아틀라스

보스턴 다이내믹스(Boston Dynamics)

아틀라스(Atlas)는 미국 보스턴 다이내믹스(Boston Dynamics)가 개발한 휴머노이드 로봇이다. 영어로 'Atlas'는 그리스 신화에 나오는 거인의 이름이다. 아틀라스는 키 180cm 정도의 큰 키를 가진 2족 보행 로봇이다. 기존의 펫맨(Petman) 로봇을 개량하여 만들었다. 걷기, 문 열기, 물건 나르기, 자동차 운전 등의 동작을 할 수 있다. 2015년 세계재난 로봇대회인 다르파 로봇 챌린지(DRC)에서 한국의 휴보(Hubo)에 이어 2위를 차지했다.

개요

로봇의 시대가 열리면서, 사람들은 2족 보행 로봇인 휴머노이드에 관심을 보이기 시작했다. 단순히 사람과 닮았다는 이유로 관심을 보이는 사람들도 있고, '2족 보행'이 가지는 이점에 관해 관심을 가지는 사람도 있다. 2족 보행을 하게 되면 두 손의 자유를 통해 다양한 도구를 활용할 수 있게 되고, 또한 높은 시야를 갖게 되어 더 많은 양의 정보를 얻을 수 있다. 이처럼, 이점이 확실하기에 사람들은 2족 보행 로봇을 만들기 위해 노력하였다. 하지만 2족 보행에는 '앞으로 걸어가야 한다'라는 목적과 근거부여를 하는 '행위인지', 보행에 필요한 명령을 각 신체 기관들에 전달하는 '명령 전달', 발을 떼고 신체를 앞으로 옮겨 전진하고, 그에 따른 신체 기관이 복합 작용하는 '동작', 걷는 과정에서 발생하는 변수를 처리하기 위한 '다각적 판단' 이렇게 총 4개의 요소가 필요하다. 또한, 206개의 뼈, 650여 개의 근육, 100여 개의 관절을 하나의 행위로 통합하여 움직이고 하나의 관절로 여러 방향의 움직임을 만들어 내고 때에 따라 근육을 수축ㆍ팽창하는 사람과 달리, 로봇은 유연하게 대처할 수 있는 근육이 없고, 관절의 움직임이 한정되어 있기에 사람처럼 걷는 2족 보행 로봇을 만들기란 쉬운 일이 아니었다.

아틀라스도 예외는 아니었다. 2013년에 발표된 아틀라스는 보스턴 다이내믹스가 2009년에 처음으로 도전한 2족 보행 로봇 '펫맨'을 이은 로봇이지만, 첫 시제품은 펫맨과 크게 달라진 모습이 없었다. 여전히 동력 케이블을 매달고 있으며, 걸음걸이 또한 조심스럽고 불안정했다. 하지만 옆에서 세게 밀쳐내도 한 다리로 몸의 균형을 유지하는 능력은 눈에 띄었다. 당시 다르파 프로그램 관리자 길 프랫(Gill Pratt)은 아틀라스 시제품을 1살짜리 어린아이에 비유하며 '1살짜리 아이는 겨우 걸을 수 있다. 잘 넘어지기도 한다. 지금 우리가 서 있는 지점이 바로 여기다'라고 말했다. 하지만 거듭된 발전으로 2015년에 8월에 자갈밭과 산길을 걷는 모습을, 2016년 1월에는 짐을 들어 올리거나 종이를 집어 올리고, 서툴기는 하지만 빗자루, 진공청소기 등 작업 도구를 사용하는 능력을 보여줬다. 또한 많은 사람이 충격을 먹었던 2017년 11월, 아틀라스는 점프하며 장애물을 넘고, 심지어는 공중제비까지 도는 모습을 보여줬다. 이와 같은 거듭된 발전으로, 아틀라스는 사람처럼 행동하는 것이 가능하다고 봐도 무방하다. 이로써 실생활에서 휴머노이드를 보게 되는 것이 그리 먼 미래가 아니게 되었다.

발달 과정

• 2013년 07월 : 아틀라스 첫 공개
• 2015년 08월 : 자갈밭과 산길과 같은 험지를 걸음.
• 2016년 01월 : 짐을 들어 올리거나 종이를 집어 올리고 빗자루, 진공청소기 같은 작업 도구를 사용함.
• 2016년 02월 : 눈길을 걷고, 앞으로 넘어져도 다시 일어나거나, 닫힌 문을 열고 나감.
• 2017년 11월 : 발판을 건너뛰며 점프를 하거나, 제자리에서 180도 회전, 공중제비 돌기 등 다양한 기술을 선보임.
• 2018년 05월 : 지형이 고르지 않은 야외 풀밭에서 달리고, 장애물을 뛰어넘음. 달리면서 양팔과 양발을 교차하는, 사람과 유사한 동작을 보임.
• 2018년 10월 : 장애물을 뛰어넘고, 무릎 높이의 지형을 한 발로 순식간에 올라감.
• 2019년 05월 : 좁은 지형을 한 발 내디디고, 다시 한 발 내딛는 방식으로 걸어가는 모습을 보여줌.
• 2019년 09월 : 물구나무, 구르기, 공중회전 동작을 하는 모습을 보여줌.

특징

아틀라스의 신장은 1.5m, 무게는 75kg이다. 아틀라스는 세계에서 가장 작은 모바일 유압 시스템을 가지고 있다. 28개의 액추에이터로 구성된 유압 시스템에 의해 구동되는데, 이들 액추에이터는 기본적으로 피스톤을 큰 힘으로 구동할 수 있는 가압 유체로 채워진 실린더다. 이들의 높은 성능은 부분적으로 보스턴 다이내믹스가 이전 설계에서 사용했던 항공우주 모델보다 상당히 작고 가벼운 맞춤형 밸브 덕분이다. 밖에서는 보이지 않지만, 아틀라스의 내부에는 이러한 유압 작용기와 그것들을 연결하는 유체의 선들로 가득 차 있다.

아틀라스를 제어하기 위해, 아틀라스를 조작하는 사람은 아틀라스가 스테레오 카메라와 라이다(LIDAR)를 사용하여 환경 변화에 적응하는 동안 수동 컨트롤러를 통해 일반 조향장치를 제공한다. 아틀라스도 특정 업무를 자율적으로 수행할 수 있다. 예를 들어, 특별한 바코드형 태그를 마분지 상자에 추가하면 아틀라스가 이를 집어들어 쌓거나 선반 위에 놓을 수 있다. 그리고 아틀라스에는 특별한 제어 소프트웨어가 존재하는데, 이 소프트웨어는 아틀라스에게 관절을 움직이는 방법을 명시적으로 알려주지 않고 오히려 신체의 기초 물리학과 그것이 환경과 상호작용하는 방법에 대한 수학적 모델을 제시하고 있다. 아틀라스는 균형을 잡고 움직이기 위해 전신에 의존한다. 즉, 사람이 넘어지려고 할 때 팔을 휘둘러 균형을 잡는 것처럼 아틀라스도 상체와 팔을 사용하여 균형을 잡는다.

• 민첩한 이동성 : 맞춤형 모터, 밸브 및 소형 유압 동력 장치를 통해 28개의 유압 관절 중 어느 하나에 높은 전력을 공급하여 이동성을 높인다. 아틀라스의 발달한 제어 시스템은 좀 전체와 환경을 포함하는 복잡한 동적 상호작용을 통해 매우 다양하고 민첩한 이동을 가능하게 한다. 추가로 3D 프린팅 부품을 사용하여 몸체를 경량화했다.

2족 보행

완성형 2족 보행 로봇

과정을 설명하기에 앞서, 두 다리로 보행하는 로봇을 만들기 위한 2족 보행에 대한 정의를 먼저 설명하겠다. 2족 보행은 리버스 펜듈럼(Reverse Pendulum)이라는 수학적 모델 기반의 동작인데, 손바닥 위에 수직으로 세운 막대를 진자 운동을 하며 균형을 잡는 것을 생각하면 된다.

로봇의 관절

로봇의 다리를 보면 매우 많은 관절이 구현되어 있다. 하지만 인간의 다리에는 로봇처럼 많은 관절이 있지는 않다. 발가락 관절을 제외하면 척추, 엉덩이에 해당하는 고관절, 무릎, 발목 등이 보행에 직접 관여하는 부분이다. 사람의 경우 관절을 지지하고 움직이는 근육이 금속과 달리 유연하기 때문에 하나의 관절로 여러 방향의 움직임을 만들어 낼 수 있다. 하지만, 로봇의 경우 발목에 해당하는 부분의 회전부가 x축으로 회전하는 롤과 y축으로 회전하는 피치 2개로 구성되고, 허리 부분의 구현을 위해서는 z축으로 회전하는 요(yaw)까지 3개의 운동부가 필요하다. 이것은 근육처럼 수축ㆍ팽창 운동을 할 수 없는 금속의 특성 때문에, 한 방향으로밖에 움직일 수 없다는 한계를 극복하기 위한 선택이다.

전용 임베디드 소프트웨어

2족 보행 로봇 제작의 어려움은 구조에만 있는 것이 아니다. 인간은 경험을 통해 학습하면서 점차 행동을 수정해 나가지만, 로봇은 주어진 명령에만 따르는 수동적인 개체다. 인간의 보행은 끊임없는 반복 학습을 통해 왼발을 내딛을 때 오른팔이 함께 나가야 이동 중 자연스럽게 균형이 잡힌다는 것을 깨닫는다. 제자리에서 점프할 때는 온몸을 아래로 굽혀 추진력을 얻어 더 높이 뛰고, 착지할 때는 무릎을 굽혀 충격을 분산시켜야 한다는 것도 경험을 통해 자연스레 깨닫는 이치다. 하지만, 로봇이 같은 동작을 수행하게 하려면 전용 임베디드 소프트웨어를 통해 로봇에게 수많은 정보를 동시에 입력 및 실행하게 만들어야 한다.예를들어, 우측의 그림과 같이 인간의 다리와 비슷한 구조를 가진 완성형 2족 보행 로봇이 오른발 한 걸음을 내딛는다. 최대한 간단한 설정으로 명령을 내리는 것이 가능하다고 가정했을 때에는 한 걸음을 내딛는 행위에 필요한 최소한의 명령이다. 먼저, "앞으로 걸어서 전진한다"를 목표로 설정하고 전제조건을 "모든 구동부에 명령어가 제대로 전달되는지 확인한다"로 정하면 전제조건 명령은 다음과 같다.

• 왼 다리를 들어 앞으로 내민다.

1. 허리 3개 축, 무릎 1개 축, 발목 2개의 축을 운동 방향과 타이밍에 맞춰 회전
2. 왼 다리가 들려 있는 동안 균형을 잃지 않도록 오른 다리 축의 회전으로 조정

• 들린 왼 다리의 발을 1m 앞의 바닥에 착지시킨다.

1. 1m의 보폭만큼 전진하기 위한 오른 다리 축의 회전
2. 본체 전체가 넘어지지 않는 범위에서 1m 나아가는 만큼 무게중심 이동
3. 왼 다리의 발이 예정된 범위에 착지하기 위한 왼 다리 축의 회전
4. 왼발 착지 후 무게중심 이동으로 인한 충격 분산을 위해 모든 하체 축의 회전

잠시 자리에서 일어서서 자연스럽게 한 걸음만 앞으로 걷는 것은 난이도를 따질 필요도 없는 쉬운 동작이다. 하지만, 로봇이 한 걸음을 걷는다는 것은, 앞에서 언급한 명령들이 오차 없이 성공적으로 실행됐을 때나 가능한 일이다. 게다가 한 걸음을 내디딘 직후 멈춰서거나 다른 쪽 발을 내디디며 계속 걸어갈 때, 로봇이 수행해야 하는 명령은 기하급수적으로 늘어난다. 이처럼 한 걸음 내디딜 때도 많은 연산을 해야 하는 로봇에서, 이동하면서 장애물을 인지하고 뛰어넘는 행동을 보이는 아틀라스가 얼마나 대단한지 알 수 있다.

라이다 기술

아틀라스는 좁은 판자나 돌다리를 혼자서 건너는 데 성공했다. 폭 10cm의 나무판자 위를 걸어가고, 바닥에 불규칙하게 놓인 콘크리트 블록을 하나씩 밟으며 2m 떨어진 목표 지점에 도달하는 영상을 공개했다. 영상에서 아틀라스는 80kg에 이르는 몸집에도 큰 흔들림 없이 장애물을 지나갔다. 두 다리로 걷는 로봇은 좁은 공간을 지나가는 동작이 가장 큰 난관이었다. 로봇이 몸통 폭보다 좁은 곳을 지나기 위해 양다리를 서로 교차하면서 전진해야 하는데, 이러면 관절의 움직임이 제한되어 균형을 잡기 어렵기 때문이다. 기존 로봇들은 바닥에 한 발을 내디딘 뒤 몸이 한쪽으로 쏠리면 반대 방향으로 힘을 줘서 균형을 맞췄다. 하지만 좁은 곳에서는 이런 식으로 균형을 맞추기 어려워 쓰러지기 쉬웠다. 하지만 아틀라스가 성공한 원인은, 자율주행 자동차에 적용되는 시각 센서 기술인 라이다(LIDAR)와 인공지능을 활용해 이런 한계를 극복했다. 라이다는 주변에 레이저를 발사해 반사되어 돌아오는 시간으로 장애물과의 거리를 계산하고 주변 환경을 3차원 지도로 인식할 수 있는 기술이다. 아틀라스는 머리에 있는 라이다 장치에서 레이저 빔을 쏘아 바닥의 지형을 수시로 측정했다. 이후, 인공지능을 적용해 라이다로 수집한 주변 지형 정보를 인공지능으로 분석해 목적지까지 이동하는 방법을 스스로 계산했다.

참고 자료

• 보스턴 다이내믹스 공식 홈페이지 - https://www.bostondynamics.com/atlas
• 보스턴 다이내믹스 나무위키 - https://namu.wiki/w/%EB%B3%B4%EC%8A%A4%ED%84%B4%20%EB%8B%A4%EC%9D%B4%EB%82%B4%EB%AF%B9%EC%8A%A4#s-3.8
• 보스턴 다이내믹스 유튜브 - https://www.youtube.com/user/BostonDynamics
• ROBOT, 〈2족 보행 로봇 이론〉, 《네이버 블로그》, 2010-02-22
• 정환용 기자, 〈2족 보행 로봇의 현재와 방향〉, 《테크월드뉴스》, 2017-04-25
• 앱스토리, 〈인간을 넘어서려는 로봇 기술, 보스턴 다이내믹스 아틀라스〉, 《1분》, 2019-11-04
• Erico Guizzo, 〈How Boston Dynamics Is Readefining Robot Agility〉, 《전기전자기술자협회》, 2019-11-27
• 바른생활, 〈보스턴 다이나믹 아틀라스 / Boston Dynamics Atlas / 파쿠르 덤블링 스턴트 로봇〉, 《네이버 블로그》, 2018-10-15
• 곽노필, 〈(로봇) 재난구조 로봇 '아틀라스' 원형 공개〉, 《한겨레》, 2013-07-15

같이 보기

• 보스턴 다이내믹스
• 휴머노이드
• 펫맨
• 다르파 로봇 챌린지
• 휴보

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