[논문]지뢰제거를 위한 로봇 텔레오퍼레이션 기술 연구

임수철; 유삼현

[국내논문] 지뢰제거를 위한 로봇 텔레오퍼레이션 기술 연구
A Study on the Robot Teleoperation for Mine Removal 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.11 no.6, 2008년, pp.156 - 163

임수철 (육군사관학교 무기.기계공학과) , 유삼현 (육군사관학교 무기.기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Future Combat System(FCS), such as unmanned systems that reduce the danger faced by soldiers in the field, are likely to be studied and developed. Soldiers when finding and disposing of mines risk injury and death. Several methods of safe mine retrieval are investigated. In this paper, a mine removal method, which uses a remote controlled robot to get rid of mines using a 4 channel architecture teleoperation method is used. The robot, when in contact with soil and mines, is controlled by a remote control. The feasibility of using teleoperation controlled system to remove mines is demonstrated in this paper. The Matlab-Simulink was used as a tool to simulate mine removal with robots. The force and position of the robot{slave system of 4 channel architecture) and controller(master system of 4 channel architecture) are analyzed when users handle the controller with sinusoidal force.

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[표 1]은 토지의 물성치, 지뢰의 물성치, 로봇과 조종기의 물성치 및 사람 손의 물성치问를나타내고 있다. 이때 슬레이브와 마스터는 비슷한 장치를 사용한다고 가정한다. 두 장치는 비슷한 장치지만 실제 장치 개발 시 발생되는 오차를 물성치 값에 적용하여 시뮬레이션 하였다.
[표 1]의 물성치를 이용하여, 지뢰 제거 시 10N의 힘을 가지는 1Hz, 10Hz의 Sine 입력을 이용하여 텔레오퍼레이션을 한다고 가정하여 시뮬레이션 하였으며, 이때 C₃, C₄는 1, C₁, C₄는 P 게인 값을 5, I 게인 값을 10, Cs, Cm에서는 P 게인값을 5, I 게인값을 1, D 게인 값을 10으로 하여 제어하였다. 이때 나타나는 움직임과 힘의 관계를 [그림 4]의 텔레오퍼레이션 기술을 이용한 시뮬레이션을 통해 효용성을 알아본다.

제안 방법

사용자가 원격으로 로봇 팔의 영상 및 촉감정보를 실제 로봇에서 전달 받아, 이 정보를 이용하여 로봇 팔을 조종함으로써 지뢰를 제거할 수 있게 된다. 본 연구에서는 마스터 장치를 이용한 로봇 텔레오퍼레이션 기술을 적용할 경우, 실제 원격 지뢰제거시 필수적인 요소인 힘 반향이 가능한지 여부를 시뮬레이션 결과를 통해 분석한다.
로봇 텔레오퍼레이션 기술을 이용한 지뢰제거 작업에 적용 가능한지 여부를 MATLAB-simulink 이용하여 시뮬레이션 하고 조종기와 로봇팔에서의 변위와 힘을 측정하였다. [표 1]은 토지의 물성치, 지뢰의 물성치, 로봇과 조종기의 물성치 및 사람 손의 물성치问를나타내고 있다.
이때 슬레이브와 마스터는 비슷한 장치를 사용한다고 가정한다. 두 장치는 비슷한 장치지만 실제 장치 개발 시 발생되는 오차를 물성치 값에 적용하여 시뮬레이션 하였다.
값을 10으로 하여 제어하였다. 이때 나타나는 움직임과 힘의 관계를 [그림 4]의 텔레오퍼레이션 기술을 이용한 시뮬레이션을 통해 효용성을 알아본다. [그림 5]부터 [그림 8]까지는 사용자가 조종기를 10N 의 힘을 가지고 1Hz와 10Hz의 Sine파를 입력으로 원격으로 로봇을 조종하여 로봇팔이 토지 및 지뢰에 닿았을 경우의 시뮬레이션 한 결과를 그래프로 보여주고 있다.

성능/효과

각 그림에서 알 수 있듯이, 각각의 제어 상수를 마스터와 슬레이브를 각각 PID 콘트롤, 위치 정보 입력을 PI 콘트롤, 힘 정보를 P 콘트롤을 할 수 있도록설정함으로서, 슬레이브와 마스터간의 정보를 주고 받았을 때 안정적인 제어를 할 수 있음을 알 수 있다. 이렇게 지뢰를 제거 할 시 지뢰에 로봇 툴이 닿았을 때 빠른 움직임으로 제어 시에 조종자에게 큰 반발력을 주어 작업을 어렵게 함과 동시에 지뢰 작업시 생기는 빠른 동작의 경우 사용자의 힘을 지뢰에는감소 시켜 전달하도록 설계 되어졌다.
본 연구에서 적용된 로봇 텔레오퍼레이션 기술을 이용한 지뢰제거는 원격에서 사용자가 조종기로 조종을 함으로써 로봇 팔이 조종기에서 내는 힘과 변위를 같거나, 증폭, 감소시킴으로써 제어할 수 있는 기법이다. 이를 통해 지뢰 제거 시 저주파 입력, 즉 느린 작업 시에는 똑같이 힘과 변위가 동일하게 추종할 수 있도록 하고, 빠른 작업 시에 지뢰가 닿을 경우 로봇이 받는 힘을 사용자에게 증폭을 시켜주게 됨으로써 제약을 가지게 됨으로써 더욱 안정성을 높이면서 지뢰 제거 할 수 있도록 하였다.
본 논문의 연구 결과 주어진 특정 조건하에서 원격으로 로봇 팔을 이용하여 지뢰 제거 시, 로봇팔이 느끼는 힘을 조종기에서 받을 수 있고 조종기의 움직임을 로봇이 추종할 수 있도록 하여 지뢰 제거 시 유용성을 볼 수 있다.

후속연구

본 논문에서 제시된 원격제어 기법을 이용한 지뢰 제거의 경우 국방 로봇 분야에 있어서 크게 기여할 것으로 판단된다. 실제 시스템인 로봇팔, 조종기, 지뢰, 토지 등의 정확한 제원과 시스템에 부합하는 제어기법을 이용하게 된다면 실제 지뢰 제거에도 유용하게 사용가능하다.
판단된다. 실제 시스템인 로봇팔, 조종기, 지뢰, 토지 등의 정확한 제원과 시스템에 부합하는 제어기법을 이용하게 된다면 실제 지뢰 제거에도 유용하게 사용가능하다. 또한 영상 이미지와 함께 제어 기법을 같이 사용하게 되는 경우 그 효용성이 더 높아질 것이다.

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Kawahara T, et al, "Noncontact Impedance Sensing", Artificial Life Robotics, Vol. 10, pp. 35-40, 2006

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