[논문]축방향 충격흡수 향상을 위한 소형구형 투척 로봇구조 설계

정원석; 김영근; 김수현

doi:10.5302/j.icros.2015.14.0101

문제 정의

따라서 본 논문에서는 위에 명시된 조건들을 만족하기 위하여 20~30m 장거리 투척이 가능한 구형 형상과 저중량 특성을 가지며, 원거리 도달 후 받게 되는 충격을 흡수할 수 있는 충격 흡수 메커니즘을 설계하였다.
일반적인 구형 형상의 경우 최대 직경의 반지름 높이만을 극복 가능 가능하지만, 동역학적 불안정성이 극대화 된다. 따라서 본 실험에서는 개발된 로봇을 이용하여 둔턱 극복 높이를 테스트 해보았다.
본 논문에서는 로봇을 소형화 및 경량화하기 위한 연구를 진행하였으며 모터, 기어 등 내부 부품 크기를 고려하여 로봇의 크기는 160 mm, 바퀴의 지름을 150 mm로 설계 하여 한 손으로 투척이 가능하도록 하였다. 또한 총 무게는 2.
본 논문에서는 장거리 투척에 알맞은 소형화 형상을 지니며 동시에 충격 흡수에 용이한 형상과 자세 안정화 장치 구조 설계가 고려된 투척 로봇에 대한 설계를 제안한다.
본 연구에서는 소형 정찰 구형 로봇의 개발을 통해 감시, 정찰 기능을 극대화 하는 로봇을 개발하였다. 개발된 로봇의 핵심 내용으로는 투척에 용이한 형상을 분석하였으며 충격 흡수에 용이한 반구 형상의 설계와 모터의 축 방향 충격을 흡수할 수 있도록 스프링과 O-ring 고무 형태의 충격 흡수부를 설계하였다.

제안 방법

본 연구에서는 소형 정찰 구형 로봇의 개발을 통해 감시, 정찰 기능을 극대화 하는 로봇을 개발하였다. 개발된 로봇의 핵심 내용으로는 투척에 용이한 형상을 분석하였으며 충격 흡수에 용이한 반구 형상의 설계와 모터의 축 방향 충격을 흡수할 수 있도록 스프링과 O-ring 고무 형태의 충격 흡수부를 설계하였다. 투척시의 내충격량으로는 본 논문에서 제안한 로봇의 경우 13 Ns의 충격량을 흡수함에 따라, 기존에 개발된 Recon Scout의 9.
이와 함께 구동 중에도 보다 동적 안정성을 높이기 위하여 무게 중심을 아래쪽으로 설계하였다. 그림 3과 같이 로봇을 양쪽 대칭 구조로 설계하여 무게 중심이 가운데 오도록 설계하였으며, 아래쪽에 배터리와 양쪽으로 실린더를 전개하는 모터, 기어 부분을 배치함으로써 무게중심을 아래쪽에 오도록 설계하였다. 또한 바퀴의 축 부분을 오목하게 튀어나오도록 설계함으로써 축 방향으로 떨어지더라도, 바로 두 바퀴가 땅에 닿게 되는 작동 자세로 복귀할 수 있도록 설계하였다.
목표 속도 값으로 50 cm/s을 기준으로 모터를 선정하여 제작하였으며, 기준 길이 2 m를 로봇이 통과하는데 걸리는 시간을 측정함으로서 로봇의 구동 속도를 측정하였다. 단, 로봇이 정지하였다가 출발할 때의 가속구간에서의 속도가 아닌, 일정한 속도로 이동하고 있는 등속도 구간에서의 속도를 측정하였다.
따라서 로봇 형상을 던지기 쉬운 구의 형태로 설계한 것뿐만 아니라, 투척자의 각 손가락을 로봇의 트랙 쓰레드에 밀착시켜서 로봇과 손의 그립 상태가 최적화 되도록 그림 2와 같이 설계하였다. 트랙 쓰레드의 높이는 약 8.
그림 3과 같이 로봇을 양쪽 대칭 구조로 설계하여 무게 중심이 가운데 오도록 설계하였으며, 아래쪽에 배터리와 양쪽으로 실린더를 전개하는 모터, 기어 부분을 배치함으로써 무게중심을 아래쪽에 오도록 설계하였다. 또한 바퀴의 축 부분을 오목하게 튀어나오도록 설계함으로써 축 방향으로 떨어지더라도, 바로 두 바퀴가 땅에 닿게 되는 작동 자세로 복귀할 수 있도록 설계하였다. 또한 일시적으로 기울어진 상태로 고정이 된다 하더라도, 바퀴를 회전하게 되면 회전 모멘트와 함께 낮은 무게 중심의 위치에 의한 모멘트가 발생하여 작동 자세로 쉽게 복귀할 수 있도록 설계하였다.
또한 바퀴의 축 부분을 오목하게 튀어나오도록 설계함으로써 축 방향으로 떨어지더라도, 바로 두 바퀴가 땅에 닿게 되는 작동 자세로 복귀할 수 있도록 설계하였다. 또한 일시적으로 기울어진 상태로 고정이 된다 하더라도, 바퀴를 회전하게 되면 회전 모멘트와 함께 낮은 무게 중심의 위치에 의한 모멘트가 발생하여 작동 자세로 쉽게 복귀할 수 있도록 설계하였다.
본 논문에서는 로봇을 소형화 및 경량화하기 위한 연구를 진행하였으며 모터, 기어 등 내부 부품 크기를 고려하여 로봇의 크기는 160 mm, 바퀴의 지름을 150 mm로 설계 하여 한 손으로 투척이 가능하도록 하였다. 또한 총 무게는 2.2 kg으로써 군사 작전 시, 성인이 수십 미터 거리의 작전지역으로 쉽게 투척이 가능하도록 설계하였다.
로봇의 내부 구조와 감속기 사이에, 스프링 장치와 O-ring 및 바퀴의 댐핑으로 충격력을 흡수하도록 설계 하였다. 로봇의 고무 바퀴와 실질적인 로봇 본체의 구성은 그림 7과 같이 모델링 할 수 있고 두 물체 사이의 구성요소들은 스프링과 댐핑은 아래 수식으로 모델링 하여 충격시 전달되는 진동을 구할 수 있다.
목표 속도 값으로 50 cm/s을 기준으로 모터를 선정하여 제작하였으며, 기준 길이 2 m를 로봇이 통과하는데 걸리는 시간을 측정함으로서 로봇의 구동 속도를 측정하였다. 단, 로봇이 정지하였다가 출발할 때의 가속구간에서의 속도가 아닌, 일정한 속도로 이동하고 있는 등속도 구간에서의 속도를 측정하였다.
본 논문에서는 투척에 용이하도록 바퀴를 반구형상 및 좌우 대칭 구조로 설계하였다. 바퀴 외면에 돌기를 추가하여 낙하 시 충격을 흡수하고 둔턱 극복이 용이하도록 설계되었다.
반구 형태로 제작된 바퀴의 경우 형상적으로 충격 흡수와 분산에 용이하도록 설계되었으며, 충격이 가해질 때 구동에 영향을 미치지 않는 범위에서 형상이 변화되도록 재질을 선택하여 일정 충격 에너지까지는 흡수되도록 고무 재질로 설계하였다. 바퀴의 트랙 쓰레드는 그림 3과 같이 지면과 부딪힐 때, 트랙 쓰레드가 꺾이면서 먼저 충격을 흡수하도록 설계되었다.
지금까지 개발되어온 투척형 로봇의 바퀴는 일반적인 디스크 형태의 바퀴 형태를 가짐에 따라 바퀴 축에 수직한 방향으로 떨어졌을 때에는 바퀴 단면에 충격을 크게 받는 단점이 있다. 본 논문에서는 투척에 용이하도록 바퀴를 반구형상 및 좌우 대칭 구조로 설계하였다. 바퀴 외면에 돌기를 추가하여 낙하 시 충격을 흡수하고 둔턱 극복이 용이하도록 설계되었다.
실험을 통하여 구동축에 수직으로 지면과 충돌 할 경우에는, 각 고무 형상의 바퀴형태는 최대 30 mm의 변화가 가능하였고, 각 바퀴당 충격에너지 흡수 E_k 는 식 (1)과 같이 1.2Nm로써 양쪽 바퀴를 고려하면 총 2.4Nm에 해당하는 충격 에너지를 흡수할 있도록 설계하였다.
양쪽 모터부 사이에 있는 충격 흡수 장치 고정부는 투척시에 발생되는 충격력을 줄이기 위하여 고안된 스프링 장치가 고정되는 부분으로서 양쪽 휠의 축 방향 중심축과 일치하도록 설계되었다.
또한 로봇이 급 감속을 할 경우 그림 5와 같이 꼬리 부분이 들리게 되고, 이는 카메라 영상부의 각도를 불안정하게 만드는 요소가 된다. 영상 안정화를 위하여 꼬리 구동 제어를 설계하여 이를 극복하였다. 제어 방법으로는 자이로 센서를 이용하여 꼬리가 달린 내부 쉘 구조가 기준 각도값 이상으로 돌게 되면, 모터를 측정된 각도만큼 반대로 돌려주어서 꼬리를 하단으로 내려주는 방법이 되겠다.
양 바퀴 사이에 있는 둥근 알루미늄은 전장부가 위치하는 공간으로써 내부 부품을 고정시켜주는 역할을 수행한다. 이러한 내부 부품 고정부는 투척 시에 발생되는 충격을 흡수하기 위하여, 탄성이 좋은 아세탈 재질로 설계 제작하였다. 또한 내부 부품이 위치하는 전장부의 경우, 지면에 닿는 꼬리에 의해 회전하지 않고 고정된다.
투척 충격에 관한 실험은 그림 9와 같이 투척 후에도 정상적으로 로봇이 작동하는 것을 통해서 검증을 하였다. 콘크리트 지면에 최대 10 m 거리로 수차례 투척을 반복하여 로봇이 정상적으로 작동하는 것을 확인 하는 실험이다.
따라서 로봇 형상을 던지기 쉬운 구의 형태로 설계한 것뿐만 아니라, 투척자의 각 손가락을 로봇의 트랙 쓰레드에 밀착시켜서 로봇과 손의 그립 상태가 최적화 되도록 그림 2와 같이 설계하였다. 트랙 쓰레드의 높이는 약 8.5 mm, 각 트랙 쓰레드간의 간격은 10.6 mm의 값을 가짐으로써 손가락을 각 쓰레드 사이에 넣어서 로봇에 최대한 밀착시킬 수 있도록 설계하였다.
로봇이 지면과 충돌 할 시, 전달되는 충격력은 바퀴 구동축에 수직한 방향으로의 충격력은 바퀴 형상 변화를 통한 에너지 흡수를 통하여 일정 부분 충격을 흡수할 수 있다. 하지만 로봇이 구동축 방향으로 지면과 충돌할 때에는 바퀴의 형상 변화가 일어나지 않으므로 충격력 흡수를 위해서 부가적인 충격 흡수 장치를 설계하였다.

대상 데이터

사용한 모터는 A-Max Motor로써, 6.25 mNm의 토크와 22 mm, 12 V, DC 5 Watt의 파워를 갖는다. 이는 상대적으로 에너지 소모가 적은 모터로써, 감속비 46:1을 적용하여 모터의 동력을 증폭, 감속시켜서 양쪽 바퀴에 큰 토크를 전달한다.
이때 설계된 바퀴의 재질은 지면과의 마찰력이 높고 충격 흡수율이 좋은 우레탄 재질을 사용하였다. 재질의 특성 분석 후 경도 50N/mm² 및 마찰계수 약 0.

이론/모형

좌표를 통해 표현할 수 있다. 바퀴에 가해지는 충격력을 F(t)와 같이 정의하고 Newton의 제2법칙을 이용하여 운동방정식을 세우면 다음과 같다.

성능/효과

5 cm의 둔턱 높이를 장애물로 설치하여도 둔턱을 통과하는 성능을 보였다. 보통 Two wheel시스템은 둔턱 통과시 불안정해지는 단점이 있지만, 본 논문에서 설계한 바퀴의 형상과 로봇의 동적 움직임을 꼬리를 이용하여 로봇안정화를 달성할 수 있었다.
개발된 로봇의 핵심 내용으로는 투척에 용이한 형상을 분석하였으며 충격 흡수에 용이한 반구 형상의 설계와 모터의 축 방향 충격을 흡수할 수 있도록 스프링과 O-ring 고무 형태의 충격 흡수부를 설계하였다. 투척시의 내충격량으로는 본 논문에서 제안한 로봇의 경우 13 Ns의 충격량을 흡수함에 따라, 기존에 개발된 Recon Scout의 9.44 Ns의 값보다 약 1.8배의 내충격성 증가를 이루었다.
표 2 실험 결과 값을 보면, 평균으로 2m 이동하는데 2.54 sec 시간이 걸리므로 78.7 cm/s의 높은 속도를 보이는 것을 알 수 있다. 이는 모터 선택 시의 목표치인 50 cm/s의 달성치를 초과하는 결과 값이다.
표 3과 같이, 최대 10 m로 투척하였을 시, 제작한 로봇은 투척 거리, 각도 및 속도 등의 물리량 입력을 통하여 약 13 Ns의 내충격량을 흡수하여 정상작동 할 수 있음을 실험을 통해 검증할 수 있었다.

후속연구

하지만 실질적인 충격 흡수 부분은 스프링이 장착된 축방향의 충격 흡수 부분만 강한 충격을 흡수할 수 있다는 단점이 있다. 따라서 로봇이 축방향 및 다른 전 방향으로의 강한 충격을 흡수할 수 있으며, 절대적인 충격량을 줄이기 위하여 추가적인 소형 경량화 설계가 연구되어야 한다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Dragon Runner의 장점은?	Four-wheel Brick과 Rebound [1,2] 역시 iRobot社에서 개발되었 으며 모두 플리퍼(flipper)가 장착되어 몸체를 들 수 있도록 설계되었다. Carnegie Mellon University에서 개발된 Dragon Runner는[3] 약 9m/s의 속도까지 낼 수 있으며 고무 바퀴가 충격을 흡수할 수 있다는 장점으로 충격에 매우 강인하게 설 계되었다. 하지만 상기의 모든 로봇들은 투척에 용이하지 못 한 크기의 자동차 트랙 형상을 갖고 있다는 단점이 있다.
	구형 형태의 형상으로 개발된 투척형 로봇의 단점은?	투척형 정찰 로봇으로 개발된 로봇은 투척과 충격 분산 및 흡수에 용이하도록 구형 형태의 형상으로 개발되었다. 하지 만 실질적인 충격 흡수 부분은 스프링이 장착된 축방향의 충격 흡수 부분만 강한 충격을 흡수할 수 있다는 단점이 있다. 따라서 로봇이 축방향 및 다른 전 방향으로의 강한 충격을 흡수할 수 있으며, 절대적인 충격량을 줄이기 위하여 추가적인 소형 경량화 설계가 연구되어야 한다.
	투척형 로봇은 어떻게 분류되는가?	현재 개발되고 있는 투척형 로봇의 경우 이동 메커니즘의 종류에 따라 Six-wheel, Four-wheel 및 Two-wheel 등의 종류로 분류 된다. 미국 iRobot社의 Six-wheel Brick [1,2]은 좌우에 각 각 3개씩 총 6개의 바퀴로 이루어진 메커니즘을 갖고 있어서 스키드 조향 방식으로 구동된다.

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