[논문]자동기립이 가능한 차륜형 역진자 시스템 개발

이세한

doi:10.5391/jkiis.2015.25.6.578

자동기립이 가능한 차륜형 역진자 시스템 개발
A Wheeled Inverted Pendulum System with an Automatic Standing Arm 원문보기

한국지능시스템학회 논문지 = Journal of Korean institute of intelligent systems, v.25 no.6, 2015년, pp.578 - 584

초록
AI-Helper

본 연구에서 자동화된 기립 및 복귀 시스템이 적용된 직립주행이 가능한 이동로봇용 구동 플랫폼이 개발되었다. 종래 대부분의 이동로봇은 정역학적으로 안정된 평면형의 4륜 혹은 3륜 구동형으로 구성되어 있는데, 이러한 형태의 이동로봇은 방향 전환을 위해서 독립구동형 혹은 조향형 차륜을 갖추고 있다. 이동로봇이 매우 협소한 지형에서 직각으로 굽은 통로를 주행할 때, 이동로봇은 전후진을 반복하는 등 복잡한 조향동작을 필요로 하거나, 극단적인 경우, 물리적인 조향이 불가능한 경우에 처하게 된다. 직립주행이 가능한 이동로봇은 점유면적이 작은 직립된 상태로 몸체의 형상을 변형시켜 해당 지형을 원활하게 통과할 수 있다. 본 연구에서 기립(복귀)동작, 확인동작, 평형제어 순으로 각 단계가 수동으로 조작되었던 기립제어 단계가 몸체의 기울기 각도 검출로 자동화되어, 단일 자동제어로 조작되는 차륜형 역진자 시스템이 제안되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study a moving platform for a mobile robot that can be traveling with a full automatic standing arm was developed. Conventional mobile robots generally may equip 4 wheels or 3 wheels with a caster wheel or independent driven wheels and have good statistic stability. When a mobile robot travels on a sharply perpendicular and narrow crossroad, it may need a special steering scheme such as going forward and backward repeatedly or it is sometimes physically impossible for the robot to go through the crossroad because of the size limit. The upright running mobile robot changes its posture to the upright posture which has a small planar area and is able to go through the crossroad. The upright control which was manually performed step by step before such as sequences of uprighting (returning), checking, and balancing, is now automated.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서 채용한 구동장치는 일반모터를 사용하고 있으므로 임의의 각도로 회전하는 것이 가능하므로 이 조건에 부합된다. 본 연구에서는 기립 암의 발생토크를 최대한 억제하기 위해서 동력용 배터리 및 제어기 배치 위치를 변경 개선하여 몸체의 질량중심 길이를 최대한 단축시켰다. 위에 제시한 표1은 구성된 기립 암의 기구 파라미터를 나타내고 있다.
본 연구에서는 역진자 몸체의 각도 상태를 적극적으로 검출하여 그 상태를 파악하고 운전자의 기립 혹은 복귀라는 단일 조작으로 기립과정 및 복귀과정에 필요한 일련의 동작이 자동화되어 있다.
본 연구에서는 이동로봇용 구동플랫폼으로 사용될 수 있는 자동기립과 복귀가 가능한 직립주행 차륜형 역진자 시스템이 개발되었다. 기존의 직립주행 차륜형 역진자는 운전자가 필요에 따라서 기립(복귀)동작 → 상태 확인 → 평형제어에 해당되는 각 단계를 수동으로 동작되었다.

가설 설정

기립동작의 방향은 복귀동작과는 다르게 선택의 여지없이 단일 방향만 존재하게 된다. 기립동작은 이동로봇의 몸체가 정상적으로 복귀된 상태에서 진행된다고 가정한다.

제안 방법

본 연구의 2개의 기립 암은 그림3과 같이 동시에 필요한 방향으로 움직일 수 있으므로 2개의 기립 암이 몸체 양쪽에서 안정되게 동시에 기립동작에 기여하게 된다. 기존의 연구는 몸체가 전복된 방향을 검출하는 기능이 없었기 때문에 전복된 방향에 상관없이 몸체를 기립시키기 위해서 일방적으로 2개의 기립 암을 전후방 방향으로 동시에 움직였다.
이 때, 운전자가 시각적으로 이동로봇을 파악할 수 있는 경우에는 수동조작이 유효하지만, 반면에서 운전자가 시각적으로 이동로봇의 상태를 파악할 수 없는 경우에는 기립 및 복귀가 곤란해지는 단점이 발생된다. 본 연구에서는 몸체의 기울기 각도에 연동되어 그 해당 동작 과정이 자동으로 실현되었다. 이 자동화 기능은 기립 및 복귀에 소요되는 시간이 일관되게 일정하다는 특징이 있어서 동작소요 시간 예측이 가능하다.
본 연구에서는 측정 기울기의 범위 확장을 위해서 표 2의 몸체가 존재하는 ±90° 초과 범위의 해당하는 가속도계의 부호를 감안하여 기울기 각도가 계산되도록 tan2-1(x,z)함수가 사용되었다.
기립 암 구동장치 후보[7]로 회전형과 직선형을 들 수 있는데, 구현과 제어의 편리성에 의해서 본 연구에서는 그림4와 같은 회전형 구동장치가 채용되었다. 본 연구에서는 통신을 통해서 구동 회전각도만을 제어할 수 있는 기성품 서보가 채용되지 않고 동작 자유도가 높은 일반 엔코더 모터가 사용되어 회전각도뿐만 아니라 각속도까지 제어되었다. 단순히 기립 암의 회전각도만 제어되는 경우 기립 시 몸체에 과도한 관성력이 발생되어 몸체가 넘어질 우려가 발생한다.
본 연구에서는 평형제어를 유지한 상태에서 기립 암 구동모터의 회전제어를 통하여 2개의 기립 암을 동시에 원하는 방향의 지면으로 서서히 접근시킨다. 기립 암이 지면에 접촉하지 않고 지면과 이격된 상태에서 평형제어를 해제함과 동시에 킥킹 (kicking) 이라는 동작이 실행되어서 몸체는 복귀 방향으로 기울어지게 된다.

대상 데이터

기립 암 구동장치 후보[7]로 회전형과 직선형을 들 수 있는데, 구현과 제어의 편리성에 의해서 본 연구에서는 그림4와 같은 회전형 구동장치가 채용되었다. 본 연구에서는 통신을 통해서 구동 회전각도만을 제어할 수 있는 기성품 서보가 채용되지 않고 동작 자유도가 높은 일반 엔코더 모터가 사용되어 회전각도뿐만 아니라 각속도까지 제어되었다.

성능/효과

그림9(a)의 2.5초 부근에서 기립 암 구동의 속도는 감소되어 몸체에 발생되는 관성력을 저감시키고 있으며, 계속해서 4.5초 부근에서 평형제어가 개시되어 과도현상을 경유하면서 몸체의 각도가 안정화 되는 것을 알 수 있다. 이 때, 그림9(b)에 표시된 기립 암 각도는 평형제어가 개시되는 4.
다음의 그림8은 몸체가 복귀하는 과정 동영상의 일부를 시간의 흐름에 따라서 캡쳐한 그림을 나타낸 것이다. 기존 연구에서는 2개의 기립 암이 몸체의 전후 방향으로 회전하기 때문에 1개의 기립 암이 몸체의 측면을 지지하고 있어서 몸체의 복귀동작이 매우 불안했던 것과는 달리 본 연구에서는 2개의 기립 암이 동시에 동일한 방향으로 몸체의 양측을 지지하고 있으므로 몸체의 복귀동작이 매우 안정함을 기대할 수 있다.
본 연구에는 광범위한 ±90° 초과영역에서도 원활하게 기울기 각도를 검출할 수 있도록 센서신호 처리과정이 개선되었다.
차륜형 역진자 이동로봇은 제어기 문제 혹은 주행면의 과도한 장애물 때문에 전복되었을 때, 그 몸체는 전방 혹은 후방으로 전복되는 형태가 된다. 본 연구에는 기립 암이 일반 범용모터로 구동되고 있기 때문에 기존 연구의 기성품 서보와는 달리 임의의 방향으로 기립 암의 360도 회전 가능하다. 몸체가 전복된 방향에 대응할 수 있도록 필요에 따라서 2개의 기립 암이 동시에 임의의 전후방향에서 전복된 몸체를 지지할 수 있다.
평면형으로의 복귀가 필요한 경우 대부분 안정된 후방복귀가 필수이다. 본 연구에서 제안된 자동기립 시스템은 필요에 따라서 전방 및 후방복귀를 선택적으로 동작시킬 수 있는 기능을 갖는다.
기존 연구에서는 1개의 기립 암이 몸체의 측면만을 지지하고 있으므로 몸체 내부 구성물들의 중량 배치가 불균일할 경우 기립 도중에 넘어지는 등 정상적인 기립이 불가능해질 우려가 있었다. 본 연구에서는 2개의 기립 암이 몸체 외부 양측면을 동시에 안정되게 지지하고 있으므로 몸체 내부의 구성물들의 중량 배치 균일도와 무관하게 안정된 기립동작이 가능하다.
기존연구[8]의 기립 암 기구는 그 구조적 특성상 항상 지정된 방향으로 몸체가 복귀되고 있다. 본 연구의 경우 킥킹 (kicking) 동작을 통해서 원하는 방향으로 복귀하는 것이 가능하다.

후속연구

복귀동작의 경우, 기존의 연구에서는 후면 복귀로 고정되어 있는 반면에 본 연구에서는 킥킹이라는 동작을 도입하여 필요에 따라서 전면 혹은 후면으로 선택적으로 복귀할 수 있는 기능이 구현되었다. 이동로봇은 대부분 원격에서 동작되므로 본 연구의 결과는 주행면의 상태와 로봇이 전복된 상태를 고려하여 적절한 위치로 해당 로봇을 기립 혹은 복귀시킬 수 있는 기능 역할 실현에 기여할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	차륜형 역진자의 구조적인 단점을 개선하기 위해 연구된 역진자는?	이러한 차륜형 역진자의 구조적인 단점을 개선하기 위해서 제안된 직립주행 가능한 차륜형 역진자 연구[7]에서 기립 암이라는 기구를 이용하여 주행면의 조건에 따라서 운전자가 직립형 혹은 평면형으로 그 몸체상태를 선택할 수 있는 이동 플랫폼이 개발되었다.
	기립 암 구동기구가 구성되기 위해 고려되어야할 사항은?	기립 암 구동기구는 몸체의 중량을 지지할 수 있으며, 신속히 몸체를 기립시킬 수 있어야 한다. 기립 암 구동장치가 구성되기 위해서는 구체적으로 기립 암의 길이, 기립 암의 회전축 위치와 회전형 구동장치의 최대토크 등이 고려되어야 한다. 본 연구에서는 기본적인 구조로 기존연구[7]과 유사한 그림5와 같은 구조를 채용하고 있다.
	차륜형 역진자의 단점은?	차륜형 역진자 기구가 불안정성에도 불구하고 이동 플랫폼[5,6]으로 시도되고 있는 이유의 한 가지로 작은 점유면적 특성을 들 수 있다. 차륜형 역진자는 평형제어기에 문제가 발생하거나 혹은 주행면에 예상하지 못한 장애물이 존재하여 몸체가 한 번 전복되게 되면, 자력으로 복귀가 불가능하게 되어서 그 작은 점유면적 장점은 퇴색되게 된다.

참고문헌 (8)

J. Huang, Z-H. Guan, T. Matsuno, T. Fukuda, K. Sekiyama, "Sliding-Mode Velocity Control of Mobile-Wheeled Inverted-Pendulum Systems," IEEE Transactions on Robotics, Vol. 26, No. 4, Aug. pp.750-758, 2010.

상세보기
S.-H. Lee, S.-Y. Rhee, "A Mixed $H_2/H_{\infty}$ Stage Feedback Controller Based on LMI Scheme for a Wheeled Inverted Pendulum running on the Inclined Road," Journal of Korean Institute of Intelligent Systems, Vol. 20, No. 5, pp.617-623, 2010.

원문보기 상세보기
http://www.segway.com/
http://world.honda.com/news/2009/c090924New-Personal-Mobility-Device/
J. Searock, B. Browning, M. Veloso, "Turning Segways into Soccer Robots," Proceedings of IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Sendai, Japan, pp.1029-1034, 2004.
R. O. Ambrose, R. T. Savely, S. M. Goza, P. Strawser, M. A. Dftler, I. Spain, N. Radford, "Mobile Manipulation using NASA's Robonaut," Proceedings of IEEE International Conference on Robotics & Automation, New Orleans, US, pp.2104-2109, 2004.
S.-H. Lee, S.-Y. Rhee, "Development of a Moving Platform for a Upright Running Mobile Robot Based on an Inverted Pendulum Mechanism," Journal of Korean Institute of Intelligent Systems, Vol. 22, No. 5, pp.570-576, 2012.

원문보기 상세보기
S.-H. Lee, J.-G. Kang, "A Development of the Self-Standable Mobile Robot Based on a Wheeled Inverted Pendulum Mechanism," Journal of Korean Society for Precision Engineering, Vol. 30, No. 2, pp.171-176, 2013.

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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].

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