KR101708903B1

KR101708903B1 - 외바퀴로봇과 외바퀴로봇의 자세제어방법

Info

Publication number: KR101708903B1
Application number: KR1020160089998A
Authority: KR
Inventors: 정슬; 이상덕
Original assignee: 충남대학교산학협력단
Priority date: 2016-07-15
Filing date: 2016-07-15
Publication date: 2017-02-22

Abstract

본 발명은 외바퀴로봇에서 자이로 효과에 의해 생성되는 자이로 힘의 수평 성분과 수직 성분에 의한 커플링 모션을 제어함으로써, 자세제어 안정성을 향상시킬 수 있는 외바퀴로봇과 외바퀴로봇의 자세제어방법에 관한 것이다.
이를 위해 외바퀴로봇은 본체와, 본체에 회전 가능하게 결합되는 외바퀴와, 외바퀴를 회전시키는 드라이브유닛과 자세 유지를 위해 자이로 효과가 발생되도록 본체에 회전 가능하게 결합되는 김벌유닛과, 상기 본체의 자세를 감지하는 자세감지유닛과, 자세감지유닛에서 감지되는 자세를 바탕으로 외바퀴의 동작에 따라 김벌유닛의 동작을 제어하는 김벌제어유닛을 포함한다.

Description

외바퀴로봇과 외바퀴로봇의 자세제어방법{SINGLE WHEEL ROBOT AND POSTURE CONTROL METHOD OF SINGLE WHEEL ROBOT}

본 발명은 외바퀴로봇과 외바퀴로봇의 자세제어방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 외바퀴로봇에서 자이로 효과에 의해 생성되는 자이로 힘의 수평 성분과 수직 성분에 의한 커플링 모션을 제어함으로써, 자세제어 안정성을 향상시킬 수 있는 외바퀴로봇과 외바퀴로봇의 자세제어방법에 관한 것이다.

일반적으로, 외바퀴로봇의 자세제어를 위한 방법으로는 리액션휠(Reaction Wheel)과 제어모멘트자이로(Control Moment Gyro)가 주요 이용되어져 왔다. 리액션 휠을 이용한 자세제어는 장착된 리액션 휠의 속도를 변화시키는 방식을 사용한다. 제어모멘트자이로를 이용한 자세제어는 장착된 플라이휠을 일정한 속도로 고정한 상태에서 각운동량의 방향을 변화시키는 방식을 사용한다. 이 방식은 큰 힘과 빠른 모멘텀 변환을 할 수 있다는 장점을 갖고 있어 위성의 자세 제어 분야에서 많은 연구가 되어왔다.

제어모멘트자이로의 요잉 모션을 이용한 자세제어 방법은 로봇과 지면의 한 점 접지 상태에서 로봇이 지면과 수평으로 마찰을 생성하여 로봇의 좌우 균형을 제어하는 원리가 일반적으로 이용되어 왔다.

이때, 로봇의 무게가 크고 로봇 바퀴의 타이어의 공기가 적을수록 큰 마찰력이 작용할 수 있고, 마찰력에 의해 생성되는 힘이 로봇의 롤링 모션을 생성하여 균형을 유지하게 한다. 하지만, 플라이휠을 고속으로 회전시키기 위한 많은 전력을 소비하는 단점을 갖고 있고 로봇에 있어서 배터리의 크기와 무게는 매우 큰 설계 인자가 될 수 있다.

또한, 로봇이 지면과의 포인트 접촉을 하는 특징에 의해서 제어가 원활하지 못할 경우, 수직방향 진동을 일으켜서 자세제어 안정성이 저하되는 문제점을 갖게 된다.

대한민국 등록특허공보 제10-1135692호(발명의 명칭 : 외바퀴 로봇 시스템, 2012. 04. 13. 공고)

본 발명의 목적은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 외바퀴로봇에서 자이로 효과에 의해 생성되는 자이로 힘의 수평 성분과 수직 성분에 의한 커플링 모션을 제어함으로써, 자세제어 안정성을 향상시킬 수 있는 외바퀴로봇과 외바퀴로봇의 자세제어방법을 제공함에 있다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 외바퀴로봇은 본체; 상기 본체에 회전 가능하게 결합되는 외바퀴; 상기 본체에 구비되어 상기 외바퀴를 회전시키는 드라이브유닛; 상기 외바퀴의 피칭(pitching) 방향 동작과 롤링(rolling) 방향 동작과 요잉(yawing) 방향 동작에 따른 자세 유지를 위해 자이로 효과가 발생되도록 상기 본체에 회전 가능하게 결합되는 김벌유닛; 상기 외바퀴의 동작에 따른 상기 본체의 피칭 방향, 롤링 방향, 요잉 방향 자세를 감지하는 자세감지유닛; 및 상기 자세감지유닛에서 감지되는 자세를 바탕으로 상기 외바퀴의 동작에 따라 상기 김벌유닛의 동작을 제어하는 김벌제어유닛;을 포함하고, 상기 김벌제어유닛은, 상기 자세감지유닛에서 감지되는 롤링 방향 각도와 롤링 방향 각속도를 바탕으로 자이로 효과에 의해 생성되는 자이로 힘의 수평 성분과 수직 성분을 이용하여 아래의 [수학식 1]의 제어 법칙을 만족하는 커플링 모션을 통해 상기 김벌유닛의 동작을 제어한다.

[수학식 1]

여기서, F는 자이로 효과에 의해 생성되는 자이로 힘이고, Fh는 수평 성분의 힘이며, Fv는 수직 성분의 힘이고, Kp는 상기 롤링 방향에 대한 비례제어게인이며, Kd는 상기 롤링 방향에 대한 미분제어게인이고, e는 상기 롤링 방향 각도에 대한 에러이며, e(도트)는 상기 롤링 방향 각속도에 대한 에러이고, θ_f는 상기 자세감지유닛에서 감지되는 롤링 방향의 각도이며, β는 수직 성분에 대한 게인이다.

여기서, 상기 김벌제어유닛은, 상기 외바퀴의 동작에 따른 롤링 방향 기준각도와 롤링 방향 기준각속도를 제공하는 기준신호부; 상기 자세감지유닛에서 감지하는 롤링 방향 각도와 롤링 방향 각속도를 제공하는 롤링신호부; 상기 자세감지유닛에서 감지하는 롤링 방향 각도를 바탕으로 상기 자이로 힘의 수직 성분을 상쇄시키기 위한 오프셋정보를 제공하는 수직제어부; 상기 기준신호부의 정보와 상기 롤링신호부의 정보 그리고 상기 수직제어부의 정보를 바탕으로 상기 롤링 방향 각도에 대한 에러와 상기 롤링 방향 각속도에 대한 에러 그리고 상기 롤링 방향에 대한 비례제어게인과 상기 롤링 방향에 대한 미분제어계인을 도출하는 롤링제어부; 및 상기 롤링제어부에서 도출되는 정보로부터 계산되는 상기 [수학식 1]의 제어 법칙을 바탕으로 상기 김벌유닛을 제어하는 토크제어부;를 포함한다.

본 발명에 따른 외바퀴로봇은 상기 김벌제어유닛은, 상기 본체에 대한 상기 김벌유닛의 각도와 상기 김벌유닛의 각속도를 제공하는 틸트전달부;를 더 포함하고, 상기 토크제어부는, 상기 [수학식 1]의 제어 법칙과 함께 상기 틸트전달부에서 전달되는 정보를 병합하여 상기 김벌유닛을 제어한다.

본 발명에 따른 외바퀴로봇의 자세제어방법은 외바퀴로봇의 자세를 제어하는 방법이고, 상기 김벌유닛을 구동시키는 김벌구동단계; 상기 자세감지유닛에서 감지하는 롤링 방향 각도와 롤링 방향 각속도를 제공하는 롤링신호입력단계; 상기 외바퀴의 동작에 따른 롤링 방향 기준각도와 롤링 방향 기준각속도를 제공하는 기준신호입력단계; 상기 자세감지유닛에서 감지하는 롤링 방향 각도를 바탕으로 상기 자이로 힘의 수직 성분을 상쇄시키기 위한 오프셋정보를 제공하는 수직제어단계; 상기 롤링신호입력단계의 정보와 상기 기준신호입력단계의 정보 그리고 상기 수직제어단계의 정보를 바탕으로 상기 롤링 방향 각도에 대한 에러와 상기 롤링 방향 각속도에 대한 에러 그리고 상기 롤링 방향에 대한 비례제어게인과 상기 롤링 방향에 대한 미분제어계인을 도출하는 롤링제어단계; 및 상기 롤링제어단계에서 도출되는 정보로부터 계산되는 상기 [수학식 1]의 제어 법칙을 바탕으로 상기 김벌유닛을 제어하는 토크제어단계;를 포함한다.

본 발명에 따른 외바퀴로봇의 자세제어방법은 보정을 위해 상기 본체에 대한 상기 김벌유닛의 각도와 상기 김벌유닛의 각속도를 확인하는 경사각확인단계;를 더 포함하고, 상기 김벌유닛의 각도와 상기 김벌유닛의 각속도가 확인되면, 상기 [수학식 1]의 제어법칙과 함께 상기 경사각확인단계에서 전달되는 정보를 병합하여 상기 김벌유닛을 제어하는 경사각제어단계;를 더 포함하며, 상기 경사각제어단계를 거치거나, 상기 김벌유닛의 각도와 상기 김벌유닛의 각속도가 확인되지 않으면, 상기 롤링신호입력단계로 복귀한다.

여기서, 상기 롤링신호입력단계는, 상기 롤링 방향 각도를 제공하는 롤링각제공단계; 및 상기 롤링 방향 각속도를 제공하는 롤링각속도제공단계;를 포함한다.

여기서, 상기 기준신호입력단계는, 상기 롤링 방향 기준각도를 제공하는 기준각제공단계; 및 상기 롤링 방향 기준각속도를 제공하는 기준각속도제공단계;를 포함한다.

여기서, 상기 롤링제어단계는, 상기 롤링 방향 각도와 상기 롤링 방향 기준각도와 상기 오프셋정보를 바탕으로 상기 롤링 방향 각도에 대한 에러와, 상기 롤링 방향에 대한 비례제어게인을 도출하는 제1롤링제어단계; 및 상기 롤링 방향 각속도와 상기 롤링 방향 기준각속도를 바탕으로 상기 롤링 방향 각속도에 대한 에러와, 상기 롤링 방향에 대한 미분제어게인을 도출하는 제2롤링제어단계;를 포함한다.

본 발명에 따른 외바퀴로봇과 외바퀴로봇의 자세제어방법에 따르면, 외바퀴로봇에서 자이로 효과에 의해 생성되는 자이로 힘의 수평 성분과 수직 성분에 의한 커플링 모션을 제어함으로써, 자세제어 안정성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 요 운영 방식의 외바퀴로봇은 물론, 롤 운영 방식의 외바퀴로봇에서 모두 자세제어 안정성을 갖도록 하고, 특히, 롤 운영 방식의 외바퀴로봇에서 명확하게 자세제어 안정성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 요 운영 방식의 외바퀴로봇에서 상대적으로 높은 전력을 낮추면서 자세제어 안정성을 극대화시킬 수 있고, 롤 운영 방식의 외바퀴로봇에서 상대적으로 낮은 전력을 사용하면서 자세제어 안정성을 극대화시킬 수 있다. 특히, 롤 운영 방식의 외바퀴로봇에서 자세제어가 이루어질 때, 지면과의 마찰력을 고려하지 않아도 되므로 자세제어에 대한 해석이 용이해질 수 있다.

또한, 본 발명은 동적 모델의 해석 결과와 실제 외바퀴로봇의 동작 비교를 통해 자이로 효과에 대한 커플링 모션을 분석하고, 적절한 게인을 선정할 수 있다.

또한, 본 발명은 본체에 대한 김벌유닛의 위치에 따라 추가 보정이 이루어지고, 자세제어에 따른 제어 정밀도를 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 지면과 외바퀴의 접촉 폭이 작은 외바퀴로봇에 대하여 요 운영 방식의 외바퀴로봇을 적용하고, 지면과 외바퀴의 접촉 폭이 상대적으로 큰 외바퀴로봇에 대하여 롤 운영 방식의 외바퀴로봇을 적용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 외바퀴로봇을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 외바퀴로봇의 구성을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 외바퀴로봇에서 제안하는 제어 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 외바퀴로봇의 특성을 반영하여 간략화된 스틱 모델을 나타내는 도면이다.
도 5는 스틱 모델에 대한 위상 궤적 특성을 나타내는 도면이다.
도 6은 안정화 상태에서 스틱 모델의 초기 상태가 0.5 라디안만큼 기울어져 있을 때의 위상 궤적 특성을 나타내는 도면이다.
도 7은 도 6의 위상 궤적 특성에 따른 간과 각도의 상관 관계를 나타내는 도면이다.
도 8은 파라미터 B의 크기가 50(mm)인 경우, 발산하는 위상 궤적 특성을 나타내는 도면이다.
도 9는 도 8의 위상 궤적 특성에 따른 시간과 각도의 상관 관계를 나타내는 도면이다.
도 10은 플라이휠 호의 진동 폭이 100(mm)인 경우, 발산하는 위상 궤적 특성을 나타내는 도면이다.
도 11은 도 10의 위상 궤적 특성에 따른 시간과 각도의 상관 관계를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 외바퀴로봇이 제안한 제어 법칙을 적용한 위상 궤적 특성을 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 외바퀴로봇의 자세제어방법을 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 외바퀴로봇과 외바퀴로봇의 자세제어방법의 일 실시예를 설명한다. 이때, 본 발명은 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명확하게 하기 위해 생략될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 외바퀴로봇을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 외바퀴로봇의 구성을 개략적으로 도시한 구성도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 외바퀴로봇에서 제안하는 제어 블럭도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 외바퀴로봇에 있어서, 좌표축 R은 외바퀴로봇의 주행 방향을 나타내고, 좌표축 P는 외바퀴로봇의 측면 방향을 나타내며, 좌표축 Y는 외바퀴로봇의 직립 방향을 나타낸다. 여기서, 롤링(rolling) 방향은 좌표축 R을 중심으로 외바퀴로봇이 좌우로 기울어지는 방향이고, 피칭(pitching) 방향은 좌표축 P를 중심으로 외바퀴로봇이 앞뒤로 기울어지는 방향이며, 요잉(yawing) 방향은 좌표축 Y를 기준으로 외바퀴로봇이 좌우로 전환되는 방향이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 외바퀴로봇은 본체(10)와, 본체(10)에 회전 가능하게 결합되는 외바퀴(20)와, 본체(10)에 구비되어 외바퀴(20)를 회전시키는 드라이브유닛(30)과, 외바퀴(20)의 피칭(pitching) 방향 동작과 롤링(rolling) 방향 동작과 요잉(yawing) 방향 동작에 따른 자세 유지를 위해 자이로 효과가 발생되도록 본체(10)에 회전 가능하게 결합되는 김벌유닛(100)과, 외바퀴(20)의 동작에 따른 본체(10)의 피칭 방향과 롤링 방향과 요잉 방향 자세를 감지하는 자세감지유닛(80)과, 자세감지유닛(80)에서 감지되는 자세를 바탕으로 외바퀴(20)의 동작에 따라 김벌유닛(100)의 동작을 제어하는 김벌제어유닛(70)을 포함한다.

일예로, 외바퀴(20)는 도 1에 도시된 바와 같이 본체(10)의 둘레를 감싼 상태로 본체(10)에서 회전될 수 있다. 여기서, 김벌유닛(100)이 동작됨에 따라 외바퀴(20)는 롤링 방향으로 기울어지게 된다. 또한, 김벌유닛(100)이 동작됨에 따라 외바퀴로봇의 자세를 안정되게 유지할 수 있다.

상기 김벌유닛(100)은 본체(10)에 회전 가능하게 결합되는 김벌지지대(51)와, 자이로 효과가 발생되도록 본체(10)에 회전 가능하게 결합되는 것으로 김벌지지대(51)에 회전 가능하게 지지되는 플라이휠(40)과, 외바퀴(20)의 동작에 대응하여 플라이휠(50)을 회전시키는 휠구동유닛(60)을 포함한다.

상기 플라이휠(50)은 회전됨에 따라 외바퀴(20)의 피칭 방향 동작과 롤링 방향 동작과 요잉 방향 동작에 따른 자세 유지를 가능하게 한다.

상기 휠구동유닛(60)은 김벌지지대(51)에 구비되어 플라이휠(40)을 회전시킬 수 있다. 여기서, 휠구동유닛(60)에는 본체(10)에서 김벌지지대(51)가 틸트되도록 김벌지지대(51)를 정역 회전시키는 틸트유닛(40)이 포함될 수 있다. 틸트유닛(40)에는 김벌지지대(51)가 틸트될 때, 본체(10)에 대한 김벌유닛(100)의 각도와 김벌유닛(100)의 각속도를 감지하는 엔코더(41)가 구비될 수 있다. 일예로, 엔코더(41)는 틸트유닛(40)의 동작에 따른 김벌지지대(51)의 틸트각도와, 김벌지지대(51)의 틸트각속도를 감지할 수 있다.

상기 자세감지유닛(80)은 3-자이로센서와, 3-가속도센서와, 3-마그넷센서를 포함할 수 있다. 자세감지유닛(80)은 AHRS 센서(Attitude Heading Reference System)로 이뤄질 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 대응하여 자세감지유닛(80)은 외바퀴로봇의 롤링 방향 각도와, 롤링 방향 각속도를 감지할 수 있다. 또한, 자세감지유닛(80)은 피칭 방향과 요잉 방향의 각도와 각속도도 감지할 수 있다.

그러면, 상기 김벌제어유닛(70)은 자세감지유닛(80)에서 감지되는 롤링 방향 각도와 롤링 방향 각속도를 바탕으로 자이로 효과에 의해 생성되는 자이로 힘의 수평 성분과 수직 성분을 이용하여 아래의 [수학식 2]의 제어 법칙을 만족하는 커플링 모션을 통해 김벌유닛(100)의 동작을 제어하게 된다.

[수학식 2]

여기서, F는 자이로 효과에 의해 생성되는 자이로 힘이고, 여기서, F는 자이로 효과에 의해 생성되는 자이로 힘이고, Fh는 수평 성분의 힘이며, Fv는 수직 성분의 힘이고, Kp는 롤링 방향에 대한 비례제어게인이며, Kd는 롤링 방향에 대한 미분제어게인이고, e는 롤링 방향 각도에 대한 에러이며, e(도트)는 롤링 방향 각속도에 대한 에러이고, θ_f는 자세감지유닛(80)에서 감지되는 롤링 방향의 각도이며, β는 수직 성분에 대한 게인이다.

이러한 김벌제어유닛(70)은 외바퀴(10)의 동작에 따른 롤링 방향 기준각도와 롤링 방향 기준각속도를 제공하는 기준신호부(71)와, 자세감지유닛(80)에서 감지하는 롤링 방향 각도와 롤링 방향 각속도를 제공하는 롤링신호부(72)와, 자세감지유닛(80)에서 감지하는 롤링 방향 각도를 바탕으로 자이로 힘의 수직 성분을 상쇄시키기 위한 오프셋정보를 제공하는 수직제어부(74)와, 기준신호부(71)의 정보와 롤링신호부(72)의 정보 그리고 수직제어부(74)의 정보를 바탕으로 롤링 방향 각도에 대한 에러와 롤링 방향 각속도에 대한 에러 그리고 롤링 방향에 대한 비례제어게인(Kp)과 롤링 방향에 대한 미분제어계인(Kd)을 도출하는 롤링제어부(73)와, 롤링제어부(73)에서 도출되는 정보로부터 계산되는 [수학식 2]의 제어 법칙을 바탕으로 김벌유닛(100)을 제어하는 토크제어부(75)를 포함한다.

상기 기준신호부(71)는 롤링 방향 기준각도를 제공하는 제1기준신호부(71-1)와, 롤링 방향 기준각속도를 제공하는 제2기준신호부(71-2)로 구분할 수 있다.

상기 롤링신호부(72)는 롤링 방향 각도를 제공하는 제1롤링신호부(72-1)와, 롤링 방향 각속도를 제공하는 제2롤링신호부(72-2)로 구분할 수 있다.

상기 롤링제어부(73)는 롤링 방향 각도와 롤링 방향 기준각도와 오프셋정보를 바탕으로 롤링 방향 각도에 대한 에러와 롤링 방향에 대한 비례제어게인을 도출하는 제1롤링제어부(73-1)과, 롤링 방향 각속도와 롤링 방향 기준각속도를 바탕으로 롤링 방향 각속도에 대한 에러와 롤링 방향에 대한 미분제어게인을 도출하는 제2롤링제어부(73-2)로 구분할 수 있다.

이때, 김벌제어유닛(70)은 본체(10)에 대한 김벌유닛(100)의 각도와 김벌유닛(100)의 각속도를 제공하는 틸트전달부(76)를 더 포함할 수 있다. 그러면, 토크제어부(75)는 [수학식 2]의 제어 법칙과 함께 틸트전달부(76)에서 전달되는 정보를 병합하여 김벌유닛(100)을 제어할 수 있다.

상술한 토크제어부(75)에서 김벌유닛(100)을 제어하는 것은 휠구동유닛(60)의 동작을 제어하는 것으로, 틸트유닛(40)의 동작을 제어하기도 하고, 틸트유닛(40)과 휠구동유닛(60)을 모두 제어할 수 있다.

그러면, 본 발명의 일 실시예에 따른 외바퀴로봇은 상술한 [수학식 2]의 제어 법칙에 따라 자이로 효과에 의해 생성되는 자이로 힘의 수평 성분과 수직 성분에 의한 커플링 모션이 제어됨으로써, 외바퀴로봇의 자세제어 안정성이 향상된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 외바퀴로봇은 구동제어모듈(90)을 더 포함할 수 있다. 상기 구동제어모듈(90)은 외바퀴(20)의 동작 명령과 자세감지유닛(80)에서 감지되는 각 방향의 각도 및 각속도 성분을 기반으로 외바퀴(20)와 플라이휠(50)의 동작을 제어한다.

구동제어모듈(90)은 외바퀴(20)의 동작에 따라 김벌제어유닛(70)에 플라이휠(50)의 동작 명령을 지시하는 속도명령부(91)와, 자세감지유닛(80)과 외바퀴(20)의 동작 명령을 기반으로 외바퀴(20)의 피칭 방향 동작을 제어하는 피칭제어부(92)와, 자세감지유닛(80)과 외바퀴(20)의 동작 명령을 기반으로 외바퀴(20)의 요잉 방향 동작을 제어하는 요잉제어부(93)를 포함한다.

여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 외바퀴로봇은 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이 김벌지지대(51)가 롤링 방향과 평행하게 배치되는 요 운영 방식의 외바퀴로봇과, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이 김벌지지대(51)가 요잉 방향과 평행하게 배치되는 롤 운영 방식의 외바퀴로봇으로 구분할 수 있다. 요 운영 방식의 외바퀴로봇은 롤 운영 방식의 외바퀴로봇과 비교하여 전력 소모가 많은 반면 외바퀴로봇의 자세제어 안정성이 높다. 반대로, 롤 운영 방식의 외바퀴로봇은 요 운영 방식의 외바퀴로봇과 비교하여 전력 소모가 작은 반면 외바퀴로봇의 자세제어 안정성이 낮다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 외바퀴로봇의 자세제어는 롤 운영 방식의 외바퀴로봇에서 더 극대화될 수 있다.

여기서, 두 운영 방식의 외바퀴로봇에 대한 실험적인 비교값은 [표 1]과 같이 나타난다.

	Power consumption(Watt)	Controllable B/W(degrees)
요 운영 방식	120(maximum)/60(normal)	-5.5~5.5
롤 운영 방식	80(maximum)/40(normal)	-2~2

자이로 효과의 영향을 보다 자세히 살펴보면, 도 1의 (b)에서 플라이휠(50)의 고속 회전에 의한 각운동량이 피칭 방향에 대하여 바퀴(20)의 중심축과 서로 일치할 경우, 이상적인 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 이 경우, 자이로 효과는 롤링 방향의 중심축에 정확하게 작용하게 된다. 하지만, 플라이휠(50) 베어링의 불확실성과 휠구동유닛(60)과 플라이휠(50)을 연결하는 벨트의 백래시, 그리고 실제 제어 상태에서 항상 같은 축을 유지하는 것은 매우 어려운 일이 된다. 그러므로 실제 생성되는 자이로 효과는 롤 효과뿐만 아니라 피치 효과도 함께 나타나게 된다.

수평 성분의 자이로 효과는 제어에 필요한 힘으로 작용할 수 있고, 수직 성분은 제어에 방해가 되는 힘으로 작용하게 된다. 만일 플라이휠(50)의 중심축이 본체(10)의 중심축과 45도 이상의 편차를 갖게 될 경우, 자이로 효과는 수직 성분으로 작용하게 되고, 수평 성분의 영향은 지면과의 마찰력을 고려하여 외바퀴로봇에 전달되기 때문에 롤 운영 방식의 외바퀴로봇에서 보다 영향이 크다고 할 수 있다. 여기서, 수직 성분의 영향은 수평 성분과 서로 에너지를 공유하는 형태로 작용할 수 있으므로 수평 성분의 의 진동을 고려한 제어 방법을 필요로 한다.

지금부터는 본 발명의 일 실시예에 따른 외바퀴로봇의 동적 모델링과 이를 통한 김벌제어유닛(70)의 설계 과정 및 상술한 [수학식 2]의 제어 법칙을 도출하는 과정에 대해 살펴본다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 외바퀴로봇의 특성을 반영하여 간략화된 스틱 모델을 나타내는 도면이고, 도 5는 스틱 모델에 대한 위상 궤적 특성을 나타내는 도면이며, 도 6은 안정화 상태에서 스틱 모델의 초기 상태가 0.5 라디안만큼 기울어져 있을 때의 위상 궤적 특성을 나타내는 도면이고, 도 7은 도 6의 위상 궤적 특성에 따른 간과 각도의 상관 관계를 나타내는 도면이며, 도 8은 파라미터 B의 크기가 50(mm)인 경우, 발산하는 위상 궤적 특성을 나타내는 도면이고, 도 9는 도 8의 위상 궤적 특성에 따른 시간과 각도의 상관 관계를 나타내는 도면이며, 도 10은 플라이휠 호의 진동 폭이 100(mm)인 경우, 발산하는 위상 궤적 특성을 나타내는 도면이고, 도 11은 도 10의 위상 궤적 특성에 따른 시간과 각도의 상관 관계를 나타내는 도면이며, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 외바퀴로봇이 제안한 제어 법칙을 적용한 위상 궤적 특성을 나타내는 도면이다.

도 1 내지 도 3 및 도 4 내지 도 12를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 외바퀴로봇의 자세제어 안정성을 확보하기 위해 밸런싱의 측면에서 동적 모델을 이용하고자 한다. 외바퀴로봇의 진행 방향에서 볼 때, 외바퀴로봇은 도 4에 도시된 바와 같은 스틱 모습으로 보이게 되므로, 스틱을 그 모델로 선정하여 활용하고자 한다.

여기서, 스틱 모델의 수직 방향에 작용하는 자이로 힘은 스틱의 수직 모션을 일으키게 되므로, 수직 모션의 제한 조건이 모델에 반영되도록 스틱 모델은 도 4와 같이 된다.

그러면, 외바퀴로봇의 좌우 균형 제어는 스틱 모델의 좌우 회전각을 제어하는 문제로 단순화할 수가 있다. 이때, 외바퀴로봇은 진행 방향에서 지면과 점접촉을 갖게 되고 자연력에 의해서 좌우로 쓰러지는 구조를 갖고 있다고 볼 수 있다.

이 때의 운영 방식이 롤 운영 방식이라고 할 때, 자이로 모션은 롤 모션과 피치 모션의 합으로 표현될 수 있다. 롤 모션은 모델의 좌우 회전각으로 표현할 수 있고 피치 모션은 상하 진동 모션으로 표현할 수가 있다. 스틱 모델의 무게중심점이 피치 모션에 의해서 위 아래로 변하는 특성이 있기 때문이다.

여기서, COM은 스틱 모델의 무게중심점을 나타내고, 스틱모델의 일반화된 좌표는 (x, θ)로 나타내며, S(t)는 스틱 모델의 수직 모션을 나타낸다. 또한, r(m)은 무게중심점까지의 길이를 나타내고, M(Kg)은 무게, g(m/s2)는 중력가속도를 각각 나타낸다.

스틱 모델에 대하여 오일러-라그랑제에 의한 지배식을 유도하면,

무게중심의 좌표는 식(1)과 식(2)로 표현된다.

식(1)

식(2)

여기서, 무게중심점의 속도의 자승은 식(3)과 같다.

식(3)

그리고, 운동에너지(T)는 식(4)와 같다.

식(4)

또한, 위치에너지(V)는 식(5)와 같다.

식(5)

라그랑제 방정식에 대입하면 식(6)과 같다.

식(6)

라그랑지안에 의한 지배식은 식(7) 내지 식(11)과 같이 유도된다.

식(7)

식(8)

식(9)

식(10)

식(11)

여기서, 외력이 작용하지 않을 경우, 식(12)과 같이 쓸 수 있다.

식(12)

그리고, 차원이 없는 변수를 사용하여 식(12)를 파라미터화 한다. 이때, τ는 시간 상수이고, ω는 각속도이며, ω₀ 는 외바퀴로봇의 고유진동수이다.

식(13)

식(14)

식(15)

이라고 하면, 식(15)는 식(16)과 같이 다시 쓸 수 있다.

식(16)

무게중심점까지의 길이가 0.25(m) 일 경우,

가 되므로, 식(16)은 식(17)과 같이 다시 쓸 수 있다.

식(17)

식(17)에서 제시된 파라미터 A는 본체(10)의 상하 진동의 진폭에 해당한다. 이를 플라이휠(50)의 진동의 폭으로 나타내면 식(18)과 같다. λ는 플라이휠(50)의 진동 폭과 본체(10)의 진동 폭의 관계를 선형화한 게인에 해당하고, B는 플라이휠(50)의 진동 폭을 나타낸다.

식(18)

이때 플라이휠(50)과 본체(10)는 모두 같은 진동 주파수를 갖는다고 가정하게 되면, 식(18)을 반영하여 식(17)은 식(19)와 같이 쓸 수 있다.

식(19)

이때, 변수 λ는 자이로 효과를 이용한 바디 시스템(10, 20, 30)과 김벌유닛(100)의 물리적인 관계에 관한 선행된 실험 연구를 바탕으로 추정할 수 있다. 해당 연구에서 바디 시스템(10, 20, 30)의 속도는 김벌유닛(100)의 속도와 플라이휠(50)의 회전에 의한 각운동량에 해당하는 선형 관계로 추정할 수 있다. 이에 따라 본 발명의 일 실시예에서 λ=2.54로 사용할 수 있다.

그러면, 식(19)는 식(20)과 같이 쓸 수 있다.

식(20)

여기서, 플라이휠(50)이 이상적인 상태로 피칭 모션을 생성하지 않으면, 식(20)은 식(21)과 같이 간략화할 수 있다.

식(21)

그리고 식(21)의 위상 궤적 분석을 실시하면, 도 5와 같은 특성이 나타난다.

도 5에 도시된 바와 같이 X축은 모델의 롤 방향 각도인 θ를 나타내고, Y축은 롤 방향의 각속도에 해당하는 θ(도트)을 나타낸다. 도 5에서는 외력이 없는 상태를 의미하므로, 어떤 힘이 발생하는가에 따라서 도 5에 표시된 화살표의 방향으로 외바퀴로봇의 상태가 변할 수 있다는 의미를 나타낸다. 또한, 중심점에서 각도와 각속도가 변하지 않고 한 점에서 최소 원을 형성할 수가 있음을 보여준다. 그리고, 중앙점으로부터 멀어질수록 형성되는 원의 반경이 커질 수가 있으며, 어떤 추가된 힘에 의해서 원의 형태가 점점 증가하거나 감소하는 특성을 보여줄 수가 있다. 위상 궤적의 상태가 원의 형태에 가깝고 그 크기가 증가하지 않은 상태에서 외바퀴로봇은 안정성을 갖고 있다고 판별할 수가 있다. 이와는 다르게 위상 궤적의 형태가 점점 커지는 형상은 시스템이 발산하고 있음을 나타낸다.

스틱 모델의 초기 상태가 0.5 라디안만큼 기울어져 있다고 가정할 때, 식(21)의 위상 궤적은 도 6과 도 7의 형태를 나타낸다. 도 6에서 검정색 점으로 표시된 출발점은 초기 상태를 의미하고, 화살표 방향으로 회전하고 있음을 보여준다. 이 경우, X축의 상태는 정현파 신호의 형태를 나타내고, 그 크기는 0.5 라디안의 진폭을 갖게 된다. 즉, 해당 모델이 안정한 상태에서는 단위원의 궤적을 형성하고, 그 때의 X축은 정현파의 형태를 보여준다는 점을 확인할 수 있다.

실제 상태에서는 외바퀴로봇의 초기 상태는 매우 작은 각도의 범위를 갖게 되므로, 이를 고려하여 초기 상태가 1도인 조건에서 파라미터 B의 영향을 분석한다. 파라미터 B의 크기를 0부터 서서히 증가시키면서 확인해 본 결과, 도 8과 도 9에 도시된 바와 같이, 파라미터 B의 크기가 증가할수록 시스템은 발산하는 특성을 나타낸다.

그러므로 플라이휠(50)의 진동 폭의 크기에 따라 해당 모델의 위상 궤적은 발산할 수 있음을 확인할 수 있다. 이러한 분석에서 플라이휠(50)의 진동의 폭은 플라이휠(50)의 회전에 따른 호의 길이로 볼 수 있으므로, 식(22)과 같이 그 각도의 변화량을 알아볼 수 있다.

식(22)

식(22)에 따르면, 플라이휠(50) 호의 진동 폭은 대략적으로 45도 부근의 값을 갖고 있음을 추정할 수 있다. 이러한 발산의 현상은 플라이휠(50) 호의 진동 폭이 작아질수록 발산의 폭이 작아지게 되는 특성을 갖고 있다. 반대로, 플라이휠(50) 호의 진동 폭이 100(mm)라고 가정했을 경우, 도 10과 도 11에 도시된 바와 같이 다른 유형의 발산 특성이 나타난다. 도 10과 도 11을 참조하면, 위상 궤적은 원의 형태를 벗어나서 외곽에 있는 궤적의 흐름을 따라 좌우에 있는 궤적의 상태로 이동하는 현상을 나타낸다.

이를 이용하여, 김벌제어유닛(70)을 설계할 수 있다.

먼저, 수직 성분의 진동 특성이 없을 경우, 도 7과 같이 이상적인 정현파 특성을 갖게 되므로, 선형 제어를 활용할 수 있다. 정현파 형태의 시스템 특성은 위치와 속도의 조합에 의해서 표혐이 가능하므로, 총 4개의 상태로 간략화가 가능하다. 첫째, 각도가 양수이고, 각속도가 양수인 상태, 둘째, 각도가 양수이고, 각속도가 음수인 상태, 셋째, 각도가 음수이고, 각속도가 양수인 상태, 넷째, 각도가 음수이고, 각속도가 음수인 상태이다.

이러한 4개의 상태가 반복적으로 유지된다고 가정하면, 김벌제어유닛(70)에서는 각도 에러와 각속도 에러를 제거하는 형태가 가능하다.

식(14)에서 수직 진동 성분을 제외한 제어 법칙은 식(23)과 같다.

식(23)

또한, 수직 성분에 대한 제어 법칙은 식(24)와 같다.

식(24)

따라서, 전체 제어 법칙은 식(25)와 같다.

식(25)

여기서, 외바퀴로봇의 자세제어 범위는 [표 1]과 같이 매우 작은 대역폭을 갖고 있으므로, sin θ는 θ와 거의 같고, λθ_f는 θ와 거의 같아지게 된다.

또한, 실제 시스템에서는 수직 성분에 대한 직접적인 액츄에이터가 없으므로, 수직 성분의 제어 법칙은 시스템의 각도 θ에 오프셋으로 작동하게 된다. 또한, α는 플라이휠(50)의 상태를 고려하여 도출된다.

따라서, 식(25)를 간략화함으로써, [수학식 2]의 제어 법칙을 도출할 수 있다. 더불어, 도 3에 도시된 바와 같은 제어 블럭 다이어그램을 완성할 수 있다.

그리고 도 3에 도시된 조건에서 [수학식 2]의 제어 법칙을 적용하여 시뮬레이션으로 검증한 결과, 도 12에 도시된 바와 같이 이상적인 시스템의 안정 상태가 항상 유지됨을 확인할 수 있다.

지금부터는 본 발명의 일 실시예에 따른 외바퀴로봇의 자세제어방법에 대하여 설명한다. 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 외바퀴로봇의 자세제어방법을 도시한 도면이다.

도 1 내지 도 3 및 도 4 내지 도 12 그리고 도 13을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 외바퀴로봇의 자세제어방법은 본 발명의 일 실시예에 따른 외바퀴로봇의 자세를 제어하는 방법으로 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 외바퀴로봇의 자세제어방법은 김벌구동단계(S1)와, 롤링신호입력단계(S2)와, 기준신호입력단계(S3)와, 수직제어단계(S4)와, 롤링제어단계(S5)와, 토크제어단계(S6)를 포함한다.

상기 김벌구동단계(S1)는 김벌유닛(100)을 구동시킨다. 김벌구동단계(S1)는 구동제어모듈(90)의 동작에 따라 실시될 수 있다. 도시되지 않았지만, 김벌구동단계(S1)에는 자세감지유닛(80)을 통해 실시간으로 외바퀴로봇의 롤링 방향 각도와 롤링 방향 각속도를 감지하는 자세감지단계가 포함될 수 있다.

상기 롤링신호입력단계(S2)는 자세감지유닛(80)에서 감지하는 외바퀴로봇의 롤링 방향 각도와 롤링 방향 각속도를 제공한다. 롤링신호입력단계(S3)는 롤링신호부(72)의 동작에 따라 실시될 수 있다.

여기서, 롤링신호입력단계(S2)는 롤링 방향 각도를 제공하는 롤링각제공단계(S21)와, 롤링 방향 각속도를 제공하는 롤링각속도제공단계(S22)를 포함할 수 있다.

상기 기준신호입력단계(S3)는 외바퀴의 동작에 따른 롤링 방향 기준각도와 롤링 방향 기준각속도를 제공한다. 기준신호입력단계(S3)는 기준신호부(71)의 동작에 따라 실시될 수 있다.

여기서, 기준신호입력단계(S3)는 롤링 방향 기준각도를 제공하는 기준각제공단계(S31)와, 롤링 방향 기준각속도를 제공하는 기준각속도제공단계(S32)를 포함할 수 있다.

상기 수직제어단계(S4)는 자세감지유닛(80)에서 감지하는 롤링 방향 각도를 바탕으로 자이로 힘의 수직 성분을 상쇄시키기 위한 오프셋정보를 제공한다. 수직제어단계(S4)는 수직제어부(74)의 동작에 따라 실시될 수 있다.

상기 롤링제어단계(S5)는 롤링신호입력단계(S2)의 정보와 기준신호입력단계(S3)의 정보 그리고 수직제어단계(S4)의 정보를 바탕으로 롤링 방향 각도에 대한 에러와 롤링 방향 각속도에 대한 에러 그리고 롤링 방향에 대한 비례제어게인과 롤링 방향에 대한 미분제어계인을 도출한다. 롤링제어단계(S5)는 롤링제어부(73)의 동작에 따라 실시될 수 있다.

여기서, 롤링제어단계(S5)는 롤링 방향 각도와 롤링 방향 기준각도와 오프셋정보를 바탕으로 롤링 방향 각도에 대한 에러와 롤링 방향에 대한 비례제어게인을 도출하는 제1롤링제어단계(S51)와, 롤링 방향 각속도와 롤링 방향 기준각속도를 바탕으로 롤링 방향 각속도에 대한 에러와 롤링 방향에 대한 미분제어게인을 도출하는 제2롤링제어단계(S52)를 포함할 수 있다.

상기 토크제어단계(S6)는 롤링제어단계(S5)에서 도출되는 정보로부터 계산되는 [수학식 2]의 제어 법칙을 바탕으로 김벌유닛(100)을 제어한다. 토크제어단계(S6)는 토크제어부(75)의 동작에 따라 실시될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 외바퀴로봇의 자세제어방법은 보정을 위해 본체(10)에 대한 김벌유닛(100)의 각도와 김벌유닛(100)의 각속도를 확인하는 경사각확인단계(S7)를 더 포함할 수 있다.

여기서, 김벌유닛(100)의 각도와 김벌유닛(100)의 각속도가 확인되면 [수학식 2]의 제어법칙과 함께 경사각확인단계(S7)에서 전달되는 정보를 병합하여 김벌유닛(100)을 제어하는 경사각제어단계(S8)를 더 포함할 수 있다.

또한, 경사각제어단계(S8)를 거치거나, 김벌유닛(100)의 각도와 김벌유닛(100)의 각속도가 확인되지 않으면, 롤링신호입력단계(S2)로 복귀하도록 한다. 그러면, 김벌유닛(100)이 구동되는 상태에서 폐루프 방식으로 롤링신호입력단계(S2)부터 경사각확인단계(S7)를 반복하여 외바퀴로봇의 자세를 안정되게 유지시킬 수 있다.

상술한 외바퀴로봇의 자세제어방법 또는 김벌제어유닛(70)의 동작에 따라 롤 운영 방식의 외바퀴로봇은 롤 방향 2도 범위 내에서 제어가 되고, 피치 방향 1도 범위에서 제어가 된다.

상술한 외바퀴로봇과 외바퀴로봇의 자세제어방법에 따르면, 외바퀴로봇에서 자이로 효과에 의해 생성되는 자이로 힘의 수평 성분과 수직 성분에 의한 커플링 모션을 제어함으로써, 자세제어 안정성을 향상시킬 수 있다.

또한, 요 운영 방식의 외바퀴로봇은 물론, 롤 운영 방식의 외바퀴로봇에서 모두 자세제어 안정성을 갖도록 하고, 특히, 롤 운영 방식의 외바퀴로봇에서 명확하게 자세제어 안정성을 향상시킬 수 있다.

또한, 요 운영 방식의 외바퀴로봇에서 상대적으로 높은 전력을 낮추면서 자세제어 안정성을 극대화시킬 수 있고, 롤 운영 방식의 외바퀴로봇에서 상대적으로 낮은 전력을 사용하면서 자세제어 안정성을 극대화시킬 수 있다. 특히, 롤 운영 방식의 외바퀴로봇에서 자세제어가 이루어질 때, 지면과의 마찰력을 고려하지 않아도 되므로 자세제어에 대한 해석이 용이해질 수 있다.

또한, 동적 모델의 해석 결과와 실제 외바퀴로봇의 동작 비교를 통해 자이로 효과에 대한 커플링 모션을 분석하고, 적절한 게인을 선정할 수 있다.

또한, 본체(10)에 대한 김벌유닛(100)의 위치에 따라 추가 보정이 이루어지고, 자세제어에 따른 제어 정밀도를 향상시킬 수 있다.

또한, 지면과 외바퀴(20)의 접촉 폭이 작은 외바퀴로봇에 대하여 요 운영 방식의 외바퀴로봇을 적용하고, 지면과 외바퀴(20)의 접촉 폭이 상대적으로 큰 외바퀴로봇에 대하여 롤 운영 방식의 외바퀴로봇을 적용할 수 있다.

상술한 바와 같이 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면, 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있다.

10: 본체 20: 외바퀴 30: 드라이브유닛
100: 김벌유닛 40: 틸트유닛 41: 엔코더
50: 플라이휠 51: 김벌지지대 60: 휠구동유닛
70: 김벌제어유닛 71: 기준신호부 72: 롤링신호부
73: 롤링제어부 74: 수직제어부 75: 토크제어부
76: 틸트제어부 80: 자세감지유닛 90: 구동제어모듈
91: 속도명령부 92: 피칭제어부 93: 방향제어부
S1: 김벌구동단계 S2: 롤링신호입력단계
S21: 제1롤링신호입력단계 S22: 제2롤링신호입력단계
S3: 기준신호입력단계 S31: 제1기준신호입력단계
S32: 제2기준신호입력단계 S4: 수직제어단계
S5: 롤링제어단계 S51: 제롤링제어단계
S52: 제2롤링제어단계 S6: 토크제어단계
S7: 경사각확인단계 S8: 경사각제어단계

Claims

본체;
상기 본체에 회전 가능하게 결합되는 외바퀴;
상기 본체에 구비되어 상기 외바퀴를 회전시키는 드라이브유닛;
상기 외바퀴의 피칭(pitching) 방향 동작과 롤링(rolling) 방향 동작과 요잉(yawing) 방향 동작에 따른 자세 유지를 위해 자이로 효과가 발생되도록 상기 본체에 회전 가능하게 결합되는 김벌유닛;
상기 외바퀴의 동작에 따른 상기 본체의 피칭 방향, 롤링 방향, 요잉 방향 자세를 감지하는 자세감지유닛; 및
상기 자세감지유닛에서 감지되는 자세를 바탕으로 상기 외바퀴의 동작에 따라 상기 김벌유닛의 동작을 제어하는 김벌제어유닛;을 포함하고,
상기 김벌제어유닛은,
상기 자세감지유닛에서 감지되는 롤링 방향 각도와 롤링 방향 각속도를 바탕으로 자이로 효과에 의해 생성되는 자이로 힘의 수평 성분과 수직 성분을 이용하여 아래의 [수학식 3]의 제어 법칙을 만족하는 커플링 모션을 통해 상기 김벌유닛의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 외바퀴로봇.
[수학식 3]

여기서, F는 자이로 효과에 의해 생성되는 자이로 힘이고, Fh는 수평 성분의 힘이며, Fv는 수직 성분의 힘이고, Kp는 상기 롤링 방향에 대한 비례제어게인이며, Kd는 상기 롤링 방향에 대한 미분제어게인이고, e는 상기 롤링 방향 각도에 대한 에러이며, e(도트)는 상기 롤링 방향 각속도에 대한 에러이고, θ_f는 상기 자세감지유닛에서 감지되는 롤링 방향의 각도이며, β는 수직 성분에 대한 게인이다.
제1항에 있어서,
상기 김벌제어유닛은,
상기 외바퀴의 동작에 따른 롤링 방향 기준각도와 롤링 방향 기준각속도를 제공하는 기준신호부;
상기 자세감지유닛에서 감지하는 롤링 방향 각도와 롤링 방향 각속도를 제공하는 롤링신호부;
상기 자세감지유닛에서 감지하는 롤링 방향 각도를 바탕으로 상기 자이로 힘의 수직 성분을 상쇄시키기 위한 오프셋정보를 제공하는 수직제어부;
상기 기준신호부의 정보와 상기 롤링신호부의 정보 그리고 상기 수직제어부의 정보를 바탕으로 상기 롤링 방향 각도에 대한 에러와 상기 롤링 방향 각속도에 대한 에러 그리고 상기 롤링 방향에 대한 비례제어게인과 상기 롤링 방향에 대한 미분제어계인을 도출하는 롤링제어부; 및
상기 롤링제어부에서 도출되는 정보로부터 계산되는 상기 [수학식 3]의 제어 법칙을 바탕으로 상기 김벌유닛을 제어하는 토크제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 외바퀴로봇.
제2항에 있어서,
상기 김벌제어유닛은, 상기 본체에 대한 상기 김벌유닛의 각도와 상기 김벌유닛의 각속도를 제공하는 틸트전달부;를 더 포함하고,
상기 토크제어부는, 상기 [수학식 3]의 제어 법칙과 함께 상기 틸트전달부에서 전달되는 정보를 병합하여 상기 김벌유닛을 제어하는 것을 특징으로 하는 외바퀴로봇.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 외바퀴로봇의 자세를 제어하는 방법이고,
상기 김벌유닛을 구동시키는 김벌구동단계;
상기 자세감지유닛에서 감지하는 롤링 방향 각도와 롤링 방향 각속도를 제공하는 롤링신호입력단계;
상기 외바퀴의 동작에 따른 롤링 방향 기준각도와 롤링 방향 기준각속도를 제공하는 기준신호입력단계;
상기 자세감지유닛에서 감지하는 롤링 방향 각도를 바탕으로 상기 자이로 힘의 수직 성분을 상쇄시키기 위한 오프셋정보를 제공하는 수직제어단계;
상기 롤링신호입력단계의 정보와 상기 기준신호입력단계의 정보 그리고 상기 수직제어단계의 정보를 바탕으로 상기 롤링 방향 각도에 대한 에러와 상기 롤링 방향 각속도에 대한 에러 그리고 상기 롤링 방향에 대한 비례제어게인과 상기 롤링 방향에 대한 미분제어계인을 도출하는 롤링제어단계; 및
상기 롤링제어단계에서 도출되는 정보로부터 계산되는 상기 [수학식 3]의 제어 법칙을 바탕으로 상기 김벌유닛을 제어하는 토크제어단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 외바퀴로봇의 자세제어방법.
제4항에 있어서,
보정을 위해 상기 본체에 대한 상기 김벌유닛의 각도와 상기 김벌유닛의 각속도를 확인하는 경사각확인단계;를 더 포함하고,
상기 김벌유닛의 각도와 상기 김벌유닛의 각속도가 확인되면,
상기 [수학식 3]의 제어법칙과 함께 상기 경사각확인단계에서 전달되는 정보를 병합하여 상기 김벌유닛을 제어하는 경사각제어단계;를 더 포함하며,
상기 경사각제어단계를 거치거나, 상기 김벌유닛의 각도와 상기 김벌유닛의 각속도가 확인되지 않으면, 상기 롤링신호입력단계로 복귀하는 것을 특징으로 하는 외바퀴로봇의 자세제어방법.
제4항에 있어서,
상기 롤링신호입력단계는,
상기 롤링 방향 각도를 제공하는 롤링각제공단계; 및
상기 롤링 방향 각속도를 제공하는 롤링각속도제공단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 외바퀴로봇의 자세제어방법.
제4항에 있어서,
상기 기준신호입력단계는,
상기 롤링 방향 기준각도를 제공하는 기준각제공단계; 및
상기 롤링 방향 기준각속도를 제공하는 기준각속도제공단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 외바퀴로봇의 자세제어방법.
제4항에 있어서,
상기 롤링제어단계는,
상기 롤링 방향 각도와 상기 롤링 방향 기준각도와 상기 오프셋정보를 바탕으로 상기 롤링 방향 각도에 대한 에러와, 상기 롤링 방향에 대한 비례제어게인을 도출하는 제1롤링제어단계; 및
상기 롤링 방향 각속도와 상기 롤링 방향 기준각속도를 바탕으로 상기 롤링 방향 각속도에 대한 에러와, 상기 롤링 방향에 대한 미분제어게인을 도출하는 제2롤링제어단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 외바퀴로봇의 자세제어방법.