Mobile robots have been developed for potential applications such as fire extinguishments, handicapped assistance, planetary exploration and mine detection in various hazardous environments, In order to use robots in these various fields, off-road navigation ability is necessary because robots have to pass over rough terrains such as stairs and mountains A crawler is the driving mechanism for this ability But a track mechanism has disadvantages like low energy efficiency and large size. One method to compensate for these problems is a variable configuration tracked mobile robot, which can change its track configuration according to ground conditions. This thesis presents a new variable configuration tracked mobile robot based on a passive link structure The passive rotational mechanism improves the energy efficiency because it does not need an additional motor to change the track configuration This passive concept also improves environmental adaptability
The wall climbable condition of link type tracked mobile robot is obtained as a function of track specifications and friction coefficient From this condition, the wall climbing range of the friction coefficient for an I-type link mechanism is above 0.52 and this can be a constraint for the navigation environment of the robot. In order to increase the wall climbable friction coefficient range, a triangle frame is designed. The triangle-type link mechanism can climb the wall if the friction coefficient is above 0.36 Another advantage of the triangle track is that the contact surface between frame and ground can be controlled by frame configuration change. This reduces the energy consumption when the robot rotates or navigates on a plane
The design variables of linked mobile robot are optimized to improve the stairs-climbing ability for unloaded type and loaded type. Unloaded type is a robot without a body and loaded type is a robot that consists of a driving mechanism and a body Cost function is a counterclockwise moment of front frame for driving wheel when the robot meets stairs. The optimization condition is that the height of triangle frame is smaller than stair. So the sign of cost function means the possibility of stairs climbing and the magnitude of cost function means the stairs climbing velocity. From optimization, the minimum friction coefficient to climb stairs for unloaded type is 0.36 and this is the 75% level of loaded type. The stair-climbing ability of loaded type is improved by the distance between wheels, the wheel radius, the attacked angle and the rear-frame mass And the stair-climbing ability of unloaded type is improved by the wheel radius, the attacked angle and the driving moment,
A variable configuration tracked mobile robot is fabricated based on passive link structure The robot consists of a driving mechanism and a body. Control and power modules are established in the body and the driving mechanism comprises two triangle frames The body is connected with the driving mechanism by slide joints and dampers. So the body maintains a horizontal condition about the driving mechanism by slide joints and hydraulic dampers absorb impact from rough landforms. Power system is composed in the front of the body, driving motor controllers are inserted in the middle and an embedded PC is established in the rear. The batteries that supply power are located in each frame The total length of the robot is below I m so that it can be used in the building
Mode transformation and driving test on uneven terrain are carried out using the fabricated robot The robot is controlled by a remote PC using a wireless LAN There are two kinds of Mode change - one is the transformation by frames configuration and the other is that by gear ratio. Driving modes by frames configuration are classified into an uneven mode and an even mode by a contact area between frame and terrain. Also driving modes are divided into a power mode and a speed mode by gear ratio in a transmission On rough landform, the robot navigates using uneven and power modes with the maximum toque 26.24Nm and on plane, even and speed modes with the maximum velocity 10.56km/h are used to improve energy efficiency and driving velocity The robot is tested on stairs as uneven terrain. The maximum stairs size to climb is a height of 207mm and a slope of 40 degrees. The good environment adaptability of passive link mechanism of triangle frames is confirmed by stairs climbing experiment
본 연구는 계단과 같은 비평탄 지형에 대한 등반 성능이 뛰어난 주행 로봇의 개발에 관한 것이다. 비평탄 지형에서의 주행 성능을 향상시키기 위한 메커니즘으로 지형에 따라 무한궤도의 형태를 변형시키는 가변 형상 무한궤도형 주행 로봇에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그러나 기존의 가변 형상 무한궤도형 주행 로봇은 프레임을 지형에 따라 변형시키기 위해 별도의 구동원을 필요로 하므로 에너지 효율면이나 장애물 극복 속도 면에서 문제점을 가지고 있다. 이러한 단점을 개선하고자 본 연구에서는 지형에 대해 별도의 구동원 없이 수동적으로 적응할 수 있는 새로운 형태의 가변 형상 무한궤도형 주행 로봇을 개발하였다.
가변 형상 무한궤도 주행 로봇의 구동부로서 에너지 효율을 높이고 계단과 같은 평탄치 않은 지형에 대한 로봇의 주행 능력을 향상시키기 위한 설계 개념인 수동성(passivity)과 적응성(adaptability)을 바탕으로 두 개의 프레임이 링크 구조로 연결되어 있는 수동형 회전 메커니즘을 설계하였다. 이러한 링크형 메커니즘은 지형에 따라 구동부의 형상이 스스로 적응해 가므로 비평탄 지형에 대한 주행 성능을 향상시키고, 구동부의 형상 변형을 위한 구동원이 필요치 않아 에너지 효율을 높이며, 수동적 구동으로 로봇의 주행과 구동부의 형상 변형이 동시에 진행되므로 비평탄 지형에서의 주행 속도를 향상시키는 장점을 가진다. 이러한 링크 구조에 대해 소형으로 계단을 등반하기 위한 벽 등반 조건식을 구동부의 설계 변수와 지면과의 마찰 계수의 함수로 유도하였다. 조건식으로두터 링크형 로봇의 벽 등반 가능 마찰 계수의 범위를 증가시키기 위한 형태로 삼각 프레임 링크형 트랙을 설계하였다. 삼각 프레임 구조는 일자형 링크 구조에 비해 최소 마찰 계수를 0.52에서 0.30으로 감소시켜 벽 등반 가능 범위를 33% 확대하는 효과를 갖는다. 링크형 주행 로봇의 계단 등반 성능을 향상시키기 위해 성능을 결정하는 상태인 계단 진입 단계에서의 목적 함수를 정의하고 최적화를 수행하였다. 로봇의 계단 등반 성능에 대한 목적 함수로서 계단 진입 시 계단 면과 접촉하게 되는 프레임의 반시계 방향 모멘트의 크기를 선정하였다. 목적 함수의 부호는 로봇의 계단 등반 가능 여부를 결정하는 의미를 갖고 목적 함수의 크기는 계단 등반 속도와 관련된다. 따라서 목적 함수의 최대화는 프레임의 수동적 변형이 능동 구동에 비해 가지는 장점인 비평탄 지형에서 가속도 향상을 극대화하는 효과를 갖는다.
지형에 대한 적응성과 형상 변형에 대한 수동성의 설계 개념을 바탕으로 설계한 링크형 무한궤도 주행 로봇을 제작하였다. 로봇의 구동부는 두 개의 삼각 프레임이 링크 형태로 연결되어 있어 수동형 회전 메커니즘을 구성한다. 이러한 링크 구조와 프레임의 형상을 이용하여 지면과 프레임의 접촉 면적을 조절함으로써 주행 모드를 비평지 모드와 평지 모드로 분리하였다. 전체적인 로봇의 크기는 1m 이내의 소형으로 건물 내에서 활용이 가능하도록 제작되었다.
제작된 링크형 주행 로봇의 지형에 따른 모드 변환 실험 및 계단 등반 실험을 수행하였다. 지형에 따른 로봇의 주행 모드는 제어부와 구동부를 연결하는 링크 구조를 이용한 구동부의 형상 변형에 의한 비평지 모드(uneven mode)와 평지 모드(even mode), 구동 모터에 연결된 변속 장치에 의한 감속 모드(power mode)와 가속 모드(speed mode)의 조합으로 이루어진다. 비평탄 지형 주행 시에는 프레임의 수동형 링크 구조를 바탕으로 구동 토크를 증가시키는 비평지 감속 모드를 이용하고, 평지에서는 지면과의 마찰 면적을 최소화하면서 최대 속도를 증가시키는 평지 가속 모드로 주행한다. 평지에서의 최대 속도는 10.56km/h 이고 비평지에서의 최대 토크는 20.24Nm 이다. 이러한 두 가지 모드의 결합에 의해 비평탄 지형 및 평지에서 주행 속도 및 에너지 효율을 향상 시킬 수 있다. 또한 비평탄 지형으로서 계단을 대상으로 링크형 주행 로봇의 주행 성능 실험을 수행하였다. 계단의 높이와 경사를 변화시키면서 등반 실험을 반복한 결과 제작된 링크형 주행 로봇이 높이 207mm, 경사각 40° 이내의 계단에 대해 등반 가능함을 확인하였다. 계단 등반 및 불규칙한 요철 지형에서의 여러 차례 실험을 통해 링크 구조로 연결된 구동 메커니즘의 수동적 회전이 지형에 대한 로봇의 적응성을 향상시키는 것을 검증하였다.
