초보적인 입장에서 밸런싱 로봇을 메커니즘을 비롯한 제어회로 모두를 직접 만들어보실 생각이라면..
아래의 자료는 예전에 제가 오픈백과에 세그웨이의 원리에 대해서 올린 내용인데
실제로 세그웨이가 동작 되는데 필요한 거의 모든 내용을 담고 있으므로
그것을 읽어 보시면 어떤 어떤 것에 대한 공부가 필요한가를 아실수 있을걸로 생각 됩니다만
그것을 바탕으로 해서 제작하는데 필요한 요소를 대충 말씀 드리면..
메커니즘을 구성하고 설계, 제작하기 위해서는 기계공학의 초보적인 것 정도를 이해 하시면 되겠고
운동역학쪽에 관한 이론적인 것도 밑받침이 되 주어야 기구설계가 가능할 것입니다.
만약에 메커니즘 전체를 직접 제작하기 위해서는 철을 가공하고 다루는 기술이 필요도 하지만
선반과 같은 여러가지 고가의 공구도 필요한 만큼..
단기간에 습득 준비해서 하기에는 어려운 점이 많을 것입니다..
그래서 설계를 해서 전문 업체에 발주하는 형식이 되어야 되겠지요.
제어회로 구성과 회로기판의 설계 제작에 있어서는
전자회로 쪽에서는 기본적으로 센서의 입력으로 모터를 콘트롤 하는 방식이 프로그램에을 통해서
행해질수 밖에 없음으로 프로그래밍에 필요한 C 언어등을 배우셔야 되는데
그것을 공부힐만한 책자는 흔하게 있고 학원도 많이 있는데
역시 초보적인 입장으로 접근한다면 빨리 만들어야 된다는 목적에는 부합하지 못하겠고
알고리즘 정도를 작성해서 프로그램 전문 업체에 맡기는 방법이 있습니다.
다음으로, 제어회로 기판에서 프로그램 못지않게 중요한 것으로 모터제어 부분인데
그쪽을 할려면 파워를 공급해야 되는 POWER FET 를 제어할줄 알아야 되는데
상당히 난이도가 높은 전력전자 기술을 보유하고 있어야 가능합니다.
전력전자쪽의 회로개발 기술도 물론 하루 아침에 되는 것이 아니겠죠
전자기초 이론에서부터 시작해서 간단한 회로 실습등의 과정을 거치면서..
많은 시간과 노력을 들여도 완벽한 기술을 보유하기 어려운 것이 전력전자 기술입니다.
해서 모터 콘트롤 쪽은 그 방면의 엔지니어에게 제조를 부탁하거나
기성품으로 나오는 모터와 제어단이 붙어있는 기구를 사서 쓰는 것이 좋습니다.
길게 글을 쓰다보니 앞 뒤가 잘 안 맞은 감이 있는데..
이상으로 어떤 공부가 필요할지를 대충 감을 잡으셨을 것으로 보고 이만..
---------자료---------
세그웨이를 제작하려면 ?
세그웨이는 보통의 전동스쿠터와 같이 두 바퀴가 달려 있는
전동스쿠터의 한 족속으로
타고 다닌다는 목적으로는 다를 것이 없으나
바퀴가 일직선상에 있지 않고 횡으로 2개가 배치되어 있으며
자이로 를 이용하여 중심을 잡고
승차자의 무게중심에 근거하여 전후진을 한다는 것은 아는 사실이다.
그러나 이것은 가격이 매우 비싸서 접해볼 기회가 별로 없으니
신기하기만 하고, 첨단의 탈것으로 그저 동경의 대상이 되고 있는 것이 아닐 수 없다.
그러면 이것의 원리를 이해하고 직접 만들 수는 없을까,
여기서 다루는 이야기는 허황된 이야기가 아니고
실제로 제작하는데 있어서의 필요 요건을
사실적인 근거를 두고 집중 분석한 것이되
완벽한 설계를 제공하지는 않는다는 것을 염두에 두기 바라며
시도하는데 참고로 하기 바란다.
일단, 타고 다니는 물건을 만들려면 구성되는 부품으로서 모든 것이 있어야 되지만
기본적이고 중요한 것부터 순서대로 나열하면
1. 차체를 구성하는 프레임이 된다.
2. 굴러다니는 역할의 바퀴가 두 번째로 중요하다.
3. 바퀴를 구동하는데 필요한 동력을 제공하는 전기모터가 있다.
4. 전기모터의 구동에 필요한 에너지를 공급하는 배터리가 필요하다.
5. 모터를 제어하는 회로에 입력하는 자세검출용 센서로,
자이로 센서가(각도검출) 필요하다.
6. 모터의 전류를 조절하는 제어회로가 필요하다.
이 외에 모터에서 바퀴와의 사이에 들어가는 감속기, 방향전환용 스위치 등
부수적인 부품들이 필요하겠으나
이것들은 일반적인 흔한 것들로서 제외하고
위의 6가지 에 대하여 주로 논하고자 한다.
1. 차체를 구성하는 프레임의 설계시
바퀴를 횡으로 직선상에 배치할 수 있게 하고 감속기가 부착된 모터와
바퀴를 부착할 수 있는 구조로 되어야하며
사람이 올라탈 수 있는 발판의 면적이 확보 되야 하고
배터리를 발판 하부에 수납할 수 있는 구조로
사람이 올라타는 발판의 지상고 도 고려해야 되는데
(차체)
그림과 같은 형태가 기본이 되고 그 크기와 세부적인 구조의 결정은
모터의 출력과 배터리의 용량 등에 의한 부피를 담을 수있는 면적이 확보되고
회전 시 원심력에 의하여 좌우 방향으로 넘어지지 않는
충분한 넓이의 크기로 결정하되
우선 사용할만한 바퀴를 선택하고 모터와 배터리를 선택,결정한 후에
프레임의 설계를 하는 것이 순서이다.
2. 바퀴의 선택은
직경이 큰 것이 승차감의 측면에서 볼 때 좋기는 하나
세그웨이의 구조상 너무 큰 바퀴를 사용할 수는 없고
12인치 정도의 직경으로 폭이 넓은 광폭형의 것을 선택하되
회전 시에는 횡 방향으로 큰 힘을 받게 되므로
튼튼한 구조의 휠 과 타이어가 필요하고
바퀴를 지탱하는 베어링의 구조도 일반 오토바이 보다는 매우 견고해야 할 것이다.
3. 모터의 선택은
주행거리와 최고속도 등판력을 감안하여 결정하되
넘어지지 않으려면 자세 제어 시에 필요한 최소한의 모터출력은
일정량 이상의 출력이 나와 주어야 되는데 그것에 필요한 모터출력은
(몸을 기울일때 넘어지지 않고 스쿠터를 밀고 나가면서 자세를 잡아 주는데 필요한 모터출력)
최소 500w이상의 것을 좌우로 2개를 부착하여 1000w이상의 출력이 필요한데
바퀴의 크기를 직경 12인치의 것을 사용하고
500w/5000rpm 의 모터에서 10:1 의 감속비를 가지는 감속기를 부착하여 바퀴에 직결할 시
약 70kg의 사람이 탑승한 전체중량 105kg의 무게로 할 때
자세제어에 필요한 예비동력 30%를 남겨 놓은 70%의 출력으로
20km/h의 속도를 낼 수 있으며
등판력은 약 20도가 될 것으로 추정되고
최악의 상황에서도 보통 사람의 무게 대 기울이는 속도에 대응하여
넘어지지 않고 원활한 동작을 수행할 수 있을 것으로 보인다.
또한 모터에서 바퀴의 중간에 들어가는 감속기는 유격이 거의 없어야 될 것이나
감속기의 선택은 특별히 어떤 것을 사용해야 된다 하는 법은 없으며
유격이 많게 되면 정밀한 자세제어에 문제가 되므로 가능한 한 유격이 없고 튼튼하며
소음도 적은 헤리칼 계통의 기어가 좋을 것이다.
4. 배터리의 선택은
세그웨이 에는 특수한 고성능의 니켈수소 배터리를 사용한다고 하나
일반적인 용도의 니켈수소 전지를 직 병렬로 하여 사용할 시
전압은 선택한 모터의 전압과 맞춰 주되
필요 전력량은 1회 충전으로 20 km 의 거리를 주행목표로 한다면
약 500w/h 는 되야 할 것으로 보인다.
500w/h 의 전력량은 48v에서 약 10Ah 의 용량을 가지는 배터리로서
이것을 일반적인 니켈수소전지로 조합할 시 약 5.5kg의 무게를 가지게 되며
부피는 300x150x50(mm)의 크기로 동일용량의 납 축전지와 비교해서 1/2의 부피와
1/3의 무게를 가지게 되는데 이와 같은 니켈수소 전지로
방전율을 고려 할 때 실제로 사용할 수 있는 전력량은
납 축전지에 비해서 1.5배 가량 크다.
보통의 납 축전지를 사용은 세그웨이 에서는 그냥 의 전동 스쿠터에 비해서
많은 전력소비를 하므로
무게와 주행거리를 감안 할 때 적절하지 않을 것으로 보인다.
(배터리)
이상과 같이 바퀴와 모터, 감속기, 배터리가 선택되면
프레임을 만들 수 있는 치수를 결정할 수 있게 되고
각도 검출용 센서의 선택 밎 제어용 회로기판의 설계 제작이 남게 되는데
각도 검출용 센서는 시중에서 구할 수가 있어야 하고
또한 기술적으로 가장 문제가 되는 것이
각도 신호를 받아서 모터를 제어하는 회로를 구성하고 설계 제작하는 것이 문제가 된다.
그러나 이것은 의외로 어렵지 않은 것으로
비 전문가 에게는 황당한 소리가 될 수도 있으나
그것에 대한 기본적인 원리와 구성에 대하여 논한다.
5. 6. 세그웨이 제어회로의 구성과 설계
먼저 필요한 것이 기울기의 각도를 검출하는 센서인데
이것이 두 바퀴로 서 있을 수 있게 하는 핵심적인 역할을 하는 것으로
국내에서 쉽게 구할 수 있는 것으로서 그림과 같은 소형의 것으로
2축 방향으로 45도 까지 0.01도의 분해능으로 20도 각도의 기울임을500ms의 속도로
검출하는 기능을 가지고 있는데
이런 센서를 사용할 때 자세제어용 각도의 검출목적은 달성될 것으로 보인다.
(20도에서 500ms라 함은 20도의 각도로 기울어졌을 때 20도로 기울어진 100%의 신호를
보내 오는 시간이 0.5초가 걸린다는 것으로 45도의 분해능이 0.01도 이고
20도의 검출시간이 500ms 이므로
1도의 각을 100 으 로 나누어서 검출할 수 있고 1도의 기울어짐을 검출하는데
걸리는 시간은 0.025초 의 극히 짧은 시간에 해당되므로
기울어지기 시작함과 동시에 신호를 보내 오는 것으로서 더 기울어지기 전에
자세를 제어하게 되므로 이정도의 응답속도는 충분할 것으로 여겨진다)
2축 센서를 1개 사용할 시 전후의 자세를 제어하고 좌우의 기울어짐과
회전 원심력에 대한 균형을
파악하여 속도제어에 응용할 수도있다.
(2축 센서)
각도센서를 전 후 의 자세제어만을 목적으로 할 시는 1축 센서의 사용으로도 가능하고.
회전 시, 좌우 모터의 속도를 감지하여 비교한 결과로도 회전율을 계산할 수 있고
속도를 제어하여 전복을 방지할 수도 있다.
★ 1축 센서를 사용하여 모터를 제어하는 회로의 예로 구성해 본다
● 차체정지 시 작동의 경우를 보면
우선 센서에서 기울기의 각도를 검출하여 회로에 입력하게 되는데
기울어진 각도가 없는 상태로, 즉 신호가 0 일 때 회로는 아무런 동작을 하지 않고
모터의 구동은 없게 된다.
그러나 차체가 앞으로 기울어지게 되면 센서에서는 기울어지는 각도를 검출하여
그것에 해당하는 신호를 제어회로에 보내게 되는데 이때 회로에서는
좌 우 양쪽의 모터를 동시에 기울어진 방향과 같은 방향으로 가동하여
센서의 신호가 0 이 되도록 하고
다시 뒤로 기울어진 신호가 들어올 때 역시 그 방향으로 모터를 가동하게 되는 과정을
반복하여 균형을 잡게 되는데
이것이 적어도 사람이 느끼지 못하는 작은 각도로 유지되면 좋을 것이다.
(팽이는 스스로 자이로의 기능을 가지므로 넘어지지 않는다)
각도 입력에 대하여 모터를 지나치게 많이 구동하게 되면,
차체가 넘어지지는 않지만 앞뒤로 왔다갔다하는 현상이 발생되는데
이것을 과도응답 이라고 하여 소위 말하는 헌팅현상 이라고도 하는 것으로
쓸데없는 전력의 낭비가 된다.
이것을 방지하고 정확한 균형을 잡기 위해서는
과도응답의 정도를 적당하게 쎗팅 해야 되는데
입력 신호 대 출력,
즉 모터를 구동하는 방법이 차체의 중량과 승차자의 중량하고도 관계가 있다.
따라서 정확한 각도유지 시스템을 구현하려면 승차중량을 감지하여
기울기의 정도에 대입하여 모터를 구동하는 시스템이 필요하게 되는데
실제로 타고 다니는 물건으로서는 그와 같은 고도의 각도안정성은
사실 필요가 없을 것으로 보인다.
정밀한 각도유지를 원한다면 회로적으로 적절한 부 귀환을 걸어서 작동시켜
안정도를 파악하고, 과민반응을 보이거나 응답이 느린 경우 자동으로
부귀환의 양을 셋팅 하는 시스템을 채용하면 될 것이다.
회전 시에 안전속도로 유지하는 기능은
속도와 회전율의 검출은 좌 우 모터나 바퀴의 속도를 비교하고 환산하면
그에 해당하는 신호가 나오므로 이것으로 회전 시에
적당히 속도를 줄이게 할 수 있을 것이므로 1축 각도센서만으로도 소기의 목적은
달성될 것으로 본다.
● 배터리의 전류를 모터로 보내 주는 경로는
위에서 기본적인 동작과 구조는 대충 나열하였으나 모터를 콘트롤 하는
하드웨어의 구성이 어떻게 되는가를 보면.
배터리에서 파워 반도체소자를 거쳐 모터로 연결된 회로가 좌 우 각 2조가 마련되는데
1조당 모터의 회전을 정 역으로 바꿀 수 있게 되어있다.
★ 아래 그림은 세그웨이를 구성하는데 필요한 제어계통의 블럭도로
기본적인 요소를 그린것이다
(세그웨이 제어계통도)
★ 아래 그림은 일반적인 브러쉬모터를 사용시 정 역 밎 브레이크 작동예로
전류의 흐름을 보여준다
(일반적인 브러쉬 모터의 정 역 회전 밎 브레이크 동작 예)
또한 파워소자의 게이트에는(파워소자의 전력을 제어하는 입력단자) PWM 이라고 하는
펄스폭 변조방식으로 전력을 제어하는 회로가 각각 연결되어 있는데
이 PWM 제어회로의 입력에는 각도센서에서 신호를 받으면
그 신호의 세기에 해당하는 만큼의 펄스폭
변조된 신호를 파워소자에 보내게 되어 모터를 구동한다.
(bldc모터의 드라이브 회로 예)
pwm으로 모터를 제어할때 모터의 평균전류가 어떤식으로 변하는가를 보여주는 그림이다
(펄스폭 제어 원리도)
여기서 의문시 되는 것은 사람이 타고 있지 않을 때
세그웨이가 중심을 잡고 서 있느냐 하는 것인데
당연히 중심을 잡고 서있게 된다.
위에서도 언급하였지만, 각도검출 센서가 차체에 고정되어 있는 상태에서
차체가 어느 한쪽으로 기울어지게 되면 센서는
즉각 신호를 PWM 제어회로에 보내게 되고
모터는 입력된 신호와 같은 방향으로 입력신호가 0이 될 때까지 돌아가게 되는데
일자로 세워 놓은 자가 넘어지려 할 때 아래쪽을 넘어지는 방향으로 밀어주면
균형이 잡히면서 서 있는 것과 같은 원리가 된다.
이런 방식의 극히 간단한 원리로 세그웨이는 넘어지지 않고 서 있게 되는데
이 동작을 구현하기 위해서는 사람이 타고 있건 안 타고 있건 간에 계속적으로
자세제어를 위한 모터의 구동을 하게 되므로 정지 시에도 배터리의 전력을
소비하게 되는데
승차자의 무게가 많을수록 모터에 센 전류를 흘려야 되므로 소비전력은 많아진다.
●사람이 타고서 진행할 때에는 어떤 식으로 동작이 될까
정지시의 균형을 잡는 원리를 알았으므로 이것을 이해하기는 쉬울 것이다.
사람이 타고서 차체의 손잡이를 몸 쪽에서 앞으로 밀었을 때 차체의 각도센서는
차체가 앞으로 넘어지려 한다는 것을 알고 모터를 차체가 전진하는 방향으로
가동하게 된다.
여기서 단순히 손잡이를 밀고만 있게 되면 차체는 손잡이가 앞으로 밀려난 상태로
전진하게 될 것이다.
더 빨리 전진을 하려면 손잡이를 밀면서 몸을 앞쪽으로 기울이게 되면
차체의 무게중심의, 즉 각도가 앞쪽으로 많이 틀어지게 되는데 이럴 때 각도센서는
계속적으로 중심이 틀어졌다는 신호를 보내게 되고
모터는 더욱 빨리 돌아가게 되므로 앞으로 전진하게 된다.
●주행시의 속도유지
여기에서 궁금한 것이 또 있는데
어떤 식으로 속도가 유지되는가? 의 문제다.
본체가 앞으로 기울어져 전진하고 있을 때 전진하는 속도는 기울어진 각도에 대응해서
가변되게 되는데
이것은 본체의 기울기와 승차자,전체중량에 비례하여 모터에 보내는 전력을
PWM으로 조절하기 때문에 가능하다.
전진 중에는 차체가 공기저항과 타이어가 노면과의 마찰저항을 받게 되는데
차체의 기울기가 5도라고 할 때 제어회로 에서는 5도의 기울기를 수정할 수 있는 만큼의
전력을 모터에 보내 주게 되고
더 이상의 전력은 내보내지 않으므로 5도의 각도에 해당하는 속도로 달리게 된다.
여기서 5도의 각도를 유지하고 달리는 데는 공기저항과 노면저항 대 5도에 해당하는
모터전력이 일치되었을 때 가능한 것으로
만약에 공기저항과 노면저항이 없다면 본체는 모터에 보내 주는
전력의 크기 유무에 따라서 앞으로 넘어지게 되거나 정지하게 되는데
각도에 대응한 모터전력을 상쇠시킬 것이 없기 때문에
일정한 각도로 기울여서 달리는 것이 어렵게 된다.
모터가 최고회전수를 내고있는 상황에서 앞으로 더 기울이면 어떻게 될까?
이때는 모터가 낼 수있는 최고 회전수로 회전 중 이므로
더 이상 균형을 유지할 수 있게 모터를 가동할 수 없으므로 본체는 앞으로 넘어지게 된다.
따라서 기존의 세그웨이 에서는
2마력의 센 모터를 사용하면서도 등판력도 고려하였겠으나 최고속도를
20KM/h 이내로 제한해 놓았는데
이것은 이 제한을 풀게 되면 속도는 1.5~2배 정도로 올라갈 것으로 보인다.
그러나 최고속도를 내면서 넘어질 수는 없기 때문에
50~100%의 자세 제어용 예비마력을 보유하기 위해서 속도를 묶어 놓고
그것에 대응하는 것이다.
따라서 이런 자세제어용 세그웨이 에서는 모터의 출력을 100% 주행에 활용하기는 어렵고
배터리의 소비전력도 크게 될 수 밖에 없는 것은 당연한 것이다.
● 회전시의 제어
이것으로 제어회로에서 각도에 대응하여 자세제어와 속도유지의 개념은
어느 정도 이해되리라고 보며
회전시의 제어계통에 대해서 알아보자.
회전 시에 오토바이와 같은 것은 차체와 승차자 전체를 기울이면서
무게의 중심을 잡을 수 있는 반면
양쪽으로 바퀴가 달린 세그웨이의 경우는 그렇지 못하다.
바퀴의 폭이 비교적 좁고 무게중심은 위쪽에 위치해 있으므로
급회전을 하게 되면 넘어지므로
승차자의 몸을 기울여서 중심을 잡아야 되는데
이것도 오토바이와는 달리 능동적으로 이루어질 수는 없으므로
크게 안전하지는 못하고
숙련자가 아니라면 빠른 속도에서 급회전은 위험하므로 최고속도 제한을 20km/h 이내로
설정해 놓는 또 하나의 이유가 된다.
● 최고속도를 안전이 확보되는 속도로 제한 하려면
속도의 제한은 모터의 회전수를 감지하면 간단하게 되는 것으로
기존의 세그웨이 에서는 bldc 모터를 사용하므로 모터 자체의 기존 센서신호를
잃어도 되고
매우 복잡하고 정교한 컴퓨터로 구성되었다고 하니 굿이 따질 것은 아니고
일반 브러쉬용 dc 모터에서도 엔코더를 좌우 바퀴에 1개씩 장치하여
그 신호로 pwm 회로에 리미트를 걸면 되는데
자세제어용 회로우선으로 후단 라인으로 연결해야 된다.
● 회전시의 수동조작은 어떻게 하는가
회전시의 조작은 핸들에 장치된 레바를 좌 우 방향으로 밀어 주는 만큼
회전율을 가변하게 되는데
이것은 정지 중에 회전을 할 수도 있고 주행 중에 회전을 할 수도 있으므로
속도에 대응해서 가변되는 능동적인 시스템으로 구성 되야 한다.
즉 회전용 레버의 위치하고 차체의 속도를 비교하여
정해놓은 프로그램에 의하여 좌 우 모터의 회전수를 가감하면 될 것이다.
직선주행 시에 좌우 모터의 불균형으로 회전레버를 조작하지 않는데도
방향이 틀어질 수가 있는데
이것 또한 좌우 바퀴의 엔코더 신호를 비교하여 자세제어용 회로우선 후단에 입력하여
자동으로 가감되게 하는데
좌 우 불균형의 수치는 미약할 것이므로 약간의 보정 만 해주는 것으로 가능할 것이다.
● 제자리 회전 시
횡으로 배열된 두 바퀴의 가장 큰 장점으로는 제자리에서 회전할 수 있다는 것이다.
이것은 정지 시에 두 바퀴로 중심을 잡는 것이 가능함으로
회전레버를 좌 우로 밀어 주는 것 만으로
2개의 모터 회전을 정,역으로 레버에 해당하는 만큼의 세기로 돌려주면 된다.
