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문제 정의
- 본 연구에서는 국내·외적으로 처음으로 발사, 비행을 통해서 위험지역에 원거리 투입이 가능한 소형 정찰로봇과 보호체를 개발하기 위한 설계개념에 대해서 기술하였다.
제안 방법
- 낙하테이블을 이용한 충격시험은 보호체에 가해지는 총격에서 정찰로봇으로 전달되는 충격량을 분석하여 실리콘 재질로 충전된 보호체의 충격완화성능을 검증하기 위한 시험이다. 3 장에서 서술한 낙하 충돌실험을 포함하여 충격의 크기는 충격용 가속도계 (350B03 , PCB)를 이용하여 측정하였고 데이터의 수집 및 분석은 LabVIEWTM 환경에서 수행하였다.Table4 은 측정장비의 사양이다.
- Fig.8 과 같이 낙하데이블의 정반위에 1 축 가속도계를 부착하여 충돌 시 보호체에 가해지는 충격가속도를 측정하며 동시예 보호체 안 정찰로봇에도 가속도계를 부착하여 로봇에 전달된 가속도를 측정한다. Table5 은 각기 다른 높이에서 낙하하였을때 측정된 최대가속도값이다.
- 개발된 정찰로봇과 보호체가 원거리 비행 후 목표지점의 바닥 혹은 벽면에 충돌한 후 기계적 손상 여부를 분석하기 위해 전산해석도구인 Abaqus를 이용하여 유한요소 모델링과 충돌 시뮬레이션을 수행하였다. 핸드폰, LDC 기판 등 가전제품에 대한 낙하충돌 시 충돌 시뮬레이션에 대한 연구(9,10)는 이루어지고 있으나 아직 정찰로봇에 대한 충격 해석 연구는 매우 미비한 실정이다.
- 군수 혹은 가전제품의 경우 제품의 운반 및 수송, 취급 시 발생 가능한 환경조건에서 기능적 신뢰성을 검증하기 위해 충격시험의 절차와 충격펄스의 형태 등에 대한 규격(예 : MIL-STD-810F(l4), IEC 60068-2-2i15) 등)이 제시되나 본 연구에서는 보호체의 충격전달특성을 분석하는 것이 주목적이므로 특정한 충격시험규격을 따르지는 않았다.
- 제안된 유한 요소모델의 충격해석 유효성을 검증하기 위해서 실제 제작된 정찰로봇 및 보호체의 시작품을 가지고 낙하 충돌실험을 수행하여 관측된 파손된 형태와 충격가속도를 전산모의실험 결과와 비교하였다. 그리고 개발된 보호체의 내충격성을 분석하기 위해서 낙하테이블시험기를 이용하여 보호체에 가해지는 충격에서 정찰로봇로 전달되는 충격을 측정 분석하였다.
- 이때 내부에 위치한 정찰로봇이 외부로 임무수행을 위해 탈출하게 된다. 보호체의 설계치수에 따른 내충격 성능을 분석하기 위해서 Abaqus 를 이용한 정찰로봇과 보호체의 유한요소 모델링을 수행하였다. 유한요소 모델을 이용한 충격예측과 실제 낙하충돌 실험으로 측정한 충격가속도, 충격에 의한 부품의 파손형태, 그리고 충격반응 스펙트럼 비교를 통해서 제시한 유한요소 모델링의 유효성을 검증하였다.
- (1) 정찰로봇을 탑재한 후 발사, 비행, 착지 과정에서 발생하는 급격한 속도변화와 외부물체와의 충돌로 인한 충격으로부터 내부에 탑재한 정찰로봇을 보호하며, (2) 목표지점에 도착 후 보호체의 외피가 개방되거나 분리되어 내부에 위치한 정찰로봇이 외부환경으로 이탈하여 임무를 수행할 수 있으며, (3) 가급적 소형, 경량으로 제작되어 비행거리를 증가시켜야 한다. 본 연구에서 개발된 보호체는 슬라이더- 크랭크(slider-crank) 메커니즘을 기본으로 설계되어 부가적 동력원을 사용하지 않고 도착 시의 충돌을 이용하여 보호체 외피를 분리한다. 또한 점탄성 특성을 가지는 실린콘 재질을 충전하여 보호체 안의 정찰로봇에 전달되는 외부충격을 줄여 목표지점에 강하게 부딪힌 후에도 정찰로봇 안에 탑재된 통신장치, 카메라 등이 올바르게 작동하도록 보호 한다.
- 보호체의 설계치수에 따른 내충격 성능을 분석하기 위해서 Abaqus 를 이용한 정찰로봇과 보호체의 유한요소 모델링을 수행하였다. 유한요소 모델을 이용한 충격예측과 실제 낙하충돌 실험으로 측정한 충격가속도, 충격에 의한 부품의 파손형태, 그리고 충격반응 스펙트럼 비교를 통해서 제시한 유한요소 모델링의 유효성을 검증하였다. 그리고 실제 제작된 시작품을 가지고 수행한 충격시험을 통해서 개발된 보호체는 외부에서 작용하는 충격을 효과적으로 완화하여 발사, 비행, 착지시 발생할 수 있는 외부의 충격으로부터 정찰로봇을 보호할 수 있음을 관찰하였다.
- 이두 가지 설계조건을 만족하기 위해 설계치수를 달리하며 시작품을 제작하여 실험하기에는 비용과 기간이 많이 소요된다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 범용 전산해석 도구인 Abaqus 를 이용하여 정찰로봇과 보호체의 유한 요소 모델링 및 충격해석을 수행하였다.
- 정찰로봇의 유한요소 모델링은 축대칭 모델로 4절점 감차적분 요소를 보호체는 삼차원으로 사면체 요소를 사용하여 모델링을 수행하였다. 제작된 부품은 주로 알루미늄(Al 6061)과 수지계통의 재료로서 Table1 과 같이 이에 맞는 물성치를 입력하였으며 부품간 접촉환경에 맞는 조건을 부과하였다.
대상 데이터
- 후방부에는 정찰로봇과 외피 사이에 스프링과 실리콘(silicion)으로 제작된 충격완화재질로 충전되어 발사, 비행, 도착 시 보호체에 가해지는 충격으로 부터 정찰로봇을 보호하게 된다. 보호체 외피의 재질은 경량의 폴리카보나이트(polycarbonate) 재질로 제작된다.
- 2 와 같다. 정찰로봇은 저가의 소형으로 개발하기 위해 원통형 두 바퀴 차동 주행방식으로 직경은 9cm 이고 무게는 약 700g 이다. 적용환경에 따라 현재 다양한 형태와 재질로 설계하고 있다.
- 보호체는 개발된 정찰로봇을 용이하게 탑재할 수 있도록 전방부와 후방부 2 개로 분리되는 원통형 형태이다. 정찰로봇을 탑재하고 조립하였을 시 길이는 24cm, 직경은 10 cm, 그리고 무게는 0.7 kg 이다.
- 정찰로봇의 유한요소 모델링은 축대칭 모델로 4절점 감차적분 요소를 보호체는 삼차원으로 사면체 요소를 사용하여 모델링을 수행하였다. 제작된 부품은 주로 알루미늄(Al 6061)과 수지계통의 재료로서 Table1 과 같이 이에 맞는 물성치를 입력하였으며 부품간 접촉환경에 맞는 조건을 부과하였다. 동특성 해석을 위해 구조감쇠계수는 금속의 경우 0.
데이터처리
- 핸드폰, LDC 기판 등 가전제품에 대한 낙하충돌 시 충돌 시뮬레이션에 대한 연구(9,10)는 이루어지고 있으나 아직 정찰로봇에 대한 충격 해석 연구는 매우 미비한 실정이다. 제안된 유한 요소모델의 충격해석 유효성을 검증하기 위해서 실제 제작된 정찰로봇 및 보호체의 시작품을 가지고 낙하 충돌실험을 수행하여 관측된 파손된 형태와 충격가속도를 전산모의실험 결과와 비교하였다. 그리고 개발된 보호체의 내충격성을 분석하기 위해서 낙하테이블시험기를 이용하여 보호체에 가해지는 충격에서 정찰로봇로 전달되는 충격을 측정 분석하였다.
성능/효과
- 유한요소 모델을 이용한 충격예측과 실제 낙하충돌 실험으로 측정한 충격가속도, 충격에 의한 부품의 파손형태, 그리고 충격반응 스펙트럼 비교를 통해서 제시한 유한요소 모델링의 유효성을 검증하였다. 그리고 실제 제작된 시작품을 가지고 수행한 충격시험을 통해서 개발된 보호체는 외부에서 작용하는 충격을 효과적으로 완화하여 발사, 비행, 착지시 발생할 수 있는 외부의 충격으로부터 정찰로봇을 보호할 수 있음을 관찰하였다. 향후 연구내용으로 보호체 설계기술을 다양하게 검증하기 위해 충격 흡수재를 포함한 보호체 부품의 재질특성, 부품간의 접촉환경 및 하중조건, 수치적분 후처리과정 등 유한요소 모델링 환경에 따른 수치해의 정확성 분석이 필요하다.
- 실제실험에서 10m 의 경우 가속도센서와 측정장치간의 선길이의 한계로 측정하지 못하였다. 두 결과 모두 정찰로봇에 가해지는 충격가속도는 근사적으로 낙하높이의 제곱근에 비례 하여 커지므로 충격의 영향이 초기 위치에너지 혹은 충돌 시 운동에너지에 비례한 것으로 분석된다. 충격가속도 예측에서 0.
- Table5 은 각기 다른 높이에서 낙하하였을때 측정된 최대가속도값이다. 보호체 안에 충전된 실리콘겔 재질의 충격완화특성으로 평균적으로 보호체에 가해진 충격가속도가 1/3 로 줄어들어 정찰로 봇에 전달되므로 원거리 투입에 필요한 충격완화성능을 보임을 알 수 있다. Fig.
후속연구
- 그리고 실제 제작된 시작품을 가지고 수행한 충격시험을 통해서 개발된 보호체는 외부에서 작용하는 충격을 효과적으로 완화하여 발사, 비행, 착지시 발생할 수 있는 외부의 충격으로부터 정찰로봇을 보호할 수 있음을 관찰하였다. 향후 연구내용으로 보호체 설계기술을 다양하게 검증하기 위해 충격 흡수재를 포함한 보호체 부품의 재질특성, 부품간의 접촉환경 및 하중조건, 수치적분 후처리과정 등 유한요소 모델링 환경에 따른 수치해의 정확성 분석이 필요하다.
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