다중 모멘텀 관측기를 활용한 양발 로봇 접촉 상태 추정

초록

본 논문은 발에 별도의 접촉 센서를 부착하지 않고도 양발 로봇의 지면 접촉 여부를 정확히 판단하기 위해, 여러 가정의 동적 모델을 동시에 적용한 다중 모멘텀 관측기(Momentum Observer) 기반 방법을 제안한다. 각 모델은 서로 다른 접촉 조건(왼발 단일 지지, 오른발 단일 지지, 양발 동시 지지)을 가정하고, 관측된 외부 토크와 상대 속도 차이를 이용해 마르코프 방식으로 접촉 확률을 융합한다. 시뮬레이션에서는 98.44%의 정확도를, 실제 Sarcos Guardian XO 로봇 실험에서는 77.12%의 정확도를 달성하였다.

상세 분석

이 연구는 기존 접촉 센서 기반 방법이 갖는 물리적 손상, 지연, 비용 문제를 극복하고자, 로봇의 전역 동역학을 직접 활용하는 관측 기반 접근법을 채택한다. 핵심 아이디어는 로봇의 베이스를 관성 프레임으로 가정하지 않고, 실제 지면을 관성 프레임으로 삼아 각 발이 고정된 상태를 가정한 제약식으로 자유도(DoF)를 감소시키는 것이다. 이를 위해 저자들은 일반화된 모멘텀 p = M·q̇의 시간 변화율을 이용해 외부 토크 τ_ext를 추정하는 모멘텀 관측기 공식을 도출하고, 제약된 동역학(식 7)으로부터 각 접촉 가정별 reduced‑order 모델(M_i, C_i, G_i 등)을 얻는다.

각 모델마다 독립적인 모멘텀 관측기를 운영하면서, 관측된 모멘텀과 예측 모멘텀의 차이(p_i − p̂_i)를 K_O 이득으로 확대해 외부 토크 추정값 τ̂_i,ext를 산출한다. 단일 지지 단계에서는 실제 접촉 발에 대한 τ̂_i,ext가 거의 0에 가깝고, 비활성 발은 큰 토크를 보인다. 양발 동시 지지 시에는 두 모델 모두 비슷한 수준의 토크를 반환한다. 이러한 토크 패턴을 확률적 마르코프 모델에 입력해 각 접촉 모드의 사후 확률을 계산한다.

또한, 관측된 외부 토크만으로는 발이 떠오르는(lift‑off) 순간을 포착하기 어려우므로, 두 발 사이의 상대 속도 v_rel = (A_l − A_r)·q̇ 를 추가적인 지표로 활용한다. v_rel이 0에 가까우면 양발이 동시에 지면에 고정된 것으로 판단하고, 비제로가 되면 한 발이 이탈했음을 감지한다. 이러한 이중 신호(외부 토크와 상대 속도)를 마르코프 융합에 포함시킴으로써, 접촉 전이 이벤트를 저지연으로 탐지할 수 있다.

실험에서는 저노이즈 시뮬레이션 환경에서 98.44%의 정확도를 기록했으며, 실제 Sarcos Guardian XO 로봇(다리 질량이 전체 질량의 약 50%에 해당)에서 77.12%의 정확도를 달성하였다. 정확도 차이는 실제 센서 노이즈, 모델 파라미터 불확실성, 지면 거칠기 등 현실적인 요인에 기인한다. 그러나 센서 추가 없이도 충분히 높은 정확도를 확보함으로써, 기존 하드웨어 의존형 방법 대비 비용·내구성·범용성 측면에서 큰 장점을 제공한다.

이 논문의 주요 기여는 (1) 베이스를 관성 프레임으로 가정하지 않는 다중 모델 기반 동역학 축소 기법, (2) 각 모델별 모멘텀 관측기를 통한 외부 토크 실시간 추정, (3) 외부 토크와 발 간 상대 속도를 결합한 마르코프 확률 융합 프레임워크이다. 이러한 접근은 대형 양발 로봇뿐 아니라, 다리 질량이 무시할 수 없을 정도로 큰 모든 레그드 로봇에 적용 가능하며, 향후 고속·동적 보행, 비정형 지면, 혹은 외부 교란 상황에서도 견고한 접촉 인식을 지원할 것으로 기대된다.