[논문]양바퀴 이동로봇의 자세제어에 대한 연구

주진화

doi:10.17661/jkiiect.2017.10.6.587

문제 정의

로봇이 평면에서 균형을 유지하는 자세제어 실험을 수행한 것을 그림 5에 나타내었다. 로봇에 부착된 자이로 센서에서 출력되는 기울기 값을 이용해서 로봇이 균형을 제대로 유지할 수 있도록 제어하는 것이 평면 자세제어의 목적이다. 자이로 센서의 경우 로봇의 몸체에 완전히 밀착시키고, 센서와 제어기의 입력포트를 연결하는 신호선의 길이를 짧고 비틀림 없도록 하여 정확한 각도 값을 얻도록 하였다.
본 논문에서는 로봇공학의 이론적인 내용에 대한 실습교육을 위해서 필요한 실험환경을 구축하는데 따르는 여러 가지 애로를 해결하기 위한 하나의 대안을 제시하기 위해서 LEGO MINDSTORMS EV3를 사용하여 세그웨이 구조의 이동로봇을 제작하고 이 로봇이 고급제어 이론기술을 적용하는 로봇공학 교육의 실습 도구로 사용할 수 있음을 보이기 위해서 평면과 경사로에서 균형을 유지하면서 주행하는 자세제어실험을 수행하고 결과를 제시하였다.
일반적으로 로봇의 각도를 추정하기 위해서는 각속도를 측정하는 자이로 센서와 직선 가속도 성분을 검출하는 가속도 센서를 병합해서 많이 사용하는데 이유는 두 센서 중 하나만을 사용하였을 경우에 발생할 수 있는 오차를 해소하기 위함이다[3]. 본 논문에서는 응답특성이 서로 다른 자이로 센서와 가속도 센서를 병합해서 사용할 때 필요한 시스템의 복잡성을 극복하기 위해서 자이로 센서만을 사용하여 로봇의 기울기 값을 측정하고 그에 따른 로봇의 각도변화에 대한 보상을 로봇제어기를 통해서 실시간으로 모터의 토크 값으로 변환하여 보상 해 줌으로써 로봇의 균형을 유지하는 자세제어를 수행하고 결과를 제시하였다. 본 연구에서 제시된 실험 결과가 로봇공학의 고급제어 이론의 실습교육용으로 레고(LEGO) 블록이 효과적인 실습도구로 활용될 수 있고, 수행한 내용이고급제어 이론의 실습교육을 위해서 사용이 가능함을 제시한다.
본 연구에서는 이러한 로봇공학 실습교육의 애로를 해결하기 위한 하나의 방안을 제시하기 위하여 세그웨이 형태를 모방한 구조의 양바퀴 이동로봇을 레고(LEGO) 블록을 사용하여 제작하였다. 제작된 로봇이 로봇공학 교육의 동적시스템이나 비선형 시스템과 같은 고급제어 이론기술을 적용하는 실습용으로 사용하는 것이 적합함을 제시하기 위해서 로봇을 사용하여 중력변화에 대해 균형을 유지하면서 안정된 자세를 취하도록 하는 자세제어실험을 수행하고 그 결과를 검토하였다.

제안 방법

그리고 로봇의 전면 중앙에는 초음파센서를 부착하여 로봇이 평면에서 균형을 유지하는 자세제어 실험을 할 때 로봇의 전면에 장애물이 나타났을 경우에 대해서 로봇의 반응에 대한 실험도 가능하도록 하였다. 로봇의 전면 하단에는 두 개의 컬러센서를 부착하여 로봇이 정해진 주행궤적을 추종하는 것이 가능하도록 하여 경사로에서 자세제어 실험을 위해서 활용하기 위함이다.
따라서 로봇의 모터에 부착되어 있는 엔코더를 통해서 로봇의 이동속도와 거리 값을 얻고, 자이로 센서로부터 로봇의 기울기 값을 얻어서 이 값들의 조작에 의해서 로봇의 균형점을 찾아서 로봇의 자세제어를 수행하게 된다.
로봇의 균형을 유지하는 자세제어 실험은 로봇에 부착된 자이로 센서로부터 얻어진 기울기 데이터를 이용하여 평면에서 두 바퀴로 균형을 유지하는 실험과 컬러센서를 이용하여 로봇이 경사로의 오르막과 내리막을 정해진 궤적을 따라 주행을 하면서 균형을 유지하는 자세제어 실험을 수행하였다. 이러한 평면과 경사로 주행 실험을 위해서 설정한 실험환경을 그림 4에 나타내었다.
로봇의 안정된 자세제어를 위해서 로봇 양쪽바퀴의 크기를 지름 55[mm]의 바퀴를 사용하여 로봇의 좌우 폭에 대한 높이를 조정하였고, 로봇의 기울기를 감지하는 자이로 센서를 우측상단에 부착하여 로봇의 앞뒤 기울어짐에 대한 반응을 민감하게 감지할 수 있도록 하였다.
로봇이 경사로에 설정된 주행 경로를 따라 이동할 때는 자이로 센서의 변화가 심하기 때문에 이것을 해결하기 위해서 프로그램에서 자이로 센서의 샘플링주기를 미세하게 조절해 주고 또한 주행 중 자이로센서에서 측정되어 누적되는 각도오차를 최소화하기 위해서 측정된 각도 값에 대한 제어기의 보상을 실시간으로 처리해 주는 작업과정이 필요하였다. 이러한보완 작업을 수행한 결과 로봇이 안정적인 자세로 자이로 센서에서 측정되는 기울기 값에 따라 균형을 유지하기 위해서 전진과 후진 주행을 반복적으로 수행하면서 주행할 수 있었다.
평면에서 자세제어 실험은 그림 4의 상단에 보이는 평면 공간에서 수행하였으며, 오르막과 내리막 경사로 주행실험을 위해서 그림 4의 하단에 보이는 별도의 경사로를 제작하여 설치하였다. 로봇이 오르막과 내리막의 경사로를 따라 주행을 하는 실험을 위해서 그림 4에서 보인 것처럼 제작된 경사로에도 주행 경로를 표시하기 위해서 폭 30[mm] 검정색 테이프로 경로를 설치하였으며, 로봇이 컬러센서를 이용하여 설치된 경로를 따라 주행하는 것이 가능하도록 하였다.
자이로 센서의 경우 로봇의 몸체에 완전히 밀착시키고, 센서와 제어기의 입력포트를 연결하는 신호선의 길이를 짧고 비틀림 없도록 하여 정확한 각도 값을 얻도록 하였다. 로봇이 평면에서 균형을 유지하는 자세제어 결과를 확인 한 후에 로봇 전면에 부착한 초음파 센서를 이용하여 장애물이 설정된 거리 이내에서 감지되었을 경우에 로봇이 물체와 정해진 거리를 유지하기 위해서 이동하면서 균형을 유지하는 실험을 진행하였다.
본 연구 결과가 선행 연구결과들과 차별성을 갖도록 하고, 본 연구에서 제시한 제어기법의 타당성을 검증하기 위해서 경사로에서 균형을 유지하면서 주행하는 실험을 수행하였다. 경사로 주행 실험에서 오르막과 내리막으로 설정한 경사로를 따라 로봇이 균형을 유지하면서 주행했을 때의 실험 결과를 그림 8에 나타내었다.
양바퀴 이동로봇의 안정적인 자세제어를 위해서 자이로 센서를 사용하여 매 샘플링 주기마다 각속도 값을 구하고 이 값을 적분하여 로봇의 현재 기울어진 상태의 값을 구한다. 특정한 상태에서 로봇이 기울어진 상태가 되면 그림 2에서 나타낸 PID제어기에 의해서 로봇의 기울어진 상태 값에 대한 보상 값을 계산하여 제어입력 u가 로봇으로 전달된다.
로봇의 동력학을 구하는 방법으로는 뉴턴-오일러(Newton-Euler) 방법과 오일러-라그랑지(EulerLagrange)방법이 있다[1]. 여기서는 앞에서 구한 로봇의 운동에너지와 위치에너지를 이용하여 라그랑지안을 얻고, 랑그랑지 방정식에 대입하여 동역학을 구하도록 한다. 라그랑지안 L은 운동에너지에서 위치에너지를 뺀 값으로 다음과 같이 나타낼 수 있다.
로봇에 부착된 자이로 센서에서 출력되는 기울기 값을 이용해서 로봇이 균형을 제대로 유지할 수 있도록 제어하는 것이 평면 자세제어의 목적이다. 자이로 센서의 경우 로봇의 몸체에 완전히 밀착시키고, 센서와 제어기의 입력포트를 연결하는 신호선의 길이를 짧고 비틀림 없도록 하여 정확한 각도 값을 얻도록 하였다. 로봇이 평면에서 균형을 유지하는 자세제어 결과를 확인 한 후에 로봇 전면에 부착한 초음파 센서를 이용하여 장애물이 설정된 거리 이내에서 감지되었을 경우에 로봇이 물체와 정해진 거리를 유지하기 위해서 이동하면서 균형을 유지하는 실험을 진행하였다.
본 연구에서는 이러한 로봇공학 실습교육의 애로를 해결하기 위한 하나의 방안을 제시하기 위하여 세그웨이 형태를 모방한 구조의 양바퀴 이동로봇을 레고(LEGO) 블록을 사용하여 제작하였다. 제작된 로봇이 로봇공학 교육의 동적시스템이나 비선형 시스템과 같은 고급제어 이론기술을 적용하는 실습용으로 사용하는 것이 적합함을 제시하기 위해서 로봇을 사용하여 중력변화에 대해 균형을 유지하면서 안정된 자세를 취하도록 하는 자세제어실험을 수행하고 그 결과를 검토하였다.
그림 7에서는 로봇이 균형을 잡힌 자세를 유지하며 주행할 때 로봇의 전면에 부착된 초음파 센서에 장애물이 프로그램에서 설정한 거리 이내로 들어왔을 때 로봇의 움직임에 따른 모터의 회전각 변화를 나타내었다. 초음파 센서의 역할이 로봇의 전면에 나타난 물체를 감지하는 것이며, 감지된 물체의 거리가 프로그램에서 설정된 거리보다 가까울 경우는 로봇이 물체 회피 기능을 사용하여 물체와의 거리를 일정한 값으로 유지하도록 하였다.
평면에서 자세제어 실험은 그림 4의 상단에 보이는 평면 공간에서 수행하였으며, 오르막과 내리막 경사로 주행실험을 위해서 그림 4의 하단에 보이는 별도의 경사로를 제작하여 설치하였다. 로봇이 오르막과 내리막의 경사로를 따라 주행을 하는 실험을 위해서 그림 4에서 보인 것처럼 제작된 경사로에도 주행 경로를 표시하기 위해서 폭 30[mm] 검정색 테이프로 경로를 설치하였으며, 로봇이 컬러센서를 이용하여 설치된 경로를 따라 주행하는 것이 가능하도록 하였다.

대상 데이터

경사로 주행 실험에서 오르막과 내리막으로 설정한 경사로를 따라 로봇이 균형을 유지하면서 주행했을 때의 실험 결과를 그림 8에 나타내었다. 경사로의 전체 길이는 520[mm]로 설정하여 오르막과 내리막의 길이를 각각 260[mm]씩 하였다. 로봇에 사용된 DC모터의 토크를 고려하여 안정적인 경사로 주행이 가능하도록 경사각은 10°로 설정하였다.
실험에 사용할 양바퀴 이동로봇은 그림 3에서 나타낸 것처럼 LEGO MINDSTORMS EV3를 사용하여 제작하였다. LEGO MINDSTORMS EV3는 로봇의 제작에 필요한 MCU(Micro Control Unit)가 탑재된 주 제어기와 DC모터 그리고 각종 센서를 다양한 형태의 레고 블록들과 함께 제공하고 또한ROBOTC 기반의 소프트웨어를 통하여 부착된 센서로부터 입력되는 신호들의 처리와 DC모터를 제어할 수 있도록 되어 있어서 로봇교육이나 연구 과제를 수행하는데 필요한 로봇의 몸체를 제작하고 제어하는데 소요되는 시간과 예산의 문제에 대한 대안으로 활용할 수 있는 좋은 도구가 된다[4,5].

성능/효과

양쪽 바퀴에서 출력된 모터의 토크가 양(+)의 값과 음(-)의 값을 반복적으로 바뀌면서 출력되고 있는데 모터에서 출력된 토크가 양의 값일 경우는 로봇이 전진, 음의 값일 경우는 로봇이 후진하는 것을 나타낸다. 로봇이 경사로를 따라 자세를 유지하면서 전진과 후진을 반복하면서 주행하였음을 알 수 있으며, 13초 이후부터는 양쪽 모터의 토크 변화가 큰 것을 보이고 있는데 이것은 로봇이 경사로의 내리막 경로를 주행할 때 로봇이 미끄러짐에 대해서 자세를 유지하기 위해서 모터의 토크를 보상한 것으로 분석된다. 또한 실선으로 표시된 것은 제어기의 포트 D에 부착된 모터의 토크이고, ‘+’로 표시된 것은 포트 A에 부착된 모터의 토크를 나타내는데 경사로 주행에 있어서도 로봇이 자세를 유지하기 위해서두 개의 모터가 서로 동일한 방향으로 거의 비슷한 힘을 내면서 주행하는 것을 알 수 있다.
본 논문에서는 응답특성이 서로 다른 자이로 센서와 가속도 센서를 병합해서 사용할 때 필요한 시스템의 복잡성을 극복하기 위해서 자이로 센서만을 사용하여 로봇의 기울기 값을 측정하고 그에 따른 로봇의 각도변화에 대한 보상을 로봇제어기를 통해서 실시간으로 모터의 토크 값으로 변환하여 보상 해 줌으로써 로봇의 균형을 유지하는 자세제어를 수행하고 결과를 제시하였다. 본 연구에서 제시된 실험 결과가 로봇공학의 고급제어 이론의 실습교육용으로 레고(LEGO) 블록이 효과적인 실습도구로 활용될 수 있고, 수행한 내용이고급제어 이론의 실습교육을 위해서 사용이 가능함을 제시한다.
로봇이 경사로에 설정된 주행 경로를 따라 이동할 때는 자이로 센서의 변화가 심하기 때문에 이것을 해결하기 위해서 프로그램에서 자이로 센서의 샘플링주기를 미세하게 조절해 주고 또한 주행 중 자이로센서에서 측정되어 누적되는 각도오차를 최소화하기 위해서 측정된 각도 값에 대한 제어기의 보상을 실시간으로 처리해 주는 작업과정이 필요하였다. 이러한보완 작업을 수행한 결과 로봇이 안정적인 자세로 자이로 센서에서 측정되는 기울기 값에 따라 균형을 유지하기 위해서 전진과 후진 주행을 반복적으로 수행하면서 주행할 수 있었다.
제시된 실험 결과를 검토할 때 로봇공학의 기초적인 제어이론 뿐만 아니라 고급제어 이론의 실습교육을 위해서 레고블록이 효과적인 실습도구로 활용될 수 있으며, 이것은 현재 대학의 로봇공학 실습교육에서 겪고 있는 애로를 해결할 수 있는 하나의 대안이 될 수 있음을 확인하였다.
또한 경사로 주행 실험에서는 로봇이 오르막 주행에서 보다 내리막 주행에서 균형을 유지하기 위한 토크의 변화가 크게 발생하였는데, 이것은 내리막 경사로 주행에서 미끄러짐 현상에 따른 것으로 추정되어 향후 제어기법적인 보완의 필요성이 요구된다. 평면에서 로봇이 주행 중에 나타나는 장애물을 인식하고 회피하는 실험에서도 로봇 전면에서 감지된 물체에 대해서 설정된 일정거리를 유지하기 위해서 로봇이 후진하는 과정에서도 안정된 자세를 유지하는 것을 확인하였다.
평면에서 자세제어 실험결과는 로봇이 균형을 잡고 비교적 안정된 자세를 취하기까지는 약 15초 정도의 시간이 소요되었으며, 이후부터는 안정된 균형 자세를 유지하는 것을 확인 할 수 있었다. 안정된 자세를 취할 때까지 비교적 긴 시간이 소요된 것은 로봇의 기울기 각도 추정을 위해서는 통상적으로 가속도 센서와 자이로 센서를 함께 사용하는데 이번 실험에서는 시스템의 복잡성을 극복하기 위해서 자이로센서만을 사용한데 따른 것으로 추정된다.
그림 7에서 하단부에 나타낸 그래프가 초음파 센서에서 얻은 값을 나타내고 상단부에는 모터의 회전 각도를 나타낸다. 하단부의 초음파 센서에서 감지된 거리 데이터와 상단부의 로봇 구동바퀴의 회전각도의 변화된 데이터 결과를 분석해 보면 초음파 센서에서 로봇 전면의 일정 거리 이내로 들어온 물체를 감지하였을 때, 로봇이 제어프로그램에서 설정한 물체와의 일정한 거리를 유지하기 위해서 구동바퀴의 회전각을 변화시켜서 로봇의 이동속도를 줄이거나 또는 역회전 시켜서 후진을 한다는 것을 알 수 있다.

후속연구

안정된 자세를 취할 때까지 비교적 긴 시간이 소요된 것은 로봇의 기울기 각도 추정을 위해서는 통상적으로 가속도 센서와 자이로 센서를 함께 사용하는데 이번 실험에서는 시스템의 복잡성을 극복하기 위해서 자이로센서만을 사용한데 따른 것으로 추정된다. 또한 경사로 주행 실험에서는 로봇이 오르막 주행에서 보다 내리막 주행에서 균형을 유지하기 위한 토크의 변화가 크게 발생하였는데, 이것은 내리막 경사로 주행에서 미끄러짐 현상에 따른 것으로 추정되어 향후 제어기법적인 보완의 필요성이 요구된다. 평면에서 로봇이 주행 중에 나타나는 장애물을 인식하고 회피하는 실험에서도 로봇 전면에서 감지된 물체에 대해서 설정된 일정거리를 유지하기 위해서 로봇이 후진하는 과정에서도 안정된 자세를 유지하는 것을 확인하였다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	로봇의 각도를 추정하기 위해서 가속도 센서를 병합해서 많이 사용하는 이유는?	일반적으로 로봇의 각도를 추정하기 위해서는 각속도를 측정하는 자이로 센서와 직선 가속도 성분을 검출하는 가속도 센서를 병합해서 많이 사용하는데 이유는 두 센서 중 하나만을 사용하였을 경우에 발생할 수 있는 오차를 해소하기 위함이다[3]. 본 논문에서는 응답특성이 서로 다른 자이로 센서와 가속도 센서를 병합해서 사용할 때 필요한 시스템의 복잡성을 극복하기 위해서 자이로 센서만을 사용하여 로봇의 기울기 값을 측정하고 그에 따른 로봇의 각도변화에 대한 보상을 로봇제어기를 통해서 실시간으로 모터의 토크 값으로 변환하여 보상 해 줌으로써 로봇의 균형을 유지하는 자세제어를 수행하고 결과를 제시하였다.
	본 연구에서 확인한 레고블록의 효용성은?	제시된 실험 결과를 검토할 때 로봇공학의 기초적인 제어이론 뿐만 아니라 고급제어 이론의 실습교육을 위해서 레고블록이 효과적인 실습도구로 활용될 수 있으며, 이것은 현재 대학의 로봇공학 실습교육에서 겪고 있는 애로를 해결할 수 있는 하나의 대안이 될 수 있음을 확인하였다.
	바퀴구동 로봇의 자세제어에 대한 많은 관심과 연구가 진행되고 있는 이유는?	바퀴를 이용하여 이동하는 바퀴구동형 로봇의 경우 주어진 일련의 작업을 수행하기 위해서는 작업 공간에서 다양한 형태의 작업자세가 존재할 수 있으며, 작업 수행을 위해서 취한 로봇의 작업 자세에 따라 수행한 일의 결과에 대한 효율성이 결정된다고 할 수 있다. 따라서 이러한 바퀴구동 로봇의 자세제어는 이동로봇의 효율적인 작업을 수행하기 위해서 반드시 해결하여야 할 필요성에 의해서 최근까지 국내외적으로 많은 관심과 연구가 진행되고 있다[8-10].

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