험지 주행용 소형 로봇을 위한 바퀴의 설계

소형 로봇은 그 크기 때문에 협소한 공간을 통과할 수 있는 장점이 있지만, 사용할 수 있는 부품의 크기와 개수가 제한되어 있기 때문에 간단한 설계가 요구된다. 이는 로봇의 제어방법도 간단하게 만들어 여러 대의 로봇을 동시에 제어할 때 유리하다. 본 연구에서는 변신을 위한 추가적인 Actuator 없이 바퀴가 장애물과 접촉했을 때 발생하는 마찰력만으로 원형바퀴에서 Legged-wheel로 변신할 수 있는 바퀴와 Transformable Wheel의 성능을 보여줄 수 있는 간단한 Robot Platform을 제시했다.

 

1. 서론

소형 로봇은 무너진 건물더미와 같이 인간이 진입하기에 어려운 작은 틈새를 통과할 수 있는 장점이 있다. 많은 수의 소형 로봇들은 이러한 곳에서 구조나 탐사, 정찰 등의 임무를 효과적으로 수행할 수 있다. 하지만 로봇의 크기가 작아질수록 주변 환경의 상대적인 평탄도가 낮아지고 거칠기가 증가하는 ‘Size Grain Hypothesis’ 문제가 발생한다.
일반적으로 원형바퀴를 사용하는 로봇은 평지에서는 바퀴중심으로부터 지면과의 접촉점까지의 거리가 일정하여 안정적인 주행이 가능하지만, 바퀴의 반지름보다 높은 장애물을 넘을 수 없는 근본적인 문제를 가지고 있다. 원형바퀴의 대안으로 제시된 Legged-wheel은 추가적인 구조 없이 바퀴의 형상만으로 같은 직경의 원형바퀴보다 높은 장애물을 넘을 수 있다.
Legged-wheel을 사용하는 로봇으로는 Whegs와 Rhex가 있고, 각각 다리가 3개 달린 바퀴와 반원형상의 바퀴를 사용한다. 그러나 모든 종류의 Legged-wheel 로봇은 바퀴중심으로부터 바퀴 둘레까지의 거리가 일정하지 않아 평지 주행 시 로봇의 무게중심이 지면과 수직한 방향으로 계속 진동하는 현상이 발생한다. 따라서 Legged-wheel을 고속으로 회전시킬 경우 다리와 지면의 충돌에 따른 반발력이 커져서 안정적인 주행이 불가능하다. 이 문제를 해결하기 위해 여섯 개의 Legged-wheel을 사용하는 Whegs와 Rhex는 모두 Tripod Walking Gait를 사용한다.
Transformable Wheel은 원형바퀴의 평지 주행능력과 Legged-wheel의 장애물 극복 능력을 모두 이용한 바퀴이다.
즉, 평지 주행 시에는 Transformable Wheel이 원형상을 유지하며 안정적으로 지면과 접지하여 주행 성능을 높이고, 장애물을 만나게 되면 Legged-wheel로 변신하여 원형상 바퀴의 반지름보다 높은 장애물을 넘어갈 수 있게 된다.
Transformable Wheel을 이용한 로봇으로는 Quattroped가 있다. 그러나 Quattroped는 마이크로 서보 모터를 이용하여 바퀴의 형상을 바꾸는 Transfo-rmable Wheel을 사용하고 있어 로봇의 설계와 제어방법이 복잡하다.  
소형 로봇은 그 크기 때문에 협소한 공간을 통과할 수 있는 장점이 있지만, 사용할 수 있는 부품의 크기와 개수가 제한되어 있기 때문에 간단한 설계가 요구된다.
이는 로봇의 제어방법도 간단하게 만들어 여러 대의 로봇을 동시에 제어할 때 유리하다. 예를 들어, 탐색이나 구조 임무에서 소형 로봇은 여러 대가 동시에 흩어져서 임무를 수행할 경우 그 성취도가 비약적으로 상승하게 된다. 따라서 소형 로봇에 적합하도록 간단한 구조의 변신바퀴를 설계하여 로봇의 평지 주행 능력과 장애물 극복 능력 모두를 향상시키는 연구가 요구된다.
본 연구에서는 변신을 위한 추가적인 Actuator 없이 바퀴가 장애물과 접촉했을 때 발생하는 마찰력만으로 원형바퀴에서 Legged-wheel로 변신할 수 있는 바퀴를 제시했다.
또한 Transformable Wheel의 성능을 보여줄 수 있는 간단한 Robot Platform을 제시했다.
2장에서는 Legged-wheel 다리의 개수와 곡률에 따른 장애물 극복 능력과 평지 주행 성능을 비교한다. 3장에서는 2장의 분석을 기초하여 설계된 Passive Transformable Wheel을 구체적으로 설명한다. 또한 Wheel Transformer라 불리는 Robot Platform을 소개하여 제시된 Passive Transformable Wheel의 성능을 시험한다.

2. Legged-wheel의 설계 인자와 성능 분석

2.1 다리의 개수
Legged-wheel의 장애물 극복 능력과 평지 주행능력은 다리의 개수에 의해 결정된다. Fig.1은 다리가 3개인 경우를 예를 들어 Legged-wheel이 올라갈 수 있는 장애물의 높이와 평지 주행할 때 다리 접지간의 거리를 나타낸다. Fig.1(a)에서 나타나듯이, Legged-wheel이 장애물을 넘기 위해서는 장애물의 윗면을 다리가 딛을 수 있어야 한다. 다리의 개수 n에 대하여 다리의 길이 r에 대한 장애물의 높이 h의 비를 나타내면 식(1)과 같다.

 

Fig.1(b)는 Legged-wheel이 평지에서 2π/n 회전하는 모습을 보여준다. Legged-wheel이 1회전할 때 진행한 거리는 식(1)에 다리의 개수 n을 곱하여 얻을 수 있다. 다리의 길이 r에 대하여 Legged-wheel이 올라갈 수 있는 최대 장애물의 높이와 1회전할 때 진행하는 수평거리 d를 나타내면 Table1과 같다.
Table1에서 나타나듯이, 다리의 개수가 증가할수록 바퀴가 넘을 수 있는 장애물의 최대 높이는 감소하지만(h/r 감소), 바퀴가 1회전할 때 이동하는 거리는 증가한다(d/r 증가). 다리가 3개인 Legged-wheel은 다른 개수의 Legged-wheel에 비해 주행 성능이 떨어지지만 장애물 극복 능력은 월등히 높다. 따라서 이후의 Legged-wheel의 설계 인자에 따른 바퀴의 성능 분석에는 다리가 3개인 Legged-wheel을 사용하기로 한다.

 

 

2.2 다리의 곡률
다리의 곡률은 Fig.2와 같이 곡률의 방향과 그 크기에 따라 5가지 종류로 나누었다. 그리고 각 종류에 따른 장애물 극복 능력과 평지 주행 성능을 알아보기 위해 Fig.3과 같이 몸체의 앞부분에 2개의 Legged-wheel을 갖는 이륜 로봇을 제작했다. 한 개의 DC 모터를 사용하여 양쪽 바퀴를 구동시켰으며 Legged-wheel의 물리적 특성은 Table2와 같다. 바퀴의 곡률과 그 방향에 따른 Legged-wheel의 장애물 극복 능력과 평지 주행 성능을 비교한 결과는 Fig.4와 같다. A와 B형상은 D와 E형상보다 평지 주행 속도가 빠르나 넘을 수 있는 장애물의 높이는 낮았다. D와 E형상이 넘을 수 있는 최대 장애물의 높이가 다른 형상들 보다 높은 이유는 다리와 장애물 사이의 접촉각으로 설명될 수 있다. 로봇이 장애물을 넘기 위해서는 다리와 장애물 접점에서의 마찰력으로 다리가 미끄러지지 않고 지지되어야 한다.
Fig.5에서 알 수 있듯이, θ값이 작을수록 다리가 장애물에 가하는 힘 F로 인하여 생기는 지면의 수직항력이 커지게 된다. 따라서 다리와 장애물 사이의 마찰력은 증가하게 되고 다리는 미끄러지지 않아 로봇이 장애물을 넘게 된다.
A와 B형상이 다른 형상들보다 평지 주행 속도가 빠른 것은 바퀴 중심으로부터 다리와 지면의 접점까지 모멘트 암의 길이로 설명될 수 있다. Fig.6(a)는 Legged-wheel이 평지에서 주행할 때 다리와 지면 사이의 충돌을 개략적으로 부여주고 있다. 원형 형상의 바퀴는 중심으로부터 바퀴 둘레까지의 거리가 반지름과 같기 때문에 지면과 연속적인 접지를 유지할 수 있다. 이와 비교하여, Legged-wheel의 경우는 바퀴 중심으로부터 바퀴 둘레까지의 거리가 일정하지 않아서 바퀴 중심이 지면과 수직한 방향으로 움직이게 되고 다리와 지면 사이의 충돌이 일어나게 된다.
Fig.6(b)와 (c)는 이러한 충돌이 발생할 경우 각각 A, B형상과 D, E형상의 모멘트 암의 변화를 개략적으로 보여주고 있다. A, B 형상의 경우 Fig.6(b)에서 볼 수 있듯이 충돌에 따른 반발력으로 인한 다리와 지면사이의 간극이 모멘트 암이 길어짐에 따라 채워지기 때문에 다리와 지면은 계속 접지를 유지하게 된다. 하지만 D, E형상의 경우, Fig.6(c)와 같이 모멘트암이 감소하기 때문에 다리와 지면의 충돌로 인한 간극이 채워지지 않아서 계속적인 접지가 불가능하게 된다. 따라서 마찰력이 연속적으로 발생하지 않아서 주행 성능은 떨어지게 된다.

 

 

3. Passive Transformable Wheel

 

3.1 Passive Transformable Wheel의 설계
Passive Transformable Wheel은 2장의 분석을 바탕으로 3개의 다리를 갖고, 다리들은 장애물과의 접촉각이 작아지도록 설계되었다. Passive Transformable Wheel은 Fig.7과 같이 Wheel-base, Trigger Leg, 2 Legs, Force Transmitter로 구성된다. Wheel-base는 3개의 Leg와 Force Transmitter를 정위치시키며 바퀴 전체를 모터 회전축에 고정시키는 역할을 한다.
Trigger Leg에는 Pin이, 2개의 Leg에는 Slide가 각각 설치되어있고, Force Transmitter에는 1개의 Slide와 2개의 Pin이 설치되어 있어서 각각 Trigger Leg의 Pin과 다른 2개의 Slide와 Linkage System을 이루고 있다. Passive Transformable Wheel은 3개의 다리가 모두 이어져 있어서 Trigger Leg가 펴지면 Fore Transmitter를 통하여 나머지 2개의 다리가 모두 펴지는 1자유도 시스템이다. 또한 다리가 펴지는 과정은 서보 모터와 같은 별도의 Actuator없이, 장애물과의 마찰력만으로 이루어지도록 설계되었다.
3개의 다리는 각각 Wheel-base와의 Joint를 회전축으로 하여 펴지게 된다. Trigger Leg가 외부로부터 힘을 받아서 회전하게 되면 Force Transmitter, 이어서 나머지 2개의 다리가 모두 회전하여 Legged-wheel로 변신하게 된다.

 

3.2 변신메커니즘
Passive Transformable Wheel에 사용된 변신 메커니즘은 Pin과 Slide를 이용한 Linkage System이다. Fig.8에서와 같이 Trigger Leg가 회전할 경우 Pin이 Slide 안쪽으로 미끄러져 들어가게 된다. 이때 Pin의 돌림힘(화살표1)과 Slide가 이동해야 하는 방향(화살표2) 사이의 각도가 90°보다 작으므로 Pin이 Slide를 회전시킬 수 있게 된다.
Fig.7에서 볼 수 있듯이, Trigger Leg가 이러한 메커니즘으로 Force Transmitter를 회전시키면 같은 메커니즘으로 Force Transmitter가 나머지 2개의 Leg를 회전시켜서 변신이 완성된다. 이것이 3개의 Pin 또는 Slide가 3개의 Leg 또는 Force Transmitter에 비대칭적으로 나뉘어져 설치되어 있는 이유이다.

 

 

3.3 Wheel Transformer
Fig.9는 제작된 Passive Transformable Wheel과 이를 사용하는 Robot Platform인 Wheel Transformer를 보여준다. 물리적 특성은 Table3에 나타나 있다.
Fig.10은 Wheel Transformer가 반지름의 3.25배인 130㎜의 장애물을 넘는 과정을 보여주고 있다. Wheel Transformer의 장애물 극복 능력은 기존의 Rhex, Whegs와 같은 Legged-wheel을 사용하는 이동로봇이 다리길이의 약 1.5배 높이의 장애물을 넘을 수 있다는 사실과 비교될 수 있다.

 

 

4. 결론

Legged-wheel은 원형바퀴보다 장애물 극복능력이 뛰어나 주위 평탄도가 낮은 소형로봇의 장애물 극복 수단으로는 뛰어나지만 평지에서의 주행 성능은 원형바퀴보다 떨어진다. 다리의 개수와 곡률을 변수로 하여 Legged-wheel의 장애물 극복 능력과 평지 주행 성능을 시험해 보았다. 다리의 개수가 3개일 때의 Legged-wheel의 주행 성능은 다른 다리 개수의 Legged-wheel보다 떨어졌지만, 장애물 극복능력은 월등히 높았다. 다리의 곡률에 관한 실험에서는 그 곡률에 따라 로봇의 장애물 극복능력과 평지 주행 성능이 서로 Trade-off 관계를 보였다.
Passive Transformable Wheel은 Legged-wheel의 낮은 평지 주행 성능을 보안하기 위해 고안되었다. 평지 주행 시에는 바퀴가 원형상을 지면과 연속적인 접지를 유지하며 회전하고 장애물을 만나면 Legged-wheel로 변신하여 변신 전 반지름에 비하여 약 3.25배가 높은 장애물을 넘을 수 있었다.
Passive Transformable Wheel을 사용하는 소형 로봇의 응용분야 중 하나는 수색, 구조 임무이다. 특히, 임무의 특성상 여러 대의 소형 로봇이 군집활동을 할 경우 임무의 성취도는 비약적으로 향상된다. 본 연구에서 개발된 Passive Transformable Wheel은 변신을 위한 별도의 Actuator가 존재하지 않아 설계의 단숨이 소형 로봇 설계에 적합할 뿐만 아니라 생산단가를 낮출 수 있어 로봇의 대량생산에도 적합하다.

 

* 이 논문은 2012년도 정부(교육과학기술부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. 2012-0000348).
필자 김유석, 김한, 정광필, 김성한, 조규진, 주종남 서울대학교 기계항공공학부

※ 출처 : EngNews (산업포탈 여기에) - 험지 주행용 소형 로봇을 위한 바퀴의 설계