관절이 많으면, 무엇이 달라질까?

서랍은 레일을 따라 움직이고 문은 경첩을 중심으로 회전합니다. 서로 다른 모양의 동작이지만, 각각의 상태는 하나의 독립적인 값으로 나타낼 수 있습니다. 자유도는 이런 독립적인 움직임의 수를 이해하는 출발점입니다. 로봇 사진에 보이는 관절 수를 세는 것과 자유도를 계산하는 일이 항상 같지는 않습니다. 관절 하나가 어떤 운동을 허용하고 다른 움직임과 어떻게 연결되는지 보아야 합니다. 그래서 사양표의 숫자를 읽기 전에 직접 한 동작을 떠올려 보는 것이 도움이 됩니다. 숫자는 움직임을 설명하기 위한 언어이기 때문입니다.

컵을 책상 위 한 지점으로 가져왔다고 가정해 봅시다. 그 위치에 놓였더라도 컵이 옆으로 누워 있으면 원하는 일을 마친 것이 아닐 수 있습니다. 위치는 어디에 있는가를, 방향은 어느 쪽을 향하는가를 묻습니다. 공간 속 강체의 자세를 설명할 때 위치 세 성분과 방향 세 성분을 생각하는 이유입니다. 여섯 자유도라는 말이 자주 등장하는 배경도 여기에 있습니다. 다만 실제 팔이 그 모든 위치와 방향으로 움직일 수 있다는 뜻은 아닙니다. 실제로 가능한 자세는 팔의 길이와 관절의 움직임 제한에도 영향을 받습니다.

Modern Robotics는 작업 목표를 표현하는 '작업 공간'과 로봇 끝부분이 실제로 도달할 수 있는 '도달 가능 공간'을 구분합니다. 독자의 이해를 위해 칠판에 점을 찍는 일과 좁은 틈에 도구를 넣는 일을 비교해 봅시다. 첫 장면은 도구 끝이 목표 지점에 오는지가 중심이고, 두 번째는 들어가는 방향도 중요합니다. 두 작업을 같은 도달 거리 하나로 설명하면 필요한 조건을 놓칠 수 있습니다. 사양표를 읽을 때 작업 도구 끝의 위치, 도구의 방향, 지나가는 경로를 나누어 적어보세요. 각각 다른 제약이 보이기 시작합니다.

선반 앞에 로봇 팔을 설치하고 상자를 꺼낸다고 가정해 봅시다. 팔이 길어 상자까지 닿더라도 선반 기둥 때문에 원하는 방향으로 들어가기 어려울 수 있습니다. 이때 고려할 방법은 관절 수를 늘리는 것만이 아닙니다. 팔의 설치 위치, 상자를 놓는 방향, 사용하는 도구도 바꿔 볼 수 있습니다. 이 예시는 특정 제품의 성능을 비교한 실험이 아니라 작업을 설계할 때 고려할 순서를 보여주는 예시입니다. 로봇의 능력과 주변 환경을 함께 살펴보면 더 높은 사양을 고르기보다 작업을 잘 정의하는 일이 먼저라는 것을 알 수 있습니다.

다음에 로봇 팔의 자유도 수를 보게 되면 맡길 작업을 세 문장으로 적어 보세요. 어떤 물체를 어디에서 어디로 옮기는지, 도구가 어떤 방향을 유지해야 하는지, 주변의 무엇을 피해 가야 하는지입니다. 그다음 반복할 때 달라지는 조건을 덧붙입니다. 물체의 위치가 조금씩 바뀌는지, 사람과 장비가 같은 공간을 쓰는지도 생각해 볼 수 있습니다. 이 과정은 숫자 하나에 모든 기대를 걸지 않게 해 줍니다. 자유도만으로 성능을 판단하기보다는, 그 수치를 바탕으로 로봇이 어떤 움직임을 선택할 수 있는지 살펴보면 좋습니다.