계단등반을 위한 하이브리드 링크 구조를 갖는 실내용 이동플랫폼 개발

Abstract

본 연구에서는 새로운 하이브리드 링크 구조를 이용한 실내용 이동 플랫폼이 제작되었으며, 계단 등반 성능을 최대화하기 위한 제어 기법이 제시되었으며, 이를 검증하는 실험이 수행되었다. 이동 플랫폼의 계단 등반 성능을 얻기 위한 첫 단계로, 새로운 하이브리드 링크 메커니즘을 고안하였다. 공학적 설계방법론에 기반하여 제시된 설계대안들 중에서 선정한 새로운 하이브리드 링크 메커니즘은 수동 회전조인트와 능동 직선 조인트의 조합된 특성을 가지며, 무게중심 이동을 통해 바퀴를 이용하면서도 계단면의 등/하강을 안정적으로 수행할 수 있다. 계단등반 과정 중의 높은 안정성, 효율성 그리고 적응성을 이동 플랫폼에 부여하기 위하여, 기구학적 설계변수의 최적화가 수행되었다. 후진현상을 최소화하고 동시에 본체 무게중심 이동궤적의 직선성을 최대화 하는 것을 목적함수로 선정하였다. 또한 다양한 조건과 제약조건들이 지정되어 Genetic Algorithm을 통해 링크 길이들과 바퀴 반경들을 포함하는 최적설계변수들이 결정되었다. 최적화 결과와 간섭 문제를 고려하여 이동 플랫폼 시제품이 설계, 제작되었다. 제작된 이동 플랫폼 시제품의 크기는 650 mm (W) X 600 mm (L) X 460 mm (H)로, 본체 중량은 35 kg, 평지 주행속도는 2 m/s이다. CompactRIO가 전체를 제어하는 주 제어기로 이동 플랫폼의 본체에 설치되었으며, Labview가 설치된 단말 랩탑을 통해 무선 통신을 수행한다. 미지의 다양한 계단 형상에 대응하기 위해, 계단 등반을 위한 전략 생성 과정이 제시되었다. 또한 자세 확인을 통해 계단 등/하강 과정 동안 효과적인 바퀴 및 슬라이드 조인트 구동 지시를 수행한다. 계단 등반을 시작하기 전에 2-D 레이저 스캐너와 이를 위한 알고리즘을 통해 등반 목표 계단의 치수를 획득한다. 이를 기반으로 계단을 위한 룩 업 테이블이 생성된다. 이동 플랫폼이 계단을 등반하는 과정 중에는 실제 링크 기울기와 테이블의 비교를 통해 현재 위치와 자세를 파악하여 여기에 해당하는 슬라이드 조인트 위치 목표와 자코비안 행렬을 통해 미끄러짐을 최소화하는 바퀴 별 속도를 계산하기 위한 바퀴 접촉각을 확인한다. 이 기법을 통해 계단등반과정중의 이동 플랫폼의 안정성을 유지 가능하다. 마지막으로 MPC(Model Predictive Control, 모델 예측 제어)의 적용을 통해 이동 플랫폼과 계단면과의 상태를 포함한 외부 조건에 의한 자세 불균형을 최소화하여 이동 플랫폼의 계단등반과정중의 안정성과 자세 정확성을 향상시킬 수 있음을 보인다. MPC를 통한 바퀴 속도 조절을 수행하고, 계단 형상 별 실험을 통해 일반적인 PI 제어 기법보다 우월한 성능을 확인하였다. 또한 실제 건물내의 계단에서의 등/하강 실험을 통해 본 이동 플랫폼의 메커니즘과 제어 기법의 효용성을 증명하였다.

In this thesis, a mobile platform which uses a new hybrid link mechanism is developed, including its control method to maximize stair climbing performance. As the first step to obtain stair climbing ability to the mobile platform, a new hybrid link mechanism is developed. A new hybrid link mechanism is selected from candidates created by using an engineering design methodology, which has a combined passive rotation joint and active prismatic joint so that can move its center of mass freely to climb stairs easily. To ensure high mobile stability, efficiency and adaptability while climbing stairs, kinematic design parameters optimization is applied. Minimizing backward movement and maximizing straightness of the center of the body trajectory are selected as objective functions. Also various conditions and constraints are defined to obtain optimized link sizes and wheel radius through GA procedure. The actual mobile platform is designed and manufactured while considering both optimized design parameters and interferences between the stairs and the mobile platform. The constructed mobile platform has a size of 650 mm (W) X 600 mm (L) X 460 mm (H), the weight of 35kg and its max speed is 2 m/s. It is controlled by CompactRIO as the main controller which located at the mobile platform body and it communicates with the platform remotely by a LABVIEW program from laptop terminal. To adapt any stairs with unknown dimensions, strategy creation process is suggested. Position recognition process also created to drive wheels and active slide joints effectively during stair climbing. Before the stair climbing process, stair dimensions are obtained by 2-D laser scanner and processed with dimension acquisition algorithm. As a result, a unique look up table is created. When the mobile platform starts to climbing stairs, it compares actual link angles with table to recognize its position and posture. So that platform can derive appropriate slide joint position to maintain its stability, as well as wheel contact angles to control speed of wheel based on the wheel Jacobians. Also, MPC(Model Predictive Control) is implied to minimize the posture imbalance (which can be caused by external conditions) to maintain the stability and posture accuracy of the mobile platform on the staircases. Speed of each wheel is adjusted by MPC implementation, and superiority of this method is proven from experiments comparison with both none-controlled and PI controlled cases. As the last phase of the experiment, stair climbing in the real circumstance is performed and the result proved the effectiveness of the mechanism and its control architecture.