[주니어전자]IT 핫픽 - 스스로 일어서는 등불 모양 로봇

'하이브리드레그(HybridLeg)'를 적용한 로봇 / KIMLAB 유튜브

이번 글에서는 '하이브리드레그(HybridLeg)'를 소개하려고 해요.

미국의 한 연구팀이 개발한 이족 보행 로봇 플랫폼인데요.

이 플랫폼이 적용된 로봇은 등불처럼 둥글게 둘러싼 센서 내장 기계식 보호 구조를 갖추고 있어, 넘어지거나 몸 전체가 바닥과 접촉해도 안전하게 움직일 수 있어요.

스스로 균형 잡는 강화학습 로봇

휴머노이드 로봇은 구조상 쉽게 균형을 잃는다는 한계가 있습니다.

이를 해결하기 위해 일리노이대학교 키네틱 인텔리전트 머신 연구실(KIMLAB, Kinetic Intelligent Machine LAB)은 로봇이 넘어질 때 충격을 줄이고, 스스로 일어설 수 있도록 돕는 보호 장치를 설계했어요. 덕분에 실험이 끝날 때마다 사람이 개입하지 않아도 로봇이 자동으로 초기 자세로 돌아갈 수 있죠.

여기에 여러 센서를 활용한 낙상 감지 기술과 보행 시 지면 지지 구간을 정밀하게 추적하는 알고리즘이 더해지면서, 실제 환경에서 장시간에 걸친 강화학습 실험도 가능해졌습니다.

하이브리드레그(HybridLeg)를 적용한 로봇이 넘어지며 스스로 일어서는 장면 / KIMLAB 유튜브

KIMLAB이 공개한 영상에는 케이블에 연결되지 않은 완전 자율형 이족 보행 로봇은 물론, 이 플랫폼의 핵심인 '하이브리드 다리' 구조까지 자세히 소개돼 있어요.

기존 휴머노이드 로봇이 사람의 다리 구조를 본뜬 직렬 링크 방식을 주로 사용해 왔다면, 하이브리드레그는 여기에 병렬 링크 방식의 장점을 결합했습니다. 병렬 구조는 더 빠른 움직임과 낮은 관성, 그리고 무게 대비 높은 하중 처리 능력을 제공하는 것이 특징이에요.

하이브리드레그는 각 링크가 직렬 체인으로 이루어진 병렬 메커니즘으로, 5절 폐쇄 링크 구조를 갖고 있어요. 로봇에는 모두 12개의 모터가 사용되는데, 이 가운데 10개를 골반 근처에 집중 배치하고 발목에는 2개만 두는 설계를 택했습니다.

이런 구성은 다리 끝부분의 무게를 크게 줄여, 다리를 휘두를 때 발생하는 동역학적 부담을 최소화해요. 그 결과 선형 역진자 모델처럼 단순화된 물리 모델도 실제 움직임에 더 가깝게 구현할 수 있죠.

실제로 완성한 로봇(왼쪽)과 3D CAD로 만든 설계 모델(오른쪽) / KIMLAB 유튜브

완전 자립형 플랫폼

또한 이 로봇은 주요 핵심 시스템을 모두 내부에 탑재한 자립형 플랫폼으로 만들어졌습니다.

단일 보드 컴퓨터와 관성측정장치(IMU), 전압 변환기, 리튬폴리머 배터리 등 필요한 부품을 몸체 안에 직접 담아, 외부 장비 없이도 독립적으로 작동할 수 있습니다.

공개된 영상에서 다양한 보행 실험을 통해 이러한 설계가 실제 환경에서도 안정성을 유지하는 것을 확인할 수 있어요.

고리형 프레임(Hoops)과 보강 리브(Ribs)로 이루어진 로봇의 몸체 구조 / KIMLAB 유튜브

민첩한 하이브리드 다리 구조

이 로봇에 적용된 하이브리드 기계 구조는 휴머노이드 보행의 민첩성과 안정성, 효율성을 크게 끌어올렸습니다.

최근 발표된 논문에 따르면, 하이브리드레그 메커니즘은 직렬과 병렬 구조를 결합한 새로운 방식으로, 다리 하나당 6자유도를 제공하면서도 낮은 관성과 넓은 작업 공간을 유지합니다.

이 설계 덕분에 로봇은 더 빠르게 움직일 수 있고, 더 무거운 하중도 안정적으로 처리할 수 있어요. 아울러 최신 버전의 하이브리드레그는 탄소섬유 튜브와 고정밀 베어링을 사용해 구조적 강성을 높이면서도 정밀도를 잃지 않도록 했습니다. 이를 통해 로봇은 자신의 무게를 안정적으로 지탱할 수 있어요.

이 로봇의 양쪽 다리는 사람의 생체역학에서 영감을 받은 맞춤형 골반 구조와 결합돼 하나의 이족 보행 로봇을 이루고 있습니다.

골반에는 사람 발이 바깥쪽으로 벌어지는 '토 아웃(Toe-out)' 각도와 유사한 요(Yaw) 오프셋이 반영돼, 발이 닿을 수 있는 범위를 넓히고 전체적인 안정성을 높입니다.

작업 공간과 속도 범위를 분석한 시뮬레이션 결과는 실제 하드웨어 실험으로 검증됐고, 이론과 실험 결과가 잘 맞아떨어지는 것으로 나타났어요.

하이브리드레그(HybridLeg)를 적용한 로봇이 넘어져 있는 장면 / KIMLAB 유튜브

실제 환경에서도 활용 가능

이 로봇은 키가 184cm로 사람 키보다 큰 편이지만, 무게는 29kg에 불과해요.

몸체 크기에 비해 비교적 작은 휴머노이드 로봇용 서보(Servo) 모터로도 충분히 구동할 수 있다는 점은, 하이브리드 구조와 설계 최적화가 얼마나 효율적인지를 잘 보여줍니다.

논문에서는 기계 구조 전반에 대한 상세한 설명과 함께, 기구학 분석과 해석적 해법도 제시하고 있어요. 성능 검증은 다물체 동역학 시뮬레이션과 스쿼트 동작, 제자리 보행 같은 초기 하드웨어 실험으로 진행됐습니다. 연구팀은 간단한 전진 보행 시연만으로도 이 접근법의 실현 가능성이 충분히 입증됐다고 평가했어요.

이번 성과를 통해 하이브리드레그 기반 이족 보행 로봇이 앞으로 휴머노이드 보행 연구와 확장형 로봇 설계, 실제 환경에서의 동적 보행 실험에도 활용될 수 있다는 점이 확인됐습니다.

최성훈 기자 csh87@etnews.com

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