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ISSN : 1975-6291(Print)
ISSN : 2287-3961(Online)
Journal of Korea Robotics Society Vol.8 No.2 pp.67-74
DOI : https://doi.org/10.7746/jkros.2013.8.2.067

이륜 구동 로봇의 균형 각도 조절을 통한 사람과의 상호제어의 실험적 연구

이승준1, 정슬2

Experimental Studies of Balancing Control of a Two-wheel Mobile Robot for Human Interaction by Angle Modification

Seul Jung2, Seung Jun Lee1
2Mechatronics Engineering Department, Chungnam National University
1Mechatronics Engineering Department, Chungnam National University
Received : Jun. 23. 2012; Reviewed : Jul. 25. 2012; Accepted :Mar. 8. 2013

Abstract

This paper presents interaction force control between a balancing robot and a humanoperator. The balancing robot has two wheels to generate movements on the plane. Since thebalancing robot is based on position control, the robot tries to maintain a desired angle to be zerowhen an external force is applied. This leads to the instability of the system. Thus a hybrid forcecontrol method is employed to react the external force from the operator to guide the balancing robotto the desired position by a human operator. Therefore, when an operator applies a force to the robot,desired balancing angles should be modified to maintain stable balance. To maintain stable balanceunder an external force, suitable desired balancing angles are determined along with force magnitudesapplied by the operator through experimental studies. Experimental studies confirm the functionalityof the proposed method.

01 KRS-12-021-R1-(20130308-165759)-Final-144_correction.pdf1.17MB

1. 서 론

이동로봇 기반 서비스 로봇은 가정용로봇, 의료용로봇, 농업용로봇, 오락로봇 등 많은 분야에서 활용되어 다양한 서비스를 제공하고 있다. 보다 광범위한 서비스를 제공하기 위해서는 위치제어를 벗어나 인간과의 상호작용, 대상체 또는 로봇간의 협조 작업을 위해 힘과 위치를 동시에 제어하는 기술이 필요하다. 

 최근에는 이동로봇에 팔을 부착하여 작업의 효율을 높이고자 노력하고 있으며[1-4], 4륜 구동 이동로봇에서 2바퀴 구동 이동로봇에 대한 연구가 활발하다. 이륜이동로봇은 삼륜 혹은 사륜 이동로봇에 비해 안정성이 취약하다는 단점은 있지만, 이동성이 좋기 때문에 지속적인 연구와 발전이 이루어지고 있다[5-9].

 이륜 이동로봇의 궁극적인 목적은 역진자와 같이 넘어지지 않고 균형을 유지하는 것이다. 즉 기준 축에서 벗어난 균형 각도를 영으로 유지해야 균형을 유지하게 된다.

 하지만, 그림 1과 같이 균형 상태의 이륜 이동로봇에 외부 힘을 인가할 경우, 밸런싱제어만으론 균형을 유지하기 어렵다. 왜냐하면 그림 2에 보여진 것처럼 로봇은 기준균형 각도(θ)가 영으로 설정되어 있으므로 외부에서 힘이 적용되어도 각도가 영이 유지되도록 하려 하기 때문이다. 이는 외부힘에 의해 로봇이 영의 각도를 유지하는 것이 불가능하므로 균형에 나쁜 영향을 주게 되어 불안정해지는 요소가 된다.

Fig. 1. Concept of robot and human interaction

Fig. 2. Coordinates of robot system

 본 논문에서는 이를 해결하기 위해 힘제어 방법을 사용한다. 힘제어 기술에는 임피던스 제어방식 [10]과 하이브리드 제어방식이 있다 [11]. 임피던스 제어방식은 힘과 위치의 직접 제어가 아닌 로봇으로부터 반영된 힘과의 동적관계를 조절함으로써 힘을 간접적으로 제어하는 방식이며 [12,13], 하이브리드 제어방식은 원하는 힘과 위치를 직접 설정하여 추종하도록 제어하는 방식이다.

 두 바퀴로 균형을 유지하며 이동이 가능한 역진자 이동로봇과의 상호작용을 위해 하이브리드 제어방식을 사용하였다. 하이브리드 제어 방식은 적용된 힘을 직접적으로 기준 균형 각도로 환산할 수 있는 편리함을 제공한다. 외부에서 적용되는 힘의 크기에 따라 균형의 기준 각도 값을 적당하게 변경할 수 있다.

 따라서, 본 논문에서는 적용된 힘에 따른 기준 균형 각도 값을 달리 적용하는 방법의 타당성을 검증하기 위해 실제 로봇을 설계 및 제작하였다. 로봇에 힘을 가해 원하는 위치로 이동하는 실험을 통해 안정적으로 균형을 유지함을 증명하고자 한다.

2. 시스템 모델

이륜이동로봇은 역진자 시스템과 이동로봇 시스템이 조합된 형태로 이동로봇의 기구학을 이용하여 구할 수 있다. 일반적인 역진자 이동로봇은 Fig. 2와 같다 [4,14]. 이동로봇의 기구학은 다음과 같다.

 

Table 1. Robot parameters

3. 제어 방법

3.1 이륜이동로봇의 위치 및 자세제어

 이륜이동로봇을 제어하기 위해서는 기울어진 각도(θ), 헤딩 각도(φm), 위치(p)를 알아야 한다. 위치와 회전각도는 엔코더를 통해 이동로봇의 기구학식으로 구할 수 있으며, 기울어진 각도는 기울기 센서와 자이로센서를 이용하여 얻을 수 있다.

 θ만큼의 기울기가 발생하면 기울기가 발생한 방향으로 움직여줌으로써 θ값을 0으로 균형을 유지한다. 균형만 유지하는 것이 아니라 위치 또한 제어하여야 하므로 그림 3과 같은 제어기에 의해 이동로봇을 제어한다[10]. 기울기(θ), 위치(p), 헤딩각도(φm) 오차는 다음과 같이 정의된다.

 

 

Fig. 3. Control block diagram

ϵp는 다음과 같이 계산된다. 

 

여기서 xd,yd는 원하는 기준위치이고 x,y는 각 축에서의 로봇의 위치이다. 

 제어입력은 다음과 같다.

 

 

 

여기서, k, k, kpp, kdp, kip, k, k, k는 제어 이득 값이다. 이륜이동로봇의 좌/우 구동 모터의 바퀴토크입력은 다음과 같다. 

 

균형 각도제어에서 PD제어기를 사용한 이유는 PID제어기의 경우 누적 오차가 발생하여 균형 오차가 더욱 커지게 되고 이는 밸런싱제어에 영향을 주어 전체적으로 시스템이 불안정해지는 현상을 방지하기 위함이다. 기울어진 각도의 제어의 경우에 누적 오차가 있게 되면 로봇이 지속적으로 움직이게 되어 결국 진동이 커져 불안정해 지는 경향이 있다. 

3.2 Hybrid 힘 제어

 힘 오차는 주어진 기준 힘 ƒd과 실제 힘 ƒe의 차이값으로 정의된다.

 

 힘 제어 입력은 다음과 같이 PID제어기를 사용한다.

 

 여기서, k, k, k는 제어 이득값이다 [6].

 균형 자세에서 힘을 인가하였을 경우에 밸런싱제어에서 힘제어로 전환하게 되는데 이 때 힘 오차값을 보상하기 위해 갑자기 높은 토크가 발생되어 시스템이 불안정해지게 된다. 따라서, 식 (11)에 주어진 기준값 ƒc에 도달하기 전까지는 미는 힘에 대해 위치 및 각도 제어를 수행하여 로봇을 앞으로 기울어져 밀어내는 힘을 발생하게 된다.

 

이때 ƒc값을 초과하면 자연스럽게 밸런싱제어에서 힘제어로 바뀌게 된다. 여기서 K값은 센서의 정확도와 잡음 등에 의해 실험적으로 결정된다. 

 하이브리드 제어방식은 선택적으로 힘제어와 밸런싱제어를 전환하여 제어할 수 있도록 전환하는 방식으로 식 (12)와 같다.

 

ƒd값은 인간 혹은 다른 로봇과의 협조 작업시 필요로 하는 힘의 값을 지정해 놓은 값으로 무거운 물체를 이동할 경우, 혹은 큰 힘을 필요로 하는 작업을 할 경우에는 ƒd값을 크게 설정하며, 강성도가 약해서 파손의 위험이 있는 작업을 할 경우 ƒd값을 작게 설정한다. 

 힘의 성분에 의해 힘의 방향 또한 고려될 수 있지만 본 논문에서는 단일 방향, 즉 그림 5에 나타난 것처럼 x축 방향을 가정한다. 그림 4에 하이브리드 힘제어 방식이 잘 나타나 있다. 밸런싱제어와 힘제어가 스위칭에 의해 변환된다.

Fig. 4. Force control block diagram

Fig. 5. Force representation

3.3 외부힘에 따른 각도값

 균형 로봇으로 외란의 영향이 없을 경우 안정적으로 자세를 유지할 수 있다. 하지만, 실제 제작의 경우 내부의 하드웨어 위치 및 부품의 불균형 등의 문제로 인해 무게 중심점이 정확하게 가운데에 위치하는 것이 어렵다. 이러한 경우에 기준 균형 각도 값을 영으로 하는 것 보다는 실험적으로 구한 오프셋 값으로 설정하는 것이 더 안정적인 균형제어를 할 수 있다[15].

 외부힘이 인가될 경우 밸런싱제어에서 힘제어로 전환되어 제어기가 작동하며, 자세를 유지하기 위해 힘센서에 균형제어로 인한 추가적인 힘이 발생하게 되어 불안정해지는 현상이 발생하게 된다.

 따라서, 외부힘에 대한 기준 균형 각도값을 대응할 수 있는 값 (θ*d)으로 달리 설정하여 로봇이 낼 수 있는 자체적인 힘을 고려해 주었다. 외부힘(ƒϵ)에 따른 보정된 균형각도 값(θ*d)은 다음과 같이 정의된다.

 

여기서 H=0.032는 변환 상수값으로 실험적으로 구하며, θ*d는 보정된 기준 각도이다. 따라서 외부 힘이 없을 경우 ƒϵ = 0인 경우에는 θ*d = θd가 된다. 

그림 5에서 보는 것과 같이 로봇의 기울기 각도(θ)를 달리하여 외부힘에 대응할 수 있다. 로봇이 외부힘에 대응하여 균형을 이룰 경우에 힘의 합은 다음과 같다. 

 

 여기서 ƒ1은 로봇의 기울임으로 발생한 무게중심점에서의 x축 방향의 힘, ƒ2는 모터의 구동 토크로 발생하는 x축 방향의 힘을 나타낸 것으로 다음과 같다.

 

 여기서 τT는 두 바퀴의 구동토크이고 d은 바퀴의 중심에서 링크 끝까지의 길이이다.

 따라서, 외부 힘에 따라 기준 균형 각도를 조정함으로써 모터의 토크값을 달리하여 협조 작업시 더 큰 힘에 대해 안정적으로 대응할 수 있게 된다.

4. 시스템 구성

 실제 시스템 구조는 그림 6과 같다. 시스템의 전체 높이는 약 0.7m 높이이며, 상체부는 7개의 서보모터를 사용하여 양팔에 각각 3자유도, 허리부분에 1자유도를 갖도록 하며, 머리 부분에는 힘센서를 장착하여 외부힘을 인지하여 힘제어를 할 수 있도록 설계되었다. 서보모터는 RS485 통신에 의해 구동되며, 힘센서는 PC기반의 인터페이스를 사용하여 시리얼 통신을 통해 힘데이터를 DSP에 전송하기 때문에, RS232/485 모듈을 상체에 장착하였다.

Fig. 6. Real balancing robot

하체부는 마이크로컨트롤러, DC모터, 엔코더, 모터드라이버, 그리고, 센서가 장착되었다. 마이크로 컨트롤러는 TI TMS320F2812 DSP를 사용하였다. 기어비 1/17의 12V DC-motor를 사용하였으며, LMD18200으로 구동된다. 센서부는 기울기센서와 자이로센서를 Complementary Filter를 적용하여 각도를 측정하였다[6,14]. Complementary Filter는 저역통과 필터와 고역통과 필터로 구성되어 있는데, 상대적으로 응답이 낮은 기울기센서의 신호는 저역통과 필터를 통과시키고 자이로 센서의 신호는 고역통과 필터를 통과하게 한 다음, 두 신호를 합하여 사용한다. 이 때 컷오프주파수는 실험적으로 구한다.

5. 실 험

5.1 실험환경

 전체 시스템의 구성은 그림 7에 나타나 있다. DSP2812를 사용하여 제어하였으며, 제어주기는 100Hz로 실험하였다. 힘센서(JR3)는 PCI 데이터 수집보드를 사용하기 때문에 DSP와 시리얼통신(baudrate : 9600)으로 힘데이터를 수집하였다.

Fig. 7. Hardware structure of robot system

5.2 각도값에 따른 힘제어 영향

 그림 8은 로봇에 의해 발생할 수 있는 토크를 힘으로 나타낸 것이다. ƒ1은 모터의 구동이 없이 로봇의 기울임에 의한 중력 성분힘이며, ƒ2는 모터의 구동에 의한 힘이다. 기준 각도 값의 변화가 없다면 기울임이 0인 상태, 즉, ƒ1 = 0 이며, 로봇이 외부 힘에 대응할 수 있는 힘은 모터구동에 의한 ƒ2이다. 기울임 상태가 없다면 외부힘(ƒe)에 대해 ƒ2만으로 대응해야 하며, 시스템을 안정적인 상태로 하기 위해서는 ƒe = ƒ2가 되어야 한다.

Fig. 8. External force about a balancing angle

하지만, ƒe = ƒ2가 되기 위해서는 시스템을 정확히 알아야 하며, 힘센서로 인해 측정되는 ƒe가 정확해야 한다. ƒ2가 빠르게 ƒe를 추종하지 못한다면, ƒe에 의해 각도오차가 발생하게 되며, 이것은 예기치 못한 ƒ1의 발생한다. 또한, ƒ2에서 발생하는 힘이 로봇의 자세를 유지할 수 있는 기준값보다 커지면 그림 8의 우측 그림과 같이 시스템의 자세가 무너지게 된다. 

 따라서, 식(13)과 같이 ƒe에 따른 기준 각도 값을 변화해주어 ƒ1을 발생해주면 시스템을 더 안정화 시킬 수 있다.

 그림 9에서 보는 것과 같이 ƒ1값을 알아보기 위한 실험을 수행하였다. 모터의 구동이 없이 로봇의 기울임만으로 낼 수 있는 힘, 즉 중력은 그림 10과 표 2와 같다.

Fig. 9. Test of measuring force ƒ1

Fig. 10. Measurement data of force ƒ1

Table 2. ƒ1 of robot tilting

 그림 11은 ƒϵ에 따라 각도 값이 변화하는 것을 보여준다.

Fig. 11. Angle change with respect to ƒe

여기서 θd = 0.035, ƒd = 1.2N으로 설정하였다. K는 실험적으로 얻은 상수값으로 0.4를 사용하였다. 

 측정된 외부힘은 센서오차와 노이즈의 영향이 있음을 고려하여 임계값을 설정해 놓고, 그 이상의 값에 대해서만 식(13)에 의해 새로운 각도값을 생성해준다.

 그림 12는 균형 각도값이 0으로 고정된 경우의 힘데이터를 보여준다. 그림 13에서 보는 것과 같이 기준 각도 값을 ƒϵ에 따라 바꿔준 경우 힘추종 오차값(eƒ)이 감소함을 확인할 수 있다.

Fig. 12. Force when desired angle is 0

Fig. 13. Force error of angle change with ƒe

 그림 13에서는 16초에 힘제어에서 밸런싱제어로 바뀌는 부분을 보여준다. 여기서 밸렁싱제어라 함은 각도와 위치를 영으로 유지하는 제어의 경우를 말한다.

5.3 힘제어 결과

 외부 힘을 적용하는 실험을 위해 균형 로봇을 손으로 밀며 제어를 수행하였다. 그림 14에 실제 실험 모습이 나타나 있다. 로봇이 넘어지지 않고 미는 방향으로 움직이는 것을 볼 수 있다.

Fig. 14. Experimental demonstration

 그림 15와 그림 16을 보면 힘의 입력에 따라 각도 값이 변화하여 이를 추종하며 각도 값이 바뀌는 것을 확인할 수 있다. 그림 16은 힘값의 입력에 따른 하이브리드 제어의 전환을 보여준다. 힘의 입력이 없는 경우 자세유지를 하는 것을 확인할 수 있다(10-20초 구간). ƒc값을 기준으로 밸런싱 제어에서 힘제어로 변화하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 15. Force and Angle data

Fig. 16. Angle when switching control

 그림 17의 제어입력 값을 보면 각각 10초, 20초 지점에서 힘에서 밸런싱으로, 밸런싱에서 힘으로 전환되는 것을 보여준다. 힘제어에서 밸런싱제어로 전환되는 부분에서는 ƒc에서 순간적으로 ƒϵ값이 0으로 되어 기준 각도 값이 0으로 변화하기 때문에 순간적으로 큰 밸런싱 제어 입력값이 들어감을 확인할 수 있다.

Fig. 17. Force when switching control

6. 결 론

 본 논문에서는 이륜균형로봇과 인간과의 협조제어를 하기 위한 힘제어를 연구하였다. 적용된 힘에 따른 기준 각도 값을 달리 설정하는 방법을 제시하였다. 이를 증명하기 위해 로봇에게 힘을 가한 상태로 로봇이 이동하는 실험을 하였다. 기준 힘 ƒd값을 설정하여 로봇과 인간 사이의 물체에 일정한 힘을 가하여 밸런싱제어가 아닌 힘제어로 로봇을 이동할 수 있음을 확인하였다.

 본 논문에서는 힘의 한 축에 대해서 실험을 하였지만, 추후과제로는 힘의 여러 방향을 고려한 상태를 연구하는 것이다.

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