[논문]뱀의 구동원리를 이용한 4족보행 로봇의 개발

김성현; 김예승; 김민송; 송진혁; 윤동원

doi:10.7746/jkros.2019.14.3.196

뱀의 구동원리를 이용한 4족보행 로봇의 개발
Development of Quadrupedal Robot Mimicking the Motion of Snake 원문보기

로봇학회논문지 = The journal of Korea Robotics Society, v.14 no.3, 2019년, pp.196 - 202

김성현 (DGIST) , 김예승 (DGIST) , 김민송 (DGIST) , 송진혁 (DGIST) , 윤동원 (Department of Robotics, DGIST)

Abstract ▼ AI-Helper

Snake robots are slower than wheeled robots or legged robots, while they have an excellent terrainability in a disastrous area. Considering their advantages and disadvantages, a legged robot whose legs are snake robots, 'Quadnake' was proposed in this research. Five motions of the snake were analyzed. Applying these motions, Quadnake could implement eight kinds of motions which snake robots and quadruped walking robots can implement. As a result of it, Quadnake can have the advantages of both a snake robot and a walking robot. It is expected to move stably in a harsh terrain with snake's motion and move fast with walking.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 절에서는 뱀의 모션에 의한 추진력을 생성하기 위한 비등방성 마찰특성을 가지는 피부를 다룬다. 먼저 [Fig.
이 논문에서는 Quadnake의 기구학적 모션 플래닝과 시뮬레이션, sideslip을 최소화하기 위한 비등방성 마찰판, 그리고 Quadnake의 움직임에 대하여 연구하여 보았다.
이 연구에서는 보행 motion과 뱀의 motion이 모두 가능한 로봇, Quadnake를 새로이 제안했다. 다양한 motion들의 구현을 통해 다재 다능한 움직임의 구현이 가능한 prototype을 구현했다.
이번 연구에서는 뱀 로봇을 다리로 갖는 로봇, Quadnake를 제안했다. 뱀 로봇의 5가지 motion들에 대해 Matlab을 이용하여 모델링을 수행한 후, 직접 뱀 로봇을 만들어 open loop 제어를 통해 motion들을 구현했다.
하지만 우리는 뱀 로봇에만 국한되지 않고 뱀의 움직임 자체에 집중하여 그 장점을 최대한 활용하려고 하였고 일반 보행로봇에 그 움직임을 접목시키려고 시도하였다. 이에 우리는 다리가 뱀의 형태를 띄고 있는 보행로봇 Quadnake를 구상하였고 뱀 로봇의 다재 다능한 움직임을 적용하여 각 로봇의 장점을 최대한 활용하고자 하였다.
하지만 우리는 뱀 로봇에만 국한되지 않고 뱀의 움직임 자체에 집중하여 그 장점을 최대한 활용하려고 하였고 일반 보행로봇에 그 움직임을 접목시키려고 시도하였다. 이에 우리는 다리가 뱀의 형태를 띄고 있는 보행로봇 Quadnake를 구상하였고 뱀 로봇의 다재 다능한 움직임을 적용하여 각 로봇의 장점을 최대한 활용하고자 하였다.

제안 방법

5(a)]와 같이 일반 PLA 재질을 활용하여 피부구조를 만들었다. soft material의 경우 마찰계수의 비등방성을 더 크게 만들 수 있기 때문에^[17] 이를 위하여 PLA 판과 경도가 Shore A 40인 실리콘을 혼합하여 다른 한 종류의 피부구조를 더 만들었다. 표면에 비등방성을 구현하는 무늬를 넣었고, 다양한 동작 시, 발판이 골고루바닥에 닿도록원통형으로 제작하였다[Fig.
뱀 로봇의 5가지 motion들에 대해 Matlab을 이용하여 모델링을 수행한 후, 직접 뱀 로봇을 만들어 open loop 제어를 통해 motion들을 구현했다. 그리고 Quadnake를 만들어 앞서 실험한 움직임들을 구현했다. 개발된 로봇을 이용하여 기존의 뱀형 로봇과 4족보행 로봇의 장점을 가진 새로운 형태의 보행을 구현할 수 있었다.
이 연구에서는 보행 motion과 뱀의 motion이 모두 가능한 로봇, Quadnake를 새로이 제안했다. 다양한 motion들의 구현을 통해 다재 다능한 움직임의 구현이 가능한 prototype을 구현했다. 특히 이번 연구를 통해 구현된 보행 motion의 직진성과 속도는 vertical sine wave motion의 직진성과 속도에 비해 크게 향상되었음을 알 수 있었다.
다음으로 Quadnake에 일반적인 사족 보행로봇의 보행동작을 추가하였는데, 이는 바닥을 디디는 3개의 다리를 구부려 무게중심을 이동한 후 나머지 한 다리를 들어 앞으로 옮기는 동작을, 4개의 다리로 반복하여 구현하였다[Fig. 14]. 이 보행 동작을 실험한 결과, 앞서 구현한 vertical sine wave에 비해서는 1.
Quadnake에서 로봇의 각 다리 한 쪽을 독립된 뱀 로봇이라고 볼 수 있다. 따라서 다리 하나를 분석하고 이들의 평균 값으로 로봇의 head angle과 로봇의 속도에 대한 기구학을 분석했다[Fig. 1].
뱀 로봇에서의 실험을 마친 후, Quadnake의 4개의 다리에 뱀의 모션을 응용하여 구동 실험을 수행하였다. 뱀로봇과는 다르게 Quadnake의 경우 마주보는 두 다리를 이어지는 하나의 다리로 생각하여 제어할 수 있으므로, 이에 맞춰서 제어하였다[Fig.
이번 연구에서는 뱀 로봇을 다리로 갖는 로봇, Quadnake를 제안했다. 뱀 로봇의 5가지 motion들에 대해 Matlab을 이용하여 모델링을 수행한 후, 직접 뱀 로봇을 만들어 open loop 제어를 통해 motion들을 구현했다. 그리고 Quadnake를 만들어 앞서 실험한 움직임들을 구현했다.
뱀 로봇에서의 실험을 마친 후, Quadnake의 4개의 다리에 뱀의 모션을 응용하여 구동 실험을 수행하였다. 뱀로봇과는 다르게 Quadnake의 경우 마주보는 두 다리를 이어지는 하나의 다리로 생각하여 제어할 수 있으므로, 이에 맞춰서 제어하였다[Fig. 11]. Sidewinding의 경우 이런방식으로 제어할 경우 중간의 몸체 때문에 다리가 고정되어 로봇이 제대로 이동할 수가 없었다.
앞 서 진행한 기구학적 분석과 동작 분석을 바탕으로 Simscape와 Simulink를 이용하여 실제 뱀로봇에 필요한 토크를 중심으로 시뮬레이션을 진행하였다 [Fig. 3][Fig. 4].
앞서 분석한 뱀의 동작들은 기본적으로 sine wave를 바탕으로 두고 있으므로 가장 먼저 뱀 로봇이 수평, 수직으로 sine wave에 따라서 움직이도록 하였다.
앞서 설계하고 제작한 두 종류의 발판의 비등방성을 확인하기 위해 마찰계수를 측정하는 실험을 진행하였다. 그 결과 일반 PLA 발판에서는 유의미한 결과를 얻을 수 없었지만, 실리콘을 붙여서 만든 발판에서는 무늬결의 수평방향과 수직방향의 마찰계수가 유의미한 차이를 띄어서 더 큰 비등방성을 확인할 수 있었다[Fig.
앞서 설계한 뱀 로봇을 8각형 몸체에 일정 간격으로 부착시키는 형식으로 Quadnake를 설계하였다. 하지만 각 다리에 사용된 모듈의 개수는 보행의 편의성을 고려 하여 각 3개로 조정하였다[Fig.
움직임 분석 후에는 뱀 로봇에 구현할 4가지의 모션을 정하고 각 모션들을 수식화 한 뒤, MATLAB을 이용하여 2D와 3D로 시뮬레이션 하였다[Table1][Fig. 2].
제작의 편의성과 앞서 분석한 동작들의 원활한 구현을 위해 우리는 두 조인트를 직각으로 붙인 형태를 하나의 모듈로써 정하였다. 이를 연속적으로 이어 붙인 형태를 뱀 로봇으로 하였고 실험을 위한 실제 뱀 로봇에는 5개의 모듈의 사용하였다[Fig.
13]. 직진성을 확인하고자 초기위치를 기준으로 8개 스냅샷에서의 현재 위치를 선형회귀해 기울기를 비교했다. 8번째 스냅샷에는 해당 직선의 기울기를 표시했다.
soft material의 경우 마찰계수의 비등방성을 더 크게 만들 수 있기 때문에^[17] 이를 위하여 PLA 판과 경도가 Shore A 40인 실리콘을 혼합하여 다른 한 종류의 피부구조를 더 만들었다. 표면에 비등방성을 구현하는 무늬를 넣었고, 다양한 동작 시, 발판이 골고루바닥에 닿도록원통형으로 제작하였다[Fig. 5].

대상 데이터

제작의 편의성과 앞서 분석한 동작들의 원활한 구현을 위해 우리는 두 조인트를 직각으로 붙인 형태를 하나의 모듈로써 정하였다. 이를 연속적으로 이어 붙인 형태를 뱀 로봇으로 하였고 실험을 위한 실제 뱀 로봇에는 5개의 모듈의 사용하였다[Fig. 6][Fig. 7]. 각 모듈을 이루는 모터로는 로보티즈사의 AX-12A를 사용하였다.

성능/효과

특히 이번 연구를 통해 구현된 보행 motion의 직진성과 속도는 vertical sine wave motion의 직진성과 속도에 비해 크게 향상되었음을 알 수 있었다. Sidewinding과 보행을 비교했을 때에도 보행 motion이 상대적으로 더 뛰어난 직진성을 보임을 확인할 수 있었다. 하지만 서론에서 기대했던 바와는 다르게 보행 움직임이 sidewinding에 비해 더 나은 속도를 보인다고 보기는 어려웠다.
그리고 Quadnake를 만들어 앞서 실험한 움직임들을 구현했다. 개발된 로봇을 이용하여 기존의 뱀형 로봇과 4족보행 로봇의 장점을 가진 새로운 형태의 보행을 구현할 수 있었다.
구현한 동작들을 실험한 결과 시뮬레이션 한 대로 움직이는 것을 확인할 수 있었고, 수평 방향의 Sine wave 동작의 경우 비등방성의 차이로 인하여 sinus lifting motion보다 이동이 느린 것을 확인할 수 있었다.
앞서 설계하고 제작한 두 종류의 발판의 비등방성을 확인하기 위해 마찰계수를 측정하는 실험을 진행하였다. 그 결과 일반 PLA 발판에서는 유의미한 결과를 얻을 수 없었지만, 실리콘을 붙여서 만든 발판에서는 무늬결의 수평방향과 수직방향의 마찰계수가 유의미한 차이를 띄어서 더 큰 비등방성을 확인할 수 있었다[Fig. 9].
그 결과, Vertical sine wave motion의 경우, 약 2.39°정도의 각도차가 있음을 확인했다.
14]. 이 보행 동작을 실험한 결과, 앞서 구현한 vertical sine wave에 비해서는 1.4배 정도 빠른 속도로 움직이고, 땅을 밀어 움직이는 sidewinding와는 거의 같은 속도로 움직인다는 것을 확인할 수 있었다. Walking motion의 경우, 1.
Sidewinding의 경우 이런방식으로 제어할 경우 중간의 몸체 때문에 다리가 고정되어 로봇이 제대로 이동할 수가 없었다. 이를 해결하기 위하여 뱀 로봇처럼 각각의 다리를 개별적으로 제어하였고, 그 결과 제대로 잘 움직이는 것을 확인할 수 있었다[Fig. 12]. 또한 앞뒤 다리의 sidewinding의 진행방향을 반대로 하여, 제자리에서 회전하는 움직임도 구현할 수 있었다[Fig.
다양한 motion들의 구현을 통해 다재 다능한 움직임의 구현이 가능한 prototype을 구현했다. 특히 이번 연구를 통해 구현된 보행 motion의 직진성과 속도는 vertical sine wave motion의 직진성과 속도에 비해 크게 향상되었음을 알 수 있었다. Sidewinding과 보행을 비교했을 때에도 보행 motion이 상대적으로 더 뛰어난 직진성을 보임을 확인할 수 있었다.

후속연구

이번 연구에서의 실험에서는 주로 Quadnake의 구현, 모터의 각도 제어를 통한 동작 구현과 그 비교에 중점을 두었기 때문에 다음과 같은 결과가 나타났다고 분석했다. 그러므로 차후의 연구에서는 뱀의 움직임과 보행 움직임에 있어 향상된 속도와 직진성을 구현하기 위해 더 향상된 비등방적인 마찰 특성의 구현과 동역학적인 분석을 기반으로 한 제어의 구현이 필요할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	뱀 로봇은 무엇인가?	생체모방 로봇은 오랜 세월에 거쳐서 생물이 살아가는 환경에 최적화된 움직임을 모사하기에 특정 환경에서 뛰어난 이동성을 보인다[2,3]. 그 중에서도 뱀 로봇은 초여유자유도의 이동형 로봇으로, 굉장히 많은 종류의 모션을 할 수 있으며 땅에 닿는 부분이 많아 움직임이 안정적이다[4]. 게다가 뱀 로봇은 거칠고 좁은 지형에서 다리가 달린 로봇 보다도 더 잘 움직일 수 있으므로, 무너진 빌딩 등의 재난현장에서 구조용으로 많은 기대를 받고 있다[5].
	바퀴가 달린 로봇과 다리가 달린 로봇을 비교했을 때 장단점은 무엇인가 ?	그 중 가장 많은 형태는 바퀴와 다리이다. 바퀴가 달린 로봇은 빠른 속도를 낼 수 있지만 다리가 달린(legged) 로봇은 바퀴가 달린(wheeled) 로봇보다 거친 표면이나 힘든 지형에서 잘 움직일 수 있다는 장단점을 가지고 있다[1].
	로봇이 움직이는 형태 중 대표적인 두가지를 말하시오	로봇이 움직이는 형태에는 여러 가지가 있다. 그 중 가장 많은 형태는 바퀴와 다리이다. 바퀴가 달린 로봇은 빠른 속도를 낼 수 있지만 다리가 달린(legged) 로봇은 바퀴가 달린(wheeled) 로봇보다 거친 표면이나 힘든 지형에서 잘 움직일 수 있다는 장단점을 가지고 있다[1].

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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