KR20120116672A

KR20120116672A - 공벌레를 생체 모방한 정찰 로봇

Info

Publication number: KR20120116672A
Application number: KR1020110034256A
Authority: KR
Inventors: 김수현; 박종원; 김지철; 김영국; 권지훈
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2011-04-13
Filing date: 2011-04-13
Publication date: 2012-10-23
Also published as: KR101254112B1

Abstract

본 발명은 공벌레를 생체 모방한 정찰 로봇에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 생체모방을 통하여 생물체의 특징을 추출하고 이를 응용함으로써, 소형 정찰 로봇이 갖추어야 할 특성 즉 소형 및 경량화, 높은 기동성, 투척 용이성, 높은 험지 주행 성능을 모두 충족시킬 수 있는, 공벌레를 생체 모방한 정찰 로봇을 제공함에 있다. 보다 구체적으로는, 본 발명의 목적은 공벌레의 특성과 유사하게, 단위 몸체 다수 개가 서로 직렬로 연결된 다절 몸체로 이루어져, 보호 모드 시에는 다절 몸체가 말린 형태가 되며 외피가 둥근 형태를 형성하게 되고, 주행 모드 시에는 몸체가 펼쳐져 주행이 이루어지게 되는, 공벌레를 생체 모방한 정찰 로봇을 제공함에 있다.

Description

공벌레를 생체 모방한 정찰 로봇 {Reconnaissance Robot Inspired by Pill Bugs}

본 발명은 공벌레를 생체 모방한 정찰 로봇에 관한 것이다.

현재 군사 기술에 있어서 로봇 공학의 기술적 발달과 더불어 인명의 손실을 최소화할 수 있다는 장점에 기반하여 로봇의 도입 및 활용이 활발해지고 있는 추세에 있다. 군사용 로봇의 활용을 기능적인 측면으로 분류하면 감시 및 정찰, 위험물 탐지, 사격 및 폭파 등으로 나눌 수 있는데, 이 중 미래 전투 체제에서 가장 핵심이 되는 요소는 바로 정찰이다. 정찰은 군사 작전의 방향을 결정하는 가장 중요한 요소이나, 적에게 근접할수록 좋은 결과를 얻을 수 있기 때문에 가장 위험한 임무로 분류된다. 이에 따라 정찰 분야에 있어서의 로봇의 활용을 위한 많은 연구 및 노력이 매우 활발히 이루어지고 있다.

현재 정찰의 무인화는 위에서 내려다보는 특성상 위험에 노출될 우려가 적다는 장점 때문에 특히 항공ㆍ우주 정찰에서 많은 진보가 진행되어 왔다. 구체적으로는 인공위성에서부터 무인 정찰기, 소형 비행체 등 많은 정찰 방법이 현재까지도 지속적으로 개발ㆍ발전되고 있다. 반면, 쉽게 적에게 노출되고 공격받기 쉬운 지상 정찰은 아직까지도 개발의 여지가 많이 남아 있는 분야이다. 특히, 시야가 제한되는 시가지 도시 작전이나 빠르게 전개되는 근접전의 경우 항공ㆍ우주 정찰로는 정보의 수집에 큰 한계가 있기 때문에 지상 정찰 로봇의 필요성이 강하게 제기된다. 이에 따라 현재 지상 정찰 로봇에 대한 이동 메커니즘에서부터 제어, 알고리즘, 신소재에 이르기까지 광범위하게 연구가 이루어지고 있는 실정이다.

지상 정찰 로봇이 갖추어야 할 요건은 다양하다. 임무 수행 시 적에게 발각되지 않도록 은폐ㆍ엄폐 능력이 필요하고, 병사가 짊어지고 다니기에 충분할 만큼 작아야 한다. 또한 작전의 수행을 원활히 하기위하여 빠른 이동성이 확보되어야 하며 충분히 튼튼하고 험지(험한 지형) 극복 성능이 뛰어나야 한다. 이 중에서도 특히, 휴대성과 작전 시 은폐ㆍ엄폐성에 결정적인 영향을 미치기 때문에, 정찰 로봇이 소형화될수록 유리하다는 장점이 있다. 그러나 소형화를 이룩할수록 전투지형에 대해 상대적으로 험지 극복 성능이 나빠지게 되어 탐사 범위가 작아지게 되는 문제점이 또다시 발생하게 된다.

이와 같은 소형 정찰 로봇의 단점을 극복하기 위해서, 로봇이 던져지거나 발사됨으로써 험지를 극복해서 목표 지점까지 직접 투입이 가능한 투척형 소형 로봇에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 이러한 로봇은 지면을 이동하여 목표지점까지 도달하는 지상 로봇과는 다른 형식으로, 목표 지점까지 장애물 회피 및 극복을 해야 하는 어려움 없이 쉽게 도달할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 장점 때문에 현재 투척형 정찰 로봇에 대한 연구 및 개발이 세계 각지에서 활발하게 이루어지고 있는데, 투척형 정찰 로봇의 핵심 연구 분야는 로봇의 소형화와 투척 후 지면과의 충격 흡수, 투척 후의 자세 복귀, 이동 등이 있다.

도 1은 종래의 정찰 로봇들을 도시한 것이다. 도 1을 참조하여 종래에 개발 및 활용되고 있는 정찰 로봇들의 간략한 구성 및 한계점에 대해 설명한다.

도 1(A)는 Recon Scout TX이다. Recon Scout TX는 Recon Robotics사에 의해서 개발된 로봇으로서, 본래 University of Minnesota에서 최초 연구되어 발전된 이 로봇은 상용화되어 현재 Recon Scout IR, TX, Throwbot, Rescue의 4가지 버전이 있다. Scout는 두 개의 휠을 가지는 아령형 구조에 자세 안정화를 위한 꼬리가 달려있는 간단한 구조로 되어 있다. 이처럼 간단힌 구조는 기계적 결함이 발생할 확률이 작으며 전체적인 로봇의 강성을 높일 수 있다. 또한 험지 극복과 관련된 많은 기능을 포기함으로써 경량화에 성공하여 투척에 용이한 질량을 가진다. 하지만 지나치게 간단한 구조에 따라 험지 극복 성능이 급격히 저하된다는 문제점이 있어, Scout는 주로 바닥이 편평한 곳에서만 사용 가능하며 정찰 범위도 제한적이다. 또한 추가적으로 충격 흡수 구조가 없기 때문에 장거리 투척 시 장비의 내구성에 문제가 발생할 수 있다는 단점이 있다.

도 1(B)는 Dragon Runner로서, Carnegie Mellon 대학에서 개발된 이 로봇은 6.4kg 정도의 무게를 가지고 있으며 속도는 9m/s에 이른다. Dragon Runner는 크기에 비해 빠르며 충격에 강인하게 설계가 되어 고속으로 주행하는 자동차에서 떨어뜨리거나 높은 건물 밖으로 던져도 견딜 만큼 튼튼하다. 또한 위ㆍ아래가 대칭인 형태로 제작되기 때문에 어떠한 방향에서도 임무수행이 가능하다. Dragon Runner는 4륜 휠 구조를 가지므로 안정적으로 주행할 수 있으며 외부 충격을 바퀴에서 소산하여 동체로 전달되는 충격을 줄일 수 있다. 반면, 이러한 휠 구동방식은 험지주행 능력에 한계점으로 작용한다. 휠은 구조상 반지름 이상의 높이를 넘을 수 없기 때문에 울퉁불퉁한 지면이 많은 전장에서의 활용에는 제한적일 수밖에 없다.

도 1(C)는 Packbot으로서, 아프가니스탄과 이라크 전쟁에 실전 투입되어 사용되고 있는 로봇이다. 풍부한 실전 경험을 바탕으로 많은 업그레이드가 이루어졌으며 정찰에서 폭발물 탐지에 이르는 다양한 버전이 있다. 트랙형 로봇의 대명사격인 Packbot은 앞쪽에 달린 플리퍼(Flipper)를 사용하여, 주행 중에는 경사진 지형이나 장애물을 극복하고 전복 시에는 자세를 복귀시키게 된다. 2층 이상의 건물 높이의 빌딩에서 떨어뜨렸을 때도 견딜 수 있는 견고한 디자인과 상용 계단도 쉽게 등반하는 등, 험지주행 능력이 탁월하다. 그러나 Packbot의 최대 단점은 그 크기와 무게이다. Packbot의 무게는 20kg이 넘기 때문에 병사 혼자서 휴대하기에는 어려운 면이 있으며, 또한 큰 크기로 인하여 적에게 발각되기가 쉬운 단점이 있다. 더불어 트랙에 의한 소음 역시 발각 가능성을 높이는 요인 중 하나로 지적되고 있다. 또한, 상술한 바와 같이 높은 장애물과 먼 거리를 한 번에 극복하기 위해서는 정찰 로봇이 투척될 수 있도록 하는 것이 유리한데, Packbot의 경우 그 크기와 무게로 인하여 투척하기에는 용이하지 않기 때문에, 정찰 목표까지 대부분의 지형을 장애물 회피를 통해 접근해야 한다는 단점이 있다.

도 1(C)는 EyeBall로서, 이동 메커니즘을 제외된 투척형 감시 시스템이다. EyeBall은 구 형태를 지니고 있어서 한 손으로 잡을 수 있으며 투척 후 내장된 모터로 360° 회전하면서 감시할 수 있다는 장점이 있다. EyeBall은 그 형상적 특징으로 인하여 투척하기에 최적의 형상과 무게를 가지지만, 이동 기능이 없기 때문에 정찰 효과가 극히 제한적이라는 단점이 있다.

	소형 및 경량 정도	속도	투척 용이성	험지 극복성
Scout	○	×	○	×
PackBot	△	△	△	○
Dragon Runner	○	○	○	×
EyeBall	○	없음	○	없음

상기 표 1은 이와 같은 종래의 정찰 로봇들의 장단점을 정리한 것이다. 소형 정찰 로봇으로 갖추어야 할 요건으로는 1. 작고 가벼우며 2. 기동성이 좋아야 하고 3. 던질 수 있는 형태이어야 하며 특히 4. 험지 주행 성능이 우수해야 한다. 그러나 표 1에 정리되어 있는 바와 같이, 종래의 정찰 로봇들은 이와 같은 4가지 요건들 중 일부만 만족하는 것으로 그치고 있어, 이러한 모든 요건을 충족시킬 수 있는 정찰 로봇의 개발 요구가 더욱 높아지고 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 생체모방을 통하여 생물체의 특징을 추출하고 이를 응용함으로써, 소형 정찰 로봇이 갖추어야 할 특성 즉 소형 및 경량화, 높은 기동성, 투척 용이성, 높은 험지 주행 성능을 모두 충족시킬 수 있는, 공벌레를 생체 모방한 정찰 로봇을 제공함에 있다. 보다 구체적으로는, 본 발명의 목적은 공벌레의 특성과 유사하게, 단위 몸체 다수 개가 서로 직렬로 연결된 다절 몸체로 이루어져, 보호 모드 시에는 다절 몸체가 말린 형태가 되며 외피가 둥근 형태를 형성하게 되고, 주행 모드 시에는 몸체가 펼쳐져 주행이 이루어지게 되는, 공벌레를 생체 모방한 정찰 로봇을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 공벌레를 생체 모방한 정찰 로봇은, 정찰 로봇(100)에 있어서, 상기 정찰 로봇(100)이 주행하는 평면을 주행 평면이라 하고, 상기 정찰 로봇(100)의 주행 방향을 x축 방향 또는 전후 방향이라 하고, 주행 평면 상에서 x축 방향과 수직한 방향을 y축 방향 또는 좌우 방향이라 하고, 주행 평면에 대하여 수직한 방향을 z축 방향 또는 상하 방향이라고 할 때, y축 방향으로 회동 가능한 힌지 결합에 의하여 서로 직렬 연결되며 모드 전환 구동부(111)에 의하여 힌지가 회전되도록 형성되는 다수 개의 단위 몸체(110); 상기 단위 몸체(110)들 각각에 구비되어 로봇 주행 구동부(121)에 의하여 구동됨으로써 주행을 수행하는 이동 수단(120); 상기 단위 몸체(110)들이 연결되어 이루어지는 결합체의 상측에 구비되는 외피(130); 상기 모드 전환 구동부(111) 및 상기 로봇 주행 구동부(121)의 동작을 제어하는 제어부(140); 를 포함하여 이루어지며, 보호 모드 시에는, 최전방의 상기 단위 몸체(110)의 전단과 최후방의 상기 단위 몸체(110)의 후단이 만나도록 상기 단위 몸체(110)들의 결합체의 각 힌지가 상기 모드 전환 구동부(111)에 의하여 y축 방향을 중심으로 회전하여 말려진 형태를 형성하고, 상기 외피(130)는 둥근 형태를 형성하며, 주행 모드 시에는, 상기 단위 몸체(110)들이 나란하게 배치되는 형태로 상기 단위 몸체(110)들의 결합체의 각 힌지가 상기 모드 전환 구동부(111)에 의하여 펼쳐져 상기 단위 몸체(110) 각각 모두가 주행 평면에 접촉하여 상기 이동 수단(120)에 의하여 주행이 수행되는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 정찰 로봇(100)은 적어도 3개 이상의 상기 단위 몸체(110)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 또는, 상기 정찰 로봇(100)은 3개의 상기 단위 몸체(110)를 포함하여 이루어지되, 상기 단위 몸체(110) 및 상기 단위 몸체(110)에 구비된 상기 이동 수단(120)을 포함하여 이루어지는 결합체를 모듈(module)이라 칭할 때, 상기 정찰 로봇(100)은 주행 방향의 최전방에 배치되는 머리 모듈(head module, 110a), 상기 머리 모듈(110a)과 연결되는 중간 모듈(middle module, 110b), 상기 중간 모듈(110b)과 연결되어 주행 방향의 최후방에 배치되는 꼬리 모듈(tail module, 110c)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 이동 수단(120)은 허브(hub, 122a) 및 상기 허브(122a)를 중심으로 방사상으로 배치되는 복수 개의 스포크(spoke, 122b)를 포함하여 이루어져 y축 방향을 중심으로 회전하는 휠-레그(wheel-leg)가 상기 단위 몸체(110)의 좌우에 1개씩 한 쌍이 구비되어 형성되는 것을 특징으로 한다. 또는, 상기 이동 수단(120)은 허브(hub, 122a), 상기 허브(122a)를 중심으로 방사상으로 배치되는 복수 개의 스포크(spoke, 122b) 및 상기 스포크(122b)들의 외측 끝단들을 모두 지나는 원주에 포함되는 곡선 형태의 단면을 가지도록 형성되어 그 일측 끝단이 상기 스포크(122b)의 외측 끝단과 연결 구비되는 풋(foot, 122c)을 포함하여 이루어져 y축 방향을 중심으로 회전하는 풋-휠-레그(foot-wheel-leg)가 상기 단위 몸체(110)의 좌우에 1개씩 한 쌍이 구비되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 이동 수단(120)은 상기 허브(121) 1개당 상기 스포크(122b)가 적어도 3개 이상 형성되는 것을 특징으로 한다. 또는, 상기 이동 수단(120)은 상기 허브(121) 1개당 상기 스포크(122b)가 3개 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 이동 수단(120)은 하나의 상기 단위 몸체(110)에 구비된 상기 이동 수단(120)에 대하여 좌우의 상기 스포크(122b)들 간 위상차가 180°로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 이동 수단(120)은 상기 단위 몸체(110)의 총 개수를 n이라 할 때, 각 상기 단위 몸체(110)에 구비된 각 상기 이동 수단(120)에 대하여 전후의 상기 스포크(122b)들 간 위상차가 180/n°로 형성되고, 후→전 순으로 위상 지연이 발생되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 외피(130)는 보호 모드 시 타원구 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 외피(130)는 보호 모드 시 상기 외피(130)가 형성하는 타원구가 y축 방향으로 단축이 배치되는 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 외피(130)는 보호 모드 시 y축 방향에 수직한 방향으로 좌우 양측 일부가 절단된 구 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 외피(130)는 보호 모드 시 형성되는 둥근 형태의 외주면이 다수 개의 조각으로 나뉜 형태로 이루어져 서로 연결되어 이루어지되, 상기 외피(130)를 이루는 조각들이 보호 모드 시 일부가 겹치도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 외피(130)는 보호 모드 시 형성되는 둥근 형태의 외주면이 다수 개의 조각으로 나뉜 형태로 이루어져 서로 연결되어 이루어지되, 상기 단위 몸체(110)와 적어도 2개 이상의 4절 이상의 다절 링크 세트로 연결되어, 주행 모드에서 보호 모드로 전환 시 상기 단위 몸체(110)들이 말리는 동작에 따른 상기 다절 링크 세트들의 수동적 동작에 의하여 상기 외피(130)가 자연히 보호 모드 시의 외주면 형태를 이루도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 정찰 로봇(110)은 다수 개의 상기 단위 몸체(110)에 각각 구비된 상기 이동 수단(120)들이 서로 연계되어 동작하도록, 상기 로봇 주행 구동부(121) 및 상기 이동 수단(120)들이 타이밍 벨트에 의하여 서로 연결되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 로봇 주행 구동부(121)는 상기 단위 몸체(110)들의 좌측에 연결된 상기 이동 수단(120)들이 서로 연계 동작되고, 상기 단위 몸체(110)들의 우측에 연결된 상기 이동 수단(120)들이 서로 연계 동작되도록, 좌측 구동 및 우측 구동 각각을 위하여 1쌍이 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 정찰 로봇(100)은 외부와 신호의 송수신이 가능하도록 형성되는 통신부(112)가 더 구비되는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 제어부(140)는 상기 통신부(112)를 통해 입력받은 제어 신호에 따라 상기 모드 전환 구동부(111) 및 상기 로봇 주행 구동부(121)의 동작을 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 정찰 로봇(100)은 최전방측의 상기 단위 몸체(110)에 주행 평면의 굴곡 상태를 감지하는 센서(113)가 더 구비되는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 제어부(140)는 상기 센서(113)에서 감지된 신호를 이용하여 상기 모드 전환 구동부(111) 및 상기 로봇 주행 구동부(121)의 동작을 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부(140)는 상기 정찰 로봇(110)이 주행함에 따라 주행 평면의 굴곡에 의하여 최전방측의 상기 단위 몸체(110)가 움직임으로써 발생되는 외부 교란 신호(d)를 사용하여 상기 모드 전환 구동부(111)의 동작을 피드백 제어하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 제어부(140)는 SMC(sliding mode control) 기법을 사용하여 피드백 제어를 수행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 공벌레의 생체 모방을 통하여 보호 모드에서는 구 형태를 취하고 있다가 주행 모드에서는 몸체가 펼쳐져서 지면을 따라 휠-레그를 이용하여 이동할 수 있도록 형성됨으로써, 군사 작전에 사용되는 소형 정찰 로봇으로서의 활용도가 극대화될 수 있는 큰 효과가 있다. 즉 종래의 정찰 로봇의 구조에 있어서 구 형태의 구조는 빠른 이동과 충격 흡수에는 용이하지만 험지 극복력이 부족하고, 다관절 구조는 험지 극복력은 탁월하지만 던지기가 어렵다는 상충되는 문제점이 있었으나, 본 발명은 공벌레의 생체 모방을 통하여 상황에 따라 유리한 구조를 취할 수 있도록 함으로써 각 구조가 가지는 장점만을 흡수할 수 있는 효과가 있는 것이다.

보다 구체적으로 상세히 설명하자면 다음과 같다. 첫째, 본 발명의 정찰 로봇은 소형 및 경량화에 의하여 휴대성이 높아 병사들이 휴대하고 이동하기에 매우 용이한 효과가 있다. 둘째, 본 발명의 정찰 로봇은 기동성이 높기 때문에 정찰 목표 지점까지의 빠른 접근이 가능한 효과가 있다. 셋째, 본 발명의 정찰 로봇은 주행 시가 아닐 경우 구 형태를 이루고 있어 투척이 매우 용이하기 때문에, 정찰 목표 지점에 근접한 위치까지 투척하여 이동시킴으로써 더욱 빠른 접근이 가능하게 해 주는 효과가 있다. 넷째, 본 발명의 정찰 로봇은 높은 험지 주행 성능을 가지고 있어 정찰 목표 지점 부근의 지형 등에 제한받지 않고 자유로운 정찰이 가능하게 해 주는 큰 효과가 있다.

도 1은 종래의 정찰 로봇.
도 2는 이상적인 소형 정찰 로봇이 정찰 임무를 수행하는 일련의 과정.
도 3은 본 발명에 의한 공벌레를 생체 모방한 정찰 로봇.
도 4는 다절 몸체를 형성하는 다양한 체인 구조의 예시.
도 5는 휠-레그 및 풋-휠-레그 구조.
도 6은 수직 장애물 극복 시 휠-레그와 풋-휠-레그의 지지점 및 허브의 궤적 비교.
도 7은 휠-레그를 채용한 경우와 풋-휠-레그를 채용한 경우의 다양한 비교 결과 그래프.
도 8은 공벌레의 자세 복귀 동작과 그 동작 모사 시뮬레이션.
도 9는 외피 겹침 정도에 따른 충격 흡수 효과 비교.
도 10은 본 발명의 정찰 로봇의 자세 복귀 시뮬레이션.
도 11은 본 발명의 정찰 로봇의 상세 설계의 한 실시예.
도 12는 본 발명의 정찰 로봇의 머리 모듈 피드백 제어 설명.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 공벌레를 생체 모방한 정찰 로봇을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

앞서 설명한 바와 같이, 이상적인 소형 정찰 로봇이 갖추어야 할 조건으로는 1. 소형 및 경량화가 가능해야 하며, 2. 기동성이 좋아야 하고, 3. 투척이 용이해야 하며, 4. 높은 험지 주행 성능을 가져야 한다. 종래의 소형 정찰 로봇들의 경우, 이러한 조건들을 모두 한꺼번에 만족시킬 수 있는 형태가 없었다. 즉 속도가 빠르고 험지 극복 능력이 좋은 대신 높은 이동 속도 및 험지 극복력을 얻기 위한 구동부들이 복잡하게 형성되어 무게나 부피가 커지게 되었거나, 둥근 형태를 취함으로써 휴대성, 투척성이 뛰어난 대신 자체 이동 능력이 전혀 없다거나 하는 등 각각의 한계점들이 존재해 왔다.

한편, 이러한 소형 로봇의 설계에 있어 자연계의 생체의 동작을 모방함으로써 좋은 성과를 보이는 결과가 많이 얻어져 왔다. 특히 생체 중에서도 곤충은, 딱딱한 외피를 가지며 각부가 관절로 연결되어 움직이는 형태로 되어 있어 기계적으로 그 움직임을 모사하기에 유리하여, 여러 곤충의 생체 특성이 모방되어 로봇 설계에 활용되고 있다. 이 중 공벌레(pill bug)는 생물학적으로 절기동물 등각목 쥐며느리과 갑각류로서, 학명은 Armadillidium Vulgare이다. 공벌레의 생김새는 쥐며느리와 유사하나, 위험 상황 등에서 몸을 둥글게 마는 습성이 있다. 이러한 공벌레의 생체 특성은 상술한 바와 같은 소형 정찰 로봇에 적용될 경우 매우 유리한 효과를 얻을 수 있다. 이에 대하여 이하에서 간략하게 설명한다.

공벌레는 외골격으로서 딱딱한 외피로 몸체가 보호되며, 몸체는 머리와, 7개의 마디로 이루어진 가슴과, 5개의 마디로 이루어진 배로 이루어지는데, 둥글게 말리거나 펼쳐졌을 때 껍데기 간의 간섭을 피하기 위하여 서로 겹쳐질 수 있는 형태로 이루어진다. 상술한 바와 같이 공벌레는 위험 상황 등에서 몸을 둥글게 마는 습성이 있는데, 정찰 로봇에 공벌레의 몸이 둥글게 말리는 구조를 적용할 경우 소형화를 추구하기에 매우 유리하고, 또한 둥근 형태일 때 투척하기가 용이하며, 휴대성 또한 뛰어나질 수 있게 된다.

공벌레의 머리에는 더듬이가 구비되어 더듬이로 주변 지형을 관측하는데, 장애물의 유무와 경사도를 파악하여 장애물이 있거나 경사가 심할 경우 머리를 위로 드는 동작을 취하고, 그렇지 않은 경우 머리를 지면에 가깝게 낮추는 동작을 취한다. 머리 뒤에 따라오는 체절들은 머리가 지나갔던 부분을 수동적으로 따라가게 된다. 이와 같은 동작 특성을 정찰 로봇에 적용할 경우, 지형에 따른 머리 동작의 제어 동작만을 수행하고 나머지 몸체는 이를 따라가도록 하는 매우 간단한 제어 로직만으로도 쉽게 높은 험지 극복 능력을 얻을 수 있는 유리함이 있다.

공벌레의 다리는 가슴 각 마디에 1쌍씩 총 7쌍이 구비되어 있으며, 한 체절 내의 좌우 다리 위상차는 180°이고, 인접한 다리의 위상차는 뒤에서 앞 방향으로 형성된다. 지네, 노래기, 그리마 등과 같은 여러 다족 절지동물의 경우 다리의 개수와 길이 등에 따라 동작 특성이 달라지는데, 공벌레의 경우 다족 절지동물 중에서도 다리의 개수가 적고 길이가 짧은 편에 속한다. 실제로 다족 절지동물을 모사함에 있어, 이동 수단으로서 실제 다족 절지동물의 다리와 같은 구조를 적용할 경우 그 동작 제어가 지나치게 복잡해지는 바, 실제로는 바퀴나 무한궤도 등과 같은 구현하기 용이한 구조로서 구현하게 되는 경우가 많으며, 이러한 관점에서 다리의 개수가 적고 길이가 짧은 공벌레의 다리는 오히려 모사하기에는 유리한 측면이 있다. 더불어, 공벌레의 다리 움직임 패턴을 이동 수단의 동작 제어에 적용함으로써 안정성있는 이동 동작을 구현할 수 있다.

소형 정찰 로봇의 주 임무는 적에게 발견되지 않고 목표 지점에 빠르게 접근하여 정찰을 수행하는 것이다. 이러한 소형 정찰 로봇이 가지면 좋을 조건들은 앞서 설명한 바와 같다. 이러한 조건들을 모두 만족시키는, 가장 바람직한 소형 정찰 로봇이 정찰을 하기 위한 일련의 과정은 도 2에 도시되어 있는 바와 같다. 도 2에 도시되어 있는 각 단계(투척, 착지, 임무자세 확보, 목표지점 이동)에 유리한 각 조건들은, 위에서 설명한 바와 같이 공벌레의 생체 특성으로부터 대부분 발견된다. 이에 본 발명에서는 공벌레의 생체 특성을 모방한 정찰 로봇의 구성을 제시하는 것이다.

도 3은 본 발명에 의한 공벌레를 생체 모방한 정찰 로봇을 도시한 것이다. 본 발명의 정찰 로봇(100)의 구성을 보다 명확히 설명하기 위하여 먼저 좌표계를 설명하자면 다음과 같다. 이하에서, 상기 정찰 로봇(100)이 주행하는 평면을 주행 평면이라 하고, 상기 정찰 로봇(100)의 주행 방향을 x축 방향 또는 전후 방향이라 하고, 주행 평면 상에서 x축 방향과 수직한 방향을 y축 방향 또는 좌우 방향이라 하고, 주행 평면에 대하여 수직한 방향을 z축 방향 또는 상하 방향이라고 한다. 즉 이하에서 전방 또는 후방이라는 용어는 x축 방향을 기준으로 한 상대적 위치를 의미하는 것이며, 나머지도 마찬가지이다.

이 때, 본 발명의 정찰 로봇은 서로 직렬로 연결되어 다절 몸체를 이루는 다수 개의 단위 몸체(110)와, 상기 단위 몸체(110) 각각에 구비되는 이동 수단(120)과, 외피(130)와, 제어부(140)를 포함하여 이루어진다.

상기 단위 몸체(110)는 공벌레의 각 마디를 모사한 것으로, 다수 개의 상기 단위 몸체(110)들이 직렬 연결되어 다절 몸체를 형성함으로써 공벌레의 몸체를 모사할 수 있게 된다. 보다 구체적으로 설명하자면, 다수 개의 상기 단위 몸체(110)들은 y축 방향으로 회동 가능한 힌지 결합에 의하여 서로 직렬 연결되며, 모드 전환 구동부(111)에 의하여 힌지가 회전되도록 형성된다. 상기 모드 전환 구동부(111)는 공벌레가 몸을 말거나 펴는 동작 또는 머리를 드는 동작의 모사 동작을 수행할 수 있도록 구비되는 것으로, 모터 등으로 구현될 수 있다.

상기 이동 수단(120)은 공벌레의 각 마디에 구비되는 다리를 모사한 것이다. 즉 구체적으로는, 상기 단위 몸체(110)들 각각에 구비되어 로봇 주행 구동부(121)에 의하여 구동됨으로써 주행을 수행한다. 상기 로봇 주행 구동부(121)는 상기 이동 수단(120)의 형태에 따라 그 형태의 이동 수단을 능동 동작시킬 수 있는 액추에이터라면 어떤 형태로 형성되어도 무방한데, 예를 들어 상기 이동 수단(120)이 바퀴 형태로 구현된다면 상기 로봇 주행 구동부(121)는 모터로 구현될 수 있다.

상기 외피(130)는 공벌레의 몸체 외형을 모사한 것인데, 공벌레의 경우 각 마디 자체가 둥근 외피 형상을 띠고 있으나, 상기 단위 몸체(110) 각각이 둥근 외피 형상을 가지도록 제작할 경우 단위 몸체마다 형상을 달리 해야 하는 등 설계상 어려움이 따르며, 또한 (이후 보다 상세히 설명하겠지만) 보호 모드(도 3(B)) - 주행 모드(도 3(A)) 간 전환 시에 자연스러운 전환이 이루어질 수 있는 외형을 가지도록 하기 위한 설계는 더더욱 난해해지는 문제점이 있다. 또한 단위 몸체와 외피가 일체형으로 될 경우 (역시 이후 보다 상세히 설명하겠지만) 충격 흡수 등의 효과가 떨어지게 될 우려가 있어, 본 발명에서는 상기 단위 몸체(110)와 상기 외피(130)가 분리되어 구현되도록 하였다. 상기 외피(130)의 구성을 구체적으로 설명하자면, 상기 단위 몸체(110)들이 연결되어 이루어지는 결합체의 상측에 구비되게 된다.

상기 제어부(140)는 위에서 설명한 구성요소들 중에서 실제 능동적 작동을 수행하는 요소들, 즉 상기 모드 전환 구동부(111) 및 상기 로봇 주행 구동부(121)의 동작을 제어한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 정찰 로봇(100)은, 공벌레가 몸을 말거나 펴는 동작을 수행하는 것을 모사하여, 보호 모드(도 3(B)) 및 주행 모드(도 3(A)), 이 두 가지 모드를 가진다. 보호 모드 시에는, 상기 정찰 로봇(100)은 공벌레가 몸을 말아 둥글게 만드는 동작을 모사하여 도 3(B)에 도시되어 있는 바와 같이, 최전방의 상기 단위 몸체(110)의 전단과 최후방의 상기 단위 몸체(110)의 후단이 만나도록 상기 단위 몸체(110)들의 결합체의 각 힌지가 상기 모드 전환 구동부(111)에 의하여 y축 방향을 중심으로 회전하여 말려진 형태를 형성하고, 상기 외피(130)는 둥근 형태를 형성하게 된다. 주행 모드 시에는, 상기 정찰 로봇(100)은 공벌레가 몸을 펴고 지면에 밀착하여 기어가는 동작을 모사하여 도 3(A)에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 단위 몸체(110)들이 나란하게 배치되는 형태로 상기 단위 몸체(110)들의 결합체의 각 힌지가 상기 모드 전환 구동부(111)에 의하여 펼쳐져 상기 단위 몸체(110) 각각 모두가 주행 평면에 접촉하여 상기 이동 수단(120)에 의하여 주행이 수행되게 된다.

이하에서는 각부의 보다 세부적인 구성에 대하여 보다 상세히 설명한다.

먼저 상기 단위 몸체(110)의 구성에 대하여 설명한다. 상술한 바와 같이 상기 단위 몸체(110)는 다수 개가 서로 직렬로 연결되도록 형성되어, 공벌레의 다수 개의 마디로 이루어진 몸체를 모사할 수 있게 되어 있다. 다만 상기 정찰 로봇(100)은 몸체 전체가 말려서 둥근 형태를 형성할 수 있어야 하므로, 상기 정찰 로봇(100)은 일단 적어도 3개 이상의 상기 단위 몸체(110)를 포함하여 이루어져야 함은 당연하다. 실제 공벌레는 7개의 마디를 가지고 있는데, 이를 그대로 모사하여 상기 단위 몸체(110) 역시 7개가 되도록 설계할 수도 있겠으나, 여기에는 여러 설계 상의 난해함과 불리함이 따르게 된다.

보다 상세히 설명하자면 다음과 같다. 직렬로 연결되어 있으면서 둥글게 말 수 있는 구조 중 가장 구현하기 쉬운 구조로는, 도 4에 도시되어 있는 바와 같은 다각형 체인 구조가 있다. 이 때, 단위 체인, 즉 단위 몸체의 개수가 많아질수록 보다 유연한 형상을 띨 수는 있겠으나, 말려진 상태에서는 내부 공간의 활용이 불가능하기 때문에 전체적인 크기가 증가하게 된다는 단점이 있다. 뿐만 아니라, 몇 개의 단위 몸체로 이루어지든 완성된 정찰 로봇의 부피 및 질량이 동일하다고 할 때, 단위 몸체의 개수가 늘어날수록 각 단위 몸체의 부피 및 질량은 작아져야 하기 때문에 부품 크기의 제약에 따라 제작이 어려워진다. 더불어 추가되는 단위 몸체의 개수만큼 조인트가 늘어나며, 액추에이터의 개수도 늘어나는 등 시스템이 복잡해지게 된다.

이러한 설계 상의 문제 뿐만 아니라, 구조적 안정성의 문제 또한 고려되어야 한다. 도 4에 도시된 바와 같이 체인 구조로 된 구조물이 다각형을 이루게 되는 경우, n각형일 때의 자유도는 n-3이 된다. 즉 삼각형일 경우에는 구조물의 형태를 외력으로부터 유지하기 위한 추가적인 액추에이터가 전혀 필요하지 않다는, 다시 말해 구조적으로 가장 안정적이라는 장점이 있다. 따라서, 상기 정찰 로봇(100)은 3개의 상기 단위 몸체(110)를 포함하여 이루어지도록 하는 것이 가장 바람직하다. 이를 보다 상세하고 구체적으로 묘사하자면, 상기 단위 몸체(110) 및 상기 단위 몸체(110)에 구비된 상기 이동 수단(120)을 포함하여 이루어지는 결합체를 모듈(module)이라 칭할 때, 상기 정찰 로봇(100)은 주행 방향의 최전방에 배치되는 머리 모듈(head module, 110a), 상기 머리 모듈(110a)과 연결되는 중간 모듈(middle module, 110b), 상기 중간 모듈(110b)과 연결되어 주행 방향의 최후방에 배치되는 꼬리 모듈(tail module, 110c)을 포함하여 이루어지게 된다. 본 발명의 실시예는 이와 같이 머리 모듈(110a), 중간 모듈(110b), 꼬리 모듈(110c)로 이루어진 정찰 로봇(100)을 나타내고 있으며, 따라서 이하에서 특별한 설명이 없다면 본 발명의 정찰 로봇(100)은 바로 이와 같이 머리 모듈(110a), 중간 모듈(110b), 꼬리 모듈(110c) 이 3개의 모듈로 이루어진 정찰 로봇을 말하는 것으로 이해하면 된다.

물론 본 발명의 정찰 로봇(100)을 구현함에 있어 반드시 상기 단위 몸체(110)가 3개인 것으로 한정되는 것은 아니며, 보다 유연한 몸체의 움직임이 요구되거나 또는 다른 요구에 의하여 상기 단위 몸체(110)의 개수가 더 많도록 상기 정찰 로봇(100)이 구현되도록 한다 해도 이러한 구성은 역시 본 발명의 기술사상의 범위 내에 있음을 명시하여 둔다.

상기 이동 수단(120)에 대하여 보다 상세히 설명하자면 다음과 같다. 일반적으로 지상 로봇의 이동 수단은 다수의 관절로 된 다리(leg) 또는 바퀴(wheel)가 일반적으로 사용된다. 다리는 험지를 비롯한 불균일 지형에 잘 적응할 수 있고 장애물 극복 능력도 탁월하여 다양한 상황에서 적용 가능하다는 장점이 있는 반면, 많은 기계적 장치로 인한 효율 저하, 불필요한 진동의 발생, 제어의 어려움 등과 같은 여러 단점이 있다. 바퀴 구동은 가장 많이 쓰이는 형태로써 에너지 효율이 좋고 고속 주행이 가능하며 진동이 작고 구조가 간단하다는 장점을 지니는 반면, 바퀴의 크기에 비해 장애물 극복성이 저조하고 구동 가능한 지형도 제한적이라는 단점이 있다.

휠-레그(wheel-leg, 바퀴형 다리)는 바퀴와 다리 구동의 중간적 특성을 갖는다. 휠-레그는 그 구조가 간단하며 효율도 좋고 제어도 바퀴처럼 간단히 할 수 있으며 장애물 극복성도 좋다. 이에 따라 본 발명의 정찰 로봇(100)에서의 상기 이동 수단(120)은 휠-레그로 구현되는 것이 바람직하다. 보다 구체적으로 설명하자면, 상기 이동 수단(120)은 y축 방향을 중심으로 회전하는 휠-레그(wheel-leg)가 상기 단위 몸체(110)의 좌우에 1개씩 한 쌍이 구비되어 형성되도록 할 수 있다.

휠-레그 형태에 대하여 보다 상세히 설명하자면 다음과 같다. 휠-레그는 허브(hub, 122a) 및 상기 허브(122a)를 중심으로 방사상으로 배치되는 복수 개의 스포크(spoke, 122b)를 포함하여 이루어지는데(이하의 도 5(B) 좌측 도면 참조), 휠-레그에 있어서 가장 큰 설계 변수는 바로 이 스포크의 개수로서 이는 주행 성능에 가장 큰 영향을 끼친다. 가장 먼저 고려되어야 할 것은 어떤 휠-레그의 동작 시 그 휠-레그가 구비되어 있는 몸체의 배가 땅에 닿지 않도록 해야 한다는 것이다(high centering). 이론적인 분석 결과에 따르면 하이-센터링을 피하기 위해서는 스포크의 개수가 최소한 3개 이상이어야 한다는 결론을 얻을 수 있다. 이러한 이론적 분석에 따라 상기 이동 수단(120)은 상기 허브(121) 1개당 상기 레그(122b)가 적어도 3개 이상 형성되는 것이 바람직하다.

더불어 고려되어야 할 것은 수직 장애물에 대한 극복성 문제이다. 스포크의 개수는 휠-레그가 한 번에 도달 가능한 최대 수직 높이와 관계가 있는데, 이론적인 분석 결과에 따르면 다리의 길이가 길고 스포크의 개수가 작을수록 수직 극복성이 좋아진다는 결론이 나온다. 위의 두 결과를 조합하여 볼 때, 하이-센터링을 피하기 위해서는 스포크의 개수가 3개 이상이어야 하고, 수직 극복성이 좋아지려면 스포크의 개수가 적을수록 좋으므로, 상기 이동 수단(120)은 상기 허브(121) 1개당 상기 레그(122b)가 3개 형성되는 것이 가장 바람직하다.

물론 상기 이동 수단(120)이 휠-레그 형태로 제한되는 것은 아니며, 이보다 좀더 발전된 형태를 채용할 수도 있다. 실제 공벌레의 다리는 도 5(A)의 좌측과 같은 형태를 가지고 있는데, 본 발명에서는 이를 모사한, 즉 휠-레그의 끝단에 풋이 연결 구비되어 있는 형태의 풋-휠-레그를 제시한다. 도 5(B)의 좌측에는 일반적인 휠-레그가, 도 5(B)의 우측에는 본 발명에서 제시하는 풋-휠-레그가 도시되어 있다. 즉 본 발명에서, 상기 이동 수단(120)은 y축 방향을 중심으로 회전하는 풋-휠-레그(foot-wheel-leg)가 상기 단위 몸체(110)의 좌우에 1개씩 한 쌍이 구비되어 형성되도록 하는 것이 더욱 바람직하다. 풋-휠-레그의 구조를 보다 상세히 설명하자면, 풋-휠-레그는 허브(hub, 122a), 상기 허브(122a)를 중심으로 방사상으로 배치되는 복수 개의 레그(leg, 122b) 및 상기 레그(122b)들의 외측 끝단들을 모두 지나는 원주에 포함되는 곡선 형태의 단면을 가지도록 형성되어 그 일측 끝단이 상기 레그(122b)의 외측 끝단과 연결 구비되는 풋(foot, 122c)을 포함하여 이루어진다.

이와 같이 풋-휠-레그 구조를 도입할 경우, 휠-레그 구조와 비교하였을 때 상기 풋(122c)에 의하여 안정성이 훨씬 높아지는 장점이 있다. 도 6은 수직 장애물 극복 시 휠-레그와 풋-휠-레그의 지지점 및 허브의 궤적을 비교하여 도시한 것이며, 도 7은 다른 모든 조건을 동일하게 하고 상기 이동 수단(120)으로서 휠-레그를 채용한 경우와 풋-휠-레그를 채용한 경우의 다양한 비교 결과 그래프이다. 도 7에서 파란색 그래프는 휠-레그의 결과를, 빨간색 그래프는 풋-휠-레그의 결과를 나타내는데, 도 7의 다양한 결과 그래프들의 비교만 보아도 빨간색 그래프로 나타나는 풋-휠-레그를 채용할 경우 다양한 인자에 대해서 훨씬 안정적인 결과가 나타남을 알 수 있다.

위에서는 상기 이동 수단(120)의 형태적 구성에 대한 측면을 살펴보았으며, 이제 상기 이동 수단(120)의 동작에 대한 측면을 살펴보기로 한다. 공벌레는 다수 쌍의 다리를 교대로 지면에 접촉하도록 함으로써 몸체의 안정성을 유지하면서 지면 위를 이동하게 된다. 이러한 공벌레의 다리 움직임은, 앞서 설명한 바와 같이 좌우가 180° 위상차를 가지며, 뒤에서 앞쪽으로 진행되는 패턴으로 움직인다.

본 발명의 정찰 로봇(100)에서도, 상기 이동 수단(120)의 움직임에 있어서 이러한 공벌레의 다리 움직임을 모사함으로써 안정성을 얻고자 한다. 도 3에 도시된 바와 같이 3개의 단위 몸체(110) 및 3쌍의 이동 수단(120)이 구비되도록 한 실시예에서는, 하기의 표 2에 나타나 있는 바와 같이 공벌레의 다리 움직임을 모사하도록 구현하였다.

	공벌레	정찰 로봇
보행 형태	다리	휠-레그 또는 풋-휠-레그
다리의 수	7쌍	3쌍
좌우 다리 위상차	180°	180°
전후 다리 위상차	7→6→…→1 순으로 위상 지연	후→전 순으로 60° 위상 지연

이를 보다 일반화하여 말하자면 다음과 같다. 본 발명의 정찰 로봇(100)에서, 공벌레의 좌우 다리 위상차가 180°인 것을 모사하여, 상기 이동 수단(120)은 하나의 상기 단위 몸체(110)에 구비된 상기 이동 수단(120)에 대하여 좌우의 상기 스포크(122b)들 간 위상차가 180°로 형성되도록 한다. 또한, 공벌레의 전후 다리 위상차가 뒤에서부터 앞으로 순차적으로 위상 지연이 발생되는 것을 모사하여, 상기 이동 수단(120)은 상기 단위 몸체(110)의 총 개수를 n이라 할 때, 각 상기 단위 몸체(110)에 구비된 각 상기 이동 수단(120)에 대하여 전후의 상기 스포크(122b)들 간 위상차가 180/n°로 형성되고, 후→전 순으로 위상 지연이 발생되도록 형성되도록 한다.

상기 외피(130)에 대하여 상세히 설명한다. 상술한 바와 같이 상기 외피(130)는 공벌레의 둥근 외형 형태, 특히 몸을 말았을 때 공 모양이 형성되는 형태를 모사하기 위한 것이다. 이 때, 공벌레의 경우에는 본 발명의 정찰 로봇(100)에서의 상기 단위 몸체(110)에 해당하는 몸의 마디 자체가 둥근 형태를 띠고 있다. 이를 똑같이 모사하여 상기 단위 몸체(110) 자체가 둥근 형태의 외형을 가지도록 설계할 수도 있겠으나, 이렇게 설계하기 위해서는 상기 단위 몸체(110)의 외형 형태가 복잡해져서 제작이 난해할 뿐만 아니라, 내부의 전자 부품 등을 보호하는 효과가 떨어지게 될 수 있다. 이에 따라 상기 단위 몸체(110)는 단순한 외형을 가지도록 설계하고, 공벌레의 둥근 외형을 모사할 수 있는 상기 외피(130)가 상기 단위 몸체(110)에 별도로 부착 구비되도록 하는 것이 더욱 유리한 바, 본 발명에서는 상기 외피(130)를 상기 단위 몸체(110)와 독립적인 부품으로서 설계하였다.

공벌레는 위험 상황에서 몸을 보호하기 위해서 몸을 둥글게 말기도 하지만, 자세 복귀를 위하여 몸을 말기도 한다. 도 8은 공벌레의 자세 복귀 동작과, 그 동작을 모사한 시뮬레이션을 각각 (A), (B)로 도시하고 있다. 도 8(A)에 도시되어 있는 바와 같이, 몸이 뒤집힌 공벌레는 먼저 도 8(A)의 맨 위에서와 같이 몸을 둥글게 만다. 이 때, 공벌레의 몸은 완전한 구형이 아니며 좌우가 좁은 형태로 되어 있다. 따라서 이와 같이 몸을 둥글게 말면, 자연스럽게 옆쪽으로 몸이 눕혀지게 된다. 이 상태에서 공벌레는 몸을 펼치면서 다리를 꺼내는데, 이 과정에서 공벌레의 몸 위쪽이 둥근 형태를 띠고 있음으로써 자연스럽게 무게중심이 쏠리는 쪽, 결론적으로는 다리가 붙어 있는 쪽이 지면을 향해 쏠리게 된다. 이와 같이 공벌레는 형상적으로 무게중심을 이용하여 다리가 붙어 있는 쪽이 지면을 쏠리도록 함과 동시에 지면과의 마찰력을 이용하여 몸을 더 회전시키고, 최종적으로는 지면에 다리가 접촉하는 정상 자세로 복귀할 수 있게 된다. 도 8(B)에는 3개의 부분으로 된 둥근 외형을 이용하여 이와 유사한 동작을 시뮬레이션한 결과를 도시하고 있다.

상기 외피(130)는 물론 내부 부품의 보호와 휴대성을 높이기 위한 등의 여러 목적이 있으나, 이러한 공벌레의 자세 복귀 동작 특성을 본 발명의 정찰 로봇(100)에 도입할 수 있도록 하면 더욱 좋다. 일단, 상기 외피(130)는 보호 모드 시 타원구 형태로 형성되도록 할 수 있는데, 이 경우 상기 외피(130)는 보호 모드 시 상기 외피(130)가 형성하는 타원구가 y축 방향으로 단축이 배치되는 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 또는, 상기 외피(130)는 보호 모드 시 y축 방향에 수직한 방향으로 좌우 양측 일부가 절단된 구 형태로 형성되도록 할 수도 있다. 이러한 형태는 공벌레가 몸을 말았을 때 좌우가 눌려 있는 둥그스름한 형태를 띠고 있는 것을 모사한 것으로, 외피가 이와 같은 형상을 가지게 되면 상술한 바와 같이 그 형태에 의하여 용이하게 자세 복귀를 할 수 있게 되는 장점을 얻는다.

도 9는 외피 겹침 정도에 따른 충격 흡수 효과를 비교한 결과를 정리하여 도시한 것이다. 실제 공벌레의 경우 몸을 말거나 펼칠 때 외피의 간섭이 일어나지 않도록 서로 겹치는 구조로 되어 있다. 이와 같이 겹치는 구조는 또한 충격 흡수 효과를 높이는 데 도움이 된다. 도 9(A)에 도시되어 있는 바와 같이, Type 1은 겹쳐지지 않는 구조로, Type 2는 겹쳐지는 구조로 설계하고, 이를 떨어뜨리는 시뮬레이션을 수행하였다. 이 때, 도 9(B)에 도시되어 있는 바와 같이 외피가 서로 겹치는 형태로 만들어지는 Type 2의 경우, 되튀어오르는 높이(수직 방향 변위)는 더 높게 나타나는 반면 수직 방향으로의 가속도의 최대값은 Type 1보다 적게 나타나, 충격 흡수 효과가 더 큼을 알 수 있다. 이에 따라 본 발명에서 상기 정찰 로봇(100)의 외피(130)는, 보호 모드 시 형성되는 둥근 형태의 외주면이 다수 개의 조각으로 나뉜 형태로 이루어져 서로 연결되어 이루어지되, 상기 외피(130)를 이루는 조각들이 보호 모드 시 일부가 겹치도록 형성되는 것이 바람직하다.

외피 설계에 있어 또한 고려해야 할 점은 다음과 같은 것이 있다. 이러한 상기 외피(130)를 실제 구현함에 있어 둥그스름한 최적의 외형을 설계하는 것도 물론 어렵지만, 상기 외피(130)가 보호 모드일 때 자연스럽게 타원구 등과 같이 원래 설정한 형태를 완전히 이루도록 하고, 주행 모드일 때는 주행에 방해되지 않도록 자연스럽게 펼쳐질 수 있어야 한다는 조건을 만족시키도록 상기 외피(130)의 형태 및 상기 단위 몸체(110)와의 연결 형태 등을 설계하는 데에도 어려움이 따른다. 특히, 상기 외피(130)가 둥근 형상을 완성하거나 펼쳐지는 동작을 함에 있어, 별도의 액추에이터가 구비되도록 한다거나 하는 경우 제작 비용이 상승할 뿐만 아니라 설치되어야 하는 부품 개수가 많아지는 문제점, 로봇의 부피 및 질량이 커지게 되는 문제점 등이 따른다. 이러한 문제점을 해소하면서 상기 외피(130)의 펼침 및 접힘 동작이 쉽게 이루어질 수 있도록, 본 발명에서는 도 3(C)에 도시된 바와 같은 4절 링크를 이용하여 외피가 상기 단위 몸체(110)에 연결되도록 하였다. 구체적으로 설명하자면, 상기 외피(130)는 보호 모드 시 형성되는 둥근 형태의 외주면이 다수 개의 조각으로 나뉜 형태로 이루어져 서로 연결되어 이루어지되, 상기 단위 몸체(110)와 적어도 2개 이상의 4절 이상의 다절 링크 세트로 연결되어, 주행 모드에서 보호 모드로 전환 시 상기 단위 몸체(110)들이 말리는 동작에 따른 상기 다절 링크 세트들의 수동적 동작에 의하여 상기 외피(130)가 자연히 보호 모드 시의 외주면 형태를 이루도록 형성되도록 하고 있다. (도 3(C)의 실시예에서는 4절 링크를 사용하였다.) 이와 같이 함으로써 상기 외피(130)가 보호 모드 시에는 타원구 등과 같은 둥근 외주면을 갖는 형태를 이루고 있다가, 주행 모드 시에는 별도의 동력원 등을 요구하지 않고 자연스럽게 펼쳐져 상기 단위 몸체(110)의 상부에 배치되어 있는 형태를 이룰 수 있게 된다.

도 10은 이와 같이 설계된 상기 외피(130)를 가지는 본 발명의 정찰 로봇(100)이 자세 복귀를 수행하는 과정의 시뮬레이션을 도시하고 있다. 도 10(A)에는 뒤집혀 있을 때의 자세 복귀를, 도 10(B)에서는 보호 모드 상태에서 투척되었을 때 자세 복귀를 각각 도시하고 있다.

더불어, 본 발명의 주행 로봇(100)에 있어서의 보다 세부적인 설계에 대하여 설명한다. 도 11은 본 발명의 정찰 로봇의 상세 설계의 한 실시예이다. 도 11의 실시예에서, 상기 정찰 로봇(100)은 3개의 단위 몸체(110), 즉 머리 모듈(110a), 중간 모듈(110b), 꼬리 모듈(110c)로 이루어진 형태로 되어 있다. 이 때 본 발명의 정찰 로봇(100)의 특징적인 동작인 다절 몸체를 말 수 있도록 하는 동작을 수행할 수 있으려면, 실질적으로 머리 모듈(110a)과 꼬리 모듈(110c)을 말기만 하면 된다. 이에 따라 상기 모드 전환 구동부(111)는 서보 모터 등과 같은 형태로 구현되어 상기 중간 모듈(110b)에 구비되도록 설계할 수 있다.

또한, 앞서 설명한 바와 같은 상기 이동 수단(120)의 움직임을 구현하기 위하여 도 11과 같이 로봇 주행 구동부(121)를 설계할 수 있다. 공벌레의 다리 움직임을 모사하는 상기 이동 수단(120)의 움직임을 간략히 설명하자면, 상기 이동 수단(120)이 휠-레그(또는 풋-휠-레그)로 만들어지되, 좌우 위상차는 180°, 전후 위상차는 후→전 순으로 위상 지연이 발생되도록 180/n°(즉 이 경우에는 60°)가 되도록 한다는 것이다. 이를 최소의 구동부를 이용하여 구현하기 위해서, 도 11에 도시된 실시예에서와 같이, 상기 정찰 로봇(110)은 다수 개의 상기 단위 몸체(110)에 각각 구비된 상기 이동 수단(120)들이 서로 연계되어 동작하도록, 상기 로봇 주행 구동부(121) 및 상기 이동 수단(120)들이 타이밍 벨트에 의하여 서로 연결되도록 형성되도록 할 수 있다. DC 모터 등으로 구현될 수 있는 상기 로봇 주행 구동부(121)에 기어와 타이밍 벨트를 적절히 설계하여 연결함으로써, 상기 이동 수단(120)들의 위상차를 쉽게 구현할 수 있는 것이다.

더불어 좌우 위상차를 구현하기 쉽도록, 상기 로봇 주행 구동부(121)는 좌우 각각을 한 세트로 구동시키도록 하는 것이 바람직하다. 즉 상기 로봇 주행 구동부(121)는 상기 단위 몸체(110)들의 좌측에 연결된 상기 이동 수단(120)들이 서로 연계 동작되고, 상기 단위 몸체(110)들의 우측에 연결된 상기 이동 수단(120)들이 서로 연계 동작되도록, 좌측 구동 및 우측 구동 각각을 위하여 1쌍이 구비되도록 하는 것이다. 이와 같이 함으로써 최소한의 구동 부품만을 이용하여 본 발명의 정찰 로봇(100)이 가져야 하는 동작 특성을 모두 구현할 수 있게 된다.

마지막으로, 본 발명의 정찰 로봇(100)의 제어에 관하여 설명한다. 각 세부 부품의 도면부호는 역시 도 11을 참조한다.

앞서 설명한 바와 같이, 공벌레는 머리에 달려 있는 더듬이를 이용하여 전방에 장애물이 있는지 또는 경사도가 얼마인지를 확인하고, 장애물이나 경사가 없는 경우 머리를 지면에 가까이 한 상태로 주행을 계속한다. 장애물이 있거나 경사가 있는 경우, 공벌레는 머리를 높이 들어 장애물 위로 기어 올라가는데, 몸의 나머지 체절들은 머리의 움직임을 수동적으로 따라가기만 하면 쉽게 주행이 이루어지게 된다.

본 발명의 정찰 로봇(100)에서, 상기 모드 전환 구동부(111)를 이용하여 머리 모듈(110a) 또는 최전방에 배치된 단위 몸체(110)를 들어올릴 수 있도록 하면 이와 같은 동작을 쉽게 모사할 수 있다. 이 때, 상기 제어부(140)가 머리를 들어야 되는지(즉 장애물이나 경사가 있는지)의 여부는, 외부의 조종자가 판단하여 신호를 주도록 할 수도 있고, 또는 스스로 감지하여 판단하게 할 수도 있다.

외부의 조종자가 제어 신호를 보내어 제어하도록 할 경우에는, 일단 상기 정찰 로봇(100)은 외부와 신호의 송수신이 가능하도록 형성되는 통신부(112)가 더 구비되어야 한다. 이러한 통신부(112)가 구비되면 이제 외부로부터 제어 신호를 송신받을 수 있으며, 상기 제어부(140)는 상기 통신부(112)를 통해 입력받은 제어 신호에 따라 상기 모드 전환 구동부(111) 및 상기 로봇 주행 구동부(121)의 동작을 제어할 수 있다.

또는 스스로 감지하여 판단함으로써 제어하게 할 경우에는, 상기 정찰 로봇(100)에는 지면 상황을 감지할 수 있는 수단이 구비되어 있어야 한다. 즉 이 경우 상기 정찰 로봇(100)은 최전방측의 상기 단위 몸체(110)에 주행 평면의 굴곡 상태를 감지하는 센서(113)가 더 구비된다. 상기 센서(113)는 시각 센서로 구성될 수도 있고, 또는 경사를 측정할 수 있는 형태의 센서일 수도 있는 등, 주행 평면의 굴곡 상태, 즉 전방에 장애물이나 경사가 있는지의 여부를 파악할 수 있는 형태라면, 사용자의 설계에 따라 어떤 것이 채용되어도 무방하다. 이와 같이 상기 센서(113)가 구비되면, 상기 제어부(140)는 상기 센서(113)에서 감지된 신호를 이용하여 상기 모드 전환 구동부(111) 및 상기 로봇 주행 구동부(121)의 동작을 제어하게 된다.

이와 같이 주행 평면이 평평한 평면이 아닌 경우를 상정할 때, 주행 시 발생되는 진동 때문에 교란이 발생하여 오동작이 발생하는 문제를 피하기 위하여, 본 발명에서는 상기 제어부(140)에 의하여 머리 모듈(110a) 또는 최전방에 배치된 단위 몸체(110)의 움직임이 피드백 제어되도록 한다. 구체적으로 설명하자면, 상기 제어부(140)는 상기 정찰 로봇(110)이 주행함에 따라 주행 평면의 굴곡에 의하여 최전방측의 상기 단위 몸체(110)가 움직임으로써 발생되는 외부 교란 신호(d)를 사용하여 상기 모드 전환 구동부(111)의 동작을 피드백 제어하는 것이다. 이러한 피드백 제어에 있어서, 가장 기초적인 피드백 제어 기법은 PID 제어 기법이나, 보다 제어 효과를 높일 수 있도록 상기 제어부(140)는 SMC(sliding mode control) 기법을 사용하여 피드백 제어를 수행하는 것이 더욱 바람직하다. SMC 기법은 응답 속도가 빠르고, 외란에 강하며, 세팅 시간이 짧고, 오버슈트(overshoot)가 작게 발생한다는 장점이 있다.

구체적으로 설명하자면 다음과 같다. 도 12는 본 발명의 정찰 로봇의 머리 모듈 피드백 제어 설명을 위한 도면이다. 본 발명의 정찰 로봇을 간략하게 도식화하면 도 12(A)와 같은데, 이 때 중간 모듈과 꼬리 모듈이 정지해 있다고 가정하면 머리 모듈의 움직임은 도 12(B)와 같은 단진자로 모델링할 수 있다. 도 12(C)는 SMC 기법 피드백 제어의 블록도이다. 도 12(C)에서 r은 레퍼런스 신호, e는 에러 신호, T는 토크, d는 외부로부터 들어오는 교란 신호, θ는 머리 모듈의 지면에 대한 각도(도 12(A) 참조)를 의미한다. 도 12(C)에 도시된 바와 같이 SMC 기법을 이용하여 피드백 제어를 함으로써, 일반적인 PID 제어 등에 비해 외란에 빠르게 반응하여 이를 감쇄시키고 빠르게 레퍼런스로 수렴되도록 제어할 수 있다.

도 13은 이와 같은 머리 모듈 제어를 사용했을 때와 그렇지 않았을 때의 장애물 극복 시뮬레이션을 도시하고 있다. 도 13(A)는 머리 모듈 제어를 수행한 경우이며, 이 때에는 전방의 장애물을 쉽게 극복하여 그 위로 올라가 주행을 계속하는 결과를 얻었다. 도 13(B)는 머리 모듈 제어를 수행하지 않은 경우로, 전방의 장애물을 극복하지 못하는 결과를 보여 주고 있다. 이와 같이 본 발명의 정찰 로봇(100)에 있어서, 공벌레의 장애물 극복 동작을 모사하여 머리 모듈(즉 최전방의 단위 몸체)의 제어를 수행함으로써, 장애물 극복 능력을 크게 향상시킬 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

100: (본 발명의) 정찰 로봇 110: 단위 몸체
110a: 머리 모듈 110b: 중간 모듈
110c: 꼬리 모듈 111: 모드 전환 구동부
112: 통신부 113: 센서
120: 이동 수단
121: 로봇 주행 구동부 122a: 허브
122b: 스포크 122c: 풋
130: 외피 140: 제어부

Claims

정찰 로봇(100)에 있어서, 상기 정찰 로봇(100)이 주행하는 평면을 주행 평면이라 하고, 상기 정찰 로봇(100)의 주행 방향을 x축 방향 또는 전후 방향이라 하고, 주행 평면 상에서 x축 방향과 수직한 방향을 y축 방향 또는 좌우 방향이라 하고, 주행 평면에 대하여 수직한 방향을 z축 방향 또는 상하 방향이라고 할 때,
y축 방향으로 회동 가능한 힌지 결합에 의하여 서로 직렬 연결되며 모드 전환 구동부(111)에 의하여 힌지가 회전되도록 형성되는 다수 개의 단위 몸체(110); 상기 단위 몸체(110)들 각각에 구비되어 로봇 주행 구동부(121)에 의하여 구동됨으로써 주행을 수행하는 이동 수단(120); 상기 단위 몸체(110)들이 연결되어 이루어지는 결합체의 상측에 구비되는 외피(130); 상기 모드 전환 구동부(111) 및 상기 로봇 주행 구동부(121)의 동작을 제어하는 제어부(140); 를 포함하여 이루어지며,
보호 모드 시에는, 최전방의 상기 단위 몸체(110)의 전단과 최후방의 상기 단위 몸체(110)의 후단이 만나도록 상기 단위 몸체(110)들의 결합체의 각 힌지가 상기 모드 전환 구동부(111)에 의하여 y축 방향을 중심으로 회전하여 말려진 형태를 형성하고, 상기 외피(130)는 둥근 형태를 형성하며,
주행 모드 시에는, 상기 단위 몸체(110)들이 나란하게 배치되는 형태로 상기 단위 몸체(110)들의 결합체의 각 힌지가 상기 모드 전환 구동부(111)에 의하여 펼쳐져 상기 단위 몸체(110) 각각 모두가 주행 평면에 접촉하여 상기 이동 수단(120)에 의하여 주행이 수행되는 것을 특징으로 하는 공벌레를 생체 모방한 정찰 로봇.
제 1항에 있어서, 상기 정찰 로봇(100)은
적어도 3개 이상의 상기 단위 몸체(110)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 공벌레를 생체 모방한 정찰 로봇.
제 1항에 있어서, 상기 정찰 로봇(100)은
3개의 상기 단위 몸체(110)를 포함하여 이루어지되, 상기 단위 몸체(110) 및 상기 단위 몸체(110)에 구비된 상기 이동 수단(120)을 포함하여 이루어지는 결합체를 모듈(module)이라 칭할 때, 상기 정찰 로봇(100)은 주행 방향의 최전방에 배치되는 머리 모듈(head module, 110a), 상기 머리 모듈(110a)과 연결되는 중간 모듈(middle module, 110b), 상기 중간 모듈(110b)과 연결되어 주행 방향의 최후방에 배치되는 꼬리 모듈(tail module, 110c)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 공벌레를 생체 모방한 정찰 로봇.
제 1항에 있어서, 상기 이동 수단(120)은
허브(hub, 122a) 및 상기 허브(122a)를 중심으로 방사상으로 배치되는 복수 개의 스포크(spoke, 122b)를 포함하여 이루어져 y축 방향을 중심으로 회전하는 휠-레그(wheel-leg)가 상기 단위 몸체(110)의 좌우에 1개씩 한 쌍이 구비되어 형성되는 것을 특징으로 하는 공벌레를 생체 모방한 정찰 로봇.
제 1항에 있어서, 상기 이동 수단(120)은
허브(hub, 122a), 상기 허브(122a)를 중심으로 방사상으로 배치되는 복수 개의 스포크(spoke, 122b) 및 상기 스포크(122b)들의 외측 끝단들을 모두 지나는 원주에 포함되는 곡선 형태의 단면을 가지도록 형성되어 그 일측 끝단이 상기 스포크(122b)의 외측 끝단과 연결 구비되는 풋(foot, 122c)을 포함하여 이루어져 y축 방향을 중심으로 회전하는 풋-휠-레그(foot-wheel-leg)가 상기 단위 몸체(110)의 좌우에 1개씩 한 쌍이 구비되어 형성되는 것을 특징으로 하는 공벌레를 생체 모방한 정찰 로봇.
제 4항 또는 제 5항에 있어서, 상기 이동 수단(120)은
상기 허브(121) 1개당 상기 스포크(122b)가 적어도 3개 이상 형성되는 것을 특징으로 하는 공벌레를 생체 모방한 정찰 로봇.
제 4항 또는 제 5항에 있어서, 상기 이동 수단(120)은
상기 허브(121) 1개당 상기 스포크(122b)가 3개 형성되는 것을 특징으로 하는 공벌레를 생체 모방한 정찰 로봇.
제 4항 또는 제 5항에 있어서, 상기 이동 수단(120)은
하나의 상기 단위 몸체(110)에 구비된 상기 이동 수단(120)에 대하여 좌우의 상기 스포크(122b)들 간 위상차가 180°로 형성되는 것을 특징으로 하는 공벌레를 생체 모방한 정찰 로봇.
제 4항 또는 제 5항에 있어서, 상기 이동 수단(120)은
상기 단위 몸체(110)의 총 개수를 n이라 할 때, 각 상기 단위 몸체(110)에 구비된 각 상기 이동 수단(120)에 대하여 전후의 상기 스포크(122b)들 간 위상차가 180/n°로 형성되고, 후→전 순으로 위상 지연이 발생되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 공벌레를 생체 모방한 정찰 로봇.
제 1항에 있어서, 상기 외피(130)는
보호 모드 시 타원구 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 공벌레를 생체 모방한 정찰 로봇.
제 10항에 있어서, 상기 외피(130)는
보호 모드 시 상기 외피(130)가 형성하는 타원구가 y축 방향으로 단축이 배치되는 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 공벌레를 생체 모방한 정찰 로봇.
제 1항에 있어서, 상기 외피(130)는
보호 모드 시 y축 방향에 수직한 방향으로 좌우 양측 일부가 절단된 구 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 공벌레를 생체 모방한 정찰 로봇.
제 1항에 있어서, 상기 외피(130)는
보호 모드 시 형성되는 둥근 형태의 외주면이 다수 개의 조각으로 나뉜 형태로 이루어져 서로 연결되어 이루어지되, 상기 외피(130)를 이루는 조각들이 보호 모드 시 일부가 겹치도록 형성되는 것을 특징으로 하는 공벌레를 생체 모방한 정찰 로봇.
제 1항에 있어서, 상기 외피(130)는
보호 모드 시 형성되는 둥근 형태의 외주면이 다수 개의 조각으로 나뉜 형태로 이루어져 서로 연결되어 이루어지되, 상기 단위 몸체(110)와 적어도 2개 이상의 4절 이상의 다절 링크 세트로 연결되어, 주행 모드에서 보호 모드로 전환 시 상기 단위 몸체(110)들이 말리는 동작에 따른 상기 다절 링크 세트들의 수동적 동작에 의하여 상기 외피(130)가 자연히 보호 모드 시의 외주면 형태를 이루도록 형성되는 것을 특징으로 하는 공벌레를 생체 모방한 정찰 로봇.
제 1항에 있어서, 상기 정찰 로봇(110)은
다수 개의 상기 단위 몸체(110)에 각각 구비된 상기 이동 수단(120)들이 서로 연계되어 동작하도록, 상기 로봇 주행 구동부(121) 및 상기 이동 수단(120)들이 타이밍 벨트에 의하여 서로 연결되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 공벌레를 생체 모방한 정찰 로봇.
제 15항에 있어서, 상기 로봇 주행 구동부(121)는
상기 단위 몸체(110)들의 좌측에 연결된 상기 이동 수단(120)들이 서로 연계 동작되고, 상기 단위 몸체(110)들의 우측에 연결된 상기 이동 수단(120)들이 서로 연계 동작되도록, 좌측 구동 및 우측 구동 각각을 위하여 1쌍이 구비되는 것을 특징으로 하는 공벌레를 생체 모방한 정찰 로봇.
제 1항에 있어서, 상기 정찰 로봇(100)은
외부와 신호의 송수신이 가능하도록 형성되는 통신부(112)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 공벌레를 생체 모방한 정찰 로봇.
제 17항에 있어서, 상기 제어부(140)는
상기 통신부(112)를 통해 입력받은 제어 신호에 따라 상기 모드 전환 구동부(111) 및 상기 로봇 주행 구동부(121)의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 공벌레를 생체 모방한 정찰 로봇.
제 1항에 있어서, 상기 정찰 로봇(100)은
최전방측의 상기 단위 몸체(110)에 주행 평면의 굴곡 상태를 감지하는 센서(113)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 공벌레를 생체 모방한 정찰 로봇.
제 19항에 있어서, 상기 제어부(140)는
상기 센서(113)에서 감지된 신호를 이용하여 상기 모드 전환 구동부(111) 및 상기 로봇 주행 구동부(121)의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 공벌레를 생체 모방한 정찰 로봇.
제 1항에 있어서, 상기 제어부(140)는
상기 정찰 로봇(110)이 주행함에 따라 주행 평면의 굴곡에 의하여 최전방측의 상기 단위 몸체(110)가 움직임으로써 발생되는 외부 교란 신호(d)를 사용하여 상기 모드 전환 구동부(111)의 동작을 피드백 제어하는 것을 특징으로 하는 공벌레를 생체 모방한 정찰 로봇.
제 21항에 있어서, 상기 제어부(140)는
SMC(sliding mode control) 기법을 사용하여 피드백 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 공벌레를 생체 모방한 정찰 로봇.