[논문 리뷰] Design, Modeling and Control of A Novel Amphibious Robot with Dual-swing-legs Propulsion Mechanism

Yang Yi, Zhou Geng외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 21.

Robotic Locomotion and Control참고 문헌 20인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 땅과 물에서 모두 주행할 수 있는 새로운 개유사 수중-육상 로봇 FroBot을 제안한다. 이 로봇은 이중 편향 다리 기구를 이용해 육상 및 수중 주행을 구현하며, 육상에서는 반중심 휠을, 수중에서는 탄성 꼬리지느러미를 사용해 추진력을 발생시킨다. 퍼지 PID 제어기를 통해 안정적인 속도 제어를 실현하였고, 수중 실험에서 0.4 m/s의 성공적인 전진 수영과 기동성 확보를 확인하였다.

ABSTRACT

This paper describes a novel amphibious robot, which adopts a dual-swing-legs propulsion mechanism, proposing a new locomotion mode. The robot is called FroBot, since its structure and locomotion are similar to frogs. Our inspiration comes from the frog scooter and breaststroke. Based on its swing leg mechanism, an unusual universal wheel structure is used to generate propulsion on land, while a pair of flexible caudal fins functions like the foot flippers of a frog to generate similar propulsion underwater. On the basis of the prototype design and the dynamic model of the robot, some locomotion control simulations and experiments were conducted for the purpose of adjusting the parameters that affect the propulsion of the robot. Finally, a series of underwater experiments were performed to verify the design feasibility of FroBot and the rationality of the control algorithm.

연구 동기 및 목표

• 생체 모방 추진 방식을 활용해 육상 및 수중 환경에서 효율적인 주행이 가능한 새로운 수중-육상 로봇의 개발.
• 최소한의 액추에이터로 휠 주행 모드와 파형 주행 모드를 통합하는 데 도전.
• 균형 잡힌 이동과 수중 추진력을 동시에 확보할 수 있는 이중 편향 다리 기구의 설계.
• 시뮬레이션과 육상 및 수중 실험 테스트를 통해 동역학 모델과 제어 전략의 검증.
• 휠 주행의 빠른 속도와 파형 지느러미 추진의 장점을 융합하여 수중-육상 로봇의 이동성 향상.

제안 방법

• 반중심 휠을 이용한 육상 주행과 탄성 꼬리지느러미를 이용한 수중 추진력을 갖춘 개유사 로봇(FroBot)의 설계 및 이중 편향 다리 기구의 적용.
• 편향 다리 기구와 휠 운동학을 기반으로 한 육상 주행의 전진, 후진, 경사오르기 동역학 모델 개발.
• 이중 루프 제어 시스템 구현: 내부 PID 루프는 모터 제어를, 외부 퍼지 PID 루프는 속도 추적 및 경로 추종을 담당.
• 육상 경로 추종 실험 중 실시간 위치 피드백을 위해 선형 어레이 CCD 센서 사용.
• 직경 5.5 m, 깊이 1.0 m인 수영장에서 원격 제어 수중 실험 실시하여 지느러미 기반 추진력과 기동성 평가.
• 수중 운동의 오프라인 영상 분 析를 통해 속도 측정 및 제어 성능 평가(직선 수영, 하강, S자 경로 추종 등).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 구동 시스템을 사용하여 이중 편향 다리 기구가 어떻게 육상과 수중에서 효과적이고 안정적인 주행을 가능하게 하는가?
• RQ2 최대 육상 속도와 안정성을 확보하기 위해 최적의 편향 진폭, 주파수, 휠 구성 조합은 무엇인가?
• RQ3 퍼지 PID 제어기가 육상에서 다양한 조건 하에 속도 추적 및 경로 추종을 효과적으로 관리할 수 있는가?
• RQ4 탄성 꼬리지느러미가 수중-육상 로봇에서 개 유사 파형 주행을 어느 정도 재현할 수 있는가?
• RQ5 수중 환경에서 로봇의 주요 성능 지표(예: 속도, 기동성)는 무엇이며, 이는 이론적 기대치와 비교해 어떻게 되는가?

주요 결과

• 오프라인 영상 분 析를 통해 FroBot이 최대 육상 속도 1 m/s, 안정적인 수중 속도 0.4 m/s를 확보함을 확인하였다.
• 퍼지 PID 제어기가 목표 속도 0.47 m/s를 0.40–0.55 m/s 범위 내에서 추적하였으며, 경로 추종 중 평균 속도는 약 0.47 m/s였다.
• 로봇은 수중에서 전진 수영, 하강, S자 경로 추종을 성공적으로 수행하여 요, 피치, 롤 제어 능력을 입증하였다.
• 시뮬레이션과 실험을 통한 육상 주행 동역학 모델의 검증을 통해 편향 진폭과 주파수가 추진력에 미치는 영향를 확인하였다.
• 대칭적 설계 덕분에 이중 편향 다리 기구는 육상 및 수중 주행 중 안정적인 헤딩 제어와 균형 유지 기능을 제공하였다.
• 기계적 구조상 수동 휠의 특성으로 인해 경사가 4도를 초과하는 경사면에서는 성능이 제한됨을 확인하였으며, 향후 설계에서 기계적 개선이 필요함을 시사하였다.