[논문]생체모방기술을 접목한 파라미터 공간에서의 로봇제어 기법

김희중

doi:10.20910/jase.2018.12.5.16

초록
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본 논문에서는 생체모방기술을 적용한 로봇제어방법에 대해 기술한다 물방개의 유영동작을 모방하고 발생시키기 위해 푸리에 최소자승기법을 적용하여 일반식을 정립하였다. 일반식의 계수의 값을 조정하여 관측된 물방개의 유영동작과 발생시킨 모방동작의 비교를 통해 제어 파라미터가 정의되었으며 각 파라미터들의 상관관계를 밝히고 이를 파라미터 공간상에 표현하여 다양한 생체모방 동작을 쉽게 발생시킬 수 있음을 확인하였다. 추가로, 생물체의 구조적인 장점을 반영한 로봇설계에 대해 간략히 소개하였고 제안한 생체모방 발생기법은 다양한 환경에서의 로봇시스템 개발에 적용 가능함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the paper, a robot control technique by employing Biomimetics is described. Rhythmic movements of the diving beetle's leg were analyzed and the formulated equations on the motion were drawn by applying Fourier least mean square fitting method. Simple control parameters were defined by comparing t...

In the paper, a robot control technique by employing Biomimetics is described. Rhythmic movements of the diving beetle's leg were analyzed and the formulated equations on the motion were drawn by applying Fourier least mean square fitting method. Simple control parameters were defined by comparing the observed locomotion through a motion capture system and reproduced motions according to changes in the values in the equation. Subsequently, the correlation of each parameter was discovered and expressed in a parameter space. Apparently, it was confirmed that various bio-mimicking motions can simply be generated for controlling the robot. Additionally, robot designing based on adopting structural advantages which the living organism possess have been briefly introduced. The proposed bio-mimicking motion generating technique was observed to be applicable to robot system developments under various environmental conditions.

주제어

표/그림 (20)

그림 Fig. 1 Motion Capture System
그림 Fig. 2 Motion Reconstruction
그림 Fig. 3 Motion Comparison
그림 Fig. 4 Parameter Characteristics
표 Table 1 Defined Parameter Characteristics
그림 Fig. 5 Parameter Correlation
그림 Fig. 6 Proposed Parameter Space
그림 Fig. 7 Motion Control in Parameter Space
그림 Fig. 8 Motion Generation by a Newly Proposed Method
표 Table 2 Parameter Values in Parameter Space
그림 Fig. 9 Robot Control Strategy
그림 Fig. 10 Pattern to Pattern Connection
그림 Fig. 11 Structural Advantages of the robot
그림 Fig. 12 Mechanism of the Robot Leg
그림 Fig. 13 Dimension of the Robot legs
그림 Fig. 14 Motion Comparison
그림 Fig. 15 Robot Designing Concept
그림 Fig. 16 Robot Body
그림 Fig. 17 Robot Assembly
그림 Fig. 18 System Architecture

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 생명체의 유영방식을 공학적인 시각으로 분석하여 파라미터 공간에서 생체모방 유영동작을 발생시킬 수 있는 방법에 대해 소개하였고, 이를 활용한 로봇제어 전략에 대해 제안하였다. 더불어 생명체의 구조적인 특성을 로봇설계에 적용한 과정에 대해 기술하였다. 추후 연구로는 제안한 로봇제어 기법을 실험을 통해 입증하고 자율성을 고려한 지능적인 동작 발생 제어에 대한 심층적인 연구가 진행될 예정이다.
물방개의 다양한 유영동작을 재구성 할 수 있는 파라미터 값들을 기반으로 물방개의 유영동작에 대해 심도 있는 분석과 각 유영동작과의 관계규명을 통해 직관적인 생체모방 동작발생기법에 대해 소개한다. 먼저 그림 Fig.
본 논문에서 제안하는 직관적이면서 최소의 파라미터로 파라미터 공간에서의 로봇제어기법에 대해 기술하기 이전에, 생명체의 동작을 관찰한 결과를 기반으로 선행연구에서 제시한 생명체의 유영동작에 대한 일반식을 정립하는 과정에 대해 먼저 소개한다[6].
본 논문에서는 생명체의 유영방식을 공학적인 시각으로 분석하여 파라미터 공간에서 생체모방 유영동작을 발생시킬 수 있는 방법에 대해 소개하였고, 이를 활용한 로봇제어 전략에 대해 제안하였다. 더불어 생명체의 구조적인 특성을 로봇설계에 적용한 과정에 대해 기술하였다.
본 논문에서는, 조류가 심한 해저환경에서 보행하며 조류를 피하면서 심해작업을 수행하는 로봇[4]의 수중 유영 기법을 적용하기 위한 연구절차에 대해 기술하고 있으며, 이는 로봇이 수중환경에서 장애물을 극복하거나 원거리 이동하기 위한 효율적인 동적 움직임을 확보하는 데 목적이 있다. 이와 같은 목적으로 생체모방 모델로 선정된 물방개의 유영동작 분석을 기반으로 생명체의 움직임 모방에 대한 일반식을 정립하고 이를 제어할 수 있는 파라미터들을 도출하는 과정을 집중적으로 소개하고 있으며, 파라미터 공간상에서 재해석하여 단순하고 직관적으로 로봇을 제어하는 방법에 대해 제안한다.
본 논문에서는, 조류가 심한 해저환경에서 보행하며 조류를 피하면서 심해작업을 수행하는 로봇[4]의 수중 유영 기법을 적용하기 위한 연구절차에 대해 기술하고 있으며, 이는 로봇이 수중환경에서 장애물을 극복하거나 원거리 이동하기 위한 효율적인 동적 움직임을 확보하는 데 목적이 있다. 이와 같은 목적으로 생체모방 모델로 선정된 물방개의 유영동작 분석을 기반으로 생명체의 움직임 모방에 대한 일반식을 정립하고 이를 제어할 수 있는 파라미터들을 도출하는 과정을 집중적으로 소개하고 있으며, 파라미터 공간상에서 재해석하여 단순하고 직관적으로 로봇을 제어하는 방법에 대해 제안한다.

제안 방법

물방개는 상대적으로 뒷다리 두 개로 추진력을 발생시키고 앞 네다리로는 방향 전환 및 추진력을 보조하는 이유로 동작에 대한 관찰은 주 추진력을 발생시키는 뒷다리에 초점을 맞추어 연구를 수행하였다. Fig. 1과 같이 물방개는 투명한 수조에서 유영하도록 하고 초당 125프레임으로 초고속 카메라(MotionScope M1, REDRAKE)를 활용하여 물방개의 움직임에 대한 정보를 획득하여 영상처리 소프트웨어인 Image J를 이용하여 유영하는 물방개 다리 관절사이의 각도를 추출해내었다.
각 영역에서 임의로 8가지 포인트를 설정하고, 궤적의 크기를 결정하는 index 파라미터 i를 새롭게 정의하여 한 다리의 두 관절에 해당하는 파라미터 값이 동시에 선택될 수 있도록 하고, 각 관절의 위상지연을 담당하는 파라미터를 하나로 표현하면서 phase 파라미터 #를 정의하여 Fig. 6과 같이 z축으로 설정함으로써 3차원 파라미터 공간으로 확장하였다.
물방개는 유영할 때 상대적으로 길고 힘이 센 뒷다리 두 개를 활용하여 추진력을 발생시키는데, 이 두 다리의 끝 부분에 위치한 수동관절과 작은 털로 인해 움직이는 방향으로 power stroke 시 추진력을 극대화하거나 recovery stroke 시 물이 닿는 면적을 조절해 줌으로써 유제 저항력을 줄여주는 구조적인 장점을 가지고 있다. 로봇다리 설계 시 위와 같은 구조에 착안하여 Fig. 11과 같이 단면적을 조절시켜줄 수 있는 경첩 구조와 유영 시 선 운동하며 로봇다리 끝 마디에서 수동관절들이 빠져나올 수 있는 구조로 설계를 하였다. 물방개의 수동관절들의 각 마디 움직임 역시 각각 계산하여 적용시켜주었고, 실제로 움직이는 각도는 조절 가능하도록 설계하였다.
물방개 다리의 유영동작을 재구성하기 위해 물방개의 다리는 Fig. 2와 같이 두 개의 관절 마디로 이루어진 형태로 모델링하고, 로봇공학적인 관점에서 획득된 물방개의 유영동작에서 추출한 다리관절 사이의 각도를 활용하여 D-H(Denavit-Hartenberg) 파라미터 링크 좌표계를 기반으로 여러 가지 유영동작을 로봇공학적 관점에서 재구성하였다[5].
생체모방관점에서 다리관절 형태를 가진 로봇의 움직임에 대한 해법을 찾기 위해 수중 유영에 적합한 생물체인 물방개를 선정하였다. 물방개는 상대적으로 뒷다리 두 개로 추진력을 발생시키고 앞 네다리로는 방향 전환 및 추진력을 보조하는 이유로 동작에 대한 관찰은 주 추진력을 발생시키는 뒷다리에 초점을 맞추어 연구를 수행하였다. Fig.
11과 같이 단면적을 조절시켜줄 수 있는 경첩 구조와 유영 시 선 운동하며 로봇다리 끝 마디에서 수동관절들이 빠져나올 수 있는 구조로 설계를 하였다. 물방개의 수동관절들의 각 마디 움직임 역시 각각 계산하여 적용시켜주었고, 실제로 움직이는 각도는 조절 가능하도록 설계하였다.

대상 데이터

생체모방관점에서 다리관절 형태를 가진 로봇의 움직임에 대한 해법을 찾기 위해 수중 유영에 적합한 생물체인 물방개를 선정하였다. 물방개는 상대적으로 뒷다리 두 개로 추진력을 발생시키고 앞 네다리로는 방향 전환 및 추진력을 보조하는 이유로 동작에 대한 관찰은 주 추진력을 발생시키는 뒷다리에 초점을 맞추어 연구를 수행하였다.
13은 개발한 로봇다리의 두 가지 형태를 보여준다. 유영모드에서 최대의 추진력을 이끌어내기 위해 물방개의 수동관절을 적용한 다리는 Type 2로 물방개와 같이 뒷다리 두 개로 결정하였고, Type 1은 앞다리 네 개로 방향 전환 및 추진력을 보조하는 역할을 한다.

성능/효과

8과 같으며, 이는 물방개의 6가지 관측된 유영동작과 매우 유사함을 확인하였다. 생명체의 유영동 작을 발생시키는 특성을 파악하고, 이를 공학적으로 해석하여 제어 파라미터를 줄이면서 효율적으로 동작을 발생시킬 수 있음을 입증하였다.

후속연구

보행과 유영 능력을 갖춘 로봇제작을 위해 각 구동기는 부하를 계산하여 설계가 진행되었으며, 외부전원을 사용하는 ROV(Remotely Operated Vehicle) 형태를 갖추고 있지만 추후에는 내부 전원 및 자율 수중 이동 형태로도 변경이 가능하다.
본 논문에서 제안하는 생체모방 동작 발생 기법은 그 목적성에 따라 다양한 환경에서의 로봇 시스템 개발 분야에서 활용 가능할 것으로 기대된다.
더불어 생명체의 구조적인 특성을 로봇설계에 적용한 과정에 대해 기술하였다. 추후 연구로는 제안한 로봇제어 기법을 실험을 통해 입증하고 자율성을 고려한 지능적인 동작 발생 제어에 대한 심층적인 연구가 진행될 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무인시스템의 특징은 무엇인가?	인간의 지원을 최소화하고 최대한의 효율을 얻기 위해 자율성을 극대화 하는 무인시스템에 대한 관심이 증대하고 있으며, 환경적인 제약요소들을 극복하기 위해 다양한 분야에서 오랜 시간동안 환경에 맞게 진화해온 생명체의 방식을 모방하는 생체모방 기술을 접목 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 로봇공학적인 관점에서는 생명체의 움직임을 재해석하여 최적화된 동작을 발생시키는 것을 주목적으로 하는 것이 일반적이며, 육해공 영역에서의 로봇들이 다양하게 개발되고 있다[1-3].
	생체모방 기술이란?	인간의 지원을 최소화하고 최대한의 효율을 얻기 위해 자율성을 극대화 하는 무인시스템에 대한 관심이 증대하고 있으며, 환경적인 제약요소들을 극복하기 위해 다양한 분야에서 오랜 시간동안 환경에 맞게 진화해온 생명체의 방식을 모방하는 생체모방 기술을 접목 하는 연구가 활발히 진행되고 있다. 로봇공학적인 관점에서는 생명체의 움직임을 재해석하여 최적화된 동작을 발생시키는 것을 주목적으로 하는 것이 일반적이며, 육해공 영역에서의 로봇들이 다양하게 개발되고 있다[1-3].
	본 논문에서 로봇이 수중환경에서 장애물을 극복하거나 원거리 이동하기 위한 효율적인 동적 움직임을 확보하기 위해 제안한 방법은 무엇인가?	본 논문에서는, 조류가 심한 해저환경에서 보행하며 조류를 피하면서 심해작업을 수행하는 로봇[4]의 수중 유영 기법을 적용하기 위한 연구절차에 대해 기술하고 있으며, 이는 로봇이 수중환경에서 장애물을 극복하거나 원거리 이동하기 위한 효율적인 동적 움직임을 확보하는 데 목적이 있다. 이와 같은 목적으로 생체모방 모델로 선정된 물방개의 유영동작 분석을 기반으로 생명체의 움직임 모방에 대한 일반식을 정립하고 이를 제어할 수 있는 파라미터들을 도출하는 과정을 집중적으로 소개하고 있으며, 파라미터 공간상에서 재해석하여 단순하고 직관적으로 로봇을 제어하는 방법에 대해 제안한다.

참고문헌 (7)

R. J. Wood, "Liftoff of a 60mg apping-wing fl MAV," in IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems, pp. 1889-1894, 2007.
K. K. Safak and G. G. Adams, "Dynamic Modeling and Hydrodynamic Performance of Biomimetic Underwater Robot locomotion," Autonomous Robot, vol. 13, pp. 223-240, 2002.

상세보기
K. H. Low, C. Zhou, and Y. Zhong, "Gait planning for steady swimming control of biomimetic fish robots," Advanced Robotics, vol. 23, pp. 805-829, 2009.

상세보기
B. Jun, "Multi-legged Seabed Robot Crabster(CR200) for the Exploration of High Tide and Low Visibility Environment," Institute of Control Robotics and Systems, vol. 19, no. 3, pp. 14-25, Sep. 2013.
H. Kim and J. Lee, "Swimming Pattern Analysis of a Diving beetle for Aquatic Locomotion Applying to Articulated Underwater Robots," Korea Robotics Society, vol.7, no. 4, pp. 259-266, Dec. 2012.

원문보기 상세보기
H. Kim and J. Lee, "Swimming Plans for a Bio-inspired Articulated Underwater Robot," Institute of Control Robotics and Systems, vol. 19, no. 9, pp. 782-790, Sep. 2013.

원문보기 상세보기
H. Kim, B. Jun, and J. Lee, "Multi-functional bio-inspired leg for underwater robots," Proc. of International Robots and Systems 2014, Chicago, USA, pp. 1087-1092, Sep. 2014.

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