연구진
  - 지도교수 : 주백석
  - 연구원 : 허승회, 안지훈, 김민지

1. Introduction
 
▶ 연구배경

 위의 그림처럼 전 지구 연별 자연 재해 발생빈도를 나타내며, 시간이 흐를수록 자연재해는 급격히 증가하고 그에 따른 피해액도 증가하는 추세이다. 지진 발생 시 도로 상황을 보면 갈라지고 붕괴되어 있는 도로에서 차량의 이동에 어려움이 많다. 특히 재해 상황에서의 차량은 물품을 공급하고 사람을 구조하는 등 지형에 상관없이 이동이 가능해야만 한다.

▶ 연구목적

 재해가 발생하면 도로에 장애물들이 생기고 건물이 무너져 내려 이동이 힘들어질 것이다. 재해 발생 지역으로의 탐사 및 조사, 구호물자 전달이 필요하나 지형의 변화로 인해 힘든 상황이 발생한다. 이런 상황에 대비하여 본 설계는 환경에 따라 바퀴를 변형함으로써 지형에 상관없이 이동이 가능한 험지를 극복하는 이동로봇 구현을 목적으로 하고 있다.

2. Mechanical Design

▶ 기구부 설계

 축 동력 전달에 용이하도록 각 부품을 기어의 형태로 설계하였다.  구동 모터와 연결된 기어는 플랜지로 연결되어 모터의 동력을 직접 전달해주는 기어이다. 가운데 있는 기어는 삼각대와 연결되어 있는 기어로 각 갈고리와 연결되어 있으며 바퀴의 변형 전과 변형 후 모양에 상관없이 바퀴의 전체적인 회전에 관여한다.
변형은 유성기어의 원리를 사용하였다. 갈고리 바퀴 사이에 있는 기어는 태양기어로 모터랑 연결된 기어와 반달모양 축으로 연결되어 동력을 전달받아 위성 기어를 통한 바퀴의 변형에 관여한다. 모터와 연결된 기어의 동력을 삼각대와 연결되어 있는 기어에 전달해주는 기어로 크기가 작은 동력전달기어가 있다. 기어 비는 2:1 로 설계하여 바퀴의 회전과 변형에 최적화 되도록 설계하였다.

▶ 갈고리 개수 선정

위 그림을 보면 갈고리 반경(r)과 장애물 높이(h)가 그림에 나타나있다. 장애물을 넘기 위해서는 갈고리 바퀴가 장애물 윗면에 딛을 수 있어야 한다. 제 2코사인 법칙을 이용하여 다리의 개수(n)에 대하여 갈고리 반경(r)과 장애물 높이(h)의 관계식을 구하면 다음과 같다.

h/r=√(2-2cos(2π/n) )

표는 갈고리 개수별로 장애물 높이와 이동거리를 갈고리 반경으로 나눈 백분율 수치를 보여주고 있다. 다리의 개수(n)에 따른 장애물 극복능력(h/r)과 주행능력(d/r)이 나타나 있다. 다리의 개수가 증가할수록 주행능력은 높아지지만 장애물 극복능력은 떨어지는 것을 표에서 확인할 수 있다. 본 설계에서는 장애물 극복능력이 가장 뛰어난 다리의 개수인 3개를 선정하였으며 바퀴가 변형되는 시스템으로 주행능력도 높일 수 있다.

3. Hardware Design

▶ 시스템 개략도

 모터에 전력을 공급하며 1시간 정도의 공급이 가능한 배터리가 있다. 배터리의 전압을 레귤레이터를 통하여 5V로 낮추어 직접 납땜하여 회로를 제작한 PCB판에 공급하고, Atmega128와 센서 및 리니어 엑츄에이터에 전력을 공급한다. 블루투스는 센서의 값들을 확인하고 로봇의 움직임을 제어하여 정상적인 작동을 확인한다. 적외선 센서는 장애물의 유무를 판단하여 바퀴의 변형과 구동에 관여한다.

4. Control System Design

▶ 시스템 설계와 제어 알고리즘

하나의 바퀴는 각각의 독립적인 제어를 위해 하나의 다이나믹셀 모터와 두 개의 리니어 엑츄에이터를 갖는다. 적외선 센서의 데이터를 통해 각각의 모터와 리니어 엑츄에이터가 독립적으로 제어되어 환경에 따라 바퀴의 모형이 변형되면서 구동한다. 장애물 감지에 따라 바퀴의 모드를 전환하여 바퀴를 변형하는 구조이다

5. Result

▶ 바퀴 변형과 장애물 극복

본 설계는 재해, 재난에 대비한 안전시스템을 설계하는데 목적을 두었다. 기존의 이륜구동 로봇보다는 높은 비용을 필요로 하지만, 고가의 설계인 장애물을 인식하여 지형에 상관없는 구동이 가능하다는 장점이 있다. 또한 구동모터에 필요한 토크를 이론적으로 계산하여 모터를 사용하였기 때문에 강한 충격에 의한 경우가 아니라면 차체의 부품 교체를 필요로 하지 않는다. 또한 충전식 배터리를 사용함으로써 사용이 간편하고 장기간 사용이 가능하다. 이전에는 쉽게 접근할 수 없었던 험지에서도 운행이 가능하며 작은 차체로 협소한 공간의 이동까지 가능하며 장애물을 인식할 수 있어 환경에 따라 바퀴가 변형된다는 설계는 차량의 주행성능을 높이는 장점이 있다. 또한 차체에 필요한 기능들을 부착시켜 다양한 이동 수단에 기능을 추가한다면 다양한 사업 분야에 이용 가능할 것이다.

▶ 기대효과

• 바퀴 변형 시스템
  - > 일반 바퀴로는 넘어가지 못하는 장애물들을 바퀴변형을 통해 극복

• 장애물 인식 시스템
  - > 장애물 유무를 판단하여 바퀴를 변형 혹은 구동

• 소형의 이륜구동 로봇
  - > 보관이 용이하고 협소한 지형과 험난한 지형 모두 접근이 가능

∵ References

• IAR EWAVR컴파일러를 이용한 AVR ATMEGA128 마이크로컨트롤러
• ROBOTIS e-MANUAL

∵ Qualifications (Award & Patent)

• 2017 3D프린팅 창작 경진대회 / 우수상
• 2017 제7회 대한기계학회 전국학생설계경진대회 / 은상
• 2017 국제로봇콘테스트 SEOULTECH지능로봇대회 / 국가기술표준원장상
• 2017 제3회 메카트로닉스 콘서트 / 한국로봇산업진흥원장상