- 니케이로보틱스_2021/1_보스턴 다이내믹스의 뛰어남 -- Spot 제어 소프트웨어의 진가 NIKKEI Robotics
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- 저자 : 日経BP社
- 발행일 : 20201210
- 페이지수/크기 : 39page/28cm
요약
Nikkei Robotics_2021.1 Sexy Technology 요약 (p3-11)
보스턴 다이내믹스의 뛰어남
Spot 개발에 채용한 제어 소프트웨어의 진가
오랫동안 로봇 연구개발을 전개해 온 로봇 전문기업인 미국 보스턴 다이내믹스(Boston Dynamics, 이하 Boston)가 2020년 6월에 드디어 자사 로봇을 상용화했다. 창업 이래 끊임없이 제작해 온 4족 보행 로봇을 소형화해 ‘Spot’이라는 이름으로 판매하기 시작했다. 가격은 7만 4,500달러다.
Spot 자체는 범용 플랫폼이다. ‘청소 로봇’이나 ‘경비 로봇’과 같은 특정 애플리케이션이 내장되어 있는 것은 아니지만 Boston은 내비게이션 관련이나 주위 환경을 인식하는 API 등을 준비했다. SDK(소프트웨어개발도구)를 사용해 유저가 직접 애플리케이션 소프트웨어를 구축하면 자율적으로 운행할 수 있다.
계단 등 최대 30cm의 턱이 있는 공간도 주파할 수 있는 보행 기능 때문에 운용 가능 범위가 넓어진다. 미국에서는 이미 대형 건설회사가 건물 현장 계측, 석유화학플랜트 기업이 장치 감시 등에 이용하기 시작했다.
-- 핵심인 유압을 버리고 상용화 --
Boston의 핵심 기술은 역시 유압 구동 관련이다. 미 국방부 산하 DARPA(방위고등연구계획국) 등의 자금으로 개발한 대형 4족 로봇 ‘Big Dog’, 보다 경량화한 ‘Spot Classic(구 Spot)’, 공중제비 등 아크로바틱한 동작을 실현해 세계를 놀라게 한 휴머노이드 로봇 ‘Atlas’ 등 지금까지 많은 관심을 받아 온 Boston의 로봇들은 기본적으로 모두 유압 구동형이었다.
그 중에서도 현행 Atlas의 유압 구동 기술은 압권이다. 유압 구동 자체는 항공기나 자동차, 건설기계 등 다양한 기계에서 사용되고 있지만 유통되고 있는 유압 부품은 대부분 대형이기 때문에, 휴머노이드 로봇처럼 자유도가 많은 기계에 그대로 채용하면 크고 무거워져 버린다.
그래서 Boston은 핵심인 유압 서보밸브로 Atlas 전용의 커스텀 부품을 개발했다. 항공기에서는 소형 서보밸브가 사용되는데 그것보다도 더 소형이다. 대퇴부 등의 프레임은 금속 3D프린터로 성형하고, 그 금속 프레임 내부에 유압작동유의 유로(배관)까지 일체 성형을 했을 정도다.
Atlas는 15년에 미국에서 열린 로봇 경기대회 ‘DARPA Robotics Challenge(DRC)’에서 표준 플랫폼으로서 채용되었지만, 그 때의 Atlas(DRC판)는 유압 배관 파이프가 밖으로 많이 노출되어 있었다. 현행 Atlas는 전신에서 28가지의 자유도를 갖지만 유압 배관이 밖에서 거의 보이지 않는 이유는 ‘몸’ 안에 내장했기 때문이다.
유압 배관은 휴머노이드 로봇이 넘어지거나 하면 충격으로 파손되는 경우도 있다. 실제로 DRC에서는 Atlas가 자주 넘어졌고, 넘어질 때의 충격으로 유압 배관이 망가져 약 17MPa의 고압 작동유가 ‘피’처럼 주위에 분출된 적도 있었다. 유압의 유로를 강고한 금속 프레임에 내장하면 그와 같은 파손도 방지할 수 있다.
유압 구동은 전동모터 구동처럼 톱니바퀴가 있는 감속기를 이용하지 않기 때문에 충격에도 강하다. Atlas가 공중제비와 같은 동작이 가능한 이유는 탁월한 제어기술과 3D프린터에 의한 커스텀 구조의 경량화, 충격에 강하고 쉽게 부서지지 않는 유압 구동의 특성 때문이다.
이처럼 유압 구동은 Boston의 대명사라고도 할 수 있는 기술이지만 2020년 6월에 상용화한 4족 로봇 ‘Spot(구 Spot Mini)’에서는 유압 구동을 일절 사용하지 않고 전신 12개 관절 모두를 전동모터 구동으로 하여 상용판 Spot의 원형이 된다. 외관도 닮은 Spot Classic에서는 유압 구동을 채용했었지만 상용화한 후계 Spot에서는 전동을 선택했다.
유압 구동 시스템은 유로의 어딘가에서 작동유가 새는 일이 일상다반사로 발생해 바닥을 오염시키는 일도 자주 있었다. 이런 이유로 실내 공간 등에서 사용하는 로봇에는 채용하기 어려웠다. 또한 Spot Classic의 무게는 75kg이나 됐지만 상용판 Spot은 3분의 1인 25kg이다. 경량화를 위해서는 완전 전동화가 필요했을 것이다.
-- 로봇의 안드로이드를 목표 --
Boston의 창업자 Marc Raibert 씨는 상용판 Spot에 대해 “로봇계의 안드로이드와 같은 존재로 만들고 싶다”라고 말했다. Boston은 Spot을 범용 플랫폼으로 생각하고 있고, 로봇을 어떻게 사용할 것인가의 애플리케이션은 파트너기업이나 유저 측에 위임한다는 입장이다. Spot의 용도는 “지뢰 제거나 경비∙점검, 개인 집에 택배, 가사 등을 상정하고 있다”(Raibert 씨).
Spot Classic이나 BigDog보다 소형이라고는 하지만 Spot의 무게는 여전히 25kg이나 된다. ‘아이를 태운 전동자전거’와 거의 같은 무게다. 평평한 바닥에서만 운용하는 차륜형 로봇과 달리 계단에서 넘어지거나 떨어지는 경우도 있어 사람에게 상해를 입힐 위험도 크다. 이 때문에 Boston은 훈련되지 않는 사람이 들어가지 않는 환경에서의 Spot 운용을 요구하고 있다.
구체적으로는 전원을 켜고 있는 동안은 Spot의 주위 2m 이내에 들어가지 말 것, 계단 등을 오르내릴 때 아래에 사람이 있으면 Spot의 전도∙낙하로 인해 다치거나 사망할 위험이 있다는 사실을 명기하고 있다.
다리가 있는 ‘개’와 같은 외관이기 때문에 사람이 친근하게 느끼는 면도 있지만, 기본적으로는 사람과 작업 공간을 공용하는 ‘협동 로봇’ 용도, 불특정 다수가 출입하는 상업시설, 가정 등에서 운용하는 것은 현단계에서는 어렵다고 판단하고 있다. 보다 다양한 환경에서 운용하기 위해서는 많은 협동 로봇이나 가정용 로봇처럼, 우선은 관절 부분에 손가락 등이 끼지 않는 구조로 만들고, 후계기 등에서는 더욱 경량화해야 할 것이다.
-- DARPA의 경기대회에서 우승 --
Spot의 진가는 사람과 공존하는 운용 형태가 아니라 야간 경비처럼 사람이 없는 것을 전제로 한 유스케이스다. 또한 사람이 못 들어가는 위험한 장소에서의 유스케이스야말로 Spot의 진가가 발휘된다. Spot의 진가가 조기에 실증된 것이 2020년 2월에 DARPA가 주최한 로봇 경기대회 ‘DARPA Subterranean Challenge(SubT) Urban Circuit’다.
광산이나 터널 붕괴 사고 현장, 건축물의 지하 공간에서 발생한 사고, 지뢰 재해, 위험한 화학물질이나 연기가 가득한 환경, 환기가 어려운 환경 등을 상정. 사람을 대신해 로봇이 현장에 들어가 잔해 등을 피해 돌아다니면서 내부 지도를 작성하거나, 부상자나 각종 아이템을 수색하는 작업 등을 통해 득점을 경쟁한다. 그리고 그 SubT 경기대회에서 정식 발매를 앞 둔 Boston의 Spot을 이용한 팀이 우승했다. 또한 ‘Subterranean’은 지하 공간을 의미하며, 터널 내부나 건축물 지하, 동굴 속 등을 가리킨다.
경기대회는 미국 워싱턴주 시애틀 근교 엘마에 있는 원자력발전소 지하에서 열렸다. 이 원자력발전소는 1970년대에 착공됐지만 운영사인 전력회사가 파산하면서 미완성인 상태로 방치되어 있던 곳이다. 지하 4층 전체에 구조해야 할 부상자(인형)와 가방, 공구 등을 주최측이 배치해 둔다.
그것을 발견하고 특정할 때마다 점수를 부여하며 합계 점수를 경쟁한다. 지하 공간은 암흑이며, 층과 층 사이는 계단이나 수갱(Vertical Shaft)을 통해 이동해야 한다. 바닥에 잔해 등이 깔려 있거나 물에 젖은 곳도 있다.
Spot을 이용한 팀은 미국 NASA JPL(Jet Propulsion Laboratory) 등으로 구성된 팀이다. SubT 경기대회는 수색해야 하는 층이 여러 층으로 광범위해서 여러 대의 로봇 사용이 허용된다. JPL도 크롤러형 로봇 2대와 Spot 2대, 총 4대의 로봇을 이용해 도전했다.
Spot은 계단을 속도감 있게 오르내리고 잔해가 있는 장소에서도 이동하는 등 높은 주행∙돌파 능력을 실제 장소에서 증명해 보였다. SubT에서는 로봇이 구축한 지도를 제출하도록 되어 있다. JPL 팀이 구축한 지도는 Spot의 높은 이동 능력으로 다른 팀보다 넓은 범위를 커버했다.
‘DARPA 주최 로봇 경기대회’ 하면 2015년에 열린 DARPA Robotics Challenge(DRC)를 떠올릴 것이다. 사람이 못 들어가는 환경에서의 재해 대응이라는 의미에서는 DRC와 SubT는 비슷하지만 큰 차이는 로봇에게 요구되는 자율성이다.
DRC는 로봇에 탑재된 카메라 영상 등을 보고 사람이 원격 조작했다. 그러나 이번 SubT는 원격 조작이 금지되어 있어 로봇은 완전히 자율모드로 아이템 탐색 등의 임무를 수행해야 한다.
팀에는 탐색 공간의 크기나 레이아웃 등의 정보는 일절 알려주지 않는다. 자율 기능만으로 지하 공간을 탐색해야 한다. 지하라는 폐쇄 공간에서의 재해를 상정한 것이므로 무선통신 인프라도 제공하지 않는다.
조명이 없기 때문에 LIDAR나 거리이미지센서 등 액티브형 센서로 주위를 계측하고, SLAM으로 지도를 작성하면서 진행해야 한다. 부상자나 가방 등의 아이템은 LIDAR 등으로는 판별이 불가능하기 때문에 별도로 가시광 조명과 카메라도 탑재해 인식해야 한다.
Spot은 어느 정도의 내비게이션 기능이나 자율이동을 위한 API는 제공된다. 그러나 JPL은 SubT에서 직접 개발한 센서시스템을 Spot의 등에 탑재했고, 내비게이션 기능도 독자의 것을 이용했다.
Spot에 고도의 자율 기능을 부여하고 싶을 경우는 이 JPL의 어프로치와 마찬가지로 PC의 내장 옵션인 컴퓨터 노드를 등에 탑재하고, 그곳에서 내비게이션계나 인식계 소프트를 직접 작동시킬 필요가 있다.
Spot 본체는 실시간 OS ‘QNX’를 채용하고 있지만, 옵션인 컴퓨터 노드에서는 Ubuntu 상에서 ROS 등을 작동시킬 수 있기 때문에 애플리케이션 개발이 쉽다고 할 수 있다.
-- Spot을 계기로 도입한 기술은? --
Boston의 기반은 유압 구동을 축으로 한 하드웨어에 있다고 할 수 있다. 그러나 한편으로 제어기술이나 소프트웨어 면에서도 Boston은 탁월한 대응을 하고 있다. 최근에는 로봇 제어에서도 심층학습 베이스의 강화학습 등 기계학습 관련 기술이 주목을 받고 있다.
그러나 Boston은 자사의 로봇에 이러한 기계학습 관련 기술은 채용하지 않았다. 기존의 제어공학이나 로봇공학 방법을 우직하게 축적함으로써 Atlas 등의 복잡하고 다이내믹한 움직임을 실현하고 있다.
Boston은 로봇 개발에 대해 ‘만들고 부수고 고친다(build it, break it, fix it)’라는 방침을 견지하고 있다. 새로운 동작을 실현하기 위해서는 실기를 움직여 시험해 보는 사이클을 계속 반복하는 수밖에 없다. Boston처럼 로봇에 다이내믹한 동작을 시키면 넘어져서 파손되는 일도 자주 있다.
이 때문에 Boston은 사내에 로봇 수리전문 부문까지 만들었을 정도다. “로봇이 파손돼도 놀랄 정도로 빠른 시간에 수리해준다”(Boston의 연구부문 기술자).
이러한 사이클을 고속으로 회전시키고 새로운 로봇의 동작을 신속하게 실장할 수 있도록, Boston은 Spot의 전신인 Spot Classic(당시의 Spot) 개발을 계기로 제어 소프트에 새로운 시스템을 도입했다. 그것이 ‘Sequential Composition(SC)’이라는 어프로치다. “현재 Boston의 모든 로봇 제어에 이 SC를 적용하고 있다”(Raibert 씨).
SC라는 것은 국소적인 제어기를 여러 개 준비해 두고, 상태 공간에 따라서 그들 사이를 원활하게 전환, 합성(composition)해 나감으로써 전체 영역의 컨트롤러를 얻으려는 것이다.
어느 포텐셜 함수의 에너지 최하부는 다른 포텐셜 함수의 영역 내에 접속되어 있다. 이 때문에 최하부까지 떨어지면 다음 포텐셜 함수로 연쇄적으로 전환해 나간다. 순차적으로 포텐셜 함수가 접속되고, 합성해 나가기 때문에 SC라 불린다. 국소적인 영역에서 연속적인 제어를 하면서 상태 공간을 이산적으로 나누고 있다는 의미에서 하이브리드 시스템의 일종이라고 할 수 있다.
SC의 의의는 제어의 안정성이나 강건함을 확보하기 쉽다는 것이다. 개개의 상태 공간(SC에서는 도메인이라고 부른다)에서 국소적인 제어기를 준비하고, 그 상태 내에서 안정성을 확보해 두면 전체 영역에서도 안정성을 확보하기 쉽다.
BigDog 등을 개발하던 2000년대의 Boston의 로봇 제어 소프트웨어는 SC의 방식이 아닌 모놀리식(Monolithic) 구조였다. Spot 개발을 계기로 SC를 도입함으로써 제어가 모듈화되면서 신속하게 개발할 수 있게 되었다.
-- SC의 고안자가 연구부문 수장으로 --
실은 이 SC를 고안한 사람은 Boston에서 현재 Chief Scientist를 맡고 있는 Alfred Rizzi 씨다. Rizzi 씨는 로봇 연구의 명문인 미국 CMU Robotics Institute 출신으로, 그곳에서 교수로 재직하고 있을 당시에 머니퓰레이션을 위한 방법으로서 1999년에 SC를 고안했다.
그 후 2006년에 Boston에 입사. 2011년에는 BigDog의 목에 해당하는 부분에 유압 구동 암을 장착, 전신 동작을 사용하면서 16.5kg의 블록을 5m 멀리 던지는 동작을 실현했다. 지금의 Atlas의 아크로바틱한 동작으로 이어지는 이 시연에, Rizzi 씨가 10년 전에 관여하고 있었다.
Atlas에서도 이러한 모듈을 조합한 어프로치는 대대적으로 채용되고 있다. ‘조깅’이나 ‘점프’ 등 다양한 로봇의 동작을 템플릿으로서 라이브러리에 준비해 두고, 그들 템플릿을 연결해 새로운 동작을 만들고 있다.
Atlas가 한 다리로 점프를 연속적으로 반복하는 ‘parkour’ 등의 시연도 이 어프로치로 만들었다. 동작의 컨셉트를 생각하고 나서, 실기 Atlas로 테스트를 하기까지 불과 하루 이내에 실행할 수 있도록 되어 있다고 한다.
-- 끝 --
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