보행 로봇의 에너지 효율성 향상 연구

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2014-12-22

미국 샌디아 국립 연구소(Sandia National Laboratories)의 연구자들이 재난에 대한 응급 대응 상황에서 로봇을 사용하는 데에 있어 가장 큰 장애물 가운데 하나인 에너지 효율성(energy efficiency)이라는 문제와 씨름하고 있다. 샌디아 국립 연구소는 미국 국방 고등 연구 기획청(DARPA: Defense Advanced Research Projects Agency)에 의하여 연구 자금이 지원되는 프로젝트를 통하여 보행 로봇의 내구성을 현저하게 향상시키는 기술을 개발하고 있으며, 이 프로젝트는 재난 상황에 가장 적합한 이동 형태인 보행 동작을 오랜 기간에 걸쳐 수행하는 데 도움이 될 것이다. 이 기술을 적용하고 있는 샌디아 국립 연구소의 새로운 로봇들 가운데 하나는 내년(2015년) 6월에 미국 국방 고등 연구 기획청(DARPA)의 로봇 챌린지 최종전(Robotics Challenge Finals)과 함께 열리는 전시회에서 시연될 예정이다. 최종 시합이 다가옴에 따라 세계에서 가장 진보된 로봇 연구 및 개발 기관들의 일부가 미국 국방 고등 연구 기획청(DARPA)이 규정한 일련의 작업을 수행할 수 있는 응급 대응 로봇을 개발하기 위하여 경쟁하고 있다. 경쟁 로봇들은 자연 재해 혹은 인재 상황에서 발생할 수 있는 조건들을 모사하는 열악한 물리적 환경을 직면할 것이다. 많은 로봇들은 도전적인 지형을 빠져나가기 위하여 다리로 걸을 것이다. 샌디아 국립 연구소의 로봇은 내년(2015년) 6월에 최종전에서 경쟁하지 않을 것이지만, 궁극적으로 우승한 로봇이 생명 구조 작업을 완료할 때까지 배터리 수명을 연장하도록 도울 수 있다. "우리는 에너지 효율적인 2족 보행 로봇이 어떻게 구현될 수 있는지를 시연할 것이다. 증가된 효율성은 로봇 챌린지 경연에 참가한 로봇과 유사한 로봇이 배터리를 충전할 필요 없이 더 오랜 기간 작업을 수행하도록 만들 수 있다"고 이 프로젝트의 책임자이자 샌디아 국립 연구소의 지능 시스템 제어 부서(Intelligent Systems Control Dept.) 소속인 스티브 버거(Steve Buerger)가 말했다. [응급 대응 로봇에 필요한 긴 배터리 수명] 배터리 수명은 응급 대응 로봇의 유용성에서 중요한 관심사이다. "당신은 지상에서 가장 크고, 가장 나쁘고, 가장 거친 로봇을 가질 수 있다. 그러나 현재 대부분의 로봇이 그러하듯이 배터리 수명이 단지 10분 또는 20분 정도에 불과하다면 이러한 로봇은 생명이 걸려 있는 응급 상황에서 그 기능을 수행할 수 없을 것"이라고 스티브 버거가 말했다. 미국 국방 고등 연구 기획청(DARPA)의 로봇 챌린지를 지원하기 위하여 샌디아 국립 연구소가 개발하고 있는 최초의 로봇은 스테퍼(STEPPR: Sandia Transmission Efficient Prototype Promoting Research)로 알려졌다. 이것은 개발자들이 얼마나 많은 에너지가 사용되는지를 정량화하기 위하여 팔꿈치와 무릎과 같은 기능을 하는 여러 관절 구조를 시도할 수 있게 만드는 완전한 기능성 연구 플랫폼이다. 샌디아 국립 연구소의 2번째 로봇인 완더러(WANDERER: Walking Anthropomorphic Novelly Driven Efficient Robot for Emergency Response)는 좀 더 최적화되고 더 잘 포장된 시작품이다. [시험에서 핵심인 에너지 효율성을 가진 구동기] 시험에서 핵심은 로봇의 관절을 움직이는, 에너지 효율성을 가진 샌디아 국립 연구소의 구동기(actuator)이다. 이 구동 시스템은 에너지 효율성을 보장하기 위하여 매우 높은 토크 대 무게 비율, 매우 효율적인 저 비율 동력전달, 각각의 관절에 맞춤화되어 특수하게 설계된 수동 메커니즘 등을 구비한 무브러시 방식의 직류 모터(brushless DC motor)를 이용한다. "우리는 다양한 형태의 보행 거동에서 공통으로 보이고 있는 동적 특성을 이용하고, 모터가 손실을 줄이고 좀 더 효율적인 속도-토크 조건에서 지속적으로 동작하도록 용수철 및 가변 동력전달을 포함하는 다수의 지지 요소(supporting element)를 부가하였다"고 스티브 버거가 설명하였다. 전기 모터는 예를 들어 몸을 구부리는 로봇처럼 저속에서 큰 토크를 제공할 때 특히 비효율적이라고 스티브 버거가 전했다. 용수철과 같은 간단한 지지 요소는 모터의 부하를 감소시키는 토크를 제공할 것이다. "또한, 지지 요소들은 로봇이 거동을 변경할 때 스스로 조절할 수 있게 만든다. 예를 들어, 로봇이 평평한 지면에서 오르막길의 보행으로 변경할 경우 이 새로운 조건에서 효율성을 최적화하기 위하여 관절 동역학에 미묘한 조정을 수행할 수 있다"고 스티브 버거가 말했다. 로봇은 다양한 응급 대응 상황에서 기대되는 여러 종류의 조건들에 적응해야 한다. "어떤 보행 로봇 설계는 평평한 지면에서 걸을 때 매우 효율적이지만, 다른 조건에서는 형편없이 비효율적으로 기능하거나 다른 형태의 지형에서 보행할 수 없다. 로봇은 많은 다양한 조건에서 효율적인 동작을 가능케 하는 구동 시스템을 필요로 한다. 이것은 조정 가능한 지지 요소들이 할 수 있는 일"이라고 스티브 버거가 강조하였다. 초기 시험을 수행한 결과에 따르면, 스테퍼(STEPPR) 로봇이 정숙하면서도 효율적으로 동작한다는 것을 보였다. "소음은 손실된 에너지이다. 그래서 정숙함과 에너지 효율성은 밀접한 관계가 있다. 대부분의 로봇은 많은 소음을 만든다. 그리고 이것은 일부 응용분야에서 주요한 단점이 될 수 있다"고 스티브 버거가 덧붙였다. [대중에 공개될 로봇의 전자학 및 소프트웨어] 스테퍼(STEPPR) 로봇과 완더러(WANDERER) 로봇이 가지는 전자학 및 저수준 소프트웨어는 오픈 소스 로봇 재단(Open Source Robotics Foundation)에 의하여 개발되고 있다. 이 설계는 대중에게 공개될 예정이며, 전 세계에 있는 공학자 및 설계자들은 이러한 진보를 이용할 수 있을 것이다. 플로리다 인간 기계 인식 연구소(The Florida Institute for Human and Machine Cognition)는 이 두 로봇을 위하여 에너지 효율성을 가진 보행 제어 알고리즘을 개발하고 있다. 그리고 매사추세츠 공대(MIT: Massachusetts Institute of Technology)와 글로브 모터스(Globe Motors)도 이 프로젝트에 기여하고 있다. [관련 동영상의 연결] https://www.youtube.com/watch?v=ze24f9Hkrgw&feature=youtu.be 2014-12-18_robot.jpg 2014-12-21_robot1.jpg 2014-12-21_robot2.jpg Getting bot responders into shape