본 연구에서는 4절 링크 이론(four-bar linkage mechanism)과 얀센 메커니즘(Jansen mechanism)을 기반으로 다관절 보행 로봇(multi-legged walking robot)인 게(crab) 로봇을 제작하고, 게 로봇의 움직임에 대하여 기구학적인 해석을 제시한다. 제작된 게 로봇은 영상 획득을 위하여 카메라를 장착하였고, 장애물 회피를 위하여 3조의 초음파 센서를 가지고 있다. 또한 RF통신으로 외부에 영상 정보를 전달하며, Blue-tooth 통신 모듈을 장착하여 외부로부터 부여된 임무를 수행할 수 있다. 게 로봇의 설계와 제작을 하기 위해서 필요로 하는, 로봇 다리의 움직임을 알기 위해서는 관절 변수와 다리 끝단의 위치 및 자세와의 관계를 얻어야 한다. 따라서, 제안된 기구학적 해석은 로봇의 설계와 제작에 있어서 많은 도움을 주며 중요한 과정이다.
본 연구에서는 4절 링크 이론(four-bar linkage mechanism)과 얀센 메커니즘(Jansen mechanism)을 기반으로 다관절 보행 로봇(multi-legged walking robot)인 게(crab) 로봇을 제작하고, 게 로봇의 움직임에 대하여 기구학적인 해석을 제시한다. 제작된 게 로봇은 영상 획득을 위하여 카메라를 장착하였고, 장애물 회피를 위하여 3조의 초음파 센서를 가지고 있다. 또한 RF통신으로 외부에 영상 정보를 전달하며, Blue-tooth 통신 모듈을 장착하여 외부로부터 부여된 임무를 수행할 수 있다. 게 로봇의 설계와 제작을 하기 위해서 필요로 하는, 로봇 다리의 움직임을 알기 위해서는 관절 변수와 다리 끝단의 위치 및 자세와의 관계를 얻어야 한다. 따라서, 제안된 기구학적 해석은 로봇의 설계와 제작에 있어서 많은 도움을 주며 중요한 과정이다.
In this study, a crab robot is implemented in H/W based on four-bar linkage mechanism and Jansen mechanism, and its kinematics is analysed. A vision camera is attached to the mechanism, which makes the proposed robot a kind of biologically inspired robot for image acquisition. Three ultrasonic senso...
In this study, a crab robot is implemented in H/W based on four-bar linkage mechanism and Jansen mechanism, and its kinematics is analysed. A vision camera is attached to the mechanism, which makes the proposed robot a kind of biologically inspired robot for image acquisition. Three ultrasonic sensors are adopted for obstacle avoidance. In addition, the biologically inspired robot can achieve the mission appointed by a programmer outside, based on RF and Blue-tooth communication module. For the design and implementation of a crab robot, it is need to get joint variable, a foot point, and their relation. Thus, the proposed kinematic analysis is very important process for the design and implementation of legged robots.
In this study, a crab robot is implemented in H/W based on four-bar linkage mechanism and Jansen mechanism, and its kinematics is analysed. A vision camera is attached to the mechanism, which makes the proposed robot a kind of biologically inspired robot for image acquisition. Three ultrasonic sensors are adopted for obstacle avoidance. In addition, the biologically inspired robot can achieve the mission appointed by a programmer outside, based on RF and Blue-tooth communication module. For the design and implementation of a crab robot, it is need to get joint variable, a foot point, and their relation. Thus, the proposed kinematic analysis is very important process for the design and implementation of legged robots.
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문제 정의
본 논문에서는 4절 링크 이론과 얀센 메커니즘을 기반으로 게 로봇 다리의 구조와 움직임에 대하여 기구학적인 분석을 하였다. 실제 보행 로봇의 다리 길이에 대한 운동학적인 분석으로 모터가 회전 할 때 회전각만큼의 다리 위치와 로봇이 움직였을 때 행동할 수 있는 반경이 되는 절점들의 관절각을 알 수 있었다.
센서와 카메라 등을 탑재하여 오랜 시간 동안 잘 걸을 수 있는 보행 로봇 형태의 설계와 디자인은 없었다. 본 논문에서는 테오 얀센 기반의 보행 로봇을 만들기 위해서 기본 배경이 되는 게(crab) 로봇의 다리 길이와 구조, 그리고 움직임에 대한 설명, 마지막으로는 보행 메커니즘을 분석하고자 한다.
제안 방법
다리 구조를 가진 보행 로봇의 연구에서 최근에는 다관절형태의 2족 로봇(biped-robot)과 기타 여러 형태의 로봇에 대한 많은 연구가 있어 왔다. 다관절 2족 보행 머신(machine)에 대한 설계, 그리고 기구학적인 분석을 연구한 내용을 보면 이전 연구된 내용과 현재에 새로운 형태의 다리에 대한 기구학 분석과 보행 방법을 통해 보행 머신을 두가지의 프로토 타입(prototype)으로 만들었다. 또한, 일반적인 보행법과 타조의 걸음걸이를 모방한 보행법을 분석한 예를 볼 수 있다[12].
다음과 같이, 장착된 센서들을 이용하여 주변 환경을 파악하고 센서 정보의 융합을 통하여 적합한 행동을 선택하고 이를 실제 행동으로 옮기는 것이다. 두 번째 연구 내용은 대상 로봇인생물체 로봇을 RF(Radio Frequency)혹은 Blue-tooth통신을 이용한 리모트 컨트롤(remote-control) 제어 형태의 비 자율형(non-autonomous) 로봇으로 구현 하였다[11]. 전체적인 로봇의 동작은 외부에서, 생물체 로봇에 장착된 카메라로 외부 환경을 보면서 생물체 로봇을 움직이게 하는 구조이다.
첫 번째 연구에서 위와 같은 모든 조건들을 만족시키는 몸체 구동부를 만들었다. 생물체의 생물학적 이동방법을 모방하여 그에 적합한 수의 관절을 결정하고, 또한 대상 로봇의 효율적인 보행을 위하여 다리 길이에 대한 해석을 한다. 결정되는 다리 길이의 상대 비율에 따라 로봇의 다리 길이를 결정한다.
또한, 일반적인 보행법과 타조의 걸음걸이를 모방한 보행법을 분석한 예를 볼 수 있다[12]. 이처럼 다리 기구의 운동학적인 분석을 바탕으로 보행 머신을 만들었다. 하지만, 테오 얀센(Theo Jansen) 기반의 보행 로봇에 대해서 제안된 방법으로 만들어진 예는 없었다.
아래의 그림 3은 게 로봇에서 주동절과 종동절 부분의 위치를 쉽게 설명하기 위한 4절 링크 장치이다. 제안한 로봇에서는 진한 실선으로 그려진 l1막대(bar)의 양 절점 C1_4와 C1_2는 너트와 볼트(nuts and bolts)로 고정되어 있다. 이와 같이 그림 2에서 4절 링크 장치에 l3, l5는 종동절 역할을 할 수 있도록 연결 되어 진다.
첫 번째 연구에서 위와 같은 모든 조건들을 만족시키는 몸체 구동부를 만들었다. 생물체의 생물학적 이동방법을 모방하여 그에 적합한 수의 관절을 결정하고, 또한 대상 로봇의 효율적인 보행을 위하여 다리 길이에 대한 해석을 한다.
이론/모형
제안한 다관절 보행 로봇인 게 로봇의 다리 구조는 얀센 메커니즘(Jansen mechanism)과 4절 링크 이론(four-bar linkage mechanism)을 배경으로 한다[14]. 여기서, 링크(link)의 역할은 길이가 서로 다른 링크를 핀으로 연결한 것으로 주동절(회전 하는 l2의 C2_3 절점)의 운동에 따라 종동절(왕복 운동 l3의 C3_4 절점)이 일정한 운동을 하도록 꾸며진 장치이다.
성능/효과
하지만, 기존의 방법들은 각각의 다리에 서보 모터(servo motor)를 사용하고 있어서 많은 무게가 나가고 속도에서도 빠르지 않다. 따라서, 가벼운 다리를 여섯 개 이상 사용하여 몸체의 안전성을 높이고, 모터의 수는 가급적으로 줄이는 방법이 가장 좋을 것이다. 또한, 모터의 수를 줄여도 전, 후, 좌, 우 움직임이 쉽게 가능하여야 한다.
실제 보행 로봇의 다리 길이에 대한 운동학적인 분석으로 모터가 회전 할 때 회전각만큼의 다리 위치와 로봇이 움직였을 때 행동할 수 있는 반경이 되는 절점들의 관절각을 알 수 있었다. 이러한 기구학적인 분석을 통해 최종적으로는 게 로봇의 다리 길이에 맞는 보행 궤적을 구할 수 있고, 4조로 이루어진 다리의 걸음걸이를 기반으로 한 로봇 제작에 이론적인 도움을 주었다. 제안된 다관절 보행 로봇은 지면, 습지, 모래와 같은 혼재 영역에서 모두 이동할 수 있으므로 많은 활용성이 예상된다.
후속연구
제안된 다관절 보행 로봇은 지면, 습지, 모래와 같은 혼재 영역에서 모두 이동할 수 있으므로 많은 활용성이 예상된다. 제안된 다관절 보행 로봇은 자유자재로 해안가, 습지에서 동작하며 외부에 비전 정보를 제공하고, 외부에서 제어 가능하므로 제안된 로봇이 더 고성능화 된다면 탐색, 첩보, 감시, 특수재료 살포 등 다양한 용도로 다양한 장소에서 사용될 수 있다. 이를 위해서는 제안된 연구에서 보여주는 것처럼 게 로봇의 동작 방법과 보행 폭에 대한 해석이 필수적이다.
이러한 기구학적인 분석을 통해 최종적으로는 게 로봇의 다리 길이에 맞는 보행 궤적을 구할 수 있고, 4조로 이루어진 다리의 걸음걸이를 기반으로 한 로봇 제작에 이론적인 도움을 주었다. 제안된 다관절 보행 로봇은 지면, 습지, 모래와 같은 혼재 영역에서 모두 이동할 수 있으므로 많은 활용성이 예상된다. 제안된 다관절 보행 로봇은 자유자재로 해안가, 습지에서 동작하며 외부에 비전 정보를 제공하고, 외부에서 제어 가능하므로 제안된 로봇이 더 고성능화 된다면 탐색, 첩보, 감시, 특수재료 살포 등 다양한 용도로 다양한 장소에서 사용될 수 있다.
이를 위해서는 제안된 연구에서 보여주는 것처럼 게 로봇의 동작 방법과 보행 폭에 대한 해석이 필수적이다. 추후의 연구는 제안된 게 로봇의 보행 폭 해석을 기반으로 최적의 게 로봇 다리 길이를 설계 하는 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
게 로봇은 어떤 모터를 사용하는가?
게(crab) 로봇의 다리 움직임은 다음과 같다. 게 로봇은 베벨기어(bevel gear)가 달린 양축DC모터(dual-axis DC motor)를 사용한다. 양쪽 다리는 하나의 모터로 회전한다.
게 로봇의 다리는 어떤 구조를 모방했는가?
일반적인 2족 로봇(biped-robot) 보행의 경우 좌․우로 흔들린 부자연스러운 몸체의 움직임을 보여 준다. 이와 다르게, 게 로봇의 다리는 테오 얀센 메커니즘(Theo Jansen mechanism)의 다리 구조를 모방 하였고, 자연스러운 보행으로 몸체의 수평 상태를 유지한다[13]. 따라서, 바퀴형 이동로봇처럼 좌우 불균형 없이 자연스럽게 이동 할 수 있다.
게 로봇은 어떤 구조를 가지고 있는가?
게 로봇은 베벨기어(bevel gear)가 달린 양축DC모터(dual-axis DC motor)를 사용한다. 양쪽 다리는 하나의 모터로 회전한다. 하나의 양축 DC모터 구조는 좌·우 회전축 위상이 180° 차이가 있는 다리들의 결합으로 되어 있다. 따라서, 양축 DC 모터 두 개를 사용하면 4조(set)로 이루어진 다리를 동시에 움직일 수 있다. 구조적으로는 모터의 양축 중에 한 축의 다리 끝단(foot-point)이 지면에 닿아 있고, 또 다른 한 축의 다리는 지면에서 떠 있다. 이러한 형태의 기본적인 다리 구조로 모터에 각 다리가 연결되어 4조를 갖춘다.
참고문헌 (14)
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http://www.strandbeest.com/
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