A Study on Jumping Robot with Balance Control Mechanism

Abstract

Reconnaissance robots should be able to avoid obstacles stably and quickly. In this paper, a prototype of a jump robot using a momentum wheel was proposed to reduce the volume of a conventional control mechanism of a jump robot. In addition, jumping simulation was performed based on the designed jump robot. The jumping experiment of the Guinea fowl jumping robot implemented based on the simulation was carried out. In the case of non-hallux model, the robot can jumped forward 75 cm and the maximum jumping height was 13 cm. On the other hand, In the case of hallux model, the jump trajectory was vertical, and the maximum jumping height was 19.5 cm. During the jumping, the body angle of the robot was tilted forward by 42 degrees, and a momentum wheel was installed on the robot to reduce energy loss. Next, two experiments were conducted to see how the momentum wheel affects the robot's balance control. In the first experiment, it was confirmed that the body angle of the robot can be controlled up to 23 degrees by applying the angular acceleration to the momentum wheel after fixing the robot to the linear guide of 1-DOF. It is confirmed by dynamic analysis that the body angle can be controlled theoretically up to 52.22 degrees. It is confirmed that the difference between the theoretical value and the experimental value is 39%, and in order to reduce this, it is concluded that the motor used when driving the momentum wheel should be modified. In the second experiment, the robot was fixed to the 2-DOF linear guide , and the experiment was conducted to see the robot can land vertically when the momentum wheel operated. Experimental results show that the body angle can be controlled by 25 degrees using the momentum wheel, and it is confirmed that the body can be landed on the jumping plate again.|정찰 로봇은 장애물을 안정적이고 신속하게 피할 수 있어야한다. 본 논문에서는 이러한 기능을 실현하기 위해 뿔 닭을 모사하였으며, 기존의 점프 로봇의 균형 제어 메커니즘이 가지는 부피를 줄이기 위해 모멘텀 휠을 이용한 점프 로봇의 프로토타입을 제안하였다. 또한 설계한 점프 로봇을 바탕으로 점핑 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션을 바탕으로 구현한 점프 로봇의 점핑 실험을 진행하였으며,이때 뿔 닭의 뒷꿈치를 추가하지 않았을 때에 로봇은 앞으로 75cm 를 뛰었으며, 최고 점프 높이는 13cm 였다. 이와 반대로 뿔 닭에 뒷꿈치를 추가할 경우 점프 궤적은 수직으로 나왔으며, 점프 높이는 19.5cm 였다. 점프를 하면서 로봇의 바디 앵글은 앞으로 42 도 기울어 졌으며, 이때 발생하는 에너지 손실을 줄이기 위해 모멘텀 휠을 로봇에 설치하였다. 다음으로 모멘텀 휠이 로봇의 자세제어에 미치는 영향을 보기 위해 두 가지 실험을 진행하였다. 첫 번째 실험에서는 1 자유도의 리니어가이드에 로봇을 고정한 후 모멘텀 휠에 각가속도를 부여하여 로봇의 바디 앵글을 최대 23 도까지 제어할 수 있음을 확인하였고, 동역학적 분석을 통해 이론적으로 최대 52.22 도 까지 바디 앵글에 대한 제어가 가능하다는 것을 확인하였다. 이를 통해 이론값과 실험값의 차이는 39%인 것을 확인하였으며, 이를 줄이기 위해서는 모멘텀 휠을 구동할 때 사용되는 모터를 수정해야한다는 결론을 도출하였다. 두 번째 실험으로 2 자유도의 리니어가이드에 로봇을 고정한 후 점프를 할 때 모멘텀 휠을 돌려 제자리에 착지할 수 있는지에 대한 실험을 진행하였다. 실험 결과를 통해 모멘텀 휠을 이용하여 바디 앵글을 25 도 제어할 수 있다는 것을 확인하였고 점프 플레이트에 다시 착지 할 수 있는 것을 확인하였다.