벽 기어오르는 자유 등반 로봇
카네기 멜런 대학교(CMU)의 연구원들은 생체에서 영감을 받은 그리퍼를 사용하여 암석과 같은 까다로운 표면을 기어오르는 로봇을 개발했다.
CMU 팀의 디자인은 질량과 복잡성을 모두 줄이면서 안전하게 잡을 수 있는 완전 수동형 그리퍼와 손목 관절을 제공한다. 최적화 기반 제어 전략과 결합된 이 시스템은 로봇의 그리퍼 사이에 힘을 분산시켜 예상치 못한 분리의 위험을 최소화한다.
연구원들에 따르면, 네발 달린 생체 영감 로봇 프로토타입은 거친 암석 표면과 평평한 콘크리트 블록 벽에서 지구 중력 전체를 수직으로 오를 수 있음을 보여주었다.
팀의 연구 세부 내용은 대학 로봇 연구소 웹사이트에 게시되었다.
마이크로스파인 그리퍼 기술의 발전
클라이밍 로봇은 가파른 지형 특성으로 인해 기존 탐사선이 접근할 수 없는 과학적으로 가치 있는 현장을 조사할 수 있다.
특정 실험 로봇은 매끄러운 표면을 위해 흡입 기반 파지 시스템을 사용하지만 이 기술은 봉인이 이루어질 수 없는 암석과 같은 거친 표면에서는 효과적이지 않다.
마이크로스파인 그리퍼가 장착된 로봇은 바위 절벽을 오르는 데 매우 적합하다. 이 그리퍼는 다음 단계를 위해 들어올릴 때 후크를 해제한다. 패시브 마이크로스파인 그리퍼는 그립을 위해 로봇의 무게에 의존하지만 평평한 표면에서는 탁월하지만 울퉁불퉁한 절벽에서는 어려움에 직면하므로 다양한 등반 전술이 필요하다.
바위와 같은 거친 표면을 잡는 문제를 극복하는 액티브 마이크로스파인 그리퍼는 전기 액추에이터를 사용하여 표면에 후크를 내장하여 모든 방향에서 전동식 고정을 보장한다.
연구자들에 따르면 이러한 그리퍼는 효율성에도 불구하고 부피가 크고 에너지 집약적이며 기계적으로 복잡하여 등반 속도가 느린 경우가 많다.
이로 인해 CMU 팀은 구조화되지 않은 가파른 수직 지형을 다룰 수 있는 불규칙한 경사면용 경량 관측 로봇(LORIS)을 설계하게 되었다.
선구적인 등반 기술
CMU 팀은 LORIS의 네 다리 끝에 펼쳐진 마이크로스파인 그리퍼를 장착했다. 로봇은 또한 수동 손목 관절을 사용하여 그리퍼가 다리 움직임에 반응할 수 있도록 한다.
온보드 깊이 감지 및 마이크로프로세서를 통해 전략적으로 다리를 움직여 반대쪽 다리의 그리퍼가 등반 표면을 동시에 고정하도록 하며, DIG(방향 내부 잡기)라는 곤충에서 영감을 받은 등반 전술을 사용한다.
LORIS 로봇의 수직 등반 능력은 콘크리트 블록, 소포성 현무암 및 슬래그에서 테스트되었다. 로봇은 정상에 도달하거나 떨어질 때까지 표면당 10번의 시도를 통해 올라갔다.
LORIS 로봇 프로토타입은 콘크리트 블록, 소포성 현무암, 슬래그 및 석회화 표면을 오른다.
콘크리트 블록에 대한 시험에서는 DIG 전략을 사용하여 계단 실패율이 6.4%에서 2.3%로 감소한 것으로 나타났으며, 로봇은 DIG 힘이 없는 1/10에 비해 6/10 시험에서 1m 벽을 올랐다.
연구원들은 LORIS가 "마이크로 척추를 사용하여 DIG 힘을 생성한 최초의 네 발 달린 동물이며, 최대 지구 중력 상태에서 불규칙한 수직 암벽을 자유 등반하는 능력을 보여준 동급 크기의 최초의 로봇"이라고 주장한다.
LORIS는 다양한 지형을 관리했지만 현재의 신뢰성은 한 번 넘어지면 재앙이 될 수 있는 실제 사용에는 부족하다. 연구자들에 따르면, 대부분의 콘크리트 블록 시험 실패는 한 개의 그리퍼가 그립을 잃어서 발생했다.
LORIS에는 그리퍼가 4개만 있는데 그 중 하나는 유각 단계에 있는 경우가 많아 예상치 못한 이탈이 발생하면 복구가 불가능하다. 반면, 헥사페달 로봇은 항상 5개의 그리퍼를 작동 상태로 유지하여 단일 그리퍼 고장으로 인한 추락을 방지한다.
팀이 지적한 바와 같이 로봇 프로토타입의 현재 성능에는 추가 연구를 위한 두 가지 중요한 방향이 있다. 그 중 하나는 그러한 목적에 적합한 위치와 모양이 있어야 하는 고르지 않은 지형에서 발 선택 문제를 해결하는 것이다.
또 다른 대안은 다양한 표면에 적응할 수 있는 그리퍼를 설계하고 필요한 평탄도 또는 작동 수준을 손상시키지 않는 것이다. 연구원에 따르면, 즉시 작동되는 패시브 그리퍼는 역동적인 등반 동작을 가능하게 하고, 에너지 활용을 향상시키며, 넘어지거나 더 높은 손잡이를 향해 점프한 후 복귀를 촉진할 수도 있다.
