Mobile robots are being developed for building inspection and security, military reconnaissance, and planetary exploration. The common requirements of these mobile robots are long-term operation and high mobility in rough terrain to perform difficult tasks. For rough terrain, it is important for mobile robots to maintain adequate wheel traction. Excessive wheel slip could cause an increase in the amount of dissipated energy at the contact point between the wheel and ground or, even more seriously, the robot could lose all mobility and become trapped.
This paper proposes a traction control algorithm that can be independently implemented to each wheel without requiring extra sensors and devices compared with standard velocity control methods. The proposed traction algorithm is analogous to the stick-slip friction mechanism. The algorithm estimates the stick-slip of the wheels based on estimation of angular acceleration. The wheel torque linearly increases until the controller observes specific angular acceleration, which indicates that the applied torque is higher than the torque induced by the maximum friction force. The torque then linearly decreases until the applied torque is less than the torque induced by the kinetic friction force Thus the traction force induced by torque of wheel converges between the maximum static friction and kinetic friction.
Simulations and experiments are performed to validate the algorithm. The proposed traction control algorithm yielded a 65.4% reduction of total slip distance and 70.6% reduction of power consumption compared with the velocity control method. Furthermore, the algorithm does not require a complex wheel-soil interaction model or optimization of robot state.
In addition to the traction control in order to increase mobility of mobile robot, scheme of friction coefficient estimation is proposed for the prediction of mobility. Estimation accuracy of friction coefficient is related to the performance of the traction control. Results and characteristics of friction coefficient estimation are discussed.
본 연구에서는 바퀴의 미끄러짐을 감소시켜 주행로봇의 에너지 효율 높이고 주행성을 확보하기 위한 견인력 제어에 대한 연구와 이와 동시적으로 바퀴와 지면 사이의 마찰 계수를 추정할 수 있는 연구가 수행 되었다.
주행로봇은 인간을 대신하여 험지나 위험 지역에서 탐사, 전투, 지뢰 제거와 같은 임무를 수행한다. 이러한 임무를 효율적으로 수행하기 위해서 주행로봇의 주행성 확보가 필수적인 요소이다. 또한 특정 지역을 극복 여부를 알려주는 traversability의 예측은 주행로봇의 최적의 경로 계획에 필수적이며, 자율적인 로봇의 회수를 보장한다.
본 논문에서 제안된 견인력 제어 알고리즘은 바퀴의 각속도만을 피드백(feedback)받아 다른 센서와 장치 없이 구현된다. 스틱-슬립(stick-slip)현상에서 착안된 이 방법은 바퀴의 각가속도를 이용하여 바퀴와 지면의 접착을 인식하고, 토크의 선형적인 증가와 감소 반복한다. 제안된 방법은 정지최대마찰계수가 운동마찰계수보다 딱딱한 지형에서 효율성이 극대화 되며, 지형의 형태가 부서지기 쉬운 모래와 자갈과 같은 환경에서는 안정성을 보장하기 힘든 단점이 있다.
제안된 알고리즘을 검증하기 위해 시뮬레이션은 ADAM와 MATLAB을 이용하여 수행되었으며, 이용된 ROBHAZ-6WHEEL의 모델은 3-D CAD 환경에서 실제와 동일하게 구축되었다. 제안된 견인력 알고리즘의 적용으로 70.6%의 미끄러짐 감소와 65.4%의 지면 소산에너지의 감소를 얻었다. 미끄러짐의 감소는 보다 정확한 접촉각도의 예측이 가능하게 하며 이를 이용하여 주행로봇의 힘 분포를 예측하게 된다.
접촉각과 견인력의 추정과 더불어 ROBHAZ-6WHEEL의 정적 모델을 이용하여 힘 분포를 추정하는 방법이 논의 되었고 이를 이용하여 마찰계수 추정 하였다. ADAMS 주행 시뮬레이션을 통해서 얻어진 로봇의 기구학적 정보와 바퀴에 작용하는 수직 항력 등을 이용해 본 연구에서 제시한 방법의 적용 가능성을 확인하였다. 또한 계단 등반 실험을 통하여 계단 면의 실제 마찰계수를 추정하였다.
