Automated design of soft-rigid hybrid robots for dynamic locomotion

기술 요약: 동적 보행을 위한 소프트-경성 하이브리드 로봇의 자동화된 설계

문제 제기
전통적인 경성 로봇은 정밀성을 제공하지만 비구조화 환경에 필요한 순응성이 부족하며, 완전한 소프트 로봇은 적응력은 뛰어나지만 큰 힘을 효율적으로 생성하거나 전달하는 능력의 부재로 인해 확장성과 하중 용량에 어려움을 겪습니다. 생물학적 근골격계는 경성과 소프트 조직을 통합함으로써 이러한 문제를 해결합니다. 그러나 인공 소프트-경성 하이브리드 로봇을 설계하는 것은 여전히 어렵습니다. 현재의 설계 과정은 수동 반복과 생물학적 영감에 크게 의존하는데, 이를 구체적이고 최적화된 구성으로 전환하기가 어렵습니다. 또한, 계산 설계 방법은 한계에 직면해 있습니다: 명시적 시간 적분은 종종 재료 강성 대비를 제한하며, 연속 설계 표현 (토토폴로지 최적화에서 일반적) 은 골격 하중 경로나 메커니즘과 같은 힘 전달과 같은 이산적 구조적 특징을 묘사하는 데 어려움을 겪습니다.

방법론
저자들은 소프트-경성 하이브리드 로봇의 자동화된, 기울기 기반 설계를 위한 계산 프레임워크를 제안합니다. 이 방법은 세 가지 구성 요소를 동시에 최적화합니다:

1. 소프트 바디 형태: 연속 변형체로 표현됩니다.
2. 골격 구조: 강성 트러스 요소 (뼈) 의 이산적 네트워크로 표현됩니다.
3. 구동 신호: 솔레노이드 작동기를 위한 시계열 제어 입력입니다.

미분 가능한 시뮬레이션 프레임워크
방법론의 핵심은 두 가지 서로 다른 물리 솔버를 결합한 미분 가능한 시뮬레이터입니다:

• 소프트 바디: 재료점법 (MPM), 구체적으로 이동 최소제곱 변형 (MLS-MPM) 을 사용하여 모델링됩니다. 이는 큰 변형과 환경과의 접촉을 처리합니다.
• 강성 골격: 확장 위치 기반 역학 (XPBD) 을 사용하여 모델링됩니다. 이는 트러스 네트워크와 솔레노이드 메커니즘을 막대 제약으로 연결된 질량점 시스템으로 표현합니다. XPBD 는 큰 전역 시스템을 풀지 않고도 순응도 매개변수를 통한 명시적 강성 제어를 가능하게 하므로, 미분 가능한 최적화에 적합합니다.

최적화 전략
시스템은 손실 함수를 최소화하기 위해 Adam 최적화기를 사용한 확장 라그랑주 형식을 사용합니다. 주요 목표는 전진 보행 거리를 최대화하는 것입니다. 최적화에는 다음이 포함됩니다:

• 페널티: 경체 병진 운동으로부터의 편차를 페널티화함으로써 (붕괴, 추락, 측면 이동 등) 바람직하지 않은 행동을 억제합니다.
• 이진화 제약: 설계 변수 (소프트 밀도, 골격 밀도, 구동 펄스 매개변수) 를 이진 값 (0 또는 1) 으로 유도하여 제조 가능한 설계를 보장합니다.
• 골격 제약: 과설계를 방지하기 위해 뼈 요소의 수를 제어하는 특정 제약이 적용됩니다.
• 구동 모델링: 솔레노이드는 상태 의존적 강성 (자유 슬라이딩 중에는 낮은 강성, 접촉 시에는 높은 강성) 과 스트로크 의존적 힘 감쇠로 모델링됩니다.

주요 기여

1. 통합 최적화 프레임워크: 이 논문은 단일 미분 가능한 시뮬레이션 루프 내에서 소프트 바디 형태, 이산 골격 토폴로지, 구동 타이밍을 공동 최적화하는 방법을 제시합니다.
2. 하이브리드 물리 솔버: MPM(소프트 연속체용) 과 XPBD(이산 트러스용) 를 결합함으로써, 이 프레임워크는 높은 강성 대비를 시뮬레이션하는 데 있는 수치적 한계를 극복하고 골격 하중 경로의 명시적 설계를 가능하게 합니다.
3. 자동화된 발견: 이 방법은 수동 설계 없이 기능적인 소프트-경성 형태를 생성하여, 유연성과 힘 전달 사이의 균형을 맞추기 위해 경성 요소가 어떻게 분포되어야 하는지를 밝혀냅니다.

결과

• 최적화 과정: 최적화는 소프트 바디가 특정 지형과 같은 특징을 가진 조밀한 구조를 유지하는 반면, 골격 구조는 조밀한 그라운드 구조에서 희박한 트러스와 같은 골격으로 진화하는 설계로 수렴합니다. 구동 신호는 초기에 수렴하여 형태가 이후 적응하는 주파수 및 위상 관계를 확립합니다.
• 제조 및 검증: 최적화된 설계는 실리콘 고무 (소프트 바디) 와 3D 프린팅 PLA(골격) 를 사용하여 제작되었으며, 솔레노이드에 의해 구동되었습니다.
  • 성능: 제작된 로봇은 5 초 동안 약 69.7 mm/s(5 회 시도의 평균) 의 지속 보행 속도를 달성하여 294 mm 를 이동했습니다.
  • 골격의 역할: 골격 구조 없이 수행된 제어 실험은 성능이 현저히 감소 (~19.9 mm/s) 했으며 조율된 전역 변형을 생성하지 못해, 골격이 구동력을 신체의 먼 부분으로 전달하는 역할을 확인시켜 주었습니다.
• 동적 분석: 주파수 스윕 분석과 실험은 보행 성능이 주파수에 매우 의존적이며 10–12 Hz 부근에서 정점을 보인다는 것을 밝혔습니다. 최적화된 구동 주파수 (10 Hz) 는 이 정점과 일치하여, 골격이 순수한 소프트 바디로는 불가능한 특정 변형 모드 (전방 지형 들어 올리면서 후방 안정화) 를 가능하게 하는 공진과 유사한 행동을 설계가 활용함을 시사합니다.

의의 및 주장
이 논문은 유연성과 구조적 무결성을 균형 있게 잡는 효과적인 형태를 자동적으로 발견함으로써 소프트-경성 하이브리드 로봇을 설계하는 확장 가능한 전략을 제공한다고 주장합니다. 저자들은 다음과 같은 점을 강조합니다:

• 이 방법은 연속 소프트 바디 설계와 이산 구조 설계 사이의 간극을 성공적으로 연결합니다.
• 결과적으로 생성된 로봇은 상대적으로 큰 규모 (150 mm, 1.33 kg) 에서 작동하여, 경성 하중 지지 요소를 통합하는 것이 증가된 신체 크기를 지지하기 위한 생물학적 전략과 일치하는 확장 가능한 소프트 로봇 공학을 가능하게 함을 보여줍니다.
• 최적화된 구조는 생물학적 특징 (교대 보행) 과 공학 주도적 특징 (삼각형 트러스 보강) 을 모두 나타내며, 최적화 기반 설계가 기능적 행동을 유지하면서 구조를 공학적 요구 사항에 적응시킬 수 있음을 시사합니다. 이는 직접적인 생물학적 모방보다 잠재적 이점을 제공할 수 있습니다.

저자들은 현재 접근 방식이 본질적으로 국소적 (기울기 기반) 이며, 향후 연구는 설계 공간 확장 (예: 노드 위치, 모멘트 전달 구조, 작동기 배치 최적화) 이나 진화 알고리즘과 같은 보완적 전략의 통합을 탐구할 수 있다고 언급합니다.