로봇 이동

로봇 이동은 로봇이 자신을 이곳저곳으로 이동하기 위해 사용하는 다양한 방법의 총칭이다.

바퀴 달린 로봇은 일반적으로 에너지 효율이 높고 제어가 간단하다.그러나 다른 형태의 이동은 여러 가지 이유로 더 적합할 수 있다. 예를 들어 거친 지형을 횡단하는 것뿐만 아니라 인간 환경에서 이동 및 상호작용하는 것 등이다.게다가, 두 발로 걷는 곤충 같은 로봇을 연구하는 것은 생체역학에 유익한 영향을 미칠 수 있다.

로봇이 어떻게, 언제, 어디로 이동할지 자율적으로 결정하는 능력을 개발하는 것이 이 분야의 주요 목표다.그러나 계단 협상과 같은 간단한 문제에도 수많은 로봇 관절을 조정하는 것은 어렵습니다.자율 로봇 이동은 Humanoids(혼다의 Asimo)와 같은 로봇 공학 분야의 주요 기술적 장애물이다.

이동의 종류

걷기

• 봐 패시브 다이내믹스
• 봐 제로 모멘트 포인트
• 봐 다리 기구
• 봐 육각동물(로봇)

걷는 로봇은 바퀴 달린 움직임을 대신하는 인간이나 동물의 걸음걸이를 시뮬레이션합니다.레그 모션은 바퀴 달린 로봇이 도달하기 어려운 울퉁불퉁한 표면, 계단 및 기타 영역을 협상할 수 있게 할 뿐만 아니라 ^[1]바퀴 달린 로봇처럼 환경 지형에 피해를 덜 입힐 수 있게 합니다.

육각동물 로봇은 곤충의 이동에 기초하고 있는데, 가장 인기 있는^[2] 것은 바퀴벌레와 막대 곤충으로, 그들의 신경학적, 감각적 생산량은 다른 동물들보다 덜 복잡합니다.다리가 여러 개 있으면 다리가 손상되더라도 여러 개의 다른 기트가 가능하기 때문에 물체를 운반하는 로봇에 더 유용합니다.

첨단 달리기 로봇의 예로는 아시모, 빅독, 휴보2, 런봇, 도요타 파트너 로봇 등이 있다.

데굴데굴

평평한 표면에서의 에너지 효율 측면에서는 바퀴 달린 로봇이 가장 효율적입니다.이는 이상적인 롤링 휠(미끄러지지 않음)이 에너지를 잃지 않기 때문입니다.주어진 속도로 굴러가는 바퀴는 움직임을 유지하기 위해 입력이 필요하지 않습니다.이는 발뒤꿈치가 부딪힐 때 지면에 충격을 받아 에너지가 손실되는 다리 로봇과는 대조적이다.

단순성을 위해 대부분의 모바일 로봇에는 4개의 바퀴 또는 다수의 연속 트랙이 있습니다.일부 연구원들은 바퀴가 하나 또는 두 개뿐인 더 복잡한 바퀴 달린 로봇을 만들려고 노력해왔다.이러한 기능에는 효율성 향상 및 부품 감소와 같은 특정 이점이 있을 수 있을 뿐만 아니라 4륜 로봇이 할 수 없는 제한된 장소에서 로봇이 탐색할 수 있습니다.

예: Boe-Bot, Cosmobot, Elmer, Elsie, Enon, HERO, IRobot Create, iRobot's Roomba, Johns Hopkins Beast, Land Walker, Modulus 로봇, Musa, Omnibot, PaPerro, Phobot, Pocketdelta, Pocketdelta Rbot, Talking, Talking, Trash Talking 등입니다.

깡충깡충 뛰다

MIT 다리 연구소의 Marc Raibert에 의해 1980년대에 만들어진 몇몇 로봇들은 매우 역동적인 걸음걸이를 성공적으로 보여주었다.처음에는 다리가 하나이고 발이 아주 작은 로봇은 깡충깡충 뛰는 것만으로 똑바로 설 수 있었다.포고 스틱에 있는 사람의 움직임과 똑같습니다.로봇이 한쪽으로 떨어지면,^[3] 로봇이 자신을 잡기 위해 그 방향으로 약간 점프할 것이다.곧, 알고리즘은 두 다리와 네 다리로 일반화되었다.두 발로 걷는 로봇이 달리고 공중제비도 ^[4]하는 것이 시연되었다.보폭, 달리기, 보폭, ^[5]제자리걸음을 할 수 있는 네발자국도 시연됐다.

예:

• MIT cheetah cub은 다양한 ^[6]속도에서 자가 안정화가 가능한 패시브 준거 다리를 가진 전기 동력 4족 보행 로봇입니다.
• Tekken II는 불규칙한 지형에서 ^[7]적응적으로 걸을 수 있도록 설계된 작은 네발자국이다.

메타크로니얼 운동

이동파의 외관을 가진 협조적이고 순차적인 기계작용은 메타크로니얼 리듬 또는 파동이라고 불리며, 이동에는 섬모충, 이동에는 절지동물에 의해 자연에서 이용된다.

슬라이더링

몇몇 뱀 로봇들이 성공적으로 개발되었습니다.실제 뱀이 움직이는 방식을 모방하여, 이 로봇들은 매우 좁은 공간을 항해할 수 있으며, 이는 언젠가 무너진 ^[8]건물에 갇힌 사람들을 찾는데 사용될 수도 있다는 것을 의미한다.일본의 ACM-R5 뱀 로봇은^[9] 심지어 육지와 ^[10]물에서도 항해를 할 수 있다.

예: 뱀팔 로봇, 로보아, 뱀 로봇.

수영하기

• 봐 자율 수중 차량

바라치

브레이커레이션은 로봇이 표면을 잡고 ^[11]해제하는 데만 에너지를 사용하여 스윙으로 이동할 수 있도록 합니다.이 동작은 유인원이 나무에서 나무로 움직이는 것과 비슷하다.두 가지 유형의 완완술은 이족 보행 동작(연속 접촉) 또는 달리기(로코셰탈)와 비교할 수 있습니다.연속 접촉이란 항상 교차하는 표면에 손/잡기 메커니즘이 부착되어 있는 경우이며, 리코체탈은 한 표면/림브에서 다음 표면으로 공중 "비행"하는 단계를 사용합니다.

하이브리드

로봇은 또한 여러 가지 모드로 이동하도록 설계될 수 있다.예를 들어 재구성 가능한 이족 보행 뱀 로봇은^[12] 뱀처럼 미끄러질 수도 있고 이족 보행 로봇처럼 걸을 수도 있습니다.

생물학적으로 영감을 받은 이동

역동적인 운동 능력을 가진 로봇을 만들고자 하는 열망은 과학자들이 자연에서 해결책을 찾도록 만들었다.단일 모드에서 기본적인 이동이 가능한 몇몇 로봇들이 발명되었지만, 몇 가지 기능이 부족하다는 것이 밝혀졌고, 따라서 그들의 기능과 응용이 제한되었다.수색 구조 임무, 전쟁터, 지형 조사 등 여러 분야에서 지능이 높은 로봇이 필요하다.따라서 이러한 성격의 로봇은 작고 가볍고 신속해야 하며 여러 기관차 모드에서 움직일 수 있는 능력을 가져야 한다.밝혀진 바와 같이, 여러 동물들이 여러 로봇의 디자인에 영감을 주었다.이러한 동물은 다음과 같습니다.

프테로마이니(날다람쥐)

프테로미니는 높은 자유도(DoF)의 다리를 가진 네발 보행 능력을 활용해 육지에서 뛰어난 이동성을 보인다.하늘다람쥐는 다리 사이의 막에서 나오는 양력을 이용하여 공중에서 활공한다.그들은 ^[13]다리의 자유로운 움직임을 가능하게 하는 매우 유연한 막을 가지고 있다.그들은 공기 중에 활공하고 지상에서 가벼운 움직임을 보여주기 위해 그들의 높은 탄성막을 사용합니다.또한 프테로미니는 앞다리와 뒷다리를 연결하는 막으로 인해 다모드의 이동성을 나타낼 수 있어 활공 ^[13]능력도 향상됩니다.유연막은 강체판보다 높은 리프트 계수를 가지며 스톨이 ^[13]발생하는 공격 각도를 지연시키는 것으로 입증되었다.하늘다람쥐는 또한 막, 날개 끝, 꼬리의 가장자리에 두툼한 다발을 가지고 있어 변동과 불필요한 에너지 ^[13]손실을 최소화하는데 도움을 준다.

프테로미니는 그들이 가진 많은 신체적 특성 때문에 활공 능력을 향상시킬 수 있다.

유연한 근육 구조는 다양한 용도로 사용됩니다.첫째, 날다람쥐의 양력을 발생시키는 1차적인 역할을 하는 사장석은 ^[14][15]얇고 유연한 근육 때문에 효과적으로 기능할 수 있다.사장석은 수축과 팽창으로 인해 막의 장력을 조절할 수 있다.장력 제어는 막의 펄럭임을 최소화하여 궁극적으로 에너지 절약에 도움이 됩니다.다람쥐는 일단 착지하면 걸을 ^[15]때 막이 처지지 않도록 막이 수축된다.

프로파타지움과 요로파타지움은 프테로미니를 ^[15]더욱 높여주는 역할을 한다.프로파타지움이 하늘다람쥐의 머리와 앞다리 사이에 위치하는 반면, 요로파타지움은 꼬리와 뒷다리에 위치해 하늘다람쥐가 착륙할 ^[15]때 민첩성과 항력을 높이는 역할을 합니다.

또한 날다람쥐는 막의 가장자리에 두꺼운 밧줄 모양의 근육구조를 가지며 ^[15]막의 형태를 유지한다.플라티스마, 경골, 반달막이라고 불리는 이러한 근육 구조는 각각 ^[15]프로파타지움, 사장, 요로파타지움 위에 위치해 있습니다.이러한 두꺼운 근육 구조는 활공 중 강한 바람 압력으로 인한 불필요한 펄럭임을 방지하여 ^[15]에너지 손실을 최소화합니다.

날개 끝은 앞다리 손목에 위치하며 날개 끝 소용돌이의 ^[14]형성으로 인한 끌림의 영향을 최소화하는 에어포일을 형성하는 역할을 합니다.날개 끝은 소용돌이의 영향을 완화하고 유도 항력이 날개 전체에 영향을 미치는 것을 방해한다.날다람쥐는 엄지손가락으로 미끄러지면서 날개 끝을 펴고 접을 수 있다.이는 날개 ^[14]끝의 불필요한 처짐을 방지하는 데 도움이 됩니다.

날다람쥐의 꼬리는 중요한 역할을 하기 때문에 활공 능력을 향상시킵니다.다른 척추동물과 달리 프테로미니는 ^[16][17]활공하면서 더 많은 공기역학적 표면을 얻기 위해 납작한 꼬리를 가지고 있다.이것은 또한 날다람쥐가 꼬리의 피치 각도 안정성을 유지할 수 있게 해줍니다.이것은 날다람쥐가 피치 각도를 넓히고 더 많은 항력을 유도하여 감속하고 안전하게 ^[15]착륙할 수 있기 때문에 착륙하는 동안 특히 유용합니다.

또한 프테로미니의 다리와 꼬리는 활공 방향을 조절하는 역할을 한다.다리 주변 막의 유연성에 의해 막과 신체의 관상면 사이의 현각과 이면각을 ^[13]제어한다.이를 통해 동물은 ^[18][19]롤링, 피칭, 요잉 동작을 만들어 활공의 속도와 방향을 제어할 수 있습니다.착지하는 동안, 쥐는 자신의 막을 이용하여 드래그와 피치 각도를 증가시키고,^[18][19] 다리 막 사이의 장력을 느슨하게 함으로써 공기 저항을 증가시킴으로써 속도를 빠르게 줄일 수 있다.

데스모더스 로툰두스(뱀파이어 박쥐)

일반적인 뱀파이어 박쥐는 점프와 같은 강력한 육상 이동 모드와 활공과 같은 공중 이동 모드를 가지고 있는 것으로 알려져 있습니다.여러 연구에서 박쥐의 형태학은 박쥐가 두 기관차 ^[20]모드를 쉽고 효과적으로 번갈아 사용할 수 있게 한다는 것을 입증했다.이를 돕는 해부학적 구조는 기본적으로 박쥐의 몸에서 가장 큰 근육인 흉부근(후분열)^[20]을 중심으로 구축됩니다.두 가지 이동 방식 중 세 개의 뼈가 공유됩니다.이 세 개의 주요 뼈는 상완골, 척골, 요골과 같은 팔 구조의 필수적인 부분입니다.두 모드에 대한 구성요소의 공유가 이미 존재하기 때문에 점프에서 ^[20]활공으로 전환할 때 추가 근육이 필요하지 않다.

박쥐 어깨의 형태학에 대한 자세한 연구는 팔의 뼈가 약간 더 견고하고 땅에서^[20] 오는 무거운 반력을 수용하기 위해 척골과 요골의 융합이 이루어졌음을 보여준다.

메뚜기과(사막메뚜기)

사막 메뚜기는 ^[21]육지에서 기어다니는 것뿐만 아니라 멀리 점프하고 날 수 있는 능력으로 알려져 있다.이 유기체의 해부학적 구조에 대한 자세한 연구는 이동 메커니즘에 대한 자세한 내용을 제공한다.메뚜기의 뒷다리는 점프용으로 발달되어 있다.그들은 큰 경골신장근, 작은 굴곡근, 그리고 바나나 모양의 두꺼워진 ^[22][23]큐티클로 구성된 반달 과정을 가지고 있다.경골근육이 구부러질 때 근육의 기계적 이점 및 다리 연장의 수직 추력 구성요소가 증가한다.^[24]이 사막 메뚜기들은 우선 뒷다리에 에너지가 저장되고 다리를 ^[25]뻗기 위해 방출되는 투석 장치를 이용한다.

완벽한 점프가 이루어지기 위해서는 메뚜기는 빠른 도약을 시작할 수 있을 만큼 강한 힘으로 다리를 땅에 밀어야 한다.빠른 도약과 적당한 점프 높이에 도달하려면 힘이 충분해야 한다.힘도 빨리 생성해야 합니다.벌레는 점프 모드에서 비행 모드로 효과적으로 전환하기 위해 날개가 열리는 동안 점프 거리와 높이를 최대화할 수 있도록 시간을 조정해야 한다.점프의 정점에 도달하면 비행 모드가 ^[22]작동된다.

생체영감을 기반으로 한 멀티모달 로봇 이동

프테로미니 이후 다중모달 보행 및 활공 로봇 모델링

모방하기 위한 필수 모델의 발견 이후, 연구원들은 유연한 막을 이용하여 공중 및 지상 환경에서 효과적인 움직임을 달성할 수 있는 다리 달린 로봇을 디자인하려고 했다.따라서 이 목표를 달성하기 위해 다음과 같은 설계 고려사항이 고려되어야 했다.

1. 이 막이 의도하는 공기역학적 능력을 달성할 수 있도록 막의 형태와 면적을 의식적으로 선택해야 한다.또한 막이 다리에 ^[13]부착되어 있기 때문에 막의 디자인은 다리 디자인에 영향을 미칠 수 있습니다.

2. 미끄럼틀이나 보행 중에 다리를 자유롭게 움직일 수 있도록 막이 충분히 유연해야 합니다.그러나 과도한 유연성은 강한 압력이 발생하는 ^[13]막의 영역에서 진동에 의해 발생하는 상당한 에너지 손실을 초래할 수 있기 때문에 유연성의 양을 제어해야 했다.

3. 로봇의 다리는 ^[13]활공뿐만 아니라 보행에 적합한 토크를 사용할 수 있도록 설계되어야 합니다.

이러한 요소들을 통합하기 위해 하늘다람쥐의 특성에 세심한 주의를 기울여야 했다.로봇의 공기역학적 특성은 동적 모델링 및 시뮬레이션을 사용하여 모델링되었습니다.날다람쥐 막의 두꺼운 근육 다발을 모방함으로써, 설계자들은 로봇의 막 가장자리의 변동과 진동을 최소화할 수 있었고, 따라서 불필요한 에너지 ^[13]손실을 줄일 수 있었다.또한 접이식 윙팁을 사용하여 로봇 날개의 드래그량을 줄임으로써 활공 ^[14]능력을 향상시킬 수 있었다.또한 로봇의 다리는 가상 작업 ^[13]분석을 통해 프테로미니의 다리 구조를 모방한 후 충분한 토크를 포함하도록 설계되었다.

로봇의 다리와 막 설계에 따라 로봇의 평균 활공비(GR)는 1.88로 결정되었습니다.이 로봇은 여러 개의 보행 패턴으로 걷고 높은 DoF 다리로 ^[13]기어다니며 효과적으로 작동했다.이 로봇은 또한 안전하게 착륙할 수 있었다.이러한 퍼포먼스는 로봇의 활공 및 보행 능력과 멀티모달 이동 능력을 보여주었다.

데스모더스 로툰더스(뱀파이어 배트) 이후 멀티모달 점프 및 활공 로봇 모델링

Multi-Mo Bat이라 불리는 로봇의 디자인은 네 가지 주요 작동 단계, 즉 에너지 저장 단계, 점프 단계, 타력 주행 단계, 활공 ^[20]단계의 확립을 포함했습니다.에너지 저장 단계는 기본적으로 점프 에너지를 위한 에너지 비축과 관련이 있습니다.이 에너지는 주 동력 스프링에 저장됩니다.이 과정은 어깨 관절 주위에 추가로 토크를 만들어 다리를 점프할 수 있게 한다.저장된 에너지가 방출되면 점프 단계를 시작할 수 있습니다.점프 단계가 시작되고 로봇이 지면에서 이륙하면 ACME에 도달하여 하강하기 시작할 때까지 발생하는 코스트 단계로 전환됩니다.로봇이 하강할 때 에어포일 ^[20]바닥의 항력이 증가하여 날개가 재구성될 때 항력을 통해 하강 속도를 줄일 수 있습니다.이 단계에서 로봇은 활공한다.

뱀파이어 박쥐의 팔의 구조는 로봇의 다리 디자인에 중요한 역할을 한다.자유도(DoF) 수를 최소화하기 위해 암의 두 구성 요소가 xz ^[20]평면을 통해 미러링됩니다.그러면 로봇의 다리 구조의 4바 설계가 생성되어 두 개의 독립적인 ^[20]DoF만 생성됩니다.

주혈충(사막 메뚜기) 이후 멀티모달 점프 및 비행 로봇 모델링

이 로봇은 점핑과 ^[23]펄럭이는 성능을 통합한 단일 DC 모터로 구동되었습니다.이것은 다리 구조를 위한 역 슬라이더-크랭크 메커니즘, 윈치 메커니즘으로 사용되는 개-클러치 시스템,^[20] 날개 날개 시스템에 사용되는 랙-피니언 메커니즘의 통합으로 설계되었다.이 설계에는 매우 효율적인 에너지 저장 및 방출 메커니즘과 통합된 날개 날개 날개 흔들림 ^[20]메커니즘이 통합되었습니다.

메뚜기와 비슷한 특징을 가진 로봇이 개발되었습니다.로봇 설계의 주요 특징은 단일 모터로 구동되는 기어 시스템으로, 로봇이 점프와 펄럭이는 동작을 수행할 수 있도록 했다.로봇 동작은 메뚜기의 움직임과 마찬가지로 다리를 최대 에너지 저장 위치로 구부려 시작하며, 그 후 에너지가 즉시 방출되어 ^[20]비행에 필요한 힘을 발생시킨다.

로봇의 성능을 테스트한 결과 23g의 무게와 약 19Hz의 ^[20]주파수로 날개를 펄럭이며 약 0.9m의 높이로 점프할 수 있었다.날개를 펄럭이지 않고 테스트한 로봇은 날개 ^[20]달린 로봇에 비해 점핑 성능이 30% 정도 떨어지는 등 성능이 떨어졌다.이러한^{[editorializing]} 결과는 상당히 인상적이다. 왜냐하면 날개의 무게가 점핑에 영향을 미쳤어야 했기 때문이다.

접근

• 제품 최적화
• 모션 플래닝
• 모션 캡처는 사람, 곤충 및 기타 유기체에 대해 수행될 수 있습니다.
• 기계 학습, 일반적으로 강화 학습이 포함됩니다.

그 분야의 저명한 연구자

• 로드니 브룩스
• 마르크 레이버트
• 제시카 하진스
• 레드 휘태커
• 휴머노이드 로보틱스 프로젝트의 휴머노이드 로봇 보행의 기대성을 실현하기 위해 프리뷰^[26] 컨트롤을 도입한 카지타 슈지.

「 」를 참조해 주세요.

• 마이크로스위머

레퍼런스

외부 링크

• 로봇 이동