기존의 많은 로봇 시스템은 자연에서 영감을 얻어 특정 목표를 달성하기 위해 생물학적 과정, 자연 구조 또는 동물 행동을 인위적으로 재현합니다. 이는 동물과 식물이 각자의 환경에서 생존하는 데 도움이 되는 능력을 선천적으로 갖추고 있어 실험실 환경 밖에서도 로봇의 성능을 향상시킬 수 있기 때문입니다.
"소프트 로봇 팔은 문어 촉수, 코끼리 몸통, 식물 등과 같은 '뼈 없는' 유기체가 보여주는 고급 조작 능력에서 영감을 얻은 차세대 로봇 조작기입니다."라고 엔리코 도나토(Enrico Donato) 연구원은 말했습니다. 이 연구는 Tech Xplore에 말했습니다. “이러한 원리를 엔지니어링 솔루션으로 변환하면 부드러운 탄성 변형을 거쳐 유연하고 민첩한 동작을 생성할 수 있는 유연한 경량 재료로 구성된 시스템이 탄생합니다. 이러한 바람직한 특성으로 인해 이러한 시스템은 표면에 적합하며 잠재적으로 저렴한 비용으로 물리적 견고성과 인간에게 안전한 작동을 보여줍니다."
소프트 로봇 팔은 다양한 실제 문제에 적용될 수 있지만 강성 로봇이 접근할 수 없는 원하는 위치에 도달하는 작업을 자동화하는 데 특히 유용할 수 있습니다. 최근 많은 연구팀이 이러한 유연한 팔이 이러한 작업을 효과적으로 처리할 수 있는 컨트롤러를 개발하려고 노력해 왔습니다.
"일반적으로 이러한 컨트롤러의 기능은 로봇의 두 작동 공간, 즉 작업 공간과 액추에이터 공간 사이의 유효한 매핑을 생성할 수 있는 계산 공식에 의존합니다."라고 Donato는 설명했습니다. “그러나 이러한 컨트롤러의 적절한 기능은 일반적으로 실험실 환경 내 유효성을 제한하는 비전 피드백에 의존하여 자연 및 동적 환경에서 이러한 시스템의 배포 가능성을 제한합니다. 이 기사는 이러한 해결되지 않은 한계를 극복하고 이러한 시스템의 범위를 비구조화된 환경으로 확장하려는 첫 번째 시도입니다.”
“식물은 움직이지 않는다는 일반적인 오해와는 달리, 식물은 성장에 기반한 이동 전략을 사용하여 적극적이고 의도적으로 한 지점에서 다른 지점으로 이동합니다.”라고 Donato는 말했습니다. “이러한 전략은 매우 효과적이어서 식물은 지구상의 거의 모든 서식지에 서식할 수 있는데, 이는 동물계에서는 부족한 능력입니다. 흥미롭게도 동물과 달리 식물의 이동 전략은 중추신경계에서 비롯되는 것이 아니라 정교한 형태의 분산 컴퓨팅 메커니즘으로 인해 발생합니다.”
연구원의 컨트롤러 기능을 뒷받침하는 제어 전략은 식물의 움직임을 뒷받침하는 정교한 분산 메커니즘을 복제하려고 시도합니다. 팀은 특히 상향식 구조로 결합된 분산 컴퓨팅 에이전트로 구성된 행동 기반 인공 지능 도구를 사용했습니다.
Donato는 “생체에서 영감을 받은 컨트롤러의 참신함은 단순성에 있습니다. 소프트 로봇 팔의 기본적인 기계적 기능을 활용하여 전반적인 도달 동작을 생성합니다.”라고 Donato는 말했습니다. 특히, 소프트 로봇 팔은 소프트 모듈의 중복 배열로 구성되며, 각 모듈은 방사형으로 배열된 세 개의 액추에이터를 통해 활성화됩니다. 이러한 구성의 경우 시스템이 6가지 주요 굽힘 방향을 생성할 수 있다는 것은 잘 알려져 있습니다.”
팀 컨트롤러의 기능을 뒷받침하는 컴퓨팅 에이전트는 액추에이터 구성의 진폭과 타이밍을 활용하여 순환 및 굴광성으로 알려진 두 가지 다른 유형의 식물 움직임을 재현합니다. 순회는 식물에서 흔히 관찰되는 진동인 반면 굴광성은 식물의 가지나 잎을 빛에 더 가깝게 만드는 방향성 움직임입니다.
Donato와 그의 동료가 만든 컨트롤러는 이 두 동작 사이를 전환하여 두 단계에 걸쳐 로봇 팔을 순차적으로 제어할 수 있습니다. 첫 번째 단계는 팔이 주변을 탐색하는 탐색 단계이고, 두 번째 단계는 원하는 위치나 물체에 도달하기 위해 이동하는 도달 단계입니다.
Donato는 "아마도 이 특정 작업에서 가장 중요한 점은 중복된 소프트 로봇 팔이 매우 간단한 제어 프레임워크를 사용하여 실험실 환경 외부의 기능에 도달할 수 있게 된 최초의 사례라는 것입니다."라고 말했습니다. “또한 컨트롤러는 모든 소프트에 적용 가능합니다.기계 인간팔도 비슷한 작동 장치를 제공했습니다. 이는 연속체 및 소프트 로봇에 내장된 감지 및 분산 제어 전략을 사용하기 위한 한 단계입니다.”
지금까지 연구원들은 9자유도(9-DoF)를 갖춘 모듈형 케이블 구동, 가볍고 부드러운 로봇 팔을 사용하여 일련의 테스트를 통해 컨트롤러를 테스트했습니다. 컨트롤러를 통해 팔이 과거에 제안된 다른 제어 전략보다 더 효과적으로 주변을 탐색하고 목표 위치에 도달할 수 있었기 때문에 그들의 결과는 매우 유망했습니다.
앞으로는 새로운 컨트롤러를 다른 소프트 로봇 팔에 적용하고 실험실과 실제 환경에서 테스트하여 역동적인 환경 변화에 대처하는 능력을 더욱 평가할 수 있을 것입니다. 한편, Donato와 그의 동료들은 추가적인 로봇 팔 움직임과 행동을 생성할 수 있도록 제어 전략을 더욱 발전시킬 계획입니다.
"우리는 현재 컨트롤러의 기능을 향상시켜 표적 추적, 팔 전체 묶기 등과 같은 보다 복잡한 동작을 가능하게 하고 이러한 시스템이 오랜 기간 동안 자연 환경에서 작동할 수 있도록 하기 위해 노력하고 있습니다."라고 Donato는 덧붙였습니다.
게시 시간: 2023년 6월 6일