데니스 홍 교수가 그의 일곱가지 로봇들을 소개합니다.

TEDxNASA에서 데니스 홍 (홍원서) 교수는 각종 수상기록을 가진 일곱가지 로봇을 소개하였습니다. 홍 교수와 버지니아 공대 RoMeLa 팀에서는, 축구를 하는 휴머노이드 DARwin이나 절벽을 기어오르는 CLIMBeR와 같은 전방위에 걸친 로봇들을 만들었죠. 강연의 끝에 그의 연구실에서 이뤄낸 놀라운 기술적 성공에 관한 다섯가지 비밀이 밝혀집니다. 마지막까지 경청하여 주시기 바랍니다.

먼저 STriDER 라는 로봇을 소개해 드리겠습니다.

Self-excited Tripedal

Dynamic Experimental Robot의 약자입니다.

다리가 세개인 로봇이며

자연에서 힌트를 얻었죠.

그런데 여러분 중에

다리가 세개 달린 생물을 보신 분이 계신가요?

아마 없을겁니다.

그럼 왜 생물학적 로봇이라 부르며, 작동원리는 뭘까요?

우선 대중문화를 한번 살펴보죠.

허버트 조지 웰스의 우주전쟁은 영화로도 만들었죠.

지금 보시는건 아주 유명한

비디오 게임이죠. (*Half-Life 2)

소설에서는 다리 세개 달린 외계 로봇이

지구를 공격하는 것으로 나오죠.

하지만 STriDER 는 이런식으로 움직이지 않습니다.

이것이 실제로 움직이는 시뮬레이션 영상입니다.

로봇이 어떻게 움직이는지 보여드리려는 것입니다.

이 로봇은 몸을 180도 뒤집어서

두 다리 사이로 한 다리를 흔들어서 땅에 딛습니다.

이것이 로봇이 걷는 방법입니다.

두 다리로 걷는 인간의 경우,

걸을 때 근육을 이용해 다리를 들어올려

로봇처럼 걷지는 않죠?

실제로는 한 쪽 다리를 흔들어서 바닥을 딛고

몸을 세운 다음, 다른 다리를 흔들어 바닥을 딛습니다.

여러분이 타고난 역학, 인체의 물리학을

마치 진자와 같이 사용하는거죠.

그것을 수동 동적 운동(Passive dynamic locomotion)라고 하죠.

몸을 세워 걸어갈 때

위치에너지가 운동에너지로 바뀌고

위치에너지가 운동에너지로 바뀌죠.

이러한 과정들이 지속적으로 반복됩니다.

그러므로 자연에서는 다리가 세개인 생물을 볼 수 없지만,

실제로는 생물학에서 영감을 얻은 것이고

그 보행의 원리를 적용한 것이니,

생물학적 로봇이라 부르는 것입니다.

지금 보시는 것은 개발 계획 중인 로봇입니다.

로봇이 다리를 접었다 펴면서 높이 뛰어오릅니다.

그리고 다리를 펼칩니다. 마치 스타워즈 같죠.

착지할 때 충격을 흡수한 다음 걷기 시작하죠.

여기서 보시는 이 노란 것은 죽음의 광선이 아니라,

이해를 돕기 위한 것인데,

카메라나 센서를 이용해

1.8m의 큰 키로

풀 숲 같은 장애물 너머를 탐지 할 수 있다는 것이죠.

우리는 두 종류의 초기모델을 만들었습니다.

뒷 쪽이 초기 모델인 STriDER I 이고요,

앞에 있는 작은 것이 두번째 STriDER II 입니다.

STriDER I 의 문제는

너무 무겁다는 것입니다. 관절을 움직이기 위해 쓰인 모터들이

너무 많았죠.

그래서 기계적인 구조를 통합하여

다른 모터들을 제거하고 하나의 모터만으로

모든 움직임을 제어하게 했습니다.

기계적 문제점을 기계전자공학을 사용하지 않고 해결한 것이죠.

이제는 본체가 가벼워져서 연구실 안에서도 움직일 수 있습니다.

첫 걸음을 성공적으로 내딛는 순간이죠.

아직 완벽하지 않고, 커피도 쏟아요.

개선 해야할 것이 아직도 많습니다.

두번째로 소개드릴 로봇은 IMPASS 입니다.

Intelligent Mobility Platform with Actuated Spoke System 의 약자입니다.

바퀴와 다리가 결합된 로봇입니다.

테두리 없는 바퀴나

바퀴살 뿐인 바퀴와 비슷하지만,

바퀴살들은 독립적으로 움직입니다.

그래서 바퀴와 다리의 결합형이라 부릅니다.

말하자면 바퀴의 재발명이죠.

어떻게 움직이는지 보겠습니다.

우리는 반응적 접근법 (reactive approach) 을

사용 했습니다.

다리의 촉각센서를 사용하여

변화하는 지형을 걷고 있는 모습입니다.

누르면 푹꺼지는 그런 지형이죠.

촉각센서의 정보를 분석해서

푹신한 지형을 잘 이동하고 있습니다.

그러나 매우 큰 지형에서는 어떨까요?

이 장해물은 로봇의 키보다 세배 가량

더 높습니다.

로봇은 측정모드로 전환됩니다.

레이저 센서와 카메라를 사용하여

장애물과 그 크기를 측정합니다.

그리고 바퀴살을 어떻게 움직일지를 계획하고

그것을 조절하여 이렇게 움직이게 됩니다.

우수한 운동성을 보여줍니다.

아마도 이런 것은 처음 보실 겁니다.

저희가 개발한 운동성이 우수한 로봇

IMPASS 입니다.

멋지지 않습니까?

우리가 자동차를 운전할 때

핸들을 조작하게 되는데 이때

액커만 스티어링(Ackermann steering)법을 사용합니다.

앞바퀴가 이렇게 움직이는 것이죠.

바퀴가 작은 로봇은 대부분

차동 스티어링(differential steering)법을 쓰죠.

좌우 바퀴가 반대로 돌아가는 방식이죠.

IMPASS에서는 다양한 방식으로 움직일 수 있습니다.

예를 들어 좌우 바퀴가 한개의 축으로 연결되어 있더라도

동일한 각속도로 회전할 수 있습니다.

바퀴살 길이를 바꾸는 것만으로

바퀴의 지름이 바뀌고 좌우 방향전환이 가능하죠.

이런 것들은 몇가지 예에 지나지 않습니다.

IMPASS는 더 많은 것을 할 수 있죠.

이 로봇은 CLIMBeR 라고 부릅니다.

Cable-suspended Limbed Intelligent Matching Behavior Robot 의 약자입니다.

저는 화성 탐사차량으로 유명한 NASA JPL의 과학자들과

많은 이야기를 나눴습니다.

그 곳 과학자들과 지질학자들은 저에게

과학적으로 정말 재미있고 중요한 장소는

항상 절벽에 있다고 합니다.

현재의 탐사차량으로는 절벽에 못 올라가죠.

그래서 거기서 힌트를 얻어

절벽을 오를 수 있는 로봇을 개발했습니다.

이것이 CLIMBeR 입니다.

이 로봇은 3개의 다리를 가지고 있고 잘 안보이지만,

윗부분에 케이블과 윈치가 달려있습니다.

로봇은 다리를 놓기에 가장 적합한 곳을 찾습니다.

적합한 장소를 찾아내면

실시간으로 힘의 분산을 계산합니다.

표면에 힘을 얼마나 가해야 하는지를 계산해

기울어지거나 미끄러지지 않습니다.

안정된 자세를 취한 뒤에 다리를 들어올리고

윈치를 사용하여 이렇게 기어오릅니다.

조사나 구조에 적합한 로봇이죠.

5년 전 여름, 저는 NASA JPL에서

연구진으로 일한 적이 있습니다.

그곳엔 다리가 여섯개인 LEMUR가 이미 개발되어 있었죠.

그 로봇에 기초를 두고 만든것이 MARS입니다.

Multi-Appendage Robotic System, 다리가 6개 달린 로봇입니다.

적응력을 갖춘 보행시스템을 가지고 있습니다.

재미있게 생긴 물건을 싣고 있죠.

학생들은 즐겁게 일하는것을 좋아합니다.

불규칙적인 지형을 걸어가고 있습니다.

거친 모래밭 위를

걸어가는 중입니다.

습도와 모래의 크기에 따라

발로 모래위를 어떻게 디딜지를 조절합니다.

환경에 따라 보행을 조절해 저런 지형에서도 잘 걷습니다.

굉장히 재미있는 걸 보여드리겠습니다.

저희 연구실에는 손님들이 많죠.

손님이 오시면 MARS가 컴퓨터로 걸어가서

타이핑을 합니다.

"안녕하세요. 제 이름은 MARS입니다.

버지니아 공대 로봇 기계공학 연구실 RoMeLa에 오신것을 환영합니다."

이 로봇은 아메바 로봇 입니다.

기술적으로 상세하게 설명할 시간이 충분치 않으니

실험을 조금 보여드리겠습니다.

현재 실현가능성을 검토하고 있는 단계입니다.

탄성이 있는 표면에 위치 에너지를 축적하여 이동하거나

또는 탄성코드를 사용하여 앞뒤로 움직입니다.

ChIMERA라는 로봇입니다.

펜실베니아 대학의 과학자와

엔지니어들과 협력하여

화학물질에 반응하는 로봇도

만들었습니다.

어떤 화학물질을 발라주면,

마법과 같이 움직입니다. 괴상한 생물체 같죠.

다음은 최근에 개발중인 로봇 RAPHaEL 입니다.

Robotic Air Powered Hand with Elastic Ligaments 의 약자입니다.

상용으로 나온 멋진 로봇 손은 많지만

수만달러를 호가하는 비싼 가격이 문제죠.

그래서 의수로 쓰기에는 현실성이 떨어지죠.

너무 비싸니까요.

우리들은 이 문제를 다른 각도에서 풀고자 했습니다.

전기 모터와 전기화학적 설계를 사용하지 않고

압축공기를 사용했습니다.

관절을 위해 새로운 설계방법을 개발했습니다.

조작하기가 쉽습니다. 힘 조절은

공기압을 바꿔주는 것만으로 가능합니다.

빈 탄산음료 깡통을 찌그러뜨리거나

달걀이나 전구와 같은 깨지기 쉬운 것을

살며시 잡을 수 있습니다.

최대 장점은 초기모델 제작비가 200달러 밖에 들지 않은 것입니다.

이것은 뱀 형태의 로봇으로

HyDRAS 라고 부릅니다.

Hyper Degrees-of-freedom Robotic Articulated Serpentine 의 약자입니다.

이러한 지형도 잘 오를 수 있습니다.

이것은 HyDRAS 의 팔입니다.

12방향으로 움직이는 로봇 팔이죠.

사용자 인터페이스가 최고의 장점이죠.

저기 보이는 케이블은 광섬유이죠.

이 학생을 처음 써보는 것이지만

여러방향으로 조절하는데 어려움이 없습니다.

예를 들어 이라크와 같은 전장에는

길가에 폭탄 같은 것이 있다면,

지금은 팔이 달린 차량을 원격 조종하여 보내고 있지만

이런 복잡한 로봇 팔 조종 훈련은

엄천난 돈과 시간이 들어갑니다.

이 로봇은 조작이 매우 직관적이라

처음 사용하는 학생도 복잡한 작업을 할 수 있습니다.

물건을 집어들고 조작하는 것이죠.

보시는 바와 같이 매우 직관적이죠.

이 로봇은 우리의 스타 로봇입니다.

팬클럽까지 가지고 있는 로봇 DARwIn 이죠.

Dynamic Anthropomorphic Robot With Intelligence 의 약자입니다.

우리들은 휴머노이드, 즉

인간처럼 걷는 로봇에 관심이 많죠.

그래서 작은 로봇을 만들 계획을 세웠죠.

2004년 당시에는

꽤나 혁명적인 것이었습니다.

가능성에 대한 연구였죠.

어떤 모터를 사용해야하는지?

정말 가능한지? 어떻게 조정 해야하는지?

그래서 어떤 센서도 사용하지 않았죠.

개루프 제어 (open loop control) 이죠.

아마 여러분도 알고 계실겁니다.

센서 없이 밸런스가 무너지면 이런일이 일어나죠.

(웃음)

이 성공을 기반으로 하여 다음 해에는

동력학부터 시작하여 제대로 된

기계를 설계했습니다.

2005년에 DARwIn I 가 탄생하였습니다.

로봇이 일어나서 걷습니다. 꽤 인상적이죠.

하지만 아직 코드가 연결되어 있습니다.

탯줄과 같은 코드죠. 아직까지는 외부전원과 외부조작에

의존하고 있습니다.

이제 2006년입니다. 이제부터 재미있어집니다.

로봇에게 지능을 주었습니다. 컴퓨팅에 필요한 모든 것들,

1.5Ghz 펜티엄 M 칩과

두개의 Firewire 카메라, 8개의 평형계,

가속도계, 발에 토크센서 4개, 리튬 배터리를 장착했습니다.

이제 DARwIn II는 완전히 독자적으로 움직입니다.

원격 조종을 하지 않죠.

이제 코드는 필요없습니다. 스스로 주변을 둘러보고

볼을 찾아서 축구 게임을 합니다.

독립적인 인공지능이죠.

어떻게 하는지 봅시다. 처음 시도한건데요,

그리고.. (비디오) 골!!!

로보컵이라 불리는 경기가 있습니다.

로보컵에 대해서 들어보신 분이 얼마나 있을지 모르지만,

스스로 움직이는 로봇들의 국제 축구경기죠.

그리고 로보컵의 목표, 진짜 목표는

2050년까지

스스로 움직이는 실물크기의 휴머노이드 로봇을 만들어서

인간 월드컵 챔피언들과 축구 시합을 해서

이기는 것입니다.

이건 진짜 목표입니다. 매우 야심찬 목표이죠.

우린 진짜로 할 수 있다고 믿습니다.

작년에는 중국에서 개최했습니다.

미국에서 이 경기에 출전한 팀은

저희가 처음입니다.

이것은 올해입니다. 오스트리아에서였죠.

완전히 스스로 움직이는 로봇들이 3대3으로

시합하는 모습을 볼 수 있습니다.

갑니다.. 그렇죠!!

로봇끼리 서로

팀 플레이를 하는것입니다.

매우 인상적입니다.

학술행사지만, 재미있는 경기이기도 합니다.

여기 보시는것은 아주 아름다운

루이비통 컵 트로피입니다.

최고의 휴머노이드에게 주는 트로피이고

내년엔 우리 팀이 최초로 이걸 미국에 가져올 수 있게 되기를 바랍니다.

행운을 빌어 주세요.

감사합니다.

(박수)

DARwIn 은 많은 재능을 가지고 있습니다.

실제로 작년엔 로아노크(Roanoke) 교향악단을 지휘했었죠.

연말 콘서트에서요.

이것이 차세대 로봇 DARwIn IV입니다.

좀 더 똑똑해지고 빠르고 강해졌죠.

로봇의 능력을 보여드리겠습니다.

"난 마초다. 난 강해"

"난 성룡같이 움직일 수 있죠.

무술동작도 해요"

(웃음)

이것이 DARwIn IV 입니다.

이 로봇을 로비에서 보실 수 있습니다.

저희는 이 로봇을 미국 최초로

달리는 로봇으로 만들고자 하고 있으니 기대하셔도 좋습니다.

현재 개발하고 있는 재미있는 로봇들의 움직이는 모습을 보셨습니다.

그럼 저희들의 성공의 비결은 무엇일까요?

어디서 이런 아이디어를 만들어내고 있으며,

어떻게 이런 아이디어를 발전시키는 걸까요?

우리들은 도심지를 완전 자동으로 주행하는

자동차를 만들어서 DARPA 어번 챌린지에 나가

50만 달러의 상금을 땄습니다.

우리들은 또한 맹인이 운전 가능한

차량을 세계최초로 만들었습니다.

이것은 블라인드 드라이버 챌린지라고 부르며

보여드리고 싶은 프로젝트는 더 많습니다.

이것은 우리들이 2007년 가을에

로봇공학 시합에서 우승하여 상을 탄 것입니다.

다섯가지 비밀이 있습니다.

먼저 어디에서 영감을 얻고

어떻게 번뜩이는 상상력을 얻고 있는 걸까요?

이건 실제 제 개인적 이야기 입니다.

제가 잠드는 시각은 새벽 3-4시 경 입니다

누워서 눈을 감으면 선이나 원이나

여러가지 형태가 떠다니면

그것들을 조합하거나 어떤 종류의 메카니즘을 만듭니다.

그러면 저는 "아, 이거 괜찮군" 이라고 생각하고

침대 옆에 놓아둔 노트와

불이 들어오는 펜을 가지고 쓰죠.

불을 켜서 아내를 깨우고 싶지 않거든요.

생각나는것을 전부 끄적이고 그림을 그리고

그런 다음 잠들죠.

매일 아침

커피를 마시거나 이 닦기 전에

저는 가장 먼저 노트를 펼쳐 봅니다.

비어있을 때가 많죠.

가끔은 쓸모 없는 것들도 있고요.

대부분은 제가 쓴 글자조차 읽을 수 없습니다.

새벽 4시에 뭘 기대하겠어요? 그렇죠?

제가 쓴 걸 판독해야 할 지경입니다.

하지만, 가끔은 기발한 아이디어를 발견하기도 하죠.

'유레카'를 외치게 되는 순간입니다.

곧장 집에 있는 사무실로 가서 컴퓨터 앞에 앉아

아이디어들을 타이핑하고 스케칭해서

아이디어를 컴퓨터에 저장하죠.

연구 공모가 뜨면

공모와 관련된 제 아이디어를

찾아보고,

딱 맞는 것이 있다면 연구계획서를 제출해서

연구비를 따죠. 연구는 이렇게 시작됩니다.

그러나 번뜩이는 상상력만으로는 부족합니다.

아이디어를 어떻게 발전시킬까요?

우리들의 연구실 RoMeLa 에서는

멋진 아이디어회의(brainstorming)을 합니다.

모두 둘러앉아 문제점이나

사회문제등에 대하여 의견을 나눕니다.

그러나 시작하기 전에 하나의 규칙이 있죠.

그 규칙은

누구도 다른이의 아이디어나

의견을 비판하지 않는 것입니다.

그게 정말 중요합니다. 왜냐하면

학생들은 자신의 의견을 다른이들이 어떻게 생각할까

두려워하거나 불안해하기 때문이죠.

이 규칙은 효과가 아주 좋으며,

놀랄정도로 학생들이 자유롭게 말할 수 있게 하죠.

학생들은 기발한 아이디어를 가지고 있어서

방 전체에 창조적인 에너지가 넘치게 됩니다.

그렇게 아이디어를 발전시키게 됩니다.

이제 시간이 없기 때문에 한 가지만 더 이야기 하겠습니다

번뜩이는 아이디어를 발전시키는 것만으로는 부족 합니다.

멋진 TED 강연이 있었습니다.

아마 켄 로빈슨씨였죠? 맞나요?

어떻게 학교가 창의력을 죽이는지

이야기해 주었죠.

사실 이 이야기에는 양면성이 있습니다.

즉, 기발한 아이디어와 창의력과

공학적 직감만으로는

할 수 있는 것에 한계가 있습니다.

단순히 뭔가 만드는 것 이상의 어떤 것을 하고 싶다면,

취미로서의 로봇을 뛰어넘어

로봇공학의 커다란 과제를

연구를 통해 풀고자 한다면,

필요한 것이 또 있습니다. 학교가 필요한 이유죠.

배트맨, 악당들과 싸우는 배트맨은

만능 벨트를 차고 있습니다.

갈고리나 각종 도구들을 가지고 있죠.

우리 로봇공학자나

기술자, 과학자들에겐 학교에서 배운 강의나 학과정들이 이러한 도구가 됩니다.

수학, 미분방정식

선형대수학, 과학, 물리학,

심지어 요즘엔 화학과 생물학까지도 필요합니다.

이 모든 것들이 우리에게 필요한 도구들이죠.

배트맨이 많은 도구를 가지게 된다면

악당들과 좀 더 효과적으로 싸울 수 있게 됩니다.

우리도 이러한 도구로 문제를 해결할 수 있습니다.

교육이 중요한 이유입니다.

또한 그것 뿐만이 아니라

정말로 열심히 일해야 합니다.

저는 학생들에게 항상 말하죠.

'현명하게, 그리고 열심히 일하라'

뒤에 보이는 사진은 새벽 3시의 연구실 모습입니다.

저희들의 연구실에 새벽 3,4시에 와 보시면

분명 학생들이 일을 하고 있을 것입니다.

제가 하라고 해서가 아닙니다. 모두 아주 즐겁게 일을 하고 있습니다.

이것이 바로 마지막 주제 입니다.

즐기는 것을 잊지말라.

저희의 진정한 성공의 비결은 아주 즐겁게 일한다는 것입니다.

저는 즐겁게 일할 때 가장 높은 생산성을 가져올 수 있다고 믿습니다.

저희는 그렇게 일하고 있죠.

대단히 감사합니다.

(박수)