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문제 정의
- 본 연구에서 험로 주행 로봇 플랫폼 설계에서 평지 주행 시 신속성과 계단 등반 성능을 동시에 고려하여 설계를 수행하였다. 이를 위해 변형 가능한 트랙과 주행용 바퀴를 조합한 형태로 플랫폼을 설계하였다.
- 본 연구에서는 평지 주행 성능이 뛰어난 휠과 계단 승월 성능이 우수한 무한궤도 형태를 조합하여 평지나 계단 및 험지에서의 지형 적응성을 가지며 도심환경 최적주행 성능을 보이는 모바일 로봇 플랫폼을 설계, 개발하고 험지 환경 테스트베드에서 로봇플랫폼의 주행성능을 검증하고자 하였다. 그리고 평지 주행과 계단 승월의 주행모드 전환을 위해서는 무한궤도의 자세 변형이 이루어지도록 하여 이를 구현하였다.
- 본 연구에서는 평지 주행 시 주행 성능 및 에너지 효율이 우수한 휠 형태와 계단 및 장애물 극복 성능이 뛰어난 무한궤도형태의 주행 메카니즘을 조합하여 계단과 평지 주행 성능을 모두 향상시킬 수 있는 도심환경 최적주행 성능을 보이는 모바일 로봇 플랫폼을 설계, 개발하고 험지 환경 테스트베드에서 로봇플랫폼의 주행성능을 검증하였다. 또한 평지 주행과 계단 승월의 주행모드 전환을 위해서는 무한궤도의 자세 변형이 가변적으로 이루어지도록 하여 이를 구현하였다.
제안 방법
- 상위제어기는 Fanless Embedded Controller[10]에 윈도우XP기반 LabVIEW 응용 프로그램으로 영상 및 제어정보 송수신 통신인터페이스, 모션컨트롤, 센서 데이터 수집, 장애물인식 및 회피 기능 등을 구현하였다. Sub‐Controller는 AVR MCU와 6개의 PSD(Position Sensitive Detection) 적외선 거리센서를 사용하여 전방 지형의 높이와 각을 인식하고 트랙 접 근각 결정하는 모듈을 구현하여 로봇플랫폼 전방에 적용하였다. 모터 드라이브와 DC모터는 각각 Robocube[11] 사의 DC 모터 드라이버와 Maxon DC Motor 150W 모델을 선정하였고 기본적인 로봇의 조향 및 속도제어의 명령전달과 로봇 센서 값의 수신뿐만 아니라 로봇의 영상정보 수신 등의 원격제어정보 송수신은 TCP/IP 무선통신 방식을 사용하고 있다.
- 개발된 로봇플랫폼의 주행성능시험을 위해 주행속력 및 회전반경, 계단 등반 시 등반각도 및 자세제어 정밀도 등을 시험환경 구축을 통한 검증을 진행하고 성능 분석하였다.
- 본 연구에서는 평지 주행 성능이 뛰어난 휠과 계단 승월 성능이 우수한 무한궤도 형태를 조합하여 평지나 계단 및 험지에서의 지형 적응성을 가지며 도심환경 최적주행 성능을 보이는 모바일 로봇 플랫폼을 설계, 개발하고 험지 환경 테스트베드에서 로봇플랫폼의 주행성능을 검증하고자 하였다. 그리고 평지 주행과 계단 승월의 주행모드 전환을 위해서는 무한궤도의 자세 변형이 이루어지도록 하여 이를 구현하였다.
- 등반성능에 있어서는 그림 12와 같이 가변슬로프 등반 테스트베드에서 경사각 등반성능시험과 그림 13에서 보듯 가변트랙의 자세변형을 통한 최대 계단높이 극복능력시험을 수행하였다. 가변슬로프 경사각 등반성능시험에서 측정한 정지마찰계수는 온도나 습도, 표면의 거칠기, 접촉면적, 물체의 표면 상태 등에 따라 달라지는 값이기 때문에 측정된 값이 고유한 값이라고 보기는 어렵지만, 현재 테스트베드 슬로프는 재질이 합판으로 측정된 마찰계수는 0.
- 이를 위해 원격 조종기의 화면상에 영상정보와 거리정보를 오버랩한 상황인지 정보를 그림 8과 같이 보여주어 조종자는 로봇 전방의 넓은 영역 상황을 인지하고 원격조종에 필요한 조종자의 조향방향 결정에 시각적으로 효과적 도움을 주도록 하였다. 또한 원격 조종의 조향과 속도를 조종하는 조이스틱에 햅틱 기술(Haptics)을 채용하여 앞서의 상황인지 및 조향결정 향상에도 불구하고, 적절하지 못한 방향으로의 조향을 시도할 때 조종자에게 조이스틱의 촉각과 힘 정보 피드백을 주어 감각적으로 현재의 주행 및 조향 조작이 부적절함을 인식하도록 하였다. 그림 9에서는 제안된 조향결정 및 조향성능 향상 원격조종기 개발의 전체적 개념도를 보여주며, 그림 10에서는 영상과 거리정보를 통합한 조향결정정보 제공결과를 보여주고 있다.
- 본 연구에서는 평지 주행 시 주행 성능 및 에너지 효율이 우수한 휠 형태와 계단 및 장애물 극복 성능이 뛰어난 무한궤도형태의 주행 메카니즘을 조합하여 계단과 평지 주행 성능을 모두 향상시킬 수 있는 도심환경 최적주행 성능을 보이는 모바일 로봇 플랫폼을 설계, 개발하고 험지 환경 테스트베드에서 로봇플랫폼의 주행성능을 검증하였다. 또한 평지 주행과 계단 승월의 주행모드 전환을 위해서는 무한궤도의 자세 변형이 가변적으로 이루어지도록 하여 이를 구현하였다. 이러한 도심환경 험지 주행 가능한 로봇플랫폼은 일반적으로 사람이 직접적으로 접근하기 어려운 위험작업환경에 투입되어 위험지역 감시정찰, 위해요소 탐지탐색, 인명구조, 및 화생방 임무 등과 같은 민간 및 군사용 다목적 로봇 플랫폼으로 활용 가능하리라 판단된다.
- 로봇플랫폼 상세 설계를 바탕으로 한 로봇플랫폼의 Prototype 제작은 기구부 하드웨어의 제작, 전장부의 설계 및 구현으로 진행하였다.
- 본 로봇플랫폼의 계단하강 시 무한궤도 주행방법은 계단하강 및 슬로프 지형을 직면하는 경우 로봇플랫폼의 자세기울기 센서에 의해 하강모드 임계값 경사각을 감지하면 무한궤도 주행모드로 전환하고 하강 시 무한궤도 자세로 변형하여 하강을 진행하게 된다. 이때 기존의 고정형 무한궤도보다 가변형 무한궤도로 주행함의 장점은 고정형 무한궤도의 경우 하강 경사각을 감지하더라도 플랫폼 몸체가 계단 및 슬로프의 평면에서 바로 기울어져 하강하므로 경사각이 큰 경우 기울어지면서 충격이 몸체에 그대로 보다 크게 가해지는 단점이 있게 된다.
- 그림 7에서 보는 바와 같이 로봇플랫폼의 전장부 설계는 상위제어기, Sub‐Controller, 모터 드라이버, DC모터 세트로 구성하며, 세부 사양은 표 4와 같다. 상위제어기는 Fanless Embedded Controller[10]에 윈도우XP기반 LabVIEW 응용 프로그램으로 영상 및 제어정보 송수신 통신인터페이스, 모션컨트롤, 센서 데이터 수집, 장애물인식 및 회피 기능 등을 구현하였다. Sub‐Controller는 AVR MCU와 6개의 PSD(Position Sensitive Detection) 적외선 거리센서를 사용하여 전방 지형의 높이와 각을 인식하고 트랙 접 근각 결정하는 모듈을 구현하여 로봇플랫폼 전방에 적용하였다.
- 모바일 플랫폼의 동력 전달을 위해 4개의 구동기가 사용하게 되며, 각 구동기는 좌측 구동용 모터‐좌측 무한궤도 및 주행용 바퀴 구동, 우측 구동용 모터‐우측 무한궤도 및 주행용 바퀴 구동, 좌측 트랙 암 구동용 모터‐트랙 암 구동, 우측 트랙 암 구동용 모터‐우측 트랙 암 구동을 각각 담당하게 된다. 양측 트랙 암 구동을 통해 로봇플랫폼의 트랙 형상을 변형 가동하도록 설계되었다. 그림 4에서 좌/우측 무한궤도 및 주행용 바퀴 구동 시 동력이 전달되는 경로를 적색으로 표시하였다.
- 기존의 원격 조종 시스템에서 2차원 영상정보만으로 주행경로를 판단, 조향하는 경우, 그 전방경로의 수신 영상정보의 시야각이 좁고 원근(遠近)감이 조종자에게 익숙하지 않은 상황으로 원격조종 시 잦은 충돌과 고립되어 원활한 조종이 어렵고 더욱이 좁은 통로 및 사무실 환경의 경우 더욱 어려운 상황에 직면하게 된다. 이를 보완하기 위해 로봇 주행 전방의 장애물 및 공간 거리정보를 거리센서 (초음파 또는 레이저센서)로 인식하여 보다 넓은 범위의 전방 상황을 인지할 수 있도록 하였다. 이를 위해 원격 조종기의 화면상에 영상정보와 거리정보를 오버랩한 상황인지 정보를 그림 8과 같이 보여주어 조종자는 로봇 전방의 넓은 영역 상황을 인지하고 원격조종에 필요한 조종자의 조향방향 결정에 시각적으로 효과적 도움을 주도록 하였다.
- 본 연구에서 험로 주행 로봇 플랫폼 설계에서 평지 주행 시 신속성과 계단 등반 성능을 동시에 고려하여 설계를 수행하였다. 이를 위해 변형 가능한 트랙과 주행용 바퀴를 조합한 형태로 플랫폼을 설계하였다. 그림 1은 주행 모드, 계단 등반, 하강 모드 세 가지에 대한 플랫폼의 개념도를 나타낸다.
- 이를 보완하기 위해 로봇 주행 전방의 장애물 및 공간 거리정보를 거리센서 (초음파 또는 레이저센서)로 인식하여 보다 넓은 범위의 전방 상황을 인지할 수 있도록 하였다. 이를 위해 원격 조종기의 화면상에 영상정보와 거리정보를 오버랩한 상황인지 정보를 그림 8과 같이 보여주어 조종자는 로봇 전방의 넓은 영역 상황을 인지하고 원격조종에 필요한 조종자의 조향방향 결정에 시각적으로 효과적 도움을 주도록 하였다. 또한 원격 조종의 조향과 속도를 조종하는 조이스틱에 햅틱 기술(Haptics)을 채용하여 앞서의 상황인지 및 조향결정 향상에도 불구하고, 적절하지 못한 방향으로의 조향을 시도할 때 조종자에게 조이스틱의 촉각과 힘 정보 피드백을 주어 감각적으로 현재의 주행 및 조향 조작이 부적절함을 인식하도록 하였다.
- 이 때 계단 등반의 계단 최종단에서 기존의 단일 트랙타입 로봇 플랫폼의 경우에 계단의 경사각만큼의 기울기에서 플랫폼 몸체가 계단 바닥 면으로 떨어지는 충격을 그대로 받게 되는 단점이 있어왔다. 이에 본 연구의 로봇 플랫폼에서는 이를 보완코자 계단 최종단에서 트랙자세제어를 통해 트랙자세를 최대한 낮추어 떨어지는 충격을 최소화는 방안을 적용하였다.
- 재난현장에 투입되어 화점탐색과 요구조자 지원 임무 수행이 가능한 험지 주행용 로봇플랫폼의 기구 설계 및 해석을 진행하였다. 특히, 평지주행 시 신속성과 계단 등반 성능 효율성을 중점으로 한 험로 주행용 플랫폼 구조 설계, 계단 등반 성능 지수 도출, 계단 등반 성능 지수를 기반으로 한 플랫폼 파라미터 설계를 필요로 한다.
- 재난현장에 투입되어 화점탐색과 요구조자 지원 임무 수행이 가능한 험지 주행용 로봇플랫폼의 기구 설계 및 해석을 진행하였다. 특히, 평지주행 시 신속성과 계단 등반 성능 효율성을 중점으로 한 험로 주행용 플랫폼 구조 설계, 계단 등반 성능 지수 도출, 계단 등반 성능 지수를 기반으로 한 플랫폼 파라미터 설계를 필요로 한다.
대상 데이터
- 원격 조종기는 휴대가 용이한 방수형 케이스, On board PC시스템으로 Intel Atom Dual‐Core 저전력 CPU, GUI 편의성 고려한 터치 스크린 LCD, 2시간 용량의 배터리, 원격통신 Wireless Ethernet 등으로 구성되며, 원격조종용 인터페이스로는 조이스틱과 명령버튼들로 구성하였다. 기존의 원격 조종 시스템에서 2차원 영상정보만으로 주행경로를 판단, 조향하는 경우, 그 전방경로의 수신 영상정보의 시야각이 좁고 원근(遠近)감이 조종자에게 익숙하지 않은 상황으로 원격조종 시 잦은 충돌과 고립되어 원활한 조종이 어렵고 더욱이 좁은 통로 및 사무실 환경의 경우 더욱 어려운 상황에 직면하게 된다.
이론/모형
- Sub‐Controller는 AVR MCU와 6개의 PSD(Position Sensitive Detection) 적외선 거리센서를 사용하여 전방 지형의 높이와 각을 인식하고 트랙 접 근각 결정하는 모듈을 구현하여 로봇플랫폼 전방에 적용하였다. 모터 드라이브와 DC모터는 각각 Robocube[11] 사의 DC 모터 드라이버와 Maxon DC Motor 150W 모델을 선정하였고 기본적인 로봇의 조향 및 속도제어의 명령전달과 로봇 센서 값의 수신뿐만 아니라 로봇의 영상정보 수신 등의 원격제어정보 송수신은 TCP/IP 무선통신 방식을 사용하고 있다.
성능/효과
- 98 이었고 이 조건에서의 최대 등반경사각은 약 41도의 등반성능을 보였다. 계단높이 극복능력은 다양한 높이 계단 극복능력을 시험하였고 최대 220mm 높이까지의 계단 및 수직장애물 극복과 등반이 가능함을 보였다.
- 67 이었고 이 조건에서의 최대 등반경사각은 약 34도이었다. 또한 보다 높은 마찰계수의 재질을 실험하기 위해 현재의 합판면 슬로프에 미끄럼방지 연마테이프를 일정 간격으로 시공하였고 이 상태에서 측정된 마찰계수는 0.98 이었고 이 조건에서의 최대 등반경사각은 약 41도의 등반성능을 보였다. 계단높이 극복능력은 다양한 높이 계단 극복능력을 시험하였고 최대 220mm 높이까지의 계단 및 수직장애물 극복과 등반이 가능함을 보였다.
- 이와 비교해볼 때 본 연구의 휠ㆍ무한궤도 하이브리드형 플랫폼은 경사 지형을 만날 때 플랫폼 몸체가 바로 기울어져 경사면에 충격이 가해지지 않고 우선적으로 휠 주행 모드의 앞 휠과 수평상태의 무한궤도에 의해 일차적으로 경사면의 경사각 모서리에 걸쳐져 충격이 완화되고 더 이상 휠 주행 모드의 주행이 어려운 경우가 되었을 시 무한궤도 주행모드로 전환하고 하강을 위한 무한궤도 자세로 변형하여 하강하게 된다. 이러한 하강 방법은 계단 및 경사로 하강 시 큰 경사각에 의한 플랫폼의 직접적 충격을 최소화하며 보다 효과적으로 경사지형을 하강할 수 있는 장점이 있음을 하강주행실험을 통해 확인하였다.
후속연구
- 이러한 도심환경 험지 주행 가능한 로봇플랫폼은 일반적으로 사람이 직접적으로 접근하기 어려운 위험작업환경에 투입되어 위험지역 감시정찰, 위해요소 탐지탐색, 인명구조, 및 화생방 임무 등과 같은 민간 및 군사용 다목적 로봇 플랫폼으로 활용 가능하리라 판단된다. 향후 보다 다양한 험지 주행성능 시험을 진행하여 보다 강건한 험지주행 플랫폼으로의 추가적인 연구와 실험이 필요하리라 판단되며, 본 연구의 로봇 플랫폼을 CBRN(생화학, 핵방사능) 테러 및 환경오염 대응 전문 서비스로봇, 사회안전 로봇 등의 이동플랫폼으로 적용할 계획이다.
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