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문제 정의
- 이상적인 보행 곡선은 발을 들어올리는 스윙 단계에서 다리가 부드럽게 움직이며, 발이 땅에 닿는 단계에서는 수평에 가까운 선이 추적된다.[4] 본 연구에서는 설계조건에 의해 결정되는 일부 링크길이(크랭크 축)를 고정하고 이상적인 보행 곡선을 목표로 속도가 빠르고, 안정적인 보행 로봇 다리 설계를 하고자 한다. 따라서 지면과 접촉하는 부분에 대한 동작 분석과 이러한 조건에 따른 기구학적 해석이 필요하다.
- V-rep에서 궤적의 Z축 변화를 확인할 수 있으며, 이는 보폭의 높낮이라 할 수 있다. 보폭의 높낮이는 센서가 색을 인식하는 거리와 관련 있으므로 낮을수록 유리하다 판단하고자 한다. 3D로 걸어가는 형상이 흔들리며 불안정한 주행양상이 나타났다.
- 본 연구는 EDISON에서 제공하는 소프트웨어 등 다양한 프로그램을 활용하여 테오얀센 메커니즘이 적용된 보행 로봇의 최적화를 진행하였다. 과학상자의 비스트레이서를 기본 비교군으로 설정하여, 궤적, GL, GAC 등의 값의 비교를 통해 최종 모델을 제안하는 방식으로 최적화를 입증하고자 하였다.
- 본 연구는 아두이노 호환보드를 활용한 특정색의 선을 따라 자율 주행하는 얀센 메커니즘 기반의 보행 기구 설계를 주제로, 이 보행기구를 다양한 소프트웨어를 활용하여 속도가 빠르면서 안정적으로 주행하도록 최적 설계하는 것을 목표로 한다.
- 본 연구는 주어진 적외선 센서를 활용하여 라인 트레이싱 하는 것이 목표이다. 라인 트레이싱의 기본 알고리즘은 다음과 같다(Figure 27).
제안 방법
- 다리형상은 Sketcher를 통한 2d 설계 후, part design으로 3d 형상의 다리 설계하는 작업 순으로 진행하였다. EdisonDesiner용 과학상자 모델링 라이브러리를 활용하여 볼트 및 너트를 포함한 다리 상세 설계를 수행하였다.
- 최종적으로 다리 길이의 최적화 하기 위해 JansenOptsolver 프로그램에 위의 다리 길이를 적용하였다. Input data에 구동부 설계 결과를 통해 정해진 Boundary condition을 적용하기 위해, 해당 joint의 x방향과 y방향의 movelimit을 0으로 설정하였다. 그 외의 모든 길이 값은 LIMIT를 충분히 주어 길이 조정이 가능하도록하였다.
- 이러한 경향성을 볼 때 JansenOptsolver를 적용하기 전 최종 길이 값은 충분히 최적화가 되었다고 할 수 있다. JansenOptsolver를 통해 얻은 데이터 중무게를 고려하여 LENGTH가 가장 작은 값을 최종적인 값으로 결정하였다(Figure 19).
- m.Sketch 소프트웨어를 활용하여 테오얀센 메커니즘 형상을 그리고 길이를 변경하는 작업을 반복하여 최적의 궤적, GL, GAC를 갖는 다리 길이를 선정하였다. 이 때, 구동부 설계를 통해 link AC=25.
- m.Sketch를 활용하여 2D상에서 궤적, GL, GAC값이 최적인 다리 길이를 찾고, 이 결과를 V-rep에 적용하여 3D상 지면에서의 보행을 시뮬레이션 한다. 이를 통해 보행 가능성을 판단하고 속도와 궤적 결과를 검토하여 적절하다 판단되면 JansenOptsolver에 값을 넣어 다시한번 최적화를 수행한다.
- 본 연구는 EDISON에서 제공하는 소프트웨어 등 다양한 프로그램을 활용하여 테오얀센 메커니즘이 적용된 보행 로봇의 최적화를 진행하였다. 과학상자의 비스트레이서를 기본 비교군으로 설정하여, 궤적, GL, GAC 등의 값의 비교를 통해 최종 모델을 제안하는 방식으로 최적화를 입증하고자 하였다. 연구 진행 방식은 2D 시뮬레이션을 진행 후 3D 시뮬레이션으로 검증하고, 이를 바탕으로 3D프린팅과 과학상자 부품을 활용하여 제작하였다.
- 구동부와 다리 설계를 완료하였고, 이를 어셈블리하는 몸체 설계를 수행하였다. 안정적인 보행을 위하여 8족 보행을 선택하였으며, 다리간 위상차는 180도를 선정하였다(Figure 21).
- Input data에 구동부 설계 결과를 통해 정해진 Boundary condition을 적용하기 위해, 해당 joint의 x방향과 y방향의 movelimit을 0으로 설정하였다. 그 외의 모든 길이 값은 LIMIT를 충분히 주어 길이 조정이 가능하도록하였다. 목적함수(Eq.
- Sketch로 최적화 과정을 다시 수행하였다. 다른 길이는 유지하고 link EH와 link GH의 길이 조절을 통해 최적화를 얻고자, 궤적 최적화 기능을 활용하였다(Figure 16). 궤적 최적화 기능은 원하는 위치에 궤적을 그리면 iteration을 거쳐 그린 궤적에 최적화되도록 링크 길이를 변경해 주는 기능이다.
- 다리 길이를 설계하기 전, boundary condition을 설정하기 위해 구동부 설계를 선행하였다. 구동부는 과학상자의 기어를 기준으로 설계하였으며, 기어비를 조절하여 주행속도를 향상시키고자 하였다.
- 본 연구에서는 크게 테오얀센 메커니즘을 적용한 보행 로봇 형상 설계와 라인 트레이싱을 위한 센서 설계, 두 부분의 최적 설계를 제시한다. 다리 형상 최적 설계는 기본적으로 테오얀센 메카니즘을 적용하며, EDISON에서 제공하는 소프트웨어(m.Sketch, JansenOptsolver, Edison Designer)를 활용하여 제한된 조건 하에 보폭이 크면서 안정적인 궤적을 그리는 최적의 다리 길이를 선정하고 설계한다. 선정된 다리 길이가 실제로 걸어갈 수 있는지 확인하기 위해 V-rep을 통해 시뮬레이션을 수행한다.
- 해당 길이 값을 적용하여 Edison Designer를 통해 CAD설계를 수행하였다(Figure 20). 다리형상은 Sketcher를 통한 2d 설계 후, part design으로 3d 형상의 다리 설계하는 작업 순으로 진행하였다. EdisonDesiner용 과학상자 모델링 라이브러리를 활용하여 볼트 및 너트를 포함한 다리 상세 설계를 수행하였다.
- Sketch 시뮬레이션을 수행하였다(Figure 6). 또한 V-rep으로 3D 주행 시뮬레이션을 수행하여 최종 제안 모델과 비교군으로 활용하고자 하였다(Figure 7).
- 선정된 다리 길이가 실제로 걸어갈 수 있는지 확인하기 위해 V-rep을 통해 시뮬레이션을 수행한다. 또한 센서 기반 구동 시 고려해야하는 설계 변수를 직접 java 코딩을 수행하여 만든 프로그램을 활용하여 센서 최적 설계를 진행한다.
- 라인 트레이싱 기능을 수행하기 위한 최적의 센서 개수 및 간격을 테스트하기 위해 java 기반의 코딩 프로그램인 Processing을 활용하고자 한다. 임의로 직각, 곡선이 있는 트랙을 그리고 이 위를 사각형의 바디가 지나며, 라인을 인식하면 라인 트레이싱의 알고리즘대로 움직이도록 코딩 한다.
- 최적화할 대상으로 과학상자 비스트레이서를 선정하여, 해당 보행 로봇을 제작하고 분석하여 개선점 및 최적화 요소를 도출한다. 마지막으로 다양한 소프트웨어를 활용하여 주 목표를 달성하는 최적화 프로세스를 수행한다.
- 연구 진행 방식은 2D 시뮬레이션을 진행 후 3D 시뮬레이션으로 검증하고, 이를 바탕으로 3D프린팅과 과학상자 부품을 활용하여 제작하였다. 보행로봇의 구동을 확인한 후, 라인 트레이싱을 활용하여 자율주행하는 것을 구현하였다. 센서의 최적 설계는 센서 개수, 간격 조정과 관련하여, 코딩 구현과 실제 실험을 연동하여 진행 중이다.
- 본 연구는 테오얀센 메커니즘 분석, 과학상자 비스트레이서 제작 및 분석, 최적화 프로세스 순으로 진행하였다. 테오얀센 메커니즘 분석을 통해 설계 변수를 지정하고, 설계 시 고려해야하는 factor를 결정한다.
- 5A 로 공급한다. 본 연구에서는 과학상자 모터를 사용하는 조건으로 인해, 효율적인 동력전달을 위해 맞물리는 기어 또한 과학상자에서 제공하는 기어를 사용한다(Figure 1).[3] 둘째, 보행 로봇에 사용되는 프레임은 아크릴/과학상자/3d 프린터를 활용하며, 기구의 크기는 가로 30cm, 세로 30cm, 높이 30cm 이내로 제한한다.
- 본 연구에서는 다양한 소프트웨어로 반복적인 시뮬레이션을 진행하여 최적 설계를 수행한다(Figure 9).
- 본 연구에서는 크게 테오얀센 메커니즘을 적용한 보행 로봇 형상 설계와 라인 트레이싱을 위한 센서 설계, 두 부분의 최적 설계를 제시한다. 다리 형상 최적 설계는 기본적으로 테오얀센 메카니즘을 적용하며, EDISON에서 제공하는 소프트웨어(m.
- Sketch, JansenOptsolver, Edison Designer)를 활용하여 제한된 조건 하에 보폭이 크면서 안정적인 궤적을 그리는 최적의 다리 길이를 선정하고 설계한다. 선정된 다리 길이가 실제로 걸어갈 수 있는지 확인하기 위해 V-rep을 통해 시뮬레이션을 수행한다. 또한 센서 기반 구동 시 고려해야하는 설계 변수를 직접 java 코딩을 수행하여 만든 프로그램을 활용하여 센서 최적 설계를 진행한다.
- 과학상자의 비스트레이서를 기본 비교군으로 설정하여, 궤적, GL, GAC 등의 값의 비교를 통해 최종 모델을 제안하는 방식으로 최적화를 입증하고자 하였다. 연구 진행 방식은 2D 시뮬레이션을 진행 후 3D 시뮬레이션으로 검증하고, 이를 바탕으로 3D프린팅과 과학상자 부품을 활용하여 제작하였다. 보행로봇의 구동을 확인한 후, 라인 트레이싱을 활용하여 자율주행하는 것을 구현하였다.
- 위의 최적화 과정을 거쳐 3D프린팅 및 과학상자 부품을 이용하여 최종 모델을 제작하였다(Figure 24, 25, 26). 제작한 모델의 주행 테스트 결과 문제 없음을 확인하였다.
- Sketch를 활용하여 2D상에서 궤적, GL, GAC값이 최적인 다리 길이를 찾고, 이 결과를 V-rep에 적용하여 3D상 지면에서의 보행을 시뮬레이션 한다. 이를 통해 보행 가능성을 판단하고 속도와 궤적 결과를 검토하여 적절하다 판단되면 JansenOptsolver에 값을 넣어 다시한번 최적화를 수행한다. 이후 최종적인 다리 길이가 결정되면 Edison Designer로 보행 로봇 상세 설계를 진행한다.
- (4)의 경우 라인 트레이싱 경기의 목적에 따라 자유로이 명령을 내릴 수 있다. 정지 하는 신호로 활용하거나, 갈림길에서 랜덤으로 길을 선택하는 등이 가능하며, 본 연구에서는 정지하는 것으로 아두이노 코딩을 하였다.
- 최적 설계 결과 길이를 적용하여 Creo로 3D 모델링을 수행하고, G-code로 변환하여 3D프린팅으로 다리를 제작하였다(Figure 22). 모든 링크는 두께가 존재하며 Joint마다 물리는 링크의 수가 다르므로, 링크 제작을 1자로 할 시, 유격이 존재하게 되어 주행 시 흔들림이 발생한다.
- 테오얀센 메커니즘 분석을 통해 설계 변수를 지정하고, 설계 시 고려해야하는 factor를 결정한다. 최적화할 대상으로 과학상자 비스트레이서를 선정하여, 해당 보행 로봇을 제작하고 분석하여 개선점 및 최적화 요소를 도출한다. 마지막으로 다양한 소프트웨어를 활용하여 주 목표를 달성하는 최적화 프로세스를 수행한다.
대상 데이터
- 구동부와 다리 설계를 완료하였고, 이를 어셈블리하는 몸체 설계를 수행하였다. 안정적인 보행을 위하여 8족 보행을 선택하였으며, 다리간 위상차는 180도를 선정하였다(Figure 21). 또한 보행 로봇의 무게중심을 낮추기 위해 아두이노를 구동부 아래쪽에 설치하였다.
- 최적화 대상으로 과학상자 비스트레이서를 선정하여 제작하였다(Figure 5). 구동해본 결과 비스트레이서는 주 목표를 최소한으로 달성하는 보행 로봇임을 알 수 있었다.
이론/모형
- 넷째, 기구의 초기 설계는 m.Sketch를 통하여 수행하고 기구의 전체 조립 설계는 EDISON Designer를 통해 수행한다.
- 제안 모델의 기어비를 활용한 구동부 설계는 경량화를 위해 최소한의 프레임을 활용하였으며, Edison Designer를 활용하여 CAD 설계를 수행하였다(Figure 11).
- 지면에 접촉하는 부분에 대한 해석은 Ground Length와 Ground Angle Coefficient를 활용한다. Ground Length(이하 GL)는 다리의 끝단이 지표면과 접촉하였을 때 지표면과 궤적이 이루는 각도가 5도 미만일 때의 길이를 의미하고, Ground Angle Coefficient (이하 GAC)는 모터가 한 바퀴 회전할 때 GL에 대한 360°에 대한 비율이다.
- 최종적으로 다리 길이의 최적화 하기 위해 JansenOptsolver 프로그램에 위의 다리 길이를 적용하였다. Input data에 구동부 설계 결과를 통해 정해진 Boundary condition을 적용하기 위해, 해당 joint의 x방향과 y방향의 movelimit을 0으로 설정하였다.
- 다리의 독특한 동작은 각 링크의 다양한 길이의 비율에서 비롯된다. 테오얀센은 미리 결정한 패턴(유전자)으로 다리의 길이를 결정하기 위해 유전자 알고리즘을 활용하였다. 이상적인 보행 곡선은 발을 들어올리는 스윙 단계에서 다리가 부드럽게 움직이며, 발이 땅에 닿는 단계에서는 수평에 가까운 선이 추적된다.
- 해당 길이 값을 적용하여 Edison Designer를 통해 CAD설계를 수행하였다(Figure 20). 다리형상은 Sketcher를 통한 2d 설계 후, part design으로 3d 형상의 다리 설계하는 작업 순으로 진행하였다.
성능/효과
- 실제로 비스트레이서를 실측한 데이터를 활용하여 m.Sketch 시뮬레이션 결과를 살펴보면, GAC는 0.528로 값이 좋으나, GL은 49.577로 전체 다리 크기에 비해 보폭이 매우 좁다. 위의 길이에서 link EH 길이만 53.
- 정리하면 제안 모델의 다리길이는 m.Sketch를 통해 최적 값을 도출하였으나, V-rep으로 3D 주행 시뮬레이션 결과 주행하기에는 부적합한 길이임을 판단할 수 있었다.
- 최적화 대상으로 과학상자 비스트레이서를 선정하여 제작하였다(Figure 5). 구동해본 결과 비스트레이서는 주 목표를 최소한으로 달성하는 보행 로봇임을 알 수 있었다. 제작 후 본 보행 로봇의 다리 길이를 실측결과를 반영하여 보행 다리를 설계 시 보행 궤적, GL, GAC을 자동으로 계산해주는 프로그램인 m.
- 본 연구를 진행하며 EDISON 소프트웨어 프로그램을 활용해본 결과, 설계방식이 직관적이어서 초보자도 쉽게 이용할 수 있다는 장점이 있었다. 궤적, GL, GAC 값을 제공해주어 설계 검증도 손쉽게 가능하여 설계 시간을 단축시킬 수 있었다. 별도의 프로그램 설치없이 웹기반으로 설계가 가능하다는 것도 접근성 및 활용성 측면에서 좋은 평가를 내린다.
- 본 연구를 진행하며 EDISON 소프트웨어 프로그램을 활용해본 결과, 설계방식이 직관적이어서 초보자도 쉽게 이용할 수 있다는 장점이 있었다. 궤적, GL, GAC 값을 제공해주어 설계 검증도 손쉽게 가능하여 설계 시간을 단축시킬 수 있었다.
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[3] 둘째, 보행 로봇에 사용되는 프레임은 아크릴/과학상자/3d 프린터를 활용하며, 기구의 크기는 가로 30cm, 세로 30cm, 높이 30cm 이내로 제한한다. 셋째, 제어부는 아두이노(호환보드/과학상자 스마트보드)를 기반으로 제작하며, 라인 트레이싱을 위한 센서는 과학상자에서 제공하는 적외선 센서를 최대 6개까
지 활용할 수 있다. 이 때 트레이싱 해야하는 라인의 두께는 3cm이며, 직선, 곡선, 직각을 포함하고 있다(Figure 2). - 577로 전체 다리 크기에 비해 보폭이 매우 좁다. 위의 길이에서 link EH 길이만 53.00mm에서 54.00mm로 변화시켜서 시뮬레이션을 실행해보면 GL은 50.124, GAC는 0.535로 값이 개선됨을 알 수 있다. 따라서 m.
- 이전 결과값과 비교해보면 GL은 97.583mm로 이전 보다 감소하였지만 비스트레이서에 비교하면 약 1.97배 증가하였으며, GAC는 0.637로 증가하였다. 해당 길이를 V-rep으로 시뮬레이션 결과, 궤적이 유사하며 이전 모델보다 안정적으로 주행함을 알 수 있었다(Figure 18).
- 구동부는 과학상자의 기어를 기준으로 설계하였으며, 기어비를 조절하여 주행속도를 향상시키고자 하였다. 제안 모델의 gear train set은 피니언 기어에서 평기어(소)로 동력을 전달하고, 이 기어와 동축으로 평기어(대)에 힘을 전달한다. Eq.
- 위의 최적화 과정을 거쳐 3D프린팅 및 과학상자 부품을 이용하여 최종 모델을 제작하였다(Figure 24, 25, 26). 제작한 모델의 주행 테스트 결과 문제 없음을 확인하였다.
- 과학상자 스마트보드의 기본 제원은 Table5와 같다. 회로 구성 후(Figure 28), 아두이노 Serial print로 센서 값을 확인해본 결과 검은색은 0, 흰색은 743~746사이로 인식함을 확인하였다.
후속연구
- 따라서 m.Sketch를 활용하여 GL과 GAC값이 좋은 다리 길이를 구하고, 3D 프린팅을 이용하여 제작한다면 더 좋은 성능의 보행 로봇을 제작할 수 있다.
- 별도의 프로그램 설치없이 웹기반으로 설계가 가능하다는 것도 접근성 및 활용성 측면에서 좋은 평가를 내린다. mSketch에서 설계 변경의 용이성을 높이기 위한 설계 요소의 길이 및 위치 고정 기능 추가, mSketch에서 JansenOptsolver input file의 내보내기 기능 추가한다면 더 좋은 소프트웨어가 될 수 있을 듯 하다.
- 주행속도 측면에서 보면 기어비의 개선이 필요하다. 본 연구를 통해 나온 결과물은 주어진 시간내에 트랙을 완주하는 실험을 수행해야 한다. 현재 비스트레이서에 적용된 Gear Ratio를 계산해보면 input 속도 대비 output 속도가 9배 감속한다(Eq.
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