X2-N: A Transformable Wheel-legged Humanoid Robot with Dual-mode Locomotion and Manipulation

Motivation

• Known: 휴머노이드 로봇은 정교한 조작과 동적 이동에 우수하지만 에너지 효율이 낮으며, 휠-레그 로봇은 이동 효율이 높지만 조작 능력이 제한적이다.
• Gap: 기존 플랫폼들은 두 가지 로봇 형태의 장점을 동시에 갖추면서 이들 간에 seamless하게 변환할 수 있는 통합 설계와 제어 프레임워크가 부재하다.
• Why: 산업용 로봇 배치 시나리오에서 다양한 지형과 작업에 적응할 수 있으면서도 정교한 조작까지 가능한 플랫폼이 필요하며, 이는 에너지 효율과 작업 다양성 측면에서 실질적 가치를 제공한다.
• Approach: Joint reuse 원리 기반의 변환 가능한 하체 아키텍처를 제안하여 추가 액추에이터 없이 두 모드 간 변환을 가능하게 하고, RL 기반 제어기와 모델 기반 전신 제어기를 결합한 통합 제어 프레임워크를 개발한다.

Achievement

Fig. 3: Illustration of X2-N’s specifications.

• 변환 가능한 로봇 플랫폼: 휠-레그와 휴머노이드 로봇의 기능을 통합하면서 추가 액추에이터 없이 두 모드 간 seamless 변환 가능
• 최적화된 하체 설계: 휠 스티어링을 end-effector 레벨로 재배치하여 기존 휴머노이드와 유사한 작업 공간과 조종성 유지
• 통합 제어 프레임워크: RL 기반 하이브리드 이동 제어와 모델 기반 조작 제어를 통합하여 다양한 작업 모드 지원
• 실증된 다중 작업 성능: 동적 스케이팅, 계단 등반, 패키지 배송 등 도전적인 이동 및 조작 작업에서 높은 안정성과 효율성 입증

How

Fig. 4: Illustration of X2-N’s structural details (linkage and

• Joint reuse 원리: 휠의 직접 구동 hub motor를 leg yaw joint로 재사용하여 변환 메커니즘 단순화
• 토폴로지 재구성: foot-legged 모드에서 6-DoF 다리, wheel-legged 모드에서 5-DoF 다리 구성으로 각 모드 최적화
• RL 기반 제어: 강화학습으로 하이브리드 이동과 변환 동작의 robust control policy 학습
• 모델 기반 조작 제어: 전신 제어 최적화로 안정적 loco-manipulation 수행
• 모듈식 상체 설계: interchangeable manipulator (4-DoF/7-DoF arms)로 작업에 따른 유연한 구성

Originality

• 최초로 추가 액추에이터 없이 휠-레그와 휴머노이드 모드를 동시에 지원하는 변환 메커니즘 설계
• Joint reuse 원리를 적용한 새로운 하체 토폴로지 제안으로 변환 시 DoF 변동 구조 구현
• RL과 모델 기반 제어를 결합하여 다중 운영 모드와 변환을 지원하는 통합 제어 프레임워크 개발
• 풀 상체 시스템(휴머노이드급 팔 포함)을 갖춘 최초의 실용적 휠-레그 로봇 플랫폼 제시

Limitation & Further Study

• 28 kg, 1.1 m의 제한된 체형 때문에 대형 산업용 작업 적용에 확장성 미검증
• RL 기반 제어는 환경 변화에 적응성이 있으나 모델 기반 제어의 정밀도와의 trade-off 관계 명확화 필요
• 두 모드 간 변환 시간과 에너지 비용에 대한 정량적 분석 및 최적화 기회
• 실외 악천후(습기, 극저온 등) 환경에서의 휠 grip 및 변환 메커니즘 robust성 검증 필요
• 후속 연구: 더 큰 payload를 지원하는 스케일링, 실시간 모드 변환 의사결정 자동화, 다양한 산업 응용 시나리오 검증

Evaluation

총평: X2-N은 휠-레그와 휴머노이드 로봇의 장점을 창의적으로 통합한 혁신적 플랫폼으로, Joint reuse 기반의 우아한 메커니즘 설계와 RL·모델 기반 제어의 효과적 결합을 통해 실용성 높은 솔루션을 제시한다.