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카네기 멜론 대학교, 펜실베니아주 피츠버그

카네기 멜론 대학교 로봇 연구소(RI)의 연구원들은 기성품의 4족 보행 로봇을 좁은 평균대를 걸을 수 있을 만큼 민첩하게 만드는 시스템을 설계했습니다. 이는 동종 최초의 업적일 것입니다.

RI 조교수이자 로봇탐사연구소 소장인 재커리 맨체스터(Zachary Manchester)는 “이번 실험은 엄청났다”고 말했습니다. "이전에 로봇을 이용해 평균대 걷기를 성공적으로 수행한 사람은 아무도 없을 것 같습니다."

맨체스터와 그의 팀은 우주에서 위성을 제어하는 ​​데 자주 사용되는 하드웨어를 활용하여 4족 보행기 설계의 기존 제약을 상쇄하여 균형 기능을 향상시켰습니다.

대부분의 현대식 4족 보행 로봇의 표준 요소에는 몸통과 각 끝이 둥근 발로 끝나는 4개의 다리가 포함되어 있어 로봇이 기본적이고 평평한 표면을 횡단하고 계단을 오를 수도 있습니다. 그들의 디자인은 네발 달린 동물과 비슷하지만 꼬리를 사용하여 날카로운 회전을 제어할 수 있는 치타나 유연한 척추의 도움으로 공중에서 방향을 조정하는 떨어지는 고양이와는 달리 네 발 달린 로봇에는 그러한 본능적인 민첩성이 없습니다.

로봇의 발 중 3개가 지면에 닿아 있는 한 로봇은 넘어지는 것을 방지할 수 있습니다. 그러나 1~2피트만 지면에 닿아 있는 경우 로봇은 장애를 쉽게 수정할 수 없으며 넘어질 위험이 훨씬 더 높습니다. 이러한 균형 부족으로 인해 거친 지형을 걷는 것이 특히 어려워집니다.

맨체스터는 “현재 제어 방법을 사용하면 네 발 달린 로봇의 몸과 다리가 분리되어 움직임을 조정하기 위해 서로 말하지 않습니다.”라고 말했습니다.

“그럼 어떻게 균형을 개선할 수 있을까요?”

팀의 솔루션은 4족 로봇의 뒷면에 장착되는 반응 휠 액추에이터(RWA) 시스템을 사용합니다. RWA는 새로운 제어 기술의 도움으로 로봇이 발 위치에 관계없이 균형을 잡을 수 있도록 해줍니다.

RWA는 우주선의 각운동량을 조작하여 위성의 자세 제어를 수행하기 위해 항공우주 산업에서 널리 사용됩니다.

RI 대학원생 이치옌, 기계공학 대학원생 Shuo Yang, Benjamin Boksor와 함께 프로젝트에 참여했던 맨체스터는 “기본적으로 모터가 부착된 커다란 플라이휠이 있습니다.”라고 말했습니다. “무거운 플라이휠을 한 방향으로 돌리면 위성이 다른 방향으로 회전하게 됩니다. 이제 그것을 가져다가 네 발 달린 로봇의 몸에 올려보세요.”

팀은 로봇의 각운동량을 제어하기 위해 상업용 Unitree A1 로봇에 두 개의 RWA(피치 축과 롤 축에 하나씩)를 장착하여 접근 방식의 프로토타입을 만들었습니다. RWA를 사용하면 RWA가 신체 방향에 대한 독립적인 제어를 제공하기 때문에 로봇의 다리가 지면과 접촉하는지 여부는 중요하지 않습니다.

맨체스터는 하드웨어가 로봇의 질량 분포를 변경하지 않으며 꼬리나 척추의 관절 제한도 없기 때문에 RWA를 설명하기 위해 기존 제어 프레임워크를 수정하는 것이 쉽다고 말했습니다. 이러한 제약 조건을 고려할 필요 없이 하드웨어를 자이로 스타트(이상화된 우주선 모델)처럼 모델링하고 표준 모델 예측 제어 알고리즘에 통합할 수 있습니다.

팀은 갑작스러운 충격으로부터 로봇의 향상된 회복 능력을 입증하는 일련의 성공적인 실험을 통해 시스템을 테스트했습니다. 시뮬레이션에서 그들은 로봇을 거의 0.5미터 높이에서 거꾸로 떨어뜨려 로봇이 공중에서 방향을 바꾸고 발로 착지할 수 있도록 하는 RWA를 사용하여 전형적인 낙하 고양이 문제를 모방했습니다. 하드웨어에서는 로봇이 6cm 너비 평균대를 따라 걷는 실험을 통해 로봇이 장애로부터 복구하는 능력과 시스템의 균형 능력을 보여주었습니다.

맨체스터는 4족 보행 로봇이 곧 실험실의 주로 연구 플랫폼에서 약 10년 전 드론이 있었던 것과 유사한 널리 사용 가능한 상업용 제품으로 전환할 것이라고 예측합니다. 그리고 디자인에 영감을 준 본능적인 네발 달린 동물과 일치하도록 네 발 달린 로봇의 안정화 기능을 향상시키기 위한 지속적인 작업을 통해 향후 수색 및 구조와 같은 위험한 시나리오에 사용될 수 있습니다.