In this thesis, a nonholonomic two wheeled inverted pendulum type mobile robot is proposed. As one of the service robot in near future, the dynamics and control and its analysis and experiment are executed.
Because of the increased use of robots in various fields, the dynamics of many kinds of robots have to be carefully analyzed and well understood to ensure safe and stable operation. This study is concerned with the development, dynamics, and control of a two-wheeled inverted pendulum robot. The robot mechanism of two wheeled inverted pendulum type is innately unstable, so stabilization of the robot's body posture is needed. For the full comprehension with further analysis and practical execution, the exact dynamics of this robotic mechanism are derived with the aid of modeling. By using the governing equations of motion, we analyzed several issues concerning the dynamics under specific situations and found a solution for upgrading the driving ability with more stable balancing. For more analytic experiments, the current mode motor dynamics are applied. To complete the possible motion of this robot, the experiments with upright balancing, rectilinear motion, and spinning motion are executed and confirmed. Through the experiments with a consequence of understanding and analyzing of the dynamics, the driving ability of the robot system is enhanced as the stability well as the maximum speed.
본 논문에서는 실내 환경에서 평면 주행을 통해 동작을 구현하는 논홀로노믹 이륜 도립진자형 주행로봇에 대하여 동역학을 해석하고 제어 시스템을 구성하며 자세각 제어 및 주행 제어에 대한 실험 등을 기술하였다.
근 미래에 로봇이 사용될 환경은 공장에서 노동력을 대신하는 것만을 넘어서서 손이 닿지 않는 우주 개발이나, 인간과 친숙한 가정과 사무 환경 등으로 확장될 것이며 이미 그렇게 되어가고 있다. 이륜 도립진자형 주행로봇은 인간 생활과 밀접한 곳에서 서비스 로봇의 한 형태로 사용될 수 있으며, 제어시의 약간의 불안정성과 두 바퀴만이 가지는 선회 능력 등이 그 이유가 될 수 있다. 이러한 이륜로봇에 대하여 2차원적인 동역학에 대하여 자세히 기술하였으며 이는 이전까지의 연구에서 기술되지 않은 사항 등을 포함하고 있다. 구해진 운동방정식과 모터의 동역학을 이용하여 제어 시스템을 구축하였으며 시뮬레이션을 통해 경사면에서의 거동과 선회의 영향 등을 분석하였다. 또한 실제 제작된 로봇 시스템의 실험을 통하여 구해진 동역학을 이용한 제어 시스템이 정확히 구현됨을 확인하였고, 다양한 동작이 구현 가능함을 확인하였다. 실험을 통해 자세각이 보다 안정된 형태로 균형 유지가 가능하고, 이를 유지한 채로 더 높은 속도의 직선 운동이 가능함을 확인하였다.
