HRP-Z로 살펴본 휴머노이드의 동작 일시정지 시스템
1996년 HONDA가 P2를 발표한 이후 세계적으로 연구개발 붐이 일어났다고 해도 과언이 아닐 것이다. 그리고 최근 10년간 수많은 휴머노이드가 개발되어 많은 전시회에서 실연되고 있다.
휴머노이드를 위해 제안된 동작 일시정지 시스템은 휴머노이드 스스로 동작 일시 정지할 것인가를 실시간으로 판단하는 일시정지 판단처리 기능과 그 패턴을 생성하는 일시정지 동작생성 기능을 구비하고 있다. 본 내용에서는 이와 관련된 내용을 살펴보고 실제적으로 휴머노이드 HRP(Humanoid Robotics Project)-2에 실장하여 실험한 결과에 대해서도 보고한다. |편집자 주|
1. 서론
로봇에 대한 요구는 인간과 격리된 생산 공장 내 등의 공간에서 결정된 작업을 정확하고도 신속하게 장시간 반복하여 실행할 수 있는 산업용 로봇에서부터 최근 들어 인간과 같은 공간에서 인간에게 즐거움이나 치유를 제공하는 오락로봇, 의료나 간호를 보조하는 로봇, 가정 내에서 심부름을 하는 가정용 로봇, 인간과 함께 일하는 로봇 등에 이르기까지 크게 변해가고 있다.
두 팔과 두 다리를 가진 휴머노이드(humanoid)는 인간환경에 적응하는 능력을 갖추고 대인 친화성이 우수하기 때문에 그 등장이 강하게 요망되고 있다. 또한 지구박람회의 개회식(2005년 3월 24일)에서 HONDA의 ASIMO, SONY의 QRIO, TOYOTA의 파트너 로봇이 공연한 것을 보면 인간과 휴머노이드와의 공존도 그리 멀지 않은 미래에 실현될 것으로 보인다.
휴머노이드에 대한 최근의 연구개발 상황을 되돌아보면 HONDA 기연(技硏)이 1996년에 P2를 발표한 이후 세계적으로 연구개발 붐이 일어났다고 해도 과언이 아닐 것이다. 그리고 최근 10년간 수많은 휴머노이드가 개발되어 많은 전시회에서 실연되고 있다.
휴머노이드를 위해 제안된 동작 일시정지 시스템은 휴머노이드 스스로 동작 일시 정지할 것인가를 실시간으로 판단하는 일시정지 판단처리 기능과 일시정지 판단처리에서 동작 일시정지가 필요하다고 판단되었을 경우에 실시간에서 동적으로 안정된 동작 일시정지 패턴을 생성하는 일시정지 동작생성 기능을 구비하고 있다.
끝으로 제안하는 동작 일시정지 시스템을 실제적으로 휴머노이드 HRP(Humanoid Robotics Project)-2에 실장하여 실험한 결과에 대해서도 보고한다.
2. 보행제어 시스템
가. 종래의 보행 제어 시스템
종래의 우리들의 보행 제어 시스템은 주로 ‘패턴 생성 시스템’, ‘안정화 시스템’, ‘관절 서버 시스템’, ‘조작자 단말 시스템’으로 구성되어 있다. 구체적으로는 아래와 같이 하여 휴머노이드를 움직이고 있다. 먼저 ‘조작자 단말 시스템’으로부터 ‘패턴 생성 시스템’에 대해 패턴 생성 개시명령을 보낸다.
‘패턴 생성 시스템’에서는 패턴 생성명령을 받으면 예견 제어를 이용한 실시간 패턴 생성 혹은 오프라인 패턴 생성을 개시한다. ‘패턴생성 시스템’으로 생성한 목표 관절각, 목표 ZMP 등을 종래의 보행제어 시스템에서는 ‘안정화 시스템’으로 송신하고 있다.
‘안정화 시스템’에서는 실 환경에 있어서 안정적으로 동작하도록 하기 위해 로봇에 탑재하고 있는 센서 출력을 이용하여 ‘패턴 생성 시스템’으로 생성된 목표 관절각이 미묘하게 수정된 값을 각 관절지령으로서 ‘관정 서버’에 송신하고 있다. ‘관절 서버 시스템’에서는 실제의 관절각이 ‘안정화 제어 시스템’으로부터 출력되는 각 관절각 지령에 따르도록 피드백 제어를 한다.
두 발로 보행하는 휴머노이드는 지면에 고정된 링크(link)를 구비하고 있지 않아 늘 동적으로 안정된 동작 패턴이 요구되기 때문에 ‘패턴생성 시스템’으로 생성된 동적으로 안정된 동작 패턴을 갑자기 정지하거나 동적인 평형을 고려하지 않고 패턴을 수정하게 되면 동적인 평형이 깨져서 보행동작을 할 때 넘어질 위험성이 있다.
나. 동작 일시정지 시스템을 구비한 보행 제어 시스템
‘패턴 생성 시스템’과 ‘안정화 시스템’ 사이에 삽입된 ‘동작 일시정지 시스템’은 일시정지 판단처리 기능과 일시정지 동작생성 기능을 갖추고 있다. 이 일시정지 판단처리에서는 휴머노이드 스스로 동작을 일시 정지할 것인가를 실시간으로 판단 처리하고 있다.
일시정지 동작생성의 처리에서는 일시정지 판단처리에서 동작 일시정지가 불필요하다고 판단되는 경우, ‘패턴 생성 시스템’으로 생성된 오리지널 패턴을 ‘안정화 시스템’에 그대로 전하는 처리를 하고 있다.
일시정지 판단처리에서 동작 일시정지가 필요하다고 판단되었을 경우에는 오리지널 패턴에 연속되는 동적으로 안정된 동작 패턴과 동작을 일시정지 가능한 동작 패턴을 실시간으로 생성하기 시작한다.
3. 동작 일시정지 시스템
가. 일시정지 판단처리
일시정지의 판단은 ‘조작자 단말 시스템’으로부터의 동작 일시정지 요구 신호와 로봇에 탑재한 각종 센서(자세 센서, 발바닥 힘 센서 등)의 출력신호에 따라 다음과 같은 처리를 하고 있다.
‘조작자 단말 시스템’으로부터의 동작 일시정지 요구 신호는 조작자인 인간이 판단하여 송신하고 있는 신호로서, 이 신호를 수신한 경우 일시정지 판단처리에서는 일시 정지할 필요가 없을 것으로 판단한다.
그리고 로봇에 탑재된 각종 센서 신호를 이용한 일시정지 판단은 로봇의 넘어짐을 유발할 수 있는 센서 출력이 검출되는 경우 일시정지 할 필요가 있다고 판단하게 된다.
나. 일시정지 동작 생성
‘패턴 생성 시스템’으로 생성되는 동적으로 안정된 오리지널 패턴을 일시정지 동작 패턴의 일부로서 그리고 신규로 생성되는 일시정지 동작 패턴을 교체하는 시기까지 사용함과 동시에 교체시기 이후 신규로 생성하는 일시정지 패턴을 사용함으로써 실현하는 방법을 제안한다.
4. HRP-2를 이용 한 실 험
제안하는 동작 일시정지 시스템의 유효성을 확인하기 위해 사람의 몸 크기와 비슷한 휴머노이드 HRP-2를 이용하여 실험하였다. HRP-2의 주요 스펙은 신장 1,539mm, 배터리를 포함한 체중 58kg이다. 먼저 예기치 않은 단차에 부딪혔을 경우 제안하는 수법에 의해 동작 일시정지가 실현될 수 있을 것인가 하는 실험을 하였다.
다음에 넘어짐의 한 요인이 되기도 하는 과대한 착지 충격력에 대해서도 일시정지 판단처리가 실행된 실험결과를 소개한다. 보행속도가 고속화되면 점점 착지 충격력이 증가하며, 또한 착지 충격력이 커지면 휴머노이드의 보행자세가 흐트러져 이에 따른 착지 충격력이 더욱 커진다. 또한, 최악의 경우 휴머노이드가 넘어질 가능성이 있으며, 경우에 따라서는 발바닥 힘 센서마저 고장이 날 수도 있다.
인간과 휴머노이드가 공존하는 환경에서의 운영을 생각했을 경우에는 아직도 수많은 기술적 과제가 존재한다. 가령 보다 안전한 시스템을 구축하기 위해 휴머노이드가 인간/장해물을 직접 인식하는 시각 시스템이나 레이저 센서 등과 같은 센서를 이용한 일시정지 판단처리가 필수불가결할 것이다.
5. 결론
이 논문에서는 긴급 시에 휴머노이드가 한 발자국 이내로 동작을 일시 정지하는 동작 일시정지 시스템을 제안하였다. 이 제안된 동작 일시정지 시스템은 휴머노이드 스스로 동작을 일시 정지할 것인가를 실시간으로 판단하는 일시정지 판단처리 기능과 일시정지 판단처리로서 동작일시정지가 필요하다고 판단되었을 경우에 실시간으로 상정한 환경에 대해 동적으로 안정된 동작 일시정지 패턴을 생성하는 일시정지 동작생성기능을 갖추고 있다.
일시정지 동작생성은 세 가지의 기본방침에 따라 처리하고 있다. 첫 번째 기본방침은 일시정지 동작이 양다리가 접지하고 있는 상태로 끝마치도록 할 것, 두 번째 기본방침은 ‘패턴 생성 시스템’으로 생성되는 동적으로 안정된 오리지널 패턴을 일시정지 동작 패턴의 일부로 하여 새롭게 생성되는 일시정지 동작 패턴으로 바꾸는 시점까지 사용할 것, 세 번째 기본방침은 새롭게 생성되는 일시정지 동작 패턴으로 바꾸는 시점을 양 다리 지지기의 중간점으로 한다는 것이다.
고속 보행에 대해서도 안정적으로 동작을 일시 정지하는 시스템의 개발과 특히 일시정지 동작생성 개발은 앞으로의 커다란 과제이다. 또한, 실용화할 때에 염려되는 수많은 위험한 사례에 대하여 일시정지 판단처리를 할 수 있도록 안전성을 향상하는 것도 앞으로의 중요한 과제이다.
특히 휴머노이드와 인간/장해물 간의 본의 아닌 접촉에 대한 2중 이상의 예방회피, 본의 아닌 접촉에 대한 안전성을 높인다는 것은 앞으로의 최대 과제가 될 것이다.
