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잠깐의 여유가 필요하세요? 달에 떨어지는 우주인들의 영상을 시청해보세요. NASA에서 아폴로 우주인들이 슬로우 모션으로 튕기며 넘어지고 비틀거리는 모습을 담은 아웃테이크는 매우 공감할 만합니다.
MIT 엔지니어들에게 달 탐사 실수는 혁신의 기회이기도 합니다.
“우주인은 신체적으로 매우 유능하지만, 달에서는 힘들 수 있습니다. 달의 중력은 지구의 1/6이지만 관성은 여전히 같습니다. 게다가 우주복을 입는 것은 상당한 부담이 되고 움직임을 제한할 수 있습니다.” MIT의 기계 공학 교수인 해리 아사다는 말합니다. “우리는 우주인이 넘어져도 다시 일어설 수 있는 안전한 방법을 제공하고 싶습니다.”
아사다와 그의 동료들은 우주인을 물리적으로 지지하고 넘어진 후 다시 일어설 수 있는 착용형 로봇 팔다리 한 쌍을 설계하고 있습니다. 연구자들이 Supernumerary Robotic Limbs 또는 “SuperLimbs”라고 명명한 이 시스템은 백팩에서 확장되도록 설계되었으며, 백팩에는 우주인의 생명 유지 시스템과 사지에 동력을 공급하는 컨트롤러 및 모터도 들어 있습니다.
연구자들은 우주인이 사용하는 피드백을 바탕으로 물리적 프로토타입과 사지를 지시하는 제어 시스템을 구축했습니다. 이 팀은 우주인의 우주복과 유사한 압박복을 자원하여 입은 건강한 피험자를 대상으로 예비 버전을 테스트했습니다. 자원자들이 앉거나 누워 있는 자세에서 일어나려고 시도했을 때, 스스로 회복해야 했을 때보다 SuperLimbs의 도움을 받았을 때 덜 힘들었습니다.
MIT 팀은 SuperLimbs가 우주인이 낙하한 후 신체적으로 도울 수 있고, 그 과정에서 다른 필수 작업을 위해 에너지를 보존하는 데 도움이 될 것이라고 생각합니다. 이 디자인은 50년 만에 처음으로 우주인을 달로 다시 보낼 계획인 NASA의 Artemis 임무가 시작되면서 앞으로 몇 년 동안 특히 유용할 수 있습니다. Apollo의 대부분 탐사 임무와 달리 Artemis 우주인은 최초의 영구 달 기지를 건설하기 위해 노력할 것입니다. 이는 여러 번의 연장된 선외 활동(EVA)이 필요한 신체적으로 힘든 작업입니다.
“아폴로 시대에 우주인이 추락할 때의 80%는 발굴이나 도구를 사용하는 작업을 할 때였습니다.” 팀원이자 MIT 박사과정 학생인 에릭 발레스테로스가 말했습니다. “아르테미스 임무는 실제로 건설과 발굴에 집중할 것이므로 추락 위험이 훨씬 더 높습니다. SuperLimbs가 우주인이 회복하여 생산성을 높이고 EVA를 연장하는 데 도움이 될 것으로 생각합니다.”
Asada, Ballesteros와 그들의 동료들은 이번 주에 IEEE International Conference on Robotics and Automation(ICRA)에서 그들의 설계와 연구를 발표할 예정입니다. 그들의 공동 저자로는 MIT 포스트닥 Sang-Yoep Lee와 Jet Propulsion Laboratory의 Kalind Carpenter가 있습니다.
입장을 취하다
이 팀의 디자인은 아사다가 10년 전에 처음 개발한 SuperLimbs의 최신 응용 분야이며, 그 이후로 항공기 제조, 건설, 조선 분야의 근로자 지원을 포함한 다양한 응용 분야에 적용되었습니다.
가장 최근에 아사다와 발레로스는 SuperLimbs가 우주인에게 도움이 될 수 있을지 궁금해했습니다. 특히 NASA가 우주인을 달 표면으로 다시 보낼 계획을 세우고 있기 때문입니다.
“NASA와 소통하면서 달에 떨어지는 문제가 심각한 위험이라는 것을 알게 되었습니다.” 아사다가 말합니다. “우주인이 넘어진 후 회복하고 작업을 계속할 수 있도록 설계를 약간 수정할 수 있다는 것을 깨달았습니다.”
연구팀은 먼저 한 걸음 물러나 인간이 낙상에서 자연스럽게 회복하는 방식을 연구했습니다. 새로운 연구에서 그들은 여러 명의 건강한 자원봉사자에게 옆으로, 앞으로, 뒤로 누운 후 똑바로 서려고 시도하도록 요청했습니다.
그런 다음 연구자들은 우주복의 부피로 인해 우주인의 움직임이 제한되는 방식과 유사하게, 움직임이 제한될 때 자원봉사자들의 일어서는 시도가 어떻게 바뀌는지 살펴보았습니다. 연구팀은 전통적인 우주복의 딱딱함을 모방한 슈트를 만들었고, 자원봉사자들에게 다양한 넘어진 자세에서 다시 일어나려고 시도하기 전에 슈트를 입혔습니다. 자원봉사자들의 움직임 순서는 비슷했지만, 방해받지 않은 시도에 비해 훨씬 더 많은 노력이 필요했습니다.
연구팀은 각 자원봉사자가 일어설 때의 움직임을 매핑했고, 그들이 각각 예측 가능한 순서에 따라 한 포즈 또는 “경로점”에서 다음 포즈 또는 “경로점”으로 이동하는 공통적인 일련의 동작을 수행한다는 것을 발견했습니다.
발레스테로스는 “그 인체공학적 실험은 인간이 어떻게 일어서는지를 간단한 방식으로 모델링하는 데 도움이 되었습니다.”라고 말합니다. “우리는 약 80%의 인간이 비슷한 방식으로 일어선다고 가정할 수 있습니다. 그런 다음 우리는 그 궤적을 중심으로 컨트롤러를 설계했습니다.”
도움의 손길
이 팀은 로봇의 궤적을 생성하는 소프트웨어를 개발했는데, 이는 인간을 지지하고 다시 일어설 수 있도록 돕는 시퀀스를 따릅니다. 그들은 컨트롤러를 무겁고 고정된 로봇 팔에 적용하여 큰 백팩에 부착했습니다. 그런 다음 연구자들은 백팩을 부피가 큰 슈트에 부착하고 자원봉사자들이 슈트에 다시 들어갈 수 있도록 도왔습니다. 그들은 자원봉사자들에게 다시 등을 대고, 앞을 대고, 옆으로 누워보라고 한 다음, 로봇이 사람의 움직임을 감지하고 그들이 일어설 수 있도록 적응하는 동안 일어서려고 시도하게 했습니다.
전반적으로, 자원봉사자들은 두꺼운 슈트를 입고 혼자 서려고 했을 때보다 로봇의 도움을 받았을 때 훨씬 적은 노력으로 안정적으로 서 있을 수 있었습니다.
발레스테로스는 “마치 당신과 함께 움직이는 여분의 힘과 같은 느낌입니다.”라고 말하며, 슈트와 팔 보조도 시도했습니다. “백팩을 메고 누군가가 윗부분을 잡고 당신을 끌어올린다고 상상해보세요. 시간이 지나면서 어느 정도 자연스러워집니다.”
실험 결과, 제어 시스템이 사람이 넘어진 후 다시 일어설 수 있도록 로봇을 성공적으로 지시할 수 있다는 것이 확인되었습니다. 연구자들은 제어 시스템을 최신 버전의 SuperLimbs와 페어링할 계획입니다. 이 버전은 백팩에서 뻗어나올 수 있는 두 개의 다관절 로봇 팔로 구성되어 있습니다. 백팩에는 로봇의 배터리와 모터, 우주인의 환기 시스템도 들어 있습니다.
“우리는 특정 엔지니어링 제약이 있는 고전적인 로봇 조작기의 디자인을 찾기 위해 AI 검색 및 디자인 최적화를 기반으로 이러한 로봇 팔을 설계했습니다.” 발레스테로스가 말했습니다. “우리는 많은 디자인을 걸러내고 사람을 들어올리는 데 가장 적은 에너지를 소모하는 디자인을 찾았습니다. 이 버전의 SuperLimbs는 그 과정의 산물입니다.”
여름 동안 발레로스는 NASA의 제트 추진 연구소에서 완전한 SuperLimbs 시스템을 구축할 예정이며, 그곳에서 그는 첨단 경량 소재를 사용하여 설계를 간소화하고 부품과 모터의 무게를 최소화할 계획입니다. 그런 다음, 그는 팔다리를 우주복과 짝지어 저중력 시뮬레이터에서 테스트하여 언젠가는 달과 화성으로 가는 미래 임무에서 우주인을 지원할 목표를 가지고 있습니다.
“우주복을 입는 것은 신체적 부담이 될 수 있습니다.” 아사다가 지적합니다. “로봇 시스템은 그 부담을 덜어주고 우주인이 임무 중에 더 생산적으로 일할 수 있도록 도울 수 있습니다.”
이 연구는 일부 NASA의 지원을 받았습니다.