It is necessary for the robot to play the key roles of search and rescue operation at dangerous areas and unknown terrains, instead of human. To achieve such objectives as surveillance, reconnaissance and rescue activity, it is a prior issue to develop a driving mechanism which can overcome off-road such as stairs. While there have been many researches about the various utilities of mobile robots and the driving mechanism for off-road mobility, the optimal design procedure has not performed to enhance the ability for overcoming stairs. In the paper, I analyzed the design parameters of the proposed mechanism and optimize them to minimize the robot size and to enhance the ability for overcoming stairs.
A new type of driving mechanism that has a variable geometry single-track is proposed. A tracked mechanism is the most stable and the most adaptable to the various ground conditions including obstacles, slope and stairs. Using transformation without the variation of the track length, the system minimizes the ground contact length to reduce the energy consumption in the cases of high-speed moving, turning and steering on even surface. On the other hand, it maximizes the contact length with ground for the adaptability to off-road and stairs and has the lower center of gravity for stability of system. Also, this mechanism has many symmetrical configurations such as a rectangle, trapezoids, and inverse-trapezoids and can generate various attack angles from 0 degree to 90 degrees to cope with the various obstacles like stairs or piles.
The design parameters of the proposed driving mechanism were analyzed for several phases of climbing stairs and the climbing moment were calculated for the various friction coefficient. Here, two dominant phases to climb the first step and the second step were found out and the robot dimensions were optimized to minimize the size and to enhance the ability for overcoming stairs. Also, the dynamic simulation was carried out using Recurdyn Software to consider the dynamic effect and the simulation results are compared to the quasi-static analysis. The system was manufactured on the basis of the optimized design values and I confirmed the performance of the presented driving mechanism from various experiments and compared the experimental results with the theoretical analysis.
다양한 주행로봇의 활용 분야 중에서 특히 인간의 안전과 직접적인 관련이 있는 정찰 및 구조 분야에서의 활용이 점차 중요시 되고 있다. 건물 내부나 지하시설 등 위험지역에서의 작업을 수행하기 위해서는 평지주행 능력뿐만 아니라 각종 험로에 대한 대처 능력을 갖추고 있어야 한다. 본 논문에서는 평지에서의 신속한 주행성능, 계단 등반 성능의 향상, 주행 중의 에너지 효율 극대화, 실제 재난 지역에서 빈번히 일어날 수 있는 차체 전복 대비에 중점을 둔 구동 메커니즘으로 가변형 단일 트랙 메커니즘을 제안하였다. 건물 내외부의 가장 통과하기 힘든 지형물이라 할 수 있는 계단을 가장 심각한 험로로 가정하고 계단 등반 성능을 최적화하는 설계 과정을 제시하였다. 우선 제안된 가변형 단일 트랙 메커니즘의 설계 변수를 선정하고, 메커니즘의 계단 등반 과정을 단계별로 분류하여 각각의 단계에 대해 계단 등반 성능을 나타내는 계단 등반 모멘트 값을 분석하였다. 단계별 해석에서 나타난 계단 등반 모멘트 식과 여러 구속 조건을 활용하여 무게 감소와 뛰어난 계단 등반 성능을 목적으로 설계 변수를 최적화하였다. 정확한 해석을 위하여 Recurdyn 소프트웨어를 활용하여 동역학 모델에 대한 시뮬레이션을 수행하여 계단 등반 단계별 해석 과정을 검증하였다. 마찰계수와 설계 변수를 변화시켜 가며 계단 적응 모의 실험을 수행하여 계단 등반에 적합한 마찰계수 값과 설계 변수들의 값을 검증할 수 있다. 최적화된 설계 변수를 바탕으로 앞에 보여진 로봇을 제작하여 계단 등반 성능 실험을 수행함으로써 계단 등반 해석 결과와 동역학 모델을 검증하였다.
