자가균형 탑승로봇의 안전성/안정성 평가를 위한 가상환경 co-simulation 플랫폼 및 탑승자 거동 재현이 가능한 CMG 기반 ATD 개발 = Development of virtual environment co-simulation platform and CMG-based ATD capable of rider behavior realization for safety/stability evaluation of self-balancing person carrier robot
세그웨이로 대표되는 자가균형 탑승로봇은 친환경 개인용 이동수단으로 각광받고 있으며 수요가 폭발적으로 증가하고 있다.
그러나 자가균형 탑승로봇의 관련 안전법규가 미비하고 안전요구조건이 명확하지 않은 상황에서 관련 사고는 매년 증가하고 있다. 기존의 자가균형 탑승로봇과 관련된 연구는 기본적인 기능인 주행 성능 향상을 위한 제어기의 설계에 관한 연구가 대부분이며, 안전성/안정성을 평가하고 검증하기 위한 지표의 개발과 시험평가 방법에 대한 연구는 매우 미비한 실정이다. 몇몇 선행연구에서도 물리적인 데이터를 측정하여 정량적인 안전성/안정성 지표를 제시하는 것이 아닌 탑승자의 설문 조사 및 인터뷰 등의 정성적인 평가에 의존하고 있어 물리적 인과관계를 확인하기 어렵고 연구결과의 객관성을 확보하기 힘들다는 한계점이 있다.
본 연구에서는 자가균형 탑승로봇의 외적 동적 불안정성을 유발하는 다양한 환경/조건에 대해 자가균형 탑승로봇의 동적 거동을 정량적으로 정확히 모사할 수 있어 자가균형 탑승로봇의 안전성/안정성을 정량적으로 엄격히 평가할 수 있는 가상환경 co-simulation 플랫폼을 개발하였다. 자가균형 탑승로봇의 정확한 동특성 구현을 위하여 impact 실험을 포함한 다양한 system identification 실험을 통해 자가균형 탑승로봇 모델의 파라미터를 규명하여 모델의 정확성을 확보하였다. 또한, 탑승자 대신 탑승자의 동적 거동 재현을 통해 다양한 환경 조건과 시나리오 그리고 상황에 대해 객관적이고 반복적인 안전성/안정성 시험을 수행할 수 있는 CMG(Control Moment Gyroscope) 기반의 ATD(Anthropomorphic Test Device)를 제안하고, 그 성능을 실험적으로 검증하였다.
Self-balancing person carrier robot (SBPCR) is a battery-based eco-friendly personal transportation means and the Segway is the representative of the SBPCR on the market.
Although SBPCR market is explosively expanding and steady growth is predicted, relevant safety regulations and safety requirements are not clearly established yet. Under this circumstance, related accidents are increasing every year. However, most of the researches related to the SBPCR so far have been mainly concerned with the controller design to improve the driving performance while the development of the methods and indices necessary for the evaluation of safety/stability is limited. Some related researches have been reported. However, they approached with qualitative assessment such as rider questionnaire and interviews rather than measuring physical data. Therefore, it was difficult to identify causality of the accidents and objectivity of the results could not be secured.
In this research, I developed a virtual environment simulation platform that is able to accurately reproduce the dynamic behavior of SBPCR for various environments and conditions. Various system identification experiments were conducted to identify the parameters of the SBPCR in order to ensure the accuracy of the dynamic characteristics. As long as dynamic characteristic of SBPCR is regenerated accurately, safety/stability of SBPCR could be evaluated efficiently for many different conditions and even for the conditions that are not easy to realize in reality. Thus simulation platform could be used as a quantitative and rigorous analysis tool for safety/stability evaluation of SBPCR. Also, CMG(Control Moment Gyroscope)-based ATD(Anthropomorphic Test Device) was proposed to improve the objectivity and repeatability of the safety related research and tests for various environmental conditions, scenarios and circumstances. The CMG-based ATD is a kind of dummy robot that reproduces the human rider’s behavior on SBPCR. The proposed CMG-based ATD is able to drive the SBPCR as human riders do by altering the center of gravity using the torque generated by CMG. The CMG-based ATD performance was experimentally verified.
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