[논문 리뷰] Enhancing the Vertical Mobility of a Robot Hexapod Using Microspines

Matt Martone, Catherine Pavlov외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 11.

Robotic Locomotion and Control참고 문헌 28인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 유연한 RHex 스타일 다리를 갖춘 마이크로스파이크 발을 통합한 헥사포드 로봇 T-RHex를 제시한다. 이로 인해 55° 경사면까지 기어오르고, 45° 경사지면에서도 정적으로 붙잡고 있을 수 있으며, 평탄한 지면에서의 이동 능력도 유지한다. 이 설계는 기존의 다리 탄성과 적층 제조 기술을 활용하여 마이크로스파이크 제작을 단순화하고, 이중 기능의 이동 방식을 실현하면서도 속도나 안정성을 희생시키지 않는다.

ABSTRACT

Modern climbing robots have risen to great heights, but mechanisms meant to scale cliffs often locomote slowly and over-cautiously on level ground. Here we introduce T-RHex, an iteration on the classic cockroach-inspired hexapod that has been augmented with microspine feet for climbing. T-RHex is a mechanically intelligent platform capable of efficient locomotion on ground with added climbing abilities. The legs integrate the compliance required for the microspines with the compliance required for locomotion in order to simplify the design and reduce mass. The microspine fabrication is simplified by embedding the spines during an additive manufacturing process. We present results that show that the addition of microspines to the T-RHex platform greatly increases the maximum slope that the robot is able to statically hang on (up to a 45 degree overhang) and ascend (up to 55 degrees) without sacrificing ground mobility.

연구 동기 및 목표

• 지상 이동 능력을 훼손하지 않은 채 로봇 헥사포드의 수직 이동 능력을 향상시키기.
• 기존 마이크로스파이크 로봇에서 관찰되는 기어오르기 성능과 이동 능력 사이의 상충 관계를 해결하기.
• 적층 제조 기술을 활용하여 기계적으로 지능적인 탄성 다리 설계에 마이크로스파이크를 통합함으로써 제작을 단순화하기.
• 특히 바닥에서 벽으로의 전환 과정에서의 감지 능력 향상과 게이트 적응을 통해 자율적인 벽 기어오르기 기능을 구현하기.
• 콘crete, 벽돌, 나무 껍질 등 다양한 실제 표면에서 플랫폼 성능을 검증하기.

제안 방법

• T-RHex 플랫폼는 6개의 1자유도 탄성 다리를 갖춘 수정된 RHex 헥사포드이며, Dynamixel MX-64 모터로 구동된다.
• 마이크로스파이크 발은 적층 제조 과정에서 아크릴에 직접 삽입함으로써 복잡한 후처리 공정을 생략한다.
• 다리의 탄성을 활용해 이동 안정성과 마이크로스파이크의 고정을 동시에 확보함으로써 추가적인 유연성 요소가 필요로 하는 것을 줄인다.
• 마이크로스파이크는 앞으로의 게이트에 간섭을 방지하기 위해 뒤로 향하도록 배치되어, 기어오르기용 뒷게이트 공간을 활용할 수 있도록 한다.
• 벽 기어오르기 중 접착력을 높이기 위해 경량이며 구동 가능한 기어를 추가하여 앞다리를 표면에 눌러붙이게 한다.
• 시험용으로 단일 개방형 게이트를 사용하였으며, 향후 작업으로는 토크 센서 및 시각/관성 피드백을 통한 적응형 제어를 목표로 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 탄성 다리와 RHex 스타일을 기반으로 한 헥사포드에 마이크로스파이크를 효과적으로 통합하여 지상 이동 능력을 떨어뜨리지 않고 기어오르기 기능을 구현할 수 있는가?
• RQ2 기존의 다리 탄성과 마이크로스파이크 설계의 조합이 실제 표면에서의 기어오르기 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 한 개의 다리 설계가 평탄한 지면에서의 동적 보행과 수직 또는 경사지면에서의 정적 붙잡기 기능을 어느 정도까지 동시에 지원할 수 있는가?
• RQ4 자연 및 인공 재료에서 마이크로스파이크 기반 고착력으로 달성 가능한 최대 경사각과 경사지면 각도는 얼마인가?
• RQ5 현장 센서와 적응형 게이트 제어를 통해 자율적으로 보행에서 기어오르기로 전환할 수 있는가?

주요 결과

• T-RHex는 텍스처가 있는 콘크리트나 나무 껍질과 같은 표면에서 최대 정적 붙잡기 각도 135°(즉, 45° 경사지면)를 기록하였다.
• 표면이 거칠고 자연적인 재료일 경우, T-RHex는 55° 경사면까지 효과적으로 기어올라갔다.
• 평탄한 아스phalt 지면에서는 평균 속도 0.24 m/s를 기록하였으며, 표준 Edubot 다리의 0.27 m/s보다 略로 느렸지만, 보다 정확한 게이트 직선성 확보를 확인하였다.
• 비정형 암석 지형에서는 평균 속도 0.16 m/s를 유지하였으며, 안정성과 제어성 면에서 Edubot 다리의 0.20 m/s를 능가하였다.
• 시멘트 벽돌, 천연 천장판, 패드가 쌓인 벽, 사카모라 나무 껍질 등 다양한 표면에서 신뢰할 수 있는 정적 붙잡기 성능을 입증하였다.
• 마이크로스파이크 통합으로도 앞서 가는 보행 게이트에 지장을 주지 않아, 이중 기능성의 이동 방식이 설계의 핵심 기능임을 확인하였다.