[Fig. 1]은 가변 휠 메커니즘의 내부 구조를 보여준다. 가변 휠 메커니즘은 일반적인 휠과 동일하게 운용 가능하며 필요시 휠 직경을 확장하여 휠-레그의 형태로 변환 가능하다. 본 메커 니즘의 경우 휠의 스포크에 판토그래프(Pantograph) 구조를 적용하여 휠 직경을 제어할 수 있다^[8]. 특히, 본 메커니즘의 경 우 변형을 위한 구조와 휠 구동 사이에 구조적 간섭이 없어 주 행과 동시에 직경 변화가 가능하다.

[Fig. 1] 

CAD for variable wheel mechanism

[Fig. 2]는 가변 휠 변환 시 요구되는 서보 모터의 필요동력을 분석하기 위한 역학적 모델을 도시하였다. [Fig. 2]를 보면 크랭 크 기어를 통해 힘 F_s가 발생하며, 로버의 자중에 관한 힘인 W 가 발생한다. 힘 F_s에 대한 반력이 F_t라고 하고, 점 A에서 x, y 방 향의 힘과 그에 대한 반력 F_t는 다음과 같은 관계를 유도할 수 있다.

[Fig. 2] 

Schematic diagram of the mechanical model for variable wheel

위 두식은 F_t에 관해 다음과 같이 병행 표기할 수 있다.

결론적으로 메커니즘 구현을 위한 샤프트의 최소 작동 동 력은 식 (5)와 같다.

본 연구에서 사용된 로봇의 무게는 2 kg이며 축 하중은 0.5 kg 이다. 식 (5)를 스포크의 구동 변위(30°~57.5°)에 대하여 계산하 면 [Fig. 3]과 같다. [Fig. 3]과 같이 제안한 메커니즘의 초기 변 형을 위한 최소 작동 동력은 크랭크 반지름 16.5 mm 일 때 끝 단에서 최소 71.5 N-mm (4.33 N × 16.5 mm) 의 토크로 동작되 어야 한다. 본 연구에서 사용된 서보 모터의 최대 출력은 6V에 서 10 kg-cm(크랭크 반지름 16.5 mm 에서 593.9 N-mm) 이다. 한편, 일반적으로 정상범위내에서 모터가 발휘하는 정격 출력 은 최대 출력의 20% 이므로, 결과적으로 서보 모터의 정격 출 력은 118.8 N-mm이다. 따라서 선정된 서보 모터의 경우 메커 니즘의 최소 작동 동력인 71.5 N-mm을 만족하며 역학적 분석 을 이용하여 제안한 가변 메커니즘의 최소 작동 동력 및 선정 된 모터의 적정성을 확인하였다.

[Fig. 3] 

Required force for spoke moving

필드 주행 로봇의 구동을 위한 DC 모터로는 N20 타입 6 V 소형 DC 기어드 모터(RC0010)를 활용하였다. 또한, 모터의 속 도를 제어하기 위하여 L298N 모터 드라이버를 사용하였다. 휠 가변 제어를 위한 서보 모터의 경우 HitecRCD 사의 HS-5665MH 제품을 적용하였다.

[Fig. 4]는 제안한 가변 휠 메커니즘 및 필드 주행 로봇의 속도 제 어를 위한 시스템 구성도이다. 제어 보드는 National Instruments사 의 myRIO를 이용하여 구성하였다. 모터 구동은 상용 소프트 웨어 Labview를 이용하여 WIFI무선 통신으로 제어한다. 로봇 에 부착된 제어 보드인 myRIO는 이 정보를 수신하여 제어 명 령을 처리한다. 한 개의 모터 드라이브를 이용하여 PWM 방식으 로 두개의 DC 모터를 제어하게 된다. 필드 주행 로봇에는 2개의 모터 드라이브를 활용하였으며 각각의 모터 드라이브는 좌우의 휠의 제어를 수행하여 휠 속도 및 로봇의 방향을 조절한다. 서보 모터의 경우 DC 모터와 동일하게 PWM 방식으로 제어한다.

[Fig. 4] 

Configuration of control system

가변 휠 메커니즘의 휠 구성은 4개의 판토그래프(Pantograph) 구조로 이루어진 스포크와 동일한 개수로 분할되는 림(Rim)으 로 구성되어 있다. [Fig. 5]의 (a)와 같이 외부 샤프트는 프레임 에 베어링으로 고정되어 있으며 휠 변형과 관계없이 독립적으 로 구동이 가능하다. 내부 샤프트의 경우 [Fig. 5]의 (b)와 같이 서보 모터에 연결된 크랭크 기어를 통해 직선 왕복 운동을 하게 된다. 이러한 왕복 운동은 판토그래프 형태의 스포크에 연결되 어서 휠의 직경 변화를 구현한다. 이때 내부 샤프트는 외부 샤 프트를 기준으로 축 방향 33 mm의 이동 변위를 갖는다. [Table 1] 에서 볼 수 있듯이 스포크에 연결된 휠이 확장하면서 휠의 지름 이 최소 135 mm에서 최대 188.62 mm까지 확대된다. 동시에 림 에 연결된 스포크의 양끝 관절의 간격이 줄어들게 된다. 스포크 끝 관절 한쪽이 활주할 수 있는 슬라이드를 [Fig. 5]의 (c)와 같 이 구성하였다. 제안한 가변 휠 메커니즘은 [Fig. 6]과 같다.

[Fig. 5] 

Configuration of variable wheel mechanism

[Fig. 6] 

Configuration of extended and folded wheel

[Fig. 5]의 (a)는 주행을 위한 구동부 구조를 나타낸다. DC 모터에 연결된 웜 기어와 외부 샤프트에 고정된 스퍼 기어를 통해 필드 주행 로봇의 휠이 회전하게 된다. 웜 기어와 스퍼 기 어 간의 기어 비는 1:10 이다. 이로 인해 모터 단에서는 100 RPM으로 회전하며 휠 구동 면에서의 회전 RPM은 최대 10 RPM으로 작동한다. 접힌 상태의 휠은 10 RPM으로 회전할 때 최대 70 mm/s 의 속도를 가지며 확장된 상태의 휠은 최대 95 mm/s의 속도를 가진다.