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상모 궁
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1 한국정밀공학회지제 30 권 11 호 pp J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 30, No. 11, pp ISSN (Print), ISSN (Online) November 2013 / 전방향이동메커니즘기반의교육용로봇플랫폼개발 Development of Educational Robot Platform Based on Omni-directional Mobile Mechanism 주백석 1,, 성영휘 2 Baeksuk Chu 1, and Young Whee Sung 2 1 금오공과대학교지능기계공학과 (Department of Intelligent Mechanical Engineering, Kumoh National Institute of Technology) 2 금오공과대학교전자공학부 (School of Electronic Engineering, Kumoh National Institute of Technology) Corresponding author: bschu@kumoh.ac.kr, Tel: Manuscript received: / 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 ( 교육용플랫폼 ) 1. 서론 60 년대초산업현장에사용되기시작한이래로로봇은지속적인발전을거듭해왔으며그적용분야또한다양하게확장되었다. 자동차등의제조업생산라인에서반복적이고도정밀한작업에사용되는산업용로봇에서부터최근고난이도의수술에사용되는의료용최소침습수술로봇에이르기까지실로로봇의발전은광범위할뿐만이아니라비약적이라고할수있다. Fig. 1 은여러분야에서사용되고있는로봇들중에서이연구에서특 히주목하고있는이동로봇의다양한형태에관하여보여준다. 많은종류의적용분야중에서로봇개발을위한교육용로봇또한중요한위치를차지한다. 교육현장에서손쉽게접근할수있는교육용로봇플랫폼을이용하여기본적인원리에대한학습과적용실습을수행하는것은로봇교육에있어서필수적인사항이다. 그러나현재산업현장에서사용되고있는대부분의로봇은지나치게고가이거나설계또는제어가복잡해서교육용으로사용되기에는부적합한면이있다. 예를들어생산라인

1 Various structures of mobile robots 에사용되는 6 축직렬형로봇의경우내부적인기구학및역기구학해석이상당히복잡하고이를기반으로한제어시스템역시접근하기에는쉽지않다. 그래서실제교육에서는최종사용자 (enduser) 의입장에서간단한코딩방법교육만을수행하는실정이다.

그리고평면운동이라는다소낮은차원의운동을수행한다는점에서제어기의설계또한비교적간단하다. 따라서이연구에서는교육용로봇플랫폼으로손쉽게사용될수있는이동로봇의개발을수행하고자한다. 교육용이동로봇플랫폼의개발에있어전통적인형태의바퀴를이용한이동로봇이기구설계의단순화측면에서는더장점이있다.

2 한국정밀공학회지제 30 권 11 호 pp November 2013 / 1162 (a) 2 wheeled type (Thymio II, EPFL) (c) Caterpillar type (Packbot, irobot) (b) 4 wheeled type (Hercules, Seeedstudio) (d) Omni-directional type (RB-Nex-05, NEXUS) Fig. 1 Various structures of mobile robots 에사용되는 6 축직렬형로봇의경우내부적인기구학및역기구학해석이상당히복잡하고이를기반으로한제어시스템역시접근하기에는쉽지않다. 그래서실제교육에서는최종사용자 (enduser) 의입장에서간단한코딩방법교육만을수행하는실정이다. 또최근다수시장에출시되고있는인간형로봇 (humanoid robot) 도마찬가지이유로교육에사용하기에는사전에요구되는배경지식의양이너무많은것이현실이다. 로봇교육에사용될수있는다양한플랫폼중에서기구적설계나제어시스템구성의관점에서비교적쉽게접근이가능한대상이이동로봇이다. 하드웨어및제어기를실을수있는단순한형태의바디에바퀴연결만으로기구적플랫폼설계가가능하다. 그리고평면운동이라는다소낮은차원의운동을수행한다는점에서제어기의설계또한비교적간단하다. 따라서이연구에서는교육용로봇플랫폼으로손쉽게사용될수있는이동로봇의개발을수행하고자한다. 교육용이동로봇플랫폼의개발에있어전통적인형태의바퀴를이용한이동로봇이기구설계의단순화측면에서는더장점이있다. 그러나바퀴와바닥의접촉점에서지면에수직한축방향회전슬립 (slip) 에의한비홀로노믹 (non-holonomic) 특성때문에 3 자유도평면공간에서의모션생성능력이제한되어유연한구동이어렵고제어또한복잡해질수있다. 이러한문제는기구적설계뿐만이아니라제어시스템구현에있어서도손쉽게접근할수있어야하는 교육용로봇플랫폼의개발목적에반하는것이라고할수있다. 그대안으로서이연구에서는전방향바퀴 (omni-directional wheel) 에기반한이동로봇플랫폼을제안하고자한다. 특히메카넘휠 (Mecanum wheel) 이라고불리는전방향바퀴를사용하는데이바퀴는구조적인형태때문에순간적으로모든방향으로의움직임이가능한홀로노믹 (holonomic) 특성을갖는다. 1 2 차원평면공간에서유연한전후 / 좌우 / 회전 3 자유도운동이가능하여직관적인조작을할수있으므로제어시스템을단순하게구현할수있다. 반면에바퀴의기구적설계가다소복잡해지지만기계공학관련학부수준의설계능력을가지고충분히설계및제작이가능하고시중에시판되는메카넘휠도다수있으므로구매하여사용하는것도가능하다. 제안된이동로봇플랫폼은제어시스템의구현측면에서도교육용으로쉽게접근이가능하도록최대한단순한형태의하드웨어 (hardware, H/W) 구성을사용하였다. 바퀴의구동을위해전압신호에비례하는속도로회전하는 DC 모터와제어기에서생성되는전압을고출력전압으로단순증폭하는모터드라이버를사용하였다. 제어기와모터드라이버사이의인터페이스를위해각 2 개의아날로그출력및아날로그입력그리고 8 개의디지털입출력채널을갖는범용저가 DAQ 장비를사용하였다. 제어를위해서는노트북컴퓨터를사용하였다. 소프트웨어 (software, S/W) 로는내셔널인스트루먼트사에서개발한 LabVIEW 를사용하였다. 이 S/W 는직관적인입출력인터페이스가매우쉽고 C 등의텍스트기반의프로그램에비해초보자가접근하기에용이한특징을갖는다. 이와같이제어시스템을구성함으로써범용저가 DAQ 장비와노트북컴퓨터만으로간단히이동로봇을구동할수있으므로손쉬운교육용로봇플랫폼을개발할수있다. 특히이연구에서는사람의탑승이가능한이동로봇의개발을목표로기구부의설계및제작에서부터하드웨어선정과소프트웨어를이용한프로그래밍까지의전과정을아우르는통합시스템구현을위한교육이수행되었다. 메카넘휠의구동원리를학습하고이를 3D 설계도구를이용하여설계하고도면화하여수치제어공작기계를이용하여제작을수행하였다. 이동로봇의성능사양을선정하고이를충족시키기위한모터의용량을결정하

한국정밀공학회지제 30 권 11 호 pp. 1161-1169 November 2013 / 1163 고모션구동을위한입출력사양결정등시스템의총괄적설계교육이실시되었다. 그리고그래픽기반의소프트웨어의교육을실시하여이동로봇구동을위한프로그래밍까지완료함으로써이동로봇이라는플랫폼을통하여독립적시스템개발을완료할수있는전방위적교육의수행이가능하게된다.

1 이동플랫폼및전방향바퀴교육용로봇을위한다양한로봇플랫폼중에서이연구에서는이동로봇을제안하고있다. 로봇의개발을기구부제작및제어부설계의관점에서봤을때다른시스템에비해비교적쉽고간단하게본연의목적을달성할수있도록개발할수있는것이이동로봇이다. 현장에가장많이활용되고있는산업용로봇과같은직렬형머니퓰레이터의경우우선기구부설계가복잡하여교육용으로사용하기에적절하지않다.

따라서직렬형머니퓰레이터나인간형로봇시스템은기구부의설계및제작에서부터제어시스템의구성및프로그래밍까지의전체과정을교육하기에는적합하지않다. 이동로봇은하드웨어및제어기를실을수있는단순한형태의바디에바퀴연결만으로기구적플랫폼설계가가능하고평면운동이라는다소낮은차원의운동을수행한다는점에서제어시스템의설계또한비교적간단하다. 특히이연구에서는전방향바퀴기반의이동플랫폼을제안한다.

2 Types of omni-directional wheel 특성을갖는다. 2 예를들어조향장치가있는차동구동형이동플랫폼은전진및후진은가능하지만방향전환없는즉각적인횡방향이동이불가능하다. 그리고이와같은동작을위해서는조향장치를이용하여전후진을반복하는다소복잡한경로계획과조작이필요하다.

3 한국정밀공학회지제 30 권 11 호 pp November 2013 / 1163 고모션구동을위한입출력사양결정등시스템의총괄적설계교육이실시되었다. 그리고그래픽기반의소프트웨어의교육을실시하여이동로봇구동을위한프로그래밍까지완료함으로써이동로봇이라는플랫폼을통하여독립적시스템개발을완료할수있는전방위적교육의수행이가능하게된다. 이러한교육목표의달성이가능한이유는이동로봇이라는플랫폼에직관적구동을가능하게하는전방향바퀴그리고쉬운접근이가능한그래픽기반의소프트웨어가조합되어가능하다. (a) Mecanum wheel (NTREX Co.) 3 (b) Orthogonal wheel (Rotacaster Wheel Ltd.) 4 2. 전방향바퀴기반의이동메커니즘설계 2.1 이동플랫폼및전방향바퀴교육용로봇을위한다양한로봇플랫폼중에서이연구에서는이동로봇을제안하고있다. 로봇의개발을기구부제작및제어부설계의관점에서봤을때다른시스템에비해비교적쉽고간단하게본연의목적을달성할수있도록개발할수있는것이이동로봇이다. 현장에가장많이활용되고있는산업용로봇과같은직렬형머니퓰레이터의경우우선기구부설계가복잡하여교육용으로사용하기에적절하지않다. 관절이많아높은자유도를가지는모션을안정적으로구현하도록제작하는것은더욱어렵다. 또한기구적복잡성은제어시스템을구성하고제어알고리즘을구현하는것을매우어렵게만든다. 각관절의자유도를모두합할경우직렬형머니퓰레이터보다더높은자유도를갖는인간형로봇은그복잡도가더욱증가한다. 따라서직렬형머니퓰레이터나인간형로봇시스템은기구부의설계및제작에서부터제어시스템의구성및프로그래밍까지의전체과정을교육하기에는적합하지않다. 이동로봇은하드웨어및제어기를실을수있는단순한형태의바디에바퀴연결만으로기구적플랫폼설계가가능하고평면운동이라는다소낮은차원의운동을수행한다는점에서제어시스템의설계또한비교적간단하다. 특히이연구에서는전방향바퀴기반의이동플랫폼을제안한다. 자동차와같은조향장치나차동구동형 (differential drive) 시스템을갖는전통적인형태의이동플랫폼은 2 차원평면상에서의병진및회전등의 3 자유도운동이가능하지만각각의자유도가독립적으로제어되지않는비홀로노믹 (c) Spherical wheel (AHMCT, UC Davis) 5 (d) Active castor wheel (RMG, MIT) 6 Fig. 2 Types of omni-directional wheel 특성을갖는다. 2 예를들어조향장치가있는차동구동형이동플랫폼은전진및후진은가능하지만방향전환없는즉각적인횡방향이동이불가능하다. 그리고이와같은동작을위해서는조향장치를이용하여전후진을반복하는다소복잡한경로계획과조작이필요하다. 이러한문제는기구적설계뿐만이아니라제어시스템구현에있어서도손쉽게접근할수있어야하는교육용로봇플랫폼의개발목적에반하는것이라고할수있다. 반면에이연구에서제안하고있는전방향바퀴를이용할경우기존의전통적인형태의바퀴형이동로봇에서구현할수없었던다양한장점들을확보할수있다. 기존의바퀴형이동로봇의경우좌우로회전을할때일정공간을확보하고로봇자체의방향을전환하여야만회전이가능하였다. 그러나전방향바퀴를채용할경우로봇자체의방향전환없이바퀴의구조적인특성에의해순간적으로좌우이동이가능하다. 뿐만아니라방향전환도추가공간이전혀없이가능하므로매우협소한공간에서도자유롭고유연하게회전및이동을하면서원하는작업위치까지접근이가능하다. 그리고이러한환경은공장생산시설, 물류창고, 병원및전시공간에서다수발견된다. 게다가다양하고도복잡한작업환경에서물품을유연하게핸들링하고물품과함께임의의방향으로이동하는능력은현대생산시스템에서필수적이다. 즉, 순

2 는다양한전방향바퀴의종류에관하여보여준다. 그리고이연구에서는다양한전방향바퀴중에서산업용으로가장많이사용되고있는메카넘휠 (Fig. 2(a)) 을사용한다. (a) Assembled view (b) Exploded view 2.

7 또한메카넘휠은바퀴의회전과서브롤러의회전그리고지면과의접촉점을통과하는수직축에대한회전을포함하는 3 자유도로운동을한다. Fig.

따라서메카넘휠을장착한이동로봇은비홀로노믹특성이없는전방향성 (omni-directionality) 을획득하게되고, 본체의회전이나추가적인공간없이평면상의모든방향으로즉각적인이동이가능하다.

Fig. 3(d) 는메카넘휠을측면에서본그림인데 x 축과 x 축은각각림휠의축방향과서브롤러의축방향을나타낸다. 중심부의림휠에특정한각도 ( 이연구에서는 45 ) 로서브롤러가부착되어있다. 메카넘휠의설계를위해서는림휠과서브롤러사이의특수한기하학적인관계가만족되어야한다.

4 한국정밀공학회지제 30 권 11 호 pp November 2013 / 1164 간적으로모든방향으로의움직임이가능한홀로노믹특성때문에전방향바퀴는 2 차원평면공간에서유연한전후 / 좌우 / 회전 3 자유도운동이가능하여직관적인조작을할수있으므로제어시스템을단순하게구현할수있다. Fig. 2 는다양한전방향바퀴의종류에관하여보여준다. 그리고이연구에서는다양한전방향바퀴중에서산업용으로가장많이사용되고있는메카넘휠 (Fig. 2(a)) 을사용한다. (a) Assembled view (b) Exploded view 2.2 메카넘휠기반의전방향바퀴설계메카넘휠은구동토크가전달되는중앙의림휠 (rim wheel) 과그주변에림휠축과특정각도를가지고부착된서브롤러 (sub-roller) 들로구성된다 (Fig. 3). 7 또한메카넘휠은바퀴의회전과서브롤러의회전그리고지면과의접촉점을통과하는수직축에대한회전을포함하는 3 자유도로운동을한다. Fig. 3 과같은림휠과서브롤러의구성이바퀴가회전하는방향의힘성분중일부를바퀴회전의수직인방향성분으로변환하여각각의메카넘휠은이두방향의합력이향하는방향으로움직인다. 그리고독립적으로구동되는네바퀴의힘성분들이조합되어생성된최종적인힘벡터의방향으로로봇이이동한다. 따라서메카넘휠을장착한이동로봇은비홀로노믹특성이없는전방향성 (omni-directionality) 을획득하게되고, 본체의회전이나추가적인공간없이평면상의모든방향으로즉각적인이동이가능하다. 이특성은이동로봇이유연한전후 / 좌우 / 회전 3 자유도운동이가능하게하여직관적인제어알고리즘설계를구현하도록돕는다. 메카넘휠주변의서브롤러가지면과연속적으로접촉하여바퀴가지면에서부드럽게회전하기위하여바퀴의축방향에서본외형은 Fig. 3(c) 와같이완벽한원을이루어야한다. Fig. 3(d) 는메카넘휠을측면에서본그림인데 x 축과 x 축은각각림휠의축방향과서브롤러의축방향을나타낸다. 중심부의림휠에특정한각도 ( 이연구에서는 45 ) 로서브롤러가부착되어있다. 메카넘휠의설계를위해서는림휠과서브롤러사이의특수한기하학적인관계가만족되어야한다. Fig. 4 에서확인할수있듯이메카넘휠의축방향외형이완벽한원이되기위해서서브롤러의측면형상은타원이되어야한다. 이그림에서림휠의축과서브롤러축사이의각도가 θ 이고바퀴의반지름이 R 일 (c) Axial view (d) Lateral view Fig. 3 3-dimensional design of the Mecanum wheel Fig. 4 Ecliptic lateral shape of the sub-rollers z r max L 경우, 타원의단축의길이는 R 이되고장축의길이는단축의 1/sinθ 배가된다. 따라서서브롤러의외곽형상은다음식 (1) 과같이 x 이장축, Fig. 3(d) 의 z 축이단축이되는타원식을따른다. 8 x ( R/sin θ ) rx ( ) Fig. 5 Geometry of the sub-rollers z + = (1) R Fig. 5 는서브롤러의외곽형상을타원과함께 h x

한국정밀공학회지제 30 권 11 호 pp. 1161-1169 November 2013 / 1165 r max R ψ Fig. 7 3-dimensional design of the mobile platform body Fig. 6 Roller size parameters 표현한것이고이때서브롤러의크기는다음식 (2) 에의해표현된다.

5 한국정밀공학회지제 30 권 11 호 pp November 2013 / 1165 r max R ψ Fig. 7 3-dimensional design of the mobile platform body Fig. 6 Roller size parameters 표현한것이고이때서브롤러의크기는다음식 (2) 에의해표현된다. = (2) 2 2 rx ( ) R x sin θ h 이때 rx ( ), R, θ, L, h 는각각서브롤러의반지름, 바퀴의외곽반지름, 림휠과서브롤러사이의각도, 서브롤러의길이, 림휠축과서브롤러축사이의거리이다. 한편, 메카넘휠의축방향외형이지면과의접촉에서불연속이없는완벽한원을이루기위해서는서브롤러의최소개수가정해져야한다. 9 바퀴당롤러의수는각롤러의회전축방향길이에따라결정되는데, 서브롤러의회전축이림휠의중심축에가까울수록롤러의길이가길어진다. 바퀴의반지름이 R 이고롤러의중심부외경이 r max 일때, Fig. 6에서롤러의최소개수는 n = 2 π / ψ 로계산되고, 서브롤러의길이, L 은다음식 (3) 과같이계산된다. 이연구에서설계된메카넘휠의경우 ψ = π /4이므로롤러의개수는 8 이된다. L 2 ( R r ) tan( ψ /2) sinθ max = (3) 3. 이동로봇플랫폼구성 3.1 이동로봇플랫폼기구부설계 Fig. 7 은이연구에서개발된교육용이동로봇플랫폼의 3D 설계도이다. 이연구에서는교육용목적에맞는단순한설계를위하여기존의전통적인이동로봇의형상을따라 4 개의모서리에바퀴 Fig. 8 Actual prototype of the mobile platform 가위치한사각형형태로설계하였다. 보는바와같이하드웨어및제어기를실을수있는단순한형태의바디에바퀴연결만으로기구적플랫폼설계가가능한것을확인할수있다. 본체제작을위한재료로시중에서쉽게구매가가능하고단순볼트결합으로조립이가능하면서도가볍고강성이우수한알루미늄프로파일을사용하였다. 이이동플랫폼은중간에운전자가탑승하여조종할수있도록의자및조종관을설치하였으나, 조종관을외부에두었을경우에는원격제어또한가능하다. 로봇전방또는후방에적외선센서를설치하여특정거리이내에장애물이접근하였을때경보및정지기능을수행할수있도록하였다. Fig. 8 은개발된교육용이동로봇플랫폼의실제제작된결과물이다. 3.2 이동로봇플랫폼제어시스템회로구성 Fig. 9 는개발된이동로봇플랫폼의전체적인제어시스템회로구성도이다. 교육용으로쉽게접근이가능하도록최대한단순한형태의하드웨어 (hardware, H/W) 구성을사용하였다. 관련소프트웨

6 한국정밀공학회지제 30 권 11 호 pp November 2013 / 1166 Fig. 9 Electronic hardware design of the mobile robot control system Table 1 Hardware specifications Devices Properties 16 Bits AI 2 Ch -10V ~ +10V 16 Bits AO 2 Ch -10V ~ +10V DAQ Device DI 5V, (mydaq, DIO 8 Ch DO 3.3V National Communication USB 2.0 Instrument) \261,000 Price (Univ. DC) Joystick Supply Voltage 5V DC (WJ-100, Output Voltage 2.5 ± 2V WonWoo) Price \65,000 Infrared Sensor (HD-SEN0019, Hanjin Data) DC Motor (76ZY12, LINIX) Motor Driver (NT-M- DCDM2410, NTREX) 어및하드웨어드라이버가설치된노트북 PC 가제어기역할을한다. 제어기로부터생성된신호를구동부에전달해주고외부센서로부터획득된신 θ Supply Voltage 5V DC Measurement Range 3~80cm Price \9,000 Rated Voltage 12V Rated Speed 134rpm Rated Power 200W Reduction Ratio 1:26 Price \105,000 Input Voltage Range 15~36V Peak Current 50A Continuous Current 10A Price \160,000 호를 PC 에전달해주기위해교육용저가형 DAQ 장비가활용되었다. 이사이의통신은 USB 케이블을통해간단히구현된다. Table 1 은제어시스템을구현하는구성요소들의사양을정리한것이다. 본연구의내용이교육용플랫폼에대한제시이므로각부품의가격또한제공하였다. 이동로봇을구동하기위한신호를생성하는조작장치로조이스틱 (WJ-100, WonWoo) 이사용된다. 조이스틱에 5V 의 DC 전압을인가하면꺾인각도에비례하는전압이생성된다. 총 3 개의축을가지고있어서이동로봇의전후진, 좌우이동, 회전을명령할수있다. 조이스틱에서생성된전압신호는제어시스템 DAQ 장비의아날로그입력단자에연결된다. 이동로봇의외부환경에대한정보는본체의후방에장착된적외선센서 (HD- SEN0019, 한진데이타 ) 에의해전달된다. 5V 의 DC 전압으로작동하는이센서는측정범위 3~80cm 이내에장애물이감지될경우일정량의 DC 전압을생성한다. 이신호는 DAQ 장비의디지털입력단자에연결되어노트북 PC 에서경보신호생성또는이동로봇의정지와같은작업을프로그래밍하는용도등으로사용된다. 이동로봇의바퀴구동을위해서는가장간단한형태의엑추에이터인 DC 모터 (76ZY24, LINIX) 가사용된다. 모터선정을위해이동로봇의속도및가속도성능을각각 0.3m/s 와 0.1m/s2 으로선정하였다. 이사양을충족하기위하여필요한바퀴축의토크를계산하고이를기어비와함께고려하여모터의동력을계산한다. 이연구에서는 30W 의용량과 50rpm 의정격속도를가지며 1:26 의비를갖는모터가기어박스와연결되어바퀴를회전시킨다. 입력된전압신호에비례하는속도로바퀴를회전시키므로아날로그전압을출력시키기위한간단한프로그래밍으로구동이가능하다. 제어기에서생성된아날로그전압속도신호를증폭시켜모터에전달하기위한모터드라이버로는 NT-M- DCDM2410 (( 주 ) 엔티렉스 ) 를사용하였다. 이장비는 15V 에서 36V 범위의입력전압을허용하며최대연속전류 10A 로 2 채널의아날로그전압을증폭할수있어서총 2 기를사용하여 4 개의바퀴를구동하였다. 제어기로사용되는노트북 PC 와위에언급된입출력장비의신호를연결하는인터페이스로교육용저가장비인 National Instrument 사의 mydaq 이사용되었다. 이장비는총 2 개의아날로그입

한국정밀공학회지제 30 권 11 호 pp. 1161-1169 November 2013 / 1167 Fig. 10 NI mydaq I/O connections 력채널과 2 개의아날로그출력채널을가지고있으며총 8 개의디지털입출력채널을포함한다.

게다가 mydaq 와프로그래밍에사용되는 LabVIEW 는동일한업체에서개발되어프로그램상에서매우편리하게호환이가능하다. 이와같이제어시스템을구성함으로써범용저가 DAQ 장비와노트북컴퓨터만으로간단히이동로봇을구동할수있으므로손쉬운교육용로봇플랫폼을개발할수있다. 4. 이동로봇제어알고리즘 4.

7 한국정밀공학회지제 30 권 11 호 pp November 2013 / 1167 Fig. 10 NI mydaq I/O connections 력채널과 2 개의아날로그출력채널을가지고있으며총 8 개의디지털입출력채널을포함한다. 개발한교육용이동로봇플랫폼은 4 개의바퀴로구동되므로총 4 개의아날로그출력채널이필요하고 3 개의축을갖는조이스틱을사용하므로 3 개의아날로그입력채널이필요하다. 따라서 mydaq 2 대를이용하여인터페이스를수행하였다. 이장비와입출력장비와의배선은간단한핀연결로가능하고제어기와는 USB 케이블로편리하게통신이수행된다 (Fig. 10). 게다가 mydaq 와프로그래밍에사용되는 LabVIEW 는동일한업체에서개발되어프로그램상에서매우편리하게호환이가능하다. 이와같이제어시스템을구성함으로써범용저가 DAQ 장비와노트북컴퓨터만으로간단히이동로봇을구동할수있으므로손쉬운교육용로봇플랫폼을개발할수있다. 4. 이동로봇제어알고리즘 4.1 User Interface 및소프트웨어프로그래밍이연구에서제안한교육용이동로봇플랫폼의제어알고리즘을구현하기위한소프트웨어로 National Instrument 사의 LabVIEW 를사용하였다. LabVIEW 는그래픽기반의범용프로그래밍언어로제어및계측분야에서주로사용되고있다. 이언어는기존의 C, BASIC 등과같은텍스트기반의언어와는달리블록다이어그램의형식을프로그래밍에접목한그래픽기반의언어이다. 텍 (a) Front panel (b) Block diagram Fig. 11 LabVIEW program 스트기반의프로그래밍언어로구현할수있는거의모든작업을동일하게구현할수있다. 다양한아이콘들을선택하여이들을연결하는방식으로프로그래밍이진행되므로매우직관적인작업이가능하다. 따라서초보프로그래머가프로그래밍을수행할때쉽게접근할수가있어교육용으로적절한언어이다. 특히제어및계측관련프로그래밍작업에서하드웨어와의입출력인터페이스가간단한설정만으로가능하여그용이성을더해준다. Fig. 11 은개발된교육용이동로봇의구동에사용된 LabVIEW 프로그램을보여준다. Fig. 11(a) 는이동로봇을운용하는사람이보는 UI(user interface) 를 PC 모니터상에구현한것이다. 4 개의모터구

8 한국정밀공학회지제 30 권 11 호 pp November 2013 / 1168 Table 2 Mobile experiments Max. Vel. Max Acc. Omni-directionality 0.32m/sec 0.15m/s 2-15 o ~ +15 o Fig. 12 Sub-program for velocity generation 동신호와조작자가입력하는조이스틱신호그리고적외선센서에의해탐지된장애물정보를보여주고있다. 그밖에이동로봇을운용하는데필요한다양한정보를모니터링하도록구성될수있다. Fig. 11(b) 는그래픽기반의프로그램부분으로블록다어그램과같은형태를가지며직관적인이해가가능하도록코딩이가능하다. 이프로그램에서는조작자가평면상에서전후 / 좌우 / 회전의 3 자유도운동을하는이동로봇을조이스틱으로조작하는반자동시스템을구현하기위해개루프속도제어 (open-loop velocity control) 기법이사용되었다. 3 개의축을갖는조이스틱을기울이거나 ( 전후 / 좌우이동 ) 회전시켜서 ( 회전이동 ) 발생하는방향별전압신호를기울어진각도에비례하는속도신호로변환하여 4 개의바퀴에전달한다. 이러한방법을통해각축의방향및기울기가이동로봇의이동방향및속도와정확히대응하는직관적인제어가가능하게된다. Fig. 12 는 3 개의축으로부터입력받은조이스틱신호를 4 개의바퀴의회전속도로변환하는프로그램부분이다. 입출력신호의흐름이간명하게파악되는직관적인형태로구성되어있다. 4.2 실증실험결과이동로봇의구조적인특징중의하나가바퀴와지면과의마찰및슬립 (slip) 현상이다. 이현상은필연적으로이동로봇의위치정밀도를저해하는요인으로작용한다. 따라서상당수의이동로봇의경우높은위치정밀도를요구하지않는곳에서사용자가조종장치를유연하게조작하여원하는이동목적을달성하는경우가많다. 필요에따라비교적높은위치정밀도가필요한경우에는비전등의 외부센서를이용하여이를충족시키게된다. 이연구에는교육범위상외부충돌로부터의안전을도모하기위한적외선센서만이사용되며높은위치정밀도는요구하지않도록시스템이제작되었다. 따라서구현된시스템의성능검증을위해서는초기사양인이동속도및가속도그리고전방향성측정이수행되었다. 측정은이동로봇에정밀한초음파센서 (PID616110, SensComp) 를부착하여위치정보를파악한후이를통하여획득하였으며, 전방향성은위치정보기반으로각도를추정하였다. 그결과는 Table 2 에제시되었으며초기전방향이동로봇의설계목적에충분히부합하는결과를획득한것으로판단된다. 5. 결론 이연구에서는쉽고직관적인모션을생성할수있는교육용이동로봇플랫폼을제공하고자하였다. 이동로봇은기구적설계나제어시스템구성의관점에서비교적쉽게접근이가능하다. 하드웨어및제어기를실을수있는단순한형태의바디에바퀴연결만으로기구적플랫폼설계가가능하고, 평면운동이라는다소낮은차원의운동을수행한다는점에서제어기의설계또한비교적간단하다. 이연구에서는평면상에서쉬운제어알고리즘구현이가능하도록 3 자유도공간에서직관적인모션생성능력을갖는전방향바퀴를채용하였다. 특히다양한전방향바퀴중에서메카넘휠을선정하고설계방법을소개하였다. 이동로봇의기구적플랫폼으로는전통적인사각형형태를적용하고설계도및실제제작한결과를제시하였다. 그리고제어시스템은교육용으로쉽게접근이가능하도록최대한단순한형태의하드웨어구성을사용하였다. 제어시스템을구현하기위한프로그램으로초보자도쉽게접근이가능한그래픽기반의언어인 LabVIEW 를활용하여직관적이고단순한프로그래밍을수행하였다. 전방향이동로봇의직관적인모션생성능력과단순한형태의하드웨어구성그리고다양한제어기법의손쉬운적용가능성때문에이연구에서제안되는이동로봇이

9 한국정밀공학회지제 30 권 11 호 pp November 2013 / 1169 유용한교육용플랫폼이될수있을것으로기대한다. 후기 이논문은 2012 년도정부 ( 교육과학기술부 ) 의재원으로경북과학기술진흥센터의지원을받아수행된연구임 (GBSP ). 참고문헌 1. Muir, P. F. and Neuman, C. P., Kinematic Modeling for Feedback Control of an Omnidirection Wheeled Mobile Robot, IEEE International Conference on Robotics and Automation, Vol. 4, pp , Doroftei, I., Grosu, V., and Spinu, V., Omnidirectional Mobile Robot - Design and Implementation, Bioinspiration and Robotics Walking and Climbing Robots, pp , NTREX Co., NT-MECANUM-BASIC, ntrexgo.com/archives/8798(accessed 24 Oct. 2013) 4. Rotacaster Wheel Ltd., Rotacaster multi-directional wheels, ti-directional-wheels.html(accessed 24 Oct. 2013) 5. Lee, Y.-C., Lee, D. V., Chung, J. H., and Velinsky, S. A., Control of a Redundant, Reconfigurable Ball Wheel Drive Mechanism for an Omnidirectional Mobile Platform, Robotica, Vol. 25, No. 4, pp , Udengaard, M. and Iagnemma, K., Analysis, Design, and Control of an Omnidirectional Mobile Robot in Rough Terrain, ASME Journal of Mechanical Design, Vol. 131, No. 12, Paper No , Chu, B. and Sung, Y. H., Kinematic Modeling and Position Compensation based on Mecanum Wheeled Omni-directional Mobile Robot, ISGMA 2013, Paper No. A-10-3, Shin, D. H. and Lee, I.-T., Geometry Design of Omni-directional Mecanum Wheel, J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 15, No. 3, pp , Doroftei, I. and Stirbu, B., Design, Modeling and Control of an Omni-directional Mobile Robot, Solid State Phenomena, Vols , pp , 2010.

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PowerPoint 프레젠테이션 RecurDyn 의 Co-simulation 와 하드웨어인터페이스적용 2016.11.16 User day 김진수, 서준원 펑션베이솔루션그룹 Index 1. Co-simulation 이란? Interface 방식 Co-simulation 개념 2. RecurDyn 과 Co-simulation 이가능한분야별소프트웨어 Dynamics과 Control 1) RecurDyn