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문제 정의
- 본 논문에서는 전기구동 궤도차량로봇 플랫폼 개발을 제안하였다. 제안하는 플랫폼을 설계 프로그램을 이용하여 바디플랫폼과 동력전달부품 등을 설계하였다.
- 본 연구에서는 궤도형 이동구조를 이용하여 이동로봇 플랫폼을 개발하고자 한다. 에너지 소비 측면에서의 단점이 있기는 하지만, 여러 이동로봇의 이동구조 중 평지 및 야지, 험지에서도 주행이 가능한 장점이 있는 궤도형 이동구조를 이용하였다.
- 설계하는 무한궤도차량은 전기구동방식으로 엔진과 트랜스액슬을 대신 BLDC모터와 기어, 동력전달을 위한 커플러로 구성되어 있다. 커플러는 모터축과 궤도 스프라킷의 축 사이에 위치하여 두 축의 뒤틀림에 의한 파손을 방지하여 시스템을 보호하기 위한 목적을 가진다.
제안 방법
- 따라서 모터를 제어하기 위한 제어시스템이 필요하다. 2개의 BLDC 모터를 제어하기 위하여 구동제어기를 설계하였다.
- 3장에서 궤도차량로봇의 플랫폼 설계를 위한 설계조건을 확인한 후 궤도차량로봇의 플랫폼을 설계하였다. 3D 설계툴을 이용하여 궤도차량로봇의 바디프레임, 동력전달을 위한 구동부 부품을 설계하였다.
- 개발한 전기구동 궤도차량로봇의 동작 및 주행 실험을 실시하였다. 3장에서 계산된 최대 안정등판각의 실험에 앞서 일상에서 쉽게 마주칠 수 있는 경사면에 대한 주행 실험을 먼저 실시하였다. 실험환경은 실내 15°와 야외 40°의 경사면 주행로로 구성하였다.
- 3장에서 궤도차량로봇의 플랫폼 설계를 위한 설계조건을 확인한 후 궤도차량로봇의 플랫폼을 설계하였다. 3D 설계툴을 이용하여 궤도차량로봇의 바디프레임, 동력전달을 위한 구동부 부품을 설계하였다.
- 궤도차량로봇의 제어기에 신호를 전달하기 위하여 RC 리모트 컨트롤러의 출력신호를 변환하기 위한 시스템을 설계하고 제작하였다. RC 리모트 컨트롤러에서 발생하는 5개의 채널 신호를 궤도차량로봇의 좌우 주행 모터의 구동방향과 구동속도로 변환하여 메인제어기에 전달할 수 있도록 개발하였다.
- 개발한 전기구동 궤도차량로봇의 동작 및 주행 실험을 실시하였다. 3장에서 계산된 최대 안정등판각의 실험에 앞서 일상에서 쉽게 마주칠 수 있는 경사면에 대한 주행 실험을 먼저 실시하였다.
- 안정각과 전복각을 확보하기 위하여 좌우 폭을 넓히고 무게중심을 낮추기 위해 높이를 낮게 설계하였다. 궤도차량로봇을 제어하기 위한 제어기와 배터리 배치를 고려하여 설계를 진행하였다.
- 일반적으로 무한궤도형태의 이동로봇의 성능을 나타낼 때 고려되는 지수 중 몇 가지를 설계 조건으로 반영하였다. 궤도차량로봇의 안정적인 주행을 위하여 안정각, 측면 전복각을 확보하기 위한 설계를 진행하였다.
- 궤도차량로봇의 원격제어를 위해 RC 리모트 컨트롤러를 이용하여 원격제어 시스템을 구성하였다. 레버를 이용하여 직관적이고 쉬운 조작이 가능하다.
- 레버를 이용하여 직관적이고 쉬운 조작이 가능하다. 궤도차량로봇의 제어기에 신호를 전달하기 위하여 RC 리모트 컨트롤러의 출력신호를 변환하기 위한 시스템을 설계하고 제작하였다. RC 리모트 컨트롤러에서 발생하는 5개의 채널 신호를 궤도차량로봇의 좌우 주행 모터의 구동방향과 구동속도로 변환하여 메인제어기에 전달할 수 있도록 개발하였다.
- 시스템의 안정성을 위하여 무게중심은 낮추어 주행 안정각과 전복각을 확보한다. 둘째, 계단이나 높은 장애물 극복을 위해서는 Attack angle을 생성할 수 있도록 설계한다.
- 그림 4는 설계한 구동부 부품을 나타낸다. 모터와 스프라킷을 연결하기 위한 커플러를 선정하고 스프라킷 베어링 브라켓을 설계하였다.
- 설계하는 궤도차량로봇의 플랫폼을 설계하기 위해 현재 판매중인 궤도형태를 갖는 제품들을 분석하였다. 사용 목적과 형태에 따라 전장 900mm ~ 3,000mm, 전폭 600mm ~ 1,600mm의 차이를 보이고 있다.
- 제안하는 플랫폼을 설계 프로그램을 이용하여 바디플랫폼과 동력전달부품 등을 설계하였다. 시뮬레이션을 통해 설계의 적합성을 확인한 후 시제품을 제작하였다. 또한 실험을 통해 제작한 전기구동 궤도차량로봇 플랫폼이 구동이 가능함을 확인하였다.
- 그림 3과 같이 궤도차량로봇의 바디프레임을 설계하였다. 안정각과 전복각을 확보하기 위하여 좌우 폭을 넓히고 무게중심을 낮추기 위해 높이를 낮게 설계하였다. 궤도차량로봇을 제어하기 위한 제어기와 배터리 배치를 고려하여 설계를 진행하였다.
- 본 연구에서는 궤도형 이동구조를 이용하여 이동로봇 플랫폼을 개발하고자 한다. 에너지 소비 측면에서의 단점이 있기는 하지만, 여러 이동로봇의 이동구조 중 평지 및 야지, 험지에서도 주행이 가능한 장점이 있는 궤도형 이동구조를 이용하였다. 이동로봇의 구동 메커니즘을 설계하기 다음과 같은 조건을 고려하였다.
- 위의 수식을 이용하여 설계한 궤도차량로봇 플랫폼의 주행 안정각을 계산하였다. 표 1은 크기에 따른 무게중심의 위치와 주행 안정각의 값을 나타내고 있다.
- 위의 수식을 이용하여 설계한 궤도차량로봇 플랫폼의 측면 전복각을 계산하였다. 표 2는 크기에 따른 무게중심의 위치와 측면 전복각의 값을 나타내고 있다.
- 본 논문에서는 전기구동 궤도차량로봇 플랫폼 개발을 제안하였다. 제안하는 플랫폼을 설계 프로그램을 이용하여 바디플랫폼과 동력전달부품 등을 설계하였다. 시뮬레이션을 통해 설계의 적합성을 확인한 후 시제품을 제작하였다.
대상 데이터
- 또한 전고는 궤도 플랫폼만을 고려할 경우 궤도의 스프라킷의 크기와 비슷하게 설계되어 있다. 설계하고자 하는 무한궤도차량로봇은 전체 길이 1,250mm, 폭 1,110mm, 높이 300mm의 크기와 총중량 200Kg의 사양을 갖도록 설계하였다.
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4.2 구동부 부품 설계
설계하는 무한궤도차량은 전기구동방식으로 엔진과 트랜스액슬을 대신 BLDC모터와 기어, 동력전달을 위한 커플러로 구성되어 있다. 커플러는 모터축과 궤도 스프라킷의 축 사이에 위치하여 두 축의 뒤틀림에 의한 파손을 방지하여 시스템을 보호하기 위한 목적을 가진다.
- 3장에서 계산된 최대 안정등판각의 실험에 앞서 일상에서 쉽게 마주칠 수 있는 경사면에 대한 주행 실험을 먼저 실시하였다. 실험환경은 실내 15°와 야외 40°의 경사면 주행로로 구성하였다. 개발한 궤도차량로봇이 실내외의 평지와 경사면에서 주행이 가능함을 확인하였다.
- 그림 8은 궤도차량로봇의 실외 40°경사면 주행실험의 결과이다. 실험환경은 평지 10m의 경로와 바로 이어지는 10미터 길이의 경사면으로 구성되어 있다. 평지는 ±50mm 내외의 높이 차이가 존재하고 있다.
- 사용 목적과 형태에 따라 전장 900mm ~ 3,000mm, 전폭 600mm ~ 1,600mm의 차이를 보이고 있다. 조사한 9개의 제품의 평균 크기는 전장 2,151mm, 전폭 1,120mm 이다. 전장은 주행을 위한 궤도 플랫폼 이외의 다른 부품이 포함된 길이로 궤도 주행을 위한 바디는 대부분 전폭과 비슷한 크기를 갖고 있다.
- 좌우 궤도를 구동하기 위해 24V 1.5kW BLDC 모터를 각각 사용하였다. 모터는 1.
성능/효과
- 실내의 평탄한 경로를 주행하는 중 경사면을 진입하는 부분에 70mm 높이의 턱이 있다. 개발한 궤도차량로봇의 궤도의 반지름이 턱의 높이보다 크기 때문에 궤도차량로봇이 경사면에 진입하여 주행이 가능함을 확인하였다.
- 실험환경은 실내 15°와 야외 40°의 경사면 주행로로 구성하였다. 개발한 궤도차량로봇이 실내외의 평지와 경사면에서 주행이 가능함을 확인하였다.
- 시뮬레이션을 통해 설계의 적합성을 확인한 후 시제품을 제작하였다. 또한 실험을 통해 제작한 전기구동 궤도차량로봇 플랫폼이 구동이 가능함을 확인하였다. 향후과제로 설계조건의 최대 주행안정각과 최대 측면전복각에 대한 실험을 진행하고 주행안정각에 변화에 따른 전기구동 궤도차량로봇의 주행성능을 측정하여 제어알고리즘을 개선하고자 한다.
- 이동로봇의 구동 메커니즘을 설계하기 다음과 같은 조건을 고려하였다. 첫째, 이동로봇이 구동하게 될 실제 지역에서는 일부 예측하지 못하는 지형 조건에 의해 이동로봇 몸체가 전복되는 상황이 발생할 수도 있으므로 전복 발생 가능성을 줄일 수 있도록 설계한다. 시스템의 안정성을 위하여 무게중심은 낮추어 주행 안정각과 전복각을 확보한다.
- 평지는 ±50mm 내외의 높이 차이가 존재하고 있다. 초기 구동 시 잡초와 지면의 높이차에 의한 슬립현상이 발생하였지만 평지부터 경사면 끝까지 주행이 가능함을 확인하였다.
후속연구
- 또한 실험을 통해 제작한 전기구동 궤도차량로봇 플랫폼이 구동이 가능함을 확인하였다. 향후과제로 설계조건의 최대 주행안정각과 최대 측면전복각에 대한 실험을 진행하고 주행안정각에 변화에 따른 전기구동 궤도차량로봇의 주행성능을 측정하여 제어알고리즘을 개선하고자 한다.
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