복합 지형 대응을 위한 확장-축소형 멀티 모드 변형 4족 로봇 = Expandable-Contractible Multi-Mode Transformable Quadruped Robot for Complex Terrain Adaptation

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 복합 지형 대응을 위해 Auxetic 구조를 적용한 크기 변형 몸체와 바퀴형 3축 다관절 다리를 결합한 멀티 모드 변형 4족 로봇을 개발하였다. 단일 선형 액추에이터 기반의 Underactuated 크기 변형 메커니즘과 바퀴를 장착한 Yaw-Pitch-Pitch 다관절 다리를 통합하여, 로봇이 바퀴 모드, 다리 모드, 하이브리드 모드, 축소 모드, 확장 모드를 선택적으로 운용할 수 있도록 설계하였으며, 형상 유지 모듈과 핀 잠금식 브레이크 시스템을 도입하여 각 모드에서의 구조 안정성과 운용 안전성을 확보하였다. 크기 변형 및 이동 실험 결과, 바퀴 모드에서는 관절 토크 인가 없이도 약 10 km/h 수준의 4륜 주행이 가능함을 확인하였고, 다리 모드에서는 브레이크 시스템이 탑재된 다리의 지지다각형 기반 역기구학 제어를 통해 130mm 단차 장애물을 효과적으로 극복할 수 있었다. 또한, 하이브리드 모드에서는 바퀴와 다리를 동시에 활용하여 전방향 이동과 경사면에서의 몸체 수평 유지가 가능함을 보였으며, 크기 조절 보조 시스템을 통해 크기 변형 시 다리–지면 간 마찰을 최소화할 수 있음을 검증하였다. 향후 센서 기반 환경 인식 시스템과 자율 주행 기능을 탑재한다면 실제 산업 및 재난 현장에서의 활용 가능할 것이라 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 2 장 멀티 모드 변형 4족 로봇의 설계 6
• 2.1 크기 변형이 가능한 Auxetic 구조 몸체 6
• 2.1.1 음의 푸아송 비 특성을 지니는 Auxetic 구조 6
• 2.1.2 Auxetic 구조를 활용한 크기 변형 구조 설계 7
• 2.1.3 몸체 변화율 극대화를 위한 길이 비 비교 시뮬레이션 9
• 2.1.4 크기 변형 구조의 Underactuated System 적용 설계 11
• 2.1.5 1축 구동이 가능한 하드웨어 박스 설계 12
• 2.1.6 크기 변형이 가능한 로봇 몸체 13
• 2.1.7 MBD 기반 크기 변형 모터 선정 14
• 2.2 바퀴가 장착된 Yaw-Pitch-Pitch 축 다관절 다리 15
• 2.2.1 바퀴형 3축 다관절 다리의 모터 선정 15
• 2.2.2 바퀴형 3축 다관절 다리 설계 18
• 2.2.3 다리 보조 시스템 설계 27
• 2.2.4 최종 다리 설계 및 워크스페이스 측정 31
• 제 3 장 멀티 모드 변형 4족 로봇 개발 33
• 3.1 두 가지 메커니즘을 결합한 멀티 모드 변형 4족 로봇 33
• 3.2 멀티 모드 변형 4족 로봇 구조의 건전성 평가 35
• 3.2.1 로봇 구조의 안정성 검증을 위한 대표 부재 선정 35
• 3.2.2 MBD(다물체 동역학) 시뮬레이션을 활용한 반력 측정 36
• 3.2.3 FEA(유한 요소 해석)을 통한 대표 부재의 안정성 평가 39
• 3.3 멀티 모드 변형 4족 로봇의 하드웨어 구성 41
• 3.3.1 크기 변형 몸체의 하드웨어 배선도 41
• 3.3.2 바퀴형 다관절 다리의 하드웨어 배선도 42
• 3.3.3 로봇의 전체적인 하드웨어 구성 45
• 3.4 멀티 모드 변형 4족 로봇 실제 제작 45
• 제 4 장 멀티 모드 4족 로봇의 소프트웨어 시스템 51
• 4.1 다리 모드 알고리즘 51
• 4.1.1 역기구학과 지지다각형 51
• 4.1.2 지지다각형 기반 단차 지형 극복 알고리즘 56
• 4.2 하이브리드 모드 알고리즘 57
• 4.2.1 IMU 센서 기반 수평 유지 시스템 59
• 4.2.2 Yaw축을 활용한 전방향 이동 시스템 60
• 4.3 크기 조절 보조 시스템 62
• 4.3.1 크기 조절 보조 시스템의 필요성 62
• 4.3.2 몸체 변형률 분석을 활용한 크기 조절 보조 시스템 64
• 제 5 장 멀티 모드 4족 로봇의 구동 실험 67
• 5.1 바퀴 모드 실험 67
• 5.1.1 바퀴 모드 주행 실험 67
• 5.1.2 200, 400rpm 주행 실험 결과 67
• 5.2 다리 모드 실험 70
• 5.2.1 다리 모드 장애물 극복 실험 70
• 5.2.2 지지다각형 기반 단차 장애물 극복 실험 결과 70
• 5.3 하이브리드 모드 실험 72
• 5.3.1 수평 유지 기반 경사로 이동 실험 72
• 5.3.2 전방향 이동 실험 75
• 5.4 몸체 크기 변환 실험 78
• 5.4.1 크기 조절 보조 시스템 기반 몸체 확장-축소 실험 78
• 5.4.2 협소 지형 극복 실험 81
• 제 6 장 결론 82
• [참고 문헌] 83