In a two-wheeled mobile platform like a bicycle, the wheels are arranged in the longitudinal direction. However, if the wheels are arranged in parallel, that mobile platform becomes an unstable system. In that case, if there is no control input for balancing, then the system falls down. We call this kind of system an inverted pendulum. With proper position commands, we can stabilize the inverted pendulum and use it as a self-balanced mobile platform. The most famous two-wheel, self-balanced mobile platform is the Segway. However, because the Segway is very expensive, many people can’t afford it. We made our own Segway which we named huboway. Huboway is named after the hubo and Segway.
In case of Segway, it is designed only for humans. However, the huboway can carry a human or a humanoid robot like hubo. While a human rider can balance even in an unstable situation, it is difficult for the hubo to balance a mobile platform by itself. To solve this problem, we made two different balancing algorithms. When a human rides the huboway, he/she balances on mobile platform and gives position input to huboway by leaning forward or backward. Basically, the human and huboway balance together. However, the hubo cannot balance itself; it remains in a fixed posture on the platform, and huboway balances itself. We designed an optimal controller using full-state feedback. Unfortunately, This controller is very sensitive to disturbance. With a disturbance observer, we can measure the disturbance force. The estimated disturbance force can be used to improve the control. This robust control algorithm keeps huboway stable even if disturbance is applied. This way, the huboway can carry any arbitrary body safely.
자전거와 같은 이륜이동차의 경우 바퀴가 진행방향과 일치하여 놓여있다. 하지만 두 바퀴가 진행방향과 직각으로 되어 병렬로 위치하게 되면 이러한 이륜이동차는 불안정한 시스템이 된다. 이 경우 적절한 제어기가 있어야지만 균형을 잡고 서 있을 수 있다. 우리는 이와 같은 시스템은 흔히 역진자 시스템이라고 부른다. 적절한 위치명령을 통해 역진자를 세우면 역진자를 이륜자기균형이동차로 사용할 수 있다. 이러한 이륜자기균형이동차는 대표적으로 세그웨이를 들 수 있다. 하지만 세그웨이의 경우 매우 고가여서 많은 사람들이 쉽게 사용할 수 없는 실정이다. 그래서 누구나 쉽게 즐길 수 있는 자작 세그웨이, 즉 휴보웨이를 개발하였다.
세그웨이의 경우 주로 인간을 태우도록 설계되었다. 하지만 휴보웨이의 경우 인간과 휴보와 같은 휴머노이드 로봇을 태울 수 있다. 인간의 경우 휴보웨이 위해서 아무런 제어가 없는 상황에서도 어느 정도 균형을 잡고 서 있을 수 있으나 휴보의 경우 그것이 불가능하다. 이러한 문제를 해결하기 위해 인간이 탑승하였을 때와 휴보가 탑승하였을 경우에 대해 서로 다른 균형 알고리즘을 개발하였다. 인간이 휴보웨이를 타고 있을 때는 인간은 균형이동차 위에서 어느정도 스스로 균형을 잡고 그 상태에서 앞, 뒤로 몸을 기울여 위치 명령을 휴보웨이에게 준다. 기본적으로 이러한 균형 알고리즘은 인간과 휴보웨이가 협동하여 균형을 이루게 한다. 반면 휴보가 탑승하였을 때는 휴보는 이륜균형차 위에서 가만히 있고 휴보웨이가 최적 제어 알고리즘에 의해 스스로 균형을 잡는다. 하지만 이 알고리즘은 외란에 매우 민감한 단점이 있다. 이를 보완하기위해 외란 측정기를 사용하여 외란을 측정하고 그에 따른 위치명령을 생성하여 외란에도 순응적으로 반응하는 강인제어 알고리즘을 설계하였다. 이러한 방식으로 휴보웨이는 인간과 인간이 아닌 임의의 물체를 안전하게 운송할 수 있다.
