Development of an Automatic Deployment Airbag System for a Hybrid Throwbot

Abstract

Throwbots can be rapidly deployed over obstacles into target areas, but they are highly vulnerable to landing impacts that may damage the structure and onboard electronics. Conventional cushioning mechanisms, such as protective shells, compliant wheels, or springs, can reduce impact loads; however, they often increase the mass and size of the robot, thereby reducing throwability and complicating field maintenance. To address these limitations, this study proposes an airbag-based protection system with a single-IMU-based automatic deployment strategy that preserves throwability while mitigating landing shock. An integrated dynamic, geometric, and thermodynamic model is developed to estimate bottom-out conditions and derive a clearance- based design criterion for the airbag system. In addition, an IMU-based deployment algorithm estimates the throwing state and determines the appropriate deployment timing during flight. The proposed system was validated through drop and throwing experiments, confirming its ability to reduce landing impact, avoid bottom- out, and maintain post-landing mobility. These results demonstrate the feasibility of the proposed airbag system as a practical impact protection solution for throwbots. Keywords: Airbag-based impact mitigation, Throwbot, IMU-based autonomous deployment|본 논문은 투척 로봇의 착지 충격을 완화하기 위한 에어백 기반 보호 시스템을 제안한다. 투척 로봇은 목표 지점에 빠르게 투입될 수 있지만, 착지 시 발생하는 충격으로 인해 구조물과 내부 전자 장치가 손상될 위험이 크다. 기존의 충격 완화 구조는 충격을 줄일 수 있으나, 로봇의 크기와 질량을 증가시켜 투척성을 저하시킬 수 있으며 현장 유지보수 측면에서도 한계가 있다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 에어백 시스템과 단일 IMU 기반 자동 전개 전략을 개발하였다. 동역학, 기하학 및 열역학을 통합한 모델을 통해 바텀아웃 조건을 예측하고, 간극 기반 설계 기준을 도출하였다. 또한 IMU 기반 알고리즘을 통해 비행 중 투척 상태를 추정하고 적절한 전개 시점을 결정하였다. 낙하 및 투척 실험을 통해 제안한 시스템이 착지 충격을 완화하고, 바텀아웃을 방지하며, 착지 후 기동성을 유지할 수 있음을 확인하였다. 이러한 결과는 제안한 에어백 시스템이 투척 로봇을 위한 실용적인 충격 보호 방법으로 활용될 수 있음을 보여준다.