제트 추진 휴머노이드 로봇, 시뮬레이션에서 '안정적 비행' 위한 핵심 제어 기술 확보¶
원제목: Jet-powered humanoid robot baby achieves robust flight control in simulations
핵심 요약
- iRonCub3 개발팀이 제트 추진 휴머노이드 로봇의 안정적인 비행 제어를 위한 새로운 MPC(모델 예측 제어) 프레임워크를 개발했음
- 이 프레임워크는 로봇 관절의 빠른 움직임과 제트 엔진의 느린 반응 속도를 조율하는 다중 속도 MPC 설계를 통해 반응성과 안정성을 크게 향상시켰음
- 시뮬레이션 테스트에서 로봇은 외부 교란에도 안정성을 유지하고 복잡한 비행 경로를 정확하게 추적하는 능력을 입증하여 실용적인 비행 로봇 개발의 가능성을 제시함
상세 내용¶
이탈리아 기술 연구소(Italian Institute of Technology)의 iRonCub3 개발팀이 제트 추진 휴머노이드 로봇의 비행 제어에서 중요한 진전을 이루었다는 소식입니다. 걷는 로봇에 공중 이동 능력을 결합하려는 노력의 일환으로, 연구팀은 시뮬레이션 환경에서 로봇이 안정적으로 비행 경로를 따를 수 있도록 돕는 새로운 제어 방식을 도입했습니다. 이는 'Unified Multirate Model Predictive Control for a Jet-Powered Humanoid Robot'이라는 제목의 연구를 통해 발표되었으며, 모델 예측 제어(MPC) 프레임워크를 활용하여 로봇의 비행 역학과 제트 엔진의 비선형적인 동작을 효과적으로 모델링했습니다. 연구팀은 MuJoCo 시뮬레이션에서 이 접근 방식의 유효성을 성공적으로 검증했습니다.
이 연구의 핵심 혁신은 휴머노이드 로봇의 관절 액추에이터와 제트 엔진이 서로 다른 반응 속도를 가짐에도 불구하고 이를 조화롭게 제어하는 다중 속도(multirate) MPC 설계에 있습니다. 컨트롤러는 로봇의 비행 역학을 선형화된 센트로이달 모멘텀 모델로 표현하고, 여기에 제트 추진 시스템의 2차 비선형 모델을 통합했습니다. 이러한 통합 예측 모델 덕분에 컨트롤러는 높은 업데이트 속도로 관절 명령을 계산하는 동시에, 제트 엔진에는 더 낮은 속도로 스로틀 명령을 발행하여 각 액추에이터의 물리적 능력에 맞춰 작동할 수 있게 했습니다. 연구진은 이러한 통합 다중 속도 아키텍처가 느린 서브시스템에 의해 빠른 서브시스템이 제약을 받지 않도록 함으로써 반응성과 안정성을 크게 향상시킨다고 설명했습니다.
연구팀은 MuJoCo 시뮬레이션 환경에서 이 제어 방식의 유효성을 검증했으며, 특히 제트 역학은 복잡한 엔진 동작을 포착하도록 훈련된 신경망을 통해 구현되었습니다. 시뮬레이션 테스트에서는 로봇에 전방 피칭을 유도하는 후방 밀기(backward push)와 롤링을 유발하는 측면 힘(lateral force)과 같은 교란 시나리오가 포함되었습니다. 그 결과, 개발된 컨트롤러는 두 경우 모두에서 로봇을 성공적으로 안정화할 수 있음을 보여주었습니다. 이는 로봇이 외부 충격에도 자세를 유지하며 비행할 수 있음을 의미합니다.
궤적 추적 능력은 두 가지 종류의 기준 경로를 사용하여 평가되었습니다. 하나는 부드러운 최소 저크(minimum-jerk) 궤적이었고, 다른 하나는 더 공격적이고 고가속의 경로였습니다. 부드러운 움직임의 경우, 컨트롤러는 수평면에서 로봇의 질량 중심을 정확하게 추적하고 자세를 유지했으며, 수직 위치에서는 작은 정상 상태 오프셋만 나타났습니다. 동적 궤적에서는 예상대로 추적 오류가 증가했지만, 로봇은 안정성을 유지하고 전체적인 경로 형태를 따르는 데 성공했습니다. iRonCub의 시뮬레이션 코드는 GitHub에 공개되어 있어 다른 연구자들이 결과를 재현하고 발전시킬 수 있도록 함으로써 연구의 투명성과 확장성을 높였습니다.
이번 연구는 이탈리아 기술 연구소의 iRonCub 프로젝트에서 나온 가시적인 성과입니다. 거의 10년간의 개발 끝에, iRonCub3 플랫폼은 올여름 4개의 제트 엔진을 사용하여 휴머노이드 로봇을 약 50cm 높이로 몇 초간 들어 올리는 데 성공했습니다. 연구 책임자인 다니엘레 푸치(Daniele Pucci)는 이 노력이 단순한 학문적 시연을 넘어선 것이라고 강조하며, 로봇이 장애물을 넘어 비행한 후 지상에서 걷고 물체를 조작할 수 있는 재난 대응 역할과 같은 잠재적 응용 분야를 언급했습니다. IEEE Spectrum의 에반 애커먼(Evan Ackerman)과 같은 전문가들은 이러한 연구가 eVTOL 설계와 같은 다른 추진 비행체에도 즉각적으로 적용될 수 있는 추력 추정 및 공기역학적 보상 알고리즘에 활용될 수 있다고 평가하며, iRonCub 같은 선도적인 프로젝트가 해당 분야의 인재 유치 및 유지에도 기여한다고 덧붙였습니다. 이번 연구는 탐색적 로봇 프로젝트가 기술 발전과 해당 분야의 열정을 동시에 이끌어낼 수 있음을 보여주는 사례입니다.
편집자 노트¶
이 뉴스는 공상 과학 영화에서나 보던 '날아다니는 로봇'이 현실에 한 걸음 더 가까워졌다는 점에서 큰 의미를 가집니다. 일반 독자들에게는 먼 이야기처럼 들릴 수 있지만, 재난 현장처럼 인간이 접근하기 어려운 곳에 로봇이 투입되어 수색, 구조, 정밀 작업 등을 수행하는 미래를 상상해볼 수 있게 합니다. 특히, 기존의 걷는 로봇이 가지는 이동의 한계를 제트 추진을 통해 극복하려는 시도라는 점이 중요합니다. 이 기술이 상용화되면 로봇이 단순히 특정 지역을 걷는 것을 넘어, 장애물이 많은 복잡한 지형에서도 임무를 수행할 수 있는 유연성을 갖게 될 것입니다.
이번 기술의 핵심은 로봇의 관절 움직임(빠름)과 제트 엔진의 분사(느림)라는 두 가지 상이한 속도의 액추에이터를 정교하게 조율하는 데 있습니다. 연구팀은 '다중 속도 모델 예측 제어'라는 혁신적인 기법을 사용하여 이 복잡한 문제를 해결했고, 시뮬레이션에서 로봇이 외부 충격에도 자세를 유지하며 안정적으로 비행 경로를 추적하는 데 성공했습니다. 이는 단순히 날아다니는 것을 넘어, 예측 불가능한 상황에서도 정교한 임무 수행을 위한 안정성과 제어력을 확보했다는 뜻입니다. 미래에는 이 기술이 드론처럼 비행하다가 착륙하여 섬세한 작업을 수행하는 하이브리드 로봇의 등장을 가속화할 수 있으며, 이는 물류, 건설, 탐사, 심지어 우주 개발 등 다양한 산업 분야에 혁신적인 변화를 가져올 잠재력을 가지고 있습니다.
또한, 이 연구는 비행하는 휴머노이드 로봇뿐만 아니라 eVTOL(전기 수직 이착륙기)과 같은 미래 항공 모빌리티 개발에도 중요한 기술적 영감을 제공합니다. 로봇의 추력 제어 및 공기역학적 보상 알고리즘은 항공 이동 수단의 안정성과 효율성을 높이는 데 직접적으로 기여할 수 있습니다. 즉, 이번 연구는 단순히 한 로봇의 비행 성공을 넘어, 미래 이동 수단과 로봇 공학 전반의 발전에 시사하는 바가 크다고 할 수 있으며, 이 분야의 기술적 진보를 가속화하는 중요한 이정표가 될 것입니다.