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핵심기술
동적 평형 기술과 액티브 서스펜션 기술, 경량 쾌속 매니퓰레이션 기술
최종목표
고속 이동성을 갖춘 동적 평형 모바일 매니퓰레이션 시스템을 개발하는 것을 목적으로 한다. 서비스 로봇으로서 인간과 비슷하거나 보다 빠른 수준의 고속이동이 가능하며 쉽게 제어가 가능한 모바일 플랫폼을 개발하고, 상부 매니퓰레이션 시스템과 하부 모바일 플랫폼 사이에 지면에서부터 가해지는 외란을 억제해주는 액티브 서스펜션을 장착하여 고속 이동시에도 매니퓰레이션 시스템이 동적 평형을 유지할 수 있도록 한다. 액티브 서스펜션은 6자유도 이

핵심기술
동적 평형 기술과 액티브 서스펜션 기술, 경량 쾌속 매니퓰레이션 기술
최종목표
고속 이동성을 갖춘 동적 평형 모바일 매니퓰레이션 시스템을 개발하는 것을 목적으로 한다. 서비스 로봇으로서 인간과 비슷하거나 보다 빠른 수준의 고속이동이 가능하며 쉽게 제어가 가능한 모바일 플랫폼을 개발하고, 상부 매니퓰레이션 시스템과 하부 모바일 플랫폼 사이에 지면에서부터 가해지는 외란을 억제해주는 액티브 서스펜션을 장착하여 고속 이동시에도 매니퓰레이션 시스템이 동적 평형을 유지할 수 있도록 한다. 액티브 서스펜션은 6자유도 이상의 운동성을 갖춰 하부에서 가해지는 충격을 상하, 좌우, 앞뒤 방향 모두 제어 가능하도록 한다. 또한 사람에게 음식을 나르는 등의 서비스를 수행 할 수 있는 경량 쾌속의 매니퓰레이션 시스템을 구현하는 것을 목적으로 한다.
개발내용 및 결과
고속 이동을 위해서는 로봇의 상체를 가속하는 방향으로 기울여줄 필요가 있다. 이때, 상체를 어느정도 기울여야 하는가에 대한 계산은 ZMP(Zero Moment Point)를 이용하게 된다. ZMP가 로봇의 지면접촉다각형 이내에 들어오면 로봇이 안정하게 되는데, ZMP를 항상 무게중심으로부터 수직 아래에 있도록 유지하는 방법(Fixed ZMP method)과 ZMP의 변화를 어느정도 용인하면서 로봇의 Reverse action을 줄이는 방법(Relaxed ZMP method)가 제안 되었다.
일반적으로 모터로 제어되는 로봇은 대부분 높은 게인을 사용하는 위치 제어를 하는데, 그럴 경우 지면으로부터의 외란이 운반하는 물체까지 저감 없이 전달된다. 그래서 Cartesian Computed Torque Method를 이용한 위치 제어를 통해 원하는 자세를 유지하면서 지면으로부터의 외란이 발생할 경우, 매니퓰레이터의 조인트가 약간씩 오차를 허용하면서 진동을 기계적으로 저감시키고자 하였다.
매니퓰레이터의 끝에 올려둔 물체가 떨어지지 않게 로봇이 가속, 감속을 하기 위해서는 End-effector의 Orientation을 조절해야만 한다. 이때 물체가 올려진 End-effector의 Joint에 걸리는 Torque가 0이 되도록 제어를 하면, 물체의 ZMP가 물체를 받치는 조인트 방향을 항상 향하기 때문에 떨어뜨리지 않고 물체를 운반할 수 있다.
기술개발배경
이륜 자기 균형 로봇은 두 개의 바퀴만을 사용하므로 바퀴가 지면에 닿아 있는 면적이 작아 하부 모바일 플랫폼의 크기를 작게 만들 수 있으며 두 바퀴를 차륜구동하면 제자리에서 회전이 가능하여 회전반경을 무한대에 가깝게 사용할 수 있는 장점이 있어 이동성에 있어서 큰 이점을 가진다. 또한 동적 균형 알고리즘을 이용하여 로봇 스스로 균형을 잡고 이동한다는 점이 사람으로 하여금 호기심을 불러 일으켜 로봇에 대한 호감도를 높일 수 있는 장점이 있다. 반면에 이륜 자기 균형 이동차는 가속력을 내기위해서 앞으로나 뒤로 몸을 기울여야 하는데 가속력의 크기가 기울어진 각도에 비례한다. 협소한 공간에서 갑자기 정지를 하거나 반대로 빠른 가속이 필요한 경우에 이륜 자기 균형 로봇의 경우 그 한계가 존재하게 된다. 또한 지면이 울퉁불퉁한 경우나 경사면을 가로지를 경우 로봇의 횡방향(Roll)으로는 외란이 들어오게 되고 별도의 완충장치가 없을 경우 횡방향으로의 불안정성이 가중되어 로봇이 위험한 상황에 처할 수 있다. 사륜 로봇의 경우에도 마찬가지로 매니퓰레이션 시스템에 가해지는 외란을 억제하는 별도의 동적 평형 장치가 없으면 하부의 외란이 상체시스템에 고스란히 전달되어 로봇의 불안정성을 증가시킨다. 이러한 현상은 매니퓰레이션 시스템이 원하는 작업을 수행하는데도 지장을 주어 이를 방지해주는 메커니즘의 개발이 필수적으로 수반되어야하는 상황이다.
핵심개발기술의 의의
고속 모바일 매니퓰레이터와 같은 휠베이스 로봇의 형태는 이미 존재하나 상부 매니퓰레이터의 자유도를 활용한 ZMP control로 빠른 가속도를 낼 수 있는 로봇의 개발은 본 연구에서 찾을 수 있는 핵심기술이다. 또한 위치 제어 기반의 제어 환경에서 액티브 서스펜션 기술 개발은 위치제어의 장점을 모두 유지하면서 그 한계점을 뛰어넘은 고난이도의 기술개발이다.
본 연구에서 개발된 고속 모바일 매니퓰레이터 시스템은 일부 부품(모터, 하모닉드라이브)를 제외한 설계 및 조립은 모두 국산 기술로 구현 되었으며 로봇 내부의 알고리즘 또한 모두 순수 국산 기술이라 할 수 있다.
이와 같은 플랫폼의 개발은 기술의 패키징이 용이하여 플랫폼을 수출하여 우리 기술을 외국으로 수출할 수 있으며 더 발전적인 기술개발을 장려할 수 있다.
적용분야
연구 개발의 목표인 빠른 가속도 확보, 물건 이송중의 안정성 확보 그리고 바닥으로부터의 외란에 대한 액티브서스펜션 메커니즘의 개발을 통해 어느 정도의 굴곡이 존재하는 평탄면에서의 활용이 극대화 될 수 있는 로봇개발이 가능해진다.
레스토랑, 상가, 박물관, 전시장, 공항 등의 건물 실내에서 용이하게 활용될 전망이다. 이러한 사용환경에서 배달로봇, 서빙로봇, 경비로봇 등으로 활용가능하다.그리고 이러한 기술 개발을 바탕으로 다른 연구에 활용될 기본 플랫폼으로 추후의 다른 기술개발에 활용될 수 있을 것이다.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 3
• 기술개발사업 최종보고서 초록 ... 4
• <기술개발사업 주요 연구성과> ... 12
• 목차 ... 18
• 제 1 장 서론 ... 19
• 제 1 절 과제의 개요 ... 19
• 제 2 절 국내·외 관련 기술의 현황 ... 21
• 제 3 절 기술개발 시 예상되는 기술적·경제적 파급 효과 ... 23
• 제 2 장 기술개발 내용 및 결과 ... 24
• 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 24
• 제 2 절 단계 목표 및 평가 방법 ... 27
• 제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 27
• 제 4 절 수행 결과의 보안등급 ... 30
• 제 5 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리 현황 ... 30
• 제 3 장 결과 및 사업화 계획 ... 31
• 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 31
• 1. 연구개발 추진 일정 ... 31
• 2. 연구개발 추진 실적 ... 35
• 3. 기술개발 결과의 유형 및 무형 성과 전체를 기재 ... 50
• 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 67
• 1. 당해단계 추진 체계 ... 67
• 2. 연차별 추진 체계 ... 69
• 제 3 절 시장 현황 및 사업화 계획 ... 71
• 제 4 절 고용 창출 효과 ... 74
• 제 5 절 자체보안관리진단표 ... 75
• 부 록 ... 76