추력은 직접 측정하기 어렵기 때문에 일반적으로 온보드 센서에서 수집한 데이터를 기반으로 추정된다. IIT 팀은 최근 추력 측정 센서가 장착되지 않은 비행 다물체 시스템의 추력 강도를 추정할 수 있는 새로운 프레임워크를 도입했다. IEEE Robotics and Automation Letters에 발표된 논문에 발표된 이 프레임워크는 궁극적으로 그들이 상상한 비행 휴머노이드 로봇을 실현하는 데 도움이 될 수 있다.

 

연구를 수행한 인공 및 기계 지능 연구소의 다니엘레 푸치(Daniele Pucci) 소장은 TechXplore에 "하늘을 나는 인간형 로봇을 만드는 우리의 초기 아이디어는 2016년경에 나왔다."고 말했다. "주된 목적은 재난과 같은 시나리오에서 작동할 수 있는 로봇을 구상하는 것이었다. 여기서 생존자가 부분적으로 파괴된 건물 내부에서 구조될 수 있고 이러한 건물은 주변의 잠재적인 홍수와 화재로 인해 도달하기 어렵다."

 

Pucci와 그의 동료들의 최근 연구의 주요 목표는 물체를 조작하고 땅을 걷고 날 수 있는 로봇을 고안하는 것이었다. 많은 휴머노이드 로봇이 물체를 조작하고 지상에서 이동할 수 있기 때문에 팀은 완전히 새로운 로봇 구조를 개발하기 보다는 인간형 로봇의 기능을 비행을 포함하도록 확장하기로 결정했다.

 

Pucci는 "비행 능력이 제공되면 휴머노이드 로봇은 파편, 화재 및 홍수를 피하면서 한 건물에서 다른 건물로 날아갈 수 있다"고 말했다. "착륙 후 물체를 조작하여 문을 열고 가스 밸브를 닫거나, 예를 들어 화재나 자연 재해의 생존자를 찾는 실내 검사를 위해 건물 안으로 걸어 들어갈 수 있다."

 

 

처음에 Pucci와 그의 동료들은 IIT에서 만든 유명한 휴머노이드 로봇인 iCub에 한 발로 서 있는 것과 같이 땅에서 몸의 균형을 잡을 수 있는 기능을 제공하려고 했다. 이를 달성한 후 그들은 로봇의 이동 기술을 확장하여 하늘을 날고 이동할 수 있도록 하는 작업을 시작했다. 연구팀은 그들이 집중하고 있는 연구 분야를 '항공 휴머노이드 로봇 공학'이라고 부른다.

 

"우리가 아는 한, 우리는 인간형 로봇 비행에 대한 첫 번째 작업을 제작했다."라고 Pucci가 말했다. "그 논문은 분명히 시뮬레이션 환경에서만 비행 컨트롤러를 테스트하고 있었지만, 유망한 결과를 감안할 때 우리는 최신 논문에서 제시된 최초의 제트 동력 인간형 로봇인 iRonCub를 설계하는 여정에 착수했다."

 

연구원들이 만든 추력 추정 프레임워크는 로봇을 추진하는 각 제트 엔진에 힘 센서를 설치할 필요가 없기 때문에 비행 로봇의 설계를 크게 단순화하고 제조 비용을 줄인다. 힘 센서 데이터를 사용하여 추력을 추정하는 대신 프레임워크는 두 가지 정보 소스를 단일 추정 프로세스로 결합한다.

 

iRonCub 로봇. 이미지 출처: Istituto Italiano di Tecnologia. 

 

프레임워크에서 사용하는 정보의 첫 번째 소스는 제트 엔진에 전송된 명령과 결과 추력을 연결하는 모델에서 파생된다. 이것은 연구원들이 수집한 데이터로 훈련된 데이터 기반 모델이다.

 

"우리는 먼저 제트 엔진을 배치하고 실험을 안전하게 실행할 수 있는 내화 및 방탄 챔버처럼 보이는 임시 실험 설정을 구축했다."라고 Pucci가 말했다. "그런 다음 이 설정을 사용하여 제트 엔진에서 입력/출력 데이터를 수집하고 엔진이 어떻게 작동하는지 설명하는 모델을 선택했다. 이를 위해 우리는 이전 작업 중 하나를 기반으로 했다."

 

추력을 추정하기 위해 팀의 프레임워크에서 사용하는 두 번째 정보 소스는 전체 로봇의 소위 '중심 운동량'이다. 이것은 로봇 공학자가 움직임을 제어하고 추정하기 위해 휴머노이드 시스템을 개발하는 데 사용하는 유명한 값이다.

 

"예를 들어, 이 값을 적절히 사용하면 절벽에서 뛰어내리는 다이버의 동작을 특성화할 수 있다."라고 Pucci가 말했다. "즉, 이륙 전후에 로봇 동작의 원인(예: 추력)과 효과(예: 이륙 시 수직 가속도)를 연관시키는 데 사용할 수 있다."

 

iRonCub을 개발한 팀. 이미지 출처: Istituto Italiano di Tecnologia. 

 

개별적으로 사용하는 경우 팀의 프레임워크에서 사용하는 두 정보 소스 모두 상당한 제한이 있다. 예를 들어, 그들이 사용한 데이터 기반 모델은 제트 엔진이 항상 똑같은 방식으로 작동하는 경우에만 추력을 정확하게 추정할 수 있었다. 그러나 제트 엔진은 다양한 환경 요인에 따라 다르게 작동할 수 있다.

 

"반면에 두 번째 접근 방식은 내부 제트기 정보를 사용하지 않는다."라고 Pucci가 말했다. "그래서 우리는 칼만 필터링을 사용하여 두 접근 방식을 결합하여 개별적인 단점을 극복했다. 특히 우리의 추정 접근 방식은 비행하는 휴머노이드 로봇의 특성과 무관하며 비행 다물체 로봇용으로 설계된 비행 컨트롤러에 사용할 수 있다."

 

프레임워크의 효율성을 평가하기 위해 Pucci와 그의 동료들은 통합 제트 엔진이 있는 iCub 로봇의 진화인 iRonCub이라는 새로 개발된 로봇에서 이를 테스트했다. 팀은 이 로봇에 대해 한동안 작업해 왔지만 최근에야 전체 기능 세트를 시연할 수 있었다.

 

"제트 구동 로봇을 다루는 것은 쉬운 일이 아니다. 제트 공기 온도가 섭씨 700도에 도달할 수 있고 공기 속도가 약 1800km/h로 흐를 수 있는 초음속 특성을 가질 수 있기 때문이다."라고 Pucci가 설명했다. "이러한 이유로 우리는 iRonCub와 함께 안전하게 작업할 수 있는 엄격한 실험 절차와 프로토콜을 개발했다. 이러한 측면에서 우리 연구팀은 고전 로봇 연구와 관련이 있는 것과는 거리가 멀고 항공전자."

 

연구원들은 지금까지 인간형 로봇 iRonCub에서 추력 추정 프레임워크만 테스트했지만 신체 구조가 다른 다른 비행 로봇에도 적용될 수 있다. 여기에는 재구성 가능한 비행 로봇, 특정 작업을 수행하기 위해 모양이나 구성을 변경할 수 있는 시스템이 포함된다.

 

"추력을 추정하는 문제는 어떤 경우에도 성공적인 비행을 위해 중추적이다."라고 Pucci가 말했다. "게다가 재난과 같은 시나리오에서 인간형 비행 로봇의 미래적 응용 외에도 우리의 작업은 제트 동력 비행 상자를 포함하여 비행 인간형 로봇보다 단순한 설계에 적용될 수 있다고 믿는다."

 

제트 동력 비행 상자에 적용하면 연구원이 개발한 추력 추정 프레임워크는 식품 및 의약품을 포함한 원격 위치에서 다양한 제품을 배달할 수 있는 새로운 기회를 열 수 있다. EU로부터 자금을 지원받는 경우 또는 과학적 기초, Pucci와 그의 동료들은 이 가능한 응용 프로그램을 더 깊이 탐구하고 싶다.

 

한편, 팀은 비행 능력에 중점을 둔 iRonCub에 대한 작업을 계속할 계획이다. 그들의 희망은 궁극적으로 지상 및 공중 이동이 모두 가능한 최초의 안정적이고 고성능의 휴머노이드 로봇을 제공하는 것이다.

 

"우리 연구실에는 휴머노이드 로봇과 관련된 다양한 주제를 다루는 여러 연구팀이 있다."라고 Pucci가 말했다. "iRonCub 팀은 공중 휴머노이드 로봇 공학의 장기, 중기 및 단기 연구 방향에 집중하고 있다. 장기적으로 우리 팀의 두 연구원인 Antonello Paolino와 Fabio Di Natale은 로봇 공기 역학을 iRonCub 비행 제어에 통합하기 위한 전산 유체 역학 모델을 조사하고 있다. 반면에 Fabio Bergonti는 로봇이 변압기인 것처럼 주변 공기 역학에 따라 모양을 조정하는 미래형 비행 인간형 로봇의 제어 아키텍처에 이러한 모델을 통합하는 데 중점을 둘 것이다."

 

중기 연구 목표로 Pucci의 동료 Affaf Momin과 Hosameldin Awadalla는 인공지능(AI)과 데이터 기반 계산 도구를 사용하여 만든 추력 추정 프레임워크를 개선할 계획이다. 그 후 동료인 Giuseppe L'Erario는 로봇의 걷기, 조작, 달리기, 이륙 및 수평 비행 전략을 통합하는 컨트롤러에 이러한 알고리즘을 통합하는 데 중점을 둘 것이다.

 

"마지막으로, Punith Reddy는 단기 목표로 iRonCub을 연결 해제하는 데 중점을 둘 것이다."라고 Pucci가 덧붙였다. "실험 수준에서 우리의 iRonCub 스크럼 마스터인 Gabriele Nava는 수직 이착륙으로 구성된 첫 번째 성공적인 iRonCub 비행을 위한 모든 통합 활동을 처리하는 데 집중하고 있다. 이 후자의 단기 계획은 매우 도전적이지만 저는 조만간 이 중요한 이정표를 달성할 수 있는 충분한 지식과 의지가 있다고 믿는다."