KR101788577B1

KR101788577B1 - 볼 로봇을 이용한 탑승형 이동장치의 제어방법

Info

Publication number: KR101788577B1
Application number: KR1020160034783A
Authority: KR
Inventors: 이순걸; 김현진; 김덕용; 백승엽
Original assignee: 이동주; 이순걸
Priority date: 2016-03-23
Filing date: 2016-03-23
Publication date: 2017-10-23
Anticipated expiration: 2036-03-23
Also published as: KR20170110765A

Abstract

본 발명은 볼 로봇을 이용한 이동장치에 관한 것으로 특히, 드로이드 프레임의 하부에 결합되어 자유롭게 회전 가능하게 위치되는 볼과; 드로이드 프레임의 상부에 결합되어 탑승자가 착석하는 착석부와 탑승자의 등을 받치는 등받이로 이루어져 탑승자의 탑승 자세를 안정화시키기 위한 좌석부와; 상기 좌석부에 착석한 탑승자를 보호하기 위한 바디와; 상기 볼의 인접된 드로이드 프레임상에 마련되며, 볼상에 자유로운 회전력을 부여하도록 볼의 상부에 3군데 등간격으로 배치되는 옴니휠 어셈블리와; 상기 드로이드 프레임상에 마련되며, 옴니휠 어셈블리상에 가변적인 회전력을 부여하도록 모터와 감속기로 이루어진 구동수단과; 상기 드로이드 프레임의 하부에 90도 등간격으로 마련되며, 볼의 균형을 회복시키기 위한 복원력을 발생시키는 CMG 유닛; 및 상기 CMG 유닛과 구동수단을 제어하여 전후 및 대각 방향 및 회전 등을 통한 안정적인 이동을 제공하기 위한 제어시스템을 포함하여 추진수단으로 볼 로봇을 이용하여 회전과 방향전환 없이도 360도 원하는 방향으로 이동이 가능하고, 탑승자를 보호하기 위해 추진수단인 볼의 슬립이 발생되지 않도록 회전력을 볼에 공급할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 방향으로 볼에 회전력을 부여할 수 있도록 함과 동시에 균형성을 확보함으로써 안정된 자세를 유지할 수 있는 볼 로봇을 이용한 탑승형 이동장치에 관한 것이다.

Description

볼 로봇을 이용한 탑승형 이동장치의 제어방법{Control method of boarding type mobile device using the Ball-Robot}

본 발명은 볼 로봇을 이용한 탑승형 이동장치에 관한 것으로, 특히 추진수단으로 볼 로봇을 이용하여 회전과 방향전환 없이도 360도 원하는 방향으로 이동이 가능하고, 탑승자를 보호하기 위해 추진수단인 볼의 슬립이 발생되지 않도록 회전력을 볼에 공급할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 방향으로 볼에 회전력을 부여할 수 있도록 함과 동시에 균형성을 확보함으로써 안정된 자세를 유지할 수 있는 볼 로봇을 이용한 탑승형 이동장치의 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로, 볼 로봇(Ball-Robot) 혹은 볼-봇은 로봇이 구체(볼) 상단부에 위치하여 구체를 제어함으로 전 방향 이동성을 가지는 로봇을 통칭하는데, 전방위 모바일 로봇이란 로봇의 몸체가 전방향성을 지닌다고 말할 경우 현재의 자세와 관계없이 임의의 방향의 속도와 각속도를 가질 수 있다는 것을 의미한다.

즉, 평면에서 모바일 로봇이 전방향성을 지닐 때 평면에 수평한 두 직교좌표의 속도성분들과 수직한 축의 방향으로의 각속도성분이 모두 서로 독립이 된다. 주행이나 임무수행에 있어서 로봇이 전방향성을 지닌다는 것은 대단히 큰 장점이다.

첫째로 로봇의 이동경로를 설계하는 것이 매우 쉬워지고, 둘째로 제어하는 데 있어서도 기존의 일반적인 제어 기법을 사용할 수 있다. 또한 임의의 방향에서 외력이 작용하는 상황에서 자세제어를 하는 경우에도 로봇 몸체가 전방향성을 가지는 경우 문제가 간단해지는 이점이 있다. 따라서 볼 로봇은 주행방향을 바꾸는 경우 회전이 필요하지 않아 이동경로가 좁거나 요철과 같은 장애물이 많은 실내 환경에 적합하다.

이러한 장점으로 인해 점차 무인로봇 혹은 자동화 로봇에 국한되지 않고 탑승형 이동장치로 그 가능성이 확산되고 있는 데, 그 예로 대한민국 등록특허 10-1454869호(발명의 명칭: 실내용 소형 이동 보조 볼체어 로봇)의 기술이 제안되어진 바 있다.

상기 등록특허의 기술 내용을 첨부한 도 1을 참조하여 간략히 살펴보면, 도시되어진 상기 이동 보조 로봇은 접이식 의자의 하단에 형성되어 볼체어 로봇(1)을 전체적으로 지지하고, 8각기둥 형태의 골격을 가지며 전방위 구동볼을 통해 전방위적인 이동이 가능하도록 형성되는 것으로, 이는 지지프레임, 브레이크 장치부, 듀얼옴니휠 구동부, 볼 캐스터, 전방위 구동볼, 캐스터 바퀴, 마이컴부로 구성된다.

이때 등록특허의 기술내용은 해당 등록특허공보에 상세히 언급되어 있으므로 이하에서는 그 설명을 생략하기로 한다.

상기 등록특허의 경우 휠체어를 이용하는 환자의 안정성을 유지하기 위해 실질적인 추진수단인 구동볼의 주변에 캐스터 바퀴를 구비하고 있는 것을 확인할 수 있다.

즉, 통상적으로 볼 로봇(Ball-Robot)의 경우 구체인 볼과 지면의 접지면은 협소하며 전 방향 이동성을 가지기 때문에 주로 공간 제약이 심한 실내 환경에서의 편리한 이동을 목표로 이용되며, 구체위에서 로봇이 구체를 제어하기 위해 3개 혹은 4개의 휠이 구체에 위치하고, 접지면을 밀어주기 위해 쓰이는 휠은 일반 휠 혹은 옴니휠을 사용하며, 이 휠을 구동하기 위한 모터가 위치하게 된다.

이러한 기구적 구조는 균형적으로 불안한 모습을 보이나 안정성을 향상시키기 위해 상단부 몸체의 기울기를 측정할 수 있는 자이로스코프를 사용하여 로봇에 장착된 제어 컴퓨터에 입력함에 따라, 이들은 로봇을 구동하기 위해 공을 어떻게 움직여야 하는지 계산하고 하단의 모터들을 움직이게 된다.

하지만 이러한 일반적인 휠이나 옴니휠을 이용한 방법은 공에 모터의 힘 전달이 용이하지 않거나 불필요한 슬립이 많이 일어나는 문제점이 생기는 것은 물론이고, 회전등 다양한 방향성을 제시할 수 없는 문제점이 내재되어 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 종래에는 특허출원 제10-2014-0044007호를 통해 메카넘 휠을 이용한 볼 로봇이 제안되어 있다.

이는 도 2에 나타내 보인 바와 같이 메카넘 휠을 이용한 볼-로봇은 볼-로봇 몸체 하부에 형성되되 전방향 회전가능한 볼과, 각각의 중앙에는 각각의 구동을 위한 구동모터의 구동축이 형성되되 구동축의 둘레를 따라 구동축의 각도와과 다른 각도를 가지는 복수개의 롤러들이 형성되는 것이며 볼의 원주를 따라 기설정된 간격으로 각각 이격되어 구비되는 복수개의 메카넘 휠들과, 적어도 두개의 축 방향에 대한 기울기를 측정할 수 있는 기울기 센서와, 기울기 센서의 출력에 따라 메카넘 휠들을 구동하는 제어부를 포함한다.

이에 따른 메카넘 휠을 이용한 볼-로봇은 Roll축과 Pitch축 각각 2개씩 4개의 DC모터가 각각 독립적으로 동작하며 이것에 연결된 메카넘 휠이 회전하여 제어된다.

상기 기울기 센서는 로봇의 Roll축과 Pitch축 기울기를 측정할 수 있는 센서일 수 있다. 이에 따른 메카넘 휠을 이용한 볼-로봇에 있어서, 구체인 볼의 중심과 복수개의 메카넘 휠의 구동축이 일치되는 것이 바람직하다. 이와 같은 종래 메카넘 휠을 이용한 볼 로봇의 경우에는 통상의 볼 로봇에 비할 때 슬립의 감소와 힘 전달 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

하지만 이와 같은 장점에도 불구하고 메카넘 휠을 이용한 볼 로봇은 제자리 회전과 같은 방향의 다양성이 떨어지는 것은 물론이고, 효율적인 힘의 전달이 떨어지는 문제점은 그대로 내재하고 있다.

이외에도 오직 기울기 센서를 통해 메카넘 휠을 제어하는 것이기 때문에 균형성 즉, 볼의 안전성을 추구하지 못하는 문제점이 야기된다.

따라서 무인형 볼 로봇을 구현하고자 한다면 심각하게 대두되는 문제점은 아니라고 할 수 있을지 모르나, 탑승이 가능한 유인 볼 로봇을 구현하고자 하는 경우에는 불균형성에 의한 안전사고가 발생될 확률이 높고 이는 탑승자에게 치명적인 문제점이 내재되어 있다.

상술한 문제점을 해소하기 위한 본 발명의 목적은, 볼 로봇을 이용한 탑승형 이동장치에 관한 것으로, 특히 추진수단으로 볼 로봇을 이용하여 회전과 방향전환 없이도 360도 원하는 방향으로 이동이 가능하고, 탑승자를 보호하기 위해 추진수단인 볼의 슬립이 발생되지 않도록 회전력을 볼에 공급할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 방향으로 볼에 회전력을 부여할 수 있도록 함과 동시에 균형성을 확보함으로써 안정된 자세를 유지할 수 있는 볼 로봇을 이용한 탑승형 이동장치의 제어방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 볼 로봇 구동장치의 제어방법에 따른 특징은, 드로이드 프레임의 하부에 결합되어 자유롭게 회전 가능하게 위치되는 볼과; 드로이드 프레임의 상부에 결합되어 탑승자가 착석하는 착석부와 탑승자의 등을 받치는 등받이로 이루어져 탑승자의 탑승 자세를 안정화시키기 위한 좌석부와; 상기 좌석부에 착석한 탑승자를 보호하기 위한 바디와; 상기 볼의 인접된 드로이드 프레임상에 마련되며, 볼상에 자유로운 회전력을 부여하도록 볼의 상부에 3군데 등간격으로 배치되는 옴니휠 어셈블리와; 상기 드로이드 프레임상에 마련되며, 옴니휠 어셈블리상에 가변적인 회전력을 부여하도록 모터와 감속기로 이루어진 구동수단과; 상기 드로이드 프레임의 하부에 90도 등간격으로 마련되며, 볼의 균형을 회복시키기 위한 복원력을 발생시키는 CMG 유닛; 및 상기 CMG 유닛과 구동수단을 제어하여 전후 및 대각 방향 및 회전을 통한 안정적인 이동을 제공하기 위한 제어시스템을 포함하는 볼 로봇을 이용한 탑승형 이동장치의 제어방법에 있어서,

마주보는 제1 CMG 유닛과 제3 CMG 유닛; 제2 CMG 유닛과 제4 CMG 유닛에 대해 하기 방정식에 따른 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 데 있다.
CMGs 제어

상기 식에서, 목적으로 하는 제어 기준 입력은 모두 0이고

; 이 때 _x 는 정면에서 보았을 때 회전각도 (측면으로 기울어진 각도); _y는 측면에서 보았을 때 회전각도 (정면에 대한 기울기 각도).
측면 기울어짐 각도를 제어하기 위해 CMG 1 및 3 이용
PID 제어명령은

으로 구해지고
이 때 CMG1 짐볼의 각속도

상기 식에서, (CMG1의 짐볼 각도) d₁ = -d₃(CMG3의 짐볼 각도),

(CMG3의 짐볼 각속도). CMG1 짐볼과 CMG3 짐볼의 초기각도는 모두 0 로 설정.
정면에 대한 기울기 각도를 제어하기 위해 CMG 2 및 4를 이용
PID 제어명령은

으로 구해지고
이 때 CMG2 짐볼의 각속도

상기 식에서, (CMG2의 짐볼 각도) d₂ = -d₄(CMG2의 짐볼 각도),

(CMG4의 짐볼 각속도). CMG2 짐볼과 CMG4 짐볼의 초기각도는 모두 0 로 설정.

삭제

제안되는 실시예에 의하면, 추진수단으로 볼 로봇을 이용하여 회전과 방향전환 없이도 360도 원하는 방향으로 이동이 가능하고, 탑승자를 보호하기 위해 추진수단인 볼의 슬립이 발생되지 않도록 회전력을 볼에 공급할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 방향으로 볼에 회전력을 부여할 수 있도록 함과 동시에 균형성을 확보함으로써 안정된 자세를 유지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 볼 로봇을 이용한 탑승형 이동장치의 예시도
도 2는 종래 메카님 휠을 이용한 볼 로봇의 사진 예시도
도 3은 본 발명에 따른 볼 로봇을 이용한 탑승형 이동장치의 전체 구성을 보인 투시 사시도
도 4는 도 3에 도시되어진 본 발명에 따른 볼 로봇을 이용한 탑승형 이동장치의 부분 절개 사시도
도 5는 본 발명에 따른 볼 로봇을 이용한 탑승형 이동장치의 추력이 발생되는 볼 로봇 구동장치의 사시도
도 6은 본 발명에 따른 볼 로봇을 이용한 탑승형 이동장치에 있어서 옴니휠 어셈블리를 발췌하여 나타낸 평면 예시도
도 7 및 도 8은 본 발명의 옴니휠 어셈블리를 구성하는 대, 소 구동롤러를 발췌하여 나타낸 투명 사시도
도 9는 본 발명이 방향성을 나타낸 개략적 구성 예시도
도 10은 CMG 유닛을 발췌하여 나타낸 구성 예시도
도 11은 CMG 유닛의 배치 및 동작 모식도
도 12는 본 발명에 따른 볼 로봇을 이용한 탑승형 이동장치에 적용되는 분산 제어 블록과 센서와 컨트롤러에 대한 구조 다이어그램
도 13은 옴니휠의 구조적 위치 및 볼과 옴니휠 사이의 기하학적 관계 모식도
도 14는 각도 및 X축의 본체 각속도 그래프 예시도
도 15는 각도 및 Y축의 본체 각속도 그래프 예시도
도 16은 X-Y 평면에서의 로봇의 성능 그래프 예시도
도 17은 각도 및 X축의 본체 각속도 그래프 예시도
도 18은 각도 및 Y축의 본체 각속도 그래프 예시도
도 19는 X-Y 평면에서의 로봇의 성능 그래프 예시도

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 볼 로봇을 이용한 탑승형 이동장치를 상세히 설명한다.

첨부한 도 3은 본 발명에 따른 볼 로봇을 이용한 탑승형 이동장치의 전체 구성을 보인 투시 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시되어진 본 발명에 따른 볼 로봇을 이용한 탑승형 이동장치의 부분 절개 사시도이며, 도 5는 본 발명에 따른 볼 로봇을 이용한 탑승형 이동장치의 추력이 발생되는 볼 로봇 구동장치의 사시도이다.

첨부한 도 3 내지 도 5를 우선 참조하여 본 발명에 따른 볼 로봇을 이용한 탑승형 이동장치의 개괄적인 구성과 동작을 살펴보면, 첨부한 도 5에 도시되어진 볼 로봇 구동장치 위에 탑승형 바디를 탑재하여 구성된다.

전술한 볼 로봇 구동장치의 케이지 프레임 위에 바디 프레임(BP)을 고정하고 그 위에 사람이 탑승할 수 있도록 시트(ST)를 장착한 후 한쪽으로 문(D)이 달린 볼 로봇의 바디 커버(BC)로서 구성된다. 상기 문(D)의 반대편 탑승자의 손높이에는 조작패널(CP)이 설치된다. 바디의 전면과 양측면 시트전면은 탑승자가 전방 및 측면을 볼 수 있도록 유리창(FW, SW)이 구성되어 있다.

또한, 답승자의 전면에는 볼 로봇의 동작 상태를 표시하고 사용자 인터페이스를 위한 디스플레이 패널(DP)이 장착되어 있다.

또한, 도시하지는 않았으나 볼 로봇 바디에는 파워오프 혹은 사람이 탑승하고 하차하기 위해 정차하는 상황에서 안정된 자세를 유지하기 위하여 3~4개의 다리가 하부에 장착되어 있으며, 볼 로봇은 지속적으로 균형을 유지하지 위해서는 옴니휠이 구동되어야 하며, 이 경우 볼 로봇은 작은 움직임으로 이동이 발생하게 된다.

따라서 사람의 탑승, 하차를 위해 정지하기 위해서는 옴니휠 모터가 정지되어야 하며 이 경우 별도의 지지를 위한 다리가 없다면 볼 로봇의 안정된 자세를 유지할 수가 없다. 그러므로 바디에는 모터로 구동되어 정지시에는 아래로 나왔다가 동작시에는 위로 올려 볼 로봇이 이동할 수 있도록 하는 지지다리가 3~4개 존재한다.

상기 지지다리는 CMG(Control Moment Gyroscope unit)의 플라이휠 회전속도가 설정된 속도에 도달하고 옴니휠 모터에 전원이 인가되어 균형제어가 활성화되면 바디 내부로 올라감에 따라 볼 로봇의 이동을 가능하게 만든다. 지지다리의 하단에는 로드셀과 같이 지지력을 측정할 수 있는 센서가 부착되어 지지다리의 높낮이를 제어할 수 있도록 되어 있다. 측정된 지지력들과 자세센서에서 측정된 바디의 기울어짐을 센서 융합하여 각 지지다리의 길이가 제어된다.

이상으로 본 발명에 따른 볼 로봇을 이용한 탑승형 이동장치의 개괄적인 동작과 구성을 살펴보았으며, 이하에서는 실제적으로 탑승자의 안전과 이송을 위한 기술적인 내용을 첨부한 다른 도면을 참조하여 살펴보기로 한다.

첨부한 도 6은 본 발명에 따른 볼 로봇을 이용한 탑승형 이동장치에 있어서 옴니휠 어셈블리를 발췌하여 나타낸 평면 예시도이고, 도 7 및 도 8은 본 발명의 옴니휠 어셈블리를 구성하는 대, 소 구동롤러를 발췌하여 나타낸 투명 사시도이며, 도 9는 본 발명이 방향성을 나타낸 개략적 구성 예시도이고, 도 10은 CMG 유닛을 발췌하여 나타낸 구성 예시도이며, 도 11은 CMG 유닛의 배치 및 동작 모식도이다.

첨부한 도 5 내지 도 9의 도면을 참조하여 본 발명에 따른 볼 로봇을 이용한 탑승형 이동장치의 실제적인 추진 수단인 볼 로봇의 구성 및 동작을 살펴보면, 볼 로봇 구동장치는, 크게 볼(100)과 옴니휠 어셈블리(200) 그리고 구동수단으로 대별된다.

먼저 볼(100)은 슬립이 발생되지 않는 재질로 성형됨이 바람직한 바, 이를 위해서는 금속 또는 합성수지등에서 선택되어 사용됨이 바람직하다. 이때 볼(100)은 드로이드 프레임(110)을 이 하부에 자유롭게 회전 가능하게 위치된다.

옴니휠 어셈블리(200)는 볼(100)과 인접된 드로이드 프레임(110)상에 3곳 등간격으로 배치되는 것으로서, 볼(100)상에 자유로운 회전력을 전달하는 기능을 수행한다. 구동수단은 역시 드로이드 프레임(110)상에 마련되는 것으로서, 모터(310)와 감속기(320)로 이루어지며, 모터(310)로 부터의 회전력을 감속기(320)를 통해 제어하여 옴니휠 어셈블리(200)상으로 전달하는 기능을 수행한다.

한편, 상술한 옴니휠 어셈블리(200)는 드로이드 프레임(110)상에 고정 설치되는 옴니휠 프레임(210)과, 이 옴니휠 프레임(210)의 외주변을 따라 수직경과 대직경이 교호적으로 배열 설치되는 회전력을 축 방향으로 전달하는 대, 소 구동롤러(220,230)로 이루어진다.

한편 대, 소 구동롤러(220,230)는 각각 케이싱(221,231)을 중심으로 하여 베어링(B)을 통해 축 지지됨으로써 축 방향과 수직되는 방향으로 회전 가능하게 설치된다. 이때 각 케이싱(221,231)은 장구형 단면 형상을 갖도록 함이 바람직하다.

이와 같은 옴니휠 어셈블리(200)의 구조적 특징에 의하면 도 3에서와 같이 대, 소 구동롤러(220,230)의 외각 원주 라인이 끊어짐이 없는 원형 되는 것은 물론이고 케이싱의 구조에 의해 외곽 라인은 정확한 원형의 접촉면을 만들어 낼 수 있게 되며, 이 접촉면에 볼이 마찰되어 볼(100)을 소망하는 회전 방향으로 회전시킬 수 있게 된다.

한편, 상술한 대, 소 구동롤러(220,230)을 축 방향 및 이와 수직되는 방향으로 회전 가능하게 설치됨에 의해서는 도 9에서와 같은 다양한 회전 방향을 갖게 된다. 즉, 볼(100)의 회전 또는 이동속도는 이 3개의 옴니휠 어셈블리(200)의 회전속도 벡터의 합으로 결정된다.

또한 볼(100)의 이동량은 이 3개의 옴니휠 어셈블리(200)의 시간에 따른 회전량에 의해 결정된다. 즉, 각각의 옴니휠 어셈블리(200)를 도 9의 a와 같이 A, B, C로 나타내면, 녹색 화살표로 표시된 것처럼 A와 B가 서로 반대 방향으로 같은 속도로 회전하고 (회색 화살표는 롤러에 의한 free 회전) C는 회전을 하지 않게 되면 A, B의 벡터합은 두 개의 파란색 화살표처럼 표시되고 따라서 볼(100)은 이 벡터의 방향과 일치하는 하얀색 화살표 방향으로 이동하게 된다.

마찬가지로 도 9의 b와 같이 A 가 회전하지 않고 B와 C가 회전하게 되면 대각선 방향으로 합력이 얻어지고 볼(100)은 그 방향으로 이동하게 된다.

도 9의 c는 3개의 옴니휠 어셈블리(200)를 같은 방향 같은 속도로 구동하여 제자리 회전을 시키는 경우이다.

따라서 결과적으로 본 발명에 따른 볼 로봇은 제자리 회전을 비롯한 다양한 회전 방향성을 제시할 수 있게 되며 회전력을 전달이 우수하고 슬립의 방지까지 도모할 수 있게 되는 것이다.

상술한 구성 및 동작을 통해 자유로운 방향성을 얻었음에도 불구하고, 탑승자의 안전성을 확보하기 위한 구성으로 첨부한 도 5와 도 10과 도 11을 참조하여 살펴보면, 드로이드 프레임(110)의 하부에는 90도 등간격으로 CMG 유닛이 위치되는 바, 이 CMG 유닛은 볼의 균형을 회복시키기 위한 복원력을 발생시키는 기능을 수행한다.

이러한 CMG 유닛의 상세 구조를 보면, 드로이드 프레임(110)상에는 일측에 짐볼 모터(410)와 감속기(420)가 마련된 CMG 프레임(430)이 고정 설치되며, 상기 CMG 프레임(430)상에는 짐볼 회전축(441)을 통해 짐볼 프레임(440)이 회전 가능하게 축 지지된다.

또한 짐볼 프레임(440)상에는 베어링(B)에 의해 플라이휠(450)이 회전 가능하게 지지되는 바, 이 플라이휠(450)은 플라이휠 모터(451)와 감속기(452)를 통해 회전력을 전달받는다.

그리고 CMG 프레임(430)상에 위치된 짐볼 모터(410)와 감속기(420)를 짐볼 회전축(441)에 전달하기 위한 것으로서, 타이밍 벨트(T)와 스프로킷(S)이 마련된다.

이와 같은 본 발명은 먼저 옴니휠 어셈블리(200)의 구조적 특징에 의하면, 도 3에서와 같이 대, 소 구동롤러(220,230)의 외각 원주 라인이 끊어짐이 없는 원형되는 것은 물론이고, 케이싱의 구조에 의해 외곽 라인은 정확한 원형의 접촉면을 만들어 낼수 있게 되며, 이 접촉면에 볼이 마찰되어 볼(100)을 소망하는 회전 방향으로 회전시킬 수 있게 된다.

한편, 상술한 대,소 구동롤러(220,230)을 축 방향 및 이와 수직되는 방향으로 회전 가능하게 설치됨에 의해서 다양한 회전 방향을 갖게 되며, CMG 유닛을 통한 균형성 확보 즉, 안전성을 확보하는 것을 설명하면 다음과 같다.

CMG는 플라이휠 모터(451)와 짐벌 모터(410) 부분으로 구성되어 있으며 플라이휠(450)을 고속회전시켜 각운동량을 발생시킨 상태에서 짐벌 회전축(441)을 회전시켜 플라이휠(450)의 각운동량 벡터 방향을 바꾸면 자이로스코픽 효과에 의해 복원토크를 발생시키는 기능을 수행하게 된다.

즉, 자체적으로 발생하는 각운동량 상쇄시키기 위해 드로이드 프레임(110)의 맞은편 방향에 역방향의 각운동량이 발생되도록 대칭으로 CMG 유닛이 장착되어 도합 4개의 CMG 유닛(CMG1, CMG2, CMG3, CMG4)이 사용된다.

프레임의 기울어진 각도에 따라 쌍으로 이루어진 CMG pair의 짐볼모터를 회전속도를 제어하여 복원토크를 발생시킨다.

따라서 각 CMG 유닛들은 도 11에서와 같이 드로이드 프레임(110)의 4지점에 마운트 되며(그림의 경우는 짐볼이 회전하여 플라이휠 회전축이 수평이 된 상태) 서로 대칭으로 구동된다.

따라서 도 11에서 플라이휠(450)의 회전속도 벡터를 화살표로 표시하고 볼(100)의 회전속도 벡터를 화살표 (g _i ,i=1,2,3,4)로 나타내었을때 한 방향의 복원 토크만 나타내기 위해 대칭 CMG인 CMG2와 CMG4를 고려해보면, 각 CMG의 플라이휠(450) 화전속도 벡터와 볼(100) 회전속도 벡터가 주어지면 발생되는 토크는 두 벡터의 cross product로 나타난다.

즉, 발생 토크는 아래 식으로 주어지며 그림에서는 화살표로 나타내었다.

두 CMG 유닛의 토크의 분력은 점선으로 표시된 두 개의 벡터로 표시되며, 수직 방향의 토크는 서로 상쇄시켜 없앨 수 있고, y 방향으로의 토크를 만들 수 있다.

동일하게 CMG1과 CMG3를 사용하면 x 방향의 토크를 만들 수 있고 이때 CMG pair의 합력에 의해 발생되는 각 방향의 토크는 볼(100)의 회전 방향을 변경하면 발생하는 토크의 방향을 변경할 수 있게 된다.

일례로, 그림에서 나타낸 것 같이 CMG2와 CMG4에 의해 만들어진 토크의 합력 t _y 는 (-y) 방향이고 이 토크는 볼드로이드 프레임을 y축으로 회전하며 복원하는 토크가 된다.

즉, 볼드로이드가 x축 방향으로 기울어짐(pitching)이 발생하면 CMG2와 CMG4의 잠볼 속도를 제어함으로서 이 기울어짐을 복귀시키는 토크를 발생시킬 수 있다.

마찬가지로 CMG1과 CMG3를 사용하면 x축 방향의 기울어짐(rolling)에 대해서도 복원시키는 토크를 발생시킬 수 있게 되는 것으로서, 균형성을 통한 안전성을 확보할 수 있게 되는 것이다.

상술한 균형성과 안정성을 확보하기 위한 기술적 내용을 보다 상세히 살펴보면, 본 발명에 따른 볼 로봇을 이용한 탑승형 이동장치의 안정적인 제어를 위해서는 실제적으로 제어해야 하는 대상이 3개의 omni바퀴 및 4-CMG 클러스터이기 때문에, 본 발명에서는 이를 포함 한 운전 메커니즘이 제공되어야 하며 전방향 바퀴와 로봇의 기구학 및 역학 모델 개발 및 그에 따른 역학 방정식은 안정적인 자세 유지를 위하여 선형화 모델을 바탕으로 선형 컨트롤러 메카니즘을 구현하였다.

이를 위해 제어 대상과 제어방식을 선정하기 위한 모델링을 한것이 첨부한 도 12에 도시되어 있는 바와 같다.

첨부한 도 12는 본 발명에 따른 볼 로봇을 이용한 탑승형 이동장치에 적용되는 분산 제어 블록과 센서와 컨트롤러에 대한 구조 다이어그램으로써, 인코더와 IMU 센서를 채택하였는데, 인코더는 속도와 볼의 위치등의 데이터를 추정하는 데 사용된다. 또한, IMU 센서를 통해 로봇의 방향을 측정할 수 있으며, 가속도계와 자이로스코프를 구비한다.

가속도계 x, y 및 z 축에 따라 로봇의 선형 가속도 측정 하고, 자이로스코프는 x, y 및 z 축에 대한 각속도를 측정 하는데 사용하며, IMU 센서는 칼만 필터를 최고의 각도 각 속도 데이터를 제공 합니다.

본 발명에 따른 볼 로봇을 이용한 탑승형 이동장치에 적용되는 재어방법의 구체화 실험을 위한 실험 모델(이하, ‘리제’라 칭함)의 사항은 다음 표1과 같습니다.

매개 변수	값
바디의 질량	68kg
몸 질량 중심 높이	0.38m
롤의 관성 모멘트	12.1 kgm²
피치 모멘트	11.67 kgm²
Yaw 모멘트	1.08 kgm²
Omni 바퀴의 반지름	0.1 mm
Omni 바퀴의 관성	0.26 kgm²
공의 질량	27.6 kg
볼의 반경	0.22 m
볼의 관성	0.89 kgm²
제니스 각도	65.5 deg.

리제의 일반적인 운동학은 반지름 r_w이고 바디와 반경 r_k인 1개의 공과, 3개의 omni 바퀴의 각속도 관계이다. 3개의 Omni 바퀴의 구동 축 120^oX-Y평면에서 구분 되고 이러한 각도 표시는 β_i(β₁= 0^o, β₂= 120^o와 β₃= 240^o).

상기 각도 표시 β_i(i=1,2,3)를 나타내는 도 5에서 보듯이 옴니 휠과 공 및 바디 프레임에서 β_i의 위치를 확인할 수 있습니다.

여기서 변수 K는 볼의 반지름이다.

또한, 공 접촉 지점에 omni바퀴의 속도의 방향을 주는 단위 벡터를 정의 합니다.

공과 옴니-방향으로 볼의 원주 속도 옴니 휠 사이의 접점에 바퀴는 omni 바퀴의 원주 속도 그래서 바디 프레임에 omni 바퀴의 각 속도 의해 주어진다.

y-z 평면에서의 리제 운동학 관점에서 살펴보면,

여기서 J_x는 Jacobian행렬입니다.

x-z 평면에서의 리제 운동학 관점에서 살펴보면,

여기서 J_y는 Jacobian행렬입니다.

x-y 평면에서의 리제 운동학 관점에서 살펴보면,

여기서 J_z는 Jacobian행렬입니다.

따라서 리제의 운동학 방정식은

에 대하여 다음과 같이 다시 작성할 수 있다.

상술한 운동방정식을 이용한 동적 방정식은 리제의 운직임을 실질적으로 이해하고 그것을 제어하기 위한 것으로, 2D 모델을 통해 3D 시스템을 모델링하도록 한다.

리제의 신체에 부착 된 옴니 휠 디스크를 그들의 축에 대해 회전으로 모델링 됩니다.

오일러-라그랑주 메서드는 리제의 동적 방정식을 파생 하는 데 사용 됩니다. 시스템에서 마찰 작고 무시할 간주 됩니다. 최소한의 좌표 y z 평면에서의 벡터로

과 같이 정의됩니다.

동적 방정식은 아래의 방정식을 사용 하여 얻을 수 있습니다.

상기 방정식에서 변수 L은 총 운동 에너지 T, 총 전위 에너지, 공, 3개의 omni 바퀴, 및 바디의 V의 차이

로 표시 됩니다.

상기 방정식을 이용하여 동적 방정식을 얻을 수 있는데, yz 평면에서 운동 방정식 매트릭스 폼으로 아래와 같이 작성 될 수 있습니다.

여기서 M(q_x)은 질량 행렬 코리올리의 원심 벡터, G(q_x)는 중력 벡터를 나타내고, Q_x는 운전 옴니 휠 모터의 제어 토크의 벡터를 나타냅니다.

상기 M(q_x)의 관계식을 질량 매트릭스에 의해 다시 정리하면 아래와 같다.

여기서 m_k, I_k 는 질량 및 볼의 관성을 표시한다. I_w 는 m_를, 동안 각 omni 바퀴의 추진력 관성 I_x 와 l은 질량, 관성 모멘트와 신체의 수직 축 따라 질량 중심을 나타낸다.

따라서 코리올리 원심 벡터, 중력 벡터와 제어 토크 벡터에 의해 주어주는데,

어디 τ_x는 x축에 대한 구동 모터의 토크이며, g는 중력 가속도이다.

어디 그리고 질량 매트릭스 M(q_y),코리올리 원심 벡터 중력 벡터 G(q_y)및 구동 모터 Q_y의 제어 모자는 다음과 같은 형식으로 결정 됩니다.

어디 I_y는 y축에 대한 신체의 모멘트 및 τ_y는 y축에 대한 운전의 토크 모터입니다.

마지막으로, 우리는 공을 드라이브 3 개의 모터에 의해 생성 되는 토크를 계산하기 위해 수식에 대go 다음과 같은 방정식을 얻을 수 있습니다.

제어 리제에 대한 시스템의 직각 방향에 대한 두 개의 하위 시스템으로 분할하여 방정식은 선형화 될 필요가 있으므로, 리제의 운동 방정식을 선형화 평형 점을 모든 상태 변수 및 컨트롤 신호에 대해 선형화 역학 모델 방정식을 정리하면 아래와같다.

이데, 평형 점에서 선형화 모델 방정식은 아래와 같이 표현할 수 있습니다.

이때 제어 입력 및 z-y 평면에서 상태는 정의 u = τ_x그리고

이다.

zx에서 본체와 제어 입력 및 상태는 정의 u=τ_y그리고

이다.

시스템은 두 직교 방향에서 분리 되었다. 각 방향에 있는 컨트롤러 제로 볼의 위치에서 로봇 바디의 경사를 유지 하는. 한 IMU 센서와 전에 언급 했 듯이 4 인코더 상태 변수를 얻을 하는 데 사용 됩니다.

이 연구에서 상태 피드백 컨트롤러는 제어 하 고 균형 있는 리제 사용 됩니다. 상태 피드백 컨트롤러는 모든 상태 변수 및 오류 e를 구현 하는 컨트롤러 = x-x_ref,x_ref참조 상태를 나타내는 통해 응답 u를 생산 하기 위해 이득 K =-애. 이 결과는 상태 공간 표현에 의해 주어진은 그림 3에 표시 된 참조 상태와 폐쇄 루프 시스템

S-의 왼쪽에 원하는 폐루프 극으로 피드백 이득 행렬 K Ackermann의 수식을 사용 하여 결정 될 수 있다. 원하는 폐쇄의 선택 결정 시스템에 대한 상태 피드백 이득 K K. 따라서, 이득 매트릭스에 영향을 것입니다, 그리고 우리 환경을 사용 하 여 MATLAB에 대 한 여러 행렬 K 시스템의 응답 특성을 시뮬레이션 하 고 최상의 전반적인 시스템 성능을 제공 하나를 선택 합니다. 리제에 컨트롤러를 구현할 때 K 이득 행렬을 로봇의 진동을 피하기 위해 조정된에 따라 시뮬레이션 결과 손을 했다.

평평한 바닥면에서 리제의 움직임이 안적적인 가를 확인하였는데, 이는 첨부한 도 14 내지 도 16에 도시되어진 그래프에서 확인할 수 있었다.

첨부한 도 14는 각도 및 X축의 본체 각속도 그래프 예시도이고, 도 15는 각도 및 Y축의 본체 각속도 그래프 예시도이며, 도 16은 X-Y 평면에서의 로봇의 성능 그래프 예시도로써, 평평한 바닥면에서 위치유지를 위한 균형성과 안정성을 나타내고 있다.

상술한 실험 결과와 더불어 외부환경의 변화 예를 들어 추돌 혹은 바닥면의 요철들에 의해 순간적으로 균형을 잃은 경우 복원되는 과정의 실험을 진행하였는데, 첨부한 도 17은 각도 및 X축의 본체 각속도 그래프 예시도와, 도 18은 각도 및 Y축의 본체 각속도 그래프 예시도, 및 도 19는 X-Y 평면에서의 로봇의 성능 그래프 예시도를 참조하여 살펴보면, 외부에서의 충격에 대해 안정적인 복원력이 나타나 신뢰성있는 균형성과 안정성을 보이는 것으로 확인된다.

운동학 및 동적 방정식 모션의 오일러 라그랑주 방정식에 의해 얻은 것이며, 로봇의 균형 성능을 시끄러운 실제 환경에서 테스트 되었으므로, 외부환경의 노이즈에 의한 오작동 여부를 확인하여 안정성의 신뢰성을 확인하였다.
한편 CMGs 제어

상기 식에서, 목적으로 하는 제어 기준 입력은 모두 0이고

으로 구해지고
이 때 CMG1 짐볼의 각속도

상기 식에서, (CMG1의 짐볼 각도) d₁ = -d₃(CMG3의 짐볼 각도),

으로 구해지고
이 때 CMG2 짐볼의 각속도

상기 식에서, (CMG2의 짐볼 각도) d₂ = -d₄(CMG2의 짐볼 각도),

(CMG4의 짐볼 각속도). CMG2 짐볼과 CMG4 짐볼의 초기각도는 모두 0 로 설정함이 바람직하다

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 될 것이다.

100 볼 110 드로이드 프레임
200 옴니휠 어셈블리 210 옴니휠 프레임
220 대 구동롤러 221 케이싱
230 소 구동롤러 231 케이싱
310 모터 320 감속기

Claims

드로이드 프레임의 하부에 결합되어 자유롭게 회전 가능하게 위치되는 볼과; 드로이드 프레임의 상부에 결합되어 탑승자가 착석하는 착석부와 탑승자의 등을 받치는 등받이로 이루어져 탑승자의 탑승 자세를 안정화시키기 위한 좌석부와; 상기 좌석부에 착석한 탑승자를 보호하기 위한 바디와; 상기 볼의 인접된 드로이드 프레임상에 마련되며, 볼상에 자유로운 회전력을 부여하도록 볼의 상부에 3군데 등간격으로 배치되는 옴니휠 어셈블리와; 상기 드로이드 프레임상에 마련되며, 옴니휠 어셈블리상에 가변적인 회전력을 부여하도록 모터와 감속기로 이루어진 구동수단과; 상기 드로이드 프레임의 하부에 90도 등간격으로 마련되며, 볼의 균형을 회복시키기 위한 복원력을 발생시키는 CMG 유닛; 및 상기 CMG 유닛과 구동수단을 제어하여 전후 및 대각 방향 및 회전을 통한 안정적인 이동을 제공하기 위한 제어시스템을 포함하는 볼 로봇을 이용한 탑승형 이동장치의 제어방법에 있어서,
마주보는 제1 CMG 유닛과 제3 CMG 유닛; 제2 CMG 유닛과 제4 CMG 유닛에 대해 하기 방정식에 따른 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 볼 로봇을 이용한 탑승형 이동장치의 제어방법.
CMGs 제어

상기 식에서, 목적으로 하는 제어 기준 입력은 모두 0이고
; 이 때 _x 는 정면에서 보았을 때 회전각도 (측면으로 기울어진 각도); _y는 측면에서 보았을 때 회전각도 (정면에 대한 기울기 각도).
측면 기울어짐 각도를 제어하기 위해 CMG 1 및 3 이용
PID 제어명령은
으로 구해지고
이 때 CMG1 짐볼의 각속도

상기 식에서, (CMG1의 짐볼 각도) d₁ = -d₃(CMG3의 짐볼 각도),
(CMG3의 짐볼 각속도). CMG1 짐볼과 CMG3 짐볼의 초기각도는 모두 0 로 설정.
정면에 대한 기울기 각도를 제어하기 위해 CMG 2 및 4를 이용
PID 제어명령은
으로 구해지고
이 때 CMG2 짐볼의 각속도

상기 식에서, (CMG2의 짐볼 각도) d₂ = -d₄(CMG2의 짐볼 각도),
(CMG4의 짐볼 각속도). CMG2 짐볼과 CMG4 짐볼의 초기각도는 모두 0 로 설정.