U N D E R G R A D U A T E  A C T I V I T I E S

Transport Swarm Robot in Serial and Parallel Configuration

연구진
  - 지도교수 : 주백석
  - 연구원 : 권재홍, 안우현, 이훈석, 정현재

1. Introduction

▶ 연구 배경 및 목적

  4차 산업 시대에 따른 공정의 자동화 및 지능화로 인해 물류에 관한 로봇의 필요성이 대두되고 있고, 실제 산업에 이용되는 경우도 증가하고 있다. 이에 따라 개발된 로봇은 단순히 1개의 차체로 이루어져 있거나 직렬로 연결되는 한계점이 있다. 이를 해결하기 위해 운송 물체의 크기와 형상에 맞게 직렬 및 병렬로 결합하여 하나의 로봇처럼 수송할 수 있는 로봇을 제작하였다.

2. Mechanical Design

▶ 기구부 설계

  제작하기에 앞서 CATIA V5를 이용하여 기구부를 모델링하였다. 3D 프린트를 이용하여 제작하기 때문에 로봇을 설계할 때 제작 크기의 한계와 3D 프린트의 특성을 고려하여 설계하였다. 그리고 로봇이 결합했을 때 완벽한 밀착을 위해 결합부를 제외한 모든 면을 평면화하였고, 부품을 장착할 때에도 차체 안으로 들어갈 수 있게 이 점을 고려하여 설계하였다.

  로봇이 결합할 때 센서를 이용하지만 센서의 성능한계로 인해 오차가 발생할 수 밖에 없다. 그래서 결합부를 원뿔대 형상으로 제작함으로써 정확한 결합을 가능하게 한다. 또한, 결합부의 돌출부와 함몰부를 비대칭적으로 배치하여 모든 방향으로 결합이 가능하게 설계하였다.

▶ 결합 상태에서의 전방향 이동 구동 원리

  다중 결합 시 로봇의 선방향 구동은 차체 한 대가 종방향, 횡방향, 대각방향으로 움직이는데 필요한 각 모터의 회전 방향과 각속도 값의 크기를 동일하게 적용시켜 주었다. 로봇이 제자리 회전할 때에는 모터 회전에 의하여 생기는 선속도 벡터가 전체 차량이 회전할 때 생기는 방향과 동일하게 선택하였다. 또한, 제자리 회전을 할 때 바퀴들 간의 각속도 비는 개별 바퀴가 회전 중심으로부터 떨어진 거리의 비로 선정하였다.

3. Hardware Design

▶ 시스템 개략도

  로봇 간 결합 과정에서 평행, 정렬 및 결합 등을 수행하기 위해 레이저 센서를 이용하고 결합에는 전자석 모듈이 사용된다. 레이저 센서를 통해 얻은 센서값은 마이크로컨트롤러인 아두이노 MEGA 2560로 전달되고, 각 센서의 신호에 따른 로봇 동작 명령을 액추에이터로 보내게 된다. 로봇을 원격으로 휴대폰과 연동하여 제어하기 위해 블루투스 모듈이 사용되었다.

4. Control System Design

▶ 로봇 간 결합 과정

① 로봇 간 평행을 맞춰주기 위해 레이저 센서를 이용하여 거리를 측정하는 작업을 실행한다. 직렬 결합을 위한 평행 작업을 위해 레이저 센서로  x1, x2 를 측정하여 거리 차가
     0이 될 때까지 각 방향에 맞게 제자리 회전하며 평행을 맞춘다.

② 평행 작업을 마친 로봇 결합체 로봇이 우측으로 이동하면서 레이저 센서로 거리측정 작업을 한다. 이때 측정되는 센서값이 급격히 증가하게 되면 피결합체 폭의 반만큼 좌측
    으로 되돌아가게 설정하여 로봇 간의 정렬을 맞춘다.

③ 결합체 로봇이 피결합체 로봇으로 전진하여 결합한다.

▶ 운영 알고리즘

  본 로봇은 물체를 단일로는 수송 불가하다고 판단되면 사용자가 물체의 형상에 맞게 직렬 및 병렬로 로봇을 결합하여 물체를 수송할 수 있도록 한다.

▶ 원격 제어

  블루투스 모듈을 사용하여 제작된 어플을 통해 스마트폰으로 로봇을 원격으로 조종하는 시스템 전략을 시각적으로 보여주는 운영 프로세스이다.

5. Result
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‌▶ 이동성 성능평가를 위한 실험

  로봇이 동일한 거리를 이동하기 위해 동일한 제어지령을 이용하여 1대일 때와 4대로 결합했을 때 로봇의 중심점의 이동경로를 비교하였다. 실험 결과로 전진 이동일 경우 3.05°, 우측 이동일 경우 2.95°의 오차가 발생하여 정상적으로 작동하는 것을 확인했다.

▶기대효과

① 배열을 바꿀 수 있는 군집 수송 로봇’은 직·병렬 결합 기능을 통해 평소에는 독립적으로 수송 작업을 수행하다가 로봇보다 큰 물건을 옮겨야 할 때 다른 로봇들과 결합하여 협
    동해서 운반 가능

② 기존의 다양한 크기에 맞춰 제작을 하는 생산 방식과 다르게 동일한 크기의 제품을 대량 생산하기 때문에 제작비용을 낮추는 자원을 아끼는 경제적 효과 기대

∵ Qualifications (Award & Patent)

• 2020 지능형 창작 로봇 시연발표 / 우수상
• 2020 지능형 창작 로봇 포스터발표 / 최우수상
• 2020 창의적 종합설계 경진대회 / 산업통상자원부 장관상
• 2020 정밀 공학 창의경진대회 / 한국기계산업협회장상
• 2020 전국학생설계 경진대회 / 금상
• 2020 서울테크 지능로봇대회 / 특허청장상
• 2020 KIT Engineering Fair / 대상