[논문]Flip 모션을 이용한 신개념 필드 로봇 플랫폼의 큰 장애물 등반 정적 해석 및 실험

서병훈; 신명석; 정경민; 서태원

doi:10.5302/j.icros.2014.14.8013

Flip 모션을 이용한 신개념 필드 로봇 플랫폼의 큰 장애물 등반 정적 해석 및 실험
Static Analysis and Experimentation on Obstacle-overcoming for a Novel Field Robotic Platform using Flip Motion 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.20 no.10, 2014년, pp.1067 - 1072

서병훈 (영남대학교 기계공학부) , 신명석 (영남대학교 기계공학부) , 정경민 (한국원자력연구원) , 서태원 (영남대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The ability to overcome obstacles is necessary for field robots for various applications including the ability to climb stairs. While much research has been performed focusing on overcoming obstacles, the resulting robots do not have sufficient ability to overcome obstacles such as stairs. In this research, the purpose is to overcome relatively large obstacles by flipping locomotion through the modification of the stair climbing robotic platform of the previous research. We propose two scenarios to overcome large obstacles: a rear wheel driving system and an elevation system using a ball screw. The research is performed based on static analyses on obstacle-climbing. As the simulation results indicate, we determined the optimal posture of the robot for climbing obstacles for rear wheel driving. Also, an elevation system is analyzed for obstacle climbing. Between the two scenarios an elevation system is determined to reduce the operating torque of the actuator, and the prototype was recently assembled. The climbing ability of the robotic platform is verified. We expect the application area for this robotic platform will be in accident areas of nuclear power plants.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

세 경우 모두 지면과 몸체가 이루는 각도에 따라 필요한 힘이 달라진다. 따라서 장애물 등반을 위해 유리한 초기자세와 이에 따른 뒷바퀴의 힘을 찾고자 한다. 해석은 수직과 수평 힘, 모멘트 평형 방정식을 이용하여 로봇의 몸체에 작용하는 반력이 0이 되는 순간을 해석한다.
이처럼 큰 장애물을 극복하는 로봇에 관한 다양한 연구가 진행되고 있으나, 안정적이며 정확한 등반을 위해서는 보다 더 많은 연구가 필요한 실정이다. 본 논문은 이전연구를 통하여 개발한 안정적이며 빠른 속도로 다양한 형태의 계단을 등반하는 새로운 로봇 플랫폼[8]을 이용하여 큰 장애물의 극복 가능성을 검증하는 것을 목표로 한다. 이전에 개발한 로봇 플랫폼인 FlipBot은 메인 바디와 지지다리로 구성되어 있다.
이 로봇은 기존의 flipper를 이용하는 방식을 벗어나 몸체 자체를 회전시키면서 장애물을 극복한다는 특징이 있다. 본 연구에서는 FlipBot의 body flip 기능을 이용하여 몸체를 장애물의 벽면에 부착, 등반하는 방식으로 큰 장애물을 극복에 대한 정적해석을 다룬다[9].
본 연구에서는 flip motion을 이용하여 큰 장애물을 극복하는 로봇 플랫폼에 대한 정적 해석 및 시제품 제작을 수행하였다. 후륜을 구동하는 RWDS 방식과 가변링크를 이용한 ES 방식에 대한 정적해석을 수행하였다.
본 연구팀에서는 ES 시스템에 대한 로봇 시제품을 제작하기로 결정하였다. 제작된 로봇 시제품이 그림 8에 나타나 있다.
기존 연구[8] 증명된 로봇의 계단 등반 특성은 다음과 같다: a) 다양한 크기의 계단 등반 가능성, b) 크기와 무관한 빠른 등반 속도 (1 step/s), c) 마찰에 의존하지 않는 안정된 등반. 위와 같은 3가지 장점을 기반으로 본 연구에서는 계단 뿐만 아니라 상대적으로 큰 장애물을 극복할 수 있음을 증명하려 한다.

제안 방법

RWDS 방식과 ES 방식의 비교를 통하여 ES 방식의 경우에는 더 적은 힘으로 구동이 가능함을 검증하였다. ES 방식을 기반으로 하여 시제품을 제작하였고, 등반실험을 수행하여 그 성능을 검증하였다. 본 로봇은 원자력발전소 사고상황에서 사용될 예정이다.
후륜을 구동하는 RWDS 방식과 가변링크를 이용한 ES 방식에 대한 정적해석을 수행하였다. RWDS 방식의 경우에는 초기 자세에 대해 민감한 결과를 보였으며, 후륜의 필요힘을 최소화하는 자세를 계산하였다. RWDS 방식과 ES 방식의 비교를 통하여 ES 방식의 경우에는 더 적은 힘으로 구동이 가능함을 검증하였다.
편의를 위해 그림 7에 로봇의 자유물체도와 정적 해석식을 정리하였다. 계산 방법은 로봇을 세 파트로 나누고 각각의 파트와 모멘트에 대한 평형식을 도출하여 링크 방향으로 필요한 힘 (F₁)을 도출한다. 그림 6의 식들을 연립하여 계산하면 쉽게 F₁을 계산할 수 있다.
따라서 로봇은 뒷바퀴가 로봇을 밀어주고, 메인 바디는 장애물의 벽면에 붙어 타고 오르는 방식으로 등반을 한다
실제 실험을 수행하기 위해서는 바닥과 로봇의 큰 마찰력이 필수적이다. 본 실험에서는 마찰력의 영향을 줄이고, ES의 성능을 검증하기 위하여 초기 위치를 그림 10(a)와 같이 변경하여 실험을 수행하였다.
본 장에서는 본 논문의 목적인 큰 장애물을 안정적이며 효율적인 극복을 위해 앞서 제시한 두 시나리오를 정적 해석을 수행한다.
ES의 경우 볼 스크류가 몸체를 들어 올릴 만큼 충분한 힘이 있는지 계산해야 한다. 앞선 해석과 마찬가지로, 수직과 수평, 모멘트 평형 방정식을 사용하여 로봇의 메인 바디에 작용하는 반력이 0이 되는 순간을 해석한다. 편의를 위해 그림 7에 로봇의 자유물체도와 정적 해석식을 정리하였다.
제작한 시제품을 바탕으로 실험을 수행하였다. 실제 실험에서는 초기 위치에서 F 값이 실제 로봇과 바닥의 마찰력보다 크게 되어 슬립이 발생하였다.
따라서 장애물 등반을 위해 유리한 초기자세와 이에 따른 뒷바퀴의 힘을 찾고자 한다. 해석은 수직과 수평 힘, 모멘트 평형 방정식을 이용하여 로봇의 몸체에 작용하는 반력이 0이 되는 순간을 해석한다. 로봇에 작용하는 힘과 변수들이 아래 그림 5에 정의되어 있다.
본 연구에서는 flip motion을 이용하여 큰 장애물을 극복하는 로봇 플랫폼에 대한 정적 해석 및 시제품 제작을 수행하였다. 후륜을 구동하는 RWDS 방식과 가변링크를 이용한 ES 방식에 대한 정적해석을 수행하였다. RWDS 방식의 경우에는 초기 자세에 대해 민감한 결과를 보였으며, 후륜의 필요힘을 최소화하는 자세를 계산하였다.

대상 데이터

큰 장애물을 극복하기 위한 새로운 로봇 플랫폼의 모습이 그림 1에 도시되어 있다. 로봇은 메인 바디와 모듈 형으로 제작된 후륜 구동부로 이루어져 있다. 로봇의 메인 바디는 양쪽에 트랙형 바퀴가 부착되어 있으며, 내부에 구동모터와 몸체를 회전시키는 flip 모터가 장착되어 있다.
5배인 540mm 이다. 로봇의 총 무게는 약 8kg으로, 트랙은 양면 타이밍벨트를 사용하였고, 로봇의 프레임 제작에는 Al6061이 사용되었다. Flip motion과 로봇의 구동을 위한 4개의 서보모터 (48W)와 이들 모터를 구동할 driver가 메인 플랫폼에 장착되어 있고, 각 모터의 동력전달은 기어를 통해 이루어 진다.
메인 바디의 크기는 360 x 400 x 160 mm³(L x W x H)다. 링크의 길이는 수축 시 390mm 이며, 등반을 위해 늘어날 경우 715mm 이며 목표 등반 장애물은 로봇길이의 1.5배인 540mm 이다. 로봇의 총 무게는 약 8kg으로, 트랙은 양면 타이밍벨트를 사용하였고, 로봇의 프레임 제작에는 Al6061이 사용되었다.

성능/효과

(c) 스크류의 행정거리만큼 상승하던 로봇이 장애물의 턱에 다다르게 되면 몸체를 바닥 면을 향해 회전시키며 등반을 마친다
RWDS 방식의 경우에는 초기 자세에 대해 민감한 결과를 보였으며, 후륜의 필요힘을 최소화하는 자세를 계산하였다. RWDS 방식과 ES 방식의 비교를 통하여 ES 방식의 경우에는 더 적은 힘으로 구동이 가능함을 검증하였다. ES 방식을 기반으로 하여 시제품을 제작하였고, 등반실험을 수행하여 그 성능을 검증하였다.
이는 RWDS 형태의 경우 장애물 등반을 위해 자세를 정확하게 제어하는 것이 필수적이라고 할 수 있다. 두 번째는 로봇의 ES에 대한 해석을 통하여 ES가 RWDS에 비해 적은 힘으로 등반이 가능함을 확인하였다. 실제 ES의 경우 RWDS에 비하여 속도 등에서 단점이 있을 것으로 예상되나, 로봇의 구동기 설계 관점에서 더 효율적인 시나리오라 할 수 있다.
우선 로봇의 RWDS에 대한 정적 해석을 통해 초기 자세에 따라 최적의 자세가 있음을 확인하였다.

후속연구

ES 방식을 기반으로 하여 시제품을 제작하였고, 등반실험을 수행하여 그 성능을 검증하였다. 본 로봇은 원자력발전소 사고상황에서 사용될 예정이다.
해석적으로는 효율적인 방법을 확인하였으나, 실제 실험을 통한 검증이 필요하다. 다음 절에서는 로봇 시제품 제작에 대한 내용을 설명하며 추후 연구계획에 대해서도 설명한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화재현장, 전쟁터, 재난현장 등지에서 사용되는 필드 로봇이 개발되는 이유는?	오늘날 의료, 산업, 서비스 등 여러 분야에서 개발되고 있는 로봇들은 그 다양성과 함께 실 생활에 적용되는 범위도 점차 넓어지고 있다. 특히 화재현장, 전쟁터, 재난현장 등지에서 사용되는 필드 로봇은 기존에 사람이 직접 하던 화재진압, 폭발물 제거, 정찰, 방사능 물질 제거와 같은 사람이 하기 힘든 일, 또는 할 수 없는 일을 대신하여 사람이 직접 할 시 발생할 수 있는 인명손실을 미연에 방지하기 위해 개발되고 있다.
	필드로봇에 있어 다양한 장애물 극복 능력이 얼마나 중요한지 보여주는 사례는?	이들 필드 로봇들이 실제 사용되는 환경에는 그 크기와 형태가 다양한 장애물 들이 존재하기에 로봇에 주어진 임무를 완벽히 수행하기 위해서는 이러한 장애물 극복 능력이 필수적이다. 지난 2011년, 후쿠시마 원자력 발전소에 투입되었던 로봇들이 장애물 극복 능력의 한계로 인해 누출 부위 검사 미션을 완전히 수행하지 못 한 사례는 필드로봇에 있어 다양한 장애물 극복 능력이 얼마나 중요한지를 보여준다.
	동경 공업대에서 만든 구조 로봇의 특징은?	로봇 크기보다 큰 장애물을 극복하는 연구로는 동경 공업대에서 만든 구조 로봇[5]이 있다. 이 로봇은 공압 엑츄에이터를 이용하여 60cm에서 최대 1m 높이의 장애물을 점프하여 넘을 수 있다. 큰 장애물을 극복하는 또 다른 연구로는 Boston Dynamics의 Sand Flea [6]가 있다.

참고문헌 (9)

S. D. Herbert, A. Drenner, and N. Papanikolopoulos, "Loper: a quadruped-hybrid stair climbing robot," 2008 IEEE. Int. Conf. on Robotics and Automation, Pasadena, CA, USA, pp. 799-804, 2008.
http://www.irobot.com/us/learn/defense/packbot.aspx (retrieved at 07/08/14).
Duke robot flipper, http://people.duke.edu/-jag27/robot.html (retrieved at 09/16/2014)
K. Ohno, S. Morimura, S. Tadokoro, E. Koyanagi, and T. Yoshida, "Semi-autonomous control system of rescue crawler robot having flippers for getting over unknown-steps," Proc. of the 2007 IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems, San Diego, CA, USA, pp. 3012-3018, 2007.
H. Tsukagoshi, M. Sasaki, A. Kitagawa, and T. Tanaka, "Design of a higher jumping rescue robot with the optimized pneumatic drive," Proc. of the 2005 IEEE. Int. Conf. on Robotics and Automation. Barcelona, Spain, pp. 1276-1283, 2005.
http://www.bostondynamics.com/robot_sandflea.html (retrieved at 07/08/14).
http://www.bostondynamics.com/robot_rhex.html(retrieved at 07/08/14).
B. H. Seo, H. G. Kim, M. H. Kim, K. M. Jeong, and T. Seo, "FlipBot: a new robotic platform for fast stair climbing," International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, vol. 14, no. 11, pp. 1909-1914, 2013.

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M. S. Shin, B. H. Seo, K. M. Jeong, and T. Seo, "Development of robotic platform using flip motion for obstacle overcoming," Proc. of 2014 29th ICROS Annual Conference (ICROS 2014) (in Korean), Daegu, Korea, pp. 396-397, 2014.

저자의 다른 논문 :

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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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