사람도 걷기 어려운 모래사장을 달리는 로봇이 개발됐다. 지금까지 로봇이 걷지 못했던 지형에서도 활동할 수 있어 활동 반경과 임무 범위를 넓힐 수 있을 것으로 기대된다.
한국과학기술원(KAIST)은 황보제민 기계공학과 교수가 이끄는 연구진이 이달 25일 국제 학술지 '사이언스 로보틱스'에 모래밭처럼 형태가 계속 바뀌는 지형에서도 걸을 수 있는 사족 로봇 제어기술을 발표했다고 26일 밝혔다.
로봇의 보행 기술이 발전하면서 외부 충격에도 넘어지지 않고, 장애물을 피하거나, 계단을 내려가는 것이 가능해졌지만, 여전히 모래, 자갈처럼 작은 알갱이가 깔려 있는 바닥을 걷는 것은 어렵다. 로봇이 걷기 위해 힘을 주면 바닥의 형태가 다양하게 바뀌면서 힘을 상쇄하면서 자세가 불안정해지기 때문이다.
KAIST 연구진은 형태가 변하는 바닥에서도 걸을 수 있는 로봇을 개발하기 위해 강화학습을 활용했다. 강화학습은 다양한 상황에서 행동으로 나타나는 결과를 수집하고, 이를 학습시켜 여러 환경에서도 작동할 수 있는 기계를 만드는 학습 방법이다. 이때 많은 양의 데이터가 필요한데, 실제 환경을 가상으로 구현하는 시뮬레이션으로 빠르게 데이터를 모으는 방법이 널리 쓰이고 있다.
KAIST 연구진은 모래처럼 작은 알갱이가 깔려 있는 바닥에서 로봇 보행체가 받는 힘을 모델링하고, 이를 사족 로봇에 시뮬레이션하는 기술을 개발했다. 사전 정보 없이도 다양한 지반 종류에 스스로 적응해가며 보행하기에 적합한 인공신경망 구조도 강화학습에 적용했다.
다만 시뮬레이션을 이용한 강화학습은 학습한 환경과 실제 마주친 환경이 다르면 제어기의 성능이 급격히 떨어진다. 이를 극복하기 위해서는 시뮬레이션의 정확도가 가장 중요하다.
KAIST 연구진은 기존 연구에서 밝혀진 입자에 가해지는 추가 질량의 효과를 고려하는 '지반 반력 모델'을 기반으로 로봇의 접촉에서 발생하는 힘을 예측하는 접촉 모델을 만들었다. 또 접촉으로 발생하는 힘을 시간에 따라 계산해 지형의 변화를 구현했다. 로봇이 실제로 걸으면서 측정한 데이터를 분석해 바닥의 특성을 예측하는 기능도 탑재했다.
이렇게 만들어진 보행 제어기는 사족보행 로봇 '라이보'에 탑재됐다. 라이보는 KAIST 연구진이 직접 개발한 사족보행 로봇이다.
라이보는 발이 완전히 모래에 잠기는 해변 모래사장에서도 초속 최대 3.03m로 빠르게 걸었고, 풀밭·육상 트랙·단단한 땅에서도 바닥의 특성에 적응해 안정적으로 걸었다. 또 형태 변화가 심한 에어 매트리스에서 초당 약 90도의 회전에도 성공해 바닥이 갑자기 부드러워지는 환경도 극복하며 빠른 적응력을 보였다.
논문 제1저자인 최수영 KAIST 기계공학과 박사과정 연구원은 "실제로 바닥의 형태가 변하는 패턴과 비슷한 접촉 경험을 제공하는 것이 로봇의 보행에 필수적이라는 것을 확인했다ˮ며 "이번에 개발한 보행 제어기는 지형에 대한 사전 정보 없이도 활용할 수 있어 다양한 로봇 보행 연구에 접목될 수 있다ˮ고 말했다.
참고자료
Science Robotics, DOI : https://doi.org/10.1126/scirobotics.ade2256