A Study on Obstacle Overcoming utilizing Spoke-based Wheel with Inclined Trajectory

Abstract

In this study, a wheel mechanism with a drivability and an obstacle overcoming ability is proposed. The proposed spoke-based wheel with one degree of freedom(1DOF) consists of a wheelbase, spokes, and a driving shaft. The design parameters of the proposed mechanism are an assembling angle between the spokes and the wheelbase and a tilting angle of the driving shaft. By the relation of these two angles, the wheel shape the trajectory characteristics are determined. The proposed wheel generated a specific trajectory under the certain condition that the sum of the design parameters becomes a critical angle. When the relationship of the two design factors is 90°(as a critical angle), the wheel mechanism can generate a unique spoke wheel shape. The trajectory is not only perpendicular to the ground, but also is parallel to the ground. This can be expanded to wheel mechanism that can overcome obstacles as well as walking and driving with irregular. The mechanism can climb continuous obstacles by changing the number of spokes and the length of the spokes. Based on the proposed mechanism, an Angled Spoke based Wheel (ASW) with six spokes of the same length was introduced. Since the trajectory created by the parameter relations at the critical angle 90° is perpendicular to the ground, the wheel has a same contact mechanism with a conventional spoke wheel. From the characteristics, it can drive at high speed on various surfaces and have an ability to overcome various types of obstacles. In addition, the robot that applied ASW can have a high payload despite the small size and light weight. Since the generated trajectory does not rise above the height of the drive shaft, various devices can be installed on the top of a robot without any interferences. Because the driving shaft height is higher from the ground by the driving shaft tilting angle, it has an advantage in overcoming obstacles on irregular surfaces and driving. To verify the effectiveness of ASW, a small robot (length: 85mm, weight: 208g) was manufactured and its mobility, payload, climbing ability, and obstacle overcoming ability were verified. The robot tested its driving ability on various surfaces such as soil, gravel, concrete, and carpet. The maximum speed was 18 body lengths per second on the carpet, and the payload was 100% of the robot's weight without any speed down during tests. To confirm the maximum obstacle overcoming height that ASW can overcome, the trajectory was mathematically modeled, and the results were verified experimentally. The maximum obstacle overcoming height was 23.5mm, which is about 70% of the spoke length. In the case of continuous obstacles such as stairs, the maximum slope was 37.5°. It also showed that it is possible to overcome not only irregular surfaces such as soil, sand, and gravel, but also arbitrarily formed obstacles such as tangled ropes. The proposed mechanism is extended to an Inclined Trajectory Wheel (ITW), one degree of freedom. The principle of ITW is utilizing the difference in length of two spokes to overcomes high obstacles. In particular, the ability of the proposed mechanism was confirmed by applying it to the exterior wall cleaning robot platform that requires high obstacle overcoming ability. The same design parameters and critical angles of ITW are same with ASW. Since geometrical characters of the wheel trajectory generated at the critical angle does not invade the upper and lower space of the robot, it makes possible to maximize the space efficiency of the robot. Because this can satisfy the requirement of the wall cleaning robot that install the thruster unit at the top of the robot and the cleaning unit at the bottom. Also, by using the short spokes as a driving wheel, there is an advantage in making the robot compact and modular. To secure the orientation of the stability after overcoming high obstacles, the reaction force at each caster was analyzed. Based on the reaction force analysis results, the conditions of a rope connection assembly were decided to secure the orientation without compensating the distance in the gantry during or after overcoming obstacles. To verify the ITW's ability to overcome a high obstacle, a 6m high test bench and a 0.3m high obstacle were manufactured. The ability of ITW was confirmed with a scenario defining the angular position of the ITW. In addition, the scenario was supplemented for stable overcoming so that collisions with obstacle edges can avoid through additional experiments. Using the proposed mechanism, the indoor service driving robot “dodo” was produced and exhibited at 2020 CES Show. In addition, by expanding the scope of application of ASW, another research project is being conducted with ASW that can perform special duties in rough terrain such as sandy and amphibious environment. |경사 궤적을 갖는 스포크 휠 메커니즘을 이용한 장애물 극복에 관한 연구

본 연구에서는 기울어진 궤적을 이용하여 장애물을 극복할 수 있는 1 자유도의 휠 메커니즘을 제안한다. 스포크와 휠 베이스의 조립 각도(θ)와 동력 전달 샤프트의 기울어진 각도(ϕ)의 설계범위의 조합으로 생성가능한 휠 형상을 분류하고 그에 따른 휠 궤적 특성을 분석하였다. 이때 두 각도 설계인자의 기하학적 관계가 θ=ϕ=45° 도에서 생성되는 스포크 휠의 형상을 도출하였다. 임계각도에서 도출된 휠 궤적은 지면에 수직으로 접촉하면서 동시에 지면에 평행한 궤적을 가진다. 본 연구에서는 도출된 메커니즘을 이용하여 평면주행 휠에 적용하여 다양한 장애물 극복, 평면 주행 뿐만아니라 높은 장애물 극복 할 수 있는 휠 메커니즘으로 확장하였다. 길이가 동일한 스포크가 6개로 구성되어 경사진 궤적을 갖는 ASW (Angled Spoke-based Wheel)은 다양한 장점을 가진다. 지면과 수직이기 때문에 기존 스포크 휠과 유사한 메커니즘으로 지면에 접촉한다. 때문에 다양한 표면에서 빠른 속도로 주행이 가능하고 다양한 형태의 장애물을 극복 능력을 가질 수 있다. 또한 생성된 궤적이 지면과 평행하면서 구동 샤프트의 높이 이상으로 올라가지 않기 때문에 기존의 휠 대비 공간 효율성을 극대화할 수 있다. 뿐만아니라 구동 샤프트의 틸팅 각도에 의해 하부의 구동축이 지면으로부터 높기 때문에 불규칙한 표면에서의 장애물 극복 및 주행에서 유리한 장점을 가진다. ASW의 효용성을 검증하기 위하여 소형 로봇(길이: 85mm, 무게: 208g)을 제작하여 기동성, Payload, 등반 능력 및 장애물 극복 능력을 검증하였다. 제안된 휠이 적용된 로봇은 흙, 자갈, 콘크리트, 카펫과 같이 다양한 지면에서 주행 능력을 확인하였다. 최대 속력은 케펫 위에서 초당 18배의 로봇 길이의 속도(Body lengths per second)였으며, Payload는 로봇 무게 100%까지 속도 저하 없이 동일한 속도로 운반 가능함을 보여주었다. ASW가 극복할 수 있는 최대 장애물 극복높이를 확인하기 위하여 그 궤적을 수식적으로 모델링하고 그 결과를 실험적으로 검증하였다. 최대 장애물 극복 높이는 스포크 길이의 약 70%인 23.5mm였고, 계단과 같이 연속 장애물의 경우 37.5°도까지 다양한 연속 장애물을 극복할 수 있는 능력을 보여주었다. 또한 흙, 모래, 자갈과 같이 불규칙한 지표면 뿐만아니라 얽힌 로프와 같이 임의로 형성된 장애물도 극복 가능함을 확인 하였다. 또한 길이가 다른 2개의 스포크의 길이 차이를 이용하여 높은 장애물을 극복하는 1자유도의 경사 휠, ITW (Inclined Trajectory Wheel)로 확장하였다. 높은 장애물극복 능력이 요구되는 외벽청소 로봇 플랫폼에 적용하였다. ITW는 ASW와 동일한 설계변수와 임계각을 사용한다. 특히 임계 각도에서 생성된 휠 궤적은 로봇의 상하 공간을 침범하지 않기 때문에 외벽 청소 로봇과 같이 로봇 상단에 Thruster unit와 하부에 cleaning unit의 배치가 요구되는 Layout 측면에서 공간 효율성을 극대화할 수 있다. 또한 짧은 스포크를 주행 휠의 역활을 함으로써 로봇의 Compact화 및 모듈화에 장점이 있다. 높은 장애물 극복 후 자세 안정성을 확보하기 위하여 장애물 극복 후 캐스터에서의 반력을 분석하였다. 그 결과를 바탕으로 장애물 극복 후 겐트리에서 별도의 장치 없이 자세 안정성을 확보할 수 있는 조건을 도출하였다. ITW의 장애물 극복 능력을 검증하기 위해 6m 높이의 테스트 벤치와 0.3m 높이의 장애물을 제작했다. ITW의 전/후방 휠의 각도를 정의한 시나리오를 작성하고 그에 따른 Gait를 활용하여 장애물 극복 능력을 확인하였다. 또한 실험 과정에서 확인된 장애물과의 충돌이슈를 해결하기 위하여 시나리오를 보완하였다. 현재 제안된 메커니즘 연구 결과를 활용하여 2건의 특허 출원과 ASW 기반 실내 주행용 무빙 플랫폼인 “dodo”를 제작하여 CES Show에 출품하였다. 또한 ASW의 적용 범위를 넓혀서 다양한 환경에서 다양한 미션을 진행할 수 있는 휠의 연구를 진행하고 있다.