가변 휠 메커니즘을 가지는 필드 주행 로봇 설계

1. 서 론

필드 주행 로봇의 구동 환경은 장애물, 모래, 경사지형 등의 복합적인 지형조건을 갖는다. 이러한 험난한 지형에서는 일반 적인 단일 휠의 형상으로는 장애물 극복 능력, 기동 성능, 안정 성 등 다양한 제약이 존재한다. 특히, 기존 강체 휠의 경우 복 합 지형에서 휠의 회전을 이용하여 구동 능력을 발생시켜 주 행하므로 연약 지반, 복합 지형 등의 극한의 환경에서는 마찰 력의 감소로 인해 주행 능력이 불안정하게 되거나, 장애물 극 복 시 슬립을 야기시키기 때문에 이를 극복하기 위한 최적의 주행성능을 유지할 수 있는 이동 메커니즘에 대한 연구가 필 요하다. 이러한 제약조건을 극복하기 위해 단일 휠 형상의 트 레드 구조 최적화, 로커-보기를 이용한 서스펜션, 무한궤도의 그라우저 분석 등 다양한 연구가 수행되었다^[1-7]. 특히 주행 제 약조건을 극복하는 방안으로 휠-레그 형태의 하이브리드 로 봇에 대한 연구가 수행되었다^[3-7]. 이와 같은 일반적인 휠-레그 형상을 가지는 필드 로봇은 일정 조건의 지형에서는 우수한 주행 성능을 보이나, 평지 혹은 암석 등 복합 지형으로 구성된 실제 필드 로봇의 구동 환경에서는 단일 휠 보다 주행성능이 감소하는 경우도 있다. 특히, 기존 연구들의 경우 구조가 복잡 하기 때문에 휠-레그 변형을 위하여 보다 간단한 이동 메커니 즘 구조^[8]가 필요하다.

따라서, 본 논문에서는 다양한 지형 조건에서도 적용이 가 능하며 필드 로봇의 휠 기동성 및 주행능력을 향상시킬 수 있 는 가변 휠 메커니즘 및 필드 주행 로봇을 설계하였다. 특히, 가변 휠 메커니즘을 작동시키기 위한 액추에이터의 최소 필요 동력을 계산하기 위한 역학적 분석을 수행하고, 이를 토대로 제안한 메커니즘을 구현하기 위한 전기 모터를 선정하였다. 역학적 분석을 기반으로 필드 로봇의 기동 성능을 향상시키면 서 휠-레그 형태로 변형 가능한 가변 휠 메커니즘을 설계하였 다. 제안한 가변 휠 메커니즘 및 모터 그리고 제어 시스템을 구 성하여 필드 주행 로봇 시작품을 제작하고 예비 실험을 토대 로 제안한 메커니즘의 적용가능성을 평가하였다.

2. 가변 휠 메커니즘 및 로봇의 구성

2.1 가변 휠 메커니즘

[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

2.2 가변 메커니즘의 역학

[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

$\[ \Sigma F_{x_A}=-F_s+F_t\hspace{0.17em}\text{cos}\hspace{0.17em}\theta =0 \]$

(1)

$\[ \Sigma F_{y_A}=-\frac{1}{2}W+F_t\hspace{0.17em}\text{sin}\hspace{0.17em}\theta =0 \]$

(2)

위 두식은 F_t에 관해 다음과 같이 병행 표기할 수 있다.

$\[ F_t=\frac{F_s}{cos\hspace{0.17em}\theta } \]$

(3)

$\[ F_t=\frac{W}{2sin\hspace{0.17em}\theta } \]$

(4)

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

$\[ F_s=\frac{W}{2}cot\theta \]$

(5)

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

2.3 제어 시스템

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

2.4 가변 휠 메커니즘의 구성

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

[Table 1]

Specifications of field-driving robot

[Fig. 6]

Configuration of extended and folded wheel

3. 시작품 제작 및 가변 메커니즘 유효성 평가

필드 주행 로봇 시작품 제작을 위하여 CATIA를 이용하여 모델링하고, 3D프린터를 활용해 각 부품들을 제작하고 조립 하였다[Fig. 7]. 로봇의 구름 성능과 강성에 영향을 미치는 샤 프트 지지 부분에는 베어링을 활용해 적절한 내구성을 확보하 였다.

[Fig. 7]

Trial product of assembled robot

설계한 가변 휠 메커니즘의 작동 가능성을 평가하기 위하 여 예비 실험을 수행하였다. 2장에서 역학적 모델 분석을 토대 로 제안한 메커니즘의 작동에 필요한 최소 동력을 산출하 였고, 메커니즘 구현을 위한 시스템을 구성하였다. 예비 실험 결과는 [Fig. 8]과 같고 각각 가변 메커니즘의 변형 과정을 나 타냈다. 변형의 초기 및 중간 단계에서 모터에 연결된 크랭크 가 회전하면서 내부 샤프트를 구동 부 프레임 안쪽으로 끌어 당기게 되고 결과적으로 [Fig. 8]의 (c)와 같이 휠에서 레그 형 태로 변형된다. 위와 같은 일련의 과정을 반복적으로 수행하 여 지면의 변화에 능동적으로 대응하여 주행 효율을 높일 수 있다. 복합지형에서 로봇 휠의 직경을 확장하면 로봇의 차고 를 높이는 효과 또한 가지게 된다. 따라서 지면 장애물로부터 로버의 차제가 받는 영향을 줄일 수 있으며, 장애물이 없는 평 탄한 지형에서는 휠의 직경을 축소해 휠-레그 형태로 주행 시 받게 되는 불필요한 진동과 피로를 경감할 수 있고 구동에 필 요한 소모 동력을 감소시킬 수 있다^[9,10].

[Fig. 8]

Wheel extension process

4. 결 론

본 논문에서는 일반적인 휠 형 로봇이 구동하기 어려운 극 한/복합 지형에서 효과적으로 주행할 수 있는 가변 휠 메커니 즘을 제안하고, 필드 주행 로봇의 시작품을 설계 ·제작하였다. 제안한 메커니즘은 휠의 직경을 제어하여 강체 휠 형태와 휠- 레그 형태를 모두 사용할 수 있다.

향후 계획으로 제안한 메커니즘의 구조적인 한계(휠 확장 시 측면으로 지면과 휠 간의 슬립이 발생함) 를 개선하기 위한 재설계를 수행하고, 개선된 로봇 시작품을 활용하여 테스트 필드에서 가변 휠 메커니즘 성능 평가를 수행하여 제안한 메 커니즘의 필드 적용가능성을 평가할 예정이다.

Acknowledgments

This work was supported by National Research Foundation of Korea (No.2016M1A3A3A02018194).

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