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계단 등반을 위한 신개념 로봇 플랫폼의 기구변수 최적화
Kinematic Optimal Design on a New Robotic Platform for Stair Climbing 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.30 no.4, 2013년, pp.427 - 433  

서병훈 (영남대학교 기계공학부) ,  홍승열 (영남대학교 기계공학부) ,  이재원 (영남대학교 기계공학부) ,  서태원 (영남대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Stair climbing is one of critical issues for field robots to widen applicable areas. This paper presents optimal design on kinematic parameters of a new robotic platform for stair climbing. The robotic platform climbs various stairs by body-flip locomotion with caterpillar type main platform. Kinema...

주제어

#계단등반로봇   #최적설계   #다구찌 방법론   #캐터필러   #기구학 변수  

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

문제 정의

  • 현재 한국 특허가 출원 중이다.12 이러한 locomotion 을 가정하고, 다양한 설계 변수를 최적화하여 안정된 계단 등반을 실현하는 것이 이 논문의 목적이다.
  • 총 3 종류의 계단을 사용조건으로 다구찌 방법론 (Taguchi methodology)10 에 의거하여 최적화가 수행된다. 목적함수로는 무게중심의 궤적과 직선경로와의 차이를 정의하여 안정된 등반이 가능하도록 설계한다.
  • 본 논문에서 제시되는 로봇 플랫폼은 body-flip locomotion 을 이용하여 계단을 빠르게 등반하는 것을 목적으로 한다. Fig.
  • 본 연구에서는 계단 등반을 위한 새로운 개념의 body-flip locomotion 을 하는 로봇 플랫폼에 대한 기구학적 변수의 최적화를 수행하였다. 다구찌 방법론을 기반으로 2 개의 기하하적 길이 변수와1 개의 각속도 변수를 최적화하였다.
  • 본 연구에서는 캐터필러 형식의 기본 구조를 바탕으로 body-flip locomotion 을 이용하여 계단을 등반하는 신개념 등반로봇의 최적설계를 다룬다. 위의 body-flip locomotion 을 이용하여 계단을 안정되게 등반하기 위하여 기구학 변수들이 최적화된다.
  • 본 연구의 목적은 앞 장에서 설명된 신개념 계단 등반 로봇의 기구변수를 안정된 등반을 위해 최적화하는 것이다. 메인 플랫폼의 길이 (lp), 메인 플랫폼의 높이 (hp), 캐터필러의 회전속도 (ωh)의 총 3 개의 설계변수를 정의하였다.
  • 질량 중심은 로봇의 대칭성을 고려하여 메인 플랫폼의 중심으로 가정하였다. 이 목적함수는 질량 중심의 궤적과 직선경로의 차이의 누적값을 정의한 것으로, 이 값이 작을수록 안정된 등반을 할 수 있다. 이는 기존 Kim et al.

가설 설정

  • 캐터필러의 회전속도는 실제로 동적조건(시간에 따른 목표궤적, 로봇 무게, actuator 의 토크 등) 이 고려되어야만 하는 제어변수에 가깝다. 본 논문에서는 이 회전속도가 정적 평형 상태에서 일정한 속도로 제어할 수 있다는 가정을 통해 연구를 진행하였다.
  • 4 에 도시되어 있으며 실선이 y를 나타내고, 일점쇄선이 # 를 나타낸다. 질량 중심은 로봇의 대칭성을 고려하여 메인 플랫폼의 중심으로 가정하였다. 이 목적함수는 질량 중심의 궤적과 직선경로의 차이의 누적값을 정의한 것으로, 이 값이 작을수록 안정된 등반을 할 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
필드로봇이 실제 현장에서 활용될 경우 요구되는 필수적인 능력은 무엇인가? 필드로봇을 실제 현장에 투입하기 위해서는 계단을 등반하는 능력이 필수적이다. 바위, 나무등 다양한 자연 조건을 극복하는 것도 중요하지만, 가장 극복하기 어려운 인공 구조물 중 하나인 계단을 등반하지 못한다면 필드로봇 적용범위에 큰 한계가 생긴다.
현재 개발된 다양한 필드로봇이 상용화 되기에 부족함이 많다는 것을 증명하는 사례로 무엇이 있는가? 다양한 필드로봇 플랫폼들이 제시되어왔으나, 아직 다양한 장애물이 존재하는 사용조건에서는 부족한 점이 많은 실정이다. 최근에 개발된 소방방재로봇은 그 장애물 극복능력이 현저히 떨어져 다양한 화재 현장에 투입이 불가능할 것으로 판단 된다.4 중공업 현장 투입을 위해 개발된 등반로봇도 아직 다양한 장애물을 극복하지 못하여 편평한 작업 조건에서만 용접, 도장 등을 수행하고 있다. 5최근 일본 후쿠시마 원자력발전소에 투입되었던 로봇들도 장애물 극복 능력에 한계가 있어 원자력 누출 부위 검사 미션을 완전히 수행하지 못하였던 사례도 있다. 6
필드 로봇의 사용 목적은 무엇인가? 최근 다양한 필드 로봇들이 건설, 험지 탐험, 선박 용접 등의 목적으로 개발되고 있다. 1-3 이러한 필드 로봇들은 사람이 직접 가서 작업하기가 불가능하거나 어려운 작업들을 하는 것을 목적으로 한다. 기존 산업용 로봇이 사람의 반복적인 작업을 대신하는 것에 집중되었다면, 이러한 필드로봇의 개발로 사람이 할 수 없는 다양한 작업이 가능할 것으로 예상된다.
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참고문헌 (14)

  1. Lee, J. I., Lee, S. Y., Yu, S. J., Lee, S. H., and Han, C. S., "Intuitive OCU (Operator Control Unit) of Field Robot for Installing Construction Materials," Proc. of KSPE Spring Conference, pp. 83-84, 2007. 

  2. Seo, T. and Sitti, M., "Tank-Like Module-Based Climbing Robot Using Passive Compliant Joints," IEEE/ASME Transaction on Mechatronics, Vol. 18, No. 1, pp. 397-408, 2013. 

    상세보기 crossref

  3. Lee, D., Seo, T., and Kim, J., "Optimal Design and Workspace Analysis of a Mobile Welding Robot with 3P3R Serial Manipulator," Robotics and Autonomous Systems, Vol. 59, No. 10, pp. 813-826, 2011. 

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  4. KBS News, http://news.kbs.co.kr/tvnews/news9/ 2011/12/29/2411945.html 

  5. Lee, G., Seo, K., Kim, H., Kim, S. H., Jeon, D. S., Kim, H. S., and Kim, J., "Design of a Transformable Track Mechanism for Wall Climbing Robots," J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 29, No. 2, pp. 178-184, 2012. 

    원문보기 상세보기 crossref

  6. IEEE Int'l Conf. on Rob. and Auto., http://www.icra2011.org/show.asp?id12 

  7. Kim, D., Hong, H., Kim, H. S., and Kim, J., "Optimal Design and Kinetic Analysis of a Stair-Climbing Mobile Robot with Rocker-Bogie Mechanism," Mechanism and Machine Theory, Vol. 50, pp. 90-108, 2012. 

    상세보기 crossref

  8. Hong, H., Kim, D., Lee, S., Kim, J., Kim, H. S., and Seo, T., "Development of a Rocker-Bogie Robot for Climbing Stairs," Proc. of KSPE Spring Conference, pp. 895-896, 2011. 

  9. iRobot, http://www.irobot.com/ 

  10. Kim, J., "Engineering Design: Creative New Product Development," Moonundang, 2008. 

  11. Li, N., Ma, S., Li, B., Wang, M., and Wang, Y., "An Online Stair-Climbing Control Method for a Trasnformable Tracked Robot," IEEE Int'l Conf. on Rob. and Auto., pp. 923-929, 2012. 

  12. Kim, J., Lee, C., and Kim, G., "Study of Machine Design for a Transformable Shape Single-Tracked Vehicle System," Mechanism and Machine Theory, Vol. 45, pp. 1082-1095, 2010. 

    상세보기 crossref

  13. Seo, T. and Seo, B., "Robots for stairs climbing," KR Patent, No. 10-2012-0043572, 2012. 

  14. The National Assembly of the Republic of Korea, http://likms.assembly.go.kr/law/jsp/Law.jsp?WORK _TYPELAW_BON&LAW_IDB2766&PROM_NO22626&PROM_DT20110117&HanChkY 

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