버지니아텍 연구진, 생체모방 보행 시스템으로 첨단 로보틱스 혁신…로봇개·의족 적용

2년 전, 카베하메드(Kaveh Hamed)는 아들 니칸(Nikaan)이 혼자서 첫걸음을 떼는 것을 지켜봤습니다. 한 살배기 아들의 비틀거리는 다리, 배밀이에서 흔들리며 서기, 첫 걸음, 두 발로 바닥을 가로지르는 확실한 걸음까지의 진전을 보며 그는 수학을 생각했습니다.

개 텔리(Telli)가 뛰어오다 트로트로 전환하는 것을 볼 때도 그는 로봇에 그 민첩성을 어떻게 부여할지 다시 생각했습니다.

10년 넘게 하메드는 이족·사족 로봇이 인간과 동물처럼 걷고 뛰게 하는 제어 알고리즘을 개발해 왔습니다.

니칸과 텔리의 움직임을 보며 그는 "아직 배울 게 너무 많다"고 말합니다. "매일 하는 일처럼 보이지만 - 걷고, 뛰고, 계단 오르고, 틈새 넘기 - 이를 수학과 로봇으로 옮기는 건 어렵다."

버지니아텍 합류 및 연구실 설립

하메드는 지난해 버지니아텍 기계공학과 조교수이자 하이브리드 다이내믹 시스템 및 로봇 로코모션 랩 책임자로 합류했습니다.

이후 연구팀은 학내외 협력자들과 함께 생체모방 로코모션을 로봇에 향상시키는 연구를 진행 중이며, 현재 미국 국립과학재단(NSF) 지원 4개 프로젝트를 수행 중입니다. 모두 인간이나 동물에서 영감을 얻어 소프트웨어 개발에 초점을 맞춥니다.

의족 적용 연구

한 프로젝트는 이족(두 다리) 로코모션을 동력 의족의 강인한 로코모션에 적용하는 것을 다룹니다.

하메드 팀은 미시간대 전기공학·컴퓨터과학과 로버트 그레그(Robert Gregg) 부교수와 협력해 그레그의 동력 의족 모델을 위한 분산 제어 알고리즘을 개발하고 있습니다.

로봇개 민첩성·안정성·민첩성 향상

나머지 3개 프로젝트는 사족(네 다리) 로봇을 중심으로 센서, 제어 알고리즘, 인공지능 결합으로 로봇개의 민첩성, 안정성, 기민성, 주변 환경 및 서로에 대한 반응성을 개선합니다.

하메드는 "매년 더 많은 다리 로봇이 만들어지지만, 로봇이 생물학적 영감원인 두 발·네 발 동물의 민첩성을 따라잡으려면 아직 갈 길이 멀다"고 말했습니다.

"개, 치타, 퓨마 같은 동물 로코모션에서 보이는 민첩성은 현재 최첨단 로봇으로도 근접하기 어렵다. 로봇 기술이 빠르게 발전하지만, 로봇과 생물학적 대응체 사이에는 여전히 근본적 격차가 있다."

네 발 달린 친구들에서 영감 얻기

로봇개 연구에서 하메드는 동물 로코모션의 민첩성과 안정성을 뒷받침하는 고급 지능형 제어 알고리즘 개발로 격차를 메우려 합니다.

첨단 피드백 제어 알고리즘과 수학적 최적화 기법을 센서 활용과 통합해 동물의 기본 생물학을 연구에 반영합니다.

예를 들어 척추동물의 균형 제어는 주로 척수에서 일어나며, 진동 뉴런들이 서로 소통해 리드미컬한 움직임을 생성합니다. 이는 눈을 감고도 걷는 자연스러운 기능입니다.

하지만 계단이나 바위 같은 복잡한 환경을 탐색하려면 인간과 동물 모두 시각이 필요하고, 뇌가 본 것을 해석해야 합니다.

하메드 팀은 센서와 강건한 제어 알고리즘으로 로봇개들 사이에 유사한 효과를 만듭니다.

엔코더(관절 위치 관계 읽기), 관성측정장치(로봇 몸체 지면 방향 측정)로 척추동물에게 자연스러운 균형과 운동 제어를 구현합니다.

카메라와 라이다(정밀 환경 매핑 레이저 기술)도 부착해 머신 비전을 활용, 각 로봇의 장애물 접촉이나 회피를 더 잘 알립니다.

고스트 로보틱스(Ghost Robotics) 제작 로봇개 3대에 이 센서들을 장착해 새로 개발한 지능형 강건 제어 알고리즘을 테스트했습니다.

로봇이 자기 움직임과 환경 측정을 읽으면, 탑재 컴퓨터가 A지점에서 B지점으로 스스로를 조향하는 강건한 제어 행동을 계산합니다.

현재까지 실제 동물의 여러 걸음걸이를 시뮬레이션하고 테스트하기 시작했습니다. 로봇개들이 더 민첩성, 균형, 속도로 걷고, 트로트하고, 뛰기 시작했습니다.

팀은 제어 알고리즘에 인공지능을 통합해 실제 환경에서 로봇의 실시간 의사결정을 개선하는 것도 탐구 중입니다.

버지니아텍 안팎 파트너들과 협력

하메드는 협력을 통해 AI와 안전 중요 제어 알고리즘 같은 새 개념을 수용합니다.

두 프로젝트에서 캘텍 기계·토목공학과 아론 에임스(Aaron Ames) 교수와 협력합니다. 차세대 지능형, 안전, 강건 제어 알고리즘으로 복잡한 환경에서 사족·이족 로봇의 민첩한 로코모션을 가능하게 하고, 다리 로봇 군집의 협력 작업을 위한 분산 피드백 제어 알고리즘 개발을 목표로 합니다.

최근 버지니아텍 기계공학과 알렉스 레오네사(Alex Leonessa) 교수가 에임스와 하메드와 함께 로봇 안내견과 인간의 협력 로코모션을 위한 분산 제어 알고리즘 적용 프로젝트에 합류했습니다.

하메드는 "협력에서 배운다. 그것이 지식을 발전시키는 우리의 방식이다. 유명 기업들이 놀라운 일을 하고 있지만 그들이 뭘 하는지 볼 수 없다. 우리는 과학과 수학에서 배우고 발견한 것을 공유하고 싶다. 논문을 발표하면 다른 대학들에 '이게 우리가 쓰는 알고리즘이다. 어떻게 확장할 수 있을까?'라고 말할 수 있다."

실제 응용 전망

하메드는 이동성, 보조 능력, 두 가지 결합 측면에서 이러한 향상의 잠재적 이점과 실제 응용을 봅니다.

지구 표면 절반 이상이 바퀴 달린 차량엔 도달 불가능한 지역으로, 민첩한 다리 로봇이 산이나 숲 같은 거친 험난한 지형을 더 잘 탐색할 수 있습니다.

집과 사무실은 평평하고 예측 가능하지만, 이족 보행자용으로 설계된 사다리와 계단에서 로봇의 한계가 여전히 존재합니다.

하메드는 로봇이 거동 불편자를 돕고 그들과 함께 살려면 같은 조건을 처리할 수 있어야 한다고 믿습니다.

로봇이 비상 대응에서 인간을 지원하거나 대체할 때(공장 화재 구조 임무 등) 다리의 능숙한 사용이 도움이 될 것입니다.

하메드는 로봇개 제어 알고리즘 첫 테스트가 유망하다고 보지만, 알고리즘 개발은 지속적인 과정이 될 것입니다.

"우리가 쓰는 알고리즘이 진짜 생체모방적인가? 진짜 개처럼 행동하는가? 우리는 수학을 하려 한다. 하지만 반드시 생체모방적이어야 한다. 동물을 보고 우리 알고리즘을 수정해야 한다 - 이 시나리오에 어떻게 반응하는지, 우리 제어 알고리즘은 어떻게 반응하는지."