KR101000879B1

KR101000879B1 - 공간 메커니즘을 이용한 이동로봇과 이를 이용한 이동로봇 협동 제어 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101000879B1
Application number: KR1020090096704A
Authority: KR
Inventors: 정진우; 문형필; 김용태
Original assignee: 동국대학교 산학협력단
Priority date: 2009-10-12
Filing date: 2009-10-12
Publication date: 2010-12-13

Abstract

이동로봇들 간의 협동 제어 기술이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 공간 메커니즘을 이용한 이동로봇은, 상기 이동로봇을 타 이동로봇과 결합하는 도킹 모듈(docking module); 일단이 상기 이동로봇의 몸체부와 연결되고 타단이 상기 도킹 모듈과 연결되며, 복수 개의 조인트(joint)를 지니는 로봇암(robotic arm); 및 상기 이동로봇을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 복수 개의 조인트를 제어하여 상기 이동로봇으로 하여금 상기 도킹 모듈에 의해 결합된 상기 타 이동로봇과 협동 동작을 수행하도록 하는 것을 특징으로 하여, 이동로봇들 간의 결합 가능성 및 이동성을 향상시키고 자원 효율성을 개선한다.

Description

공간 메커니즘을 이용한 이동로봇과 이를 이용한 이동로봇 협동 제어 시스템 및 방법{Mobile robot using spatial mechanism, and system and method for cooperative control of mobile robots using thereof}

본 발명의 실시예들은 이동로봇들 간의 협동 제어 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 3차원 공간 메커니즘을 이용하여 협동 동작을 수행하는 이동로봇과 이를 이용한 이동로봇 협동 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.

현재, 이동로봇(mobile robot)에 관한 다양한 연구들이 진행되고 있으며, 특히 이동로봇을 이용한 환경 감시, 우주 탐사 분야 등에서 이동로봇의 전지형 이동(all terrain navigation) 능력의 문제가 중요한 이슈로 떠오르고 있다.

일반적으로, 소형 이동로봇은 대형 이동로봇보다 좁은 지역에서 주행이 용이하며, 제작 비용 측면에서 효율적이다. 그러나, 소형 이동로봇이 실제 외부 환경에서 이동하는 경우, 바위, 자갈, 비탈길, 지반의 균열 등과 같이 그다지 험난하지 않은 지형적 요소들도 우회해야 하거나 또는 통과할 수 없는 장애물에 해당하게 된다.

이와 같은 장애물들을 극복하기 위해, 개미 또는 벌 등과 같은 곤충들이 개 별적으로 해결할 수 없는 작업을 상호 협동을 통해 해결하는 것과 같이, 복수의 이동로봇들 간의 물리적인 결합을 이용하는 방식들이 소개되고 있다. 즉, 복수의 이동로봇을 결합하여 장애물을 극복하도록 하는 것이다.

이러한 물리적 결합을 이용하는 로보틱스 시스템의 대표적인 예로서, 모듈화된 이동로봇 또는 환경에 따라 역학적으로 구조를 변경할 수 있는 재구성 가능 로봇(reconfigurable robot) 등이 소개된 바 있으며, 특히 그리퍼(gripper)에 의한 독자적인 결합을 수행하여 이동성을 개선하는 로봇으로서 스웜봇(Swarm-bot)이 소개된 바 있다. 스웜봇은, 에스봇(s-bot)이라고 불리는 단위 로봇들로 구성되는 다중 로봇 시스템에 해당한다. 이러한 에스봇은 제한된 행위, 탐지, 연산 능력을 가지고 있으며 다른 에스봇과 물리적 결합을 수행함으로써 개별 에스봇이 해결할 수 없는 문제를 협동 동작을 통해 해결한다.

그러나, 이러한 기존의 이동로봇 기술들은, 2차원 평면상에서 안정된 결합을 전제로 하는 것들이다. 즉, 기존 기술의 경우, 이동로봇들이 실제로 이동하는 환경과 같이 복잡하고 다양한 지형에서는 이동로봇들 간의 결합 가능성이 급격히 낮아지게 된다. 또한, 이러한 실제 이동 환경에서, 이동로봇들 간의 결합 가능성을 높이고 협동 동작을 수행할 수 있도록 하기 위해서는 더욱 복잡한 로봇구조와 제어 과정이 필요하게 되고, 그에 따라 이동로봇의 제조 비용 및 제어 효율성이 급격히 떨어지게 된다.

따라서, 복잡 다양한 실제 이동 환경에서도 이동로봇들 간의 결합 및 이동성 개선을 위한 협동 동작을 가능하게 하고 간단한 구조와 제어 방식을 통해 자원 효 율성을 높일 수 있는 이동로봇 협동 제어 기술에 대한 연구가 절실히 요구되고 있는 실정이다.

본 발명의 실시예들은, 이동로봇들로 하여금 3차원 공간 메커니즘을 이용하여 협동 동작을 수행하도록 함으로써, 이동로봇들 간의 결합 가능성 및 이동성을 향상시키고 자원 효율성을 개선하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 이동로봇들 간의 결합을 통해 장애물을 극복하기 위한 협동 동작을 수행하는 이동로봇은, 상기 이동로봇을 타 이동로봇과 결합하는 도킹 모듈(docking module); 일단이 상기 이동로봇의 몸체부와 연결되고 타단이 상기 도킹 모듈과 연결되며, 복수 개의 조인트(joint)를 지니는 로봇암(robotic arm); 및 상기 이동로봇을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 복수 개의 조인트를 제어하여 상기 이동로봇으로 하여금 상기 도킹 모듈에 의해 결합된 상기 타 이동로봇과 협동 동작을 수행하도록 하는 공간 메커니즘을 이용한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 결합된 이동로봇들의 장애물을 극복하기 위한 협동 동작을 제어하는 시스템은, 제1 이동로봇 및 제2 이동로봇을 결합하는 도킹 모듈; 일단이 상기 제1 이동로봇의 몸체부와 연결되고 타단이 상기 도킹 모듈과 연결되며, 복수 개의 조인트를 지니는 제1 로봇암; 일단이 상기 제2 이동로봇의 몸체부와 연결되고 타단이 상기 도킹 모듈과 연결되며, 복수 개의 조인트를 지니는 제2 로봇암; 및 상기 이동로봇들을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 제1 로봇암 및 상기 제2 로봇암이 지니는 복수 개의 조인트를 제어하여 상기 도킹 모듈에 의해 결합된 상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇으로 하여금 4절 링크 메커니즘에 의한 협동 동작을 수행하도록 하는 공간 메커니즘을 이용한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 시스템을 이용하여 결합된 이동로봇들의 장애물을 극복하기 위한 협동 동작을 제어하는 방법은, 상기 제어부가 상기 제1 로봇암 및 상기 제2 로봇암의 조인트들을 제어하여 상기 제1 이동로봇의 전방 측을 들어올리는 단계; 상기 제어부가 상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇을 제어하여 상기 제1 이동로봇의 상기 전방 측이 상기 장애물을 벗어나도록 이동하는 단계; 및 상기 제어부가 상기 제1 로봇암 및 상기 제2 로봇암의 조인트들을 제어하여 상기 제1 이동로봇의 상기 전방 측을 내려놓고 상기 제1 이동로봇의 후방 측을 들어올리는 단계; 및 상기 제어부가 상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇을 제어하여 상기 제1 이동로봇의 상기 후방 측이 상기 장애물을 벗어나도록 이동하는 단계를 포함하는 공간 메커니즘을 이용한다.

본 발명의 실시예들은, 이동로봇들로 하여금 3차원 공간 메커니즘을 이용하여 협동 동작을 수행하도록 함으로써, 복잡 다양한 실제 이동 환경에서 이동로봇들 간의 결합 가능성 및 이동성을 향상시키고, 이동로봇의 제조 및 운영 시 자원 효율성을 개선할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 관한 구체적인 내용의 설명에 앞서 이해의 편의를 위 해 본 발명의 기술적 개요를 우선 설명한다.

이동로봇(mobile robot)들 간의 결합 가능성 및 이동성을 향상시키고 자원 효율성을 개선하기 위해, 본 발명의 실시예들에서는 3차원의 공간 메커니즘(spatial mechanism)을 이용하도록 로봇암(robotic arm)을 구성 및 적용하여 결합된 이동로봇들 간에 협동 동작을 수행하도록 한다.

로봇암을 이용하여 이동로봇들을 결합하고 상기 결합된 이동로봇들 간에 협동하도록 하기 위해서는 다수의 모터 내지 액추에이터가 필수적으로 요구된다. 이와 같이 다수의 모터를 사용하는 경우 많은 양의 제어를 필요로 하기 때문에, 로봇암을 통한 이동로봇들 간의 협동 동작 구현시, 설계, 제조, 제어 등에 있어 오히려 손실을 제공할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 공간 메커니즘을 이용하여 이동로봇들 간의 협동 동작을 수행하도록 하는 것이다.

도 1a 및 도 1b에는 다양한 종류의 공간 메커니즘들이 도시되어 있다.

도 1a 및 도 1b에서, R은 레볼루트 조인트(Revolute Joint), G는 구형 조인트(Globular Joint), C는 원통형 조인트(Cylindrical Joint)를 나타낸다.

도 1a에는 4절 조인트구조들이 도시되어 있으며, 도 1a에 도시된 바와 같이, 4절 조인트구조에는 RGGR(a), RRGC(b), RRGG(c) 등이 존재한다.

도 1b에는 5절 조인트구조들이 도시되어 있으며, 도 1b에 도시된 바와 같이, 5절 조인트구조에는 RRRGR(a), RGRRR(b) 및 RRGRR(c) 등이 존재한다.

이동로봇들이 로봇암들을 통해 3차원 공간에서 결합하기 위해 로봇암들은 적어도 6-DOF(Degree Of Freedom), 즉 로보틱스 등에서 사용되는 모든 동작 요소로서, X(수평), Y(수직), Z(깊이), 피치(pitch), 요(yaw) 및 롤(roll)을 필요로 한다. 그러나, 로봇암이 조인트구조로 동작하기 위해서는 더욱 많은 DOF를 필요로 하게 된다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 있어서 최소 제어가 가능한 최소 DOF인 7-DOF의 로봇암들을 사용한다. 또한, 본 발명 일 실시예에 있어서 모든 이동로봇에 동일 로봇암을 적용하기 위해 대칭구조를 채택할 수 있다. 즉, 상기 RGGR 링크 메커니즘을 이용하도록 로봇암을 구성할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따라 공간 메커니즘을 사용하는 방식은 매우 간단하며 이동로봇들 간의 협동 동작 제어에 있어서 연산량 및 에너지 소비량 등 자원 효율성을 제공한다.

이하, 본 발명의 기술적 과제의 해결 방안을 명확화하기 위해 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 관련 공지기술에 관한 설명이 오히려 본 발명의 요지를 불명료하게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 설명을 생략하기로 한다. 또한, 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자 등의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있을 것이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 공간 메커니즘을 이용한 이동로봇이 도시되어 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 이동로봇(210)은, 몸체부(212), 로봇암(robotic arm; 214), 주행부(216, 218), 도킹 모듈(docking module; 230) 및 상기 이동로봇(210)의 상기 각 구성 요소들을 제어하는 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.

상기 로봇암(214)은, 일단이 상기 이동로봇(210)의 몸체부(212)와 연결되고 타단이 상기 도킹 모듈(230)과 연결되며, 복수 개의 조인트를 지닌다.

상기 도킹 모듈(230)은, 상기 로봇암(214)의 상기 타단에 연결되어 상기 이동로봇(210)을 타 이동로봇(220)과 결합한다. 또한, 상기 도킹 모듈(230)은, 상기 결합된 이동로봇(210) 및 타 이동로봇(220)이 결합 방향의 수직 평면상에서 회전할 수 있도록 1-DOF로 구성될 수 있다.

위에서 언급한 바와 같이, 최소 제어가 가능한 최소 DOF인 7-DOF의 로봇암들을 사용하여 상기 이동로봇들(210, 220)을 결합하고 협동 동작을 수행하도록 하기 위해, 상기 이동로봇(210)의 로봇암(214)을 3-DOF, 상기 도킹 모듈(230)을 상기와 같이 1-DOF로 설계할 수 있다. 이때, 상기 로봇암(214)은, 상기 일단 측에 1 개의 수직 회전 조인트를 지니고, 상기 타단 측에 각각 1 개의 수직 및 수평 회전 조인트를 지니도록 설계할 수 있다. 상기 수직 또는 수평 회전 조인트는, 레볼루트 조인트(Revolute Joint)로 구현될 수 있다.

도 3에는 상기 로봇암(214)의 실제 구현예가 사진으로 도시되어 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 로봇암(214)은 모터 내지 액추에이터로 구동 되는 조인트들과 프레임들로 구성된다. 이때, 변속기(gearbox) 및 제어기(controller)를 포함하는 DC 모터를 사용하여 로봇암의 구동을 용이하게 할 수 있다. 도 3의 로봇암에 사용된 각각의 모터의 사양은, 폭 40.2mm, 높이 61.1mm, 길이 41mm이고, 무게는 대략 125g 이다. 그 외 사양은 표 1과 같다.

상기 제어부(미도시)는, 상기 이동로봇(210)의 내부에 위치할 수 있으며, 또한 유무선 통신에 의해 상기 이동로봇(210)을 제어하는 제어 시스템 측에 위치할 수 있다. 상기 제어부는, 상기 복수 개의 조인트를 제어하여 상기 이동로봇(210)으로 하여금 상기 도킹 모듈(230)에 의해 결합된 상기 타 이동로봇(220)과 4절 조인트구조에 의한 협동 동작을 수행하도록 한다. 예컨대, 상기 제어부는, 상기 복수 개의 조인트를 각각 능동 모드(active mode), 수동 모드(passive mode) 또는 고정 모드(lock mode)로 제어하여 상기 이동로봇(210)으로 하여금 상기 타 이동로봇(220)과 상기 이동로봇(210) 또는 상기 타 이동로봇(220)의 전방 측 또는 후방 측을 들어올리는 협동 동작을 수행하도록 할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 복수 개의 조인트 중 수직 방향으로 회전하는 회전 조인트를 각각 능동 모드, 수동 모드 또는 고정 모드로 제어하여 상기 협동 동작을 수행하도록 할 수 있다.

한편, 상술한 공간 메커니즘을 이용한 이동로봇을 통해 이동로봇 협동 제어 시스템을 구성할 수 있다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 공간 메커니즘을 이용한 이동로봇 협동 제어 시스템은, 제1 이동로봇(210) 및 제2 이동로봇(220)을 결합하는 도킹 모듈(230), 일단이 상기 제1 이동로봇(210)의 몸체부(212)와 연결되고 타단이 상기 도킹 모듈(230)과 연결되며 복수 개의 조인트를 지니는 제1 로봇암(214), 일단이 상기 제2 이동로봇(220)의 몸체부(222)와 연결되고 타단이 상기 도킹 모듈(230)과 연결되며 복수 개의 조인트를 지니는 제2 로봇암(224), 및 상기 이동로봇들(210, 220)을 제어하는 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 제1 이동로봇(210) 또는 상기 제2 이동로봇(220)의 내부 또는 양쪽 로봇 내부에 분산되어 위치할 수 있으며, 또한 유무선 통신에 의해 상기 이동로봇들(210, 220)을 제어하는 제어 시스템 측에 위치할 수 있다. 상기 제어부는, 상기 제1 로봇암 및 상기 제2 로봇암이 지니는 복수 개의 조인트를 제어하여 상기 도킹 모듈에 의해 결합된 상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇으로 하여금 4절 조인트구조에 의한 협동 동작을 수행하도록 한다. 예컨대, 상기 제어부는, 상기 제1 로봇암 및 상기 제2 로봇암이 지니는 상기 복수 개의 조인트를 각각 능동 모드, 수동 모드 또는 고정 모드로 제어하여 상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇으로 하여금 상기 제1 이동로봇 또는 상기 제2 이동로봇의 전방 측 또는 후방 측을 들어올리는 협동 동작을 수행하도록 할 수 있다.

도 4에는 도킹 모듈에 의해 결합된 제1 로봇암 및 제2 로봇암이 도시되어 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 RGGR 링크 메커니즘을 구현하기 위해 각각의 로봇암(214 또는 224)은 R(Revolute Joint)+G(Globular Joint) 구조로 구현될 수 있다. 실제 구현에 있어 구형 조인트(Globular Joint) 대신, 각각 수직 및 수평으로 회전하는 2 개의 레볼루트 조인트(Revolute Joint; 412 및 414, 또는 422 및 424)와, 결합 방향의 수직 평면상에서 회전할 수 있도록 구성된 도킹 모듈(230)을 사용할 수 있다. 즉, 상기 제1 로봇암(214) 및 상기 제2 로봇암(224)은, 각각 상기 일단 측에 1 개의 수직 회전 조인트(420, 410)를 지니고, 상기 타단 측에 1 개의 수직 회전 조인트(412, 422)와 1 개의 수평 회전 조인트(414, 424)를 지니도록 구성할 수 있다. 이러한 구성은, 구형 조인트 메커니즘의 구현을 용이하게 하기 위한 기술적 고려에 따른 것이다. 이때, 상기 도킹 모듈(230)은 1-DOF 조인트에 해당하게 되며, 따라서 결합된 로봇암들은 7-DOF를 지니게 되고 4절 조인트구조를 구성하게 된다.

더욱 구체적으로 설명하면, 도 4의 로봇암들(214, 224)은 각각 레볼루트 조인트 3 개를 지니고 있으므로 R+R+R 구조이고, 상기 도킹 모듈(230)에 의해 결합된 상태에서 자유롭게 회전 가능하므로 R+R+R+R 구조에 해당하게 된다. 이때, 상기 타단의 3 개의 조인트(도킹 모듈 포함)를 합쳐서 G로 볼 수 있으므로 R+(R+R+R)=R+G로 간주할 수 있다. 따라서, 양 로봇암이 결합된 조인트구조는 R+G+G+R 구조에 해당하게 된다. 물론, 상기 로봇암들(214, 224)에 의해 상기 제1 이동로봇(210) 및 상기 제2 이동로봇(220)을 결합한 후, 상기 복수 개의 조인트 중 상기 고정 모드로 고정시키는 조인트에 따라 다른 구조의 조인트구조가 될 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예들은, 4절 조인트구조를 이용하는 결과 오직 한 조인트의 모터 내지 액추에이터만을 구동함으로써 협동 동작을 수행할 수 있게 된다. 즉, 이동로봇들의 협동 동작을 효율적으로 제어할 수 있게 된다.

도 2 및 도 4의 실시예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제1 로봇암(214)의 상기 일단 측 수직 회전 조인트(410)를 고정 모드로, 상기 제2 로봇암(224)의 상기 일단 측 수직 회전 조인트(420)를 능동 모드로, 그리고 나머지 수직 회전 조인트(412, 422)를 수동 모드로 제어하여, 도 2 (a)와 같이 상기 제1 이동로봇(210)의 전방 측을 들어올리는 협동 동작을 수행하도록 할 수 있다. 이때, 고정 모드의 조인트(410) 대신 상기 제1 이동로봇(210)의 후륜부(218)가 조인트 역할을 수행하게 되므로 상기 제1 이동로봇(210)의 상기 후륜부(218)로부터 R+G+G+R 구조의 4절 조인트구조에 의해 동작하게 된다.

더욱 구체적으로 설명하면, 이동로봇들(210, 220)의 주행부들(216, 218, 226, 228)도 협동 동작 수행시 조인트 역할을 수행할 수 있으므로, 도 2 (a)에 도시된 상기 제1 이동로봇(210)의 상기 후륜부(218)로부터 모든 조인트를 나열하면 R+R+(R+R+R)+(R+R+R)+R+R = R+R+G+G+R+R과 같다. 여기서, 고정 모드의 조인트(R: 410, 226)를 제외하면 결국 R+G+G+R 형태가 되는 것이다.

또한, 상기 제어부는, 상기 제1 로봇암(214)의 상기 타단 측 수직 회전 조인트(412)를 능동 모드로, 상기 제2 로봇암(224)의 상기 일단 측 수직 회전 조인트(420)를 고정 모드로, 그리고 나머지 수직 회전 조인트(410, 422)를 수동 모드로 제어하여, 도 2 (b)와 같이 상기 제1 이동로봇(210)의 후방 측을 들어올리는 협동 동작을 수행하도록 할 수 있다. 이때, 상기 제2 이동로봇(220)은 움직이지 않고 고정 모드의 조인트(420) 대신 상기 제1 이동로봇(210)의 전륜부(216)가 조인트 역할을 수행하게 되므로 상기 제1 이동로봇(210)의 상기 전류부(216)로부터 R+R+G+G 구조의 4절 조인트구조에 의해 동작하게 된다.

더욱 구체적으로 설명하면, 도 2 (b)에 도시된 상기 제1 이동로봇(210)의 상기 전륜부(216)로부터 모든 조인트를 나열하면 R+R+(R+R+R)+(R+R+R)+R+R = R+R+G+G+R+R과 같다. 여기서, 고정 모드의 조인트(R: 410, 226)를 제외하면 결국 R+R+G+G 형태가 되는 것이다.

한편, 상기 제어부는, 능동 모드의 조인트를 반대 방향으로 회전하도록 제어하여 상기 제1 이동로봇(210)의 상기 전방 측 또는 상기 후방 측을 다시 내려놓을 수 있다. 또한, 동일한 원리로 상기 제2 이동로봇(220)의 전방 측 또는 후방 측을 들어올리거나 다시 내려놓을 수 있다.

나아가, 상기 제어부는, 고정 모드 또는 능동 모드로 제어할 조인트를 여러 가지 경우로 선택함으로써 다양한 형태의 협동 동작을 수행하도록 할 수 있다.

삭제

도 5 내지 도 7에는 상기 도킹 모듈(230) 구성의 일례가 도시되어 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상기 도킹 모듈(230)은, 상기 결합된 제1 이동로봇(210) 및 제2 이동로봇(220)의 로봇암들이 결합 방향의 수직 평면상에서 회전할 수 있도록 구성될 수 있다. 즉, 상기 도킹 모듈(230)은, 상기 제1 로봇암(214)의 상기 타단과 연결되는 패그 모듈(peg module; 510) 및 상기 제2 로봇암(224)의 상기 타단과 연결되어 상기 패그 모듈(510)을 수용하는 컵 모듈(cup module; 520)을 포함할 수 있다.

상기 패그 모듈(510)은, 상기 컵 모듈(520)에 삽입되는 삽입부(512), 상기 제1 로봇암(214)의 상기 타단과 연결되는 제1 연결부(514), 및 상기 패그 모듈(510)의 외주면에서 돌출되는 래치(latch; 516)를 포함할 수 있다.

도 6a에는 상기 패그 모듈(510)의 구성 요소들이 도시되어 있다.

도 6a에 도시된 바와 같이, 상기 패그 모듈(510)은, 상기 삽입부(512), 상기 제1 연결부(514), 및 상기 래치(516)를 포함하며, 상기 래치(516)를 상기 패그 모듈(510)의 외주면에서 돌출시키거나 상기 돌출된 래치(516)를 상기 패그 모듈(510)의 내부로 함입시키는 래치 구동부(612, 614, 616)를 더 포함할 수 있다.

상기 래치 구동부(612, 614, 616)는, 상기 제어부의 제어신호에 따라 상기 래치를 돌출 또는 함입시킨다. 이를 위해, 상기 래치 구동부(612, 614, 616)는, 지지부(612), 스프링부(614), 및 솔레노이드부(616)를 포함할 수 있다.

상기 지지부(612)는, 상기 패그 모듈(510)의 내부에서 경사면을 형성하여 전진 또는 후진 운동을 수행함으로써 각각 상기 래치(516)를 상기 패그 모듈(510)의 외주면에서 돌출시키거나 또는 상기 돌출된 래치(516)를 상기 패그 모듈(510)의 내부로 함입시킨다.

상기 스프링부(614)는, 탄성을 이용하여 외력이 없는 경우 상기 지지부(612)를 전진 상태로 유지한다.

상기 솔레노이드부(616)는, 상기 제어부의 제어신호에 따라 전원을 인가하여 상기 스프링부(614)를 당김으로써 상기 지지부(612)를 후진 상태로 만든다.

도 6b에는 상기 패그 모듈(510)이 단면도로 도시되어 있다.

도 6b에 도시된 바와 같이, 상기 래치 구동부(612, 614, 616)의 상기 지지부(612)는, 적절한 기울기의 경사면(613)을 포함하여, 상기 스프링부(614) 및 상기 솔레노이드부(616)에 의한 전진 또는 후진 운동에 따라 상기 래치(516)를 상기 패그 모듈(510)의 외주면에서 돌출시키거나 또는 함입시킬 수 있다.

도 7에는 상기 컵 모듈(520)이 단면도로 도시되어 있다.

도 7에 도시된 바와 같이, 상기 컵 모듈(520)은, 상기 패그 모듈(510)을 수용하는 수용부(722) 및 상기 제2 로봇암(224)의 상기 타단과 연결되는 제2 연결부(724)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 컵 모듈(520)은, 상기 패그 모듈(510)을 수용한 경우 상기 돌출된 래치(516)가 걸리도록 내주면에 홈(522)이 형성된다. 상기 홈(522)은, 상기 돌출된 래치(516)가 걸린 상태에서 상기 패그 모듈(510)이 회전할 수 있도록 상기 컵 모듈(520)의 내주면을 따라 환형으로 형성된다.

도 8에는 본 발명의 일 실시예에 따른 공간 메커니즘을 이용한 이동로봇 협동 제어 방법이 흐름도로 도시되어 있다.

도 9에는 본 발명의 일 실시예에 따른 공간 메커니즘을 이용한 이동로봇 협동 제어 방법에 의한 이동로봇의 동작들이 도시되어 있다.

도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 이동로봇 협동 제어 방법은 상술한 이동로봇 협동 제어 시스템을 이용하여 결합된 이동로봇들로 하여금 장애물을 극복하도록 한다.

우선, 장애물 발생 시, 상기 제어부는 상기 도킹 모듈(230)을 통해 상기 제1 이동로봇(210) 및 제2 이동로봇(220)을 결합한다(S810, (a)). 이때, 상기 제어부는 상기 이동로봇들(210, 220)에 장착된 영상 센서, 초음파 센서 등을 이용하여 타 이동로봇의 위치를 정확히 파악하여 운동해석(kinematic analysis)을 통해 로봇암들(214, 224)을 결합할 수 있다. 일단, 로봇암을 구비한 이동로봇들(210, 220)이 상호 결합된 경우, 4절 조인트구조에 의해 상기 이동로봇들(210, 220)의 협동 동작을 효율적으로 제어할 수 있다.

그 다음, 상기 제어부는, 상기 제1 로봇암(214) 및 상기 제2 로봇암(224)의 조인트들을 제어하여 상기 제1 이동로봇(210)의 전방 측을 들어올린다(S820, (b)).

그 다음, 상기 제어부는, 상기 제1 이동로봇(210) 및 상기 제2 이동로봇(220)을 제어하여 상기 제1 이동로봇(210)의 상기 전방 측이 상기 장애물을 벗어나도록 이동한다(S830, (c)).

그 다음, 상기 제어부는, 상기 제1 로봇암(214) 및 상기 제2 로봇암(224)의 조인트들을 제어하여 상기 제1 이동로봇(210)의 상기 전방 측을 내려놓고 상기 제1 이동로봇(210)의 후방 측을 들어올린다(S840, (d)).

마지막으로, 상기 제어부는, 상기 제1 이동로봇(210) 및 상기 제2 이동로봇(220)을 제어하여 상기 제1 이동로봇의 상기 후방 측이 상기 장애물을 벗어나도록 이동한다(S850, (e)).

한편, 상기 제2 이동로봇(220)을 상기 장애물로부터 벗어나도록 하는 협동 제어 방법도 동일한 원리로 설명할 수 있다.

즉, 상기 제1 이동로봇(210)이 상기 장애물을 벗어난 후, 상기 제어부는 상기 제1 로봇암(214) 및 상기 제2 로봇암(224)의 조인트들을 제어하여 상기 제2 이동로봇(220)의 전방 측을 들어올린다. 그 다음, 상기 제어부는 상기 제1 이동로봇(210) 및 상기 제2 이동로봇(220)을 제어하여 상기 제2 이동로봇(220)의 상기 전방 측이 상기 장애물을 벗어나도록 이동한다. 그 다음, 상기 제어는 상기 제1 로봇암(214) 및 상기 제2 로봇암(224)의 조인트들을 제어하여 상기 제2 이동로봇(220)의 상기 전방 측을 내려놓고 상기 제2 이동로봇(220)의 후방 측을 들어올린다. 마지막으로, 상기 제어부는 상기 제1 이동로봇(210) 및 상기 제2 이동로봇(220)을 제어하여 상기 제2 이동로봇(220)의 상기 후방 측이 상기 장애물을 벗어나도록 이동한다.

이하, 실험 결과를 통해 본 발명의 우수한 성능을 검증한다.

도 10에는 본 발명의 일 실시예에 따른 공간 메커니즘을 이용한 이동로봇의 실제 구현예가 사진으로 도시되어 있다.

도 10에 도시된 바와 같이, 3개의 조인트를 지닌 로봇암과 1개의 도킹용 모듈을 장착하여 각각의 이동로봇을 구현하였다. 상기 이동로봇의 무게는 4kg이고, 직육면체 형태를 지닌다. 그 외 이동로봇의 사양은 표 2와 같다.

본 실험에 있어서, 공간 메커니즘을 사용하는 개념을 실증하기 위해, 도 8 및 도 9의 실시예를 통해 설명한 동작을 수행하도록 상기 이동로봇 및 로봇암을 프로그래밍하였다.

도 11에는 본 발명의 일 실시예에 따른 공간 메커니즘을 이용한 이동로봇들의 협동 동작 실험 결과가 파노라마 사진으로 도시되어 있다.

도 11에 도시된 바와 같이, 공간 메커니즘을 이용하는 경우 이동로봇들은 하나의 모터만을 구동하여 간단하고 효율적으로 장애물을 극복할 수 있으며, 다른 모터 내지 액추에이터에 대한 제어를 고려할 필요가 없다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들은, 이동로봇들로 하여금 3차원 공간 메커니즘을 이용하여 협동 동작을 수행하도록 함으로써, 복잡 다양한 실제 이동 환경에서 이동로봇들 간의 결합 가능성 및 이동성을 향상시키고, 이동로봇의 설계 및 제조 과정을 단순화할 수 있으며, 이동로봇들의 운영 시 제어를 위한 연산량 및 에너지 소비량을 감소시켜 자원 효율성을 개선할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들은, 컴퓨터로 판독할 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽어들일 수 있는 프로그램 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 본 발명이 소프트웨어를 통해 실행될 때, 본 발명의 구성 수단들은 필요한 작업을 실행하는 코드 세그먼트들이다. 또한, 프로그램 또는 코드 세그먼트들은 컴퓨터의 프로세서 판독가능 매체에 저장되거나 전송 매체 또는 통신망을 통해 반송파와 결합된 컴퓨터 데이터 신호로 전송될 수 있다.

컴퓨터 판독가능 기록매체에는 컴퓨터 시스템에 의해 읽혀질 수 있는 데이터를 저장하는 모든 종류의 기록장치가 포함된다. 예컨대, 컴퓨터 판독가능 기록매체에는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광데이터 저장장치 등이 포함될 수 있다. 또한, 컴퓨터 판독가능 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 컴퓨터가 읽어들일 수 있는 코드를 분산방식으로 저장하고 실행되도록 할 수 있다.

지금까지 본 발명에 대해 특정 실시예들을 참고하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은, 이동로봇과 장애물의 상대적 위치에 따라 다양한 해결책을 제시할 수 있음은 물론이다. 따라서, 당업자라면 본 발명의 본질적인 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위에서 본 발명이 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 위에서 설명한 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 예시적인 관점에서 고려되어야 한다. 즉, 본 발명의 진정한 기술적 범위는 첨부된 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 균등범위 내에 있는 모든 차이점들은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1a 및 도 1b는 다양한 종류의 공간 메커니즘들을 나타낸 도면.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공간 메커니즘을 이용한 이동로봇을 나타낸 도면.

도 3은 로봇암의 실제 구현예를 나타낸 사진.

도 4는 도킹 모듈에 의해 결합된 제1 로봇암 및 제2 로봇암을 나타낸 도면.

도 5 내지 도 7은 도킹 모듈 구성의 일례를 나타낸 도면.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 공간 메커니즘을 이용한 이동로봇 협동 제어 방법을 나타낸 흐름도.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 공간 메커니즘을 이용한 이동로봇 협동 제어 방법에 의한 이동로봇의 동작들을 나타낸 도면.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 공간 메커니즘을 이용한 이동로봇의 실제 구현예를 나타낸 사진.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 공간 메커니즘을 이용한 이동로봇들의 협동 동작 실험 결과를 나타낸 파노라마 사진.

Claims

이동로봇들 간의 결합을 통해 장애물을 극복하기 위한 협동 동작을 수행하는 이동로봇에 있어서,

상기 이동로봇을 타 이동로봇과 결합하는 도킹 모듈(docking module);

일단이 상기 이동로봇의 몸체부와 연결되고 타단이 상기 도킹 모듈과 연결되며, 복수 개의 조인트(joint)를 지니는 로봇암(robotic arm); 및

상기 이동로봇을 제어하는 제어부를 포함하고,

상기 제어부는, 상기 복수 개의 조인트를 제어하여 상기 이동로봇으로 하여금 상기 도킹 모듈에 의해 결합된 상기 타 이동로봇과 협동 동작을 수행하도록 하는 공간 메커니즘을 이용한 이동로봇.
제1항에 있어서,

상기 제어부는, 상기 복수 개의 조인트를 각각 능동 모드(active mode), 수동 모드(passive mode) 또는 고정 모드(lock mode)로 제어하여 상기 이동로봇으로 하여금 상기 타 이동로봇과 상기 이동로봇 또는 상기 타 이동로봇의 전방 측 또는 후방 측을 들어올리는 협동 동작을 수행하도록 하는 것을 특징으로 하는 공간 메커니즘을 이용한 이동로봇.
제1항에 있어서,

상기 도킹 모듈은, 상기 결합된 이동로봇 및 타 이동로봇의 로봇암이 결합 방향의 수직 평면상에서 회전할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 공간 메커니즘을 이용한 이동로봇.
제3항에 있어서,

상기 로봇암은, 상기 일단 측에 1 개의 수직 회전 조인트를 지니고, 상기 타단 측에 각각 1 개의 수직 및 수평 회전 조인트를 지니는 것을 특징으로 하는 공간 메커니즘을 이용한 이동로봇.
제4항에 있어서,

상기 제어부는, 상기 일단 측에 지녀지는 수직 회전 조인트와 상기 타단 측에 지녀지는 수직 회전 조인트 모두를 각각 능동 모드, 수동 모드 또는 고정 모드로 제어하여 상기 이동로봇으로 하여금 상기 타 이동로봇과 상기 이동로봇 또는 상기 타 이동로봇의 전방 측 또는 후방 측을 들어올리는 협동 동작을 수행하도록 하는 것을 특징으로 하는 공간 메커니즘을 이용한 이동로봇.
결합된 이동로봇들의 장애물을 극복하기 위한 협동 동작을 제어하는 시스템에 있어서,

제1 이동로봇 및 제2 이동로봇을 결합하는 도킹 모듈(docking module);

일단이 상기 제1 이동로봇의 몸체부와 연결되고 타단이 상기 도킹 모듈과 연결되며, 복수 개의 조인트(joint)를 지니는 제1 로봇암(robotic arm);

일단이 상기 제2 이동로봇의 몸체부와 연결되고 타단이 상기 도킹 모듈과 연결되며, 복수 개의 조인트를 지니는 제2 로봇암; 및

상기 이동로봇들을 제어하는 제어부를 포함하고,

상기 제어부는, 상기 제1 로봇암 및 상기 제2 로봇암이 지니는 복수 개의 조인트를 제어하여 상기 도킹 모듈에 의해 결합된 상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇으로 하여금 협동 동작을 수행하도록 하는 공간 메커니즘을 이용한 이동로봇 협동 제어 시스템.
제6항에 있어서,

상기 제어부는, 상기 제1 로봇암 및 상기 제2 로봇암이 지니는 상기 복수 개의 조인트를 각각 능동 모드(active mode), 수동 모드(passive mode) 또는 고정 모드(lock mode)로 제어하여 상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇으로 하여금 상기 제1 이동로봇 또는 상기 제2 이동로봇의 전방 측 또는 후방 측을 들어올리는 협동 동작을 수행하도록 하는 것을 특징으로 하는 공간 메커니즘을 이용한 이동로봇 협동 제어 시스템.
제6항에 있어서,

상기 도킹 모듈은, 상기 결합된 제1 이동로봇 및 제2 이동로봇의 로봇암이 결합 방향의 수직 평면상에서 회전할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 공간 메커니즘을 이용한 이동로봇 협동 제어 시스템.
제8항에 있어서,

상기 도킹 모듈은,

상기 제1 로봇암의 상기 타단과 연결되는 패그 모듈(peg module); 및

상기 제2 로봇암의 상기 타단과 연결되어 상기 패그 모듈을 수용하는 컵 모듈(cup module)을 포함하는 것을 특징으로 하는 공간 메커니즘을 이용한 이동로봇 협동 제어 시스템.
제9항에 있어서,

상기 패그 모듈은, 상기 패그 모듈의 외주면에서 돌출되는 래치(latch)를 포함하고,

상기 컵 모듈은, 상기 패그 모듈을 수용한 경우 상기 돌출된 래치가 걸리도록 내주면에 홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 공간 메커니즘을 이용한 이동로봇 협동 제어 시스템.
제10항에 있어서,

상기 패그 모듈은, 상기 패그모듈 내부에서 전진 또는 후진하여 상기 래치를 돌출 또는 함입시키는 지지부와 외력이 없는 상태에서 상기 지지부가 전진되도록 하는 스프링과 제어부에 제어되어 상기 스프링을 당기거나 미는 솔레노이드부를 구비하여 상기 래치를 상기 패그 모듈의 외주면에서 돌출시키거나 상기 돌출된 래치를 상기 패그 모듈의 내부로 함입시키는 래치 구동부를 포함하고,

상기 컵 모듈의 상기 홈은, 상기 돌출된 래치가 걸린 상태에서 상기 패그 모듈이 회전할 수 있도록 상기 컵 모듈의 내주면을 따라 환형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 공간 메커니즘을 이용한 이동로봇 협동 제어 시스템.
삭제
제8항에 있어서,

상기 제1 로봇암 및 상기 제2 로봇암은, 각각 상기 일단 측에 1 개의 수직 회전 조인트를 지니고, 상기 타단 측에 각각 1 개의 수직 및 수평 회전 조인트를 지니는 것을 특징으로 하는 공간 메커니즘을 이용한 이동로봇 협동 제어 시스템.
제13항에 있어서,

상기 제어부는, 상기 제1 로봇암 및 상기 제2 로봇암 각각의 상기 일단 측에 지녀지는 상기 수직 회전 조인트와 상기 타단 측에 지녀지는 수직 회전 조인트 모두를 각각 능동 모드, 수동 모드 또는 고정 모드로 제어하여 상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇으로 하여금 상기 제1 이동로봇 또는 상기 제2 이동로봇의 전방 측 또는 후방 측을 들어 올리는 협동 동작을 수행하도록 하는 것을 특징으로 하는 공간 메커니즘을 이용한 이동로봇 협동 제어 시스템.
제14항에 있어서,

상기 제어부는, 상기 제1 로봇암의 상기 일단 측 수직 회전 조인트를 고정 모드로, 상기 제2 로봇암의 상기 일단 측 수직 회전 조인트를 능동 모드로, 그리고 나머지 수직 회전 조인트를 수동 모드로 제어하여, 상기 제1 이동로봇의 전방 측을 들어올리는 협동 동작을 수행하도록 하는 것을 특징으로 하는 공간 메커니즘을 이용한 이동로봇 협동 제어 시스템.
제14항에 있어서,

상기 제어부는, 상기 제1 로봇암의 상기 타단 측 수직 회전 조인트를 능동 모드로, 상기 제2 로봇암의 상기 일단 측 수직 회전 조인트를 고정 모드로, 그리고 나머지 수직 회전 조인트를 수동 모드로 제어하여, 상기 제1 이동로봇의 후방 측을 들어올리는 협동 동작을 수행하도록 하는 것을 특징으로 하는 공간 메커니즘을 이용한 이동로봇 협동 제어 시스템.
제6항 내지 제11항 또는 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 시스템을 이용하여 결합된 이동로봇들의 장애물을 극복하기 위한 협동 동작을 제어하는 방법에 있어서,

상기 제어부가 상기 제1 로봇암 및 상기 제2 로봇암의 조인트들을 제어하여 상기 제1 이동로봇의 전방 측을 들어올리는 단계;

상기 제어부가 상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇을 제어하여 상기 제1 이동로봇의 상기 전방 측이 상기 장애물을 벗어나도록 이동하는 단계; 및

상기 제어부가 상기 제1 로봇암 및 상기 제2 로봇암의 조인트들을 제어하여 상기 제1 이동로봇의 상기 전방 측을 내려놓고 상기 제1 이동로봇의 후방 측을 들어올리는 단계; 및

상기 제어부가 상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇을 제어하여 상기 제1 이동로봇의 상기 후방 측이 상기 장애물을 벗어나도록 이동하는 단계를 포함하는 공간 메커니즘을 이용한 이동로봇 협동 제어 방법.
제17항에 있어서,

상기 이동로봇 협동 제어 방법은,

상기 제1 이동로봇이 상기 장애물을 벗어난 후, 상기 제어부가 상기 제1 로봇암 및 상기 제2 로봇암의 조인트들을 제어하여 상기 제2 이동로봇의 전방 측을 들어올리는 단계;

상기 제어부가 상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇을 제어하여 상기 제2 이동로봇의 상기 전방 측이 상기 장애물을 벗어나도록 이동하는 단계; 및

상기 제어부가 상기 제1 로봇암 및 상기 제2 로봇암의 조인트들을 제어하여 상기 제2 이동로봇의 상기 전방 측을 내려놓고 상기 제2 이동로봇의 후방 측을 들어올리는 단계; 및

상기 제어부가 상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇을 제어하여 상기 제2 이동로봇의 상기 후방 측이 상기 장애물을 벗어나도록 이동하는 단계를 더 포함 하는 것을 특징으로 하는 공간 메커니즘을 이용한 이동로봇 협동 제어 방법.
제17항의 방법을 수행하는 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능 기록 매체.
제18항의 방법을 수행하는 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능 기록 매체.