KR100316630B1 - 인터넷을 이용한 원격 이동 로봇의 인터넷 직접 제어 시스템 및그 방법 - Google Patents

인터넷을 이용한 원격 이동 로봇의 인터넷 직접 제어 시스템 및그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이동 로봇을 인터넷을 통하여 원격제어하는 시스템 및 그 방법에 관한 것이다. 인터넷을 통한 이동로봇의 원격제어는 일반적으로 오퍼레이터에 의한 직접 제어가 곤란하고, 최종 목표점만을 명령하여 이동 로봇이 스스로 제어하는 방식이 채택되고 있다.
본 발명에서는 인터넷을 통해 원격지의 이동 로봇의 움직임을 직접 제어할 수 있는 인터넷 제어 시스템 및 그 방법이 제시된다. 즉, 인터넷의 불규칙적인 시간 지연의 영향에 둔감하게 되도록 인터넷을 통해 이동로봇으로 인가되는 명령과 이동 로봇의 움직임 제어기를 분리하기 위한 명령처리필터, 조각경로생성기 및 경로추종제어기를 구비하고, 오퍼레이터가이동 로봇의 상태를 원격에서 파악할 수 있도록 작용을 하는 시뮬레이터를 이용하여 상기 시뮬레이터의 가상 로봇과 실제이동 로봇간의 경로 오차와 두 로봇간의 움직임 시간차를 최소화 할 수 있도록 제어하는 시스템 및 그 방법이다.
상기 본 발명에 의하면 이동 로봇이 스스로 목표점을 찾아가지 못하는 문제가 발생될 경우에도 오퍼레이터가 이동 로봇의움직임을 인터넷을 통하여 직접 제어할 수 있다.

Description

인터넷을 이용한 원격 이동 로봇의 인터넷 직접 제어 시스템 및 그 방법{Internet control system and method thereof for remote Mobile Robots Via internet control}
본 발명은 인터넷을 통한 이동 로봇의 원격 제어 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 이동 로봇 시뮬레이터의 가상로봇과 실제 이동 로봇의 경로 오차와 움직임의 시간차를 최소화 하여 오퍼레이터가 원격으로 직접 제어할 수 있는 인터넷을 이용한 이동 로봇의 원격 제어 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
월드 와이드 웹(World Wide Web) 개념으로 세계 어디서나 쉽게 접근 할 수 있는 인터넷망이 보편화 됨에 따라 90년대 중반에 이르러 인터넷과 이동 로봇을 접목하여 이동 로봇을 원격 제어하는 인터넷 로보틱스 분야가 활발히 연구 개발되고 있다. 이와 같은 인테넷망을 이용한 이동 로봇의 원격 제어 시스템의 예를 살펴보면, 인터넷을 통해 전송되는 화상을 보고 로봇 팔을 제어하여 블록을 쌓는 시스템, 공기 노즐과 비전 시스템을 이용하여 모래 속에 숨겨진 물체를 찾아내는 원격 정원 시스템, 센서 기반 이동 로봇을 인터넷을 통해 제어할 수 있는 시스템, 인터넷상에서의 원격 전시 시스템 등 많은 분야에서 이용되고 있다.
상기의 인터넷을 이용한 이동 로봇의 원격제어 시스템들은 로봇의 움직임을 오퍼레이터가 직접 제어할 수 있는 것이 아니고, 로봇의 움직임의 최종 목표만을 설정해주면 나머지 제어는 이동 로봇이 스스로 할 수 있도록 한 시스템이다. 이와 같은 이동 로봇의 제어 시스템을 감독 제어 시스템(supervisory control system)이라 하여, 본 발명의 출원전에 반포된 간행물 「Proc. IEEE Int. Symposium on Industrial Electronics, Vol. 1, pp. ss60-ss64」에 T.M.Chen 에 의해 월드 와이드 웹을 통한 이동 로봇의 원격 감독 제어(Remote supervisory control of An Autonomous Mobile Robot Via World WideWeb)로 공개되었다.
상기 공개된 기술에 의하면, 오퍼레이터가 이동 로봇의 최종 목표점에 대한 명령을 전송해주면, 그 다음은 이동 로봇이스스로 움직임을 제어하면서 수행되는 인터넷을 통한 이동 로봇의 감독 제어 방식에 관한 것이다. 이와 같이 원격에서 이동 로봇을 제어하는 것을 오퍼레이터가 직접 이동로봇의 움직임을 제어 할 수 없는 것은 인터넷의 특성 때문이다.
인터넷의 지연시간은 인터넷을 사용하고 있는 사용자들에 의한 부하량에 의해 결정된다. 즉, 인터넷의 시간 지연은 시간대에 따라, 날마다 달라진다. 이와 같이 인터넷의 시간지연의 예측이 불가능한 특성 때문에 하나의 이동 로봇 원격제어 시스템을 구성할 경우 이동로봇의 직접제어는 그 제어 명령 등이 발산할 확률이 높다.
도 1은 상기 종래의 인터넷망을 이용한 이동 로봇의 원격 제어 시스템에 대한 개략적인 불록도이다.
도 1에 도시한 바와 같이 상기 인터넷망을 이용한 이동 로봇의 원격 제어 시스템은 로컬 사이트(접속지)(10)의 오퍼레이터(11)의 컴퓨터와 원격 사이트(원격지)(30)의 이동 로봇(31)이 다수(N1, N2, N3, ……, Nn)의 노드(node)(21)로 이루어지는 인터넷망(20)에 접속되어 있는 구조이다.
오퍼레이터(11)가 원격지(30)에 있는 이동 로봇(31)의 원하는 움직임을 제어 하기 위해서 상기 로컬 사이트(10)에서 오퍼레이터의 컴퓨터를 사용하여 인터넷망(20)을 통하여 제어 입력을 전송하면 상기의 원격 사이트(30)에서는 이동 로봇(31)이 전송된 제어 입력을 받아서 그 명령을 수행한다. 이 경우, 상기 이동 로봇(31)은 전송 받은 제어 입력에 따라서 스스로가 움직임을 제어하면서 그 명령을 수행하도록 작용한다.
상기 종래 기술과 같이 인터넷을 통한 이동 로봇의 원격제어 시스템에 있어서의 감독 제어 방식은 이동 로봇의 원격제어에서 반드시 필요한 기능이다. 그러나 최종 목표점을 오퍼레이터가 인터넷망을 통하여 전송하여 그 명령을 전송 받은 원격지의 이동 로봇이 스스로 움직임을 제어하며 명령을 수행하는 과정에서 어떠한 문제로 인하여 이동 로봇이 움직임을 스스로 제어할 수 없는 상황이 발생하는 경우, 상기 감독 제어 방식으로는 로봇의 움직임을 직접 제어할 수 없는 문제가 있으므로 이동 로봇이 전송된 최종 목표점에 대한 명령의 목적을 달성할 수 없는 문제점이 있다.
따라서, 인터넷망을 통하여 원격지에 있는 이동 로봇을 효율적으로 제어하기 위해서는 오퍼레이터가 원하는 최종 목표점에 대한 제어 명령을 전송해주고, 이동 로봇이 그 명령을 전송 받아 명령을 수행하는 감독 제어 방식과, 이동 로봇이 명령을 수행하는 도중에 스스로 움직임을 제어할 수 없는 문제가 발생했을 때, 오퍼레이터가 원격에서 그 상황을 파악하고직접 이동 로봇의 움직임을 제어할 수 있는 인터넷 직접 제어 방식이 필요하다.
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 인터넷을 통하여 이동 로봇을 원격 제어하는 방식에 있어서, 오퍼레이터가 최종 목표점에 대한 명령을 인터넷을 통하여 전송하고, 원격지에 있는 이동 로봇측에서 그 명령을 받아 스스로 움직임을 제어하면서 명령을 수행하는 도중에 문제가 발생하여 스스로 움직임을 제어할 수 없을 때, 오퍼레이터가 인터넷망을 통하여 직접이동 로봇에 제어 입력을 전송하여 제어할 수 있는 인터넷을 이용한 이동 로봇의 직접제어 시스템 및 그 방법을 제공하는데 있다.
상기 본 발명의 목적을 달성할 수 있는 기술적 사상으로서, 인터넷의 불규칙적인 시간 지연의 영향에 둔감하게 되도록 인터넷을 통해 이동로봇으로 인가되는 명령과 이동 로봇의 움직임 제어기를 분리하기 위한 명령처리필터, 조각경로생성기 및 경로추종제어기를 구비하고, 오퍼레이터가 이동 로봇의 상태를 원격에서 파악할 수 있도록 작용을 하는 시뮬레이터를이용하여 상기 시뮬레이터의 가상 로봇과 실제 이동 로봇간의 경로 오차와 두 로봇간의 움직임 시간차를 최소화 할 수 있도록 제어하는 시스템 및 그 방법이 제시된다.
도 1은 종래의 인터넷망을 이용한 이동 로봇의 원격 제어 시스템에 대한 개략적인 불록도이다.
도 2는 제어 입력의 인터넷 시간 지연에 의한 영향을 설명하기 위한 특성도이다.
도 3은 제어 입력에 사인파를 입력했을 때의 인터넷 시간 지연에 의한 영향을 설명하기 위한 파형 특성도이다.
도 4는 본 발명의 인터넷을 이용한 원격 이동 로봇의 인터넷 직접 제어를 위한 전체 시스템도이다.
도 5는 제어 입력이 본 발명의 명령처리필터를 통과한 상태의 특성 변화도이다.
도 6은 본 발명의 주요부인 명령처리필터의 상세 블록도이다.
도 7은 제어 입력이 본 발명의 명령처리필터를 통과한 상태의 다른 특성 변화도이다.
도 8은 본 발명의 실험 도중 발생한 인터넷 시간 지연에 대한 파형도이다.
도 9는 본 발명에 의해 달성되는 개선된 시간차 및 경로 오차를 설명하기 위한 특성도 이다.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
10,100 : 로컬 사이트(접속지) 11 : 오퍼레이터
20,200 : 인터넷망 21 : 노드
30,300 : 원격 사이트(원격지) 31,340 : 이동 로봇
110 : 오퍼레이터 인터페이스 120 : 자세추정기
130 : 시뮬레이터 140 : 가상환경부
310 : 명령처리필터 311 : 명령처리큐
312 : 명령발생기 320 : 조각경로생성기
330 : 경로추종제어기 350 : 실제환경부
이하에서는 본 발명의 실시예에 대하여 발명의 구성 및 작용에 대하여 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.
인터넷을 통한 이동 로봇의 직접 제어를 위해서는 우선 항상 변하는 인터넷 시간 지연에 의한 영향을 배제시켜야 한다.인터넷의 시간 지연에 따른 제어 명령의 변환 특성은 도 2에 도시되어 있다.
원격지의 이동 로봇을 제어하는 오퍼레이터는 이동 로봇을 직접 볼 수 없기 때문에 인터넷을 통해 원격지로부터 전송되어오는 영상 정보나 좌표 정보 등을 이용하는 시뮬레이터를 사용하여 제어를 수행한다. 이 경우 불규칙한 인터넷 시간 지연은 오퍼레이터가 관측하는 시뮬레이터의 가상 로봇과 원격지에서 움직이고 있는 실제 이동 로봇간의 이동 경로 오차와 두로봇간의 움직임 시간차를 커지게 만든다. 이동 경로 오차가 커지게 되면 실제 이동 로봇은 오퍼레이터가 원하는 움직임과는 큰 차이를 보이게 된다.
도 2 a는 인터넷을 통하여 전송해야 할 제어입력의 특성을 도시한 것이다.
도 2 b는 상기 제어입력이 인터넷을 통하여 전송된 상태의 시간 지연에 따른특성 변화에 관한 것이다.
도 2a에 도시한 바와 같이 일정한 샘플링 주기(T)를 갖고 생성된 제어 입력이 인터넷을 통과할 경우, 인터넷 시간 지연(Td)이 샘플링 주기(T) 보다 크게 되면, 도 2b에 도시된 바와 같이 인터넷 시간 지연 이후 여러개의 제어 입력이 같은 순간에 이동 로봇으로 입력되어지는 현상이 발생하게 된다. 그러므로 동시에 입력된 여러개의 제어 입력에 대한 정보는 대부분 잃어버리는 결과를 가져온다.
상기 인터넷의 시간 지연에 따른 정보 손실에 대하여 좀 더 구체적으로 살펴보면, 인터넷의 시간 지연이 시스템의 원격제어 입력에 미치는 영향을 알아보기 위해 로컬 사이트에서 sine값을 인가하여 원격 사이트에 도달하는 파형을 측정 해보기로 한다. 여기서 입력 값으로 사용한 sine 함수는 다음과 같다.
상기 식에서 주파수 f = 0.1Hz, 진폭 A = 5, 상수 c = 5, 그리고 샘플링주기 T = 0.5sec 이다.
도 3은 로컬 사이트에서 sine값을 인가하여 제어 입력으로 인가한 값과 원격 사이트에서 받은 값을 동시에 나타낸 파형도이다. 고 3의 실선파형은 전송한 파형이고, 점선파형은 인터넷망을 통하여 전송된 파형을 나타낸다. 도 3에서 알 수 있듯이 상기 입력 값은 인터넷 시간 지연의 영향으로 많은 왜곡이 일어남을 알 수 있다. 또한, 더 큰 문제점은 sine 형태의입력 정보가 손실되는 부분이 존재하게 되는 것이다. 그 이유는 인터넷 시간 지연이 샘플링 주기 보다 크게 될 경우, 이후 두개 이상의 샘플링 값이 동시에 원격사이트에 도달하게 되기 때문이다. 그러므로 상기 도 2에서 와 같이 샘플링 주기(T) 보다 큰 인터넷 시간 지연 Td 가 존재할 경우, 시간 지연 이후 하기 식으로 표현되는 N개의 제어 입력이 동시에 원격사이트에 도달하게 되어 시간에 따른 정보를 잃어 버리게 된다.
상기의 이유는 인터넷 상의 한 노드에서 많은 부하가 형성되면서 정보가 쌓이기 때문에 나타나는 현상이다. 누적된 정보는 노드의 부하가 감소하면서 순간적으로 모두 처리되어 동시에 다음 노드로 전송이 이루어지기 때문이다.
이와 같은 인터넷 시간 지연의 특징은 시간 영역에서 원격제어를 하는 경우 문제를 발생시키는 가장 큰 원인이 된다. 따라서, 인터넷을 통한 이동 로봇의 직접제어를 위해서는 인터넷을 통과하여 이동 로봇에 제어 입력이 전송될 때, 시간 지연에 영향 받지 않고, 전송전의 일정한 샘플링 주기(T)가 유지되도록 하여 정보 손실이 없도록 하여야 한다. 다만, 상기의 식에서 샘플링 주기(T) 값이 인터넷 시간 지연(Td) 에 비해 상대적으로 크다면 상기와 같은 정보 손실의 문제가 발생하지 않는다.
도 4는 본 발명의 인터넷을 이용한 원격지 이동 로봇의 직접 제어를 위한 실시예의 전체 시스템도이다.
로컬사이트(100)와 원격 사이트(300)가 인터넷망(200)을 통하여 접속되어 상기 원격 사이트(300)의 이동 로봇을 직접 제어할 수 있는 시스템에 있어서, 상기 로컬 사이트(100)는 오퍼레이터가 컴퓨터를 이용하여 상기 인터넷망(200)에 접속할 수 있고, 시뮬레이터의 가상 로봇(130)을 시각적으로 보면서 제어할 수 있는 오퍼레이터 인터페이스부(110)와, 상기 인터넷망(200)을 통하여 원격 사이트(300)의 이동 로봇(340)의 움직임 정보를 수신하여 현재의 시뮬레이터의 가상 로봇(130)의 움직임을 추정하는 자세 추정기(120)와, 상기 시뮬레이터의 가상 로봇(130)에 가상 환경을 제공하는 가상 환경부(140)를 구비하고;
상기, 원격 사이트(300)는 이동 로봇(340)과 실제 발생되는 환경을 제공하는 실제 환경부(350)와, 상기 인터넷망(200)을통하여 전달되는 제어 입력을 상기 이동 로봇(340)에 전달하기 위한 적합한 명령으로 변환하는 명령처리필터(310)와, 상기 명령처리필터(310)로부터 입력되는 제어 입력을 이용하여 시뮬레이터의 가상 로봇(130)과 동일한 경로를 복원하는 조각 경로 생성기(320)와, 상기 조각 경로 생성기(320)로부터 복원된 경로를 이용하여 상기 시뮬레이터의 가상 로봇(130)의경로와 동일한 경로를 따라가도록 상기 이동 로봇(340)을 제어하기 위한 경로 추종 제어기(330)로 이루어진다.
상기 도 4의 입출력 신호에 대한 부호는 다음과 같은 정보를 나타낸다.
이하, 상기 본 발명의 실시예에 대한 각 구성요건의 작용 및 전체 시스템의 작용에 대해서 상세히 설명하기로 한다.
상기 로컬사이트(100)에서의 각 구성의 작용을 설명하면, 오퍼레이터는 상기의 오퍼레이터 인터페이스부(110)에서 상기시뮬레이터의 가상 로봇(130)을 통해 속도 명령을 보낸다. 한편, 상기 원격 사이트(300)의 이동 로봇(340)에서는 현재의자세 정보를 시뮬레이터의 가상 로봇(130)에 상기 자세 추정기(120)를 통하여 피드백시켜 폐루프를 형성한다. 또한, 상기로봇(340)은 주변환경을 센싱하여 장애물과 충돌을 회피하고, 상기의 시뮬레이터의 가상 로봇(130)은 이미 알고 있는 상기 가상 환경부(140)에서 인지한 가상 환경으로부터 센싱 정보를 받아들여 장애물 회피의 여부를 사전에 파악을 한다.
상기 오퍼레이터 인터페이스부(110)에서는 상기 시뮬레이터의 가상 로봇(130)의 움직임을 시각적으로 관찰하고, 직접 이동 로봇(340)의 제어 입력을 샘플링 주기로 생성시킨다. 상기의 샘플링 주기로 생성된 제어 입력은 상기 인터넷망(200)을통하여 원격 사이트의 이동 로봇(340)으로 입력되고, 동시에 상기 시뮬레이터의 가상 로봇(130)과 자세 추정기(120)로 입력된다. 상기 이동 로봇(340)은 제어 입력을 받아 움직임을 수행한 후, 바뀐 자세 정보를 상기 인터넷망(200)을 통해 로컬 사이트의 자세 추정기(120)로 피드백시킨다. 상기 자세 추정기(120)는 이동 로봇(340)으로부터 전달된 이동 로봇(340)의 자세 정보를 이용하여 현재의 시뮬레이터의 가상 로봇(130)의 자세를 추정하고, 추정된 값을 상기 시뮬레이터의 가상로봇(130)으로 입력시킨다. 상기 시뮬레이터의 가상 로봇(130)은 상기 오퍼레이터 인터페이스부(110)로부터 제어 입력을직접 받아 동작하며, 상기 자세 추정기(120)로부터 현재 자세의 추정치를 받아 시뮬레이터의 가상 로봇(130)의 자세를 보정한다. 또한, 현재의 시뮬레이터의 가상 로봇(130)의 자세는 오퍼레이터 인터페이스부(110)로 전달되어 시각적인 출력값으로 사용된다. 여기에서 상기 시뮬레이터의 가상 로봇(130)과 이동 로봇(340)은 각각 센서를 이용하여 가상 환경과 실제 환경을 통해 주변의 장애물 정보를 알아내도록 작용을 한다.
상기 시뮬레이터의 가상 로봇(130)의 자세를 추정하는 상기 자세 추정기(120)는 로봇의 움직임 궤적식을 이용하여 시뮬레이터의 가상 로봇(130)의현재 자세를 알아낼 수 있다.
인터넷 시간 지연이 샘플링 주기(T) 보다 클 경우, 상기 로컬 사이트(100)로부터 전송된 제어 입력의 정보 손실이 발생한다. 상기 명령처리필터(310)는 정보 손실의 문제를 해결하기 위한 구성이다. 명령처리필터(310)은 인터넷망(200)을 통해전달되는 제어 입력을 이동 로봇(340)에 적합한 명령으로 변환한다. 즉, 오랜 인터넷 시간 지연이 있은 후, 정보의 손실을 막기 위해서 동시에 전달되는 여러개의 제어 입력에 다시 샘플링 주기(T)를 추가시킨다.
도 5는 인터넷망을 통하여 전송된 제어 입력이 상기 명령처리필터를 통과했을 때의 제어 입력 샘플링 주기의 특성 변화도이다. 도 5a와 같은 샘플링 주기가 T로 된 제어 입력이 상기 오퍼레이터 인터페이스부(110)로부터 인터넷망(200)을 통하여 전송되어 온다. 인터넷망(200)을 통하여 전송된 제어 입력은 도 5b에 도시된 바와 같이 인터넷 시간지연 Td의 영향으로 지연시간 Td 이후의 제어 입력이 한 곳에서 동시에 위치하게 됨을 알 수 있다. 즉, 상기의 변화된 제어 입력이 그대로이동 로봇(340)으로 입력되면 동시에 나타난 여러 제어 입력의 정보가 손실됨을 나타낸다. 상기 도 5b의 전송된 제어 입력이 상기 명령처리필터(310)를 통과하면 도 5c에 도시된 바와 같이 동시에 나타난 여러개의 제어 입력에 다시 샘플링 주기(T)를 추가함으로써 제어 입력의 정보 손실을 제거하여 시뮬레이터의 가상 로봇과 이동 로봇의 궤적 오차를 줄일 수 있다.
도 6는 상기 명령처리필터(310)의 상세 블록도이다.
도 6에 도시한 바와 같이 명령처리필터(310)는 명령처리큐(Command Queue)(311)와 명령발생기(Command Generator)(312)로구성된다.
명령처리필터(310)는 속도 제어 입력을 받아들여 명령처리큐(311)에 저장한다. 상기 명령발생기(312)는 샘플링 주기 T 마다 상기 명령처리큐(311)에 저장되어 있는 속도 제어 입력을 명령처리필터(310)의 출력으로 내보낸다. 상기의 구성을 한 명령처리필터(310)는 다음식의 이산사건가변시스템(DEVS ; Discrete Event Variable System) 포멀리즘으로 표현된다.DEVS 포멀리즘은 아토믹 모델(Atomic Model)과 커플드 모델(Coupled Model)로 구성된다.
의 관계임을 알 수 있다.
상기 원격 사이트(300)의 상기 명령처리필터(310)에 의해서 인터넷망(200)으로부터 전송된 제어 입력의 정보 손실이 방지되지만, 인터넷 시간 지연이 누적됨으로써 시뮬레이터의 가상 로봇(130)과 이동 로봇(340)의 움직임에 있어서 시간차가 커지게 된다.
상기 조각 경로 생성기(Path Generator)(320)와 경로추종제어기(Path- Following Controller)(330)는 상기 시뮬레이터의가상 로봇(130)과 이동 로봇(340)의 움직임에 있어서 시간차가 커지는 것을 방지하기 위한 작용을 한다. 즉, 인터넷망(200)을 통해 들어오는 제어 입력이 상기 명령처리필터(310)에서 필요한 신호 처리가 종료된 후, 상기 조각경로생성기(320)로 입력되어 시뮬레이터의 가상 로봇(130)과 동일한 경로를 생성한다. 상기 생성된 경로는 상기 경로추종제어기(330)로 입력되고, 상기 경로추종제어기(330)는 이동 로봇(340)의 제어 입력을 만들어 상기 이동 로봇이 경로를 따라가도록 제어한다.
본 발명에서는 인터넷망(200)을 통과한 제어 입력과 실제 이동 로봇(340)의 입력을 분리시킴으로써 인터넷 시간 지연에의한 시간차 문제를 해결한다. 상기 명령처리필터(310)의 상기 명령처리큐(311)에서 명령을 발생시키는 주기를 샘플링주기(T) 보다 작은 컴퓨터의 연산처리 시간(Tp)로 바꿀 수 있다. 이렇게 함으로써 제어 입력의 정보 손실을 막으면서 시뮬레이터의 가상 로봇(130)의 가상 로봇과 이동 로봇(340)간의 시간차를 줄일 수 있다. 또한, 상기 조각경로생성기(320)에서는 시뮬레이터의 가상 로봇(130)과 일치하는 모델을 사용하여 샘플링 주기 마다 경로를 추가 생성하게 되므로, 생성된경로는 시뮬레이터의 가상 로봇(130)의 경로와 일치하게 된다.
도 7은 본 발명의 주요부인 명령처리필터(310)에 조각경로생성기(320)가 결합된 상태에서의 제어 입력이 명령처리필터(310)를 통과한 상태의 특성 변화를 설명하기 위한 것이다.
7a는 제어 입력이 인터넷망(200)을 통하여 전송된 상태이고, 도 7b는 상기의 명령처리필터(310)을 통과한 후의 제어입력의 특성 변화도이다. 즉, 인터넷 시간 지연 Td 이후, 명령 발생 시간이 샘플링 주기 T 보다 작은 연산 처리 주기 Tp로 동작함을 나타낸다. 이 때, 원격 사이트(300)에 조각경로생성기(320)가 결합되지 않은 상태의 명령처리필터(310) 통과후 보다 줄어든 시간은 다음과 같다.
상기 조각경로생성기(320)는 다음의 식으로 표현된다.
본 발명의 경우, 상기 조각경로생성기(320)에서 생성된 경로가 입력되는 경로추종제어기(330)는 전체 시스템의 성능에 많은 영향을 미친다. 생성된 경로와 시뮬레이터의 가상 로봇(130)의 경로 사이에 오차가 없는 경우, 경로추종제어기(330)의성능이 떨어진다면 이동 로봇(340)은 시뮬레이터의 가상 로봇(130)과 많은 움직임의 오차를 보일 것이다. 상기 경로추종제어기(330)는 이동 로봇(340)이 기준 경로로부터 많이 떨어져 있을 경우에는 빠른 수렴을 하도록 유도하고, 기준 경로위에 이동 로봇(340)이 있는 경우에는 기준 경로를 그대로 따라가도록 제어를 수행한다. 본 발명의 경로추종제어기(330)는 공지된 단위 벡터장 항법 방식(Uni-Vector Field Navigation Method)를 이용하여 구현한다. 즉, 상기 경로추종제어기의 단위 벡터장 방식은 원하는 기준 경로를 중심으로 주변에 단위 벡터장을 형성시킨다. 형성된 단위 벡터는 모든 점에서이동 로봇(340)의 이동 방향을 제시한다. 이동 로봇은 자신이 위치한 점에 형성된 단위 벡터의 방향을 따라가면 최종적으로 원하는 경로로 수렴되도록 작용을 한다.
도 8은 본 발명의 효과를 입증하기 위한 시험 도중의 인터넷 시간 지연을 측정한 것이다. 도 8에서 실선파형은 로컬 사이트에서 원격 사이트 방향으로의 인터넷 시간 지연을, 점선파형은 원격 사이트에서 로컬 사이트로의 인터넷 시간 지연을 나타낸다.
도 9는 상기 도 8에 도시한 인터넷 시간 지연의 환경에서 본 발명의 실시예를 시험한 결과에 대한 시뮬레이터의 가상 로봇과 이동 로봇의 경로의 오차(a) 및 시간차(b)의 특성을 나타낸 것이다. 도 9에서 실선은 시뮬레이터의 가상 로봇의 경로를, 점선은 이동 로봇의 경로를 나타낸다.
도 9a의 경로의 오차를 측정한 결과는 시뮬레이터의 가상 로봇(140)과 이동 로봇(340)의 궤적이 거의 일치함을 나타낸다.
상기 도 9b의 시간차에 대한 측정 결과는 큰 인터넷 시간 지연의 영향에 의한 시간차가 점차 증가하지 않는다는 것을 알수 있다. 시간차가 줄어든다는 것은 생성된 경로를 시뮬레이터의 가상 로봇(130)의 속도 보다 이동 로봇(340)이 더 빠르게 따라간다는 것을 의미한다. 인터넷 시간 지연이 작을 때에는 시뮬레이터의 가상 로봇(130)의 속도와 이동 로봇(340)의속도는 유사하게 나타난다. 그러나 인터넷 시간 지연이 커지게 되면 이동 로봇(340)의 속도는 증가하게 되어 두 로봇간의시간차는 줄어들게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 인터넷을 이용한 원격 이동 로봇의 직접제어 시스템은 원격 사이트(300)의 이동 로봇(310)측에 명령처리필터(310)를 결합하여 인터넷망(200)을 통하여 전송되는 제어 입력을 이동 로봇(340)에 적합한 명령으로 변환한다. 즉, 오랜 인터넷 시간 지연이 있은 후, 정보의 손실을 막기 위해서 동시에 전달되는 여러개의 제어 입력은 명령처리필터로 통과시켜 연산처리주기(Tp)를 추가시킴으로써 제어 입력의 정보 손실을 방지하고, 상기 명령처리필터(310)와 상기 이동 로봇(340) 사이에 조각경로생성기(320) 및 경로추종제어기(330)를 결합함으로서 인터넷 시간 지연에의한 시뮬레이터의 가상 로봇(130)과 이동 로봇(340)의 경로 오차 및 시간차를 줄여서 결과적으로 인터넷을 이용한 원격 이동 로봇의 직접제어를 실현할 수 있게 되었다.
따라서, 본 발명에 의하면 인터넷을 통과하면서 발생하는 인터넷 시간 지연의 영향에 둔감한 이동 로봇의 직접 제어를 할수 있는 효과가 있고, 제어 입력은 명령처리필터(310), 조각경로생성기(320) 및 경로추종제어기(330)를 거치면서 로컬 사이트(100)의 시뮬레이터의 가상 로봇(130)에서 생성된 경로를 그대로 복원시킬 수 있는 효과가 있으며, 상기 명령처리필터(310)의 출력 주기를 상기 조각경로생성기(320)의 연산처리 주기와 동일하게 설정함으로서 시뮬레이터의 가상 로봇과이동 로봇간의 움직임 시간차를 줄일 수 있게 되어 기존의 감독 제어 방식만을 사용하던 인터넷 제어 방식과는 달리 이동로봇의 움직임을 인터넷을 통하여 매순간 직접 제어함으로써 어떠한 경우에도 오퍼레이터가 인터넷을 통하여 이동 로봇을원하는 대로 원격 제어할 수 있다.
본 발명은 상기의 실시예에서 설명된 분야로 한정되지 않고, 앞으로 현실로 다가올 퍼스널 로봇 분야의 기반 기술로 응용될 수 있으며, 또한, 모든 인터넷을 통한 직접 제어를 필요로 하는 시스템 분야에서 바로 적용될 수 있다는 것을 이 기술분야의 통상의 지식인이라면 자명한 사실임을 주지하는 바이다.

Claims (11)

  1. 접속지의 오퍼레이터가 이동 로봇의 시뮬레이터 가상 로봇을 상대로 인터넷망을 통하여 제어 입력을 전송하고, 원격지의 이동 로봇이 상기 인터넷망을 통하여 전송된 제어 입력을 받아 그 명령을 수행하는 인터넷을 통하여 원격지의 이동 로봇을 제어하는 시스템에 있어서,
    상기 인터넷망을 통하여 전송되는 제어 입력의 인터넷 시간 지연에 의한 손실을 방지하기 위한 제어 입력 손실 방지 수단과,
    상기 제어 입력 손실 방지 수단으로부터 입력된 제어 입력을 상기 오퍼레이터가 원하는 경로로 조정하여 상기 이동 로봇에 입력하는 경로 조정 수단을 상기 원격지의 이동 로봇측에 구비하고,
    상기 이동 로봇은 현재의 영상정보나 자세 정보를 상기 시뮬레이터 가상 로봇에 피드백시키고, 오퍼레이터가 피이드백된정보를 기초로 시뮬레이터 가상 로봇에 제어 입력을 입력하여 이동 로봇에 전송시킴으로써 원격지 이동 로봇의 직접 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 인터넷을 이용한 원격 이동 로봇의 인터넷 직접 제어 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제어 입력 손실 방지 수단은, 상기 인터넷망으로부터 전송되는 제어 입력을 받는명령처리큐와 상기 명령처리큐에 필요한 명령을 발생시키는 명령발생기로 구성된 명령처리필터로 이루어지고,
    상기 명령처리큐는 인가되는 제어 입력을 하나씩 차례로 저장하며, 상기 명령발생기는 제어 입력을 소정 주기로 하나씩출력하도록 상기 명령처리큐에 요구하여 상기 명령처리큐로부터 소정 주기로 출력된 제어 입력을 하나씩 출력하는 것을 특징으로 하는 인터넷을 이용한 원격 이동 로봇의 인터넷 직접 제어 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 명령처리필터는 아토믹 모델(Atomic Model)과 커플드 모델(Coupled Model)로 구성되는 이산사건가변시스템(DEVS ; Discrete Event Variable System) 포멀리즘으로 표현되는 다음 식의 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 인터넷을 이용한 원격 이동 로봇 인터넷 직접 제어 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 경로 조정 수단은, 상기의 명령처리필터로부터 인가된 제어 입력에 의해 시뮬레이터 가상 로봇의 모델과 동일한 모델을 사용하여 상기 제어 입력의 한 샘플링 주기 동안 로봇이 이동한 작은 경로를 생성시키는 조각경로 생성기와,
    상기 조각경로생성기로부터 인가된 이동 경로에 따라 상기 이동 로봇이 이동하도록 제어하는 경로추종제어기를 포함하는것을 특징으로 하는 인터넷을 이용한 원격 이동 로봇의 인터넷 직접 제어 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 시뮬레이터 가상 로봇과 이동 로봇간의 움직임 시간차를 줄이기 위해 상기 명령처리필터 내의 상기 명령발생기의 발생주기를 상기 조각경로생성기의 연산처리주기로 설정하는 것을 특징으로 하는 인터넷을 이용한 원격 이동 로봇의 인터넷 직접 제어 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 이동 로봇의 영상정보나 자세 정보를 입력 받아 현재 시뮬레이터 가상 로봇의 자세를 추정하여 보정하는 자세추정수단이 더 포함된 것을 특징으로 하는 인터넷을 이용한 원격 이동 로봇의 인터넷 직접제어 시스템.
  7. 접속지의 오퍼레이터가 이동 로봇의 시뮬레이터 가상 로봇을 상대로 인터넷망을 통하여 제어 입력을 전송하고, 원격지의 이동 로봇이 상기 인터넷망을 통하여 전송된 제어 입력을 받아 그 명령을 수행하는 인터넷을 통하여 원격지의 이동 로봇을 제어하는 방법에 있어서,
    상기 인터넷망을 통과할 때 인터넷 시간 지연에 의한 영향으로 발생되는 상기 제어 입력의 손실을 방지하기 위한 처리를수행하는 제어 입력 손실 방지 처리과정과,
    상기 인터넷 시간 지연의 영향에 의해 발생하는 이동 로봇의 움직임 시간차를 줄이도록 처리를 수행하는 움직임 시간차조정 과정과,
    상기 인터넷 시간 지연의 영향에 의해 발생하는 이동 로봇의 경로의 차를 줄이도록 처리를 수행하는 경로 조정 과정을 포함하고,
    상기 이동 로봇은 현재의 영상정보나 자세 정보를 상기 시뮬레이터 가상 로봇에 피이드백시키고, 오퍼레이터가 피이드백된 정보를 기초로 제어 입력을 생성하여 이동 로봇에 전송시킴으로써 원격지 이동 로봇의 직접 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 인터넷을 이용한 원격 이동 로봇의 인터넷 직접 제어 방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 제어 입력 손실 방지 과정은,
    상기 인터넷망을 통하여 입력된 제어 입력 중 인터넷 시간 지연으로 인하여 동시에 나타나는 여러 제어 입력을 하나씩 출력하고, 그 출력되는 각각의 제어입력을 소정 주기로 하여 출력시키는 수단에 의해서 이루어지는 것을 특징으로 하는 인터넷을 이용한 원격 이동 로봇의 인터넷 직접제어 방법.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 움직임 시간차 조정 과정은 상기 제어 입력 손실 방지 과정에서 발생시키는 소정 주기의 연산 처리 시간을 원래의 제어 입력의 샘플링 주기 보다 작게 하는 과정인 것을 특징으로 하는 인터넷을 이용한원격 이동 로봇의 인터넷 직접 제어 방법.
  10. 청구항 7에 있어서, 상기 경로 조정 과정은,
    상기 시뮬레이터 가상 로봇의 경로와 동일한 경로 정보를 생성하는 단계와,
    상기 생성된 경로 정보에 따라 상기 이동 로봇의 이동 경로를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 인터넷을 이용한 원격 이동 로봇의 인터넷 직접 제어 방법.
  11. 삭제
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