Mobility is one of the most important issues for mobile robots. Especially in case of search and rescue robots, if the robots are trapped in specific terrain, they cannot achieve the purpose. Mobility is affected by size. If there are two robots which have same mechanism but different size, the big one can climb higher obstacles than small one. In other word, if a robot becomes small, its mobility is decrease. So, mechanism of a small robot should more effective than a big robot in order to operate in the same environment as a big robot.
Centipedes live in various environments and can move in rough terrain freely. In spite of small size, using many legs and flexible long body, centipedes can overcome high obstacles and move in rough terrains stably. This research focused on those points and imitated their legs and body that are good for obstacle negotiation. Based on similarity of a centipede`s legs and tracks, serially connected tracks are used for climbing obstacles higher than the robot’s height. Moreover, using the modular body, the robot can adapt to the ground easily.
There are 4 joint motors connecting each module. So, it needs to be controlled effectively. A centipede perceives environments using antennae on its head instead of eyes. Inspired from that, 3 IR sensors are attached on the front, top and bottom of the first module to imitate the antenna. Using the information gotten from the sensors, the robot decides next behavior automatically. By the proposed control method, the robot is controlled effectively in various environments.
In this paper, to increase mobility of a small robot, the articulated-tracked mechanism and its control method are proposed. In experiments, the robot can climb up to 45cm height vertical wall and it is 600% of the robot`s height and 58% of the robot`s length.
본 연구에서는 소형 주행 로봇의 이동성을 향상시킬 수 있는 방법에 대한 연구를 수행하였다. 로봇의 크기가 작아지게 되면 로봇의 이동성도 작아지기 때문에 소형이면서도 높은 이동성을 갖는 로봇이 필요하다. 여기에서는 소형 주행 로봇이 보다 높은 수직의 장애물을 넘도록 하는데 초점을 맞추어 로봇의 메커니즘을 제안하고, 장애물 극복시 보다 효율적으로 극복과정을 제어하기 위한 방법을 제안하였다.
지네는 크기가 작지만 유연하고 긴 몸, 그리고 몸 전체에 달려 있는 수많은 다리를 이용하여 다양한 지형에서 자유롭게 이동한다. 지네의 수십 개의 마디로 이루어진 분절화 된 몸은 험한 지형에서도 지형 적응성을 높여주고, 긴 몸체에 둘러 있는 다리는 장애물에 다리를 걸쳐서 장애물을 쉽게 타고 올라갈 수 있게 한다. 이러한 지네의 특징을 트랙이 연결된 형태의(articulated-tracked) 로봇으로 제안하였다. 로봇이 모듈 구조로 이루어져 있기 때문에 지네와 마찬가지로 지형 적응성이 우수하고, 트랙의 돌기가 장애물에 걸쳐서 장애물을 쉽게 오를수 있도록 하기 때문에 지네의 다리와 비슷한 역할을 트랙이 하게 된다. 이와 같은 트랙 모듈을 연결함으로써 소형 주행 로봇이 높은 수직의 장애물을 오를 수 있도록 메커니즘을 제안하였다.
로봇의 모듈과 모듈 사이에는 상하로 움직일 수 있는 1자유도의 active joint로 연결이 되어 있으며, 이를 효율적으로 제어하여 장애물을 극복하기 위해 지네가 장애물을 넘는 방법을 연구하였다. 지네는 시력이 거의 퇴화되었으나 더듬이를 이용하여 머리주변의 거리정보를 얻고, 이러한 정보를 바탕으로 주변의 장애물을 인식하고 극복한다. 이에 착안하여 로봇의 첫 번째 모듈의 위, 아래, 앞에 거리센서인 IR센서를 부착하여 머리주변의 거리정보를 획득함으로써, 만나게 되는 장애물을 인식할 수 있도록 하였다. 그리고 만나게 되는 장애물의 조건에 따라 머리를 숙이고, 들고, 관절을 제어하고 하는 일련의 과정을 제어하여 사용자가 로봇의 관절을 직접 제어하는 것이 아니라, 로봇 스스로 장애물을 넘도록 하였다.
지네에서 착안한 연결형 트랙(articulated-tracked) 메커니즘에 이를 제어하기 위한 알고리즘을 적용하여 소형 주행 로봇의 이동성 평가 실험을 수행하였다. 극복 가능한 최대 수직 장애물의 높이를 측정하는 실험에서, 로봇은 최대 45cm의 수직의 장애물을 극복하였으며 이는 로봇 길이의 56%, 로봇 높이의 600%에 해당한다. 이러한 수치는 비슷한 크기의 험지 주행 로봇보다 우수한 성능을 나타내었다. 또한 수직 장애물 이외에 돌, 자갈, 통나무 등의 울퉁불퉁한 지형에서 로봇이 주행성을 잃지 않고 잘 주행하는지를 실험하였는데, 로봇의 높이 보다 낮은 장애물로 이루어진 지형에서는 로봇의 관절에 있는 motor가 off되고 마치 passive joint와 같이 되도록 로봇의 관절을 제어했기 때문에, 울퉁불퉁한 지형에서도 안정성을 잃지 않고 주행할 수 있었다.
본 연구를 통해 articulated-tracked type이 소형로봇의 이동성을 향상시키는데 매우 효과적이며, 제안한 장애물 자동극복 알고리즘이 간단하면서도 효과적인 것을 확인하였다. 이 연구에서 제안한 로봇은 크기에 비해 높은 이동성을 가지고 있어 군사용 정찰, 동굴 탐사, 재난 구조용 로봇으로 유용하게 사용될 것으로 예상된다.
