구형 로봇의 능동적 구동 원리

구형 로봇의 능동적 구동 원리
구형 로봇 구동장치 원리의 3가지 유형

 

구형 로봇은 밀봉된 내부 환경을 갖고 있고 물체와 충돌 시 손쉽게 튀어나오며 임의 방향으로 이동할 수 있는 공의 특성 때문에 탄생한 새로운 연구 분야이다. 초기 구형 로봇들은 햄스터 공과 비슷하게 작동되는데, 토크의 제한과 내부 마찰로 인해 상당한 에너지 손실이 있었다. 연구가 진행될수록 각 그룹들은 동력을 위해 무게를 희생하거나 조종 정확도를 위해서 속도를 제한하는 등의 공학적 절충을 채택한 각기 독특한 추진 방법을 개발하기 시작했다. 본문은 현재 여러 그룹들이 구형 로봇을 동작하고 제어하기 위해 개발한 다양한 개념의 연구 방향과 이 분야에서 사용되는 전문 용어 및 구형 로봇의 추진 원리에 대해 소개한다.

 

 

1. 개요
구형 로봇은 외부의 거친 환경으로부터 밀봉 보호될 수 있게 설계할 수도 있고, 장애물에 부딪혀도 튀어 나올 수 있으며, 홀로노믹하게 작동할 수 있는 등 흥미롭고 독특한 특징들을 갖고 있다. 로봇공학에서 홀로노믹 시스템(Holonomic System)이란 로봇이 움직이고자 하는 방향이 현재 로봇이 향하고 있는 방향에 영향을 받지 않는 로봇, 즉 어느 방향으로나 즉시 움직일 수 있는 로봇을 말한다. 구형 로봇은 수중 실험, 아동발달 연구, 보안 정찰 분야에 사용되기 시작했으며, 특정 직무 수행을 위한 다수의 구형 로봇 개발이 시도되기도 했다.
구형 로봇의 연구 방향은 주로 내부 구동 기구의 설계와 그 제어장치에 집중되어 있다. 내부 추진 기구에 대한 다양한 방안들이 로봇의 설계 목적에 따라 다양한 형태로 계속 파생되고 있어, 아직 어떤 최적화된 지배적인 시스템이 출현하지 못한 상황이다.
일반적으로 구형 로봇의 구동장치는 구형의 외피 안에 배치되어 있으며, 외피를 회전시키기 위해서 구동장치는 동력을 어떤 방식으로든 외피로 전달해야 한다. 더구나 홀로노믹 로봇을 구현하려면, 현재 로봇의 위치와 상관없이 임의의 방향으로 출력토크를 외피에 제공할 수 있는 내부 구동장치를 개발해야 한다. 본질적으로 구형 로봇의 내부 구동장치는 삼차원적으로 외피와 독립적으로 움직일 수 있어야 하는 반면, 외피는 내부의 기계와 어떤 방식으로든 연결되어 있어야 하기 때문에 어려운 디자인 과제가 제기된다.
현재 개발되고 있는 구형 로봇의 구동장치 원리는 크게 △무게중심 이동(BCO, Barycenter Offset) △외피 변형(ST, Shell Ttransformation) △각운동량 보존(COAM, Conservation of Angular Momentum)의 세 가지 유형으로 구분된다.

 

2. 무게중심 이동(Barycenter Offset)
2.1. 작동원리
무게중심 이동(BCO)이란 구형 로봇에서 필요한 운동을 생산하기 위해 로봇의 무게 중심을 이동하는 동작을 가리키는 용어이다. 공이 평형 상태에 놓여 있다고 할 때, 공 내부의 기구가 움직이면 공의 질량 분포가 움직이고, 공은 새로 평형위치를 찾아 굴러갈 것이다. 따라서 적절한 시점과 제어 방법을 사용해 로봇을 부드럽게 이동시킬 수 있게 된다.
이 방식은 <그림 1>과 같이 구 안에 진자가 위치한 2차원 모델로 간략히 표현될 수 있다. 구의 중심에 고정된 일정한 무게를 가진 진자가 외피를 따라 움직이면, 무게의 불균형으로 토크가 발생하여 진자 이동 방?향으로 로봇이 이동한다. 하지만 진자가 외피 밖으로 이동할 수 없어 최대 출력토크는 제한되기 마련이다.

 

2.2. 작동원리의 구현
[햄스터 공] 무게중심 이동 시스템의 초기 디자인으로, 장난감 공 안에 있는 햄스터처럼 작은 원격 조종 자동차가 공 안에 놓여 있어 자동차가 움직일 때 공이 앞으로 나아간다. 공의 움직임 방향을 바꾸려면 내부의 로봇이 방향을 바꾸어야 한다. 내부 로봇으로 외바퀴나 다중바퀴 자동차가 활용될 수 있으며, 4륜구동 차동장치 운전 차량은 제자리에서 돌 수도 있어 로봇에게 홀로노믹 특성을 가능하게 한다.
주요 문제점 중 하나는 내부 로봇의 운전 과정에 미끄러짐이 발생한다는 것이다. 또한 진동이나 충돌로 인해 차량이 공중에 떠있을 때 외피와 내부 로봇바퀴 사이의 정지마찰력이 사라지고, 로봇은 운동량을 잃게 된다.
[내부구동유닛(IDU)] 햄스터 공의 내부 로봇 비접촉 문제를 극복하기 위해 스프링 부하 방식 또는 고정 방식이 사용된다. 바퀴의 반대편에 스프링이 있어, 바퀴가 외피와 끊임없이 접촉하도록 압축하고, 스프링에는 3자유도 볼베어링이 있어 외피와의 마찰력을 최소화한다. 그 결과 바퀴가 항상 외피와 접촉을 유지하게 되고, 공의 속도는 바퀴의 속도에 의해서 쉽게 제어된다. IDU의 특징은 완전히 밀봉하거나 벌집 모양의 외피를 사용할 수도 있고, 저속에서 방향제어가 상당히 정확하다. 하지만 고속에서는 방향 제어가 어렵고, 경사길 이동에는 어려움이 있다.
[만능 바퀴] 이 디자인은 햄스터 공과 IDU 디자인을 결합한 것이다. 즉 내부구동장치가 외피 안에서 자유롭게 회전할 수 있도록 한 만능 바퀴를 개념화한 것으로, 로봇이 울퉁불퉁한 지역을 지나더라도 작동이 가능하다. 두 개의 DC 모터가 로봇을 제어하는데, 한 모터는 IDU를, 다른 모터는 구동륜의 속도를 제어한다.
따라서 회전 반경이 거의 0이 되며 로봇의 이동 속도는 구동륜의 각속도로 제어할 수 있게 된다. 이 로봇은 낮은 경사길 상승과 물, 모래에서 움직이는 게 가능하지만, 스펀지 바퀴의 마찰로 인해 에너지 손실이 크고 무동력 경사길 하강은 불가능하다.
[진자] 산업계와 학계에서 자주 사용되는 디자인으로, 이 모델은 로봇 외피의 중심을 지나는 고정된 하나의 축과 진자 및 축 주위로 회전하는 추로 구성되어 있다. 진자를 앞뒤로 이동시키면 무게중심이 앞뒤로 움직일 것이고, 로봇은 의도한 방향으로 돌기 시작할 것이다. 추의 무게가 증가할수록, 로봇을 작동시킬 수 있는 토크의 양도 증가하지만, 무거운 추는 무거운 로봇을 의미한다. 이 로봇은 약 30°의 경사길을 올라갈 수 있고 눈, 얼음, 진흙, 모래에서 6mph의 속도로 구르거나 뜰 수 있으며 1.81kg 화물을 실을 수 있다. 하지만 방향을 바꿀 때 회전반경이 필요한 단점이 있으며, 구동 토크에 한계가 있으므로 설계 시 외피의 크기와 내부 구성요소들의 크기를 결정할 때 섬세한 균형이 필요하다.
[이중 진자] 최근 제자리에서 회전이 가능한 두 개의 진자를 가진 타원형 로봇이 제안되었다. 이 로봇은 진자의 추를 천천히 수평으로 들어 올렸다 빠르게 수직 위치로 내림으로써, 진자의 움직임에 따라 Stick-slip 원리에 의해 외피가 정지 마찰력을 이기고 제자리에서 방향을 변경하도록 한 것이다.
어떤 팀은 무게중심이동 방식이긴 하지만 완전히 다른 방안을 창안했다. 큰 질량의 물체를 로봇의 중심에 위치하고, 추를 가진 4개의 축이 방사상으로 배치된다. 각 추는 축을 따라 이동이 가능하여, 추의 이동에 따라 로봇의 이동과 홀로노믹한 회전이 가능하다.
[주목할 만한 향상] 구형 로봇에 추가되는 부속품에는 센서, 망원경 카메라, 재설정 다리, 점핑 기구 등 매우 다양하다. 심지어 로봇 형태가 완전히 변화하는 능력을 갖고 있는 경우도 있다. 보통의 구형에서 전방향 이동이 가능한 3개의 바퀴를 가진 두 개의 반구로 변형하는 로봇이던지, 상황에 따라 진자 작동 모드와 바퀴 작동 모드로 작동 방식이 변하는 로봇, 계단을 오를 수 있도록 점핑 기구를 장착한 로봇 등이 그 예이다.

 

3. 외피 변형(Shell Transform)
3.1. 작동원리
바깥 껍질의 일부분을 변형시켜 로봇을 나아가게 하는 새로운 아이디어로, 이 방식은 복잡한 내부 메카트로닉스 대신에 자신의 몸체 주변의 환경을 변경시킴으로써 이동할 수도 있다. 이 개념은 아직 초창기 단계에 있지만 무게중심 이동 방식보다 더 다용도로 쓰일지 모르는 잠재력을 가지고 있다.

 

 

3.2. 작동원리의 구현
[압축 공기주머니] M. Artusi 등이 처음 제안한 방식으로, 외피는 네 개의 전기장에 의해 변형되는 유전체 탄성중합체로 구성되어 각 부분을 차례로 변형시켜 움직인다. 한편 K. Wait은, 축구공 형태의 바깥쪽 오각형 부분이 수축 팽창할 수 있는 공기 주머니와 각 주머니에 포토다이오드를 갖추고 있으며, 내부 제어 디스크에는 높은 출력의 LED로 구성된 로봇을 제안했다. 라디오 제어를 통하여 원격 조작되는 제어 디스크의 LED가 빛을 내면, 그에 해당하는 주머니가 팽창되어 결국 로봇이 움직이게 된다. 이 방식은 다수의 주머니를 팽창시킬 수 있어, 다양한 방향으로 이동할 수 있는 홀로노믹 특성을 제공한다.
[형상기억합금] 다른 방식으로 내부의 로터와 외피의 탄성을 조절하여 외피를 변형시킴으로써 슈퍼볼과 같이 튀어오를 수 있는 로봇도 있다. 한편 Sugiyama는 외피만을 조절함으로써 로봇의 이동이 가능함을 입증했다. 이 로봇의 외피는 전압이 적용됐을 때 팽창 수축될 수 있는 형상기억합금(SMA) 코일로 구성되어, 적절한 제어를 통해 로봇을 팬케이크처럼 납작해지게 했다가 원래 형태로 되돌아갈 수 있게 함으로써 로봇이 점프하거나 부드러운 이동 동작을 구현했다.

 

4. 각운동량 보존(Conservation of Angular Momentum)
4.1. 작동원리
최근 20년 동안 구형 로봇에 CMG(Control Moment Gyroscopes)를 적용하는 방식이 다양한 연구 그룹에 의해 시도되고 있다. 한 축을 중심으로 플라이휠을 빠르게 회전시킴으로써 적용되는 각운동량 보존법칙은 구형 로봇의 움직임을 제어하는 데 쓰일 수 있다. CMG의 각속도가 증가하면 출력토크도 증가하기 때문에 이 방식은 무게중심 이동 방식의 구동토크 한계를 극복할 수 있는 가장 최신의 방법이다.
한편 CMG는 3차원 공간의 모든 방향으로 반력이 발생하는 독특한 특징이 있다. 즉, X축을 중심으로 돌고 있는 CMG를 Y축으로 회전시키면 Z축 방향의 세차운동 토크가 발생한다.
이러한 특성은 명백히 의도된 방향으로 힘을 생산할 수 있는 유용한 잠재력을 갖지만, 복잡한 제어 문제를 낳는다. 추가적인 차원의 세차 토크를 적절히 고려하지 않으면 로봇이 원치 않는 방향으로 움직이게 된다.

 

 

4.2. 작동원리의 구현
[밸런싱] 초기 디스크 형상의 Gyrover에는 내부에 자이로스코프가 있어 로봇의 균형을 잡는 데 쓰이고, 세차 토크는 로봇의 방향을 조종하는 데 쓰인다. 이 방식은 비록 빠른 속도와 거친 지형에서 사용될 수 있고 제자리에서 돌 수 있지만, 옆으로 넘어진다면 더 이상 방향조절이 불가능하여 실용적으로 사용되기는 어렵다.
[1차원 COAM] 이 방식은 표준 진자형 추 부분에 CMG가 설치된 것으로, 회전하는 CMG를 더욱 빠르거나 느리게 가속도를 조절함으로써 외피의 방향을 변경할 수 있다. 또한 무게중심 이동 방식의 로봇보다 큰 토크를 발생시킬 수 있다. 이 방식을 연장하여, 서로 반대 방향으로 회전하는 2쌍의 CMG를 한 평면상에 마주 보게 배치한 방식도 있는데, 이는 진정한 홀로노미를 구현할 수 있는 방식이다.
[3차원 COAM] 진자형 구동장치의 추 부분에 CMG가 설치된 방식으로, CMG의 회전 방향으로 로봇의 전후 운동 방향을, CMG의 회전속도를 조절하여 로봇의 이동 방향을 조절하는 방식이다. 또한 CMG의 각운동량을 조절하여 로봇의 구동 토크를 제어할 수 있으므로, 가변형 질량을 가진 진자형 로봇으로 간주할 수 있는 방식이다.
[가위쌍] CMG는 국제 우주정거장이나 망원경과 같은 대형 구조물을 제어하기 위해 사용되지만, 자이로스코프의 동작은 다른 두 직교좌표 방향으로 반력을 유발하는 단점이 있다. 이 문제를 극복하기 위한 새로운 방법은, 서로 반대로 회전하는 두 개의 CMG를 적절한 각도로 배치함으로써 반력이 한축 방향으로만 발생하는 가위쌍을 사용하는 것이다.

5. 요약 및 결론
구형 로봇은 작동원리 및 구동 방식에 따라 매우 다양하다. 구형 로봇의 능동적 구동장치는 대부분 무게중심 이동, 외피 변형, 각운동량의 보존 원리를 이용한 방식 중 하나를 채택하고 있다. 무게중심 이동 방식은 가장 간단하고 상대적으로 제어하기가 쉽다. 그러나 무게중심이 외피 바깥으로 이동될 수 없기 때문에 이 방식의 로봇에서 동력은 제한될 수밖에 없다. 무게중심 이동 방식은 단일 바퀴 모델, 차 모델, 일반적인 바퀴 모델, 진자 모델을 포함한 매우 다양하고 가장 흔한 디자인이다. 각운동량 보존의 원리를 이용하는 방식은 보통 한 개 또는 세 개의 CMG로 토크를 발생시킨다. 이 방식은 CMG를 빠르거나 천천히 회전시킬 때 발생하는 회전력이나(단일 축) 이미 회전 중인 CMG가 움직일 때 발생되는 회전축에 직각으로 발생하는 세차운동 토크를 이용한다(삼중 축). 구형 로봇에 통합된 CMG는 무게중심 이동 방식의 동력 한계를 해결하는 방법을 제공하지만, 이 방식은 운동제어의 복잡성 등 자신만의 해결 과제를 안고 있다. 반면, 외피 변형 방식은 오히려 새로운 개념으로 설계하기는 더 어려우나 거의 수식 계산이 필요 없는 제어방법에 의해 작동될 수 있다.
최근 몇몇 연구그룹은 한 가지 개념에 기초한 방식보다 이들 세 개념의 장점을 서로 합친 로봇을 생산하고 있다. CMG를 추로 달고 있는 진자 방식과 같이 여러 원리를 결합한 디자인이 큰 주목을 받고 있으며, 미래의 빠르고 날렵한 홀로노믹 구형 로봇을 구현할 기술로 기대된다.
한편 국내에선 경북대와 KAIST, 충남대 등 학계에서 일부 구형 로봇의 연구 개발 결과를 발표하고 있으나 아직 산업계에서 그 가능성과 응용분야를 탐색하고 있는 단계로 파악된다.

KOSEN(한민족과학기술자네트워크) www.kosen21.org
필자 군산대학교 기계자동차공학부 정헌술

 

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 구형 로봇의 능동적 구동 원리