R&E FOR YOU(vol.08) - 최신 보행 로봇의 연구 동향

소개

최근 4차 산업혁명 시대의 도래와 함께 여러 가지 기술 분야가 주목받고 있다. 이러한 뜨겁게 부상하고 있는 기술들은 최근 본격적으로 연구되고 소개된 기술도 있는 반면 예전부터 지속적으로 개발되고 연구되어 온 기술들도 있다. 그 중, 가장 많은 관심을 받고 있는 분야 중 하나가 로봇일 것이다. 사실 로봇은 지난 수십년간 많은 연구가 꾸준히 있었고, 실제로 여러 산업 및 일상생활 분야에 적용되어 사용되어 온 기술로 우리에게 친숙한 기술이자 연구 분야이다. 당장 우리 주위를 둘러보면 집이나 직장에서 로봇청소기가 청소에 대한 노고를 들어준 지는 이미 한참 전부터이며, 자동차 조립 공정에서 레이저용접을 하는 많은 로봇 팔도 이미 십여 년 전부터 TV 뉴스에서 보여져 와서 우리에게 익숙한 모습이다. 그럼에도 불구하고 최근 들어 그 관심이 집중되고 있는 이유가 무엇일까? 이는 최근 4차 산업혁명 시대가 도래하며, 함께 발전한 AI, IT, 반도체, 전자, 컴퓨터 기술 등의 발전으로 기존에 로봇에서 불가능하거나 수행하기 어려웠던 작업이 작고 고성능의 컴퓨터 시스템으로 가능해지게 되어 더욱 정교하고 지능적인 작업과 동작을 로봇이 할 수 있게 된 것이 큰 원인 중 하나이다. 예전에는 실험실 내의 큰 컴퓨터에서만 계산 가능했던 복잡한 로봇의 지능 및 동작 제어 알고리즘이 이제는 로봇의 내부에 탑재 가능할 수 있을 정도로 소형화됨으로써, 보다 지능화되고 민첩해진 로봇이 인간의 작업을 실질적으로 대체할 수 있게 된 것이다. 이러한 최근의 로봇의 지능화와 고도화에 따라 그 성능이 월등히 발전하여 예전의 로봇보다 실생활에 빠르게 다가온 대표적인 로봇의 분야가 '족형 보행 로봇'이다. 본 글에서는 이러한 다리 구조를 가진 '보행 로봇'에 대해 알아보고, 최근의 연구 동향, 기술적 특징 등을 통하여 본 분야에 이해도를 높이고자 한다.

정의

보행 로봇은 바퀴나 트랙이 아닌 다리를 사용하여 움직이는 능력을 가진 로봇으로, 전통적인 로봇 디자인에서 벗어난 특징을 보인다. 이러한 형태의 로봇들은 다양한 지형에서의 민첩성, 적응성 및 다용도성을 위해 공학적으로 설계되었으며 다양한 응용 분야에서 가치 있는 역할을 수행하고 있다. 보행 로봇은 크게 인간의 걸음걸이를 본 떠 만든 '휴머노이드형 로봇'과 인간을 제외한 동물의 보행을 모사한 '생체모사형 보행 로봇'으로 나누어질 수 있다.

휴머노이드 로봇은 인간 근골격계의 모양, 해부학 및 보행 능력을 모방하기 위해 설계된 로봇으로, 고도의 센서 시스템과 인공지능을 포함하여 인간과 유사한 상호 작용 및 기능을 가능하게 한다. 휴머노이드형 로봇은 '2족 보행'의 특성을 가지며, 휴머노이드 로봇을 개발하는 데 있어서 가장 주요한 기술적 특징을 이루게 된다. 즉, 휴머노이드 로봇을 다른 로봇과 가장 특징적으로 구분할 수 있는 부분이 '2족 보행' 특성이고, 기술적으로도 인간과 유사한 걸음걸이, 뜀박질을 할 수 있게 로봇을 개발하는 것이 휴머노이드 로봇에서 가장 중요하고 어려운 부분이다.

'생체모사형 로봇'은 인간 이외 동물의 보행 특성을 모사하는 로봇으로 주로 4족 보행 로봇, 다지 보행 로봇, 점핑 로봇의 형태를 가지게 된다. 말, 소, 개와 같은 대부분의 포유류는 4개의 다리를 이용하여 걷고 뛰고 있는데, 이러한 근골격계의 형태와 운동을 모사하여 만든 로봇이 4족 보행 로봇이며, 거미, 지네, 게와 같이 포유류 이외의 동물들에서 관찰되는 4개 이상의 다리를 이용하여 이동하는 동물을 모사한 로봇을 '다지형 로봇' 이라고 한다.

휴머노이드의 예시로는 가장 대표적인 것이 우리나라의 휴보이다. 휴보(HUBO)는 카이스트에서 2004년에 개발된 로봇으로 휴머노이드(Humanoid)와 로봇(robot)의 합성어이다. 로봇의 키는 120cm, 무게는 55kg 정도로 국내 최초로 이족 보행을 구현한 로봇으로 그 의미가 있다. 로봇은 2개의 CCD 카메라가 있고, 가슴쪽에 있는 배터리를 이용하여 약 90분 정도 작동이 가능하다. 2족 보행을 구현하기 위하여 총 41개의 모터를 각 관절에 설치하였으며, 평지에서 걷기를 구현하였다. 그 이후, HUBO2가 2009년에 소개되었으며, 이 로봇은 세계에서 3번째로 달리기를 구현한 로봇으로, 최고 속도는 3.6km/h 정도의 속력을 구현하였다. 일본에서는 그 보다 앞선 2000년에 혼다의 ASIMO가 소개되기도 하였다. ASIMO는 혼다에서 개발한 휴머노이드로써, Advanced Step in Innovative Mobility의 약자이다. ASIMO는 걷기, 뛰기, 계단 오르내리기 등의 고급 이동 기능을 보여주었으며, 센서 퓨전과 동작 계획 알고리즘을 사용하여 복잡한 환경에서 이동할 수 있도록 설계되어 휴머노이드 분야에서 선도적인 역할을 수행하였다. NASA에서는 발키리라는 로봇을 개발하였으며, 재난 대응 및 우주 탐험을 위하여 연구되었다. 휴머노이드 상체와 고급 조작 기능을 갖춘 발키리는 인간에게 위험한 우주 환경 등에 대신 투입되어 여러 임무를 수행하기 위한 목적이다. 한슨 로보틱스는 소피아라는 휴머노이드를 개발하였으며, 이는 사회적 휴머노이드 로봇의 개념을 소개하였다. 소피아는 의사소통과 감정적 상호 작용에 중점을 두며 대화하고 표정을 표시하여 감정적 지능을 표현하는 능력에 관한 연구가 이루어졌다.

생체모방형 로봇의 예로는 먼저 4족 보행 로봇이 있다. 네 다리를 장착한 4족 보행 로봇은 탐색 및 구조 미션에서 뛰어난 성과를 보여주고 있다. 2족 보행 로봇에 비해 역학적으로 뛰어난 안정성을 바탕으로 뛰어난 기동성을 활용하여 재해 지역에서 작업하는 데 특히 유용하며, 전통적인 바퀴 로봇이 주행할 수 없는 비정형 험지 지형에서도 동작이 가능한 특징이 있다. 4족 보행과 함깨 널리 연구되고 있는 형태는 6족 보행 로봇이 있다. 6족 보행 로봇은 4족 보행 로봇보다 더 안정한 동적 특성을 보여주므로, 다양하고 험한 지형을 더욱 효과적으로 이동할 수 있다는 장점이 있다. 하지만, 다리를 구동하는 모터의 수가 많아 무겁고, 느리다는 단점도 있다. 6족 보행 로봇은 거미 등 다양한 곤충의 보행 특성을 모사하여 다양한 지형을 극복하는 목적으로 많은 연구가 진행 중이다.

역사적 배경

다리로 움직이는 로봇의 진화는 기술적인 발전과 혁신적인 디자인에 힘입어, 비약적으로 발전하고 있다. 초기의 기계적인 프로토타입에서 현대의 정교한 다리 로봇까지, 역사적인 발전과정은 지속적으로 이동성 향상을 목표로 연구개발 되고 있다. 20세기를 통한 보행로봇의 발전은 더 정교한 움직임을 수행할 수 있는 로봇의 개발을 가능케 하였다. 이러한 발전은 복잡한 환경을 탐험하고 특수한 작업을 수행할 수 있는 로봇을 현실화하고 있다.

휴머노이드 로봇은 세기를 거치며 많은 관심을 받음과 동시에 다양한 개선이 이루어졌다. 이는 초기의 기계설계 중심의 형태에서 현대의 첨단 로봇까지 다양한 형태로 진화되어 왔다. 18세기의 Jaquet-Droz가 선보인 Automata는 복잡한 톱니바퀴 메커니즘을 사용하여 인간의 움직임을 모방하고자 한 초기의 시도를 보여주고 있으며, 1960년대 스탠퍼드 연구소에서 개발된 Shakey는 처음으로 자체 판단이 가능한 이동 로봇으로 기록되어 있다. 휴머노이드 로봇에서 기술적으로 보행 기술만큼 중요한 것이 팔과 손을 이용한 작업 수행 능력이다. 1961년에는 Unimate 로봇이 소개되었으며, 이는 산업용 로봇 분야에서 중요한 이정표를 찍었다. 조지 데볼과 조셉 엥겔버거에 의해 개발된 Unimate는 최초의 상용 로봇 팔이며, 휴머노이드 로봇의 팔에 대한 관심을 불러일으키며, 제조업에서 로봇 팔을 이용한 자동화의 잠재력을 시연하였다. 2000년대 초반에 소니가 소개한 QRIO는 연구 및 엔터테인먼트를 위해 디자인된 2족 보행 휴머노이드 로봇이다. QRIO는 걷기, 춤추기 및 인간 제스처에 반응하는 능력을 갖추어 휴머노이드의 능력 발전을 보여주고 있다.

생물을 모사한 생체모방형 보행 로봇 또한 18세기 초기 생물을 모방한 자동화 기계의 개발로 거슬러 올라간다. 이러한 오토마타 등을 포함한 다양한 창의적인 발명들은 오늘날의 다양한 생체모방형 다리 연구의 시발점이다. 그 후, 다양한 동물과 곤충의 다리 구조 및 보행에 관심을 가지게 되어 거미형 로봇, 지네형 로봇, 곤충의 점핑 모션을 모사한 점핑 로봇, 뱀형 로봇 등 다양한 관련 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 더욱 정교한 움직임을 만들어내고 있다. 이와 같은 형태의 로봇은 복잡한 환경을 탐험하고 특수한 작업을 수행하는 로봇의 개발을 위하여 활발히 연구개발 되고 있다.

로봇의 분류

보행 로봇은 위와 같이 다양한 형태가 개발 중이며, 목적과 설계 원칙에 따라 분류될 수 있으며, 특정 작업 및 환경에 맞게 제작 개발되고 있다. 휴머노이드 로봇의 응용 분야에는 산업 제조용 로봇, 서비스 로봇, 의료 로봇, 군사용 로봇 및 엔터테인먼트 로봇 등이 있으며, 설계 원칙은 생물학적 영감을 받은 것과 기계적으로 설계된 것으로 나뉜다. 생체모방형 로봇은 주로 다리의 개수, 동물마다의 독특한 구조 및 응용 분야에 따라 분류될 수 있다. 예를 들어, 6족 보행 로봇은 6개의 다리를 가진 동물을 모사한 로봇으로 구조적 안정성과 높은 지형 적응력을 보여준다. 곤충에서 영감을 받아 만들어진 이 로봇은 다양한 지형을 탐험하고 다재다능한 움직임을 주는 특징이 있다. 4족 보행 로봇은 마찬가지로 2족 보행 로봇에 비해 안정성을 보여주며, 민첩한 동작도 가능하여 널리 연구 개발되어 왔으며 거의 실용화 수준에까지 이르렀다. 이러한 로봇들은 주로 포유동물의 걷기 패턴을 모방하며 이동성과 민첩성이 필요한 임무에 사용하기 위한 목적으로 연구 및 개발 되어 있으며, 구체적으로는 재난 구조용, 정찰용, 환경 모니터링용으로 연구 개발되고 있다.

기술적 특징

다리로 된 보행로봇의 기술적 특성은 성능과 적용 가능성을 결정하는 데 중요한 역할을 한다. 이러한 로봇에서 핵심적 기술은 보행 동작을 구현하는 로봇 메커니즘, 센서 시스템 및 제어 알고리즘이다. 또한, 보행하는 동물이나 곤충의 특징을 분석하고, 이를 통해서 공학적으로 의미 있는 데이터를 분석하고 추출해 내는 과정도 중요하다. 또한, 찾아낸 공학적 의미를 수학적으로 모델링을 제대로 하여야만 로봇에 활용이 가능하다. 이와 같이 수학적, 공학적으로 생물의 보행을 모사한 후에는 이러한 모션을 구현하기 위한 하드웨어 설계 및 구현 단계가 필요하며 이를 통하여 로봇 메커니즘 설계가 이루어질 수 있다. 또한, 보행이라는 과정은 동적으로 복잡하고 불안한 과정이므로, 적절한 제어 알고리즘과 제어기를 구현하여야 제대로 생물의 보행 동작의 특징을 구현하는 로봇의 동작을 생성하고 목적에 맞게 구동할 수 있게 된다. 이러한 과정에서 로봇의 자세, 각 관절의 위치와 속도, 가속도, 로봇 주위의 환경 인식 등의 여러 데이터를 수집해야 하는데, 이때 사용되는 것이 센서 시스템이다. 보행 로봇에서는 주로 로봇의 관절에 설치된 모터의 전류, 전압, 회전각과 같은 신호와 로봇에 설치된 자이로센서, IMU, GPS 센서 등에서 로봇의 위치와 자세 정보를 획득할 수 있게 되고, 이를 로봇의 제어에 활용하게 된다. 물론 로봇의 목적과 기능에 따라 더욱 다양한 센서가 설치되어 사용될 수 있고, 최근에는 자율주행을 위해서 비전 카메라, 적외선 센서, 라이다 등의 다양한 센서가 함께 사용되고 있다. 보행 로봇의 제어기는 전통적인 선형 제어기나 비선형 제어기 등 모델 기반의 제어기가 널리 사용되어 왔으나, 최근에는 다양한 환경에 강인하고 보다 복잡한 동작을 하기 위해서 딥러닝 등 인공지능을 활용한 로봇의 제어에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 최근에 보행 로봇 관련한 연구에서 활발히 연구되고 있는 기술을 좀 더 정리하면 다음과 같다.

• 동적 이동 전략

  다리로 된 로봇은 다양한 지형에 적응하기 위해 동적인 이동 전략을 사용한다. 이러한 전략은 표면에 따라 다리 움직임을 조절하고 안정성을 최적화하며 복잡한 환경을 효과적으로 탐험할 수 있도록 한다.

• 강화학습을 통한 제어

  기계학습은 기존의 모델 기반 제어에 비해서 족형 보행 로봇의 능력을 향상시키는 데 중요한 역할을 한다. 연구자들은 로봇이 환경에서 적응하고 학습하는 능력을 갖출 수 있도록 강화 학습 알고리즘을 활용하고 있다. 이러한 연구는 보행 로봇에 있어서 다양한 환경에서 더 예측 가능한 능력을 가질 수 있도록 해준다.

• 로봇의 감각을 향상시키기 위한 센서 융합

  최근 보행 로봇은 카메라, LiDAR 및 모션 센서와 같은 다양한 센서에서 얻은 데이터를 융합하는 센서 융합기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이러한 센서 융합기술은 로봇이 주변 환경을 보다 잘 인식하고 최적의 경로를 계획하여 복잡한 환경에서 효과적으로 이동할 수 있도록 한다.

최근 연구 동향

다양한 소형 센서와 구동기의 발전, 컴퓨터의 소형화와 고성능화, 비전 기술의 발전, 인공지능 기술의 발전 등에 힘입어 근래에 족형 보행 로봇 분야는 비약적으로 발전하고 있다. 통상 보행 로봇은 기존 실용화되어 사용되고 있는 산업용 로봇 등에 비해서 자유도가 높고, 복잡한 모션을 구현해야 하므로, 계산량이 많고, 시스템을 제어하는 기술의 난이도도 더 높은 편이다. 따라서 예전의 경우 고성능 컴퓨터가 설치되어 있는 실험실 환경에서만 그 동작과 제어가 가능하였으나, 최근에는 위에 언급한 바와 같이 컴퓨터의 소형화 및 고성능화, 비전 기술 및 인공지능 기술의 발전에 따라, 로봇 내부에 거의 모든 전장과 제어기를 탑재할 수 있고, 계산 능력과 속도도 탁월하게 발전하여 많은 복잡한 동작과 제어, 다양한 센서 데이터 수집 및 고속 처리가 가능하여 과거에 비해 더 생물과 가까운 동작과 임무를 수행할 수 있는 로봇이 많이 개발되고 있는 실정이다. 또한, 라이다 센서의 발전, 자율주행 기술의 향상, 인공지능기술의 발전에 힘입어 보다 다양한 실제 환경에서 주위 환경을 파악하고 적응하여 동작하는 보행 로봇에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 좀 더 구체적으로 실제 연구 사례를 보면 다음과 같다.

• 외골격 로봇

  로봇 외골격은 생물학적 영감을 받은 디자인의 한 형태로 외장형 로봇 장치를 통해 인간 능력을 향상시키는 목적으로 연구되고 있다. 특히 기존 휴머노이드 로봇의 보행 기술을 이용하여 사람에게 착용할 수 있는 형태로 개발하게 된다. 이러한 외골격 로봇은 근로자의 근골격을 보호하고, 피로를 줄여주거나, 장애인들의 이동을 지원하고 환자의 재활에 도움을 주기 위한 목적으로 연구되고 있다.

• 의료분야에서의 원격 로봇

  iRobot과 InTouch Health에서 개발한 RP-VITA와 같은 원격 의료 로봇은 원격 의료 상담을 가능하게 한다. 화면에 의료 전문가의 얼굴을 표시하는 등 휴머노이드 기능은 상호 작용을 더 인간적으로 만들어 의료 상담을 더욱 현실적으로 만들 수 있다.

• 생산 제조 분야의 휴머노이드

  휴머노이드는 생산 제조분야에서 정밀한 작업 및 손재주가 필요한 작업에 기여하고 있다. Rethink Robotics의 Sawyer 로봇은 조립 라인에서 인간과 협력하여 일할 수 있도록 설계되어 휴머노이드가 산업 환경에서 인간을 도와줄 수 있는 기능을 키우기 위한 연구가 활발히 연구 중이다.

• 노인 돌봄에서의 사회 로봇

  휴머노이드는 노인 돌봄 환경에서 친밀감과 도움을 제공하는 데 사용되고 있기도 하다. RIKEN과 Sumitomo Riko에서 개발한 Robear는 환자를 들거나 나르는 데 도움을 주어 의료 전문가에게 신체적 부담을 덜어주는 휴머노이드의 잠재력을 보여준다. 노인 돌봄 환경은 병원이나 집 등 실제 인간이 거주하는 환경이므로 건물 내부가 좁고 복잡하고 다양한 장애물이 존재할 수 있다. 이때 다리를 구비한 보행 로봇을 활용하면 다양한 장애물과 환경을 쉽게 극복할 수 있는 장점이 있어 관련 분야에 많은 연구가 진행 중이다.

• 엔터테인먼트 분야

  엔터테인먼트 분야는 휴머노이드에게 중요한 응용 분야이다. 디즈니의 애니매트로닉스는 완전히 자율적이지는 않지만, 테마파크 어트랙션에 현실적인 캐릭터를 만드는 데 휴머노이드로봇 특성을 통합한 사례로 휴머노이드 기술과 엔터테인먼트의 적절한 결합에 대한 연구가 이 분야에서는 중요하다.

• 소프트 로봇 기술 적용

  유연한 소재를 통합한 소프트 로봇 기술이 보행 로봇의 설계에 적용되고 있다. 유연한 소재와 조인트를 가진 보행 로봇은 우수한 환경 적응성과 탄력성을 보여주며 비구조적인 환경 및 로봇이 인간과의 상호 작용이 필요한 작업에 적합하다.

• 군집 제어기술 적용

  최근에는 군집제어 기술을 보행 로봇분야에 적용하는 연구가 진행되고 있다. 이러한 기술을 사용한다면 여러 대의 보행 로봇 간의 협력제어 및 임무수행이 가능하여 보행로봇들이 협조하여 일을 수행하는 방법을 연구함으로써 여러 대의 로봇의 군집 제어 및 동작을 통하여 한 대의 로봇이 할 수 없는 임무를 완수할 수 있게 해준다. 이러한 방식은 탐험, 감시 및 분산된 정찰 등의 작업에 유리할 수 있다.

• 머신 러닝기술 적용

  머신 러닝은 다리로 된 로봇의 기능을 향상시키는 데 중요한 역할을 할 수 있다. 연구자들은 강화 학습 알고리즘을 활용하여 보행 로봇이 주위 환경에 적응하고 학습할 수 있도록 연구하고 있다. 이는 예측 가능성과 환경에 적응력을 향상시켜 로봇이 다양한 환경에서 성공적으로 임무를 수행할 수 있도록 한다.

• 극한 환경에서의 보행 로봇 적용 기술

  보행 로봇을 재난 지역 및 외계 탐사를 위한 극한 환경에서의 응용을 위하여 많은 연구가 이루어지고 있다. 보행 로봇의 능력은 평평한 지형이 아닌 비정형적이고 불균일한 지형에서 탐험하고 임무를 수행하는 데 도움이 된다.

• 산업 전반에 걸친 응용

  보행 로봇은 농업, 환경 모니터링, 재난 대응, 공장 및 플랜트에서 감시 활동, 서비스 분야 등 다양한 산업에 적용이 가능하여, 관련된 환경 및 분야에서 인간을 대체하거나, 인간에게 위험하고 더럽고 어려운 작업을 대체하기 위한 목적으로 많은 연구가 수행되고 있다.

• 농업용 보행 로봇

  농업용 보행로봇은 작물 모니터링 및 해충 퇴치와 같은 작업을 위해 연구되고 있다. 이러한 로봇들은 특수 다리가 장착되어 토양을 압축하지 않고도 효과적으로 경작지를 이동할 수 있고 작물에 피해를 최소화하여 이동이 가능하므로 정밀한 농업에 기여가 가능하다. 또한 다양한 지형 지물을 극복할 수 있으므로 야지의 비정형 환경에서의 작물재배에 투입이 가능하다.

• 보행 로봇을 활용한 극한 환경 탐사 관련 연구

  탐사 분야에서는 다리를 가진 로봇이 외계 탐사 및 복잡한 지형에서의 환경 모니터링에 활용될 수 있다. 보행 로봇의 다리를 이용한 구동 및 이동 특성은 로봇의 환경 적응성을 향상시켜 기존의 바퀴나 트랙 로봇이 지나갈 수 없는 지형을 더 자유롭게 이동하는 데 도움이 된다.

• 보행 로봇 플랫폼을 활용한 감시 연구

  보행 로봇은 조용하게 움직일 수 있고 다양한 지형 및 환경을 극복할 수 있는 특성으로 감시, 정찰 및 보안 응용 분야에서 장점을 제공한다. 이로써 민감한 지역을 감시하거나 국경을 순찰하고 군사용 정찰 목적 등에 적합하다.

결론

본 고에서는 최근 활발히 연구되고 있는 다리 구조를 가진 보행 로봇에 대하여 알아보았다. 그 형태에 따라 인간을 모방한 2족 보행 로봇 형태의 휴머노이드 로봇과 다양한 동물을 모사한 생체모방형 보행 로봇으로 나눌 수 있음을 알 수 있었고, 기존 바퀴형 주행 로봇에 비해서 다양한 험지 환경에서 운용이 가능해서 여러 분야에서 각광을 받고 있음을 알 수 있었다. 생체모방형 보행로봇에서는 4족 보행 로봇이 가장 활발히 연구되고 거의 실용화 단계에 이르고 있음을 알 수 있었으며, 6족 및 다지형 로봇도 나름의 장점을 가지고 연구가 활발히 진행되고 있다. 최근의 이러한 다양한 보행 로봇의 활발한 연구 및 실용화는 컴퓨터의 발달에 따른 소형화 및 고성능화, 인공지능 기술의 발달, 다양한 센서의 개발 및 융합기술에 의해 더욱 촉진되고 있음도 알 수 있었다.