2. 운동

출처 : Introduction to Autonomous Mobile Robots 2nd edition. 

저자 : Roland Siegwart, Illah R. Nourbakhsh, and Davide Scaramuzza

 

2.1. 소개

2.1.1. 운동에 관한 핵심 이슈

   운동은 조작의 보충이다(?). 조작에서, 로봇팔은 고저오디어 있지만 작업공간에서 물체를 옮긴다. 운동에서, 환경은 고정되어 있지만 로봇은 움직인다. 이 두가지 경우에, 과학적 기초는 구동부에 대한 연구이다. 구동부는 기구학과 역학 특성을 이행하는 상호간의 힘과 매커니즘을 생성한다. 운동과 조작은 따라서 안정성, 접촉 특성, 환경 종류의 핵심 이슈를 공유한다.

 

* 안정성

   - 접촉점의 수와 기하

   - 중력의 중심

   - 정적/동적 안정성

   - 영역의 기울기

* 접촉 특성

   - 접촉점/길 크기와 모양

   - 접촉 각도

   - 마찰

* 환경 종류

   - 구조

   - 매질

 

   운동의 이론적 분석은 역학과 물리학부터 시작한다. 이 시작점으로부터, 우리는 이동로봇 운동 시스템의 모든 방법을 정의하고 분석할 수 있다. 그러나, 이 책은 이동로봇 주행 문제, 특히 지각, 위치찾기, 인식에 집중한다. 그러므로, 우리는 운동의 물리적 기초에 깊게 들어가지 않을 것이다. 그럼에도 불구하고, 이 장의 세가지 섹션에서 다리 운동, 바퀴 운동, 비행 운동에 대한 이슈의 개요를 소개한다. 3장은 기구학과 바퀴 이동로봇의 제어에 관한 더 자세한 분석을 제공한다.

 

2.3. 바퀴 이동로봇

   바퀴는 이동로봇에서 가장 인기있는 운동 매커니즘이다. 바퀴는 효율이 매우 좋으며 단순한 역학으로도 작동한다.

   게다가, 균형은 바퀴 로봇 디자인에 있어 중요한 문제가 아니다. 왜냐하면 바퀴 로봇은 바퀴가 지면에 모두 닿아있기에 거의 대부분 균형이 잡혀있기 때문이다. 그러므로, 안정적인 균형을 보장하기위해 세개의 바퀴만 있으면 충분하고, 두개만 있어도 때때로 충분할 수도 있다. 세개보다 더 많은 바퀴를 사용하면, 로봇이 울퉁불퉁한 영역을 만났을때 모든 바퀴가 지면과의 접촉을 유지할 수 있도록 도와주는 서스펜션 시스템이 필요하다.

   균형 대신에, 바퀴 로봇 연구는 추진과 안정성, 기동성, 그리고 제어의 문제에 집중하는 경향이 있다. 로봇 바퀴가 어떤 지역이든 주행하기 위해 충분한 추진과 안정성을 제공하는가? 로봇 바퀴의 구성이 로봇의 속도를 넘어서 충분한 제어를 가능케 하는가?

 

2.3.1. 바퀴 운동: the design space

   다양한 바퀴 구성을 통해 이동로봇 운동을 가능케 할 수 있다. 우리는 바퀴를 자세히 논의하는 것으로 시작한다. 왜냐하면 장단점을 가진 다양한 종류의 서로 다른 바퀴 종류가 있기 때문이다. 그리고 나서 우리는 이동로봇을 이ㅜ한 운동의 특정 형태를 수행하기 위해 완전한 바퀴 구성을 시험한다.

 

2.3.1.1. 바퀴 디자인

a) 표준 바퀴 b) 캐스터 바퀴 c) 스웨덴 바퀴 d) 구 바퀴

   네가지 주요 바퀴 종류가 있다. 이 바퀴는 기구학에 따라 서로 매우 다르다. 그러므로 바퀴 종류의 선택은 이동로봇의 전반적인 기구학에 큰 영향을 미친다. 표준 바퀴와 캐스터 바퀴는 회전의 주요축을 가지고 있고, 그러므로 높은 방향성을 지닌다. 다른 방향으로 이동하기 위해, 바퀴는 수직축을 따라 먼저 방향이 바뀌어야 한다. 이 두가지 바퀴 사이에 가장 주요한 차이는 표준 바퀴가 부작없이 조향 동작을 할 수 있는 반면, 캐스터 바퀴는 offset 축 주위로 회전한다. 표준 바퀴는 회전 중심이 지면 접촉점을 지나고, 캐스터 바퀴는 조향을 하는 동안 로봇에 전달되는 힘을 야기한다.

   스웨덴 바퀴와 구 바퀴 설명.

   어떤 바퀴를 사용하든, 모든 영역 환경에 디자인된 로봇에서, 세개 이상의 바퀴를 사용하는 로봇에서, 서스펜션 시스템은 지면과의 접촉을 유지하기 위해 필요하다. 서스펜션을 위한 가장 단순한 접근방식은 바퀴 자체를 유연하게 디자인하는 것이다. 예를 들어, 네개의 바퀴를 가지는 실내 로봇의 경우, 제조자는 서스펜션을 만들기 위해 바퀴에 부드러운 고무 재질의 변형가능한 타이어를 적용한다. 물론, 이 제한된 해결방법은 실제로 사용되는 정교한 서스펜션 시스템과 비교할 수 없다.

 

2.3.1.2. 바퀴 기하

   이동로봇을 위한 바퀴 종류의 선택은 바퀴 배치나 바퀴 기하의 선택과 유관하다. 이동로봇 디자이너는 바퀴 로봇의 운동 매커니즘을 디자인할때 두가지 이슈를 동시에 고려해야한다. 바퀴 종류와 바퀴 기하가 왜 중요한가? 로봇의 세가지 기본 특성은 다음 선택에 의해 정해진다. 기동성, 제어력, 안정성

   자동차와 다르게, 이동 로봇은 다양한 상황에 적용할 수 있게 디자인된다. 자동차는 비슷한 바퀴 구조를 공유한다. 왜냐하면 표준 환경인 포장도로에서 기동성, 제어력, 그리고 안정성을 최대화할 수 있는 디자인 스페이스가 있기 때문이다. 그러나, 서로 다른 이동로봇이 마주하게 되는 다양한 환경을 위해 이러한 품질을 최대화하는 단일의 바퀴 구성은 없다. 그래서 이동로봇의 바퀴 구성은 매우 다양하다. 사실, 자동차의 바퀴 구조를 사용하는 로봇은 거의 없다. 기동성이 부족하기 때문이다. 도로 시스템을 위해 디자인된 이동로봇을 예외로 한다.

   표 2.1은 여러 바퀴로 이루어진 바퀴 구조의 개요를 제공한다. 이 표는 특정 바퀴 종류와 로봇차대에 기하 구성의 선택 모두를 보여준다. 몇몇 구성은 이동로봇에서 거의 사용되지 않는다. 예를 들어, 두개의 바퀴 배치는 보통의 기동성과 부족한 제어력을 가진다. 그럼에도 불구하고, 이 표는 이동로봇 디자인에 있어 다양한 바퀴 구성을 보여준다.

   표 2.1은 다양한 바퀴 구성을 담고 있다. 그러나, 각 구성의 장단점을 이해하는데 도움을 줄 수 있는 중요한 트렌드와 그룹이 있다. 우리는 앞으로 안정성, 기동성, 제어력 측면에서 주요 트레이드오프를 설명하겠다.

2.3.1.3. 안정성

   놀랍게도, 정적 안정성을 위한 최소 바퀴 갯수는 두개이다. 전술하였듯이, 두개의 differential 바퀴 로봇은 무게중심이 바퀴차축 밑에 있는 경우 정적 안정성을 도달할 수 있다.

   그러나, 평범한 환경 하에 이러한 해결책은 비현실적으로 지름이 큰 바퀴를 필요로 한다. 역학 측면에서 두개의 바퀴 로봇은 세번째 접촉점에서 바닥과 충돌할 여지가 있다. 전통적으로, 정적 안정성은 최소 세개의 바퀴를 요구한다. 추가적으로, 세개의 지면 접촉점이 만드는 삼각형 구조 내에 무게중심이 있을 것을 요구한다. 안정성은 바퀴를 더 추가하는 것으로 향상될 수 있다. 만약 접촉점이 세개를 넘으면, 기하의 hyperstatic 상태가 울퉁불퉁한 지역에서의 유연한 서스펜션 형태를 요구할 것이다.

 

2.3.1.4. 기동성

   몇몇 로봇은 여러 방향으로 움직일 수 있다. 그들은 세로축 기준 어떤 방향을 바라보든 지면 (x,y)를 따라 어느때든 어떤 방향으로든 움직일 수 있다. 기동성은 로봇이 하나 이상의 방향으로 움직일 수 있도록 바퀴에 요구한다. 그래서 여러방향을 움직일 수 있는 로봇은 주로 스웨덴 바퀴나 구 바퀴를 채택한다.

   일반적으로, 스웨덴 바퀴나 구 바퀴를 사용한 로봇의 ground clearance는 전방향 바퀴를 만드는데 기계적 한계가 있기에 다소 제한되어있다. ground clearance 문제를 해결하는 동시에 전방향 주행의 문제를 해결하기 위한 최신 방법은 네게의 캐스터 바퀴 구성을 사용하는 것이다. 각각의 캐스터 바퀴는 능동적으로 조향되고, 움직인다. 이 구조에서, 로봇은 전방향으로 움직인다. 만약 캐스터 바퀴가 주행방향에 수직인 방향으로 가야할 경우에도, 로봇은 이 바퀴들을 조향하여 원하는 방향으로 움직일 수 있다. 세로축이 접촉점에서의 경로로부터 offset에 해당하기에, 이 조향 동작의 결과가 로봇 동작이 되는 것이다.

   연구에 따르면, 전방향 주행이 아닌 이동로봇 중 높은 기동성을 가지는 이동로봇이 매우 인기있다. 그런 로봇은, 특정 방향에서의 동작이 처음에 회전 동작을 필요로 할 수 있다. 순환 차대와 로봇 중심의 회전축으로, 그런 로봇은 ground footprint를 바꾸지 않고 회전할 수 있다. 가장 인기있는 그런 로봇은 두개의 differential 바퀴를 가진 로봇이다. 이 로봇은 로봇의 중심점을 기준으로 두개의 바퀴가 회전한다. 하나나 두개의 추가적 접촉점이 안정성을 위해 필요할 수 있다. 

   대조적으로, 자동차의 바퀴 구조를 생각해보자. 자동차는 본인보다 더 큰 지름으로 회전을 한다. 게다가, 자동차는 앞뒤로 반복적인 움직임을 통해 주차를 가능케 한다. 그럼에도 불구하고, 자동차 조향 구조는 취미 로봇 시장에서 특별히 인기가 많다.

 

2.3.1.5. 제어력

   제어력과 기동성은 일반적으로 반비례 관계에 있다. 예를 들어, 네개의 캐스터 바퀴 구조를 지닌 전방향 로봇은 각각의 바퀴에 명령을 내려 원하는 회전 속도와 이동 속도로 변환하는데 상당한 계산을 필요로 한다. 게다가, 이런 전방향 로봇은 바퀴에 더 높은 자유도를 지닌다. 이런 자유도는 슬립의 누적을 야기하고, 추측 주행 정확도를 줄이는 경향이 있으며, 디자인이 더 복잡하게 한다.

   주행의 특정 방향을 위한 전방향 로봇을 제어하는 것은 더 어렵고, 기동성이 더 적은 디자인과 비교했을때 주로 덜 정확하다. 예를 들어, 자동차는 조향 바퀴를 잠그고 구동 바퀴를 구동시킴으로써 단순히 앞으로 직진할 수 있다. Differential 로봇에서는, 두개의 바퀴에 달려있는 두개의 모터가 정확히 같은 속도로 구동되어야 한다. 이는 바퀴, 모터, 그외 환경 변수 등을 고려했을때 상당히 어려울 수 있다. 전방향 로봇에서는, 모든 네개의 바퀴가 직진을 하기위해 정확히 같은 속도를 가져야 하기에 더 어려운 문제이다.

   요약하자면, 안정성, 기동성, 제어력 모두를 만족시키는 완벽한 구조는 없다. 각각의 이동로봇은 고유의 제약조건이 있고, 디자이너는 타협점에서 가장 적합한 구조를 선택해야 한다.

 

2.3.2. 바퀴 운동: 사례 연구

앞으로 네가지 구체적인 바퀴 구조를 볼 수 있다.

 

2.3.2.1. Synchro drive

 

2.3.2.2. Omnidirectional drive

 

2.3.2.3. Trackd slip/ski locomotion

 

2.3.2.4. Walking wheels