연구 프로젝트 · 제72회 전국과학전람회 (물리)

장대 없이 줄 위에 서는 법

서양 줄타기는 긴 장대로 균형을 잡지만, 한국 전통 줄타기 광대는 부채 하나만 듭니다. 부채에는 기운 몸을 세울 힘이 없는데, 광대는 어떻게 떨어지지 않을까요? 이 연구는 그 답을 물리 법칙으로 밝히고, 균형 로봇 ‘어름이’로 직접 보여 줍니다.

핵심 아이디어

처진 줄이 곧 진자

팽팽한 줄이 아니라 처진 줄(V자) 위에 서면, 발이 줄과 함께 원호를 그리며 흔들립니다. 이 흔들림이 균형을 되찾는 자원이 됩니다.

허리 하나로 움직이는 몸

줄의 흔들림·하체·상체, 세 가지 움직임을 허리 관절 하나로만 다룹니다. 움직일 수 있는 곳보다 움직이는 곳이 더 많은 ‘저구동’ 시스템입니다.

접기 – 기다리기 – 펴기

최적 제어(LQR)는 균형을 잡지만 ‘어떻게’를 설명하지 못합니다. 허리를 접고, 기다렸다가, 펴는 동작으로 균형이 돌아오는 과정을 식으로 보여 줍니다.

시뮬레이터

연구를 진행하며 만든 시뮬레이터입니다. 누르면 브라우저에서 바로 실행되고, 화면 오른쪽에서 다른 버전으로 옮겨 갈 수 있습니다. PC 화면에서 보기를 권합니다.

V1한 몸 모델발목 힘으로 버티는 가장 단순한 모델 V2상체·하체 두 마디허리 힘으로 몸을 움직이는 모델 V3줄까지 세 움직임줄 흔들림·하체·상체를 함께 푸는 모델 V4최적 제어 LQR상태를 되먹여 균형 잡기 V5지연 시간센서·모터가 늦게 반응할 때 V63D 화면줄과 기둥까지 입체로 보기 V7발 위치 추정보이지 않는 발의 위치를 추정해 제어 V8상태 관측기칼만 필터로 몸의 상태를 추정 V9강건성 시험모델 오차와 센서 잡음을 넣어 보기 V10적응 제어시스템을 식별하고 제어를 스스로 조정