모래 표면에서 이동할 수 있는 로봇의 개발

KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 2013-03-27

연구자들이 이론과 실험을 결합하여 소형 보행 로봇이 어떻게 모래와 같은 복합한 과립상 재료(granular material)와 상호작용하면서 이동할 수 있는지에 대한 이해 및 예측을 돕기 위한 새로운 접근방법을 개발했다. 여기에는 잠재적으로 동물에 대한 이해도 포함될 수 있다. 이러한 연구는 `지형 동역학(terradynamics)`이라는 새로운 분야를 만들고 발전시키는데 도움이 될 것이다. 지형 동역학은 연구자들이 과립상 표면이나 기타 복잡한 표면 상에서 움직이는 보행 동물이나 차량에 대하여 연구하는 학문에 붙인 이름이다. 이러한 형태의 움직임을 기술하고 예측하는 방정식을 제공하는 것은, 종전에 대기 중이나 수중에서 움직이는 동물이나 차량의 움직임에 대하여 수행한 것과 유사하게, 설계자들에게 탐색 및 구조 작업, 우주 탐사 등을 위한 복잡한 환경에서 보행 로봇의 동작을 최적화하게 만들 것이다. 과학자나 공학자가 공기역학이나 유체역학을 이해하기 위하여 사용한 도구와 같은 방식으로, 우리는 흐트러진 모래에서 보행 로봇의 움직임을 이해할 수 있는 도구를 가지게 되었다고 조지아텍(Georgia Institute of Technology)의 물리학과 교수인 Daniel Goldman이 전했다. 현재 연구팀은 보행 로봇의 성능을 예상할 뿐만 아니라 설계를 최적화하여 새로운 개념을 창안하도록 하는 설계 및 시뮬레이션 도구의 시작단계에 있다. 이러한 지형 동역학에 대한 연구는 사이언스(Science) 학술지 2013년 3월 22일자에 실렸다. 화성 로버(Mars Rover)와 같은 로봇은 모래나 암석 지대와 같은 복잡한 환경에서 이동하기 위하여 바퀴에 의존한다. 탐색 및 구조 임무를 수행하기 위한 자율로봇들도 바퀴에 의존한다. 그러나 로봇의 크기가 작아짐에 따라 설계자들은 다른 이동 수단을 조사할 필요가 있다. 표면 상에서 움직임을 기술하기 위한 종래의 기술은 복잡하고 다리가 과립상의 표면 속으로 침입하는 것을 고려할 수 없다. 이러한 상황을 개선하고 단순화하기 위하여 연구팀은 과립상 매체에서 이동하는 소형 보행 로봇의 움직임을 조사하였다. 연구팀은 3차원 인쇄기(3D printer)를 사용하여 다양한 형태의 다리를 만들고, 이를 이용하여 서로 다른 구성이 로봇의 속도에 어떠한 영향을 미치는가를 연구하였다. 다음으로 연구자들은 다리에 인가되는 힘을 예측하고, 로봇의 움직임을 예측하기 위한 시뮬레이션을 만들기 위하여 실험을 통하여 과립상 매체에서의 힘 법칙을 측정하였다. 이러한 연구를 통하여 로봇의 개별적인 다리에 인가된 힘들을 단순히 합하면 과립상 매체를 통해 이동하는 로봇에 작용하는 순힘(net force)을 상당히 정확하게 측정할 수 있다는 주요한 통찰력을 알게 되었다고 Daniel Goldman 교수가 전했다. 선형 중첩(linear superposition)이라 알려진 이러한 기법은 다양한 과립상 매체에서 이동하는 로봇 다리에 놀랍도록 잘 적용된다. 이러한 움직임에 영향을 주는 힘 법칙은 양귀비씨(poppy seed), 유리구슬, 천연 모래 등과 같이 다양한 과립상 매체에서 공통으로 나타난다. 이러한 일반화에 기초하여 연구팀은 비전문가도 경도계(penetrometer)와 같은 기성품으로 만들어진 간단한 장치를 이용하여 단지 한 가지의 힘을 측정하여 쉽게 지형 동역학을 적용할 수 있는 실용적인 절차를 개발하였다. 좀 더 복잡한 과립상 재료의 경우, 비록 지형 동역학의 접근방식이 아직도 상당히 잘 적용되지만, 입자가 구(sphere) 형상을 닮은 정도와 같은 추가적인 요소를 도입하여 동등한 정확도를 가진 힘이 기술될 것을 요구한다. 또한, 연구팀은 `C` 글자 형상을 가진 볼록한 다리가 다른 형상들보다 더 잘 동작함을 알게 되었다. 다리가 볼록하면 로봇은 더 크게 상승하면서 몸통은 더 작은 지체를 만들어 더 빠르게 달릴 수 있다. 다리의 형상을 평평하거나 오목하게 만들 경우 그 성능은 떨어졌다. 이러한 정보는 보행 로봇의 에너지 효율을 최적화하는데 중요하다. 공기역학 설계자들은 대기 중에서의 물체 움직임을 기술하기 위하여 나비에-스토크스(Navier-Stokes)라고 알려진 일련의 방정식을 오랫동안 사용하여 왔다. 이 방정식은 유체역학 설계자들에게 수중에서 잠수함 등이 어떻게 이동할 것인가를 이해하도록 하였다. 지형 동역학은 로봇이나 동물의 다리 주변에서 유동하는 매체의 움직임을 이용하는데 유효한 기법을 제공할 수 있다. 지형 동역학을 이용하는 경우 기존의 잘 정립된 이산요소법(DEM: discrete element method) 시뮬레이션과 동일한 정확도를 제공할 뿐만 아니라 훨씬 더 효율적인 연산을 제공한다. 예를 들어 5백만 개의 양귀비씨로 구성된 과립상 매체 상에서 로봇의 움직임을 1초 동안 시뮬레이션하는 경우를 살펴보자. 연구팀이 보유한 컴퓨터를 이용하여 DEM 시뮬레이션을 수행하면 한 달이 소용되지만, 지형 동역학을 이용하는 경우 단지 10초면 시뮬레이션이 끝난다. 실험에 사용된 6족 로봇은 길이가 13cm이고, 무게가 약 150g이다. 이러한 크기의 로봇은 미래에 탐색 및 구조 임무에 사용되거나 화성 표면과 같은 미지의 환경을 수색하는데 사용될 수 있다. 이러한 로봇에 대한 연구는 생물학자들에게 과립상 매체 속에서 모래도마뱀(sand lizard)이 어떻게 달릴 수 있고, 캥거루쥐(kangaroo rat)가 어떻게 깡충 뛸 수 있는지에 대한 더 나은 이해를 제공할 수 있다. 생물학자의 관점에서 이러한 연구는 새로운 분야를 개척한다. 이러한 도구는 도마뱀이 왜 특정한 형상의 발과 몸통을 가지는지 이해할 수 있게 한다. 모래로 뒤덮인 환경에서의 움직임과 연관된 문제는 많은 동물뿐만 아니라 로봇에게도 중요하다. 이러한 연구는 미래의 소형 로봇에 대한 설계 최적화를 가능하게 만들 뿐만 아니라 소형 로봇이 이동해야 하는 복잡한 환경을 더 잘 이해하도록 한다. 연구팀이 수행하는 이러한 접근 방식은 이전에 누구도 의문을 제기하지 않았던 과립상 재료의 물리학에 대하여 답을 제공할 것이며, 이를 통하여 과립상 재료의 새로운 특징을 밝혀내어 좀 더 복잡한 모델과 동작 이론을 만들게 할 것이다. 연구팀은 어떻게 로봇이 이러한 재료를 통과할 수 있는지에 대한 규칙을 알기 시작했다고 Daniel Goldman 교수가 전했다. 130325_robot1.jpg 130325_robot22.jpg http://www.eurekalert.org/pub_releases/2013-03/giot-tch031513.php