[논문]전방향 셀프-밸런싱 로봇휠체어 개발

유재림; 박윤수; 김상태; 권상주

doi:10.7746/jkros.2013.8.4.229

전방향 셀프-밸런싱 로봇휠체어 개발
Development of a Omni-directional Self-Balancing Robot Wheelchair 원문보기

로봇학회논문지 = The journal of Korea Robotics Society, v.8 no.4, 2013년, pp.229 - 237

유재림 (School of Aerospace and Mechanical Engineering, Korea Aerospace University) , 박윤수 (School of Aerospace and Mechanical Engineering, Korea Aerospace University) , 김상태 (School of Aerospace and Mechanical Engineering, Korea Aerospace University) , 권상주 (School of Aerospace and Mechanical Engineering, Korea Aerospace University)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we report a self-balancing robot wheelchair which has the capability of keeping upright posture regardless of the terrain inclination in terms of the three dimensional balancing motion. It has the mobility of five degrees of freedom, where pitching, yawing, and forward motions are generated by the two-wheeled inverted pendulum mechanism and the rolling and vertical motions are implemented by the movement of the tilting mechanism. Several design considerations are suggested for the sliding type vehicle body, wheel actuator module, tilting actuator module, power and control system, and the riding module.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 기존 역진자형 밸런싱 로봇에 횡방향 틸팅 기구를 도입한 틸팅형 로봇휠체어를 제시한다. 틸팅 동작을 활용하면 휠체어가 경사지를 주행할 때에도 탑승자가 항상 직립자세를 유지할 수 있으며, 급선회 상황에서는 틸팅 각도에 의한 중력보상 효과로 로봇이 전복되는 것을 방지할 수 있다.
밸런싱 로봇휠체어는 일반적인 전동휠체어에 비해 소형 경량으로 설계할 수 있고 민첩한 선회 동작이 가능하다는 장점이 있는 반면, 피치 방향으로 역진자 운동 특성을 갖기 때문에 안정적인 자세제어 시스템을 확보하는 것이 가장 기본적인 과제이다. 본 연구에서는 다양한 실내외 주행 실험을 통해 전방향 밸런싱 기능을 구현하고 안정적인 주행 성능을 확보하는 것을 목표로 하였다. Fig.
밸런싱 로봇휠체어는 소형경량의 차체, 제자리 선회 같은 장점 때문에 실내외의 혼잡 지역에서 장애인 및 노약자들의 개인용 주행기기로 활용하기에 적합하다. 이 논문에서는 횡방향 틸팅 기구를 도입한 전방향 밸런싱 로봇휠체어 개발에 관한 내용을 다루었다. 틸팅 동작을 구현하기 위하여 좌우 블록이 상호 슬라이딩하는 형태의 분리형 차체를 설계하였으며, 역학적 분석에 기반하여 바퀴 축, 볼 나사, 휠 구동부, 틸팅 구동부 등 차체 구성 요소의 제원들을 결정하였다.

가설 설정

각 파라미터 값들은 Table 4와 같다. 바퀴의 두께는 무시하며, 각 파트의 무게중심은 중앙에 있고, 최대 슬라이딩 거리(s)의 중간 지점에 반력 모멘트의 합이 작용한다고 가정한다. 이 때 각각의 강체에 대하여 평형 방정식을 적용한 후에 정리하면, 볼 나사와 블록의 연결점인 A, B에서 볼 나사의 길이 방향으로 작용하는 정역학적 하중은 결론적으로 다음 식과 같다.

제안 방법

그러나 지름이 너무 크면 볼스크류의 질량관성모멘트가 증가하고, 리드가 작으면 나사의 이동 속도가 감소하는 단점이 있다. 본 연구에서는 볼 나사에 작용하는 최대 하중을 (5)~(6)식에 의거하여 산출하였고, 틸팅 속도 스펙을 만족시키는 볼 나사의 제원을 길이 140 mm, 직경 32 mm, 리드 5 mm로 결정하였다.
이제 볼 나사에 작용하는 하중에 대하여 나사를 회전시키기 위하여 요구되는 구동기 힘을 계산한다. 나사 산에 작용하는 힘은 Fig.
11과 같다. 주 제어기로는 미니 PC를 사용하였으며 Windows OS 환경에서 C++ 기반으로 제어 프로그램을 개발하였다. 휠 구동기는 400 Watt 급 BLDC 모터로서 모터 드라이버는 PC와 USB 통신을 통해 구동 명령을 전달 받는다.
이 논문에서는 횡방향 틸팅 기구를 도입한 전방향 밸런싱 로봇휠체어 개발에 관한 내용을 다루었다. 틸팅 동작을 구현하기 위하여 좌우 블록이 상호 슬라이딩하는 형태의 분리형 차체를 설계하였으며, 역학적 분석에 기반하여 바퀴 축, 볼 나사, 휠 구동부, 틸팅 구동부 등 차체 구성 요소의 제원들을 결정하였다. 또한 시스템 통합 및 주행 실험을 통하여 밸런싱 로봇휠체어로서의 기본적인 성능을 확인하였다.

대상 데이터

개발된 로봇휠체어의 차체는 휠 구동기, 틸팅 구동기, 볼 나사(ball screw)를 포함하는 좌우 차체 블록과 탑승 모듈이 장착되는 상부 플랫폼으로 구성된다. 볼 나사는 토크 전달 효율이 우수하고 가반 하중이 크다는 장점을 갖는다.
본 논문에서 제시하는 전방향 밸런싱 로봇휠체어 플랫폼은 이륜 역진자 기구와 틸팅 기구로 구성되어 있으며 총 5자유도 운동을 한다. Fig.
한편, 자세제어 성능은 자이로 센서의 분해능과 대역폭에 크게 의존한다. 실험에 사용된 자이로 측정값의 갱신주기는 50 msec이며 휠 모터의 제어입력 주기는 15 msec이다. 경험적으로 불규칙한 지면에서 보다 강인한 자세제어 성능을 갖추기 위해서는 제어입력의 갱신 주기와 자이로의 샘플링 주기를 수 msec 수준으로 낮추어야 한다.
제작된 로봇휠체어는 캐스터 위치가 좌표계 원점으로부터 x = 400 mm, y = 295 mm에 위치한다. 따라서 Table 1에 제시된 허용 피치각과 틸팅각에 대한 캐스터의 높이는 지면으로부터 182.

성능/효과

틸팅 동작을 구현하기 위하여 좌우 블록이 상호 슬라이딩하는 형태의 분리형 차체를 설계하였으며, 역학적 분석에 기반하여 바퀴 축, 볼 나사, 휠 구동부, 틸팅 구동부 등 차체 구성 요소의 제원들을 결정하였다. 또한 시스템 통합 및 주행 실험을 통하여 밸런싱 로봇휠체어로서의 기본적인 성능을 확인하였다. 향후 과제로는 자세제어 성능 향상을 위한 센서융합 기법 적용, 사용자 편의성 향상을 위한 주차장치 및 스마트 탑승모듈 개발, 그리고 주행 안전성 향상을 위한 장애물 회피 기능, 자율주행 시스템 개발 등이 있다.

후속연구

또한 시스템 통합 및 주행 실험을 통하여 밸런싱 로봇휠체어로서의 기본적인 성능을 확인하였다. 향후 과제로는 자세제어 성능 향상을 위한 센서융합 기법 적용, 사용자 편의성 향상을 위한 주차장치 및 스마트 탑승모듈 개발, 그리고 주행 안전성 향상을 위한 장애물 회피 기능, 자율주행 시스템 개발 등이 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	로봇휠체어 중 RT-Mover이 실용화 가능성이 낮은 이유는 무엇인가?	로봇휠체어가 상업적 성공을 거두기 위해서는 무엇보다 메커니즘을 단순화하여 저가의 제작비를 실현해야 한다. 예를 들어 RT-Mover[7]는 사족 보행과 차륜구동 시스템을 이용하여 요철 지형에서 주행이 가능하지만 복잡한 시스템과 차체 크기 때문에 실용화 가능성이 크지 않다. Ibot4000[1]이나 Genny[3]는 기술적 완성도가 뛰어난 로봇휠체어이지만 높은 판매가 때문에 아직까지 활발한 보급이 이루어지지 못하고 있다.
	이륜 밸런싱 휠체어의 장점은 무엇인가?	이륜 밸런싱 휠체어는 소형경량화가 가능하기 때문에 도심지뿐만 아니라 사무실이나 마트와 같은 통행로가 좁은 실내 환경에서도 주행하기에 유리하다. 또한 구동 메커니즘이 단순하기 때문에 제작비를 크게 낮출 수 있다는 장점을 갖는다. 그러나 이륜 밸런싱 메커니즘은 동역학적 으로 역진자 특성을 갖기 때문에 근본적인 안정성 문제를 포함하고 있다.
	이륜 밸런싱 메커니즘이 근본적인 안정성 문제를 포함하고 있는 이유는 무엇인가?	또한 구동 메커니즘이 단순하기 때문에 제작비를 크게 낮출 수 있다는 장점을 갖는다. 그러나 이륜 밸런싱 메커니즘은 동역학적 으로 역진자 특성을 갖기 때문에 근본적인 안정성 문제를 포함하고 있다. 로봇휠체어의 보급이 확대되기 위해서는 기능적 혁신과 더불어 무엇보다 주행 안전성이 확보되어야 한다.

참고문헌 (13)

http://www.ibotnow.com (Ibot 4000).
http://www.galileo-mobility.com (Galileo).
http://www.gennymobility.com (Genny).
http://www.segway.com (Segway personal transporter).
Y.-B. Bang, C.-H. Lee, J-H. Yoo, K.-M. Lee and I.-S. Kim, "Two-Legged Stair-Climbing Wheelchair and Its Stair Dimension Measurement Using Distance Sensors", Proc. of the 2011 11th Int. Conf. on Control, Automation and Systems (ICCAS), Oct. 2011, Gyeonggi-do, Korea.
H. S, Kim, H. S. Song, S. Jung, "Design and Control of a Wheelchair Robot for Handicapped or Elderly Persons," Journal of Institute of Control, Robotics, and Systems, Vol. 17, No. pp. 668-673, Jul., 2011.

원문보기 상세보기
S. Nakajima, "Concept of a Novel Four-wheel-type Mobile Robot for Rough Terrain, RT-Mover", Proc. of the 2009 IEEE/RSJ Int. Conf. on Intelligent Robots and Systems (IROS), Oct., 2009, St. Louis, USA.
J. Y. Kong, "Survey on the safety accidents of the disabled transportation aids", Journal of Special Education & Rehabilitation Science, Vol. 52, No. 2, pp. 1-16, 2013.
K. T. Jeong et al., "Anthropometric Evaluation and Design of Wheelchair", Proc. of 2010 Spring annual meeting, Korean ergonomics society, pp. 128-131, 2010. 5.
S. M, Jung, D. H. Han, I. B. Jang, Standard Mechanical Design (Book), Dongmyung-sa, 2010.
J. P. Hong, S. B, Lee, Design of Machine Elements (Book), Kyobo-munko, 2008.
J.-W. Joh and G.-T. Park, "Hardware Design Methods for Segway Type 2-Wheeled Mobile Robots," Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea, Vol. 46, No. 5, pp. 322-328, Sep., 2009.
J.-H. Um et al., "Evaluation of Tilting Trains Speed in Conventional Railways Curves Considering Passenger's Comfort in Transition Area", Journal of the Korean Society for Railway, Vol. 7, No. 4, pp. 360-366, Dec. 2004.

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