양다리 스윙 추진을 이용한 양서류 로봇 설계와 제어

초록

본 논문은 개구리의 점프와 유영 동작을 모방한 양다리 스윙 추진 메커니즘을 갖는 양서류 로봇 “FroBot”을 설계하고, 육상·수중에서의 동역학 모델을 구축한 뒤 제어 시뮬레이션 및 실험을 통해 추진 효율과 안정성을 검증한다.

상세 분석

FroBot은 두 개의 대칭적인 다리를 앞뒤로 스윙시키는 방식으로 추진력을 얻는다. 육상에서는 ‘안티바이어스 휠(anti‑bias wheel)’이라 부르는 특수한 유니버설 휠을 사용한다. 이 휠은 축을 기울여 장착함으로써 다리 스윙 시 휠 자체가 기울어진 축을 중심으로 회전하고, 휠과 지면 사이의 마찰력이 스윙 방향과 반대 방향의 추진력을 생성한다. 휠의 기울기 각 λ와 휠이 내부로(또는 외부로) 편향되는 각 β는 다리 스윙 각 φ와 각속도 ω에 의해 동적으로 결정된다. 논문은 β와 φ, ω 사이의 관계식을 (11), (12) 로 제시하고, 정적·동적 마찰계수(μ_roll, μ_slide)와 공기 저항 계수(K_air)를 포함한 전체 저항 모델을 수식 (5)‑(8) 로 정리한다. 이러한 모델을 통해 가속도 a₀를 φ와 ω의 함수로 표현하고, 제어 입력(다리 모터의 회전 속도)으로 전진 속도를 조절할 수 있음을 보인다.

수중에서는 다리 끝에 부착된 유연한 꼬리지느러미(caudal fin)를 이용한다. 스윙 동작에 의해 물과의 상호작용력이 발생하고, 이 힘이 앞뒤로 진동하는 파동을 만들어 추진력을 만든다. 지느러미의 변형은 물의 유동에 의해 수동적으로 발생하므로, 제어 복잡도가 크게 감소한다. 또한 양쪽에 장착된 가슴지느러미와 전방 러더는 각각 피치·롤·요(heading) 제어를 담당한다. 피치와 롤은 두 지느러미의 공격각을 동일하거나 반대로 설정함으로써 생성되며, 러더의 각도 γ는 전진 저항 f_r을 전방 성분 f_y와 측방 성분 f_x 로 분해해 요 회전 모멘트를 제공한다.

동역학 모델링에서는 다리와 몸체의 무게, 휠에 작용하는 정상력 N, 그리고 휠이 기울어진 축을 따라 발생하는 반력 F를 고려한다. 대칭성을 가정해 변수들을 통합하고, 힘·모멘트 평형식을 (1)‑(4) 로 정리한다. 특히, 추진력 F_forward = 2 N tan λ sin β sin(φ+β) 식은 β가 양의 값일 때(내부 편향)와 음의 값일 때(외부 편향) 각각 다른 추진 특성을 보임을 강조한다. 실험에서는 타일 바닥 위에서 μ_slide = 0.25, λ = 39π/360 로 측정했으며, 최대 정적 마찰각 β_max = π/4 로 설정하였다.

제어 실험에서는 φ의 진폭을 3π/20 ~ 11π/40 사이로 제한하고, 스윙 각속도 ω를 조절해 전진 속도와 가속도를 최적화하였다. 또한 스윙 사이에 150 ms 정도의 정지(pause) 시간을 두어 로봇의 자세 안정성을 확보하였다. 실험 결과는 시뮬레이션과 일치하며, 다리 스윙 속도가 증가할수록 β가 변하고 추진력이 증대되는 것을 확인했다. 그러나 복잡한 지형이나 미끄러운 표면에서는 휠의 마찰 기반 추진이 제한적이며, 향후 트랙이나 다중 자유도 메커니즘을 결합한 하이브리드 설계가 필요함을 지적한다.

전반적으로 본 연구는 기존의 다중 구동·다중 모드 양서류 로봇과 달리, 단일 다리 스윙 메커니즘만으로 육·수중 양쪽에서 효율적인 추진을 구현하고, 물리 기반 모델을 통해 제어 파라미터를 체계적으로 설계할 수 있음을 보여준다.