29.34 다족 보행 로봇의 다리 순기구학
다족 보행 로봇(legged robot)은 2개 이상의 다리를 활용해 보행하는 이동 로봇으로서, 험지 주행 능력과 생물학적 영감을 바탕으로 학술적·실무적으로 주목받는 로봇이다. 본 절에서는 다족 보행 로봇의 다리 순기구학에 대한 학술적 분석을 다룬다.
1. 다족 보행 로봇의 학술적 분류
다족 보행 로봇은 다리의 수에 따라 다음과 같이 분류된다.
| 분류 | 다리 수 | 예시 |
|---|---|---|
| 이족 | 2 | Honda ASIMO, Boston Dynamics Atlas |
| 사족 | 4 | Boston Dynamics Spot, ANYmal, Unitree A1 |
| 육족 | 6 | HERMES, RHex, MIT Hexapod |
| 다족 | 8+ | 곤충 유사 로봇 |
각 분류는 안정성, 속도, 복잡성, 제어 난이도에서 차별화된다.
2. 다리의 기구학적 구조
다족 보행 로봇의 다리는 일반적으로 2 ~ 4개의 관절을 가진다.
2.1 사족 로봇의 전형적 다리 구조
사족 로봇의 다리는 일반적으로 3자유도(고관절 롤, 고관절 피치, 무릎 피치)를 가진다.
2.2 이족 로봇의 전형적 다리 구조
이족 로봇의 다리는 일반적으로 6자유도(고관절 3 + 무릎 1 + 발목 2)를 가지며, 복잡한 보행 동작과 자세 제어를 가능하게 한다.
2.3 발(foot) 끝의 정의
각 다리의 순기구학은 몸통(trunk 또는 base) 좌표계에서 발 끝(foot tip)까지의 변환으로 정의된다.
3. 다리의 DH 매개변수
다리의 순기구학은 일반적으로 DH 표기법을 활용해 산출된다.
3.1 3자유도 사족 로봇 다리의 DH 매개변수
일반적인 3자유도 사족 로봇 다리(고관절 롤-고관절 피치-무릎 피치)의 DH 매개변수 예시는 다음과 같다.
| 관절 i | a_i | \alpha_i | d_i | \theta_i |
|---|---|---|---|---|
| 1 (고관절 롤) | 0 | 90° | 0 | \theta_1^* |
| 2 (고관절 피치) | l_1 | 0 | 0 | \theta_2^* |
| 3 (무릎 피치) | l_2 | 0 | 0 | \theta_3^* |
여기서 l_1은 상퇴(thigh)의 길이, l_2는 하퇴(shank)의 길이이다.
4. 다리 끝의 위치
다리의 순기구학에 의한 발 끝의 위치는 다음과 같이 산출된다.
4.1 몸통 좌표계 기준
다리 관절 변수 \vec{\theta} = (\theta_1, \theta_2, \theta_3)^T에 대한 발 끝 위치 \vec{p}_{foot}는 DH 변환 행렬의 연쇄 곱을 통해 산출된다.
\vec{p}_{foot} = \vec{f}_{leg}(\vec{\theta})
29.34.4.2 세계 좌표계 기준
몸통의 자세 (R_{body}, \vec{p}_{body})가 주어지면, 세계 좌표계에서의 발 끝 위치는 다음과 같다.
\vec{p}_{foot}^{world} = \vec{p}_{body} + \mathbf{R}_{body} \vec{p}_{foot}^{body}
5. 다족 로봇의 전체 순기구학
다족 로봇의 전체 순기구학은 몸통의 자세와 각 다리의 관절 변수로부터 모든 발 끝의 위치를 산출한다.
5.1 상태 벡터
다족 로봇의 상태는 일반적으로 다음과 같이 표현된다.
\vec{q} = (\vec{p}_{body}^T, \vec{\Phi}_{body}^T, \vec{\theta}_1^T, \vec{\theta}_2^T, \ldots, \vec{\theta}_n^T)^T
여기서 \vec{p}_{body}와 \vec{\Phi}_{body}는 몸통의 위치와 자세, \vec{\theta}_i는 i번째 다리의 관절 변수이다.
29.34.5.2 총 자유도
사족 로봇의 경우 몸통 자세 6자유도 + 4개 다리 × 3자유도 = 18자유도가 일반적이다. 이족 로봇은 몸통 6 + 2개 다리 × 6 = 18자유도, 육족 로봇은 몸통 6 + 6개 다리 × 3 = 24자유도를 가진다.
29.34.6 보행과의 관계
다리의 순기구학은 보행 계획과 제어의 학술적 기초이다.
29.34.6.1 발 자국 계획
보행 시 각 발 자국(footstep)의 위치가 계획되고, 각 다리의 역기구학을 통해 관절 명령이 산출된다.
29.34.6.2 스탠스와 스윙
다리는 스탠스(stance, 지면 접촉) 단계와 스윙(swing, 공중 이동) 단계를 순환하며 보행을 수행한다.
29.34.6.3 지원 다각형
다족 로봇의 정적 안정성은 지원 다각형(support polygon) 내에 로봇의 무게 중심이 위치하는지에 의해 판단된다.
29.34.7 학술적 특성
다족 보행 로봇의 학술적 특성은 다음과 같다.
29.34.7.1 험지 주행 능력
다족 로봇은 바퀴형 로봇이 주행할 수 없는 험지, 계단, 불규칙한 지면에서의 주행이 가능하다.
29.34.7.2 생물학적 영감
동물의 다리 구조를 모방하여 자연스러운 운동을 구현한다.
29.34.7.3 제어 복잡성
여러 다리의 조합 제어, 스탠스-스윙 전환, 동적 균형 등 제어가 복잡하다.
29.34.7.4 이중 모드
각 다리는 위치 제어(스윙 단계)와 힘 제어(스탠스 단계) 사이를 전환한다.
29.34.8 학술적 활용
다족 보행 로봇의 순기구학은 다음과 같은 학술적·실무적 영역에 활용된다.
29.34.8.1 상업용 로봇
Boston Dynamics Spot, ANYmal, Unitree B1 등의 상업용 사족 로봇.
29.34.8.2 검사 로봇
공장, 건설 현장, 발전소 등의 검사 임무에 활용된다.
29.34.8.3 재난 대응
지진 재해 현장, 붕괴 건물 내부 등의 탐사에 활용된다.
29.34.8.4 학술 연구
동역학, 제어, 기계 학습 기반 보행 학습 등의 학술 연구 대상이다.
29.34.9 학술적 의의
다족 보행 로봇의 다리 순기구학 분석은 매니퓰레이터 순기구학의 응용이면서 동시에 이동 로봇의 고급 주제이다. 험지 주행 능력과 복잡한 제어 요구는 학술적으로 도전적이며, 현대 로봇 공학의 활발한 연구 분야이다.
출처
- Raibert, M. H., Legged Robots That Balance, MIT Press, 1986.
- Siciliano, B. and Khatib, O. (eds.), Springer Handbook of Robotics, 2nd edition, Springer, 2016.
- Kajita, S., Hirukawa, H., Harada, K., and Yokoi, K., Introduction to Humanoid Robotics, Springer, 2014.
- Hutter, M., Gehring, C., Jud, D., Lauber, A., Bellicoso, C. D., Tsounis, V., Hwangbo, J., Bodie, K., Fankhauser, P., Bloesch, M., Diethelm, R., Bachmann, S., Melzer, A., and Hoepflinger, M., “ANYmal – A highly mobile and dynamic quadrupedal robot”, Proceedings of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), pp. 38–44, 2016.
- Park, H.-W., Wensing, P. M., and Kim, S., “High-speed bounding with the MIT Cheetah 2: Control design and experiments”, International Journal of Robotics Research, Vol. 36, No. 2, pp. 167–192, 2017.
버전
- 문서 버전: 1.0
- 작성일: 2026-04-18