Mini Cheetah, 니켈 동전 신발로 ‘고양이 재주’ 향상
네발 로봇이 점점 더 많은 역동적인 과제를 배우면서, 아마 많은 시간을 발로 서 있지 않은 상태로 보내게 될 것입니다. 넘어지는 것이 반드시 그런 것은 아니지만(물론 다리로 걷는 로봇이라 넘어지는 일은 불가피하겠지만), 어떤 식으로든 공중에 떠 있는 상태가 될 수 있습니다. 비행 단계에서 가장 위험한 것은 상당한 높이에서의 추락인데, 이는 매우 비싼 로봇과 그것이 싣고 있던 모든 탑재물을 거의 확실히 망가뜨리기 때문입니다.
심하게 넘어지는 것은 로봇만의 문제가 아니므로, 자연계의 네발 동물들이 이미 이를 해결한 것은 놀라운 일이 아닙니다. 적어도 고양이들은 이미 해결했는데, 발로 안정적으로 착지해 낙하 충격을 줄일 수 있습니다. 네발 로봇에게 이 재주를 가르치기 위해 노트르담 대학교 로봇공학자들은 Mini Cheetah에게 동전이 가득 든 신발을 신겨 공중에서 자세를 스스로 회복하는 기술을 가르쳤습니다.
Mini Cheetah의 다리(많은 로봇의 다리처럼)는 빠르게 움직여야 하기 때문에 특별히 가볍게 설계되었습니다. 이를 위해서는 걸음마다 앞뒤로 움직이는 질량을 최소화해야 합니다. 그래야 로봇이 최대한 효율적일 수 있습니다. 하지만 로봇이 공중에서 방향을 바꾸려면 오히려 가능한 한 큰 질량을 흔들어야 합니다.
Mini Cheetah의 각 다리에는 3D 프린터로 출력한 신발이 장착되었으며, 이 신발에는 미국 5센트 동전(니켈 동전) 두 롤이 들어 있어 발마다 약 500g을 더합니다. 이는 로봇이 필요한 대로 움직이기에 충분한 무게입니다. 니켈 신발이 중요한 이유는 Mini Cheetah가 넘어지는 동안 방향을 바꾸는 유일한 방법이 다리를 흔드는 것이기 때문입니다. 다리가 한쪽으로 움직이면 몸통은 반대쪽으로 움직이며, 다리가 무거울수록 몸통에 더 큰 힘을 가할 수 있습니다.
다른 모든 로봇 공학과 마찬가지로, 하드웨어가 원하는 대로 움직이게 하는 것은 절반에 불과합니다. 때로는 절반보다 훨씬 적은 일일 수도 있습니다. Mini Cheetah의 문제는 올바르게 하는 방법을 알아낼 시간이 매우 매우 적다는 것이었습니다. 로봇은 넘어지고 있음을 감지하고, 자신의 방향을 파악하고, 착지 계획을 세운 뒤 그 계획을 성공적으로 실행해야 합니다. 로봇이 빠르게 추락하기 시작하면 이 모든 것을 생각할 시간이 부족하기 때문에, 연구자들이 고안한 방법은 “반사적” 접근법이라고 불립니다.
“경로 최적화 알고리즘은 점점 나아지고 있지만, 로봇이 추락을 감지한 순간부터 회복 동작을 시작해야 하는 순간 사이의 짧은 몇 분의 일 초 안에 처음부터 해법을 찾기에는 아직 충분히 빠르지 않습니다. 우리는 시뮬레이션에서 로봇을 여러 번 떨어뜨려 해법을 찾는 데 필요한 만큼 시간을 쓸 수 있게 하고, 신경망이 경로 최적화기를 모방하도록 학습시켜 이 문제를 우회했습니다. 학습된 신경망은 초기 방향을 로봇이 다리로 착지하는 경로에 대응시킵니다. 우리는 이를 “반사적” 접근법이라고 부르는데, 신경망이 로봇이 넘어지고 있음을 감지했을 때 실행할 수 있는 자동 반응을 기본적으로 학습했기 때문입니다”
이 방법은 꽤 잘 작동하지만 몇 가지 한계가 있습니다. 네발 로봇을 네발 동물과 비교하지 않았다면 대부분은 그다지 나빠 보이지 않았을 것입니다. 고양이는 하는 일에 있어 정말 뛰어나며, 어떤 초기 방향에서든 빠르게 몸을 돌려 유리한 착지 자세를 취하는 능력을 로봇이 모방하기는 매우 어려울 것입니다.
“로봇공학을 할수록 자연이 얼마나 놀라운지 더 깨닫게 되며, 이 프로젝트가 좋은 예입니다. 고양이는 어깨 높이에서 떨어질 때 완전히 180도 회전할 수 있습니다. 우리 로봇은 지면에서 약 3m 높이에서 90도 회전할 때 토크 한계에 부딪혔습니다. 완전한 3차원 움직임을 사용하면 큰 개선이 되겠지만(옆으로 회전하는 것은 그 방향에서 로봇의 관성 모멘트가 더 작아서 더 쉬워야 합니다), 그것만으로 고양이 수준의 성능에 도달하리라고는 놀랍지 않을 수 없을 것입니다”
2D에서 3D로 전환할 때 과학자들이 직면한 가장 큰 문제는 자기 자신과의 충돌입니다. 로봇이 충돌하지 않도록 하는 것은 단순해 보이지만, 충돌 자체가 상당히 까다로운 제약을 만들어 경로 최적화 알고리즘에서 고품질 해를 수치적으로 찾기 어렵게 만듭니다.
네발 로봇을 위한 유연한 구동 척추가 존재하며 많은 장점이 있지만, 그 자체로는 상당히 복잡합니다. 커츠에 따르면, 떨어지는 고양이 문제의 경우 유연한 척추는 자연스럽게 유연한 질량 분포를 제공하고, 고양이의 “구부리고 비틀기” 동작을 직접 모방할 수 있게 하므로 제어기 설계 측면에서도 도움이 될 수 있습니다. 마찬가지로 유연한 척추는 우주에서의 점프 문제처럼 비행 단계가 긴 과제에도 도움이 될 수 있습니다.
“그렇긴 해도, 공중에서 방향을 바꾸는 것은 대부분의 네발 로봇의 주요 과제가 아니며, 유연한 척추가 걷기, 달리기, 험한 지형 오르기에 크게 도움이 될지는 저에게 분명하지 않습니다. 또한 Mini Cheetah처럼 단단한 등을 가진 기존 하드웨어 플랫폼으로도 충분히 가능하며, 이 로봇들의 잠재력이 아직 다 드러나지 않았다고 생각합니다. 제어 알고리즘은 오늘날 다리로 움직이는 기기의 여전히 주요한 제약이며, 유연한 척추를 추가하면 아마 훨씬 더 복잡한 제어 문제가 생길 것입니다”
