김상태, 권상주 정하면역진자로봇은양쪽바퀴의구동입력으로 3 자유도 운동을구현하는부족구동시스템 (undeactuated system) 에해 당된다. Fig. 1 은이륜역진자로봇의프로토타입을나타내며 Table 1 은각설계파라미터에대한설명이다. 각강체의운동은임의의일반좌표를설정

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명국 임
6 years ago
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1 Jounal of Institute of Contol, Robotics and Systems (xx) xx (xx): xxx-xxx DOI:1.53/J.ICROS. xx.xx.xx.xxx ISSN: 이륜역진자로봇의제어시스템개발을위한설계고려사항 Design Consideations fo Developing a Two-Wheeled Inveted endulum Robot Contol System 김상태, 권상주 * (Sangtae Kim 1 and SangJoo Kwon 1,* ) 1 Koea Aeospace Univesity Abstact: This pape is puposed to suggest some pactical design consideations to build a two-wheeled inveted pendulum (TWI) obot contol system. The fist issue is to identify the elationship between the pimay paametes of the TWI obot and the guaanteed stability of the time-delayed contol loop. Secondly, the equied data update ate and the equied senso and actuato pefomance ae given fo implementing a eal-time digital contol system. The final issue is concened with impoving diving pefomance by investigating the eliability of the inetial senso fo attitude contol and the backlash poblem in the tansmission mechanism. Keywods: mobile inveted pendulum, pesonal mobility, Segway, system integation. I. 서론 양바퀴의움직임으로직진과선회동작을구현하는이륜 역진자로봇은구조적인단순성과높은에너지및공간효율 성을갖는도심형운송수단으로서 Fig. 1 과같이주로개인 용주행기기의모바일플랫폼으로응용되었다 [1-3]. 이륜역 진자로봇에관한연구의범위는크게하드웨어설계및시 스템인티그레이션 [4], 동역학모델링및동특성분석 [5], 폐 루프제어시스템설계 [6] 등으로구분된다. 역진자로봇의제 어기법과관련하여모델기반비선형제어기설계 [7, 8], 임 무수행을내비게이션기법 [9], 센서의신뢰성향상기법 [1] 등에관한연구가수행되었다. 또한역진자로봇설계와관 련해서는무게중심이동이가능한플랫폼 [11], 휴머노이드타 입의밸런싱로봇 [1], 조향부없는밸런싱플랫폼 [13], 전방 향주행이가능한외바퀴로봇 [14] 등다양한플랫폼개발이 진행되어왔다. 그동안이륜역진자로봇에대한연구는주로하드웨어 프로토타입개발을중심으로이루어졌으나로봇파라미터 결정이나설계방법론에관한구체적인내용을다룬문헌들 은사실상찾기어렵다. 사실로봇의기구부와제어부설계 와관련된파라미터값들은해석적인근거보다는시행착오 적인과정으로결정되었다고할수있다. 이러한설계관련 정보의부재는역진자로봇이나이에기반한개인주행기기 설계입문자들에게큰장벽이될수있다. 따라서본논문에서는제어가능한역진자로봇개발을위 하여요구되는주요파라미터에대한요구조건및구성하 드웨어에대한성능조건을제시한다. 이륜역진자로봇은 * 책임저자 (Coesponding Autho) 논문접수 : , 수정 : xx. xx. xx., 채택확정 : xx. xx. xx. 김상태, 권상주 : 한국항공대학교항공우주및기계공학부 (kimonkey@kau.ac.k, sjkwon@kau.ac.k) 본연구는 ********** 에의하여연구되었음. 매우강한비선형성을갖는불안정시스템이기때문에로봇 파라미터와제어시스템을구성하는하드웨어들의성능요 구조건은상호종속적이다. 본논문은자세안정성, 실시간 제어, 주행성능의세가지측면에서역진자로봇의제어시 스템을구현하기위하여현실적으로고려해야할사항들을 다룬다. 이를통하여개발에따른시행착오를줄이는것이 본논문의목적이라고할수있다. 먼저 절에서는역진자로봇의운동모델과자세제어루 프의설계및해석을위한전달함수를구한다. 3 절에서는자 세제어시스템에서발생하는시간지연과안정성과의관계를 분석함으로써주요로봇파라미터에대한제한조건을결정 한다. 4 절에서는실시간제어시스템을구현하기위해요구 되는프로세서, 센서및휠구동기의성능조건을다룬다. 5 절에서는자세센서의드리프트및동력전달장치의백래쉬 문제를통한주행성능의신뢰성문제를언급한다. (a) Segway [1] (b) EN-V [] (c) Ninebot [3] 그림 1. 이륜역진자개인용주행기기의예. Fig. 1. Two-wheeled inveted pendulum pesonal tanspotes. II. 운동모델 이륜역진자로봇의제어시스템에대한요구조건을정량 적으로분석하기위해서는먼저운동모델에대한이해가필 요하다. 이륜역진자로봇은두개의바퀴에하나의역진자 바디가연결되어세개의강체로구성된시스템으로모델링 할수있다. 양쪽바퀴가항상지면에부착되어있다고가 Copyight(C) ICROS 1

김상태, 권상주 정하면역진자로봇은양쪽바퀴의구동입력으로 3 자유도 운동을구현하는부족구동시스템 (undeactuated system) 에해 당된다. Fig. 1 은이륜역진자로봇의프로토타입을나타내며 Table 1 은각설계파라미터에대한설명이다.

J m m x m l T T L R W s c ml c x I ml I3 I1 ml s c m gl s T T L R I K m d Jd / ( I I m l )s 3 W 3 1 1 3 d s I I c ml x l c ( TR TL ) (3) whee sin s,cos c (1) () 점에대한선형화과정을거친후에, 피치운동및직진운

자세제어시스템의안정성을위한고려사항 3.1 제어루프의시간지연 이륜역진자로봇은근원적인불안정시스템이기때문에 제어루프에서발생하는시간지연은피드백제어시스템의 안정성을결정하는가장중요한변수중의하나이다. Fig. 는 역진자로봇의종방향운동제어시스템에대한블록선도이 다.

2 김상태, 권상주 정하면역진자로봇은양쪽바퀴의구동입력으로 3 자유도 운동을구현하는부족구동시스템 (undeactuated system) 에해 당된다. Fig. 1 은이륜역진자로봇의프로토타입을나타내며 Table 1 은각설계파라미터에대한설명이다. 각강체의운동은임의의일반좌표를설정하여다양하게 표현될수있으나일반좌표들사이의홀로노믹구속조건과 바퀴와지면사이의슬립이없다는비홀로노믹구속조건을 적용하면최종적으로다음과같이직진 ( x ), 피치 ( ), 요 ( ) 운동에관한비선형연립미분방정식을유도할수있다 [15]. J m m x m l T T L R W s c ml c x I ml I3 I1 ml s c m gl s T T L R I K m d Jd / ( I I m l )s 3 W d s I I c ml x l c ( TR TL ) (3) whee sin s,cos c (1) () 점에대한선형화과정을거친후에, 피치운동및직진운 동에대한전달함수를구하면다음과같이이륜역진자로봇 은근원적으로불안정한시스템임을확인할수있다. s s a T T s s a X s at1 a 1aT x s T s s s s a ml g m mw J / a1, a mgl, V V 1 I ml at1 ml, V 1 ml at m mw J / V L / V m l m m J I m l T T T W R III. 자세제어시스템의안정성을위한고려사항 3.1 제어루프의시간지연 이륜역진자로봇은근원적인불안정시스템이기때문에 제어루프에서발생하는시간지연은피드백제어시스템의 안정성을결정하는가장중요한변수중의하나이다. Fig. 는 역진자로봇의종방향운동제어시스템에대한블록선도이 다. 수, () x s K () s 와 () s, (4) (5) 는각각직진및피치운동에대한전달함 은제어기, H () s 은센서의전달함수이다. 이때 제어루프의시간지연은주제어기와좌우바퀴의모터드라 이브사이에서제어명령과센서출력데이터를전달하는데 이터통신과정에서주로발생한다. 제어기와센서의전달함 수에첨가된지수함수들은하드웨어에서발생하는시간지연 효과를나타낸다. 그림 1. 이륜역진자로봇프로토타입. Fig. 1. A pototype of TWI obot. 표 1. 이륜역진자로봇의설계파라미터 Table 1. Design paametes of two-wheeled mobile obot. Symbol Definition Specification m Mass of the pendulum body 4 kg m W Mass of each wheel kg l Length of pendulum.135 m Radius of wheels 8 in d Distance between two wheels.6 m I 1, I, I 3 MOI of the pendulum body 1.9,.1, 1.6 kg m K, J MOI of each wheel.4,. kg m 위식에서피치안정성과직접적으로연관된종방향 (longitudinal) 운동, 즉직진과피치운동만을고려한다. 평형 그림. 이륜역진자로봇의피치제어루프. Fig.. itch contol loop of a TWI obot. 한편, 주제어기에해당하는호스트컴퓨터와모터드라이 브의통신은 RS-3 또는 CAN 통신방식이일반적이다. Fig. 3 은주어진실험환경에서주제어기에서제어명령을내보 내고모터의엔코더데이터를받기까지한주기동안발생하 는시간지연을각통신방식에따라비교한것이다. 컴퓨터 와의 CAN 통신을위해서는보통 US 또는 CI 인터페이스

3 이륜역진자로봇의제어시스템개발을위한설계고려사항 3 를위한데이터변환장치가필요한데 Fig. 1 의로봇에서는 IXXAT 사의 US-to-CAN 컨버터와 CAN-I/CIe 제품을 사용하였다. 통신에소요되는시간을측정하기위하여 Windows AI 함수 QueyefomanceCounte 를이용하였다. 결과 적으로 RS-3 통신보다 CAN 통신이빠르고안정적이며 US 보다는 CI 인터페이스가속도측면에서유리하다는 것을확인할수있다. 역진자로봇의제어를위해서는바퀴회전수측정을위한 엔코더와자세측정을위한관성센서로서 ARS(Attitude Refeence System) 가사용된다. ARS 는자이로센서의드리프트 현상을보상하기위해가속도센서가결합된통합센서모듈 이다. 정확한요상태값을출력하기위해서는지자기센서 가통합된 AHRS(Attitude and Heading Refeence System) 가사용 되지만, 역진자로봇과같이자세의전환속도가빠른시스 템에서는데이터를보정하는과정에서오히려오차가더커 질수도있다. 한편, ARS 에서발생하는시간지연은센서의 갱신속도 (update ate) 와거의같다고할수있다. 참고로 Fig. 1(Table 1) 역진자로봇에서는피치밸런싱자세제어를위해 갱신속도 1 msec(1 Hz) 급의저가형 ARS 를사용하였다. 이보다높은성능의관성센서는비용이기하급수적으로증 가한다. msec Mean Delay time by communcation methods RS-3 CAN (US) CAN (CI) 그림 3. 통신방식에따른제어루프의시간지연비교 ( 데이터 STD 샘플 1 개의평균및표준편차 ). Fig. 3.Time delays accoding to communication potocols. 3. 역진자로봇파라미터와시간지연의관계 본절에서는제어기와센서에의해피드백루프에서발생 하는시간지연이폐루프시스템의안정성에미치는영향을 분석한다. 일반적으로시간지연이큰시스템일수록적분제어 를제외한 D 제어기를적용하는것이안정성측면에서유 리하다. Fig. 에서 D 제어기를적용하고센서의동역학에서 시간지연효과만을고려하면외란입력에대한피치제어루 프의전달함수는다음과같다. s () s d s 1 ( s) K ( s) H ( s),,,, K ( s) K( s)exp t s ( k k s)exp t s d m D d m H ( s) H ( s)exp t s exp t s d s d s (6) 위에서지수함수에대한 adé 근사식을적용하면, ( s) K ( s) H ( s) ( s) K( s) H ( s)exp t s d tds k ( s) K( s) H ( s), ( k 1,, ) tds k t t t d d, m d, s 직관적인분석을위해위식에서 1 차항만을고려하면시 간지연효과를포함한폐루프시스템의전달함수를다음과 같이 3 차시스템으로근사할수있다. s a t s a d s a s a s a s a T d T a a a k, a a t k, a t, T p T d d 3 d a a t a t k a k 1 d T d p T d 위폐루프전달함수에대하여 Routh 안정성판별법을적용 한다. 결국피치자세제어시스템이안정하기위해서는제어 기게인과시간지연이다음식과같은조건을만족해야한다. k m m J / a m m J m l a W T W / / c c 4c c a k 1 3 td1<, td c1 T D T D T, 4 T D c a k a k a c a k 1 3 c a k a a k a a k T T D T k D a t T d k (7) (8) (9) (1) 먼저피치제어루프는 D 게인이음의값을가질때안정 하게되는데, 이것은 (4) 또는 (8) 식에서피치전달함수의분 자가음수를나타내기때문이다. (9) 식에서 게인에대한안 정성조건은시간지연과는무관하다는것을알수있다. 게 인식에서공통부분을제외하면대략 k / m l 이므로 게인의한계값은바퀴반지름에비례하여증가하고차체의 질량및역진자길이에는반비례한다. 따라서역진자로봇 타입의개인주행기기에사람이탑승하면역진자길이와무 게가크게증가하므로 게인을지나치게큰값으로설정하 면자세제어안정성이감소한다. 또한 D 게인및시간지연 한계는로봇파라미터와제어기게인의조합으로결정된다. 허용시간지연은 (1) 에서 t d1, t d 두식으로주어지며, 둘 중더낮은값이시스템의안정성을결정한다. 예를들어 Fig. 1(Table 1) 의로봇에서차체무게를고정시켰 을때, 역진자길이와바퀴반지름변화에따른허용시간지 연은 Fig. 4 와같이변화된다. Fig. 4(a) 에서역진자길이에따 른허용시간지연은대략 1 msec 수준임을알수있으 며특정진자길이에서최소값을나타낸다. 따라서제어시 스템에서시간지연이크게발생하는경우에는역진자의길 이는아주짧거나또는아주길게결정하는것이피치안정 성측면에서유리하다고할수있다. 또한 Fig. 4(b) 는고정된 역진자길이에대하여바퀴의반지름이클수록허용시간지 연시간이증가하는것을나타낸다. 그러나바퀴사이즈가커

4 4 김상태, 권상주 질수록전달되는구동력이감소하기때문에자세제어성능 을위해서는휠구동기의필요등속토크및가속토크를함 께고려하여바퀴의크기를결정해야한다. 한편, Fig. 1(Table 1) 로봇의피드백루프에서발생하는총 시간지연은측정결과 t t t d d,m d, s = = 11.8 msec 로서 Fig. 4 에나타난허용한계를충분히만족한다. Fig. 5 는설정 된시간지연값에대한피치제어루프의임펄스응답을나타 낸다. 대략허용시간지연근처인 1 msec 부터진동이크게 증가하므로예측된결과와일치한다. 역진자로봇의주요파 라미터값들이주어졌을때예상시간지연에대한제어루프 의안정성해석은역진자로봇의형상설계및제어시스템 개발을위해매우유용한정보를제공한다. Allowable delay by pendulum length.5 t d t d l(m) (a) 역진자길이변화 Allowable delay by wheel adius t d1 t d (m) (b) 바퀴반지름변화 ( 바퀴 =.5 m) ( 역진자 l =.3 m) 그림 4. 역진자길이와바퀴반지름변화에대한피치제어 루프의허용시간지연 ( k 1, k 15 ). Fig. 4. Allowable time delays accoding to the vaiation of pendulum length and wheel adius. D 는역진자로봇의실시간제어를위하여요구되는디지털프 로세서의데이터갱신속도와센서및구동기의요구성능을 산출한다. Shannon 의샘플링이론을따르면프로세서의샘플링속도, 즉센서와제어기의데이터갱신속도를시스템대역폭의 배이상이되도록설정해야한다 [16]. Fig. 1 로봇의경우, 피 치전달함수의대역폭이대략 링속도는 b = 1.66 Hz 이므로요구샘플 s = Hz 이상이다. 따라서안정적인제어시 스템을구현하기위해서는제어용프로세서의데이터갱신 주기를약 3 msec 의임계값보다는빠르게설정해야한다. 일반적으로제어기프로세서의데이터갱신속도는자세센 서의샘플링속도보다훨씬빠르기때문에전체제어루프의 데이터갱신속도는센서의성능에의해결정된다. Fig. 6 는 Fig. 1(Table 1) 로봇에대한자세제어실험결과로서, 샘플링 주기가임계값이하일때는자세를안정적으로유지하지만 그이상에서는제어불가능하여응답이발산하는것을확인 할수있다. deg ef. pitch ms 6ms pitch pitch t d = 1ms t d = 5ms t d = 1ms 그림 6 데이터샘플링주기에따른피치제어성능실험결과. Fig. 6. itch contol pefomance accoding to data sampling peiods. deg 그림 5. 시간지연변화에따른피치각임펄스응답의변화. Fig. 5. Vaiation of Impulse esponses fo diffeent time delays. 4.1 데이터갱신속도 IV. 실시간제어를위한고려사항 앞절에서는역진자로봇에대한연속시간전달함수모델 에대하여시간지연이폐루프시스템의안정성에미치는영 향을로봇파라미터의함수로분석하였다. 반면에본절에서 4. 센서및구동기의요구성능 역진자로봇의안정성과주행성능은자세센서및휠구 동기의성능에지배를받는다. 먼저주어진성능스펙을만 족하기위해휠구동기에요구되는등속토크 ( T m ) 및가속 토크 ( T a ) 는각각다음식으로결정된다 [17, 18]. m m g I W load Tm, Ta Tm Vmax gta whee I 여기서 load m mw g (11) Vmax 는로봇의최대속도, Iload 는부하관성모멘트, 는노면마찰계수, ta 는최대속도에도달하기위한가속 시간이다. Fig. 1(Table 1) 로봇에서휠구동기용량결정을위 한요구조건은 Table 와같다. 요구토크를계산할때는모 터에장착되는감속기어의효율을고려하여 1.~1.5 의안전

5 이륜역진자로봇의제어시스템개발을위한설계고려사항 5 계수를곱한다. 앞절에서는바퀴반지름이증가하면허용 시간지연이증가하여자세제어안정성측면에서는유리하였 지만, (11) 식에서는부하관성모멘트가증가하여그만큼높은 등속토크및가속토크를요구하기때문에제어성능측면에 서는불리해진다. 역진자로봇의자세제어를위한 ARS 센서의성능스펙은 정적 / 동적정밀도 (accuacy), 출력범위, 분해능 (esolution), 노 이즈레벨, 갱신률등으로주어진다. 갱신률 (update ate) 은대 역폭 (bandwidth) 과같이 Hz 단위로표기하기때문에혼동을 주는경우가많다. 갱신률은자세각데이터가산출되는주기 이며대역폭은로봇의자세변화를감지할수있는센서의 주파수영역을의미한다. 상용 ARS 센서들은이륜역진자 로봇의피드백제어를위해충분한대역폭을제공하므로갱 신률을기준으로센서를선정하는것이타당하다. 일반적으 로 1 Hz(1 msec) 정도의센서데이터갱신률은이륜형주 행기기의자세제어를위해충분한값이라고할수있다. 그 러나급출발또는급선회와같이기동성을강조하는주행로 봇을개발하기위해서는보다높은갱신률이요구된다. 표. 휠구동기용량결정을위한요구조건. Table. Design paametes fo wheel motos. Symbol Definition Spec (Fig. 1) V max Maximum velocity.8 m/s μ Coefficient of fiction.1 t a Acceleation time 1 sec V. 주행성능의신뢰성을위한고려사항 5.1 자세센서의드리프트보상 역진자로봇의주행성능은피드백센서의신뢰성에크게 의존한다. 일반적으로사용되는 MEMS 자이로는 3 축방향의 각속도를감지하고이를적분하여자세각을산출한다. 이때 시간에따라누적되는적분오차에의해발생하는드리프트 값을보정하는방법이핵심적인기술중에하나이다. 자이로 의드리프트를보정하기위해서보통가속도계와같이적분 이필요없는센서를함께이용한다. 자이로와가속도계는 주파수특성이서로다르기때문에상보필터 (complementay filte) 또는칼만필터 (Kalman filte) 를이용한센서융합기법 을적용할수있다. ARS(Attitude Refeence System) 와같은관 성센서 (IMU, Inetial Measuement Unit) 는이러한보정기법이 적용된예이다. ARS 를자세각피드백센서로사용할경우, 실험적으로로 봇이제자리에서밸런싱자세를유지할수있으면직진주행 과같은종방향운동은별문제없이구현된다. 그러나선회 주행구간에서는가속도계보정모델의한계때문에제어성 능에문제가발생할수있다. ARS 는특히요방향의드리프 트가심하여센서출력값을거의신뢰할수없다. 따라서 역진자모바일로봇의스티어링제어를위해서는양바퀴의 엔코더값을이용하여다음과같이요각속도및이를적분 한요각을구하는것이바람직하다. vr vl, ( d: distance between two wheels) (1) d 도 ( 가속도계는원리상로봇의실제가속도 ( a ˆ ) 와중력가속 ĝ ) 의차이를측정하기때문에가속도계출력값은다음 과같이표현된다. vˆ aˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ m a g v g t (13) 위식에서실제가속도의첫째항은로봇진행방향으로 발생하는종방향가속도, 둘째항은회전운동에의해발생 하는횡방향가속도 ( 구심가속도및코리올리가속도 ) 를의 미한다. (13) 식을로봇의바디좌표계 (Fig. 1) 성분으로표현한 가속도계모델은다음과같다. axm ax vz vy X s a Ym a Y vz v X Y g c s a Zm a Z vy vx Z c c omitted tems (14) 보통항공기용자세센서에서는 GS 측정치를이용하여 실제속도와가속도를추정하고가속도계모델에적용한다 [19, ]. 모바일로봇은개발비용상저가형 ARS 를사용하고 실내 GS 를이용할수없기때문에 (14) 식에서실제가속도 항을제외한중력가속도항만을고려하여롤, 피치각을환 산하고이를자이로의드리프트보정알고리즘에이용한다. 따라서역진자로봇이등속직진운동을할때는보정값을 신뢰할수있으나, 코리올리효과가커지는고속선회동작 에서는환산오차가크게증가하기때문에자세제어를실패 할수있다. 기존에 [1] 과같이휠모터의엔코더데이터를모바일로 봇의로컬라이제이션을위한헤딩각필터링에이용한방법 들이존재한다. 본논문에서는엔코더값을실제가속도계 산에이용하여자이로의드리프트보정성능을개선하는방 법을제시한다. 먼저엔코더값으로양바퀴의속도를구한 후에섀시좌표계 (Fig. 1) 의직진속도 v ( v v ) / 및이 o L R 를수치미분한직진가속도 ( a o ) 를결정한다. 따라서로봇에 횡방향으로의슬립이없다면 (14) 식에서종방향가속도는다 음과같이바디좌표계성분을계산할수있다. ( a, a, a ) ( a cos,, a sin ) (15) X Y Z o o (14) 식에서횡방향가속도를계산할때, 로봇의횡방향슬 립을무시하면 vy, 평지에서주행하여롤각속도효과를 무시할수있다면 X 으로가정할수있다. 이들을종합 하여센서에작용하는실제가속도를계산하고가속도계모 델 (13) 식에서환산된자세를칼만필터등을이용한자이로 드리프트보상에이용하면매우효과적이다. 센서장착위치 가섀시좌표계의원점에서멀어지면가속도계산값에오차 가증가하지만무시할만한양이다. Fig. 7 은역진자로봇 (Fig. 1) 이직진속도 1 m/sec, 요각속도 6 deg/sec 로평지에서선회주행할때, ARS 에서출력되는롤 각과제안된가속도계모델을이용하여보정한롤각을비교 한다. ARS 센서가평지에서도롤각을나타내는것은가속도 계모델에중력가속도만이반영되어선회시에발생하는코

6 김상태, 권상주 리올리성분등이자세각으로치환되어나타나기때문이다. 반면에엔코더데이터를이용한보상한경우는실제에가까 운영근처의값을나타낸다. 약간의롤바이어스값이산출 되는것은선회동작시에발생하는원심력에의해바퀴의 타이어가변형되는효과때문이라고할수있다. 이와같이 저가형 ARS 센서를사용하는경우에도엔코더데이터를이 용한간단한보상방법을적용함으로써센서의신뢰성을높 일수있다.

6 6 김상태, 권상주 리올리성분등이자세각으로치환되어나타나기때문이다. 반면에엔코더데이터를이용한보상한경우는실제에가까 운영근처의값을나타낸다. 약간의롤바이어스값이산출 되는것은선회동작시에발생하는원심력에의해바퀴의 타이어가변형되는효과때문이라고할수있다. 이와같이 저가형 ARS 센서를사용하는경우에도엔코더데이터를이 용한간단한보상방법을적용함으로써센서의신뢰성을높 일수있다. oll(deg) compensated oll by encode Staight vel. : 1m/s Yaw ate: 6 deg/s without compensation with compensation 그림 7. 엔코더데이터를이용한롤각보정효과. Fig. 7. Compensation of oll angle with encode data. 그림 8. 제자리스피닝동작실험. Fig. 8. Spinning action expeiment. 5. 동력전달기구의백래쉬 역진자로봇을제작한후에실험적으로제어성능을튜닝 하는단계에서제자리회전, 직진주행, 선회주행, 경사로 주행등다양한성능실험을수행한다. 역진자로봇실험에 서가장먼저확인해야하는것은제자리밸런싱성능이다. 역진자로봇이정지자세에서영의피치각을유지하기위해 서는먼저전체무게중심이정확히바퀴축상에위치하도록 하드웨어적인조정이필요하다. 그러나휠모터의동력을바 퀴축으로전달하는기어또는벨트 - 풀리의백래쉬 (backlash) 가심하면로봇이제자리에서정지하지못하고주기적인피 치운동이일어난다. 자세제어기의게인값을높이면백래쉬에의한피치각의 흔들림현상을어느정도줄일수있으나너무높은게인은 외란에대한자세제어루프의안정성을감소시키기때문에 기계적인부분에서의해결이우선이다. 동력전달효율면에 서는기어가벨트 - 풀리에비해유리하지만휠구동기와바퀴 축사이에발생하는백래쉬와소음을제거하기위해서는벨 트 - 풀리가바람직한선택이다. 일반적으로벨트 - 풀리시스템 에서백래쉬를최소화하기위해서는벨트의장력을일정하 게유지하기위한텐셔너 (tensione) 를설치하는것이필요하 다. Fig. 8 은역진자로봇 (Fig. 1) 의스피닝동작실험으로서벨 트 - 풀리와텐셔너를적용하여백래쉬를제거한결과, 저속의 제자리회전동작에서도초기위치를벗어나지않고안정적 으로밸런싱자세를유지하며회전하고있다. VI. 결론 본논문에서는이륜역진자로봇의제어시스템개발을위 한설계고려사항으로서제어루프의시간지연과안정성문 제, 실시간제어를위한하드웨어요구성능, 그리고주행성 능의신뢰성향상을위한자세센서의드리프트보상및기 구부의백래쉬문제를다루었다. 본논문에서제시된설계 가이드라인들은이륜역진자로봇플랫폼에기반한다양한 개인용주행기기들의효율적인시스템설계를위하여유용 하게활용될수있을것으로기대된다. 한편, 본논문에서제시된실험데이터들은 Windows OS 기반의미니 C 를중심으로제어시스템을구성하여산출된 것으로서실시간 OS 에기반하지않은일반 C 환경에서도 충분히역진자모바일로봇의자세제어성능을구현할수있 음을나타낸다. 참고문헌 [1] Segway, [online]. Available: [] GM EN-V, [online]. Available: watch?v=na64fdwzibg. [3] Ninebot, [online]. Available: [4] F. Gasse, A. D Aigo, S. Colombi and A. C. Rufe, JOE: A Mobile, Inveted endulum, IEEE TRANSACTIONS ON IN- DUSTRIAL ELECTRONICS, vol. 49, no. 1, pp , Feb.. [5] Y. Kim, S. H. Kim and Y. K. Kwak, Dynamic Analysis of a Nonholonomic Two-Wheeled Inveted endulum Robot, Jounal of Intelligent and Robotic Systems, vol. 44, no. 1, pp. 5-46, 5. [6] J.. Moell and D. Field, Design of a closed loop contolle fo a two wheeled balancing tanspote, in oceedings of the 7 IEEE/RSJ Intenational Confeence on Intelligent Robots and Systems, San Diego, USA, Nov. 7. [7] C.-H. Chiu, The Design and Implementation of a Wheeled Inveted endulum Using an Adaptive Output Recuent Ceebella Model Aticulation Contolle, IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, vol. 57, no. 5, May 1. [8] C.-H. Huang, W.-J. Wang and C.-H. Chiu, Design and Implementation of Fuzzy Contol on a Two-Wheel Inveted endulum, IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELEC- TRONICS, vol. 58, no. 7, pp , Jul. 11. [9] T. Takei, R. Imamua and S. Yuta, aggage Tanspotation and Navigation by a Wheeled Inveted endulum Mobile Robot,

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