Evolution of Quadruped Robot Design and the Originality of Boston Dynamics' Robots

Evolution of Quadruped Robot Design and the Originality of Boston Dynamics' Robots 사족보행로봇 디자인의 변화와 보스톤 다이내믹스 로봇의 원천성

Looking at the design evolution of Boston Dynamics' quadruped robots, from BigDog in 2004 to LS3 in 2010, the focus was on load capacity. During this time, the knee joints were designed to bend outward from the body. However, starting with WildCat in 2011, the design shifted to emphasize mobility, resulting in knee joints that bend in the opposite direction of motion.

보스턴 다이내믹스(Boston Dynamics)의 사족 보행 로봇(Quadruped Robot) 디자인 변화를 살펴보면, 2004년 BigDog에서 2010년 LS3까지는 적재 중량을 중시한 설계로, 무릎(Knee) 관절이 몸통 바깥을 향해 구부러져 돌출된 형태였습니다. 그러나 2011년 WildCat 부터 기동성을 강조한 설계로 변경되었으며, 무릎 관절이 진행 방향의 반대쪽을 향해 구부러진 형태로 변형된 것을 확인할 수 있습니다.

In the human body, the knee is the leg joint that connects the femur and the tibia, and it refers to the part that protrudes when the leg is bent. This joint plays a crucial role in supporting most of the body's weight and maintains stability through surrounding ligaments and muscles. Therefore, in quadruped robots modeled after animals, the knee joint holds significant importance for stability and locomotion efficiency, and the structure of the knee joint and the legs is a critical factor in determining the posture of humans and robots.

인체에서 무릎(Knee)은 넙다리뼈와 정강이뼈를 연결하는 다리 관절로, 다리를 구부릴 때 돌출되는 부위를 말합니다. 이 관절은 신체의 대부분의 체중을 지탱하는 중요한 역할을 하며, 주변을 둘러싼 인대와 근육에 의해 안정성이 유지됩니다. 따라서 동물을 모방한 사족 보행 로봇에서 무릎 관절은 안정성과 이동 효율성에 중요한 의미를 가지며, 무릎관절과  다리의 구조는 사람이나 로봇의 자세를 결정하는 중요한 요소가 됩니다.

In quadruped robots, the joints function similarly, being moved and supported by actuators that replace muscles and ligaments. The names of the joints in Boston Dynamics' BigDog and Spot are shown in the diagram below. The red circles in the diagram indicate the knees.

사족 로봇에서도 관절에 해당하는 부위는 근육과 인대를 대신하는 액추에이터(actuator)에 의해 움직임과 지지를 수행합니다. 보스턴 다이내믹스(Boston Dynamics)의 BigDog과 Spot의 관절 명칭은 아래 그림에 표시되어 있습니다. 그림에서 붉은색 원으로 표시된 부분이 무릎(Knee)입니다.

A reference to South Korean registered patent No. 0746878 (registration date: August 1, 2007) by Sungkyunkwan University researchers Hyukryeol Choi and Taehoon Kang provides insight into the leg mechanisms of quadruped robots.

성균관 대학 연구원 최혁렬과 강태훈의 대한민국 등록특허번호 제0746878호(등록일 : 2007.08.01)을 참조하면, 사족보행 로봇의 다리 메커니즘을 이해할 수 있습니다. 

Looking at the lateral profile of cursorial mammals, most of them have a structure in which the center of mass is positioned toward the front of the body. In addition, the hind limbs of cursorial mammals support only about 40% of the body weight, allowing them greater freedom of movement compared to the forelimbs. As a result, most of the propulsive force is generated by the hind limbs. 

지행류 포유동물의 측면 모습을 관찰했을 때, 그들 대부분은 질량중심이 몸의 앞부분에 위치하는 구조를 가지고 있습니다. 또한, 지행류 포유동물의 뒷다리는 몸무게의 단지 4/10만큼만 지지하기 때문에 앞다리보다 자유롭게 움직일 수 있으며, 대부분의 추진력은 뒷다리에서 발생하게 됩니다.

In contrast, the forelimbs primarily support the majority of the body mass and help stabilize and propel the body forward during locomotion.

이와는 반대로, 앞다리는 대부분의 몸의 질량을 지지하는 역할과 몸체부가 앞으로 도약하는 것을 돕습니다.

The characteristics of the support and propulsion forces generated by the forelimbs and hindlimbs of mammals can be explained by the Manipulating-Force Ellipsoid theory. The inward curvature of a mammal's forelimbs toward the torso serves to support the body and prevent it from tipping forward during locomotion.

포유동물의 앞다리와 뒷다리가 각각 생성하는 지지력(supporting force)과 추진력(propulsive force)의 특성은 Manipulating-Force Ellipsoid 이론으로 설명할 수 있습니다. 포유동물의 앞다리가 몸통 쪽으로 휘어져 있는 이유는 보행 중 몸통이 앞으로 넘어지는 것을 지지하기 위한 구조적 특성 때문입니다.

Essentially, the greatest force can be generated in the direction of the Manipulability Ellipsoid. Cursorial mammals direct this direction of force toward their center of mass, providing stability and efficiency in locomotion. As a result, the forelimbs and hindlimbs of cursorial mammals have inward curvatures facing each other, reflecting this functional adaptation.

즉, Manipulability Ellipsoid의 방향을 따라 가장 큰 힘을 생성할 수 있으며, 지행류 포유동물들은 이러한 힘의 방향을 자신의 무게중심으로 향하도록 설계되어 있습니다. 이로 인해 지행류 포유동물의 앞다리와 뒷다리는 서로 마주 보며 안쪽으로 휘어진 형태를 가지게 됩니다.

In quadruped robots, mimicking this structure allows the forelimbs to provide a supporting force and the hindlimbs to generate a propulsive force, as shown in the previous diagram. For this purpose, it is desirable to design the forelimbs and hindlimbs, when viewed from the side, with a configuration in which the thigh (140, 240) and the calf (170, 270) are combined, forming an inward bend towards the body (500). 

사족보행 로봇에서 이러한 구조를 모방하면, 앞의 그림에서 볼 수 있듯이 앞다리는 지지력을 담당하고 뒷다리는 추진력을 담당할 수 있도록 설계할 수 있습니다. 이를 위해, 측면에서 바라볼 때 앞다리와 뒷다리는 각각 허벅지(140, 240)와 장딴지(170, 270)가 결합된 형태로 구성하되, 몸체부(500) 쪽으로 안쪽으로 꺾이는 구조를 갖도록 설계하는 것이 바람직합니다.

Therefore, it is recommended to include hinges (120, 220) between the body (500) and the thigh and between the thigh and the calf to allow for hinge movement. In addition, it is preferred to include a collarbone joint (130) at the top of the forelimb (100) to adjust the width between the feet (150).

따라서, 몸체부(500)와 허벅지 사이, 그리고 허벅지와 장딴지 사이에는 힌지 운동을 위한 관절(120, 220)이 설치되도록 설계하는 것이 바람직하며, 이와 더불어, 앞다리(100)의 상부에는 발(150) 사이의 폭을 조절할 수 있는 쇄골관절(130)을 설치하는 것이 바람직합니다.

By comparison, Boston Dynamics' quadruped robots have knee joints in the hind limbs that bend outward, away from the body, unlike Hyukryeol Choi's quadruped invention. This results in a distinct design difference between the two approaches. 

이와 비교하면, 보스턴 다이내믹스의 사족보행 로봇은 최혁렬의 사족보행 발명과 달리, 뒷다리의 무릎 관절이 몸통 바깥쪽으로 휘어져 있습니다. 이로 인해 두 설계 간의 디자인 차이는 명확하게 드러납니다.

Until 2015, most quadruped robots had knee joints in both the forelimbs and the hindlimbs that bent inward, toward the body. However, starting in 2011, Boston Dynamics redesigned the knee joints in both the forelimbs and hindlimbs to bend in the opposite direction of movement. 

2015년 이전까지 대부분의 사족보행 로봇은 앞다리와 뒷다리의 무릎 관절이 모두 몸통을 향해 꺾이는 구조를 가지고 있었습니다. 그러나 보스턴 다이내믹스는 2010년부터 앞다리와 뒷다리의 무릎 관절을 모두 진행 방향의 반대쪽으로 꺾이는 구조로 설계하였습니다.

Hangzhou Yusu Technology also adopted this design for its quadruped robots. In addition, most quadruped robots released in recent years have followed this design trend.

항저우 위슈 테크놀로지의 사족보행 로봇 또한 이 디자인을 따랐으며, 최근 몇 년간 출시된 사족보행 로봇들도 대부분 이 디자인을 채택하고 있습니다.

Perhaps this is why I often find myself confusing quadruped robots released by various companies with new products from Boston Dynamics. While each company may have its own justifications, I can't help but feel a sense of regret, wondering how things might have turned out if Boston Dynamics had been more proactive in securing design and trade dress protection. 

그래서인지 개인적으로 다양한 회사에서 출시되는 사족 보행 로봇을 볼 때마다 보스턴 다이내믹스의 신제품인가 하고 착각하는 경우가 많습니다. 물론 각 회사마다 나름의 이유가 있었겠지만, 보스턴 다이내믹스가 디자인과 트레이드 드레스 확보에 좀 더 적극적으로 나섰다면 어땠을까 하는 아쉬움이 남습니다.

<The above is a personal opinion and does not guarantee the completeness or specific validity of any investigation or legal judgment.>.

<이상은 개인적인 의견일 뿐이며, 조사나 법적 판단의 완성도 및 구체적 타당성을 보장하지 않습니다.>