로봇 시스템 제어와 응용
일인용 수송체 시스템의 제어 및 응용
정슬 충남대 메카트로닉스공학과 교수 (jungs@cnu.ac.kr)
전 호에서는 이동로봇 시스템의 제어와 응용을 다루었다. 이번 호에서는 이동로봇 분야 중에서 수송체 분야를 다루고자 한다. 이동로봇은 위험한 지역의 탐사나 서비스 로봇의 작업에 사용되고 있다. 하지만 최근에 전기자동차가 출시되면서 수송체로서의 이동로봇에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이 글에서는 이동로봇을 기반으로 하는 근거리 이동용 수송체 시스템의 제어와 응용을 소개하고자 한다.
수송체 시스템의 이동로봇
전기자동차가 상용화되면서 수송체로서의 이동로봇에 대한 관심이 커지고 있다. 모터로 구동되는 전기자동차가 이동로봇이기 때문이다. 자율주행을 추구하는 무인 이동로봇에 대한 연구가 대부분이었지만, 최근에는 사람이 탈 수 있는 소형 수송체 시스템으로서의 이동로봇 연구가 관심을 받고 있다. 그림 1을 보면 보조형과 탑승형 이동로봇의 개념이 나타나 있다. 
보조형은 주로 노약자를 위한 이동수단이고 탑승형은 수송체 시스템이다.
일인용 수송체 시스템
평상시 노약자의 보행을 보조하고, 또한 탑승할 수 있도록 설계 및 제작했다. 그리고 기존의 핸들 회전형 로봇과는 달리 주어지는 힘을 이용하여 이동과 회전을 할 수 있도록 개발하고 작동을 확인했다[3].
1. 수송체 시스템 구조
타이어 바퀴를 사용함으로써 충격을 완화하여 실외에서도 탑승할 수 있게 설계했다. 그리고 손잡이에 작용하는 힘에 따라 노약자가 속도와 방향을 제어할 수 있도록 하기 위해 엔코더가 있는 모터를 이용했다.
그림 2에서 보면 이동로봇에 핸들이 장착되어 있으며 핸들 끝에 있는 힘센서에 의해 힘을 감지할 수 있도록 했다. 
바퀴의 반지름 r=0.21m, 바퀴 사이의 거리 L=0.7m이다.
제어기로 DSP 2812를 사용하여 제어 알고리즘과 힘센서의 A/D, 양쪽 모터의 PWM 공급, 엔코더 카운터의 역할을 수행한다. 그림 3은 내부 하드웨어 구성을 잘 보여준다.
2. 실험평가
제작된 로봇의 핸들에 걸리는 힘과 로봇의 속도관계를 실험했다. 로봇에 탑승하여 핸들에 일정한 힘을 주어 앞뒤로 이동하는 실험을 수행했다. 그림 4를 보면 주어진 힘과 이동로봇의 속도와의 관계가 나타나 있다[3].
두 바퀴 구동 수송체 시스템
대표적인 두 바퀴 구동 일인용 수송체 이동로봇은 세그웨이이다[4]. 세그웨이는 두 바퀴로 균형을 유지하며 근거리를 이동하거나 넓은 실내에서 이동하는 수송체 시스템으로 가장 성공한 수송체 이동 로봇이다. 그림 5에서 보듯이 직립형과 착석형으로 나눌 수 있는데 착석형은 최근에 연구가 진행되고 있다. 
그림 5(a)의 구조와 그림 1(b)의 구조를 비교해 보면 그림 1(b)의 경우가 안정적이지만 좁은 공간에서 회전반경이 큰 것을 알 수 있다. 하지만 그림 5(a)의 경우에는 제자리에서 360도 회전할 수 있고 안정성만 확보되면 기동성이 우수한 것을 알 수 있다.
두 바퀴로 이동하는 수송체 시스템에서는 균형을 유지하는 것이 가장 중요하므로 이를 위한 연구가 활기차게 진행되고 있다[5-11].
1. 실제 시스템
충남대학교 ISEE 실험실에서 제작한 두 바퀴 구동 차량용 이동로봇이 그림 6에 나타나 있다[12]. 일반 이동로봇 모드와 밸런싱 모드로 운용이 가능하다. 앞부분의 캐스터가 위로 올라가게 되면 두 바퀴 구동 밸런싱 모드로 작동한다. 한 사람이 탑승할 수 있으며 실제 자동차를 운전하는 것처럼 핸들로 조향을 하고 브레이크 페달로 차를 멈춘다.
그림 6의 제작된 이동로봇의 경우 2개의 24V DC 모터(150W)로 구동되며 각각의 모터에는 엔코더가 부착되었다. 
모터에 장착된 바퀴의 반지름은 20cm이며, 양 바퀴의 거리는 70cm로 제작했다[9,10].
그림 7의 내부 하드웨어 구조를 보면 전원은 총 5개의 납축전지로 구성되어 있으며, 그중 4개의 12V 12AH 납축전지를 직렬로 연결하여 24V로 만들어 모터의 전원으로 사용하며, 1개의 납축전지는 컨트롤러의 전원으로 사용하고 있다. 
주 제어기로는 DSP를 사용하고 있다.
그림 8은 제어패널을 보여준다. 현재 차량의 속도와 같은 차량의 정보들을 나타낸다. LabView를 사용하여 제작했다.
2. 제어방법
두 바퀴 구동 이동로봇의 경우 전 호에서 소개했던 것과 같은 제어방법을 사용한다. 균형각과 헤딩각 그리고 위치를 제어한다. 기본적으로 PID 제어방식을 사용하지만, 균형각의 제어에 있어서 적분 제어기는 누적 오차의 영향으로 사용하지 않는다. 오른쪽 왼쪽 바퀴의 토크 입력은 식 (1)과 같다.
여기서 θ는 균형 각도이고 ø는 헤딩각, ω는 헤딩각속도, P는 위치, ν는 속도, Ki는 제어기 이득값이다. 제어기 이득값의 설정은 실험을 통해 구한 값을 사용했다. 그림 9에는 제어블록도가 나타나 있다.
3. 제어기 성능 실험
두 바퀴로 구동하는 수송체의 성능을 실험하기 위해 실내와 실외에서 주행했다. 그림 10은 실내 주행을 보여주고 그림 11은 실외 주행을 보여준다. 
그림에서 보듯이 두 바퀴로 균형을 유지하며 주행하는 것이 가능함을 알 수 있다.
캠퍼스 안내용 수송체 시스템
두 바퀴 구동 일인용 수송체 시스템이 성공적으로 주행하는 것을 실험으로 확인했다. 이 로봇을 크게 확장하여 두 명이 탑승할 수 있는 엔터테인먼트용 수송체(ATR : Amuse-TransBot) 시스템을 설계 및 제작했다.
1. ATR 시스템의 구조
ATR의 목적은 방문객이 캠퍼스와 같은 넓은 공간을 구경하며 안내방송을 들을 수 있고 즐길 수 있는 서비스를 제공하는 것이다. 그림 12에 보인 것처럼 두 명이 탑승할 수 있고 자동차처럼 운전하는 형태이다[11]. 
기본적인 두 바퀴 구동 메커니즘은 같지만, 앞뒤로 바운싱하며 즐길 수 있는 오락모드가 추가된 것이 특징이다. 그림 13은 실제 제작한 ATR의 모습이다.
차량을 제어하기 위한 하드웨어는 그림 14에 나타나 있는 것처럼 DSP와 ATMega128을 사용했다. 
균형을 유지하기 위한 센서부가 나타나 있는데 알고리즘은 이전 호에 소개된 것과 같은 Complementary 필터를 사용했다[8].
2. ATR 시스템의 제어
사람을 운반하는 수송체에 적용하여 가능성을 확인해 보았다. 일인에서 확장하여 이인용 수송체 이동로봇을 제작했다. 두 바퀴 구동 수송체의 경우 좁은 공간에서의 움직임이 탁월하고 근거리 이동용으로 적합하므로 전기자동차 시대에 활용 가능성이 매우 높다.
3. 제어 성능 실험
1) 균형 유지 실험
먼저 균형 유지 실험을 했다. 두 바퀴로 균형을 유지하며 제자리 회전하도록 무선조종기로 조정했다. 그림 15에서 보면 균형을 유지하며 제자리에서 회전하는 것을 볼 수 있다[11].
2) 외란실험
다음으로 외란에 대한 성능 실험을 수행했다. 균형을 유지하고 있는 로봇차량의 바퀴를 발로 여러 차례 차면서 균형에 대한 성능을 확인했다.
그림 16에서 보면 ATR의 바퀴를 실제로 발로 차는 모습이다. 
그림 17은 균형을 유지하는 각도의 데이터이다. 
여러 번의 외란이 있었지만, 균형을 잘 유지하는 것을 볼 수 있다[11].
3) 탑승 및 실내 주행 실험
마지막으로 두 명이 차량에 탑승하고 실내 주행을 했다. 그림 18은 두 명을 태우고 두 바퀴로 균형을 유지하며 주행을 하다가 좁은 실내에서 360도 회전하는 모습이다.
4) 실외 주행 실험
ATR의 궁극적인 목적은 실외에서 주행하는 것이다. 실외에는 언덕도 있고 땅도 고르지 않기 때문에 실내에서의 주행과는 성능의 차이가 있다.
그림 19는 실외에서 언덕을 주행하는 것을 보여준다. 
조종기로 조정하며 뒤따르는 모습을 보여준다. 실험을 통해 언덕을 등판하는 가능성을 확인했다.
맺음말
이 글에서는 다양한 형태의 수송체용 이동로봇에 대해 소개했다. 일인용에서부터 이인용, 서서 타는 것에서 앉아서 타는 것 등 다양한 로봇을 소개했다.
실외주행이나 균형 제어의 성능 등을 확인했지만, 아직 통합된 시스템으로서의 성능을 검증하지 못한 상태이므로 계속된 연구가 필요하다.
전기자동차 시대에 맞추어 수송체 이동로봇에 대한 관심이 급격하게 증가하고 있는 것이 사실이나 현 시점에서 해결해야 할 점이 아직 많이 남아있다. 이동로봇의 정점이라 할 수 있는 자율주행에 대한 연구가 함께 병행되어야 한다. 자동화 관련 중소기업체에서도 미래의 전기자동차 시대가 다가옴을 준비하여 일반전기자동차뿐만 아니라 근거리용 수송체 이동로봇에 관심을 두기를 바란다. 
