이승(移乘), 기립 보조 등의 연구용 플랫폼 ′ROBEAR′
독립 행정법인 이화학 연구소(이하, RIKEN) 스미토모(Sumitomo, 住友) 이공 인간 공존 로봇 제휴 센터(이하, RSC) 로봇 감각 정보 연구팀 등의 연구 그룹은 이승(이승 도움이나 기립 보조 등 사람과의 부드러운 접촉과 큰 힘이 필요하게 되는 움직임을 로봇으로 동시에 실현되기 위한 연구용 플랫폼으로서 ′ROBEAR′을 개발하였다.
고령화 사회를 맞이한 일본에서는 간병인 부족이 사회 문제화하고 있다. 간병 현장에서는 침대에서 휠체어로의 이승 등 중노동에 의해 많은 간병인이 요통으로 고통 받고 있어 로봇 기술에 의한 부하의 경감이 요구되고 있다.
지금까지 RSC에서는 인간과 같은 팔을 이용하여 이승 간병을 하는 로봇으로서 ′RIBA′, ′RIBA-II′를 개발하고 있다. 이번에 개발한 ROBEAR은 이러한 후계기종이라고 한다. ROBEAR에서는 소형화와 고정밀도・고출력을 실현하는 액추에이터 유닛과 사람과의 접촉 상태를 검출하기 위한 왜곡 게이지식 힘/토크 센서, 관절마다 전류 토크 추정기, 피부에 상당하는 고무제의 촉각 센서(스마트 러버 센서)의 세 가지 종류의 역각계(力覺系) 센서, 그리고 고출력의 임피던스(impedance) 제어를 채용하였다.
이것에 의해 큰 힘을 내는 것과 동시에 접촉 상태에 대응한 미묘한 동작 조절이나 로봇 팔로 사람을 사이에 두어 보관 유지하는 부드러운 동작이 가능하게 되었다. 또한 옆구리 부축에 이어 서있는 사람을 양팔로 지지하거나 선 자세의 사람을 껴안거나 기립을 보조하는 등 여러 가지 많은 방법이 할 수 있다고 한다. 그리고 액추에이터 유닛을 중심으로 한 설계의 재검토에 의해서 중량을 약 140 kg(RIBA-II는 약 230 kg)으로 큰 폭으로 경량화하여 부품 점수도 약 250점(RIBA-II는 약 750점)으로 줄일 수 있었다고 한다.
이외에도 차바퀴 암이 신축 가능하여 지지 기저면을 바꿀 수 있는 대차, 거리 화상을 이용한 사람 인식, 유연 외장을 위한 절삭 가공법 등의 기술도 개발하여 이용하고 있다.
이번에 연구 그룹이 개발한 기술에 의해 ROBEAR에서는 사람과의 부드러운 접촉과 강력한 동작이 가능하게 되어 대폭적인 경량화에도 성공하였다. 향후 간병이나 재활훈련에서의 응용을 목표로 하여 계속 로봇의 연구를 실시할 예정이라고 한다.
고령화 사회를 맞이한 일본에서는 고령자의 증가에 수반하여 간병인 부족의 문제가 심각화되고 있다. 간병인 부족을 보완하기 위하여 로봇 기술에 큰 기대를 하고 있다고 한다. 특히 침대에서 휠체어로의 이승은 간병인에게 있어서 큰 부담이 되고 있다. 간병 현장에서는 1일 약 40회의 이승 시중을 1명의 간병인이 하고 있는 경우도 있어 요통의 원인으로도 되고 있다.
RIKEN-스미토모 이공 인간 공존 로봇 제휴 센터(RSC)에서는 2009년에 팔을 이용해 이승 시중을 실시할 수 있는 로봇 ′RIBA′를 발표하였다. 그리고 중요한 요소 기술인 촉각 센서를 개량하여 고무제품 촉각 센서(스마트 러버 센서)를 이용하여 마루로부터 안아 올려도 가능한 ′RIBA-II′를 2011년에 발표하였다. 이번에 개발한 ′ROBEAR′은 이러한 기술을 계승하면서 새롭게 간병 현장에서 자주 하는 선 자세로 껴안는 기립 보조, 재활훈련 등의 동작 실현을 목표로 개발하였다.
ROBEAR은 RIBA, RIBA-II와 동일하게 고출력 동작이 가능한 액추에이터와 팔을 접촉하는 촉각 센서(스마트 러버 센서)를 탑재하고 있어 로봇에게 시중드는 간병인의 판단을 촉각 센서에서의 접촉을 통해 취득하여 동작을 실시한다.
ROBEAR의 특징은 사람과의 부드러운 접촉과 큰 힘을 양립할 수 있는 점이라고 한다. 저감속비에서도 큰 힘을 낼 수 있는 액추에이터 유닛과 작은 힘으로부터 큰 힘까지 다양한 상황에서의 검출을 가능하게 하는 세 가지 종류의 역각계 센서를 조합하여 이용하는 것으로 사람과 부드럽게 접촉하여 필요에 따라서 큰 힘을 내는 것을 가능하게 하였다.
액추에이터 유닛은 AC 서보 모터, 기어, 모터 드라이버, 제어・통신 기판을 일체화한 것이다. 지금까지의 유닛에 비해 감속비가 10분의 1 정도의 고효율인 기어를 이용하고 있기 때문에 각 관절의 회전 속도가 2.5~10배, 정밀도가 4~30배 향상되어 이전에는 없었던 액추에이터의 출력 측에서 받은 힘이 입력 측에 전달하는 Back driveability(지식리포터 주)가 확보되었다. 또한 기어가 밀폐되고 있기 때문에 안전성과 청결성이 향상되면서 소형화, 경량화, 부품 점수의 삭감, 정음을 실현하였다.
ROBEAR은 사람과 접하면서 동작을 하기 때문에 역학계의 센서로 사람과의 접촉 상태를 검출하는 것이 중요하다. 따라서 폐해 게이지를 이용한 ′6축력/토크 센서′, 관절의 모터를 흐르는 전류로부터 관절의 토크(비틀림의 강도)를 추정하는 가상적인 센서인 ′전류 토크 추정기′, 피부에 상당하는 고무제품의 ′촉각 센서(스마트 러버 센서)′의 세 가지 종류의 역학계 센서를 채용하였다. 이 세 가지 종류의 센서 우위성을 활용하여 부족한 부분을 상호 보완하면서 통합적으로 사용하는 것으로 사람과 접할 때의 부드러움과 안전성을 확보하고 있다.
양 어깨에 설치한 6축력/토크 센서는 팔에 가하는 힘을 힘의 크기에 관련되지 않고 모두 검출할 수 있지만 동작 시에는 관성력의 영향을 받게 된다. 또한 동시에 여러 개소에 힘이 가해졌을 때에는 각각을 분리하여 검출할 수 없다. 전류 토크 추정기는 각 관절이 움직일 방향만의 힘을 검출하기 때문에 팔의 선단에 가는 만큼 검출할 수 있는 축수가 줄어든다. 또한 감속비가 크면 마찰의 영향이 커져 팔 옆에 가까워질수록 정밀도가 나빠진다.
그리고 동작 시에는 동작을 위한 전류가 가해지기 때문에 가해지고 있는 토크를 정확하게 알지 못하여 작은 힘은 검출할 수 없다. 촉각 센서는 팔의 표면 모두를 파악할 수 없기 때문에 검출할 수 있는 범위가 한정되지만 그 범위 내에서는 작은 힘에서도 검출할 수 있다. 또한 압력의 분포를 계측할 수 있으므로 동시에 여러 개소에 힘이 가해져도 분리하여 검출할 수 있다. 그러나 큰 힘으로는 출력이 포화하여 버리게 된다.
각각 센서의 구체적인 사용 방법으로서 작은 힘에도 반응하여 접촉 위치를 취득할 수 있는 촉각 센서를 촉각에 의한 동작 지시와 안아 올리는 대상인 사람의 위치나 체격에 따라 실시하는 동작 수정에 이용하였다. 또한 각 관절이 움직일 방향의 힘을 검출할 수 있는 전류 토크 추정기를 팔의 첨단부 4축으로 설치하여 전류 토크 추정기로는 검출이 어려운 팔의 근원부 2축에 힘/토크 센서를 설치하는 것으로 각 관절의 부드러움을 실현하고 있다. 그리고 여러 센서의 값을 조합하여 정상 동작의 확인을 실시할 수 있도록 하고 있다.
힘을 조절하면서 하는 동작의 예로서 양팔로 사람을 지지하면서 세워 소파로부터 휠체어로 옮긴다. 이러한 동작에서는 어느 정도 자력으로도 힘이 나는 사람의 서포트를 실시하는 것을 목적으로 하고 있다. 이를 위하여 시작에 필요한 힘을 부분적으로 로봇의 팔로 서포트한다. 이 때 기립 중 힘의 대략 반 정도를 로봇이 담당하고 있다.
ROBEAR로는 이외에도 옆구리에 끼기나 선 자세로의 껴안고 서포트용 슬링(삼각건, sling)을 사용한 옆구리에 끼기에 의한 이승도 가능하다. 이러한 동작에서도 필요에 따라서 동작 조절이나 유연함을 이용하고 있다. 또한 세로로 안을 때 보행에 어려운 있는 사람을 위하여 다리 두어 보조 판자도 추가할 수 있다고 한다.
이번 연구그룹이 개발한 기술에 의하여 사람과의 부드러운 접촉과 강력한 동작이 가능하게 되었다. 향후 이러한 특성을 활용하는 새로운 유연 간병이나 재활훈련 응용을 목표로 하여 계속 로봇의 연구를 실시할 예정이라고 한다.
(지식리포터 주) Back driveability
액추에이터의 출력 측에서 받은 힘이 입력 측에 전달하는 성질로 로봇 링크에 외계로부터 가해진 힘이 모터에 전해지는 것으로 링크가 외계와 충돌・접촉했을 때 부드러움을 실현할 수 있다. 또한 모터를 흐르는 전류로부터 외계의 힘을 추정하는 일도 가능하게 된다. 실현을 위해서는 기어의 마찰을 저감하는 것이 필요하다고 한다.
