휴머노이드 로봇의 험지 이동을 위한 접촉 인지 기술 연구

휴머노이드 로봇은 사람을 위해 구성된 환경에서 이동 및 작업을 수행 할 수 있는 것이 특징이자 장점이다. 대다수의 로봇들은 특정 공간에서 정해진 작업을 수행하는데 최적의 효율을 갖도록 만들어지는 반면, 휴머노이드 로봇은 특출 나게 잘하는 작업이 없다. 하지만 사람의 모습을 모방하였기 때문에 사람이 할 수 있는 모든 작업이 가능하고 사람이 갈 수 있는 모든 곳에 갈 수 있다. 이런 장점으로 인해서 위험하면서 지면이 복잡한 재난지역(ex. 화재 현장, 원전 사고 지역 등)에서 휴머노이드 로봇의 필요성이 대두되고 있다. 그러나 아직까지 사람과 닮은 이 로봇은 여러가지 기술적인 문제로 실용화에 어려움을 겪고 있다. 무엇보다 강인한 이동을 위한 이족보행 기술이 휴머노이드 로봇의 실용화를 위해 넘어야할 첫번째 큰 산으로 여겨진다.

이미 과거의 수많은 연구에서 실험실과 같은 실내 환경에서 휴머노이드 로봇의 보행이 안정적으로 가능하다는 것을 보여줬다. 하지만 수많은 변수가 존재하는 사람의 생활 환경에서는 아직도 많은 어려움을 겪고 있다. 어려운 문제 중 하나가 로봇이 인지하지 못한 지면 장애물의 존재다. [그림 1. A]서 볼 수 있듯이, 로봇이 센서로 볼 수 있는 영역이 제한적이고 [그림 1. B]에서 보듯이 그 지역에 대한 인지 결과도 항상 오차가 존재할 수 밖에 없다. 그렇다면 인지하지 않은 물체를 로봇이 밟았을 때 어떻게 해야할까?

 

[그림 1] (A) 로봇이 카메라 센서로 인지할 수 있는 제한된 영역, (B) 인지한 영역에서 물체의 경계지점들의 인식 결과

우리는 이 문제를 해결하기 위해서 접촉을 회피하는 방식이 아니라, 접촉이 발생한 지점을 능동적으로 탐색하는 방법을 개발했다. 먼저 모르는 물체를 밟았을 때, 그 물체가 만드는 반력에 순응하는 동작 제어를 사용했다. 외력에 순응하지 않는다면 로봇은 지면 반력의 영향으로 균형을 잃기 쉽기 때문이다. 이런 순응하는 동작은 로봇의 관절 토크 제어를 통해 수행한다. 그와 함께 접촉이 발생했음을 인지하고, 그 지점이 어디인지 탐색하는 동작을 만들었다. 지면과 접한 로봇 발의 압력 중심을 제어하여 접촉 물체의 경계선이 어디인지 탐색하는 방식이다 ([그림 2]).

[그림 2] vCoP는 요구 압력 중심의 위치이고, CoP는 실제 압력 중심이 발생하는 위치. 회색으로 그려진 물체가 로봇의 발이라고 하였을 때 vCoP와 CoP의 관계에 의해서 발의 회전 축의 위치와 회전 방향이 결정된다.

발이 지면의 경계선을 기준으로 회전하게 제어하고, 회전하는 동안 로봇의 기구 정보를 수집하게 된다. 결과적으로 기구 정보로 찾은 로봇 발바닥의 평면 식을 통해 계산 가능한 교선이 지면의 경계선이 되게 된다 (그림 3.). 물체의 경계선을 찾았다면 지면의 물체 위치를 알게 되고, 발을 내딛을 위치를 다시 계획할 때 사용할 수 있다.

 

[그림 3] 발바닥 회전 동작에서 기구학적 정보를 취합한 뒤, 발이 이루는 평면들의 교선을 통해서 물체의 경계선을 탐색한다.

12개의 관절을 가진 이족 로봇 DYROS RED를 이용한 실험에서 높이 15cm의 벽돌과 높이 6cm의 알루미늄 프로파일 등을 탐색했다. 로봇이 지면에 그런 물체가 있음을 모르는 상태에서 균형을 잃지 않았으며, 탐색 동작을 통해 1 cm 이내의 오차로 물체의 경계선을 찾을 수 있었다. 실험 모습은 아래의 영상을 통해서 확인할 수 있다.

https://youtu.be/qaUy5XV6FmA

본 연구에 대한 자세한 내용은 2017년 10월에 출간된 Robotics and Autonomous Systems , 96권 , pp. 41-57에서 확인할 수 있다.

글쓴이: 이이수 박사 (howcan@snu.ac.kr)
소속: 지능형융합전공
관심분야: 휴머노이드 2족 보행, 토크 제어용 로봇 제어