고려대-KAIST-국방과학연구소, 스스로 상황 판단해 걷고 뛰는 ‘똑똑한’ 사족 보행 로봇 기술 구현

△ 연구팀이 개발한 제어 기술을 탑재한 사족 보행 로봇이 다양한 장애물을 극복하는 모습

로봇의 걸음이 더욱 자연스러워진다. 고려대학교(총장 김동원) 기계공학부 겸 스마트모빌리티학부 홍승우 교수가 KAIST 기계공학과 박해원 교수 연구팀, 국방과학연구소와의 공동연구를 통해 마치 동물처럼 주변 환경에 맞춰 걷고, 달리고, 뛰어넘기를 자연스럽게 전환하며 험지를 빠르고 안정적으로 이동하는 사족 보행 로봇 제어 기술을 개발했다.

그동안 사족 보행 로봇은 평탄한 바닥을 빠르게 달리거나 눈앞의 단일 장애물을 가볍게 뛰어넘는 기술 위주로 발전해 왔다. 하지만 계단이나 틈처럼 예측할 수 없는 여러 장애물이 존재하는 실제 야외 환경에서는 걷기, 달리기, 뛰어넘기 등 각각의 보행 기술을 별도로 설계해야 했기 때문에 이를 자연스럽게 전환하기 어려웠다. 따라서 로봇이 이동할 때 속도와 안정성을 동시에 확보하는 데 한계가 있었다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 ‘APT-RL(Action Pretrained Transformer-based Reinforcement Learning, 행동 사전학습 기반 트랜스포머 강화학습)’이라는 제어 기술을 개발했다.

기존에는 실제 동물의 움직임을 실시간으로 관측하며 데이터를 대량으로 수집해야 했지만, 연구팀은 로봇 동역학과 궤적 최적화를 활용해 시뮬레이션 환경에서 빠른 속도로 대규모의 고품질 운동 데이터를 자동 생성하도록 했다. 그 결과, 실제 15.5시간 분량의 고품질 운동 데이터를 단 8분 만에 생성하는 등 대규모 학습 데이터 구축에 필요한 시간을 기존 대비 획기적으로 단축했다. 

*로봇 동역학: 로봇에 가해지는 힘과 토크를 기반으로 로봇이 어떻게 움직일지 수학적으로 계산하는 기술

*궤적 최적화: 가장 빠르고 안전하게 이동할 수 있는 최적의 경로를 찾아내는 기법

다음으로 로봇이 계단·틈과 같은 복잡한 3차원 지형을 스스로 판단하고 극복할 수 있도록 강화학습을 수행하고, 여기에 깊이 카메라와 라이다를 활용해 주변 환경을 실시간으로 인식하고, 현재 환경에 가장 적합한 최적의 보행 전략을 스스로 선택하도록 구현했다.

*깊이 카메라: 물체까지의 거리를 측정해 3차원 공간 정보를 얻는 특수 카메라

*라이다(LiDAR): 레이저를 이용해 주변 환경의 거리와 형태를 3차원으로 측정하는 센서

특히, 하나의 제어기로 걷기·달리기·뛰어넘기 등 서로 다른 보행 기술을 통합 제어할 수 있다는 점이 돋보인다. 별도의 모드 전환 없이 상황에 따라 가장 적합한 움직임을 자연스럽게 선택·전환해 실제 환경 변화에 실시간으로 대응할 수 있다.

연구팀이 개발한 제어 기술을 사족 보행 로봇에 탑재해 실내외 환경에서 검증한 결과, 계단과 잔디 등 도시형 지형은 물론 쓰러진 나무와 낙엽길 등 자연 지형에서도 안정적으로 이동했다. 또 장애물이 포함된 실제 험지 환경에서 순간 최고 초속 6미터의 빠른 이동속도를 기록했다.

홍승우 교수는 “이번 연구는 로봇 동역학과 궤적 최적화 등 모델 기반 방법론을 강화학습에 결합해 학습 효율을 획기적으로 높인 만큼, 향후 국방이나 재난 구조 등 예측 불가능한 험지 환경에서 로봇의 실용화를 앞당기는 차세대 이동 로봇의 핵심 기반 기술이 될 것으로 기대한다”고 밝혔다. 

본 연구 성과는 로봇 분야 최고 권위 국제 학술지인 ‘사이언스 로보틱스(Science Robotics, IF=25.5)’ 온라인에 7월 16일 게재됐으며, 연구의 우수성을 인정받아 7월호 표지 논문으로 선정됐다. 

*논문명: Agile perceptive multi-skill locomotion for quadrupedal robots in the wild

*DOI: 10.1126/scirobotics.adz7397

*URL: https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adz7397

이번 연구는 산업통상자원부와 한국산업기술기획평가원(KEIT)의 연구비, 국방과학연구소 미래도전국방기술 연구개발사업 지원을 받아 수행됐다. 

[연구진 사진]

△(왼쪽부터) KAIST 기계공학과 박재현 박사과정생, 박해원 교수, 고려대 기계공학부 겸 스마트모빌리티학부 홍승우 교수(흰색 옷), 강준길 연구원(연구 당시 국방과학연구소)