[논문]전복방지를 위한 가변 구조 이동 로봇의 설계와 구현

이성민; 박정길; 박재병

doi:10.5302/j.icros.2015.14.8029

전복방지를 위한 가변 구조 이동 로봇의 설계와 구현
Design and Implementation of a Mobile Robot with a Variable Structure for Tip-over Prevention 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.21 no.4, 2015년, pp.356 - 360

이성민 (전북대학교 전자정보공학부) , 박정길 (전북대학교 전자정보공학부) , 박재병 (전북대학교 전자정보공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we design and implement a mobile robot with variable structure for tip-over prevention. The mobile robot is designed for the purpose of stable drive and work in outdoor terrain. The outdoor terrain is rough and uneven. In this terrain, the tip-over of the mobile robot can occur while driving and working. Therefore, the structure of the mobile robot must be designed in consideration of stable drive and work. The proposed structure is defined as an X-shape for overall balance of the mobile robot. The shape is designed by using a multi-level structure for reducing the size of the robot. To verify the effectiveness of the proposed design, we analyze the tip-over characteristics according to the height of gravitational center and the extension length of the robot. Finally, we develop a prototype of the mobile robot with variable structure, taking the results of the tip-over analysis into consideration.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 이동 로봇이 주행이나 작업 중에 발생할 수 있는 전복을 방지하기 위하여 가변형 구조의 로봇을 제안하였다. 지지다각형을 이용하여 이동 로봇의 전복 조건을 구했으며 이를 이용해서 가변 시 무게중심의 높이와 확장된 길이간의 특성을 분석했다.
이와 같이 이동 로봇의 다양한 구조적 설계를 통하여 야외 지형을 안정적으로 주행하였다. 본 논문에서도 노지 지형에서 안정적인 주행 및 작업을 위하여 가변형 이동 로봇을 제안한다. 제안된 이동 로봇은 작업 중 발생할 수 있는 전복을 미리 방지하기 위해 구조적 변형이 가능하도록 설계되었다.

제안 방법

각각의 h값에 대해 Ld를 0mm에서 250mm까지 50mm간격으로 변화 시키며 그림 5와 같이 θpitch와 θroll의 특성 그래프를 획득 하였다.
다음으로 무게 중심의 높이 h를 50mm에서 300mm까지 50mm 간격으로 변화를 시키며 분석을 수행하였다. 각각의 h값에 대해 L_d를 0mm에서 250mm까지 50mm간격으로 변화 시키며 그림 5와 같이 θ_pitch와 θ_roll의 특성 그래프를 획득 하였다.
본 논문에서는 X자 형태로 이동 로봇을 설계하였다[12]. 이 구조는 이동 로봇이 가변 시 그림 3과 같이 4단계 변형 과정을 통해 θ_pitch와 θ_roll을 모두 증가 시킬 수 있다.
지지다각형을 이용하여 이동 로봇의 전복 조건을 구했으며 이를 이용해서 가변 시 무게중심의 높이와 확장된 길이간의 특성을 분석했다. 분석된 특성을 바탕으로 가변형 이동 로봇을 설계, 제작하였으며 로봇의 크기 및 구조 간 효율성을 위해서 다층구조를 사용하였다. 제작된 이동 로봇은 가변 전보다 가변 후 주행 및 작업 안정성이 향상 됨을 확인 할 수 있었다.
각각의 h값에 대해 L_d를 0mm에서 250mm까지 50mm간격으로 변화 시키며 그림 5와 같이 θ_pitch와 θ_roll의 특성 그래프를 획득 하였다. 이 특성 그래프를 바탕으로 이동 로봇의 전복 발생에 미치는 h와 L_d의 영향을 분석하였다. h가 50mm인 경우, L_d가 0mm과 250mm일 때 구해지는 θ_pitch와 θ_roll값의 증가폭은 각각 5.
이밖에도 다단식의 서브 트랙(sub-track) [6], 접이식 바퀴[7] 또는 6족 보행로봇[8,9]를 이용해서 지형을 극복했다. 이와 같이 이동 로봇의 다양한 구조적 설계를 통하여 야외 지형을 안정적으로 주행하였다. 본 논문에서도 노지 지형에서 안정적인 주행 및 작업을 위하여 가변형 이동 로봇을 제안한다.
본 논문에서도 노지 지형에서 안정적인 주행 및 작업을 위하여 가변형 이동 로봇을 제안한다. 제안된 이동 로봇은 작업 중 발생할 수 있는 전복을 미리 방지하기 위해 구조적 변형이 가능하도록 설계되었다. 이때 지지다각형(support polygon)을 이용하여 이동 로봇의 전복 조건을 획득한다.
제안한 가변 구조를 구현하기 위해서 본 논문에서는 리니어 모터를 다층으로 장착했다. 그림 6의 위치 1번과 2번이 그 구조를 나타낸다.
본 장에서는 앞서 제안한 구조를 이용하여 실제 이동 로봇을 구현한다. 제안한 이동 로봇은 이동을 위한 DC모터, 조향을 위한 서보 모터 그리고 이동 로봇의 지지다각형을 확장하기 위한 리니어 모터로 구성된다. 가변 부분은 하나당 DC, 서보, 리니어 모터가 하나씩 사용되어 전체적으로 12개의 모터가 사용된다.
본 논문에서는 이동 로봇이 주행이나 작업 중에 발생할 수 있는 전복을 방지하기 위하여 가변형 구조의 로봇을 제안하였다. 지지다각형을 이용하여 이동 로봇의 전복 조건을 구했으며 이를 이용해서 가변 시 무게중심의 높이와 확장된 길이간의 특성을 분석했다. 분석된 특성을 바탕으로 가변형 이동 로봇을 설계, 제작하였으며 로봇의 크기 및 구조 간 효율성을 위해서 다층구조를 사용하였다.

대상 데이터

제안한 이동 로봇은 이동을 위한 DC모터, 조향을 위한 서보 모터 그리고 이동 로봇의 지지다각형을 확장하기 위한 리니어 모터로 구성된다. 가변 부분은 하나당 DC, 서보, 리니어 모터가 하나씩 사용되어 전체적으로 12개의 모터가 사용된다. 그리고 이 시스템을 제어하기 위해서 아두이노를 사용하였다.
에 따른 가변 특성을 분석하였다. 먼저 분석을 위하여 지지다각형의 변형 전 크기인 L_b와 W_b를 각각 460mm, 350mm라 설정하였다. 이 때 무게중심의 높이 h는 50mm이며 이동 로봇은 가변 전 이므로 대각선으로 확장된 길이 L_d는 0mm가 된다.

이론/모형

본 논문에서 지지다각형은 이동 로봇의 전복을 예측하기 위한 방법으로 사용된다. 지지다각형은 로봇이 지면과 접촉하는 점들로 형성된다.

성능/효과

분석 결과에서 h가 높을수록 Ld 확장에 따른 θpitch와 θroll 값의 증가 폭이 커진 것을 알 수 있다.
이 구조는 그림 7과 같다. 이와 같이 다층 구조를 통해서 리니어 모터가 겹치는 것을 방지하였을 뿐만 아니라 가변 전에는 이동 로봇의 크기를 줄일 수 있었다. 마지막으로 제어기는 리니어 모터 층의 위층에 배치하였다.
분석된 특성을 바탕으로 가변형 이동 로봇을 설계, 제작하였으며 로봇의 크기 및 구조 간 효율성을 위해서 다층구조를 사용하였다. 제작된 이동 로봇은 가변 전보다 가변 후 주행 및 작업 안정성이 향상 됨을 확인 할 수 있었다. 따라서 제안된 구조를 통해 이동 로봇이 노지 지형과 같은 험지에서 작업 안정성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.

후속연구

제작된 이동 로봇은 가변 전보다 가변 후 주행 및 작업 안정성이 향상 됨을 확인 할 수 있었다. 따라서 제안된 구조를 통해 이동 로봇이 노지 지형과 같은 험지에서 작업 안정성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	농업에 로봇을 도입하기 어려운 이유는?	최근 우리나라는 농촌 인구 및 인력 감소로 인한 농업의 생산성 향상을 위해서 부분적으로 로봇을 사용하고 있다. 뚜렷한 목적과 시장이 있음에도 불구하고 농업에 로봇을 도입하기 어려운 것은 작업환경이 주로 실외인 이유로 높은 기술 수준을 필요로 하기 때문이다[1]. 따라서 농업에 로봇을 도입하기 위해서는 먼저 실외의 작업환경을 극복할 수 있는 기술들이 필요하다.
	가변형 이동 로봇의 특징은?	본 논문에서도 노지 지형에서 안정적인 주행 및 작업을 위하여 가변형 이동 로봇을 제안한다. 제안된 이동 로봇은 작업 중 발생할 수 있는 전복을 미리 방지하기 위해 구조적 변형이 가능하도록 설계되었다. 이때 지지다각형(support polygon)을 이용하여 이동 로봇의 전복 조건을 획득한다. 획득된 전복 조건을 이용해 주어진 지형 환경에서 로봇의 전복 유무를 판단 할 수 있다.
	이동 로봇의 다양한 구조적 설계를 통해 야외 지형을 안정적으로 주행한 연구 사례는?	이에 따라 다양한 지형을 안정적으로 주행하기 위한 연구들이 진행되고 있다. Mina Shi [2]와 Chenghui Nie [3]는 안정적으로 주행하기 위해서 이동 로봇에 현가장치(suspension)을 장착하여 불규칙한 상태의 노면으로부터 전해지는 진동이 로봇에 전달되는 것을 줄였다. Magno Guedes는 독립적인 4바퀴 시스템을 가진 ARES-III를 이용하여 전방향 주행 및 다양한 험지를 주행하였다[4]. Javier Seron은 이동형 머니퓰레이터를 이용한 지형 등반 시 머니퓰레이터로 지면을 지지하여 전복을 방지 하였다[5]. 이밖에도 다단식의 서브 트랙(sub-track) [6], 접이식 바퀴[7] 또는 6족 보행로봇[8,9]를 이용해서 지형을 극복했다. 이와 같이 이동 로봇의 다양한 구조적 설계를 통하여 야외 지형을 안정적으로 주행하였다.

참고문헌 (12)

W. P. Yu, S. L. Choi, J. Y. Lee, and S. H. Park, "Robot navigation technology and its standardization trends," Electronics and Telecommunications Trends (in Korean), vol. 26, no. 6, pp. 108-119, Dec. 2011.
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N. Chenghui, G. Hauschka, and M. Spenko, "Design and experimental characterization of an omnidirectional unmanned ground vehicle for outdoor terrain," 2012 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), pp. 4016-4021, May 2012.
M. Guedes, P. Santana, P. Deusdado, R. Mendonca, F. Marques, N. Henriques, A. Lourenco, L. Correia, J. Barata, and L. Flores, "ARES-III: A versatile multi-purpose all-terrain robot," 2012 IEEE 17th Conference on Emerging Technologies & Factory Automation (ETFA), pp. 1-8, Sep. 2012.
J. Seron, J. L. Martinez, A. Mandow, A. J. Reina, J. Morales, and A. J. Garcia-Cerezo, "Automation of the arm-aided climbing maneuver for tracked mobile manipulators," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 61, no. 7, pp. 3638-3647, Jul. 2014.

상세보기
T. Fujita and T. Shoji, "Development of a rough terrain mobile robot with multistage tracks," 2013 16th International Conference on Advanced Robotics (ICAR), pp. 1-6, Nov. 2013.
Z. Peng, L. Zhaogang, H. Ying, W. Xin, and Z. Jianwei, "Mobility performance analysis of an out-door mobile robot with foldable wheels," 2013 5th International Conference on Intelligent Human-Machine Systems and Cybernetics (IHMSC), vol. 1, pp. 236-240, Aug. 2013.
D. Belter and P. Skrzypczynski, "Posture optimization strategy for a statically stable robot traversing rough terrain," 2012 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), pp. 2204-2209, Oct. 2012.
J. W. Kim, G. W. Lee, and S. G. Lee, "Development of an effective walking system for a hexapod robot on uneven terrain," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 19, no. 12, pp. 1152-1159, Dec. 2013.

원문보기 상세보기
J. H. Lee, J. B. Park, and B. H. Lee, "Control method of mobile robots for avoiding slip and turnover on sloped terrain using a gyro/vision sensor module," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 11, no. 8, pp. 669-677, Aug. 2005.
S. M. Lee, J. K. Park, and J. B. Park, "Tip-over terrain detection method based on the support inscribed circle of a mobile robot," Journal of Institute of Control, Robotics and Systems (in Korean), vol. 20, no. 10, pp. 1057-1062, Oct. 2014.

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S. M. Lee, J. K. Park, and J. B. Park, "A Driving mechanism of mobile robot based on variable structure for tip-over prevention," Proc. of ICROS (Institute of Control, Robotics and Systems) 2014 Jeonbuk and Jeju Branch Conference (in Korean), pp. 154-155, Dec. 2014.

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동의어: Packet Collision Rate

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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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