[논문]소형 정찰 로봇의 도약 메커니즘 개발

태원석; 김수현; 곽윤근

문제 정의

제안된 형태는 로봇의 본체와 지면 의 반작용력의 크기와 방향이 실시간으로 변하기 때 문에 모멘트 발생은 불가피한 현상이라 할 수 있다. 모멘트 감소를 위한 여러 방법 중 시간과 비용 면을 고려하여 안정적인 형상설계를 통해 모멘트를 줄이고자 했다.
자연 속에서 모든 생물들 은 오랜 시간 동안 퇴화와 진화의 과정을 거치면서 각 각의 생물체가 살아가는 환경에 가장 적합한 기능만을 가지게 되었기 때문에, 목표로 하는 지형에 따라 적합 한 기능을 시사해 줄 수 있다. 본 연구는 도약을 주요 기능으로 하는 생물체를 모사하여 도약 메커니즘을 개발하였다. 특히 마찰력 감소, 모멘트 감소 등의 방법을 통해 에너지 손실을 줄이고 4절 링크를 사용하여 도약각(take-off angle) 조정 할 수 있는 메커니즘 개발에 초점을 두었으며 시뮬레 이션과 실험을 통해 제안한 메커니즘의 효과를 입증 하였다.
본 연구는 생물체의 기능 및 형태적인 면을 모방하 여 기계적으로 구현하였다. 자연 속에서 모든 생물들 은 오랜 시간 동안 퇴화와 진화의 과정을 거치면서 각 각의 생물체가 살아가는 환경에 가장 적합한 기능만을 가지게 되었기 때문에, 목표로 하는 지형에 따라 적합 한 기능을 시사해 줄 수 있다.
도약각을 조정할 수 있다는 것은 에너지 효율 과 장애물 극복할 확률 면에서 좋은 역할을 한다고 할 수 있다. 본 연구에서는 4절 링크의 링크 길이에 따른 링크의 궤적 변화를 이용하여 도약각 조정하고자 하였다.
본 연구에서는 소형 정찰 로봇에 적합한 이동 메커 니즘으로 도약 메커니즘을 제안하였고 개구리 다리의 기능과 형태를 모사하여 모듈화된 소형의 도약 메커니 즘을 개발하였다.
시뮬레이션은 커플러의 길이에 따른 도약 높이와 모 멘트, 무게중심의 위치에 따른 도약 높이와 모멘트, 커 플러 길이에 따른 도약각 변화를 확인하고자 실시하였다.

가설 설정

(c), 본체의 관성에 의해 발을 들어올리며 운 동량 보존 법칙에 의해 최종 이륙속도는 v2가 된다

제안 방법

6으로 “O”는 상관관 계가 많음을 나타내고 “X”는 상관관계 적음을 나타낸 다. 각각의 변수를 결정함에 있어 변수 간의 영향을 최소화하기 위해서 비연성화(decoupled) 과정을 통해 왼쪽 행렬과 같은 관계를 오른쪽 행렬과 같은 관계로 만들었고, 이것을 바탕으로 설계의 순서를 링크의 길 이 및 형상 결정, 커플러의 길이 결정, 스프링 상수 결정 순으로 하였다.
기능 요구 사항을 정리하고 설계변수를 선택했다.
도약 메커니즘에 사용될 다리는 4절 링크를 통해 구현했고 특히 커플러의 길이 조정을 통해 다리 궤적 을 변화시키고 도약각을 조정하고자 했다[4]. Fig.
도약 메커니즘을 제안하기 앞서 모델링을 실시하였다.
둘째로 모멘트 감소를 줄이기 위해서 안정된 형태로 설계를 하였다. 제안된 형태는 로봇의 본체와 지면 의 반작용력의 크기와 방향이 실시간으로 변하기 때 문에 모멘트 발생은 불가피한 현상이라 할 수 있다.
소형 로봇의 크기와 무게를 고려했을 때 에너지 손실과 에너지 효율은 중요한 고려사항이다. 따라서 설계 시 에너지 손실을 최소화할 수 있도록 설계를 진행하였다.
또한 저장된 에너지가 방출될 때 에너지 손실은 매 우 중요한 요인으로 4절 링크의 각 조인트에서 발생 하는 마찰과 지면과 접촉하는 접촉점에서의 미끄러짐 (slip)현상을 최소화하기 위해 조인트에는 베어링을 사 용하였고 지면과 접촉하는 링크의 끝은 뾰족하게 형 상을 만들어 지면과의 마찰력을 높이고자 했다.
로봇 본체에 작용하는 반작용력의 크기를 줄이고 에너지 손실을 최소화하기 위해 링크길이 l1, l2의 길 이를 결정했다. l₁ / l₂의 크기가 작아질수록 스프링에 너지가 방출될 때 지면으로부터 받는 힘의 크기가 작 아지게 되므로 l₂의 길이가 길어질수록 본체에 가해지 는 힘은 작아지게 된다.
마지막은 에너지 저장 및 방출 메커니즘으로 에너 지방출 시 고려해야 할 짧은 방출 시간과 마찰의 최 소화를 위해 복잡하지 않고 단순한 구조에 강건한 성능과 특별한 제어가 필요 없는 메커니즘을 설계하였다.
먼저 마찰력을 감소할 수 있도록 설계를 진행하였 다. 마찰에 의한 스프링 효과의 감소폭은 약한 스프링 일수록 크기 때문에 마찰을 최소화하기 위해 회전 조인트 이외에 추가적인 가이드가 필요 없는 인장 스프 링을 사용하였다.
먼저 마찰력을 감소할 수 있도록 설계를 진행하였 다. 마찰에 의한 스프링 효과의 감소폭은 약한 스프링 일수록 크기 때문에 마찰을 최소화하기 위해 회전 조인트 이외에 추가적인 가이드가 필요 없는 인장 스프 링을 사용하였다.
셋째로 도약각을 조정할 수 있는 메커니즘을 설계 하였다. 도약각을 조정할 수 있다는 것은 에너지 효율 과 장애물 극복할 확률 면에서 좋은 역할을 한다고 할 수 있다.
실험은 로봇이 극복 가능한 도약 높이를 측정하는 방식으로 진행하였다. 장애물의 높이는 8cm, 13cm 순으로 실시했으며 극복 가능한 장애물의 최대 높이는 13cm이다.
커플러의 길이 변화에 따른 도약각의 변화여부도 시 뮬레이션을 통해 알아보았다. 도약 시 지면과 이루는 각도는 지면과 접촉력을 잃는 순간에 도약 거리 - 높 이 그래프의 기울기로 14mm의 경우 77°, 18mm의 경 우 72°, 22mm의 경우 69°의 도약각도로 도약하였다.
커플러의 길이는 14mm, 18mm, 22mm로 변경하였고 무게중심의 위치는 본체의 앞, 중간, 뒤쪽으로 변경하 며 실시하였다. 시뮬레이션 결과는 Table 2와 같다.
커플러의 길이에 따라 링크의 운동에 변화가 생기 는 것을 고려하여 90도 이내에서 구동에 제한이 없도록 커플러의 최소길이를 계산하였다. 앞서 정해진 l₂ 의 길이를 통해 얻어진 커플러의 최소 길이는 14mm 이고 이때 가장 높은 도약각을 가지며 길이가 길어질 수록 도약각은 작아진다.
특히 로봇의 구조상 발생할 수 있는 모멘트를 줄이 기 위한 접촉점 개수 결정, 무게중심의 위치와 도약각 도에 따른 링크길이 및 커플러(coupler)의 길이 조정, 그리고 마찰에 의한 에너지 손실을 줄이기 위한 단순 한 구조 등을 중점적으로 연구하였다. 설계과정을 통 해 개발된 도약 메커니즘은 단순한 구조의 4절 링크를 사용한 무게 86g, 크기 8cm이하의 소형 도약 메커니즘 으로 커플러 길이의 변화로 도약각도를 조절이 가능하 다.
본 연구는 도약을 주요 기능으로 하는 생물체를 모사하여 도약 메커니즘을 개발하였다. 특히 마찰력 감소, 모멘트 감소 등의 방법을 통해 에너지 손실을 줄이고 4절 링크를 사용하여 도약각(take-off angle) 조정 할 수 있는 메커니즘 개발에 초점을 두었으며 시뮬레 이션과 실험을 통해 제안한 메커니즘의 효과를 입증 하였다.
하지만 여전히 링크의 회전 방향의 수직으로 링크에 큰 힘이 작용하기 때문에 다리의 질량을 줄이며 회 전방향의 수직방향 힘을 잘 견딜 수 있는 ‘H’ 형 단면 으로 링크를 설계하였다.

대상 데이터

2와 같이 도약 로봇은 본체와 다리로 이루어지 고, 이 둘은 스프링과 회전 조인트로 연결된다. 본체 는 모터, 기어, 스프링 등 다리를 제외한 모든 부분으 로 이루어져 있고 다리는 스프링 끝에 연결되어 지면 과 접촉하며 지면과 마찰력을 확보하는 부분이다. 도약의 과정을 에너지 손실이 없다고 가정하고 로봇 형상을 단순화하면 Fig.
제작은 RP(Rapid Prototype)을 이용하여 제작하였다. 사용된 재료는 epoxy resin으로 비중 1.2의 다소 무거 운 재질이다. 사용한 스프링은 965N/m 두 개를 병렬로 사용했으며 모터의 토크는 0.
제작은 RP(Rapid Prototype)을 이용하여 제작하였다. 사용된 재료는 epoxy resin으로 비중 1.
3N/m이고 추가로 사용한 기어의 감속비는 281:1이다. 커플러의 길이는 18mm로 하였다. 제작된 모습은 Fig.

데이터처리

실험 결과를 바탕으로 선행 연구 실시한 로봇들과 비교하였다. Table 4는 그 결과로서 극복 가능한 장애 물 높이는 Whegs보다 높게 뛰지만 전체적으로 볼 때 낮은 수준이다.

이론/모형

메커니즘은 외란에 큰 영향 없이 일정한 성능을 내 고, 에너지 손실을 최소화하기위해 단순하고 강건하게 설계가 되어야 한다. 이러한 조건을 만족시키기 위해 슬립기어 메커니즘을 사용하였다. Fig.

성능/효과

도약 기능을 이용하여 로봇 몸체의 크기에 수 배에서 수십 배에 이르는 장 애물을 극복할 수 있으며 험지 극복 또한 용이하다.
시뮬레이션 결과 커플러의 길이가 길어질수록 회전 운동에너지가 증가함을 알 수 있었고 회전 운동에너 지가 작을수록 도약 높이가 커짐을 알 수 있었다. 또 한 무게 중심의 위치가 커플러의 길이 조정에 비해 회 전 운동에너지 변화에 더 큰 영향을 준다는 것을 알 수 있었다.
시뮬레이션 결과는 Table 2와 같다. 시뮬레이션 결과 커플러의 길이가 길어질수록 회전 운동에너지가 증가함을 알 수 있었고 회전 운동에너 지가 작을수록 도약 높이가 커짐을 알 수 있었다. 또 한 무게 중심의 위치가 커플러의 길이 조정에 비해 회 전 운동에너지 변화에 더 큰 영향을 준다는 것을 알 수 있었다.
둘째로 모멘트 감소를 줄이기 위해서 안정된 형태로 설계를 하였다. 제안된 형태는 로봇의 본체와 지면 의 반작용력의 크기와 방향이 실시간으로 변하기 때 문에 모멘트 발생은 불가피한 현상이라 할 수 있다. 모멘트 감소를 위한 여러 방법 중 시간과 비용 면을 고려하여 안정적인 형상설계를 통해 모멘트를 줄이고자 했다.
36으로 양호한 수 준이며 도약 높이 대비 로봇의 무게는 상대적으로 높 은 수준이라 할 수 있다. 종합적으로 기존의 로봇과 비교해 볼 때 양호한 수준의 도약 성능을 보인다고 할 수 있다.

후속연구

또한 힘이 많이 작용하는 부분을 견고 하게 설계하지 못하고 이로 인해 회전축이 평행하지 않게 되어 에너지를 방출하는 시점에서 에너지 손실 이 많았다. 그래서 2차 버전 제작을 진행함에 있어 큰 힘이 작용하는 부분을 미리 고려하여 정교하면서도 완성도 높은 설계할 수 있도록 연구를 진행할 계획이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스프링은 어떻게 변형하는가?	스프링은 회전조인트에 의해 일정한 궤적을 가지고 변형을 한다. 이것은 선형으로 변형되었을 때 보다 더 많은 부피를 차지하기 때문에 로봇의 내부에 스프링 을 배치할 경우 로봇의 크기 및 무게가 커지고 부품 들과 간섭이 생길 수 있어 스프링의 효과가 많이 감소 할 수 있다.
	정찰로봇이 가져야할 조건 세가지는 무엇인가?	정찰로봇은 다음의 세 가지 조건을 만족해야 한다. 먼저 적으로부터 발견되지 않기 위해 소형이어야 한다. 다음은 병사 개인의 휴대성을 위해 가벼워야 하고 단순한 구조를 가져야 한다. 마지막으로 임무수행을 위한 다양한 환경을 극복해야 한다. 정찰 로봇의 임무 가 정보 획득인 만큼 목표한 지형까지 이동 시 존재 하는 다양한 지형을 극복해야 한다. 다양한 지형을 극 복하기 위해 바퀴형(wheel type) 주행로봇, 궤도형(track type) 주행로봇, 다리형(leg type) 이동로봇 등 다양한 로봇이 개발되었다.
	소형 로봇이 질량이 작기 때문에 갖는 단점은 무엇인가?	다양한 지형을 극 복하기 위해 바퀴형(wheel type) 주행로봇, 궤도형(track type) 주행로봇, 다리형(leg type) 이동로봇 등 다양한 로봇이 개발되었다. 하지만 소형 로봇의 경우 로봇자 체 질량이 작아 마찰력을 이용한 이동이 어려울 수 있으며, 특히 잔디와 같은 유연한 지형의 경우 지면과 충분한 마찰력을 얻지 못해 이동자체가 불가능할 수 있다. 또한 회피가 불가능한 높은 장애물을 만날 경우 일반적인 주행 로봇은 몸체의 크기보다 큰 장애물을 극복할 수 없으며 보조 장비를 써서 극복하더라도 그 높이에는 한계가 있다.

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