캘리포니아 연구소의 엔지니어 Technology (Caltech)은 "단순한 걷기 및 비행" 이상의 복잡한 이동 작업을 수행할 수 있는 부분 보행 로봇과 부분 비행 드론을 개발했습니다. LEONARDO(Legs ONboARD drOne 또는 LEO) 이족 보행 로봇은 다중 모드 이동 로봇 플랫폼 덕분에 슬랙라인을 걷고, 뛰어오르고, 스케이트보드를 탈 수 있을 뿐만 아니라 날 수도 있습니다.
연구원들은 이 하이브리드 이동 기능을 활용함으로써 인간이 도달하기 어려운 위치에서 다지점 검사, 수리 또는 교체 작업과 같이 지상 또는 항공 로봇이 어려운 다양한 응용 분야에 대한 문을 열 수 있다고 말했습니다. 뿐만 아니라 공중 로봇 및 기타 비행 차량을 위한 제어식 다리 조인트로 구성된 적응형 착륙 장치 시스템의 개발을 주도합니다.
연구원들은 분산된 전기 추진기와 한 쌍의 다관절 다리의 동기화 제어를 사용하여 비행 및 보행 운동 체제를 결합한 플랫폼을 통해 기존 이족보행 로봇이 어려웠던 슬랙라인을 걷거나 스케이트보드를 타는 것과 같은 복잡한 동작을 수행할 수 있다고 말했습니다. .
LEO의 이동 기동. 더 큰 이미지를 보려면 클릭하세요. (출처: 칼텍)
Caltech의 자율 시스템 및 기술 센터(CAST) 팀이 개발한 LEO는 균형을 정밀하게 제어하기 위해 다관절 다리와 프로펠러 기반 추진기를 사용하는 최초의 로봇이라고 합니다. 이번 연구는 사이언스 로보틱스(Science Robotics) 온라인판에 발표된 논문에 보고됐다.
연구 논문에 따르면 LEONARDO는 프로펠러와 다리 관절의 동기화된 제어를 사용하여 장애물을 극복하기 위해 비행 기동으로 걷는 동작을 시연하며, 이는 잠재적으로 단일 모드 이동 로봇이 불가능한 로봇 임무 및 작업을 가능하게 할 수 있습니다. 이는 필요에 따라 보행 모드와 비행 모드 사이를 전환하는 다중 모드 이동 기능이 있는 로봇을 의미합니다.
"지상 로봇에 비해 LEO는 지상 모드와 비행 모드 사이의 전환을 사용하여 모든 장애물을 극복하거나 프로펠러를 사용하여 높은 위치에 쉽게 도달할 수 있습니다."라고 논문의 연구원이 설명했습니다. “또한, 공중 로봇이 목표물 위로 호버링할 수 있는 반면, LEO는 지상 운동을 사용하여 더 정밀한 검사를 위해 목표물에 접근할 수 있습니다. LEO가 지면에 접촉하거나 보행 중일 때 분산된 프로펠러와 다리 관절의 동기화 제어를 사용하여 매우 미끄러운 표면에서도 큰 외란을 거부하고 낙하를 방지할 수 있으므로 보다 강력하고 정밀한 보행 동작이 가능합니다."
자세한 내용은 다음과 같습니다. LEO는 걸을 때 키는 75cm, 몸무게는 2.58kg입니다. 이는 몸통, 프로펠러 추진 시스템 및 포인트 피트가 있는 두 다리의 세 가지 주요 하위 시스템으로 구성됩니다(아래 이미지 참조). 온보드 컴퓨터와 센서 덕분에 자율적으로 작동할 수 있습니다. 공칭 보행 속도는 20cm/s이지만 연구원들은 지면에 가까이 있는 동안 간헐적인 비행을 사용하면 지면 속도를 크게 높일 수 있다고 말했습니다.
캡션: LEO의 주요 전자 및 기계 부품. 더 큰 이미지를 보려면 클릭하세요. (출처: 칼텍)
각 다리에는 작동을 위한 XNUMX개의 서보 모터(브러시리스 DC 모터)가 있습니다. 하나는 다리 구조를 이동하고 다른 두 개의 서보 액추에이터는 병렬 다리 메커니즘을 구동합니다. BLDC 모터에는 고감속 기어박스와 내장형 위치 제어 장치가 통합되어 있습니다. 연구원에 따르면 "임베디드 위치 컨트롤러는 다리의 낮은 관성과 보행 보행을 안정화시키는 프로펠러 컨트롤러의 높은 대역폭으로 인해 LEO의 다리 제어에 충분히 정확하고 빠릅니다."
LEO는 또한 보행 및 비행 기동을 안정화하고 제어하기 위해 어깨에 대칭으로 배치된 XNUMX개의 프로펠러를 사용합니다. "프로펠러 회전 축은 비행을 위한 무게 중심(CoM)과 걷기를 위한 현재 스탠스 발 위치에 대해 양의 방향과 음의 방향 모두에서 롤, 피치 및 요 모멘트를 생성할 수 있도록 선택됩니다." 종이.
팔과 다리를 하나의 어셈블리로 연결하는 몸통에는 두 대의 온보드 컴퓨터, 여러 센서, 시스템에 전원을 공급하기 위한 두 개의 리튬 폴리머(LiPo) 배터리가 있습니다. 한 대의 컴퓨터가 센서와 인터페이스하고 명령을 수신하고 센서 판독값을 기반으로 상태를 추정하고 궤적을 계산합니다. 보행 및 고도 비행 컨트롤러를 실행하는 두 번째 컴퓨터는 낮은 지연 자세 정보를 위한 IMU(관성 측정 장치)뿐만 아니라 다리 액추에이터 및 프로펠러 모터 컨트롤러와 직접 인터페이스합니다.
캡션: LEO의 제어 아키텍처. 더 큰 이미지를 보려면 클릭하세요. (출처: 칼텍)
Caltech 팀은 실외와 실내 모두에서 여러 테스트를 수행했습니다. 이 테스트에는 평평한 지형에서 걷기, 동시 비행과 걷기, 느슨한 로프에서 걷기와 균형 잡기, 프로펠러의 추력을 사용하여 교통 콘 주변에서 스케이트보드 타기가 포함되었습니다.
Caltech는 연구원들이 로봇의 무게를 더 많이 지탱하고 프로펠러의 추진력을 증가시킬 뿐만 아니라 로봇을 보다 자율적으로 만들 수 있는 보다 견고한 다리 디자인을 만들 계획이라고 보고했습니다. 그들은 또한 LEO가 걷기, 비행 또는 하이브리드 모션의 최상의 조합에 대해 스스로 결정을 내릴 수 있도록 환경을 더 잘 이해하는 데 도움이 되는 심층 신경망을 사용하는 새로 개발된 드론 착륙 제어 알고리즘을 추가할 계획입니다.
이 논문의 공동 저자로는 Bren 항공우주 및 제어 및 동적 시스템 교수인 정순조; Caltech 김균남 박사후 연구원; 현재 NASA의 Caltech에서 관리하는 제트 추진 연구소에 소속되어 있는 정 그룹의 전 멤버인 패트릭 스필러(Patrick Spieler); Elena-Sorina Lupu(MS '21), Caltech 대학원생, Alireza Ramezani, 전 Caltech 박사후 연구원 및 현재 Northeastern University 조교수. 이 연구는 Caltech Gary Clinard 혁신 기금과 Caltech의 자율 시스템 및 기술 센터의 지원을 받았습니다.