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[로봇시장③] 사람같은 다리 보행 시작

2019-10-21 17:00:00

[퓨처이코노미 김민혁 기자] 2족형 로봇

사람이 두 다리로 직립 보행을 하기 때문에 많은 과학자들은 휴머노이드 로봇에 완벽한 2족 보행 기능을 장착하고 싶어한다.

2족보행 로봇을 만들기는 개발자들에게 여전히 어려운 과제다. 다족(多足)에 비해 균형을 맞추는데 많은 에너지와 연산이 투입되기 때문이다. 무거운 물건을 들기에도 불안한 면이 있다. 하지만 2족보행은 구현해낼 수만 있다면 순발력과 방향 전환 능력이 다족(多足)에 비해서 더 뛰어나다. 2족은 수평점유면적도 적을 뿐더러 다족보행 중 가장 에너지 효율이 높다.

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오직 2족보행의 효율성과 경량화를 위해 연구해온 기업 어질리티로보틱스(Agility Robotics), 자료: Agility Robotics

2족 보행 구현을 위해선 여러 가지 기술이 사용된다. 동적보정 알고리즘 사용은 기본이고, 관절 위치와 파워(Power), 지면 접촉, 지면 부하 등을 감지하는 위치센서와 힘·토크센서를 장착한다. 최근에는 경로판단과 장애물 회피, 임무수행 등을 위해 레이저스캐너인 Lidar와 스테레오비전카메라(Stereo vision Camera)까지 장착하는 추세다.

실내에서는 GPS수신이 불가하지만 이를 가능케 해주는 IMU(Inertial Measurement Units: 관성측정유닛)센서도 많이 사용하고 있다. IMU는 3축의 가속기(accelerator)와 회전속도를 이용하는 자이로스코프(gyroscope)를 사용하여 관성을 측정해 균형을 유지하고 안정된 보행을 도와준다. 뿐만 아니라 최근에는 구글이나 우버가 각각 구글브레인(Google Brain)과 우버AI랩스(Uber AI labs)을 통해 보행형 로봇이 스스로 장애물을 피해 걷는 법을 학습하는 딥러닝 알고리즘을 개발하기 시작했다.

대표적인 2족보행 로봇은 ZMP(Zero Moment Point) 알고리즘을 사용하는 혼다의 아시모(Asimo), 한국의 휴보 등이 있으나, 역시 보스턴다이나믹스(Boston dynamics)와 애질리티로보틱스(Agility Robotics)등이 만든 로봇 기술에는 필적하기 힘들다. 보스턴다이너믹스는 컴퓨터 시각을 사용하여 지형지물을 정확하게 인식할 뿐 아니라, 외부의 충격에도 중심을 잡는 속도가 매우 빠르다. 보스턴다이너믹스가 개발한 펫맨(Petman)의 경우 발가락관절까지 만들어 발끝으로도 설 수 있도록 설계됐다.

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왼쪽부터 Apptronik이 개발한 2족보행용 액츄에이터와 SEAs 탑재한 Appt Draco, NASA의 Valkyrie 자료:Apptronik

이후 아틀라스(Atlas)는 더욱 진화된 2족 보행로봇으로 예전에는 상상하지도 못하던 점프, 공중돌기 등 다양한 동작이 가능해졌다. 2족보행 로봇에 또 하나의 강자는 애질리티로보틱스이다. 애질리티는 다리만 분리된 형태로 2족보행을 연구개발 해왔다.

케시(Cassie)는 매우 경량화되고 슬림해졌으며, 놀랍도록 효율적인 2족보행의 모습을 연출했다. 거기다 더해 가장 최근에 발표된 디지트(Digit)는 케시의 성공적인 디자인에 몸통과 팔을 더한 모델로 18KG 무게의 물건을 들고 걸을 수 있을 만큼 진화됐다. 중국의 유니콘 기업이자 로봇 스타트업 유비텍(UBtech) 역시 힘제어 방식으로 걷는 2족 보행로봇 Walker를 선보인 바 있다.

텍사스 소재의 Apptronik 로봇 역시 2 족보행에 특화되어 있다. 나사(NASA)의 발키리(Valkyrie)휴머노이드 로봇과 메카(Meka)의 'Hume a point foot bipedal robot'와 같은 로봇이 앱토닉(Apptonik)의 기술에 도움을 받았다.

앱토닉은 로봇에 직렬탄성 액츄에이터(SEAs: Series Elastic Actuators)를 사용해서 마치 사람의 뼈와 근육이 힘줄로 연결되어 있듯 스프링을 이용해 모터를 힘이 적용되는 부하부(load)에 연결시켰다. 유압에 비해 전기구동 액츄에이터가 부족했던 단점들을 보완할 수 있었다. 최근엔 10 자유도를 갖는 2 족보행 드라코(Draco)를 발표하기도 했다.

4족형 로봇

대부분 자연계에서 동물이 4족을 가지고 있기에 보행형 로봇 중에서는 가장 널리 사용되는 방식이라 생각된다.

2족보행이 움직일 때 지면을 딛는 다리와 걸음을 내딛는 다리가 각각 하나씩이라 불안정하다면, 4족보행은 두 개 혹은 순간적으로 세 개의 다리로 지면을 딛고, 1개 내지는 2개 다리로 움직일 수 있어서 동적 보행시 매우 안정적인 성능을 보인다.

지면을 딛는 부위가 안정적이므로 무거운 물체를 운반할 때도 보다 효과적이고, 험로에서도 보다 안정적인 균형감을 갖는다. 하지만 연산을 통한 ‘위치제어’를 하려면 4개 다리의 경우의 수가 많아 복잡하다는 단점이 있다.

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험준 지형에서 4족 보행로봇이 걷는 방식-힘제어 기술, 자료: Boston Dynamics

이 때문에 고도의 연산에 의한 위치제어 기술보다는 4개 다리에 센서를 부착한 ‘힘제어’ 기술을 많이 연구하고 있다. 힘토크 센서를 로봇 다리마다 부착해 지면과 상호작용을 제어하며, 지면이 고르지 않는 험로에서는 관성센서를 이용해서 보행을 제어하고 속도에 따라 다리의 움직임을 제어하는 것이다.

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IMU와 Force Sensor탑재가 필수적인 4족보행로봇, 자료: Boston Dynamics
쉽게 예를 들면 고정된 의자다리가 4개라면 울퉁불퉁한 자갈밭에 고정시키기가 힘들 것이다. 하지만 만일 4개의 의자다리에 센서가 붙어있고, 튀어나온 부분의 다리를 조금 접거나 들어간 부분에 다리를 더 뻗을 수 있다면 나머지 3개의 다리가 균형을 쉽게 맞출 수 있을 것이다.

세가지 센서인 자이로 스코프, 컴퍼스, 가속기를 결합한 IMU 사용은 2족보행과 마찬가지다. 동력원은 최초 엔진에 유압을 이용하는 방식으로, 힘은 충분했으나 소형화가 어렵고 소음이 크다는 단점이 제기되었다. 반면 모터와 배터리로 구동하는 전기 작동 방식은 에너지 효율적이며 확장 가능하고 비용이 적게 들며 소음이 적지만 힘이 약하다는 단점이 있다.

최종 배송로봇은 '4족형'

4족보행 역시 보스턴다이나믹스의 계보가 가장 화려하다. 전쟁 시 군인을 대신해 탄환 등을 대신 운반하는 로봇을 개발하기 위해 지원한 ‘Bigdog’ 프로젝트를 시작으로 'LS3, Wildcat, Cheetah, Spot, Spot mini, Mini cheetah' 등 탁월한 4족보행 로봇을 개발했다.

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오는 7월에 상용화 예정인 보스턴 다이너믹스의 Spotmini와. Unitree Robotics의 Laikago, 자료:Boston Dynamics, Unitree

엔진과 유압을 이용한 로봇으로 시작해 고효율 배터리와 전기모터를 사용하는 로봇으로 진화하고 있다. 가장 최근에 나온 MIT의 Cheetah3는 최고속도가 시속 47Km에 달할 정도로 빨라지고 있다. 고속으로 이동 중에 장애물 회피 능력도 탁월하다.

CES2019에서 콘티넨탈(Continental)이 자율주행차 큐브(Cube)의 라스트마일 배달로봇으로 데뷔시킨 Any-Mal은 Anybotics라는 회사의 4족보행 로봇이다. 뿐만 아니라 보스턴다이나믹스의 창업자 마크 라이바트를 가장 존경한다는 중국의 로봇과학자 싱왕이 창업한 유니트리(Unitree)는 4족보행 로봇인 라이카고(Laikago)을 값싸게 생산해 보급하겠다는 포부를 밝혔다. 4족보행 로봇의 기술이 완벽하게 가다듬어 진다면 궁극적인 배송로봇의 이동형태가 될 것으로 예상하는 과학자들이 많다.

참고자료
하이투자증권, 로봇 공장을 넘어 사람 곁으로

김민혁 기자 kmh@futureconomy.co.kr
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