가상 캐릭터와 로봇 접촉을 통한 몰입형 사회 신체 인터랙션

초록

본 논문은 로봇 매니퓰레이터와 교체 가능한 물리적 프롭을 이용해 가상 현실(VR) 내에서 가상 캐릭터와의 물리적 접촉을 구현한 ETHOS 플랫폼을 소개한다. 객체 전달, 주먹 인사, 하이파이브 세 가지 사회‑신체 상호작용을 실험하고, 정적 물리성(SP)과 동적 물리성(DP) 두 제어 방식을 비교한다. 공간 정밀도 5.09 mm, 지연 28 ms 수준을 달성했으며, 55명 대상 사용자 연구에서 물리적 피드백이 존재감·현실감·사회적 연결성을 유의미하게 향상시킴을 확인하였다.

상세 분석

ETHOS는 7자유도 토크 제어형 LBR iiwa 로봇을 기반으로 하여, 교체 가능한 프롭(핸드오버용 배턴, 실리콘 주먹, 실리콘 손바닥)을 장착하고, 메타 퀘스트 3 HMD와 Unity 기반 가상 환경을 실시간으로 동기화한다. 물리‑가상 정합은 ChArUco 마커를 이용한 6‑DoF 등록으로 수행되며, UDP 통신을 통해 로봇 상태와 사용자 손 위치를 양방향 전송한다. 기술적 평가에서는 평균 위치 오차 5.09 mm ± 0.94 mm와 평균 지연 28.58 ms ± 31.21 ms를 기록했는데, 이는 인간이 감지하기 어려운 수준의 오차와 지연이다. 특히, 정적 물리성(SP)은 프롭을 고정시켜 사용자가 로봇 움직임 없이 접촉만 경험하도록 하고, 동적 물리성(DP)은 로봇이 실제 충격력을 가해 ‘자연스러운’ 접촉을 재현한다. 두 방식 모두 존재감(Presence)과 현실감(Realism) 점수에서 비물리적 조건(NP)보다 유의미하게 높은 결과를 보였으며, SP와 DP 사이의 차이는 통계적으로 유의미하지 않았다. 이는 현재 로봇의 동적 충격 구현이 사용자가 기대하는 ‘동적’ 감각을 충분히 전달하지 못했을 가능성을 시사한다. 또, 물리적 피드백이 사회적 연결성(Social Connection) 점수에도 긍정적 영향을 미쳐, 물리적 접촉이 사회적 의미를 강화한다는 HRI 연구와 일치한다. 한계점으로는 로봇이 시야에서 완전히 가려지지만, 마커 기반 정합에 의한 작은 오차가 고정된 프롭과 가상 캐릭터 간의 일관성을 저해할 수 있다. 향후 연구에서는 고속 비전 기반 트래킹이나 머신러닝 기반 보정으로 정합 정확도를 향상시키고, 충격 파형을 다변화해 DP의 차별성을 강화할 필요가 있다.