동특성 해석 기반의 반능동 서스펜션이 탑재된 소형 이동 로봇용 휠 모듈 개발

Abstract

Abstract This study presents the design of a wheel module for a small mobile robot equipped with a semi-active suspension system. It also analyzes the dynamic characteristics of each damping coefficient based on different driving environments using a simulation model. Wheeled mobile robots have limitations in that they cannot keep up with the expanding range of robot application fields, unlike the steadily increasing demand. The wheel module is a hardware application technology used in mobile robots that has recently gained significant attention due to its simplicity in development and production. However, when it comes to a pre-existing wheel module, operating in various environments becomes challenging due to the difficulties of miniaturization and the absence of a suspension system. Therefore, a small wheel module mechanism with a simple design and low freedom was proposed. Also, the damping force was adjusted using a semi-active suspension system to ensure high adaptability in various environments. A simulation model was developed to check and evaluate the performance prior to developing a mobile robot system using an actual wheel module. An experimental mobile robot system has been developed for verification purposes. An obstacle-passing experiment was conducted to test the system's capabilities. The experiment involved measuring and analyzing the vertical acceleration and pitch values of the robot. By evaluating and comparing the results, the range of design variables for the wheel module was predicted, and a more advanced simulation model was developed. Using the improved simulation model, we conducted additional tests to validate the level of vibration that the robot's body experiences under various driving conditions. Traveling speed, obstacle height, and weight of the robot body were selected as the driving conditions. The simulation was used to obtain the vertical displacement of the robot's body. Appropriate damping coefficients were selected for each driving environment, and the effects of changes in these coefficients on driving characteristics were analyzed to identify trends. |본 논문에서는 반능동 서스펜션을 탑재한 소형 이동 로봇용 휠 모듈을 개발하고 이의 시뮬레이션 모델을 통해 주행 환경에 따른 감쇠 계수별 동적 특성을 평가 및 분석하였다. 휠 타입의 이동 로봇은 수요가 꾸준히 증가하는 데에 비해, 로봇 응용 분야의 확장을 따라가지 못한다는 한계가 있다. 휠 모듈은 이동 로봇의 하드웨어 응용 기술 중 하나이며, 개발 및 생산 측면에서의 용이함으로 최근 많은 주목을 받고 있다. 하지만 기개발된 휠 모듈의 경우, 소형화의 어려움 및 서스펜션의 부재로 인해 다양한 환경에서 운용이 어렵다. 따라서 저자유도의 단순한 형태를 갖는 소형 휠 모듈 메커니즘을 제안하였고, 반능동 서스펜션을 통해 감쇠력을 조절함으로써 다양한 환경에서 적응성 높게 사용할 수 있도록 하였다. 실제 휠 모듈을 활용한 이동 로봇 시스템을 개발하기 전에 성능을 확인 및 평가할 수 있도록 시뮬레이션 모델을 함께 개발하였다. 검증을 위해 실험용 이동 로봇 시스템을 실제 제작하여 장애물 통과 실험을 진행하였고 로봇의 수직 가속도 및 Pitch 값을 확인하였다. 실험 계획법 및 최적화 과정을 통해 휠 모듈의 감쇠 계수 범위를 예측하였으며, 결과를 평가 및 비교하여 개선된 시뮬레이션 모델을 확보하였다. 향상된 시뮬레이션 모델을 활용하여 다양한 주행 조건에서 감쇠 계수 변화에 대한 로봇 본체 흔들림 정도를 추가로 확인하였다. 주행 속도, 장애물 높이, 로봇 본체 무게를 주행 조건으로 선정하고 시뮬레이션을 통해 로봇 본체 수직 변위를 구하였다. 주행 환경별 적정 감쇠 계수를 도출하였으며 감쇠 계수의 변화가 주행 특성에 미치는 영향을 분석하고 경향을 파악하였다.