In this paper, An unmanned aerial vehicle mechanism for climbing various types of walls is proposed. Wall climbing robots have many applications such as structural health monitoring of buildings such as high - rise buildings, bridges, nuclear power plants, maintenance of solar panels, and visual inspection of aircraft. Various kinds of wall climbing robots have been developed for this purpose. The conventional wall climbing robots were attached to walls or climb walls by using vacuum, magnetic force, and adsorption pads inspired by a foot of gecko. However, this methods cannot be used on walls of various shapes such as curved or inclined or walls with obstacles such as window frames, and additional structures such as wires for supporting robots may be required. To address those limitations, Wall climbing robots using an UAV have recently been developed, but conventional wall climbing UAVs are ineffective in energy use and may unstable when attaching, dettaching and climbing the wall. Therefore, in this paper, An wall - climbing unmanned aerial vehicle using a 1 - degree - of - freedom link whose angle is changed, a free wheel added to the end of the link, and a rotating wheel attached to the main body is proposed. The UAV uses two ultrasonic sensors to measure the distance from the wall, control the angle of the link using distance and maintaining the attaching angle with the wall. And the UAV estimates the slope angle of the wall using the angle of the link and the attitude of the UAV for controlling the thrust to maintain the attaching status on the wall and also can climbing the wall using a motor attached to the rotating wheel. The theoretical possibility of wall attaching and climbing of the proposed wall climbing unmanned aerial vehicle mechanism was calculated and verified by simulation using Working Model 2D. Also the UAV with those mechanism was created and tested in indoor and outdoor environment and analyzed.
본 논문에서는 다양한 형태의 벽면을 등반하기 위한 무인 항공기의 메커니즘을 제안한다. 벽면 등반 로봇은 고층 빌딩, 교량, 원자력 발전소 등의 건축물 상태 점검, 태양광 패널의 유지관리 및 항공기의 상태 점검 등 많은 활용성이 있다. 이를 위해 많은 종류의 벽면 등반 로봇이 개발 되어 왔는데, 기존의 방식은 진공, 자기력 및 도마뱀붙이의 발 구조를 응용한 흡착패드 등을 이용하여 로봇이 벽면에 부착 되거나 벽면을 등반 할 수 있었다. 하지만 이러한 방식은 곡면 및 기울어진 벽면 등 다양한 형태 및 창문틀과 같이 장애물이 있는 벽면에는 사용하지 못하는 경우가 많고, 로봇을 지지하기 위한 와이어 등의 추가적인 구조물이 필요한 경우도 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 최근에는 무인항공기를 이용한 벽면 등반 로봇이 개발되고 있으나 기존의 벽면 등반 무인 항공기는 벽면에서의 활동 시 에너지의 사용이 비효율적이며, 벽면으로의 부착 및 탈착시의 충격이 크거나 불안정하다. 따라서 본 논문에서는 위와 같은 문제점들을 해결하기 위해 각도가 변경되는 1자유도의 링크와 이의 말단에 추가된 자유 회전 바퀴 및 본체에 부착 된 회전 바퀴를 이용하는 벽면 등반 무인 항공기를 제안하였다. 무인 항공기는 두 개의 초음파 센서를 이용하여 벽면 과의 거리를 측정하며 이에 따라 링크의 각도를 제어하며, 벽면과의 각도를 평형하게 유지한다. 또한 링크의 각도 및 무인 항공기의 자세를 이용하여 벽면의 기울기를 추정하고 이에 따라 추력을 제어하여 벽면에서의 자세를 유지하며, 회전 바퀴에 부착된 모터를 이용하여 벽면을 등반할 수 있다. 제안된 벽면 등반 무인 항공기 매커니즘의 이론적 가능성을 계산하였으며 이를 2차원 동역학시뮬레이터(WorkingModel 2D)를 이용한 시뮬레이션으로 검증하였고, 실제 매커니즘을 제작하여 실내외 환경에서 테스트하고 결과를 분석하였다.
