DEVIEW 2015 - MIT Cheetah 로봇의 탄생

달리는 로봇 설계의 핵심 통찰인 수직 방향 운동량 보존 법칙을 설명한다. 70kg의 사람이 달릴 때 한 걸음 주기 동안 지면에 가하는 수직 힘을 적분한 면적이, 같은 시간 동안 체중(중력)이 만든 면적과 정확히 일치한다. 따라서 로봇이 수직 힘의 면적을 제어할 수 있으면 체공 시간까지 제어할 수 있고, 그 힘에 마찰계수를 곱한 만큼을 추진력으로 쓸 수 있다. 곧 힘을 제어하는 것이 달리기를 제어하는 것이며, 치타가 위치 제어가 아닌 힘 제어 기반으로 설계된 근본 이유다. 그러나 실제 구현은 시간적·물리적 난관에 부딪힌다. 발이 땅에 닿아 떼는 시간은 약 60밀리초로 에어백이 펼쳐지는 시간(약 30밀리초)에 비견될 만큼 짧고, 치타 제어 루프는 60여 개 센서 값을 읽어 12개 모터에 명령을 내리기까지 단 250마이크로초 안에 끝내야 했다.

주변 교수들은 '전기모터로는 반드시 실패할 것'이라 단언했다. 다리 하나가 5kg이면서 30kg 몸체를 들어올려야 해 자기 무게의 9~10배 힘을 내는 모터가 필요했지만 그런 모터는 없었기 때문이다. 첫 돌파구는 모터 선택으로, 형태를 해치지 않는 선에서 가장 지름이 큰 모터를 골라 토크를 키웠다. 두 번째는 모터를 정격 한계를 넘겨 쓰는 것으로, 자성이 포화될 때까지 권장치의 약 10배 전류를 순간적으로 흘릴 수 있고 실제 힘을 주는 시간이 주기의 약 20%에 불과해 평균 전력은 안전 범위를 넘지 않는다. 그래서 모터를 태우지 않으면서 10배 강한 힘을 얻는다. 힘 제어에는 기어 문제도 따른다. 기어는 한 단마다 약 10%씩 힘을 잃고 백드라이버빌리티가 나빠지며, 힘 센서는 충격에 깨지고 떨림을 일으킨다. 대안인 직렬 탄성 액추에이터도 달리기엔 강성 조절이 너무 복잡하다. 치타는 큰 지름 모터에 6:1 기어 한 단만 써 손실을 10%대로 낮추고, 힘 센서나 탄성 요소 없이 전류만으로 힘을 정확히 제어하는 임피던스 제어를 구현했다. 다리 전체를 질량 없는 스프링·댐퍼로 가정해 제어를 단순화했고, 실제로 전류로 추정한 힘과 외부 센서 측정값이 거의 일치함을 확인했다.

다리 하나 제어에 이미 200마이크로초가 걸려, 다리 4개와 달리기 알고리즘까지 250마이크로초 안에 넣어야 하는 '오 마이 갓' 상황에 부딪힌다. 제어기 하나가 3kg인데 4개를 다는 것은 비현실적이었고, 이 한계를 푸는 것이 병렬 처리(parallel processing)다. 힘 제어로 달리는 로봇은 매우 빠른 제어와 리얼타임, 곧 주어진 시간 안에 계산을 반드시 끝내는 능력이 필요하다. 유튜브가 끊기는 건 짜증날 뿐이지만 달리는 로봇 제어가 끊기면 곧장 사고가 된다. CPU 속도를 높이는 방식은 3~4GHz에서 한계에 도달했기에, 멀티코어·병렬 통신·FPGA로 모터가 늘어도 처리 속도가 느려지지 않는 아키텍처를 만든다. 데이터 병렬·태스크 병렬·파이프라이닝을 전화번호부 검색과 집안일 비유로 풀고, 독립 작업은 분산하고 순서가 중요한 작업은 파이프라인으로 돌리는 구조를 보여준다.

그 핵심 부품이 FPGA(Field Programmable Gate Array)다. 논리 소자가 매우 많이 든 칩으로 사용자가 원하는 회로를 프로그래밍할 수 있고, 논리 연산을 아무리 많이 넣어도 동시에 병렬로 처리해 시간이 늘어나지 않는다. 잘 설계하면 입력에서 출력까지 단 1클럭에 해결되고, 100MHz로 돌리면 수 나노초마다 여러 연산을 병렬 수행한다. 치타에서는 약 50개의 while 루프가 모터 드라이버와 주고받는 제각각의 타이밍을 FPGA가 동기화해 CPU로 정리해 보내며, 5개 태스크를 파이프라이닝하면 가장 느린 작업(50마이크로초)이 전체 주기를 좌우해 50마이크로초마다 결과를 안정적으로 뽑는다. 마지막 비결은 SIMD(Single Instruction Multiple Data)다. 여러 데이터에 같은 명령을 한 번에 적용하는 기법으로, 두 배열을 통째로 더해 원소가 많아져도 속도가 느려지지 않는다. PD 제어를 SIMD로 처리하면 모터 채널이 늘어도 약 17마이크로초로 거의 일정하게 유지돼, 다리가 늘어나도 제어 속도가 떨어지지 않는 시스템을 완성했다.

지금까지 만든 힘 제어 시스템으로 구현한 컴플라이언스 제어, 곧 서 있기 시험을 보여준다. 발이 땅에 닿은 상태에서 외부에서 밀거나 흔들어도 로봇이 그에 순응하며 균형을 유지하는데, 위치 제어만으로는 매우 어렵고 힘 제어가 있어야 가능한 동작이다. 효율을 위해서는 회생제동(energy regeneration) 기술을 적용했다. 효율을 높이려 가장 먼저 에너지 흐름을 분석해 DC 단에서 열로 빠지는 손실을 줄였고, 하이브리드·전기차가 브레이크를 밟을 때 충전하는 것과 같은 원리로 다리가 땅에 닿는 감속 구간의 에너지를 약 60% 재활용했다. 그 결과 운송비용(Cost of Transport)에서 다른 로봇보다 훨씬 우수하고 실제 동물 치타에 맞먹는 효율을 달성했다.

치타를 만들며 깨달은 모터의 중요성을 바탕으로 직접 고토크 밀도 모터도 개발했다. 적합한 모터가 없어 한 땀 한 땀 직접 감은 이 모터는 더 가벼우면서 토크가 크고 같은 전류에서 내는 힘도 컸으며, 후배가 만든 치타2와 새 휴머노이드 헤르메스(HERMES)에 쓰였다. 발표자는 '실패는 성공의 어머니'라며 척추가 나가고 골반이 부서지는 실패 영상을 솔직히 공개하고, 치타2의 점프·갤럽 성공과 트레드밀 밖으로 달려 나간 순간을 보여준다. 마지막으로 헤르메스가 석고보드를 부수고 드릴을 돌리는 장면과 함께, 로봇이 느끼는 균형을 사람에게 전달하는 양방향 텔레오퍼레이션(bilateral teleoperation) 개념을 설명한다. 인공지능이 아직 부족한 만큼 사람의 지능을 빌려 로봇을 걷게 하려는 시도이며, 궁극적으로 다리 달린 로봇을 타고 노약자도 설악산 단풍을 보러 갈 수 있는 날을 만드는 것이 자신의 꿈이라고 밝히며 강연을 끝맺는다.