A Jumping Robot Capable of Steering, Adjusting the Take-Off Angle, and Self-Righting

Abstract

도약 로봇은 로봇 자신의 크기보다 큰 장애물을 넘어 이동할 수 있다. 도약 운동만으로 원하는 위치에 도달하기 위해 도달 가능한 범위를 넓힐 수 있는 방향 전환, 도약 각도 조절, 자세 교정 기능이 통합된 점핑 로봇들이 개발됐다. 이 때 추가 기능을 통합하면 로봇의 질량이 증가하고 도약 성능이 감소하므로 질량을 줄이기 위한 설계가 필요하다. 본 논문에서는 방향 전환, 도약 각도 조절, 자세 교정이 가능한 도약 로봇을 제안하며, 도약 성능 감소를 최소화하기 위해 메커니즘과 구동기를 공유할 수 있도록 로봇이 설계되었다. 로봇의 질량은 70.1 g으로 최대 높이 1.02 m, 최대 거리 1.28 m를 도약할 수 있다. 또한, 전 방향으로 도약할 수 있으며, 반복 도약으로 더 먼 곳에 도달할 수 있다. 로봇의 거동을 예측할 수 있는 동역학 모델을 세웠으며, 미끄러짐이 없이 도약하는 경우뿐만 아니라 미끄러짐이 포함된 도약에 대해서도 로봇의 거동을 확인하고 도약 궤적을 계획할 수 있다. 구동기의 수보다 많은 기능의 수를 구현하는 설계 방법은 다른 소형 로봇의 설계에 적용할 수 있을 것이다. 이 로봇은 비정형 환경에서 수색, 정찰 혹은 탐사와 같은 임무를 수행하는 데 활용 가능할 것이다.

Jumping enables the robot to overcome obstacles that are larger than its own size. In order to reach the desired location with only jumping, the jumping robots integrated with additional functions –steering, adjusting the take-off angle, and self-righting – have been developed to expand the reachable range of the robot. Design to reduce mass is required as the integration of additional functions increases the mass of the robot and reduces the jumping performance. In this thesis, a jumping robot capable of steering, adjusting the take-off angle, and self-righting is proposed with the design of actuator and mechanism sharing to minimize the jumping performance degradation. The robot, with a mass of 70.1 g jumps up to 1.02 m in vertical height, and 1.28 m in horizontal distance. It can change the jumping height and distance by adjusting the take-off angle from 40° to 91.9°. The robot can jump in all directions, and it can reach farther through multiple jumps. A dynamic model is established to predict the behavior of the robot and plan the jumping trajectory not only for jumping without slip but also for jumping with slip. The design method to implement more functions than the number of actuators can be applied to design other small-scale robots. This robot can be deployed to unstructured environments to perform tasks such as search and rescue, reconnaissance, and exploration.