In the field of mobile robotics, more diverse tasks in unstructured environments are being assigned to today’s robots as the advancement of technology is bringing more robust characteristics to their autonomous operation capabilities. In unstructured environments such as outdoors where uneven terrains are present, the obstacle traversability of mobile robot takes highly influential role in deciding its autonomous capability. Terrains in the nature have obstacles with varying levels of required traversability. Hence, three main locomotion system types being used in mobile robots for traversing diverse terrains include wheeled, tracked, and bio-inspired legged designs. Previous portable legged robots attained fast and incredibly mobile locomotion result over rough terrains by utilizing simple-to-control low degree of freedom legs with open loop control scheme where legs form statically stable posture and passively respond like a spring to incoming terrain perturbations. However, most of the previous legged robots for rough terrain locomotion have mostly adapted single rigid body structures (SRBS). Such design inherently lacks body adaptation characteristic over uneven terrains especially with legs having low degree of freedom. This problem makes stable body orientation harder to maintain and results in less terrain traversability of the robot.
In this work, we took the biomimetic design approach from centipedes with the idea of modular body structure that can flex for better adaptation over uneven terrains. The centipede inspired robot prototype, ZineDyn is proposed with spring inserted joints for passive adaptation of body over uneven terrains. Also, by taking advantage of one distinct gait pattern found in centipedes; wave gait, we designed a simple multi-leg actuation method using a single motor powered flexible drive shaft that runs along the length of the robot. The locomotion of the prototype was experimented over several obstacle courses and speed equaling as high as 36 percent of its maximum level ground speed was display.
이 연구에서는 군사 또는 재해구조 목적을 위해 험한 지형과 협소한 공간에서 정찰작업을 목적으로 하며 군인 또는 구조대의 쉬운 휴대가 가능한 소형 다리구동형 험지주행로봇의 개발에 목적을 두고 있다.
최근 들어 다리형 험지주행 로봇에 바퀴벌레와 같은 곤충의 간단한 페시브 오픈룹 제어방식을 도입하여 기존 다리구동형 로봇의 에너지, 주행속도, 제어의 문제점들을 극복하며 탁월한 성능을 보여준 hexapod 타입의 로봇이 있다. 이 제어방식은 다리 조인트의 능동제어를 다리 재질의 컴플라이언스로 대체하여 장애물과의 충돌에 스프링과 같이 반응하는 방식이다. 하지만 기존의 휴대 가능한 다리구동형 생체모방 험지주행 로봇의 몸체 디자인에는 주로 단일 강체 몸통 구조 디자인이 주로 적용되었으며 구동시스템은 오직 다리 설계와 작동방식만으로 인해 결정되었다. 다시 말해 험지주행성 향상에 있어 몸체의 역학은 전혀 고려되지 않았다. 단일 강체 구조적 몸체 디자인은 주행 성능에 치명적 문제를 일으킨다. 장애물로 인해 다리로 전해지는 충격과 변위가 각각의 다리에서 완충되지 않으며 장애물의 영향이 몸체를 통해 다른 다리에게까지도 전달되므로 다양한 험지 환경의 적응력을 감소시키는 결과를 일으킨다.
지네는 유연하게 구부러질 수 있는 긴 다관절 몸체를 지녔다. 지네는 지형의 모양과 동일하게 몸을 자연스럽게 휘게 하여 다리가 최대한 지형과 접촉을 유지할 수 있도록 한다. 또한 지네 몸체의 단면은 매우 얇고 길이는 긴 가로 세로의 비를 가지고 있다. 이는 주행성에 있어 두 가지의 장점을 가지고 있다. 첫째, 몸이 길어지면 그만큼 더 높고 극복하기 힘든 장애물도 극복할 수 있게 된다. 둘째, 몸의 단면이 얇아질수록 비좁은 공간도 기민하게 통과할 수 있게 된다. 단일 강체 몸통 디자인의 문제를 해결하기 위한 두 가지 방법 중 첫째는 다리의 숫자를 증가시켜 주행 시 각각의 부담을 감소시키는 것이고 둘째는 몸체의 유연한 조인트를 사용하여 접촉 점을 최대한 유지하는 것이다.
기존에 생체모방로봇을 연구하는데 크게 주목 받았던 바퀴벌레는 고속 험지 주행 시 지네보다 안정성이 떨어지는 경향이 있다. 하지만 지네의 경우는 몸체의 유연성과 다수의 다리를 통해 융통성 있는 접촉 점 유지 개념을 도입하여 높은 안전성을 뛴 고속 험지주행을 가능케 한다. 그러므로 지네는 험지 주행 시 모든 접촉점을 3-4 다리로 지탱하여 각 다리의 역할요소를 감소하며 더욱 험한 지형에서 바퀴벌레보다 더 신뢰성 높은 고속주행을 수행할 수 있다.
유연한 몸체 구조를 적용하여 험지환경에서 유능하게 이동하는 지네로부터 디자인 아이디어를 착안하여 새로운 험지주행 로봇 platform 의 주행시스템 메커니즘을 개발하였다. 곤충운동 과같이 정적으로 안정한 시스템과 기계적인 특성에 의해 좌우되는 피드포워드 제어의 개념이 도입되었다. 이런 low level 제어 접근방법은 기계적으로 간단하면서도 확고하다. 또한 지네 로봇에서와 같이 자유도가 허락된 다리와 조인트의 수가 기존의 험지주행로봇에 비해 상당히 많은 경우에는 기계설계적인측면, 모터구동측면, 에너지 측면에서 모두 다 매우 유리하다.
지네의 각 마디의 다리는 움직임의 방향과 속도가 모두 다 동일하게 움직인다는 특성을 이용하여 구동 메커니즘을 간략화 하였다. 지네 로봇은 단 하나의 모터를 구동부로 사용하며 단일 구동축을 사용하여 각 모듈에 있는 다리에 힘을 전달한다. 이때 구동축 은 지네 로봇의 몸체가 지형에 따라 구부러짐에 따라 동일하게 구부러져야만 한다. 그러므로 유연한 구동축을 사용하여 다음 그림과 같이 로봇의 앞부분부터 뒤끝까지 연결되어있다. 구동축은 기어를 통해 모터에 연결돼있으며 모터의 회전운동을 기어 감속비를 통해 각 모듈에 전달한다.
구동축은 유연한 부분과 그렇지 않은 부분으로 구분되어있다. 웜과 웜기어의 결합이 이루어지기 때문에 기어의 지지가 절대적이다. 그러므로 각 모듈내부는 고정 축으로 휘어짐일 발생하지 않는다. 하지만 모듈과 모듈 사이에는 휘어지는 구동축의 재질로 되어있다. 이 유연한 구동축은 휘어짐과 회전운동 전달이 동시에 가능한 재질로 구성되어있다. 기존의 험지주행로봇의 문제점을 지네로부터 착안된 아이디어를 중심으로 해결하여 지네로봇을 개발 하였다. 향후 연구 계획으로는 능동 조향 메커니즘, 지능형 머리모듈의 개발 등 이 있다.
