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문제 정의
- 그러므로 본 논문에서는 두 바퀴 역진자형 서비스로봇의 자세 안정화를 위해 로봇의 무게 중심점을 이동하는 방법을 제안한다. 그림 1에 보여진 것처럼 슬라이딩 메커니즘을 이용하여 무게 중심이 바퀴 축에 오도록 제안한다.
- 본 논문에서는 모바일 베이스와 휴머노이드 로봇을 결합한 서비스 이동로봇을 제작하고 균형을 유지하기 위한 방법을 제안하였다. 무게중심 변화에 따라 전후 슬라이드 이동으로 무게 중심점을 두 바퀴의 축 상으로 이동시키는 실험을 하였다.
제안 방법
- 2) 팔의 움직임을 대신하여 로봇의 윗부분의 무게변화를 줄 수 있도록 3 Kg의 무게 추를 달아 움직일 수 있도록 하였다.
- 3) 다양한 무게 변화를 위해 외부힘을 적용하여 실험하였다.
- 그림 12(e)의 무게 추와 슬라이드 위치의 선형적인 관계식을 이용하여 로봇에 작용하는 외부 힘에 따라 슬라이드의 움직임을 유추한 다음 다양한 외부힘에 대한 실험을 수행하였다. 그림 13은 실제 실험 모습을 나타낸다.
- 그러므로 본 논문에서는 두 바퀴 역진자형 서비스로봇의 자세 안정화를 위해 로봇의 무게 중심점을 이동하는 방법을 제안한다. 그림 1에 보여진 것처럼 슬라이딩 메커니즘을 이용하여 무게 중심이 바퀴 축에 오도록 제안한다. 상체와 하체가 허리의 슬라이딩 구조로 인해 수평으로 움직일 수 있어 전체 시스템의 무게 중심 위치를 중심축에 오도록 조절할 수 있게 된다.
- ROBOKER II의 모바일 베이스 부분과 상체의 몸통 부분은 그림 2와 같다. 다양한 작업환경에서 활용이 가능하도록 모바일 베이스 부분과 로봇 매니퓰레이터 부분의 분리가 가능하도록 설계되었다. 매니퓰레이터 부분과 모바일 베이스 부분은 각각 DSP2812에 의해 각각 제어되며, 블루투스 통신으로 상호간에 데이터를 교환하게 된다.
- 다음 실험은 무게 추를 사인경로로 위치를 변경시키면서 무게 중심값에 변화시켜 주고, 이에 대응하는 몸통의 앞뒤 슬라이드의 움직임을 통해 무게 중심점을 바퀴 축 상으로 이동시키는 실험을 하였다.
- 상체가 아래 또는 위로 움직일 수 있도록 설계 되어 있으며, 두 바퀴 구동이 가능하다[13]. 두 팔로 무거운 물체를 들었을 때 무게 중심이 앞으로 쏠리게 되는데 이를 해결하는 방법으로는 밸런싱 기준각도를 설정하여 처리하였다.
- 따라서 제안하는 방법으로 시스템의 무게 중심점을 변경해 주어 외부의 힘 Fd을 소거해 주는 것이다. 외부에서의 힘을 소거하면 무게 중심점이 바퀴 축 상에 놓이게 되어 균형제어가 쉬워진다.
- 로봇의 무게 중심을 두 바퀴의 축 상으로 옮길 수 있도록 매니퓰레이터 부분에 전후 슬라이딩이 가능하도록 설계하였다. 또한, 추후에 장착될 로봇팔의 다양한 작업공간을 확보할 수 있도록 몸통의 상하 운동, 양팔의 어깨조인트 부분의 상하 운동을 가능하도록 설계하였다.
- 로봇의 무게 중심을 두 바퀴의 축 상으로 옮길 수 있도록 매니퓰레이터 부분에 전후 슬라이딩이 가능하도록 설계하였다. 또한, 추후에 장착될 로봇팔의 다양한 작업공간을 확보할 수 있도록 몸통의 상하 운동, 양팔의 어깨조인트 부분의 상하 운동을 가능하도록 설계하였다.
- 제안한 방법을 구현하고자 그림 2와 같이 로봇의 무게 중심점이 두 바퀴의 축 상에 위치하도록 허리 부분에 슬라이딩 구조를 설계, 제작하였다. 로봇팔의 움직임을 대신하여 무게중심의 변화를 줄 수 있도록 하고 균형을 유지하는 실험환경을 구축하여 실험하였다.
- 무게 중심점 변화에 따른 자세제어 실험을 하기 위해 그림 8과 같이 무게변화를 줄 수 있도록 실험환경을 구축하였다.
- 무게 중심점을 두 바퀴의 축 상에 두기 위해 기준 각도를 달리하기 보다는 몸통의 움직임을 통해 무게 중심을 가운데 축에 오도록 하는 슬라이딩 COG 보정방식을 제안한다. 허리 부분에 슬라이딩 구조의 기구설계를 추가하여 보상하였다.
- 본 논문에서는 모바일 베이스와 휴머노이드 로봇을 결합한 서비스 이동로봇을 제작하고 균형을 유지하기 위한 방법을 제안하였다. 무게중심 변화에 따라 전후 슬라이드 이동으로 무게 중심점을 두 바퀴의 축 상으로 이동시키는 실험을 하였다. 힘센서를 이용하여 무게 중심점에 대해 분석하고 무게 중심점의 이동에 의한 외부 힘과의 평형점을 찾아 무게 중심점이 두 바퀴의 축 상에 위치하도록 제어하여 균형을 유지하도록 하였다.
- 본 논문에서는 몸 전체가 기울어져 균형을 유지하지 않는 새로운 개념의 슬라이딩 제어방법을 제안하고 ROBOKER II를 제작하여 실험하였다.
- 대부분의 역진자 이동로봇에 대한 실험은 그림 4(a)의 로봇의 형태로 무게 중심점이 항상 시스템의 일정한 지점에 존재하도록 되어 있어 시스템을 간략화하면 그림 4(b)와 같이 표현된다. 센서 융합 방법을 통하여 밸런싱 각도를 추정하고 제어하는 다양한 실험을 통하여 밸런싱 제어성능을 검증하였다[4].
- 제안한 방법을 구현하고자 그림 2와 같이 로봇의 무게 중심점이 두 바퀴의 축 상에 위치하도록 허리 부분에 슬라이딩 구조를 설계, 제작하였다. 로봇팔의 움직임을 대신하여 무게중심의 변화를 줄 수 있도록 하고 균형을 유지하는 실험환경을 구축하여 실험하였다.
- 무게 중심점을 두 바퀴의 축 상에 두기 위해 기준 각도를 달리하기 보다는 몸통의 움직임을 통해 무게 중심을 가운데 축에 오도록 하는 슬라이딩 COG 보정방식을 제안한다. 허리 부분에 슬라이딩 구조의 기구설계를 추가하여 보상하였다.
- 무게중심 변화에 따라 전후 슬라이드 이동으로 무게 중심점을 두 바퀴의 축 상으로 이동시키는 실험을 하였다. 힘센서를 이용하여 무게 중심점에 대해 분석하고 무게 중심점의 이동에 의한 외부 힘과의 평형점을 찾아 무게 중심점이 두 바퀴의 축 상에 위치하도록 제어하여 균형을 유지하도록 하였다.
성능/효과
- 그림 9에서 보면 초기 무게 중심점이 앞부분에 있으므로 F2값이 크게 나온다. 무게 중심을 맞추기 위해 측정된 힘을 기반으로 슬라이드 위치를 바꾸어 줌으로써 11.5초 부근에서 12.8N으로 힘이 같게 됨을 확인할 수 있다.
- 그림 12는 무게추의 값의 변화에 따라 F1=F2의 위치로 슬라이드의 위치가 이동하는 것을 실험한 결과이다. 무게추의 변화에 따라 허리구조가 무게 중심점으로 이동하는데 2-3초정도의 시간이 소요됨을 확인할 수 있었다. 실험적으로 얻은 데이터를 기반으로 시스템의 변화에 따른 무게 중심점을 구할 수 있다.
- 무게추가 앞뒤로 움직일 때마다 허리부분의 슬라이드도 따라 움직이는 것을 볼 수 있다. 슬라이드 위치 변화만으로 빠르게 변하는 시스템의 무게 중심점을 완전히 추종할 수는 없지만, 무게 중심점 변화를 감소시키는 영향을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 선형적 데이터를 이용하면 추후에 힘센서 없이 payload의 무게에 따른 슬라이딩 움직임을 구할 수 있다. 추후 연구로는 로봇 상체에 로봇 팔을 장착하여 팔의 움직임 및 외부 힘과의 작용에 따른 자세 안정화 실험을 진행할 예정이다.
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