2020년 12월 현대차그룹이 ‘소프트뱅크(SoftBank Group)’로부터 ‘보스턴다이내믹스(Boston Dynamics, Inc.)’의 지배 지분을 인수했다는 뉴스가 언론의 주목을 받았다. 대학 실험실에서 출발해 세계적인 로봇 전문기업으로 성장한 보스턴다이내믹스의 역사와 핵심 개발 전략, 그리고 주요 특허기술을 3회에 걸쳐 분석해본다. <편집자>

역동역학(passive dynamics)적 ‘다리로봇’… 특허 포트폴리오

▲ 국방부 자금을 지원 받아 개발된 로봇들 [출처: 보-스턴다이내믹스 웹사이트]

보스턴다이내믹스는 카네기 멜런 대학(CMU)과 매사추세츠 공과대학(MIT) “다리 실험실 (Leg Laboratory)” 때부터 다리를 가진 동물의 보행과 동작을 연구했다.

▲ [대해부] ‘보-스턴다이내믹스’ 보고서 표지

동물의 골격과 근육의 움직임을 공학적으로 연구하고 역동역학(passive dynamics)적으로 에너지 공급이 없는 상태에서 기구적인 액추에이터(actuator), 골격 로봇, 각종 기관의 동작을 개발했다.

▲ 이진수 변리사

이러한 결과를 ‘다리 달린 동력 로봇 기구’에 응용했고 그 결과, 근육에 상응하는 유압 실린더 액추에이터를 이용한 관절과 링크로 연결된 다리 관절 로봇이 탄생했다.

때문에 보스턴다이내믹스가 2013년 12월 구글 X에 인수되기 전까지 출원된 발명들(약 11건)은 대부분 다리 골격 또는 “근육에 상응하는 실린더 액추에이터 시스템”에 관한 것들이다.

본격적으로 ▲다리 로봇의 경로 이동 ▲지면 상태 추정 ▲불규칙한 지면의 보행 ▲미끄럼 방지 ▲이동 경로설정 ▲걸음걸이나 행동의 결정 등에 관한 제어 알고리즘은 보스턴다이내믹스가 구글 X에 인수된 이후에 구글 연구원의 개발 결과물로 출원되었고 소프트뱅크에 인수되는 시점에 보스턴다이내믹스로 양도됐다.

소니 아이보(Aibo)의 ‘4점 연결’ 메커니즘… 최초 특허

보스턴 다이내믹스의 특허가 최초로 등록된 것은 2001년 9월 출원된 ‘로봇 장치 및 로봇 장치 점프 제어 방법 (Robot apparatus and method for controlling jumping of robot device. 특허번호 제6,484,068호)'이다.

▲ 소니 강아지로봇 아이보에 적용된 4점 연결기구 (출처: 미국특허청 US 6,484,068 공보)

이 특허는 로봇 장치의 다리 부분에는 다리 관절이 스트레칭/수축 동작을 수행할 때 다리 부분의 멀리 떨어진 위치부 끝의 궤적이 선형으로 작동하도록 설계된 4점 연결 메커니즘(a four-point link mechanism)이 핵심이다.

우리에게도 친숙한 애완로봇 소니 아이보(Aibo)에도 적용되었고 소니와 공동소유하고 있다.

이 특허는 모래 벼룩 점프 로봇에 관한 특허(번호 제8,849,451호) 발명과 함께 “점프로봇”의 대표 주자이기도 하다.

이 발명은 이동 로봇이 계단, 펜스, 벽 등과 같은 다양한 장애물을 만나면 다리를 이용해 높이 뛰어올라 넘어가는 동작을 수행하며, 로봇이 땅에 착륙할 때 부품이 손상을 입지 않도록 개발됐다.

모래 벼룩 현장 시험 영상을 보면 계단, 펜스, 벽 등 위로 높이 뛰어 넘어가는 모래 벼룩 점프로봇의 동작을 볼 수 있다.

유압 액추에이터 특허

동물의 골격과 근육의 움직임을 공학적으로 연구해 로봇 기구에 응용하는 생체로봇공학(bionics)에서는 일반적으로 근육에 상응하는 유압 실린더 액추에이터를 이용해 다양한 관절과 연결부재를 구동한다.

미 국방부 산하 국방고등연구계획국(DARPA)이 개발 자금을 지원한 “빅독(Bigdog)” 로봇 역시 네 다리의 로봇이 다리와 연결된 다수의 유압 실린더 액추에이터를 갖고 있다. 이러한 메커니즘의 4족 로봇의 보행 동작은 허벅지 넙다리가 종아리 경골을 들어올릴 때 가해지는 힘은 낮지만 발이 다음 위치로 빠르게 움직여야 한다.

반대로 허벅지 넙다리가 종아리 경골을 내려 발이 지면을 지지할 때는 더 큰 힘이 가해진다. 그럼에도 이러한 두 가지 구동을 모두 작동하기 위해서는 빠르면서도 피스톤 면적이 큰 유압 액추에이터가 필요하다.

▲ 로봇 다리 액추에이터 시스템 (출처: 미국특허청 US 8,126,592 공보)

그러나 유량이 빠를 경우 필요한 힘이 작음에도 큰 동력이 필요하다는 것은 비효율적이다. 다리가 빠르게 움직이는 비행 동작은 고속의 작은 힘이 필요하다. 반면 발이 지면을 지지할 때는 큰 힘이 필요하다.

2008년 10월 출원된 ‘액추에이터 시스템(Actuator system)’ 특허(번호 제8,126,592호)는 피스톤 실린더 액추에이터를 소형 실린더와 대형 실린더로 분리해 2개로 구성하고 전기 신호로 유압 서보밸브를 제어한다. 다리를 빠르게 이동할 때는 소형 실린더를 선택적으로 작동시키고, 발이 지면을 지지하는 자세 동작 때는 대면적의 대형 실린더를 선택적으로 작동시킬 수 있는 유압 액추에이터 시스템으로 구성했다.

그러나 현재 상용화된 4족 로봇 “스폿(Spot)”도 한번 전기 완충 후 약 1시간 정도밖에 사용할 수 없는 한계를 가지고 있다.

이런 점만 보더라도, 수소전지이든 2차전지이든 전지기술이 급속히 발전하지 않는 한, 기구적으로 또는 알고리즘적으로 소비전력을 줄이는 방법을 찾는 것이 다리로 보행하는 로봇이 극복해야 할 가장 큰 당면 과제임을 직감하게 한다. 이 점은 전기자동차 분야에서 시급히 해결할 과제와 다르지 않다.