Omni-Roach: A legged robot capable of traversing multiple types of large obstacles and self-righting

저자: Jonathan Mi, Yaqing Wang, Chen Li · ICRA 2022

라이선스

• 오픈 액세스
• 논문: CC BY 4.0

아래 내용은 모두 논문의 라이선스(CC BY 4.0)에 따라 논문 전문을 바탕으로 하며, 그림에는 저자를 표기했습니다.

요약

작은 RHex 방식 로봇 하나가 둥근 껍데기, 날개, 능동 꼬리를 결합해, 바퀴벌레에서 배운 전략으로 기둥, 턱, 틈, 풀 같은 빔을 통과하고 스스로 몸을 바로 세운다.

중요한 이유

잔해 속 수색 및 구조, 숲 바닥 모니터링, 행성 탐사에는 장애물을 돌아가기보다 뚫고 나아가는 로봇이 필요하다. 논문은 여러 몸체 형상 및 부속지 전략을 하나의 작은 로봇에 통합하고 장애물 유형별로 시험할 수 있음을 보인다.

문제

로봇은 장애물을 피해서는 잘 이동하지만, 큰 장애물이 어수선하게 있어 장애물과 물리적으로 상호작용해야 하는 3-D 지형에서는 어려움을 겪는다. 같은 연구실의 이전 연구는 기둥, 턱, 틈, 유연 빔, 자세 회복에 대한 개별 전략을 찾았지만, 이를 결합한 단일 로봇은 없었다.

제안 방법

Omni-Roach는 유연한 다리, 기둥에서 수동적으로 비껴 나가고 틈 안으로 구르는 둥근 껍데기, 자세 회복을 위해 두 개의 날개로 열리는 상부 껍데기, 그리고 몸체를 들어 올리고 지면을 두드리는 데 쓰는 피치 및 요 자유도의 꼬리를 갖춘 여섯 다리 RHex 계열 로봇이다. 두 시제품이 제작되었다: v1(1.8 kg, C자형 다리)과 더 작은 v2(0.75 kg, S자형 다리, 더 빠른 모터, 상대적으로 더 긴 꼬리).

핵심 통찰

• 둥근 몸체는 감지나 능동 제어 없이 100%의 경우 로봇을 기둥 사이로 비껴 통과시켰다
• 꼬리가 없으면 두 버전 모두 턱을 오를 만큼 충분히 몸을 들어 올리지(피치 업) 못했고, v1은 빔에 막혀 몸을 들어 올린 채 끼었다
• 빔 시험에서 아래를 향하고 요 방향으로 진동하는 꼬리는 몸체를 틈 안으로 굴려 넣고 마찰 접촉과 맞물림 접촉을 끊었으며, 네 가지 접근 각도 모두에서 통과한 유일한 모드였다
• 아래를 향한 정적 꼬리는 15°에서 45°의 접근 각도에서만 빔을 통과했으며, 이는 꼬리 진동의 역할 중 하나가 접근 각도를 조정하는 것임을 시사한다
• v2의 향상은 상대적으로 더 긴 다리(몸 길이의 14%에서 25%), 더 긴 상대 꼬리(54%에서 73%), 약 4×의 보폭 주파수 덕분으로 여겨지며, 체중 대비 다리 힘은 1.6에서 1.4로 떨어졌을 뿐이다

주요 결과

• v2는 엉덩이 높이의 2.5× 턱을 80% 성공률로 올랐으며, v1은 엉덩이 높이의 1.5×였다
• v2는 꼬리를 기본 위치에 둔 채 몸 길이의 75%(15 cm) 틈을 건넜으며, v1은 48%(17 cm)였다. 꼬리 움직임은 두 버전 모두에서 틈 건너기를 개선하지 못했다
• v2는 몸체 폭의 65%(12 cm, 몸체 롤 약 50°) 간격의 빔을 통과했으며, v1은 91%(21 cm, 롤 약 24°)였다
• 평지에서 v2는 4.0 s 안에 100% 성공률로, v1은 4 s 안에 90% 성공률로 스스로 몸을 바로 세웠다
• 기둥 간격은 초록에서는 몸체 폭의 1.1×로, 마지막 절에서는 몸체 폭의 1.08×로 제시된다(20 cm 간격의 기둥 4개, v2 폭 18.5 cm)
• 160회가 넘는 빔 시행(꼬리 모드와 접근 각도별 10회)에서, 아래를 향한 꼬리를 요 방향으로 진동시키자 15°, 30°, 45°에서 아래를 향한 정적 꼬리에 비해 평균 통과 시간이 30% 줄었다

한계

• 로봇은 이동 모드 간에 수동으로 제어된다. 저자들은 자율 전환을 위한 비전 및 접촉력 감지를 향후 과제로 꼽는다
• 다리와 꼬리 모터가 동적인 틈 통과에는 너무 느려서, 꼬리가 틈 건너기에 도움이 되지 않는다
• 기둥과 빔에 도움이 되는 둥근 껍데기는 턱에서는 로봇을 비껴 나가게 한다. 저자들은 형상이 변하는 껍데기를 제안한다
• 모든 시험은 단순한 실험실 테스트베드(알루미늄 기둥과 턱, 비틀림 스프링 위의 아크릴 빔, 사포를 붙인 타공판)에서 이루어졌으며, 자세 회복은 평지에서만 시험되었다

분야에 미친 영향

ICRA 2022 Outstanding Locomotion Paper award의 최종 후보에 올랐으며 인용 수는 20회이다. 논문은 코드나 설계 파일의 공개를 명시하지 않으며, 보충 영상이 함께 제공된다.

초록

로봇은 장애물 회피에는 뛰어나지만 크고 어수선한 장애물이 있는 복잡한 3-D 지형을 통과하는 데는 여전히 어려움을 겪는다. 반면 바퀴벌레 같은 곤충은 이를 매우 잘 해낸다. 우리 연구실의 최근 연구는 복잡한 3-D 지형에서 추상화한 다양한 이동 과제에 대해, 이동 전환이 이동체와 환경의 상호작용에서 어떻게 나타나는지, 그리고 어떤 전략이 이러한 과제를 극복하는지를 밝혔다. 여기서 우리는 이러한 근본적 통찰을 바탕으로, 다기능 이동을 위해 이 전략들을 통합한 바퀴벌레 모사 다리 로봇 Omni-Roach를 개발한다. 로봇은 여섯 개의 유연한 다리를 가진 RHex 계열 설계를 기반으로 하며, 열 수 있는 두 개의 날개가 있는 둥근 몸체 형상과 피치 및 요 자유도를 가진 능동 꼬리를 특징으로 한다. 두 번의 개발 및 시험 반복을 통해, 우리 로봇은 높은 성능과 성공률로 모든 이동 과제를 극복할 수 있었다. 로봇은 간격이 로봇 몸체 폭의 1.1×에 불과한 어수선한 강체 기둥, 엉덩이 높이의 2.5× 턱, 몸 길이의 0.75× 틈, 간격이 몸체 폭의 65%에 불과한 빽빽한 유연 빔을 통과했으며, 4초 안에 스스로 몸을 바로 세웠다. 빔 통과를 위한 꼬리 사용과 접근 각도에 대한 체계적 실험에서, 아래를 향해 지면을 두드리는 능동 꼬리가 몸체를 틈 안으로 굴려 넣고 마찰 접촉과 맞물림 접촉을 끊어 통과하는 데 도움이 된다는 것이 밝혀졌다.

링크

• arXiv 2112.10614: https://arxiv.org/abs/2112.10614
• DOI 10.1109/ICRA46639.2022.9811372: https://doi.org/10.1109/ICRA46639.2022.9811372
• PDF: https://arxiv.org/pdf/2112.10614v1