극단적인 동적 대칭이 전방향 및 다기능 로봇을 가능하게 한다

Extreme dynamic symmetry enables omnidirectional and multifunctional robots

대칭은 자연 시스템의 핵심 구성 원리이지만, 로봇 공학 분야에서는 주로 기하학적 형태에만 적용되어 왔습니다. 본 연구에서는 대칭을 로봇의 동적 작동 능력 수준에서 활용할 수 있음을 보여줍니다. 우리는 '동적 대칭'(로봇이 달성 가능한 질량중심 가속도의 균일성)이라는 개념을 도입하고, 이를 정량화하는 '동적 등방성' 지표를 제시합니다. 1000개 이상의 시뮬레이션 결과, 동적 대칭성이 높을수록 경로 추적 성능, 작업 성공률, 안정성, 회복력 및 에너지 효율이 향상되는 것을 확인했으며, 특히 동적 등방성이 이론적 한계에 가까워질수록 이러한 효과가 더욱 두드러졌습니다. 이러한 현상을 체계적으로 연구하기 위해, 우리는 증가하는 동적 대칭성의 영향을 탐구하도록 설계된 구형 로봇 패밀리인 Argus를 개발했습니다. Argus 패밀리의 구성원들은 작동 방식의 기하 구조와 동적 대칭성 수준이 다르지만, 공통적인 원칙, 즉 로봇의 질량중심 운동을 직접적으로 제어하는 방사형 선형 액추에이터를 사용합니다. 그 중에서도 물리적으로 제작된 20개의 다리를 가진 Argus 모델은 거의 극단적인 동적 등방성을 달성하여, 방향에 관계없이 움직이는 것, 복잡하고 변형 가능한 지형을 빠르게 이동하는 것, 빠른 자가 안정화 능력 및 일부 액추에이터 고장에도 강한 회복력을 보여주었습니다. 또한 분산 센서 시스템을 통해 지속적인 움직임 중 전방향 인지 및 물체 상호 작용이 가능했습니다. 이러한 결과는 로봇의 형태뿐만 아니라 달성 가능한 동역학에서도 대칭성을 고려하는 것이, 불확실한 지상 및 우주 환경에서 로봇의 민첩성, 안정성 및 다기능성을 향상시키는 강력하고 일반적인 방법임을 보여줍니다.

Symmetry is a central organizing principle in natural systems, yet its use as a unifying design strategy in robotics has largely remained limited to geometric form. We show that symmetry can instead be leveraged at the level of dynamic actuation capability. We introduce dynamic symmetry, the uniformity of a robot's attainable center-of-mass accelerations, and formalize it through a measure coined as dynamic isotropy. Across more than 1000 simulated morphologies, we found that higher dynamic symmetry consistently improved trajectory tracking, task success, robustness, resiliency, and energy efficiency, with the benefits becoming most pronounced as dynamic isotropy approached its theoretical limit. To study this regime systematically, we developed Argus, a family of spherical robots designed to explore the effects of increasing dynamic symmetry. Members of the Argus family vary in their actuation geometry and dynamic symmetry level while sharing a common architectural principle: radially oriented linear actuators that directly shape the robot's center-of-mass dynamics. Among them, we built a physical 20-leg Argus variant that achieved near-extreme dynamic isotropy and demonstrated orientation-invariant locomotion, agile traversal of cluttered and deformable terrain, rapid self-stabilization, and resilience to partial actuator failures. Its distributed sensing further enabled omnidirectional perception and object interaction during continuous motion. These results show that designing robots for symmetry not only in morphology but also in their attainable dynamics provides a powerful and general pathway toward agility, robustness, and multifunctionality in uncertain terrestrial and extraterrestrial environments.