Franka Emika Panda

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Overview

Franka Emika Panda는 독일 뮌헨에서 개발된 7축 협동 로봇(cobot)으로, 모든 관절에 토크 센서를 내장하여 인간 수준의 촉각 감각과 힘 제어를 구현한 혁신적인 연구용 로봇 플랫폼이다. 2018년 Time 매거진 “50 Best Inventions”에 선정되었으며, VLA(Vision-Language-Action) 및 로봇 학습 연구의 사실상 표준 플랫폼으로 자리잡았다.

핵심 스펙 테이블

항목	Franka Panda	Franka Research 3 (FR3)
제조사	Franka Emika (독일, 현 Agile Robots)	Franka Emika
자유도 (DoF)	7축	7축
페이로드	3 kg	3 kg
리치	850 mm	855 mm
반복정밀도	±0.1 mm	±0.1 mm
최대 속도	2 m/s (엔드 이펙터)	2 m/s
로봇 중량	18 kg	18 kg
제어 주파수	1 kHz	1 kHz
힘 분해능	< 0.05 N	< 0.05 N
힘 정확도	0.8 N (상대)	0.8 N
힘 반복성	0.15 N	0.15 N
작업공간 커버리지	-	94.5%
가격	~$30K+ (교육용 할인 있음)	~$40K+

핵심 의의

1. 연구용 로봇의 민주화

Franka Panda는 출시 당시 약 $10,500의 혁신적 가격으로 고가의 산업용 로봇만 존재하던 시장에 파란을 일으켰다. 이로 인해 전 세계 대학과 연구소에서 정밀 매니퓰레이션 연구가 가능해졌으며, MIT, Stanford, Oxford Robotics Institute 등 세계적 연구기관이 표준 플랫폼으로 채택했다.

2. VLA/로봇 학습의 데이터 수집 표준

Open X-Embodiment, DROID, BridgeData 등 대규모 로봇 학습 데이터셋의 핵심 수집 플랫폼으로 활용되며, OpenVLA, RT-X, Octo 등 최신 VLA 모델 학습의 근간이 되었다.

3. 토크 센서 기반 힘 제어의 대중화

기존 산업용 로봇이 위치 제어에 집중한 반면, Franka Panda는 모든 7개 관절에 토크 센서를 내장하여 임피던스 제어(Impedance Control) 및 충돌 감지를 실시간으로 수행할 수 있게 했다.

설계 철학

”Robotics for Everyone”

Franka Emika의 창립자 Sami Haddadin과 Simon Haddadin 형제는 **“인간과 안전하게 협업하는 로봇”**이라는 비전 아래 Panda를 설계했다.

핵심 설계 원칙

인간 중심 설계 (Human-Centric Design)
- 7축 설계로 인간 팔과 유사한 운동학적 구조 구현
- 인간 팔 무게(약 5kg)의 3.6배 수준인 18kg 경량 설계
- 협동 로봇으로 설계되어 적절한 위험성 평가 및 안전 설정 시 인간 근접 작업 가능 (ISO 10218, ISO/TS 15066 준수 필요)
촉각 감각의 구현
- 모든 관절에 토크 센서 내장 (Link-side torque sensing)
- 0.05N 미만의 힘 분해능으로 미세한 접촉 감지
- 실시간 외력 추정 및 충돌 감지 알고리즘
연구 친화적 개방성
- Franka Control Interface (FCI): 1kHz 실시간 제어 API
- 관절 위치, 속도, 토크, 외력 추정값 실시간 접근
- 관성 행렬, 중력 벡터, 야코비안, 코리올리 항 제공
- ROS, ROS2, MATLAB/Simulink 통합 지원
토크 제어 우선 철학
- 기존 로봇: 전류 과부하 체크 → 힘 감지 어려움
- Franka: Strain gauge 기반 직접 토크 측정 → 정밀 힘 제어
- Compliance control로 유연한 물체 조작 가능

DLR의 유산

Franka의 기술적 뿌리는 **독일 항공우주센터(DLR)**의 경량 로봇(LWR) 연구에 있다. Sami Haddadin은 DLR에서 인간-로봇 상호작용의 안전성을 연구했으며, 이 경험이 Panda의 충돌 감지 및 반응 알고리즘에 직접 반영되었다.

기술 상세

토크 센서 시스템

Joint 1-7: Link-side Torque Sensors

엔드이펙터에서의 Cartesian 힘 추정 성능 (공식 데이터시트 기준):

Force Resolution: < 0.05 N
Relative Force Accuracy: 0.8 N
Force Repeatability: 0.15 N

Real-time Data (1 kHz):

Joint positions (q)
Joint velocities (dq)
Link-side torque (tau_ext)
External force estimation (F_ext)
Inertia matrix M(q)
Coriolis term C(q, dq)
Gravity vector g(q)
Jacobian J(q)

제어 인터페이스 (FCI)

Franka Control Interface는 libfranka 라이브러리를 통해 다음을 제공한다:

위치 제어: 관절 공간 및 카테시안 공간
속도 제어: 관절 속도 직접 명령
토크 제어: 관절 토크 직접 명령 (임피던스 제어 구현)
하이브리드 제어: 위치/힘 혼합 제어

VLA 연구 활용

Franka Panda는 VLA(Vision-Language-Action) 모델 연구에서 가장 널리 사용되는 로봇 플랫폼 중 하나이다.

주요 데이터셋

데이터셋	규모	Franka 활용	설명
Open X-Embodiment	1M+ 에피소드	주요 소스	22개 로봇 타입, Franka가 핵심
DROID	76,000+ 데모	핵심 플랫폼	다양한 매니퓰레이션 시연
BridgeData V2	60,000+ 궤적	일부 포함	테이블탑 조작 데이터
LIBERO	130 태스크	시뮬레이션	PyBullet 기반 Franka 시뮬레이터
Franka Kitchen	다양한 태스크	전용	dm_control 기반 주방 환경
panda-gym	5개 태스크	전용	OpenAI Gym 통합 RL 환경

주요 VLA 모델 및 논문

OpenVLA (2024)

Open X-Embodiment 970K 궤적으로 학습
Franka Panda 비디오로 fine-tuned 정책 시연
오픈소스 VLA 모델의 표준 벤치마크

ReBot (2025)

Real-to-Sim-to-Real 데이터 증강 기법
Franka Panda 실험에서 Octo 성능 17%, OpenVLA 성능 20% 향상

CoT-VLA (2025)

Visual Chain-of-Thought 추론 도입
Franka-Tabletop 데모 fine-tuning 시 46.7% 상대 성능 향상 (53.7% → 78.8%)

LoLA (2025)

Long Horizon Latent Action Learning
LIBERO 벤치마크 및 실제 Franka 로봇 평가
State-Aware Latent Re-representation 모듈 도입

RT-X / Octo

Google DeepMind의 로봇 트랜스포머 시리즈
Open X-Embodiment 기반, Franka 데이터 활용

시뮬레이션 환경

LIBERO: PyBullet 기반 장기 언어 조건부 조작 벤치마크
panda-gym: OpenAI Gym 호환 RL 환경 (reach, push, slide, pick & place, stack)
RLBench: CoppeliaSim 기반 100+ 태스크 벤치마크
Isaac Sim: NVIDIA Omniverse 기반 Franka USD 에셋 제공

타 로봇과 비교

항목	Franka Panda	UR5e	Sawyer	KUKA LWR
DoF	7	6	7	7
페이로드	3 kg	5 kg	4 kg	7 kg
리치	850 mm	850 mm	1,260 mm	800 mm
반복정밀도	±0.1 mm	±0.03 mm	±0.1 mm	±0.1 mm
토크 센서	모든 관절	없음	관절당	모든 관절
힘 제어	네이티브	외부 F/T 필요	제한적	네이티브
1kHz 제어	지원	제한적	미지원	지원
ROS 지원	우수	양호	중단됨	양호
연구 생태계	최대	보통	제한적	보통
가격	~$30K+	~$35K+	단종	~$100K+

Franka의 차별점

토크 제어 네이티브: UR5는 전류 기반 과부하 체크만 수행하여 정밀 힘 작업이 어려움
연구 생태계: VLA, 모방 학습 등 최신 연구의 사실상 표준 플랫폼
개방적 API: 1kHz 실시간 제어 및 전체 동역학 모델 접근
안전성: DLR 충돌 연구 기반 고급 안전 알고리즘

회사 연혁 및 현황

창업팀

Sami Haddadin: 공동 창업자, 로봇공학/AI 교수 (TUM MIRMI 설립 책임자, 2018-2025)
Simon Haddadin: 공동 창업자, CEO (의사 출신, DLR 연구원)
Sven Parusel: 공동 창업자

주요 연혁

연도	사건
2016	Franka Emika GmbH 설립 (뮌헨)
2017	독일 미래상(Deutscher Zukunftspreis) 수상
2018	Time “50 Best Inventions” 선정, 첫 해 2,000대 출하
2020	National Geographic 특집
2022	Franka Research 3 (FR3) 출시
2023.08	주주 분쟁으로 예비 파산 신청
2023.11	Agile Robots AG에 인수 (약 3,200만 유로)

현재 상태 (2024-2025)

소유: Agile Robots AG (뮌헨, Softbank/Foxconn 투자)
직원: 약 100명 유지
제품 라인: Franka Research 3, Franka Production 3 계속 판매
주의사항: 인수 과정에서 특허권 관련 법적 분쟁 있었음

구매 및 도입 가이드

가격 정보

Franka Research 3: $40,000+ (교육 기관 할인 가능)
Franka Production 3: 산업용, 별도 견적
추가 비용: 그리퍼, 마운팅, 교육, 서포트

필요 인프라

안정적인 마운팅 표면 (진동 최소화)
실시간 Linux PC (Ubuntu 권장)
네트워크 연결 (Franka Control Interface)

대안 고려

연구용: Franka FR3 (토크 제어 필요시), UR5e (범용성 우선)
교육용: panda-gym, LIBERO 시뮬레이션으로 시작
저예산: 중고 Panda, 또는 시뮬레이션 전용