[논문 리뷰] "RollRoller" Novel Spherical Mobile Robot Basic Dynamical Analysis and Motion Simulations

Seyed Amir Tafrishi|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 19.

Control and Dynamics of Mobile Robots참고 문헌 35인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 중력, 토크 및 운동량을 이용한 전방위 주행을 가능하게 하는 내부 구동 장치(IDU)를 갖춘 신개념 공기 압력 구동 구형 이동 로봇 'RollRoller'을 제안한다. 오일러-라그란주 역학 및 MATLAB Simulink과 Adams/View에서의 시뮬레이션을 통해 전진 및 원형 운동을 검증하였으며, 피드백 제어 없이도 성공적인 자율 주행을 입증하여 탐사 및 구조 임무에 실현 가능한 대안으로서 RollRoller의 가능성을 제시한다.

ABSTRACT

This paper introduces novel air actuated spherical robot called "RollRoller". The RollRoller robot consists of two essential parts: tubes covered with a shell as a frame and mechanical controlling parts to correspond movements. The RollRoller is proposed to be high potential alternative for exploration and rescue missions robots because robot utilizing its locomotion via all possible deriving methods (gravity, torque and angular momentum forces). In beginning , characteristic and role of each of component and features were explained. Next, to determine the uniqueness of this robot, the known and other extra possible motions are shown by proposing their own algorithmic movements. To illustrate main motion of this robot was inherent to mathematical models, the forward direction dynamical behavior on flat surface was derived. Additionally, Matlab Simulink was used to plot the results to validate the behavior for both fractional and non-fractional terrains. Lastly, after designing the model of robot in Solidworks Program, Adams/View visualization software ( the robot simulated form ) was utilized to proof the Matlab Simulink results and to show the more detailed and complete form of locomotion including the forward direction and circular locomotion in proposed robot.

연구 동기 및 목표

• 보다 향상된 주행 유연성을 확보하기 위해 혁신적인 내부 구동 장치(IDU)를 갖춘 신개념 구형 이동 로봇 'RollRoller'을 개발하는 것.
• 오일러-라그란주 방정식을 활용해 로봇의 역학을 분석하고 전진 및 회전 운동을 위한 비선형 운동 모델을 유도하는 것.
• MATLAB Simulink 및 Adams/View에서의 시뮬레이션을 통해 전진 및 원형 주행을 위한 로봇의 운동 행동을 시뮬레이션하고 검증하는 것.
• 로봇의 설계 및 검증을 위한 SolidWorks 모델을 제작하고, 이를 Adams/View로 가져와 세밀한 동역학 시뮬레이션을 수행하는 것.
• 포괄적인 시뮬레이션 기반 검증을 통해 로봇의 실제 적용 잠재력을 탐사 및 구조 임무에 적용 가능한지 평가하는 것.

제안 방법

• 전진 운동의 경우 마찰이 있는지 여부에 따라 오일러-라그란주 방법을 활용해 RollRoller의 역학에 대한 수학적 모델을 수립하였다.
• 다양한 지형 조건에서의 이동 성능을 시각화하고 검증하기 위해 MATLAB Simulink에서 수치 시뮬레이션을 구현하였다.
• 모델링 통합을 위해 케이지, 튜브 및 내부 코어 메커니즘을 포함한 로봇의 물리적 구조에 대한 3차원 SolidWorks 모델을 제작하였다.
• Adams/View로 SolidWorks 모델을 가져와 다물체 역학 시뮬레이션을 수행하였으며, 원형 전복 등의 복잡한 운동을 시각화할 수 있었다.
• 피드백 제어 없이도 내부 질량 이동 및 운동량을 기반으로 한 전진 및 원형 주행을 위한 운동 알고리즘을 설계하고 시뮬레이션하였다.
• MATLAB 및 Adams/View 플랫폼 간의 일관성과 정확도를 확보하기 위해 시뮬레이션 결과를 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RollRoller의 내부 구동 장치(IDU)는 중력, 토크 및 운동량 힘을 통해 어떻게 전방위 주행을 가능하게 하는가?
• RQ2 평탄한 표면에서 RollRoller의 전진 운동을 지배하는 비선형 역학 방정식은 무엇이며, 마찰은 어떻게 고려되는가?
• RQ3 MATLAB Simulink 및 Adams/View에서의 시뮬레이션 결과는 이론적 역학 및 예상되는 운동 행동을 어느 정도 확인하는가?
• RQ4 RollRoller은 피드백 제어 없이도 안정적인 원형 주행을 달성할 수 있는가? 이 운동을 가능하게 하는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 내부 질량 분포(코어 위치)는 로봇의 질량 중심과 주행 중 회전 역학에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 오일러-라그란주 방법을 통해 마찰이 있는지 여부에 관계없이 RollRoller의 비선형 역학을 성공적으로 유도하였으며, 이는 탄탄한 이론적 기반을 제공하였다.
• MATLAB Simulink 시뮬레이션을 통해 RollRoller의 예상 동작이 확인되었으며, 질량 중심 역학에 의해 Y축 이동이 약 0.32미터로 수렴하는 것으로 나타났다.
• Adams/View 시뮬레이션은 MATLAB 결과를 검증하였으며, 일관된 궤적 패턴을 보이며 정확한 전진 및 원형 주행을 입증하였다.
• 피드백 제어 없이도 비대칭 내부 질량 분포와 운동량에 의해 안정적인 90도 전복 운동을 달성하였으며, 코어에서 약간의 진동이 관측되었다.
• SolidWorks 모델링과 Adams/View 시뮬레이션의 조합을 통해 질량 분포 영향과 경로 추적을 포함한 복잡한 주행의 세밀한 시각화가 가능해졌다.
• 모든 시뮬레이션 결과가 플랫폼 간 일관되었으며, 이는 RollRoller가 향후 구조 및 탐사 임무에 실제 구현 가능한 실용적 이동 로봇로서의 가능성을 확인시켰다.