[다리 로봇 리뷰 ①] 왜 로봇 다리를 연구할까? — 서론 및 2D 텔레스코픽(Telescopic)편

• 제목: Bridging the Gap to Bionic Motion: Challenges in Legged Robot Limb Unit Design, Modeling, and Control
• 저자: Junhui Zhang, Jinyuan Liu, Huaizhi Zong, Pengyuan Ji, Lizhou Fang, Yong Li, Huayong Yang, Bing Xu
• 소속: Zhejiang University (State Key Laboratory of Fluid Power and Mechatronic Systems)
• 저널: Cyborg and Bionic Systems, 2025;6:Article 0365
• 게재일: 2025년 8월 19일
• DOI: https://doi.org/10.34133/cbsystems.0365
• 논문 유형: Review Article (리뷰 논문)
• 오픈 액세스: CC BY 4.0 (누구나 자유롭게 열람 가능)  

 이 논문은 다리 로봇(Legged Robot), 그중에서도 외다리 로봇(Single-Legged Robot, SLR)의 구조 설계·모델링·제어 전략을 총정리한 서베이 논문입니다. 분량이 많아 아래와 같이 5편으로 나눠 정리합니다.

 

① 서론 + 텔레스코픽(Telescopic) 구조 

② 관절형(Articulated) 구조

③ 모델링 방법론 (SLIP / Articulated 모델)

④ 제어 전략 - Model-based

⑤ 제어 전략 - Model-free & 미래 전망

1. Introduction

 바퀴·궤도형 로봇은 진흙, 모래, 자갈 같은 험지에서 끼이거나 넘어지기 쉽다. 이런 한계 때문에 동물의 움직임에서 영감을 받은 '다리 로봇'이 주목받기 시작했다 다리 로봇은 굴곡진 지형이나 무른 땅에서도 장애물을 넘고 적응할 수 있어, 바퀴·궤도 로봇이 못하는 험지 임무를 수행할 수 있다. 최근 휴머노이드 로봇에 대한 관심 증가도 다리 로봇 연구를 가속화하는 요인이다.

바퀴/궤도형 로봇과 다리형 로봇은 상호 보완적이다.

 

 다리 로봇 설계에는 근본적인 딜레마가 있다. 가볍게 만들수록 좋지만(경량화), 동시에 충분한 힘을 낼 수 있어야 하고(하중 지지력), 착지 충격까지 버텨야 한다. 이 세 가지를 동시에 만족시키는 게 난제다.

경량화(Light weighting) <-> 하중 지지력(Load-bearing capacity) <-> 착지 충격(Impact mitigation) Trade-off가 존재

 다리 로봇은 자유도가 많아 바퀴 로봇보다 훨씬 복잡하다. 게다가 각 다리는 '땅을 딛는 순간'과 '공중에 뜬 순간'을 끊임없이 오가며 매 순간 다른 힘과 속도가 필요한데, 이걸 실시간으로 정밀하게 맞춰주는 게 제어의 핵심 난제다

 

 다족 로봇 전체를 만들고 분석하는 건 너무 복잡하다. 그래서 연구자들은 다리 하나만 떼어낸 '외다리 로봇(SLR)'을 연구한다. SLR의 호핑(hopping) 동작 하나가 다족 로봇의 다리 하나가 움직이는 방식을 그대로 보여주기 때문에, 복잡한 걸 단순화해서 핵심만 연구할 수 있는 좋은 실험 플랫폼인 셈이다

 

 이 논문은 SLR의 하드웨어 구조 → 모델링/제어 전략 → 미래 과제 → 결론 순으로 구성된다.

2. Hardware Structure of SLRs - Telescopic SLRs

 다리 로봇의 하드웨어는 두 가지 상반된 요구를 동시에 만족해야 한다: ① 흔들림 없이 버티는 강성, ② 착지 충격을 흡수하는 유연함. 이 균형을 어떻게 잡느냐에 따라 다리 구조는 크게  텔레스코픽형(telescopic) 과 관절형(articulated)으로 나뉜다.

 

 텔레스코픽형 SLR은 다리가 하나의 축을 따라 늘었다 줄었다 하며 점프하는 구조다. 공압 실린더나 스프링을 써서 간단하게 만들 수 있어서, 다리 로봇 연구 초창기에 가장 많이 쓰인 방식이다

 

 텔레스코픽형 SLR은 다리가 움직이는 방향(2D/3D)과 무게(200g 기준)에 따라 세 종류로 나뉜다: 2D 텔레스코픽, 3D 텔레스코픽, 그리고 초소형(마이크로) 텔레스코픽.

 

1) 2D telescopic SLRs

Fig2. 2D telescopic SLR

 

1. 최초의 구현 — Raibert의 호퍼 (1983년, 그림 2-1a)

 다리 로봇 연구의 출발점은 1983년 Raibert 교수가 개발한 로봇이다(그림 2의 (1a), "2D hopper"). 공압 실린더 두 개로 구동되는데, 하나는 다리의 각도(방향)를, 다른 하나는 다리 길이(늘고 줄어듦)를 담당했다. 이 로봇이 다리 로봇 연구의 시발점이 되었다.

2. 에너지 효율을 개선하자 — ARL Monopod I / II (그림 2-1b, 1c)

McGill Hopper 구조를 기반으로 Gregorio가 개발한 ARL Monopod I(그림 2의 (1b))은 전기모터 기반 다리 로봇의 가능성을 처음 입증했다(평균 소비전력 약 125W). 이후 Ahmadi와 Buehler가 고관절에 유연한 요소를 추가해 개선한 ARL Monopod II(그림 2의 (1c))는 소비전력을 48W까지 줄이면서 최고 속도(1.25 m/s)까지 함께 끌어올렸다.

핵심 교훈: 뻣뻣한 구조보다 적절히 유연한 구조가 에너지를 덜 쓴다.

3. "제어하기 쉬운 물리 모델에 가깝게 만들자" — Bow hopper / SLIP hopper (그림 2-1d, 1e)

 Zeglin이 개발한 Bow hopper(그림 2의 (1d))는 스프링 대신 활(bow) 형태의 탄성 구조를 써서, 로봇의 실제 움직임이 SLIP(스프링 장착 역진자)이라는 단순한 물리 모델에 더 가깝게 설계됐다. 이어서 Sato가 만든 SLIP hopper(그림 2의 (1e))는 이 단순 모델을 아예 그대로 따르도록 설계된 로봇이다. (SLIP 모델이 정확히 뭔지는 이후 모델링 편에서 자세히 다룬다.)

4. 실험실 평지가 아니라 실제 험지에서도 버티게 하자 — RLLH / FRANK (그림 2-1f, 1g)

Sheikh가 제안한 RLLH(재구성형 다리 길이 호퍼, 그림 2의 (1f))는 다리 길이를 유동적으로 조절해 다양한 지형에 적응한다. FRANK(그림 2의 (1g))는 착지 각도와 미끄러짐까지 실시간으로 감지·보정하는 피드백 제어를 갖췄다.

5. 스프링 자체를 새롭게 설계하자 — REBO hopper / TPU hopper (그림 2-1h, 1i)

Chen 등이 개발한 REBO hopper(그림 2의 (1h))는 오리가미 접이식 구조를 스프링처럼 활용한다. Lee 등의 TPU hopper(그림 2의 (1i))는 잡아당기면 오히려 옆으로 두꺼워지는 특이한 격자 구조(오세틱 구조)를 3D 프린팅으로 구현해, 일반 스프링 대비 35% 더 높은 에너지 저장 효율을 달성했다.

이런 접근을 통틀어 메타물질(metamaterial) 기반 설계라고 부른다 — 재료 자체보다는 구조(모양)를 설계해서 특이한 물성을 만들어내는 방식이다.

2D 텔레스코픽 SLR의 한계와 다음 단계

2D 텔레스코픽 구조는 단순하고 다루기 쉽다는 장점이 있지만, 다리가 한 평면 안에서만 움직이기 때문에 옆에서 오는 충격(측면 교란)에는 속수무책이라는 한계가 있다. 이를 극복하기 위해 연구는 자연스럽게 3D 텔레스코픽 SLR로 확장된다.