Development of a Self Balancing Electric Wheelbarrow

자기 균형 기능이 있는 외발 전동 손수레 개발

In this paper, a new type of electric wheelbarrow is proposed and developed. The developed electric wheelbarrow is equipped with an attitude reference system(ARS) sensor, which consists of 3-axis acceleration sensor and 2-axis Gyro sensor so that it can estimate pitch angle and roll angle. When an operator tilts the wheelbarrow up and down, the pitch angle is detected. The sign of the pitch angle is interpreted as the operator's intention for moving the wheelbarrow forward or backward and the controller drives the wheel of the wheelbarrow with the velocity according to the magnitude of the detected pitch angle. A cargo box of the wheelbarrow is designed to rotate and is controlled to maintain level always, so an operator can handle the electric wheelbarrow easily and safely. The wheelbarrow consists of an in-wheel motor, a DC motor, motor drives, an ARS sensor considering economical use in industrial field. Three experiments are performed to verify the feasibility and stability of the electric wheelbarrow.

본 논문에서는 새로운 형태의 전동 외발 손수레를 제안하였다. 제안된 전동 외발 손수레는 작업 동작을 감지하여 작업자의 의도에 따라 안전하고 균형을 잃지 않도록 하면서 자동으로 외발 손수레를 이동시킬 수 있도록 해 준다. 작업자가 손수레의 손잡이를 잡고 위 아래로 기울이면 외발 손수레에 장착된 방위각 센서를 이용하여 전후 방향의 각도인 피치각을 감지하고 이를 전후진 이동 의도로 간주하여 각도의 크기에 비례하는 속력으로 손수레의 바퀴를 가감속 제어하여 전후진시킨다. 또한 기존 손수레와 달리 적재함에도 추가의 자유도를 부가하여 회전할 수 있도록 하였고, 작업 중 손수레가 좌우 방향으로 기울어질 때 기울기인 롤각을 감지하고 이를 기반으로 하여 적재함이 항상 지면과 수평을 유지할 수 있도록 위치 제어하여 작업자가 손수레의 균형을 잃지 않고 안전하고 쉽게 손수레를 운전할 수 있도록 해 준다. 농업 현장이나 산업 현장에서 실제로 사용할 수 있도록 DC 모터와 인휠모터, 모터 드라이버, 2축 방위각 센서와 저가의 마이크로 컨트롤러를 사용하여 경제적이고 효율적인 제어 시스템을 구성하고 기구부 설계 제작도 수행하였다. 또한 피치각의 변화만 있는 경우, 롤각의 변화만 있는 경우, 그리고 피치각과 롤각이 동시에 변화하는 경우에 대한 실험을 통해 개발된 전동 외발 손수레의 안정성과 유용성을 검증하였다.