KR101107222B1 - 이동 로봇 및 그 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 본체와, 일단이 상기 본체에 회전 가능하게 장착되며 타단이 회전 가능한 휠에 연결된 복수의 암들과, 상기 본체에 장착되며 상기 각각의 암들에 토크를 인가하는 액츄에이터들과, 상기 본체의 주행 중 상기 본체에 대한 상기 암들의 각도를 센싱하는 각도센서, 및 상기 암들이 가상 스프링과 같은 형태로 구현되도록 상기 각도센서로부터 검출된 각도들을 근거로 상기 액츄에이터들의 토크를 제어하는 컨트롤러를 포함하는 이동 로봇 및 그 제어방법을 개시한다.

Description

이동 로봇 및 그 제어 방법{MOBILE ROBOT AND CONTROLLING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 복수의 암을 구비한 이동 로봇 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
이동 로봇의 자율주행 기술은 우주공간, 심해저, 화산지대와 같은 극한상황에서의 무인화를 위한 목적으로도 연구가 진행되고 있다. 아울러, 도로 위를 달리는 무인 자동차와 같은 실제 상용화를 위한 목표를 두고 지속적인 연구가 되고 있다.
따라서, 실내 환경과 같은 지형이 일정한 지형뿐만 아니라, 실외환경 즉 지형이 일정하지 않고 갑작스런 지형변화에 능동적으로 대처하기 위한 방법이 필요하다.
이동 로봇은 다양한 형태의 지형에서 주행할 수 있도록 휠이 연결된 암을 갖는 다축형 이동 로봇의 형태로 구현되고 있으며, 이동 로봇의 접지력 향상을 위한 자세 제어 기술에 대한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다.
기존의 스프링과 감쇄장치를 이용한 현가장치의 경우 물리적 한계에 의해 다양한 지형의 형태에 대해서 능동적으로 대처할 수 있는 범위가 한정적이다. 이를 해결하기 위한 방법으로 감쇄장치의 압력을 제어하는 방식의 특성을 변화시키는 방법도 많이 사용하고 있으나, 다축형 이동 로봇의 경우에는 그 적용에 있어서 어려움이 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 암에 토크를 인가하기 위한 액츄에이터를 이용하여 능동형 현가장치를 구성하고, 이를 통해 적용 환경에 능동적으로 대처할 수 있는 현가장치를 구현하기 위한 것이다.
상기와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명과 관련된 이동 로봇은 본체와, 일단이 상기 본체에 회전 가능하게 장착되며 타단이 회전 가능한 휠에 연결된 복수의 암들과, 상기 본체에 장착되며 상기 각각의 암들에 토크를 인가하는 액츄에이터들과, 상기 본체의 주행 중 상기 본체에 대한 상기 암들의 각도를 센싱하는 각도센서, 및 상기 암들이 가상 스프링과 같은 형태로 구현되도록 상기 각도센서로부터 검출된 각도들을 근거로 상기 액츄에이터들의 토크를 제어하는 컨트롤러를 포함한다.
상기 컨트롤러는 기설정된 제어식에 의해 상기 토크를 제어하며, 상기 제어식은 상기 본체의 주행 전에 산출된 제1제어상수와, 기설정된 기준각도와 상기 각도센서로부터 검출된 각도의 차의 비례값을 포함할 수 있다.
상기 제1제어상수는상기 암의 기본위치에 대응되는 중간각도를 설정하고, 상기 기본위치를 만족하는 값을 찾기 위해 점진적으로 증가시키는 방식에 의해 산출될 수 있다.
상기 제어식은 기설정된 암의 기준 회전속도와 암의 현재 회전속도의 차와 제2제어상수의 비례값을 더 포함할 수 있다.
한편 본 발명은 본체와, 상기 본체에 회전 가능하게 연결된 복수의 암들을 포함하는 이동 로봇의 제어 방법에 있어서, 상기 암들에 토크를 가한 상태로 상기 본체를 주행시키는 단계와, 상기 본체의 주행 중 상기 본체에 대한 상기 암들의 각도를 센싱하는 단계, 및 상기 암들이 가상 스프링과 같은 형태로 구현되도록 상기 센싱된 암들의 각도를 근거로 상기 암들에 가해지는 토크를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇의 제어 방법에 개시한다.
본 발명은 암들이 가상 스프링과 같은 형태로 구현되도록 암의 각도를 근거로 액츄에이터들의 토크를 제어함으로써, 험지 등 다양한 지형에 능동적으로 대처할 수 있는 현가 장치를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명은 암에 인가되는 토크의 제어를 통해 다축형 이동 로봇의 휠이 지면과 마찰되는 접지력을 분산시킴으로써 이동 로봇의 험지 극복의 능력과 이동로봇의 운동 성능을 향상시킴과 아울러 효율적인 에너지 사용이 가능하게 한다.
이하, 본 발명과 관련된 이동 로봇 및 그 제어 방법에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 이동 로봇의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 이동 로봇(100)은 본체(110), 복수의 암(120)들, 및 복수의 휠(130)들을 포함한다.
본체(110)는 이동 로봇(100)의 외형 구조를 이루며, 본체(110)의 내부에는 이동 로봇(100)의 동작을 위한 각종 부품들이 장착된다.
암(120)들은 그 일단이 본체(110)에 회전 가능하게 장착된다. 암(120)들은 본체(110)의 복수의 개소에 장착될 수 있으며, 본 실시예는 본체(110)의 양측면에 각각 3개의 암(120)들이 장착된 것을 예시하고 있다.
암(120)들은 본체(110) 내부에 장착된 액츄에이터(150, 도 4 참조)에 연결되며, 액츄에이터(150)는 암(120)들에 회전력, 즉 토크를 인가한다. 액츄에이터(150)는 모터의 형태로 구현될 수 잇으며, 암(120)들에 대응되는 갯수로서 암(120)들에 각각 연결된다.
휠(130)들은 암(120)들의 타단에 각각 회전 가능하게 연결되며, 휠(130)들의 회전에 따라 본체(110)가 지면을 주행하게 된다. 휠(130)들은 암(120)들의 내부에 장착된 구동장치에 연결되어 구동장치의 동작에 의해 회전 구동될 수 있다.
도 2 및 3은 암들이 배치 형태를 예시한 이동 로봇의 측면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 휠(130)들은 본체(110)와 암(120)들의 회전점(P)보다 후방에 위치할 수 있으며, 이러한 구조는 트레일링 타입(Trailing Type)으로 지칭될 수 있다.
아울러 도 3에 도시된 바와 같이, 휠(130)들이 본체(110)와 암(120)들의 회전점보다 전방에 위치하는 것도 가능하며, 이러한 구조는 리딩 타입(Leading Type)으로 지칭될 수 있다.
도 2 및 도 3은 암(120)들 모두가 트레일링 타입 또는 리딩 타입으로 구현된 것을 예시하고 있으나, 암(120)들의 일부가 트레일링 타입으로 구현되고 나머지는 리딩 타입으로 구현된 구조도 가능하다 할 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예와 관련된 이동 로봇의 구성 및 작동 상태를 나타내는 블록 구성도이다.
도 4를 참조하면, 이동 로봇(100)은 액츄에이터(150), 각도센서(140), 및 컨트롤러(160)를 포함한다.
액츄에이터(150)는 앞서 설명된 바와 같이 암(120)들에 토크를 인가한다. 이에 같이 암(120)들에 토크가 안가됨에 따라, 본체(110)가 현재의 자세를 유지하거나, 현재 자세에서 다른 자세로 전환할 수 있다.
각도센서(140)는 본체(110)의 주행 중 암들의 본체(110)에 대한 각도(θc, 도 2 및 3 참조)를 센싱한다. 본 명세서에서 기술된 암(120)들의 각도는 수평 방향에 대한 암(120)들이 회전한 각도를 지칭한다. 각도센서(140)는 암(120)들에 대응되는 갯수로 구비될 수 있으며, 이들은 각각의 암(120)들의 각도를 센싱한다.
컨트롤러(160)는 각도센서(140)로부터 검출된 암(120)들의 각도(θc)를 근거로 액츄에이터(150)들이 암(120)들에 인가하는 토크의 크기를 제어한다. 컨트롤러(160)는 각 암(120)들에 연결된 액츄에이터(150)를 개별 제어한다.
컨트롤러(160)는 액츄에이터(150)의 토크를 제어하여, 암(120)들이 가상 스프링과 같은 형태의 가상의 현가장치를 구현한다. 이에 따라, 휠(130)들에 작용하는 하중에 따라 본체(110)와 휠(130) 사이에 스프링이 연결된 것처럼 본체(110)가 상하 운동될 수 있다.
한편, 본체(110)는 자이로 센서를 추가적으로 구비할 수 있으며, 자이로 센서는 본체(110)의 자세를 검출하여 컨트롤러(160)로 인가한다. 컨트롤러(160)는 이러한 정보를 근거로하여 본체(110)의 무게 중심을 보정할 수 있다.
도 5는 가상 현가 장치의 구현을 위한 기본 개념을 나타낸 도면이다.
도 5에서 m은 본체(110)의 질량이 배분된 질량을 나타낸다. 예를 들어, 도 1과 같이 본체(110)에 6개의 암(120)들이 각각 장착된 경우, m은 본체(110) 질량의 1/6이 해당하는 값을 가질 수 있다. 다만, 본체(110)의 자세나 지형의 형태에 따라 본체(110)의 질량은 다양하게 배분될 수 있다.
k는 가상의 스프링을 나타내며, 이는 스프링 상수를 지칭할 수도 있다. 이러한 개념에 의하면, 암(120)들의 회전 운동에 의해 본체(110)가 상하로 이동하는 거동은 암(120)들과 본체(110) 사이에 가상의 스프링이 연결된 것으로 볼 수 있다.
d는 댐퍼, 즉, 충격 완화장치를 나타내며, 이는 스프링과 본체(110) 사이에 연결된 것으로 볼 수 있다.
h는 m의 무게 중심과 지면 사이의 거리를 나타내며, h는 암(120)의 각도(θc)에 의해 결정될 수 있다. 즉, 암(120)의 회전 구동에 따라, 본체(110)의 높이가 높아지거나 낮아질 수 있다.
컨트롤러(160)는 기설정된 제어식에 의해 액츄에이터(150)의 토크를 제어하며, 제어식은 다음과 같다. 제어식은 복수의 암(120)들에 개별적으로 적용될 수 있 다.
Figure 112009060223062-pat00001
여기서, τi는 액츄에이터(150)에 인가되는 토크를 말한다. τi를 정의하는 제어식은 두 개의 항으로 되어 있다. 첫번째 항은 가상 스프링, 즉 도 5의 k와 관련되고, 두번째 항은 댐퍼, 즉, 도 5의 d와 관련된다. 본 제어식은 첫번째 항과 두번째 항을 포함하고 있으나, 첫번째 항만을 포함하는 것도 가능하다.
첫번째 항의 kp는 제어상수를 나타내고, θi는 기준 각도를 나타내며, θc는 각도센서(140)로부터 검출된 암(120)의 현재 각도를 나타낸다. 첫번째 항은 kp와, θi와 θc의 비례값으로 표시된다. kp는 도 5의 스프링 상수 k와 동일하다.
kp와 θi는 이동 로봇(100)의 주행 전에 미리 설정되며, 이동 로봇(100)의 주행 중 θc의 변화에 따라 τi가 결정된다. θi는 수평 방향에 대해 70 내지 90도의 각도로 주어질 수 있으며, kp를 산출하는 과정은 후술하기로 한다.
두번째 항의 ki는 제어상수를 나타내고, θb'는 기준 회전 속도를 나타내며, θc'는 암(120)의 현재 회전 속도를 나타낸다. θc'는 각도센서(140)로부터 측정 가능하다.
ki와 θb'는 이동 로봇(100)의 주행 전에 미리 설정되며, 이동 로봇(100)의 주행 중 θc'의 변화에 따라 댐핑값이 결정된다. ki와 θb'의 값은 이동 로봇(100)의 운동 특성, 이동 로봇(100)의 이동 속도나 지형의 형태에 의해서 조절가능하다. 제어식의 두번째 항은 암(120)의 회전 운동 변화량이 많은 경우 출력 토크값을 조절해줌으로서 순간적인 충격을 완화시켜주는 역할을 한다. 즉, 암(120)의 운동 변화량이 많은 경우 변화한 방향과 반대로 출력값을 생성해줌으로써 암(120)이 회전하는 속도를 낮추어주는 역할을 한다.
이하에서는 도 6을 참조하여 kp를 산출해내는 과정에 대해 설명하기로 한다. 도 6은 제어상수(kp)를 산출하는 과정을 나타내는 순서도이다.
휠(130)에 작용하는 하중의 변화에 따라 본체(110)가 상하 운동할 수 있게 하기 위해서는 암(120)의 기본 위치(초기 위치)를 적절하게 설정해 주어야 한다. 이는 kp를 조절함으로써 설정될 수 있다. 이동 로봇(100)은 암(120)이 기본 위치로 회전된 상태에서 지면을 주행하게 된다.
본 발명에서는 암(120)의 기본 위치에 대응되는 중간각도(θm)을 설정하고, 이를 만족하는 kp를 찾기 위해서 kp를 점진적으로 증가시키는 방법을 사용하였다. 중간각도(θm)는 수평 방향에 대해 30 내지 40도의 각도로 주어질 수 있다.
kp의 값을 점진적으로 증가시킴으로써 지면과 수평으로 놓인 암(120)의 위치를 θm까지 회전시키는 과정을 수행한다. θm에 대응되는 kp가 산출되면, 산출된 kp 를 제어식에 적용하여 τi를 계산하고 그 결과값을 산출하게 된다. 암(120)의 각도가 기본 위치를 이룬 상태에서 이동 로봇(100)이 주행하는 경우, θc는 θm의 값을 갖게 되며, 암(120)에는 이에 대응되는 토크값이 인가되게 되는 것이다.
이동 로봇(100)의 주행 중 θc의 변화에 따라 τi 값이 변하게 되어 액츄에이터의 토크가 제어되게 되는 것이다. 이하에서는 휠(130)에 작용하는 하중이 감소하거나 증가한 경우를 기초로, 본 발명의 토크 제어 방식을 살펴보기로 한다.
도 7 및 8은 본 발명과 관련된 암 구동 제어를 나타내는 이동 로봇의 측면도이다.
도 7은 이동 로봇의 주행 중 휠(130)에 작용하는 하중이 감소한 상태를 나타내고 있다. 예를 들어, 암(120)의 각도가 기본 위치를 이룬 상태에서 이동 로봇(100)이 주행하고 있는 경우, 지형 변화에 의해 휠(130)이 지면으로부터 떨어질 수 있다. 이 때, 암(120)은 액츄에이터(150)에 의해 인가되는 토크에 의해 지면을 향해 회전하게 된다. 이에 따라, 이동 로봇의 안정적인 접지 상태를 유지할 수 있다.
암(120)이 지면 방향으로 회전한 경우, θc는 증가하게 되며, 이에 따라 산출되는 τi의 값은 감소하게 된다(참고로, kp는 보다 큰 값을 갖는 경우임). τi의 감소에 따라 본체(110)의 높이(h)가 감소하게 되며, 암(120)의 각도는 원래의 위치로 복귀하게 된다.
도 8은 이동 로봇의 주행 중 휠(130)에 작용하는 하중이 증가한 상태를 나타내고 있다.
지형 변화에 의해 휠(130)에 작용하는 하중이 증가하는 경우, 본체(110)의 위치가 아래로 하강하게 된다. 이에 따라, θc는 감소하게 되며, 출력되는 τi의 값은 증가하게 된다. 즉, 본체(110)가 하강하는 경우, 더 강한 토크를 발생시켜 본체(110)의 위치를 상향 조정하게 되는 것이다.
이상에서는 본 발명과 관련된 이동 로봇 및 그 제어 방법을 첨부한 도면들을 참조하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 이동 로봇의 사시도.
도 2 및 3은 암들이 배치 형태를 예시한 이동 로봇의 측면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예와 관련된 이동 로봇의 구성 및 작동 상태를 나타내는 블록 구성도.
도 5는 가상 현가 장치의 구현을 위한 기본 개념을 나타낸 도면.
도 6은 제어상수(kp)를 산출하는 과정을 나타내는 순서도.
도 7 및 8은 본 발명과 관련된 암 구동 제어를 나타내는 이동 로봇의 측면도이다.

Claims (12)

  1. 본체;
    일단이 상기 본체에 회전 가능하게 장착되며, 타단이 회전 가능한 휠에 연결된 복수의 암들;
    상기 본체에 장착되며, 상기 각각의 암들에 토크를 인가하는 액츄에이터들;
    상기 본체의 주행 중 상기 본체에 대한 상기 암들의 각도를 센싱하는 각도센서; 및
    상기 암들이 가상 스프링과 같은 형태로 구현되도록 상기 각도센서로부터 검출된 각도들을 근거로 상기 액츄에이터들의 토크를 제어하는 컨트롤러를 포함하되,
    상기 컨트롤러는 기설정된 제어식에 의해 상기 토크를 제어하며,
    상기 제어식은 상기 본체의 주행 전에 산출된 제1제어상수와, 기설정된 기준각도와 상기 각도센서로부터 검출된 각도의 차의 비례값인 것을 특징으로 하는 이동 로봇.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1제어상수는
    상기 암의 기본위치에 대응되는 중간각도를 설정하고, 상기 기본위치를 만족하는 값을 찾기 위해 상기 제1제어상수를 점진적으로 증가시키는 방식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 이동 로봇.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 기준각도는 수평 방향에 대해 70 내지 90도로 설정되고, 상기 중간각도는 수평 방향에 대해 30 내지 40도로 설정되는 것을 특징으로 하는 이동 로봇.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제어식은,
    기설정된 암의 기준 회전속도와 암의 현재 회전속도의 차와 제2제어상수의 비례값을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 본체의 무게 중심을 보정할 수 있도록 상기 본체의 자세를 검출하여 상기 컨트롤러로 전달하는 자이로 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 휠은 상기 본체와 암의 회전점보다 후방에 위치하거나 상기 본체와 암의 회전점보다 전방에 위치하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇.
  8. 본체와, 상기 본체에 회전 가능하게 연결된 복수의 암들을 포함하는 이동 로봇의 제어 방법에 있어서,
    상기 암들에 토크를 가한 상태로 상기 본체를 주행시키는 단계;
    상기 본체의 주행 중 상기 본체에 대한 상기 암들의 각도를 센싱하는 단계; 및
    상기 암들이 가상 스프링과 같은 형태로 구현되도록 상기 센싱된 암들의 각도를 근거로 상기 암들에 가해지는 토크를 제어하는 단계를 포함하되.
    상기 암들에 가해지는 토크는 기설정된 제어식에 의해 제어되며,
    상기 제어식은 상기 본체의 주행 전에 산출된 제1제어상수와, 기설정된 기준각도와 상기 센싱된 각도의 차의 비례값인 것을 특징으로 하는 이동 로봇의 제어 방법.
  9. 삭제
  10. 제8항에 있어서, 상기 제1제어상수는,
    상기 암의 기본위치에 대응되는 중간각도를 설정하고, 상기 기본위치를 만족하는 값을 찾기 위해 상기 제1제어상수를 점진적으로 증가시키는 방식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 이동 로봇의 제어 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 기준각도는 수평 방향에 대해 70 내지 90도로 설정되고, 상기 중간각도는 수평 방향에 대해 30 내지 40도로 설정되는 것을 특징으로 하는 이동 로봇의 제어 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 암들의 회전속도를 센싱하는 단계를 더 포함하고,
    상기 제어식은 기설정된 기준 회전속도와 상기 센싱된 회전속도의 차와 제2제어상수의 비례값을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇의 제어 방법.
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