생체 모방 발 메커니즘의 모델링 및 해석

Abstract

다지류의 벌레나 곤충 및 뱀을 제외하고 다리가 있는 사람이나 동물은 발 을 가지고 있다. 발을 가짐으로써 자갈밭, 사막지형, 산악지형, 늪지 등의 다양 한 환경에서도 균형을 잃지 않고 이동을 할 수 있다. 본 논문에서는 다리를 가 진 로봇의 발에 대한 연구를 수행하고자 한다. 기존에 개발된 4족이나 2족 로봇 의 설계에 있어서는 사람이나 동물과 같이 환경에 순응하는 발에 대한 연구가 이루어 지지 않았다. 이를 보완하기 위하여 다양한 보행 알고리즘이 개발되어 적용되고 있지만 다양한 환경에 적용하기에는 많은 어려움이 있다. 따라서 보행 알고리즘 보다는 로봇의 하드웨어적인 측면에 주목할 필요가 있다. 현재 사용되 는 로봇 발은 보통 박스 또는 넓은 판자의 형태로써 바닥에 고무판 같은 쿠션을 부착하거나 약간의 완충장치들을 설치한 형태를 지니고 있다. 이러한 형태의 로 봇 발은 지면에 접지한 면적이 넓을수록 안정적이지만 이동의 불편함과 공간의 제약을 받으며 구조적으로 충격 흡수가 힘들다. 또한 평평한 면이 지면에 닿게 되는 구조이기 때문에 굴곡이 있는 지면에서는 로봇 발바닥이 지면과 평행을 이 루지 못해 균형을 잃게 되어 이를 보상해 주어야 하는 어려움이 따른다. 따라서 본 논문에서는 다양한 환경에서 능동적으로 대처할 수 있는 생체 모방 기반의 발 설계를 제시한다. 본 논문에서는 우선 사람의 발 구조에 대한 해석을 수행하고 생체 모방 발 메커니즘을 제안한다. 이 생체 모방 발 메커니즘은 사람의 발을 모방한 것으로 발 뒤꿈치, 발등, 발가락, 발바닥 근육의 네 부분으로 구성되며 직렬 3자유도 매니퓰레이터(Manipulator)와 스프링으로 형상화하여 설계를 하였다. 이 시스템의 가장 큰 특징은 여러 개의 발가락과 근육을 대신한 스프링이다. 여러 개의 발가 락이 있음으로 해서 지면에 닿는 접점이 많아져 다양한 환경에 적응할 수 있고 스프링의 탄성으로 구조적으로 충격 흡수가 가능하다. 이 시스템에 대한 기구학 모델링 및 해석을 수행하고 모의 실험을 통하여 지면 적응에 적합한지에 대해 논한다. 또한 다리 하나에 대한 점프 움직임을 해석하고 모의 실험을 통하여 점 프 가능성에 대해 논하고 생체 모방 발 메커니즘을 부착하여 점프 모의 실험을 수행 하였다.; The human being and mammals that have legs possess their own feet. Using their feet, they are able to walk in various environments such as plain land, desert, swamp, and so on. Previously developed biped robots and four-legged robots did not employ such adaptable foot. In this thesis, a biomimetic foot mechanism is investigated through the analysis of the foot structure of the human being. This foot mechanism consists of toe, ankle, calcaneus, and springs replacing the foot muscles and tendons. A mathematical modeling for this foot mechanism was performed and its characteristics were observed through numerical simulation. Furthermore, a leg mechanism having a four-bar structure is proposed for jumping experiment. Finally, a jumping simulation was conducted for the leg-mechanism equipped with the proposing foot mechanism.