iRonCub 3: The Jet-Powered Flying Humanoid Robot

Motivation

• Known: 항공 로봇에 조작 팔이나 바퀴/다리를 추가하는 aerial manipulator와 hybrid quadrotor 같은 다중체 비행 로봇들이 연구되어 왔다. 기존 iRonCub-Mk1은 인형형 로봇에 제트 터빈을 탑재하는 개념을 제시했다.
• Gap: 인형형 비행 로봇의 비행 제어, 추정, 시스템 통합에 대한 구체적인 구현과 실제 비행 실증이 부족했다. 완전한 인형형 형태로 안정적인 비행을 달성하기 위한 기계-소프트웨어 통합 아키텍처가 미흡했다.
• Why: 비행 인형형 로봇은 인간 환경 접근성과 물리적 상호작용 능력을 결합하여 구조물 붕괴, 재난 대응, 고공 인프라 점검 등 복합 환경에서의 탐색·구조·조작 작업에 혁신을 가져올 수 있다.
• Approach: iCub3 플랫폼에 JetCat P250 Pro 터빈 4개(팔 2개, 제트팩 2개)를 통합하고, UKF 기반 추력 추정, Base Pose Estimator, Variable Sampling Linear Model Predictive Controller를 개발하여 시뮬레이션 검증 후 실제 이착륙을 시도했다.

Achievement

Fig. 3.

• 기계 설계: iCub3 기반으로 커스텀 제트팩과 개량 전완부를 설계하여 구조 무결성을 FEM 분석으로 검증 (750N 축방향 하중에 대해 3배 안전계수 확보)
• 소프트웨어 아키텍처: Thrust Estimator, Base Pose Estimator, Flight Controller로 구성된 3계층 통합 제어 시스템 구현 (10 Hz 터빈 제어, 1000 Hz 관절 제어)
• 추력 추정: Force-torque 센서와 UKF를 활용한 비선형 동적 모델 기반 실시간 추력 예측
• 실비행 성공: 인형형 로봇의 최초 수직 이착륙(liftoff) 실증 - 완전 자동화된 비행 로봇으로의 초석 마련
• 실험 인프라: 제트 엔진 운용의 복잡성을 고려한 야외 실험 영역 설계 방안 제시

How

• iCub3 토르소 양측 숄더 피치 모터 블록에 로드 베어링 마운팅 브래킷 추가하여 제트팩 고정
• forearm 구조체에 JetCat P250 Pro 터빈 탑재 (이번 프로토타입은 손 제거하고 비행 제어에 집중)
• FEM 분석으로 제트팩과 forearm의 구조 강도 검증 (750N 축방향 하중 적용)
• Force-torque 센서를 arm과 jetpack에 장착하여 in-situ 캘리브레이션 수행
• Unscented Kalman Filter(UKF)로 throttle 입력과 추력 출력 간 비선형 동적 관계 모델링
• 제트 엔진 테스트 벤치에서 데이터셋 수집하여 thrust 예측 모델 개발
• Variable Sampling Linear Model Predictive Controller(MPC)로 터빈 throttle 명령 및 관절 목표 위치 생성
• YARP 미들웨어를 통해 Base Pose Estimator, Thrust Estimator, Flight Controller 간 통신 구현
• 시뮬레이션에서 이착륙 및 궤적 추적 검증 후 실물 비행 실험 수행

Originality

• 인형형 로봇의 완전 비행형 구현 - 기존 terrestrial humanoid에 thrust 추가한 것과 달리 항공성을 위한 전체 시스템 재설계
• 제트 터빈 4개의 분산 배치(forearm 2개 + jetpack 2개)를 통한 안정성 강화 및 각운동량 제어 최적화
• Force-torque 센서 기반 실시간 추력 추정(UKF)으로 터빈 동작 모니터링 및 적응 제어
• 야외 고복잡도 실험 환경 설계 방안 제시 - 제트 엔진 운용의 안전성 고려
• Model Predictive Control을 인형형 비행 로봇에 최초 적용

Limitation & Further Study

• 현재 prototype은 손 제거로 조작 능력 완전 제거 - 추후 버전에서 forearm 재통합 필요
• 수직 이착륙만 달성했으며 호버링, 전진 비행, 회전 등 고등 기동성은 미검증
• 제트팩의 배열 각도 최적화 과정 및 영향 분석 미흡
• 야외 실험 중심이므로 실내 환경에서의 적용 가능성 불명확
• 제어 및 추정 알고리즘의 루스트성(강풍, 센서 오류)에 대한 평가 부재
• 추후 완전 자율 비행, 기동 중 물체 조작, 시간 지속 비행 능력 개발 필요

Evaluation

총평: iRonCub 3는 인형형 로봇 비행의 기술적 난제(제어, 추정, 기계 통합)를 체계적으로 해결하고 최초 비행 실증을 달성했으나, 고등 기동과 조작 능력 통합은 향후 과제다.