[논문]로커-보기 링크 구조를 갖는 전방향 이동로봇 시스템개발

강택기; 이수영

doi:10.5302/j.icros.2006.12.7.679

문제 정의

또한, 2개의 수동형 바퀴를 로봇 중심에 오도록 배치하여 로봇의 회전중심이 각 바퀴의 회전축과 일치하도록 설계하여 최디한 바퀴는 지면과 미끄러짐이 발생하지 않도록 하였다. 본 논문에서 로봇의 기구학을 해석하는 방법이 [1, 2]에서와 유사한 과정을 갖지만 로봇을 실제 제작하고, 그에 맞게 기구학을 재해석 하는데 중점을 두고 서술하였다. 본 논문을 통하여 개발한 로봇 시스템은 로커-보기 링크 구조를 갖는 로봇 몸체와 각 구동/조향 모터들을 직렬 네트웍으로 연결하는 CAN 임베디드 제어기, 원격의 호스트 모니터링 시스템과의 무선 통신 시스템 및 원격조작용 조이스틱 제어기로 구성된다.
본 논문에서는 이동로봇 시스템 개발과 기구학 및 역기 구학의 해를 구하는 방법에 대해 서술하였다. 로봇은 전 방향으로 이동이 가능한 조향장치와 비 평탄 지형이나 암석과 같은 장애물이 있는 험로를 주행 시 이를 극복할 수 있는 로커-보기 링크 구조를 갖도록 제작하였다.

가설 설정

1) 로봇은 견고한 메커니즘으로 제작된다.
2) 조향축은 지면과 수직이다.
가정 1은 타이어와 같은 유연성 있는 기구 부를 강체로, 가정 2는 조향 시 운동학적인 모델의 복잡함을 제한하였다. 가정 3과 4에 의해 바퀴는 지면과 항상 점 접촉 하고 병진 및 조향시 발생할 수 있는 미끄럼을 고려하지 않도록 하였다.
조향각을 결정한다. 본 논문에서는 이동로봇의 회전중심은 바퀴 3과 4의 회전축 상에 있다고 가정한다. 그 이유는 바퀴 3과 4를 로봇의 가운데 위치해 있도록 설계했기 때문에 가능하다.

제안 방법

그러나 일반적으로 많이 사용하는 단순 2바퀴 구조를 가지는 이동로봇과 자동차와 같이 조향을 앞바퀴로만 하는 경우, 횡 방향 주행이 불가능하고 평탄하지 않은 지형에서는 주행이 불안정하다는 기구상의 한계가 있게 된다. 이러한 이유로 인해 본 논문에서는 로봇이 전 방향으로 이동。] 가능하도록 조향장치를 고려하였고, 비 평탄 지형이나 암석과 같은 장애물이 있는 험로를 주행 시 멀리 돌아가지 않고 이를 극복할 수 있도록 화성 탐사 로봇(Rocky7)등에 사용된 로커-보기 링크 구조를 선택하여 로봇을 설계, 제작하였다] 1-3]. 제작된 로봇을 제어하기 위하여 사용한 기구해석 방법으로 Denavit-Hartenberg(D-H) 규약과 동차 변환행렬, 그리고 Sheth-Uicker(S-U) 규약을 사용하였대 4-6].
이는 바퀴형 이동로봇이 기구 구조상 링크들이 하나의 몸체를 중심으로 여러 링크들이 병렬적으로 연결되어있는 다중체인구조이고, 높은 짝으로 바퀴와 지면이 관절을 이루고 있기 때문이다. 그래서 본 논문에서는 높은 짝을 이루는 바퀴와 지면에 대해서는 S-U 규약을 그리고 낮은 짝을 이루는 나머지 관절에 대해선 D-H 규약을 적용하였다. 또한 자코비안 행렬을 이용하여 로봇의 순방향 속도기구학과 그 역기 구학을 유도하였다 또한 실제 제작된 로봇과 제어시스템을 보이고 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 속도기 구학에 대한 타당성을 검증하였다
기구해석을 위한 로봇모델링 방법으로는 매니퓰레이터형 로봇의 해석 방법으로 많이 사용하는 동차변환행렬과 D-H 규약뿐만 아니라 순간 일치 좌표계와 S-U 규약을 도입하였다. 이는 바퀴형 이동로봇이 기구 구조상 링크들이 하나의 몸체를 중심으로 여러 링크들이 병렬적으로 연결되어있는 다중체인구조이고, 높은 짝으로 바퀴와 지면이 관절을 이루고 있기 때문이다.
본 논문을 통해 제작된 로봇은 앞뒤 4개의 바퀴 모두 조향이 가능하고, 가운데 2개의 바퀴는 전 방향성을 갖는 수동형 바퀴를 사용하였기 때문에 제자리 회전뿐만 아니라 전 방향으로도 이동이 가능한 구조를 갖게 하였다. 또한 중앙에 위치한 2개의 바퀴를 로봇 중심에 오도록 배치하여 로봇의 회전중심이 각 바퀴의 회전축과 일치하도록 설계하였다. 따라서 바퀴들이 접촉면과 슬립이 발생하지 않으며, 상대적으로 높은 이동성을 갖는다.
하지만 본 논문을 통해 제작된 로봇은 앞뒤 4개의 바퀴 모두 조향이 가능하고 중앙에 위치한 2개의 전 방향성을 갖는 수동형 바퀴를 로봇 중심에 오도록 배치하여 제자리 회전뿐만 아니라 전 방향으로도 이동이 가능한 구조를 갖도록 하였다. 또한, 2개의 수동형 바퀴를 로봇 중심에 오도록 배치하여 로봇의 회전중심이 각 바퀴의 회전축과 일치하도록 설계하여 최디한 바퀴는 지면과 미끄러짐이 발생하지 않도록 하였다. 본 논문에서 로봇의 기구학을 해석하는 방법이 [1, 2]에서와 유사한 과정을 갖지만 로봇을 실제 제작하고, 그에 맞게 기구학을 재해석 하는데 중점을 두고 서술하였다.
개발한 사용자 인터페이스는 로봇의 움직임을 그래픽 에니메이션으로 보여줌으로서 사용자가 상황에 맞게 적절한 명령을 내릴 수 있게 한다. 로봇에 대한 명령은 조이스틱을 이용한 원격조작이 가능하도록 시스템을 구성하였다. 그림 7은 개발한 그래픽 시뮬레이터와 시스템 구성을 나타낸다.
해를 구하는 방법에 대해 서술하였다. 로봇은 전 방향으로 이동이 가능한 조향장치와 비 평탄 지형이나 암석과 같은 장애물이 있는 험로를 주행 시 이를 극복할 수 있는 로커-보기 링크 구조를 갖도록 제작하였다. 이러한 메커니즘은 이동로봇이 평탄하지 않은 지형을 이동할 경우 바퀴와 지면이 떨어지지 않고 항상 접지될 수 있도록 한다.
로봇의 순방향 기구학을 수학적으로 모델링 하기 위하여 관절 공간에서의 속도를 직고좌표공간의 속도로 표현하는 자코비안 행렬을 유도한다. 자코비안 행렬을 구하기 위하여 바퀴의 움직임을 로봇의 움직임으로 표현한다.
또한 일반적으로 바퀴의 크기에 비해 상대적으로 큰 장애물을 극복할 수 있다는 특징이 있다. 본 논문에서 개발한 로봇은 로커-보기의 양 끝에 있는 4개의 바퀴가 모두 구동 및 조향 모터를 가지고 있으며, 가운데 바퀴는 수동 전 방향 바퀴로 구성되어 로봇이 전 방향으로 주행 가능한 구조를 갖는다.
본 논문에서 로봇의 기구학을 해석하는 방법이 [1, 2] 에서와 같이 기존에 방법과 유사한 과정을 갖지만 로봇을 실제 제작하고, 그에 맞게 기구학을 재해석하는데 중점을 두었다. 기구해석을 위한 로봇모델링 방법으로는 매니퓰레이터형 로봇의 해석 방법으로 많이 사용하는 동차변환행렬과 D-H 규약뿐만 아니라 순간 일치 좌표계와 S-U 규약을 도입하였다.
통해 관절의 운동을 구한다. 본 논문에서는 이동로봇의 중심과 바퀴와 지면 사이에 S-U 규약에 따른 복수의 좌표계를 설정하였고, 나머지 관절에 대해서는 D-H 규약에 따라 좌표계를 설정하였다. 각 좌표계는 다음과 같다.
본 논문에서 로봇의 기구학을 해석하는 방법이 [1, 2]에서와 유사한 과정을 갖지만 로봇을 실제 제작하고, 그에 맞게 기구학을 재해석 하는데 중점을 두고 서술하였다. 본 논문을 통하여 개발한 로봇 시스템은 로커-보기 링크 구조를 갖는 로봇 몸체와 각 구동/조향 모터들을 직렬 네트웍으로 연결하는 CAN 임베디드 제어기, 원격의 호스트 모니터링 시스템과의 무선 통신 시스템 및 원격조작용 조이스틱 제어기로 구성된다.
이러한 메커니즘은 이동로봇이 평탄하지 않은 지형을 이동할 경우 바퀴와 지면이 떨어지지 않고 항상 접지될 수 있도록 한다. 본 논문을 통해 제작된 로봇은 앞뒤 4개의 바퀴 모두 조향이 가능하고, 가운데 2개의 바퀴는 전 방향성을 갖는 수동형 바퀴를 사용하였기 때문에 제자리 회전뿐만 아니라 전 방향으로도 이동이 가능한 구조를 갖게 하였다. 또한 중앙에 위치한 2개의 바퀴를 로봇 중심에 오도록 배치하여 로봇의 회전중심이 각 바퀴의 회전축과 일치하도록 설계하였다.
본 논문을 통해 제작된 이동로봇은 평탄한 지형에서만 주행하기 위한 것이 아니라 비평 탄한 지형이나 장애물이 있는 곳에서도 안정된 주행을 할 수 있도록 하기 위하여 차동기어와 로커-보기 사이에 회전조인트들로 구성되는 링크 구조를 채택하였다
본 절에서는 자코비안을 사용하여 이동로봇의 속도기 구학 및 역기 구학의 해를 구하도록 한다. 속도기구학을 구하기 전에 기구해석을 용이하게 하기 위하여 다음과 같은 가정을 한다{6].
속도 기구학을 구한 후, 이를 이용하여 이동로봇의 미소 운동(또는 속도)에 대해 각 바퀴 또는 관절에서 요구되는 미소 운동(또는 속도)을 구하는 역기 구학을 해석한다.
로봇을 제어하기 위한 시스템은 다음과 같다. 원하는 로봇의 이동경로에 대한 각 모터의 속도와 조향각을 생성하기 위한 주제어기로 SBC(Single Board Computer), 직접 모터를 제어하기 위한 DC 모터 궤 환 제어기, 마지막으로 두 제어기 사이의 네트워크는 CAN(Controller Area Network)을사용하여 그림 6과 같이 구성하였다.
이동로봇의 미소운동(또는 속도)에 대해 각 바퀴 또는 관절에서 요구되는 미소운동(또는 속도)을 계산하기 위하여 역기 구학의 해를 구한다. 바퀴의 조향각을 결정하기 위해서기하학적인 방법을 사용하기로 한다[1].
또한 로봇의 회전추을 구할 때에도 고정된 4개의 바퀴로 인해 로봇이 회전 시 회전중심은 각 바퀴의 회전축과 일치하지 않아 회전중심을 정확하게 구할 수 없다는 단점이 있다. 하지만 본 논문을 통해 제작된 로봇은 앞뒤 4개의 바퀴 모두 조향이 가능하고 중앙에 위치한 2개의 전 방향성을 갖는 수동형 바퀴를 로봇 중심에 오도록 배치하여 제자리 회전뿐만 아니라 전 방향으로도 이동이 가능한 구조를 갖도록 하였다. 또한, 2개의 수동형 바퀴를 로봇 중심에 오도록 배치하여 로봇의 회전중심이 각 바퀴의 회전축과 일치하도록 설계하여 최디한 바퀴는 지면과 미끄러짐이 발생하지 않도록 하였다.

대상 데이터

바퀴의 지름은 구동 바퀴가 140mm 보조 바퀴가 80mm이다. 로봇의 크기는 426mm의 폭, 590mm의 길이 그리고 298mm의 높이로 제작되었다. 두 개의 메인 로커는 로봇 몸체의 양측견에 붙어있고, 각 메인 로커의 양 끝에는 조향 가능한 구동 바퀴와 보기가 연결되어 있다.
제작된 로봇의 구조는 다음과 같다. 바퀴는 총 6개로 그중 조향 및 구동이 가능한 4개의 바퀴와 전 방향 이동이 가능하고 구동력이 없는 2개의 보조 바퀴를 사용하였다. 바퀴의 지름은 구동 바퀴가 140mm 보조 바퀴가 80mm이다.
바퀴는 총 6개로 그중 조향 및 구동이 가능한 4개의 바퀴와 전 방향 이동이 가능하고 구동력이 없는 2개의 보조 바퀴를 사용하였다. 바퀴의 지름은 구동 바퀴가 140mm 보조 바퀴가 80mm이다. 로봇의 크기는 426mm의 폭, 590mm의 길이 그리고 298mm의 높이로 제작되었다.
본 논문을 통해 제작된 로봇은 화성 탐사 로봇등에 사용한 로커-보기 구조를 갖는 대2]. 로커-보기 구조는 로봇의 중심에 차동기어가 있고 기어 축을 중심으로 로봇의 양 측면에 로커와 보기가 연결되어 있다.

이론/모형

또 다른 문제로 링크들 사이의 각 관절이 낮은 짝(lower pair)을 갖는 매니퓰레이터와 달리 바퀴형 이동로봇은 높은 짝(higher pair)으로 바퀴와 지면이 조인트를 이루고 있다는 점이다(8, 9]. 이러한 문제를 해결하기 위하여 Muir 등이 제시한 S-U 규약과 순간 일치 좌표계의 개념을 적용하여 로봇기구학을 해석하였다[6].
이러한 이유로 인해 본 논문에서는 로봇이 전 방향으로 이동。] 가능하도록 조향장치를 고려하였고, 비 평탄 지형이나 암석과 같은 장애물이 있는 험로를 주행 시 멀리 돌아가지 않고 이를 극복할 수 있도록 화성 탐사 로봇(Rocky7)등에 사용된 로커-보기 링크 구조를 선택하여 로봇을 설계, 제작하였다] 1-3]. 제작된 로봇을 제어하기 위하여 사용한 기구해석 방법으로 Denavit-Hartenberg(D-H) 규약과 동차 변환행렬, 그리고 Sheth-Uicker(S-U) 규약을 사용하였대 4-6]. 동차 변환행렬과 D-H 규약은 매니퓰레이터 형 로봇의 해석 방법으로 많이 사용되고 있지만 이것만으론 바퀴형 이동로봇의 기구해석을 하기엔 몇 가지 문제점이 있다.

성능/효과

3) 바퀴와 지면 사이 병진 마찰은 매우 크다.
4) 바퀴와 지면 사이 회전마찰은 충분히 작다
그래서 본 논문에서는 높은 짝을 이루는 바퀴와 지면에 대해서는 S-U 규약을 그리고 낮은 짝을 이루는 나머지 관절에 대해선 D-H 규약을 적용하였다. 또한 자코비안 행렬을 이용하여 로봇의 순방향 속도기구학과 그 역기 구학을 유도하였다 또한 실제 제작된 로봇과 제어시스템을 보이고 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 속도기 구학에 대한 타당성을 검증하였다

후속연구

본 논문에서 개발한 이동로봇이 사람의 명령을 받아 작업을 수행하기 위해서는 사람과 로봇 사이에 정보를 주고받을 수 있는 MMI(Man-Machine-Interface)7}- 필요하다. 개발한 사용자 인터페이스는 로봇의 움직임을 그래픽 에니메이션으로 보여줌으로서 사용자가 상황에 맞게 적절한 명령을 내릴 수 있게 한다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

로커-보기 링크 구조를 갖는 전방향 이동로봇 시스템개발
Development of Omni-Directional Mobile Robot System with Rocker-Bogie Link Structure 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (11)

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

로커-보기 링크 구조를 갖는 전방향 이동로봇 시스템개발 Development of Omni-Directional Mobile Robot System with Rocker-Bogie Link Structure 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (11)

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

로커-보기 링크 구조를 갖는 전방향 이동로봇 시스템개발
Development of Omni-Directional Mobile Robot System with Rocker-Bogie Link Structure 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper