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제어 모멘트 자이로스코프를 이용한 외바퀴 이동로봇의 균형 자세 제어
Balancing control of one-wheeled mobile robot using control moment gyroscope 원문보기

한국지능시스템학회 논문지 = Journal of Korean institute of intelligent systems, v.27 no.2, 2017년, pp.89 - 98  

박상형 (서울과학기술대학교 전기정보공학과) ,  이수영 (서울과학기술대학교 전기정보공학과)

초록
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외바퀴 로봇 제어에 있어 필수적인 균형 안정화 제어를 위해 제어 모멘트 자이로스코프(CMG)를 이용할 수 있다. 단일 짐벌 CMG는 단순한 구조를 가지면서 외란에 대해 강력한 복원 토크를 로봇에게 전달할 수 있다. 그러나 CMG는 복원 토크 외에 원치 않는 방향의 토크도 발생시킨다. 원치 않는 방향 토크는 회전 자유도가 높은 외바퀴 로봇 시스템에서 불안정성 문제를 야기한다. 본 논문에서는 원치 않는 방향 토크를 제거하기 위해 CMG 가위쌍을 이용한 외바퀴 이동 로봇 제어 시스템을 제시한다. 외바퀴 로봇 동역학식에 있어서의 모델 오차에 강인한 특성을 갖는 LQR 제어 알고리즘을 설계하였다. 3D 비선형 동역학 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 CMG 가위쌍과 LQR 제어 알고리즘을 갖는 외바퀴 로봇 제어 시스템을 검증하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The control moment gyroscope(CMG) can be used for essential balancing control of a one-wheeled mobile robot. A single-gimbal CMG has a simple structure and can supply strong restoring torque against external disturbances. However, the CMG generates unwanted directional torque also besides the restor...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이와 달리 원치 않는 방향의 토크 성분이 발생하는 문제는 CMG가 동작하는 내내 시스템을 불안정하게 만들 수 있는 외란으로 작용하게 되므로 본 논문에서는 이 문제 해결에 중점을 두었다.

가설 설정

  • F와 B의 두 짐벌은 짐벌 모터 제어에 의해 정확히 서로 반대 방향으로 회전한다고 가정한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
제어 모멘트 자이로스코프란? 제어 모멘트 자이로스코프(Control moment gyroscope, 이하 CMG)는 고속 회전하는 플라이휠의 방향을 바꿈으로써 토크를 발생하는 구동기이다. CMG의 토크 발생 원리는 리액션 휠과 비슷하나, 보다 강력한 토크를 발생시킬 수 있다는 장점을 가진다 [10].
외바퀴 이동로봇의 특징은? 외바퀴 이동로봇은 바닥과 닿는 바퀴가 하나이기 때문에 피치와 롤, 두 방향으로 불안정한 평형점을 갖는다. 역진자 형태의 로봇의 제어 방법은 휴머노이드 로봇에도 응용이 가능하므로 더욱 높은 중요성을 갖는다.
제어기 설계 시 가변구조제어 방법을 도입해야 하는 이유는? 로봇의 균형을 제어하기 위해서는 초기 조건과 외란에 대한 안정화 제어를 수행해야 한다. 따라서 외란에 대하여 강인한 가변구조제어와 같은 방법을 이용하여 그 성능을 높일 수 있을 것으로 예상된다.
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참고문헌 (14)

  1. S. Park, Y. Han, "Balance Control of a Biped Robot Using the ZMP State Prediction of the Kalman Estimator," Journal of Korean Institute of Intelligent Systems, Vol.16, pp.601-607, 2006. 

  2. K. Lee, J. Park, Y. Ryoo, "Development of Child-Sized Humanoid Robot," Journal of Korean Institute of Intelligent Systems, Vol.23, pp.24-28, 2013. 

  3. S. Cho, S. Jung, "Experimental Studies of a Time-delayed Controller for Balancing Control of a Two-wheel Mobile Robot," Journal of Korean Institute of Intelligent Systems, Vol.26, pp.23-29, 2016. 

  4. H. Kim, S. Jung, "Experimental Studies of Controller Design for a Car-like Balancing Robot with a Variable Mass," Journal of Korean Institute of Intelligent Systems, Vol.20, pp.469-475, 2010. 

  5. H. Bin, L. Zhen, and L. Feng, "The Kinematics Model of a Two-wheeled Self-balancing Autonomous Mobile Robot and Its Simulation," Computer Engineering and Applications, Proc. International Conference on Computer Engineering and Applications, 2010. 

  6. N. Townsend, R. Shenoi, "Gyrostabilizer vehicular technology," Applied Mechanics Reviews, Vol.64, No.1, 2011. 

  7. M. Ha, S. Jung, "Balancing Control of a Single-wheel Mobile Robot by Compensation of a Fuzzified Balancing Angle," Journal of Korean Institute of Intelligent Systems, Vol.25, pp.1-6, 2015. 

  8. H. Brown, Y. Xu, "A single-wheel, gyroscopically stabilized robot," Robotics and Automation, IEEE International Conference, 1997. 

  9. S. Han, J. Lee, "Balancing and Velocity Control of a Unicycle Robot Based on the Dynamic Model," IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol.62, No.1, pp. 405-413, 2015. 

  10. H. Kurokawa, "A Geometric Study of Single Gimbal Control Moment Gyros -Singularity Problems and Steering Law -," Report of Mechanical Engineering Laboratory, No.175, pp.75-108, 1998. 

  11. L. G. Brennan, "Means for imparting stability to unstable bodies," uS Patent 796893, 1904. 

  12. J. N. Aubrun, G. Margulies, "Gyrodampers for Large Space Structures," NASA, 159171, 1979. 

  13. S. Spry, A. Girard, "Gyroscopic Stabilization of Unstable Vehicles: Configurations, Dynamics, and Control," Vehicle System Dynamics, Vol.46, No.1, pp. 247-260, 2008. 

  14. ADAMS 2015.1. MSC Software Corporation. 

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