[논문]가변트랙형 메커니즘의 재난구조 로봇(VSTR)을 위한 장애물 극복

최근하; 정해관; 현경학; 곽윤근

doi:10.5302/j.icros.2007.13.12.1222

가변트랙형 메커니즘의 재난구조 로봇(VSTR)을 위한 장애물 극복
Obstacle Negotiation for the Rescue Robot with Variable Single-Tracked Mechanism 원문보기

제어·자동화·시스템공학 논문지 = Journal of control, automation and systems engineering, v.13 no.12, 2007년, pp.1222 - 1229

최근하 (KAIST 기계항공시스템학부 기계공학) , 정해관 (KAIST 기계항공시스템학부 기계공학) , 현경학 (KAIST 기계항공시스템학부 기계공학) , 곽윤근 (한국과학기술원 기계항공시스템학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose a new obstacle negotiation method for the rescue robot. The rescue robot has a variable geometry single-tracked mechanism, so it can maximize a contact length with ground for the adaptability to off-road and pursue a stable system due to the lower center of gravity. In this research, we add the basis of autonomous navigation, driving mode control based on obstacle detection, to the robot to realize automation of mode transformation. Obstacle detection using PSD(Position Sensitive Device) infrared sensors gives active transformation of the track shape. Finally, experimental results about mentioned are presented.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 운용자에 의한 변형의 경우 실제 재난 현장은 먼지, 연기, 암흑으로 인하여 로봇에서 볼 수 있는 영상이 제한되므로 트랙의 변형시점에 대한 불확실성으로 장애물 극복의 신뢰도가 떨어질 수도 있다. 따라서 본 논문에서는 트랙의 형상이 가변되는 구조를 지닌 가변형 단일 트랙 메커니즘의 구조로봇이 실시간 장애물을 탐지하고 탐지된 장애물 정보를 이용하여 로봇 스스로 가변형 트랙의 변형을 통하여 장애물 극복 성능을 향상시키는 것에 초점을 두었다.
본 절에서는 구현된 제어시스템을 로봇에 적용하여 실제 장애물모형을 대상으로 실험을 수행하고 성능을 평가하였다. 실험은 실내계단 모형과 경사 모형을 장애물 대상으로 하였다.

제안 방법

하였다. 접근각 제어를 위하여 컴퓨터와 DAQ can!, 모터 드라이버를 설치하였고, 접근각을 실시간 측정할 수 있도록 암모터에 가변저항기 (potentiometer)를 설치하여 접근각을 즉정할 수 있도록 하였다. 접근각의 제어는 로봇이 모드 1에서 모드 2로의 변형을 실시할 때 주어진 모드에 맞는 접근각을 정확히 만들기 위한 것으로 PSD 센서로부터 장애물이 탐지되고 이에 맞는 모드가 결정되면 모드에 따라 정해진 변형각(Mode 1 : 0°, Mode 2: 45°)이 입력값이 되며 가변저항기로부터 현재 상태의 접근 각을 피드백 받게 된다.
장애물 탐지(obstacle detect ion) . PSD(Position Sensitive Device) 적외선 센서 2개를 이용하여 장애물의 각과 높이를 추정한다.
이는 로봇의 복잡성을 증가시키고 가격의 증가를 초래하게 된다. 따라서 본 연구에서는 장애물의 각과 높이를 측정하기 위하여 그림 5와 같이 2개의 PSD적외선 센서를 이용하여 수평 방향의 거리와 윗방향 장애물까지의 거리를 센서로부터 탐지하여 기하학적 관계를 통해 (1), (2)와 같은 간단한 식으로 장애물의 각과 높이를 계산한다.
문턱값(thresholds)들을 검증하기 위하여 장애물의 높이, 각을 변화시켜가면서 실험을 수행하였다. 결과는 표 1과 같으며 높이 문턱값은 앞서 해석한 결과 0.
본 연구에서 사용된 로봇시스템은 재난환경에서 생존자 탐색 및 구조작업을.실시하기 위해 제작된 가변트랙형의 재난구조 로봇(Variable Sin잉e-Tracked Rescue Robot, VSTR) 이다.
본 연구에서 주행모드는 그림 3과 같이 수평형상의 모드 1과 접근각을 가지는 모드 2 그리고 응급정지 기능을 가지는 모드 3의 총 세 가지로 정의하였다. 위와 같이 세 가지로 모드를 제한한 이유는 장애물에 따른 잦은 트랙 변형에 따른 접근각의 변화는 로봇에게 많은 프로세스 하중을 줄 수 있으며 비효율적인 에너지 손실과 계산시간의 증가 등의 문제점을 가지게 되기 때문이다.
특히 재난환경은 온도 외부 조명의 밝기 등 환경적 요인이 열악하므로 이런 환경적인 영향에 덜 민감하며 비교적 근거리에서 높은 정확도와 분해능을 지녀야 할 것이다. 본 연구에서는 이런 필요성능을 고려하여 PSD(Position Sensitive Device) 적외선 센서를 선택하였다. 장애물 탐지에 사용되는 PSD 적외선 센서는 광삼각법을 응용한 거리탐지 센서로 적외선 LED로 조사된 빛이 장애물에 반사되어 나오면 반사된 빛이 렌즈를 통하여 센서 수신부에 탐지되는 위치에 따라 장애물까지의 거리를 측정하는 센서이다.
Shigeo Hirose["는 3 자유도를 지니고 좁고 기어 다닐 수 있도록 설계한 Souryxfs를 개발하였다. 이 로봇은 6개의 트랙과 몸 전체가 세 부분으로 나누어져 있으며 각 부분은 조인트에 의하여 불규칙한 지형에 잘 적응하도록 설계되었다.
높이에 대한 문턱값이 높게 측정된 결과는 로봇의 트랙에 설치되어있는 그라우저(gnouger)에 의한 등반능력의 향상으로 인한 것으로 보인다μ3]. 이 실험결과에 의하여 실제 로봇시스템에 적용할 문턱값들을 표 1의 실험치를 수정하여 적용하였다.
이를 위해 먼저 재난환경 내에 있을 수 있는 장애물을 정의하고 장애물을 탐지하기 위하여 PSD 거리 탐지 센서를 사용하여 장애물의 높이정보와 각 정보를 얻었다. PSD 센서는 다른 비전 센서에 비하여 가격이 매우 저렴하고 적은 크기와 전력 소비 등의 장점을 지닌다.

대상 데이터

및 구조작업을.실시하기 위해 제작된 가변트랙형의 재난구조 로봇(Variable Sin잉e-Tracked Rescue Robot, VSTR) 이다. VSTR의 가장 큰 특징은 단일형 트랙의 변형을 통해서 트랙과 장애물과의 접촉점을 높여 장애물 극복성능을 향상시킬수 있다는 것이다.
실험은 실내계단 모형과 경사 모형을 장애물 대상으로 하였다.

성능/효과

계단등반 실험 결과, 그림 10과 같이 로봇이 장애물에 접근하게 되면 모드 1에서 모드 2로 모드가 변화되어 첫 번째 계단을 극복하며 이후 phase 3과 phase 4에서 보는 것과 같이 다시 모드는 2에서 1로 변화되며 앞서 제시한 로봇의 계단 등반 과정과 동일한 과정으로 계단을 극복하였다.
그리고 실험을 통하여 제안된 모드 결정을 위한 문턱값들을 검증한 후 수정하여 모드선택의 정획성을 높였으며 제안된 모드 결정 알고리즘을 구현하고 실내환경에서의 장애물모형을 대상으로 성능평가를 실시하여 실제로 제안된 제어시스템의 성능을 확인할 수 있었다. 향후에는 로봇이 극복할 수 없는 장애물을 접했을 때 로봇 스스로 장애물을 회피할 수 있는 기능을 추가한다면 구조로봇의 장애물 극복 성능은 더욱 커질 수 있을 것으로 생각된다.
본 연구에서는 가변 트랙형의 메커니즘을 지닌 구조 로봇이 재난환경 내에 투입되어 임무 수행시 구조로봇이 자율적으로 장애물을 탐지하고 탐지된 정보를 가지고 장애물에 적합한 주행 모드를 결정하도록 하여 구조로봇의 장애물 극복성능을 향상시킬 수 있음을 보였다.
이는 소형의 구조로봇이 인명구조 작업을 위하여 많은 센서와 부수장비를 장착해야 하는 면을 고려했을 때 PSD 센서를 통한 장애물의 탐지는 매우 유용할 것으로 생각된다. 실험결과에서도 볼 수 있듯이 정확하게 장애물의 거리, 높이, 각을 측정할 수 있고 이를 이용한 로봇의 모드 변화에 정확성을 줄 수 있음을 볼 수 있었다. 주행 모드의 결정에 있어서는 센서로부터 획득한 장애물 정보와 해석적 방법을 통해 얻어진 문턱값들을 통해 구분하고 모드 결정을 판단하여 불필요한 모드 변형을 없애고 기존운용자에 의한 모드 변형과 비교하여 신뢰성을 높일 수 있음을 또한 확인하였다.
실험결과에서도 볼 수 있듯이 정확하게 장애물의 거리, 높이, 각을 측정할 수 있고 이를 이용한 로봇의 모드 변화에 정확성을 줄 수 있음을 볼 수 있었다. 주행 모드의 결정에 있어서는 센서로부터 획득한 장애물 정보와 해석적 방법을 통해 얻어진 문턱값들을 통해 구분하고 모드 결정을 판단하여 불필요한 모드 변형을 없애고 기존운용자에 의한 모드 변형과 비교하여 신뢰성을 높일 수 있음을 또한 확인하였다.
27m로 측정되었으며 각 문턱값은 해석치와 유사한 40° 의 실험결과를 나타냈다. 특히 로봇의 초기 등반에서는 40° 이상의 경사장애물일 경우 모드 2로의 변형 없이 등반할 수 없었으며 초기 등반이 후에서는 모드 1, 2 모두 경사각에서 미끄러지며 더 이상 등반하지 못함을 확인하였다. 이는 앞서 해석한 바와 비슷한 결과를 보였다.

후속연구

따라서 최근 장애물 극복에 적합한 구동메커니즘을 가지는 로봇들이 많이 선보이고 있다. 이렇듯 특수목적용 로봇의 임무 환경 극복을 위한 구동메커니즘과 제어에 관한 연구는 가치가 있다고 생각되며 로봇이 임무를 인간과 같이 정확하고 신뢰성 있게 수행할 수 있는 기본 바탕이 될 수 있을 것으로 생각된다.
성능을 확인할 수 있었다. 향후에는 로봇이 극복할 수 없는 장애물을 접했을 때 로봇 스스로 장애물을 회피할 수 있는 기능을 추가한다면 구조로봇의 장애물 극복 성능은 더욱 커질 수 있을 것으로 생각된다.

참고문헌 (18)

G. W. Kohler, N. Sleigh, and M. Salaske, 'Manipulator vehicle of the nuclear emergency brigade in the federal republic of germany,' Proc. of 24th Conf. on Remote System Technology, pp. 196-218, 1976
Y. Maeda, S. Tsutani, and S. Hagihara, 'Prototype of multifunctional robot vehicle' Prototype of Multifunctional Robot Vehicle,' Proc. of Int. conf. on Advanced Robotics, pp. 421-428, 1985
T. Iwamoto and H. Yamamoto, 'Mechanical design of variable configuration tracked vehicle,' J. of Mechanical Design, vol. 112, pp.289-294, 1990

상세보기
J. D. Martens and W. S. Newman, 'Stabilization of a mobile robot climbing stairs,' Proceeding of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, vol. 3, pp. 2501-2507, 1994
K. Yoneda, Y. Ota, and S. Hirose, 'Development of Hi-grip crawler using a deformation of powder,' JSRJ, vol. 15, pp. 1188-1193, 1997
H. Schempf and E. Mutschler, 'Pandora: Autonomous urban robotic reconnaissance system,' IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation (ICRA '99), vol. 3, pp. 2315-2321, 1999
J. Y. Hirose, S., 'Search on leg-wheel hybrid stair-climbing robot, Zero Carrier,' 2004 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics, pp. 654-659, Aug. 2004
B. Shah and H. Choset, 'Survey on urban search and rescue robotics,' CMU, Pittsburgh, PA 15213
C. H. Lee and Y. K. Kwak, 'Double-track mobile robot for hazardous environment applications,' Advanced Robotics, vol. 17, no.5, pp.447-459, 2003

상세보기
K. H. Choi, H. K. Jeong, and Y. K. Kwak, 'Obstacle detection and driving mode decision for a rescue robot using a PSD sensor,' Proceedings of the KSME 2006 Fall Annual Meeting, pp. 680-685, 2006
Y. Xiong, L. Matties, 'Vision-guided autonomous stairs climbing,' IEEE International Conference on Robotics and Automation, April 2001
K. H. Choi, H. K. Jeong, J. H. Choi, H. D. Choi, and Y. K. Kwak, 'Obstacle detection and overcoming for mobile robot with variable geometty single-tracked mechanism,' Proceedings of the KIMST2006, pp. 680-685, 2006
N. E. Park, D. I. Park, and Y. K. Kwak, 'Track shape f or performance improvement of the rescue robot's climbing stairs,' Proceedings of the KSME 2005 Fall Annual Meeting, pp. 859-864, 2005
S. K. Lim, D. I. Park, B. S. Kim, S. W. Jeon, and Y. K. Kwak, 'Variable geometry single-tracked mechanism for a rescue robot,' Proceedings of the 2005 IEEE, International Workshop on Safety, Security and Rescue Robotics, pp. 111-115, 2005
H. Mo, P. Huang, and S. Wu, 'Study on dynamic stability of a tracked robot climbing over an obstacle or descending Stairs,' Electronic Design, Test and Applications, 2006 Third IEEE International Workshop, pp. 210-213, Jan. 2006
R. Manduchi, 'Obstacle detection and terrain classification for autonomous off-road navigarion,' Autonomous Robots, vol. 18, pp. 81-102, 2005

상세보기
L. Matthies, A. Kelly, T. Litwin, and G. Tharp, 'Obstacle detection for unmanned ground vehicles: A progress report,' 7th International Symposium of Robotics Research, Munich, Germany, 1995
L. Matthies, T. Litwin, K. Owens, A. Rankin, K. Murphy, et al., 'Performance evaluation of UGV obstacle detection with CCD/FLIR stereo vision and LADAR,' IEEE Workshop on Perception for Mobile Agents, Santa Barbara, CA, June 1998

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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