KR100896705B1 - 지능형 로봇의 지능적 작업 관리를 위한 컴포넌트 기반의 작업 관리 시스템 - Google Patents

지능형 로봇의 지능적 작업 관리를 위한 컴포넌트 기반의 작업 관리 시스템 Download PDF

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Abstract

지능형 로봇을 위한 작업 관리 소프트웨어의 구조로서, 제어 컴포넌트, 제어 컴포넌트를 제어하는 제어 컴포넌트 관리기, 제어 컴포넌트 관리기를 제어하는 작업관리기 커널 및 작업관리기 커널을 제어하는 작업관리기를 포함하는 작업 관리 소프트웨어 구조가 개시된다. 본 발명에 따른 작업관리기는 단순화된 비동기적 제어 명령을 사용하여 임의의 시점에 제어 컴포넌트에 명령을 내릴 수 있으며, 본 발명에 따른 제어 컴포넌트는 동기적 기능 및 비동기적 기능을 사용하여 임의의 시점에 작업 관리기에 정보를 전달할 수 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명은, 지능형 로봇의 기능을 제어 컴포넌트로 구현하여 이들 제어 컴포넌트를 작업관리기로 제어하며, 분산 컴퓨팅 환경에서 임의의 컴퓨터에서 실행되고 제어될 수 있어 분산 컴퓨팅 시스템의 통합을 원활하게 할 수 있는 작업 제어 소프트웨어 구조를 제공한다.
지능형 로봇, 제어 구조, 비동기 제어, 작업관리, 제어 컴포넌트

Description

지능형 로봇의 지능적 작업 관리를 위한 컴포넌트 기반의 작업 관리 시스템{A Component-Based Task Management System for Intelligent Task Management of Intelligent Robots}
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 제어 컴포넌트와 작업관리기를 이용한 소프트웨어 제어구조를 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 포함되는 제어 컴포넌트의 상태 변화를 나타낸 블록도이다.
본 발명은 전체적으로 서비스 로봇의 구동을 위한 제어 소프트웨어 구조에 관한 것이다. 좀 더 구체적으로, 본 발명은 서비스 로봇의 지능적 작업 관리를 위해, 서비스 로봇의 기능을 제어 컴포넌트로 구현하며 이를 작업관리기로 제어하는 컴포넌트 기반의 작업 관리 소프트웨어의 구조에 관한 것이다.
서비스 로봇의 제어 소프트웨어 구조에 관해서는 다음과 같은 다양한 종래 기술이 있다. 미국 CMU에서 개발된 박물관 안내로봇인 미네르바(MINERVA)의 제어구조는 상위레벨 제어 및 학습을 담당하는 층, 휴먼 인터페이스(interface) 층, 네비 게이션 층, 하드웨어 인터페이스 층 등 총 4개의 층으로 구성되어 있다. 이 방법은 혼합 접근 방식을 따르는 것으로 다른 구조들과 다른 점은 사람과의 인터페이스와 네비게이션에 관련된 모듈을 모아 개별적인 제어층으로 설계하였다. 작업관리기(Task Manager)에 해당하는 상위 레벨 제어 및 학습을 담당하는 층이 있으나 다른 층과의 인터페이스가 응용 프로그램 인터페이스 (Application Program Interface: API)를 통하여 이루어 지는 단점이있다.
독일의 프라운호퍼 생산공학 및 자동화 연구소(Fraunhofer Institute for Manufacturing Engineering and Automation)에서는 6자유도 머니퓰레이터와 자율주행부가 결합된 형태의 서비스 로봇인 케어오봇(Care-O-bot)을 제작하였다. 다양한 응용동작과 이상상황에 대처하기 위해서 하이브리드 제어구조를 가지고 있다. 또한, 2001년에는 케어오봇 II가 제작되었다. 케어오봇 시리즈의 경우, 로봇의 개발에 필요한 소프트웨어에 대한 연구도 활발하여, 로봇 모의실험을 위한 로보틱 툴박스(Robotic Toolbox)및 제어에 사용되는 실시간 틀 구조 등을 개발하여 이용하고 있다. 실시간 틀 구조는 운영체제에 추상적 개념을 사용하여 다른 기종에 쉽게 이식될 수 있으며, 특히 POSIX API를 지원하는 운영체제를 모두 사용 가능하기 때문에 VxWorks와 같은 실시간 운영체제를 활용 가능하다는 특징이 있다. 그러나, 케어오봇 시리즈의 경우 역시 하이브리드 제어구조에서 계층 간의 인터페이스가 응용 프로그램 인터페이스를 통하여 이루어지는 단점이 있다.
스웨덴의 왕립기술원(Royal Institute of Technology)에서는 이동 서비스 로봇의 재사용성(reusability) 및 유연성(flexibility)을 위한 BERRA(Behavior-based Robot Research Architecture)를 제안하였다. BERRA는 딜리버릿(deliberate) 층, 작업 실행(task execution) 층, 리액티브(reactive) 층의 3개의 층으로 구성되어 있으며, 유연성과 확장성을 고려하여 설계하였다. 그러나 BERRA는 상위층에서 센서 리소스의 자료 획득에 대한 기능이 미흡하며, 역시 제어구조에서 계층 간의 인터페이스가 응용 프로그램 인터페이스를 통하여 이루어지는 단점이 있다.
현대의 지능형 로봇은, 인간과 공존하는 환경에서 인간이 원하는 서비스를 적절하게 제공하는 것을 목적으로 한다. 지능형 로봇이 이러한 서비스를 제공하기 위해서는 사람을 포함한 주변의 불확실한 환경을 인식하고, 인식된 지식을 기반으로 추론을 통하여 지능적인 작업 계획을 세우며, 이동 및 조작 등의 작업 행위를 실행하는 여러 요소들이 유기적으로 통합되어야 한다. 따라서 지능형 로봇의 다양하고 복잡한 기능을 효과적으로 통합하고 제어할 수 있는 지능적인 작업 제어 소프트웨어 구조가 필요하다.
또한, 대부분의 지능형 로봇들은 다수의 시스템들이 네트워크로 연동되어 하나의 시스템을 구성하는 분산 시스템으로 구성되므로, 네트워크로 분산된 로봇의 각 기능을 통합할 수 있는 환경을 지원하는 구조가 요구된다.
본 발명은, 지능형 로봇의 작업 관리를 위하여 로봇의 핵심 기능을 구현하는 제어 컴포넌트 및 제어 컴포넌트를 제어하는 작업관리기를 정의하고, 제어 컴포넌트와 작업관리기로 구성되는 제어 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명에 따른 소프트웨어 구조는 분산 컴퓨팅 환경에서 임의의 컴퓨터에서 실행되고 제어될 수 있어 분산 컴퓨팅 시스템의 통합을 원활하게 할 수 있는 제어 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는, 네트워크로 연결된 다수의 시스템으로 구성된 로봇에 있어서 로봇의 각 기능을 효과적으로 통합하고 제어할 수 있는 통합 시스템을 제시한다. 본 발명에 따른 소프트웨어 구조에는, 지능형 로봇의 기능을 제어하는 제어 컴포넌트(Control Component), 제어 컴포넌트를 제어하는 제어 컴포넌트 관리기(Control Component Manager), 제어 컴포넌트 관리기를 제어하는 작업관리기 커널(Task Manager Kernel) 및 작업관리기 커널을 제어하는 작업관리기(Task Manager)가 포함된다.
작업관리기는 단순화된 인터페이스를 사용하여 제어 컴포넌트를 제어하며, 작업관리기의 제어에 따라 제어 컴포넌트가 정의된 상태들 사이를 전환하기 때문에 세밀한 제어가 가능하다. 본 발명에 따른 소프트웨어 구조에서는 온톨로지(ontology)를 활용하여 작업관리기와 제어 컴포넌트 사이에서 전달되는 명령이나 정보의 상세 내역이 저장될 수 있다. 또한, 작업관리기는 제어 컴포넌트 서술(Control Component Description)을 검색하여 필요한 제어 컴포넌트를 찾아 이를 분산 컴퓨팅 환경의 임의의 컴퓨터에서 실행시키고 제어할 수 있다.
전술한 바와 같이 본 발명은, 지능형 로봇의 기능을 제어 컴포넌트로 구현하 여 이들 제어 컴포넌트를 작업관리기로 제어하며, 분산 컴퓨팅 환경의 임의의 컴퓨터에서 실행되고 제어될 수 있어, 분산 컴퓨팅 시스템의 통합을 원활하게 할 수 있는 작업 제어 소프트웨어 구조를 제공한다. 본 발명에 따른 소프트웨어 구조의 구체적인 구성은 다음과 같다.
통합 시스템의 구조
본 발명의 일실시예에 따른 통합 시스템의 구조가 도 1에 도시된다. 도시된 통합 시스템의 최상단에는 작업관리기(11)가 위치한다. 작업관리기(11)는 감지된 환경 정보를 종합하고, 이를 기초로 하여 로봇의 목적을 달성하기 위한 행동을 선택한다. 또한 로봇이 수행중인 행동에 대해서도 감시를 계속하여, 행동을 계속할 수 없는 상황이 발생하면 행동을 멈추고 그 상황에 적절한 다른 행동의 조합을 찾아 수행한다.
작업관리기(11)는 제어 컴포넌트(15)를 제어하여 로봇을 조작한다. 제어 컴포넌트(15)는 제어 요청을 처리하는 메커니즘 및 작업관리기(11)와 특정 정보를 주고 받을 수 있는 메커니즘을 제공하며, 작업관리기(11)의 실행 요청을 처리하기 위한 인터페이스를 구현하여 만들어진다.
로봇의 자원을 효율적으로 사용하기 위해, 제어 컴포넌트(15)는 초기에는 메모리 상에 적재되지 않으며, 작업관리기(11)의 로드(load) 요청에 의하여 메모리에 적재된다. 제어 컴포넌트 관리기(14)는 제어 컴포넌트(15)의 로드 요청을 수행하고, 메모리에 적재된 제어 컴포넌트(15)의 실행 상태를 관리한다. 제어 컴포넌트 관리기(14)는 로봇 내 각 시스템에서 독립적으로 수행되며, 네트워크를 통하여 작업관리기 커널(12)과 연결된다. 작업관리기 커널(12)은 분산된 제어 컴포넌트 관리기(14)의 관리 정보를 종합하여 제어 컴포넌트 서술(13)에 저장한다. 작업관리기(11)는 제어 컴포넌트 서술(13)을 검색함으로서 제어 컴포넌트(15)의 정보를 임의의 시점에 열람할 수 있으며, 필요한 제어 컴포넌트(15)를 제어할 수 있다.
작업관리기( Task Manager )
작업관리기(11)는 로봇에게 주어진 목적을 달성하기 위해 상황을 고려하여 적절한 행동을 결정하여 수행한다. 작업관리기(11)가 주어진 환경에 대한 상황을 판단하기 위해서는 환경에 대한 적절한 인지 정보가 필요한데, 이러한 정보는 인식 및 감지 기능을 수행하는 제어 컴포넌트(15)로부터 수집된다. 수집된 정보는 목적을 달성하기 위한 행동을 결정하기 위해 사용되거나, 수행중인 행동이 올바른지 여부를 판단하기 위해 사용된다. 만약 수행중인 행동이 상황에 맞지 않으면, 작업관리기는 수행중인 행동을 중단하고 적절한 다른 행동을 찾아 수행함으로서 목적을 달성하게 된다.
본 발명에 따른 소프트웨어 구조에서, 작업관리기(11)는 제어 컴포넌트(15)에 비동기적 제어 명령을 내리며, 제어 컴포넌트(15)는 동기적 또는 비동기적 기능 함수들을 사용하여 작업관리기(11)에 정보를 전달한다. 작업관리기(11)와 제어 컴포넌트(15) 사이에 주고 받는 명령 또는 정보의 내역은 온톨로지를 사용하여 저장될 수 있다.
제어 컴포넌트( Control Component )
제어 컴포넌트(15)는 작업관리기(11)가 제어하는 로봇의 기능 단위이다. 작업관리기(11)는 오직 제어 컴포넌트(15)만을 이용해 로봇을 제어하므로, 로봇의 기능이 작업관리기(11)와 상호 작용하기 위해서는 필요한 기능을 제어 컴포넌트(15)로 구현하여야 한다. 본 발명에 따른 제어 컴포넌트(15)가 갖는 실행 상태가 도 2에 도시되어 있다. 제어 컴포넌트는 실행(RUNNING)(21), 정지(STOPPED)(22), 일시정지(SUSPENDED)(23), 언로드(UNLOADED)(24)의 네 가지 상태를 가지며 작업 관리기(11)의 요청에 따라 상태가 전환된다.
로봇의 자원을 효율적으로 관리하기 위하여, 제어 컴포넌트(15)는 초기에는 메모리에 적재되지 않는다. 작업관리기(11)가 제어 컴포넌트 관리기(14)에 로드 요청을 할 경우 제어 컴포넌트 관리기(14)는 제어 컴포넌트(15)를 메모리에 적재하며, 이때 제어 컴포넌트(15)는 정지(22) 상태가 된다. 작업관리기(11)가 제어 컴포넌트(15)로 실행 요청을 하면 제어 컴포넌트(15)는 실행(21) 상태가 되며 그 기능을 수행한다.
이러한 과정은 제어 컴포넌트(15) 내부에서 자동적으로 수행되며, 제어 컴포넌트(15)의 기능을 서술하기 위하여 개발자는 제어 컴포넌트(15) 내에, execute(), tmCheckPoint(), onInformed() 및 tmNotify()의 함수를 가지는 인터페이스를 구현해야 한다. 제어 컴포넌트(15)가 가지는 각 함수의 기능은 다음과 같다.
execute(parameters: String) 함수는 작업관리기(11)의 실행 요청에 의해 제 어 컴포넌트(15)를 실행(21) 상태로 전환하는 역할을 한다. 작업관리기(11)의 일시 정지(23) 또는 정지(22) 요청은, 수행중인 제어 컴포넌트(15)의 안정성을 위해 즉시 반영되지 않으며, execute() 함수 내에서 tmCheckPoint() 함수를 호출하는 시점에서 반영된다.
tmCheckPoint() 함수는 제어 컴포넌트(15)를 정지(22) 또는 일시 정지(23) 상태로 전환하는 역할을 한다. execute() 함수의 실행 도중, 작업관리기(11)의 제어 요청을 수락해도 괜찮은 지점에 명시적으로 tmCheckPoint()를 호출한다. 이때 작업관리기(11)로부터 일시 정지(23) 요청이 있었다면, tmCheckPoint()는 실행 재개 요청이 올 때까지 대기한다. 작업관리기(11)로부터 정지 요청이 있었다면, 제어 컴포넌트(15)를 정지(22) 상태로 전환한다.
onInformed(parameter: String) 함수는 제어 컴포넌트(15)가 작업관리기(11)와 정보를 주고 받을 수 있도록 하는 역할을 한다. 작업관리기(11)가 제어 컴포넌트(15)로 어떤 정보를 보내면 그 정보를 인자로 onInformed() 함수가 호출된다.
tmNotify(parameter: String) 함수는 제어 컴포넌트(15)가 작업관리기(11)로 정보를 보낼 수 있도록 하는 역할을 한다. 제어 컴포넌트(15)가 작업관리기(11)로 어떤 정보를 보내기 위해서는 그 정보를 인자로 tmNotify()를 호출한다.
이 밖에도 제어 컴포넌트(15)의 실행 상태가 변경되는 시점에서, 보다 안정성을 확보하기 위해 제어 컴포넌트(15)는 실행 상태 전이에 따른 수행 절차를 서술할 수 있도록 onXXXToYYY() 함수를 사용하는 방법을 정의하고 있으며, 개발자는 필요에 따라 그것을 구현할 수 있다. 여기서 XXX와 YYY 는 각각 도 2에 표시된 제어 컴포넌트의 상태의 명칭을 의미한다.
본 발명에 따른 소프트웨어 구조는, 작업관리기와 제어 컴포넌트 간의 인터페이스를 단순화하여 제어 컴포넌트가 독립적으로 구현되며, 제어 컴포넌트가 정의된 상태 사이를 전환하면서 정밀하게 제어될 수 있는 특징이 있다. 또한, 작업관리기와 제어 컴포넌트 사이에 임의의 시점에 정보를 주고 받을 수 있는 비동기적 제어 구조를 제공하고, 작업관리기와 제어 컴포넌트 사이의 명령 및 전달 정보의 상세 내역을 저장할 수 있다. 또한, 작업 관리기는 제어 컴포넌트 서술을 검색하여 필요한 제어 컴포넌트를 찾을 수 있다. 본 발명은 임의의 컴퓨터에서 실행하고 제어할 수 있는 구조로서, 분산 컴퓨팅 시스템 통합을 원활하게 해주는 소프트웨어 구조를 제공한다.

Claims (5)

  1. 지능형 로봇을 위한 작업 관리 시스템으로서,
    지능형 로봇의 기능을 제어하는 하나 또는 그 이상의 제어 컴포넌트;
    상기 제어 컴포넌트를 제어하는 하나 또는 그 이상의 제어 컴포넌트 관리기;
    상기 하나 또는 그 이상의 제어 컴포넌트 관리기를 제어하는 작업관리기 커널;
    상기 작업관리기 커널에 의하여 상기 하나 또는 그 이상의 제어 컴포넌트 관리기의 정보가 저장되는 하나의 제어 컴포넌트 서술; 및
    상기 작업관리기 커널을 제어하며, 상기 제어 컴포넌트 서술을 검색하여 상기 하나 또는 그 이상의 제어 컴포넌트 중 필요한 상기 제어 컴포넌트를 찾는 작업관리기를 포함하되,
    상기 작업관리기는 복수 개의 비동기적 제어 명령을 사용하여 상기 제어 컴포넌트에 명령을 전달하며,
    상기 제어 컴포넌트는 상기 복수 개의 비동기적 제어 명령에 따라 실행 상태, 정지 상태, 일시정지 상태 및 언로드 상태 사이를 전환하며, 동기적 기능 및 비동기적 기능을 사용하여 상기 작업관리기에 정보를 전달하고,
    상기 복수 개의 비동기적 제어 명령은, 상기 제어 컴포넌트를 메모리에 적재시키는 명령, 상기 제어 컴포넌트가 메모리에 적재된 상태에서 상기 제어 컴포넌트를 실행 상태, 정지 상태 및 일시정지 상태 중 어느 하나로 전환하는 명령들 및 상기 제어 컴포넌트를 메모리로부터 언로드하는 명령인 것을 특징으로 하는 작업 관리 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    온톨로지를 활용하여 상기 작업관리기와 상기 제어 컴포넌트 사이에 주고 받는 명령 또는 정보의 상세 내역을 저장하는 것을 특징으로 하는 작업 관리 시스템.
  5. 삭제
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