[논문]비틀림 자이로휠을 이용한 인버티드 펜듈럼의 제어

황정문; 표범식; 김정한

비틀림 자이로휠을 이용한 인버티드 펜듈럼의 제어
Control of Inverted Pendulum using Twisted Gyro-Wheel 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.28 no.10, 2011년, pp.1181 - 1188

황정문 (서울과학기술대학교 기계설계자동화공학부) , 표범식 (서울과학기술대학교 기계설계자동화공학부) , 김정한 (서울과학기술대학교 기계설계자동화공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

A control system for stabilizing a small robot or inverted pendulum using twisted gyro wheel is proposed. Conventional stabilizer using inertial wheel employs action-reaction force/torque to control a pendulum, which can generate relatively small torque and short period of output. In this paper, a novel actuation method using twisted gyro torque in 3-dimentional space was proposed to stabilizing a pendulum by twisting the assembly including a rotating gyro wheel. In addition, two special control functions for this type of twisted gyro wheel were designed. One is the function of self-adjusting the mass center of the robot and the other is the torque reloading configuration for continuous torque generation. The proposed system was verified by experimental result and simulation. The designed twisted gyro wheel control system can be easily packed in a small size module and installed in a humanoid robot or inverted pendulum type mechanism.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 휴머노이드 로봇이나 시스템 안에 완전히 내장(embedded)될 수 있는 형태의 출력 장치를 목표로 개발하였으며, 제안된 장치의 기본 원리는, Fig. 1 과 같이 롤링방향(∅)으로 등속회전하고 있는 자이로 휠의 회전축의 방향을 요 (yaw, ψ) 방향으로 비틀어 피치(pitch, θ)방향의 모멘텀을 발생시켜 제어함으로써 기존의 방식보다 매우 큰 토크를 발생시키는 원리를 사용하여 도립 진자를 제어하는 방식을 제안하고, 이러한 제어 방식에 적합한, 자동으로 무게중심을 찾아주는 원점제어기능(zero-searcher) 및 토크의 연속적인 발생을 위한 토크 리로더(torque-reloader) 제어 알고리듬을 제안하고자 한다.

가설 설정

(b)와 같이 z 축의 제어 입력이 계속 지속적으로 회전하여야 균형이 유지된다.
A. 자이로휠은 일정한 속도로 회전한다.
C. 자이로휠은 지면에 수직으로 위치한다.

제안 방법

1 과 같이 우선 도립진자 전체몸체의 회전축 힌지는 y′ 축에 있으며 궁극적으로 전체 몸체의 기립제어를 목표로 한다. 2 축으로 구성된 구동부는 Fig. 2 와 같이 일정한 속도로 회전(rolling)하는 자이로 휠이 x 축을 회전축으로 장착되어 있으며, 자이로휠(gyro-wheel)을 지지하는 구동부의 어셈블리는 그 전체가 z 축을 중심 으로 회전(yawing)할 수 있도록 설계하였다.
Fig. 4 의 블록다이어그램에서 보는 바와 같이 기본적으로 제어기는 시스템의 기울어진 각도를 이용해서 PD 제어를 사용하며, PD 게인은 시뮬레이션을 이용해 P 게인을 20, D 게인을 60 으로 설계하였다. 게인의 설정은 지글러 니콜스 방법을 약간 완화한 방법을 이용하여 시행 착오법으로 튜닝하였다.
구동부와 지지부를 연결시켜주는 링크부는 전단력 및 하중에도 충분히 견딜 수 있도록 알루미늄을 이용하여 제작하였다. 그리고 아래쪽 축 끝에 엔코더를 연결시켜 시스템의 기울어진 각도를 측정할 수 있도록 하였다. 가장 아래쪽 지지부는 안정감을 위해서 프로파일을 이용하여 틀을 짠 후 무거운 추를 올려서 흔들림을 방지하였다.
또한, 실제 실험 시 발생할 수 있는 노이즈 및 진동을 고려해 화이트 노이즈 또한 실제 실험치를 환산하여 일정량을 더해 주었다. 그리고 초기 무게 중심 오차값은 0.5 도로 설정하였으며, 안정화 후 20 초 지점에서 순간적으로 5 도의 큰 외란을 발생시켜 시스템의 안정화 능력을 시험하였다.
따라서, Fig4 의 (b)에서 보는 바와 같이 자이로 휠의 Yaw 각의 적분 값에 대해 일정한 게인을 곱한 후, 목표 각도 값에 더해 시스템에 영향을 거의 미치지 않으면서 자이로 휠을 다시 초기상태로 돌려주는 토크리로더(torque-reloader) 기능을 개발 및 적용하였다. Fig.
본 논문에서는 제안된 방식의 비틀림 자이로 휠의 제어를 위하여 스스로 로봇의 무게중심을 찾아 제어하는 알고리듬과, 지속적인 토크 생성을 위하여 자동으로 중립상태를 유지하는 두 가지 새로운 알고리듬을 개발하였다.
본 연구에서 사용된 제어기의 기본 구조는 산업용으로 많이 검증된 디지털 PD 제어기 구조를 사용하였으나, 비틀림 자이로휠의 제어를 위하여 특수한 2 가지의 기능을 추가적으로 제안하고 검증하였다.
본 연구에서는 정속 구동하는 자이로 휠을 그 회전축과 직각 축으로 비틀림 제어하여 외부 토크를 발생시켜 도립진자를 제어하는 방법과 그에 필요한 제어기를 설계하였다. 제안된 방식은 기존의 작용-반작용의 관성휠을 사용한 방식에 비하여 발생되는 토크가 크고, 토크를 비교적 오랜 동안 출력시킬 수 있으며, 소형화가 가능한 장점이 있다.
위 동역학 식과 실제 실험에 사용된 파라메터들을 토대를 토대로 전체 시스템의 자세제어 시뮬레이션 및 제어기 설계를 수행하였다. 시뮬레이션에 적용된 파라메터들은 아래와 같다.
제안된 전체 시스템은 크게 구동부, 링크부, 지지부로 나누어진다. 구동부는 힘을 발생시키는 자이로휠(gyro-wheel), 지지대 및 z 축 회전부(ψ)로 이루어지고, 링크부는 구동부와 지지부를 연결해 주는 다리와 기타 연결 부품으로 구성된다.

대상 데이터

제어기에 사용된 DSP 는 Fig. 9 와 같이 DSP320F2812 를 사용하였으며, 시스템의 각도 피드백을 위하여 1 회전에 8000 펄스를 발생시키는 정밀한 엔코더를 y′ 축에 사용하였고, 샘플링 주파수는 100 Hz 로 제어하였다.

이론/모형

4 의 블록다이어그램에서 보는 바와 같이 기본적으로 제어기는 시스템의 기울어진 각도를 이용해서 PD 제어를 사용하며, PD 게인은 시뮬레이션을 이용해 P 게인을 20, D 게인을 60 으로 설계하였다. 게인의 설정은 지글러 니콜스 방법을 약간 완화한 방법을 이용하여 시행 착오법으로 튜닝하였다.

성능/효과

그 후 시스템이 정확히 수직이 된 상태에서 안전위치(safe zone)로 z 축이 시스템에 영향을 미치지 않는 속도로 천천히 수렴을 하는 것을 확인할 수 있다.
본 연구에서는 정속 제어기와 서보팩을 사용하여 A 와 B 가정과 근사하게 구현하였으며, 가정 C 같은 경우는 실제로 작동할 때 그 범위가 ±2° 를 잘 넘지 않으므로 충분히 근사화 하여 계산할 수 있다고 판단된다.
시뮬레이션과 실험을 통하여 제안된 방식의 자이로 휠에서 비교적 큰 무게(전체무게 2.5 kg)의 자세 제어를 하기 위한 충분한 힘이 나온다는 것을 확인할 수 있었으며, 제안된 방식의 자세제어기는 소형화가 가능하여 밀폐된 형태의 박스형으로 설계되어 손쉽게 펜들럼 타입의 메커니즘이나 휴머노이드 로봇 등의 자세제어용으로 사용될 수 있다.
본 연구에서는 정속 구동하는 자이로 휠을 그 회전축과 직각 축으로 비틀림 제어하여 외부 토크를 발생시켜 도립진자를 제어하는 방법과 그에 필요한 제어기를 설계하였다. 제안된 방식은 기존의 작용-반작용의 관성휠을 사용한 방식에 비하여 발생되는 토크가 크고, 토크를 비교적 오랜 동안 출력시킬 수 있으며, 소형화가 가능한 장점이 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	제안된 전체 시스템의 구동부, 링크부, 지지부는 각각 어떻게 구성되는가?	제안된 전체 시스템은 크게 구동부, 링크부, 지지부로 나누어진다. 구동부는 힘을 발생시키는 자이로휠(gyro-wheel), 지지대 및 z 축 회전부(ψ)로 이루어지고, 링크부는 구동부와 지지부를 연결해 주는 다리와 기타 연결 부품으로 구성된다. 그리고 지지부는 구동부와 링크부를 받쳐주는 힌지 이하 부분이다.
	도립진자에 대한 연구는 어떻게 활용될 수 있는가?	도립진자(Inverted-pendulum)에 대한 연구는 다양한 형태의 로봇 및 운송수단의 이동 시 불안정 특성을 해결하기 위하여 활용될 수 있다. 최근 들어 활발하게 연구되고 있는 이족보행로봇도 기본 적으로 도립진자 형태로 모델링될 수 있으며, 세그웨이, 무라타제작소의 자전거로봇 및 혼다의 U3-X 를 비롯한 많은 종류의 이동형 로봇들이 도립진자의 형태를 가지며, 스스로 자세를 제어하면서 동작한다.
	기존의 가스분출 방식보다 인공위성의 수명을 획기적으로 향상시킨 제어기술은?	자세제어 기술은 로봇뿐만 아니라, 인공위성 및 잠수함 등 다양한 분야에서의 활용이 가능한데, 특히 인공위성의 반작용 조절용 바퀴(reactionwheel)를 이용한 자세제어는 기존의 가스분출(gasjet)방식보다 인공위성의 수명을 획기적으로 향상 시켰다.1

참고문헌 (14)

Dertouzos, M. L. and Roberge, J. K., "High Capacity Reaction Wheel Attitude Control," IEEE Transactions on Applications and Industry, Vol. 83, No. 71, pp. 99-104, 1964.

상세보기
Bobtsov, A. A., Pyrkin, A. A. and Kolyubin, S. A., "Adaptive Stabilization of a Reaction Wheel Pendulum on Moving LEGO Platform," IEEE International Conference on Automation and Logistics, pp. 1218-1223, 2009.
Zhang, L. and Tu, Y., "Research of Car Inverted Pendulum Model Based on Lagrange Equation," The 6th World Congress on Intelligent Control and Automation, pp. 820-824, 2006.
Park, M.-S. and Chwa, D. K., "Swing-Up and Stabilization Control of Inverted-Pendulum Systems via Coupled Sliding-Mode Control Method," IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 56, No. 9, pp. 3541-3555, 2009.

상세보기
Shiriaev, A. S., Freidovich, L. B., Robertsson, A., Johansson, R. and Sandberg, A., "Virtual-Holonomic-Constraints-Based Design of Stable Oscillations of Furuta Pendulum: Theory and Experiments," IEEE Transactions on Robotics, Vol. 23, No. 4, pp. 827-832, 2007.

상세보기
Santibanez, V., Kelly, R. and Sandoval, J., "Control of the Inertia Wheel Pendulum by Bounded Torques," Proceedings of the 44th IEEE Conference on Decision and Control, pp. 8266-8270, 2005.
Aguilar, L. T., Boiko, I., Fridman, L. and Freidovich, L., "Inducing Oscillations in an Inertia Wheel Pendulum via Two-Relays Controller: Theory and Experiments," American Control Conference, pp. 65-70, 2009.
Aguilar-Ibanez, C. F., Gutierrez F, O. O. and Suarez Castanon, M. S., "Stabilization of the strongly damping inertia wheel pendulum by a nested saturation functions," American Control Conference, pp. 3434-3439, 2008.
Bapiraju, B., Srinivas, K. N., Prem. Kumar P. and Behera. L., "On Balancing Control Strategies for a Reaction Wheel Pendulum," IEEE India Annual Conference, pp. 199-204, 2004.
He, G.-P. and Geng, Z.-Y., "Optimal Motion Planning for Differentially Flat Underactuated Mechanical Systems," IEEE International Conference on Automation and Logistics, pp. 1567-1572, 2008.
Ortega, R., Spong, M. W., Gomez-Estern, F. and Blankenstein, G., "Stabilization of a Class of Underactuated Mechanical Systems Via Interconnection and Damping Assignment," IEEE Transactions on Automatic Control, Vol. 47, No. 8, pp. 1218-1233, 2002.

상세보기
Anthony, B. and Wallace, F., "Engineering Mechanics DYNAMICS," Prentice Hall, pp. 495-561, 2006.
Andrew, P. and Jaan K., "SI Dynamics," Inter Vision, pp. 531-609, 2005.
http://www.youtube.com/watch?veoJuuEzJZYk

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증