싱가포르 연구팀, 계단서 굴러도 충격 완화할 수 있는 로봇 기술 개발

▲낙하 충격 완화 시스템의 원리 (이미지=SUTD)

싱가포르기술디자인대(SUTD·Singapore University of Technology and Design) 연구팀은 서비스 로봇이 균형을 잃어 계단에서 굴러 떨어지는 상황에서도, 로봇이 능동적으로 낙하 충격을 완화할 수 있는 기술을 개발했다.

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인터레스팅 엔지니어링 등 매체 보도에 따르면 SUTD 연구팀은 계단 이동 중 넘어지는 서비스 로봇이 낙하 중에 스스로 충격을 완화할 수 있는 강화학습 기반 안전 시스템을 개발했다. 이번 연구 성과는 학술지 '리설트 인 엔지니어링(Results in Engineering)'에 게재됐다. (논문 제목:A reinforcement-learning-based fall mitigation system for stair-traversing service robots)

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연구팀에 따르면 계단은 이동형 로봇이 만나는 위험한 환경 중 하나로 꼽힌다. 기존 연구에서는 계단 주행 로봇의 실패율이 평지보다 최소 35배 이상 높은 것으로 나타났다. 특히 무거운 서비스 로봇이 계단에서 균형을 잃고 추락할 경우 로봇 자체는 물론 주변 시설물과 사람에게도 심각한 피해를 줄 수 있다.

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SUTD 로봇자동화연구소(ROAR Lab)의 모한 라제시 엘라라(Mohan Rajesh Elara) 교수는 “산업 현장에서 운영자들이 계단 주행 로봇을 여전히 위험 요소로 보는 이유는 잔존 위험(residual risk) 때문”이라고 설명했다.

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이에 연구팀은 ‘넘어지지 않는 로봇’보다 ‘넘어져도 스스로 충격을 흡수하고 복구하는 로봇’ 개발에 초점을 맞췄다.

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연구팀은 로봇이 계단에서 넘어지는 유형을 뒤로 넘어지는 경우, 회전하면서 쓰러지는 경우, 측면으로 넘어지는 경우 등 총 5가지로 정의하고, 추락 유형에 대응할 수 있는 로봇의 구조를 찾았다.

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이를 토대로 연구팀은 상용 궤도형 서비스 로봇 후면에 3자유도(3-DoF) 로봇 팔을 장착했다. 궤도 후면 장착형 3자유도 팔이 다섯 가지 추락 패턴을 모두 방어할 수 있는 가장 단순한 구조라고 판단했다. 이 로봇 팔은 사람이 넘어질 때 손을 짚는 것처럼 계단이나 바닥을 지지해 로봇의 추락을 막는 역할을 한다.

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연구팀은 시뮬레이션 환경에서 강화학습을 통해 로봇을 훈련시켰다. 로봇에 외부 충격을 가해 낙하 상황을 유도하고, 제어기가 팔 관절을 실시간으로 조작해 플랫폼을 안정시키는 방법을 스스로 학습하도록 했다.

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5개의 학습된 제어기를 통해 강화학습 기반 시스템은 낙하를 저지하고 안정을 회복하는 데 평균 69.4%의 성공률을 달성했다. 이에 비해 사람이 직접 규칙을 설계한 휴리스틱(Heuristic) 기반 제어 방식은 성공률이 38.6%에 그쳤다.

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연구팀은 AI를 특정 로봇 모델과 계단 구조에서 로봇을 학습시킨 뒤, 크기가 다른 로봇과 다른 형태의 계단에 적용하는 실험을 진행했다. 실험 결과 로봇 크기가 10% 커진 환경에서는 성공률이 87%까지 상승했다. 크기가 더 작고 안정성이 낮은 플랫폼에서는 성능이 감소했지만 여전히 낙하 완화 기능이 정상적으로 작동했다.

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이번 연구는 로봇이 넘어지는 상황 자체를 완전히 제거하기보다, 사고 발생 시 피해를 최소화하는 ‘안전 계층(Safety Layer)’을 구축했다는 점에서 의미가 있다고 연구팀은 주장했다.

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연구팀은 향후 실제 상용 계단 서비스 로봇과 휴머노이드 플랫폼에 해당 기술을 적용해 안전성을 더욱 높일 계획이다.

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엘라라 교수는 “이 시스템은 특정 계단 구조를 단순히 암기한 것이 아니라, 다양한 환경에 적용 가능한 복구 전략 자체를 학습한 것”이라며 “운영자들이 두려워하는 로봇이 아니라 신뢰할 수 있는 플랫폼으로 만드는 것이 목표”라고 밝혔다.

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백승일 기자 robot3@irobotnews.com

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