기계/자동차/부품

Nikkei Robotics_2021.12 Sexy Technology (p3-10)

소니, 4족 보행 로봇 독자 개발
가반 질량 20Kg 실현, 직렬 병렬 탄성 액추에이터를 독자 개발

소니 그룹(이하, 소니)이 신형 4족 보행 로봇 ‘Tachyon(타키온)’을 개발했다. 4족 로봇이지만 가정용 ‘aibo’와 같은 소형은 아니다. 가반 질량(페이로드)이 20kg이나 되는 대형 보행 로봇이다. 이번 기사에서는 소니가 돌연 발표한 이 대형 로봇의 기술에 대해 해설한다. 핵심은 소니가 독자적으로 개발한 신형 액추에이터다.

-- 엔터테인먼트에서 실용 지향으로 --
지금까지 소니가 전개하는 로봇 기술은, 2000년대의 ‘AIBO’나 ‘QRIO’처럼 엔터테인먼트 지향의 기술이 많았다. 그러나 최근에는 변화가 보이기 시작했다. 2019년에는 의료 로봇 등에 대한 응용을 전망하고, 힘 피드백(force feedback)을 갖춘 원격 조작 장치를 발표하고, 2021년에는 가와사키중공업과 함께 로봇용 원격 조작 플랫폼을 개발하는 회사를 합작 설립하는 등 실용 지향의 로봇 기술에 주력하는 모습을 보여주고 있다.

이번 4족 보행 로봇도 그러한 실용 지향 로봇 기술의 계보에 있다고 말할 수 있다. 4족 보행 로봇은 미국 Boston Dynamics가 2020년 6월에 ‘Spot’을 발매하고 사업화했으며, 건설∙토목 분야 등에서 이용하는 기업이 나오기 시작했다. 아직은 여명기지만 조금씩 시장이 형성되고 있다.

이번 소니의 4족 보행 로봇은 기초 연구로서 개발한 것으로 사업화는 미정이다. 그러나 Spot이 4족 보행 로봇이 시장을 개척하고, 제품으로 인식되기 시작하면 참여 기업은 늘어날 것이다.

-- 독자 개발한 액추에이터 채용 --
4족 보행 로봇이 갖는 의의는, 바퀴형 로봇과 비교해 거친 지면이나 계단 등 단차가 많은 장소를 효율적으로 이동할 수 있다는 점이다. 2족 보행 로봇도 단차가 있는 장소에서 이동이 가능하다. 그러나 4족으로 늘려 넘어질 확률을 줄임으로써 보다 안정적으로 운용할 수 있는 이점이 있다.

지금까지는 불가능했던 장소에서 로봇을 사용할 수 있게 되므로, 많은 조직이 4족 보행 로봇을 개발해 왔다. 대학의 경우는 미국 MIT의 ‘Cheetah’나 ‘Mini Cheetah’, 이탈리아 IIT(기술연구소)의 ‘HyQ2max’, 스위스 ETH Zurich의 ‘ANYmal’ 등이 유명하다. 기업도 Boston Dynamics 외에 중국 Unitree가 산업 용도용으로 ‘B1’ 등의 제품을 투입하고 있다.

이번 소니의 4족 보행 로봇 ‘Tachyon(타키온)’이 이러한 기존의 4족 보행 로봇과 다른 점은 신형 액추에이터를 탑재하고 있다는 것이다. ‘직렬 병렬 탄성 액추에이터(SPEA: Series Parallel Elastic Actuator)’와 같은 것이다. 탄성 요소(스프링)를 사용한 액추에이터로서는 ‘직렬 탄성 액추에이터(SEA: Series Elastic Actuator)’가 유명하고, 지금까지 많은 로봇에 채용되어 왔다. SPEA는 직렬(Series)의 스프링뿐 아니라 병렬(Parallel)의 탄성 요소를 추가한 것이다.

SPEA 자체는 이전부터 있었지만 부품 개수가 많고, 구조가 복잡해지는 경향이 있어, “지금까지 2족 로봇에 채용하는 예는 있었지만 4족 보행 로봇에 채용한 예는 없었다”(소니 그룹 R&D센터). 2족과 비교해 4족은 다리 개수가 많기 때문에, 복잡하고 커질 수밖에 없는 SPEA는 4족에는 채용하기 어려웠다. 이번에 소니는 자신의 강점인 소형화 기술을 활용해 구조를 독자적으로 연구함으로써 4족 보행 로봇에 채용할 수 있는 단계까지 SPEA를 소형화∙경량화하는 데 성공했다.

-- 왜 SPEA일까? --
소니는 왜 신형 액추에이터, SPEA를 자사 개발하고, 4족 보행 로봇에 채용했을까?

SPEA의 최대 특징은 로봇의 에너지 효율을 높일 수 있다는 점이다. 자세를 유지하거나 움직이기 위한 전력을 줄일 수 있고, 로봇의 배터리 가동 시간을 연장할 수 있다. 일반적으로 SEA는 직렬의 탄성 요소에 의해 착지할 때의 충격을 흡수할 수 있는 이점이 있다. SPEA는 충격을 쉽게 흡수하는 SEA의 이 특성을 이어받으면서, 에너지 효율이 높다는 특성도 겸비한 액추에이터다.

원래 다리가 있는 보행 로봇은 서서 자세를 유지하는 것만으로 에너지를 소비한다. 다리로 선다는 것은 자신의 질량(의 일부)을 액추에이터의 토크, 즉 ‘근력’으로 지탱하고 있다는 의미다. 일반적으로 액추에이터가 특정 관절각을 유지하기 위해서는 피드백 제어로 모터에 항상 전류를 계속 흘려 보내야 한다. 목표 관절각과의 미세한 오차를 해소할 수 있도록, 오차를 해소하는 방향으로 모터를 항상 움직이면서 토크를 계속 줘야 한다. 그렇지 않으면 로봇은 무릎에 힘이 빠지게 되면서 그 자리에서 무너지게 된다.

에너지 소비라는 관점에서만 보면, 무릎을 똑바로 펴면 서서 자세를 유지하는 데 필요한 전력은 최소한으로 할 수 있다. 다만, 그 경우에 무릎에 축적된 힘이 없어지기 때문에 바로 움직이기 어려워진다. 움직이는 것이 주요 용도인 로봇에게는 이는 좋지 않다. 무릎에 힘 있는 관절각을 유지하기 위해서는 필연적으로 근력으로 자신의 무게를 계속 지탱해야 하기 때문에 에너지를 소비하는 것이다.

소니는 ‘자세 유지만을 위해 필요한 이 낭비적인 에너지 소비를 더 줄일 수 없을까’라고 생각했다. 그래서 등장한 것이 병렬 탄성 요소(스프링)이다. 액추에이터에 스프링을 넣고, 자중(自重)의 일부를 스프링으로 지탱하게 하면, 모터 측에 걸리는 힘을 스프링 측에 분산할 수 있어 피드백 제어에 필요한 전력을 줄일 수 있다.

즉, 액추에이터 내에서 모터와 병렬로 스프링을 넣어 줌으로써 서서 자세를 유지하기 위한 에너지를 줄일 수 있는 것이다. 이것이 다리가 달린 로봇에 SPEA를 채용하는 의의다. 다리 로봇을 산업 현장에서 실제로 이용하기 위해서는 배터리 가동 시간은 중요한 요소다. 소니는 이를 중시한 것이다.

만약 이 병렬 스프링이 스프링이 아니라 단단한 물체라면 이미지적으로는 ‘의자에 앉은’ 상태가 된다. ‘의자 다리’와 같이 단단한 물체에 자신의 무게를 지탱시키는 것이다. 에너지 소비를 줄이고, 근육을 편하게 한다는 의미에서는 이는 가장 효율적이지만 액추에이터 내에 단단한 물체가 있으면 움직이는 데 지장이 생긴다. 움직임에 지장이 없고, 스프링으로서 적당하게 움직이며, 자중의 일부를 전력을 사용하지 않고 수동적으로 지탱할 수 있다는 것이 SPEA의 병렬 탄성 요소다.

-- 보행 시에도 전력 삭감 --
병렬 스프링은 서서 자세를 유지하고 있을 때는 효용이 크지만 좋은 점만 있는 것은 아니다. 모터와 병렬로 탄성 요소가 있다는 것은 모터가 능동적으로 움직일 때는 직접적인 저항 요인이 되면서 모터의 움직임을 방해하게 된다.

다리에서 병렬 탄성 요소가 에너지 삭감에 어느 정도 기여하는지는 보행 패턴(걸음걸이)에 의존한다. 병렬 스프링은 액추에이터가 동작할 때의 저항 성분이 되면서 동시에 스프링은 압축 시에 모아둔 탄성 에너지를 펴질 때 방출할 수도 있다. 병렬 스프링을 모터로 압축하기 위해서는 에너지를 필요로 하지만 스프링 내에 축적된 탄성 에너지는 로봇을 이동시키는 에너지도 된다.

소니가 4족 보행 로봇 ‘Tachyon(타키온)’으로 실험한 결과, 병렬 탄성 요소에 의한 에너지 삭감의 폭은 선 자세일 때가 가장 크지만 보행 시나 주행할 때라도 전력은 삭감할 수 있다고 한다. 다만 보행 시의 삭감 폭은 5% 정도다. 또한 소니의 로봇에서는 발 끝이 떠 있을 때 병렬 스프링을 의도적으로 압축해서 탄성 에너지를 축적하는 식의 제어는 하지 않는다고 한다.

그리고 보행 로봇의 다리에 사용하는 액추에이터로서, 앞에서 말한 SPEA나 SEA 이외에도 저감속비의 감속기를 사용하는 방식도 있다. 감속기의 저항이 작아지고, 백드라이버빌리티(Backdrivability)가 높아지기 때문에 감속기가 쉽게 파손되지 않으며, 토크 센서 없이도 힘 제어(Force Control)가 쉬어지는 등 다리 로봇에 적합한 특성을 갖추고 있다. MIT의 Cheetah 등이 이 방식을 채용하고 있다.

소니도 Tachyon의 이전 세대에서는 이 방식을 채용, 감속기로서 유성기어형을 이용했었다. 그러나 이 방식의 경우는 감속비가 낮기 때문에 필요한 토크를 얻기 위해서는 모터를 대출력∙대구경화(大口徑化) 할 필요가 있어, 그 무게가 걸림돌이 된다. 이번 SPEA라면, 충격은 직렬 탄성 요소로 흡수하면서, 필요한 토크를 얻기 위해 고감속비의 감속기를 사용할 수 있어 큰 모터를 사용할 필요가 없어진다.

-- 구조를 연구해서 소형화 --
SPEA는 앞에서 말한 것처럼 충격 흡수에 뛰어나고 에너지 효율도 높기 때문에 다리 로봇용 액추에이터로서 좋은 특성을 갖추고 있다. 그러나 부품 개수가 많고 복잡∙대형이라는 난점이 있다. 직렬 탄성 요소와 더불어 병렬 탄성 요소도 넣을 필요가 있기 때문에 심플한 액추에이터에 비해 복잡해지는 것은 필연이라고도 할 수 있다.

이번에 소니는 액추에이터의 실장∙구조를 연구해서 SPEA를 4족 로봇에 사용할 수 있을 정도로 소형화했다. 다리는 3축 구성이며, 본체 측에서 순서대로 내전축∙외전축, 허리 관절축과 이어지고, 가장 바깥 측에 무릎 관절이 있다. SPEA는 무릎 관절의 위쪽에 있는 상부 링크에 장착되어 있으며, 이곳에서 무릎 관절을 이용해 하부 링크를 구동한다.

발 끝에는 접지 상태 등을 검출하기 위한 3축력 센서가 있다. 내전축∙외전축과 허리 관절축은 통상의 파동 기어 감속기를 이용하고 있으며, 1:80으로 고감속비다. 모든 축에 SPEA를 탑재하면 크고 무거워지기 때문이다. 무릎 관절의 1축만으로 힘 제어를 해도 충격이나 외부 방해 등은 충분히 흡수할 수 있다고 보고 있다.

SPEA의 구조는 이렇다. 직동(直動) 액추에이터로 되어 있고, 모터가 볼 나사를 구동한다. 볼 나사의 너트부는 상부 링크의 프레임과 회전축을 매개로 접속되어 있다. 때문에 모터가 회전해서 볼 나사의 너트부가 눌리게 되면, 그대로 액추에이터의 프레임 전체가 오른쪽으로 이동하고, 오른쪽 끝에 있는 출력용 로드를 누른다.

동시에 왼쪽 끝에 있는 병렬 탄성 요소도 프레임과 너트 사이에서 압축된다. 액추에이터 전체가 오른쪽으로 시프트하면 병렬 스프링은 압축되고, 액추에이터 전체가 왼쪽으로 시프트하면 병렬 스프링은 펴지는 관계다. 무릎이 굽은 상태에서는 병렬 스프링은 압축되어 있고, 무릎이 펴진 상태에서는 병렬 스프링은 펴져 있다.

소형화가 가능했던 하나의 이유는 볼 나사의 너트부를 그대로 액추에이터 전체의 회전축으로 했기 때문이다. 이 회전축은 액추에이터를 상부 링크 측에 접속하는 역할을 담당한다. 이러한 구조로 함으로써 볼 나사의 리니어 슬라이더부에 큰 부하 토크가 쉽게 걸리지 않게 되면서 리니어 슬라이더를 소형∙경량화할 수 있었다.

또한 볼 나사를 구동하는 모터를 출력 측에 배치하고, 병렬 스프링을 출력과는 반대 측에 둠으로써 볼 나사의 길이를 줄일 수 있다. 이것도 소형∙경량화에 유효했다. 또한 볼 나사의 길이가 짧아짐으로써 베어링은 오른쪽 한편에 1개만 있으면 충분했다. 즉, 왼쪽 끝에는 베어링이 필요 없기 때문에 더욱 소형화할 수 있었다. 또한 직렬 탄성 요소의 구조도 연구를 통해 소형화했다. 이러한 연구의 축적으로 액추에이터 1개당 질량 1,125g까지 경량화를 실현했다.

SEA나 SPEA처럼 직렬 탄성 요소를 가진 액추에이터에서는, 직렬 스프링 길이의 변위량을 계측함으로써 그대로 액추에이터에 걸리는 힘을 계측할 수 있다. 힘을 위치 정보로 변환해 계측할 수 있는 것이다. 소니의 SPEA도 이 시스템을 이용하고 있다. 직렬 스프링의 부분에 리니어 인코더를 실장하고, 스프링의 변위량을 살펴봄으로써 힘을 추정하도록 했다. 직렬 스프링은 상당히 단단한 것을 사용하고 있다. 스프링 상수는 528N/mm(1개당, SPEA에서는 2개 이용). 변위량은 불과 2.5mm다. 분해능 0.2µm의 리니어 인코더를 이용하고 있고, 힘을 0.21N의 분해능으로 계측할 수 있다.

-- 4절 링크로 가반 질량을 증대 --
Tachyon(타키온)에서는 가반 질량을 증대시키는 연구를 실시했다. 그것이 무릎 관절에 구현한 ‘부등 길이 4절 링크 기구’다. SPEA의 출력 직후에 배치하고 있다.

일반적으로 다리에서는 무릎 관절의 각도와 수직 방향의 변위량은 비선형 관계에 있다. 무릎이 굽은 상태에서는 지레처럼 되면서 수직 방향의 힘을 내기 어렵다. 이에 대해 무릎이 펴진 상태에서는 무릎의 회전각의 대부분이 수평 방향의 움직임이 되면서 수직 방향의 속도를 내기 어렵다.

이러한 비선형 관계를 보정하기 위해 소니는 Tachyon의 무릎 관절에 4절 링크 기구를 채용했다. 4절 링크 기구는 4개 링크의 길이를 연구해서 감속기의 역할을 담당하도록 했다. 이를 통해 관절각과 수직 방향의 이동량의 비선형적인 관계를 보정할 수 있다. 즉, 무릎이 굽은 상태에서도 강한 수직력을 낼 수 있게 된다.

이 4절 링크 기구와 SPEA의 병렬 스프링의 채용을 통해, 연속적인 모터 토크로 액추에이터 1개당 164N의 수직력을 낼 수 있게 되었다. 즉, 4개의 다리가 총 65kg의 질량을 지탱할 수 있고, 기체 질량이 41kg이므로, 24kg의 가반 질량을 실현할 수 있게 되었다.

-- 모델 예측 제어를 이용 --
제어의 경우, 걸음걸이에 대해서는 외부에서 지정한다. 중심 위치의 수평 방향의 안정화에는 모델 예측 제어(MPC: model predictive control)를 이용했다. 예측 구간(horizon)은 걸음걸이나 속도에 의존하는데, 실험에서는 1초 정도다. SPEA에는 직렬 탄성 요소가 있고, Low Pass Filter로서 작용하기 때문에 제어는 어려워진다.

그러나 실험에서는 외부 방해에 대한 충분한 강인성을 확인할 수 있었다. 주행 중에 300N의 힘으로 옆에서 밀어도 착지점을 조절하며 안정화할 수 있었다. 계단의 경우는 20kg의 짐을 등에 올리고도 단차 16cm, 폭 35cm의 계단을 부드럽게 오를 수 있었다. 병렬 탄성 요소에 의한 소비전력 삭감은, 선 상태에서는 특히 크게 삭감할 수 있었다.

Tachyon(타키온)은 제어용 PC뿐 아니라 환경 인식용 PC도 2대 탑재하고 있다. 앞으로는 주위 사람을 컴퓨터 비전으로 인식하는 기능 등을 부가해 나갈 계획이다.

 -- 끝 --