[논문]동역학 모델을 활용한 서비스용 지능형 로봇의 현가시스템 설계 최적화

최성훈; 박태원; 이수호; 정성필

문제 정의

로봇의 동역학 모델을 활용하여 현가장치 비적용 로봇과 적용 로봇의 요철이 포함된 지면에서의 구동 특성을 비교하였다. 또한, 요철 구간 통과 시 발생하는 수직 방향 가속도가 로봇에 주는 영향을 최소화하기 위하여 로봇 현가 시스템의 최적화를 수행하였다.
본 논문에서는 개발 중인 서비스용 지능형 로봇에 적용될 현가 시스템을 설계하였다. 로봇의 동역학 모델을 활용하여 현가장치 비적용 로봇과 적용 로봇의 요철이 포함된 지면에서의 구동 특성을 비교하였다.
본 논문에서는 현재 개발 중인 공공 기관 서비스용 지능형 로봇에 적용될 현가 시스템을 고유의 설계 조건들을 고려하여 설계하였다. 설계된 로봇 현가 시스템의 동역학 모델을 활용하여 현가장치 비적용 로봇과 적용 로봇의 요철 통과 해석을 수행하여 두 모델간의 거동 특성을 비교하고, 현가 시스템 적용을 통하여 운용 가능한 환경이 확대될 수 있음을 확인하였다.
앞서 서비스용 지능형 로봇의 동역학 모델의 요철 통과 해석을 통하여 현가 시스템 적용의 효과를 살펴보았다. 로봇은 사람이 탑승하지 않으므로 승차감이 필요치 않으나, 요철을 통과할 때에 현가 시스템 상부의 수직 가속도로 인하여 로봇의 정밀 구성 부품이 파손되거나, 기능에 문제를 일으킬 가능성이 있다.

제안 방법

설계된 로봇 현가 시스템의 동역학 모델을 활용하여 현가장치 비적용 로봇과 적용 로봇의 요철 통과 해석을 수행하여 두 모델간의 거동 특성을 비교하고, 현가 시스템 적용을 통하여 운용 가능한 환경이 확대될 수 있음을 확인하였다. 또한, 요철 구간 통과 시 발생하는 수직 방향 가속도가 상부 정밀 부품에 줄 수 있는 영향을 줄일 목적으로 로봇 현가 시스템에 대하여 설정 변수의 민감도 분석을 수행하고 최대수직가속도를 최소화시키기 위해 시스템을 최적화 하였다. 관련 연구를 통하여 서비스용 지능형 로봇의 현가 시스템과 프레임 설계에 관한 기반 기술을 축적하였으며, 향후 초기 개발 모델에 적용되어 실측 데이터를 통한보다 체계적인 연구가 수행될 수 있을 것이다.
본 논문에서는 개발 중인 서비스용 지능형 로봇에 적용될 현가 시스템을 설계하였다. 로봇의 동역학 모델을 활용하여 현가장치 비적용 로봇과 적용 로봇의 요철이 포함된 지면에서의 구동 특성을 비교하였다. 또한, 요철 구간 통과 시 발생하는 수직 방향 가속도가 로봇에 주는 영향을 최소화하기 위하여 로봇 현가 시스템의 최적화를 수행하였다.
2의 우측과 같이 구현하였다. 로봇의 주요 구성 부품들인 센서, 제어용 컴퓨터, 안내용 컴퓨터, 배터리, 알루미늄 프레임을 적용하였고, 현가 시스템의 각 부품과 로봇의 본체는 조인트로 서로 연결되었다. 현가장치가 적용되지 않은 경우 통과할 수 있는 5mm 요철(Fig.
로봇의 현재 위치를 감지하기 위해 지면으로부터 위치를 인식하는 방법이 본 로봇에 적용되었다. 위치를 인식하기 위해 위치 센서는 항시 지면으로부터 40mm이내의 거리에 위치해야한다.
로봇이 요철 통과 시 발생하는 수직가속도를 최소화 시킬 목적으로 각 설계 변수의 민감도 해석을 먼저 수행하였다. 민감도 해석에는 프라켓-버만 (Plackett-Burmann) 기법이 사용되었다.
개발 중인 지능형 로봇은 로봇의 상부에 터치스크린을 통해 다양한 정보를 실시간으로 제공하며, 방문객이 원할 경우 특정 장소까지 로봇이 직접 안내할 수 있도록 고안되었다. 무선 네트워킹을 통하여 실시간으로 업데이트된 정보를 제공하며, 또한 상부에 설치된 CCD 카메라를 통하여 통제실에서 주변 상황을 살펴볼 수 있다. 기본적으로 전방 지형 감지를 위하여 레이저 스캐너를 사용하고 2차적으로 초음파 센서를 통하여 전 방위 장애물 감지가 가능하다.
상용 동역학 해석 프로그램인 ADAMS를 이용하여 서비스용 지능형 로봇의 동역학 모델을 Fig. 2의 우측과 같이 구현하였다. 로봇의 주요 구성 부품들인 센서, 제어용 컴퓨터, 안내용 컴퓨터, 배터리, 알루미늄 프레임을 적용하였고, 현가 시스템의 각 부품과 로봇의 본체는 조인트로 서로 연결되었다.
선정된 설계 변수 간의 교호 작용을 무시하고 6개의 설계 변수에 대하여 PB-12run Table을 이용하여 현가장치가 적용된 로봇의 동역학 모델에 대하여 100mm/sec의 속도에서 5mm 요철 통과 해석을 수행하고 최대 수직가속도를 측정하였다. 민감도 해석 결과는 식(1)과 같으며 이를 Fig.
설정된 설계 변수가 동역학 모델에서도 유효한 값인지를 확인하기 위해 동일한 요철 통과 해석을 수행하였다. Fig.
1과 같다. 전, 후방 보조 바퀴 각각에는 수직 방향의 단순 현가장치를 적용하고, 중앙의 좌, 우측 구동 바퀴는 하나의 차축으로 묶어 일체형 차축 현가장치를 적용하였다. 일체형 차축 중앙부에는 본래의 위치에 위치 인식 센서를 설치하여 본체 상부의 현가 작용과는 상관없이 지면과 일정한 거리를 유지하도록 설정하였다.
총 5개의 설계 변수 중 X₁, X₂, X₆을 최적화 설계인자로 결정하여 중심 합성 실험 계획표에 따라 아래의 Table 2와 같이 각 수준을 설정하고 최적화를 위한 실험을 실시하였다.
로봇의 주요 구성 부품들인 센서, 제어용 컴퓨터, 안내용 컴퓨터, 배터리, 알루미늄 프레임을 적용하였고, 현가 시스템의 각 부품과 로봇의 본체는 조인트로 서로 연결되었다. 현가장치가 적용되지 않은 경우 통과할 수 있는 5mm 요철(Fig. 3의 Bump A)에 대하여 현가장치가 적용된 로봇 모델과 적용되지 않은 모델을 실제 운용 속도인 100mm/sec의 속도로 통과시켜, 그 거동의 차이를 비교하였다. 해석에 적용된 요철은 기본적으로 로봇이 건물 내에서 가장 흔하게 접하게 되는 작은 문턱을 고려하였으며, 그 형상은 Fig.

대상 데이터

3의 Bump A)에 대하여 현가장치가 적용된 로봇 모델과 적용되지 않은 모델을 실제 운용 속도인 100mm/sec의 속도로 통과시켜, 그 거동의 차이를 비교하였다. 해석에 적용된 요철은 기본적으로 로봇이 건물 내에서 가장 흔하게 접하게 되는 작은 문턱을 고려하였으며, 그 형상은 Fig.3 과 같다.

이론/모형

로봇이 요철 통과 시 발생하는 수직가속도를 최소화 시킬 목적으로 각 설계 변수의 민감도 해석을 먼저 수행하였다. 민감도 해석에는 프라켓-버만 (Plackett-Burmann) 기법이 사용되었다.

성능/효과

Table 3는 실험 계획에 따른 로봇 모델의 요철통과 해석 결과를 보여준다. 가속도 최대값은 주로 주 바퀴가 요철을 통과한 후 후방 보조바퀴가 지면에 접지할 때에 나타나는 것으로 나타났다. 실험 결과에 따른 최적화 과정을 통하여 추정된 회귀 모형 함수는 식(2)와 같다.
로봇에 현가 시스템을 적용함으로써 문턱 등의 요철이 있는 환경에서 운용이 가능하게 되어 기존의 평지 위주로 운영이 국한되었던 점을 개선할 수 있다. 추가적으로 지면으로부터 상부의 전자 기기에 진동이 미치는 영향을 줄일 수 있다.
01)보다 크므로 유의 수준 1%한도 내에서 추정된 회귀 모형 함수가 신뢰성을 갖는 것을 알 수 있다. 설계 구속 조건과 현가 시스템에 적용 가능한 사양을 고려한 설계 변수를 Matlab이 제공하는 최적화 도구 중 SQP(Sequential quadratic programming)을 활용하여 최적화한 결과, 변수의 설정 범위 내에서 K_main, K_front는 그 값이 클수록, C_rear는 그 값이 작을수록 최대 수직 가속도를 최소화시킬 수 있는 것으로 나타났다. 그 결과는 Table 5와 같다.
본 논문에서는 현재 개발 중인 공공 기관 서비스용 지능형 로봇에 적용될 현가 시스템을 고유의 설계 조건들을 고려하여 설계하였다. 설계된 로봇 현가 시스템의 동역학 모델을 활용하여 현가장치 비적용 로봇과 적용 로봇의 요철 통과 해석을 수행하여 두 모델간의 거동 특성을 비교하고, 현가 시스템 적용을 통하여 운용 가능한 환경이 확대될 수 있음을 확인하였다. 또한, 요철 구간 통과 시 발생하는 수직 방향 가속도가 상부 정밀 부품에 줄 수 있는 영향을 줄일 목적으로 로봇 현가 시스템에 대하여 설정 변수의 민감도 분석을 수행하고 최대수직가속도를 최소화시키기 위해 시스템을 최적화 하였다.
요철 통과 해석을 통하여 지능형 서비스 로봇에 현가장치가 적용될 경우, 로봇의 구성부품에 가해질 수 있는 수직가속도를 줄일 수 있음을 알 수 있고, 현가장치가 적용된 모델이 현가장치 비적용 모델이 운용될 수 없는 일정 높이 이상의 요철이 포함된 환경에서도 활용될 수 있음을 확인할 수 있다. 하지만 현가장치의 적용으로 인해 피치 각이나 요철 통과 후의 안정화 시간이 증가하는 단점이 나타나는 것을 확인 할 수 있다.

후속연구

또한, 요철 구간 통과 시 발생하는 수직 방향 가속도가 상부 정밀 부품에 줄 수 있는 영향을 줄일 목적으로 로봇 현가 시스템에 대하여 설정 변수의 민감도 분석을 수행하고 최대수직가속도를 최소화시키기 위해 시스템을 최적화 하였다. 관련 연구를 통하여 서비스용 지능형 로봇의 현가 시스템과 프레임 설계에 관한 기반 기술을 축적하였으며, 향후 초기 개발 모델에 적용되어 실측 데이터를 통한보다 체계적인 연구가 수행될 수 있을 것이다. 또한, 로봇 본체에 가해지는 수직가속도 뿐만 아니라 로봇의 자율 주행 시 발생할 다양한 상황에서의 거동 특성을 파악하고, 이때에 로봇이 주변의 사용자들에게 가할 수 있는 위해를 회피하거나 최소화하기 위한 기계적인 메커니즘 개발 및 전자제어를 위한 연구가 수행될 수 있을 것이라 생각된다.
로봇은 사람이 탑승하지 않으므로 승차감이 필요치 않으나, 요철을 통과할 때에 현가 시스템 상부의 수직 가속도로 인하여 로봇의 정밀 구성 부품이 파손되거나, 기능에 문제를 일으킬 가능성이 있다. 따라서 본 로봇의 현가 시스템에서는 요철을 통과 시 발생하는 수직가속도의 크기를 감소시킬 필요가 있다. 이를 위하여 동역학 해석 과정에서 주 바퀴 및 보조 바퀴에 설계 범위 내에서 설정된 현가 시스템의 탄성 계수 및 감쇠 계수가 적절한 값으로 선정되어야 한다.
관련 연구를 통하여 서비스용 지능형 로봇의 현가 시스템과 프레임 설계에 관한 기반 기술을 축적하였으며, 향후 초기 개발 모델에 적용되어 실측 데이터를 통한보다 체계적인 연구가 수행될 수 있을 것이다. 또한, 로봇 본체에 가해지는 수직가속도 뿐만 아니라 로봇의 자율 주행 시 발생할 다양한 상황에서의 거동 특성을 파악하고, 이때에 로봇이 주변의 사용자들에게 가할 수 있는 위해를 회피하거나 최소화하기 위한 기계적인 메커니즘 개발 및 전자제어를 위한 연구가 수행될 수 있을 것이라 생각된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지능형 로봇이란 무엇인가?	최근 공공 기관을 중심으로 방문객들에게 다양한 편의를 제공하기 위한 서비스용 지능형 로봇의 활용이 늘어나고 있다. 지능형 로봇이란 주위의 환경을 인식하고 이를 바탕으로 상황을 판단하여 동작하며, 인간과 상호작용을 하는 로봇을 말한다. 주로 지정된 장소를 이동하여 서비스를 제공하며 최근에는 무선 네트워킹을 이용하여 실시간 서비스 제공 및 서비스 지역의 모니터링이 가능한 로봇들이 개발되어 시범적으로 운용되고 있다.
	지정된 장소에서 활용되는 서비스용 지능형 로봇의 핵심기능은 무엇인가?	일반적으로 지정된 장소에서 활용되는 서비스용 지능형 로봇은 핵심 기능인 자율 주행 중의 안정성과 서비스 제공을 위하여 지속적으로 로봇의 위치를 파악할 필요가 있다. 이를 위해 다양한 방법이 연구 중이며 활용되고 있다.
	어떤 기능을 하는 지능형 로봇이 개발되어 시범적으로 운용되고 있는가?	지능형 로봇이란 주위의 환경을 인식하고 이를 바탕으로 상황을 판단하여 동작하며, 인간과 상호작용을 하는 로봇을 말한다. 주로 지정된 장소를 이동하여 서비스를 제공하며 최근에는 무선 네트워킹을 이용하여 실시간 서비스 제공 및 서비스 지역의 모니터링이 가능한 로봇들이 개발되어 시범적으로 운용되고 있다.

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