기계의 운동성이라는 것은 무엇일까요? 지금부터 기계 운동성의 개념과 이를 다룬 연구에 대해 쿼드콥터 혹은 짧게 쿼드라고 불리는 이 기계를 통해 보여드리겠습니다.
쿼드가 만들어진지는 꽤 됐습니다. 그런데 요세들어 쿼드가 인기를 끄는 이유는 쿼드가 단순하기 때문입니다. 이와 같이 4개의 프로펠러의 속도를 조절함으로써 돌기, 던지기, 한쪽으로 기울이기 등을 할 수 있습니다. 그리고 여럿이서 같으 방향으로 비행할 수 있습니다. 여기에는 배터리, 컴퓨터와 여러가지 센서, 그리고 무선 통신 장치가 탑재돼 있습니다.
쿼드는 굉장히 민첩합니다. 하지만 이렇게 만드는데는 단점이 있습니다. 민첩한 대신에 불안정합니다. 그래서 일종의 자동 피드백 제어가 필요합니다. 천장에 달린 카메라와 랩톱 컴퓨터가 전반적인 실내 위치 제어 시스템으로 작동합니다. 파악된 위치는 랩톱 컴퓨터로 정보가 보내집니다. 그리고 그 컴퓨터는 추정값과 여러 알고리즘을 통해서 쿼드에 차례로 명령을 전송합니다. 쿼드 또한 추정값과 제어 알고리즘을 계산하죠. 저희 연구의 대부분은 이런 알고르즘에 대한 연구입니다. 알고리즘은 기계들에게 생명을 불어넣는 마법입니다.
쿼드가 미세한 조정으로 막대가 넘어지지 않게 균형을 잡는 것으로 보입니다. 이러한 알고리즘은 어떻게 설계됐을까요? 막대한 수학 모델을 쿼드에 입력하는 것입니다. 쿼드와 막대가 결합한 모델이 만들어진다면 제어 이론을 통해서 알고리즘을 만들어지는 것입니다.
모델을 확장시켜서 우리가 원하는 곳으로 쿼드를 이동시킬 수도 있습니다. 반사체로 표시된 이 포인터를 사용해서 원하는 방향을 가리키면 쿼드가 움직이게 할 수 있습니다. 수학 모형과 제어 이론의 도움으로 설계된 알고리즘 덕분이죠.
날기 위해서는 적어도 4개의 고정된 프로펠러가 필요합니다. 제어에는 4개의 자유도가 있기 때문이죠. 돌기, 솟아오르기, 기울기와 가속화의 4단계입니다. 프로펠러가 각각 6개인 헥사콥터와 8개인 옥토콥터는 프로펠러가 필요 이상으로 많습니다. 쿼드가 지금 인기가 많은 이유는 4개의 최소한의 프로펠러를 통해 구동할 수 있기 때문입니다.
뒤집기와 솟아오르기, 가속화는 새로운 설정을 찾아내는 알고리즘을 이용하여 제어할 수 있습니다. 수학 모델을 이해하면 언제, 그리고 어떻게 이런 것이 가능한지를 정확히 알 수 있습니다. 이러한 지식은 운동선수들과 같이 부상을 당해도 부드럽게 움직일 수 있게 해주는 알고리즘을 설계 할 수 있게 해줍니다. 불필요한 프로펠러를 더 달지 않아도 말이죠.
이 쿼드는 윗부분에 라켓을 장착했습니다. 그 위에는 사과 정도 크기로 너무 크지 않게 공을 치기 적합한 위치가 표시돼있습니다. 이러셍 필요한 계산은 20밀리초마다 이루어지는데 1초에 50번 하는 셈입니다. 우선 공이 어디로 날악는지 알아내야 하고 그 다음에는 쿼드가 어떻게 공을 칠지 계산해서 공이 날아가는 곳으로 날아가게 되는 것이죠. 그리고 쿼드가 현 상태에서 공을 치기까지 이끌도록 하는 궤도가 만들어집니다. 넷째로 이런 전략의 실행은 20미리초까지만 실행되는데 20밀리초 후에는 쿼드가 다시 공을 칠 때의 전까지 과정이 되풀이 되는 것입니다.
쿼드는 이러한 동작을 혼자 뿐만이 아니라 여럿이서도 동시에 할 수 있습니다. 이 세 쿼드들은 함께 그물 하나를 들고 있습니다. 아주 동적이고 집단적인 동작을 해낼 수 있죠. 공을 저에게로 다시 던질 때 잘 보세요. 그물을 펼쳤을 때 쿼드들은 수직으로 서게 됩니다.
이런 기계의 운동서오가 인간의 운동성을 결합한다면 어떻게 될까요? 제 앞에 있는 것은 게임에 사용되는 시판용 몸짓 센서입니다. 제 몸의 여러 부분이 어떻게 움직이는지 실시간으로 인식합니다. 아까 제가 사용했던 포인터와 비슷하게 이것을 이용하여 시스템에 명령을 입력할 수 있습니다. 이렇게 하면 제 몸짓을 기계의 다듬어지지 않은 운동성과 자연스럽게 상호작용할 수 있게 됩니다.
그렇다면 이 기계의 속도가 우리의 생활에는 어떤 영향을 미칠까요? 과거의 발명품이나 혁신들과 마찬가지로 이 기계들은 인간의 생활 환경을 개선할 수도, 아니면 오용되거나 남용할 수도 있습니다. 우리가 직면한 것은 기술적인 문제가 아니라 사회적인 문제라는 말입니다. 옳은 결정을 내렸으면 좋겠습니다.
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