일본의 독립 행정법인 산업기술 종합 연구소【 이사장 요시카와 히로유키 】(이하 「출산 종합연구소」라고 한다 ) 지능 시스템 연구부문【 부문장골짜기 에와수컷 】의 분산 시스템 디자인 연구 그룹에서는 도쿄 공업대학【 학장 나이토희지 】대학원 종합 이공 학연(학교-연구소)구과무라타 사토시 조교수* 와 공동으로, 자유롭게 형상을 변화시키면서 동작이 가능한모듈형 로봇을 개발했다.

9개의 모듈을 이용해 자동적으로 스스로 자신의 구조를 변화시켜, 다양한 입체 형상의 로봇을 구성할 수가 있는 하드웨어의 시작은 세계에서 첫번째의 성과이다. 스스로의 형상을 자율적으로 변경 가능해서, 인간이 작업을 실시하기에는 위험한 환경에서 주위에 적응하면서 작업이나 수색을 실시하는 로봇이나 극한 환경에서 데미지를 수복하면서 장시간 가동하는 플랜트등에의 응용이 기대된다.

이러한 연구 성과는, 2001년 10월말~11 월초순에 개최되는, 미국 전기 전자 학회(IEEE)·일본 로보트 학회 공동개최의 「지능 로보트와 시스템에 관한 국제회의(International Conference on Intelligent Robots and Systems, IROS ‘2001) 」에서 발표 되었다.


크로라형 보행로봇으로부터 4다리 보행로봇에의 변형 동작　(비디오 mpeg 7.8MB )




* 도쿄 공업대학 대학원 종합 이공 학연(학교-연구소)구과 지능시스템 과학 전공 헤세이 13년 5월 1 일자 문부성에 출향. 그것까지는 출산 종합연구소 지능 시스템 연구부문분산 시스템 디자인 연구 그룹에 소속.


연구의 배경

변형 능력을 가지는 모듈형 로봇은 주위의 환경에 적응하면서 자신의 형태를 바꾸어 이동하거나 작업을 실시하거나 할 수가 있는 '자기 조립'과  로봇의 전체가 같은 모듈에 의해 구성되는 균질성에 의해, 일부가 고장나도 스페어로 옮겨놓아 수복하는 것이 가능한 '자기 수복' 이 가능하다.

이와 같이 모듈형 로보트는, 다양한 환경이나 작업에 대응할 수 있는 유연성과 고장으로부터 자력으로 회복할 수 있는 내고장성을 가지기때문에, 최근에 국내외에서 연구가 활발히 행해지고 있다. 혹성 탐사 로봇이나 구출 로봇, 터널내 점검 로봇 등 위험 환경에서 주위에 적응하면서 작업을 실시하는 로봇에게로의 응용이 기대된다. 또, 극한 환경에서 장시간 가동하는 우주나 심해등의 구조물이나 안테나에의 이용도 생각되고 있다.

최근에는 당연구 그룹을 포함해 2 차원 뿐만이 아니라 3 차원의 형상을 구성할 수 있는 균질형의 모듈형 로봇이 발표되고 있다. 그렇지만, 지금까지의 연구에서는, 다음과 같은 문제가 있었다.

(1) 입체 형상을 구성 가능한 모듈도 몇개인가 발표되고 있지만, 1개의 모듈의 자유도가 많기 때문에 구조가 복잡하게 되어, 중량도 증가하기 때문에, 정글짐과 같이 정적인 구조 밖에 조립할 수 없게되어 이동 등의 기동성에 뒤떨어진다.

(2) 자유도의 적은 모듈을 쇠사슬과 같이 연결해 보다 기동성을 더한 연구도 있지만, 반대로 자기 변형 동작이 어려워져 유연성이나 내고장성을 해치는 결과가 된다.

이와 같이, 종래 연구에서는, 3 차원 형상의 자기 조립을 실현하려고 하면 모듈이 복잡하게 되어, 반대로 모듈의 자유도를 줄이면 자기 조립이 곤란하게 된다고 하는 문제에 직면하고 있어, 이런 종류의 로보트의 응용 분야를 넓히기 위해서도 그 해결이 요구되고 있었다.


연구 성과

이번 발표하는 연구에서는 모듈의 기능을 좁힌 설계에 의해 상기 2개의 문제를 해결하는 것에 성공하여 3 차원 형상의 신뢰성의 높은 자기 조립이 가능해, 한편 기동적으로 동작할 수 있는 모듈형 로봇을 개발했다.

이번 개발한 모듈에서는,

(1) 1개의 모듈의 설계를 궁리해, 6개의 착탈면과 2개의 회전 구동부만의 지극히 심플한 구조면서, 다양한 3 차원 형상의 자기 조립이 가능해지고 있다.

(2) 자석과 형상기억합금 액츄에이터를 조합한 소형 경량으로 신뢰성의 높은 착탈 기구*를 이용하는 것으로, 모듈의 소형 경량화에 성공하고 있다(400 g).

(3) 결합면의 전극을 통해, 각 모듈에의 신호나 전원 공급을 가능하게 하는 것으로, 자기 조립 모듈로 특히 문제가 되고 있던 배선을 큰폭으로 감소시킬 수가 있었다.

이상의 기술적 혁신에 의해, 기동적인 동작이 가능하게 되었기 때문에, 9개라고 하는 다수의 모듈을 이용해 크로라형 로봇으로부터 다리 로봇에게 변형해 이동을 실시한다고 하는 종래 연구에서는 곤란함 실험에 세계에 앞서 성공했다.

* 도쿄 공업대학 히로세 시게오 교수의 연구(내부력 보상형 자기 흡착 유니트)를 참고에, 새롭게 형상기억합금과 조합해 소형 경량의 착탈 기구를 개발.


종래 연구에 대한 자리 매김

먼저 말했던 대로 3차원 형상의 자기 조립이 가능한 균질형 모듈형 로봇 시스템은, (1) 정적인 구조물을 조립하는 「격자형」모듈과(2) 모듈의 직렬의 연결에 의해, 기동적인 동작을 실현하는 「최인형」모듈에 크게 분류할 수 있다. (1)(은)는, 각 모듈에 충분한 자유도를 갖게하는 것으로, 구조를 자재로 변경할 수 있는 특징을 가지지만, 기동적인 동작은 곤란하다.

지금까지, 당연구 그룹에 의해 발표된 3 차원 자재 결합 모듈, 미국 다트마스 대학의 Molecule, Crystalline, 카메론 대학의 I-Cube라고 하는 모듈이 이것에 해당한다. (2)는 뱀장의 움직임이나, 로봇 암이나 다리 로봇의 동작등이 가능하다. 그렇지만 자기 조립이라고 하는 점에서는 재조합이 수동이거나 자동이어도 착탈 기구의 위치 맞춤에 시간, 결합 자체의 신뢰성이 낮은 등의 문제가 있었다. 이 타입에는, 미국남 캘리포니아 대학의 CONRO로 불리는 시스템이나, 제록스 Palo Alto 연구소의 Polybot, 동쪽 공대에서의 우주용 메니퓨레이타 등이 포함된다.

이것에 비해 이번 개발한 모듈은 상기의(1), (2)쌍방의 특징 즉 신뢰성의 높은 변형 기능과 기동적인 동작을 동시에 실현된 것으로 종래 연구에 대한 큰 Break through가 되는 것이다. 특히, 9개라고 하는 다수의 모듈을 이용해 크로라형 로봇이나 다리 로봇과 같이 원리가 다른 로봇 기구의 사이의 변형을 확실·신속히 실시, 이번 같은 실험의 성공예는 지금까지 보고되어 있지 않다.


향후의 전개

이상 보고한 것처럼, 환경에 적응해 재빠르게 변형 가능한 새로운 타입의 3 차원 모듈형 로봇의 가능성이 실험적으로 나타났다. 현재는 전모듈은 호스트의 컴퓨터에 의해 집중적으로 제어되고 있어, 미리 계획한 움직임을 실시하게 하고 있다.

향후는, 모듈에 외부 환경을 검지하는 센서를 설치해 각 모듈이 자율성에 동작을 결정하는 분산 제어를 실현하는 것으로 미지의 환경에 적응하면서 이동이나 작업을 실시하게 하는 것이 목표이다. 또, 현재는 수동으로 입력하고 있는 로봇의 동작 계획의 자동화, 효율화도 중요한 향후의 과제이다. 게다가보다 신뢰성의 높은 동작을 목표로 해 모듈의 하드웨어의 개량도 진행시켜 나갈 예정이다. 이것과 함께, 외부와의 제휴도 염두에 두어, 동작의 고속화·위치 정밀도의 향상등도 검토해 가고 싶다.


관련 URL
지능 시스템 연구부문분산 시스템 디자인 연구 그룹

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용어의 해설

◆ 모듈형 구조
모듈로 불리는 복수의 단위 요소의 집합체로서 구성한 로보트나 기계를, 모듈 구조를 갖는다고 한다.

◆ 자기 조립/자기 수복



본문 그 중에서 설명했지만, 로보트나 기계가, 스스로의 구조를 능동적으로 변경해, 어느 목표의 형상이나 기능을 실현하는 것을, 자기 조립이라고 부른다(밑그림 참조).
또, 시스템의 일부가 고장났을 경우에, 그것을 스스로 발견해, 수복하는 것을 자기 수복이라고 부른다.


로봇의 자기 조립의 개념 － 스스로의 구조를 변경해 다양한 기능을 실현
◆ 자유도
로봇 등의 기구에 대해, 전체의 위치나 자세가 몇개의 변수에 의해 결정되는지를 나타낸다.

◆ 자율성·분산성
시스템을 구성하는 요소가 행동을 결정할 때에, 각 요소가 상위로부터의 명령에 의하지 않고 주체적으로 이것을 실시하는 성질을 자율성, 또, 시스템 전체의 포괄적인 정보에 의하지 않고 국소 정보를 가지고 이것을 실시하는 것을 분산성이라고 부른다.
||보충 설명

1. 모듈의 구조



그림 1 모듈의 개요


2. 변형 동작의 실험



그림 2 크로라형 보행로봇으로부터 4다리 보행로봇에의 변형 동작의 실험의 모습


3. 다수의 모듈을 이용한 동작의 예(시뮬레이션벽이 넘고 동작



그림 3 다수의 모듈의 집합체에 의한 장애물 넘고 시뮬레이션