This thesis lays a theoretical foundation for omnidirectional wheeled mobile robots. Omnidirectional mobile robots are those that can steer their motion in any direction in the configuration space. The requirement necessitating the reorientation of the wheels before steering gives rise to nonholonomic robots, and when the reorientation of the wheels is not necessary, holonomic robots result. Since the mechanisms depend on the wheels for mobility, typical approaches to building such systems have been designing omnidirectional wheels which have at least two DOF in motion relative to the robot body. However, since the motion of wheeled mechanisms is subject to constraints imposed by the wheels, the properties of motion constraints, rather than omnidirectional wheel requirements, must be taken into consideration in developing omnidirectional wheeled mechanisms. In this thesis, the structural conditions of the motion constraints are derived for holonomic and nonholonomic omnidirectional motion. Using the derived conditions, omnidirectional mobility can be determined without finding the robot Jacobian in a closed form. Also, the wheel configurations for omnidirectional motion can be decided.
In addition to omnidirectional mobility, the derived structural conditions also imply the existence of constraints on joint motions, called joint motion constraints in this thesis, if there is actuation redundancy or the existence of constraints on robot motion, called robot motion constraints in this thesis, if the robot motion is nonholonomic. These constraints can be found using the structural conditions. The actuation redundancy results in an over-constraint problem which leads to temporal body deformation or tire slippage. To overcome such problems of conventional omnidirectional robots, the mobility augmentation method (MA) is proposed to produce omnidirectional motion with conventional wheeled bases with the degree of mobility less than three. It is shown that combined with a revolute/prismatic joint, some conventional wheeled bases with the degree of mobility less than three can pro-duce omnidirectional motion if their kinematic model satisfies the structural conditions of omnidirectional robots. Several non-conventional omnidirectional robots are constructed using the MA method to verify the method. Such non-conventional omnidirectional mechanisms do not suffer from typical problems of conventional omnidirectional mechanisms. A comparison study is performed between conventional and non-conventional omnidirectional mechanisms in terms of wheel characteristics, minimum number of actuators, manipulability, and the fault tolerance property.
One of the non-conventional omnidirectional structures is further improved to develop the OmniKity robot series. A novel gear train is proposed so that in addition to the omnidirectional property, the mechanism provides a fault-tolerance property in case of the failure of any one of the three motors. This is possible because when any one of the actuators fails, by virtue of the proposed gear train, the entire structure becomes similar to conventional, differentially driven bi-wheeled mobile robots subject to nonholonomic constraints. Subject to the constraints, controllability is maintained. Control laws are provided both for the omnidirectional mode when all three actuators are intact and for the non-omnidirectional mode when one of the actuators fails. Experimental results show the efficacy of the proposed control scheme.
전방향 이동 로봇은 절대 좌표계에 대해 주어지는 로봇의 위치 및 각도로 구성된 자세 공간 내에서 임의의 방향으로 움직일 수 있는 로봇을 말한다. 이 때 로봇의 방향을 바꾸기 전에 바퀴 방향을 재배열해야 하는 로봇을 nonholonomic 방식의 전방향 로봇, 재배열할 필요없이 매 순간 방향을 원하는 대로 변경할 수 있는 로봇을 holonomic 방식의 전방향 로봇이라 지칭한다. 이 때 holonomic 및 nonholonomic의 구분은 로봇의 움직임에 대한 제약식의 특성을 지칭하는 것이며, 로봇에 존재하는 모든 제약식이 holonomic 또는 nonholonomic이라는 것을 의미하지는 않는다. 지난 20년간 전방향 이동 로봇의 연구는 로봇의 몸체에 대하여 두 개 이상의 자유도를 가지는 전방향 바퀴의 개발을 중심으로 수행되어 왔다. 본 논문에서는 이러한 전방향 바퀴의 특성보다는 바퀴 등에 의해 로봇의 속도에 가해지는 제약식의 특성에 초점을 두어, 먼저 이를 matrix-vector 형태로 표현한 후 전방향 이동 로봇이 되기 위해서 로봇 속도 제약식이 만족해야 하는 기구학적 조건들을 유도하였다. 로봇의 속도 제약식은 각 바퀴들의 위치 및 방향 등을 지정하는 파라메터들로 표시되므로 로봇의 Jacobian을 구하지 않고도 유도된 조건들을 이용하여 로봇이 전방향성을 가지도록 하는 각 바퀴들의 위치 및 방향을 결정할 수 있다. 유도된 조건들로부터 로봇 내에 여분의 자유도가 생기는 경우 구동기들 사이에 존재하는 제약식(본 논문에서는 이를 joint motion constraint라고 부른다.)을 도출할 수 있으며, nonholonomic 방식의 전방향 로봇의 경우 로봇 자세 변수들 사이에 존재하는 제약식(본 논문에서는 이를 robot motion constraint라고 부른다.)을 도출할 수 있다.
유도된 전방향 로봇의 기구학 조건들을 바탕으로 moblity augmentation 기법(MA)을 제안하고 MA 기법을 적용하여 지금까지 개발된 전방향 이동 로봇(본 논문에서는 이를 conventional omnidirectional wheeled mobile robot라고 부른다.)과는 다른 새로운 전방향 이동 로봇(본 논문에서는 이를 non-conventional omnidirectional wheeled mobile robot라고 부른다.)들을 제안하였다. 제안된 non-conventional omnidirectional wheeled mobile robot들은 기존의 로봇들이 가지는 미끄러짐 문제(ballwheel), 바닥과의 불연속 접지 문제(Mecanum) 및 구동기들 사이의 over-constraint 문제(offset-centered orientable tirewheel)들을 가지지 않는다. 제안된 로봇들과 기존의 대표적인 전방향 로봇들에 대하여 바퀴 특성, manipulability, 최소 구동기 수 및 구동기 고장에 대한 자세 제어 내고장성 등의 측면에서 비교 연구를 수행하였다.
마지막으로 MA 기법에 기반한 non-conventional omnidirectional wheeled mobile robot인 OmniKity robot series를 개발하였다. OmniKity-I은 7.5cm(W)×7.5cm(L)×8.5cm(H) 크기의 로봇으로 제안된 구조가 전방향성을 가짐을 검증하였으며, OmniKity-II는 15cm(W)×15cm(L)×20cm(H) 크기에 카메라 및 적외선 센서 등이 부착되어 있으며 위치 추정 등의 실험에 이용되었다. OmniKity-III는 20cm×20cm×25cm 크기로 카메라 및 초음파 센서를 가지고 있고 자체 센서 정보 처리를 위하여 Pentium-II 컴퓨터를 장착하고 있다. OmniKity-III에서는 새로운 기어 train을 제안함으로써 세 개의 구동기 중에서 하나가 고장나는 경우에도 로봇의 자세 제어가 가능하도록 하였다. OmniKity-III의 자세 제어를 위해 모든 모터들이 정상적으로 동작하는 경우 및 하나의 모터가 고장나는 경우에 대한 제어 기법을 제안하였다. 이는 구동기 고장 검출 필터와 결합하여 로봇이 내고장성을 가지면서 자세 제어를 가능하게 한다. 제안된 로봇 구조 및 제어 기법 등의 타당성은 실험을 통하여 검증되었다.
