1. 개요
인간이나 짐승처럼 다리로 걸어가는 종류의 로봇.자동차처럼 바퀴나 무한궤도로 이동하는 로봇에 비하면 지형을 덜 가리고, 험지라도 더 잘 이동할 수 있으며, 사다리를 이용할 수 있는 등 지형적응성이 뛰어나다. 또한 인간에게 특화된 공간에서 활용할 수 있다는 점, 궁극적으로 인간노동력을 대체하는 수단으로 로봇 보행형의 개발이 진행되고 있다. 하지만 현재 기술력으로는 만들기가 어렵고 운용/정비에도 애로사항이 꽃핀다. 소프트웨어적인 측면이 이미 상당수 문제가 해결되었지만, 하드웨어적으로 관절의 조작과 관절 부품등을 제작하는데 어려움이 있다.[1][2] 현재 기술력으로는 바퀴를 달고 움직이게 하는 것이 더 효율적이다.
종류로는 다리가 하나인 일족로봇부터 4족 이상의 다족 로봇까지 다양하다.
원리적으로는 일족로봇과 이족로봇은 완벽하게 동일하다. 일족 로봇은 지면에 발 하나만을 찍어 가며 균형을 잡는 것이고[3] 이족 로봇은 발 두개를 교대로 찍어 가며 균형을 잡는 것이다. 실제로 아래의 동영상을 보면 알 수 있다. 4족 로봇은 이족 로봇을 두 개 묶으면 된다.[4]
| 1족보행 · 2족보행 · 4족보행 로봇에 대한 실험 |
이 동영상은 보행로봇의 선구자인 Mark Raibert가 MIT 교수 재직시절 연구하던 것이다. 지금은 빅 독, PETMAN을 개발한 보스턴 다이내믹스 CEO을 하고 있다.
2. 이족 보행
일단 인간이 이족 보행을 하는 만큼, 인간 형태를 만들기 위해서는 필수적으로 개발해야 하는 방식이다. 그러나 사실 이족보행은 끔찍하게 어려운 기술이다.[5] 비유하자면 대걸레를 손 위에 세워서 앞뒤로 규칙적으로 50센티 왕복하게 하는 것을 지속적으로 유지하는 것과 같다.[6]단적인 예로, 태어나자마자 걸어다닐 수 있는 4족보행 짐승들과 달리 인간의 경우엔 아이들도 두 발로 걷는 걸 처음에는 힘들어 하는 것만 봐도...[7] 하지만, 이족 보행은 순발력과 방향 전환 능력이 다족에 비해서 더 뛰어나고, 수평점유면적도 적을 뿐더러 다족보행 중 가장 에너지 효율이 높다.
하지만 이족 보행이 어려운 이유는 몸체의 구조적 복잡함 때문이 아니다. 가령 양 다리를 잃은 장애인도 사람의 관절에 비하면 무척 단순한 스프링 형태의 의족을 차는 것으로도, 재활 훈련을 잘 받았다는 가정 하에, 얼마든지 뛰거나 걸을 수도 있다. 이족 보행이 어려운 이유는 규형을 '지속적으로' 관리하는 것이 무척이나 난도가 높기 때문. 즉 고도의 지능과 센서가 필요하다.
그리고 '인간 모양의 로봇을 만들겠어!'라는 많은 과학자의 꿈과 희망과 기대가 곁들어져서 아직도 많은 사람들이 제대로 된 이족 보행 로봇에 대한 기대를 저버리지 않고 있다. 창작물에 나오는 대다수의 거대로봇이 이족 보행을 하는 것도 이런 것 때문으로 추측된다.
하지만 만들려고 한다면 얼마든지 만든다.
현재 이족 로봇의 개발 상황은 다음과 같다.
- 가격
비싸다! 50-60cm 크기의 작은 로봇은 보통 1-2천만 원 정도, 휴보나 아시모 크기 (1.3m 이상)급의 큰 로봇은 2-3억 원을 호가한다. 물론 그걸 운용하느라 밤새는 공돌/순이들의 임금 따위는 포함되어 있지 않다. 순수 로봇의 가격. 다만 이는 대량생산체제가 마련된다면 해결될 수 있는 문제이다. 대표적으로 자동차의 경우 과거에 엄청나게 값비싼 물건이었으며 정비인원도 극히 적었음을 생각해보자. 2020년대에는 간단한 이족 보행구조의 EMO pet이 몇십만원 선으로 내려왔지만 아직까진 멀었다.
- 보행
평지에서 이족보행하는 작은 로봇은 생각보다 쉽게 만들 수 있다. 제작비가 비싸서 그렇지 자작하는 것도 가능은 하다. 물론 로봇이 커질수록, 발 크기가 작아질수록, 보폭이 커질수록, 노면이 거칠수록 난이도는 기하급수적으로 올라간다. 물론 이미 대부분의 경우 해결된 상황이다. 보스턴다이내믹스 사에서 만든 아틀라스의 경우 인간과 유사한 보행속도를 지니고 있으며, 경사와 지면이 울퉁불퉁해도 잘 걸어다닌다.[8]
- 달리기
달리고, 장애물을 뛰어넘는 아틀라스.
이미 현재의 과학기술로 달릴 수 있는 이족보행로봇은 제작되었다. 아직까지는 발이 땅에서 떨어지는 게 거의 보이지 않을 정도로 인간의 달리기와는 아직 많은 차이가 있지만 달리면서 장애물을 뛰어넘는 것은 물론 각도가 다른 계단을 뛰어 올라가는 것도 이미 실현되었다. 최신 아시모의 달리기 속도는 9km/h. 휴보는 그 1/3 정도.
- 동력원
아시모나 휴보 등 현존 로봇들은 내장 배터리로 1시간 정도는 동작한다. 하지만 그래봤자 활동 반경은 3km정도로 세그웨이의 1/10정도밖에 되지 않는다.
위에서 보듯 이족보행로봇은 실용적으로는 거의 의미가 없었다. 그래서 과거에는 대학이나 연구소의 로봇연구에서 바퀴나 캐터필터나 다족보행로봇보다 이족보행 연구가 압도적으로 많은 이유는 아무래도 대중들에게 인기가 좋기 때문에 연구비를 따내고 멋진 데모로 성과를 과시하기 위해 개발했기 때문이다.
일본은 로보스틱스 분야에서 최고의 기술력을 갖추고 있지만 후쿠시마 원전 사고 때 사고 수습이나 조사에 일본의 로봇기술은 이족이건 다족이건 거의 아무런 기여를 하지 못했다. 하지만 이는 2010년대 초 기술의 한계이지 이족형 로봇의 미래 잠재력이 무의미하다는 것은 아니다. 물론 미국제 무한궤도식 원격조종 로봇이 원전 내부 촬영 등에 있어서 활약을 했지만, 그렇다고 이족이나 다족보행로봇이 불필요하다고 여겨지지는 않는다. 오히려 이 사건으로 인해 세계적으로 재난로봇으로 이족형의 필요성이 각인되었다. 실제로 DARPA 국제 재난로봇 대회를 개최한 이유도 원전사고에서 누군가가 후쿠시마 원전에 진입하여 냉각수를 잠갔다면 2차 폭발이 발생하지 않았을 것이라는 기대에서 시작했다. 냉각수를 잠그려면 온갖 장해물과 사다리를 올라가 여러 문을 지나가서 밸브를 잠가야 한다. 체르노빌의 사례에서도 로봇을 통해 잔해제거를 하려고 했지만 잔해로 인해 접근 자체가 어려운 문제 등으로 제대로 활용되지 못했고, 결국 인간 노동자가 투입되어야 했다.
즉, 현재는 재해재난현장에서의 이족형의 필요성이 주목받고 있다. 재난현장은 결국 인간의 활동지역에서 발생하는데, 당연히 그곳은 인간 형태에 최적화되어 있기 때문이다. 아무리 바퀴가 효율성이 뛰어나다지만 결국 사다리를 올라가거나 장애물을 넘는 데에는 불리하다.
2.1. 특수한 이동이 가능한 로봇
요새는 로봇의 운동 능력이 높아져서 대다수의 인간도 못 하는 공중제비를 할 수 있는 로봇도 있다.| ▲ 보스턴 다이내믹스에서 만든 아틀라스 |
3. 다족 보행
현재 실현되고 있는 보행형은 3족~8족형이 있다. 다리가 많을 수록 더 안정성이 좋고 다리가 적을 수록 방향 전환이 더 잘 되는 점에서 차이가 있다.[9] 다만, 8족보다 더 많은 다리를 달아도 8족에 비해서 딱히 좋은 점은 없다고 한다. 지네 모양 로봇은 별 효율이 없다는 것. 3족과 5족 같은 홀수 다리도 존재하지만 일반적으로는 짝수 다리로 운용한다.이 중에서 미국의 보스턴 다이내믹스에서 개발한 야전에서의 짐꾼용 4족 보행 로봇인 빅 독(BigDog)이 2012년에 실전 배치가 가능할 것으로 보였으나 2015년 말, 보스턴 다이내믹스의 빅독 기반 4족보행 로봇 군용화 계획인 LS3가 돌연 취소되었다. 이유는 필드 테스트 결과 계속 지적되오던 엔진의 소음 때문에 적에게 들키기 쉽고, 야지에서 고장날 경우 수리가 너무 까다롭기 때문이라고. 본격적인 다족보행병기가 나오려면 아직 멀고도 험한 과정을 거쳐야 할 것으로 보인다. 하지만 아래에 서술 했다시피 현재 시점인 2023년에는 이미 비전 60이라는 다족보행 드론이 실전 배치를 한데다 전 세계적으로 스팟형 설계를 기반으로 한 다족보행 로봇을 만들고 있는 상황이라, 소형 드론을 필두로 시작하여 조만간에 다족보행기술이 높아지고 이 기술에 적용한 여러 병기들이 나올 것으로 보인다.한편 국내에서도 견마형 로봇을 개발하는 것으로 알려져 있다.
2013년, 한국생산기술연구원에서 공개한 견마형 로봇 '진풍'.
굴삭기 항목에 소개된 스파이더 굴삭기도 4족 보행로봇이다.
2012년 12월 4일에 도쿄전력은 후쿠시마 원전에 4족 보행로봇을 투입하기로 했다. 관련 링크
2019년 9월 24일, 보스턴 다이내믹스에서 완전전기구동식의 견마형 로봇인 스팟을 출시했다.
2019년 후반, 미군에서 스팟과 같은 견마형 로봇인 비전 60을 도입하여 실전 배치를 했다. 그렇게 실전에 투입한 지상용 정찰 드론은 세계 최초 실전용 보행 병기가 된다.[10]
2007년경, 이탈리아 과학자 체칠리아 라스키가 공기압식 소프트 다리를 지닌 문어 로봇을 개발해 세계 최초 소프트 로봇이 탄생하게 된다. 단 그 당시에 막상 첨 나왔기에 아직 이동 할 수가 없었다.[11]
2020년 4월 24일, 미국 카네기 멜론대 연구팀에서 공기 주압하는 이동하는 방식이 아닌 코일을 통해 가열로 이동방식을 택한 완전 형상기억합금 소재로 만든 소프트 로봇을 개발했다. 관련 링크
스팟을 개발한 보스턴 다이내믹스 출신이 나와 설립한 고스트로보틱스에서 개발한 고스트로보틱스 비전 60이라는 4족 보행로봇이 존재한다. 공개된 스펙상으로는 가장 뛰어나다는 평가이다.
현대로템과 레인보우로보틱스가 신속시범획득 사업에 선정되어 4족 로봇을 개발 중에 있다.
4. 관련 문서
[1] 다만 정비의 어려움과 제작의 어려움은 오히려 일자리 창출의 효과를 낸다는 점에서 사회적으로는 나쁘다고 보기는 어렵다. 군사병기로써의 현실성은 극히 떨어지겠지만, 제작과 정비에 손이 많이 간다는 것은 결국 인력을 필요로 한다는 점이고, 이는 모든 일자리가 기계로 대체된다고 해도 상당한 일자리가 창출된다는 이점도 존재한다.[2] 허나 형상기억합금 등 같은 소재로 만든 무관절 팔다리일 경우, 제작하는데 어려울 수 있으나 바퀴처럼 단순 설계를 갖춰있어, 기존의 팔다리 설계에 비해 군사병기에도 사용 가능할 정도로 더 효율적일 수도 있다.[3] 스카이 콩콩과 같다.[4] 빅 독의 보행 모습을 잘 보면 땅에 항상 발이 두 개씩 닿는다는 것을 알 수 있다.[5] 그러나 최근엔 센서 기술과 관련 프로그램이 많이 발전해서 학부생 수준에서 초보적인 이족보행 로봇을 만들 수 있긴 하다. 물론 시중에 나와있는 키트를 이용하는 수준에 불과하다.[6] 실제로 이족보행은 수직으로 세운 장대를 균형잡는 수학적 모델을 기반으로 하고 있다. 일반적으로 리버스 펜듈럼이라고 한다.[7] 단, 이쪽은 인간이 다른 포유동물이 모태에 있어야 하는 시간보다 더 빨리 모태에서 나오기 때문이란 점도 작용한다. 뇌의 크기와 산도의 크기 때문이다. 거기다 인간은 출생 이후로도 몸이 아닌 뇌의 발달이 우선시되기 때문에 인간의 성장 곡선은 생후 1년에서부터 그리기 시작해야 다른 포유동물의 성장 곡선을 출생 직후에서 그린 것과 비슷하다고 한다.[8] 참고로 일본 로봇기술수준은 높지 않다. 단적으로 일본 로봇의 보행 속도는 인간의 절반 수준 (2-3km/h) 물론 지면이 울퉁불퉁하거나 경사가 있다면 애로사항이 꽃핀다.[9] 2족은 당연히 4족보다 방향전환의 우위와 접지점이 적다는 점에서 더 우위가 있다.[10] 제작사는 고스트로보틱스다. 현대/보스턴 다이내믹스측에서 특허 침해로 고스트 로보틱스에게 고소를 했다는 소식이 있다. 허나 좀 묘한 감정이 들겠지만 보스턴사 측의 고소를 받은 고스트로보틱스사는 스팟개발에 관여했던 보스턴 다이내믹스 출신 기술자들이 나와 설립한 회사다..[11] 이전에 소프트 로봇 나왔을 수도 있겠지만 이전 자료에 대해 아직 발견 하지 못했기에 , 일단 이 로봇을 최초 로봇으로 간주해서 서술해 놓는다.