[논문]생체모방형 수중다관절 로봇의 유영계획

김희중; 이지홍

doi:10.5302/j.icros.2013.13.9023

생체모방형 수중다관절 로봇의 유영계획
Swimming Plans for a Bio-inspired Articulated Underwater Robot 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.19 no.9, 2013년, pp.782 - 790

김희중 (충남대학교 메카트로닉스 공학과) , 이지홍 (충남대학교 메카트로닉스 공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose a better solution for swimming plans of an articulated underwater robot, Crabster, with a view point of biomimetics. As a biomimetic model of underwater organisms, we chose diving beetles structurally similar to Crabster. Various swimming locomotion of the diving beetle has been observed and sorted by robotics technology through experiments with a high-speed camera and image processing software Image J. Subsequently, coordinated patterns of rhythmic movements of the diving beetle are reproduced by simple control parameters in a parameter space which make it easy to control trajectories and velocities of legs. Furthermore, a simulation was implemented with an approximated model to predict the motion of the robot under development based on the classified forward and turning locomotion. Consequently, we confirmed the applicability of parameterized leg locomotion to the articulated underwater robot through the simulated results by the approximated model.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 생체모방 기술 관점에서 다관절로봇의 유영계획을 위한 연구를 수행하였다. 수 천 년에 걸쳐 환경에 최적화되어 변화해온 생물체 중에 다리관절을 가지고 있으며 유영에 최적화 되어있는 물방개를 생체 모방 모델로 선정하고 물방개의 유영패턴을 분석하기 위해 실험환경을 조성하였다.

가설 설정

1) 각 다리와 몸체의 부가질량은 무시하고 중성부력으로 가정하며 각 링크의 유체저항 계수 C_Di는 0.2로 일정하게 해준다[13].
3) 반동력은 항력가속도에 따라서 비례함으로 항력가속도를 각 다리로 발생시키는 항력 # 로 가정하였다.
본장에서는 II 장 ~ III 장에서의 생물체의 유영동작을 모사하여 공학적으로 재구성한 다양한 유영패턴을 기반으로 각 다리의 운동방정식을 고려하여 각 다리의 항력을 유도해 내고, 이를 다리 관절을 가진 근사모델에 적용시켜 실제 로봇에 적용가능성을 제시한다. 본 논문에서의 시뮬레이션은 2차원 평면상에서의 물방개의 두 개의 뒷다리의 유영동작을 고려하여 진행되었으며 근사모델의 모델링에 있어 각다리 링크는 각 다리의 운동방정식을 고려하여 유체항력을 유도해 내기 위해 모델링을 단순화하고 링크 형상의 비대칭성에 따라 발생하는 유체의 영향력을 최소화하기 위해 각 링크의 반지름(r_i)이 0.1인 실린더 형으로 가정하였다. 각 다리의 링크 길이(l_i)는 각각 0.

제안 방법

1) 유영생명체인 물방개가 유영하는 패턴들을 실험을 통해 관찰하고, 로봇공학 관점에서 재해석 하여 공학적으로 모델링한다.
1인 실린더 형으로 가정하였다. 각 다리의 링크 길이(l_i)는 각각 0.7m과 1m로 실제 물방개의 다리길이의 비를 고려하여 설정하였다. 또한 각 링크의 질량은 각 다리링크의 길이의 비를 고려하여 m₁과 m₂는 0.
그리고 여러 가지 공학적 도구를 이용하여 실제 유영동작을 재구성 하였고, 주기적인 성향을 지니고 있는 물방개 다리 관절사이의 각도변화를 일반식으로 정립하였고 이를 활용하여 여러 가지 유영패턴들을 만들어 낼 수 있는 파라미터공간을 설정하고 각 파라미터들의 역할과 특성에 대해 정리하였으며 유영 파라미터들을 조절하여 만들어낸 여러 가지 유영패턴과 실제 물방개의 유영패턴을 비교·분석하는 과정을 통해 상당히 유사하게 생물체의 유영동작을 발생시킬 수 있음을 확인하였다. 또한 각 다리의 운동 방정식을 고려한 2족 근사모델을 모델링하고 이를 토대로 개발 중인 다관절 유영로봇에 접목시키기 위한 유영 시뮬레이션 환경을 조성하고 전진과 회전에서의 생물체의 유영을 분석하였다.
물방개 다리의 유영패턴을 재구성하기 위해 물방개의 다리는 그림 4와 같이 총 두 개의 관절 마디로 이루어진 형태로 모델링하고 표 1과 같이 D-H (Denavit-Hartenberg)파라 미터를 링크 좌표계를 기준으로 설정하였다.
물방개의 유영패턴을 관찰하고 이를 분석하기 위한 실험 환경은 그림 2와 같다. 물방개의 유영동작을 획득하기 위해서 물방개(C)는 투명한 수조(A)에서 유영하도록 하고, REDRAGKE사에서 제작한 MotionScope M1 초고속 카메라 (E)를 이용하여 초당 125프레임으로 물방개의 유영을 촬영하였다. 초고속 카메라는 촬영 속도가 빨라질수록 화면의 밝기가 어두워지는 특성을 지니고 있어 이를 보정하기 위해 조명(D)을 설치하여 좀 더 나은 영상데이터를 확보할 수 있도록 하였다.
본장에서는 II 장 ~ III 장에서의 생물체의 유영동작을 모사하여 공학적으로 재구성한 다양한 유영패턴을 기반으로 각 다리의 운동방정식을 고려하여 각 다리의 항력을 유도해 내고, 이를 다리 관절을 가진 근사모델에 적용시켜 실제 로봇에 적용가능성을 제시한다. 본 논문에서의 시뮬레이션은 2차원 평면상에서의 물방개의 두 개의 뒷다리의 유영동작을 고려하여 진행되었으며 근사모델의 모델링에 있어 각다리 링크는 각 다리의 운동방정식을 고려하여 유체항력을 유도해 내기 위해 모델링을 단순화하고 링크 형상의 비대칭성에 따라 발생하는 유체의 영향력을 최소화하기 위해 각 링크의 반지름(r_i)이 0.
본 논문에서는 생체모방 기술 관점에서 다관절로봇의 유영계획을 위한 연구를 수행하였다. 수 천 년에 걸쳐 환경에 최적화되어 변화해온 생물체 중에 다리관절을 가지고 있으며 유영에 최적화 되어있는 물방개를 생체 모방 모델로 선정하고 물방개의 유영패턴을 분석하기 위해 실험환경을 조성하였다. 그리고 여러 가지 공학적 도구를 이용하여 실제 유영동작을 재구성 하였고, 주기적인 성향을 지니고 있는 물방개 다리 관절사이의 각도변화를 일반식으로 정립하였고 이를 활용하여 여러 가지 유영패턴들을 만들어 낼 수 있는 파라미터공간을 설정하고 각 파라미터들의 역할과 특성에 대해 정리하였으며 유영 파라미터들을 조절하여 만들어낸 여러 가지 유영패턴과 실제 물방개의 유영패턴을 비교·분석하는 과정을 통해 상당히 유사하게 생물체의 유영동작을 발생시킬 수 있음을 확인하였다.
실제 물방개의 유영패턴을 기반으로 여러 유영동작을 재구성할 수 있는 일반식과 파라미터들을 정립하고 이를 활용하여 본 논문에서는 IV 장 1절에서 다양한 유영계획을 진행하는데 필요한 근사모델을 모델링하였다. 근사모델을 이용한 2족 유영시뮬레이션에 쓰인 전진과 회전유영에서의 유영동작은 다리를 휘젓는 한주기를 기준으로 그림 11에서 확인할 수 있으며 각 유영동작에서의 로봇다리에 의한 항력은 그림 12와 같다.
그림12. 유영동작에 따른 각 다리의 항력 비교.
이를 수학적으로 모델링하기 위해 복잡한 주기함수를 일반식으로 정립하는 것을 목표로 각 다리의 θ1과 θ2를 간단한 코사인과 사인함수의 합으로 표현하는 과정을 수행하였다.
이를 위해서 II 장 2절에서 물방개의 다리 끝점은 기구학적 모델링에 의해 Image J로부터 추출해낸 θ1과 θ2의 정보를 이용하여 계산이 되었고, MATLAB 소프트웨어를 통해 공학적으로 재구성하여 다양한 궤적을 나타내는 물방개의 유영동작이 분류되었다.
앞서 언급했던 내용과 같이 실험 장치를 통해 물방개의 유영동작을 면밀히 살펴본 결과, 물방개는 유영할 때 다른 다리보다 상대적으로 길고 큰 두 뒷다리를 이용하여 유영 한다는 사실을 확인하였다. 이에 따라 물방개의 유영동작을 크게 전진과 회전유영으로 나누고, 각 유영 동작으로의 다양한 패턴을 분석하기 위해 실험 장치와 공학적인 도구를 이용하였고, 전진유영(A)와 회전유영(B)으로 나누어진 물방개의 실제 유영동작이 그림 5와 같이 재구성되었다. 이를 위해서 II 장 2절에서 물방개의 다리 끝점은 기구학적 모델링에 의해 Image J로부터 추출해낸 θ₁과 θ₂의 정보를 이용하여 계산이 되었고, MATLAB 소프트웨어를 통해 공학적으로 재구성하여 다양한 궤적을 나타내는 물방개의 유영동작이 분류되었다.
전송된 영상데이터는 영상처리 소프트웨어인 Image J [11]는 그림 3과 같이 구성되어있으며 이를 이용하여 녹화된 각 프레임을 통해 물방개 다리 관절 사이의 각도인 θ1과 θ2를 추출해 내고 물방개는 주로 두 뒷다리로 추진력을 발생시켜 유영하는 특징을 바탕으로 두 뒷다리에 초점을 맞춰 분석이 이루어졌다.
물방개의 유영동작을 획득하기 위해서 물방개(C)는 투명한 수조(A)에서 유영하도록 하고, REDRAGKE사에서 제작한 MotionScope M1 초고속 카메라 (E)를 이용하여 초당 125프레임으로 물방개의 유영을 촬영하였다. 초고속 카메라는 촬영 속도가 빨라질수록 화면의 밝기가 어두워지는 특성을 지니고 있어 이를 보정하기 위해 조명(D)을 설치하여 좀 더 나은 영상데이터를 확보할 수 있도록 하였다. 촬영된 영상은 REDRAKE사에서 제공한 MotionScope M1.

대상 데이터

생체모방기술을 접목하기 위해 Crabster와 구조적으로 비슷하고 다리관절을 이용한 유영에 최적화 되어있는 생체모방 모델로서 물방개(그림 1)가 선정되었고, 본 논문에서는 다음과 같은 내용으로 다관절로봇의 유영에 관한 연구를 수행하였다.
초고속 카메라는 촬영 속도가 빨라질수록 화면의 밝기가 어두워지는 특성을 지니고 있어 이를 보정하기 위해 조명(D)을 설치하여 좀 더 나은 영상데이터를 확보할 수 있도록 하였다. 촬영된 영상은 REDRAKE사에서 제공한 MotionScope M1.0.3 소프트웨어[10]를 통해 컴퓨터(B)로 전송되었다.

성능/효과

2) 로봇다리의 끝은 유도된 항력가속도에 영향을 받게 되고 그에 따른 반동력은 로봇팔의 기준좌표계에 반대방향으로 작용한다.
3) 파라미터들 각각의 특성을 기반으로 실제 실험을 통해 재구성한 물방개의 유영동작과 비교하여, 정립한 일반식을 검증하고 다양한 유영계획이 가능함을 확인한다.
결과적으로 기준유영으로부터 도출된 θ1과 θ2의 식 (10)과 (11)에서 각자의 특성을 지니고 있는 네 개의 파라미터들의 값들을 조정하여 물방개 유영동작들과 비슷한 여러 유영패턴들을 만들어 낼 수 있음을 확인하였다.
그리고 여러 가지 공학적 도구를 이용하여 실제 유영동작을 재구성 하였고, 주기적인 성향을 지니고 있는 물방개 다리 관절사이의 각도변화를 일반식으로 정립하였고 이를 활용하여 여러 가지 유영패턴들을 만들어 낼 수 있는 파라미터공간을 설정하고 각 파라미터들의 역할과 특성에 대해 정리하였으며 유영 파라미터들을 조절하여 만들어낸 여러 가지 유영패턴과 실제 물방개의 유영패턴을 비교·분석하는 과정을 통해 상당히 유사하게 생물체의 유영동작을 발생시킬 수 있음을 확인하였다.
앞서 언급했던 내용과 같이 실험 장치를 통해 물방개의 유영동작을 면밀히 살펴본 결과, 물방개는 유영할 때 다른 다리보다 상대적으로 길고 큰 두 뒷다리를 이용하여 유영 한다는 사실을 확인하였다. 이에 따라 물방개의 유영동작을 크게 전진과 회전유영으로 나누고, 각 유영 동작으로의 다양한 패턴을 분석하기 위해 실험 장치와 공학적인 도구를 이용하였고, 전진유영(A)와 회전유영(B)으로 나누어진 물방개의 실제 유영동작이 그림 5와 같이 재구성되었다.
특히 로봇의 보행과 유영에 있어서 균형과 안정도 또한 고려해야하는 제약조건들을 가지고 있어서 수 천 년 동안 자연스레 환경에 맞게 최적화 되어 진화해온 생물체의 유영과 보행패턴을 적용시키는 연구가 많이 이루어지고 있다. 이에 따라 II 장에서 생체모방 유영생물체로 물방개를 선정하고 다리를 기구학적으로 모델링하여 공학적인 도구를 통해 유영패턴을 분석한 것을 토대로, 추출된 물방개의 각 다리관절의 각도정보는 주기적인 현상을 보이는 것을 확인하였다. 이를 수학적으로 모델링하기 위해 복잡한 주기함수를 일반식으로 정립하는 것을 목표로 각 다리의 θ₁과 θ₂를 간단한 코사인과 사인함수의 합으로 표현하는 과정을 수행하였다.
전진유영에 있어서는 두 다리의 유영이 같으므로 x축에 대한 합력은 0이 되고, 이로 인해 진행방향인 y축으로의 이동거리에만 변화가 있는 것을 확인할 수 있다. 이에 반해 회전 유영에서는 각 다리의 유영동작이 다르고, 이로 인해 x축과 y축에 대한 항력의 합과 근사모델의 이동거리에 대한 시뮬레이션 결과는 전진유영에서와의 결과와는 달리 진행방향의 y축에 대한 이동거리의 변화량보다 z축 중심으로 회전한 회전방향 x축으로의 이동거리의 변화량이 시뮬레이션 결과를 통해 확인할 수 있다.

후속연구

4) 근사모델을 이용한 시뮬레이션 환경을 구축하고, 물방개의 유영방식과 비교·분석하여 현재 개발 중인 다관절 로봇의 유영계획에 적용할 수 있는 가능성을 제시한다.
추후 연구로는 파라미터 간의 상관관계에 관한 수식을 유도해내어 파라미터 개수를 줄여 유영제어에 좀 더 효율 적인 수중 다관절로봇의 유영 방법을 정립하고, 실제 6족 다관절 로봇에 접목시키기 위해 유영 시 각 다리와의 간섭을 고려한 6개의 다리로 확장하고, 3차원 운동이 가능한 로봇다리 구조로 변형시키는 연구를 진행할 것이며 이를 통해 실제로봇에 적용할 수 있는 가능성을 확인할 수 있을 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존의 AUV나 ROV 같은 수중탐사로봇들이 가진 한계점은 무엇인가?	특히 보편적으로 사용하고 있는 에너지 원료인 화석에너지는 머지않아 한계를 드러낼 것으로 예상되고 있는 가운데, 해저 깊은 곳에 내장되어있는 자원획득에 많은 관심이 인간의 지원을 최소화하고 로봇의 자율성을 극대화한 자율 수중로봇인 AUV (Autonomous Underwater Vehecle)이나 케이블에 연결 되어 원격으로 조작되는 ROV (Remotely Operated Vehicle)와 같은 수중탐사로봇들에 대한 연구와 연계되어 이미 상용화가 이루어졌다. 그러나 이와 같은 수중로봇들은 대부분이 프로펠러 형식의 추진체를 사용함에 따라 비교적 협소한 공간에서의 동적 움직임이나 회전반경에 제약을 가지고 있어 이를 보완하면서 효율적인 탐사작업을 수행하기 위해 자연 속에서 오랜 시간동안 환경에 맞게 진화해온 생명체의 방식을 모방하는 생체모방기술과 접목한 유영로봇에 대한 연구들이 진행되고 있다. 대표적으로 1995년 미국의 MIT에서 개발한 Robotuna [1]를 비롯하여 영국의 Essex대학의 자율유영 물고기 로봇[2] 및 한국의 정부출연 연구기관인 생산기술 연구원에서 개발한 익투스[3] 등 물고기 모방 로봇이 주를 이루고 있으며 유영로봇의 유영패턴 및 제어에 관한 연구도 병행하여 이루어지고 있다[4-7].
	생체모방기술과 접목한 유영로봇은 무엇이 있는가?	그러나 이와 같은 수중로봇들은 대부분이 프로펠러 형식의 추진체를 사용함에 따라 비교적 협소한 공간에서의 동적 움직임이나 회전반경에 제약을 가지고 있어 이를 보완하면서 효율적인 탐사작업을 수행하기 위해 자연 속에서 오랜 시간동안 환경에 맞게 진화해온 생명체의 방식을 모방하는 생체모방기술과 접목한 유영로봇에 대한 연구들이 진행되고 있다. 대표적으로 1995년 미국의 MIT에서 개발한 Robotuna [1]를 비롯하여 영국의 Essex대학의 자율유영 물고기 로봇[2] 및 한국의 정부출연 연구기관인 생산기술 연구원에서 개발한 익투스[3] 등 물고기 모방 로봇이 주를 이루고 있으며 유영로봇의 유영패턴 및 제어에 관한 연구도 병행하여 이루어지고 있다[4-7]. 대부분의 생체모방 유영로봇들을 살펴보면 다리관절형태가 아닌 지느러미 형태를 지니고 있고 탐사목적에 초점을 맞추고 있지만 한국 해양연구원은 프로펠러나 캐터필러를 이용하여 이동하거나 지느러미나 노 젓기 형태의 수중 로봇과는 달리 다리관절로 해저보행 뿐만 아니라 유영까지 하며 심해 작업을 수행할 수 있는 게와 바닷가재를 모방한 다관절 복합이동 해저로봇인 Crabster (Crab+Lobster)를 2010년 이후부터 개발하기 시작하였다.
	물방개의 유영동작의 특징은 무엇인가?	앞서 언급했던 내용과 같이 실험 장치를 통해 물방개의 유영동작을 면밀히 살펴본 결과, 물방개는 유영할 때 다른 다리보다 상대적으로 길고 큰 두 뒷다리를 이용하여 유영 한다는 사실을 확인하였다. 이에 따라 물방개의 유영동작을 크게 전진과 회전유영으로 나누고, 각 유영 동작으로의 다양한 패턴을 분석하기 위해 실험 장치와 공학적인 도구를 이용하였고, 전진유영(A)와 회전유영(B)으로 나누어진 물방개의 실제 유영동작이 그림 5와 같이 재구성되었다.

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