[논문]유영과 보행이 가능한 생체모방 수중 로봇의 설계개념과 근사모델을 활용한 모의실험

김희중; 전봉환; 이지홍

doi:10.7746/jkros.2014.9.1.057

유영과 보행이 가능한 생체모방 수중 로봇의 설계개념과 근사모델을 활용한 모의실험
Bio-inspired Walking and Swimming Underwater Robot Designing Concept and Simulation by an Approximated Model for the robot 원문보기

로봇학회논문지 = The journal of Korea Robotics Society, v.9 no.1, 2014년, pp.57 - 66

김희중 (Mechatronics Engineering, Chungnam National University) , 전봉환 (Ocean System Engineering Research Department, MOERI, KORDI) , 이지홍 (Mechatronics Engineering, Chungnam National University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper describes the design concept of a bio-inspired legged underwater and estimating its performance by implementing simulations. Especially the leg structure of an underwater organism, diving beetles, is fully adopted to our designing to employ its efficiency for swimming. To make it possible for the robot to both walk and swim, the transformable kinematic model according to applications of the leg is proposed. To aid in the robot development and estimate swimming performance of the robot in advance, an underwater simulator has been constructed and an approximated model based on the developing robot was set up in the simulation. Furthermore, previous work that we have done, the swimming locomotion produced by a swimming patten generator based on the control parameters, is briefly mentioned in the paper and adopted to the simulation for extensive studies such as path planning and control techniques. Through the results, we established the strategy of leg joints which make the robot swim in the three dimensional space to reach effective controls.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

CR200은 수중 보행에 초점을 맞추고 이루어진 반면, 우리는 수중 다족 로봇의 보행 시 해저 장애물을 유영으로 극복하면서 효율적인 움직임을 갖기 위한 유영과 보행을겸하는 로봇을 개발하는 것을 목표로 한다. 이에 따라 우리는 다리관절을 가지는 수중 유영 생명체인 물방개를 생체모방 모델로 선정하였다.
모의실험은 유영동작의 한 주기를 2.32초로 구성하여 총 두 번의 주기를 가지는 유영 동작에 대한 분석을 목적으로 진행되었다. 유영동작의 한 주기의 속도는 3장 도입부에서 언급한 유영동작을 발생시키기 위한 각 다리관절의 최종 수식에서의 파라미터 k₁와 k₂의 값을 조절하여 바꾸어 줄 수 있으며 위 파라미터의 값은 0.
본 논문에서는 생체모방 기술을 접목하여 개발 중인 유영과 보행을 겸할 수 있는 형태의 수중 다족 로봇에 대한 소개를 비롯하여 생명체의 유영동작을 모방한 유영동작 생성기법에 대한 선행연구와 관절공간에서의 경로계획 전략을 접목하여 근사모델을 통한 수중 유영실험에 초점을 맞추어 다양한 운동방향에 대해 검증하였다.

가설 설정

1) 모의실험에 활용한 로봇다리의 모델링은 링크 형상의 비대칭성에 따라 발생하는 유체의 영향력을 최소화하기 위해 실린더 형의로 가정하였다. 이에 따라 다리를 저을 때 발생하는 양력의 효과는 고려되지 않았다.
3) 근사모델의 부피중심과 질량중심은 일치하여 각 자용점사이의 거리(x_b, y_b, z_b)는 0으로 설정해 주었고, 중력은 근사모델의 무게중심점으로 작용하여 무게중심점에 대한모멘트는 발생하지 않는다고 가정한다.

제안 방법

따라서 그림 8의 회전과 전진유영 동작을 이용하여 경로계획의 근간이 되는 다양한 방향(전진, 회전, 상승, 하강 등)으로 움직임을 분석하기 위한 모의실험을 실행하였다. 3차원 유영동작전략에 관해서는 앞서 언급한 바와 같이 Hip pitch 관절에 변화를 주어 진행하였고, 그림 11에서 최종적인 근사모델의 움직임 경로와 자세를 확인할 수 있으며, 운동방향을 결정짓기 위한 Hip pitch 관절은 로봇 앞쪽부터 1,2,3의 순서로 나타내었고, 각 Hip pitch 관절의 초기 각도는 표 4와 같이 설정해 주었다.
그림 4에서 볼 수 있듯이 기본적으로 물방개 다리 치수의 비율을 로봇 다리 설계에 적용하고 추가적으로 물방개가 두 번째 다리 관절 부분에 위치하고 있는 수동적인 작은관절들이 유선형을 그리며 유영 시 추진력을 극대화 할 수 있다는 구조적인 장점들을 고려하였다. 실제로 문어를 모방한 로봇의 연구결과에 있어서도 이와 같은 관절구조가 추진력을 향상 시킬 수 있다는 것은 입증된 바 있다^[11].
로봇을 제작하는 과정에서 미리 로봇의 성능을 확인하여 설계를 보완하거나 제어의 기법을 미리 학습하기 위해 그림 8과 같이 개발 중인 로봇의 설계사항을 고려한 근사모델을 모델링하였다. 근사모델의 뒷다리 두 개는 주 추진력을 담당하는 부분으로 실제로 로봇이 유영 시 수동적인 관절구조로 인해 앞의 네다리보다 더 길게 될 것을 감안하여 근사모델에도 적용하였다. 그러나 수동관절에 대한 구조에 대한 움직임 모델링은 본 논문에서는 고려하지 않았지만 이는 실제 실험에서는 더 좋은 추진효과를 낼 수 있을 것으로 기대된다.
따라서 그림 8의 회전과 전진유영 동작을 이용하여 경로계획의 근간이 되는 다양한 방향(전진, 회전, 상승, 하강 등)으로 움직임을 분석하기 위한 모의실험을 실행하였다. 3차원 유영동작전략에 관해서는 앞서 언급한 바와 같이 Hip pitch 관절에 변화를 주어 진행하였고, 그림 11에서 최종적인 근사모델의 움직임 경로와 자세를 확인할 수 있으며, 운동방향을 결정짓기 위한 Hip pitch 관절은 로봇 앞쪽부터 1,2,3의 순서로 나타내었고, 각 Hip pitch 관절의 초기 각도는 표 4와 같이 설정해 주었다.
식 (5)에서 식(10)의 로봇 몸체의 각 방향으로의 부가질량계수(#)는 스트립 이론을 적용하여 계산하였으며 결과는 #, #, #, #, #, #과 같다. 또한 직육면체 형태의 근사모델의 치수와 질량에 근거하여 각 항의 관성텐서(I_xx,I_yy,I_zz,I_xy,I_yz,I_xz)를 계산하였다.
로봇을 제작하는 과정에서 미리 로봇의 성능을 확인하여 설계를 보완하거나 제어의 기법을 미리 학습하기 위해 그림 8과 같이 개발 중인 로봇의 설계사항을 고려한 근사모델을 모델링하였다. 근사모델의 뒷다리 두 개는 주 추진력을 담당하는 부분으로 실제로 로봇이 유영 시 수동적인 관절구조로 인해 앞의 네다리보다 더 길게 될 것을 감안하여 근사모델에도 적용하였다.
로 유영생명체인 물방개의 유영방식을 모사한 유영동작 생성기를 설계하였던 과정을 간단히 요약하면, 복잡한 주기함수를 가지는 물방개의 각 다리관절 각도변화를 푸리에 최소자승 방식을 이용한 피팅 기법을 활용하여 각 다리관절에 대한 수식을 정립하고, 수식의 각 항에 파라미터들을 설정하고 이를 토대로 유영동작을 발생시킨다. 유영동작을 생성하는 파라미터들의 역할과 특성은 모션 캡쳐 시스템^[9]을 통해 재구성한 실제 물방개의 유영동작과의 비교 분석 과정을 통하여 정의 하였다. 그림 8은 유영동작 생성기법을 전진과 회전에서의 대표적은 유영패턴을 나타낸다.
유영 시 에 사용하는 다리의 항력은 유영동작이 적용되는 몸체중심으로부터 세 번째와 네 번째 관절에 적용이 되므로, 이는 2절 링크의 로봇다리항력으로 나타낼 수 있다. 이 부분에 3장 도입부에서 설명했었던 물방개의 유영을 모사한 유영동작 발생기법을 적용시키게 되고 2차원적인 유영의 제약을 해결하기 위해 몸체로부터 첫 번째 관절인 Hip pitch관절 각도에 변화를 준만큼의 R(회전행렬)을 식 (16)과 같이 추진력 항에 곱해주어 3차원이 가능한 유영동작이 발생할 경우 z축으로의 힘의 성분이 발생하도록 하였다.

대상 데이터

CR200은 수중 보행에 초점을 맞추고 이루어진 반면, 우리는 수중 다족 로봇의 보행 시 해저 장애물을 유영으로 극복하면서 효율적인 움직임을 갖기 위한 유영과 보행을겸하는 로봇을 개발하는 것을 목표로 한다. 이에 따라 우리는 다리관절을 가지는 수중 유영 생명체인 물방개를 생체모방 모델로 선정하였다.

성능/효과

2) 물 밀도는 물의 물리적 성질을 고려하여 15℃ 일 때의 값인 1000kg/m³으로 설정해주었고, 직육면체 형상의 근사모델의 각 면적에 대한 유체항력계수(C_Dx,C_Dg,C_Dz)와 실린더 형상의 다리관절의 유체항력계수(C_DI)는 표 3과 같이 설정해주었다^[12].
이와 같이 근사모델을 활용한 모의실험을 통해 효율적인 경로계획에 근간이 되는 서로 다른 방향으로의 움직임을 유도하여 3차원 유영이 가능한 것을 확인할 수 있었다.또한 위의 결과를 토대로 로봇의 앞쪽 네 개의 다리와 뒤쪽 두 개의 다리의 구조와 역할이 다르기 때문에 Hip pitch관절 각도를 잘 조절하여 유영에 활용해야 한다는 분석을 기반으로, z축으로 원하는 방향으로 이동할 경우에 모든 다리의 Hip pitch 관절 각도를 같게 바꾸면 유체환경에서의 로봇 몸체의 모멘트에 많은 영향을 주게 된다는 사실을 감안하여 상황에 맞게 적용해야한다는 관절공간에서의 경로계획 전략이 이루어져야 한다는 결론을 도출해 낼 수 있다. 추후에는 유영생성 기법에 의해 만들어낸 다양한 유영동작들을 활용하여 장애물 회피나 경로추정에 관한 연구를 지속해서 진행할 예정이다.
이와 같이 근사모델을 활용한 모의실험을 통해 효율적인 경로계획에 근간이 되는 서로 다른 방향으로의 움직임을 유도하여 3차원 유영이 가능한 것을 확인할 수 있었다.또한 위의 결과를 토대로 로봇의 앞쪽 네 개의 다리와 뒤쪽 두 개의 다리의 구조와 역할이 다르기 때문에 Hip pitch관절 각도를 잘 조절하여 유영에 활용해야 한다는 분석을 기반으로, z축으로 원하는 방향으로 이동할 경우에 모든 다리의 Hip pitch 관절 각도를 같게 바꾸면 유체환경에서의 로봇 몸체의 모멘트에 많은 영향을 주게 된다는 사실을 감안하여 상황에 맞게 적용해야한다는 관절공간에서의 경로계획 전략이 이루어져야 한다는 결론을 도출해 낼 수 있다.

후속연구

근사모델의 뒷다리 두 개는 주 추진력을 담당하는 부분으로 실제로 로봇이 유영 시 수동적인 관절구조로 인해 앞의 네다리보다 더 길게 될 것을 감안하여 근사모델에도 적용하였다. 그러나 수동관절에 대한 구조에 대한 움직임 모델링은 본 논문에서는 고려하지 않았지만 이는 실제 실험에서는 더 좋은 추진효과를 낼 수 있을 것으로 기대된다.
모의실험 상에서는 근사모델의 다리관절형태에 추가적인 추진력을 발생시키면서 유체 저항력을 줄여줄 수 있는 개발 중인 실제 로봇 다리 구조가 완벽하게 반영되어 있지 않고 실린더 형태의 다리관절 구조로 이루어져 있기 때문에 실제 디자인한 다리 구조와 가까운 형태의 다리모델링에 대한 연구와 이를 활용한 경로계획 및 제어기법에 관한 연구가 진행될 예정이다. 이와 같은 과정을 통하여 좀 더 현실성 있고 최적화된 근사모델을 통하여 개발 중인 로봇의 성능을 신뢰성 있게 추정할 수 있을 것으로 기대된다.
모의실험 상에서는 근사모델의 다리관절형태에 추가적인 추진력을 발생시키면서 유체 저항력을 줄여줄 수 있는 개발 중인 실제 로봇 다리 구조가 완벽하게 반영되어 있지 않고 실린더 형태의 다리관절 구조로 이루어져 있기 때문에 실제 디자인한 다리 구조와 가까운 형태의 다리모델링에 대한 연구와 이를 활용한 경로계획 및 제어기법에 관한 연구가 진행될 예정이다. 이와 같은 과정을 통하여 좀 더 현실성 있고 최적화된 근사모델을 통하여 개발 중인 로봇의 성능을 신뢰성 있게 추정할 수 있을 것으로 기대된다.
또한 위의 결과를 토대로 로봇의 앞쪽 네 개의 다리와 뒤쪽 두 개의 다리의 구조와 역할이 다르기 때문에 Hip pitch관절 각도를 잘 조절하여 유영에 활용해야 한다는 분석을 기반으로, z축으로 원하는 방향으로 이동할 경우에 모든 다리의 Hip pitch 관절 각도를 같게 바꾸면 유체환경에서의 로봇 몸체의 모멘트에 많은 영향을 주게 된다는 사실을 감안하여 상황에 맞게 적용해야한다는 관절공간에서의 경로계획 전략이 이루어져야 한다는 결론을 도출해 낼 수 있다. 추후에는 유영생성 기법에 의해 만들어낸 다양한 유영동작들을 활용하여 장애물 회피나 경로추정에 관한 연구를 지속해서 진행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	물방개의 유영동작에서 추진력이 발생하는 부분은?	물방개의 유영에 있어서 주로 추진력을 발생시키는 부분은 상대적으로 긴 뒷다리 2개로, 앞 네다리의 움직임과는 달리 2차원 상에서 이루어진다. 지난 연구에서 우리는 물방개의 유영동작을 모사하기 위해 수치 해석적 방법으로 접근하여 유영 패턴 발생기를 정립하였고, 이는 물방개와 같이 2차원 평면상의 움직임만을 고려해서 만들어 졌다.
	수중로봇은 어떤 목적을 가지고 개발되는가?	수중로봇 개발은 여러 가지 환경적인 제약을 수반하고 있는 반면, 대체자원을 활용하기 위한 해저 탐사나 선박 침몰과 같은 수중사고에 대한 작업을 사람을 대신하여 원활히 수행하기 위한 목적을 가지고 많은 연구가 이루어지고 있다. 그 중에서 프로펠러나 캐터필러 형태의 추진체를 지닌 AUV(Autonomous Underwater Vehicle), ROV(Remotely Operated Vehicle)와 같은 로봇은 이미 상용화가 이루어져 널리 사용되고 있고, 물고기, 게, 바닷가재, 자라, 문어, 해파리와 같은 수중 생명체들을 모사하는 생체모방로봇에 대한 연구도 활발하게 이루어지고 있다[1-4].
	생체모방관점에서 로봇을 개발하는 것은 무엇을 목적으로 하고있는가?	그 중에서 프로펠러나 캐터필러 형태의 추진체를 지닌 AUV(Autonomous Underwater Vehicle), ROV(Remotely Operated Vehicle)와 같은 로봇은 이미 상용화가 이루어져 널리 사용되고 있고, 물고기, 게, 바닷가재, 자라, 문어, 해파리와 같은 수중 생명체들을 모사하는 생체모방로봇에 대한 연구도 활발하게 이루어지고 있다[1-4].생체모방관점에서 로봇을 개발하는 것은 수 천 년 전부터 진화해온 생명체의 방식을 모사하는 것으로, 로봇공학적인 관점으로 재해석 되어 로봇이 최적화된 움직임을 발생 시키는 것을 주목적으로 하고 있다. 실제로 이와 같은 방식으로 육해공 영역에서의 로봇들이 다양하게 개발되고 있다.

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상세보기
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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