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HEY!사이언스

휴머노이드 로봇 曰 “달리는 것이 너무 힘들어요!”

휴머노이드 로봇은 사람과 같이 두 개의 다리와 두 개의 손으로 이동 및 작업을 수행하는 로봇 시스템을 의미한다. 인간과 유사한 형태인 휴머노이드 로봇은 사람의 생활환경에 그대로 적용할 수 있고, 사람이 사용하는 일상도구를 그대로 활용할 수 있다는 실용적인 특징이 있으며, 사람과 유사한 형태 자체로도 의미가 있는 친근한 시스템이라고 할 수 있다. 그리고 대표적인 휴머노이드 로봇으로는 일본의 ASIMO와 HRP, 미국의 ATLAS, 한국의 HUBO 등을 들 수 있는데, 독자들은 대중매체나 인터넷을 통해서 여러 동영상을 친숙하게 접했으리라고 생각한다. 휴머노이드 로봇의 다양한 동작을 실현하기 위해서, 먼저 인간의 행동을 과학적으로 분석하고, 다음으로 분석의 결과를 기준으로 로봇의 동작을 공학적으로 구현하는 생체모방적인 접근방식을 주로 사용한다. 따라서 휴머노이드 로봇의 동작에 대한 기능적인 완성도는 얼마나 사람의 행동을 자연스럽게 모방하고 있는가로 판단하게 된다.
사람은 다리로 천천히 움직일 때는 보행으로 걷고, 빠르게 움직일 때는 주행으로 뛴다. 인간의 이동 동작을 모방한 휴머노이드 로봇도 크게 다르지 않은데, 우리는 휴머노이드 로봇이 다리에 의한 보행 및 주행으로 이동하는 동영상을 어렵지 않게 접할 수 있다. 일반인에게 이동 방식으로서 보행과 주행에는 서로 다른 특징이 있는데, 보행은 이동 속도가 절대적으로 느리지만 에너지의 소비가 적어서 편하며 오래 지속할 수 있고, 주행은 이동 속도가 상대적으로 빠르지만 에너지의 소비가 많아서 힘들며 오래 지속할 수 없다. 특히 주행은 바닥 지면으로부터 전해지는 충격력이 보행보다 훨씬 크기 때문에 로봇의 다리를 튼튼하게 만들어야 하는데, 일반적으로 내구성의 증대는 기구부의 두께 증가와 같이 무게의 증가로 이어지므로 튼튼하게 만들면 만들수록 뛰기가 힘들어지는 악순환에 빠지기 쉽다. 그래서 보행과 주행의 장점을 서로 합쳐서, 이동 속도가 빠르고 에너지의 소비가 적어서 오래 지속할 수 있는 효율적인 로봇의 이동 방법을 로봇공학자는 필연적으로 고민하게 된다.
사람은 걷거나 뛰는 것보다 인라인 스케이트를 사용하면, 훨씬 적은 에너지로 매우 빠르고 멀리 이동할 수 있다. 인간이 그러하다면 로봇도 같을 것인데, 이것은 인간을 다른 동물과 구별하게 하는 도구 지향적인 생각이다. 따라서 휴머노이드 로봇의 가장 효율적인 이동 방법은 다리에 의한 저속 보행과 스케이트 바퀴에 의한 고속 주행을 상황과 환경에 맞게 적절히 선택하는 것이라고 판단하는데, 이것을 서로 다른 이동 방법을 하나로 혼합한 하이브리드 이동 방식이라고 부른다. 하이브리드 이동 방식은 필자가 처음 제시한 개념은 아닌데, 네 개의 다리와 부분적인 인라인 스케이트의 구성인 일본의 Roller-Walker [1]가 가장 완성도가 높았다고 할 수 있다. 필자는 이러한 사람의 스케이트 동작을 휴머노이드 로봇에 구현하기 위해서, 인간의 행동을 과학적으로 분석했고 공학적인 고찰로 3차원의 운동 방정식을 도출했다. 이 방정식을 근거로 동작의 생성을 위한 알고리즘을 개발했고, 하드웨어와 소프트웨어를 직접 설계 및 제작한 로봇 시스템인 스케이트 로봇(SkaBot)으로 평탄한 지면에서 직진으로 이동하는 동작을 안정적으로 실현했다. 역시 로봇은 움직여야지 제대로 실감과 맛이 나는데, 에너지 효율적인 이동 방법은 로봇의 동력원인 재충전 전지의 한계를 극복하고 로봇의 이동 능력을 획기적으로 개선할 수 있는 유일한 방안이라고 생각한다. 지금은 평탄한 지면에서 선회로 이동하는 동작을 실현하기 위해서 연구에 매진하고 있는데, 스케이트 로봇의 최종적인 목표는 평탄한 지면 조건에서 오르막과 내리막, 직선과 곡선 구간을 자유롭게 이동하는 것이다. 조만간 교내의 도로에서 스케이트 로봇이 여러분의 옆을 살며시 지나가더라도 놀라지 말기를 바란다.



▲Roller-walker


황창순 교수
(공대 기계공학)



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