[논문]험한 지형 주행 운반 로봇 플랫폼의 개념 설계 및 분석

최동규; 정승민; 김종원

doi:10.7736/kspe.2013.30.1.24

험한 지형 주행 운반 로봇 플랫폼의 개념 설계 및 분석
Conceptual Design and Analysis of the Rough Terrain Mobile Robot 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.30 no.1, 2013년, pp.24 - 31

최동규 (서울대학교 기계항공공학부) , 정승민 (서울대학교 기계항공공학부) , 김종원 (서울대학교 기계항공공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents conceptual design and analysis of the rough terrain mobile robot. The requirement list of the robot is derived to make it possible to deliver small robots and communication equipment to certain place. In addition, detailed analysis of the existing mobile mechanisms is performed. Based on the requirement list and analysis, the proposed rough terrain mobile robot is systematically designed and through extensive simulations, its capability of moving on various rough terrains is successfully verified.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

이에 본 논문에서는 시스템의 하나인 큰 로봇의 필요한 요구사항과 이에 맞는 이동 로봇 메커니즘을 제안하고 최종 설계 메커니즘을 선정한다. 또한 무너진 건물에서 이동할 때 접할 수 있는 다양한 장애물을 선정하고 최종 설계 대안이 장애물을 넘을 수 있는지에 대한 여부를 판단한다.
본 논문에서는 무너진 건물에서 소형 로봇과 통신 장비를 운반하는 험한 지형 운반 주행 로봇의 개발을 보여주었다. 실제로 무너진 건물에서 인명을 구조하는 요원을 방문하여 로봇이 가져야 하는 필요 요구사항을 정리하고 기존의 험한 지형 주행 로봇들의 연구를 통하여 장단 점을 분석하였다.
본 연구에서는 무너진 건물에서 이동 로봇이 이동을 하며 실종자를 찾는 작업을 수행하는 로봇의 개발을 수행하고 있으며, 많은 기능을 가지고 있는 하나의 로봇이 아니라 큰 장애물을 극복하며 작은 로봇을 운반하여주는 큰 로봇과 다양한 장애물을 극복 가능한 작은 로봇이 팀을 이루어 작업을 하는 방안을 제시한다. 이에 본 논문에서는 시스템의 하나인 큰 로봇의 필요한 요구사항과 이에 맞는 이동 로봇 메커니즘을 제안하고 최종 설계 메커니즘을 선정한다.
본 연구에서는 무너진 건물에서 이동 로봇이 이동을 하며 실종자를 찾는 작업을 수행하는 로봇의 개발을 수행하고 있으며, 많은 기능을 가지고 있는 하나의 로봇이 아니라 큰 장애물을 극복하며 작은 로봇을 운반하여주는 큰 로봇과 다양한 장애물을 극복 가능한 작은 로봇이 팀을 이루어 작업을 하는 방안을 제시한다. 이에 본 논문에서는 시스템의 하나인 큰 로봇의 필요한 요구사항과 이에 맞는 이동 로봇 메커니즘을 제안하고 최종 설계 메커니즘을 선정한다. 또한 무너진 건물에서 이동할 때 접할 수 있는 다양한 장애물을 선정하고 최종 설계 대안이 장애물을 넘을 수 있는지에 대한 여부를 판단한다.
이러한 요구사항을 바탕으로 기존의 주행 구조의 장단점을 살펴보면 바퀴 주행 구조의 경우 링키지의 서스펜션 구조를 통하여 안정적인 주행이 가능한 반면 트랙 주행 구조의 경우 장애물 극복 능력이 뛰어나다. 이에 본체의 주행 안정성이 뛰어나며 장애물 극복 능력이 뛰어난 이동 메커니즘을 개발하기 위해서는 이 두 가지 기존 주행 메커 니즘의 장점만을 살린 설계대안이 필요함을 알 수 있다. 이러한 이유로 현재 본체의 안정적인 주행을 가능하게 하는 링키지 메커니즘인 라커보기 메커니즘을 로봇의 주요 링키지 메커니즘으로 선정하였다.

가설 설정

특히나 무너진 건물에서의 이동의 경우 계단에 대한 극복 능력은 층과 층을 이동하는데 필수적이다. 셋째 무너진 건물에서의 주행에 있어서 본체의 흔들림이 심하면 안 된다. 큰 이동 로봇의 경우 내부에 소형 로봇과 통신 장비를 탑재하는 운반용 이동하기 때문에 험한 지형 이동 시에 본체가 흔들려서 소형 로봇이나 장비가 떨어지거나 손상이 일어나면 안 된다.

제안 방법

그러나 트랙의 경우 로봇의 회전 시 회전반경이 좋지 않으며 에너지 효율이 좋지 않고 무겁다는 단점이 있다. 그래서 6 개의 바퀴 전부가 아니라 최대의 이동능력 증가를 얻기 위하여 맨 앞의 바퀴를 트랙으로 교체하는 방안이 선택되었다.
이후 분석된 자료를 바탕으로 다양한 설계 대안을 작성하였으며 비교를 통하여 최종 설계 대안을 완성하였다. 마지막으로 CAD 모델링을 통하여 최종 설계대안이 험한 지형에서 가지는 극복능력을 분석하였고 굴곡이 험한 지형에서의 기울기의 변화도 분석하였다. 이러한 분석을 통하여 새롭게 정해진 최종 설계 대안은 장애물 극복 능력은 물론 주행 시 안정성까지도 타 험한 지형 주행 로봇에 비하여 우수한 성능을 보이는 것으로 분석되었다.
그림 2 에 나타난 설계 대안은 라커보기 구조에 트랙의 장점을 살릴 수 있도록 고려된 모델들이다. 모두 기본적으로 라커보기 구조를 가지고 있으며 다양한 방법을 통하여 트랙의 장점을 추가하였다. 첫 번째 방법은 그림 2 의 (a)에서 나타나는 것처럼 라커보기에 있는 바퀴를 트랙으로 대처하는 방법이다.
본 논문은 2 장에서 큰 이동로봇의 요구사항 목록을 제시하고 기존 이동 로봇이 가지고 있는 장점과 단점을 비교 분석 한다. 3 장에서는 이동로봇의 최종 설계 대안을 선정하여 장애물에서의 극복 능력을 분석한다.
요구사항 목록을 통하여 로봇에 실제 필요한 기능을 정리해 볼 수 있으며 필요한 작업에 맞는 로봇을 제작 할 수 있다. 실제 재난 현장에서 인명을 구출하는 소방관의 면담을 통하여 필요한 로봇의 기능을 추출하고, 실제 구조현장을 모사한 대원들이 훈련하는 훈련장을 방문하여 현장에 대한 이해를 통하여 로봇의 필요한 요구사항 목록을 정리하였다. 정리된 요구사항 목록은 Table 1 과 같다.
본 논문에서는 무너진 건물에서 소형 로봇과 통신 장비를 운반하는 험한 지형 운반 주행 로봇의 개발을 보여주었다. 실제로 무너진 건물에서 인명을 구조하는 요원을 방문하여 로봇이 가져야 하는 필요 요구사항을 정리하고 기존의 험한 지형 주행 로봇들의 연구를 통하여 장단 점을 분석하였다. 이후 분석된 자료를 바탕으로 다양한 설계 대안을 작성하였으며 비교를 통하여 최종 설계 대안을 완성하였다.
앞의 2 절에서 정의된 험한 지형 주행 운반 로봇의 요구사항 목록과 기존 주행 메커니즘의 장단점 비교 분석을 통하여 무너진 건물에서 소형 로봇을 운반하는 운반 로봇의 설계대안을 선정한다. 기존의 이동 로봇과 본 연구에서 요구하는 운반 이동 로봇이 가지는 가장 큰 차이는 요구사항 목록에서 나와 있듯이 본체의 안정적인 주행의 필요성이다.
이 장에서는 기존에 연구되고 있는 다양한 이동 로봇의 조사 및 비교를 통하여 큰 이동 로봇의 설계 대안을 제시한다. 이동로봇은 크게 바퀴형 이동로봇, 트랙형 이동 로봇, 그리고 다리형 이동 로봇으로 나누어 볼 수 있다.
이에 본체의 주행 안정성이 뛰어나며 장애물 극복 능력이 뛰어난 이동 메커니즘을 개발하기 위해서는 이 두 가지 기존 주행 메커 니즘의 장점만을 살린 설계대안이 필요함을 알 수 있다. 이러한 이유로 현재 본체의 안정적인 주행을 가능하게 하는 링키지 메커니즘인 라커보기 메커니즘을 로봇의 주요 링키지 메커니즘으로 선정하였다. 라커보기 메커니즘을 기준으로 트랙의 장점인 긴 바퀴의 특징을 살릴 수 있는 설계대안에 대하여 논의 하였으며 선정된 설계대안들은 그림 2 와 같다.
평가 결과 바퀴 대신 트랙을 사용하는 첫 번째 방법이 다른 방법들에 비하여 높은 결과를 보임을 확인 할 수 있다. 이에 다음장에서는 앞 바퀴 대신에 트랙을 사용하는 최종 설계 대안의 이동능력과 주행 안정성을 분석하여 본다.
기존의 주행 메커니즘과는 달리 험한 지형 운반 로봇의 경우 무너진 건물에서 흔들림이 적게 주행하여 운반하는 소형 로봇을 안전하게 운반하는 것이 중요하다. 이에 동역학 해석 툴인 RecurDyn (version 7, FunctionBay)을 이용하여 장애물 극복 능력이 높은 트랙 구조와 최종 설계 대안의 굴곡이 험한 지형에서의 주행 모습을 비교해 보았다. 그림 8 은 시뮬레이션을 수행하는 모습이며 위의 그림은 트랙구조의 이동 로봇, 최종 설계 대안, 테스트할 험한 지형이고 아래 그래프는 주행시의 본체의 각도를 나타낸다.
실제로 무너진 건물에서 인명을 구조하는 요원을 방문하여 로봇이 가져야 하는 필요 요구사항을 정리하고 기존의 험한 지형 주행 로봇들의 연구를 통하여 장단 점을 분석하였다. 이후 분석된 자료를 바탕으로 다양한 설계 대안을 작성하였으며 비교를 통하여 최종 설계 대안을 완성하였다. 마지막으로 CAD 모델링을 통하여 최종 설계대안이 험한 지형에서 가지는 극복능력을 분석하였고 굴곡이 험한 지형에서의 기울기의 변화도 분석하였다.
최종으로 선정된 설계 대한의 무너진 건물에서의 극복능력을 분석해 본다. 요구사항 목록에서 험지 주행 운반 로봇이 극복해야 하는 장애물은 크게 빗면, 단, 구멍, 그리고 계단으로 나누어 볼 수 있다.
위와 같은 3 개의 설계 대안에 대하여 요구사항 목록에 맞춰서 가중치를 비교해 보았으며 그 결과는 표 2 에 나타나 있다. 험한 지형을 주행하는 운반 로봇 제작에 있어서 험한 지형에서의 이동 능력, 지형 이동시의 안정성, 제작 용이성, 그리고 제어의 편리성에 대하여 각각의 비중을 적용하여 평가 하였다. 평가 결과 바퀴 대신 트랙을 사용하는 첫 번째 방법이 다른 방법들에 비하여 높은 결과를 보임을 확인 할 수 있다.

이론/모형

그림 3 은 최종 설계대안을 3-D 모델링 한 모습을 나타낸다. 모델링은 Soildworks (version 2010, Dassault Systems, Concord, MA, USA)를 이용하여 설계 되었다. 최종 설계 대안은 라커보기 링키지구조에 4 개의 바퀴와 함께 앞부분에 트랙이 장착한 모습을 가지고 있다.

성능/효과

그림 8 은 시뮬레이션을 수행하는 모습이며 위의 그림은 트랙구조의 이동 로봇, 최종 설계 대안, 테스트할 험한 지형이고 아래 그래프는 주행시의 본체의 각도를 나타낸다. 그래프를 살펴보면 트랙 구조의 경우 최대 10 도의 기울기의 변화를 보이는 방면 최종 설계 대안의 경우 최대 22 의 각도 변화로 같은 지형에 대해서 45 %의 기울기 변화를 보였다. 이는 굴곡이 험한 지형에서 최종 설계 대안이 트랙 구조에 비하여 안전하게 운반이 가능함을 보여 준다.
기존의 바퀴 구조의 경우 바퀴의 반지름보다 높은 단에 대하여 극복이 어려우며 특히나 단이 옆면이 없어서 바퀴가 디딜 곳이 없을 경우에는 극복이 절대 불가능하였다. 그러나 최종 대안의 경우는 트랙을 이용하여 극복이 가능함을 볼 수 있다.
세 가지의 큰 이동 구조를 분석하여 보면 바퀴형 구조는 굴곡이 험한 지형에서 안정적인 이동을 보이는 반면 다양한 지형을 극복하지 못하고, 반면에 트랙 구조는 다양한 지형에서 이동 능력은 좋지만 험한 지형 주행 시 본체의 안정성이 떨어진다. 다리 형 구조는 안정성과 이동 능력 면에서 모두 좋은 능력을 보여주지만 제어와 동작 구현이 어렵다는 단점이 있다.
마지막으로 CAD 모델링을 통하여 최종 설계대안이 험한 지형에서 가지는 극복능력을 분석하였고 굴곡이 험한 지형에서의 기울기의 변화도 분석하였다. 이러한 분석을 통하여 새롭게 정해진 최종 설계 대안은 장애물 극복 능력은 물론 주행 시 안정성까지도 타 험한 지형 주행 로봇에 비하여 우수한 성능을 보이는 것으로 분석되었다.
험한 지형을 주행하는 운반 로봇 제작에 있어서 험한 지형에서의 이동 능력, 지형 이동시의 안정성, 제작 용이성, 그리고 제어의 편리성에 대하여 각각의 비중을 적용하여 평가 하였다. 평가 결과 바퀴 대신 트랙을 사용하는 첫 번째 방법이 다른 방법들에 비하여 높은 결과를 보임을 확인 할 수 있다. 이에 다음장에서는 앞 바퀴 대신에 트랙을 사용하는 최종 설계 대안의 이동능력과 주행 안정성을 분석하여 본다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무너진 건물에 소형 로봇을 운반하는 로봇에 대한 요구사항은 무엇인가?	요구사항 목록의 중요한 내용을 살펴보면 첫째, 로봇의 크기는 600 mm (폭) x 800 mm (길이) x 600 mm (높이) 를 넘지 말아야 한다. 무너진 건물에서의 이동로봇의 경우 무너진 건물 자재에 의하여 이동이 제한 되며 사람이 들어가지 못하는 장소에도 접근이 가능하여야 하기 때문에 크기를 무한정으로 크게 만들 수 없다. 이에 좁은 복도에서 이동이 가능하며, 회전 시 회전 반경이 크지 않고 무게 중심이 높지 않은 로봇을 설계하여야 한다. 둘째로 빗면, 단, 구멍, 계단에 대한 이동능력이 좋아야 한다. 특히나 무너진 건물에서의 이동의 경우 계단에 대한 극복 능력은 층과 층을 이동하는데 필수적이다. 셋째 무너진 건물에서의 주행에 있어서 본체의 흔들림이 심하면 안 된다. 큰 이동 로봇의 경우 내부에 소형 로봇과 통신 장비를 탑재하는 운반용 이동하기 때문에 험한 지형 이동 시에 본체가 흔들려서 소형 로봇이나 장비가 떨어지거나 손상이 일어나면 안 된다. 이러한 이유로 필요한 작업을 수행하기 위해서는 본체의 진동이 심하지 않고 안전하게 운반을 하는 능력이 필요하다.
	트랙 구조의 로봇은 바퀴형 이동로봇보다 어떤 점이 우수한가?	트랙 구조의 경우 바퀴를 트랙으로 연결하여 긴바퀴와 같은 형상을 가지게 되면서 기존의 바퀴 메커니즘이 극복하지 못하던 구멍이나 단, 그리고 계단의 이동에 뛰어난 이동능력을 보인다. 특히 Irobot 사의 packbot9 의 경우 (그림 1 의 (b)) 트랙 바퀴 앞에 상하로 이동이 가능한 트랙 팔을 추가함으로써 험한 지형에서의 높은 이동 능력을 보여 주었다.
	라커보기는 어떤 로봇인가?	가장 대표적인 바퀴형 이동 로봇으로는 라커보기 4-7 를 들 수 있다. 라커보기는 그림 1 의 (a)에서 보이는 것처럼 6 개의 바퀴와 2 개의 수동 조인트로 이루어진 링크 구조를 가지는 이동 로봇이다. 땅의 모양에 맞게 수동 조인트가 작동하여 6 개의 바퀴가 항상 땅에 접지 할 수 있기 때문에 큰 추력을 내어 험한 지형 이동이 가능하고 본체의 진동이 적게 이동이 가능하다는 장점이 있다.

참고문헌 (10)

Lee, C. H., Kim, S. H., Kang, S. C., Kim, M. S., and Kwak, Y. K., "Double-Track Mobile Robot for Hazardous Environment Applications," Advanced Robotics, Vol. 17, No. 5, pp. 447-459, 2003.

상세보기
Lee, C. H., Kim, Y. H., Woo, C.-K., Jang, J., Kim, M. S., and Kwak, Y. K., "Design and Analysis of Link-Type Track for Variable Configuration Tracked Vehicle," Proc. of KSAE 2000 Autumn Conference, pp. 727-732, 2000.
Jin, S., Lee, S., Kim, J., and Seo, T. W., "Starfish Capture Robotic Platform: Conceptual Design and Analysis," J. of the KSPE, Vol. 29, No. 9, pp. 978-985, 2012.

원문보기 상세보기
Harrington, B. D. and Voorhees, C., "The challenges of designing the rocker-bogie suspension for the Mars Exploration Rover," Pasadena, CA : Jet Propulsion Laboratory, National Aeronautics and Space Administration, 2004.
Miller, D. P. and Lee, T.-L., "High-speed traversal of rough terrain using a rocker-bogie mobility system," Proceedings of Robotics 2002: The 5th International Conference and Exposition on Robotics for Challenging Situations and Environments, pp. 428-434, 2002.
Barlas, F., "Design of a Mars Rover Suspension Mechanism," Izmir Institute of Technology, 2004.
Chottiner, J. E., "Simulation of a six wheeled martian rover called the rocker bogie," M.Sc. Thesis, Department of Mechanical Engineering, Ohio State University, 1992.
Ellzey, C., "Galileo Wheel," http://www.engineeringtv.com/video/galileo-Wheel
iRobot, "Packbot," http://www.irobot.com/gi/ground
Boston Dynamics, "Bigdog," http://www.bostondynamics.com

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증