독일 라인베스트팔렌 아헨공과대, 대칭형 외발 자전거 로봇 '휠봇' 개발

▲ 라인베스트팔렌 아헨공과대 연구진이 개발한 휠봇

독일 라인베스트팔렌 아헨공과대(RWTH Aachen University)와 막스플랑크 지능형시스템연구소(MPI-IS) 공동 연구팀이 어떤 위치에서도 스스로 점핑하고 균형을 잡을 수 있는 대칭형 외발자전거로봇인 ‘휠봇’(WheelBot)을 개발했다고 테크엑스플로어가 15일(현지 시각) 보도했다.

연구진은 시판되고 있는 부품과 3D 프린팅 부품을 활용해 이 로봇을 만들었다. 이번 연구 성과는 전문 저널인 ‘IEEE 로보틱스 앤 오토메이션 레터스’(Robotics and Automation Letters)에 발표됐다.

휠로봇 개발 수석과학자인 르네 가이스트는 “우리는 제어 이론의 통찰력을 기계학습과 결합하는데 연구의 초점을 맞추고 있다”며, “진자, 로봇팔, 쿼드콥터 등 테스트베드는 알고리즘의 기초가 되는 이론적 가정이 실제적인지 확인하는 데 도움이 된다”고 말했다. 이러한 테스트 베드는 사용하기 쉽지만 최첨단 알고리즘으로 제어하기가 어렵다는 문제가 있다. 이 때문에 연구팀은 기존의 틀을 벗어나 생각할 수밖에 없었다고 털어놨다.

이러한 테스트베드의 다른 두가지 예는 소위 ‘밸런싱 큐브‘(Balancing Cube)와 ’큐블리‘(Cubli)를 들 수 있다. 이 두 시스템은 비선형 제어를 달성하기 위한 네트워크 제어 시스템과 데이터 중심 방법의 효과를 평가하는 데 큰 도움이 된다.

연구팀은 로봇공학자들과 컴퓨터 과학자들에 의해 또 다른 테스트베드로 사용될 수 있는 소형의 외발자전거 로봇을 개발하기로 했다. 비행하지 않는 단일 몸체의 로봇이 주행 및 기동 능력 수행시 균형을 맞추려면 최소한 두개의 바퀴가 필요하다. 연구진은 세그웨이와 같은 로봇에서 활용되는 '반응 바퀴'(reaction wheel)를 채택한 외발 자전거를 구상했다. 반응 바퀴를 통합한 외발자전거 로봇은 단순한 디자인을 가지고 있으며 로봇과학자들과 학생 모두가 쉽게 조립할 수 있다. 하지만 반응 바퀴를 갖고 있는 외발자전거는 단순함에도 불구하고, 제어하는 것이 꽤 어렵다.

연구팀은 "반응 바퀴를 갖고 있는 외발자전거 로봇의 효용성을 극대화하기 위해 휠봇은 다소 큰 교란으로부터 회복할 수 있어야 하고, 전원공급 케이블이 기동성을 제한하는 것을 막기 위해 온보드 전원 공급 장치를 갖고 있어야 하며,  넘어진 후에도 스스로 일어설 수 있어야 한다“고 말했다.

외발자전거의 바퀴처럼 휠봇은 세로로 움직이는 동안 넘어지는 것을 방지하는 롤링 휠을 가지고 있으며 측면으로 넘어지는 것을 방지하기 위해 반응 바퀴를 통합했다. 

연구팀은 ”우리는 로봇이 프린팅해야 하는 부품의 수를 효과적으로 줄이고, 휠봇이 바퀴를 굴림 바퀴로 사용할 수 있도록 대칭형이어야 한다고 결정했다"고 말했다. 연구팀은 로봇의 프로토타입을 만드는 것 외에도 로봇의 롤과 피치 각도를 추정할 수 있는 알고리즘인 맞춤형 상태 추정기도 만들었다.

이번 연구 결과 어떤 위치에서도 효율적으로 점프할 수 있는 외발자전거 로봇을 최초로 만들었다. 연구팀은 이 휠봇이 향후 로봇 제어 네트워크, 기계 학습 알고리즘 및 기타 모델을 테스트하기 위해 교육 및 연구 환경 모두에서 활용될 수 있을 것이라고 말했다.