This thesis describes about ZMP stabilization methods of mobile manipulators for rapid object delivery and model-based stabilization methods based on the compliant control of the manipulator. The wheeled mobile manipulator has the best mobility on the flat ground. However existing mobile manipulators have low acceleration and speed performances. In the case of mobile service robots, they have the certain level of high center of mass to interact with human. In that case, mobile service robots have a possibility to easily rollover in the high acceleration. To overcome this limitation, various researches about the motion planning method to stabilize the mobile manipulator have been studied. However, most of researches were confined to simulation results and did not apply to the actual mobile robot. This was due to the complexity of existing algorithms and the lack of the rapid mobile manipulator.
In this thesis, we develop the rapid mobile manipulator and ZMP stabilization methods which are simply applicable to the actual mobile manipulator in the real-time. We prove the maximum velocity of over 12km/hr and the maximum acceleration of over 0.5g through experimental results. The flat ground which the rapid mobile manipulator moves has some irregularity. At this high speed, the ground disturbance due to the ground irregularity becomes a crucial problem for stability. To solve this problem, we propose the active suspension system equipped with the complaint control. The manipulator is controlled by the Cartesian computed torque method for compliance. Using these algorithms, we show that the object delivery is possible in a high speed though experimental results. The conversion algorithm to transform from a four-wheel driving mode and a two-wheel driving mode and vice versa is proposed. Though the conversion algorithm, it is possible to use a four-wheeled ZMP stabilization mode and a two-wheeled self-balancing mode. And also we propose the human-riding mode that the human can ride on the mobile manipulator. Adjunctively, we propose the explicit force control method to realize the 5-DOF exoskeleton system using the force/torque sensor. Though experimental results, we show that the user can lift the external load by applying the 10% force of the actual load.
본 논문은 모바일 매니퓰레이터의 고속 주행 및 고속 물건 이송을 위한 ZMP 안정화 방법과 매니퓰레이터의 강성 제어를 통한 시스템 안정화 방법에 대하여 서술하고 있다. 모바일 매니퓰레이터는 생활 평면상에서 빠른 속도로 이동하는데 매우 적합한 이동성을 갖추고 있다. 하지만 기존의 모바일 매니퓰레이터는 이러한 빠른 이동성에도 불구하고 큰 가속과 감속 그리고 빠른 속도를 내지 못하는 한계점을 가지고 있다. 예를 들어 서비스 로봇으로 사용되는 모바일 매니퓰레이터의 경우, 사람과 상호작용을 위해 무게중심이 지면에서 상당히 위쪽에 존재하게 되고 큰 가속이나 감속이 이루어 질 경우 전복될 위험을 가지고 있다. 이러한 한계점을 극복하기 위해 상부 매니퓰레이션 시스템의 모션 계획을 통한 안정화 제어 방법에 대한 연구가 최근까지 활발히 진행되어왔다. 하지만 대부분의 연구가 시뮬레이션 결과를 보여주는데 국한되었고 실제 모바일 매니퓰레이터에 적용되지는 못하는 한계점을 가지고 있었다. 이는 알고리즘이 가지고 있는 복잡성과 빠른 속도로 이동할 수 있는 모바일 매니퓰레이터의 부제에 의해 발생하였다.
본 논문에서는 빠른 속도로 이동이 가능한 모바일 매니퓰레이터를 개발하였고 또한 상부 매니퓰레이터를 이용해 비교적 간단하고 실시간으로 구현이 가능한 동적 ZMP안정화를 실현하였다. 실험을 통해 최대 12km/hr 이상의 속도와 0.5g 이상의 가속도를 낼 수 있음을 증명하였다. 모바일 매니퓰레이터가 움직이는 대부분의 생활 평면은 완벽하게 고르지가 못해 크고 작은 요철이 존재한다. 이러한 지면에서 모바일 매니퓰레이터가 고속으로 움직일 경우, 지면 외란에 의해 불안정해 질 수 있는 문제점을 가지고 있다. 이를 해결하기 위해 모델 기반의 매니퓰레이터 강성 제어를 실현하여 외란에 의해 상부 시스템이 불안정해지는 상황을 억제하였다. 이를 통해 물건을 상부 매니퓰레이터에 올려놓고도 빠른 속도로 배달하는 것이 가능하도록 하였다. 2륜 균형 제어 모바일 로봇으로의 변환 알고리즘을 통해 4륜 ZMP제어모드와 2륜 균형 제어 모드로의 변환이 자유롭게 가능하도록 하였고 또한 2륜 균형 제어 모드에서는 사람이 올라타서 조종할 수 있도록 하여 인간 탑승형 로봇으로 사용될 수 있도록 구현하였다. 또한 힘/토크 센서를 이용한 피드백 제어를 통해 5자유도 외골격 시스템을 구축하여 작은 힘으로도 큰 무게를 들어올릴 수 있는 장치를 구현하였다. 실험을 통해 주어진 무게의 1/10 수준의 힘으로도 무게를 들어올릴 수 있음을 증명하였다.
