KR100420696B1 - 이동성제어부재를갖는제어장치 - Google Patents

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Abstract

제어 장치에는 다수의 신호 소스 (M1-M4) 와 변환기 사이에서 일직선으로 전파하는 신호를 수신하는 변환기 (10, 11) 를 갖는 작동자 실행 제어 부재 (1) 가 설치된다. 상기 제어 장치는 변환기에서 신호 소스까지의 방향을 감지하는 수단 (10, 102) 을 지니며, 이러한 수단에 의해 변환기로부터 신호 소스까지의 시각선들 사이의 각을 결정하고, 상기 각을 기초로 하여, 제어 부재의 위치를 결정한다.

Description

이동성 제어 부재를 갖는 제어 장치
1개 이상의 자유도를 동시에 제어할 수 있는 공지된 2가지 종류의 제어 수단은 컴퓨터를 제어하기 위하여 사용되는 조이스틱과 마우스이다. 그러나, 상기 제어 수단은 몇 개의 단점이 있다.
마우스는 단지 2개의 자유도에서 동시 제어가 가능하다.
조이스틱 또한 일반적으로는 2개의 자유도만을 갖는다. 그러나, 상기 조이스틱은 3개 혹은 그 이상의 자유도의 제어를 위하여 설계될 수 있다. 그러나, 2개 이상의 자유도를 갖는 조이스틱을 사용할 때는, 정확한 제어를 얻는 것이 어렵거나 불가능하며, 제어 대상체의 이동과 함께 조이스틱의 이동을 조정하는 것 또한 어렵다.
만일 2개 (혹은 가능하면 3개) 이상의 자유도를 갖는 제어가 필요한 경우, 종종 볼 수 있는 것처럼, 그 자체로 공지되어 있는 방법으로, 마우스 혹은 조이스틱을 자유도가 상이한 세트들의 제어 사이에서 스위치시킬 수 있다. 예를 들어, 산업 로봇을 프로그래밍 할 때, 로봇 손 (3개의 변위 변수) 의 기구 중심점의 위치 혹은 로봇 손(3개의 회전 변수) 의 회전중 어느 하나를 제어하도록 조이스틱의 기능을 스위치시킬 수 있는 3개의 자유도를 갖는 조이스틱을 사용하는 것이 알려져 있다. 그러나, 이러한 제어 수단의 사용은 제어를 복잡하고 느리게 한다.
더욱이, 상기 공지된 제어 수단은 그들의 편리함과 그들의 일반적인 유용성을 감소시키는 기계적인 한계를 갖는다. 예를 들어, 마우스는 테이블 등과 같은 편평한 표면을 요구하며, 조이스틱은 조이스틱의 위치와 관련되는 임의의 형태의 베이스 혹은 플랫폼상에 장착되어 움직여져야만 한다. 이것은 상기 제어 수단이 일반적으로 편리하지 않으며 종종 작동자가 양손을 사용하는 것을 요구하기도 한다는 것을 의미한다. 그러므로, 이러한 제어 수단은 불편한 작업 위치, 제한된 공간 혹은 그 양자를 모두 갖는 공간 등의 다양한 응용에 부적당하고 또는 유용하지 않다.
이들 공지된 제어 수단의 또 다른 큰 단점은, 2개를 초과하는 자유도를 가질 때, 제어 수단의 이동과 제어 대상체의 이동 사이에서 제어되는 모든 자유도를 자연스럽게 일치시키기가 어렵거나 혹은 불가능하다는 것이다. 그러므로 작동자의 작동이 복잡하게 되고 느려지게 된다.
6개의 자유도에서 제어할 수 있는 것으로 알려진 제어 시스템은 "폴헤머스 시스템 (Polhemus system)" (Polhemus Inc, Colchester, Vt.,USA) 이다. 상기 시스템은 삼중축 이중극 소스(triple-axis magnetic dipole source)와 삼중축 자기장 센서를 사용한다. 방출된 자기장을 연속적으로 변화시킴으로써, 3개의 상호 독립된 여기 벡터(excitation vector)가 생성된다. 센서에 의해서 감지된 상기 3개의 벡터는 상기 소스와 관련하여 센서의 방위와 위치를 결정하기 위한 충분한 정보를 포함한다. 그러나, 상기 시스템은 많은 단점을 지니는데, 많은 단점중에 하나는 상기시스템이 주변의 다른 자기장에 대하여 민감하다는 것이고, 예를 들어 모터 등과 같은 것으로 인하여 자기장의 변화가 많은 작업장에서의 사용은 방해를 받을 수도 있다는 것이다. 또 다른 단점으로는 인접하는 큰 금속 물체가 상기 시스템의 정확성에 악영향을 끼친다는 것으로서, 이로 인해, 상기 시스템이 예를 들어 자동차 차체의 생산 라인상에서는 실제로 사용될 수 없다. 또 다른 단점으로는 높은 정확도가 요구되는 경우, 상기 센서가 자기장의 소스에 비교적 가깝게 위치되므로 그의 작업 영역을 상당히 제한한다는 것이다. 상기 단점은 상기 시스템이 특별한 환경에서만 사용될 수 있다는 것을 의미한다.
컴퓨터용 제어 수단은 특허 출원 WO 9007762 A1 을 통하여 공지되어 있다. 펜 형태의 제어 부재는 변조 신호, 예를 들어 광신호 혹은 음성신호와 같은 변조 신호를 방출하는 발신기를 포함한다. 제어 부재는 3개의 고정된 수신기가 정렬되어 있는 평면에서 이동될 수 있다. 수신된 신호들 사이의 위상차는 제어 부재 (발신기) 및 수신기 사이의 차를 결정 및 생성하며, 그것에 의해서 평면상에서의 제어 부재의 위치를 결정한다. 상기 평면 외부에 4개의 수신기를 정렬함으로써 제어 부재의 위치가 3차원으로 결정된다. 제어 부재의 방위는 더 많은 발신기를 갖는 제어 부재를 제공함으로써 또한 결정될 수 있다.
동일한 3차원 제어 수단이 특허출원 EP 0420500 A2 을 통하여 공지되어 있다. 펜 형태의 제어 부재에는 서로 이격된 2개의 음향 발신기가 설치되어 있다. 발신기의 3차원 위치는 발신기로부터 4개의 각각의 고정된 수신기로의 전송율을 측정함으로써 결정될 수 있다. 이것은 측정된 발신기의 위치가, 2 개의 자유도의 제어부재의 방위를 결정하기 위하여 사용될 수 있다는 것을 또한 설명하고 있다. 제어 부재상에 3개의 발신기를 정렬하는 것은 3개의 자유도의 방위를 결정하는 것을 또한 허용한다.
유사한 형태의 또 다른 제어 수단 - 컴퓨터 커서를 제어하기 위한 3차원 마우스- 이 EP 0526015 을 통하여 공지되어 있다. 상기 마우스는 음향 발신기를 가지며 3개의 수신기가 컴퓨터 스크린의 주변에 배치되어 있다. 3개의 수신기에 대한 오디오 신호의 전송율이 결정되고, 상기 발신기(마우스)의 위치가 상기 정보로부터 3차원으로 산출된다.
상술한 나머지 3개의 제어 수단의 경우에는, 발신기의 위치는 고정된 수신기와 관련하여 결정된다. 이들 정렬 가운데 2개는 임의의 거리를 두고 배치된 2개 이상의 발신기가 제어 부재에 설치되며, 제어 부재의 방위는 고정된 수신기에 대한 발신기의 측정 위치 및 발신기 사이의 거리를 기초로 하여 산출된다. 임의의 실제적인 사용을 위해서는, 이러한 형태의 휴대용 제어 부재는 매우 제한된 크기를 가져야야만 하는데, 예를 들어 기껏해야 데시미터 (decimeter) 등의 크기를 가져야 한다. 위치를 결정하는데 있어서 제한된 분해능 및 필연적 부정확도와 함께, 상기 제어 부재내의 상이한 발신기 사이의 짧은 거리는 방위 결정의 정확도와 분해능을 감소시킨다는 것을 의미한다. 방위 결정의 정확도과 분해능은 설명된 응용 영역 - 컴퓨터 표시장치의 제어 - 에 대해서는 충분하게 될 수도 있으나, 실제적으로 제어 테스크, 예를 들어 산업 로봇이나 또는 정밀하게 수행되어야만 하는 다른 기계를 제어하는데 있어서는 좀 더 많은 처리를 위하여는 확실히 충분하지는 않다.
이들 3개의 제어 수단의 기본 특성은 그의 위치를 결정하기 위하여, 제어 부재에서 발신기 (혹은 발신기들) 로부터 신호를 수신하는 3개 이상의 고정된 수신기를 각각 필요로 한다는 것이다. 이들 수신기가 비교적 복잡하고 고가이며 또한 이들 수신기는 일반적인 신호 처리 장치의 형태로 케이블 혹은 다른 신호 채널의 수단에 의해서 접속되어야만 한다. 더욱이 상술된 장치의 제어 부재의 위치와 방위에 대한 작동 영역이 극도로 제한된다. 임의의 환경에서의 실제적인 사용은 일반적으로 큰 작업 영역이 요구되며, 그것의 전체 작업 영역을 통하여, 발신기의 시야계의 부분이 작동기 혹은 기계 부분 혹은 작업 부품에 의해서 방해된다 할지라도 상기 장치는 작동될 수 있어야함을 요구한다. 이것을 가능하게 하기 위하여, 상술된 장치는 작업 영역 전역에 배치되어 있는 많은 수의 발신기가 설치되어야만하며 이것은 그들 장치를 고가로 만들고 복잡하게 만든다.
본 발명은, 물체를 제어하기 위하여, 작동자에 의해서 작동되며, 제어 부재의 위치, 방위 혹은 위치와 방위에 따라서 많은 제어 신호를 방출하는 이동성 제어 부재를 구비하는 제어 장치에 관한 것이다.
본 발명과 관련된 형태의 제어 장치는 임의의 장치 혹은 프로세스를 제어하기 위하여 사용될 수 있다. 그 응용의 예로는 컴퓨터 장비와 표시장치의 제어 및 산업 로봇의 제어이다.
이 응용에서, 용어 "제어"는 작동자에 의해서 장치, 장비 혹은 프로세스에 미치는 임의의 형태의 영향을 포함한다. 그러므로 상기 용어는 예를 들어,
기계적인 물체, 예를 들어 로봇을 프로그래밍할 때 실제 혹은 시뮬레이트된 산업 로봇의 손의 위치, 방위 혹은 위치와 방위를 제어하고,
컴퓨터 표시장치에서 커서(cursor)를 이동하고,
메뉴 표시에서 소정의 명령어를 지적하여 컴퓨터에 명령어를 입력하고,
몇 개의 사용가능한 컴퓨터 메뉴로부터 소정의 메뉴를 선택하고,
표시장치내에서 소정 부분의 표시를 선택하고,
예를 들어, 컴퓨터 시뮬레이션에서의 보는 각도를 선택하는 것을 포함한다.
그러므로, 이러한 응용에 있어서 용어 "제어 부재", "제어 장치", "제어 신호" 등은 "제어"와 연결되어 사용되거나 혹은 "제어" 를 발생하는 부재, 장치, 신호 등을 말하고 있다.
3차원 물체는 6개까지의 자유도를 갖는데, 3개의 변위와 3개의 회전각이 그것이다. 본 응용에서 사용된 개념에서 물체의 "위치" - 본 응용에서 사용된 것과 같은 개념에서 - 는 고려되는 좌표계의 원점에 대한 변위를 나타내는 3개의 크기값에 의해서 정의된다. 본 응용에서 사용된 개념에서 물체의 "방위" - 본 응용에서 사용된 것과 같은 개념에서 - 는 좌표계에서 회전각을 나타내는 3개의 크기값으로 결정된다.
실제로 물체는 6개 미만의 자유도를 종종 갖는다. 예를 들어, 컴퓨터 표시장치상의 커서는 항상 2개의 자유도를 갖는다. 커서의 방위는 정해져 있으며 (혹은 무시되며), 커서의 위치는 2개의 변수로 특성화된다. 비슷하게 3차원 물체가 6개 이하의 자유도를 갖는 제한을 가질 수도 있는데, 예를 들어, 테이블에서 이동하는 블록은 3개의 자유도를 갖는데, 2개의 변수는 테이블상에서의 위치를 가리키며 1개의 변수는 그의 방위(즉 테이블에 수직한 축에 대한 회전각)를 가리킨다. 다음에서 볼 수 있는 것처럼, 본 발명에 따르는 전형적인 제어 장치는 6개의 자유도를 제어할 수 있다. 그러나, 그런 장치는 또한 6개 이하의 자유도를 갖는 물체를 제어하기 위하여 유용하게 사용될 수 있다.
여기서 제어 대상체의 "자유도" 란 용어는 기계적인 물체 혹은 시스템의 자유도라는 종래의 개념에 대한 것만은 아니며, 일반적으로 제어 장치에 의해서 영향을 받을 수 있는 제어 대상체의 변화에 대한 것이다. 그러므로 제어 대상체의 자유도는 임의의 좌표축에 따른 위치, 회전각, 임의의 방향으로의 속도, 흐름 혹은 온도, 혹은 또 다른 어떤 크기값과 같은 물리적 크기값, 혹은 영향받을 수 있는 기능을 포함할 수도 있다.
본 응용에서 용어 "광신호" 는 가시파장대역내 및 대역밖 양자의 광방출을 구비하거나 사용하는 신호에 관한 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 제어 장치의 구조의 예를 개략적으로 도시한다.
도 2a 및 도 2b 는 산출을 위하여 사용되는 크기와 임의의 좌표계를 도시한다.
도 3 은 도 1에 따른 장치에서 신호 처리 회로의 구조를 개략적으로 도시한다.
도 4a 는 카메라 화상에서 마커의 위치를 결정하는 화상 처리 시스템과, 비디오 카메라와, 반사하는 마커를 비추는 특정한 광소스를 사용하는 본 발명에 따른 장치의 또 다른 예를 도시한다.
도 4b 는 도 4a 에 따른 장치에서 신호 처리 회로의 구조를 개략적으로 도시한다.
도 5a 는 본 발명에 따른 장치의 또 다른 예로서, 여기서 신호 소스는 시스템 주변에 존재하는 부품들로 구성되며, 시스템 위치는 비디오 카메라와 화상 처리 시스템의 도움으로 결정될 수 있다.
도 5b 는 도 5a 에 따른 장치에서 신호 처리 회로의 구조를 대략적으로 도시한다.
도 6 은 본 발명에 따른 장치가 로봇 손의 위치, 방위 혹은 위치 및 방위를제어하기 위하여 산업 로봇과 어떻게 연결될 수 있는지를 도시한다.
도 7 은 본 발명에 따른 장치가 메뉴 표시장치를 제어하기 위하여 어떻게 컴퓨터와 연결될 수 있는지를 도시한다.
도 8 은 본 발명에 따른 장치의 또 다른 실시예로서 머리의 이동에 의해서 제어 신호를 생성하는 헬멧을 구비하는 장치를 도시한다.
도 9 는 도 8 에 따른 장치가 헬멧상에 정렬된 표시장치에 의해서 어떻게 보강될 수 있는지를 도시한다.
도 10 은 각각의 끝단에 변환기를 갖는 휴대용 제어 부재를 도시한다.
도 11 은 2개의 휴대용 제어 부재를 갖는 본 발명에 따른 제어 장치를 도시한다.
본 발명의 목적은 도입부에서 설명된 형태의 제어 장치를 생성하는 것으로,
상기 장치는 모든 일반 가정, 사무소 및 산업 환경에서 일반적으로 사용할 수 있으며,
상기 장치는 상기 환경에서 6개까지의 자유도에서 동시 제어를 간단하게 할 수 있으며,
상기 장치내의 제어 부재가 넓은 작업 영역에서 작동할 수 있으며,
상기 장치내의 제어 부재의 전체 작업 영역을 통하여, 위치와 방위의 양자에 대하여, 장치는 극도로 높은 정확도를 요구하는 응용, 예를 들어 산업 로봇, 미사일 혹은 가상 현실 (Virtual Reality : VR) 응용에서의 컴퓨터를 제어하기 위하여 사용될 수 있도록 높은 정확도와 분해능을 가지며,
상기 장치의 제어 부재는 작은 크기와 완전한 기계적 자유도를 가져서 제어를 위하여 한 손만이 필요하며, 작동자의 다른 손은 자유롭게 될 수 있고, 제어 부재는 좁은 공간 혹은 접근하기에 어려운 장소에서 사용될 수 있으며,
상기 장치의 제어 부재는 3차원 물체의 6개의 자유도에 모두에 대해서 조차도, 예를 들어, 제어 부재의 이동과 제어 대상체의 이동간에서 자연스런 일치를 얻도록 설계될 수 있어서, 작동자의 작업을 좀 더 단순하고 빠르게 되도록 하며,
상기 장치는 정확한 절대 측정 기능을 가지며,
상기 장치는 극도로 간단하게 고정된 부재들만을 요구하며, 원한다면, 그런 부재가 완전히 제거될 수 있도록 설계되어서, 제어 장치를 간단하고 유연하며 저가로 만든다.
본 발명에 따른 제어 장치의 특성은 첨부된 청구항에서 표출된다.
본 발명에 따른 장치는 우선, 각을 측정하는데, 즉 초기 크기값으로서 제어 부재의 방위를 높은 정확성을 가지고 구하며, 그런 후, 위치를 소정의 정확도로 산출할 수 있다. 본 발명에 따른 장치의 또 다른 기본 특성은 수신기가 제어 부재내에 정렬되는 것이다. 다음에서 설명된 것처럼, 신호를 방출하는 부재는 극도로 단순한 부재로 설계될 수 있으며 장치 주위에 이미 존재하는 부품들로 구성될 수도 있다. 본 발명에 따른 장치는 상술된 조건을 만족할 뿐만 아니라 앞에서 공지된 장치 이상의 상당한 장점을 공급한다는 것을 이들 특성과 그 밖의 다른 특성이 증명한다.
본 발명은 첨부된 도 1 내지 도 11을 참고로 하여 이하에서 더 자세히 설명될 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 제어 장치의 일 예이다. 작동자의 손에 편안하게 보유될 수 있도록 설계된 루즈 핸들(loose handle) 형태의 제어 부재 (1) 가 설치되어 있다. 제어 부재 (1) 에는 광각 렌즈 (11) 를 갖는 변환기 (10) 와 변환기의 화상 표면상에 렌즈가 생성하는 화상을 평가하기 위한 약간의 전자 장치가 한 끝단에 설치된다.
변환기는 스웨덴특허 출원번호 8404246-4 (공개 번호 444 530) 에 개시된 측정 원리를 사용하는 2차원 변환기이다. 그러나, 상기 공개공보는 작동자 실행 제어 부재에 대하여는 기재되어 있지 않으며, 제어 시스템이 이 측정 원리를 사용하는 피드백값 변환기를 포함하는 산업 로봇에 대하여 기재하고 있다.
발광 다이오드 (M1, M2, M3, M4) 형태의 몇 개의 신호 소스는 제어 부재와 거리를 두고 상호 떨어져서 정렬되어서, 제어 부재의 일상적인 사용중에는, 3개 이상의 신호 소스가 변환기의 시야계내에 항상 존재하게 한다. 상호 관련된 신호 소스의 위치는 예를 들어 그들 모두에게 공통인 좌표계에서 소스의 위치를 측정함으로써 알게 된다.
제어 부재 (1) 는 바람직하게는 또한 많은 누름식 버튼 (B1, B2,... Bn) 을 갖는다. 이들 버튼은 일측에 있는 작동자와, 타측에 있는 제어 장치와 제어 대상체 사이의 모든 소통이 제어 부재 (1) 를 이용하여 실행될 수 있도록 하는 기능을 갖는다. 이들 누름식 버튼 기능의 일 예는 컴퓨터 마우스상의 누름식 버튼의 기능인데, 예를 들어, 버튼의 실행은 제어 부재의 위치, 방위 혹은 위치와 방위, 제어 부재에 의해서 나타나는 마커의 위치, 혹은 메뉴에서 지시되는 명령어의 실행 등을 컴퓨터로 입력하는 결과를 발생한다.
이와 관련된 또 다른 소정의 기능은 임의의 누름식 버튼을 실행함으로서 제어 부재의 변위는 제어 대상체에 대응 변위 혹은 다른 변화를 발생한다는 것이다. 이것은 원하지 않는 제어 측정을 발생시키는 제어 부재의 위치 혹은 방위의 불필요한 선택을 피하게 된다.
제어 부재 (1) 는 소통 채널 (101) 을 경유하여 제어 및 산출 장치 (102) 와 소통된다. 상기 채널은 최대한으로 가능한 자유를 작동자에게 허용하기 위하여 유연성 케이블 혹은 코드리스 링크(cordless link), 예를 들어 IR 링크로 구성된다.정보는 화상내의 다양한 신호 소스의 화상의 위치와 관계되는 변환기 (10) 와, 제어 부재내의 다양한 누름식 버튼 (B1...Bn) 양자로부터 채널 (101) 을 경유하여 장치 (102) 로 전송된다.
장치 (102) 는 신호 (s1...s4) 를 신호 소스 (M1...M4) 로 방출하여 신호 소스가 주기적으로 동시에 한번 작동함으로써, 상기 장치가 임의의 측정과 관계하는 신호 소스의 트랙을 연속적으로 유지할 수 있게 한다.
상술된 스웨덴 특허 출원에서 좀 더 상세하게 설명된 것처럼, 장치 (102) 는 변환기 (10) 의 위치와 방위, 즉 제어 부재 (1) 의 위치와 방위를 연속적으로 산출한다. 간단하게 말해서, 3개의 신호 소스를 선택하고, 변환기에서 상기 신호 소스로의 시각선(sight line)의 방향을 결정하고, 시각선들 사이의 각도를 산출함으로써 산출이 실행되어서, 변환기 (= 제어 부재) 의 방위과 위치가 상기의 각들, 시각선의 방향, 신호 소스의 알려진 위치 및 이들 크기 사이의 기하학적 관계를 사용함으로써 결국 얻어진다. 상기 제어 부재의 위치는 3 차원 벡터P로 정의되는 데이터의 형태로 얻어지며, 또한 상기 제어 부재의 방위은 3차원 벡터A로 정의되는 데이터의 형태로 얻어진다.
신호 (Cn) 또한 장치 (102) 로부터 방출된다. 이들 신호는 제어 대상체에 영향을 줄 수 있는 제어 부재의 누름식 버튼의 위치를 설명한다(누름식 버튼의 몇 개는 제어 장치에 영향을 줄 수도 있다).
도 2a 는 변환기 (10) 를 갖는 제어 부재 (1) 와 3개의 신호 소스 (M1-M3)를 개략적으로 도시한다. 상호관련된 신호 소스의 위치는 예를 들어 알려진 벡터 (V12, V23, V31) 로 가정한다. 각 소스의 위치가 좌표계(x0, y0, z0) 에서 알려저 있기 때문에 신호 소스의 상대적인 위치는 또한 간접적으로 알 수 있다. 좌표계에서 변환기 (10) 의 위치는P로 표시된다. 변환기로부터 신호 소스로의 방향은 벡터 (V1, V2, V3) 로 표시된다. 변환기로부터 신호 소스까지의 시각선들 사이의 각은 T12, T23, 및 T31으로 표시된다.
도 2b 는 신호 소스 (Mi) 의 화상 (Mib) 을 갖는 변환기의 화상 표면 (103) 을 개략적으로 도시한다. 화상 표면에서의 화상의 위치는 좌표(xib, yib)에 의해서 한정된다.
도 3 은 변환기 신호를 기초로 하여 신호 소스의 각각에 대하여 화상에서의 위치- xib, yib- 를 결정하는 추정 회로 (104) 에, 변환기 (10) 의 도움으로 얻어진 신호/신호들/화상정보 (signal/signals/image information; PI) 가 어떻게 공급되는지를 보여준다. 이러한 정보는 변환기/제어 부재의 위치와 방위를 한정하는 백터P및A를 연속적으로 산출하는 산출 장치 (105) 에 공급된다. 상술된 실시예에서 이들 벡터는 제어 장치에 의해서 방출된 제어 신호를 구성한다. 변환기의 구조 및 산출 회로의 구조와 기능은 상술된 스웨덴특허 명세서 (공개 번호 444 530) 에서 더 자세하게 설명된다.
도 3 은 제어 부재 누름식 버튼 (B1...Bn) 의 위치가 제어 장치의 다른 부분, 제어 대상체 혹은 그 양자로 통과되는 정보 (Cn) 를 어떻게 한정하는지를 개략적으로 보여준다.
제어 장치를 사용하기 위하여 작동자는, 한 손으로 부재 (1) 를 잡아 예를 들어 누름식 버튼 (B1...Bn) 중의 하나를 아래로 누름으로써 제어 부재를 작동시킨다. 제어 부재를 병진 이동시킴으로써 작동자는 벡터P로 커버되는 3개의 변수에 영향을 끼칠 수 있으며, 제어 부재를 회전 이동시킴으로써 작동자는 벡터A로 커버되는 3개의 변수에 영향을 끼칠 수 있다.
도 4a 및 도 4b 는 본 발명에 따른 제어 장치의 또 다른 실시예를 도시하며, 그 내부의 변환기 (10) 와 화상 평가를 위한 장치는 퀄리시스 에이비(Qualisys AB, Ogardesvagen 2, S-433 30 Partille, Sweden) 로부터 입수가능한 맥리프렉스(MacReflex) 시스템과 동일한 원리에 따라 작동하는 장치 (도 4b 의 도면 부호 50) 를 구성한다. 이러한 시스템은 시스템 문서에 설명되어 있는데, 예를 들어
맥리프렉스 - 명확한 이동 분석
맥리프렉스 : 기술 설명서, 퀄리시스 에이비 1993
맥리프렉스 시스템, 산업 로봇을 시험하기 위한 새로운 장치
운동학적 측정물, 맥리프렉스 시스템 악세사리, 퀄리시스 에이비 1994
스테판 악셀존(Stefan Axelsson) : "산업 로봇 오류의 사진 감식과 두 카메라 시스템의 평가"(chalmers University of Technology, Department of ProductionEnginnering, Licentiate Thesis, Gothenburg 1992) 내에 설명되어 있다.
도 4a 는, 상술된 실시예에서처럼, 변환기 (10-11) 와 누름식 버튼 (B1-Bn) 을 갖는 핸들을 구비하는 제어 부재 (1) 로 구성된다. 변환기는 광각 렌즈 (11) 를 갖는 CCD 형 비디오 카메라를 구비한다. 제어 부재는 제어 부재의 누름식 버튼 (B1...Bn) 으로부터의 정보 (Cn) 와 함께, 제어 장치의 출력 신호를 구성하는 벡터P및A의 형태로 제어 부재의 위치 및 방위를 연속적으로 산출하는 산출 장치 (102) 와 신호 채널 (101) 을 경유하여 접속된다.
이러한 경우 신호 소스는 예를 들어 반사 테이프로 제조된 마커 (M1-M4) 를 반사시킨다. 상기 마커는 편평한 형태일 수도 있으며 혹은 반사구(reflecting sphere)로 형성되어서 그것을 바라보는 각과는 무관하게 동일한 형태를 보일 것이다. 도 4a 에 도시된 시스템에서 마커는 상이한 형태를 가져서 신호 처리 회로는 다양한 마커 (선택적으로 동일한 형태의 상이한 크기의 마커가 동일한 목적을 위하여 사용될 수도 있다) 사이를 확인하고 구별될 수 있게 한다. 많은 광소스가 그의 소스 (12a, 12b) 가 도시되어 있는 변환기의 렌즈 (11) 근처에 정렬된다. 외부의 광소스로부터 관련 신호를 분리하기 위하여 광소스는 바람직하게는 임의의 주파수로 펄스화되거나 혹은 변조된 적외선광을 방출한다. 상기 방출광은 마커에 의해서 반사되며, 변환기의 비디오 카메라에 의해서 생성된 화상은 마커의 표시를 포함한다. 비디오 카메라에는 외부의 광소스의 영향을 감소시키기 위하여 IR 필터가 또한 설치되어 있다.
특히 상기 시스템은 IR 광으로 작동하기 때문에, 카메라는 마커와 주변 환경 사이에서 큰 컨트라스트를 검출한다. 상기 시스템은 화상을 선으로 차례로 스캔하고, 비디오 신호가 임의의 레벨의 위 혹은 아래에 있는지를 감지하는 단순한 화상 처리 시스템을 가지고 작업할 수 있다. 물론, 선택적으로, 가시영역의 주파수영역 내의 광이 사용될 수도 있다.
그렇게 얻어진 외곽선 (contours) - 그들로부터 유도된 특성 - 은 그들을 식별하기 위하여 이미 저장된 외곽선 혹은 마커의 특성과 비교된다. 적절한 특성을 선택할 때, 이것은 거리에 무관하게 관찰된다. 예를 들어 측정된 2개의 특성적 크기값 사이의 비율이 사용될 수 있다. 마커 표시의 위치는 그것에 의해서 둘러싸인 표면 혹은 외곽선의 중력 중심의 위치로서 적절하게 형성 및 결정될 수 있다.
변환기의 비디오 신호 (video signal; VI) (도 4b 참조) 는 비디오 프로세서 (106) 에 공급된다. 이러한 비디오 프로세서는 화상을 분석하고, 마커를 식별하고, 화상에서의 각각의 마커의 위치 (xib, yib) 를 결정한다. 이러한 정보는 산출 회로 (105) 에 공급되는데, 상술된 방법에서 상기 정보와 상호 연결된 마커의 잘 알려진 위치를 기초로 하여, 산출 회로는 제어 부재의 위치와 방위를 결정하는 정보 - 벡터P와A- 를 연속적으로 산출한다. 이러한 정보 및 누름식 버튼 (B1...Bn) 으로부터의 정보 (Cn) 는 제어 장치에 의해서 방출된 제어 신호를 구성한다.
CCD 이외의 다른 형태의 비디오 카메라로는 예를 들어 광감지 소자와 같은 다이오드 어레이를 사용하는 카메라를 사용할 수도 있다. 유사하게 광소스 (12a,12b 등) 의 부분 혹은 전부가 변환기 (10) 로부터 분리 장착될 수도 있다.
상술된 본 발명의 2개의 실시예에서 상기 신호 소스는 특정하게 배치된 능동성 (도 1-3) 및 수동성 (도4a-4b) 광 변환기를 구비한다. 능동성 변환기 (예를 들어 발광 다이오드) 는, 상술된 수동성 반사 마커 대신에 제 2 실시예에서도 또한 신호 소스로서 사용될 수도 있다.
도 5a 는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한다. 본 실시예에서는 특정하게 배치된 신호 소스를 요구하지 않는다. 대신 작업 대상체, 예를 들어 자동차 차체에 혹은 그 주변에 이미 존재하는 부분 (F1-F4) 을 신호 소스로서 사용할 수도 있다. 이러한 경우 본 발명에 따른 제어 부재의 변환기 (10) 는 주변을 묘사하기 위하여 배치된 광각 렌즈 (11) 가 장착된 비디오 카메라를 구비하며, 종래의 화상 처리 시스템을 화상을 분석하고, 선택된 부분을 결정하며 화상에서의 위치를 결정한다. 결정된 위치를 기초로 하여, 변환기의 위치와 방위은 도 1 내지 도 5 를 기준으로 상술된 것처럼 연속적으로 산출된다.
변환기 (10) 는 상술된 것처럼 제어 부재 (1) 안에 배치되며 소통 채널 (101) 을 통하여 산출 장치 (102) 와 소통한다. 앞에서 설명된 실시예에서와 동일한 방법으로, 산출 장치는 신호P와A형태로 제어 부재의 위치와 방위에 관한 정보와 제어 부재 누름식 버튼으로부터의 정보 (Cn) 를 공급한다.
도 5b 에 도시된 것처럼, 비디오 신호 (video signal; VI) 는 변환기 (비디오 카메라)(10) 로부터 화상 처리 시스템 (비디오 프로세서)(106) 으로 공급되는데, 화상 처리 시스템은 도 4b 에 도시된 비디오 프로세서처럼 화상을 분석하고, 마커를 식별하며, 화상에서의 그들 위치 (xib, yib) 를 결정한다. 상기 위치는 산출 회로 (105) 에 공급되는데, 상술된 것에 대응하는 방법으로, 산출 회로는 제어 부재의 위치와 방위를 나타내는 정보 - 벡터P및A- 를 산출한다.
적절한 디테일의 예로서는 모퉁이, 구멍 등이며, 이것은 비디오 시스템에 의해서 명확하게 찍어낼 수 있으며, 이것은 특성적 외상 및 알려진 위치를 갖는다. 상기 시스템이 작동되기 시작할 때 상기 부분은 적절한 방법으로 지적되어 식별되며, 예를 들어 CAD 시스템으로부터의 다운로딩에 의해서 위치가 결정되고 저장된다. 도 5a 에 도시된 예에서 부분 (F1-F4) 은 작업 대상체, 예를 들어 자동차의 차체에서 4개의 모퉁이의 개구 (107) 를 구비한다.
도 5a 내지 도 5b 에 대하여 설명된 시스템은 특정한 광소스를 요구한다. 신호 소스로서 사용되는 상기 부분은 그 안의 일상적인 빛에 의해서 비추어질 수도 있으며, 광의 소정의 강도 혹은 특성을 제공하기 위하여 필요하다면, 특정한 광소스가 사용될 수도 있다. 도 4a 내지 도 4b 에 대하여 설명된 장치에서처럼, 신호 소스로부터 방출된 신호는 변환기에 의해서 수신되는 반사광으로 구성된다.
이러한 경우, 적어도 몇 개의 신호 소스는 특정하게 적용된 마커, 예를 들어, 어두운 배경에 배치된 광 테이프의 조각, 패턴 혹은 그림으로 구성된다.
스웨덴 특허출원 8600872-9 (공개 번호 485 427) 은 상기 측정 원리를 기초한 변환기의 위치와 방위가 어떻게 산출될 수 있는지, 또한 상기 산출을 실행하기위한 장치의 구조와 기능에 대하여 좀 더 상세하게 설명하고 있다. 그러나, 상기 공개 공보는 작동자-실행 제어 부재를 설명하지 않으면서 산업 로봇을 위한 장치의 제어 시스템은 상기 측정 원리를 사용하는 피드백값 변환시를 포함한다.
본 발명에 따른 상술된 제어 장치에서 신호 처리 회로는 이동성 제어 부재 및 고정된 전자 장치 (도 1 에서 각각 도면 부호 "1" 및 "102") 사이에 적절한 방법으로 배치될 수도 있다. 어떤 경우에는, 신호 처리 회로가 상당히 작아서 실제 제어 부재에 전체가 장착될 수 있으며, 이런 경우에는 고정된 전자 장치가 전부 제거되거나, 혹은 제어 부재와 주변 혹은 제어 대상체 사이의 통신을 위하여 요구되는 그런 회로만을 하우징한다.
도 1 내지 도 5 에 대한 상술된 장치에서 단순하게 하기 위하여 4개의 신호 소스만이 장치마다 도시되어 있다. 상술된 특허 명세서에서 설명된 것처럼, 작업 영역에서의 제어 부재의 위치와 방위와는 무관하게, 적절한 방법으로 배치된 보다 많은 수의 신호 소스가 적절하게 제공되도록 하여, 변환기로부터 볼 때 충분히 상이한 방향으로 3개 이상의 신호 소스가 변환기의 시야계내에 존재하도록 하여 소정의 측정 정확도를 강화한다.
도 6 은 산업 로봇 장치 (108) 의 제어를 위하여 배치되고 접속된 본 발명에 따른 제어 장치 (109) 를 도시한다. 상술된 것처럼, 제어 장치의 산출 장치 (102) 는 제어 부재 (1) 의 위치와 방위를 결정하는 신호P및A를 연속적으로 방출한다. 로봇 장치는 로봇의 이동을 관리하는 제어 및 구동 장치 (110) 를 구비한다. 실제 로봇 (111) 에는 작동 장치 (여기서는 그립퍼(gripper) 로서 도시됨) 를 갖는로봇 손 (112) 이 설치되어 있다. 제어 장치 (109) 로부터의 제어 신호는 로봇 손의 장치 중심점(tool center point)의 위치와 로봇 손의 방위를 위한 값을 명령함으로써 제어 장치 (110) 와 접속된다. 따라서 제어 부재의 변위는 제어 신호P에서의 대응 변환을 발생시키며, 이것은 다음으로 로봇의 장치 중심점의 위치의 대응 변위를 발생시킨다. 유사하게, 제어 부재의 방위에서의 변화는 제어 신호A에서의 대응 변화를 발생시키며 그런 후 로봇 손 (112) 의 방위에서의 대응 변화를 발생시킨다.
제어 장치는 로봇이 작동하는 좌표계내에서의 신호P' 및A' 를 제어하기 위하여, 제어 장치가 작동되는 좌표계로부터 제어 신호P및A의 좌표 변이를 위한 변환 유닛 (113) 을 바람직하게 포함한다. 이러한 변이는 제어 부재의 이동과 로봇 손의 이동 간에 소정의 대응이 실행되게 하여서, 임의의 방향으로의 제어 부재의 이동과 동일한 방향으로의 로봇 손의 장치 중심점의 이동을 발생시키고, 임의의 축에 대한 제어 부재의 회전에 의해 상기 축에 평행한 축에 대하여 로봇 손이 회전하게 한다.
상술된 응용에서 제어 부재의 변위 이동은 로봇 손의 대응하는 변위 이동을 발생하고 제어 부재의 회전은 로봇 손의 방위에 대응되는 변화를 발생한다. 제어 부재와 제어 대상체 사이의 이 관계는 대상체의 위치와 방위 양자를 조절함으로써 적절하고 자연스럽게 된다. 다른 경우에, 이것은 어떤 다른 방법으로 연결할 수도 있다. 예를 들어, 만일 제어 대상체의 방위가 일정하거나 혹은 관계가 없다면, 제어 부재의 좌우 혹은 상하의 회전이 제어 대상체의 좌우 혹은 상하의 변위를 발생시키도록 하게 할 수도 있다. 제어 대상체의 제어 부재의 적절한 프로그래밍에 의해서 소정의 기능이 얻어질 수 있다. 또한 본 발명에 따른 제어 장치에는 제어 대상체를 위한 신호를 적절하게 제어하도록 제어 부재의 위치와 방위에 대응하는 신호를 소정의 방법으로 변환시키기 위한 회로가 설치된다.
변환기 (10) 와 동일한 형태의 변환기(114)(도 6 에 파단선으로 도시된) 가 로봇 손에 배치될 수도 있으며, 로봇 손의 위치, 방위 혹은 위치 및 방위를 위하여 피드백 값 변환기로서 로봇 제어 시스템내에서 사용될 수도 있다. 변환기(114)는 변환기 (10) 로 조정될 수도 있어서 예를 들어, 2개의 변환기는 동일한 신호 소스, 제어 장치 및 산출 장치, 혹은 동일한 신호 소스와 제어 장치 및 산출 장치의 전부 혹은 일부 그리고 산출 장치를 사용하여서, 전체적으로 단순한 장치를 얻는다.
시스템의 완전한 측정 기능을 사용하고, 2개의 변환기 (10, 114) 가 동일한 마커를 사용하면, 선택가능한 오프셋은 제어 부재 (1) 와 로봇 손 사이의 위치 및/ 또는 방위에서 유도될 것이다.
도 7 은 메뉴 화면 (115) 을 갖는 컴퓨터 (116) 를 제어하기 위하여 배치된 본 발명에 따른 제어 장치를 도시한다. 제어 부재 (1) 는 제어 장치의 산출 장치 (102) 에 접속되며, 이 산출 장치는 제어 신호P및A를 컴퓨터로 공급할 뿐만 아니라 제어 부재 누름식 버튼 (B1-Bn) 으로부터의 정보 (Cn) 를 컴퓨터에 공급한다. 간단하게 하기 위하여, 제어 장치의 신호 소스는 도 7 에서 생략되었다.
도시된 예에서 제어 장치의 좌표계 (X, Y, Z) 의 X 축 및 Y 축은 표시장치평면에 평행하며 Z 축은 상기 표시장치 평면에 수직이다.
메뉴 표시장치는 다수의 메뉴 (ME1, ME2,...MEn) 를 공지된 방법으로 구성한다. 명확하게 하기 위하여, 메뉴들은 하나의 메뉴 뒤에 다른 하나의 메뉴가 존재하도록 도시하였다. 소정의 메뉴는 하단에서 설명될 제어 부재 (1) 의 도움으로 선택된다. 각각의 메뉴는 몇 개의 명령어 등을 포함한다. 명령어는 소정의 메뉴에 의하여 선택되고 커서 (117) 를 가지고 소정의 명령어를 지적함으로써 효과가 발휘된다.
제어 부재 (1) 는 메뉴와 커서의 선택을 제어하도록 배치된다. 이것은 제어 장치로부터 제어 신호를 사용하기 위하여 컴퓨터를 어떻게 프로그램할 것인지에 따라서, 다양한 방법으로 수행될 수 있다. Z 방향에서의 제어 부재의 변위는 메뉴를 통하여 플립핑 (plipping) 이 발생되도록 할 수도 있다. 소정의 메뉴를 발견할 때, 커서 (117) 는 표시장치에 대하여 평행한 평면에서 제어 부재를 이동시킴으로써 이동된다. 제어 부재의 측방향 이동(X 방향) 은 커서에 대응하는 이동을 제공하며, 제어 부재의 수직 이동 (Y 방향) 에 의해 커서가 수직으로 이동하게 된다.
또한 제어 부재와 표시장치 사이의 관계는 다른 방법으로 얻어질 수도 있다. 커서의 측방향 이동은 예를 들어 제어 부재를 Y 축을 중심으로 회전시킴으로써 발생되고, 제어 부재를 X 축을 중심으로 회전시킴으로써 수직 이동이 발생될 수 있다.
제어 부재의 원하지 않는 이동이 컴퓨터 표시장치내의 사이에서 발생하지 않도록 하는 기능을 갖는 1개 이상의 누름식 버튼을 구비하는 제어 부재가 설치될 수도 있다. 제어 부재에는 누름식 버튼이 설치될 수 있는데, 예를 들어 이것은 버튼이 눌려졌을 때 메뉴를 통하여 플립핑되게 한다. 소정의 메뉴가 발견될 때 누름식 버튼을 작동시키지 않음으로써 Z 방향에서 제어 부재의 우연적인 이동에 의해서 상이한 메뉴로의 원하지 않는 이동이 발생할 수 없게 한다. 대응하는 기능을 갖는 누름식 버튼은 커서의 이동을 위하여 배치될 수 있다. 또한, "엔터(ENTER)" 를 갖는 누름식 버튼이 바람직하게 배치될 수 있다. 소정의 메뉴가 선택되고 커서가 메뉴 상의 소정의 명령어 상에 놓일 때, 상기 누름식 버튼이 작동되어서 명령어를 입력하거나 혹은 실행시킨다.
도 6 및 도 7 에 대하여 설명된 본 발명에 따른 제어 장치의 응용의 두 예에서, 제어 부재의 임의의 변위는 직접적인 대응 이동을 발생한다고 가정하는데, 예를 들어 제어 대상체의 비례 이동 (혹은 상태의 교차) 등이 발생한다고 가정한다. 그러나, 제어 부재의 이동과 제어 대상체의 이동(혹은 일반적인 경우에 변화된 상태) 사이의 관계가 어떤 다른 방법으로 설계될 수도 있다. 예를 들어, 임의의 경우 제어 부재와 제어 대상체 사이의 관계를 전체적으로 혹은 부분적으로 통합하는 기능을 주는 것이 바람직할 수도 있는데, 즉 제어 대상체의 위치 (혹은 방위 혹은 상태) 가 제어 부재의 위치 혹은 방위의 영점 위치로부터의 편차에 따르는 비율로 변화하는 것이다.
제어 부재의 회전 혹은 이동의 속도는 위치 혹은 방위의 차에 의해서 산출될 수도 있으며 제어 신호의 한 성분으로서 혹은 제어 신호로서 사용될 수도 있다.
빠른 이동 및 제어 대상체의 정확한 미세 조정을 위하여, 제어 부재의 이동과 제어 대상체의 상태의 변화 혹은 이동 사이의 "전송률" 을 변화할 수 있다. 그러므로, 본 발명의 실시예에 따라서, 제어 부재 (1) 의 하나 이상의 누름식 버튼이 제어 부재와 제어 대상체 사이의 전송에서의 게인에 영향을 주도록 배치한다. 예를 들어, 미세 조정을 하기 위하여, 누름식 버튼 (B1) 을 누르는 것은 정상값으로부터의 게인을 감소시키도록 배치된다. 또한, 원한다면, 누름식 버튼 (B2) 을 누르는 것은 제어 대상체의 빠른 이동 (혹은 상태에서의 소정의 변화) 을 할 수 있도록 정상값으로부터 게인을 증가시킬 수도 있다.
도 8 은 본 발명에 따른 제어 장치의 또 다른 실시예를 도시한다. 제어 부재는 작동자의 머리에 놓여서 배치된 헬멧 (118) 으로 구성된다. 광각 렌즈 (11) 를 갖는 변환기 (10) 는 헬멧의 적절한 장소, 예를 들어 도면에 도시된 것처럼 헬멧의 정면에 배치된다. 변환기는 능동성 혹은 수동성 신호 소스 (M1-M4) 로부터 광신호를 수신하도록 배치되어서 케이블 혹은 무선 채널 (101) 을 경유하여 제어 장치 (102) 와 소통한다. 장치에 포함된 신호 소스, 변환기 및 신호 처리 회로는 도 1 내지 도 5 에 대하여 설명된 것처럼 설계된다. 도시된 예에서 장치가 2차원 제어 신호A를 방출하도록 배치되며, 그의 두 변수는 머리/헬멧을 위-아래로 움직이고 오른쪽-왼쪽으로 회전함으로써 결정된다. 제어 신호는 제어 대상체, 즉 컴퓨터 표시장치의 커서에 영향을 주도록 배치되어서 머리를 숙이고 펴는 이동은 대상체를 위-아래로 움직이며 머리의 회전 이동은 커서를 왼쪽-오른쪽으로 이동시킨다.
상술된 것처럼, 본 발명에 따른 장치는 6개의 자유도까지 제어할 수 있으며, 도 8 에 도시된 장치는 3개 이상의 자유도를 제어하기 위하여 설계될 수 있으며, 이와 같은 경우, 장치에 의해서 생성된 제어 신호를 머리의 위치, 방위, 혹은 위치와 방위에 의존하여 부가적인 성분을 포함하도록 배치된다.
도 1 내지 도 5 에 대하여 상술한 형태의 휴대용 제어 부재는 도 8 에 따른 장치를 추가할 수 있다.
머리 위의 제어 부재 및 휴대용 제어 부재는 하나의 대상체 각각을 제어하기 위하여 혹은 같은 제어 대상체를 위한 자유도를 분리하도록 배치될 수도 있다. 휴대용 부재상의 누름식 버튼은 머리에 부착된 부재 수단에 의해서 발생된 제어 기능에 영향을 또한 주도록 배치될 수도 있다. 선택적으로, 휴대용 부재에는 누름식 버튼만이 설치될 수도 있으며 변환기 부분은 없을 수도 있다.
도 9 는 도 8 에 따른 장치와 같이, 그 위에 배치된 변환기 (10a-11a) 를 갖는 헬멧 (118) 형태의 머리 장착 제어 부재를 구비하여서, 소통 채널 (101a) 을 통하여 산출 장치 (102) 와 소통하는 본 발명에 따른 제어 장치의 또 다른 실시예를 도시한다. 상기 제어 장치에는 또한 도 1 내지 도 5 에 대하여 설명된 형태의 휴대용 제어 부재가 설치되어 있다. 상기 제어 부재에는 변환기 (10b-11b) 가 설치되어 있으며 소통 채널 (101b) 을 경유하여 장치 (102) 와 소통한다. 바람직하게는 LCD 형태의 표시장치 스크린 (119) 이 작동자의 시야계내의 헬멧상에 배치된다. 스크린은 헬멧 상에 배치된 구동 장치 (120) 로부터 구동되며, 소통 채널 (101c) 을 경유하여 산출 장치 (102) 와 소통한다(선택적으로 - 헬멧의 무게를 감소시키기 위하여- 구동 장치를 헬멧과 분리하여 배치할 수도 있다).
여기서 설명된 예에서, 도 9 에 따른 제어 장치는 컴퓨터와 소통하며 컴퓨터를 제어한다. 제어 신호Pa,Pb는 상술된 것처럼 컴퓨터로 방출되는데, 이것은 제어 부재에 의존하며, 제어 신호Aa및Ab는 제어 부재의 방위에 의존하며, 또한 휴대용 제어 부재상에 있는 누름식 버튼에 의해서 생성된 명령어 신호 (Cn) 의 도움으로 방출된다. 표시 정보 (Display Information; DI) 는 컴퓨터로부터 얻으며, 그의 내용은 가능한 입체적으로, 즉 각각의 시야각에 따라 분리된 스크린을 가지고 스크린 (119) 상에 나타나게 한다.
헬멧의 이동은 6개 까지의 자유도 안에서 제어 신호에 영향을 주며, 휴대용 제어 부재의 도움으로, 6개 더 많은 자유도 안에서 제어를 얻을 수 있다. 상기 장치의 장점은 헬멧의 수직 및 측방향의 방위를 허용하여 스크린 (119) 상에 나타나는 정보를 제어하게 한다. 상기 제어는 적절하게 실행되어서, 헬멧을 회전함으로써 그에 대응하는 회전 이동이 발생하는 작동자 주변의 실제적인 광경과 동일한 변화가 스크린상에 발생된다. 예를 들어, 그런 컴퓨터 정보는 작동자에게 인공적인 환경의 화상을 나타낼 수도 있는데, 예를 들어 가상 비행 실험기에서 보여지는 배경등이 그것이다. 이러한 경우, 작동자의 정면에 있는 환경부와 그의 시야계내의 환경부가 스크린상에 나타나고, 작동자는 그의 머리를 회전함으로써 인공적 환경중 소정의 부분을 관찰할 수 있다. 상기 적용에서 휴대용 제어 부재 (1) 는 스크린 표시의 다른 기능을 제어하기 위하여 사용될 수 있으며 혹은 상기 스크린 표시에서기능을 완전히 분리하기 위하여 사용할 수 있다.
선택적으로 컴퓨터 정보는 수직 및 측방향으로 상호 곁에 배치된 다수의 문서를 구비하며, 여기서 단 하나 혹은 몇 개의 문서를 동시에 스크린 (119) 상에 표시할 수 있다. 머리를 회전함으로써 작동자는 일반적인 방법으로 문서를 "볼" 수 있으며 소정의 하나를 선택할 수 있다. 휴대용 제어 부재 (1) 는 그러므로 스크린상에서 커서를 제어하기 위하여 바람직하게 사용될 수 있다.
예를 들어, 작동자가 크고 복잡한 화면의 작은 부분을 상세하게 연구하고자 할 때 동일한 기능이 사용될 수 있다. 제어 부재를 작동시킴으로써, 예를 들어 제어 부재 (1) 상의 누름식 버튼을 작동시킴으로써, 작동자의 시야계는 제한되고 화면의 작은 부분만이 확대되어 스크린에 보여진다. 그의 머리를 수직 방향 및 측방향으로 이동함으로써 작동자는 자연스럽게 "볼" 수 있어서 보다 큰 화면으로부터 스크린 (119) 상에 보여지게 하기 위한 소정의 부분을 선택할 수 있다.
도 8 및 도 9 에 대하여 설명된 실시예에서 제어 부재는 작동자의 머리에 장착된 헬멧으로서 설계된다. 명백하게 제어 부재는 완전한 헬멧의 형태일 필요는 없으며, 대신에 변환기의 적용을 위한 어떤 다른 적절한 프레임일 수 있으며, 가능하다면 작동자의 머리에 표시장치 스크린을 구비할 수도 있다.
상술된 것처럼, 본 발명에 따른 장치와 함께, 상호 관련된 신호 소스의 위치가 알려져야만 한다. 이것을 얻기 위한 한 가지 방법은 상호 관련하여 신호 소스의 위치를 측정하거나 혹은 임의의 알려진 방법을 사용하는 공통 원점에 대한 신호 소스의 위치를 측정하는 것이며, 장치가 작동되기 시작할 때, 산출 장치에 상기 위치정보를 제공하는 것이다.
상술된 실시예에서, 신호 소스는 번갈아 차례로 주기적으로 작동되거나 혹은 화상 처리 시스템에 의해서 구별될 수 있는 상이한 형태 혹은 크기를 가짐으로써 상호 분리된다. 그러나, 모든 마커 (수동 신호 소스) 가 동일하게 될 수도 있는데, 이러한 경우 장치가 작동되기 시작할 때, 마커는 작동자에 의해서 화상내에서 식별되며 분리된 동일성을 제공한다. 상기 장치는 작동중 각각의 마커의 트랙과 그들의 위치를 유지할 수 있는데, 예를 들어 제어 부재의 물리적인 위치와 방위가 제한된 속도로 변화만 할 수 있다는 사실을 사용함으로써 유지할 수 있다.
선택적으로 몇 개의 동일한 마커의 동일성은 반자동 과정에 의해서 얻어질 수 있다. 상기 장치는 마커의 동일성에 대하여 제 1 가정을 만들도록 프로그래밍되며, 그런 후 제어 부재의 위치가 상기 추정을 기초로하여 산출된다. 상기 작동자는 제어 부재를 이동하여서 새로운 위치를 동일한 가정하에서 산출한다. 상기 가정이 정확하지 않다면, 위치에서의 산출차는 가상적이 될 것이며 상기 장치는 새로운 가정을 만들고 작동자는 실제적인 결과가 정확한 가정을 행했다는 것을 보여줄 때까지 새로이 이동할 것이다.
상술된 휴대용 제어 부재(예를 들어 도 1 에서 도면 부호 "1") 에는 제어 부재의 방위와 무관하게, 변환기의 시야계내에 적어도 3개의 신호 소스가 있을 가능성을 증가시키기 위하여 각 끝단에 변환기를 설치할 수도 있다. 그런 제어 부재는 도 10 내에 도시되어 있으며 한 끝단에는 렌즈 (11a) 를 갖는 변환기 (10a) 와 다른 끝단에는 렌즈 (11b) 를 갖는 변환기 (10b) 를 갖는다.
유사하게, 동일한 이유로, 본 발명에 따른 헬멧 (도 8 에서 도면 부호 "118") 에는 상이한 방위를 갖는 몇 개의 변환기가 설치될 수도 있다.
본 발명에 따른 제어 시스템은 컴퓨터에서 CAD 표시장치의 제어를 위하여 사용될 수 있다. 제어 부재는 그러므로 실제 대상체와 같은 동일한 방법으로 CAD 표시장치상에 보이는 대상체를 "잡고", 배치/회전하기 위하여 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 장치는 예를 들어, 시뮬레이트된 산업 로봇 혹은 CAD 표시장치에 보이는 다른 기계 장치를 제어하기 위하여 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 장치는 2개의 휴대용 제어 부재가 작동자의 손에 각각 하나씩 설치될 수 있다. 이러한 제어 부재는 12개의 자유도로 제어할 수 있다. 그런 장치는 도 11 에서 개략적으로 보여진다. 이러한 장치는 변환기 (10a 및 10b) 와 산출 장치 (102) 와 연결되는 소통 채널 (101a 및 101b) 을 갖는 2개의 제어 부재 (1a,1b) 를 갖는다(명확성을 위해 도면에는 마커가 도시되지 않음). 상기 장치는 4 개의 3차원 벡터Pa,Pb및Aa,Ab로서 정리될 수 있는 제어 신호를 각각 공급한다. 제어 신호의 제 1 세트 (벡터Pa및Aa) 는 제 1 제어 부재 (1a) 의 위치와 방위에 의해서 영향을 받으며 제 2 세트 (벡터Pb및Ab) 는 제 2 제어 부재 (1b) 에 의해서 영향을 받는다.
도 11 에 도시된 형태의 장치는 CAD 표시장치에 도시된 2개의 대상체의 위치와 방위에 동시에 그리고 독립적으로 영향을 주기 위하여 사용될 수 있다. 그런 장치는 예를 들어, 어떻게 볼트와 너트를 함께 조이게 할 것인지를 가상실험하기 위하여 사용될 수도 있다.
만일 2개의 휴대용 제어 부재를 갖는 본 발명에 따른 장치가 CAD 표시장치에 도시된 기계 장치, 예를 들어 산업 로봇을 제어하기 위하여 사용된다면, 제어 부재의 하나는 관찰의 방향과 거리를 제어하기 위하여 사용될 수도 있으며, 예를 들어 다른 제어 부재는 장치의 이동을 제어하기 위하여, 예를 들어, 로봇 손의 위치와 방위를 제어하기 위하여 사용될 수 있다. 선택적으로 상기 기능은 2개의 기능 사이를 스위치할 수 있는 단일 제어 부재의 도움으로 얻을 수 있다.
휴대용 및 머리에 장착된 제어 부재에 대하여 위에서 설명되었다. 본 발명에 따른 장치는 선택적으로 작동자의 몸의 어떤 다른 부분에 의해서 수반되거나, 영향을 받거나 하는 제어 부재를 구비할 수도 있다.
상술된 제어 대상체는 단지 예들일 뿐이며 본 발명에 따른 장치는 예를 들어, 임의의 처리 장치 예를 들면 기계 혹은 전자 장치 혹은 상술된 것이 아닌 다른 표시 시스템을 제어하기 위하여 사용될 수 있다.
상술된 본 발명에 따른 장치의 예들은 위치를 결정하기 위하여 능동적 혹은 수동적 신호 소스로부터의 신호를 사용한다. 신호의 다른 형태들이 사용될 수도 있는데, 예를 들면 마이크로웨이브, 혹은 초음파 신호와 같은 음향 신호와 같은 광학적인 부분이외의 전자기파 영역의 다른 부분의 내의 신호를 선택적으로 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 제어 장치내의 측정 시스템은 절대 측정이며 매 순간마다 신호 소스가 배치되어 있으며 주기적으로 영점을 설정하지 않고 표준화하지 않는 좌표계에서 변환기의 절대 위치에 대한 정보를 정확하게 제공한다. 이것은 중요한 장점이다. 상술된 형태의 휴대용 제어 부재는 산업 로봇의 오프라인 프로그래밍을 하기 위하여 사용될 수 있다. 제어 부재는 소정의 로봇의 경로를 따라서 통과되며 제어 부재로부터 얻어진 제어 신호는 경로를 정확하게 규정하는 정보를 포함하며 원한다면, 경로를 따른 로봇 손의 방위 (상술된 설명에서 벡터P및A) 을 변화하기도 한다.

Claims (14)

  1. 제어 대상체 (108, 116) 를 제어하기 위하여, 작동자에 의해서 작동되도록 배치된 이동성 제어 부재 (1) 를 구비하며, 상기 제어 부재의 위치, 방위 혹은 그 양자에 의존하여 다수의 제어 신호(P,A) 를 공급하도록 배치되는 제어 장치에 있어서,
    상기 제어 부재는 3개 이상의 신호 소스 (M1-M4) 세트로부터 신호를 수신하도록 설계되며, 상호 떨어진 지점에 배치되어 있는 변환기를 구비하며, 상기 변환기는 상기 신호 소스와의 사이를 일직선으로 전파하는 신호를 방출하도록 배치되며,
    상기 장치는 변환기로부터 각각의 신호 소스까지의 시각선의 방향을 변환기에 대하여 규정하는 방향-결정 신호 (xib, yib) 를 생성하도록 배치된 부재 (104) 와, 상기 방향-결정 신호를 기초로 하여, 제어 부재의 위치, 방위 혹은 그 양자를 결정하는 정보 (P,A) 를 생성하도록 배치된 산출 수단 (102) 을 구비하는 것을 특징으로 하는 이동성 제어 부재를 갖는 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 산출 수단 (102) 이 제어 부재에서 신호 소스들까지의 시각선들 사이의 각 (T12, T23, T31) 을 결정하고, 상기 각을 기초로 하여, 제어 부재의 위치를 결정하는 상기 정보 (P) 를 생성하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 이동성 제어 부재를 갖는 제어 장치.
  3. 제 1 항 혹은 제 2 항에 있어서, 상기 방향-결정 신호 (xib,yib) 를 사용함으로써, 상기 산출 수단 (102) 은 제어 부재의 방위를 결정하는 정보 (A) 를 생성하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 이동성 제어 부재를 갖는 제어 장치.
  4. 제 1 항 혹은 제 2 항에 있어서, 신호 소스 (M1-M4) 는 광신호를 방출하도록 배치되며, 변환기 (10) 가 상기 신호를 수신하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 이동성 제어 부재를 갖는 제어 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 신호 소스는 능동성 발광 광소스 (M1-M4) 인 것을 특징으로 하는 이동성 제어 부재를 갖는 제어 장치.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 제어 장치는 광소스 (12a, 12b) 를 구비하며 상기 신호 소스는 상기 광소스로부터 광을 반사하도록 배치된 광반사 부재 (M1-M4) 를 구비하는 것을 특징으로 하는 이동성 제어 부재를 갖는 제어 장치.
  7. 제 4 항에 있어서, 상기 제어 장치는 변환기 (10) 내에서 생성된 주변의 화상에서 신호 소스 (M1-M4: F1-F4) 의 위치에 대응하는 신호 (xib, yib) 를 생성하도록 배치된 화상 처리 수단 (106) 을 구비하는 것을 특징으로 하는 이동성 제어 부재를 갖는 제어 장치.
  8. 제 1 항 혹은 제 2 항에 있어서, 상기 제어 부재 (1) 는 작동자에 의해서 휴대되며 수동으로 작동되는 것을 특징으로 하는 이동성 제어 부재를 갖는 제어 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제어 부재는 한 끝단에 설치된 변환기 (10) 를 갖는 핸들로서 설계되는 것을 특징으로 하는 이동성 제어 부재를 갖는 제어 장치.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 제어 부재는 각각의 끝단에 변환기 (10a, 10b) 가 설치되는 것을 특징으로 하는 이동성 제어 부재를 갖는 제어 장치.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 제어 장치는 2개의 휴대용 제어 부재 (1a, 1b) 를 구비하며, 각각의 제어 부재는 분리된 제어 신호 (Pa,Aa및Pb,Ab) 세트에 영향을 주도록 배치되는 것을 특징으로 하는 이동성 제어 부재를 갖는 제어 장치.
  12. 제 1 항 혹은 제 2 항에 있어서, 상기 제어 부재에는 명령 신호가 방출될 수있도록 하는 다수의 제어 소자 (B1...Bn) 가 설치되는 것을 특징으로 하는 이동성 제어 부재를 갖는 제어 장치.
  13. 제 1 항 혹은 제 2 항에 있어서, 상기 제어 부재는 작동자의 머리에 착용하고 작동자의 머리에 의해서 작동되도록 배치된 헬멧 혹은 프레임(118) 을 구비하는 것을 특징으로 하는 이동성 제어 부재를 갖는 제어 장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 제어 부재는 제어 부재를 갖는 작동자의 시야계 내에 배치되는 표시 장치 (119) 를 구비하는 것을 특징으로 하는 이동성 제어 부재를 갖는 제어 장치.
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