[논문]메카넘휠을 적용한 구형바퀴로봇(볼-봇)의 주행제어

서범석; 박종은; 박지설; 이장명

doi:10.5302/j.icros.2014.13.1975

메카넘휠을 적용한 구형바퀴로봇(볼-봇)의 주행제어
Travel Control of a Spherical Wheeled Robot (Ball-Bot) with Mecanum Wheel 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.20 no.7, 2014년, pp.713 - 717

서범석 (부산대학교 전자전기공학과) , 박종은 (부산대학교 전자전기공학과) , 박지설 (부산대학교 전자전기공학과) , 이장명 (부산대학교 전자전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the travel control of the spherical wheeled robot with a mecanum wheel is impelemented. Four typical wheels or three omni wheels are used to consist of the ball-bot. the slip is occured when the typical wheels is used to the ball-bot. In order to reduce these slip, the spherical wheeled robot with macanum wheels is proposed. Through some experiments, we find that the proposed spherical wheeled robot with a mecanum wheel is superior to the conventional spherical wheeled robot with typical wheels.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 메카넘휠을 적용한 구형바퀴로봇(볼-봇)의 주행제어에 대한 내용을 중심으로 일반 바퀴를 적용한 볼-봇과의 비교실험을 통하여 더 나은 장점을 제시하였다. 일반 바퀴를 적용한 볼-봇은 슬립에 대한 문제점이 발견되었고 제안한 볼-봇의 주행방법으로 그 문제점을 해결하였다.
본 논문에서는 회전할 수 있고 큰 토크를 전달할 수 있는 2축 볼-봇을 소개하며 기존의 일반 바퀴를 사용하는 2축 볼-봇과 비교실험을 통해서 서로의 장단점을 설명한다. II 장에서 볼-봇의 구성과 모델링에 대해 설명하고 III 장에서 볼-봇의 시스템구조와 제어구조를 설명한다.

가설 설정

볼-봇의 동역학 모델을 위해 Lagrange Equation을 사용하였으며, 볼-봇은 Inverted Pendulum 두 개가 합쳐진 형태로 가정하였다[7-9].

제안 방법

각 축의 기울어진 각도 값은 IMU 센서를 이용하여 UART 통신으로 MCU로 전송된다. 그 후 MCU에서 Euler 각도 값을 이용하여 설계된 제어기에 따라 PWM 제어신호를 출력하여 모터를 구동한다.
두 가지 형태 볼-봇의 장점인 강한 토크의 전달과 슬립 현상을 줄이면서 회전할 수 있도록 그림 2와 같은 메카넘휠을 적용하고 4개의 독립적인 모터를 사용하는 기구 부를 선택하였다. 메카넘휠을 그림 2와 같이 배치할 경우 각각 바퀴의 구동방향에 따라서 수직인 방향으로 힘을 만들어 낼 수 있다.
먼저 본 논문에서 제시된 볼-봇은 그림 10과 같이 2축 모두 사용하며 사각형을 주행하도록 하였다. 또한 그림11과 같이 일반 바퀴처럼 가정하여 주행할 수 있도록 1축만 사용하도록 하여 가고자 하는 방향으로 몸체를 회전시켜 사각형을 이동하도록 하여 실험을 진행하였다. 이 실험에서 경로를 따라 이동을 얼마나 더 정확하게 하였는지 비교한다.
이 실험은 한 축을 사용하며 이동할 때와 두 축을 사용하며 이동할 때를 비교한다. 또한 슬립 현상, 시간비교, 사각형 대각선이동을 통한 비교실험으로 진행하였다.
실험에서 두 볼-봇의 입력 값은 서로 같게 입력할 것이며 모든 상황은 동일한 조건에서 실험을 진행하였다. 먼저 본 논문에서 제시된 볼-봇은 그림 10과 같이 2축 모두 사용하며 사각형을 주행하도록 하였다. 또한 그림11과 같이 일반 바퀴처럼 가정하여 주행할 수 있도록 1축만 사용하도록 하여 가고자 하는 방향으로 몸체를 회전시켜 사각형을 이동하도록 하여 실험을 진행하였다.
실험에서 두 볼-봇의 입력 값은 서로 같게 입력할 것이며 모든 상황은 동일한 조건에서 실험을 진행하였다. 먼저 본 논문에서 제시된 볼-봇은 그림 10과 같이 2축 모두 사용하며 사각형을 주행하도록 하였다.
본 실험은 그림 7과 같은 평평한 환경에서 진행하였다. 실험을 위하여 해당 실험환경에 2X2m의 파란 색 레퍼런스 라인을 그리고 일반 바퀴를 적용한 볼-봇과 메카넘휠을 적용한 볼-봇의 비교 실험을 진행하였다. 이 실험은 한 축을 사용하며 이동할 때와 두 축을 사용하며 이동할 때를 비교한다.
또한 그림11과 같이 일반 바퀴처럼 가정하여 주행할 수 있도록 1축만 사용하도록 하여 가고자 하는 방향으로 몸체를 회전시켜 사각형을 이동하도록 하여 실험을 진행하였다. 이 실험에서 경로를 따라 이동을 얼마나 더 정확하게 하였는지 비교한다.
실험을 위하여 해당 실험환경에 2X2m의 파란 색 레퍼런스 라인을 그리고 일반 바퀴를 적용한 볼-봇과 메카넘휠을 적용한 볼-봇의 비교 실험을 진행하였다. 이 실험은 한 축을 사용하며 이동할 때와 두 축을 사용하며 이동할 때를 비교한다. 또한 슬립 현상, 시간비교, 사각형 대각선이동을 통한 비교실험으로 진행하였다.
첫 번째 실험에서는 1.4m의 거리를 직선이동하며 슬립량을 먼저 비교하였다.

대상 데이터

네 개의 12V DC 모터와 DC 모터드라이브를 사용하였고 모터에 encoder가 장착되어 있다. 그리고 메인보드에 MCU로 ARM(LM8962)을, GYRO sensor로 EBIMU-9DOF를 사용하였으며 그 밖에 많은 핵심 부품들이 장착되어 있다.
몸체의 지름은 300mm~416mm, 높이는 500 mm이고 무게는 20kg의 원통 모양이다. 네 개의 12V DC 모터와 DC 모터드라이브를 사용하였고 모터에 encoder가 장착되어 있다. 그리고 메인보드에 MCU로 ARM(LM8962)을, GYRO sensor로 EBIMU-9DOF를 사용하였으며 그 밖에 많은 핵심 부품들이 장착되어 있다.
모델링의 프로세스가 되는 볼-봇의 구성은 다음 그림 3과 같다. 몸체의 지름은 300mm~416mm, 높이는 500 mm이고 무게는 20kg의 원통 모양이다. 네 개의 12V DC 모터와 DC 모터드라이브를 사용하였고 모터에 encoder가 장착되어 있다.
실험1은 볼-봇이 1.4m를 이동하였을 때 슬립 현상이 없을 때 엔코더에서는 레퍼런스의 값으로서 약 18,000개의 펄스가 기록되어야 한다. 그림 8에서 일반 바퀴를 사용한 볼-봇은 약 23,500개, 메카넘휠을 적용한 볼-봇은 약 22,000개를 펄스가 기록되었고 이는 각각 77%와 81%의 효율을 보였다.

성능/효과

4m를 이동하였을 때 슬립 현상이 없을 때 엔코더에서는 레퍼런스의 값으로서 약 18,000개의 펄스가 기록되어야 한다. 그림 8에서 일반 바퀴를 사용한 볼-봇은 약 23,500개, 메카넘휠을 적용한 볼-봇은 약 22,000개를 펄스가 기록되었고 이는 각각 77%와 81%의 효율을 보였다. 즉 슬립이 발생하여 바퀴가 미끄러지면서 더 많은 바퀴의 회전수가 기록된 것을 볼 수 있다.
즉 슬립이 발생하여 바퀴가 미끄러지면서 더 많은 바퀴의 회전수가 기록된 것을 볼 수 있다. 또한 일반 바퀴가 2축으로 이동 시 1축으로 이동하는 것보다 큰 마찰력이 생겨 그만큼 슬립 현상이 더 발생기 때문에 일반바퀴보다 메카넘휠이 4%의 높은 효율을 가짐을 보였다.
6초가 느린 것으로 나타났다. 이 그래프에서 제시한 방법이 기존의 방법보다 슬립 현상이 적지만 시간상으로 1.6초 지연이 나타남을 볼 수 있다. 그리고 그림 9의 두 그래프 중 밑의 그래프는 볼-봇의 회전각도상태를 표현한 그래프이다.
본 논문에서는 메카넘휠을 적용한 구형바퀴로봇(볼-봇)의 주행제어에 대한 내용을 중심으로 일반 바퀴를 적용한 볼-봇과의 비교실험을 통하여 더 나은 장점을 제시하였다. 일반 바퀴를 적용한 볼-봇은 슬립에 대한 문제점이 발견되었고 제안한 볼-봇의 주행방법으로 그 문제점을 해결하였다. 그리고 제한한 볼-봇은 3축 제어형태의 볼-봇의 회전이 가능하다는 점과 2축 볼-봇의 강력한 토크 두 가지 장점을 결합한 볼-봇이라 말할 수 있다.

후속연구

차후 연구에서 PID 제어기 대신 Funnel 제어나 Fuzzy 제어를 이용하여 경로를 좀 더 정확하고 신속하게 이동시키도록 연구할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	볼-봇이란 무엇인가?	공과 같은 모양의 로봇이나 공을 바퀴로 사용하는 로봇을 볼-봇(ball-bot)이라고 지칭한다. 처음 볼-봇이 연구되기 시작한 동기는 인간이나 동물이 공 위에서 균형을 잡는 곡예 묘기에 서부터 시작되었고 여러 가지 형태의 볼-봇이 많은 연구기관 에서 흥미를 느끼고 여러 방향으로 연구가 진행되고 있다[1-4].
	서로 독립적인 세 개의 모터를 이용하는 3축 형태의 볼-봇의 단점은 무엇인가?	(a)의 구조는 공 위에 로봇이 얹어있는 형태로 바퀴를 굴리는 구조이다. 이런 구조는 볼에 큰 토크를 발생시키지 못한다. 그리고 3축 구동방법으로 인해 제어가 2축보다 힘들다는 단점이 있다. 하지만 다른 장치 필요 없이 바퀴의 구동만으로 볼-봇의 회전이 가능하다.
	볼-봇이 연구되기 시작한 동기는 무엇인가?	공과 같은 모양의 로봇이나 공을 바퀴로 사용하는 로봇을 볼-봇(ball-bot)이라고 지칭한다. 처음 볼-봇이 연구되기 시작한 동기는 인간이나 동물이 공 위에서 균형을 잡는 곡예 묘기에 서부터 시작되었고 여러 가지 형태의 볼-봇이 많은 연구기관 에서 흥미를 느끼고 여러 방향으로 연구가 진행되고 있다[1-4]. 볼-봇이 흥미를 일으키는 주제로 연구가 진행되고 있는 이유는 볼-봇은 지면과 볼 사이의 접촉 면적이 작아서 운동 마찰이 적다는 장점이 있다.

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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].

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