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보행 로봇을 이용한 역동적이고 민첩한 모션 생성및 수행과 제어
박해원 교수(Univ. of Illinois at Urbana-Champaign) / haewonillinois.edu / 서면인터뷰


오늘은 인터뷰에서 만나보시게 될 분은 야외에서 점프하며 뛰놀게 하여 보는 이들을 놀라게 만든 2014년 MIT Cheetah 2를 개발하신 박해원 교수입니다. 치타 로봇은 고성능의 전기모터를 사용하여 내연 기관과 유압을 쓰는 다른 로봇보다 효율이 좋고, 조용하며, 단순히 네다리를 이용해 달리는 것이 아닌, 땅을 딛고 뛰어 오르는 능력 등 4족 동물의 역학적 움직임을 알고리즘화해 적용시켰다고 합니다.  교수님은 최근에 일리노이 대학(UIUC)에 조교수로 임용되어 본인의 실험실을 꾸미고 계신데요. 한창 바쁘실텐데 이렇게 인터뷰를 해주셔서 감사합니다.



1. 우선 최근에 일리노이 대학으로 자리를 옮겨서 조교수가 되신 것을 축하 드립니다.  외국대학에서 교수를 일한다는 것은 많이 부러운 일인 거 같습니다. 어떤 과정이 있었는지 궁금합니다.

축하해주셔서 감사합니다. 아직 부임한지 얼마 안 되어서 (약 5개월 남짓) 정신이 없고요, 이렇게 인터뷰 기회 주셔서 감사합니다. 우선 여기까지 오기까지 정말 많은 분들의 도움이 있었다는 것을 꼭 말씀드리고 싶습니다. 석사 지도 교수님이신 연세대학교 박영필 교수님, 박사 지도교수님인 미시간 대학교의 Jessy Grizzle 교수님, 그리고 박사후과정 지도 교수님인 MIT의 김상배 교수님을 비롯하여, 여러분들의 지도와 도움 덕분에, 여기까지 올 수 있었던 것 같습니다.
저는연세대학교에서 학부를 다녔는데요, 정말 우연한 기회에 학부 지도 논문을 쓰면서, 로봇을 접할 기회를 가질 수 있었습니다. 학부 지도 논문을 통하여 우연치 않게 로봇 하시는 교수님(연세대학교 양현석 교수님)과 일하게 되었고, 그로 인해서 로봇이란 공학의 한 분야에 흥미를 가지게 되었고, 이 분야로 계속 공부를 이어가고 싶다고 생각하게 되었습니다. 그 이후, 연세대학교에서 석사를 마치고, 2007년에 미국 미시간 대학(University of Michigan at Ann Arbor)으로 박사 유학을 나와 Jessy Grizzle교수님의 지도하에 박사 연구를 진행하였습니다. 그 후 2012년에 미시간 대학교에서 박사학위를 마치고, 그 해 6월 경에, MIT에 김상배 교수님 Biomimetic Robotics Lab에 박사 후 과정으로 MIT Cheetah 로봇 연구에 참여하게 되었습니다. 그 후로 3년 동안 김상배 교수님과 MIT Cheetah 2 로봇의 제어기 설계 및 하드웨어 Integration 등을 담당하여 연구를 진행하였습니다. MIT에서 현재는 NAVER LABS에 계신 석상옥 박사님, 현대자동차에 계신 현동진 박사님, 박상인 연구원, KIST에 있는 임세혁 박사님, 이종우 연구원 등과 만날 수 있었습니다. 일리노이 대학에 임용은 지난해 5월에 되었고, 9월 말부터 부임, 연구를 시작하였습니다.  


2. 교수님이 진행하셨던 또는 현재 진행중인 연구에 대해서 간단히 소개를 부탁 드립니다.

미시간 대학교에서는 이족 보행 로봇 MABEL의 제어기 설계 및 하드웨어를 통한 검증 등의 연구를 하였습니다. 연구를 통해서 이족 보행 로봇이 험지도 안정적으로 보행 할 수 있고, 달리기도 가능한 결과를 얻을 수 있었고요, 관련 동영상은 아래에서 보실 수 있습니다.

- Bipedal Robot MABEL Traverses Uneven Terrain Using Touch Instead of Sight

- Biped Robot MABEL Runs Free!


MIT에서는 MIT Cheetah 2 로봇의 동역학 시뮬레이션, Controller Design, 그리고 실험에 대한 연구를 진행하였고, 하드웨어 Integration과 Embedded 제어기 설계도 담당하였습니다. 대표적 연구로는 MIT Cheetah 2 로봇이 장애물을 인식하고, 인식된 장애물에 맞추어서 속도를 조종하고, 안정적으로 장애물을 뛰어 넘을 수 있도록 할 수 있는 알고리즘을 개발하였습니다. 관련 동영상은 4번질문 아래에서 보실 수 있습니다.


3.  본인의 최근, or 대표 논문(논문 링커 or 논문 첨부)

- H.W. Park and A. Ramezani and J. W. Grizzle, A Finite-State Machine for Accommodating Unexpected Large Ground-Height Variations in Bipedal Robot Walking, IEEE Transactions on Robotics, 2013

- Hae-Won Park, Patrick Wensing, Sangbae Kim, Online Planning for Autonomous Running Jumps Over Obstacles in High-Speed Quadrupeds, Robotics: Science and Systems, 2015

- Koushil Sreenath, Hae-Won Park, Ioannis Poulakakis, Jessy W Grizzle, A Compliant Hybrid Zero Dynamics Controller for Stable, Efficient and Fast Bipedal Walking on MABEL, The International Journal of Robotics Research, 2011



4. 교수님 연구에서 MIT Cheetah 2 를 빼놓을 수 없을 거 같습니다.  MIT Cheetah 만의 장점이나 특징에 대해서 소개를 부탁 드립니다. (치타1이나  보스턴 다이나믹스의  BigDog이나 Spot과 비교해서 설명해 주셔도 좋습니다.)

MIT Cheetah 2가 아마도 세계 최초로 장애물을 자동 인식하고, 그것을 뛰어가는 도중에 멈추지 않고 Jump하여 뛰어 넘는 로봇이 아닐까 싶습니다. Spot이나 BigDog을 보시면, 주어진 행동 (걸어가기, 뛰어가기) 등을 수행하는 데에는 아주 훌륭한 성능을 보여주고 있습니다. 심지어는 사람이 발로 차도 곧바로 균형을 잡고 회복을 할 수 있죠. 하지만, 큰 장애물이 나타났을 때, 그것을 인식하고, 실시간으로 Jump해서 뛰어넘는다거나, 빠른 동작으로 회피하는 등의 능동적으로 대처하는 능력을 보여준 적은 없습니다. 치타 1 과 비교하면, 아무래도 로봇의 균형을 2차원적으로 잡아주는 메카니즘 없이도 밖에서도 자유롭게 뛸 수 있게 만든 것, 그리고 모터와 제어 소프트웨어를 새로 개발한 것이 가장 큰 차이점이라고 볼 수 있을 것 같습니다.

- MIT cheetah robot lands the running jump



5. 여러가지 로봇 개발과정에서 많은 어려움이 있었을 거 같습니다.  가장 큰 문제는 어떤 것이었고, 이를 어떻게 극복하셨는지 궁금합니다.

가장 큰 문제가 무엇이었는지 뽑는 것은 너무 어려울 것 같습니다. MIT Cheetah의 예를 보자면, 주행 알고리즘의 개발에 1년 정도의 시간이 소비되었고요, 4족 보행로봇의 고속 주행은 (특히 5m/sec 이상의 고속 주행)은 연구 논문 등을 통해서 발표된 기존 방법이 없어서 저희가 새로 개발하여야 했습니다. 점프하여서 장애물 넘는 연구는 로봇이 장애물을 뛰어넘다가 실패하는 경우에는 다리가 부러지거나, 모터가 망가지거나, 하는 등 로봇이 망가지는 일이 잦았는데요, 그때마다 수의사가 된 심정으로 부서진 로봇을 다시 고쳐야 했습니다. MIT Cheetah와 MABEL같은 실험 플랫폼들은 판매를 염두에 두고 설계된 플랫폼이 아니기 때문에, 고장이 많이 나기도하였고, 고치기도 많이 힘들었습니다. 하루에 한 번은 실험하다가 로봇이 고장난 것 같네요.


6. 궁극적으로 교수님이 지향하는 로봇의 모습은 어떤 것일까요?

제가 궁극적으로 지향하는 로봇의 모습은 흡사 생명체와 같이 자연스럽고 역동적으로 움직일 수 있는 보행 로봇을 만드는 것입니다. 자연계의 동물들을 보면, 현존하는 로봇과는 달리 굉장히 부드러우면서도 자연스럽게, 그러면서도 안정적으로 장애물을 극복하거나, 이동하는 것을 볼 수 있습니다. Free Running (파쿠르)의 동작이나, 프로 운동선수들의 움직임 등을 보시면, 로봇의 딱딱한 움직임과는 달리 아주 유연하게 온몸의 근육과 몸전체에 분배 되어있는 질량등을 효과적으로 써서, 역동적인 동작을 만들어 낼 수 있는것을 볼 수 있죠.

제가 현재 재미있게 관찰하고 있는 생명체는 바로 다람쥐입니다. 다람쥐는 그 작은 몸집에도 불고하고, 성인 남성과 비슷한 속도로 뛸 수 있고, 1m 이상의 높이를 뛸 수 있죠. 이러한 신체적 특성을 활용하여, 저희가 상상도 못하는 복잡한 장애물들을 아주 빠른 속도로 통과하는 것을 볼 수 있습니다. Youtube에 Squirrel Obstacle Course라고 쳐보시면, 다람쥐가 기발한 방법으로 사람이 만든 Obstacle Course를 통과하는 동영상을 많이 보실 있습니다. 제가 상상하는 로봇은 흡사 다람쥐과 같이 장애물을 민첩하고 날쌔게 극복할 수 있어, 사람이 접근하기 힘든 좁은 곳이나, 위험한 곳을 대신 탐사하고 유용한 정보를 얻어올 수 있는 로봇입니다. 먼 훗날일지도 모르지만, 재난 상황에서 사람대신 재난 구역을 재빨리 탐색하거나, 우주 탐사에서 기존의 바퀴달린 Rover가 가지 못하는 곳을 탐사하는 용도로 쓰일 곳이 있을 것 같습니다.



7. 김상배 교수님이 계신 MIT의 Biomimetic Robotics Lab.에 대해서 궁금해 하는 한국인 연구자들이 많이 있을 거 같습니다. 실험실 분위기와 이 실험실에 지원하기 위해 미리 공부해야 하거나 노력해야 할 부분이 있다면?

김상배교수님과는 정말 재미있게 연구를 하였습니다. 김상배 교수님 랩에서는 정말 바쁘게 일이 돌아갑니다. 교수님과 부러진 다리와 고장난 부품을 같이 고치기도 하고, 때로는 연구아이디어에 대해서 진지한 토론을 하기도 하였습니다. 정말 격이 없이 학생들과 그리고 연구원들과 같이 일하시는 것을 좋아하시고요, 아직도 CAD소프트웨어를 직접 만지시며, 로봇 설계하는 것을 즐기시고 끝없이 아이디어내는 것을 좋아하시는 분입니다. 아마 김상배교수님과 같이 일하기 위해서는 로봇 하드웨어를 가지고 일해본 경험이 있거나, 하드웨어를 직접 설계하고, 다룰 줄 아는 스킬이 필요할 것 같고요, 가장 중요한 것은 로봇에 관한 열정을 가지고 있어야 할 것 입니다. 공부해야 될 부분에 관해서는 11번 질문에 답변해 드렸으니 참조하시길 바랍니다.


8. 미국의 로봇연구와 한국의 로봇연구의 차이점이 있다면?

기본적으로 큰 차이는 없다고 보여집니다. 굳이 차이점을 찾자면, 미국에서는 광범위하게 쓰일 수 있는 이론적인 토대나, 체계적인 방법론 등을 만드는 연구에 주력하고 로봇을 실험적인 검증 도구로써 사용하는 반면, 한국은 그러한 방법론 등의 로봇에의 응용에 주력하는 연구를 진행하는 것 같습니다. 제가 봤을 때는 두 다른 스타일의 연구 다 새로운 것이 있다면, 연구로서의 가치는 충분하다고 보고요, 오히려 하드웨어의 응용에 주력한 연구들도Ground Breaking한 결과를가져온다고 생각합니다. 한 예로, Boston Dynamics의 창립자이자 MIT의교수였던 Marc Raibert 가 80년대나 90년대에 행한 연구들을 보면, 수학적으로 Innovate한 것은 찾기 힘들지만, 그 누구도 보지 못한 뛰어난 연구결과들로 후속의 보행 로봇 연구에 지대한 영향을 끼쳤고, Zero Moment Point로 대변되는 준정적 보행의 패러다임과는 전혀 다른 동적 보행 이라는 패러다임을 만들었다고 생각합니다.

- LegLab


9. 연구에 주로 영향을 받은 교수님이나 연구자가 계신지 궁금합니다.

로봇 연구에 있어서, 우선 가장 크게 영향을 받은 두분을 뽑자면, Jessy Grizzle 교수님과 김상배 교수님을 뽑을 수 있습니다. 정말 두분은 비슷하면서도, 학문적으로는 굉장히 다른 백그라운드를 가지고 있습니다. Grizzle 교수님은 Rigorous한 수학에 기반한 비선형 제어이론에 백그라운드를 가지고 있으신 분이고요, 김상배 교수님은 그에 반하여, 기계 시스템의 설계에 백그라운드를 가지고 연구를 하시는 분입니다. 공통점은 두분다 하드웨어 실험을 통한 검증을 굉장히 중요하게 생각한다는 점입니다. 이렇게 다른 백그라운드를 가지고 계신 분들과 오랜 시간동안 일할 기회를 가질 수 있었고, 이런 기회를 통해 다양한 분야의 지식을 습득하고 경험할 수 있었던 것은 저에게 많은 도움이 되었던 것 같습니다. 이분들 말고도, 저와 박사과정을 함께한 지금은 카네기 멜론대의 교수로 있는 Koushil Sreenath의 연구도 재미있게 보고 있고요, Boston Dynamics의 모든 로봇들과 Marc Raibert가 Leg Lab에서 행한 연구들, MIT의 Russ Tedrake과 Nick Roy 교수, ETH Zurich의 Raffaello D'Andrea, Roland Siegwart, Marco Hutter, 그리고, Stanford의 Oussama Khatib, iHMC의 Jerry Pratt 등의 연구도 인상깊게 보았습니다.


10. 앞으로 일리노이에서 학생들과 어떤연구를 진행할지 매우 궁금합니다. MIT를 떠나 새로운 둥지를 틀고 학생들을 지도해가며 새로운연구를 진행해야 할거 같은데..  연구에서 앞으로 어떤 계획이 있으신지 궁금합니다.  

저는 4족 보행 로봇에 관련한 연구를 계속 진행할 것 같고요, 현재는 크기가 작은 로봇 (다람쥐와 고양이 사이 크기) 을 만들 계획을 가지고 있습니다. 앞으로 연구를 진행하면서, 작은 크기의 로봇을 가지고도, 큰 크기의 로봇도 가기 힘든 복잡한 지형을 다람쥐와 같이 민첩하게, 그리고 역동적으로 극복해나갈 수 있는 알고리즘을 만들고 싶습니다. 그러기 위해서는, Motion Planning, Trajectory Generation, 그리고 Feedback Control 등의 다양한 분야를 아우르는 새로운 이론적 토대를 위한 연구를 조화롭게 진행되어야 할 듯 싶고요, 또한 개발된 알고리즘을 실제 로봇 적용시키기 위해서는 현존하는 Sensor들만 이용하고도, 소형 컴퓨터에서 실시간(Real-time)으로 계산될 수 있도록 만드는 것이 중요할 것 같습니다. 물론 로봇 하드웨어 개발도 굉장히 중요하게 생각하고 있고요, MIT Cheetah에 쓰인 모터 기술을 소형화 시키는데 노력을 기울이고 있습니다. 동적이고 (Dynamic) 민첩한 모션을 만들어낼 수 있는 하드웨어 능력을 보유한 로봇플랫폼이 완성되면, 세계 유수의 로봇 연구자들과 플랫폼을 공유하여서, 갖가지 알고리즘을 로봇에 적용시켜 볼 수 있는 기회를 가질 수 있었으면 합니다. 현재는, 다른 연구자 분들이 보행 로봇을 위한 동적인 주행이나 보행 알고리즘을 개발하여도, 쉽게 구입해서 적용시킬수 있는 마땅한 플랫폼이 없는 상황입니다. 어떻게 보면, 하드웨어를 가지고 있는 분들만이 자신만의 알고리즘을 로봇에 적용할 수 있는 상황이었죠. 저 같은 경우는 운이 좋아서 훌륭한 하드웨어 플랫폼을 가지고 연구를 할 수 있는 상황에 있던 경우라고 생각하고요. 이런 식으로 공유할 수 있는 하드웨어를 가지고 더욱 많은 분들이 연구에 참여할 수 있게 된다면, 훨씬 더 빠른 기술발전을 이룰 수 있으리라 예상해 봅니다.

11. 최근에 로봇관련 이슈들이 많이 생기면서 한국의 학생들이 로봇연구를 희망하고 있습니다.  로봇연구자가 되기 위해서 어떤 준비와 노력이 필요한지 조언을 해주시다면?

기본적으로 로봇에 대해서 심도 있는 연구를 하기 위해서는 대학교에서 배우게 되는 기초적인 수학과목들, 전공과목들을 통해서 기초를 확실히 쌓으시는 것을 추천 드립니다. 대학교때 기초를 쌓을 시기를 놓치시면 그것을 나중에 보강하기에는 배가 훨씬 넘는 노력이 필요합니다. 기초를 쌓으신 다음에는 로봇 공학 입문이나 여러 제어이론(Control Theory) 수업, 최적화 (Optimization) 이론에 관련된 과목들 그리고 심화된 수학 과목들을 꼭 들으시길 바랍니다. 그 이후는 자신이필요로 하거나 관심있는 분야의 과목을 따로 수강하거나 공부하는 것이 필요할 듯 싶습니다. 차차 관련 분야의 논문을 읽으시면서, 부족한 점이나 모르는 것이 생기시면 공부하는 것을 추천드립니다. 요즘에는 온라인으로도 아주 훌륭한 과목을 어디서든 수강할 수 있는데요,  로봇 공학 입문 과목으로는 edx.org에 개설된 서울대 박종우 교수님의 Robot Mechanics and Control을 추천하고 싶습니다. 보행 로봇에 특화된 강의로는 마찬가지로 edx.org에 개설된 MIT Russ Tedrake의 Underactuated Robotics가 거의 유일하지 않을까 싶습니다. 로봇에 관련된최신 연구 동향을 알고 싶으시다면, 카네기 멜론 대학에서 진행하고 있는 RI Seminar (https://www.youtube.com/playlist?list=PLCFD85BC79FE703DF)를 보시기를 추천합니다. 로봇 연구 동향에 대해서 좀 더 가벼운 정보가 필요하시다면, IEEE Spectrum을 구독하시길 추천합니다.


12. 최근 둘째를 보신 석상옥 박사님과 김상배 교수님께 한 말씀 부탁 드립니다.

석상옥 박사님, 김상배 교수님 두분 다 MIT에 있을때 즐거운 시간 함께 보내신 분들입니다. 두분 덕분에 MIT에서의 연구 무사히 마치고 일리노이 대학으로 갈 수 있었던 것 같고요, 지금도 개인적으로 두분께 많은 도움을 받고 있습니다. 이 자리를 통하여, 감사한다고 꼭 말씀드리고 싶고요, 석상옥 박사님과 형수님에게는 둘째 출산 축하드린다고 말씀드리고 싶네요.
 

 

* 섭외 및 편집 : 정병규 (ariass@nate.com)

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|2017.02.21
15년도 치타로봇에 대한 내용을 흥미롭게 보았는데, 16년에 개선된 모습을 보니 너무 멋있습니다!!

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|2017.02.20
좋은 연구 감사합니다!

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|2017.02.20
역동적인 로봇 기대됩니다. 항공우주 쪽을 공부하고 있는 대학생입니다. 로봇이라고 꼭 지구 내에서 인간을 도우리라 생각되지 않습니다. 연구 결과를 통해 제 생각의 창을 넓혀 주신것 감사합니다. 좋은결과 기대하겠습니다~

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|2017.02.20
좋은 성과 이루시길 기원합니다.

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|2016.12.23
보행로봇이 100m 기록경기에 참가하는 장면을 그리면서 응원합니다.

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|2016.12.18
지금도 놀랍지만 앞으로가 더 기대됩니다. 잘 보고 갑니다!

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|2016.12.15
좋은 결과 기대합니다.

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|2016.04.05
무엇이 좋다라는 견해보다 각각의 가치가 있다라는 견해가 마음에 남습니다. 어려운 연구과정에서 각자의 가치를 다시금 생각 한다면 좋은 결과가 있을 거라는 생각이 듭니다. 그리고 본 인터뷰에서 처럼 이익을 떠나서 학문적으로나 기술적으로나 도움을 주고 받는 연구문화가 우리나라에서도 많이 있었으면 합니다.

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|2016.03.29
4족 보행을 하는 로봇이 이렇게나 개발되어있다는 것에 놀랐고 미래에는 움직이는 생명체같이 자연스러운 로봇이 개발되었으면 좋겠습니다...!!!!!!!!! 연구자인터뷰 많이 보내주세요..~ 이공계에 관심있는 학생에게는 큰 도움이 된답니다!!!!

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|2016.03.28
생명체에 대한 연구가 로봇 개발에 많은 도움이 된다는 것을 다시 한 번 느끼게 되네요.. 많은 이들이 유용하게 사용할 수 있는 플랫폼을 만들어 주시면 좋겠습니다.

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|2016.03.28
사람은 쉽게 걷고 장애물이 있어도 자연스럽게 피해가거나 넘어가거나, 또는 넘어지지 않게 순발력으로 대응하는데,,, 이를 알고리즘화 하고 검증하고 하는 연구들이 대단하다고 느껴집니다!! 언젠가는 사람보다 더 뛰어난 행동을 하는 로봇들도 나올 거라고 기대되네요! ㅎㅎ 재미있게 글 봤습니다!

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|2016.03.28
로봇이 자연스럽게 움직이는게 쉽지 않을텐데 엄청난 발전이 기대 됩니다! 좋은 결과 기대하겠습니다^^

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