A novel leg-wheel hybrid structure with a balance control algorithm has been proposed for robots to perform various tasks dynamically and stably such as locomotion, manipulation, and expression. The designed mechanism and balance control algorithm were focused to make a robot continue its desired body trajectories regardless of the external forces. The omnidirectional property of the robot body has been obtained by using three leg-wheel hybrid structures with offset distance between steering and wheel axis. As a result this structure cannot compensate external forces from any direction but also perform various human body motions completely. By combining legs and wheels together several advantages have been achieved such as high speed, high energy efficiency, high adaptability, and high dynamic stability.
From the kinematic and dynamic analysis it has been determined that this system has kinematic and dynamic constraints from the no-slip and contact conditions and the dynamic equation can be combined with the constraints into the matrix form. Also the similarity and difference with the general manipulation system was clarified by comparing equations of motion with constraints. The redundancy in each leg has been adopted for the balance control intentionally. By using these redundancies a robot can change contact area while continuing its body postures and can resist falling down to the ground.
Robot`s tasks are defined as kinematic constraints in the both velocity and acceleration levels considering priorities which are constraint, balance, locomotion, and expression in the order of the high priority to the low priority. Then these are combined to generate robot`s joint velocity and acceleration by using Chiaverini`s method. Dynamic decoupling and control allocation method are utilized to overcome the high frequency oscillation problem and the unbalanced control effort problem which arise from the individual joint PD control. The effect of the proposed algorithm, balance control with dynamic decoupling and control allocation, has been shown in the simulation by measuring the maximum distance which a robot can move within 2seconds stably.
New advertising robot iAdBot (Interactive Advertising Robot) has been designed by using the proposed leg-wheel hybrid structure, and one leg and a part of the body have been constructed to test the designed structure. The experiment was conducted with the slow and fast motions, and it was shown that the robot can generate various dynamic gestures.
로봇이 이동, 조작, 표현 등과 같은 다양한 작업을 역동적이면서 안정적으로 수행하기 위한 새로운 다리-바퀴 복합구조가 자세제어 알고리즘과 함께 제안되었다. 설계된 구조와 자세제어 알고리즘은 로봇이 외력에 상관없이 주어진 몸통의 경로를 유지하도록 하는데 초점이 맞춰졌다. 조향축과 바퀴축 사이에 오프셋 거리가 추가된 세 개의 다리-바퀴 복합구조를 사용하여 로봇 몸통의 전방향성을 얻을 수 있었다. 그 결과 본 구조는 모든 방향에서의 외력을 보상할 수 있을 뿐만 아니라 다양한 사람의 몸통 동작을 모방할 수 있다. 다리와 바퀴를 복합하여 높은 속도, 높은 에너지 효율성, 높은 적응성, 그리고 높은 동적 안정성과 같은 다양한 이점을 얻을 수 있다.
기구학적 그리고 동역학적 해석을 통하여, 본 구조는 No-Slip조건과 지면과의 접촉조건으로부터 기구학적 그리고 동역학적 구속조건을 갖는다는 것을 확인하였고, 운동방정식이 구속조건들과 함께 행렬형태로 묶일 수 있음을 보였다. 또한 General Manipulation System과의 유사성 및 차이점에 대해 살펴보았다. 자세제어를 위하여 각 다리에 여유자유도가 추가되었다. 세 개의 여유자유도를 이용하여 로봇은 몸통의 자세를 유지하면서 접촉점을 변경하여 넘어지는 것에 저항할 수 있다.
로봇의 작업들은 구속, 자세, 이동, 그리고 표현의 순서로 우선순위를 고려하여 속도 수준과 가속도 수준에서 기구학적 구속조건들로 정의된다. 그리고 Chiaverini의 방법을 사용하여 로봇 조인트의 속도와 가속도를 생성하기 위해 결합된다. 개별 조인트 PD 제어를 사용할 때 발생하는 높은 주파수의 진동과 불균형된 제어입력 문제를 해결하기 위해 Control Allocation과 Dynamic Decoupling방법이 사용되었다. 제안된 Dynamic Decoupling과 Control Allocation을 이용한 자세제어 알고리즘의 효과는 2초간 로봇이 안정적으로 이동할 수 있는 최대거리를 시뮬레이션 상에서 측정하여 확인되었다.
제안된 다리-바퀴 복합구조를 이용하여 새로운 광고로봇 iAdBot(Interactive Advertising Robot)이 설계되었고, 그 중 하나의 다리와 몸통의 일부분이 설계된 구조를 테스트하기 위해 제작되었다. 실험은 느린 동작과 빠른 동작에 대해 수행되었고 로봇이 다양한 역동적인 제스쳐들을 표현할 수 있다는 것이 확인되었다.
