로봇 다리가 잔디 위에서도 흔들림 없이 걷는다면?
‘적응형 분수차 제어기’가 만든 미래의 한 걸음
걷는 로봇, 재활용 외골격, 인간과 협동하는 로봇 팔. 이들이 울퉁불퉁한 바닥 위에서도 안정적으로 움직이려면 단순한 ‘힘’만으로는 부족하다.
움직임에 맞춰 탄력적으로 반응하는 ‘근육 같은 관절’이 필요하다.
이 논문은 그 관절의 핵심 기술인 회전형 직렬 탄성 액추에이터(RSEA)에 적용할 새로운 제어기,
적응형 분수차 하이브리드 임피던스 제어기(AFHI Controller)를 제안한다.
본론: 흔들리지 않는 로봇 관절의 비밀
탄성이 생명이다 – RSEA란?
직렬 탄성 액추에이터(SEA)는 로봇의 모터와 관절 사이에 스프링을 넣어 충격을 흡수하는 방식이다.
특히 회전형 RSEA는 로봇 다리처럼 회전 운동을 필요로 하는 곳에 쓰인다.
문제는 바닥이 ‘단단한 콘크리트’일지 ‘푹신한 잔디’일지 예측할 수 없다는 것.
기존 제어 방식으로는 이런 다양한 조건에 제대로 반응하지 못했다.
그래서 나온 해법 – AFH-IC
연구진은 기존의 제어 방식들을 조합하고, 여기에 분수차 제어(Fractional-order control)와 퍼지 적응 알고리즘(Fuzzy Adaptive Logic)을 얹었다.
그 결과 만들어진 것이 AFH-IC (Adaptive Fractional Hybrid Impedance Control).
핵심 구성은 다음과 같다:
- 분수차 제어: 미분·적분을 소수점 단위로 계산해 더 정밀하게 움직임 제어
- 퍼지 제어: 환경의 딱딱함(hardness) 등을 감지해 실시간으로 제어 변수 조정
- 입자군 최적화(PSO): 제어 파라미터를 자동으로 튜닝해 최적 성능 유지
실험: 잔디, 카펫, 바닥 위를 걸어보자
로봇 관절에 RSEA를 달고, 그 아래에 세 가지 지면을 뒀다:
- 단단한 바닥(hard)
- 중간 강도 카펫(medium)
- 말랑한 잔디(soft)
그 위에서 다양한 회전과 힘을 테스트했다.
그 결과는?
AFH-IC는 기존 제어기보다 최대 18% 더 정밀한 힘 제어와 11% 더 정확한 위치 추적을 보여줬다.
AFH-IC, 뭐가 다른가?
기존 제어기 vs AFH-IC
| 제어기 종류 | 위치 RMSE 감소율 | 토크 RMSE 감소율 |
| ----------------------- | ----------- | ----------- |
| AFH-IC vs HI (기본형) | 11.38% 개선 | 18.15% 개선 |
| AFH-IC vs FHI (기존 분수차형) | 6.03% 개선 | 9.26% 개선 |
기존 방식(MPC, SMC)에 비해 계산이 훨씬 빠르고, 고빈도 진동 없이 부드럽게 반응한다는 점도 장점이다.
실시간 적응 – 환경을 스스로 읽는다
AFH-IC는 지면이 단단해지거나 부드러워지는 걸 자동 감지해 분수차 제어 파라미터(α, β, γ)를 조절한다.
퍼지 로직으로 만든 제어 규칙은 다음과 같다:
“지면이 부드럽고 변화가 느리면, 제어 반응을 천천히 하라”
“지면이 단단하고 변화가 급하면, 민감하게 반응하라”
결과적으로 로봇은 환경에 ‘적응’하며 부드럽게 움직이게 된다.
결론: 사람처럼 걷는 로봇의 발판
이 논문은 단순히 제어 알고리즘 하나를 제안한 게 아니다.
사람처럼 ‘지면을 읽고 반응하는’ 로봇 관절의 시작을 보여준 것이다.
- 인간과의 협업
- 재활 로봇
- 야외 순찰 로봇
- 외골격 보조기기 등
다양한 응용 분야에서 이 제어기는 충격 흡수와 정밀 제어를 동시에 만족시킬 수 있다.
앞으로 이 기술은 다관절 로봇, 드론 암, 착용형 로봇 등으로 확장될 수 있다.
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키워드:
#RSEA #임피던스제어 #분수차제어 #퍼지로직 #로봇제어기술
출처 논문:*
Özdemir, M., & Bingül, Z. *Adaptive Fractional Hybrid Impedance Control of Rotary Series Elastic Actuator in Flat Terrains*. Advanced Intelligent Systems, 2025.