KR101548930B1 - 횡단경사면에서 지능형 보행보조로봇의 직진성 제어장치 - Google Patents

횡단경사면에서 지능형 보행보조로봇의 직진성 제어장치 Download PDF

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Abstract

사용자가 입력하는 목표 회전각속도와 로봇의 회전각속도와의 비교를 통해 각 구동축에 가중치를 인가하여 횡단경사면 주행시 경로 이탈을 방지하도록 한 횡단경사면에서 지능형 보행보조로봇의 직진성 제어장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 사용자의 보행의지 신호에 따른 로봇의 목표 방향 및 속도를 출력하는 사용자 입력부; 상기 로봇에 장착된 각속도 센서를 통해 회전 각속도를 검출하는 센서부; 상기 사용자 입력부에서 획득한 각속도와 상기 센서부에서 검출한 회전 각속도를 비교하여 오차 값을 생성하고, 상기 생성한 오차 값을 기초로 요(Yaw) 축을 보정하여 구동 출력을 제어하는 컨트롤러; 및 상기 컨트롤러에서 출력되는 구동 출력에 따라 로봇을 구동시키는 구동부를 포함한다.

Description

횡단경사면에서 지능형 보행보조로봇의 직진성 제어장치{Apparatus for improve the linearity of the walking assistant robot to move on lateral slopes}
본 발명은 횡단경사면에서 지능형 보행보조로봇의 직진성 제어에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사용자가 입력하는 목표 회전각속도와 로봇의 회전각속도와의 비교를 통해 각 구동축에 가중치를 인가하여 횡단경사면 주행시 경로 이탈을 방지하도록 한 횡단경사면에서 지능형 보행보조로봇의 직진성 제어장치에 관한 것이다.
최근 삶의 질 향상에 따라 고령자의 기대수명이 높아지고 있으며, 이에 따라 고령자의 일상생활을 지원하는 기술 및 기기에 대한 관심이 높아지고 있다. 고령자는 신체 노령화로 인해 65세 이후부터 급격하게 근력이 감소하며, 그 중 하지 근력의 저하는 보행 행위를 저해하는 요소이다. 이들의 이동을 도와주는 이동 기기로는 전동 휠체어, 전동 스쿠터와 보행보조기가 있으며, 그 중 보행보조기는 사용자가 탑승하여 이동하는 전동 휠체어나 전동 스쿠터와 달리 사용자가 보행하면서 재활운동을 할 수 있는 기기이기 때문에 많은 관심을 받고 있다.
보행보조기는 사용자가 직접 보행보조기를 움직여 이동하는 수동형 기기가 대부분이지만, 최근에 수동형 기기에 DC모터를 장착하여 사용자가 최소의 조작으로 보행을 할 수 있는 전동형 보행보조기가 제안되고 있다. 뿐만 아니라 전동형 보행보조기에 컴퓨터나 마이크로컨트롤러를 장착하여 보행 상황에 능동적으로 대처할 수 있는 보행보조로봇에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
일반적인 보행보조로봇은 평탄한 지형에서만 동작할 수 있는 제한이 있기 때문에, 주로 대형병원 및 실버타운 등의 실내이동 장치에만 국한되어 사용되었다. 하지만, 최근 고령자의 실외 활동 영역이 증가함에 따라 경사면 주행, 둔턱 주행 등과 같은 다양한 노면에 대처할 수 있는 연구가 이루어지고 있다.
특히, 경사로 주행의 경우, 노면 상에 위치하는 보행보조로봇이 흘러내림 현상이 발생하여 사용자의 안전을 보장할 수 없을 뿐만 아니라 안전사고를 초래할 수도 있다.
예컨대, 보행보조로봇은 횡단경사면 주행시 로봇의 무게와 경사도에 의해 발생되는 회전 모멘트의 영향을 받아 경로 이탈을 하게 된다.
종단 경사면에서 보행보조로봇에 작용하는 외력은 다음과 같다.
도 1에 도시한 바와 같이, 보행보조로봇이 종단 경사면 상의 위치할 때, 로봇의 중심을 기준으로 힘이 작용하며, 이는 종단 경사각(
Figure 112013119461055-pat00001
)에 대해 경사면에 수직으로 작용하는 힘(
Figure 112013119461055-pat00002
)과 수평으로 작용하는 힘(
Figure 112013119461055-pat00003
)으로 분리할 수 있다.
이때 수평으로 작용하는 힘과 수직으로 작용하는 힘은 아래의 [수학식1]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112013119461055-pat00004
Figure 112013119461055-pat00005
보행보조로봇이 경사면에 위치해 있을 경우 수평방향으로 존재하는 힘은 로봇을 미는 힘으로 작용하며, 이는 종단 경사면을 따라 이동 동작과 정지동작 할 때 극복 요인으로 작용한다.
횡단경사면에서 보행보조로봇에 작용하는 외력은 다음과 같다.
보행보조로봇이 횡단경사면 상에 위치할 때 무게중심의 위치에 따라 회전모멘트가 발생하게 되고, 이것은 무게와 경사도, 무게중심과 고정 축과의 거리에 영향을 받는다.
로봇의 앞바퀴는 전방향 구동이 가능하고, 뒷바퀴는 전후방향 구동만 지원하는 경우, 종단경사면에서 로봇의 이동축과 외력이 가해지는 방향 축이 같다.
그러나 도 2에 도시한 바와 같이, 횡단 경사면에 위치하는 경우 외부 힘의 축과 이동 축이 다르기에 뒷바퀴가 지지 축으로 작용하는 외팔보(cantilever)의 형태가 된다. 이로 인해 회전모멘트(M)가 발생하는데 이는 수평으로 가해지는 힘과 지지 축과의 거리 L에 따라 작용한다. 이때 발생하는 회전모멘트는 하기의 [수학식2]로 표현된다.
Figure 112013119461055-pat00006
도 2에서 L은 구동축과 하중의 거리,
Figure 112013119461055-pat00007
은 노면의 측면 경사도, M은 회전 모멘트를 나타낸다.
상기 [수학식2]에서 회전모멘트는 보행보조로봇이 측면 경사면 이동시 방향 틀어짐의 원인이 되는 힘으로 횡 경사면에서 이동할 때, 회전모멘트에 상응하는 힘을 반대 방향으로 가해 주여야 직진성이 보장된다.
상기와 같은 경사면에서의 안전사고를 예방하기 위해 DOB(lateral Disturbance Observer)방법, 둔턱 및 장애물 회피 방법, Yaw Moment 방법 등의 연구가 이루어지고 있다.
하기의 <비특허문헌 1>에는 DOB를 사용하는 기술이 개시된다.
이는 입력된 구동 토크에 따른 전동기의 각속도와 평지에서 전동기 각속도의 차이를 통해 보정하는 방법이다. 이것은 각속도의 출력 값을 피드백 받아 재 보정하는 장점이 있다.
하기의 <비특허문헌 2>에는 보행로봇이 개시된다.
이는 전방에 장착된 레이저 레인지 파인더(Laser range Finder)를 이용하여 노면을 검사하고, 경사면 및 둔턱 장애물 상황에서 서보 브레이크(Servo-Brake)를 통해 장애물 회피를 유도하여, 보행자의 안전성을 보장하는 방법을 사용하였다.
하기의 <비특허문헌 3>에는 전동 휠체어에서 Yaw Moment 보상을 사용하는 방법을 연구하였다. 이는 사용자의 입력 각속도를 입력받아 휠체어의 Yaw 축 각속도와의 비교를 통해 보정하고, Roll 각도에 따른 보정 값을 적용하는 방법으로 별도의 속도측정 센서 없이 출력을 보정할 수 있고, 미끄러짐 등의 노면 특성에 강인하다는 장점이 있다.
Kim K, Nam K, Oh S, Fujimoto H and Hori Y, "Yaw Motion Control of Power-assisted Wheelchairs under Lateral Disturbance Environment", IECON 2011 - 37th Annual Conference on IEEE Industrial Electronics Society, pp4256 -4261, Nov. 2011. Yasuhisa Hirata, Asami Hara, Kazuhiro Kosuge, "Motion Control of Passive Intelligent, Walker Using Servo Brakes", IEEE Transactions on Robotics, vo123, No 5, pp981-990, Oct.2007. Takei T, Suzuki Y, Matsumoto O, Adachi Y, Sasaki Y, Kamo M, "Development of assistive technologies for safe operation of electric wheelchairs on sloping sidewalks and grade height differences", System Untegration (SII), IEEE/SICE International Symposium, pp43-48, Sendai, Japan, Dec. 2010.
그러나 상기와 같은 종래기술은 다음과 같은 단점이 있다.
즉, <비특허문헌 1>은 각속도의 출력 값을 피드백 받아 재보정하는 장점이 있지만, 휠체어가 구동축에 속도 측정을 위한 장치를 장착해야하고, 휠의 미끄러짐에 의해 틀어지는 각에 대한 보상 방법이 없다는 단점이 있다.
또한, <비특허문헌 2>는 전방에 장착된 레이저 레인지 파인더(Laser range Finder)를 이용하여 노면을 검사하고, 경사면 및 둔턱 장애물 상황에서 서보 브레이크(Servo-Brake)를 통해 장애물 회피를 유도하여, 보행자의 안전성을 보장하는 방법을 사용하였으나, 수동형 보행보조기에서 브레이크 장착만 사용하였기 때문에 사용자의 편리성을 고려하지 않은 단점이 있다.
또한, <비특허문헌 3>은 사용자의 입력 각속도를 입력받아 휠체어의 Yaw 축 각속도와의 비교를 통해 보정하고, Roll 각도에 따른 보정 값을 적용하는 방법으로 별도의 속도측정 센서 없이 출력을 보정할 수 있고, 미끄러짐 등의 노면 특성에 강인하다는 장점은 있으나, 반면, 경사로 주행에 있어서, 비례 적분 제어기만 사용하였기 때문에 주행 응답 시간이 느려 횡단 경사면 주행에서 직진 주행을 위해서는 오랜 적응 시간이 필요하다는 단점이 있다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서, 사용자가 입력하는 목표 회전각속도와 로봇의 회전각속도와의 비교를 통해 각 구동축에 가중치를 인가하여 횡단경사면 주행시 경로 이탈을 방지하도록 한 횡단경사면에서 지능형 보행보조로봇의 직진성 제어장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 노면 특성 강화를 위해 요 모멘트 보상 제어기를 사용하고, 횡단 경사면 주행에 있어서 빠른 주행 응답 시간을 보장하기 위해 미분 제어기를 추가하여, 횡단 경사면에서 직진성을 보장할 수 있도록 한 횡단경사면에서 지능형 보행보조로봇의 직진성 제어장치를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 횡단경사면에서 지능형 보행보조로봇의 직진성 제어장치는 사용자의 보행의지 신호에 따른 로봇의 목표 방향 및 속도를 출력하는 사용자 입력부; 상기 로봇에 장착된 각속도 센서를 통해 회전 각속도를 검출하는 센서부; 상기 사용자 입력부에서 획득한 각속도와 상기 센서부에서 검출한 회전 각속도를 비교하여 오차 값을 생성하고, 상기 생성한 오차 값을 기초로 요(Yaw) 축을 보정하여 구동 출력을 제어하는 컨트롤러; 상기 컨트롤러에서 출력되는 구동 출력에 따라 로봇을 구동시키는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 컨트롤러는 상기 사용자 입력부를 통해 입력받은 로봇의 방향 및 속도 정보를 이용하여 좌우측 목표 구동속도와 목표 회전 각속도를 생성하는 메인 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 컨트롤러는 상기 센서부에서 검출한 회전 각속도와 목표 회전 각속도를 이용하여 상기 좌우측 목표 구동속도를 보정하는 요 축 보정부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 요 축 보정부는 센서부에서 검출한 회전 각속도와 상기 목표 회전 각속도를 비교하여 그 차이 값을 산출하고, 상기 산출한 차이 값을 오차 보정 값으로 하여 좌우측 목표 구동속도를 보정하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 요 축 보정부는 사용자의 보행의지 입력에 따라 산출한 목표 회전 각속도와 상기 센서부에서 검출한 회전 각속도를 승산하여 그 차이를 출력하는 제1승산기; 상기 제1승산기의 출력에서 미분 상수를 추출하는 미분 상수 추출기; 상기 제1승산기의 출력에서 적분 상수를 추출하는 적분 상수 추출기; 상기 제1승산기의 출력에서 비례 상수를 추출하는 비례 상수 추출기; 상기 추출한 미분 상수와 적분 상수와 비례 상수를 승산하여 이득 값을 산출하는 제2승산기; 상기 제2승산기에서 출력된 이득 값과 상기 좌측 목표 구동속도를 승산하여 좌측 목표 구동속도를 보정하는 제3승산기; 상기 제2승산기에서 출력된 이득 값과 상기 우측 목표 구동속도를 승산하여 우측 목표 구동속도를 보정하는 제4승산기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 컨트롤러는 사용자 입력을 통한 제어를 할 것인지 가상 사용자 의지 시뮬레이션 프로그램을 사용할 것인지에 대한 사용자 제어정보를 입력받기 위한 통신 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 횡단경사면에서 지능형 보행보조로봇의 직진성 제어방법은 (a) 사용자 제어 정보를 입력받는 단계; (b) 핸들 바의 압력을 측정하고, 상기 측정한 압력을 사용자의 주행의지 신호로 하여 로봇의 속도 및 방향을 산출하는 단계; (c) 상기 로봇의 속도 및 방향 정보를 이용하여 좌우측 목표 구동속도와 목표 회전 각속도를 생성하는 단계; (d) 센서부에서 검출한 회전 각속도와 상기 목표 회전 각속도를 기초로 요 축 보정 값을 생성하고, 생성한 요 축 보정 값으로 구동부 출력 값을 보정하는 단계; (e) 상기 (d)단계에서 보정한 구동부 출력 값으로 좌우측 모터를 구동하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 (d) 단계는 검출한 회전 각속도와 목표 회전 각속도를 비교하여 오차 값을 생성하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 (d) 단계는 상기 생성한 오차 값으로 상기 좌우측 목표 구동 속도를 보정하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 (d) 단계는 상기 생성한 오차 값과 좌측 목표 구동 속도를 승산하여 좌측 목표 구동속도를 보정하고, 상기 생성한 오차 값과 우측 목표 구동속도를 승산하여 우측 목표 구동속도를 보정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 사용자가 입력한 목표 회전 각속도와 로봇의 회전 각속도의 비교를 통해 각 구동축(좌우 구동축)의 속도를 보정 함으로써, 지능형 보행보조로봇의 횡단 경사면 주행에 있어 직진성을 향상할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면 횡단 경사면에서 직진성 향상으로 인해 횡단 경사면 주행시 로봇의 무게와 경사도에 의해 발생하는 회전 모멘트의 영향을 최소화하여, 경로 이탈을 방지할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래 종단경사면에서 보행보조로봇에 작용하는 외력을 설명하기 위한 설명도,
도 2는 종래 횡단경사면에서 보행보조로봇에 작용하는 외력을 설명하기 위한 설명도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 횡단경사면에서 지능형 보행보조로봇의 직진성 제어장치의 구성도,
도 4는 도 3의 요 축 보정부의 실시 예 구성도,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 횡단경사면에서 지능형 보행보조로봇의 직진성 제어방법을 보인 흐름도,
도 6은 본 발명에서 요 축 보정을 적용한 경우와 요 축 보정을 하지 않은 경우의 보행보조로봇의 거리별 이탈 거리 비교 그래프,
도 7은 본 발명에서 요 축 보정을 적용한 경우와 요 축 보정을 하지 않은 경우의 보행보조로봇의 시작지점을 기준으로 한 거리별 요 축 각도 그래프.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 횡단경사면에서 지능형 보행보조로봇의 직진성 제어장치 및 그 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 횡단경사면에서 지능형 보행보조로봇의 직진성 제어장치의 구성도이다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 횡단경사면에서 지능형 보행보조로봇의 직진성 제어장치는 사용자 입력부(10), 센서부(20), 컨트롤러(30) 및 액추에이터인 구동부(40)를 포함한다.
상기 사용자 입력부(10)는 사용자의 보행의지 신호에 따른 로봇(보행보조로봇)의 목표 방향 및 속도를 출력하는 역할을 하는 것으로서, 핸들-바(Handle-Bar), 조이스틱(Joy-stick)과 같은 사용자 보행의지 입력 장치를 이용하는 것이 바람직하다. 사용자 보행의지 입력장치가 핸들-바일 경우 핸들-바의 소정 위치에 압력 센서를 구비시켜 사용자의 보행의지 신호를 입력받는 것이 바람직하다. 이하 로봇이라 함은 보행보조로봇을 지칭한다.
상기 센서부(20)는 상기 로봇에 장착된 각속도 센서를 통해 회전 각속도를 검출하는 역할을 한다. 여기서 각속도 센서는 자이로스코프와 같은 장치를 이용할 수 있다.
상기 컨트롤러(30)는 상기 사용자 입력부(10)에서 획득한 목표 회전 각속도와 상기 센서부(20)에서 검출한 회전 각속도를 비교하여 오차 값을 생성하고, 상기 생성한 오차 값을 기초로 요(Yaw) 축을 보정하여 구동 출력을 제어하는 역할을 한다.
이러한 컨트롤러(30)는 상기 사용자 입력부(10)를 통해 입력받은 로봇의 방향 및 속도 정보를 이용하여 좌우측 목표 구동속도와 목표 회전 각속도를 생성하는 메인 제어부(31), 상기 센서부(20)에서 검출한 회전 각속도와 목표 회전 각속도를 이용하여 상기 좌우측 목표 구동속도를 보정하는 요 축 보정부(33); 사용자 입력을 통한 제어를 할 것인지 가상 사용자 의지 시뮬레이션 프로그램을 사용할 것인지에 대한 사용자 제어정보를 입력받기 위한 통신 모듈(32)을 포함한다. 여기서 요 축 보정부(33)는 센서부(20)에서 검출한 회전 각속도와 상기 목표 회전 각속도를 비교하여 그 차이 값을 산출하고, 상기 산출한 차이 값을 오차 보정 값으로 하여 좌우측 목표 구동속도를 보정하는 것이 바람직하다.
이러한 요 축 보정부(33)는 도 4에 도시한 바와 같이, 사용자의 보행의지 입력에 따라 산출한 목표 회전 각속도와 상기 센서부에서 검출한 회전 각속도를 승산하여 그 차이를 출력하는 제1승산기(33a); 상기 제1승산기(33a)의 출력에서 미분 상수를 추출하는 미분 상수 추출기(33b); 상기 제1승산기(33a)의 출력에서 적분 상수를 추출하는 적분 상수 추출기(33c); 상기 제1승산기(33a)의 출력에서 비례 상수를 추출하는 비례 상수 추출기(33d); 상기 추출한 미분 상수와 적분 상수와 비례 상수를 승산하여 이득 값(GM)을 산출하는 제2승산기(33e); 상기 제2승산기(33e)에서 출력된 이득 값과 상기 좌측 목표 구동속도(VL)를 승산하여 좌측 목표 구동속도를 보정하는 제3승산기(33f); 상기 제2승산기(33e)에서 출력된 이득 값과 상기 우측 목표 구동속도(VR)를 승산하여 우측 목표 구동속도를 보정하는 제4승산기(33g)를 포함한다.
상기 구동부(40)는 상기 컨트롤러(30)에서 출력되는 구동 출력에 따라 로봇을 구동시키는 역할을 하는 것으로서, 모터 구동부(41)와 모터(42)를 포함한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 횡단경사면에서 지능형 보행보조로봇의 직진성 제어장치의 동작을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 로봇을 이용하는 사용자는 사용자 입력부(10)를 통해 로봇의 제어를 사용자의 입력을 통한 제어를 할 것인지, 아니면 가상 사용자 의지시뮬레이션 프로그램을 사용할 것인지를 결정한다. 이렇게 결정되는 신호는 컨트롤러(30)의 통신 모듈(32)을 통해 메인 제어부(31)에 전달된다.
메인 제어부(31)는 통신 모듈(32)을 통해 전달되는 제어 정보를 기반으로, 사용자 입력을 이용한 요 축 보정, 또는 가상 사용자의지 시뮬레이션 프로그램을 이용한 요 축 보정을 하여, 횡단경사면에서 로봇이 경로를 이탈하는 것을 방지한다.
예컨대, 사용자 입력을 이용한 제어 방식일 경우, 사용자가 핸들-바 또는 조이스틱과 같은 사용자 입력부(10)를 통해 사용자 보행의지를 입력하면, 이를 기초로 로봇의 목표 방향 및 속도를 산출하여 컨트롤러(30)의 메인 제어부(31)에 전달한다. 여기서 본 발명에서는 핸들-바를 이용하여 사용자 보행의지신호를 입력하는 것으로 가정한다.
사용자가 핸들-바를 조작하여 보행 의지신호를 입력하면, 핸들-바의 소정 위치에 내장된 압력 센서에서 압력을 검출하게 되고, 이를 처리장치에서 처리하여 로봇의 목표 방향 및 속도를 측정하여 메인 제어부(31)에 전달한다.
상기 메인 제어부(31)는 사용자 입력부(10)를 통해 입력받은 방향 및 속도를 이용하여 좌우측 목표 구동속도와 목표 회전 각속도를 출력한다. 여기서 좌우측 목표 구동속도는 좌측 바퀴를 구동시키는 좌측 모터 구동기의 구동속도와 우측 바퀴를 구동시키는 우측 모터 구동기의 구동속도를 의미한다.
여기서 목표 회전 각속도는 하기와 같은 [수학식3]과 같이 좌우측 전동기 인가속도에 의해 산출된다. 사용자의 입력 회전 각속도는 좌우측 구동기의 속도차이에 비례하고, 구동 축간 거리에 반비례한다.
Figure 112013119461055-pat00008
Figure 112013119461055-pat00009
이렇게 산출한 사용자 입력 회전 각속도인 목표 회전 각속도와 좌우측 목표 구동속도는 요 축 보정부(33)에 전달된다. 이때 요 축 보정부(33)에는 센서부(20)에서 획득한 회전 각속도가 입력된다.
여기서 센서부(20)는 자이로스코프와 같은 각속도 센서를 구비하고, 로봇의 회전에 따른 회전 각속도를 검출하여, 상기 요 축 보정부(33)에 전달한다.
상기 요 축 보정부(33)는 상기 메인 제어부(31)에서 출력되는 목표 회전 각속도와 상기 센서부(20)에서 검출한 회전 각속도를 비교하여 오차 값을 생성하고, 상기 생성한 오차 값을 기초로 요(Yaw) 축을 보정하여 구동 출력을 제어하게 된다.
예컨대, 도 4에 도시한 바와 같이, 요 축 보정부(33)는 제1승산기(33a)를 이용하여, 사용자의 보행의지 입력에 따라 산출한 목표 회전 각속도(
Figure 112013119461055-pat00010
)와 상기 센서부(20)에서 검출한 회전 각속도를 승산하여 그 차이를 출력한다.
그리고 미분 상부 추출기(33b)는 상기 제1승산기(33a)의 출력에서 미분 상수(KD)를 추출하게 되고, 적분 상수 추출기(33c)는 상기 제1승산기(33a)의 출력에서 적분 상수(KI)를 추출하게 되며, 비례 상수 추출기(33d)는 상기 제1승산기(33a)의 출력에서 비례 상수(KP)를 추출한다.
그러면 제2승산기(33e)는 상기 추출한 미분 상수와 적분 상수와 비례 상수를 승산하여 이득 값(GM)을 산출한다.
즉, 산출된 사용자 입력 회전 각속도와 로봇의 현재 회전 각속도를 이용하여 아래의 [수학식4]와 같이 이득 값(GM)을 산출한다.
Figure 112013119461055-pat00011
Figure 112013119461055-pat00012
여기서,
Figure 112013119461055-pat00013
는 사용자 의도 각속도,
Figure 112013119461055-pat00014
는 로봇의 요 축 각속도,
Figure 112013119461055-pat00015
은 전동기 이득 값,
Figure 112013119461055-pat00016
는 비례 상수,
Figure 112013119461055-pat00017
는 적분 상수,
Figure 112013119461055-pat00018
는 미분 상수, d는 좌우측 전동기 축간 거리(m),
Figure 112013119461055-pat00019
은 각속도 오차값(rad/s)을 각각 나타낸다.
다음으로, 제3승산기(33f)는 상기 제2승산기(33e)에서 출력된 이득 값과 좌측 목표 구동속도(VL)를 승산하여 좌측 목표 구동속도를 보정하게 되고, 제4승산기(33g)는 상기 제2승산기(33e)에서 출력된 이득 값과 우측 목표 구동속도(VR)를 승산하여 우측 목표 구동속도를 보정하게 된다.
여기서 좌측 목표 구동속도와 우측 목표 구동속도의 보정 값 산출은 아래의 [수학식5]와 같다.
Figure 112013119461055-pat00020
Figure 112013119461055-pat00021
여기서,
Figure 112013119461055-pat00022
은 좌측 전동기(좌측 바퀴) 속도(m/h),
Figure 112013119461055-pat00023
은 우측 전동기(우측 바퀴) 속도(m/h),
Figure 112013119461055-pat00024
는 좌측 전동기 출력 속도,
Figure 112013119461055-pat00025
는 우측 전동기 출력 속도를 각각 나타낸다.
한편, 사용자가 가상 사용자 의지 시뮬레이션 프로그램을 제어정보로 입력한 경우, 상기 메인 제어부(31)에서 출력하는 목표 회전 각속도와 좌우 모터 속도 정보를 컴퓨터에서 가상으로 출력하는 방식으로 로봇의 제어가 이루어진다.
도 5는 본 발명에 따른 횡단경사면에서 지능형 보행보조로봇의 직진성 제어방법을 보인 흐름도로서, (a) 사용자 제어 정보를 입력받는 단계(S11); (b) 핸들 바의 압력을 측정하고, 상기 측정한 압력을 사용자의 주행의지 신호로 하여 로봇의 속도 및 방향을 산출하는 단계(S12 ~ S13); (c) 상기 로봇의 속도 및 방향 정보를 이용하여 좌우측 목표 구동속도와 목표 회전 각속도를 생성하는 단계(S14 ~ S15); (d) 센서부에서 검출한 회전 각속도와 상기 목표 회전 각속도를 기초로 요 축 보정 값을 생성하고, 생성한 요 축 보정 값으로 구동부 출력 값을 보정하는 단계(S16 ~ S17); (e) 상기 (d)단계에서 보정한 구동부 출력 값으로 좌우측 모터를 구동하는 단계(S18)를 포함한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 횡단경사면에서 지능형 보행보조로봇의 직진성 제어방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 단계 S11에서 로봇을 이용하는 사용자는 사용자 입력부(10)를 통해 로봇의 제어를 사용자의 입력을 통한 제어를 할 것인지, 아니면 가상 사용자 의지 시뮬레이션 프로그램을 사용할 것인지를 결정한다. 이렇게 결정되는 신호는 컨트롤러(30)의 통신 모듈(32)을 통해 메인 제어부(31)에 전달된다.
메인 제어부(31)는 통신 모듈(32)을 통해 전달되는 제어 정보를 기반으로, 사용자 입력을 이용한 요 축 보정, 또는 가상 사용자의지 시뮬레이션 프로그램을 이용한 요 축 보정을 하여, 횡단경사면에서 로봇이 경로를 이탈하는 것을 방지한다.
예컨대, 사용자 입력을 이용한 제어 방식일 경우, 사용자가 핸들-바 또는 조이스틱과 같은 사용자 입력부(10)를 통해 사용자 보행의지를 입력하면, 이를 기초로 로봇의 목표 방향 및 속도를 산출하여 컨트롤러(30)의 메인 제어부(31)에 전달한다. 여기서 본 발명에서는 핸들-바를 이용하여 사용자 보행의지신호를 입력하는 것으로 가정한다.
사용자가 핸들-바를 조작하여 보행 의지신호를 입력하면, 단계 S12에서 핸들-바의 소정 위치에 내장된 압력 센서에서 압력을 검출하게 되고, 단계 S13에서 이를 처리장치에서 처리하여 로봇의 목표 방향 및 속도를 측정하여 메인 제어부(31)에 전달한다.
단계 S14 및 S15에서 상기 메인 제어부(31)는 사용자 입력부(10)를 통해 입력받은 방향 및 속도를 이용하여 좌우측 목표 구동속도와 목표 회전 각속도를 출력한다. 여기서 목표 회전 각속도는 상기 [수학식3]과 같이 좌우측 전동기 인가속도에 의해 산출된다. 사용자의 입력 회전 각속도는 좌우측 구동기의 속도차이에 비례하고, 구동 축간 거리에 반비례한다.
이렇게 산출한 사용자 입력 회전 각속도인 목표 회전 각속도와 좌우측 목표 구동속도는 요 축 보정부(33)에 전달된다. 이때 요 축 보정부(33)에는 센서부(20)에서 획득한 회전 각속도가 입력된다. 여기서 센서부(20)는 자이로스코프와 같은 각속도 센서를 구비하고, 로봇의 회전에 따른 회전 각속도를 검출하여, 상기 요 축 보정부(33)에 전달한다.
단계 S16 내지 S18에서 상기 요 축 보정부(33)는 상기 메인 제어부(31)에서 출력되는 목표 회전 각속도와 상기 센서부(20)에서 검출한 회전 각속도를 비교하여 오차 값을 생성하고, 상기 생성한 오차 값을 기초로 요(Yaw) 축을 보정하여 구동 출력을 제어하게 된다.
즉, 산출된 사용자 입력 회전 각속도와 로봇의 현재 회전 각속도를 이용하여 상기 [수학식4]를 이용하여 요축 보정을 위한 이득 값(GM)을 산출하고, 상기 [수학식5]와 같이 상기 산출한 이득 값으로 좌측 목표 구동속도를 보정하여 최종 좌측 목표 구동속도를 보정하고, 상기 산출한 이득 값으로 우측 목표 구동속도를 보정하여 최종 우측 목표 구동속도를 보정하게 된다.
이렇게 보정된 좌측 모터 구동속도 및 우측 모터 구동속도를 이용하여, 구동부(40)에서 모터 구동부(41)를 통해 모터(42) 즉, 좌측 전동기 및 우측 전동기를 구동시켜, 횡단 경사면에서 경로 이탈을 방지하게 되는 것이다.
한편, 본 발명자는 본 발명에서 제안하는 요축 보정 알고리즘을 실험하기 위해 후륜 구동형 보행보조로봇을 이용하여 실험을 하였으며, 그 사용은 아래의 (표)와 같다.
항목 내용
Size(W/H/D) 660×900×950mm
Weight 35Kg
Motor Spec In-wheel DC Motor 180W/24V
실험을 위한 보행보조로봇에는 8비트 마이크로컨트롤러, 자이로스코프, 무선통신모듈을 내장한 제어기를 장착하였으며, 그 사양은 아래의 (표)와 같다.
항목 내용
Processor ATMEGA2560(ATMEL사)
Control Interval 50ms

Gyro Scope
 Name XV-3500CB(Epson Toyocom사)
Scale Factor 0.67mV/(°ㆍs-1)
Rate Range ±100deg/s
실험은 횡단 경사면의 보행보조로봇에 경사에 의한 회전 모멘트 외에 추가 외력이 없다고 가정하며, 이동중 장애물이 없는 환경에서 보행보조로봇이 횡단 경사면 상에 정지 대기후, 이동하여 정지하는 상황을 모델로 하고, 실험 항목은 무보정 제어기 구동, 요 축 보정 제어기 적용 구동으로 2개의 항목에 대해 실험을 하였다.
실험 구간은 측면 경사 8°를 가지는 폭 5m 2차선 도로의 횡단면이며, 실험 순서는 지능형 보행보조로봇을 횡단 경사면에 위치시킨 뒤, 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 무선통신을 통해 원격으로 2km/h 속도와 0rad/s로 주행명령을 하고, 실험구간(4m)의 이동이 끝나면 정지명령을 전달하여 정지하는 것으로 종료하였다. 측정 데이터는 보행보조로봇의 이탈 거리로, 이는 중심 이동선에서 25cm단위로 디지털 카메라를 사용하여 측정하며, 수집된 영상을 기반으로 이탈 거리의 변화율을 측정하였다.
도 6은 본 발명자가 제안한 요축 보정 알고리즘의 성능을 판단하기 위한 결과 그래프로서, 실험은 보정 알고리즘을 적용하지 않은 실험(무보정)과 보정 알고리즘을 적용한 실험(Yaw 보정)으로 진행하였으며, 이동거리별 이탈거리는 도 6에 도시한 바와 같다.
도 6에서 무보정 제어기의 경우 이동 거리의 증가에 따라 중력에 의한 회전 모멘트가 발생하여 이탈 거리가 수렴하거나 안정되지 않고 계속 증가함을 확인할 수 있다. 무보정 실험의 경우 이탈거리가 계속 증가되는 반면에 요축 보정 실험은 중력에 의해 발생되는 회전 모멘트를 요축 보정 알고리즘을 통하여 보정을 하였기 때문에 200cm까지 계속 증가 추이를 보이지만 200cm이후 서서히 안정되면서 300cm 이후 이탈거리가 더 이상 증가하지 않았다.
도 7은 도 6의 실험을 바탕으로 로봇의 틀어진 각의 변화를 나타낸 것이다. 무보정 실험의 경우 보행보조로봇의 무게와 경사각에 의해 발생하는 회전모멘트가 작용하여 요각이 계속 증가하는 것을 알 수 있었다. 반면에 요 보정실험은 요각이 초기에 11°까지 오차각도가 증가하였지만, 이후 로봇의 회전 각속도와 사용자의 회전 각속도를 이용한 보정 제어기를 통해 150cm 지점부터 안정되기 시작하여 300cm 지점에서 더 이상의 틀어짐이 없이 수렴하는 것을 확인할 수 있었다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명은 횡단 경사면에서 보행보조로봇의 직진성을 향상시켜, 경로 이탈을 방지하는 기술에 적용된다.
10: 사용자 입력부
20: 센서부
30: 컨트롤러
31; 메인 제어부
32: 통신모듈
33: 요축 보정부

Claims (10)

  1. 사용자의 보행의지 신호에 따른 로봇의 목표 방향 및 속도를 출력하는 사용자 입력부; 상기 로봇에 장착된 각속도 센서를 통해 회전 각속도를 검출하는 센서부; 상기 사용자 입력부에서 획득한 각속도와 상기 센서부에서 검출한 회전 각속도를 비교하여 오차 값을 생성하고, 상기 생성한 오차 값을 기초로 요(Yaw) 축을 보정하여 구동 출력을 제어하는 컨트롤러; 및 상기 컨트롤러에서 출력되는 구동 출력에 따라 로봇을 구동시키는 구동부를 포함하고,
    상기 컨트롤러는 상기 사용자 입력부를 통해 입력받은 로봇의 방향 및 속도 정보를 이용하여 좌우측 목표 구동속도와 목표 회전 각속도를 생성하는 메인 제어부; 상기 센서부에서 검출한 회전 각속도와 목표 회전 각속도를 이용하여 상기 좌우측 목표 구동속도를 보정하는 요 축 보정부를 포함하며,
    상기 요 축 보정부는 센서부에서 검출한 회전 각속도와 상기 목표 회전 각속도를 비교하여 그 차이 값을 산출하고, 상기 산출한 차이 값을 오차 보정 값으로 하여 좌우측 목표 구동속도를 보정하며,
    상기 요 축 보정부는 사용자의 보행의지 입력에 따라 산출한 목표 회전 각속도와 상기 센서부에서 검출한 회전 각속도를 승산하여 그 차이를 출력하는 제1승산기; 상기 제1승산기의 출력에서 미분 상수를 추출하는 미분 상수 추출기; 상기 제1승산기의 출력에서 적분 상수를 추출하는 적분 상수 추출기; 상기 제1승산기의 출력에서 비례 상수를 추출하는 비례 상수 추출기; 상기 추출한 미분 상수와 적분 상수와 비례 상수를 승산하여 이득 값을 산출하는 제2승산기; 상기 제2승산기에서 출력된 이득 값과 상기 좌측 목표 구동속도를 승산하여 좌측 목표 구동속도를 보정하는 제3승산기; 상기 제2승산기에서 출력된 이득 값과 상기 우측 목표 구동속도를 승산하여 우측 목표 구동속도를 보정하는 제4승산기를 포함하는 것을 특징으로 하는 횡단경사면에서 지능형 보행보조로봇의 직진성 제어장치.
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  6. 청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러는 사용자 입력을 통한 제어를 할 것인지 가상 사용자 의지 시뮬레이션 프로그램을 사용할 것인지에 대한 사용자 제어정보를 입력받기 위한 통신 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 횡단경사면에서 지능형 보행보조로봇의 직진성 제어장치.


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