[논문]험지 주행용 소형 로봇을 위한 바퀴의 설계

김유석; 김한; 정광필; 김성한; 조규진; 주종남

doi:10.7736/kspe.2013.30.1.32

Abstract ▼ AI-Helper

Small mobile robots which use round wheels are suitable for driving on a flat surface, but it cannot climb the obstacle whose height is greater than the radius of wheels. As an alternative, legged-wheels have been proposed by many researchers due to its better climbing performance. However, driving ...

Small mobile robots which use round wheels are suitable for driving on a flat surface, but it cannot climb the obstacle whose height is greater than the radius of wheels. As an alternative, legged-wheels have been proposed by many researchers due to its better climbing performance. However, driving and climbing performances have a trade-off relationship so that their driving performance should be sacrificed. In this study, in order to achieve both driving and climbing performances, a new transformable wheel was developed. The developed transformable wheel can have a round shape on a flat surface and change its shape into legged-wheel when it makes a contact with an obstacle. For design of the transformable wheel, the performance of legged-wheel was analyzed with respect to the number and curvature of the leg, and then the new transformable wheel was designed based on the analysis. Contrary to the existing transformable wheels that contain additional actuators for the transformation, the developed transformable wheel can be unfolded without any additional actuator. In this study, in order to validate the transformable wheel, a simple robot platform was fabricated. Consequently, it climbed the obstacle whose height is 2.6 times greater than the wheel radius.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이 변형 바퀴는 장애물을 넘은 직후에는 비틀림 스프링의 복원력으로 인하여 다시 원형 바퀴로 변형하게 된다. 이 연구에서는 또한, 이와 같은 변형 바퀴의 성능을 보여줄 수 있는 간단한 로봇 플랫폼을 제시하였다.

제안 방법

2 와 같이 곡률의 방향과 그 크기에 따라 5 가지 종류로 나누었다. 그리고 각 종류에 따른 장애물 극복 능력과 평지 주행 성능을 알아보기 위해 Fig. 3 과 같이 몸체의 앞부분에 2 개의 legged-wheel 을 갖는 이륜 로봇을 제작하였다. 한 개의 dc 모터를 사용하여 양쪽 바퀴를 구동시켰으며, Table 2 에서 나타나듯이, Legged-wheel 의 직경은 60 mm, 다리의 두께는 10 mm 이고, 재질은 PDMS(polydimethylsiloxane)이다.
Legged-wheel 은 원형바퀴보다 장애물 극복능력이 뛰어나 주위 평탄도가 낮은 소형 로봇의 이동수단으로는 적합하지만 평지에서 주행 성능은 원형바퀴보다 떨어진다. 다리의 개수와 곡률을 변수로 하여 Legged-wheel 의 장애물 극복 능력과 평지 주행 성능을 실험해 보았다. 다리의 개수가 3 개일 때의 legged-wheel 이 평지 주행 성능은 다른 다리 개수의 legged-wheel 보다 떨어졌지만, 장애물 극복 능력은 월등히 높았다.
3 장에서는 2 장의 분석을 기초하여 설계된 변형 바퀴에 대해 구체적으로 설명한다. 또한 Wheel Transformer 라 불리는 로봇 플랫폼을 소개하여 제시된 변형 바퀴의 성능을 시험한다.
Tratransformable wheel 은 3 개의 다리가 모두 이어져 있어서 트리거 다리가 펴지면 힘 전달부를 통하여 3 개의 다리가 모두 펴지는 1 자유도 시스템이다. 또한 다리가 펴지는 변형과정은 서보 모터와 같은 별도의 엑추에이터 없이 장애물과의 마찰력만으로 이루어지도록 설계 되었다.
로봇의 크기는 폭 190 mm, 길이 210 mm 로 무게는 350 g 이다. 로봇의 치수는 로봇이 올라갈 수 있는 최대 높이의 장애물을 넘을 때 상하좌우 방향으로 전복되지 않도록 설계되었다. Wheel Transformer 는 평지에서 원형바퀴를 이용하여 주행하며 장애물과 접촉하면 바퀴가 접점에서의 마찰력만으로 legged-wheel 로 변형하여 장애물을 넘게 된다.
이 연구에서는 변형을 위한 추가적인 엑추에이터 없이 바퀴가 장애물과 접촉하였을 때 발생하는 마찰력만으로 원형 바퀴에서 legged-wheel 로 변형할 수 있는 바퀴를 제시하였다. 이 변형 바퀴는 장애물을 넘은 직후에는 비틀림 스프링의 복원력으로 인하여 다시 원형 바퀴로 변형하게 된다.
9 와 같이 슬라이드 둘레의 곡률을 핀의 회전곡률과 그 크기를 일치시켜서 설계하였다. 핀의 이동경로와 슬라이드의 형상 간의 간섭을 없게 할 뿐만 아니라, 핀과 슬라이드의 접촉을 연속적으로 이루어지게 하여 변형 전후 다리가 힘 전달부와 유격 없이 위치하게 하였다.

대상 데이터

10 은 제작된 transformable wheel 을 보여준다. Transformable wheel 의 반지름은 35 mm, 무게는 50 g, 재질은 폴리카보네이트가 사용되었다. 트리거 다리와 휠 베이스 조인트에는 비틀림 스프링이 설치되어 있어서 로봇이 장애물을 넘은 후 자동으로 원 형상의 바퀴로 변신하게 하였다.
11 은 제작된 transformable wheel 2 개를 사용하는 로봇 플랫폼인 Wheel Transformer 을 보여준다. 로봇의 크기는 폭 190 mm, 길이 210 mm 로 무게는 350 g 이다. 로봇의 치수는 로봇이 올라갈 수 있는 최대 높이의 장애물을 넘을 때 상하좌우 방향으로 전복되지 않도록 설계되었다.
3 과 같이 몸체의 앞부분에 2 개의 legged-wheel 을 갖는 이륜 로봇을 제작하였다. 한 개의 dc 모터를 사용하여 양쪽 바퀴를 구동시켰으며, Table 2 에서 나타나듯이, Legged-wheel 의 직경은 60 mm, 다리의 두께는 10 mm 이고, 재질은 PDMS(polydimethylsiloxane)이다. 그리고 A, E 형상의 곡률은 36 mm, B, D 형상의 곡률은 22 mm 이다.

성능/효과

다리의 개수와 곡률을 변수로 하여 Legged-wheel 의 장애물 극복 능력과 평지 주행 성능을 실험해 보았다. 다리의 개수가 3 개일 때의 legged-wheel 이 평지 주행 성능은 다른 다리 개수의 legged-wheel 보다 떨어졌지만, 장애물 극복 능력은 월등히 높았다. 다리의 곡률에 관한 실험에서는 그 곡률에 따라 로봇의 장애물 극복 능력과 평지 주행 성능이 서로 트레이드 오프(trade off)의 관계를 보였다.
다리의 개수가 3 개일 때의 legged-wheel 이 평지 주행 성능은 다른 다리 개수의 legged-wheel 보다 떨어졌지만, 장애물 극복 능력은 월등히 높았다. 다리의 곡률에 관한 실험에서는 그 곡률에 따라 로봇의 장애물 극복 능력과 평지 주행 성능이 서로 트레이드 오프(trade off)의 관계를 보였다.
특히, 임무의 특성상 여러 대의 소형 로봇이 군집 활동을 할 경우 임무의 성취도는 비약적으로 향상된다. 본 연구에서 개발된 transformable wheel 은 변형을 위한 별도의 엑추에이터가 존재하지 않아 설계의 단순함이 소형 로봇 설계에 적합할 뿐만 아니라 생산단가를 낮출 수 있어 로봇의 대량생산에도 적합하다.

후속연구

예를 들어, 탐색이나 구조 임무에서 소형 로봇은 여러 대가 동시에 흩어져서 임무를 수행할 경우 임무의 성취도가 비약적으로 상승하게 된다. 따라서 소형 로봇에 적합하도록 간단한 구조의 변형바퀴를 설계하여 로봇의 평지 주행 능력과 장애물 극복 능력 모두를 향상시키는 연구가 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	원형바퀴를 사용하는 소형 로봇의 장단점은 무엇인가?	일반적으로, 원형바퀴를 사용하는 소형 로봇은 평지에서는 바퀴와 지면간의 안정적인 접지를 유지하며 높은 주행 성능을 보이지만, 바퀴의 반지름보다 높은 장애물을 넘을 수 없는 근본적인 문제를 가지고 있다. 원형바퀴의 대안으로 제시된 leggedwheel 은 추가적인 구조 없이 바퀴의 형상만으로 같은 직경의 원형 바퀴가 넘을 수 있는 장애물보다 높은 장애물을 넘을 수 있다.
	소형 로봇의 장점은 무엇인가?	소형 로봇은 무너진 건물더미와 같이 인간이 진입하기에는 어려운 작은 틈새를 통과할 수 있는 장점을 가지고 있다. 많은 수의 소형 로봇들은 이러한 곳에서 구조나, 탐사, 정찰 등의 임무를 효과적으로 수행할 수 있다.
	Legged-wheel을 사용하는 Whegs와 RHex의 특징은 무엇인가?	Legged-wheel 을 사용하는 로봇으로는 Whegs3와 RHex4가 있다. Whegs 는 바퀴 다리의 길이보다 높은 장애물을 올라갈 수 있고 RHex 는 반원 형상의 legged-wheel 과 개루프제어(open loop control)을 이용하여 다양한 크기의 계단을 오를 수 있다. 그러나 모든 종류의 legged-wheel 로봇은 바퀴중심으로부터 바퀴의 둘레까지의 거리가 일정하지 않아 평지 주행 시 로봇의 무게중심이 지면과 수직한 방향으로 계속 변하는 현상이 발생한다.

참고문헌 (6)

Matsuno, F. and Tadokoro, S., "Rescue robots and systems in japan," Proceedings of the IEEE Int. Conf. on Robotics and Biomimetics, pp. 12-20, 2004.
Kaspari, M. and Weiser, M. D., "The size-grain hypothesis and interspecific scaling in ants," Fuctional Ecology, Vol. 13, pp. 530-538, 1999.

상세보기
Allen, T. J., Quinn, R. D., Bachmann, R. J., and Ritzmann, R. E., "Abstracted biological principles applied with reduced actuation improve mobility of legged vehicles," Proceedings of the IEEE Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems, Vol. 2, pp. 1370-1375, 2003.
Moore, E. Z., Campbell, D., Grimminger, F., and Buehler, M., "Realiable stair climbing in the simple hexapod 'RHex'," Proceedings of the IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, Vol. 3, pp. 2222-2227, 2002.
Moore, J. M., Lambrecht, B., Horchler, A. D., Ritzmann, R. E., and Quinn, R. D., "Highly mobile and robust small quadruped robots," Proceedings of the IEEE Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems, Vol. 1, pp. 82-87, 2003.
Shen, S. Y., Li, C. H., Cheng, C. C., Lu, J. C., Wang, S. F., and Lin, P. C., "Design of a leg-wheel hybrid mobile platform," Proceedings of the IEEE Int. Conf. on Robots and Systems, pp. 4682-4687, 2009.

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