최근에 들어 서비스 로봇의 효율성 향상을 위한 이동로봇에 대한 연구가 활발하다. 이동로봇은 서비스 로봇의 이동성을 향상시킴으로써, 다양한 공간에서 작업을 할 수 있도록 한다. 그러나 기존의 서비스 로봇은 높은 무게중심으로 인하여 작업 중 전복의 가능성이 높다. 또한, 이동로봇에 사용되는 바퀴는 작고 가벼우며, 환경에 따라 바퀴의 종류를 바꿔야 하므로 기존의 허브형 모터는 한계가 있다. 이를 해결하기 위하여 본 연구에서는 이동로봇에 적합한 허브형 구동모듈과 가변접지면 메커니즘을 개발하였으며, 전방향 이동로봇에 적용하였다. 이를 통해 이동성 및 안정성을 향상과 다양한 작업공간에서의 효율성 향상시켰다. 또한 다양한 시험을 통하여 제안한 메커니즘의 성능을 검증하였다.
최근에 들어 서비스 로봇의 효율성 향상을 위한 이동로봇에 대한 연구가 활발하다. 이동로봇은 서비스 로봇의 이동성을 향상시킴으로써, 다양한 공간에서 작업을 할 수 있도록 한다. 그러나 기존의 서비스 로봇은 높은 무게중심으로 인하여 작업 중 전복의 가능성이 높다. 또한, 이동로봇에 사용되는 바퀴는 작고 가벼우며, 환경에 따라 바퀴의 종류를 바꿔야 하므로 기존의 허브형 모터는 한계가 있다. 이를 해결하기 위하여 본 연구에서는 이동로봇에 적합한 허브형 구동모듈과 가변접지면 메커니즘을 개발하였으며, 전방향 이동로봇에 적용하였다. 이를 통해 이동성 및 안정성을 향상과 다양한 작업공간에서의 효율성 향상시켰다. 또한 다양한 시험을 통하여 제안한 메커니즘의 성능을 검증하였다.
In recent years, an increased amount of research has been carried out on mobile robots to improve the performance of service robots. Mobile robots maximize the mobility of service robots, thus allowing them to work in different areas. However, conventional service robots have their center of mass pl...
In recent years, an increased amount of research has been carried out on mobile robots to improve the performance of service robots. Mobile robots maximize the mobility of service robots, thus allowing them to work in different areas. However, conventional service robots have their center of mass placed high above the ground, which may cause them to fall when moving at high speed. Furthermore, hub-type actuators, which are often used for mobile robots, are large and expensive. In this study, we propose a mobile robot with a hub-type actuator unit and a variable footprint mechanism. The proposed variable footprint mechanism greatly improves the stability and mobility of the robot, allowing it to move freely in a narrow space and carry out various tasks. The performance of the proposed robot is verified experimentally.
In recent years, an increased amount of research has been carried out on mobile robots to improve the performance of service robots. Mobile robots maximize the mobility of service robots, thus allowing them to work in different areas. However, conventional service robots have their center of mass placed high above the ground, which may cause them to fall when moving at high speed. Furthermore, hub-type actuators, which are often used for mobile robots, are large and expensive. In this study, we propose a mobile robot with a hub-type actuator unit and a variable footprint mechanism. The proposed variable footprint mechanism greatly improves the stability and mobility of the robot, allowing it to move freely in a narrow space and carry out various tasks. The performance of the proposed robot is verified experimentally.
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문제 정의
본 논문에서는 이러한 문제점을 극복하기 위하여 접지면의 면적을 변화시킬 수 있는 가변 접지면 메커니즘(variable footprint mechanism, VFM)과 효과적인 구동을 위한 허브형 구동 모듈(hub-type drive module, HDM)을 개발하였다. 또한, VFM과 HDM이 탑재된 전방향 이동로봇을 개발함으로써, 이동로봇의 이동성 및 안정성을 획기적으로 향상시켰다.
그러나 빠른 이동 및 작업 시에 이동로봇의 안정성을 높이기 위해서는 접지면의 최대화가 유리하다. 따라서 본 연구에서는 접지면을 가변시킬 수 있는 메커니즘을 구현함으로써, Table 1과 같이 로봇의 접지면의 변화를 통해 다양한 작업에서 안정성과 이동성을 모두 확보할 수 있는 VFM을 개발하였다.
또한, VFM과 더불어 이동성 향상을 위한 전방향 이동 기능을 구현함으로써 작업 시에 효율적인 방향 전환이 가능하도록 하였다. 특히, 본 연구에서는 4개의 액추에이터를 사용해 전방향 이동을 구현하던 기존의 이동로봇과 달리 두 개의 모터만을 사용함으로써, 이동로봇의 가격을 낮추고, 제어를 용이하게 하였다.
본 연구에서는 이동로봇의 효과적인 구동을 위한 HDM과 이동성 및 안정성 향상을 위해 접지면을 가변할 수 있는 VFM을 제시하였다. 또한, 서비스 로봇의 작업 성능 향상을 위해서 HDM과 VFM이 탑재된 전방향 이동로봇을 개발하였다.
기존에 개발된 대부분의 구동부는 바퀴 외부에 모터가 장착되어 있으므로 이물질 오염에 취약하며, 부피가 커지는 단점이 있었다. 그러므로 본 연구에서는 바퀴 내부에 모터가 장착되는 HDM을 개발함으로써 이러한 문제를 해결하였다. 개발한 HDM은 Fig.
본 연구에서는 전방향으로 이동 가능하며, 필요에 따라 접지면을 가변할 수 있는 이동로봇을 개발하였다. 그리고 다양한 실험을 통하여 이동로봇의 성능을 검증하였으며, 이로부터 다음과 같은 결론을 도출하였다.
가설 설정
Fig. 10은 4개의 구동모듈 A, B, C, D와 차체 E, 로봇 팔이 장착된 상체 F의 무게중심을 각각 나타내며, 상체는 하체에 비해 상대운동을 하지 않는다고 가정하여 계산을 단순화하였다. ZMP는 다음 식을 만족시키는 점으로 이를 이용하여 안정성을 평가할 수 있다.
따라서 로봇의 상체가 기울어지더라도 ZMP는 이동로봇의 접지면 안에 반드시 위치하여야 한다. 이를 실험하기 위해 Fig. 12와 같이 허리(6kg)와 가슴(4kg), 머니퓰레이터(30kg)로 구성된 서비스 로봇이 바닥에 있는 물건을 파지하는 상황을 가정하여, 상체의 무게중심 위치를 산정하였다. 이를 이용하여 접지면의 크기에 따라 이동로봇이 견딜 수 있는 하중을 ZMP를 통해 추정하였다.
본 연구에서는 개발한 이동로봇에 로봇의 상체가 결합된 상태를 가정하여 동적 실험을 수행하였다. 이를 위하여 Fig.
제안 방법
또한, VFM과 더불어 이동성 향상을 위한 전방향 이동 기능을 구현함으로써 작업 시에 효율적인 방향 전환이 가능하도록 하였다. 특히, 본 연구에서는 4개의 액추에이터를 사용해 전방향 이동을 구현하던 기존의 이동로봇과 달리 두 개의 모터만을 사용함으로써, 이동로봇의 가격을 낮추고, 제어를 용이하게 하였다. 즉, Fig.
본 연구에서는 이동로봇의 효과적인 구동을 위한 HDM과 이동성 및 안정성 향상을 위해 접지면을 가변할 수 있는 VFM을 제시하였다. 또한, 서비스 로봇의 작업 성능 향상을 위해서 HDM과 VFM이 탑재된 전방향 이동로봇을 개발하였다. 개발한 전방향 이동로봇은 HDM, VFM, 제어기 및 배터리로 구성되어 있다.
2와 같이 차체에 고정된 모터부와 모터부의 동력을 바퀴로 전달하는 회전부로 구성된다. 모터부는 모터와 감속기, 벨트/풀리, 평기어로 구성되어 있으며, 벨트/풀리를 병렬로 연결하여 공간을 효율적으로 활용하였다. 모터는 감속기를 통해 평기어를 회전시킨다.
평기어와 연결된 회전부는 내치기어와 덮개로 구성되어 있으며, 모터부의 동력을 내치기어로 전달받아 바퀴를 회전시킨다. 또한, 구동모듈이 지지하는 상체의 질량을 고려하여 모듈의 양단에 복열로 베어링을 배치하였다.
본 연구에서 제안한 HDM은 16,800rpm, 0.07Nm의 성능을 갖는 100W 모터와 193:1의 기어비를 갖는 감속기를 사용한다. 따라서 직경이 220mm의 바퀴를 장착할 경우 최대 1.
제안한 VFM 및 전방향 이동 메커니즘을 구현하기 위해서는 별도의 액추에이터 없이 HDM을 구동하여 대각선상에 위치한 바퀴 사이의 거리가 가변되어야 하며, 동시에 전방향 조향을 위한 동력이 연속적으로 전달되어야 한다. 이를 위해 본 연구에서는 Fig.
제안한 VFM 및 전방향 이동 메커니즘을 구현하기 위해서는 별도의 액추에이터 없이 HDM을 구동하여 대각선상에 위치한 바퀴 사이의 거리가 가변되어야 하며, 동시에 전방향 조향을 위한 동력이 연속적으로 전달되어야 한다. 이를 위해 본 연구에서는 Fig. 4와 같이 웜과 웜휠, 벨트/풀리 등으로 구성된 VFM을 개발하였다. VFM 1에 장착된 모터가 회전하면 연결된 웜(i)이 회전하고 웜휠(ii), 주동풀리(iii), 피동풀리(iv) 순으로 동력이 전달된다.
본 연구에서는 Fig. 6(a)와 같이 CAD상의 위치데이터를 사용하여 비선형 모양의 캠을 설계하였다. 즉, 조향축의 위치를 1cm 간격으로 이동시켜 변화하는 아이들러의 위치를 측정하였으며, 이 값을 3차 스플라인 보간법(cubic spline interpolation)으로 커브 피팅하여 (b)와 같은 비선형 캠을 설계하였다.
7과 같이 설계된 비선형 캠을 이용함으로써, 접지면의 변화 시에도 벨트의 장력을 일정하게 유지할 수 있다. 이를 바탕으로 조향 동력을 전달할 수 있는 VFM을 설계하였으며, 이를 통해 접지면을 최대 17cm까지 가변시킬 수 있다. 본 연구에서는 Fig.
9와 같이 상위 제어기인 PC와 하위 제어기인 모터 드라이브로 구성된다. 제어에는 National Instrument의 CVI가 사용되 었으며, 이 프로그램을 통해 UI를 제작, 사용자들이 간편하게 로봇을 제어할 수 있도록 하였다. PC는 로봇에 내장된 4개의 모터 드라이브와 RS-485통신을 통해 10ms의 주기로 이동로봇을 제어한다.
6Ah 용량의 배터리를 사용하였다. 외부 충격에 강인하고 순간 방전율이 높은 리튬인산철(LiFePO4) 계열의 배터리를 직렬(16개) 및 병렬(2개)로 연결하였다.
이를 위하여 Fig. 14와 같이 접지면의 중심으로부터 이동방향으로 0.3m, 높이 1.5m에 30kg의 질량을 장착하였으며, ±x축 방향으로 0.3m/s2의가감속 운동을 하는 동적 실험을 수행하였다.
11과 같이 HDM과 VFM이 적용된 전방향 이동로봇을 제작하였다. 제작된 이동로봇을 바탕으로 안정성 평가를 위한 정적 및 동적 실험과 이동성 평가를 위한 미로 통과 실험을 수행하였다.
12와 같이 허리(6kg)와 가슴(4kg), 머니퓰레이터(30kg)로 구성된 서비스 로봇이 바닥에 있는 물건을 파지하는 상황을 가정하여, 상체의 무게중심 위치를 산정하였다. 이를 이용하여 접지면의 크기에 따라 이동로봇이 견딜 수 있는 하중을 ZMP를 통해 추정하였다. 또한, 산정한 상체의 무게중심 위치에 추를 장착하여 실험을 수행함으로써 다음과 같은 결과를 얻었다.
이를 이용하여 접지면의 크기에 따라 이동로봇이 견딜 수 있는 하중을 ZMP를 통해 추정하였다. 또한, 산정한 상체의 무게중심 위치에 추를 장착하여 실험을 수행함으로써 다음과 같은 결과를 얻었다.
Fig. 13과 같이 상체의 무게중심 위치에 추를 추가하여 이동로봇이 견딜 수 있는 최대 허용하중을 측정하였다. 최소 접지면(a)과 최대 접지면(b)일 경우, 각각 19kg와 40kg의 가반하중에서 이동로봇이 전복되었다.
이러한 진동은 모바일 머니퓰레이션 성능을 저하시키며, 기구부의 손상을 발생시킬 수 있다. 따라서 이동로봇의 중심에 IMU센서(MI-GA3350M)를 부착하여 이동방향에 대한 진동을 측정하였다. 이동로봇을 ±x 방향으로 가감속하는 경우 접지면의 크기에 따른 진동은 Fig.
본 연구에서는 전방향으로 이동 가능하며, 필요에 따라 접지면을 가변할 수 있는 이동로봇을 개발하였다. 그리고 다양한 실험을 통하여 이동로봇의 성능을 검증하였으며, 이로부터 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 바퀴 내부에 액추에이터가 장착된 허브형 구동모듈을 개발하여, 부피가 작고 이물질 오염에 강인한 이동로봇을 구현하였다.
(2) 대각선에 위치한 조향축을 연동하여 두 개의 액추에이터로 전방향 이동을 가능하게 하였다 적은 수의 액추에이터를 사용함으로써 이동로봇의 제작 단가를 낮추고, 제어시스템을 단순화하였다.
대상 데이터
또한, 서비스 로봇의 작업 성능 향상을 위해서 HDM과 VFM이 탑재된 전방향 이동로봇을 개발하였다. 개발한 전방향 이동로봇은 HDM, VFM, 제어기 및 배터리로 구성되어 있다. 본 장에서는 각각의 구성요소에 대하여 설명한다.
그러므로 본 연구에서는 바퀴 내부에 모터가 장착되는 HDM을 개발함으로써 이러한 문제를 해결하였다. 개발한 HDM은 Fig. 2와 같이 차체에 고정된 모터부와 모터부의 동력을 바퀴로 전달하는 회전부로 구성된다. 모터부는 모터와 감속기, 벨트/풀리, 평기어로 구성되어 있으며, 벨트/풀리를 병렬로 연결하여 공간을 효율적으로 활용하였다.
8과 같이 프로토타입의 구동을 통해 조향축이 이동할 경우에도 연속적인 동력 전달이 가능함을 검증하였다. 개발한 VFM은 HDM과 동일한 100W의 모터를 사용하였으며, 모터의 출력으로부터 조향축까지의 감속비는 517:1을 적용하였다. 따라서 대각선에 위치한 두 바퀴를 하나의 모터를 사용하여 180°/s 각속도로 조향할 수 있다.
Table 3과 같이 이동로봇에 장착된 6개의 100W 모터를 최대 2.5시간 구동하기 위해 4.6Ah 용량의 배터리를 사용하였다. 외부 충격에 강인하고 순간 방전율이 높은 리튬인산철(LiFePO4) 계열의 배터리를 직렬(16개) 및 병렬(2개)로 연결하였다.
본 연구에서 제시된 메커니즘의 성능을 평가하기 위하여 Fig. 11과 같이 HDM과 VFM이 적용된 전방향 이동로봇을 제작하였다. 제작된 이동로봇을 바탕으로 안정성 평가를 위한 정적 및 동적 실험과 이동성 평가를 위한 미로 통과 실험을 수행하였다.
성능/효과
본 논문에서는 이러한 문제점을 극복하기 위하여 접지면의 면적을 변화시킬 수 있는 가변 접지면 메커니즘(variable footprint mechanism, VFM)과 효과적인 구동을 위한 허브형 구동 모듈(hub-type drive module, HDM)을 개발하였다. 또한, VFM과 HDM이 탑재된 전방향 이동로봇을 개발함으로써, 이동로봇의 이동성 및 안정성을 획기적으로 향상시켰다.
이를 바탕으로 조향 동력을 전달할 수 있는 VFM을 설계하였으며, 이를 통해 접지면을 최대 17cm까지 가변시킬 수 있다. 본 연구에서는 Fig. 8과 같이 프로토타입의 구동을 통해 조향축이 이동할 경우에도 연속적인 동력 전달이 가능함을 검증하였다. 개발한 VFM은 HDM과 동일한 100W의 모터를 사용하였으며, 모터의 출력으로부터 조향축까지의 감속비는 517:1을 적용하였다.
따라서 이동로봇의 ZMP가 접지면의 중앙에 위치할수록 안정성이 향상된다. 본 연구에서 제시된 VFM이 적용된 이동 로봇은 접지면을 변경하여 ZMP를 접지면 내부에 위치시킬 수 있어서 안정적인 제어에 유리하다.
(3) 가변 접지면 메커니즘을 통하여 출입문과 같은 좁은 이동성이 요구되는 환경에서는 접지면을 축소하고, 안정성이 요구되는 환경에서는 접지면을 확장하여 이동성과 안정성을 동시에 향상시켰다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
이동로봇의 접지면이란?
이동로봇의 접지면은 바퀴와 지면의 접점으로 구성된 다각면을 의미하며, 이 접지면은 이동로봇의 이동성(mobility) 및 안정성(stability)과 밀접하게 연관된다. 즉, 접지면이 넓으면 안정성은 향상되지만, 이동성은 저하되어 장애물이 있는 환경에서 이동을 하는 데 제약을 받으며, 방향 전환을 위한 많은 공간이 필요하다.
이동로봇의 접지면과 이동성 및 안정성은 어떤 관련이 있는가?
이동로봇의 접지면은 바퀴와 지면의 접점으로 구성된 다각면을 의미하며, 이 접지면은 이동로봇의 이동성(mobility) 및 안정성(stability)과 밀접하게 연관된다. 즉, 접지면이 넓으면 안정성은 향상되지만, 이동성은 저하되어 장애물이 있는 환경에서 이동을 하는 데 제약을 받으며, 방향 전환을 위한 많은 공간이 필요하다.
이동로봇의 높낮이를 조절하여 이동로봇의 이동성과 안정성을 동시에 향상시키는 방법의 한계점은 무엇인가?
이와 같은 문제를 해결하기 위하여 미국의 MIT와 프랑스의 LRP에서는 이동로봇의 높낮이를 조절하여 이동로봇의 이동성과 안정성을 동시에 향상시키는 방법을 제안하였다. (2,3) 그러나 이러한 방법은 이동로봇의 가반하중이 큰 경우에는 다리의 높낮이 조절이 어려워서 안정성 유지에 한계가 있다. 또한, 일본과 국내의 연구소에서는 구 형태의 바퀴 또는 전방향 바퀴를 이용하는 전방향 이동로봇을 제안하였으며, 접지면의 형태를 변화시킬 수 있는 메커니즘을 구현하였다.
참고문헌 (6)
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Wada, M. and Asada, H. H., 1999, "Design and Control of a Variable Footprint Mechanism for Holonomic Omnidirectional Vehicles and its Application to Wheelchairs," IEEE Trans. on Robotics and Automation, Vol. 15, No. 6, pp. 978-989.
Song, J. B. and Byun, K. S., 2004, "Design and Control of a Four-Wheeled Omnidirectional Mobile Robot with Steerable Omnidirectional Wheels," J. of Robotic Systems, Vol. 21, No. 4, pp. 193-208.
Fuchs, M., Borst, C., Giordano, P. R., et al., 2009, "Rollin'Justin-Design Considerations and Realization of a Mobile Platform for a Humanoid Upper Body," IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp. 4131-4137.
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