연구진
  - 지도교수 : 주백석
  - 연구원 : 이재백, 문선우, 김현우, 최현지

1. Introduction

▶ 연구 배경 및 목적

   ① 기존 이동 로봇의 한계
      - 재난 및 재해가 발생한 현장에 접근하고자 할 때 다리보행로봇을 이용하면 고속주행을 하지 못하고 바퀴주행로봇을 사용하면 장애물과 같은 험지를 극복하지 못함.
      - 특정 상황에 맞게 각기 다른 로봇을 사용하는 것은 시간과 비용적인 측면에서 효율적이지 못함.

   ② 다리-바퀴 가변형 로봇
     - 본 연구에서는 자체적으로 환경을 인식하고 이에 맞게 다리보행모드와 바퀴주행모드로 전환이 가능한 변형 로봇을 제안함.
     - 주변 환경을 인식하기 위해 레이저 센서를 부착하고, 비평탄 지형에서 IMU 센서를 이용해 본체의 기울기를 항상 수평을 유지할 수 있게 설계함.

2. Mechanical Design

▶ 기구부 설계

   ① 본체 설계
     - 로봇의 전면부에는 장애물과 로봇 사이의 거리를 측정하는 레이저 센서와 실시간으로 로봇 상황을 스트리밍할 수 있는 카메라 센서가 부착됨.
     - 하단부에는 높이를 측정하는 레이저 센서와 로봇의 기울어진 각도를 측정하는 IMU 센서가 부착됨.
     - 구동오류 및 오작동으로 인해 다리의 불필요한 움직임을 막기 위해 스타퍼(Stopper)를 설계함.

   ② 다리부 설계
     - 각 모드에서 최적의 로봇 형상을 위해 다리부 링크를 속이비고 겹쳐질 수 있게 설계함.
     - 바퀴주행모드일 때는 다리부의 링크들이 겹쳐 로봇의 무게중심높이를 보다 낮춰 안정적인 주행이 가능함.

3. Hardware Design

▶ 하드웨어 구성 및 연결도

   - 로봇의 중앙에 부착된 IMU 센서가 기울기를 측정, 로봇의 전방 및 하단에 부착된 거리 감지 센서를 통해 주위 환경을 인식 및 높이 측정.
   - 메인 컨트롤러인 아두이노에서는 센서부를 통해 인식한 내용을 바탕으로 구동부인 모터에 제어 신호를 전송.
   - 전원 배터리에서는 메인컨트롤러와 모터부에 전원 공급.

▶ 로봇 제어 및 모니터링 어플리케이션 개발

   - 앱 인벤터를 활용하여 유저 인터페이스를 개발
   - 카메라 센서와 와이파이 모듈을 통해 전송되는 로봇 전방 상황을 실시간으로 모니터링 가능.
   - 로봇에 설치된 와이파이 및 블루투스 모듈을 통해 사용자의 스마트폰 기기와 통신을 함.
   - 사용자는 스마트폰 앱의 인터페이스를 통해 로봇에게 명령을 내릴 수 있고, 전방에 설치된 카메라 센서를 통해 스마트폰 앱에 실시간으로 상황을 모니터링 가능.
   - 로봇 조작 버튼을 통하여 로봇에게 앉기 서기 장애물 극복 등의 동작명령을 내릴 수 있음.
   - 메인 컨트롤러인 아두이노에서는 센서부를 통해 인식한 내용을 바탕으로 구동부에 제어 신호를 전송.

4. Control System Design

▶ 지지다각형을 고려한 균형유지시스템

   - 바퀴주행모드와 달리 다리보행모드에서는 무게중심을 항상 고려하여 균형이 무너지지 않게 해야됨.
   - 따라서 모든 움직임마다 균형이 유지되도록 다리보행모드의 모든 모션에서 지지다각형을 고려함.
   - 로봇이 다리보행모드로 이동시 험지극복을 위해 다리를 전방으로 뻗게될 때 무게중심이 지지다각형에서 벗어나게 되면 균형을 유지하지 못함.
   - 이를 해결하기 위해 무게중심 공식을 통한 계산을 바탕으로 알맞은 다리를 움직임.
   - 그 결과 지지다각형에 무게중심이 내포하게 됨.
   - 이를 바탕으로 다리보행모드의 안정적인 움직임 제어.

▶ 장애물 극복 메커니즘

   - 사용자가 원격으로 로봇을 조작할 수 있도록 블루투스 모듈을 이용하여 모바일 기기와 연결함.
   - 모바일 기기에서 로봇의 전면부에 부착된 카메라 센서를 이용하여 전방 상황을 전송받아 움직임을 사용자가 수동으로 제어 가능.
   - 장애물을 만나면 장애물과 일정거리에서 정지하고 높이를 측정.
   - 측정된 높이를 바탕으로 장애물을 극복.

▶ 비평탄면 수평유지기능

   - IMU 센서를 활용하여 비평탄면에서 로봇의 자체적인 수평유지가 가능하게 함.
   - 센서에서 측정된 기울기에 따라 다리 높이를 조절하도록 함.

   - 로봇의 정면부에 카메라를 부착하여 전방 상황을 모바일 컨트롤러로 보고 조작.
   - 바퀴주행모드로 넘어갈 수 있는 낮은 장애물이라고 판단되면 바퀴구동으로 극복.
   - 바퀴구동으로 극복하기 어려운 높은 장애물은 레이저 센서로 높이 측정.
   - 극복 가능한 장애물이면 다리보행모드로 전환하여 장애물 극복.
   - 비평탄 지형일 경우 본체가 수평을 유지할 수 있도록 IMU 센서로부터 기울기 값을 받아 다리-바퀴 혼합모드로 전환 및 극복.

5. Result
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‌▶ 장애물 극복 및 비평탄 지형에서의 기울기 실험

   - 장애물 및 비평탄 지형을 극복할 때 본체의 기울기가  -1˚ ~ 1˚ 유지.

‌▶ 구동 영상

▶ 기대효과

   - 다리와 바퀴의 결합으로 주변 환경의 변화 및 장애물 유무에 관계없이 구동 가능.
   - 사람이 접근하기 어려운 곳에 대한 조사가 필요하거나 구조목적 및 물품수송 등의 역할로 사용 가능.
   - 한 분야에만 특정된 로봇을 생산하는 것보다 하나의 로봇으로 다양한 역할이 가능하므로 경제적인 측면에서도 효율적임.

∵ Qualifications (Award & Patent)

• 2021 국제로봇콘테스트 서울테크 지능로봇대회 / 대통령상
• 2021 공학페스티벌 창의적 종합설계 경진대회 /국무총리상
• 2021 대한기계학회 전국 학생설계 경진대회 / 금상(산학협동재단이사장상)
• 2021 전국 지능형 창작 로봇경연대회 포스터발표부문 / 우수상
• 2021 KIT Engineering Fair / 대상
‌• 2021 4차산업혁명 혁신선도대학사업단 자기주도형 프로그램 경진대회 / 금상