Articles/References
https://www.nature.com/articles/s44172-024-00241-0
https://www.youtube.com/watch?app=desktop&v=SGyivJa3DZg
Laboratory of Intelligent Systems
The Laboratory of Intelligent Systems directed by Prof. Dario Floreano explores future avenues of artificial intelligence and robotics at the convergence of biology and engineering, humans and machines.
www.epfl.ch
https://www.irobotnews.com/news/articleView.html?idxno=35682
스위스 EPFL, 수직 나무 기둥에 착륙하는 비행 로봇 기술 개발 - 로봇신문사
스위스 로잔연방공과대(EPFL) 연구팀이 비행 중 수직 나무 기둥에 충돌해 착륙할 수 있는 비행 로봇 기술을 개발했다고 밝혔다.이번 연구 성과는...
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Summary
*한번 ppt에 1장으로 중요한 부분만 summary 하는 방식을 적용해 봤습니다.(글 최상단) 아래 summary는 한글로 좀 더 다양한 분들이 이해하기 쉽도록 구성하였습니다.
1. 날개를 사용하는 형태의 로봇의 수직 기둥 착륙(매달리기)을 위한 매커니즘을 제시한 논문이다.
●①게코(도마뱀의 한 종류)의 나무 착륙 방식, ②박쥐, 부엉이 등의 나무에 매달리는 방식, 총 2가지에서 영감을 받아 연구한 perching method이다.
●①게코는 머리부분을 나무줄기에 먼저 부딪친 후, 그 충격으로 회전을 얻어 뒷다리까지 나무줄기에 닿을 수 있도록 하는 전략을 사용한다.
●②몇몇 날 수 있는 생물들은 수직 기둥에 착륙할때 자신의 날개이자 팔을 이용해 기둥을 감싸 매달리는 방법을 사용한다.
2. 충돌과 동시에 방향을 수평(비행 방향)에서 수직(수직 기둥 방향)으로 전환하는 과정과, 날개를 접는 과정은 전부 passive 하게 이루어진다. 즉 어떤 추가적인 actuator나 복잡한 기구가 필요하지 않다.
●로봇의 앞쪽 충돌부는 위쪽으로 휘어진 형태(upturned nose)로 설계하여 충돌지점이 로봇의 무게 중심(CoG)보다 위쪽에 위치하게 하였다. 이로 인해 충돌은 로봇의 무게 중심을 기준으로 위쪽으로 보게(pitch-up) 만드는 모멘트를 만들게 되고 자연스럽게 로봇은 위쪽을 보게 된다(reorient).
●reorientation 과정을 더 개선하기 위해 앞쪽에 탄성 막대(elastic bar)를 추가한 버전도 제작하여 실험하였다.
이 막대의 탄성은 충돌시간을 길게 해주어※ 평균 충격력을 줄여주고, 탄성력이 회전을 도와준다고 한다.
※동역학의 '충돌 상황의 충격량' 파트의 개념이다. 힘을 가해진 시간에 대해 적분한 것이 충격량인데, 이 충격량은 같은 충돌이면 변하지 않는다. 이 로봇의 탄성 막대는 충돌 시간을 증가시키기 때문에 힘-시간 그래프의 넓이를 유지하기 위해 평균 충격력이 감소하게 된다. 이러한 원리는 쿠션, 에어백의 원리와 정확히 같다.
●한편 날개는 안쪽으로 접히도록 각 2개의 마디가 있고 마디마다 스프링(torsional spring)이 있는데, 비행 시에는 날개가 펴져있도록 줄로 고정되어 있다.
●충돌 과정에서 동체의 회전만 발생하는 것이 아닌, 그 충격으로 날개를 고정한 줄을 잡고 있는 걸쇠(latch)도 같이 빠지게 된다.
+)개인적으로 이 방식이 조금 신뢰도가 낮다고 생각해서 이 작동 방법이 논문이 의도한 방법인지는 확실하게 모르겠다. 내가 봤을 때 구조상 이렇게 작동한다는 것 같고 아마 90% 이 방법이 맞을 것이다.
●한편 회전으로 로봇이 수직 기둥과 평행이 되는 타이밍에 날개가 기둥을 감싸는 것이 중요한데, 이 타이밍 조절은 blocking wall의 높이로 조절했다고 한다.
3.앞부분이 기둥과 충돌할 때(첫 번째 충돌-primary impact) 걸쇠가 성공적으로 빠지지 못한 상황을 대비한 다른 방법도 준비하였다.
●회전으로 몸체가 기둥과 충돌할 때(두 번째 충돌-second impact) 몸체 바닥과 연결된 막대가 걸쇠를 밀도록 추가 장치(backup bistable trigger)를 만들었다.
4. 전반적으로 71%의 성공률을 보였다.
●여러 조건에서 실험을 하였고 전반적으로 71%의 성공률을 보였다. (내 생각) 이 정도면 실용성을 떠나서 방법 자체는 유효한 방법이라고 생각한다.
●추가적으로 장착한 탄성 막대와 backup bistable trigger는 각각 오히려 성공률을 낮추거나 전혀 역할을 하지 못했다고 한다.
●탄성 막대는 탄성력이 오히려 기둥에서 로봇을 밀어내 성공적으로 날개가 기둥을 감싸는 것을 방해했다고 한다. 추가로 걸쇠가 빠지는 타이밍을 30%가량 늦춘 것도 실패율을 높인 원인으로 분석했다.
●backup bistable trigger로 날개가 접히는 것 자체는 성공했지만, second impact로 날개가 접힐 때는 이미 로봇이 떨어지고 있을 때라 실패했다고 분석했다.
My opinion
●우선 이러한 perching method의 유효성, reload 가능 여부를 떠나서 정말 간단한 구조만으로 원하는 기능을 구현한 것이 내가 추구하는 기구설계와 일치해서 굉장히 재밌다고 느꼈다.
●첫 번째 충돌에서 걸쇠가 분리되는 방법의 신뢰도가 낮다고 생각한다. 만약 비행속도, 각도에 따른 충격력의 전달을 치밀하게 계산했다면 모를까, 단순히 충격으로 걸쇠가 빠지는 방식은 조금 운 적인 요소가 들어갔다고 생각한다. Blocking wall 부분에 nose와 연결된 스위치 구조를 간단하게라도 넣었으면 조금 더 성공률이 올라가지 않았을까 생각한다.
●다시 기둥에서 떨어져 비행을 하기 위해 걸쇠를 재장전할 방법을 한 번 생각해 보았는데 마땅히 떠오르지 않았다.
+)물론 어디까지나 새로운 perching method를 제안하는 연구이기에 내가 생각한 부분을 굳이 구현하지 않았던 거 같다. 그냥 추후 어떻게 발전시키면 좋을지에 개인적인 생각들이다.
Additional keywords
●논문에서 translation에 대한 3d rotation transformation과 rotation에 대한 3d rotation transformation을 사용했다. 전자(4)
는 아는 식인데 후자(5)는 처음 보는 식이었다. 추후 한번 공부할 필요가 있을 것 같다.
●Roll-Pitch-Yaw가 또 헷갈렸다.
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정확한 정보 전달보단 공부 겸 기록에 초점을 둔 글입니다.
틀린 내용이 있을 수 있습니다.
틀린 내용이나 다른 문제가 있으면 댓글에 남겨주시면 감사하겠습니다. : )
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