A Study on a Robot for Moving a Double-parked Car

이중 주차된 차량을 이동하기 위한 로봇에 관한 연구

Abstract

A double-parked car is the one that is parked in a crowded parking lot with its transmission gear in neutral position and its auxiliary brake released. A double-parked car can be moved by pushing it but doing so is very difficult and dangerous. In a previous study, we proposed an omni-directional mobile robot for moving a double parked car. In that study we adopted Mecanum wheels. Even though the proposed robot showed successful results, it has some drawbacks such as dependency on a load condition, complexity in control, inefficiency in power use, etc. To overcome those drawbacks, we propose a differential drive robot with ordinary two tire wheels. The proposed robot consists of two parts, one is a wheel part and the other is a body part. By selectively connecting or disconnecting those two parts with the aid of an electric brake, the proposed robot is able to have omni-directional mobility.

1. 서론

로봇 기술은 근래에 들어 비약적으로 발전하고 있으며 그 적용 범위 또한 산업용 뿐 아니라 우리 실생활의 다양한 분야로 확대되고 있다. 특히 이동 로봇은 초기에 우주 탐사[1] 등과 같이 한정된 전문 영역에서 활용되다가 공장이나 물류 창고에서 물품을 이송하거나[2], 화재 현장[3], 가정이나 사무실 내부, 창문, 선박의 선체[4-6] 청소 등 광범위하게 활용되고 있다. 대부분의 이동 로봇은 바퀴를 사용하여 이동성을 확보하고 있는데, 일반적인 4륜 구동 또는 2륜 구동 이동 로봇은 로봇의 자세를 바꾸지 않으면서도 다양한 방향으로 이동하는 것과 같은 전방향 운동을 할 수 없다는 특성을 갖는다.

전방향 이동 로봇은 측면 주행, 사선 주행 등이 가능하기 때문에 일반적인 이동 로봇이 수행하기 어려운 작업을 수행할 수 있다. 이동 로봇이 전방향성을 갖기 위해서는 메카넘(Meccanum) 휠[7], 직교(Orthogonal) 휠[8]과 같은 특수한 바퀴를 사용하는 것이 대부분이다. 이 중 매카넘 휠을 사용한 전방향 이동 로봇에 많은 연구자들이 집중해 왔는데, 메카넘 휠을 적용한 장애인을 위한 전동 휠체어[9], 메카넘 휠을 적용하여 평지 주행과 관을 타고 관의 상태를 파악할 수 있는 관외주행용 로봇[10], 메카넘 휠의 측면주행을 활용해 계단을 올라가면서 청소를 하는 로봇에 관한 연구[11], 영상 위치 센서와 초음파 센서를 이용한 전방향 구동 로봇 자체의 자동 주차 시스템에 관한 연구 [12] 등이 있다.

이전 연구에서 우리는 이중 주차된 차량을 이동시킬 수 있는 전방향 이동 로봇을 제안하고 구현하였으며 그 활용 가능성을 보였다[13]. 이중주차는 주차공간이 부족한 곳에서 구획된 주차 공간이 아닌 곳에 차량의 기어를 중립으로 유지하고 보조 브레이크를 풀어 놓은 채 주차하는 것을 말한다. 이중 주차된 차량은 대부분의 경우에 정상적으로 주차된 차량의 진로를 방해하는 위치에 주차된다. 따라서 정상 주차된 차량이 이동하기 위해서는 사람이 직접 이중 주차된 차량을 밀어서 이동시켜야 하는데 매우 힘이 들고, 사고나 부상의 위험이 있다. 이러한 문제점을 해결하고자 이 중 주차된 차량을 이동시킬 수 있는 전방향 이동 로봇을 제안하였다. 제안된 로봇은 메카넘휠을 채 택하여 네 개의 바퀴를 이용하여 전방향 이동성을 확보하고 두 개의 회전 롤러를 이용하여 이중 주차된 차량의 바퀴를 회전시킴으로써 차량을 이동시킨다. 비록 이 로봇이 이중 주차된 중형 승용차를 성공적으로 이동 주차시킬 수 있음을 보였으나 메카넘휠을 채택함으로 인해서 주행 안정성 저하 [14], 제어의 복잡성, 전원 사용의 비효율성과 같은 문제점들이 발생되었다. 본 논문에서는 이와 같은 이전 연구에서의 문제점들을 해결하기 위하여 일반적인 두 개의 타이어 바퀴를 가지면서도 전방향성을 구현할 수 있는 새로운 구조의 로봇을 소개한다.

2. 차동 구동 로봇

2.1 이중 주차된 차량 이동용 전방향 이동 로봇

이전 연구에서 제안된 이중 주차된 차량을 이동시키는 전방향 이동 로봇을 그림 1에 나타내었다[13]. 이 로봇은 매카넘 휠 네 개와 롤러 두개를 장착하고 있는데, 롤러 중 하나는 위치가 로봇 몸체에 고정되어 있고, 다른 하나는 위치를 직선적으로 이동시킬 수 있는 구조로 되어 있다. 로봇은 그림 2에서와 같이 두 개의 롤러가 이중 주차된 차량의 바퀴 하나를 양쪽에서 물고 회전시킴으로써 이중 주차된 차량을 이동시키는 구조로 되어 있다. 따라서 두 개의 롤러를 차량의 바퀴 사이에 위치시키기 위해서는 이동 로봇이 이중 주차된 차량의 옆면과 수직인 방향에서 접근가능 해야 한다. 

Fig. 1 An Omni-directional mobile robot for moving a double-parked car

Fig. 2 Moving a double-parked car

그림 3에 나타낸 바와 같이 매카넘 휠은 바퀴 주위에 보조적인 휠들이 배치되어 있는 구조이다. 이러한 구조는 필연적으로 회전 운동의 손실을 가져와 전원 효율성을 떨어뜨리고, 보조 휠들 사이의 공간으로 이물질이 들어가는 경우 의도와 다른 운동을 발생시킬 수 있다. 또한 제어가 복잡한 문제점도 있다. 본 논문에서는 이를 해결하기 위해 매카넘 휠을 사용하지 않으면서도 전방향 이동성을 구현할 수 있는 새로운 구조의 로봇을 제안한다.

Fig. 3 A Mecanum wheel and a roller

2.2 이중 주차된 차량 이동 작업

그림 4는 전방향 이동 로봇이 초기에 임의의 위치에 임의의 방향으로 놓여져 있을 때, 이중 주차된 차량을 이동시키는 과정을 나타낸다. X_w, Y_w는 월드 좌표계이고 X_R, Y_R은 이동 로봇의 좌표계이다. 우측 최상단에 있는 차량이 이중 주차된 차량이다. 이 차량은 기어가 중립으로 놓여 있고, 보조 브레이크가 풀려 있으며, 스티어링 휠은 수평방향으로 놓여 있다고 가정한다. 이와 같은 상황에서 이중 주차된 차량을 밀면 Y_W 방향으로 이동하게 된다.

Fig. 4 The first path for moving a double-parked car

전방향 이동 로봇의 장점 중 하나는 로봇의 경로 계획을 직관적으로 쉽게 할 수 있다는 것이다. 전방향 이동 로봇이 1의 위치에 그림과 같이 놓여 있다고 하자. 이중 주차된 차량을 이동시키는 첫 번째 방법은 다음과 같다. (1) 1의 위치에서 이동 로봇을 제자리 회전시켜 Y_R을 Y_W에 평행하게 위치시킨다. (2) 1의 위치에서 2의 위치로 좌진한다. (3) 2의 위치에서 3의 위치로 후진한다. (4) 3의 위치에서 4의 위치로 우진 하면서 두 개의 롤러를 이중 주차된 차량의 바퀴 사이에 대략 적으로 위치시킨다. (5) 이동 가능한 롤러를 이동시켜 두 개의 롤러를 이중 주차된 차량의 바퀴에 밀착시킨다. (6) 두 개의 롤러를 회전시키면서 전방향 이동 로봇을 1이 방향으로 전진시켜 이중 주차된 차량을 이동시킨다.

이중 주차된 차량을 이동시키는 두 번째 방법은 그림 5에 나타내었다. 이 방법은 1의 위치에서 2의 위치로 대각선 이동 또는 사선 이동한다는 것을 제외하면 첫 번째 방법과 같다. 이와 같은 두 가지 방법에 의해 이중 주차된 차량을 이동 주차시킬 수 있으며 이를 위해서는 이동 로봇이 제자리에서 몸체 회전 및 전후진 이동, 좌우진 이동, 대각선 또는 사선 이동과 같은 전방향 이동을 수행할 수 있어야 한다. 다음에 이와 같은 이동을 수행할 수 있는 두 바퀴 로봇을 제안한다. 

Fig. 5 The second path for moving a double-parked car

2.3 차동 구동 로봇

본 논문에서 제안하는 로봇은 로봇 바퀴부와 로봇 몸체부로 구성되며, 이 두 부분을 전자 브레이크를 사용하여 선택적으로 결합 또는 분리할 수 있도록 하는 구조를 갖는다. 

그림 6은 개발된 로봇의 전체 외관을 보이고 있으며 로봇 바퀴부와 로봇 몸체부를 구성하는 주요 요소들을 표시한 것이다. 

Fig. 6 The developed mobile robot

로봇 바퀴부는 그림 7과 같이 두 개의 일반적인 타이어 바퀴와 이 바퀴를 구동하는 DC 모터 및 이들이 고정되어 있는 틀 그리고 이 틀에 연결된 원기둥 형태의 샤프트로 구성된다.

Fig. 7 Wheel part for the proposed robot

로봇 몸체부는 로봇 바퀴부를 제외한 나머지 부분으로 구성되어 있으며 그림 6에서 외곽의 정사각형 형태의 알루미늄 프로파일로 구성된 부분이 로봇 몸체부이다. 로봇 몸체부에는 네 모서리에 로봇의 균형을 잡아주기 위한 볼 캐스터 및 서스펜션, 로봇 바퀴부의 샤프트를 로봇 몸체와 선택적으로 연결 또는 분리해주기 위한 전자 브레이크, 로봇 바퀴부의 샤프트가 로봇 몸체부와 마찰력 없이 연결될 수 있도록 해 주는 베어링부, 그리고 로봇 바퀴부의 샤프트 최상단이 연결되는 절대치형 엔코더 등으로 구성되어 있다. 이중주차 차량을 이동시키기 위한 롤러부는 로봇 몸체부에 별도로 부착된다.

두 개의 바퀴는 일반적인 타이어 바퀴이며 각각 별도로 연결된 DC 모터에 의해 차동 구동된다. 사용된 200W DC 모터에는 감속기와 증분형 엔코더를 부착하였으며 자세한 제원은 표 1과 같다.

Table1. Specification for the motor

로봇 몸체부에는 그림 7과 같이 DC 24V용 전자 브레이크가 장착되어 있다. 이 전자 브레이크는 가운데가 비어 있는 중공축 형태이며 로봇 바퀴부의 샤프트가 통과한다. 전자 브레이크를 작동 시키면 바퀴부의 샤프트는 브레이크에 강하게 물려 로봇 몸체부와 연결된다. 이와 같은 상황에서는 제안된 로봇은 두 개의 바퀴가 로봇 몸체와 연결되어 있는 차동 구동형 두 바퀴 로봇이 된다. 따라서 좌, 우 바퀴의 속도를 조절하여 전후진, 제자리 회전, 선회 등을 할 수 있다. 한편 전자 브레이크가 해제된 상태에서는 로봇 바퀴부는 로봇 몸체부와 분리된다. 로봇 바퀴부는 몸체부와 베어링을 통해서만 연결되어 있으므로 좌, 우 바퀴의 속도를 같게 하고 회전 방향을 반대로 하면 로봇 몸체의 운동을 일으키지 않으면서 마찰력 없이 바퀴부만 제자리 회전을 할 수 있다.

로봇 바퀴부의 샤프트 한쪽은 바퀴부의 틀에 고정되어 있고, 나머지 한쪽 끝은 로봇 몸체부에 고정되어 있는 절대치형 엔코더와 베어링, 커플링을 통해 연결되어 있다. 따라서 바퀴부의 샤프트가 회전함에 따라 절대치형 엔코더가 같이 회전하게 되어 바퀴부가 로봇 몸체부에 대해 어느 정도 회전되어 있는지를 항상 감지할 수 있게 된다.

제안된 로봇이 전방향 이동성을 달성하는 방법은 다음과 같다. 우선 전자 브레이크를 해제한 상태에서 양쪽 바퀴를 같은 속도, 반대 방향으로 회전시켜 몸체부의 운동을 일으키지 않은 채로 로봇 바퀴부만 회전시켜 이동해야할 방향에 맞게 바퀴부를 정렬한다. 다음에는 전자 브레이크를 작동시켜 바퀴부와 몸체부를 고정한 후 로봇을 이동시킨다. 전자 브레이크와 절대치형 엔코더의 제원은 표 2와 같다.

Table 2. Specification for the electric brake and the absolute-type encoder

제안된 이동 로봇의 제어부 구성은 그림 8 과 같다. 주제어기로는 32비트 마이크로프로세서인 NUCLEO-F401RE를 사용하였다. 두 개의 DC 모터를 제어할 수 있는 모터 드라이버로는 MW-MDC24D200D를 사용하였다. 이 드라이버에 모터와 증분형 엔코더를 연결하고 주제어기에서 속도 명령을 주면 모터 드라이버에서 PID 속도제어를 수행하여 요구된 속도를 추종하게 되어 있다. 한편, 실험에서 로봇의 현재 위치와 방향을 추정하는데 사용하기 위하여 로봇 전면부에 1개, 좌 측면부에 2개의 초음파 센서를 부착하였고, 스마트폰을 사용하여 로봇에게 이동 명령을 내리기 위하여 블루투스 모듈을 장착하였다.

Fig. 8 Controller for the proposed robot

2.4 로봇 해석

그림 9에 이동 로봇과 좌표계가 표시되어 있다. X_W, Y_W는 월드 좌표계를 나타내고, X_Rb, Y_Rb는 로봇 몸체부의 좌표계를 나타내며 X_Rb 방향이 로봇 몸체부의 전진 방향이다. X_Rw, Y_Rw는 로봇 바퀴부의 좌표계를 나타낸다.

Fig. 9 Robot coordinates

V_wL, V_wR은 각각 좌측 바퀴와 우측 바퀴의 선속도를 나타내고, w_L, w_R은 각각 좌측 바퀴와 우측 바퀴의 각속도를 나타낸다. 이동 로봇 바퀴의 반경을 r이라 하면 이들 사이에는 다음 식과 같은 관계가 있다. 

V_wR = r • w_R       (1)

V_wL = r • w_L

두 바퀴 사이의 거리를 L이라 하면, 이동 로봇 바퀴부의 선속도 V_w와 각속도 w_w 사이에는 다음 식과 같은 관계가 있다. 

(2)

식 (1)과 (2)로부터 이동로봇 바퀴부의 선속도 V_w와 각속도 w_w를 달성하기 위해 필요한 각 바퀴의 각속도는 식 (3)과 같이 구할 수 있다.

(3)

한편, 로봇 몸체부와 바퀴부 사이의 각도가 θ일 때, 몸체부와 바퀴부의 선속도와 각속도 사이에는 다음과 같은 관계가 있다.

(4)

2.2에서 살펴본 바와 같은 전방향 이동성을 제안된 이동 로봇에서 구현하는 방법은 다음과 같다. 로봇이 이동해야할 방향과 속도가 주어지면 먼저 전자 브레이크를 해제하여 로봇 몸체부의 운동을 일으키지 않으면서 로봇 바퀴부를 제자리 회전시켜 이동할 방향을 향하도록 위치 제어한다. 이때 식 (3)에서 V_w=0이므로 이동 로봇 바퀴부의 각속도와 몸체부의 선속도는 식 (5)와 같이 된다. 즉 좌우 바퀴의 각속도가 크기는 같고 방향은 반대가 된다. 따라서 바퀴부는 제자리 회전하게 된다. 이에 따라 바퀴부 샤프트가 회전하게 되고 샤프트의 끝단에 부착된 절대치형 엔코더를 통하여 샤프트의 회전 각도를 피드백 받아 주 제어기에서 위치제어를 한다.

(5)

로봇이 이동해야할 방향을 향해 바퀴부가 정렬되면 브레이크를 잠근 후 이동해야할 속도로 로봇을 이동시키면 된다. 이때는 이동 로봇의 바퀴부와 몸체부의 각속도 w_w=w_b=0이 된다. 따라서 식 (3)은 식 (6)과 같이 된다. 따라서 식 (6)에 주어진 각속도를 목표치로 각 바퀴의 각속도를 제어해 주면 된다.

(6)

3. 전방향 이동성 실험

제안된 로봇이 두개의 차동 구동 바퀴만 가지 고도 그림 4, 그림 5에 나타낸 바와 같이 이중 주차된 차량을 이동시키기 위해서 필요한 전후진, 좌우진, 대각선 방향 이동을 수행할 수 있음을 확인하기 위하여 실험을 수행하였다. 실험은 로봇의 전방과 좌측방에 아크릴 벽을 세워 놓고 로봇 몸 체부의 전면부에 한 개, 좌측면부에 두 개의 초음파 센서를 장착하고, 이들 센서에서 벽까지의 거리를 감지한 후 이를 바탕으로 로봇의 위치와 방향을 추정하는 방식으로 수행하였다. 그림 10에 실험 환경에서의 로봇과 센서 데이터들과의 관계를 표시하였다. 그림에서 작은 원이 초음파 센서를 나타낸다.

Fig. 10 Pose estimation of the proposed robot

그림 10에서는 X_W, Y_W월드 좌표계를 나타내 고, d₁,d₂,d₃ 는 각각 로봇의 전면부, 좌측면 전방, 좌측면 후방 초음파 센서에서 측정한 벽까지의 거리 데이터를 나타낸다. h는 로봇의 좌측면부에 설치된 두 개의 초음파 센서들 사이의 거리를, K는 로봇 몸체부의 가로의 길이, H는 전면부 초음파 센서를 포함한 몸체부의 세로 길이를 나타낸다. x,y는 월드좌표계에서 표시된 로봇의 현재 위치를 나타낸다. ∅는 Y_W축과 로봇 몸체부의 x축인 X_Rb축 사이의 각도로서 로봇의 현재 방향을 나타낸다. 이때 기하학적인 관계로부터 다음 식을 유도할 수 있다

(7)

첫 번째 실험에서는 로봇이 몸체부의 방향을 ∅=0°를 유지하면서 대각선 방향으로 이동하는 실험을 수행하였다. 로봇의 초기 위치는 x=79, y=-80이고, 대각선 방향 경로를 따라 5초 동안 등속으로 후진하였다. 이동하는 동안 초음파 센서로 총 6회 거리를 측정하고 식 (7)에 의해 로봇의 위치와 방향을 추정하였다. 그림 11은 이동 로봇의 이동 과정을 나타내고, 표 3은 이동 중 측정된 거리 데이터와 추정된 이동로봇의 위치와 방향을 나타내고 있다. 

Fig. 11 Diagonal path move

Table 3. Experimental results for a diagonal path

표 3에서 첫 번째 행은 이동 로봇의 초기 위치에서 측정한 초음파 거리 데이터와 추정된 이동 로봇의 위치와 방향이다. 로봇의 초기 위치에서 d₁,d₂,d₃는 모두 40cm로 측정된다. 그림 12와 그림 13은 각각 우측 대각선 방향 이동에서 로봇의 위치와 방향을 나타낸다. 이동 중 최대 방향 오차는 -2.72°이었고, 그림 12에서 볼 수 있는 바와 같이 비교적 정확하게 대각선 방향으로 이동하는 것을 확인할 수 있다. 

Fig. 12 Robot position for a diagonal path

Fig. 13 Robot orientation for a diagonal path

두 번째 실험에서는 로봇 몸체부의 방향을 ∅=0°로 유지하면서 후진하는 실험을 수행하였다. 로봇의 초기 위치는 x=79, y=-80이고 5초 동안 등속으로 후진하면서 총 6회 거리를 측정하고 로봇의 위치와 방향을 추정하였다. 그림 14는 로봇의 이동 과정을 나타내고, 표 4는 초음파 센서 거리데이터와 추정된 위치와 방향을 나타낸다. 그림 15와 그림 16은 각각 표 4에서의 이동 로봇의 위치 데이터와 방향 데이터를 도시한 것이다. 이동 로봇의 방향 오차는 최대 2.72°이다. 후진이동을 완료한 후 이동 로봇의 x방향 오 는 최대 1.9cm로 비교적 정확하게 후진 이동하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 14 Backward move 

Table 4. Experimental results for a backward move

Fig. 15 Robot position for a backward move

Fig. 16 Robot orientation for a backward move

마지막 실험에서는 초기 위치 x = 229, y = -80 에서 몸체부의 방향을 ∅=0°로 유지하면서 5초 동안 등속으로 좌진하는 실험을 수행하였다. 그림 17은 로봇의 이동 과정을 나타내고, 표 5는 초음파 센서 거리데이터, 추정된 로봇의 위치와 방향을 나타낸다. 그림 18과 그림 19는 각각 이동 로봇의 위치 데이터와 방향 데이터를 도시한 것이다. 이동 로봇의 방향 오차는 최대 -1.36°이다. 좌진 이동을 완료한 후 이동 로봇의 y방향 오차는 최대 4cm로 외부 센서 도움 없이 이동하였다는 것과 초음파 센서의 측정 오차를 고려하면 비교적 정확하게 좌진 이동하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 17 Leftward move 

Table 5. Experimental results for a leftward move

Fig. 18 Robot position for a leftward move

Fig. 19 Robot orientation for a leftward move

4. 결론

이중 주차된 차량을 이동시키는 로봇에서는 몸체의 방향을 일정하게 유지한 채로 대각선 이동, 전후진 이동, 좌우진 이동을 수행할 수 있어야 한다. 본 논문에서는 단지 두 개의 타이어 바퀴를 가지면서도 이중 주차된 차량을 이동시킬 수 있는 로봇을 제안하였다. 제안된 로봇은 로봇 바퀴부와 로봇 몸체부로 구성되며 이 두 부분이 베어링과 전자 브레이크를 통하여 결합되어 있다. 제안된 로봇은 전자 브레이크가 온 된 상태에서는 로봇 바퀴부가 로봇 몸체부와 단단히 결합되므로 일반적인 차동 구동 로봇과 같이 동작한다. 반면 전자 브레이크가 오프된 상태에서 로봇 바퀴부는 로봇 몸체부와 분리되어 몸체부의 운동을 일으키지 않으면서 바퀴부만 제자리 회전시킬 수 있다. 제안된 로봇은 이와 같이 전자 브레이크를 사용하여 바퀴부와 몸체부를 선택적으로 결합 또는 해제하는 방식으로 전방향성 이동성을 구현할 수 있으며 이중 주차된 차량을 이동시키는데 필요한 대각선 이동, 전후진, 좌우진 이동을 수행할 수 있음을 실험을 통하여 검증하였다.