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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 월면과 지구 지반에서의 휠의 주행성능의 차이를 평가하고 지반 물성치가 미치는 영향을 확인하기 위하여, 한국건설기술연구원에서 제작한 한국형 인공월면토와 국내 대표 사질토인 주문진 표준사를 이용하여 실험을 수행하였다. 또한, 개발된 한국형 인공월면토에서 자동차부품연구원에서 개발중인 한국형 달탐사 로버 휠 기본 형상을 바탕으로 그라우저의 높이 변화에 따른 휠의 추진 성능을 비교하여, 추후 국내 달탐사 연구에서 로버 휠의 최적 형상 도출 연구에 기초 자료를 제공하고자 하였다.
- 따라서 본 연구에서는 월면과 지구 지반에서의 휠의 주행성능의 차이를 평가하고 지반 물성치가 미치는 영향을 확인하기 위하여, 한국건설기술연구원에서 제작한 한국형 인공월면토와 국내 대표 사질토인 주문진 표준사를 이용하여 실험을 수행하였다. 또한, 개발된 한국형 인공월면토에서 자동차부품연구원에서 개발중인 한국형 달탐사 로버 휠 기본 형상을 바탕으로 그라우저의 높이 변화에 따른 휠의 추진 성능을 비교하여, 추후 국내 달탐사 연구에서 로버 휠의 최적 형상 도출 연구에 기초 자료를 제공하고자 하였다.
- 본 연구에서는, 개발된 단일 휠 실험장비를 이용하여 지반조건 및 휠 형상에 따른 달탐사 로버 휠의 주행성능을 평가하였다. 지반조건과 휠의 형상에 따라 슬립율을 변화시키면서 토크, 견인력 및 침하량 을 측정하여 각 조건별로 휠의 주행성능을 비교하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 슬립율은 Eq. (4)에 나타낸 것처럼 휠의 각속도와 실제 주행속도의 함수로 정의할 수 있으며, 본 연구의 실험시 휠의 주행속도, 즉 상부 주행 모터의 속도는 10mm/s로 유지하고 휠의 각속도를 변화시켜 슬립율을 0.1부터0.4 까지 변경시켰다. 또한, 실험시 휠에 작용하는 연직하중은 현재 국내에서 개발중인 달 탐사 로버의 목표 중량을 약 20kgf로 정하고 있으므로 한 개의 휠이 받는 하중을 고려하여 6kgf으로 유지하였다.
- 지반조건에 따른 로버 휠의 주행 성능 평가를 위해 Table 4와 같이 높이 15mm, 간격은 36°, 두께 3mm인 그라우저가 장착된 휠(Fig. 2(c))을 이용하여 KLS-1과 주문진 표준사 지반에서 실험을 수행하였다.
- 실험시 지반의 상대밀도가 일정하게 유지될 수 있도록 지반을 4개 층으로 나누어 조성하였다. 견인력, 토크, 침하는 시간독립적인 변수로 고려하였으며, 한 케이스의 실험이 종료된 후, 슬립율을 변경하여 실험을 반복하였다. 또한 각 실험 결과의 신뢰도를 확보하기 위하여 각 실험 조건별로 최소 3번 이상의 실험을 수행하였다.
- 이러한 경향은 특히 높은 슬립율 조건에서 더욱 뚜렷이 나타났는데, 이는 슬립율이 큰 경우 시간에 따라 침하가 많이 발생하여 견인력이 감소하기 때문이다. 따라서, 본 연구에서는 Apostolopoulos (2003) 의 연구에서와 같이 상대적으로 명확한 비교를 위하여 발생한 견인력의 최대값을 이용하여 연구를 수행하였다.
- 견인력, 토크, 침하는 시간독립적인 변수로 고려하였으며, 한 케이스의 실험이 종료된 후, 슬립율을 변경하여 실험을 반복하였다. 또한 각 실험 결과의 신뢰도를 확보하기 위하여 각 실험 조건별로 최소 3번 이상의 실험을 수행하였다. Table 3와 Table 4에 각각 실험에 사용한 휠의 형상과 실험 조건을 정리하였다.
- 4 까지 변경시켰다. 또한, 실험시 휠에 작용하는 연직하중은 현재 국내에서 개발중인 달 탐사 로버의 목표 중량을 약 20kgf로 정하고 있으므로 한 개의 휠이 받는 하중을 고려하여 6kgf으로 유지하였다.
- 우주개발 선진국에서는 서로 다른 달 탐사 임무를 수행하기 위하여 다양한 종류의 달탐사 로버가 개발되어 사용되고 있다. 러시아, 미국, 중국에서 각각 루노호트(Lunokhod), LRV (Lunar Rover Vehicle), 위투(Yutu)라는 이름의 탐사 로버를 이용하여 달탐사 프로젝트를 수행하였다. 루노호트의 총 중량은 2.
- 본 연구에서는 휠의 주행성능을 실험적으로 평가하기 위하여, 2.2 절에서 설명한 바와 같이 슬립율에 따른 견인력, 토크, 그리고 침하를 측정하여 각 조건별로 결과를 비교하였다. 실험 조건은 Wang and Han (2016)의 선행연구를 참고하여 결정하였다.
- 휠의 직경 및 폭은 자동차부품연구원(Korea Automotive Technology Institute)에서 한국형 달탐사 로버 개발 연구를 통해 제안한 크기를 바탕으로 결정하였다(Wang and Han, 2016). 실제 휠의 무게는 달탐사 로버 개발시에 중요한 인자이나 본 연구에서는 휠의 형상에 따른 주행 성능을 파악하고자 하였기 때문에 자동차부품연구원의 휠 재질과는 다른 재질로 제작하였다.
- 실험시 지반의 상대밀도가 일정하게 유지될 수 있도록 지반을 4개 층으로 나누어 조성하였다. 견인력, 토크, 침하는 시간독립적인 변수로 고려하였으며, 한 케이스의 실험이 종료된 후, 슬립율을 변경하여 실험을 반복하였다.
- 본 연구에서는, 개발된 단일 휠 실험장비를 이용하여 지반조건 및 휠 형상에 따른 달탐사 로버 휠의 주행성능을 평가하였다. 지반조건과 휠의 형상에 따라 슬립율을 변화시키면서 토크, 견인력 및 침하량 을 측정하여 각 조건별로 휠의 주행성능을 비교하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 휠 형상에 따른 로버 휠의 주행 성능 평가를 위해 Table 3 및 Table 4와 같이 그라우저의 높이를 변화시켜 KLS-1 지반에서 실험을 수행하였다.
대상 데이터
- (2015)이 제작한 한국형 인공월면토(이하, KLS-1) 및 주문진 표준사를 이용하여 실험을 수행하였다. KLS-1의 원재료는 강원도 철원의 현무암이며, 지반물성치는 직접전단실험, 체분석실험, 비중실험 등 다수의 실내실험을 통해 측정하였다. 측정 결과 KLS-1의 물성치는 시판되는 여타의 인공월면토 뿐만 아니라 실제 월면토의 특성과 유사한 것으로 나타났다(Ryu et al.
- 그라우저의 두께는 3mm, 간격은 36°로 총 16개의 그라우저가 부착되었다.
- 러시아, 미국, 중국에서 각각 루노호트(Lunokhod), LRV (Lunar Rover Vehicle), 위투(Yutu)라는 이름의 탐사 로버를 이용하여 달탐사 프로젝트를 수행하였다. 루노호트의 총 중량은 2.7kg이고, 휠의 직경과 폭은 각각 51cm, 20cm이다. 휠과 그라우저의 재질은 티타늄, 스파이크의 재질은 강철로 제작되었다.
- 본 연구에서는 Fig. 3에 나타낸 것과 같이 세 종류의 원형 휠을 사용하여 실험을 수행하였다. 휠의 재질은 고강도 알루미늄으로 제작하였으며, 휠 직경 및 폭은 각각 170mm, 80mm 이다.
- 실험에 사용되는 토조의 크기는 2000mm × 600mm × 500mm이며, 휠 성능 평가 실험장비는 주행모터와 바퀴모터, LVDT, 반력시스템, 토크센서 그리고 로드셀로 구성되어 있다.
- 지반조건이 로버 휠의 주행성능에 미치는 영향으로 조사하기 위하여, Ryu et al. (2015)이 제작한 한국형 인공월면토(이하, KLS-1) 및 주문진 표준사를 이용하여 실험을 수행하였다. KLS-1의 원재료는 강원도 철원의 현무암이며, 지반물성치는 직접전단실험, 체분석실험, 비중실험 등 다수의 실내실험을 통해 측정하였다.
- 7kg이고, 휠의 직경과 폭은 각각 51cm, 20cm이다. 휠과 그라우저의 재질은 티타늄, 스파이크의 재질은 강철로 제작되었다. LRV는 4휠 로버로, 직경과 폭은 각각 81cm, 23cm이다.
- 3에 나타낸 것과 같이 세 종류의 원형 휠을 사용하여 실험을 수행하였다. 휠의 재질은 고강도 알루미늄으로 제작하였으며, 휠 직경 및 폭은 각각 170mm, 80mm 이다. 휠의 직경 및 폭은 자동차부품연구원(Korea Automotive Technology Institute)에서 한국형 달탐사 로버 개발 연구를 통해 제안한 크기를 바탕으로 결정하였다(Wang and Han, 2016).
이론/모형
- 본 연구에서는 Fig. 4와 같이 한국건설기술연구원에서 제작한 단일 휠 성능 평가 실험장비를 이용하여 실험을 수행하였다(Wang and Han, 2016). 본 실험장비의 성능은 Wang and Han (2016)의 선행연구에서 검증 결과를 제시한 바 있다.
- 6는 각 지반 조건에서 시간에 따른 견인력을 나타낸 결과이다. 슬립율에 따른 명확한 결과 비교를 위해 변화량이 큰 측정데이터에 대해 smoothing method 중 average filter를 이용하여 Fig. 6와 같이 표현하였다(Wang and Han, 2016). 실험 결과 KLS-1과 주문진 표준사 지반 모두에서 슬립율이 증가함에 따라 견인력 역시 증가하는 경향을 보였으며, 최대 견인력을 비교한 결과 KLS-1에서는 약 17N, 주문진 표준사에서는 약 8N으로 KLS-1에서 약 두 배 정도 최대 견인력이 크게 발생한 것을 확인할 수 있었다.
- 2 절에서 설명한 바와 같이 슬립율에 따른 견인력, 토크, 그리고 침하를 측정하여 각 조건별로 결과를 비교하였다. 실험 조건은 Wang and Han (2016)의 선행연구를 참고하여 결정하였다. 슬립율은 Eq.
- 휠과 지반 사이의 접촉면에서 발생하는 전단거동특성은 Janosi 전단모델(Janosi, 1961)을 통해 평가할 수 있다. 이 모델에 따르면 흙과 휠 사이의 접촉면의 전단응력은 다음과 같이 나타낸다.
- 휠의 재질은 고강도 알루미늄으로 제작하였으며, 휠 직경 및 폭은 각각 170mm, 80mm 이다. 휠의 직경 및 폭은 자동차부품연구원(Korea Automotive Technology Institute)에서 한국형 달탐사 로버 개발 연구를 통해 제안한 크기를 바탕으로 결정하였다(Wang and Han, 2016). 실제 휠의 무게는 달탐사 로버 개발시에 중요한 인자이나 본 연구에서는 휠의 형상에 따른 주행 성능을 파악하고자 하였기 때문에 자동차부품연구원의 휠 재질과는 다른 재질로 제작하였다.
성능/효과
- (1) 주문진 표준사와 한국형 인공월면토 위에서 휠의 주행성능을 평가한 결과 점착력과 마찰각과 같은 지반물성치가 휠의 주행 성능에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 점착력의 영향으로 주문진 표준사에 비해 한국형 인공월면토에서 토크와 견인력으로 표현되는 휠의 주행성능이 우수하였으며, 침하량 또한 역시 주문진 표준사에 비해 한국형 인공월면토에서 작게 발생하였다.
- (2) 휠 그라우저의 높이를 변화시켜 휠 형상에 따른 주행성능을 평가한 결과, 그라우저 높이가 증가할수록 전반적으로 휠의 견인 성능이 증가하였으나, 그라우저 높이가 한계 높이에 도달하면 운동 저항력과 에너지손실이 증가하여 견인력이 감소할 수 있는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 그라우저 높이가 10mm인 휠이 15mm인 휠 보다 주행성능이 우수한 것으로 나타났다.
- (3) 실험 결과 슬립율 0.2까지 휠의 견인력과 토크가 급격히 증가하였으며, 이후 휠의 토크는 유지 또는 약간 증가되었고, 휠의 견인력은 전반적으로 슬립율 0.2 이전에 비해 증가율이 점차 감소하는 경향을 나타냈다. 따라서 추후 월면 지반 조건에서 슬립율에 따른 로버 휠의 견인 효율과 토크로 표현되는 에너지 효율을 종합적으로 평가하여 휠의 최적 슬립율 및 속도를 도출할 필요가 있을 것으로 판단된다.
- Fig. 10(a)에 나타낸 토크의 경우, 그라우저가 있는 휠에서의 토크가 그라우저가 없는 휠에서의 토크보다 크게 측정되었으며, 그라우저 높이가 길 경우에 토크가 더 크게 측정되었다. 이러한 경향은 슬립율이 0.
- 4까지 지반 표면에서의 휠의 자취를 보여주고 있다. Fig. 5를 보면 KLS-1과 주문진 표준사 지반에서 상대밀도가 동일하게 조성되었음에도 불구하고, 그라우저에 의한 휠 자취 간격이 주문진 표준사보다 KLS-1에서 더 좁게 나타났다. KLS-1에서 휠이 지나간 부분의 흙이 주문진 표준사보다 더 응집되었으며, 또한 슬립율이 0.
- 5를 보면 KLS-1과 주문진 표준사 지반에서 상대밀도가 동일하게 조성되었음에도 불구하고, 그라우저에 의한 휠 자취 간격이 주문진 표준사보다 KLS-1에서 더 좁게 나타났다. KLS-1에서 휠이 지나간 부분의 흙이 주문진 표준사보다 더 응집되었으며, 또한 슬립율이 0.1에서 0.4로 증가함에 따라 흙이 더욱 응집되는 현상이 나타나 휠 자취의 간격이 좁아지는 것을 확인할 수 있었다. Fig.
- (2) 휠 그라우저의 높이를 변화시켜 휠 형상에 따른 주행성능을 평가한 결과, 그라우저 높이가 증가할수록 전반적으로 휠의 견인 성능이 증가하였으나, 그라우저 높이가 한계 높이에 도달하면 운동 저항력과 에너지손실이 증가하여 견인력이 감소할 수 있는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서는 그라우저 높이가 10mm인 휠이 15mm인 휠 보다 주행성능이 우수한 것으로 나타났다.
- 6°로 측정되었으며, 주문진 표준사의 경우 점착력과 마찰각이 각각 0kPa, 37°로 측정되었다. 따라서, KLS-1의 상대적으로 큰 점착력과 마찰각으로 인해 휠의 견인력이 우수한 것으로 나타났다. 또한, Fig.
- 본 실험에서는 휠의 자중이 동일하므로 휠의 견인효율은 견인력에 의해 좌우된다(Bekker and Butterworth, 1965). 따라서, 견인력이 최대가 되면서 토크와 침하가 상대적으로 유사한 그라우저 최적 높이가 있을 것으로 판단되며, 이러한 이유로 본 연구에서는 그라우저 높이가 15mm인 경우에 비해 그라우저 높이가 10mm 인 휠의 견인 효율이 더 우수한 것으로 나타났다. 향후 추가적인 매개변수 연구 및 수치해석적 연구를 통해 한국형 달 탐사 로버에 적합한 최적 휠의 형상을 결정할 필요가 있다.
- 4에서는 주문진 표준사에서의 토크와 견인력이 크게 감소하여 KLS-1에서의 결과의 절반 수준으로 감소하였다. 또한, 침하량의 경우 주문진 표준사 조건에서 크게 감소한 것을 확인할 수 있었다. 이는 주문진 표준사 조건에서 슬립율이 커짐에 따라 점착력이 없는 주문진 표준사 지반에서 그라우저에 의한 지반교란이 심해져서 휠의 주행성능 자체가 크게 감소하였기 때문으로 판단된다.
- 또한, 휠 형상 변화에 따른 실험 결과에서 모두 슬립율이 증가함에 따라 토크, 견인력, 침하량 모두 증가하는 경향을 나타내었다. 그러나 지반조건이 주문진 표준사일 경우 슬립율 0.
- 3 이하인 경우에는 KLS-1에서의 침하가 주문진 표준사에서의 결과보다 작게 발생하였다. 반면, 토크와 견인력은 KLS-1 조건에서 더 크게 발생하였으며, 슬립율 0.3일 때 견인력은 약 24%, 토크는 약 21%의 차이가 발생하였다. 이러한 결과 역시 휠과 지반접촉면 사이의 전단력에 영향을 미치는 점착력과 마찰각에 기인하는 것으로 판단된다.
- 3 이하일 때 보다 확실하게 나타났다. 슬립율이 0.3일 때, 그라우저 높이가 15mm일 때의 토크가 그라우저 높이가 10mm일 때보다 약 33% 크게 측정되었다. 그러나 슬립율이 0.
- 10(b)에 보여주고 있는 견인력의 경우, 그라우저의 유무에 따라 견인력의 차이는 확실하게 발생하였으나, 그라우저 높이에 따른 영향이 크지 않았다. 슬립율이 0.3일 때, 그라우저가 없는 경우, 그라우저 높이가 10mm 및 15mm인 경우의 견인력 은 각각 3.7N, 13.7N 및 15.1N로 그라우저 유무에 따라 최대 4배 정도 까지 차이가 발생하는 것으로 측정되었다. 그러나, 그라우저 높이에 따른 영향은 크지 않아 견인력이 비슷한 경향으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
- 6와 같이 표현하였다(Wang and Han, 2016). 실험 결과 KLS-1과 주문진 표준사 지반 모두에서 슬립율이 증가함에 따라 견인력 역시 증가하는 경향을 보였으며, 최대 견인력을 비교한 결과 KLS-1에서는 약 17N, 주문진 표준사에서는 약 8N으로 KLS-1에서 약 두 배 정도 최대 견인력이 크게 발생한 것을 확인할 수 있었다. Eq.
- 위의 결과를 정리하면, 그라우저가 휠의 주행성능에 크게 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 휠이 월면토 위에서 주행할 때, 그라우저가 흙에 근입되었다가 나오는 과정에서 휠-지반 접촉면의 전단력을 증가시킨다.
- (2011)은 실험과 수치해석을 통해 인공월면토의 물성치가 휠의 침하와 저항에 영향을 미치는 것을 확인한 바 있다. 이 연구에서는 휠-지반 상호작용이 지반물성치에 영향을 받으며, 로버가 월면 위를 지나갈 때 침하와 전단력을 유발하는 것을 확인하였다. Bekker (1960)는 연약한 지형에서 휠의 압력-침하 공식을 제안하였으며, Janosi et al.
- (1) 주문진 표준사와 한국형 인공월면토 위에서 휠의 주행성능을 평가한 결과 점착력과 마찰각과 같은 지반물성치가 휠의 주행 성능에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 점착력의 영향으로 주문진 표준사에 비해 한국형 인공월면토에서 토크와 견인력으로 표현되는 휠의 주행성능이 우수하였으며, 침하량 또한 역시 주문진 표준사에 비해 한국형 인공월면토에서 작게 발생하였다.
- 3 이상일 때에는 그라우저 높이에 따른 영향이 줄어 침하가 비슷하게 발생하였다. 최대 침하는 그라우저 유무에 따라 최대 65% 이상 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 반면, Fig.
후속연구
- 또한, 휠 형상 변화에 따른 실험 결과에서 모두 슬립율이 증가함에 따라 토크, 견인력, 침하량 모두 증가하는 경향을 나타내었다. 그러나 지반조건이 주문진 표준사일 경우 슬립율 0.3까지는 증가하다가 이후 감소하는 현상이 나타났으므로, 추후 달 탐사 로버 휠의 침하와 에너지손실을 최소화하면서 최고 견인 효율을 보이는 최적 슬립율 도출에 대한 연구도 필요할 것으로 판단된다.
- 2 이전에 비해 증가율이 점차 감소하는 경향을 나타냈다. 따라서 추후 월면 지반 조건에서 슬립율에 따른 로버 휠의 견인 효율과 토크로 표현되는 에너지 효율을 종합적으로 평가하여 휠의 최적 슬립율 및 속도를 도출할 필요가 있을 것으로 판단된다.
- 따라서, 견인력이 최대가 되면서 토크와 침하가 상대적으로 유사한 그라우저 최적 높이가 있을 것으로 판단되며, 이러한 이유로 본 연구에서는 그라우저 높이가 15mm인 경우에 비해 그라우저 높이가 10mm 인 휠의 견인 효율이 더 우수한 것으로 나타났다. 향후 추가적인 매개변수 연구 및 수치해석적 연구를 통해 한국형 달 탐사 로버에 적합한 최적 휠의 형상을 결정할 필요가 있다.
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