KR102005405B1 - 플랫폼의 동적 평형 유지 방법, 이를 이용한 로봇 및 로봇의 제어 방법 - Google Patents

플랫폼의 동적 평형 유지 방법, 이를 이용한 로봇 및 로봇의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 동적 평형에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 물체가 장착되는 플랫폼의 경사각을 실시간으로 조절하여 직선 방향의 가속도를 갖는 운동을 하더라도 물체가 플랫폼에서 이동하는 것을 방지하는 플랫폼의 동적 평형 유지 방법과 이를 이용한 로봇 및 로봇의 제어 방법에 관한 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 플랫폼의 동적 평형을 유지하기 위한 방법으로서, (a) 플랫폼 상에 페이로드(payload)가 놓여진 상태에 따라 발생하는 플랫폼의 자세 변화 또는 플랫폼의 움직임에 대한 정보 중 적어도 하나의 정보를 포함하는 입력 데이터를 수신하는 단계; 및 (b) 상기 단계 (a)에서 수신된 입력 데이터에 기초하여, 상기 페이로드에 의하여 상기 플랫폼에 인가되는 힘의 방향이 플랫폼의 표면에 수직인 성분만 존재하도록 하는 플랫폼의 자세 목표에 관한 정보를 산정하는 단계를 포함한다.

Description

플랫폼의 동적 평형 유지 방법, 이를 이용한 로봇 및 로봇의 제어 방법{Dynamic balancing maintenance method of platform, robot and robot control method using it}
본 발명은 동적 평형에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 물체가 장착되는 플랫폼의 경사각을 실시간으로 조절하여 직선 방향의 가속도를 갖는 운동을 하더라도 물체가 플랫폼에서 이동하는 것을 방지하는 플랫폼의 동적 평형 유지 방법과 이를 이용한 로봇 및 로봇의 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 자이로 센서를 이용한 수평유지장치 또는 안정화 장치는 물체를 수평으로 유지하기 위한 장치이다. 선행기술문헌 1에는 자동 수평유지 스트레쳐 장치가 개시되어 있다. 수평유지 스트레쳐 장치는 프레임(100)에 대하여 2축 방향 회전운동이 가능하도록 연결되며, 이때 환자를 눕혀서 고정시킨 상태로 수송하기 위한 베드부재(110), 베드부재가 수평에 대하여 경사진 정도를 감지하는 경사센서(130), 프레임과 베드부재 사이에 연결되어 프레임에 대한 베드부재의 자세를 조정하기 위한 전동 실린더(140) 및 경사센서로부터 경사진 신호를 전송받아 베드부재의 자세를 판단하고 이에 기초하여 전동 실리더부를 작동시키는 제어부를 포함하므로 경사진 곳에서도 들것(Stretcher)이 수평을 유지하여 이 들것에 의해 수송되는 환자의 안전을 유지하고 들것을 이용하여 환자를 수송하는 구조대원에게도 힘이 고르게 분배되도록 하기 위함이지만, 스트레쳐가 이동하는 경우 위에 배치된 환자는 관성에 의하여 이동하는 반대방향으로 떨러질 위험이 존재한다. 그리고 선행기술문헌 2는 도립 제어되는 도립형 이동체로서 일반적으로 도립형 이용체는 스텝 플레이트에 탑승한 탐승자가 전후방향으로 하중을 작용시켰을 때 전후방향에의 도립형 이동체의 자세각(피치각)을 센서에서 검출하고, 이 검출결과에 근거하여 도립 상태를 유지하게 좌우의 차륜을 구동하는 모터를 제어한다. 즉 도립형 이동체는 스텝 플레이트에 탑승한 탑승자가 전방에 하중을 작용시켜서 도립형 이동체를 전방으로 경사시키면, 도립형 이동체의 도립상태를 유지하게 전방으로 가속화되고, 탑승자가 후방에 하중을 작용시켜서 도립형 이동체를 후방으로 경사시키면, 도립형 이동체의 도립 상태를 유지하도록 후방에 가속화되게 좌우의 차륜을 구동하는 모터를 제어한다. 그러나 개시된 도립형 이동체를 포함하여 일반적인 도립형 이동체는 탑승자가 전방으로 하중을 작용시키면 전방으로 가속화되고, 이 경우 발판에는 수직방향의 가속도만 인가될 수 있는 것으로 일반적으로 수평유지장치 또는 안정화 장치가 물체를 수평으로 유지하지만, 물체를 포함하는 수평유지장치가 직선방향의 가속도를 가지고 이동하는 경우 물체는 넘어지거나 미끄러지는 문제가 발생한다.
KR 10-1684940 일본특허등록 제5880726
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 물체가 장착되는 플랫폼의 경사각을 실시간으로 조절하여 직선 방향의 가속도를 갖는 운동을 하더라도 물체가 플랫폼에서 이동하는 것을 방지하는 동적 평형 유지 방법 및 이를 이용한 로봇을 제공하는데 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 플랫폼의 동적 평형을 유지하기 위한 방법으로서, (a) 플랫폼 상에 페이로드(payload)가 놓여진 상태로 상기 플랫폼이 직선 가속도 운동을 함에 따라 발생하는 플랫폼의 자세 변화 또는 플랫폼의 움직임에 대한 정보 중 적어도 하나의 정보를 포함하는 입력 데이터를 수신하는 단계; 및 (b) 상기 단계 (a)에서 수신된 입력 데이터에 기초하여, 상기 플랫폼이 직선 가속도 운동을 하는 동안 상기 페이로드에 의하여 상기 플랫폼에 인가되는 힘의 방향이 플랫폼의 표면에 수직인 성분만 존재하도록 하는 플랫폼의 자세 목표에 관한 정보를 산정하는 단계를 포함한다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 플랫폼의 동적 평형을 유지하기 위한 방법을 이용한 로봇의 제어 방법으로서, (a) 플랫폼 상에 페이로드(payload)가 놓여진 상태로 상기 플랫폼에 직선 가속도 운동을 함에 따라 발생하는 플랫폼의 자세 변화 또는 플랫폼의 움직임에 대한 정보 중 적어도 하나의 정보를 포함하는 입력 데이터를 검출하는 단계; (b) 상기 단계 (a)에서 수신된 입력 데이터에 기초하여, 상기 플랫폼이 직선 가속도 운동을 하는 동안 상기 페이로드에 의하여 상기 플랫폼에 인가되는 힘의 방향이 플랫폼의 표면에 수직인 성분만 존재하도록 하는 플랫폼의 자세 목표에 관한 정보를 산정하는 단계; 및 (c) 상기 단계 (b)에서 산정된 플랫폼의 자세 목표에 관한 정보에 기초하여 플랫폼의 자세 변화 및 움직임 중의 적어도 하나를 발생시키는 단계를 포함한다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따른 로봇은 페이로드가 놓여 질 수 있는 상부 표면을 구비하는 플랫폼; 피치 방향 및 롤 방향으로 독립적으로 회전 가능하도록 상기 플랫폼과 연결되는 짐벌 기구; 상기 짐벌 기구의 피치 방향 및 롤 방향의 자세 변화 또는 움직임 중의 적어도 하나를 감지하기 위한 센서; 상기 센서의 출력에 기초하여 상기 플랫폼이 직선 가속도 운동을 하는 동안 상기 페이로드에 의하여 상기 플랫폼에 인가되는 힘의 방향이 플랫폼의 표면에 수직인 성분만 존재하도록 하는 짐벌 기구의 자세 목표에 관한 정보를 산정하는 제어부; 및 상기 제어부의 산정에 기초하여 짐벌 기구의 자세 변화 및 움직임을 발생시키는 액추에이터를 포함한다.
바람직하게는 상기 짐벌 기구는 상기 플랫폼을 제1 회전축에 대하여 회전 가능하게 고정시키는 프레임; 및 상기 프레임을 상기 제1 회전축과 직교하는 제2 회전축에 대하여 회전 가능하게 고정시키는 베이스를 포함하는 것이다.
바람직하게는 상기 센서는 베이스에 설치되며, 이 베이스에 설치된 센서는 베이스 좌표계와 평행인 3-축 가속도계인 것이다.
바람직하게는 상기 센서는 프레임에 설치되며, 이 프레임에 설치된 센서는 프레임 좌표계와 평행인 3-축 가속도계인 것이다.
바람직하게는 상기 센서는 베이스와, 프레임에 각각 설치되는 2-축 가속도계인 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 따른 측면의 1인용 이동체는 청구항 3에 기재된 로봇이다.
본 발명에 의하면, 물체가 장착되는 플랫폼의 경사각을 실시간으로 조절하므로 동적 평형 로봇이 다양한 방식으로 이동하더라도 적재된 물건이 플랫폼 상에서 미끄러지는 등의 움직임이 최소화됨으로써 안정된 상태로 이송될 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 플랫폼의 동적 평형 유지 장치의 개념을 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 플랫폼의 동적 평형 유지 방법을 도시한 순서도.
도 3은 본 발명에 따른 플랫폼의 동적 평형 유지 방법을 이용한 로봇의 제어 방법을 도시한 순서도.
도 4는 본 발명에 따른 동적 평형을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명에 다른 플랫폼의 동적 평형 유지 방법이 적용된 플랫폼의 동적 평형 유지 장치를 3D로 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 플랫폼의 동적 평형 유지 방법이 적용된 프로토타입을 나타낸 사진.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
먼저 동적 평형(Dynamic Balancing)이란, 플랫폼(Platform) 위에 놓여있는 사물에 작용하는 힘이 항상 플랫폼에 항상 수직한 방향으로 작용하도록 플랫폼의 경사각을 조정하는 것으로 도 4는 제어 전(왼쪽)과 제어 후(오른쪽)에 대하여 도시한 도면으로 플랫폼의 수평가속도가 항상 영(0)이 되도록 하는 것이다.
이때 플랫폼(Platform)이 임의의 가속도를 가질 때 동적 평형(Dynamic Balancing)을 이루기 위해서는 플랫폼 평면이 가속도에 수직을 유지하도록 플랫폼의 2-방향 회전각을 조정하여야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 플랫폼의 동적 평형 유지를 위한 짐벌 기구를 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 동적 평형 유지를 위한 로봇은 피치 방향 및 롤 방향으로 독립적으로 회전 가능한 짐벌 기구(1)와, 짐벌 기구(1)의 피치 방향 및 롤 방향의 자세 변화 또는 움직임 중의 적어도 하나를 감지하기 위한 센서(도시되지 않음)와, 센서의 출력에 기초하여 짐벌 기구의 힘의 방향이 짐벌 기구의 표면에 수직인 성분만 존재하도록 하는 짐벌 기구의 자세 목표에 관한 정보를 산정하는 제어부(도시되지 않음)와, 제어부의 산정에 기초하여 짐벌 기구의 자세 변화 및 움직임을 발생시키는 액추에이터(도시되지 않음)가 포함된다.
짐벌 기구(1)는 페이로드가 놓여 질 수 있는 상부 표면을 구비하는 플랫폼(10)과, 플랫폼(10)을 제1 회전축(21)에 대하여 회전가능하게 고정시키는 프레임(20)과, 프레임(20)을 제1 회전축(21)과 직교하는 제2 회전축(31)에 대하여 회전 가능하게 고정시키는 베이스(30)를 포함한다. 여기서 제2 회전축(31)은 베이스(30)와, 이 베이스(10) 기준 피치 방향으로 구동되는 피치 짐벌이며, 제1 회전축(21)은 피치 짐벌 내부에 장치되며 롤 방향으로 구동되는 롤 짐벌이다.
센서는 짐벌 기구(10)의 다양한 위치에 구비될 수 있는데 다음에서 설명할 [실시 예 1]에서의 센서는 베이스에 설치되며, 이 베이스에 설치된 센서는 베이스 좌표계와 평행인 3-축 가속도계이다. 그리고 [실시예 2]에서의 센서는 프레임에 설치되며, 이 프레임에 설치된 센서는 프레임 좌표계와 평행인 3-축 가속도계이다. 마지막으로 [실시예 3]에서의 센서는 베이스와, 프레임에 각각 설치되는 2-축 가속도계인 것이다. 액추에이터는 모터에 의해 구동되고, 제어부는 컴퓨터를 이용한 디지털 제어를 적용한다.
도 2는 본 발명에 따른 플랫폼의 동적 평형 유지 방법을 도시한 순서도이며, 도 3은 본 발명에 따른 플랫폼의 동적 평형 유지 방법을 이용한 로봇의 제어 방법을 도시한 순서도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 플랫폼의 동적 평형 유지 방법은 먼저 플랫폼 상에 페이로드(payload)가 놓여진 상태에 따라 발생하는 플랫폼의 자세 변화 또는 플랫폼의 움직임에 대한 정보 중 적어도 하나의 정보를 포함하는 입력 데이터를 수신한다(S110).
그리고 단계 (S110)에서 수신된 입력 데이터에 기초하여, 상기 페이로드에 의하여 상기 플랫폼에 인가되는 힘의 방향이 플랫폼의 표면에 수직인 성분만 존재하도록 하는 플랫폼의 자세 목표에 관한 정보를 산정한다(S120).
도 3에 따른 본 발명의 플랫폼의 동적 평형 유지 방법을 이용한 로봇의 제어 방법은, 플랫폼 상에 페이로드(payload)가 놓여진 상태에 따라 발생하는 플랫폼의 자세 변화 또는 플랫폼의 움직임에 대한 정보 중 적어도 하나의 정보를 포함하는 입력 데이터를 검출한다(S210).
그리고 단계 (S210)에서 수신된 입력 데이터에 기초하여, 상기 페이로드에 의하여 상기 플랫폼에 인가되는 힘의 방향이 플랫폼의 표면에 수직인 성분만 존재하도록 하는 플랫폼의 자세 목표에 관한 정보를 산정한다(S220)
마지막으로 단계 (S220))에서 산정된 플랫폼의 자세 목표에 관한 정보에 기초하여 플랫폼의 자세 변화 및 움직임 중의 적어도 하나를 발생시킨다(S230).
이때 본 발명에서 플랫폼(10)의 동적 평형 유지 제어를 위하여 가속도계를 이용하는데 본 발명에서는 서로 다른 실시예를 이용하였다. 앞에서 설명한 바와 같이 [제1 실시예]에서는 베이스(30)에 베이스 좌표계와 평행으로 3-축 가속도계를 설치하고, [제2 실시예]에서는 프레임(20)에 롤 짐벌 좌표계와 평행으로 3-축 가속도계를 설치하였으며, [제3 실시예]에서는 베이스(30)과 프레임(20)에 각각 2-축 가속도계를 설치하여 입력값을 얻어낸다.
[실시 예 1]
베이스(30)에 베이스 좌표계와 평행으로 3축 가속도계를 설치하는 경우,
(1) 베이스 좌표계와 내부(롤) 짐벌 좌표계의 간의 관계
피치각이 θ , 롤각이 φ인 경우
Figure 112017119416778-pat00001
(2) 베이스(30)에 설치된 가속도계가 측정한 가속도
Figure 112017119416778-pat00002
,
Figure 112017119416778-pat00003
(3) 내부(롤) 짐벌에서의 가속도는,
Figure 112017119416778-pat00004
(4) 동적 평형(Dynamic Balancing)을 위해서는 내부(롤) 짐벌의 x, y-축 방향 가속도가 항상 영(0)이 되어야 하므로 조건 a′=b′=0을 만족해야 되며, 이 조건을 만족하는 피치각 θp와 롤각인 φr 을 구한다.
Figure 112017119416778-pat00005
따라서 동적 평형 조건에서
Figure 112017119416778-pat00006
가 된다.
여기 [실시 예 1]은 베이스(30)에 가속도계를 장착하고 측정된 가속도계 신호를 이용하여 동적 평형을 이루는 각 짐벌의 회전각을 계산한 경우이다. 따라서 각 회전각의 오차, 회전축의 직교 오차 등이 베이스(30)에 가속도계가 장착되어 있으므로 있을 경우 오차가 발생할 수 있다.
그리고 피치각
Figure 112017119416778-pat00007
, 롤각
Figure 112017119416778-pat00008
일 때 외부(피치) 짐벌(20)과 내부(롤) 짐벌(30)의 좌표계는 모두 평행의 관계를 갖으며, 인크리멘털 엔코더(Incremental Encoder)를 사용할 경우 절대 회전각은 알 수 없으므로, 피치각
Figure 112017119416778-pat00009
,롤각
Figure 112017119416778-pat00010
의 물리적 위치를 정하는 수단이 필요하며, 예로서 기계적 원점 핀이 필요하다.
또한 앞에서 계산된 피치각 θp , 롤각 φr 위치는 각 샘플링 순간 각 김발의 위치명령이며, 각 김발 회전각을 측정하는 엔코더 신호를 피드백(Feedback)하여 제어를 수행한다.
[실시 예 2]
내부(롤) 짐벌(20)에 내부(롤) 짐벌 좌표계와 평행으로 3축 가속도계를 설치하는 경우,
앞서 [실시 예 1]에서와 같이 베이스(10)에 가속도계를 장착하는 경우 실제 내부(롤) 짐벌(30)의 가속도를 알 수 없으므로 동적 평형이 이루어졌는지 알 수 없다. 따라서 [실시 예 2]에서는 내부(롤) 짐벌(30)에 직접 가속도계를 설치한다.
(1) 내부(롤) 짐벌(20)에 설치된 가속도계가 측정한 가속도
Figure 112017119416778-pat00011
Figure 112017119416778-pat00012
(2) 이 순간 피치각이 θk, 롤각이 φk이라면, 이 가속도로부터 베이스 좌표계에서의 가속도 계산
Figure 112017119416778-pat00013
(3) 이 베이스 좌표계로 나타낸 가속도를 이용하여 내부(롤) 짐벌의 동적 평형을 이루는 피치각
θp , 롤각인φr 을 구한다.
우선 피치각 θp, 롤각 φr 회전한 내부(롤) 짐벌 좌표계와 베이스 좌표계의 관계는
Figure 112017119416778-pat00014
이며, 새로운 내부(롤) 짐벌 좌표계인
Figure 112017119416778-pat00015
를 이용하면,
Figure 112017119416778-pat00016
여기서,
Figure 112017119416778-pat00017
로 정의하고, 이를 이용하여 식을 다시 쓰면,
Figure 112017119416778-pat00018
따라서, 동적 평형을 이루기 위해서는 x-축, y-축 가속도가 영이 되어야 한다.
즉,
Figure 112017119416778-pat00019
이 식으로부터
Figure 112017119416778-pat00020
따라서 동적 평형을 이루기 위한 외부(피치)짐벌과 내부(롤)김발의 오차각은
Figure 112017119416778-pat00021
여기서 θek , φek는 샘플링 순간 각 짐벌의 위치오차이다.
[실시 예 3]
외부(피치) 짐벌(30)과 내부(롤) 짐벌(20)에 각각 2축 가속도계를 설치하는 경우이며, [실시 예 3]의 개념은 다음과 같다.
첫째, 외부(피치) 짐벌에 설치된 가속도계의 xp-축 방향 가속도가 영이 되도록 외부(피치) 짐벌을 피치방향으로 회전하여 제어한다.
이는 외부(피치) 짐벌의의 xp-축과 내부(롤) 짐벌의 xr-축은 일치하거나 평행하므로, 외부(피치) 짐벌의 xp-축 가속도가 영이면 내부(롤) 짐벌 xr-축 가속도는 영이 된다. ( 단,xp-축과 xr-축의 평행도 오차는 xp-축 가속도가 영이더라도 xr-축의 가속도가 존재하며, 또한 xp-축과 xr-축간의 거리는 외부(피치) 짐벌의 각가속도와 각속도에 의해 xr-축 방향 가속도가 존재하게 된다. 따라서 외부(피치) 짐벌의 xp-축과 내부(롤) 짐벌의 xr-축을 일치시키는 것이 최선이며, 불가피 할 경우 축간 거리를 최소화 하는 것이 바람직하다.)
둘째, 내부(롤) 짐벌에 설치된 가속도계의 yr-축 방향 가속도가 영이 되도록 내부(롤) 짐벌을 롤방향으로 회전하여 제어한다.
셋째, 결과적으로 첫째와 둘째의 제어에 의해 내부(롤) 짐벌의 xr-축과 yr-축 가속도가 영이 되어 동적 평형을 가능케 한다.
[실시예 3]의 개념을 증명하면 다음과 같다.
베이스(10)에 설치된 가속도계가 측정한 가속도가
Figure 112017119416778-pat00022
일 경우
Figure 112017119416778-pat00023
이 때의 피치각이 θp라면, 내부(피치) 짐벌 가속도는
Figure 112017119416778-pat00024
내부(피치) 짐벌의 xp-축 가속도는
Figure 112017119416778-pat00025
이므로, 피치각을 다음의 θp로 하면
Figure 112017119416778-pat00026
이고,
Figure 112017119416778-pat00027
이 되면, 외부(피치) 짐벌 가속도는,
Figure 112017119416778-pat00028
즉, 외부(피치) 짐벌 xp-축 가속도는 영이 된다.
그리고, 피치각을 위의 θp로 회전시키고, 이때 내부(롤) 짐벌의 롤각이φr 이라면, 내부(롤) 짐벌의 가속도는
Figure 112017119416778-pat00029
이고, 내부(롤) 짐벌의 xr-축 가속도는 앞에서 피치축 회전으로 이미 영이며, yr-축 가속도는 다음과 같으므로
Figure 112017119416778-pat00030
내부(롤) 짐벌을 다음의 φr 각 만큼 회전시키면
Figure 112017119416778-pat00031
내부(롤) 짐벌의 가속도는
Figure 112017119416778-pat00032
이므로, 내부(롤) 짐벌의 동적 평형이 완성된다.
즉 [실시 예 3]의 동적 평형 제어인 외부(피치) 짐벌과 내부(롤) 짐벌의 제어는 다음과 같다.
(1) 외부(피치) 짐벌 제어
만일 외부(피치) 짐벌에 설치된 가속도계에서 측정된 가속도가
Figure 112017119416778-pat00033
이면 (x-축과 z-축 방향 가속도만을 측정하는 2-축 가속도계이므로)
Figure 112017119416778-pat00034
이 때의 피치각이 θ라면, 피치각이θp 일 때 외부(피치) 짐벌의 가속도
Figure 112017119416778-pat00035
는
Figure 112017119416778-pat00036
따라서 외부(피치) 짐벌의 xp-축 가속도를 영으로 하기 위한 피치회전각은
Figure 112017119416778-pat00037
또는 현 회전각 기준 추가로 회전이 필요한 오차각도는
Figure 112017119416778-pat00038
만일 동적 평형(Dynamic Balancing)을 하는 동안이라면
Figure 112017119416778-pat00039
가 작으며, 즉
Figure 112017119416778-pat00040
이므로 윗 식을 선형화 하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112017119416778-pat00041
(2) 내부(롤) 짐벌 제어
만일 내부(롤) 짐벌에 설치된 가속도계에서 측정된 가속도가
Figure 112017119416778-pat00042
이면, (y-축과 z-축 방향 가속도만을 측정하는 2-축 가속도계이므로)
Figure 112017119416778-pat00043
이 때 롤각이 φ라면, 롤각이 φr일 때 내부(롤) 짐벌의 가속도
Figure 112017119416778-pat00044
는
Figure 112017119416778-pat00045
따라서 내부(롤) 짐벌의 yr-축 가속도를 영으로 하기 위한 롤회전각은
Figure 112017119416778-pat00046
또는 현 회전각 기준 추가로 회전이 필요한 오차각도는
Figure 112017119416778-pat00047
만일 동적 평형(Dynamic Balancing)을 하는 동안이라면
Figure 112017119416778-pat00048
가 작으며, 즉
Figure 112017119416778-pat00049
이므로 윗 식을 선형화 하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112017119416778-pat00050
도 5는 본 발명에 다른 플랫폼의 동적 평형 유지 방법이 적용된 플랫폼의 동적 평형 유지 장치를 3D로 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명에 따른 플랫폼의 동적 평형 유지 방법이 적용된 프로토타입을 나타낸 사진으로 물체에는 플랫폼과 수직 방향의 힘만 존재하고, 측면 방향의 힘이 없으므로 물체는 넘어지거나 미끄러지지 않고 항상 플랫폼과 접촉을 유지하게 되며, 정지한 상태일 경우 플랫폼은 항상 수평을 유지하다. 이와 같은 본 발명 장치의 적용은 화물 운반, 환자이송, 카메라 안정화에 이용될 수 있는데 예를 들면 적재된 물건이 떨어지지 않도록 화물적재 부분에 성능을 부여할 수 있고, 구급차가 이동하는 중에도 환자가 떨어지지 않는 침대, 승객이 전후좌우로 흔들리지 않는 다양한 이송수단의 의자, 선박이나 드론 등에 장치되어 수평을 유지하는 카메라 장착대 등에 적용 가능하며, 나열된 예로서 한정하는 것은 아니며 다양한 분야에 적용될 수 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
1: 짐벌 기구
10: 플랫폼
20: 프레임
21: 제1 회전축(롤 짐벌)
30: 베이스
31: 제2 회전축(피치 짐벌)

Claims (8)

  1. 플랫폼의 동적 평형을 유지하기 위한 방법으로서,
    (a) 플랫폼 상에 페이로드(payload)가 놓여진 상태로 상기 플랫폼이 직선 가속도 운동을 함에 따라 발생하는 플랫폼의 자세 변화 또는 플랫폼의 움직임에 대한 정보 중 적어도 하나의 정보를 포함하는 입력 데이터를 수신하는 단계; 및
    (b) 상기 단계 (a)에서 수신된 입력 데이터에 기초하여, 상기 플랫폼이 직선 가속도 운동을 하는 동안 상기 페이로드에 의하여 상기 플랫폼에 인가되는 힘의 방향이 플랫폼의 표면에 수직인 성분만 존재하도록 하는 플랫폼의 자세 목표에 관한 정보를 산정하는 단계
    를 포함하는 플랫폼의 동적 평형 유지 방법.
  2. 플랫폼의 동적 평형을 유지하기 위한 방법을 이용한 로봇의 제어 방법으로서,
    (a) 플랫폼 상에 페이로드(payload)가 놓여진 상태로 상기 플랫폼에 직선 가속도 운동을 함에 따라 발생하는 플랫폼의 자세 변화 또는 플랫폼의 움직임에 대한 정보 중 적어도 하나의 정보를 포함하는 입력 데이터를 검출하는 단계;
    (b) 상기 단계 (a)에서 수신된 입력 데이터에 기초하여, 상기 플랫폼이 직선 가속도 운동을 하는 동안 상기 페이로드에 의하여 상기 플랫폼에 인가되는 힘의 방향이 플랫폼의 표면에 수직인 성분만 존재하도록 하는 플랫폼의 자세 목표에 관한 정보를 산정하는 단계; 및
    (c) 상기 단계 (b)에서 산정된 플랫폼의 자세 목표에 관한 정보에 기초하여 플랫폼의 자세 변화 및 움직임 중의 적어도 하나를 발생시키는 단계
    를 포함하는 로봇의 제어 방법.
  3. 페이로드가 놓여 질 수 있는 상부 표면을 구비하는 플랫폼;
    피치 방향 및 롤 방향으로 독립적으로 회전 가능하도록 상기 플랫폼과 연결되는 짐벌 기구;
    상기 플랫폼의 피치 방향 및 롤 방향의 자세 변화 또는 움직임 중의 적어도 하나를 감지하기 위한 센서;
    상기 센서의 출력에 기초하여 상기 플랫폼이 직선 가속도 운도을 하는 동안 상기 페이로드에 의하여 상기 플랫폼에 인가되는 힘의 방향이 플랫폼의 표면에 수직인 성분만 존재하도록 하는 짐벌 기구의 자세 목표에 관한 정보를 산정하는 제어부; 및
    상기 제어부의 산정에 기초하여 짐벌 기구의 자세 변화 및 움직임을 발생시키는 액추에이터
    를 포함하는 로봇.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 짐벌 기구는

    상기 플랫폼을 제1 회전축에 대하여 회전 가능하게 고정시키는 프레임; 및
    상기 프레임을 상기 제1 회전축과 직교하는 제2 회전축에 대하여 회전 가능하게 고정시키는 베이스
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 센서는 베이스에 설치되며, 이 베이스에 설치된 센서는 베이스 좌표계와 평행인 3-축 가속도계인 것
    을 특징으로 하는 로봇.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 센서는 프레임에 설치되며, 이 프레임에 설치된 센서는 프레임 좌표계와 평행인 3-축 가속도계인 것
    을 특징으로 하는 로봇.
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 센서는 베이스와, 프레임에 각각 설치되는 2-축 가속도계인 것
    을 특징으로 하는 로봇.
  8. 청구항 3에 기재된 로봇을 이용한 1인용 이동체.
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