이 절에서는 직경이 센티미터 미만인 맞춤형 텐던 구동 로봇에 통합된 새로운 컨베이어 벨트 메커니즘을 소개합니다. 메커니즘의 설계와 제작, 로봇 설계, 구동을 위한 시스템 조립, 그리고 로봇 간 결합에 적용하는 새로운 방식을 설명합니다.
메커니즘 설계
컨베이어 벨트 메커니즘은 텐던 구동 연속체 로봇의 길이 방향으로 이어지며, 베이스의 모터 한 쌍으로 변위를 제어합니다. 각 로봇 스페이서 디스크에는 중심선에서 벗어난 두 개의 홈형 채널을 절삭합니다. 한쪽 채널의 홈은 로봇 바깥 둘레를 향해 열려 있고, 다른 쪽은 둘레 안쪽에 둘러싸여 있습니다. 컨베이어 벨트는 한 채널을 따라 로봇 원위단까지 올라가 끝부분의 베어링 풀리를 돌아, 다른 채널을 따라 내려옵니다. 로봇에는 120도 간격으로 방사형 배치된 채널 쌍 세 개가 있어 컨베이어 벨트 세 개를 지지합니다.
로봇 간 결합
각각 극성이 반대인 자기 컨베이어 벨트를 갖춘 두 로봇은 자기력으로 결합해 다중 로봇 시스템을 구성할 수 있습니다. 인접한 두 로봇이 같은 속도로 컨베이어 벨트를 외번시켜 자기 결합 지점을 드러냅니다. 자석이 결합된 채 로봇을 따라 미끄러져 내려오면서 '지퍼링' 효과가 발생합니다.
방법론
실험에서는 컨베이어 벨트 메커니즘과 가변 강성을 위한 로봇 간 결합 적용 방식을 특성화합니다. 먼저 단일 로봇에서 컨베이어 벨트를 구동하는 데 필요한 조건을 규명합니다. 이어 접선 방향 로봇 간 결합 사례 연구를 통해 결합으로 인한 강성 향상과 결합 지점의 수 및 위치에 따른 강성 변화를 살펴봅니다.
결합 구성에서는 한 로봇의 엔드 이펙터에서 측정해 해당 지점에서 결합 시스템이 얻는 유효 강성 향상을 나타냅니다. 시스템을 구성하는 각 로봇이 개별적으로 기여하는 강성 증가분의 특성화는 현재 진행 중입니다.
강성 특성화: 로봇 간 결합
실현 가능한 로봇 결합 방식으로 두 가지 결합 구성을 살펴봅니다. 한 방식은 측정 대상 로봇을 기준으로 다른 로봇의 위치와 결합 지점의 위치를 바꿉니다. 다른 방식은 두 로봇의 위치와 무관하게 결합 지점의 위치만 바꿉니다.
이 연구에서는 결합된 다중 로봇 시스템의 유효 강성이 결합되지 않은 단일 로봇과 어떻게 다른지, 그리고 결합 지점의 수와 위치에 따라 어떻게 달라지는지 정량화합니다.
시스템 특성화
실험 결과, 텐던 구동 로봇에 직경이 센티미터 미만인 컨베이어 벨트 메커니즘을 통합할 수 있으며, 구동력과 구동 중 발생하는 로봇 팁 변위도 적절한 수준임을 확인했습니다.
시험한 로봇 형상 전반에서 벨트 구동으로 인한 팁 변위는 로봇 길이의 6% 미만입니다. 현재는 더 촘촘한 굽힘 각도 범위에서, 그리고 모터 구동 벨트를 사용해 이 효과를 특성화하고 있습니다. 텐던 보상 단계를 적용하면 팁 변위가 더 줄어들 것으로 예상됩니다. 향후 모델 기반 보상 제어기를 통합해 팁 변위를 더욱 줄일 수 있습니다.
강성 특성화
첫 번째 결합 방식에서는 예측 가능한 팁 변위 경향이 관찰됐습니다. 결합 지점이 많아지거나 팁에 가까워질수록 팁 변위가 대체로 감소했습니다. 이는 작업 중 결합 지점을 미리 정해 둘 필요 없이 결합 구성을 능동적이고 연속적으로 조절해 원하는 강성 변화를 얻는 데 이 방식을 활용할 수 있음을 시사합니다.
두 번째 결합 방식에서는 결합 지점의 수나 위치를 바꿔도 팁 변위에 뚜렷한 경향이 나타나지 않았습니다. 이는 시스템 강성을 크게 바꾸지 않으면서 두 로봇의 자유단 유효 길이를 조정해 변화하는 엔드 이펙터 기민성 요구에 대응할 수 있음을 시사합니다. 결합 시스템의 도달 가능 작업 공간은 계속 연구 중입니다.
보 굽힘 모델은 로봇 베이스가 가장 원위부에 있는 결합 지점에 고정되어 있다고 가정하고 근위부 로봇 몸체의 유연성을 반영하지 않기 때문에 실제 팁 변형을 과소평가합니다. 향후에는 각 로봇의 팁과 결합 지점, 베이스에 마커를 부착해 각 구간이 기여하는 강성을 직접 분리하고 모델링할 예정입니다.
예비 결과는 단일 결합 로봇 구성에서 얻은 것입니다. 관찰된 경향은 다른 접선 방향 결합 구성에도 일반화될 것으로 예상되지만, 로봇 형상과 상대적인 강성 기여도에 따라 달라질 수 있습니다. 향후 연구에서는 로봇 형상, 비평면 결합 구성, 더 긴 다중 세그먼트 로봇에 벨트를 통합하는 효과를 살펴볼 예정입니다.
결론
컨베이어 벨트 메커니즘을 이용하면 연속체 로봇 몸체를 따라 기능 요소를 능동적으로 재배치할 수 있습니다. 로봇 간 자기 결합은 능동적 재배치를 통해 강성을 조절하는 새로운 적용 사례입니다. 이 연구는 변화하는 작업 요구에 연속체 로봇이 더 잘 적응하도록 능동적인 온보드 재구성 기능을 발전시키는 데 기여하고자 합니다.
자주 묻는 질문
컨베이어 벨트는 연속체 로봇을 따라 어떻게 움직이나요? 벨트는 한쪽 채널을 따라 올라가 로봇 팁의 베어링 풀리를 돌아 다른 채널을 따라 내려옵니다. 베이스의 모터 한 쌍이 벨트의 변위를 제어합니다.
이 메커니즘은 두 로봇을 어떻게 결합하나요? 로봇에는 극성이 반대인 자기 컨베이어 벨트가 사용됩니다. 벨트가 결합 지점을 드러내면 서로 끌어당기며 지퍼처럼 결합됩니다.
벨트 구동 중 팁 변위는 어떻게 나타났나요? 시험한 로봇 형상 전반에서 벨트 구동으로 인한 팁 변위는 로봇 길이의 6% 미만이었습니다.
결합 구성은 강성에 어떤 영향을 미쳤나요? 첫 번째 결합 방식에서는 결합 지점이 많아지거나 팁에 가까워질수록 팁 변위가 대체로 감소했습니다. 두 번째 방식에서는 결합 지점의 수나 위치를 바꿔도 뚜렷한 경향이 관찰되지 않았습니다.