한국이 낳은 세계적인 로봇공학자 데니스 홍 미국 UCLA 교수가 자신이 이끌고 있는 UCLA의 로봇연구소 '로멜라'(RoMeLa)의 실용형 휴머노이드 프로젝트 '알피오스'가 미 해군연구실(ONR)의 지원과제로 선정됐다고 본지에 전해왔다. 홍 교수가 보내준 '알피오스' 프로젝트 내용을 소개한다.

알피오스(ARPIOS) 프로젝트 :

직각적(直覺的) 작동과 미션 수행 능력을 가진 인간형태 로봇 플랫폼(Anthropomorphic Robotic Platform for Intuitive Operation and Service)

1. 서언

휴머노이드형 알피오스 로봇은 무게가 가벼우면서 저비용의 휴머노이드 플랫폼 연구개발에 초점이 맞춰진다. 이 플랫폼은 운송, 배치, 작동, 유지관리 등이 모두 용이해야 한다.

연구용 플랫폼을 겨냥한 휴머노이드형 로봇 개발에 대한 노력은 다수의 로봇공학자들에 의해 숨 가쁘게 이뤄져 왔지만 모든 조건이 갖춰진 연구실 내에서는 의도대로 작동이 되어도 일단 현장에 나오면 사용상 제한이 많았던 것이 사실이었다.

이러한 제약이 따르게 된 건 개발된 휴머노이드 로봇들이 우선 중량이 너무 많이 나가고 구조가 복잡해서 현장 배치와 사용에 어려움이 따르기 때문이다.

보스톤다이내믹스가 개발한 인상적인 아틀라스(ATLAS) 로봇만 봐도 데모 형태가 무게는 330파운드나 나가고 준비작업과 작동에 팀으로 이뤄진 매우 잘 훈련된 인력이 동원돼야 한다.

이에 반해 데니스 홍 교수가 이끌고 있는 UCLA의 로봇연구소 로멜라(RoMeLa)가 개발한 찰리(CHARLI)-2 로봇은 무게가 무척 가벼워 단지 25파운드에 불과하다. 그래서 이 로봇을 다루고 배치하는데 특별한 지원 장비 없이 그저 한두 사람만 있으면 만사 오케이다.

찰리-2의 이런 단순한 디자인 덕분에 작동과 유지관리 역시 매우 수월하다. 그러나 찰리-2는 약점도 있는데 움직임이 느리고 단순한 조작 임무를 수행하는데도 출력이 부족하다는 점이다.

현장에서 실제로 사용가능한 휴머노이드 로봇 플랫폼 개발을 독려하고 가속화시키기 위해 우리들은 가능한 자주 현장에서 이들 로봇을 배치해 활용해 봄으로써 실전 경험을 얻을 수 있도록 로봇의 실제 러닝타임을 극대화하는 것이 중요하다고 믿는다. 그리고 결과를 피드백하여 연구에 반영하는 것이다.

이런 전제조건이 선결되기 위해선 운송, 취급, 배치, 작동이 용이한 저비용의 로봇 플랫폼을 갖게 되는 것이 중요하다.

이 로봇 플랫폼은 유용한 작업을 수행할 수 있어야 하고, 최신 부품 기술을 활용할 수 있도록 업그레이드와 확장성이 가능해야 한다.

휴머노이드 로봇 개발과 사용에 있어서 우리들의 풍부한 경험을 바탕으로 우리는 알피오스(ARPIOS : Anthropomorphic Robotic Platform for Intuitive Operation and Service)라고 불러지는 새로운 등급의 로봇 개발을 제안한다.

알피오스 개발의 핵심은 앞에서도 언급했듯이 운송, 배치, 작동, 유지가 용이하도록 하는 것이다. 그래서 사람들이 실제로 그것을 ‘쓸 수 있게 한다’는 점이다.

알피오스는 교체 가능한 모듈형 액추에이터와 단순 기계적 구조를 활용함으로써 무게가 매우 가벼울 수 있으며(약 85파운드), 이로 인해 현장 배치와 유지관리가 쉽다.

시연회, 로봇행사 참가, DRC와 같은 세계 로봇경기대회 참가 등 10여 년에 걸친 우리들의 경험이 녹아들어서 알피오스는 사용자 친화적인 인간-기계 인터페이스를 적용하고, 또 이 로봇을 사용하는데 최소의 훈련만 필요로 하는 등 작동이 매우 쉽도록 할 것이다.

알피오스는 기계적으로 체결(locking) 가능한 관절, 주물 바퀴, 다중 지원 핸들 등 스마트한 디자인 장점을 가지고 있어 이 로봇을 다루고 운송하는 노력이 크게 경감될 것이다.

특히 매우 성공적인 오픈소스 휴머노이드 로봇, 다윈(DARwIn)-OP 개발에서 얻어진 우리들의 소중한 경험은 알피오스 로봇의 성공을 확신시켜 주고 있다.

그래서 알피오스는 최첨단 휴머노이드 로봇공학 연구를 추진하는데 있어 일반적인 연구 플랫폼으로서 기여할 것이다.

▲ 선체 비파괴검사(NDT) 임무를 수행하는 알피오스의 모습(개념도).

2. 접근방식

2.1 로멜라에서 개발된 휴머노이드, 그리고 학습효과

데니스 홍 박사가 주도하는 UCLA의 로멜라(RoMeLa : Robotics & Mechanisms Laboratory)는 미국에서는 휴머노이드 로봇 연구개발에 있어서 최일선에 서 있으며, 수년간에 걸친 노하우와 경험을 축적해 오고 있다.

로멜라의 선박 화재진압로봇 사파이어(SAFFiR)와 DRC에서 명성을 떨친 토르(THOR)는 탄성을 이용해 힘과 위치를 함께 제어하는 첨단기술인 ‘인공근육(SEA : Series-elastic actuator)’을 적용하는 첨단 연구 플랫폼이다.

인공근육은 성능은 뛰어나지만 가격이 비싸고, 무겁고, 복잡하고 다루기 어렵다는 단점이 있다. 로봇시스템이 복잡하면 로봇이 작동하는데 어려움을 겪는다.

찰리-2는 안전하고, 가볍고, 비용이 저렴한 휴머노이드로서 배치가 간편하다. 이 로봇은 그러나 액추에이터가 약하고 컴퓨팅 능력이 제한이 있어 다양한 일을 수행하는데 한계가 있다.

토르-OP는 재난구조로봇으로서 DRC에 참가하여 어려운 과제를 수행했다. 이 로봇은 디자인 면에서 모듈형인데 이 때문에 수선하기가 쉽고 부품 교체가 용이하다. 그러나 로봇 상체는 위치제어 액추에이터를 사용하기 때문에 임무 수행에 필요한 힘이 약하다.

다윈-OP는 가볍고, 성공적으로 사업화한 연구 플랫폼이다. 다른 사람들이 사용하기가 쉬어 연구작업에 광범위하게 활용된다.

그러나 이 로봇은 크기가 작아서 모션 범위가 협소하고 센서능력도 제한이 있다. 그러므로 일부 한정된 작업에만 활용될 수 있다.

▲ 로멜라에서 개발한 휴머노이드들 : (a) SAFFiR/THOR (b) THOR-OP (c) CHARLI-2 (d) DARwIn-OP

로멜라는 이러한 로봇들을 DRC를 비롯해서 로보컵 등 경기대회에 출전시켜 실제로 사용해 왔다.

다양한 경기와 이벤트 참가를 계기로 얻어진 값진 경험들 가운데 획득한 가장 중요한 교훈 하나는 이들 로봇 플랫폼이 운송, 취급, 배치, 작동, 관리에 있어 반드시 수월해야만 한다는 것이다.

그러므로 알피오스는 이러한 목적을 염두에 두고 개발될 것이다. 개발 성공을 위해서 가능한 자주 사용되고 검증받아야 할 것이다. 연구 플랫폼으로서 사용 증대를 위해서는 배치와 작동 용이성이 중요함을 각인해야 한다.

▲ DRC 최종결승전에 오른 (a) THOR-OP와 4년 연속 로봇축구대회 우승자 (b) CHARLI-2

2.2 점진적 업그레이드 전략 : ARPIOS-1, ARPIOS-2, and ARPIOS-3

알피오스 배송과 사용을 촉진하기 위해 연구개발 플랜은 3단계로 구성된다. 즉 ARPIOS-1, ARPIOS-2, and ARPIOS-3이다.

단계별 접근 방식을 통해 알피오스-1, 2 두 로봇에 대한 개발과 납품 완료를 조속하게 하는데 도움을 줄 것이다. 이 두 로봇은 전통적인 위치제어 서보 액추에이터 모듈을 사용하게 된다.

▲ 서 있는 알피오스의 전면, 측면, 사면 모습

▲ 접은 형태의 알피오스의 전면, 측면, 사면 모습

2.3 두 가지 타입의 모듈형 회전 엑추에이터

유지관리를 쉽게 하고, 제작비용을 줄이기 위해 알피오스에 탑재되는 액추에이터는 모듈형태로 이뤄진다.

이렇게 함으로써 모듈 교체가 쉽고, 업그레이드와 성능 확장을 위한 작업, 그리고 유지관리가 용이해 진다. 첫 번째로 개발되는 액추에이터 모듈은 위치제어 서보 모듈이며, 이는 알피오스-1에 탑재된다.

오늘날 휴머노이드 로봇 상체에 적용되는 작동 머니퓰레이터는 일반적으로 출력이 좋은 위치제어 서보모터를 활용한다. 이 방법은 높은 정확성을 유지하는데 좋다. 그러나 때로는 안전성 측면에서 흠이 있다.

안전성은 휴머노이드들이 인간과 함께 접근한 상태에서 상호작용하기 때문에 일차적인 고려사항이다.

또한 비파괴검사(NDT)와 같은 작업은 힘의 제어를 동반한다. 이는 안정되고(stable), 안전하고(safe), 그리고 갑작스럽게 발생할 수 있는 미지의 사태에 대해서 대응할 수 있는 유연한 메커니즘과 제어장치를 요구한다.

인공근육(SEA)은 비파괴검사와 같은 특정 작업을 수행하는 능력과 안전성 측면에서 전통적인 위치제어 서보모터에 비해 보다 유리한 점이 있다.

직선형 인공근육은 토르, 사파이어 등 매우 높은 자유도를 가진 휴머노이드에게 적용되었다.

그러나 직선형 인공근육은 출력 제어를 위한 사용상 이점에도 불구하고 복잡한 시스템 안에서는 신뢰성과 단순성 측면에서 한계가 있다는 점도 부인할 수 없다.

그래서 해결책으로 나온 것이 회전형 인공근육이다. 이는 인공근육의 장점을 유지하면서 시스템을 단순하게 하고 신뢰성이 높게 하는 이점이 있다.

▲ 기립 형태와 접은 형태의 알피오스 비교

2.4 사용상 편의를 위한 스마트 디자인의 장점

알피오스 플랫폼은 다수의 유니크한 장점을 가지고 있는데 이로 인해 로봇이 보다 안전하고 사용하기 쉽고, 운반하기 용이하게 된다.

이런 장점 가운데 하나가 바로 멀티포인트 핸들(multi-point handle)인데, 이 핸들은 로봇 전면에서 등 뒤에까지 이어져 있다.

멀티포인트 핸들은 로봇이 물건을 쉽게 집어들 수 있게 해 준다. 또한 이 핸들은 로봇의 낙상 사고를 방지해 주며, 설사 낙상을 입더라도 이의 충격을 줄여주는 역할을 한다.

멀티포인트 핸들은 로봇의 등 뒤에 부착된 주물로 된 바퀴가 강한 하중을 받을 수 있도록 해 준다. 이 바퀴가 로봇의 운반을 쉽게 할 수 있게 한다.

서 있는 알피오스는 접을 수 있는데 접게 되면 60cm x 64 cm x 69cm 케이스 안에 맞게 들어갈 수 있어 운반에 편리하게 된다. 운반을 위해 해체할 필요가 없다는 뜻이다.

▲ 접이식으로 된 알피오스는 운송이 간편하다.

알피오스의 또 다른 장점은 기계적으로 체결(locking)이 가능한 관절을 가지고 있다는 점이다. 이 락킹 관절은 관리와 전시 목적을 위해 꼿꼿이 선 자세를 취할 때 안정된 기립자세를 유지할 수 있게 해 준다.

이밖에도 새로운 핸드 디자인은 제조, 서비스, 유지관리를 더욱 수월하게 해 준다. 이 핸드 디자인은 토르-OP에 사용된 로봇 팔 디자인을 응용한 것이다.▒