'페달'을 활용해 모래 함정을 피하는 로봇 (사진. Georgia Institute of Technology)
행성 탐사를 위한 로봇이 ‘페달’을 활용해 모래 함정을 피하는 모습을 선보이며 눈길을 끌었다. 이 로봇은 ‘미니 로버’라는 호칭을 가지고 있으며, 로봇에는 들어 올릴 수 있는 부속 장치와 흔들리는 바퀴가 장착돼있다. 연구진들은 로버를 사용해 복잡한 운동 기술을 테스트, 세분화된 재료로 덮인 언덕을 오를 수 있는 방안을 연구했다.
연구원들은 ‘리어 로테이터 페달링(retro rotator pedaling)’이라 불리는 복잡한 움직임을 사용하는 한편, 독특한 디자인을 통해 걷기 및 바퀴 회전 동작을 결합함으로써 경사를 올라갈 수 있도록 했다. 로버의 행동은 테라 다이내믹스(terradynamics)로 알려진 물리학을 기반으로 모델링됐다.
조지아 공과 대학(Georgia Institute of Technology)의 물리학과 교수인 댄 골드만(Dan Goldman)은 “느슨한 재료가 흐르면 로봇이 움직이는 데 문제가 생길 수 있다”라며, “이 로버는 잼에서 매우 효과적으로 벗어날 수 있는 충분한 자유도를 가지고 있다. 앞바퀴에서 재료를 눈에 띄도록 하고, 실제 경사만큼 가파르지 않은 뒷바퀴에 대해 국부적인 유체 언덕을 만든다. 로버는 항상 자체적으로 좋은 언덕을 스스로 생성하고 스스로 조직하고 있다”고 전했다.
NASA의 존슨 우주 센터(Johnson Space Center)가 만든 로봇은 바퀴를 돌리고, 바퀴로 표면을 쓸어 내고, 필요한 경우 각 바퀴 달린 부속물을 들어 올려 다양한 잠재적 움직임을 만들어낸다. 또한 사내 3D 프린터를 사용해 조지아 테크 연구원은 존슨 스페이스 센터(Johnson Space Center)와 협력해 12개의 서로 다른 모터로 구동되는 4개의 바퀴 달린 부속 장치를 갖춘 축소된 차량에서 이와 같은 기능을 재현했다.
모듈식 메카트로닉 아키텍처
조지아 테크의 George W. Woodruff School of School Engineering의 한 학부생은 “로버는 모듈식 메카트로닉 아키텍처, 상용 구성 요소 및 최소한의 부품으로 개발됐다”라며, “이를 통해 우리 팀은 로봇을 강력한 실험실 도구로 사용할 수 있었고 로버 손상, 서비스 중단 시간 또는 성능 제한에 대한 걱정 없이 창의적이고 흥미로운 실험을 탐색하는 데 집중할 수 있었다”고 전했다.
로버의 광범위한 움직임으로 연구팀은 세분화된 항력 측정 및 수정된 저항력 이론을 사용, 연구된 많은 변형을 테스트할 수 있었다. 또한 Shrivastava와 물리학 박사 후보 안드라스 카사이 (Andras Karsai)는 NASA RP15 로봇이 탐색한 걸음걸이로 시작해 풀 사이즈 로버에서 테스트 할 수 없는 운동 방식을 실험할 수 있었다.
(사진. Georgia Institute of Technology)
가파른 경사에 테스트 거쳐
조지아 기술 연구원은 또한 세분화(임의 지형의 체계적 생성 및 탐사 로봇의 시험)로 알려진 유동층 시스템을 통한 세분화를 제어하는 역할을 평가하기 위해, 기울어질 수 있는 유동층 시스템을 사용 및 설계한 경사면에서 실험 걸음걸이를 테스트했다.
Karsai 박사는 “RP15 로버와 유사한 기능을 갖춘 소형 로봇을 만들어 제어된 실험실 환경에서 다양한 걸음걸이를 배치하는 원리를 테스트할 수 있었다”라며, “테스트에서 우리는 보행, 운동 매체 및 로봇이 올라가야 하는 경사를 주로 변화시켰다. 우리는 출현한 현상을 조사하기 위해 많은 보행 전략과 지형 조건을 빠르게 반복했다”고 밝혔다.
이 논문에서 저자들은 앞바퀴가 세분화된 재료(실험실 테스트를 위한 양귀비 씨앗)를 휘젓고 뒷바퀴를 향해 뒤로 밀면서 가파른 경사면을 오르는 걸음걸이에 대해 설명한다. 뒷바퀴가 좌우로 흔들리면서 들어 올려 회전하고, 물속에서 얕은 움직임을 만든다. 이 때 뒷바퀴로 밀린 재료는 뒷바퀴가 올라 가야하는 경사를 효과적으로 변경해 로버가 단순한 바퀴 달린 로봇을 멈추게 했을 수도 있는 언덕 위로 꾸준히 진행할 수 있도록 한다.
이 실험은 다리나 오리발로 움직일 수 있는 골드만 그룹의 초기 로봇 물리학 작업에 대한 변형을 제공했으며, 로봇이 걸리지 않도록 한 한 작은 입자 표면을 방해하는 것을 강조했다.
Goldman은 “동물에 대한 모델의 순수한 다리 로봇에 대한 이전 연구에서 비밀이 엉망이 되지 않아야한다는 것을 알았다”라며, “대부분의 로봇에서 너무 많은 혼란을 겪게 되면, 세분화 된 재료를 패들링하고 파고 들게 된다. 빠른 운동을 원한다면 움직임의 매개 변수를 조정해 가능한 한 재료를 견고하게 유지해야 한다”고 전했다.
그러나 간단한 동작은 세분화된 재료에 갇힌 화성 탐사선에 문제가 있는 것으로 판명됐다. Goldman은 Shrivastava, Karsai 및 Ozkan-Aydin이 발견한 걸음걸이가 미래의 로버가 그 운명을 피하도록 도울 수 있다고 말했다.
Goldman은 “올바르게 사용하는 경우 리프팅과 휠링 및 패들링의 조합을 통해 약간의 전진 진행을 유지할 수 있다. 실험실 실험을 통해 우리는 행성 탐사와 심지어 우리 지구의 까다로운 표면에서도 견고성을 향상시킬 수 있는 원리를 보여줬다”고 덧붙였다.
연구원들은 다음으로 특이한 걸음걸이를 더 큰 로봇으로 확장하고 로봇과 현지 환경을 함께 연구한다는 아이디어를 탐구하기를 희망하고 있다. 한편 미니 로버는 달과 행성 탐사를 연구하기 위해 고안됐지만, 교훈은 프로젝트 후원자 중 하나인 육군 연구 실험실의 관심 분야인 육상 운동에도 적용될 수 있다.
