[논문]메카넘 바퀴 볼 로봇의 자세제어 및 주행

황승익; 하휘명; 이장명

doi:10.5302/j.icros.2015.14.0127

메카넘 바퀴 볼 로봇의 자세제어 및 주행
Balancing and Driving Control of a Mecanum Wheel Ball Robot 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.21 no.4, 2015년, pp.336 - 341

황승익 (부산대학교 전자전기컴퓨터공학과) , 하휘명 (부산대학교 전자전기컴퓨터공학과) , 이장명 (부산대학교 전자전기컴퓨터공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a balancing and driving control system for a Mecanum wheel ball robot which has a two axis structure and four motors. The inverted pendulum control method is adopted to maintain the balance of the ball robot while it is driving. For the balancing control, an anon-model-based controller has been designed to control the device simply without the need of a complex formula. All the gains of the controller are heuristically adjusted during the experiments. The tilt angle is measured by IMU sensors, which is used to generate the control input of the roll and pitch controller to make the tilt angle zero. For the driving control, the PID control algorithm has been adopted with angles of the wheels and the encoder data. The performance of the designed control system has been verified through the real experiments with the suggested ball robot.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 메카넘휠을 적용한 볼 로봇의 자세제어와 주행제어에 대한 내용을 중심으로 실험을 통해 볼 로봇의 안정적인 제어를 증명하였다. 역 ㄱ-자 형태의 직선 실험을 통해, 3축 제어 형태로 볼 로봇의 회전이 가능한 장점과 2축 로봇 형태로 강력한 토크를 발생시키는 장점을 동시에 가진 개발한 볼 로봇의 구조적인 강점을 입증하였다.
본 논문에서는 모터를 통해 공에 직접 동력을 전달하는 새로운 형태의 4축 볼 로봇을 개발하였다. 개발한 볼 로봇을 복잡한 수식이 필요 없는 비 모델링 기반의 제어기를 이용하여 균형제어와 주행성능의 우수성을 보였다.
이 장에서는 제안한 볼 로봇의 구성을 설명하고 Lagrange Equation을 이용하여 동적 모델을 유도 하는 것을 목표로 한다[8]. 모델링의 프로세스가 되는 볼 로봇의 구성은 다음 그림 2와 같다.

가설 설정

볼 로봇의 동역학 모델을 위해 Lagrange Equation을 사용하였으며, 볼 로봇은 Inverted Pendulum 두 개가 합쳐진 형태로 가정하였다[9-11].

제안 방법

(b)와 같이 모서리 점에서 45º 회전하여 90º 직각 방향 경로를 이동하는 실험을 실행하였다.
또한 복잡한 모델 링과 수식 대신 간략하게 제어하기 위해 비모델링 기반의 제어기를 Inverted pendulum 형태로 적용하였다. Lagrange Equation을 이용하여 동역학을 유도하였으며, 제어된 로봇의 몸체 기울기 각도값 (Roll, Pitch)을 통해 검증하였다. 향후 볼 로봇의 등속, 감속, 가속도 제어 특성 향상을 위하여 모델링 기반의 제어에 관하여 연구할 것이고, 직선 이동 외에 S-곡선 실험을 실시하여 다양한 주행환경에 대한 주행 특성을 연 구할 것이다.
그림 10과 같이 메커넘 휠을 적용한 볼 로봇을 사용하여 1축 직선 주행을 하도록 실험하였다. 개발한 볼 로봇의 특징 중 1축 방향 이동과 제자리 회전의 구조적 장점을 살려 실험을 진행하였다. 그림 10(a)와 같이 직선 이동 시 1축으로 주행하고, (b)와 같이 모서리 점에서 45º 회전하여 90º 직각 방향 경로를 이동하는 실험을 실행하였다.
볼 로봇의 자세제어와 주행을 위한 구동 모터제어는 일반적으로 많이 이용되고 있는 PID 알고리즘을 이용하였다. 구동 모터의 중요한 시스템 특성, 즉 샘플링 타임, 정상상태 오차, 시스템 안정도 등을 제어하기 위해 비례, 적분, 미분 궤한(feedback)을 이용하였다. 제어 알고리즘의 각 항은 서로 다르게 시스템의 특성에 영향을 미친다.
그림 9와 같이 주행 제어 실험을 위해 가로 2m, 세로 2m 의 직각형태의 좁은 환경으로 실험 환경을 조성하였고, 초록색 기준 라인을 정하여 볼 로봇의 주행 실험을 진행하였다. 주행을 위해 주행 명령을 블루투스 모듈을 통해 송신하고, 볼 로봇의 상태 데이터를 수신한다.
이처럼 두 가지 형태의 볼 로봇은 상반되는 장단점이 있다. 두 가지 형태 볼 로봇의 장점을 살릴 수 있도록 강한 토 크의 전달과 슬립 현상을 줄이면서 회전할 수 있도록 메카넘 휠을 적용하고 4개의 독립적인 모터를 사용하는 기구부를 선택하였다. 메카넘휠을 적용할 경우 각각 바퀴의 구동방향에 따라서 수직인 방향으로 힘을 만들어 낼 수 있다.
이는 균형제어와 주행 성능의 실험 결과를 통해 알 수 있듯이 강한 토크의 전달과 슬립 현상을 줄이면서 회전하는 메카넘휠을 적용하고 4개의 독립적인 모터를 사용하는 기구부를 통하여 안정적인 균형 및 주행 제어가 되도록 하였다. 또한 복잡한 모델 링과 수식 대신 간략하게 제어하기 위해 비모델링 기반의 제어기를 Inverted pendulum 형태로 적용하였다. Lagrange Equation을 이용하여 동역학을 유도하였으며, 제어된 로봇의 몸체 기울기 각도값 (Roll, Pitch)을 통해 검증하였다.
주행제어에서 I제어는 누적오차가 발생하여, I 제어의 이득은 0으로 제한하였다. 본 논문에서는 제어주기가 10ms이며 사용된 제어기의 모든 제어이득은 실험을 통해 결정하였다. 제어기의 입력은 로봇 몸체의 기울기와 eoncoder 값을 사용한다.
본 장에서는 설계된 볼 로봇의 균형제어와 주행제어를 각각 실험을 통하여 성능을 확인한다. 모든 실험은 평평한 바닥을 기준으로 실험되었으며, 바닥의 미끌림은 거의 없는 상태이다.
역 ㄱ-자 형태의 직선 실험을 통해, 3축 제어 형태로 볼 로봇의 회전이 가능한 장점과 2축 로봇 형태로 강력한 토크를 발생시키는 장점을 동시에 가진 개발한 볼 로봇의 구조적인 강점을 입증하였다. 이는 균형제어와 주행 성능의 실험 결과를 통해 알 수 있듯이 강한 토크의 전달과 슬립 현상을 줄이면서 회전하는 메카넘휠을 적용하고 4개의 독립적인 모터를 사용하는 기구부를 통하여 안정적인 균형 및 주행 제어가 되도록 하였다. 또한 복잡한 모델 링과 수식 대신 간략하게 제어하기 위해 비모델링 기반의 제어기를 Inverted pendulum 형태로 적용하였다.
역 ㄱ-직선 입력은 PC를 통해 따로 제작한 C#프로그램을 사용하였다. 입력신호는 블루투스 모듈을 통해 무선으로 송수신되며, 현재 로봇의 위치를 전송 받아 다음 위치를 전송하는 방식을 사용하였다. 그림 11은 실제 볼 로봇의 주행 데이터이다.

대상 데이터

그리고 메인보드에 MCU로 DSP(TMS28335), GYRO sensor로 EBIMU-9DOF를 사용하였으며 주행 시 24V LiPo-battery를 사용하였다. 공은 10파운드(lb)의 볼링공을 사용하였으며, 직경 21.5cm 둘레 68.5cm 이다. 그 밖에 많은 핵심 부품들이 장착되어 있다.
네 개의 20V DC 모터와 DC 모터드라이브를 사용하였고 모터에 encoder가 장착되어 있다. 그리고 메인보드에 MCU로 DSP(TMS28335), GYRO sensor로 EBIMU-9DOF를 사용하였으며 주행 시 24V LiPo-battery를 사용하였다. 공은 10파운드(lb)의 볼링공을 사용하였으며, 직경 21.
몸체의 지름은 300mm~416mm, 높이는 500mm 이고 무게는 22kg의 원통 모양이다. 네 개의 20V DC 모터와 DC 모터드라이브를 사용하였고 모터에 encoder가 장착되어 있다. 그리고 메인보드에 MCU로 DSP(TMS28335), GYRO sensor로 EBIMU-9DOF를 사용하였으며 주행 시 24V LiPo-battery를 사용하였다.

이론/모형

제어기 구조는 그림 5와 같다. 볼 로봇의 자세제어와 주행을 위한 구동 모터제어는 일반적으로 많이 이용되고 있는 PID 알고리즘을 이용하였다. 구동 모터의 중요한 시스템 특성, 즉 샘플링 타임, 정상상태 오차, 시스템 안정도 등을 제어하기 위해 비례, 적분, 미분 궤한(feedback)을 이용하였다.

성능/효과

본 논문에서는 모터를 통해 공에 직접 동력을 전달하는 새로운 형태의 4축 볼 로봇을 개발하였다. 개발한 볼 로봇을 복잡한 수식이 필요 없는 비 모델링 기반의 제어기를 이용하여 균형제어와 주행성능의 우수성을 보였다. 본 논문의 II 장에서는 볼 로봇의 하드웨어 구성을 설명하고, 구조를 동역학으로 해석하였고, III 장에서는 시스템 구조와 설계한 제어기를 설명한다.
D제어는 error 값을 미분하여 D 이득 값을 곱하여 제어 값을 출력하는 미분제어이다. 실험에서 D이득 값을 조절함에 따라 P제어에서 발생하는 overshoot를 감소시켰다. 주행제어에서 I제어는 누적오차가 발생하여, I 제어의 이득은 0으로 제한하였다.
본 논문에서는 메카넘휠을 적용한 볼 로봇의 자세제어와 주행제어에 대한 내용을 중심으로 실험을 통해 볼 로봇의 안정적인 제어를 증명하였다. 역 ㄱ-자 형태의 직선 실험을 통해, 3축 제어 형태로 볼 로봇의 회전이 가능한 장점과 2축 로봇 형태로 강력한 토크를 발생시키는 장점을 동시에 가진 개발한 볼 로봇의 구조적인 강점을 입증하였다. 이는 균형제어와 주행 성능의 실험 결과를 통해 알 수 있듯이 강한 토크의 전달과 슬립 현상을 줄이면서 회전하는 메카넘휠을 적용하고 4개의 독립적인 모터를 사용하는 기구부를 통하여 안정적인 균형 및 주행 제어가 되도록 하였다.
그림 10(a)와 같이 직선 이동 시 1축으로 주행하고, (b)와 같이 모서리 점에서 45º 회전하여 90º 직각 방향 경로를 이동하는 실험을 실행하였다. 이 실험을 통해 기준 경로에 따른 정확한 주행성능과, 주행 중 로봇의 안정적인 자세제어를 검증하였다.
IMU 센서가 미세하게 값이 진동하기 때문에 균형을 잡는 기준 값에서 0도에서 미세하게 내려가고 올라가는 모습을 보인다. 이러한 실험 결과를 통해 설계된 4축 구조의 볼 로봇이 비 모델링 기반의 제어기를 이용하여 균형제어가 가능함을 알 수 있다.

후속연구

향후 볼 로봇의 등속, 감속, 가속도 제어 특성 향상을 위하여 모델링 기반의 제어에 관하여 연구할 것이고, 직선 이동 외에 S-곡선 실험을 실시하여 다양한 주행환경에 대한 주행 특성을 연 구할 것이다. 또한, 추후 초음파 센서나 비전카메라를 이용하여 장애물 회피, 물체 추종, 경로 계획이 가능한 자율 주행로봇을 연구할 계획이다.
Lagrange Equation을 이용하여 동역학을 유도하였으며, 제어된 로봇의 몸체 기울기 각도값 (Roll, Pitch)을 통해 검증하였다. 향후 볼 로봇의 등속, 감속, 가속도 제어 특성 향상을 위하여 모델링 기반의 제어에 관하여 연구할 것이고, 직선 이동 외에 S-곡선 실험을 실시하여 다양한 주행환경에 대한 주행 특성을 연 구할 것이다. 또한, 추후 초음파 센서나 비전카메라를 이용하여 장애물 회피, 물체 추종, 경로 계획이 가능한 자율 주행로봇을 연구할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	볼 로봇의 장점은 무엇이 있는가?	공과 같은 모양의 로봇이나 볼을 이용하여 이동을 수행하는 로봇을 볼 로봇이라고 부른다[7]. 볼 로봇은 다른 이동 로봇에 비하여 땅과의 접점이 하나이기 때문에 공간의 제약성에 훨씬 자유로워 좁은 공간에서의 이동에 용이하다. 또한 2륜 4륜 기반의 이동로봇에 비해 방향전환에 편리하다. 볼 로봇은 물건을 이동시키는 운송수단, 병원의 환자를 위한 안내 로봇, 다양한 센서와의 결합을 통한 산업용 모바일 로봇 등 실생활과 산업 현장에서 응용적으로 사용될 수 있다[8].
	볼 로봇이란 무엇인가?	공과 같은 모양의 로봇이나 볼을 이용하여 이동을 수행하는 로봇을 볼 로봇이라고 부른다[7]. 볼 로봇은 다른 이동 로봇에 비하여 땅과의 접점이 하나이기 때문에 공간의 제약성에 훨씬 자유로워 좁은 공간에서의 이동에 용이하다.
	4륜 및 6륜 등의 무인 주행로봇이 갖는 한계점은 무엇이 있는가?	이러한 무인 주행 시스템의 대부분은 4륜 및 6륜 더 나아가 2륜 기반으로 개발되었다. 이러한 로봇은 운영부분에 있어 에너지의 효율적 사용과 특수한 환경 요소인 좁은 공간에서의 이동 및 회전 등의 필요성을 만족하지 못하는 경우가 있다. 이 문제점을 극복하기 위하여 공을 이용한 볼 로봇의 균형제어 및 주행제어에 대해 국내외에 연구가 진행되고 있다[1-6].

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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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