스위스 제네바 호수 기슭에 위치한 École Polytechnique Fédérale de Lausanne에는 많은 로봇공학자들의 본거지가 있습니다. 이곳은 또한 대부분의 시간을 새 일을 하면서 보내는 많은 새들의 보금자리이기도 합니다. 몇 가지 예외를 제외하고, 그 새들은 실제로 날지 않습니다. 나는 것은 많은 일이며, 많은 새들은 대신 모든 음식이 있는 땅 위를 돌아다니면서 피곤하지 않을 수 있다는 것을 알아냈습니다. 계속해서 공중에 떠 있어야만 합니다.
“EPFL 캠퍼스에서 까마귀를 만날 때마다 까마귀가 걷고, 뛰어오르고, 장애물을 뛰어넘고, 이륙을 위해 뛰어오르는 모습을 관찰했습니다.”라고 대학 박사과정 학생인 원동신은 말합니다. EPFL의 지능형 시스템 연구실. “내가 일관되게 관찰한 것은 날개만 사용할 수 있는 상황에서도 비행을 시작하기 위해 항상 뛰어 올랐다는 것입니다.”
신씨는 오늘 발표된 논문의 첫 번째 저자입니다. 자연 새가 이륙하기 위해 뛰어오르는 이유와 그것이 땅에서 떨어지기 위해 활주로나 투석기와 같은 것이 필요한 고정익 드론에 어떻게 유익하게 적용될 수 있는지 탐구합니다. 새에서 영감을 받은 다리를 갖춘 Shin의 RAVEN(Robotic Avian-inspired Vehicle for Multiple Environments) 드론은 까마귀처럼 점프 이륙을 할 수 있으며 동일한 다리를 사용하여 땅에서 꽤 잘 돌아다닐 수도 있습니다.
드론의 새에서 영감을 받은 다리는 유연한 발가락과 함께 힘줄 같은 스프링에 에너지를 저장하고 방출하는 능력과 같은 생물학적 설계의 몇 가지 핵심 원리를 채택했습니다.알랭 헤르조그
2019년에 다시, 우리는 Passerine이라는 남아프리카 스타트업에 대해 썼습니다. 비슷한 아이디어를 가지고 있었지만 고정익 화물 드론을 공중으로 발사하기 위해 다리를 사용하는 데 더 중점을 두었습니다. 이는 드론에 매력적인 기능입니다. 왜냐하면 지상에서 이륙하기 위해 추가 프로펠러를 스테이플로 고정하는 것과 같은 비효율적인 트릭에 의존하지 않고도 고정 날개로 얻을 수 있는 범위와 내구성을 활용할 수 있기 때문입니다. “점핑 이륙을 고정익 차량에 통합한다는 개념은 RAVEN과 Passerine이 공유하는 공통 아이디어입니다.”라고 Shin은 말합니다. “주요 차이점은 초점에 있습니다. Passerine은 점프 메커니즘에만 집중한 반면 RAVEN은 다기능 다리에 중점을 두었습니다.”
드론을 위한 생체 영감 디자인
다기능 다리는 RAVEN을 새에 훨씬 더 가깝게 만들어 주며, 이러한 기계 다리는 실제 새 다리만큼 복잡하고 성능이 뛰어나지는 않지만 생물학적 설계의 몇 가지 주요 원리(예: 힘줄과 같은 스프링에 에너지를 저장하고 방출하는 능력)를 채택합니다. 유연한 발가락) 덕분에 RAVEN은 새와 같은 방식으로 돌아다닐 수 있습니다.
원동신
이름에도 불구하고 RAVEN은 날개 길이가 100cm이고 몸 길이가 50cm인 대략 까마귀 크기입니다. 4초 안에 1미터를 걸을 수 있고, 12cm 간격을 뛰어넘고, 26cm 장애물 위로 점프할 수 있습니다. 점프 이륙을 위해 RAVEN의 다리는 2.2m/s의 전진 속도로 거의 0.5m의 시작 고도까지 드론을 추진합니다.
RAVEN의 발가락은 특히 흥미롭습니다. 특히 발가락 없이 불쌍한 로봇이 얼마나 열심히 페이스플랜트를 하는지 확인한 후에는 더욱 그렇습니다.
발가락이 없는 RAVEN은 걸으려고 할 때 얼굴을 심습니다.원동신
“다양한 보행 패턴을 가능하게 하고 RAVEN이 이륙을 위해 올바른 각도로 점프할 수 있도록 수동 탄성 발가락 관절을 통합하는 것이 중요했습니다.”라고 Shin은 설명합니다. 대부분의 직립 로봇에는 발 각도를 직접 제어할 수 있는 발이 작동하지만, 날아다니는 로봇의 경우 무게가 너무 무거워서 아무렇게나 액츄에이터를 추가할 수는 없습니다. 그대로, RAVEN은 620그램의 드론이며 전체 230그램은 발과 발가락, 액추에이터 등으로 구성됩니다.
작동되는 고관절과 발목 관절은 단순하지만 여전히 새와 같은 다리를 형성하며, 발목과 발가락 관절의 스프링은 힘을 흡수하고 에너지를 저장하는 데 도움이 됩니다.EPFL
드론에 다리를 추가하는 이유는 무엇입니까?
그렇다면 문제는 다리를 추가하는 데 따르는 이 모든 추가 무게와 복잡성이 실제로 그만한 가치가 있느냐 하는 것입니다. 어떤 의미에서는 로봇이 이전에 할 수 없었던 일, 즉 지상을 돌아다니고 스스로 지상에서 이륙하는 일을 할 수 있기 때문에 확실히 그렇습니다. 그러나 RAVEN은 충분히 가볍고 충분히 강력한 모터를 갖추고 있어 직각으로 받쳐주기만 하면 전혀 점프하지 않고 땅에서 이륙할 수 있다는 것이 밝혀졌습니다. 즉, 드론의 기수를 위로 기울이기 위해 다리를 아이스바 두 개로 교체한다면 지상 이륙에도 효과가 있을까요?
연구원들은 이것을 테스트한 결과 점프하지 않은 이륙이 형편없다는 것을 발견했습니다. 높은 받음각과 낮은 이륙 속도의 혼합으로 인해 비행이 매우 불안정해졌습니다. 효과가 있었지만 간신히 성공했습니다. 반면에 점프는 10번 정도 하게 됩니다. 더 서서 이륙하는 것보다 전반적으로 에너지 효율적입니다. 논문에 요약되어 있듯이 “점프 이륙에는 약간 더 높은 에너지 입력이 필요하지만 작동 에너지를 비행을 위한 운동 에너지와 위치 에너지로 변환하는 가장 에너지 효율적이고 빠른 방법입니다.” 그리고 새와 마찬가지로 RAVEN은 다리를 활용하여 짧은 비행을 반복하는 것보다 훨씬 더 에너지 효율적인 방식으로 지상에서 이동할 수 있습니다.
원동신이 RAVEN 드론을 들고 있습니다.알랭 헤르조그
이 디자인을 더 큰 고정익 드론으로 확장할 수 있습니까?
새들은 걷는 것 외에 모든 종류의 일에 다리를 사용합니다. 호핑 점프도 물론이고, 원동신 씨는 RAVEN이 다리로도 더 많은 일을 할 수 있기를 바랍니다. 분명한 것은 착륙을 위해 다리를 사용한다는 것입니다. “새는 속도를 늦추고 충격을 줄이기 위해 다리를 사용합니다. 그리고 이 동일한 원리가 RAVEN의 다리에도 적용될 수 있습니다.”라고 Shin은 말했습니다. 하지만 드론에는 아직 없는 인식 시스템이 필요합니다. 일을 계획하기 위해. 수영, 앉기, 날치기 등도 모두 새로운 발 디자인이 필요합니다.
우리는 또한 신에게 이 디자인을 확장하여 어느 시점에 유용한 페이로드를 운반하려면 무엇이 필요한지 물었습니다. 신 씨는 특정 크기를 넘어서면 새들은 더 이상 점프 이륙을 할 수 없으며 더 높은 곳에서 뛰어내리거나 활주로를 찾아야 한다고 지적합니다. 사실, 어떤 새들은 놀라울 정도로 멀리까지 갈 것입니다. ~ 아니다 David Attenborough는 역대 최고의 인간으로서 점프 이륙을 해야 한다고 설명합니다.
BBC
Shin은 일반적으로 생물학적 시스템보다 엔지니어링 시스템을 확장하는 것이 더 쉽다고 지적하며, 점프 이륙용 다리가 배송에 사용될 수 있는 더 큰 고정익 드론에서 실행 가능하다고 낙관하는 것 같습니다. 드론이 좁은 틈을 통과할 수 있도록 접을 수 있는 날개와 마찬가지로 장애물 회피와 착륙에 모두 사용할 수 있는 비전 시스템이 개발 중입니다. 궁극적으로 신씨는 드론을 가능한 한 새처럼 만들고 싶다고 말합니다. “저도 RAVEN에 날개를 퍼덕이는 모습을 접목시키고 싶습니다. 이러한 개선으로 더욱 새와 같은 움직임이 가능해지고 탐구할 수 있는 더 흥미로운 연구 질문이 제시될 것입니다.”
“조류에서 영감을 받은 다기능 다리로 지상에서 공중으로 빠르게 전환,” 스위스 EPFL과 UC Irvine 출신 원동신, Hoang-Vu Phan, Monica A. Daley, Auke J. Ijspeert, Dario Floreano가 쓴
