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AthenaZero: A low-inertia, bimanual robot for dynamic manipulation

AthenaZero는 준직접 구동 방식(quasi-direct drive actuation)과 전동기 원격 배치(transmission remotization)를 활용하여 인간 수준의 엔드포인트 질량과 토크 투명성을 달 achieve함으로써, 30 m/s를 초과하는 속도로 투구, 포구, 타격과 같은 고속의 역동적인 야구 과업을 성공적으로 수행할 수 있도록 설계된 혁신적인 저관성 양팔 로봇이다.

원저자: Andrew S. Morgan, Gregory Xie, Capprin Bass, Rachel Thomasson, Chunpeng Wang, Erfan Shahriari, Harrison Busa, Oluwaseun Araromi, Joseph Aronov, Michael Burgess, Velin D. Dimitrov, Matthew A. Estrada

게시일 2026-09-18

📖 5 분 읽기🧠 심층 분석

CC BY 4.0

원저자: Andrew S. Morgan, Gregory Xie, Capprin Bass, Rachel Thomasson, Chunpeng Wang, Erfan Shahriari, Harrison Busa, Oluwaseun Araromi, Joseph Aronov, Michael Burgess, Velin D. Dimitrov, Matthew A. Estrada, Faris Hamdi, Samuel Kendig, Taeyoon Lee, Jose Oscar Mur-Miranda, Emma Sommers, Paul Titchener, Margaret Wang, Achu Wilson, Mark Yeatman, Osman Dogan Yirmibesoglu, Alfred A. Rizzi, Annan Mozeika, Nicolas Rojas, Lael Odhner

원본 논문은 CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ✨ 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기

수십 년 동안 로봇 공학 분야는 두 개의 뚜렷한 진영으로 나뉘어 있었습니다. 한쪽에서는 연구자들이 놀라운 속도와 민첩성을 가진 기계를 제작해 왔지만, 이들은 오직 지면 위를 걷거나 달릴 때만 그러했습니다. 이 기계들은 근육이 움직이는 것만큼이나 운동량과 균형이 중요하다는 점을 고려하여, 신체를 역동적인 시스템으로 취급함으로써 달리기, 등반, 심지어 곡예까지 학습했습니다. 다른 한쪽에서는 물체를 집어 옮기도록 설계된 기계들이 대체로 정적인 상태에 머물러 있었습니다. 이들은 단단하고 무거우며 정밀하게 만들어졌는데, 이러한 강성은 공장에서는 안전하게 위치를 유지하게 해주지만, 예측 불가능한 세상과 상호작면할 때는 서투르게 만듭니다. 이 기계들은 무거운 부품들이 빠른 방향 전환을 방해하기 때문에 느리게 움직이며, 만약 무언가와 부딪힌다면 부드러운 손길이 아니라 떨어지는 벽돌과 같은 충격력을 가하게 됩니다. 이러한 격차는 과학자들로 하여금 로봇이 특히 눈 깜짝할 사이에 일어나는 작업들과 관련하여 어떻게 생명체처럼 역동적으로 세상과 상호작용할 수 있는지 연구할 도구를 갖지 못하게 만들었습니다.

매사추세츠주 케임브리지에 위치한 RAI 연구소의 연구팀은 ATHENAZERO라는 새로운 로봇을 통해 이 간극을 메우고자 했습니다. 팀의 목표는 인간 운동선수와 같은 속도와 유연함으로 공을 던지고, 받고, 치는 것이 가능한 두 팔을 가진 기계를 만드는 것이었습니다. 이를 위해 그들은 근본적인 문제를 해결해야 했습니다. 대부분의 로봇은 끝부분이 너무 무거워 물건을 부수지 않고는 빠르게 움직일 수 없다는 점입니다. 연구진은 로봇을 진정으로 역동적으로 만들기 위해서는, 로봇이 세상에 닿을 때 인간의 팔처럼 가볍게 느껴지면서도 야구 배트를 다룰 수 있을 만큼 충분히 강해야 한다는 것을 깨달았습니다. 그들은 접촉 지점에서의 무게가 인간의 팔과 비슷한 수준인 기계를 만드는 데 성공했으며, 이를 통해 로봇이 충격에 반응하고 밀리초 단위로 방향을 바꿀 수 있게 했습니다. 이는 오랫동안 기계적 시스템보다는 생물학적 시스템의 영역이었습니다.

이 성취의 핵심은 로봇이 어떻게 구축되었느냐에 있습니다. 전통적인 산업용 로봇은 자전거가 언덕을 오르기 쉽게 하기 위해 기어를 사용하는 것처럼, 모터의 힘을 증폭하기 위해 기어를 사용합니다. 이것은 로봇을 강하게 만들지만, 동시에 무거운 모터 부품들이 외부 세계에 훨씬 더 무겁게 느껴지게 하여 로бot이 움직일 때 둔탁하고 무거운 느낌을 줍니다. ATHENAZERO 팀은 이 방식을 거부했습니다. 대신, 그들은 모터를 로봇 몸체의 중심부에 가깝게 배치하고, 긴 효율적인 벨트와 케이블로 움직이는 팔에 연결하는 설계를 사용했습니다. '전달 장치 원위치화(transmission remotization)'라고 알려진 이 기술은 무거운 모터가 팔 끝에서 휘둘러지는 것을 방 ngăn합니다. 또한, 그들은 움직임을 늦추는 무거운 기어를 피하고, 로봇이 자유롭게 움직이고 촉감이 가볍게 느껴질 수 있도록 직접 연결 방식을 선택했습니다. 그 결과, 손끝에서 느껴지는 무게가 인간의 팔과 비슷한 약 3kg 정도인 기계가 탄생했습니다. 반면 대부분의 상업용 로봇은 이보다 10배나 더 무겁게 느껴집니다.

이 설계가 효과적임을 증명하기 위해, 연구진은 표준적인 로бо트라면 불가능했을 일련의 테스트를 ATHENAZERO에게 수행하게 했습니다. 그들은 로봇이 공을 주고받고 치는 시나리오를 설정했는데, 이는 찰나의 타이밍과 갑작스러운 충격을 흡수하는 능력을 요구하는 작업들입니다. 한 실험에서 로봇은 초속 30미터를 넘는 속도로 야구공을 던졌습니다. 또 다른 실험에서는 비슷한 속도로 날아오는 공을 잡았는데, 물체를 떨어뜨리지 않고 확보하기 위해 0.5초도 안 되는 시간 내에 움켜쥐는 힘과 팔의 위치를 조절했습니다. 연구팀은 또한 로봇이 배트를 들고 테니스 공을 치게 했는데, 이는 고속으로 휘두르는 동안 두 팔이 완벽한 조화를 이루며 함께 작동해야 하는 작업입니다. 로봇은 공이 무작위로 날아올 때도 80% 이상의 성공률로 공을 쳤으며, 이는 로봇이 도전에 맞서 실시간으로 움직임을 조정할 수 있음을 입증했습니다.

이 테스트의 성공은 ATHENAZERO와 이전의 로봇들 사이의 결정적인 차이를 보여줍니다. 무거운 로봇이 공을 치면, 로봇이 힘에 순응하지 못하기 때문에 충격으로 인해 공이 통제 불능 상태로 날아가 버리는 경우가 많습니다. 반면 ATHENAZERO는 충격을 흡수하고 에너지를 부드럽게 재지향할 수 있을 만큼 가볍습니다. 연구진은 진자가 로봇의 팔 위로 떨어졌을 때, 로봇이 충격에 따라 움직여 진자가 계속 전진할 수 있도록 하는 것을 발견했습니다. 표준적인 상업용 로봇으로 동일한 실험을 했을 때, 무거운 팔이 진자를 멈춰 세워 뒤로 튕겨 나가게 했습니다. 힘에 저항하기보다 힘에 순응하는 이 능력은 ATHENAZERO가 고속으로 움직일 때조차 자연스럽고 안전하게 세상과 상호작용할 수 있게 해주는 핵심입니다.

연구진은 이 설계에 수반되는 절충안을 숨기지 않았습니다. 로봇을 매우 가볍고 반응성이 좋게 만듦으로써, 무거운 물체를 오랫동안 완벽하게 고정하는 능력은 일부 희생되었습니다. 표준적인 로봇은 무겁고 딱딱한 기어에 의존하여 무게를 제자리에 고정할 수 있지만, ATHENAZERO는 그럴 수 없습니다. 새 로봇은 위치를 유지하기 위해 무겁고 뻣뻣한 기어 대신 소프트웨어와 빠른 모터에 의존하기 때문입니다. 그러나 연구팀은 이러한 제한이 자신들이 탐구하는 역동적인 작업들에는 수용 가능한 수준이라고 주장합니다. 그들은 로봇이 여전히 인간이 할 수 있는 수준인 약 2kg의 무게를 들어 올리고 유지할 수 있음을 보여주었으며, 속도와 민첩성이 정적인 유지력의 필요성보다 많은 실제 상황에서 훨씬 더 중요하다는 것을 입증했습니다.

이 연구의 함의는 단순히 공을 가지고 노는 것 이상입니다. 연구진은 로봇이 인간과 같은 역동적인 범위를 가지고 움직일 수 있게 구축함으로써, 새로운 차원의 상호작용의 문을 열고 있다고 제안합니다. 로봇이 가볍게 느껴지고 빠르게 반응할 수 있다면, 스포츠 경기장이나 분주한 작업장처럼 예측 불가능하고 빠른 환경에서 사람과 함께 일할 수 있습니다. 팀은 사람이 로봇과 공을 주고받는 모습을 통해 이를 입증했으며, 기계가 인간의 던지는 스타일과 타이밍에 적응할 수 있음을 보여주었습니다. 낮은 관성과 높은 제어력을 우선시하는 설계를 바탕으로 한 이러한 적응력은, 로봇 공학의 미래가 더 강하거나 더 단단한 기계를 만드는 것이 아니라, 더 가볍고, 더 빠르며, 주변 세상에 더 민감하게 반응하는 기계를 만드는 데 있을 수 있음을 시사합니다.

결국, ATHENAZERO는 과거의 무겁고 느린 로봇만이 유일한 길은 아니라는 것을 보여주는 개념 증명입니다. 모터와 팔이 연결되는 기본 구조를 재고함으로써, 연구진은 초속 30미터로 공을 던지고, 순식간에 공을 잡으며, 배트로 정밀하게 공을 칠 수 있는 기계를 만들어냈습니다. 이것은 단순한 공학적 성취를 넘어, 로봇이 마침내 자신들이 보조하도록 설계된 생명체와 같은 역동적인 자유를 가지고 움직일 수 있음을 보여주는 증거입니다. 이 연구는 불필요한 무게와 뻣뻣함을 제거했을 때, 로봇이 단순히 기능적인 움직임을 넘어 진정으로 운동 능력을 갖춘 방식으로 움직일 수 있음을 보여줍니다.

기술 요약: ATHENAZERO – 동적 조작을 위한 저관성 양손 로봇

문제 정의

로봇 조작 분야는 학습 기반 제어 및 인지 알고리즘 측면에서 급격한 발전을 이루었으나, 하드웨어 개발은 이에 미치지 못해 연구자들이 수십 년 전에 설계된 상용 플랫폼에 의존하는 상황이 지속되고 있다. 이러한 전통적인 매니퓰레이터(협동 로봇 포함)는 위치 정밀도와 정적 유지 토크를 확보하기 위해 일반적으로 높은 감속비(≥80:1)의 기어 감속기를 사용한다. 그러나 이러한 설계 패러다임은 시스템의 **반사 관성(reflected inertia)**을 급격히 증가시킨다(감속비의 제곱 $N^2$ 에 비례하여 증가).

가벼운 물체와 접촉하는 동적 작업에서, 높은 유효 질량은 상호작용 역학의 불일치를 초래한다. 고관성 로봇이 가벼운 물체와 충돌할 때, 이는 과도한 접촉력을 전달하여 물체가 통제 불능으로 가속되거나 튕겨 나가게 만든다. SEA(Series Elastic Actuation)나 힘 피드백과 같은 방식이 유효 질량을 "숨기기" 위해 사용되어 왔으나, 이들은 트레이드오프를 수반한다. 즉, 컴플라이언스(순응성)는 제어 대역폭을 제한하며, 피드백 기반의 관성 감소는 반응적(충돌 후에만 발생)이며 이론적으로 안정성 제약에 의해 한계가 있다. 본 논문은 근본적인 해결책이 관성을 숨기는 것이 아니라, 인간의 생체 역학적 기준에 맞춰 매니퓰레이터의 유효 질량을 물리적으로 최소화하는 것이라고 주장한다. 이를 통해 복잡한 컴플라이언스나 반응적 피드백에만 의존하지 않고도 높은 대역폭의 동적 상호작용을 가능하게 한다.

방법론 및 설계

저자들은 관성을 최소화하면서 제어 권한을 극대화하도록 설계된 양손 매니퓰레이터인 ATHENAZERO를 소개한다. 이 설계는 최소화된 유효 질량과 현실적인 페이로드 능력( $\ge$ 3 kg) 사이의 균형을 맞춘 로봇이 높은 대역폭의 동적 성능을 달ей 수 있다는 전제에 기반한다.

1. 구동 및 전달 전략

준직구동 (Quasi-Direct Drive, QDD): 고감속 기어박스 대신, ATHENAZERO는 낮은 감속비(5:1에서 약 10.6:1 범위)를 가진 커스-메이드 QDD 액추에이터를 사용한다. 이는 로터 관성의 증폭을 최소화한다.
전달부 원위부 배치 (Transmission Remotization): 원위부 질량을 더욱 줄이기 위해 액추에이터를 로봇의 질량 중심부로 재배치하였다.
- 어깨 (Shoulder): 세 개의 95 mm 모터가 관절에 병렬 배치된다.
- 팔꿈치 (Elbow): 굴곡(flexion) 모터(95 mm)는 벨트 드라이브를 통해 근위부로 배치되며, 회내(pronation) 모터(76 mm)는 관절 위치에 유지된다.
- 손목 (Wrist): 2자유도 병렬 메커니즘을 통해 두 개의 38 mm 모터를 팔꿈치 접합부로 원위 배치한다.
- 손 (Hands): 세 개의 25 mm 모터는 몸체에 배치되며, 보덴 케이블(Bowden cables)을 통해 손가락에 힘을 전달한다.
토크 센싱: 외부 스트레인 게이지 토크 센서를 배제하는 대신, QDD 전달의 높은 효율( $\ge$ 97%)과 낮은 마찰을 활용하여 모터 드라이버의 q-축 전류 측정을 통해 관절 토크를 추정한다.

2. 제어 아키텍처

제어 시스템은 EtherCAT 버스를 통해 1 kHz 실시간 루프에서 동작한다.

계층 구조: 아키텍처는 모터 드라이브(CSP 모드), 코어 런타임(안전 및 변환), 모듈형 제어(태스크별 블록), 그리고 플래닝/오케스트레이션 계층을 포함한다.
임피던스 제어: 시스템은 임피던스를 조절하기 위해 운용 공간 제어(Operational Space Control, OSC)를 활용한다. 이를 통해 딱딱하고 빠른 자유 공간 운동과 컴플리언트한 상호작용 사이를 매끄럽게 전환할 수 있다.
동적 모델링: 궤적 생성에는 링크 관성, 액추에이터 반사 관성 및 마찰을 고려한 교정된 동적 모델을 사용하여 SNOPT를 이용한 직접 콜로케이션(direct collocation) 최계화를 수행한다.

3. 설계 트레이드오프

저자들은 관성을 최소화하고 고감속 기어를 제거하는 것이 정적 유지 토크와 수동적 기계적 강성을 희생한다는 점을 명시적으로 인정한다. 이 시스템은 완전 확장 상태에서 무거운 페이로드를 무기한 정적으로 유지하도록 설계된 것이 아니다. 대신, 현대의 저지연 피드백을 통해 구현 가능한 능동 제어 및 계산을 사용하여 임피던스를 조절하는 것을 우선시하며, 이를 통해 동적 성능을 극대화한다.

주요 결과

유효 질량 분석

주요 상용 로봇(Franka FR3, UR5e, KUKA iiwa 14) 및 Barrett WAM과의 비교 분석 결과는 다음과 같다:

규모: ATHENAZERO는 인간의 팔(~2.76 kg)과 유사한 수준의 유효 엔드포인트 질량을 달성하였으며, 이는 기존 협동 로봇(예: FR3의 유효 질량 >10 kg)에 비해 한 자릿수 이상의 감소를 의미한다.
분포: 액추에이터에 의해 유효 질량이 지배되는 일반적인 기어형 로봇과 달리, ATHENAZERO의 유효 질량은 링크 관성에 의해 지배된다. 이는 근위부 접촉(예: 상완) 시에도 낮은 유효 질량을 유지하게 하여 전신 조작(whole-body manipulation)에 적합하게 만든다.
실험적 검증: 진자 충격 테스트를 통해 이러한 결과를 확인하였다. 1 kg 진자에 맞았을 때, ATHENAZERO는 0.58 m/s의 속도 변화를 보이며 순응(유효 질량 ~0.83 kg)한 반면, FR3는 훨씬 작은 속도 변화와 함께 방향을 역전시켰다(유효 질량 ~3.3 kg). ATHENAZERO의 피크 충격력(124.1 N)은 FR3(208.3 N)보다 현저히 낮았다.

동적 태스크 수행 능력

로봇은 밀리초 단위의 정밀도를 요구하는 세 가지 야구 관련 태스크에 대해 평가되었다:

던지기 (Throwing):
- 테니스 공을 이용해 30.8 m/s (112 kph)의 방출 속도를 달성하였다 (단일 팔).
- 양손 구성을 사용하여 야구공(145 g)을 21.4 m/s의 속도로 높은 정확도(7.3 m 거리에서 0.25 m x 0.25 m 박스 이내)로 던지는 데 성공하였다.
받기 (Catching):
- 7.3 m 거리에서 최대 18.3 m/s의 속도로 날아오는 야구공을 포착하였다 (반응 시간 0.398 s).
- 임피던스를 조절하여 딱딱한 추적 모드에서 충격 시 컴플리언트한 흡수 모드로 전환하는 능력을 입증하였다.
타격 (Batting):
- 최대 13.9 m/s의 속도로 날아오는 테니스 공을 잡는 데 성공하였다 (반응 시간 0.525 s).
- 로봇 간 또는 인간-로봇 간의 타격 연습을 수행하였으며, 82% 이상의 성공률(33회 스윙 중 27회 적중)을 유지하였다.

강성 및 한계점

강성: 1.8 kg의 페이로드 하에서 로봇은 평균 12 mm의 엔드 이펙터 편차를 보였으며, 손목 관절(RJ7)이 주요 오차 원인이었다. 동적 작업에는 적절하지만, 전통적인 협동 로봇의 밀리미터 단위 정밀도에는 미치지 못한다.
열적 제약: 시스템은 지속적인 정적 부하 하에서 열 포화(thermal saturation)에 취착할 수 있다. 능동적 열 완화보다는 소프트웨어 안전장치(80°C에서 트리거)를 우선시하였으며, 이는 무거운 페이로드를 정적으로 유지하는 능력을 제한한다.
파지 (Grasping): 손 구동을 위한 보덴 케이블 사용은 엔드 이펙터의 관성을 줄였으나, 전달 마찰을 유발하여 최대 파지력을 제한하였다.

의의 및 주장

본 논문은 저관성 아키텍처가 매니퓰레이터의 동적 범위를 실질적으로 확장하여, 로봇이 준정적(quasi-statics) 영역을 넘어 동적 영역에서 작동할 수 있게 함을 입증한다고 주장한다.

패러다임의 전환: 본 연구는 높은 대역폭의 조작을 위한 이상적인 유효 엔드포인트 질량이 현재의 상용 암(arm)보다 인간의 것에 더 가깝다는 점을 강조한다. 컴플리언스나 피드백에만 의령하는 것이 아니라 물리적으로 질량을 줄임으로써, 시스템은 하드웨어 자체에 내재된 수준의 제어 권한과 상호작용 안전성을 달성한다.
QDD의 타당성: 본 연구는 최근의 모터 기술과 연산 능력의 발전이 양손 조작을 위한 QDD 패러다임을 실현 가능하게 하며, 텐던 구동 방식(Barrett WAM 등)의 기계적 복잡성 없이도 인간과 유사한 질량 특성을 달实现할 수 있음을 검증한다.
동적 프리미티브: 던지기, 받기, 타격의 성공적인 수행은 밀리초 단위의 시간이 중요한 인간 수준의 역동적인 상호작용을 로봇이 수행할 수 있다는 개념 증명 역할을 한다.

저자들은 비록 트레이드오프(감소된 정적 강성 및 열적 제한)가 존재하지만, 낮은 관성을 통해 상호작용력을 관리하는 능력이 매니퓰레이터의 동적 범위를 넓히는 새로운 길을 열어준다고 결론짓는다. 이는 미래의 발전이 수행하는 작업의 동적 특성에 부합하는 하드웨어를 필요로 함을 시사한다.