험한 지형을 극복하기 위해서 동물의 주행 방법을 모사한 로봇을 개발하는 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 다리로 주행하는 동물은 그 기본 자세에 따라 upright posture를 가진 동물과 sprawled posture를 가진 동물로 나눌 수 있다. Upright posture를 가진 동물은 자신의 몸체를 지탱하는데 유리하고, sprawled posture를 가진 동물은 장애물을 극복하는데 유리하다.
험한 지형을 극복하는 로봇의 입장에서는, 로봇이 소형화가 될수록 로봇의 크기에 비해 장애물의 크기가 상대적으로 커지게 된다. 그러면 로봇 크기 대비 더 높은 장애물을 극복 가능한 sprawled posture 로봇이 upright posture 로봇에 비해 험한 지형의 극복에 더 유리하게 되고, 도마뱀을 모사한 소형 보행 로봇은 험한 지형을 극복하는데 유리할 것으로 판단할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 도마뱀의 주행을 분석하고 이를 적용한 보행 로봇을 개발하고자 한다.
기존의 연구들을 살펴볼 때, sprawled posture를 가진 로봇들은 대부분은 바퀴벌레를 모사한 것이다. 바퀴벌레는 몸체가 하나의 body이기 때문에, 이를 모사 로봇들도 몸체의 움직임에 의한 영향을 분석하기 보다는 주행 속도를 증가시키는 것에 초점을 두었다. 또한 기존의 upright posture를 가진 로봇들도 모사 대상인 동물의 주행에서 몸체 움직임과 걸음걸이의 관계를 분석하는 것보다는 다리의 걸음걸이를 모사하는데 초점을 더 두었다. 특히 도마뱀의 주행과 관련하여 몸체 움직임과 걸음걸이의 관계를 밝히거나 이를 모사한 로봇에 대한 연구는 존재하지 않았다.
따라서 본 연구에서는 도마뱀 몸체의 주기적인 운동 원리를 도출하고자, 도마뱀의 몸체 움직임과 걸음걸이의 관계를 분석하고 동역학 모델과 시뮬레이션을 통해 이를 밝히고자 하였다. 또한 몸체 움직임과 걸음걸이의 해석을 통해 도출된, 몸체의 주기적인 움직임 원리를 보행 로봇에 적용하고, 실험을 통해 도마뱀 몸체 움직임을 로봇으로 적용하는 것의 가능성을 확인하였다. 먼저 동역학 모델을 수립하고 도마뱀의 주행을 분석하여 도마뱀이 앞으로 주행하기 위해서는 허리, 꼬리 조인트의 토크 또는 지면에서의 반력 모멘트가 필요하다는 사실을 확인하였다. 이후 다리 근육 분석을 통해 지면에서의 반력 모멘트가 크게 발생하지 않는 것을 확인하고 동역학 시뮬레이션을 통해 반력 모멘트가 적을 때, 허리, 꼬리의 토크로 직진을 위한 모멘트를 생성하는 것을 확인하였다. 그 다음 최적화를 수행함으로써 허리, 꼬리의 조인트 토크가 직진을 위한 모멘트를 생성하면서 각 조인트 토크의 합과 차를 최소화하였을 때, 도마뱀과 유사한 S자 형상의 허리, 꼬리의 움직임이 생성되는 것을 확인하였다.
도마뱀을 모사한 2족 소형 보행 로봇의 시제품을 개발하기 위하여 먼저 로봇 시제품을 적용하기 위한 동역학 모델을 2차원의 수평 평면에 수립하였다. 허리, 꼬리의 좌우 방향의 움직임 변화 량의 차이를 통해 로봇 시제품의 모델에 주행 방향을 보정하는 방법을 고안하고, 동역학 모델의 주행 방향을 yaw 방향의 각도로 피드백 받아 허리, 꼬리 움직임의 간단한 제어를 하여 직진으로 유지하였다. 이 후, 도마뱀을 모사한 2족 소형 보행 로봇의 시제품을 4절 링크 최적화 방법을 이용하여 설계하고 제작하였다. 3차원 공간의 자유도를 2차원 수평 평면으로 구속하는 테스트벤치를 통해 2족 소형 보행 로봇의 시제품의 주행 방향을 유지하는 실험을 수행하였다. 동역학 모델과 마찬가지로, 로봇 시제품의 주행 방향을 yaw 방향의 각도로 피드백 받아 허리, 꼬리 움직임의 간단한 제어를 통해 직진으로 유지하여, 도마뱀의 몸체 움직임이 소형 보행 로봇에 적용하는 것의 가능성을 실험을 통해 검증할 수 있었다.