[논문]메카넘 휠을 이용한 볼-봇의 슬립률 감소와 균형 및 주행제어

박영식; 김수정; 변수경; 이장명

doi:10.7746/jkros.2015.10.4.186

메카넘 휠을 이용한 볼-봇의 슬립률 감소와 균형 및 주행제어
Slip Ratio Reduction and Moving Balance Control of a Ball-bot using Mecanum Wheel 원문보기

로봇학회논문지 = The journal of Korea Robotics Society, v.10 no.4, 2015년, pp.186 - 192

박영식 (Electrical Engineering, Pusan National University) , 김수정 (Electrical Engineering, Pusan National University) , 변수경 (Electrical Engineering, Pusan National University) , 이장명 (Electrical Engineering, Pusan National University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a robust balance and driving control for omni-directional ball robot(generally called ball-bot) with two axis mecanum wheel. Slip between ball and mecanum wheel actuator inevitably occurs along diagonal axis due to its instantaneous strong torque. In order to reduce and saturate slip, exact distance calculation scheme especially for rotational movement is essential. So this research solved Euler-Lagrange dynamics for proposed two axis ball robot based on practical mechanical modeling. Robust balance control was carried out by PID controller according to the pitch and roll angles of ball robot by using sensor fusion between AHRS and wheel encoder. Proposed PID controller enhances stability by reducing steady state error and settling time. Proposed slip control algorithm for omni-directional ball robot has been demonstrated by experiments for balance control and arbitrary driving control.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 2축 볼-봇에 독립적인 메카넘 휠을 적용하여 상대적으로 슬립이 적게 발생하였음을 실험을 통하여 입증하였고, 메카넘 휠이 2축 볼-봇의 바퀴로 적합함을 확인하였다. 그리고 PID 본 실험의 목표는 바퀴에 따른 엔코더 값을 받아 슬립을 확인하고 정착시간과 목표치에 도달정도를 확인하여 PID제어의 성능을 검증하는 것이다. 실험은 미끌림이 거의 없고 평평한 바닥에서 진행하였고 우선 1.

가설 설정

후)회전 바퀴의">회전바퀴의 모터에 의해서 발생하는 토크이며 진자(Pendulum)에 작용하는 토크는 τ_p와 크기는 같고 방향은 반대인 토크로 작용한다. 볼-봇을 2개의 역진자 (Inverted Pendulum) 형태로 가정하여 각각의 축에 대한 토크의 크기를 적용하였다.^[11]

제안 방법

2m의 길이만큼 직선 주행을 하는 실험이며 입력신호는 블루투스 모듈을 통해 현재 로봇의 위치를 전송받아 로봇이 이동할 다음 위치를 전송하는 방식으로 진행하였다. 실험 결과는 Fig.
후)기운각도를">기운 각도를 기준 각도로 설정하여 오차값을 이용하는 알고리즘을 적용한다. MCU에서 Euler 각도 값을 이용하여 설계된 PID제어기에 따라 PWM 제어신호를 출력하여 모터를 구동한다.
옴니 휠(Omni wheel)을 사용한 3축 볼-봇은 대각 이동에 대해선 제한이 거의 없지만 구에 강한 토크(torque)를 전달하지 못하며 제어가 어려워져 결국 균형을 잡는 볼-봇의 입장에서는 안정도가 떨어진다. 반면, 일반적인 2축 구조는 구를 감싸는 구조이므로 강한 토크가 전달되지만 일반 휠을 사용할 경우 대각이동이 어려우므로 본 논문에서는 대각이동이 가능한 2축 메카넘 휠 볼-봇을 사용한다. 메카넘 휠은 축을 기준으로 45°만큼 본 논문에서는 볼-봇을 역진자(Inverted Pendulum) 구조로 생각하여 제어기를 설계하며, 제어 방식으로 PID 제어를 사용한다.^[8] 또한 후)본장에서는">본 장에서는 제안한 볼-봇의 하드웨어 구성과 전체 시스템 구조를 설명하고 라그랑주 방정식(Lagrange Equation)을 이용한 동역학적 모델링을 유도한다.^[9]
볼-봇의 구 바퀴를 움직이기 위해 모터들이 이루는 모양을 각 x 축, y 축으로 나누어 기준을 잡고 각 축을 기준으로 옆에서 볼 경우 수직은 i_{x, y} , 수평은 j_{x, y} 로 나누었고 Fig. 7에 표현하였다.
후)2)까지">2) 까지 이동한 모습이 보인다. 볼-봇의 이동모습을 액션카메라(action camera)를 이용하여 이동된 위치를 점(dot)로 표시하였으며 평균 12.5cm/s의 속도로 이동하였다.
후)도달 정도를">도달정도를 확인하여 PID제어의 성능을 검증하는 것이다. 실험은 미끌림이 거의 없고 평평한 바닥에서 진행하였고 우선 1.4m를 이동시켰을 경우의 엔코더 펄스 수를 비교하여 슬립 발생을 확인하였고, 다음으로 2m 길이의 직선을 표시한 뒤 블루투스 모듈을 통해 주행 명령을 볼-봇으로 송신하고 현재 로봇의 상태를 수신하여 동작을 확인하였다.
일반 바퀴(General wheel)를 적용한 볼-봇과 메카넘 휠을 사용한 볼-봇의 슬립현상을 비교하는 실험을 하였고, Fig. 9는 거리에 따른 펄스(pulse)의 개수로 슬립량을 나타낸다. 1.
후)정상 상태로">정상상태로 향하도록 하는 시스템을 만들었고 실제 주행을 통해 안정적이라는 것 또한 보였다. 하드웨어는 복잡한 수식을 간단하게 하기 위해 역진자 형태로 가정한 뒤, 라그랑주 방정식을 사용하여 동역학 모델링을 하였으며 제어된 로봇의 기울어진 값을 통해 검증하였다. 볼-봇은 좁은 공간에서도 자유롭게 움직일 수 있다는 장점을 가지며 이러한 장점을 살려 다양한 모바일 로봇에 적용시킬 경우 엄청난
대상 데이터
- 볼-봇은 몸체의 지름이 300 mm ~ 416 mm, 높이는 500 mm이고 무게는 21 kg인 원통 모양이다. 공은 10파운드(lb) 의 볼링 공을 사용하였으며, 직경 21.5 cm 둘레 68.5 cm 이다. 세부적으로, 로봇 몸체 중심부에 22.
- 본 논문에서 사용된 제어기의 제어주기는 10ms 이며 각 제어기의 모든 이득값은 실험을 통해 구하였으며 아래 표에 나타내었다.
- 후)방향 전환">방향전환 및 제자리 회전에 대해서는 제한적인 모습을 보인다. 예시로 2륜 모바일 로봇을 Fig. 1에 표현하였다.

이론/모형

볼-봇의 특성상 균형을 잡는 제어가 가장 중요하며 본 논문에서는 PID 제어 방식을 사용한다. 이 제어는 제어 변수와 기준 입력 사이의 오차에 근거하여 계통의 출력이 기준 전압을 유지하도록 하는 피드백 제어의 일종이다.
역학에서 좌표와 그 시간미분의 함수로서 역학적인 성질과 그 운동을 일반화 시켜주는 라그랑주 함수를 사용했다. 전체
성능/효과
- 9에 보면 일반 바퀴를 사용하였을 때 약 23,500개, 메카넘 휠을 사용하였을 때 약 22,000개의 펄스가 기록되었다. 각각 77%와 81%의 효율을 보였고 일반 바퀴와 비교하여 메카넘 휠의 슬립현상이 4%가량 덜 일어나 볼-봇의 바퀴로 사용하기에 효율이 더 좋다는 것을 알 수 있다.
- 후)메카 넘">메카넘 휠이 2축 볼-봇의 바퀴로 적합함을 확인하였다. 그리고 PID 제어방식을 사용하여 볼-봇의 자세와 주행 제어에 대해 빠르게 정상상태로 향하도록 하는 시스템을 만들었고 실제 주행을 통해 안정적이라는 것 또한 보였다. 하드웨어는 복잡한 수식을 간단하게 하기 위해 실험을 통하여 메카넘 휠을 사용한 볼-봇의 슬립 감소와 PID제어를 이용한 안정적인 균형 및 주행이 이루어졌음을 알 수 있다.
후속연구
- 후)제어연구를">제어 연구를 할 것이다. 또한 거리 측정 센서나 비전 센서를 사용하여 물체를 추종하는 기능도 더할 예정이다.
- 후)시너지 효과가">시너지효과가 발생할 수 있으므로, 볼-봇 연구에 대한 기대가 높다. 추후 연구에서는 무게중심이 변하였을 때의 균형유지와 로봇의 등속, 감속, 가속 이동에 대한 제어 연구를 할 것이다. 또한 거리 측정 센서나

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	모바일 로봇에서의 가장 기본적인 요소는 무엇인가?	모바일 로봇에서의 가장 기본적인 요소는 이동성이다. 하지만 보통의 모바일 로봇들은 직선주행엔 강하지만 방향전환 및 제자리 회전에 대해서는 제한적인 모습을 보인다.
	메카넘 휠의 장점은?	메카넘 휠은 대각선으로 힘을 전달하며 회전 방향으로 가는 벡터 힘과 회전 방향에 수직인 벡터 힘으로 나누어진다. 이러한 메카넘 휠은 일반적인 휠 보다 슬립이 적으며 제자리회전도 가능하다는 장점을 가진다.[10]
	볼-봇에서 어떤 문제점을 보완하기 위해 슬립 발생이 적은 휠을 사용해야 하는가?	기어를 사용하는 일반적인 로봇과는 다르게 볼-봇은 모터와 연결된 휠(wheel)과 볼 사이에 발생하는 마찰력으로 볼을 굴려 움직인다. 이때 슬립(slip)현상이 발생하며 이러한 슬립현상으로 볼-봇의 정밀한 제어가 어려워지고 또한 장기적으로 보았을 경우 모터의 불필요한 회전이 늘어나기 때문에 에너지효율도 떨어지게 된다. 이러한 문제점을 보완하기 위해서 슬립 발생이 적은 휠을 사용해야 한다.

참고문헌 (16)

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C. M. Lin and Y. J. Mon, "Decoupling control by hierarchical fuzzy sliding-mode controller," IEEE Transactions on Control Systems Technology, vol. 13, no. 4, pp. 593-598, Jul. 2005.

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W. Wang, X. D. Liu, and J. Q. Yi, "Structure design of two types of sliding-mode controllers for a class of underactuated mechanical systems," IET Proceeding of Control Theory and Applications, vol. 1, no. 1, pp. 163-172, Jan. 2007.

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Dickerson, S.L., "Control of an omni-directional robotic vehicle with Mecanum wheels," IEEE Trans. Syst., Telesystems Conference, vol. 1, pp. 323-328 ,Mar.1991.
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K. J. Astrom and T. Hagglund, Automatic Tuning of PID Controllers. Instrument society of America, 1988.
Y. Yamamoto, "NXT ballbot model-based design-control of a self-balancing robot on a ball, built with LEGO Mindstorms NXT," Apr. 2009.
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J.-H. Lee, "Re-analysis of lyapunov stability of PI(D) controllers for regulation of second order servo systems," 13th KACC, Oct. 1998.

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