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문제 정의
- 본 연구에서는 3차원 공간의 비정형 환경에서 이동할 수 있도록 2 자유도 작동기 모듈로 구성된 뱀 로봇을 개발하였다. 이전 연구에서 개발된 KAEROT-snake III 보다 더 협소한 통로와 수직 배관을 이동할 수 있도록 크기는 더 작으면서도 고 토크를 내는 2 자유도 작동기 모듈을 개발하였다.
- 본 연구는 소형 고토크 2 자유도 작동기 모듈로 구성된 뱀 로봇 KAEOT-snake IV를 소개하였다. 2 자유도 작동기 모듈은 유성 감속기와 워엄 기어 박스를 이중으로 채용하여 고토크를 낼 수 있도록 하였으며, 모듈간 연결 브래킷은 뱀 로봇이동 시 필요한 큰 하중을 견딜 수 있도록 설계하였다.
제안 방법
- 개발된 작동기 모듈은 구동을 위한 전장부와 제어기를 포함하고, 모듈들은 견고히 설계된 연결 링크로 연결된다. 그리고 주위 환경 정보를 획득할 수 있는 머리부와 관리 제어 시스템과 연결되는 꼬리부를 개발하였다.
- 또한, 새로 개발된 뱀 로봇을 이용하여 장애물이 존재하는 평지에서 기동성을 높이면서도 장애물을 극복하는 방법을 제시하고 실험으로 확인하였으며, 협소한 수직배관 내부를 버팀 방식으로 이동할 경우 필요한 최소 링크 수를 분석하고, 버팀 방식을 이용한 수직배관 이동을 실험으로 확인하였다.
- 본 연구에서 개발된 뱀 로봇, KAEROT-snake IV는 이전에 개발된 뱀 로봇, KAEROT-snake III 보다 소형이면서 향상된 기능을 갖도록 개발되었다.
- KAEROT-snake III은 외경이 80mm이며 수동바퀴 없이 이동하고, 전복되지 않도록 배면에 평형한 지지부가 부착 되어있다. 또한 방수를 위해 고무 주름관으로 몸통을 감쌌고, 접촉 마찰력을 증대시키기 위해서 관절부에 고무 오링을 부착하였다. 머리부는 입체영상을 위한 두 개의 카메라와 고휘도 LED가 부착되어 주변 정보를 획득한다.
- 이러한 문제를 해결하기 위해서 먼저 그림 3에서 보는 바와 같이 경량의 고토크를 낼 수 있는 2 자유도 작동기 모듈을 개발하였다.
- 그림 3과 같이 2 자유도 작동기 모듈은 두 개의 회전 축이뱀 로봇의 길이 방향에 수직하고 서로 90° 교차하도록 설계되었다. 또한 모듈의 길이에 의해서 이동할 수 있는 곡관의 반경이 정해지기 때문에 모듈의 길이가 최소가 되도록 설계 하였다. 출력 토크를 높이고 회전 방향을 길이 방향에 수직하게 만들기 위해 모터에 유성 감속기를 장착하고 최종단에 워엄 기어 박스를 장착하였다.
- 또한 모듈의 길이에 의해서 이동할 수 있는 곡관의 반경이 정해지기 때문에 모듈의 길이가 최소가 되도록 설계 하였다. 출력 토크를 높이고 회전 방향을 길이 방향에 수직하게 만들기 위해 모터에 유성 감속기를 장착하고 최종단에 워엄 기어 박스를 장착하였다. 뱀 로봇이 주행할 때 지면이나 배관 내벽 등으로부터의 반력을 지탱하기 위해서는 구조적으로 강인해야 한다.
- 두 개의 DC 모터를 제어하는 제어기와 모터 드라이버를 2자유도 작동기 모듈 내부에 장착하기 위하여 제어기와 모터 드라이버를 분리하고 소형으로 개발하였다. 모터 제어기와 모터 드라이버는 각각 반대편에 장착된다.
- 정격전압이 24V인 모터를 선정하고, 그에 따라 모터구동 입력전원도 상용 RC서보 입력 전원 12V보다 높은 24V를 사용하여 흐르는 전류가 작고 구동 효율이 높도록 하였다. 모터의 위치제어는 PI 제어기를 사용하였으며, 부드러운 운동을 생성하기 위하여 사다리꼴 속도 프로파일을 생성하였다. 이때 위치정보 피드백을 위해 마그네틱 엔코더를 사용하고, 출력축에 포텐셔미터를 장착하여 초기위치와 절대위치를 확인할 수 있도록 하였다.
- 모터의 위치제어는 PI 제어기를 사용하였으며, 부드러운 운동을 생성하기 위하여 사다리꼴 속도 프로파일을 생성하였다. 이때 위치정보 피드백을 위해 마그네틱 엔코더를 사용하고, 출력축에 포텐셔미터를 장착하여 초기위치와 절대위치를 확인할 수 있도록 하였다. 또한, 전류정보를 피드백 받아 전류제한을 하여 모터와 드라이버 회로의 과열을 막도록 하였다.
- 이때 위치정보 피드백을 위해 마그네틱 엔코더를 사용하고, 출력축에 포텐셔미터를 장착하여 초기위치와 절대위치를 확인할 수 있도록 하였다. 또한, 전류정보를 피드백 받아 전류제한을 하여 모터와 드라이버 회로의 과열을 막도록 하였다. 그림 4는 개발된 DC모터 제어기와 모터 드라이버의 모습을 나타낸다.
- 연결 브래킷은 금속 재질로 전체 중량에 적지 않은 중량을 추가시키므로, 초기에는 연결 브래킷을 가능한 경량으로 설계하였다. 그러나 뱀 로봇이 수직 배관을 상승할 때, 연결 브래킷에 큰 하중이 가해져 변형이 발생할 수 있다는 점을 고려하여 연결 브래킷을 두 개의 모듈을 들어 올리거나 지탱할 수 있도록 다시 설계하였다.
- 연결 브래킷은 금속 재질로 전체 중량에 적지 않은 중량을 추가시키므로, 초기에는 연결 브래킷을 가능한 경량으로 설계하였다. 그러나 뱀 로봇이 수직 배관을 상승할 때, 연결 브래킷에 큰 하중이 가해져 변형이 발생할 수 있다는 점을 고려하여 연결 브래킷을 두 개의 모듈을 들어 올리거나 지탱할 수 있도록 다시 설계하였다. 초기 설계에서 전기적인 선들이 모듈간 운동에 간섭을 최소화하고, 지면에는 접촉하지 않도록 회전 축에 구멍을 만들어 모듈간에 연결되도록 하였으나, 협소배관 주행 시 내벽과의 마찰로 손상이 발생하였다.
- 초기 설계에서 전기적인 선들이 모듈간 운동에 간섭을 최소화하고, 지면에는 접촉하지 않도록 회전 축에 구멍을 만들어 모듈간에 연결되도록 하였으나, 협소배관 주행 시 내벽과의 마찰로 손상이 발생하였다. 연결 브래킷을 재설계하면서 전기적인 선들이 지면과 협소배관내벽 등과 접촉되지 않도록 모듈의 위/아래 덮개에 긴 홈을 내고 그 사이로 전기적인 선들이 통과하여 연결 브래킷 중앙부에 고정되도록 하였다. 그림 5에 연결 브래킷과 굽힘 모멘트와 회전 모멘트에 대한 연결 브래킷의 응력해석 결과를 나타내었다.
- 버팀 방식으로 수직배관을 이동할 때는 접촉점에서 미끄럼 없이 자중을 견뎌야 한다. 본 논문에서는 뱀 로봇의 직경이 링크 1개의 길이보다 작은 수직배관 내부를 몸통의 측면이 아닌 관절 부분으로 접촉하는 버팀 방식으로 이동하는 방법을 적용하였다. 따라서 연결 브래킷과 위/아래 커버의 접촉점에 고무 패드를 부착하였다.
- 본 연구에서는 11개의 모듈로 이루어진 뱀 로봇에 6링크와 같이 자벌레 이동 모습을 적용하였다. 중간의 두 링크를 신축하여 이동하고 나머지 모듈 중 위아래 모듈을 사용하여 견고하게 지탱할 수 있도록 하였다. 배관 내벽과 접촉하고 있는 관절의 모터에 전류 제한을 설정하여, 토크는 일정한 값 이하로 유지되고 모터 구동 회로는 보호되도록 하였다.
- 중간의 두 링크를 신축하여 이동하고 나머지 모듈 중 위아래 모듈을 사용하여 견고하게 지탱할 수 있도록 하였다. 배관 내벽과 접촉하고 있는 관절의 모터에 전류 제한을 설정하여, 토크는 일정한 값 이하로 유지되고 모터 구동 회로는 보호되도록 하였다. 그림 15는 KAEROT-snake IV가 내부 지름 130mm 수직 배관을 상승하는 모습을 나타낸다.
- 본 연구는 소형 고토크 2 자유도 작동기 모듈로 구성된 뱀 로봇 KAEOT-snake IV를 소개하였다. 2 자유도 작동기 모듈은 유성 감속기와 워엄 기어 박스를 이중으로 채용하여 고토크를 낼 수 있도록 하였으며, 모듈간 연결 브래킷은 뱀 로봇이동 시 필요한 큰 하중을 견딜 수 있도록 설계하였다. 내장형 모터 구동 회로와 제어기를 소형으로 개발하여 모듈을 소형화 하였으며, 입력 전원을 높이고 전류를 낮추어 구동 회로를 안정화하고, CAN 통신을 사용하여 모듈간 연결에 필요한 선을 최소화하였다.
- 2 자유도 작동기 모듈은 유성 감속기와 워엄 기어 박스를 이중으로 채용하여 고토크를 낼 수 있도록 하였으며, 모듈간 연결 브래킷은 뱀 로봇이동 시 필요한 큰 하중을 견딜 수 있도록 설계하였다. 내장형 모터 구동 회로와 제어기를 소형으로 개발하여 모듈을 소형화 하였으며, 입력 전원을 높이고 전류를 낮추어 구동 회로를 안정화하고, CAN 통신을 사용하여 모듈간 연결에 필요한 선을 최소화하였다. KAEROT-snake IV로 3차원 동작이 필요한 기본적인 동작들과 장애물이 존재하는 평면에서 기동성 있는 이동, 그리고 수직의 협소배관 내부에서 이동이 가능함을 보였다.
- CAN 통신은 시리얼 버스 시스템으로 2선만으로 모듈간 통신이 가능하여 배선이 간단해지며, 전기적 차동 통신을 하기 때문에 노이즈에 매우 강한 특성을 갖고 있다. 정격전압이 24V인 모터를 선정하고, 그에 따라 모터구동 입력전원도 상용 RC서보 입력 전원 12V보다 높은 24V를 사용하여 흐르는 전류가 작고 구동 효율이 높도록 하였다. 모터의 위치제어는 PI 제어기를 사용하였으며, 부드러운 운동을 생성하기 위하여 사다리꼴 속도 프로파일을 생성하였다.
대상 데이터
- 뱀 로봇이 주행할 때 지면이나 배관 내벽 등으로부터의 반력을 지탱하기 위해서는 구조적으로 강인해야 한다. 따라서 작동기 모듈을 지탱하는 부분과 나사로 고정되어야 하는 부분은 알루미늄 합금으로 제작하였으며, 위/아래 커버는 플라스틱으로 제작하였다. 가장 큰 하중을 받는 축 연결부는 강철 재료를 사용하였다.
- 따라서 작동기 모듈을 지탱하는 부분과 나사로 고정되어야 하는 부분은 알루미늄 합금으로 제작하였으며, 위/아래 커버는 플라스틱으로 제작하였다. 가장 큰 하중을 받는 축 연결부는 강철 재료를 사용하였다.
- 이렇게 개발된 2 자유도 작동기 모듈은 외경이 65mm, 길이가 135mm, 무게가 약 0.5kg 이다. 작동기 모듈들은 기구적으로 연결 브래킷으로 연결되고 전기적으로는 전원 2선, 통신 2선, 영상신호 4선, 총 8개의 선으로 연결된다.
- 본 연구에서는 11개의 모듈로 이루어진 뱀 로봇에 6링크와 같이 자벌레 이동 모습을 적용하였다. 중간의 두 링크를 신축하여 이동하고 나머지 모듈 중 위아래 모듈을 사용하여 견고하게 지탱할 수 있도록 하였다.
이론/모형
- 그림 12. 버팀 방법을 이용한 수직배관 이동 분석.
성능/효과
- 지면에 닿지 않는 모듈의 횡방향 운동을 억제하고, 즉 그 모듈을 건너뛰고 횡방향 주기운동을 전달해도 로봇이 전진할 수 있다. 따라서 지면에 닿지 않는, 무게중심이 높아진, 모듈의 횡방향 운동은 억제함으로써 좌우 회전관성을 줄여 로봇의 전복 위험성을 줄이고 로봇이 전진할 수 있도록 하였다. 그림 10은 문턱 형태의 장애물을 극복하는 모습을 나타낸다.
- Greenfield [10]등은 이 두 번째 단계에서 하단의 두 링크를 완전히 폈다가 세번째 단계에서 버팀 자세를 만드는 방법을 제시하였다. 그러나 본 논문에서 제시한 바와 같이 두 번째 자세에서 하단의 링크를 조금만 펴줌으로써 하단의 링크를 다시 버팀 자세로 만들 때 이동 시간을 단축할 수 있다. 그림에서 원으로 표시한 부분이 관절을 조금만 펴주어서 관절이 내벽에 닿지 않는 모습을 나타낸다.
- 내장형 모터 구동 회로와 제어기를 소형으로 개발하여 모듈을 소형화 하였으며, 입력 전원을 높이고 전류를 낮추어 구동 회로를 안정화하고, CAN 통신을 사용하여 모듈간 연결에 필요한 선을 최소화하였다. KAEROT-snake IV로 3차원 동작이 필요한 기본적인 동작들과 장애물이 존재하는 평면에서 기동성 있는 이동, 그리고 수직의 협소배관 내부에서 이동이 가능함을 보였다. 추후 협소배관 내부에서 이동 속도를 높일 수 있는 방법을 연구하고, 머리부에 포함된 스테레오 카메라와 3차원 기울기 센서를 이용하여 구체적인 작업을 수행할 수 있는 알고리즘을 개발할 예정이다.
후속연구
- KAEROT-snake IV로 3차원 동작이 필요한 기본적인 동작들과 장애물이 존재하는 평면에서 기동성 있는 이동, 그리고 수직의 협소배관 내부에서 이동이 가능함을 보였다. 추후 협소배관 내부에서 이동 속도를 높일 수 있는 방법을 연구하고, 머리부에 포함된 스테레오 카메라와 3차원 기울기 센서를 이용하여 구체적인 작업을 수행할 수 있는 알고리즘을 개발할 예정이다.
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