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[국내논문] 허브형 구동모듈 기반의 가변접지 기능을 갖는 전방향 이동로봇
Omnidirectional Mobile Robot Capable of Variable Footprinting Based on Hub-Type Drive Module 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.36 no.3, 2012년, pp.289 - 295  

김효중 (LIG넥스원) ,  조창노 (고려대학교 기계공학부) ,  김휘수 (고려대학교 기계공학부) ,  송재복 (고려대학교 기계공학부)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

Keyword

AI 본문요약
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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.
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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.
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참고문헌 (6)

  1. Iwata, H. and Sugano, S., 2009, "Design of Human Symbiotic Robot TWENDY-ONE," IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, pp. 580-586. 

  2. Iagnemma, K., Rzepniewski, A., Dubowsky, S., Pirjanian, P., Huntsberger, T. and Schenker, P., 2000, "Mobile Robot Kinematic Reconfigurability for Rough- Terrain," Proc. of the SPIE, Vol. 4196, pp. 413-420. 

  3. Grand, C., Benamar, F., Plumet, F. and Bidaud, P., 2004, "Stability and Traction Optimization of a Reconfigurable Wheel-Legged Robot," Int. J. of Robotics Research, Vol. 23, No. 10/11, pp. 1041-1058. 

  4. 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. 

  5. 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. 

  6. 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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