다중 재구성 로봇 MODUR: 모듈형 이중 재구성 시스템

초록

MODUR는 모듈 간 고수준 자기 재구성과 각 모듈 자체의 형상 변화를 동시에 구현하는 이중 재구성 로봇이다. 컴팩트한 양성(hermaphrodite) 커넥터와 6개의 시저 링크그룹(SLG)으로 구성된 병렬 메커니즘을 이용해 커넥터의 움직임을 독립적으로 제어하고, 인접 위치로의 모듈 이동을 가능하게 한다. 워크스페이스 분석과 실험을 통해 설계의 타당성을 검증하였다.

상세 분석

본 논문은 기존의 구형·입방형 모듈 로봇이 겪는 ‘커넥터 결합 운동’ 문제를 근본적으로 해결하고자, 재구성 메커니즘(RM)의 개념을 MSRR에 도입한 MODUL(모듈형 이중 재구성 로봇)이라는 새로운 아키텍처를 제안한다. MODUR의 핵심은 (1) 커넥터 운동의 디커플링, (2) 인접 위치 마이그레이션, (3) 병렬식 스키머(Scissor Linkage Group, SLG) 기반의 원격 중심 운동(RCM) 메커니즘이다.

디커플링 측면에서, 기존 Roombot·SMORES와 달리 MODUR의 커넥터는 양성(hermaphrodite) 설계와 자석·기계식 프리앵글 결합을 통해 90° 회전 정밀도와 강인한 결합력을 동시에 제공한다. 커넥터 내부에 DC 기어모터와 리드스크류가 내장되어, 초기 전진(thrust) 동작 후 회전 잠금으로 고정된다. 이 구조는 하나의 자식 모듈이 움직여도 다른 자식 모듈에 영향을 주지 않으며, 부모‑자식 관계를 자유롭게 재구성할 수 있게 한다.

SLG는 6개의 6‑바 RCM 메커니즘을 테트라헤드론의 6개의 모서리에 배치한 병렬 구조이며, 각 SLG는 ‘내부’, ‘중간’, ‘외부’ 세 종류로 구분돼 상호 간섭을 최소화한다. 설계 파라미터(히엔지 구멍 반경 r, 막대 폭 w, 길이 l 등)는 식(1)~(4)를 통해 기하학적으로 최적화되었으며, 최소 60°, 최대 180°의 회전 범위를 확보한다. 이는 모듈 간 인접 위치 마이그레이션을 가능하게 하는 핵심 동작 범위이다.

워크스페이스 분석에서는 커넥터 A, B, C, D의 상호 의존성을 고려해, δ(두 커넥터 사이 회전각)와 SLG 간 충돌, 반대쪽 SLG 교차 금지를 제약조건으로 설정하였다. 몰러‑트럼보레 레이 트레이싱을 활용해 C 커넥터의 유효 워크스페이스 비율(WS)을 정량화하고, A·B 위치에 따른 WSA(전체 워크스페이스 합)와 WSB(비제로 워크스페이스 비율)를 도출했다. 결과적으로 A·B가 자유롭게 배치될 경우 C의 워크스페이스는 구면 면적의 약 35 %에 달해, 기존 모듈보다 현저히 넓은 작업 영역을 제공한다는 점을 확인하였다.

실험 섹션에서는 프로토타입을 제작해 (1) 커넥터 결합·해제, (2) 단일 SLG 구동에 의한 60°~180° 회전, (3) 인접 모듈 마이그레이션 시나리오를 시연하였다. 모든 실험에서 기대한 동작이 재현되었으며, 특히 모듈 간 결합 해제 후 새로운 위치에 재결합하는 과정이 매끄럽게 수행돼, 제안된 메커니즘의 실용성을 입증하였다.

강점으로는 (가) 커넥터 디커플링을 통한 고차원 재구성 자유도 확대, (나) 병렬 메커니즘을 이용한 높은 강성·하중 전달 능력, (다) 체계적인 워크스페이스 수학적 모델링이 있다. 한계점은 (가) 복잡한 SLG 구조로 인한 제작 비용 상승, (나) 현재 4개의 커넥터·6개의 SLG에 국한된 스케일링 문제, (다) 실시간 제어를 위한 고속 센서·피드백 체계가 미비함을 들 수 있다. 향후 연구에서는 모듈 수를 확대한 대규모 집합체, 자동 충돌 회피 알고리즘, 그리고 에너지 효율을 고려한 구동 메커니즘 최적화가 제시된다.

전반적으로 MODUR는 모듈형 로봇 분야에서 고수준 재구성과 저수준 형상 변화를 동시에 구현한 최초의 실험적 증명을 제공하며, 차세대 적응형 로봇 시스템 설계에 중요한 방향성을 제시한다.