전방향 이동 메커니즘 기반의 교육용 로봇 플랫폼 개발
Development of Educational Robot Platform Based on Omni-directional Mobile Mechanism
주백석1,, 성영휘2 Baeksuk Chu1, and Young Whee Sung2
1 금오공과대학교 지능기계공학과 (Department of Intelligent Mechanical Engineering, Kumoh National Institute of Technology) 2 금오공과대학교 전자공학부 (School of Electronic Engineering, Kumoh National Institute of Technology)
Corresponding author: [email protected], Tel: +82-54-478-7398 Manuscript received: 2013.8.26 / 2013.10.25
In this paper an omni-directional mobile robot is suggested for educational robot platform.
Comparing to other robots, a mobile robot can be easily designed and manufactured due to its simple geometric structure. Moreover, since it is required to have low DOF motion on planar space, fabrication of control system is also simple. In this research, omni-directional wheels were adopted to remove the non-holonomic characteristic of conventional wheels and facilitate control system design. Firstly, geometric structure of a Mecanum wheel which is a most frequently used omni-directional wheel was demonstrated. Then, the organization of the mobile platform was suggested in aspects of mechanism manufacturing and electronic hardware design. Finally, a methodology of control system development was introduced for educational purpose. Due to an intuitive motion generating ability, simple hardware composition, and convenient control algorithm applicability, the omni-directional mobile robot suggested in this research is expected to be a promising educational platform.
Key Words: Mobile Robot (이동로봇), Omni-directionality (전방향성), Mecanum Wheel (메카넘휠), Educational Platform (교육용 플랫폼)
1. 서론
60년대 초 산업현장에 사용되기 시작한 이래로 로봇은 지속적인 발전을 거듭해왔으며 그 적용 분 야 또한 다양하게 확장되었다. 자동차 등의 제조 업 생산라인에서 반복적이고도 정밀한 작업에 사 용되는 산업용 로봇에서부터 최근 고난이도의 수 술에 사용되는 의료용 최소침습 수술로봇에 이르 기까지 실로 로봇의 발전은 광범위할 뿐만이 아니 라 비약적이라고 할 수 있다. Fig. 1은 여러 분야에 서 사용되고 있는 로봇들 중에서 이 연구에서 특
히 주목하고 있는 이동로봇의 다양한 형태에 관하 여 보여준다.
많은 종류의 적용 분야 중에서 로봇 개발을 위 한 교육용 로봇 또한 중요한 위치를 차지한다. 교 육 현장에서 손쉽게 접근할 수 있는 교육용 로봇 플랫폼을 이용하여 기본적인 원리에 대한 학습과 적용 실습을 수행하는 것은 로봇 교육에 있어서 필수적인 사항이다. 그러나 현재 산업현장에서 사 용되고 있는 대부분의 로봇은 지나치게 고가이거 나 설계 또는 제어가 복잡해서 교육용으로 사용되 기에는 부적합한 면이 있다. 예를 들어 생산라인
에 사용되는 6축 직렬형 로봇의 경우 내부적인 기 구학 및 역기구학 해석이 상당히 복잡하고 이를 기반으로 한 제어시스템 역시 접근하기에는 쉽지 않다. 그래서 실제 교육에서는 최종 사용자(end- user)의 입장에서 간단한 코딩방법 교육만을 수행 하는 실정이다. 또 최근 다수 시장에 출시되고 있 는 인간형 로봇(humanoid robot)도 마찬가지 이유로 교육에 사용하기에는 사전에 요구되는 배경지식의 양이 너무 많은 것이 현실이다.
로봇 교육에 사용될 수 있는 다양한 플랫폼 중 에서 기구적 설계나 제어시스템 구성의 관점에서 비교적 쉽게 접근이 가능한 대상이 이동로봇이다.
하드웨어 및 제어기를 실을 수 있는 단순한 형태 의 바디에 바퀴 연결만으로 기구적 플랫폼 설계가 가능하다. 그리고 평면운동이라는 다소 낮은 차원 의 운동을 수행한다는 점에서 제어기의 설계 또한 비교적 간단하다. 따라서 이 연구에서는 교육용 로봇 플랫폼으로 손쉽게 사용될 수 있는 이동로봇 의 개발을 수행하고자 한다. 교육용 이동로봇 플 랫폼의 개발에 있어 전통적인 형태의 바퀴를 이용 한 이동로봇이 기구설계의 단순화 측면에서는 더 장점이 있다. 그러나 바퀴와 바닥의 접촉 점에서 지면에 수직한 축 방향 회전 슬립(slip)에 의한 비 홀로노믹(non-holonomic) 특성 때문에 3자유도 평 면 공간에서의 모션생성 능력이 제한되어 유연한 구동이 어렵고 제어 또한 복잡해질 수 있다. 이러 한 문제는 기구적 설계뿐만이 아니라 제어시스템 구현에 있어서도 손쉽게 접근할 수 있어야 하는
교육용 로봇 플랫폼의 개발 목적에 반하는 것이라 고 할 수 있다.
그 대안으로서 이 연구에서는 전방향바퀴 (omni-directional wheel)에 기반한 이동로봇 플랫폼 을 제안하고자 한다. 특히 메카넘휠(Mecanum wheel)이라고 불리는 전방향바퀴를 사용하는데 이 바퀴는 구조적인 형태 때문에 순간적으로 모든 방 향으로의 움직임이 가능한 홀로노믹(holonomic) 특 성을 갖는다.1 2차원 평면 공간에서 유연한 전후/좌 우/회전 3자유도 운동이 가능하여 직관적인 조작 을 할 수 있으므로 제어시스템을 단순하게 구현할 수 있다. 반면에 바퀴의 기구적 설계가 다소 복잡 해지지만 기계공학 관련 학부 수준의 설계능력을 가지고 충분히 설계 및 제작이 가능하고 시중에 시판되는 메카넘휠도 다수 있으므로 구매하여 사 용하는 것도 가능하다.
제안된 이동로봇 플랫폼은 제어시스템의 구현 측면에서도 교육용으로 쉽게 접근이 가능하도록 최대한 단순한 형태의 하드웨어(hardware, H/W) 구 성을 사용하였다. 바퀴의 구동을 위해 전압신호에 비례하는 속도로 회전하는 DC 모터와 제어기에서 생성되는 전압을 고출력 전압으로 단순 증폭하는 모터 드라이버를 사용하였다. 제어기와 모터 드라 이버 사이의 인터페이스를 위해 각 2개의 아날로 그 출력 및 아날로그 입력 그리고 8개의 디지털 입출력 채널을 갖는 범용 저가 DAQ장비를 사용하 였다. 제어를 위해서는 노트북 컴퓨터를 사용하였 다. 소프트웨어(software, S/W)로는 내셔널인스트루 먼트사에서 개발한 LabVIEW를 사용하였다. 이 S/W는 직관적인 입출력 인터페이스가 매우 쉽고
‘C’ 등의 텍스트 기반의 프로그램에 비해 초보자 가 접근하기에 용이한 특징을 갖는다. 이와 같이 제어시스템을 구성함으로써 범용 저가 DAQ장비와 노트북 컴퓨터만으로 간단히 이동로봇을 구동할 수 있으므로 손쉬운 교육용 로봇 플랫폼을 개발할 수 있다.
특히 이 연구에서는 사람의 탑승이 가능한 이 동로봇의 개발을 목표로 기구부의 설계 및 제작에 서부터 하드웨어 선정과 소프트웨어를 이용한 프 로그래밍까지의 전 과정을 아우르는 통합시스템 구현을 위한 교육이 수행되었다. 메카넘휠의 구동 원리를 학습하고 이를 3D 설계도구를 이용하여 설 계하고 도면화하여 수치제어 공작기계를 이용하여 제작을 수행하였다. 이동로봇의 성능 사양을 선정 하고 이를 충족시키기 위한 모터의 용량을 결정하 (a) 2 wheeled type
(Thymio II, EPFL)
(b) 4 wheeled type (Hercules, Seeedstudio)
(c) Caterpillar type (Packbot, iRobot)
(d) Omni-directional type (RB-Nex-05, NEXUS) Fig. 1 Various structures of mobile robots
고 모션 구동을 위한 입출력 사양 결정 등 시스템 의 총괄적 설계 교육이 실시되었다. 그리고 그래 픽 기반의 소프트웨어의 교육을 실시하여 이동로 봇 구동을 위한 프로그래밍까지 완료함으로써 이 동로봇이라는 플랫폼을 통하여 독립적 시스템 개 발을 완료할 수 있는 전 방위적 교육의 수행이 가 능하게 된다. 이러한 교육목표의 달성이 가능한 이유는 이동로봇이라는 플랫폼에 직관적 구동을 가능하게 하는 전방향바퀴 그리고 쉬운 접근이 가 능한 그래픽 기반의 소프트웨어가 조합되어 가능 하다.
2. 전방향바퀴 기반의 이동 메커니즘 설계 2.1 이동 플랫폼 및 전방향바퀴
교육용 로봇을 위한 다양한 로봇 플랫폼 중에 서 이 연구에서는 이동로봇을 제안하고 있다. 로 봇의 개발을 기구부 제작 및 제어부 설계의 관점 에서 봤을 때 다른 시스템에 비해 비교적 쉽고 간 단하게 본연의 목적을 달성할 수 있도록 개발할 수 있는 것이 이동로봇이다. 현장에 가장 많이 활 용되고 있는 산업용 로봇과 같은 직렬형 머니퓰레 이터의 경우 우선 기구부 설계가 복잡하여 교육용 으로 사용하기에 적절하지 않다. 관절이 많아 높 은 자유도를 가지는 모션을 안정적으로 구현하도 록 제작하는 것은 더욱 어렵다. 또한 기구적 복잡 성은 제어시스템을 구성하고 제어알고리즘을 구현 하는 것을 매우 어렵게 만든다. 각 관절의 자유도 를 모두 합할 경우 직렬형 머니퓰레이터보다 더 높은 자유도를 갖는 인간형 로봇은 그 복잡도가 더욱 증가한다. 따라서 직렬형 머니퓰레이터나 인 간형 로봇 시스템은 기구부의 설계 및 제작에서부 터 제어시스템의 구성 및 프로그래밍까지의 전체 과정을 교육하기에는 적합하지 않다. 이동로봇은 하드웨어 및 제어기를 실을 수 있는 단순한 형태 의 바디에 바퀴 연결만으로 기구적 플랫폼 설계가 가능하고 평면운동이라는 다소 낮은 차원의 운동 을 수행한다는 점에서 제어시스템의 설계 또한 비 교적 간단하다.
특히 이 연구에서는 전방향바퀴 기반의 이동플 랫폼을 제안한다. 자동차와 같은 조향장치나 차동 구동형(differential drive) 시스템을 갖는 전통적인 형태의 이동 플랫폼은 2차원 평면상에서의 병진 및 회전 등의 3자유도 운동이 가능하지만 각각의 자유도가 독립적으로 제어되지 않는 비홀로노믹
특성을 갖는다.2 예를 들어 조향장치가 있는 차동 구동형 이동플랫폼은 전진 및 후진은 가능하지만 방향전환 없는 즉각적인 횡 방향 이동이 불가능하 다. 그리고 이와 같은 동작을 위해서는 조향장치 를 이용하여 전후진을 반복하는 다소 복잡한 경로 계획과 조작이 필요하다. 이러한 문제는 기구적 설계뿐만이 아니라 제어시스템 구현에 있어서도 손쉽게 접근할 수 있어야 하는 교육용 로봇 플랫 폼의 개발 목적에 반하는 것이라고 할 수 있다.
반면에 이 연구에서 제안하고 있는 전방향바퀴 를 이용할 경우 기존의 전통적인 형태의 바퀴형 이동로봇에서 구현할 수 없었던 다양한 장점들을 확보할 수 있다. 기존의 바퀴형 이동로봇의 경우 좌우로 회전을 할 때 일정 공간을 확보하고 로봇 자체의 방향을 전환하여야만 회전이 가능하였다.
그러나 전방향바퀴를 채용할 경우 로봇 자체의 방 향전환 없이 바퀴의 구조적인 특성에 의해 순간적 으로 좌우이동이 가능하다. 뿐만 아니라 방향전환 도 추가 공간이 전혀 없이 가능하므로 매우 협소 한 공간에서도 자유롭고 유연하게 회전 및 이동을 하면서 원하는 작업위치까지 접근이 가능하다. 그 리고 이러한 환경은 공장 생산시설, 물류창고, 병 원 및 전시공간에서 다수 발견된다. 게다가 다양 하고도 복잡한 작업 환경에서 물품을 유연하게 핸 들링하고 물품과 함께 임의의 방향으로 이동하는 능력은 현대 생산 시스템에서 필수적이다. 즉, 순
(a) Mecanum wheel (NTREX Co.)3
(b) Orthogonal wheel (Rotacaster Wheel Ltd.)4
(c) Spherical wheel (AHMCT, UC Davis)5
(d) Active castor wheel (RMG, MIT)6 Fig. 2 Types of omni-directional wheel
간적으로 모든 방향으로의 움직임이 가능한 홀로 노믹특성 때문에 전방향바퀴는 2차원 평면 공간에 서 유연한 전후/좌우/회전 3자유도 운동이 가능하 여 직관적인 조작을 할 수 있으므로 제어시스템을 단순하게 구현할 수 있다. Fig. 2는 다양한 전방향 바퀴의 종류에 관하여 보여준다. 그리고 이 연구 에서는 다양한 전방향바퀴 중에서 산업용으로 가 장 많이 사용되고 있는 메카넘휠(Fig. 2(a))을 사용 한다.
2.2 메카넘휠 기반의 전방향바퀴 설계
메카넘휠은 구동 토크가 전달되는 중앙의 림휠 (rim wheel)과 그 주변에 림휠 축과 특정 각도를 가 지고 부착된 서브롤러(sub-roller)들로 구성된다(Fig.
3).7 또한 메카넘휠은 바퀴의 회전과 서브롤러의 회전 그리고 지면과의 접촉 점을 통과하는 수직 축에 대한 회전을 포함하는 3자유도로 운동을 한 다. Fig. 3과 같은 림휠과 서브롤러의 구성이 바퀴 가 회전하는 방향의 힘 성분 중 일부를 바퀴 회전 의 수직인 방향 성분으로 변환하여 각각의 메카넘 휠은 이 두 방향의 합력이 향하는 방향으로 움직 인다. 그리고 독립적으로 구동되는 네 바퀴의 힘 성분들이 조합되어 생성된 최종적인 힘 벡터의 방 향으로 로봇이 이동한다. 따라서 메카넘휠을 장착 한 이동로봇은 비홀로노믹 특성이 없는 전방향성 (omni-directionality)을 획득하게 되고, 본체의 회전 이나 추가적인 공간 없이 평면상의 모든 방향으로 즉각적인 이동이 가능하다. 이 특성은 이동 로봇 이 유연한 전후/좌우/회전 3자유도 운동이 가능하 게 하여 직관적인 제어알고리즘 설계를 구현하도 록 돕는다.
메카넘휠 주변의 서브롤러가 지면과 연속적으 로 접촉하여 바퀴가 지면에서 부드럽게 회전하기 위하여 바퀴의 축 방향에서 본 외형은 Fig. 3(c)와 같이 완벽한 원을 이루어야 한다. Fig. 3(d)는 메카 넘휠을 측면에서 본 그림인데 x 축과 x′ 축은 각각 림휠의 축 방향과 서브롤러의 축 방향을 나타낸다.
중심부의 림휠에 특정한 각도(이 연구에서는45 ) 로 서브롤러가 부착되어 있다. 메카넘휠의 설계를 위해서는 림휠과 서브롤러 사이의 특수한 기하학 적인 관계가 만족되어야 한다. Fig. 4에서 확인할 수 있듯이 메카넘휠의 축 방향 외형이 완벽한 원 이 되기 위해서 서브롤러의 측면 형상은 타원이 되어야 한다. 이 그림에서 림휠의 축과 서브롤러 축 사이의 각도가 θ 이고 바퀴의 반지름이 R 일
경우, 타원의 단축의 길이는 R 이 되고 장축의 길 이는 단축의 1/sinθ 배가 된다. 따라서 서브롤러의 외곽형상은 다음 식(1)과 같이 x′ 이 장축, Fig. 3(d) 의 z 축이 단축이 되는 타원 식을 따른다.8
2 2
2 2 1
( /sin )
x z
R θ R
′ + = (1)
Fig. 5는 서브롤러의 외곽형상을 타원과 함께 (a) Assembled view (b) Exploded view
(c) Axial view (d) Lateral view Fig. 3 3-dimensional design of the Mecanum wheel
Fig. 4 Ecliptic lateral shape of the sub-rollers
( ) max r x′
r
L h
x′
z
Fig. 5 Geometry of the sub-rollers
표현한 것이고 이 때 서브롤러의 크기는 다음 식 (2)에 의해 표현된다.
r x( )′ = R x− ′2sin2θ− (2) h 이 때 r x′( ), R,θ, L h 는 각각 서브롤러의 반,
지름, 바퀴의 외곽 반지름, 림휠과 서브롤러 사이 의 각도, 서브롤러의 길이, 림휠 축과 서브롤러 축 사이의 거리이다.
한편, 메카넘휠의 축 방향 외형이 지면과의 접 촉에서 불연속이 없는 완벽한 원을 이루기 위해서 는 서브롤러의 최소 개수가 정해져야 한다.9 바퀴 당 롤러의 수는 각 롤러의 회전축 방향 길이에 따 라 결정되는데, 서브롤러의 회전축이 림휠의 중심 축에 가까울수록 롤러의 길이가 길어진다. 바퀴의 반지름이 R 이고 롤러의 중심부 외경이 r 일 때, max Fig. 6에서 롤러의 최소 개수는 n=2 /π ψ 로 계산 되고, 서브롤러의 길이, L 은 다음 식(3)과 같이 계 산된다. 이 연구에서 설계된 메카넘휠의 경우
/ 4
ψ π= 이므로 롤러의 개수는 ‘8’이 된다.
2 ( max) tan( / 2) sin
L R r ψ
θ
⋅ − ⋅
= (3)
3. 이동로봇 플랫폼 구성
3.1 이동로봇 플랫폼 기구부 설계
Fig. 7은 이 연구에서 개발된 교육용 이동로봇 플랫폼의 3D 설계도이다. 이 연구에서는 교육용 목적에 맞는 단순한 설계를 위하여 기존의 전통적 인 이동로봇의 형상을 따라 4개의 모서리에 바퀴
가 위치한 사각형 형태로 설계하였다. 보는 바와 같이 하드웨어 및 제어기를 실을 수 있는 단순한 형태의 바디에 바퀴 연결만으로 기구적 플랫폼 설 계가 가능한 것을 확인할 수 있다. 본체 제작을 위한 재료로 시중에서 쉽게 구매가 가능하고 단순 볼트 결합으로 조립이 가능하면서도 가볍고 강성 이 우수한 알루미늄 프로파일을 사용하였다. 이 이동 플랫폼은 중간에 운전자가 탑승하여 조종할 수 있도록 의자 및 조종관을 설치하였으나, 조종 관을 외부에 두었을 경우에는 원격제어 또한 가능 하다. 로봇 전방 또는 후방에 적외선 센서를 설치 하여 특정 거리 이내에 장애물이 접근하였을 때 경보 및 정지 기능을 수행할 수 있도록 하였다.
Fig. 8은 개발된 교육용 이동로봇 플랫폼의 실제 제작된 결과물이다.
3.2 이동로봇 플랫폼 제어시스템 회로 구성 Fig. 9는 개발된 이동로봇 플랫폼의 전체적인 제어시스템 회로 구성도이다. 교육용으로 쉽게 접 근이 가능하도록 최대한 단순한 형태의 하드웨어 (hardware, H/W) 구성을 사용하였다. 관련 소프트웨 rmax
R ψ
Fig. 6 Roller size parameters
Fig. 7 3-dimensional design of the mobile platform body
Fig. 8 Actual prototype of the mobile platform
어 및 하드웨어 드라이버가 설치된 노트북 PC가 제어기 역할을 한다. 제어기로부터 생성된 신호를 구동부에 전달해주고 외부 센서로부터 획득된 신
호를 PC에 전달해주기 위해 교육용 저가형 DAQ 장비가 활용되었다. 이 사이의 통신은 USB케이블 을 통해 간단히 구현된다.
Table 1은 제어시스템을 구현하는 구성요소들의 사양을 정리한 것이다. 본 연구의 내용이 교육용 플랫폼에 대한 제시이므로 각 부품의 가격 또한 제공하였다. 이동로봇을 구동하기 위한 신호를 생 성하는 조작장치로 조이스틱(WJ-100, WonWoo)이 사용된다. 조이스틱에 5V의 DC전압을 인가하면 꺾인 각도에 비례하는 전압이 생성된다. 총 3개의 축을 가지고 있어서 이동로봇의 전후진, 좌우이동, 회전을 명령할 수 있다. 조이스틱에서 생성된 전 압신호는 제어시스템 DAQ 장비의 아날로그 입력 단자에 연결된다. 이동로봇의 외부환경에 대한 정 보는 본체의 후방에 장착된 적외선센서(HD- SEN0019, 한진데이타)에 의해 전달된다. 5V의 DC 전압으로 작동하는 이 센서는 측정범위 3~80cm 이내에 장애물이 감지될 경우 일정량의 DC 전압 을 생성한다. 이 신호는 DAQ 장비의 디지털 입력 단자에 연결되어 노트북 PC에서 경보신호 생성 또 는 이동로봇의 정지와 같은 작업을 프로그래밍하 는 용도 등으로 사용된다.
이동로봇의 바퀴 구동을 위해서는 가장 간단한 형태의 엑추에이터인 DC 모터(76ZY24, LINIX)가 사용된다. 모터 선정을 위해 이동로봇의 속도 및 가속도 성능을 각각 0.3m/s와 0.1m/s2으로 선정하 였다. 이 사양을 충족하기 위하여 필요한 바퀴축 의 토크를 계산하고 이를 기어비와 함께 고려하여 모터의 동력을 계산한다. 이 연구에서는 30W의 용 량과 50rpm의 정격속도를 가지며 1:26의 비를 갖 는 모터가 기어박스와 연결되어 바퀴를 회전시킨 다. 입력된 전압신호에 비례하는 속도로 바퀴를 회전시키므로 아날로그 전압을 출력시키기 위한 간단한 프로그래밍으로 구동이 가능하다. 제어기 에서 생성된 아날로그 전압 속도신호를 증폭시켜 모터에 전달하기 위한 모터드라이버로는 NT-M- DCDM2410 ((주)엔티렉스)를 사용하였다. 이 장비 는 15V에서 36V 범위의 입력전압을 허용하며 최 대 연속전류 10A로 2채널의 아날로그 전압을 증폭 할 수 있어서 총 2기를 사용하여 4개의 바퀴를 구 동하였다.
제어기로 사용되는 노트북 PC와 위에 언급된 입출력 장비의 신호를 연결하는 인터페이스로 교 육용 저가 장비인 National Instrument사의 myDAQ 이 사용되었다. 이 장비는 총 2개의 아날로그 입 θ
Fig. 9 Electronic hardware design of the mobile robot control system
Table 1 Hardware specifications Devices Properties
DAQ Device (myDAQ,
National Instrument)
16 Bits AI 2 Ch -10V ~ +10V 16 Bits AO 2 Ch -10V ~ +10V
DIO 8 Ch DI 5V, DO 3.3V Communication USB 2.0
Price \261,000 (Univ. DC) Joystick
(WJ-100, WonWoo)
Supply Voltage 5V DC Output Voltage 2.5 ± 2V
Price \65,000 Infrared Sensor
(HD-SEN0019, Hanjin Data)
Supply Voltage 5V DC Measurement Range 3~80cm
Price \9,000
DC Motor (76ZY12, LINIX)
Rated Voltage 12V Rated Speed 134rpm Rated Power 200W Reduction Ratio 1:26
Price \105,000 Motor Driver
(NT-M- DCDM2410,
NTREX)
Input Voltage Range 15~36V Peak Current 50A Continuous Current 10A
Price \160,000
력채널과 2개의 아날로그 출력채널을 가지고 있으 며 총 8개의 디지털 입출력 채널을 포함한다. 개 발한 교육용 이동로봇 플랫폼은 4개의 바퀴로 구 동되므로 총 4개의 아날로그 출력채널이 필요하고 3개의 축을 갖는 조이스틱을 사용하므로 3개의 아 날로그 입력채널이 필요하다. 따라서 myDAQ 2대 를 이용하여 인터페이스를 수행하였다. 이 장비와 입출력 장비와의 배선은 간단한 핀 연결로 가능하 고 제어기와는 USB 케이블로 편리하게 통신이 수 행된다(Fig. 10). 게다가 myDAQ와 프로그래밍에 사 용되는 LabVIEW는 동일한 업체에서 개발되어 프 로그램 상에서 매우 편리하게 호환이 가능하다.
이와 같이 제어시스템을 구성함으로써 범용 저가 DAQ 장비와 노트북 컴퓨터만으로 간단히 이동로 봇을 구동할 수 있으므로 손쉬운 교육용 로봇 플 랫폼을 개발할 수 있다.
4. 이동로봇 제어알고리즘
4.1 User Interface 및 소프트웨어 프로그래밍 이 연구에서 제안한 교육용 이동로봇 플랫폼의 제어알고리즘을 구현하기 위한 소프트웨어로 National Instrument사의 LabVIEW를 사용하였다.
LabVIEW는 그래픽 기반의 범용 프로그래밍 언어 로 제어 및 계측 분야에서 주로 사용되고 있다.
이 언어는 기존의 ‘C’, ‘BASIC’ 등과 같은 텍스트 기반의 언어와는 달리 블록다이어그램의 형식을 프로그래밍에 접목한 그래픽 기반의 언어이다. 텍
스트 기반의 프로그래밍 언어로 구현할 수 있는 거의 모든 작업을 동일하게 구현할 수 있다. 다양 한 아이콘들을 선택하여 이들을 연결하는 방식으 로 프로그래밍이 진행되므로 매우 직관적인 작업 이 가능하다. 따라서 초보 프로그래머가 프로그래 밍을 수행할 때 쉽게 접근할 수가 있어 교육용으 로 적절한 언어이다. 특히 제어 및 계측 관련 프 로그래밍 작업에서 하드웨어와의 입출력 인터페이 스가 간단한 설정만으로 가능하여 그 용이성을 더 해준다.
Fig. 11은 개발된 교육용 이동로봇의 구동에 사 용된 LabVIEW 프로그램을 보여준다. Fig. 11(a)는 이동로봇을 운용하는 사람이 보는 UI(user interface) 를 PC 모니터 상에 구현한 것이다. 4개의 모터 구 Fig. 10 NI myDAQ I/O connections
(a) Front panel
(b) Block diagram Fig. 11 LabVIEW program
동 신호와 조작자가 입력하는 조이스틱 신호 그리 고 적외선 센서에 의해 탐지된 장애물 정보를 보 여주고 있다. 그 밖에 이동로봇을 운용하는데 필 요한 다양한 정보를 모니터링 하도록 구성될 수 있다. Fig. 11(b)는 그래픽 기반의 프로그램 부분으 로 블록다어그램과 같은 형태를 가지며 직관적인 이해가 가능하도록 코딩이 가능하다. 이 프로그램 에서는 조작자가 평면상에서 전후/좌우/회전의 3자 유도 운동을 하는 이동로봇을 조이스틱으로 조작 하는 반자동 시스템을 구현하기 위해 개루프 속도 제어(open-loop velocity control) 기법이 사용되었다.
3개의 축을 갖는 조이스틱을 기울이거나(전후/좌우 이동) 회전시켜서(회전이동) 발생하는 방향별 전압 신호를 기울어진 각도에 비례하는 속도신호로 변 환하여 4개의 바퀴에 전달한다. 이러한 방법을 통 해 각 축의 방향 및 기울기가 이동로봇의 이동 방 향 및 속도와 정확히 대응하는 직관적인 제어가 가능하게 된다. Fig. 12는 3개의 축으로부터 입력받 은 조이스틱 신호를 4개의 바퀴의 회전속도로 변 환하는 프로그램 부분이다. 입출력 신호의 흐름이 간명하게 파악되는 직관적인 형태로 구성되어있다.
4.2 실증 실험결과
이동로봇의 구조적인 특징 중의 하나가 바퀴와 지면과의 마찰 및 슬립(slip)현상이다. 이 현상은 필연적으로 이동로봇의 위치정밀도를 저해하는 요 인으로 작용한다. 따라서 상당수의 이동로봇의 경 우 높은 위치정밀도를 요구하지 않는 곳에서 사용 자가 조종장치를 유연하게 조작하여 원하는 이동 목적을 달성하는 경우가 많다. 필요에 따라 비교 적 높은 위치정밀도가 필요한 경우에는 비전 등의
외부 센서를 이용하여 이를 충족시키게 된다. 이 연구에는 교육 범위 상 외부 충돌로부터의 안전을 도모하기 위한 적외선센서만이 사용되며 높은 위 치정밀도는 요구하지 않도록 시스템이 제작되었다.
따라서 구현된 시스템의 성능 검증을 위해서는 초 기 사양인 이동속도 및 가속도 그리고 전방향성 측정이 수행되었다. 측정은 이동로봇에 정밀한 초 음파센서(PID616110, SensComp)를 부착하여 위치정 보를 파악한 후 이를 통하여 획득하였으며, 전방 향성은 위치정보 기반으로 각도를 추정하였다. 그 결과는 Table 2에 제시되었으며 초기 전방향 이동 로봇의 설계목적에 충분히 부합하는 결과를 획득 한 것으로 판단된다.
5. 결론
이 연구에서는 쉽고 직관적인 모션을 생성할 수 있는 교육용 이동로봇 플랫폼을 제공하고자 하 였다. 이동로봇은 기구적 설계나 제어시스템 구성 의 관점에서 비교적 쉽게 접근이 가능하다. 하드 웨어 및 제어기를 실을 수 있는 단순한 형태의 바 디에 바퀴 연결만으로 기구적 플랫폼 설계가 가능 하고, 평면운동이라는 다소 낮은 차원의 운동을 수행한다는 점에서 제어기의 설계 또한 비교적 간 단하다. 이 연구에서는 평면상에서 쉬운 제어알고 리즘 구현이 가능하도록 3자유도 공간에서 직관적 인 모션 생성능력을 갖는 전방향바퀴를 채용하였 다. 특히 다양한 전방향바퀴 중에서 메카넘휠을 선정하고 설계 방법을 소개하였다. 이동로봇의 기 구적 플랫폼으로는 전통적인 사각형 형태를 적용 하고 설계도 및 실제 제작한 결과를 제시하였다.
그리고 제어시스템은 교육용으로 쉽게 접근이 가 능하도록 최대한 단순한 형태의 하드웨어 구성을 사용하였다. 제어시스템을 구현하기 위한 프로그 램으로 초보자도 쉽게 접근이 가능한 그래픽 기반 의 언어인 LabVIEW를 활용하여 직관적이고 단순 한 프로그래밍을 수행하였다. 전방향 이동로봇의 직관적인 모션 생성능력과 단순한 형태의 하드웨 어 구성 그리고 다양한 제어기법의 손쉬운 적용 가능성 때문에 이 연구에서 제안되는 이동로봇이 Fig. 12 Sub-program for velocity generation
Table 2 Mobile experiments
Max. Vel. Max Acc. Omni-directionality 0.32m/sec 0.15m/s2 -15o ~ +15o
유용한 교육용 플랫폼이 될 수 있을 것으로 기대 한다.
후 기
이 논문은 2012년도 정부(교육과학기술부)의 재원으로 경북과학기술진흥센터의 지원을 받아 수 행된 연구임(GBSP-002-111228-002).
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