This thesis introduces a design process of the new wheeled mobile robot(WMR) that can climbs the stairs for the applications such as building inspection, building security, military reconnaissance, and so on. Generally, a WMR that has a radius of wheel is longer than a height of stair can climbs the stair. But, these mobile robots are so bulky that they are not suitable for building inspection and reconnaissance.
The aim of this thesis is to design a WMR that has small size and its wheel-radius shorter than a height of stair. So, several stair-climbing experiments are accomplished by making miniatures using the LEGO $Mindstorm^{TM}$. The one of the important points - the wheelbase, a distance between front wheel and rear(middle) wheel, and the configuration of wheels are very important design factors for developing mobile robot to climb the stair - is obtained from the scaled-experimental results. Namely, for a WMR to climb the stair, it has to have a certain mechanism that can change the wheelbase and configuration of wheels according to the stair-climbing states.
Two design concepts, 'adaptability' and 'passivity', are considered to develop the mechanism that helps the WMR climb the stair. Adaptability means that the wheelbase of mobile robot can be changed and the configuration of wheels can be changeable when the mobile robot climbs the stairs. And, passivity represents that a WMR can adaptable to the stair without any motor, except for a driving motor.
Considering these two design concepts, a passively adaptable 4-bar linkage locomotive mechanism that allows WMR to adapt passively to rough terrain and climb up stairs is proposed. And, to design the locomotive mechanism of the WMR, the several states are generated by dividing the robot's stairs climbing motion. These states result from the status of the points of contact between the driving wheels and the step.
For each state, kinetic analysis has been accomplished. From the results of the kinetic analysis, the three object functions that influence the proposed WMR's ability to climb up stairs are suggested. The design variables of the proposed WMR with passively adaptable linkage-type locomotive mechanism are obtained by using multi-objective optimization method. And, from the obtained design parameters, analytical simulation has been accomplished by using $MSC.ADAMS^{TM}$.
Finally, to validate the proposed WMR's ability to climb the stair, the prototype of the proposed WMR are developed and the climbing experiments are carried out in the real stairs.
본 논문에서는 실내 환경에서의 감시 및 정찰, 테러 진압 및 적지 정찰, 장애인 보조, 가사 보조 등과 같이 건물 내부의 계단등반이 가능한 차륜형 주행로봇의 설계 절차를 다루고자 한다. 일반적으로, 차륜형 주행로봇의 경우 구동륜의 반경이 계단의 높이보다 커야만 실내환경의 계단을 등반할 수 있다. 그러나 이러한 계단등반 가능한 차륜형 주행로봇은 그 크기가 너무 커서 건물내부의 감지 및 정찰용으로는 적합하지 않는 단점이 있다.
본 논문의 목적은 구동륜의 반경이 계단의 높이보다 작은 소형 경량이면서 계단등반이 가능한 차륜형 주행로봇을 설계하는 것이다. 상기 목적을 달성하기 위해 먼저 LEGO MindstormTM를 이용한 차륜형 주행로봇의 축소모형을 만들어 다양한 계단등반실험을 수행하였다. 축소모형을 이용한 계단등반실험 결과의 분석을 통하여 계단등반 가능한 차륜형 주행로봇을 설계하기 위해서는 구동륜의 축간 거리변화가 중요한 설계인자라는 사실을 확인할 수 있었다. 다시 말해, 계단등반 가능한 주행로봇은 계단등반상태에 따라 구동륜들간의 축간 거리 및 자세의 변화가 가능하도록 하는 주행 메커니즘을 지니고 있어야 한다. 계단등반용 차륜형 주행로봇의 주행 메커니즘을 설계하기 위하여 지형에 대한 “적응성”과 제어적 측면에서의 "피동성"이라는 두가지 디자인 개념을 적용하였다. 적응성의 의미는 주행로봇이 계단을 등반하면서 계단의 형상에 따라 구동륜 사이의 축간 거리 및 자세가 변화될 수 있음을 의미한다. 그리고 “피동성”의 의미는 주행로봇의 구동륜 사이의 축간 거리 및 자세 변화가 구동륜을 제외한 어떠한 능동적인 구동요소도 없이 스스로 이루어짐을 의미한다. 상기 두가지 디자인 개념을 적용하여 계단등반 및 험지 주행이 가능한 주행로봇의 "피동 적응형 링크구조의 주행 메커니즘"을 제안하였다. 또한, 계단등반을 위한 주행로봇의 주행 메커니즘을 설계하기 위하여 구동륜과 지면(계단)과의 접촉의 유무 및 상태에 따른 다양한 계단등반상태를 제시하였다. 각각의 계단등반상태에 대해 주행 메커니즘의 계단등반성능을 최적화 할 수 있는 목적함수를 유도하기 위해 운동역학 해석을 수행하였다. 운동역학 해석결과로부터 제안된 주행로봇의 계단등반성능을 좌우하는 목적함수들을 제시하였다. 다목적 최적화 기법을 통해 “피동 적응형 주행메커니즘”을 적용한 주행로봇의 설계변수를 최적화하였다. 최적설계변수를 가지는 제안된 주행로봇 계단등반운동을 상용 동역학 해석 소프트웨어인 MSC.ADAMSTM를 이용하여 시뮬레이션 결과분석을 통해 운동역학 해석결과를 비교 분석 및 검증하였다. 제안된 주행 메커니즘을 적용한 주행로봇의 시제품을 제작하고 모형계단 및 실계단 등반실험을 통해 주행로봇의 계단등반 성능을 검증 및 확인하였다.
마지막으로, 계단의 형상변화에 대해서도 제안된 주행로봇의 계단등반성능을 보장 및 확보할 수 있는 주요한 기구변수(최적화에 적용된 설계변수)를 도출하였다.
