[논문]야지 고속 주행 로봇을 위한 패시브 메커니즘의 안정성 비교 분석

김영진; 전봉수; 김자영; 이지홍

doi:10.7746/jkros.2014.9.2.124

야지 고속 주행 로봇을 위한 패시브 메커니즘의 안정성 비교 분석
Analysis for Stability for Passive Mechanisms of High Speed Mobile Robot on Rough Terrain 원문보기

로봇학회논문지 = The journal of Korea Robotics Society, v.9 no.2, 2014년, pp.124 - 131

김영진 (Mechatronics Engineering, Chungnam National University) , 전봉수 (Mechatronics Engineering, Chungnam National University) , 김자영 (Mechatronics Engineering, Chungnam National University) , 이지홍 (Mechatronics Engineering, Chungnam National University)

Abstract ▼ AI-Helper

The robot mechanisms that were previously researched had only been conducted for the purpose of overcoming the obstacles stably at low speed driving and enhancing the stability against high speed circuitous driving, and yet, the mechanism satisfying two purposes. However, in order to stably drive with high speed on rough terrain, there is a need for satisfying both of these purposes, as well as testing the efficiency of the mechanisms at high speed driving. There, this paper simulated some of the passive mechanisms and focused on checking the performances of passive mechanisms through simulations and analyzing each mechanism on the basis of an evaluation index. The simulation was conducted by Adams (The Multi-body Dynamics Simulation Solution) and used various types of passive mechanisms which were introduced in the robotics field. As a result, the study confirmed that passive mechanisms have a number of situations that affect the driving stability on each direction of roll and pitch. Further study is needed about active mechanism.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

선행 연구에서는 재난 구조목적의 ROBHAZ-DT3^[3], KOH- GA^[4]와 탐사를 위한 CRAB^[5-7]. RCL-E^[7-8], ROBUROC6^[9-10] 등 복잡한 제어 알고리즘을 사용하지 않는 다양한 패시브 타입(Passive type) 메커니즘의 로봇을 설계하여 장애물이 있는 경우에도 로봇 몸체 안정성을 유지하고자 하였다. 하지만 이러한 메커니즘들은 대부분 저속 주행을 기준으로 모델링 되었으며 고속 주행에서 각 메커니즘의 성능을 보장할 수 없다.
따라서, 속도를 단계적으로 올려서 시뮬레이션 함으로써 패시브 타입(Passive –type)의 메커니즘으로 주행 가능한 최대 속도를 확인해보고자 하였다.
따라서 로봇 몸체의 z축 방향으로의 변위, Roll 방향으로의 각속도, Pitch 방향으로의 각속도 데이터를 FFT 분석을 통해 수식 (2), (3)과 같이 주파수와 진폭의 피크(peak)값에 따른 안정성을 평가하고자 한다. 또한 각 바퀴의 수직 항력 변화에 따른 불안정성을 나타내는 수식을 정의하여 로봇 모델에 따른 주행 안정성 정도를 평가하고자 한다.
본 논문에서는 다물체 동역학 해석 프로그램인 ADAMS를 사용하여 앞서 제시된 패시브(Passive)타입의 다양한 메커니즘들을 모델링하고, 장애물을 극복하기 위한 메커니즘들의 고속 주행 시 안정성 여부와 장애물과 경사가 있는 지형에서의 하중 분배 정도를 분석하여 각 모델들의 구조적 특징을 비교하고 야지 고속 주행에 적합한 패시브(passive) 메커니즘을 찾아보고자 한다.
본 논문에서는 패시브 타입(Passive-type)의 메커니즘들을 설계하여 야지 환경에서의 고속 주행이 가능한지에 대한 여부를 확인하기 위해 ADAMS를 이용하여 시뮬레이션 하였다.

제안 방법

각각의 패시브 타입(Passive-type)의 메커니즘을 분석하기 위하여 ADAMS와 SIMULINK를 연동하여 시뮬레이션 하였다. ADAMS를 통해 각 로봇 모델과 지형을 설계 하였으며, 로봇이 주행하면서 장애물과 부딪히는 경우 방향을 잃지 않게 하기 위하여 SIMULINK를 사용하여 위치제어와 함께 0.5m/s, 1m/s, 2m/s의 3가지의 속도로 시뮬레이션을 해주었다. 서론에서 언급한 것과 같이, 분석을 위해 선택된 메커니즘들은 모두 저속에서의 안정성을 보장하는 메커니즘이다.
각각의 패시브 타입(Passive-type)의 메커니즘을 분석하기 위하여 ADAMS와 SIMULINK를 연동하여 시뮬레이션 하였다. ADAMS를 통해 각 로봇 모델과 지형을 설계 하였으며, 로봇이 주행하면서 장애물과 부딪히는 경우 방향을 잃지 않게 하기 위하여 SIMULINK를 사용하여 위치제어와 함께 0.
수직항력의 변화가 크게 나타나는 즉, I_s 수치가 크게 나타나는 메커니즘의 경우, 특정바퀴에 무리한 수직항력이 가해지거나, 또는 너무 작은 수직항력이 가해져 견인력을 상실하게 되는 등의 문제가 발생할 수 있으며, 이 또한 야지 환경에서의 고속주행을 안정적으로 하기 위한 방해요소가 될 수 있다. 따라서 FFT 분석결과와, I_s를 비교하여 패시브 타입(Passive-type)의 메커니즘들만으로 고속 주행 로봇에 적합 가능할 것인가에 대한 여부를 판단하였다.
만약 몸체 움직임의 변화가 크다면 무게 중심을 안정적으로 유지하지 못하게 되고, 안전한 고속 주행이 불가능하며 심한 경우 로봇이 전복될 우려가 있다. 따라서 로봇 몸체의 z축 방향으로의 변위, Roll 방향으로의 각속도, Pitch 방향으로의 각속도 데이터를 FFT 분석을 통해 수식 (2), (3)과 같이 주파수와 진폭의 피크(peak)값에 따른 안정성을 평가하고자 한다. 또한 각 바퀴의 수직 항력 변화에 따른 불안정성을 나타내는 수식을 정의하여 로봇 모델에 따른 주행 안정성 정도를 평가하고자 한다.
본 논문에서 제시하는 시뮬레이션 분석 기준은 크게 두가지로써 서론에서 제시된 메커니즘 모델을 고속 주행 시켰을 때 안정성을 유지하는가와 각각의 지형에서 각 바퀴의 하중이 고르게 유지 되는가 이다. 먼저 장애물을 고속으로 통과하는 경우 저속으로 주행을 하는 경우 보다 로봇 몸체의 움직임의 변화가 더 크게 나타날 것을 예측 할 수 있다.
앞 절에서 선정된 모델들의 구조적 성능을 확인하기 위한 지형을 모델링 하는 것이 필요하다. 본 논문에서는 3개의 지형을 모델링 하였으며 각각의 지형은 Fig. 2에 나타내었다. 먼저 Fig.

대상 데이터

ADAMS를 통해 시뮬레이션을 하기 위하여 서론에서 언급한 다양한 메커니즘을 갖는 로봇들을 선정하여 모델링 하였다.
장애물 지형에서 로봇의 주행 안정성을 판단하기 위한 방법으로 FFT 분석을 선택하였다. 먼저 범퍼지형1은 Pitch 방향으로의 안정성 확인하기 위한 지형이므로, FFT 분석을 위해 로봇 몸체의 Pitch 방향으로의 각속도 변화 데이터를 사용하였으며, 범퍼지형2는 Roll 방향으로의 안정성을 확인하기 위하여 로봇 몸체의 Roll 방향으로의 각속도 변화 데이터를, 마지막으로 Slope 지형에서는 로봇 몸체의 z축 변위 데이터를 사용하였다. Fig.

데이터처리

이를 통해 얻은 결과 값을 평가지표에 맞춰 분석해 보았고, 각 메커니즘의 장단점을 파악할 수 있었다. 하지만, 야지라는 변수가 많은 환경에서 기존의 패시브타입(Passive-type) 메커니즘 만으로는 그 변수를 모두 만족시킬 수 없다는 결론을 얻었으며, 고속에서의 안정적인 주행을 위해서는 액티브타입(Active-type)의 구조를 추가로 설계하거나, 그 외에 안정성을 유지시켜주기 위한 장치 설계가 필요할 것으로 여겨진다.

이론/모형

장애물 지형에서 로봇의 주행 안정성을 판단하기 위한 방법으로 FFT 분석을 선택하였다. 먼저 범퍼지형1은 Pitch 방향으로의 안정성 확인하기 위한 지형이므로, FFT 분석을 위해 로봇 몸체의 Pitch 방향으로의 각속도 변화 데이터를 사용하였으며, 범퍼지형2는 Roll 방향으로의 안정성을 확인하기 위하여 로봇 몸체의 Roll 방향으로의 각속도 변화 데이터를, 마지막으로 Slope 지형에서는 로봇 몸체의 z축 변위 데이터를 사용하였다.

성능/효과

각각의 a, b는 속도에 따른 I_a와 I_f 값을 표현한 것이고 c는 각 메커니즘 마다 얻은 I_a의 평균 값과 I_f의 평균 값을 2차원으로 표현한 그래프이다. a와 b의 결과 값을 통해 로봇의 속도가 증가할수록 각 지형에서 대체적으로 I_f값이 증가하는 형태를 나타나고 있는 것으로 속도가 증가함에 따라 진동이 잦아진다는 것을 알 수 있다.
그 중에서도, 범퍼지형1(Bump road1)과 범퍼지형2(Bump road2)의 결과에서 Pushrod suspension 모델이 가장 안정적인 것으로 나타나지만, 범퍼지형1(Bump road1)의 경우, 2m/s로 주행 중 전복되는 것을 확인할 수 있었다. 한편, Table 2에서 나타난 바와 같이 범퍼지형2(Bump road2) 에서는 모든 모델이 전복되지 않고 장애물을 통과한 것을 확인할 수 있다.
그리고 각각의 메커니즘에 따른 최대 속도를 비교 해본 결과 범퍼 지형1과 범퍼 지형2에서 Basic 모델이 가장 빠른 주행을 할 수 있었지만, 30° 의 경사지형에서는 매우 저속으로 달려야 했다.
Basic 모델도 pushrod suspension 모델과 마찬가지로 범퍼지형1에서 I_f의 값이 낮은 결과를 보이지만, I_a 값이 크게 나타나는 것으로 보아, 불안정성이 높다고 판단할 수 있다. 따라서 Fig. 3 (c)에서와 같이 Rcl-e 와 Crab이 pitch 방향으로의 움직임에 대해서는 상당히 안정적이라는 것을 확인할 수 있었다.
또한 두 모델의 시뮬레이션 결과가 (a), (b), (c)에 나타난 것 같이 비슷한 결과를 보이는 것을 확인 할 수 있다. 따라서 경사진 지형에서는 Crab과 Roburoc6의 메커니즘이 비교적 안정적이라는 것을 확인 할 수 있었다.
4의 범퍼지형2(Bump road2)에서의 결과 그래프를 볼 때 2m/s에서 Roburoc6의 I_a값이 가장 크지만 I_f값이 낮아 비교적 불안정성이 높지 않다는 것을 알 수있으며 pushrod suspension 시스템 또한 I_a값과 I_f의 값이 낮은 것으로 보아 불안정성이 낮다는 것을 알 수 있다. 따라서 이러한 결과 값이 Fig. 4 (c)에 나타난 것 과 같이, Roburoc6와 Pushrod suspension이 roll 방향으로의 움직임에 대해서는 비교적 안정적이라는 것을 확인 할 수 있었다.
한편, Table 2에서 나타난 바와 같이 범퍼지형2(Bump road2) 에서는 모든 모델이 전복되지 않고 장애물을 통과한 것을 확인할 수 있다. 이 중 Pushrod suspension 모델이 FFT 분석결과와 I_s수치상으로 볼 때 가장 안정적인 주행을 한 것으로 판단할 수 있었는데, 이는 Roll 방향으로의 안정성에 맞춰 설계된 모델다운 결과라고 생각하였다. 특별히, Crab과 Roburoc6를 제외한 모델들은 경사 지형의 내리막길에서 전복되는 것을 확인할 수 있었는데, I_s수치로 판단할 때, Crab과 Roburoc6는 저속에서 유사한 불안정성을 보이지만 속도가 증가함에 따라 I_s수치가 급격히 증가하는 Crab의 불안정성이 더 커지는 것을 확인할 수 있다.
그래프의 모든 결과는 목표지점까지 전복되지 않고 주행을 완료한 모델의 데이터를 기반으로 작성되었으며, 시뮬레이션 결과, 로봇이 전복이 된 경우의 데이터는 제외 하였다. 전체적으로 속도가 증가함에 따라서 장애물 통과 시 각 바퀴의 수직항력의 변화가 크게 발생하여 불안정성의 수치가 증가하는 것을 볼 수 있다. 특히, 2m/s의 속력에서는 I_s수치가 급격하게 증가하는 것으로 보아, 고속 주행에서는 다음의 모델들이 안정적인 주행이 불가능 할 것이라는 것을 예측할 수 있다.
이 중 Pushrod suspension 모델이 FFT 분석결과와 I_s수치상으로 볼 때 가장 안정적인 주행을 한 것으로 판단할 수 있었는데, 이는 Roll 방향으로의 안정성에 맞춰 설계된 모델다운 결과라고 생각하였다. 특별히, Crab과 Roburoc6를 제외한 모델들은 경사 지형의 내리막길에서 전복되는 것을 확인할 수 있었는데, I_s수치로 판단할 때, Crab과 Roburoc6는 저속에서 유사한 불안정성을 보이지만 속도가 증가함에 따라 I_s수치가 급격히 증가하는 Crab의 불안정성이 더 커지는 것을 확인할 수 있다. 반면, Fig.
전체적으로 속도가 증가함에 따라서 장애물 통과 시 각 바퀴의 수직항력의 변화가 크게 발생하여 불안정성의 수치가 증가하는 것을 볼 수 있다. 특히, 2m/s의 속력에서는 I_s수치가 급격하게 증가하는 것으로 보아, 고속 주행에서는 다음의 모델들이 안정적인 주행이 불가능 할 것이라는 것을 예측할 수 있다.

후속연구

추후 연구로서는, 본 논문을 통해 얻어진 각 메커니즘들의 장단점을 적용하여 야지에서의 고속 주행에서도 안정적으로 장애물을 극복할 수 있는 메커니즘을 설계하고 분석할 예정이다.
이를 통해 얻은 결과 값을 평가지표에 맞춰 분석해 보았고, 각 메커니즘의 장단점을 파악할 수 있었다. 하지만, 야지라는 변수가 많은 환경에서 기존의 패시브타입(Passive-type) 메커니즘 만으로는 그 변수를 모두 만족시킬 수 없다는 결론을 얻었으며, 고속에서의 안정적인 주행을 위해서는 액티브타입(Active-type)의 구조를 추가로 설계하거나, 그 외에 안정성을 유지시켜주기 위한 장치 설계가 필요할 것으로 여겨진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고속 회전에서의 안정성을 유지하기 위한 목적으로 어떤 시스템 모델들이 설계되었는가?	하지만 이러한 메커니즘들은 대부분 저속 주행을 기준으로 모델링 되었으며 고속 주행에서 각 메커니즘의 성능을 보장할 수 없다. 또한, 일부 연구에서는 고속 회전에서의 안정성을 유지하기 위한 목적으로 PUSH ROD SUSPENSION[11-13] 시스템, ANTI ROLL[14-15] 시스템 등의 설계 모델이 있으나 이들은 일반 차량에 적용을 하기 위한 목적으로 설계되어 야지환경에서 나타나는 장애물을 안정적으로 극복하기 위한 부분은 고려 되지 않았다. 위의 메커니즘들을 분류하여 정리하면 아래의 Table 1과 같다.
	야지 주행을 목적으로 하는 로봇은 특성상 무엇에 초점을 맞춰 설계가 이뤄지는가?	현재 군사적으로나 재난 구조[1], 탐사 등의 다양한 목적들에 의해 기존의 차량 메커니즘이 아닌 야지의 특성에 맞게 고속으로 주행 할 수 있는 메커니즘들이 많은 관심을 받고 있다. 일반적으로 야지 주행을 목적으로 하는 로봇들은 On-road 상에서의 주행을 목적으로 하는 로봇보다 주행 안정성 부분에 초점을 맞춰 설계가 이루어지며, 야지라는 환경이 가지는 다양한 특성들로 인하여 다음의 변수들을 가진다.
	야지 주행을 목적으로 하는 로봇이 갖는 변수는 무엇인가?	첫째는 지형의 생김새 이다. On-road의 경우 장애물이 없고 평평한 지형인 것에 반해 야지환경은 지면이 고르지 못하고 안정적인 주행을 방해하는 큰 굴곡과 구렁 등의 위험 요소가 많이 존재 한다. 지형의 굴곡으로 인한 로봇의 무게 중심 변화는 각 바퀴에 작용하는 견인력에 영향을 주어 경사가 심한 지형을 극복하는데 어려움이 있을 수 있다. 둘째는 지면을 구성하고 있는 지질이다. On-road는 아스팔트나 콘크리트 등으로 지질의 변화가 없이 고르게 구성 되어 있지만 야지의 경우 잔디, 자갈, 모래, 흙 등 다양한 지질이 복합적으로 구성 되어 있다.

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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].

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