[논문]다리 수 조절이 가능한 모듈러 크롤러의 설계 및 6족 로봇의 주행 성능 평가

임소정; 백상민; 이종은; 채수환; 유재관; 조용진; 조규진

doi:10.7746/jkros.2019.14.4.278

다리 수 조절이 가능한 모듈러 크롤러의 설계 및 6족 로봇의 주행 성능 평가
Modular Crawler with Adjustable Number of Legs and Performance Evaluation of Hexapod Robot 원문보기

로봇학회논문지 = The journal of Korea Robotics Society, v.14 no.4, 2019년, pp.278 - 284

임소정 (Mechanical and Aerospace Engineering, Seoul National University) , 백상민 (Mechanical and Aerospace Engineering, Seoul National University) , 이종은 (Mechanical and Aerospace Engineering, Seoul National University) , 채수환 (Mechanical and Aerospace Engineering, Seoul National University) , 유재관 (Unmanned) , 조용진 (Unmanned) , 조규진 (Mechanical and Aerospace Engineering and Institute of Advanced Machines and Design, Seoul National University)

Abstract ▼ AI-Helper

Legged locomotion has high mobility on irregular surfaces by touching the ground at discrete points. Inspired by the creature's legged locomotion, legged robots have been developed to explore unstructured environments. In this paper, we propose a modular crawler that can easily adjust the number of legs for adapting the environment that the robot should move. One module has a pair of legs, so the number of legs can be adjusted by changing the number of modules. All legs are driven by a single driving motor for simple and compact design, so the driving axle of each module is connected by the universal joint. Universal joints between modules enable the body flexion for steering or overcoming higher obstacles. A prototype of crawler with three modules is built and the driving performance and the effect of module lifting on the ability to overcome obstacles are demonstrated by the experiments.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 3개의 모듈을 연결하여 곤충의 삼각 보행을 모사한 크롤러를 보여주었다. 추후에는 더 다양한 수의 모듈을 연결하여 이동 특성을 파악하고 모듈의 숫자에 따른 로봇이 지나갈 수 있는 장애물을 파악하는 연구가 필요하다.
하나의 주행 모터로 모든 다리를 구동하면서 모듈 사이의 자유도를 주기 위해 모듈은 유니버설 조인트로 연결된다. 본 논문에서는 모듈러 크롤러의 컨셉을 제시하고, 3개의 모듈로 구성된 프로토타입을 보여준다. 제작된 크롤러의 주행 성능을 측정하고 모듈의 리프팅 각도에 따른 장애물 극복 능력을 실험을 통해 보이고자 한다.
본 논문에서는 이동해야 하는 지형이나 수행해야 하는 임무에 따라 다리 개수를 조절할 수 있는 모듈형 크롤러를 제안 하였다. 하나의 주행 모터로 모든 다리를 구동하며, 동축은 유니버설 조인트로 연결되어 위아래와 좌우 굽힘이 가능하다.
본 연구에서는 다리의 수를 쉽게 조절할 수 있어 다양한 환경에 맞춰 빠르게 적용할 수 있는 모듈러 크롤러를 제안한다. 모듈 에는 한 쌍의 다리가 있어 모듈 수를 조절하여 다리 수를 쉽게 바꿀 수 있다.
본 논문에서는 모듈러 크롤러의 컨셉을 제시하고, 3개의 모듈로 구성된 프로토타입을 보여준다. 제작된 크롤러의 주행 성능을 측정하고 모듈의 리프팅 각도에 따른 장애물 극복 능력을 실험을 통해 보이고자 한다.

제안 방법

첫 번째 모듈의 리프팅 각도에 따른 로봇이 극복할 수 있는 장애물의 높이를 측정하기 위한 실험을 진행하였다. 1 mm의아크릴판을 하나씩 쌓으면서 로봇이 올라갈 수 있는 장애물의 최대 높이를 측정하였다. 이 실험은 장애물 높이를 1 mm씩 올리며 장애물 극복 여부를 확인하는 것으로 로봇을 구동하여해당 높이의 장애물을 올라가면 성공하는 것으로 간주하였다.
양쪽 다리가 교차하며 지면에 닿도록 양쪽 크랭크는 180 도 위상 차이가 나게 설계되었다. 다리를 쉽게 교체할 수 있도록 입력 링크와 고정 피봇이 몸통과 탈부착이 되도록 하였다.
따라서 더 높은 장애물을 넘어가기 위해서 발 끝의 궤적을 높여야 한다. 발끝의 궤적을 높이기 위해 유니버설 조인트로 연결된 동축 사이의 각도를 바꿔 모듈을 위쪽으로 들어 올리는 리프팅 메커니즘을 설계하였다.
이 로봇은 하나의 주행 모터로 모든 다리를 구동하도록 설계되었다. [Fig.
1 mm의아크릴판을 하나씩 쌓으면서 로봇이 올라갈 수 있는 장애물의 최대 높이를 측정하였다. 이 실험은 장애물 높이를 1 mm씩 올리며 장애물 극복 여부를 확인하는 것으로 로봇을 구동하여해당 높이의 장애물을 올라가면 성공하는 것으로 간주하였다. 첫 번째 모듈의 동축과 두 번째 모듈의 동축이 이루는 각도를 0 도, 10 도, 20 도, 30 도로 두기 위해 식 (7)을 통해 계산한 리프팅 실의 길이가 14 mm, 9.
동축이 유니버설 조인트로 연결되어 위아래뿐만 아니라 좌우로도 움직일 수 있다. 이를 활용하여 방향 전환을 하기 위해 모듈을 좌우로 움직이게 하는 메커니즘을 설계하였다. 방향 전환 메커니즘은 로봇 전체를 감는 실과 구동 모터로 구성되어 있다.
제작된 로봇의 주행 성능을 파악하기 위해 직진 주행 속력, 회전 속력과 최소 회전 반경을 측정하였다. 충분한 마찰을 제공하기 위해 평평한 판에 사포를 붙여 그 위에서 주행을 시켰다.
충분한 마찰을 제공하기 위해 평평한 판에 사포를 붙여 그 위에서 주행을 시켰다. 주행 시 영상을 촬영하여 영상 분석으로 결과를 계산하였다. 직진 주행 속력은 300 mm를 주행하는 데 걸리는 시간으로 계산하였다.
첫 번째 모듈의 리프팅 각도에 따른 로봇이 극복할 수 있는 장애물의 높이를 측정하기 위한 실험을 진행하였다. 1 mm의아크릴판을 하나씩 쌓으면서 로봇이 올라갈 수 있는 장애물의 최대 높이를 측정하였다.
제작된 로봇의 주행 성능을 파악하기 위해 직진 주행 속력, 회전 속력과 최소 회전 반경을 측정하였다. 충분한 마찰을 제공하기 위해 평평한 판에 사포를 붙여 그 위에서 주행을 시켰다. 주행 시 영상을 촬영하여 영상 분석으로 결과를 계산하였다.
직진 주행 속력은 300 mm를 주행하는 데 걸리는 시간으로 계산하였다. 회전 속력과 회전 반경을 측정하기 위해서 로봇을 미리 왼쪽으로 구부려 놓고 한 바퀴 회전하도록 주행 시켰다.

대상 데이터

주행 모터는 Pololu의 30:1 Micro metal gearmotors HPCB 6V를 사용하였으며, 리프팅 모터와 방향 전환 모터는 디엔지위드의 감속기어모터 Ø6모터 LCP06-A03V-0700을 사용하였다.
7 V 170 mAh의 리튬 폴리머 배터리로 전원을 공급한다. 컨트롤 보드는 DFRobot의 DFRobot CurieNano를 사용하였다. 두 개의 모터드라이버(DFRobot의 Thumbnail Sized DC Motor Driver)를 사용하여 4개의 모터를 PWM 제어한다.
1 g이다. 크기는 길이 155 mm, 폭 50 mm, 높이 75 mm이다. 로봇은 3D 프린팅 파트들로 제작되었다.

성능/효과

하나의 주행 모터로 모든 다리를 구동하며, 동축은 유니버설 조인트로 연결되어 위아래와 좌우 굽힘이 가능하다. 모듈의 리프팅을 활용하면 더 높은 장애물을 극복할 수 있음을 실험을 통해 확인하였다.
제시된 모듈 컨셉은 모듈 수를 조절하는 것뿐만 아니라 하나의 모듈 내에서 동력부와 다리 부가 쉽게 연결과 분리가 가능하다. 앞으로 다리 링키지 최적화를 할 때 다양한 다리 설계에 대해 동일한 동력부를 사용하고 다리만 교체하여 쉽게 실험해볼 수 있다.

후속연구

더 나아가 크롤러의 모든 다리를 동일하게 하지 않고 다리 위치와 역할에 따라 적합한 형상과 궤적을 갖도록 할 때 동력부의 설계를 바꾸지 않고도 다양한 다리를 부착할 수 있다. 따라서 모듈 수를 바꾸는 것뿐만 아니라 다양한 다리 링키지를 갖는 로봇을 모듈러 컨셉으로 쉽게 구현하여 더 욱 다양한 형태의 로봇을 제작할 수 있을 것이다.
본 논문에서는 3개의 모듈을 연결하여 곤충의 삼각 보행을 모사한 크롤러를 보여주었다. 추후에는 더 다양한 수의 모듈을 연결하여 이동 특성을 파악하고 모듈의 숫자에 따른 로봇이 지나갈 수 있는 장애물을 파악하는 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	다리 형 운동의 장점은?	다리 형 운동(legged locomotion)은 다리 관절의 움직임으로 발 끝과 지면의 불연속적인 접촉을 만들어 이동한다. 이러한 방식은 균일하지 않은 표면에 쉽게 적응하여 움직일 수 있어 비정형 환경에서 이동성이 좋다. 인간이 접근하기 어려운 지역에서 정찰 및 수색 임무를 수행하기 위해서는 다양한 지형을 극복할 수 있어야 한다.
	다리 형 운동 원리는?	다리 형 운동(legged locomotion)은 다리 관절의 움직임으로 발 끝과 지면의 불연속적인 접촉을 만들어 이동한다. 이러한 방식은 균일하지 않은 표면에 쉽게 적응하여 움직일 수 있어 비정형 환경에서 이동성이 좋다.
	다리 수가 적으면 장점은?	다리 형 로봇은 다리 수에 따라 안정성, 속도, 무게 등이 다르 므로, 주어진 이동 환경과 임무에 적합한 다리 수를 선정해야 한다 [1] . 다리 수가 적으면 에너지 효율적인 보행을 하고 [2,3] , 쉽게 방향 전환을 할 수 있다 [4] . 따라서 고속 주행을 목적으로 하는 로봇 들이 개발되었다.

참고문헌 (14)

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D.-S. Kim, S.-P. Jung, and G.-P. Jung, "A Milli-Scale Hexapodal Robot using Planar Linkages," Journal of Korea Robotics Society, vol. 13, no. 2, pp. 97-102, 2018.

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L. T. Phan, Y. H. Lee, D. Y. Kim, H. Lee, and H. R. Choi, "Stable running with a two-segment compliant leg," Intelligent Service Robotics, vol. 10, no. 3, pp. 173-184, Jul., 2017.

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J. J. Chen, A. M. Peattie, K. Autumn, and R. J. Full, "Differential leg function in a sprawled-posture quadrupedal trotter," Journal of Experimental Biology, vol. 209, pp. 249-259, 2006.

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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