[논문]구형 투척 로봇의 전방향 충격흡수 구조 설계 및 동적 자세 안정화

정원석; 김영근; 김수현

doi:10.5302/j.icros.2016.15.0180

문제 정의

따라서 본 논문에서는 륜거의 길이를 능동적으로 변환하여 동적 자세를 안정화하는 시스템을 설계하였다.
본 논문에서는 위에 언급된 투척 로봇의 설계 조건을 만족하기 위하여, 장거리 투척이 가능한 구형 형태의 로봇을 개발하였으며, 판 스프링 시스템을 휠에 적용하여 전방향 충격 흡수에 용이하도록 설계하였다. 또한 륜거를 능동적으로 변화시킬 수 있도록 설계하여 임의의 지면에서 고속 주행이 가능하도록 동적 자세 안정화를 구현하였다.
본 논문에서는 장거리 투척에 알맞은 소형 경량의 구형 형상 및 전방향 충격 흡수 메커니즘을 가지며, 능동적 륜거 조절 시스템을 이용하여 구형 로봇의 동적 자세 안정화가 고려된 투척 로봇 설계를 제안한다.
본 논문에서는 직진성을 보장해 주기 위하여, 직진 신호가 OCU를 통해 입력되었을 때에는 자이로 센서를 이용하여 YAW 각도를 측정하게 되고, 이것을 센서의 Sampling time마다 측정, 비교하여 향하고자 하는 방향으로 양쪽 바퀴의 모터 속도를 제어하도록 하였다. 이 때, Sampling timee 정밀 제어를 위하여 10 msec 값을 사용하였으며, 지자기 센서로는 2-Axis Compass with Algorithms HMC₆₃52-H- 사용하였다.

가설 설정

8. Definition of parameters at a projected plane of incline.
7. Definition of robot state and parameters at arbitrarily incline.

제안 방법

구형 로봇의 동적 자세 안정화를 위하여, 지자기 센서를 이용해 로봇의 직진 주행 자세 제어를 달성하였다. 또한 능동적으로 륜거를 조절하는 메커니즘을 개발하여, 임의의 경사면에서 안정적으로 고속 회전 및 주행이 가능하도록 설계하였다.
따라서 본 논문에서는 반구 형태의 바퀴로 충격 흡수와 분산에 용이하도록 제작하였으며, 추가적으로 전방향 충격흡수 메커니즘을 설계하였다. 그림 2와 같이 모터가 장착된 내부 바퀴와 외부 바퀴 사이에, 충격 흡수를 위한 3개의 판스프링 메커니즘을 설계하였다. 전방향 외부 충격이 6단계의 판 스프링 시스템을 거쳐 내부 전장부에 가해지도록 외부 충격을 최소화하였다.
분석하였다. 그림 7, 8과 같이 로봇의 상태 변수를 정의하였으며, 이를 수식 (1)<4)를 이용하여 바퀴가 지면과 떨어지는 상황을 의미하는 “지면과의 Contact force가 0이 되는 상태”를 분석하였다. 각 변수는 표 2와 같이 나타낼 수 있다.
전복의 위험이 발생한다. 따라서 “두 바퀴가 모두 지면에 접촉하고 있는 상태”를 “안정화 상태”라고 정의하였으며, 능동적인 륜거 변화 시스템을 개발하여 로봇의 동적 안정화 상태를 구현하였다.
또한 양 바퀴의 속도 차가 증가함에 따라, 원심력에 의해 등반 가능한 지면의 안정화 각도가 크게 감소함을 분석할 수 있다. 따라서 본 논문에서 개발한 가변형 륜거 길이 제어 메커니즘을 이용하여, 바퀴 사이의 거리를 변화시켜 가면서 로봇의 안정화 상태 영역을 분석해 보았다. 그 결과 그림 10과같이(지면 경사도 10deg, 모터 토크 0.
수 있다는 단점을 갖고 있다. 따라서 본 논문에서는 반구 형태의 바퀴로 충격 흡수와 분산에 용이하도록 제작하였으며, 추가적으로 전방향 충격흡수 메커니즘을 설계하였다. 그림 2와 같이 모터가 장착된 내부 바퀴와 외부 바퀴 사이에, 충격 흡수를 위한 3개의 판스프링 메커니즘을 설계하였다.
로봇의 직진 주행 자세 제어를 달성하였다. 또한 능동적으로 륜거를 조절하는 메커니즘을 개발하여, 임의의 경사면에서 안정적으로 고속 회전 및 주행이 가능하도록 설계하였다. 그 결과 륜거가 3 cm에서 6 cm로 증가 시, 양 바퀴 속도의 최대 안정화 각속도 차이가 약 11 rad/s에서 33 rad/s으로 크게 증가하여 동적 자세 안정화를 구현하였다.
용이하도록 설계하였다. 또한 륜거를 능동적으로 변화시킬 수 있도록 설계하여 임의의 지면에서 고속 주행이 가능하도록 동적 자세 안정화를 구현하였다.
또한 지면과의 마찰력을 극대화 하여, 둔턱 극복 등에 반드시 필요한 트랙의 쓰레드를 고무 재질을 이용하여, 그림 1 과 같이 구형 바퀴에 설계하였다. 추가적으로 로봇 쓰레드의 간격을 10.
본 연구에서는 장거리 투척이 가능한 소형 정찰 구형 로봇을 개발하였으며, 핵심내용으로는 전방향 충격흡수 메커니즘을 설계하였으며, 고속 회전 및 주행이 가능하도록 동적 자세 안정화를 구현하였다. 판 스프링 메커니즘을 내, 외부 휠에 적용하여 전방향 충격 흡수가 가능하도록 설계하였으며, 기존에 개발된 Recon Scout의 9.
14 kg으로 제작하였다. 이를 통해 성인이 작전지역에서 수십 미터 이상을 투척 가능하도록 설계하였다.
이와 같이 모터와 전장부는 내부 휠에 고정되며, 전 방향 충격 흡수 판 스프링 구조를 통하여 외부 충격에 강인하도록 설계되었다.
그림 2와 같이 모터가 장착된 내부 바퀴와 외부 바퀴 사이에, 충격 흡수를 위한 3개의 판스프링 메커니즘을 설계하였다. 전방향 외부 충격이 6단계의 판 스프링 시스템을 거쳐 내부 전장부에 가해지도록 외부 충격을 최소화하였다. 모터는 내부 휠에 고정되며, 내부 휠은 1차 판스프링에, 1차 판스프링은 3개의 고무 지지대를 통해 2차 판스프링에, 2차는 3차 판스프링에 고정되며, 3차 판스프링은 외부 휠에 고정되는 형태로 설계되었다.
같이 구형 바퀴에 설계하였다. 추가적으로 로봇 쓰레드의 간격을 10.6 mm 간격으로 배치하여 파지 및 투척에 용이하도록 제작하였다[1].
투척 직후에 발생하는 구동 가능 자세로의 복귀는 구형 형상을 갖는 로봇에서 무게중심을 낮게 설정해 줌에 따라, Rolly-Polly 기술을 이용하여 구동 가능 상태로 복귀 가능하도록 설계하였다.
수행하였다. 투척 충격 실험은 그림 13과 같이, 장거리 17 m 투척 후, 로봇이 정상적으로 작동하는 것을 통해 검증하였다. 투척 지면은 콘크리트 바닥 및 잔디 밭 등 다양한 지면에서 수차례 투척을 반복하며 로봇이 정상적으로 작동함을 검증하였다.
판 스프링을 이용하여 전방향 충격을 효과적으로 흡수할 수 있도록 개발된 구형 투척 로봇의 충격 실험을 수행하였다. 투척 충격 실험은 그림 13과 같이, 장거리 17 m 투척 후, 로봇이 정상적으로 작동하는 것을 통해 검증하였다.

대상 데이터

내부 휠에 고정된 모터의 경우, 휠 사이의 고무 완충재의 3점 지지를 통해 외부 충격에 모터 축이 휘지 않도록 강인 설계하였다. 또한 사용된 모터는 A-Max Motor로 12丫 DC 5 Wt, 6.25mNm의 특성을 가지며 감속비 46:1의 감속기를 통해 동력을 증폭하여 큰 토크를 전달한다.
본 논문에서는 구형 투척형 로봇으로 개발된 1차 로봇보다[1], 소형화 및 경량화 연구를 진행하여 바퀴의 지름을 110 mm, 중량 1.14 kg으로 제작하였다. 이를 통해 성인이 작전지역에서 수십 미터 이상을 투척 가능하도록 설계하였다.

이론/모형

로봇 시스템의 동적 상태를 Kane's Dynamics의 Generalized Coordinate, Speed, Active Force 및 Inertia Force 등을 이용하여 정의, 분석하였다. 그림 7, 8과 같이 로봇의 상태 변수를 정의하였으며, 이를 수식 (1)<4)를 이용하여 바퀴가 지면과 떨어지는 상황을 의미하는 “지면과의 Contact force가 0이 되는 상태”를 분석하였다.

성능/효과

계산한 결과는 그림 3과 같다. 15N의 힘을 바퀴 축에 평행, 45deg 및 수직으로 힘을 가하였으며 전방향 모두 충격 에너지를 효과적으로 흡수할 수 있음을 알 수 있다. 내부 휠에 고정된 모터의 경우, 휠 사이의 고무 완충재의 3점 지지를 통해 외부 충격에 모터 축이 휘지 않도록 강인 설계하였다.
따라서 본 논문에서 개발한 가변형 륜거 길이 제어 메커니즘을 이용하여, 바퀴 사이의 거리를 변화시켜 가면서 로봇의 안정화 상태 영역을 분석해 보았다. 그 결과 그림 10과같이(지면 경사도 10deg, 모터 토크 0.13Nm 상태), 왼쪽 바퀴 속도에 따른 안정화 상태에서의 최대 오른쪽 바퀴의 각속도를 살펴보면 륜거가 3 cm에서 7 cm로 증가함에 따라 최대 안정화 각속도가 약 11 rad/s 에서 32 rad/s으로 크게 증가함을 알 수 있다.
또한 능동적으로 륜거를 조절하는 메커니즘을 개발하여, 임의의 경사면에서 안정적으로 고속 회전 및 주행이 가능하도록 설계하였다. 그 결과 륜거가 3 cm에서 6 cm로 증가 시, 양 바퀴 속도의 최대 안정화 각속도 차이가 약 11 rad/s에서 33 rad/s으로 크게 증가하여 동적 자세 안정화를 구현하였다.
이 때 로봇이 받는 충격량은 수평 직선 거리 (4)와 투척시 필요한 초기 속도 («) 및 우레탄 바퀴의 반발계수 값등을 이용하여 다음 식과 같이 구할 수 있다[1, 14]. 그 결과 표 3과같이 최대 17 m를 50 deg의 각도로 투척하였을 시, 제작한 로봇은 약 17 Ns의 내충격량을 효과적으로 흡수하여 정상 작동할 수 있음을 검증하였다.
둘째, 장거리 투척을 위해 로봇이 구형 형태를 지님에 따라, 로봇이 고속으로 회전할 경우 원심력에 의해 한 쪽 바퀴가 지면에서 떨어지는 불안정 상태에 이르게 된다. 특히 지면과 경사를 이루는 급경사 면에서 고속으로 로봇이 회전을 할 경우, 불안정성이 극대화됨에 따라, 전복의 위험이 발생한다.
또한 양 바퀴의 속도 차가 증가함에 따라, 원심력에 의해 등반 가능한 지면의 안정화 각도가 크게 감소함을 분석할 수 있다. 따라서 본 논문에서 개발한 가변형 륜거 길이 제어 메커니즘을 이용하여, 바퀴 사이의 거리를 변화시켜 가면서 로봇의 안정화 상태 영역을 분석해 보았다.
투척 충격 실험은 그림 13과 같이, 장거리 17 m 투척 후, 로봇이 정상적으로 작동하는 것을 통해 검증하였다. 투척 지면은 콘크리트 바닥 및 잔디 밭 등 다양한 지면에서 수차례 투척을 반복하며 로봇이 정상적으로 작동함을 검증하였다. 이 때 로봇이 받는 충격량은 수평 직선 거리 (4)와 투척시 필요한 초기 속도 («) 및 우레탄 바퀴의 반발계수 값등을 이용하여 다음 식과 같이 구할 수 있다[1, 14].
안정화를 구현하였다. 판 스프링 메커니즘을 내, 외부 휠에 적용하여 전방향 충격 흡수가 가능하도록 설계하였으며, 기존에 개발된 Recon Scout의 9.44 Ns의 내 충격량보다, 약 1.8배 증가된 약 17 Ns의 충격량을 흡수할 수 있음을 검증하였다.

후속연구

향후 개선점으로는 투척 시의 절대적인 충격량을 줄이기 위하여, 로봇의 추가적인 소형, 경량화 설계가 연구되어야 한다.

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