[논문]항공 및 지상 동시 정찰이 가능한 융합형 정찰로봇 설계

장동휘; 고현준; 김종형

doi:10.7735/ksmte.2015.24.6.718

문제 정의

본 논문에서는 다양한 지형에서 단일 개체로 정찰할 수 있는 융합형 정찰로봇을 제안하고 개념설계 및 시험을 수행하였다. 기존의 단순한 구동부의 단순한 융합이 아닌 허브리스 휠을 응용한 새로운 바퀴설계를 실시하여 각 구동부 메카니즘의 장점을 활용할 수 있는 설계를 실시하였다.
본 논문에서는, 정해진 지역의 정찰을 목적으로, 단일 로봇 개체에서 항공과 지상 구동이 동시에 가능한 융합 기구 설계 개념을 제안한다. 특히, 창의적 설계 기법을 활용하여 지상과 항공의 구동부 융합을 위한 요구조건을 분석하고, 또 그에 대한 이론적 배경을 바탕으로 상세설계를 진행하였다.
5 kg 이내로 잡았다. 이는 연료에 해당하는 배터리의 중량을 포함하며, 최대 이륙중량 조건에서 비행과 주행모드 각각 5분 이상의 운용시간을 확보하도록 목표를 잡았다. 이를 토대로 각 모터에 요구되는 추력을 계산하였고 그 계산식은 다음과 같다.

가설 설정

국내 도로 허용 경사도는 약 15°이므로 이 수치를 바탕으로 15°가 넘는 경사로는 험지라고 가정을 하여 Fig. 8과 같이 약 20°의 경사도 극복 시험을 실시하였다.
제안된 로봇의 크기는 기어설계를 통해 설계된 바퀴의 크기에 좌우된다. 재질의 선택을 무게가 가볍고 뛰어난 물리적 특성 및 가공성을 갖는 Cast nylon 소재를 사용한다는 가정 하에 전체 중량의 목표치를 4.5 kg 이내로 잡았다. 이는 연료에 해당하는 배터리의 중량을 포함하며, 최대 이륙중량 조건에서 비행과 주행모드 각각 5분 이상의 운용시간을 확보하도록 목표를 잡았다.

제안 방법

휠을 구성하는 외곽 타이어부터 내부의 피니언까지 모두 기어로 구성이 되어있다. 기어에 요구되는 조건은 속도비, 강성 등이 있으며, 험지 극복 시 모터의 직접적으로 가해지는 부하를 줄이고 험지를 극복하기 위한 토크를 주기 위해 피니언 기어와 동력전달기어의 비를 2:1 로 설정하고, 전반적인 기어 강성을 고려하여 두 기어의 모듈 값을 1.5로 선정하고 기어를 설계하였다.
본 논문에서는 다양한 지형에서 단일 개체로 정찰할 수 있는 융합형 정찰로봇을 제안하고 개념설계 및 시험을 수행하였다. 기존의 단순한 구동부의 단순한 융합이 아닌 허브리스 휠을 응용한 새로운 바퀴설계를 실시하여 각 구동부 메카니즘의 장점을 활용할 수 있는 설계를 실시하였다. 이를 통하여 지상 항공 정찰을 위한 융합 로봇이 요구하는 큰 사이즈의 바퀴, 전체적으로 대칭성을 만족하는 설계를 할 수 있었다.
기존의 허브리스 휠을 사용하기에는 그 구조가 복잡하여 본 연구에서는 기어를 이용한 단순설계를 하였고 그 형태는 Fig. 2와 같다. 큰 2개의 기어가 모터로부터 동력을 전달하고 외곽의 큰 내기어 형태의 휠이 도는 방식으로써 작은 4개의 기어를 배치시켜 작동시 안정성을 확보하였다.
8과 같이 약 20°의 경사도 극복 시험을 실시하였다. 두 번째는 Fig. 9와 같은 바퀴 사이즈의 0.5배인 150 mm 이하의 소형 암석 장애물을 극복하는 시험을 실시하였다. 150 mm 이하의 장애물 극복시 폴리프로필렌의 탄성을 이용하여 충격감소장치인 서스펜션 장치나 댐퍼를 장착하지 않아도 주행에 지장을 받지 않고 극복할 수 있다.
5 mm로 좁기 때문에 ABS 재질의 밀림현상으로 정밀한 결과물을 얻을 수 없었다. 따라서 광학계를 이용한 비접촉가공이며 수치제어, 그리고 가공 시 제어가 용이한 레이저 가공을 이용하였다. 가공을 통해 실제 제작한 기어의 잇 맞물림을 Fig.
기구적으로는 같은 공간을 사용하고 있으나, 지상 주행과 항공 주행 시 각각의 구동부가 서로 제한받지 않게 설계를 진행하였다. 또한 단순 체결 방식을 통하여 고장 시나 응급상황 시 신속하게 분해 조립이 가능하도록 하였다. 이로써 지상 및 항공 구동 기능을 독립적으로 구현할 수 있으며, 특히 큰 반경의 허브리스 휠을 이용하여 주행 안전성 향상을 및 수직 이착륙 기능이 가능하여 신속한 상황 대처가 가능하게 하였다^[6].
7에 도시하였다. 모터와 프레임을 볼트 직접 체결방식을 이용하여 진동 및 떨림 발생을 최소화하였다.
허브리스 바퀴의 결합 방식은 매우 중요하다. 바퀴의 구동방식의 특성상 기존의 단순한 바퀴 결합 방식과 다르게 로봇 몸체에 바퀴를 감싸는 바퀴 케이스를 결합시키고 이어서 바퀴 케이스에 각 피니언 기어들을 체결한 후 인터널 기어를 연결하는 방식으로 구성된다. 이에 대하여 Fig.
본 연구에서는 지상용 휠을 위하여 허브리스 휠의 개념을 도입하여 지상용 휠의 지름을 크게 하면서도 가볍게 하고, 내부에 비행용 프로펠러를 넣도록 설계하였다. 본 설계 개념을 통하여 융합 로봇이 요구하는 큰 사이즈의 바퀴, 가벼운 무게, 그리고 전체적으로 대칭성을 모두 만족하는 설계가 되도록 하였다. 설계 시뮬레이션의 결과로 프로토 타입을 만들고 실제 환경에서의 구동 시현을 통하여 실현 가능성을 보여 주었다.
본 연구에서는 지상용 휠을 위하여 허브리스 휠의 개념을 도입하여 지상용 휠의 지름을 크게 하면서도 가볍게 하고, 내부에 비행용 프로펠러를 넣도록 설계하였다. 본 설계 개념을 통하여 융합 로봇이 요구하는 큰 사이즈의 바퀴, 가벼운 무게, 그리고 전체적으로 대칭성을 모두 만족하는 설계가 되도록 하였다.
1은 전체 형상을 나타난 설계 개념도를 3D Pro-Engineering SW를 사용하여 도시하였다. 지상과 항공 주행의 동시 구현을 위해 프로펠러 추진을 위한 모터와 주행을 위한 휠을 동일 몸체에 융합 하였다. 기구적으로는 같은 공간을 사용하고 있으나, 지상 주행과 항공 주행 시 각각의 구동부가 서로 제한받지 않게 설계를 진행하였다.
지상구동 환경시험은 총 2가지 시험을 실시하였다. 첫 번째는 경사도 극복 시험이다.
2와 같다. 큰 2개의 기어가 모터로부터 동력을 전달하고 외곽의 큰 내기어 형태의 휠이 도는 방식으로써 작은 4개의 기어를 배치시켜 작동시 안정성을 확보하였다.
본 논문에서는, 정해진 지역의 정찰을 목적으로, 단일 로봇 개체에서 항공과 지상 구동이 동시에 가능한 융합 기구 설계 개념을 제안한다. 특히, 창의적 설계 기법을 활용하여 지상과 항공의 구동부 융합을 위한 요구조건을 분석하고, 또 그에 대한 이론적 배경을 바탕으로 상세설계를 진행하였다.
프로토 타입의 모델을 제작하여 지상 및 항공 구동의 기능에 대해 시험을 실시하였다. 지상구동의 경우 15°가 넘는 기울기의 험지에 대해 극복 테스트, 150 mm 이하의 소형 장애물 극복 테스트를 실시하였고 이를 통해 험지 극복 및 장애물 극복 기능이 만족됨을 확인하였다.

대상 데이터

두 번째는 지상구동으로 극복하기 어려운 150 mm 이상의 장애물로 이루어진 험지에 관한 실험이다. 실험에 사용된 장소는 계단 각각의 높이가 250 mm, 총 개수는 20개 지상구동으로 극복하기 어려운 지형이고, 이를 Fig. 11과 같이 항공구동을 이용하여 극복하는 실험이다.
5에 나타내었다. 폴리프로필렌과 MC나일론 소재를 이용하여 구성하였고 레이저 가공기를 이용한 가공을 실시하였다. 시제품의 전반적인 사양은 Table 4에 자세히 나와 있다.

이론/모형

기어의 설계는 KHK 표준 내기어 계산식을 이용하여 계산이 진행되었으며, 식 (1)~(6)과 같은 관계식을 따랐다^[5]. 계산된 기어의 설계 값은 Table 1과 같이 가진다.

성능/효과

지상구동의 경우 15°가 넘는 기울기의 험지에 대해 극복 테스트, 150 mm 이하의 소형 장애물 극복 테스트를 실시하였고 이를 통해 험지 극복 및 장애물 극복 기능이 만족됨을 확인하였다. 또 항공 구동의 경우 3~10 m 호버링 기능과 150 mm 이상의 지상구동으로 극복하기 힘든 장애물에 대해 극복하는 시험을 실시하였고, 안정성 있는 항공구동 기능을 확인하였다.
본 설계 개념을 통하여 융합 로봇이 요구하는 큰 사이즈의 바퀴, 가벼운 무게, 그리고 전체적으로 대칭성을 모두 만족하는 설계가 되도록 하였다. 설계 시뮬레이션의 결과로 프로토 타입을 만들고 실제 환경에서의 구동 시현을 통하여 실현 가능성을 보여 주었다.
기존의 단순한 구동부의 단순한 융합이 아닌 허브리스 휠을 응용한 새로운 바퀴설계를 실시하여 각 구동부 메카니즘의 장점을 활용할 수 있는 설계를 실시하였다. 이를 통하여 지상 항공 정찰을 위한 융합 로봇이 요구하는 큰 사이즈의 바퀴, 전체적으로 대칭성을 만족하는 설계를 할 수 있었다.
지상구동의 경우 15°가 넘는 기울기의 험지에 대해 극복 테스트, 150 mm 이하의 소형 장애물 극복 테스트를 실시하였고 이를 통해 험지 극복 및 장애물 극복 기능이 만족됨을 확인하였다.
참고로 본 논문에서 사용된 Flight controller는 ArduCopter(APM 2.5)로써 타 제품과 비교하였을 때에 가격적인 부분과 다양한 오픈소스 및 사용 가능한 기능의 수가 월등하다. 특히, 호버링 기능과 네비게이션 기능이 있어서 드론과 같은 항공용 로봇에 사용하기 적합하다.
첫 번째 실험으로 항공구동 시 호버링 기능을 통해 안정성 있는 영상정보 획득이 가능함을 확인하였고, 두 번째 실험에서, 계단과 같이 지상구동으로 극복하기 어려운 지형에 대하여 항공구동을 통해 극복하고 정찰할 수 있음을 확인하였다.

후속연구

본 논문은 기존의 정찰 로봇의 단점인 정찰 시 사각지대 발생과 관련하여 구동부의 융합을 통해 보완함으로써, 향후 개발될 정찰 로봇의 활용에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	항공주행 정찰로봇의 한계점은 무엇인가?	특히 소형 센서 들과 임베디드 시스템 기술의 발달로 비행체 제어는 기술적 진보가 이루어졌고[1], 드론 혹은 콥터라 불리는 PAV방식의 수직 이착륙이 가능한 항공주행 정찰로봇들이 발달하는 추세이다. 하지만 기존의 지상 정찰 로봇들이 갖는 세밀한 정보 획득이나 지면 근처의 정찰기능 등의 장점을 가질 수 없는 제안사항이 존재한다.
	융합형 정찰로봇에 요구되는 것은 무엇인가?	융합형 정찰로봇은 지상구동 과 항공구동이 동시에 수행할 수있어야 하며 주행, 이륙, 착륙 과정에 있어서 안정성이 요구된다. 특히 지상구동부와 항공구동부의 효율적인 결합이 필요하다.
	각 형태 또는 임무에 맞는 다양한 종류의 정찰 로봇이 개발되는 배경은 무엇인가?	전쟁이나 혹은 재난 상황에서 가장 중요시 되는 것은 정확한 정보수집이다. 때문에 각 형태 혹은 임무에 맞는 다양한 종류의 정찰 로봇들이 개발되고 있다.

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