한 계학 집 A , 33 6 , pp. 545~551, 2009

545

<학술논문> DOI:10.3795/KSME-A.2009.33.6.545

복합 바퀴-궤도 메커니즘 반의 소형 로

이장운* · 김병상** · 송재복† (2008 1 월 18 수, 2009 4 월 10 수 , 2009 4 월 27 심사 료)

A Small Robot Based on Hybrid Wheel-Track Mechanism

Jang-Woon Lee, Byeong-Sang Kim and Jae-Bok Song

Key Words : Hybrid Wheel-Track Mechanism(복합 퀴- 도 커니 ), Mobility( 동 ), Clutch

Mechanism(클러치 커니 ), Belt Length Analysis( 트 해 )

Abstract

A small guard robot working indoors or outdoors can be used to report various information on its

environment to an operator. The guard robot should be small-sized and lightweight to increase its portability.

In addition, it should be able to overcome a relatively high obstacle to cope with various situations. To satisfy

these requirements, this paper presents a small robot equipped with a novel hybrid wheel and track

mechanism that can select wheels or tracks depending on the situation. The robot folds the tracks into the

body in the wheel mode and only wheels are active with the tracks immobilized, which results in the fast

moving speed. In the track mode, the tracks are extended to keep in contact with the ground. Furthermore, this

research proposes the belt length maintenance mechanism by which the belt length is kept constant in either

the wheel or track mode. Various experiments demonstrate that the proposed robot can move fast by using

wheels on the smooth terrain and overcome obstacles by using tracks on the rough terrain.

1. 서 론

경비 사 신하여 심스러운 에

어 다양한 보 경비원 나 원격지에

하는 역할 한다. 그리고 다양한 경에 신

하게 동해야 하므 , 동 매우

하다. 동 향상시키 하여 다

양한 들 개 고 나,(1~7)

동 퀴나 도 채택하고 다. 퀴

한 주행 평지에 는 동 지만,

지 고 지 못하거나 애 는 경에

는 동 하는 약 는다. 에, 도

한 주행 험지 주행하거나 애 극복

하는 우수한 능 보 지만, 평지에 는 동

도가 느 동 낮다.(8)

같 해결하 하여 스 엘

Galileo사에 는 신 뛰어난 트

하여 퀴 내 에 도가 돌 는 갈릴

퀴(Galileo wheel) 개 하 다.(9) 갈릴 퀴

는 주행 경에 퀴 또는 도 택하여

주행할 수 다. 그러나 신 는 도는 쉽

게 마 는 단 , 도 신 에는 한

계가 다. 도 게 하지 못하여

도 지 과 다 도 보다

짧다. 캐나다 Sherbrooke 학에 개 한

AZIMUT는 도 우 퀴가 지 과 닿아

퀴 주행 가능하 , 도 사 하여 험지

계단 극복할 수 다.(10) 그러나 평지

† 책 , 원, 고 학 계공학 E-mail : jbsong@korea.ac.kr TEL : (02) 3290-3363 FAX : (02) 3290-3757

* 고 학 계공학

** 고 학 계공학

운 · 병상 · 재복

546

에 퀴 도가 동 한 도 하므

동 도에 한 , 많 수 액 에 가

사 는 단 갖는다.

본 연 에 는 러한 들 극복

하 하여 복합 퀴- 도 커니 (hybrid

wheel-track mechanism, HWTM) 안하 다. Fig. 1

에 나타나 는 HWTM 주행 경에 퀴

또는 도 택할 수 므 , 평지 험지에

게 동할 수 다. HWTM에 도는

퀴 주행 시 몸체 안에 다가, 도 주행

시에 몸체 펼쳐 지 과 하게 다.

(9,10)과는 달리 퀴 도 동 달

경 가 리 어 어 퀴 동 시 고 주행

가능하 , 도 주행 시에는 도

가하여 경사 쉽게 수 다.

같 변 에 는 도

하게 지하는 것 매우 하다. (9)처럼

신 는 트 사 하는 것도 한 지만,

트가 늘어나는 한계가 므 도 게

만들 수 에 없다. 본 연 에 는 도

하게 지하 하여 동 리 태엽스프링

도 트 지 커니 안하 다.

커니 도에 상 항상

지시 주 에 도가 도링크에 탈하

는 것 지한다. 또한, 거리 동할 수

는 동 리는 큰 도 가질 수 도

하여 도 지 사 에 보할

수 다.

본 다 과 같 어 다. 2 에

는 HWTM 동 원리 능에 하여

한다. 3 에 는 한 트

과 한다. 4 에 는 HWTM에

한 시 한 각

능 실험 다루 , 5 에 결 내린다.

2. 복합 궤도-바퀴 메커니

퀴 도는 다 동 에 비하여 동

능 우수하 , 가 단순하여 동 에

하 에 하다. 하지만 퀴 도 역시 단

가지고 , 들 단 가 상

는 양상 보 다. 같 해결하

하여 본 연 에 안한 복합 퀴- 도 커니

퀴 도 택 사 하여 퀴

도 가질 수 도 하 다.

2.1 궤도링크 메커니

도링크(track-link)는 도 트(track belt) 러

여 , 퀴 주행 할 경우

몸체 안에 수납 다. , 도 주행 할

경우, 도링크는 몸체에 펼쳐

도 트 지 사 한다. Fig.

2에 볼 수 는 것과 같 도링크는 2개 링

크 어 , 링크 1 몸체에 연

결 고, 링크 2는 링크 1 말단 에 연결 다.

몸체에 고 어 는 리 1 직경 링크 2

에 고 어 는 리 2 직경 2 므 , 링

크 1 하 , 링크 2는 링크 1에 향

2 도 한다. 들어, Fig. 2(a)

같 링크 1 각도(q1)가 65o 고, 링크 2 각도

(q2)가 -155o 고 가 하 . Fig. 2(b) 같 링크 1

-25o만큼 한다 , 링크 2는 50°만큼

한다. 같 도링크 는 도링크가

상태에 크 가 고, 펼쳐

도주행에 합한 상 갖는다.

2.2 클러치 메커니

복합 퀴- 도 커니 에 퀴주행 드

도주행 드 하 하여 클러치 커니

사 다. 클러치 커니 퀴주

Fig. 1 Hybrid wheel-track mechanism: (a) wheel drive mode, and (b) track drive mode

Fig. 2 Track-link mechanism: (a) folded track-link, and (b) extended track-link

복합 퀴- 도 커니

547

행 하거나 도주행 하는 합하도

변 시키고, 퀴주행 드 도주행

드에 각각 다 감 비 갖도 한다. 클러

치 커니 몸체 앙에 치하 , Fig.

3에 볼 수 는 것과 같 , 어, 웜 어

(worm gear) 웜 (worm wheel) 그리고 공

(hollow shaft) 등 다. 클러치 커니

3개 사 하는 , 2개 주행 는

양쪽에 는 퀴 도 동하는 사

, 1개 변 는 변 변 커니

동시에 동하는 사 다.

우 변 커니 동 원리 살펴본다.

변 능 하 하여 변 가 하

(i) 연결 어 는 평 어 통하여 웜

어 웜 하게 다(ii). 웜 동

도링크에 고 어 는 어 달 다(iii). 그

리고 도링크가 하게 어(iv) 도링크가

몸체 돌 거나 또는 퀴 내

수납 다.

다 주행 드에 동 달 경 에

해 살펴본다. Fig. 4(a)는 퀴주행 드에 주행

동 퀴 달 는 경 보여 다.

퀴주행 드에 는 도 달 는 어열

리 어 어 , 주행 동 퀴 만

달 다. 주행 가 하 (i) 주행 에 연결

어 는 어가 하 (ii) 퀴 동

달 다(v). 주행 에는 54:1 감 비 갖는

감 가 연결 어 , 퀴 연결 는 어

열 어비가 1:1 다.

퀴 지 감 비는 54:1 , 평지에 주행

하 에 합하다.

Fig. 4(b)는 퀴주행 드에 도주행 드

할 주행 동 도 달 는

경 보여 다. 우 주행 드 하는 원리

살펴보 다 과 같다. 변 가 하

변 에 연결 어 는 어가 하 (I), 동

시에 웜 어 웜 하게 다(II). 웜 에

연결 어 는 어는 핀에 연결 어 는 어

시킨다(III). , 핀 스크 내 에 가공

어 는 슬 에 삽 어 , 핀 하

연결 어 는 스크 가 하고,

하는 스크 는 스크 - 트 커니 에 하여

향 직 운동 한다(IV). 스크 직 운동

퀴 연결 는 동 달 경 차단하고,

동시에 도 연결 는 동 달 경

시킨다(V). 같 운동 앞에 한 변

커니 동 할 함께 수행 다. 도

시키 하여 동 가 하 (i) 주행

연결 어 는 어열 도 동

달 다(v). 도 연결 는 어열 2:1 감

비 가진다. 그러므

도 지 감 비는 108:1 , 같 감

비는 험지에 주행하거나 애 극복하 에

합한 크 공하게 다.

2.3 궤도벨트의 길이유 메커니

퀴주행 드 경우, Fig. 5 같 도 트는

동 리 지 어 는 아 들 리(idle pulley)

에 해 몸체 내 에 수납 다. 그리고

도링크가 펼쳐지 도 트는 몸체 돌

다. 만약 동 리가 몸체에 고 어

Fig. 3 Transformation mechanism: (a) side view, and (b) down-side view

Fig. 4 Clutch mechanism: (a) wheel drive mode, and (b) track drive mode

운 · 병상 · 재복

548

다 퀴주행 드에 도주행 드 할

도 트 가 가하여야 한다.

주행 드가 도 도 트 가

하도 동 리 치 해 주는 도

트 지 커니 필 하다.

도 트 지 커니 에 사 하는

동 리는 리 지지 (pulley supporter)에 연결 어

, 몸체에는 리 지지 가 동할 수

는 가 드가 다. 몸체에 수납할 수 는

도 트 는 리 지지 에 연결 는 동

리 수 동 리 동거리에 하여 결

다. 본 연 에 는 하나 리 지지 에 개

동 리 연결하 다. 그리고 리 지지 에

는 태엽스프링(clock spring) 연결하여, 가 드

쪽 향 가하도 하 다.

도 트 지 커니 퀴주행

드에 도주행 드 할 경우, 동 리

가 가 드 아 동할 수 도

하여 도 트 체 하게 지시

다. 그리고 도주행 드에 퀴주행

드 할 경우, 동 리는 태엽스프링 탄

에 하여 가 드 동하여, 도

트 하게 지하 몸체 내

수납할 수 도 한다.

3. 벨트 길이 및 모터의 선정

퀴주행 드에 도주행 드 할 경

우, 도 트 하게 지하 하여

도링크가 하 동 리 치는

동한다. 동 리 동에 해 태엽스프링

에 변 가 생하여 도 트에 가하게 다.

특 , 동 리 치변 가 클 경우 태엽스프링

에 하여 도 트에 큰 생하 ,

변 에 하 한다. 변

하 하여 도-링크 각에

크 계 살펴보았다.

도링크 각과 동 리 치는 비

계 므 , 복 (iterative method) 하여 얻

수 다. , 도 트 는 하다고

가 하 , 도 트 는 다 과 같

리 리 사 도 트 합하여 얻

수 다.

)()PP( ji,,LLi,j

jitotal ¹= å (1)

여 , Ltotal 도 트 , Pi Pj는

i j 째 리 , L(Pi, Pj)는 리 Pi Pj 사

트 다. 우 칭 므 해

단순 하 하여 체 도시스 만

해 상 하 다. Fig. 6 도링크

시키 도 트 하게 지하는

동 리 치 나타낸 것 다.

치에 트 는 약 630 mm 므 ,

체 도 트 는 1260 mm 다. 그리고

도링크가 55o 하는 동안 동 리는 130 mm

동하 다. 동 리가 동하 도 트에

하는 다 과 같 동 리에 생한 변

에 태엽스프링 강 곱하여 얻 수 다.

Fig. 5 Belt length maintenance mechanism: (a) wheel drive mode, (b) track drive mode and (c) clock spring

Fig. 6 Relationship between track-link and position of moving pulley

복합 퀴- 도 커니

549

Jspring

Jspring

spring Kr

ΔyK

r

ΔθF ×=×=

2 (2)

여 Fspring 스프링 탄 , Dq는 태엽스

프링에 생한 변 , rspring (=50 mm) 태엽스

프링 지 , Dy는 동 리 동변 , KJ는 스

프링 상수(= 2.4 mNm/deg) 다. 같 얻 스

프링 탄 도 트에 하는

T 얻 수 다. , 도링크가 함

에 도 트 동 달 경 가 Fig. 7과 같

달 지므 , 할 고 해야

한다.

변 커니 동에 필 한 크 얻

한 시뮬 수행하 다. 앞에 트

할 같 , 해 단순 하여

체 도 시스 만 해 상 하 다.

Fig. 8(a)는 도링크 시에 스프링 도

트에 가하는 나타낸 것 , (b)는 도 트

동 달 경 고 하여 도 트에 생하

는 나타낸 것 다. 트에 생하는

도링크 각 커질수 격 가하

게 는 , 값 도 트 허 하 보다

아야 한다. (c)는 도링크 55o 만큼 시키

하여 태엽스프링 탄 에 해 생하는

하 극복하고, 도링크 시키 해 필

한 크 나타낸 것 다. 그 프에 나타나

는 결과는 도 시스 에 해당하는 값 므

, 실 변 는 약 3 Nm 크 극복해야

한다. (d)는 변 커니 동하 하여 필

한 크 나타낸 것 다. (c) 차

도링크가 44◦ 할 , 도링크가 지 과 만나

게 고, 후 도링크는 본체 지

들어 리게 다. 도링크

시키 해 는 본체 지 에 들어 릴 만큼

하가 해지게 다. 결과도 도 시스

에 한 값 므 , 실 변 는

크는 9 Nm보다 커야 한다. 같 해

탕 변 커니 에 사 하는 할

수 다.

4. 소형 이동로봇의 제작 및 실험

Fig. 9는 복합 퀴- 도 커니 갖는

시 다. 크 는 310 x 250 x 250 mm

, 도 펼쳤 지 과 하는 도

는 500 mm 다.

경량 하여 재는 공업

플 스틱 계 질 우수한 폴리아

탈(polyacetal) 사 하 , 스는 격에 강

한 재 폴리카보 트(polycarbonate) 사

하 다. 폴리아 탈 한 퀴에 지 향

상시키 하여 트 드(tread)가 어 는

고 드 착하 다. 게는 5 kg 다.

퀴 도 동시키 하여 5.5 W DC

Fig. 7 Belt configuration: (a) case A, (b) case B, and (c) case C

Fig. 8 Simulation results: (a) spring force, (b) belt tension, (c) torque required to overcome spring force, and (d) torque required for transformation

Fig. 9 Prototype of hybrid wheel-track mechanism

운 · 병상 · 재복

550

2개 사 하 , 클러치 커니 1.5 W

DC 사 하 다.

4.1 주행모드 변형 실험

Fig. 10 퀴주행 드에 도주행 드

하는 과 보여 다. 도링크 2가 도링

크 1보다 빠 게 펼쳐지 도 트 지

하는 하여 험지 주행하 에

합한 상 갖 다. 그리고 퀴 달 는

동 동 도 트 달 도 동 달

경 하 , 드 하여 약 6

시간 한다. 같 하나

하여 퀴 드 도 드 간 변 과 클러치

커니 동시에 함 할

수 다.

4.2 평 주행 실험

평지주행 능 검 하 하여 Fig.

11과 같 평지주행 실험 수행하 다. Fig. 11(a)

는 퀴주행 드 동하는 경우 , (b)는

도주행 드 동하는 경우 다.

도 감 비 고 하여 얻 동

도는 퀴주행 드에 1 m/s 고, 도주행

드에 0.5 m/s 다.

주행 실험 수행한 결과, 클러치 동 달

에 생하는 마찰 실 하여 퀴주행 드

에 0.4 m/s 도 동하 , 도주

행 드에 0.2 m/s 도 동하 다.

같 동 도는 동하는

향상시킬 수 다.

4.3 장애물 극복 실험

도 동 드에 극복할 수 는 애

는 트 게 심 하

학 계에 해 결 다. Fig. 12(a)에 지

과 하고 는 트 lt 고 하고, 지

게 심 지 거리 rcm 고 가

하 . Fig. 12(b) 같 애 극복하 해

는 게 심 치가 극복하고 하는 애

에 어야 한다 ( , b > a). 같 건

, 다 계식 얻 수 다.

hrcmlt >- bbb tan)sincos(2

, where 0 < b < 90o - a

(3)

여 a는 Pc 게 심 지나

는 과 트 사 각 고, b는 지 과 트 사

각 , h는 애 다. b 값

변 에 해 h가 가 는 극

복할 수 는 애 가 다. 들

어, lt= 50 cm, r cm = 12.5 cm 고 가 하 , b = 38o

h는 값(» 9 cm) 다. , 트

게 심 치가 주어 극복할 수

는 애 가 다. 극복할

수 는 애 향상시키 해 는 트

가시키고, 동시에 게 심

지 에 가 게 계해야 한다. 애

Fig. 10 Switching of driving mode

Fig. 11 Driving test on fine terrain: (a) wheel drive mode and (b) track drive mode

Fig. 12 Overcoming obstacle

Fig. 13 Driving test on rough terrains: (a) overcoming obstacle, and (b) climbing slope

복합 퀴- 도 커니

551

극복하는 과 에 복 는 상

피할 수 다.

Fig. 13(a) 같 도주행 드 하여

애 극복실험 수행한 결과, 4 cm

애 극복할 수 었다. 값

계산한 (» 9 cm)보다 , 는 트 과 지

사 지 하지 않고, 도 동

한 동 달 낮아 생한 것

다. 다 Fig. 13(b) 같 등 능 검

하 하여 등 실험 수행하 , 실험 결과

25o 경사 지 수 었다.

5. 결 론

본 연 에 는 동 향상시키

하여 퀴 도 택 동할 수 는

커니 개 하 다. 그리고 다양한 실험 통

하여 복합 퀴- 도 커니 능 검 하

, 다 과 같 결 도 하 다.

(1) 복합 퀴- 도 커니

평지에 신 하게 동할 수 뿐만 아니 ,

험지에 도 주행 가능하여 동

동 향상시킬 수 다.

(2) 클러치 커니 과 도 트 지 커

니 하여 도주행 드 퀴주행 드

택 동할 수 , 주행 드

하는 약 6 시간 다.

(3) 복합 퀴- 도 커니

도주행 드 하여 4 cm 애

극복할 수 , 울 가 25o 경사

수 다.

본 연 에 개 한 복합 퀴- 도 커니

경비 , 찰 감시 등 주행 경 고

지 못하여 동 에 약 수 는 에

하여 동 향상시킬 수 다.

후 기

본 연 는 지식경 산업 술개 사업(집단

술 한 사 안 개 ) 지원

수행 었 .

참고문헌

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