow Robot에서 출시하고 있으며, Off-board 컴퓨터에서 정확히 동작을 통제하여 탐지센서 및 위치제어 기능을 통해 24가지 동작을 수행할 수 있으며 물체를 부드럽게 감싸 집어 올릴 수 있는 40개의 공기 근육이 통합적으로 구성되어 있다.
2006년에는 1:1의 중량 대 하중비를 목표로 한 KUKA 경량형 로봇팔이 독일 KUKA사에서 제작되었으며, 이 로봇팔은 팔의 힘을 획기적으로 제어할 수 있는 콤팩트형 7DOF 로봇팔이며 혁신적인 제어 알고리즘을 차용하여 하중이 로봇팔의 가장 자리나 자체구조 어디에 받든지 상관없이 어떠한 경우에서나 상당한 힘을 발휘할 수 있게 되어 있다.
자료 : 한국로봇산업협회 www.korearobot.or.kr 출처 : IFR www.ifr.org
