2자유도 양팔형 모노휠 이동로봇 설계 및 정적 피드포워드 PID 기반 롤 제어 = Design of the 2-DoF dual-armed mono-wheel mobile robot and roll control based on Static feedforward PID

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, the use of mobile robots has been expanding not only in logistics, manufacturing, and service industries but also across everyday life, and the importance of their applications continues to grow. As the application domains of mobile robots diversify, key requirements are increasingly emphasized beyond mere locomotion performance, including the ability to operate under space constraints, structural simplification, ensuring stability, and improving energy efficiency.
The mono-wheel mobile robot, which operates using a single wheel, features a structure in which the overall system is placed inside or integrated with the wheel, providing advantages in spatial efficiency and mechanical simplicity. Unlike conventional four-wheeled robots, mono-wheel robots exhibit inherently unstable dynamics that require dedicated balance control mechanisms during motion.
Balance control techniques for mono-wheel robots can be categorized into two primary approaches: inertial control using flywheels or gyroscopes, and center-of-mass (CoM) shifting control. Although flywheel- and gyroscope-based stabilization can be effective, these methods suffer from drift during long-term operation and incur high costs. Therefore, research on simpler and more economical CoM-shifting–based balance control is required to reduce reliance on gyroscopic mechanisms.
This paper proposes the design of the 2-DoF dual-armed mono-wheel mobile robot and a roll control system based on a static feedforward PID method. The robot shifts its center of mass by adjusting the angles of two mass-loaded arms, enabling not only balance regulation but also maintenance of a desired roll angle.
The robot consists of one DC motor for driving, two servo motors for roll control, an IMU sensor, an encoder sensor, and an embedded controller. Although two servo motors are used, they move dependently; therefore, the system has one attitude-control DoF and one driving DoF, resulting in a total of 2 degrees of freedom.
PID-based control for target linear velocity is applied to driving control, while a static feedforward PID approach is used for roll control. The static feedforward controller regulates the roll angle by analyzing the relationship among the contact point, the overall CoM, and the current and target roll angle, ensuring that the x-coordinate of the CoM coincides with that of the contact point even when the robot is tilted. A PID-based target-roll tracking controller is added to compensate for disturbances.
The proposed roll control algorithm was validated through multi-body dynamics simulation and experimentally verified on a physical prototype. Furthermore, although gravitational and centrifugal moments should theoretically cancel out when driving in a tilted condition—meaning that rotation should not occur—experimental results demonstrated a tendency for the robot to steer toward the direction of tilt.

국문 초록 (Abstract)

최근 물류, 제조, 서비스는 물론 일상생활 전반에서 이동로봇의 활용이 확대되고 있으며, 그 응용 중요성도 지속적으로 증가하고 있다. 이동로봇 적용 분야의 다양성으로 인해 단순한 주행 성능을 넘어 공간 제약 대응, 구조 단순화, 안정성 확보, 에너지 효율 향상과 같은 요구 조건이 핵심적으로 부각되고 있다.
모노휠 이동로봇(Mono-wheel mobile robot)은 단일 바퀴 구조를 갖는 이동로봇으로, 전체 구조가 바퀴 내부 또는 바퀴와 일체화된 형태로 구성되어 공간 활용성과 단순화된 기구 구조를 장점으로 한다. 기본적으로 4륜구동 이동로봇과 비교하여 주행 중 균형을 유지해야 하는 불안정한 동역학 특성을 갖기 때문에 별도의 제어 메커니즘이 필요하다는 특징이 있다.
모노휠 로봇의 제어기법은 크게 2가지 방법으로 나뉜다. 플라이휠 및 자이로스코프를 활용한 관성 제어 방식, 무게중심 이동을 이용한 평형 제어 방식이다. 이때 플라이휠 및 자이로스코프를 활용한 균형 제어 방식은 장시간 사용시 드리프트 현상 발생 문제와 높은 비용이 발생한다는 단점이 있다. 따라서 자이로스코프에 대한 의존을 줄이고 보다 단순하면서도 경제적인 균형 제어 방식에 관한 연구가 필요하다.
본 논문에서는 2자유도 양팔형 모노휠 이동로봇을 설계하고 정적 피드포워드(Static feedforward) PID 기반 롤 제어 시스템 제안한다. 무게추가 달린 양팔 각도를 변화시켜 무게중심을 이동시키는 방식으로 구동되며, 단순한 균형 제어가 아닌 목표 롤로 기울인 채 유지하는 것을 특징으로 가진다.
로봇은 크게 주행용 DC 모터 1개, 롤 제어용 서보모터 2개, IMU 센서, 엔코더 센서, 제어기로 구성되어 있고, 로봇 내부에서 회전하는 구동부가 움직이면서 무게중심의 변화가 생겨 주행한다. 서보모터가 2개이지만 서로 종속적으로 움직이기 때문에 자세제어용 자유도 1개를 가지며, 주행용 자유도 1개를 가짐으로써 총 자유도는 2개이다.
주행 제어에는 목표 직선 속도 PID 기반 제어를, 롤 제어에는 정적 피드포워드 PID 기반 제어 알고리즘을 적용하였다. 정적 피드포워드 제어는 접촉점과 로봇 전체 무게중심, 현재 및 목표 롤 사이의 관계를 분석하여 롤을 제어하는 알고리즘으로, 로봇이 기울어진 상태에서 무게중심의 x 좌표와 접촉점의 x 좌표가 같도록 한다. 해당 알고리즘에 목표 롤 PID 기반 제어를 추가하여 외란 및 오차를 보상하도록 하였다.
개발한 롤 제어 알고리즘을 Multi-body dynamics 시뮬레이션을 통해 검증하고, 실제 로봇에 적용하여 실험을 수행함으로써 성능을 확인하였다. 이때 본 논문에서 제안하는 로봇은 기울어진 상태에서 주행할 때 중력 모멘트와 원심력 모멘트가 발생하지 않기 때문에 회전하지 않아야 하지만, 주행 실험을 통해 로봇이 기울어진 방향으로 회전하는 경향을 가지는 것을 추가적으로 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• Nomenclatures Ⅳ
• List of Tables Ⅷ
• List of Figures Ⅸ
• Abstract Ⅺ
• 제 1장 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 필요성 4
• 1.3 연구 개요 4
• 제 2장 2자유도 양팔형 모노휠 이동로봇 설계 5
• 2.1 Mono-wheel robot 6
• 2.1.1 모노휠 로봇 주행 원리 6
• 2.1.2 모노휠 로봇 제어기법 7
• 2.1.3 모노휠 로봇 스티어링 원리 9
• 2.2 센서 11
• 2.2.1 IMU 11
• 2.2.2 엔코더 12
• 2.3 데이터 통신 14
• 2.3.1 직렬 통신 14
• 2.3.2 SPI 통신 14
• 2.3.3 CAN 통신 15
• 2.4 제어 보드 설계 16
• 2.4.1 전원 설계 16
• 2.4.2 회로 및 제어 보드 설계 17
• 2.5 2자유도 양팔형 모노휠 이동로봇 설계 19
• 2.5.1 주행 및 자세제어 메커니즘 19
• 2.5.2 바퀴 단면 상세설계 20
• 2.5.3 로봇 사양 22
• 제 3장 주행 및 롤 제어 24
• 3.1 주행 제어 24
• 3.1.1 주행 제어 파라미터 설정 및 직선 속도 계산 25
• 3.1.2 주행 PID 제어 27
• 3.1.3 주행 제어 알고리즘 개발 28
• 3.2 롤 제어 30
• 3.2.1 롤 제어 파라미터 설정 30
• 3.2.2 모멘트 평형 분석 32
• 3.2.3 정적 피드포워드 제어 33
• 3.2.4 롤 PID 제어 36
• 3.2.5 롤 제어 알고리즘 개발 37
• 3.3 롤 제어 알고리즘 검증 시뮬레이션 40
• 3.3.1 Multi-body dynamics 40
• 3.3.2 정적 피드포워드 제어 알고리즘 성능 검증 41
• 3.3.3 롤 제어 알고리즘 성능 검증 43
• 제 4장 롤 제어 및 주행 실험 46
• 4.1 롤 제어 실험 46
• 4.1.1 롤 제어 실험 47
• 4.1.2 롤 제어 실험 48
• 4.1.3 롤 제어 실험 결과분석 49
• 4.2 주행 실험 50
• 4.2.1 주행 실험 50
• 4.2.2 주행 실험 54
• 4.2.3 주행 실험 결과분석 58
• 제 5장 결론 59
• 참고문헌(References) 60
• 영문초록(Abstract) 63
• 감사의 글 65