KR101059806B1 - 전정안 반사를 응용한 안정화 제어 시스템 및 방법 - Google Patents

전정안 반사를 응용한 안정화 제어 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

서로 연결된 제1 몸체 및 제2 몸체를 포함하는 물체의 위치 및 방향을 제어하는 안정화 제어 시스템에 있어서, 상기 제1 몸체의 이동에 대응되는 이동 신호 및 상기 제1 몸체의 회전에 대응되는 회전 신호를 출력하는 인공 전정 장치; 상기 제1 몸체와 상기 제2 몸체 사이에 연결되며, 상기 이동 신호에 대응하여 상기 제2 몸체의 위치를 제어하는 병진 구동부; 및 상기 제1 몸체와 상기 제2 몸체 사이에 연결되며, 상기 회전 신호에 대응하여 상기 제2 몸체의 회전을 제어하는 회전 구동부를 포함하는 안정화 제어 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 제어 시스템 및 방법을 이동 로봇의 비젼(vision) 시스템에 응용하면, 이동 로봇이 움직이는 경우에도 비젼 시스템이 안정된 영상 정보를 획득할 수 있어 번짐(blurring) 등의 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있는 이점이 있다.
안정화, 로봇, 비젼, 전정안 반사

Description

전정안 반사를 응용한 안정화 제어 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR STABILIZATION CONTOL ADOPTING VESTIBULO-OCULAR REFLEX}
본 발명은 전정안 반사(vestibulo-ocular reflex; VOR)를 응용한 안정화 제어 시스템 및 방법에 관한 것으로, 상세하게는 생체의 전정안 반사를 모사한 인공 전정 장치를 사용하여 이동 로봇 등과 같이 움직이는 물체의 이동 및 회전에 대응하는 신호를 생성하고, 생성된 신호에 대응하여 물체의 소정의 부분을 안정적으로 제어하는 안정화 제어 시스템 및 방법에 관한 것이다.
인간의 노력을 대체하여 무인 경비 등의 업무를 수행하는 이동 로봇이 널리 사용되고 있다. 이러한 이동 로봇의 작업 수행을 위해서는 주행부를 사용하여 로봇의 이동 및 방향 전환을 수행하는 기능이 필수적으로 요구된다. 또한 이동 로봇에 있어서는, 특정 사물을 인식하거나 추적하는 등의 기능을 수행하기 위하여 외부로부터 영상 신호를 획득하는 비젼(vision) 시스템을 구현하는 것이 핵심 기능 중의 하나에 해당한다.
그러나, 이동 로봇의 주행부와 비젼 시스템은 모두 동일한 몸체에 연결되어 있으므로, 로봇의 주행부가 회전하거나 또는 비젼 시스템이 위치한 부분이 회전하 는 경우 비젼 시스템이 인식하고자 하는 목표물이 비젼 시스템의 입력 범위를 벗어나게 되는 문제점이 있다. 또한, 목표물이 입력 범위를 벗어나지 않더라도 비젼 시스템이 획득하는 영상 신호에 번짐(blurring) 등의 현상이 발생하게 되어 비젼 시스템의 물체 인식률 및 정확도가 감소하게 되는 문제점이 있다.
상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 이동 로봇 등과 같이 움직이는 물체가 진동하거나 회전하는 경우에도, 이동 로봇의 특정 부분의 위치 및 방향을 일정하게 유지할 수 있는 안정화 제어 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 제어 시스템은, 서로 연결된 제1 몸체 및 제2 몸체를 포함하는 물체의 위치 및 방향을 제어하는 안정화 제어 시스템에 있어서, 상기 제1 몸체의 이동에 대응되는 이동 신호 및 상기 제1 몸체의 회전에 대응되는 회전 신호를 출력하는 인공 전정 장치; 상기 제1 몸체와 상기 제2 몸체 사이에 연결되며, 상기 이동 신호에 대응하여 상기 제2 몸체의 위치를 제어하는 병진 구동부; 및 상기 제1 몸체와 상기 제2 몸체 사이에 연결되며, 상기 회전 신호에 대응하여 상기 제2 몸체의 회전을 제어하는 회전 구동부를 포함하도록 구성된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 제어 방법은, 서로 연결된 제1 몸체 및 제2 몸체를 포함하는 물체의 위치 및 방향을 제어하는 안정화 제어 방법에 있어서, 상기 제1 몸체의 이동에 대응되는 이동 신호 및 상기 제1 몸체의 회전에 대응되는 회전 신호를 산출하는 단계; 상기 이동 신호에 대응하여 상기 제2 몸체의 위치를 제어하는 단계; 및 상기 회전 신호에 대응하여 상기 제2 몸체의 회전을 제어하는 단계를 포함하도록 구성된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 제어 시스템 및 방법을 사용하면, 인공 로봇 등과 같이 움직이는 물체가 진동 또는 회전하는 경우에도 특정 부분의 위치 및 방향을 일정하게 유지할 수 있다. 상기 안정화 제어 시스템 및 방법을 이동 로봇의 비젼(vision) 시스템에 응용하면, 이동 로봇이 움직이는 경우에도 비젼 시스템이 안정된 영상 정보를 획득할 수 있어 번짐(blurring) 등의 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 제어 시스템 및 방법은, 전정안반사(vestibulo-ocular reflex; VOR)를 응용하여 이동 로봇 등과 같이 움직이는 물체에 있어서, 전체 물체가 진동 또는 회전하는 경우에도 물체 내의 특정 부분의 위치 및 방향은 일정하게 유지되도록 제어한다.
전정안반사란 생명체의 시각 작용 중 필수적으로 구현되어야 하는 대표적인 생체 메커니즘으로, 신체의 움직임 중에도 물체의 상이 안정되도록 하는 반사성 안구 운동이다. 전정안반사는 인체의 이동 시 머리가 움직일 때, 머리의 운동 방향과 반대 방향으로 안구 운동을 일으켜 외부 세계의 이미지가 망막에 가능한 오래 유지될 수 있도록 안구의 움직임을 자동적으로 유지한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 제어 시스템 및 방법은, 전정안반사를 이동 로봇 등에 적용하여, 이동 로봇의 일부 또는 전체가 움직이는 경우 운동 방향 과 반대 방향으로 특정 부분을 움직인다. 예컨대, 상기 안정화 제어 시스템 및 방법은 이동 로봇의 시각 정보가 입력되는 비젼(vision) 시스템을 제어하여 이동 로봇이 수신하는 시각 정보를 안정화시킬 수 있다.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 제어 시스템이 적용된 물체를 도시한 정면도이다. 도 1을 참조하면, 상기 실시예에 따른 안정화 제어 시스템은 서로 연결된 제1 몸체(미도시) 및 제2 몸체(2)를 포함하는 물체의 위치 및 방향을 제어하기 위하여 사용된다. 도 1에 도시된 실시예에서, 제1 몸체는 이동 로봇의 두상부에 해당하며, 제2 몸체(2)는 두상부에 연결된 안구부에 해당한다.
도 1에 도시된 실시예에서 제2 몸체(2)는 원형 연결부(1)를 통하여 제1 몸체에 연결되나, 이는 예시적인 것으로서 다른 실시예에서 제2 몸체(2)는 제1 몸체에 직접 연결되거나 상이한 형태의 장치를 통하여 연결될 수도 있다. 이동 로봇이 이동 또는 회전하는 경우 제1 몸체인 이동 로봇의 두상부가 움직이게 되며, 따라서 제1 몸체에 연결된 제2 몸체(2)도 이동 로봇과 동일하게 이동 또는 회전하게 된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 제어 시스템의 구성을 도시한 블록도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 실시예에 따른 안정화 제어 시스템은 인공 전정 장치(10), 병진 구동부(22) 및 회전 구동부(21)를 포함하여 구성된다.
인공 전정 장치(10)는 제1 몸체인 인공 로봇의 두상부의 이동 및 회전에 대 응되는 신호를 검출한다. 본 발명의 일 실시예에서, 인공 전정 장치(10)는 제1 몸체의 이동을 검출하기 위한 선가속도계(linear accelerometer)(11) 및 제1 몸체의 회전을 검출하기 위한 각가속도계(angular accelerometer)(12)를 포함하여 구성될 수 있다.
선가속도계(11)는 하나 이상의 축 방향을 따라 제1 몸체의 이동으로 인한 선가속도를 검출한다. 일 실시예에서, 선가속도계(11)는 3개의 축 방향의 선가속도를 검출할 수 있는 3축 선가속도계로 구성될 수 있다. 또한, 다른 실시예에서 선가속도계(11)는 서로 상이한 축 방향의 선가속도를 검출하는 하나 이상의 선가속도계를 포함하여 구성될 수도 있다.
한편, 각가속도계(12)는 하나 이상의 축 방향을 기준으로 하여 제1 몸체의 회전으로 인한 각가속도를 검출한다. 일 실시예에서, 각속도계(12)는 3개의 축 방향을 중심으로 한 회전 각가속도를 검출할 수 있는 3축 각가속도계로 구성될 수 있다. 또한, 다른 실시예에서 각가속도계(12)는 서로 상이한 축 방향의 각가속도를 검출하는 하나 이상의 각가속도계를 포함하여 구성될 수도 있다.
인공 전정 장치(10)는 선가속도계(11) 및 각가속도계(12)를 이용하여, 제1 몸체의 이동에 대응되는 이동 신호 및 제1 몸체의 회전에 대응되는 회전 신호를 검출한다. 검출된 각각의 신호는 제2 몸체(2)의 제어를 위하여 병진 구동부(22) 및 회전 구동부(21)에 전달된다.
병진 구동부(22)는 인공 전정 장치(10)로부터 전달된 제1 몸체의 이동 신호를 제2 몸체(2)에 되먹임하여 제2 몸체(2)의 위치를 제어한다. 즉, 제1 몸체가 특정 방향으로 이동하였다는 신호가 병진 구동부(22)에 전달되면, 병진 구동부(22)는 제1 몸체의 이동으로 인한 효과를 감소시키는 방향, 예컨대 제1 몸체의 이동 방향과 반대 방향으로 제2 몸체(2)를 이동시킨다.
병진 구동부(22)는 전후, 좌우 및 상하 방향을 포함하여 공간상의 임의의 방향으로 제2 몸체(2)를 이동시키도록 구성될 수 있다. 이와 같은 병진 구동부(22)에 의한 음의 피드백(negative feedback)에 의하여 제1 몸체의 이동 또는 진동에 영향을 받지 않고 제2 몸체(2)의 위치를 일정하게 유지할 수 있다.
도 1에 도시된 실시예에서, 병진 구동부(22)는 제2 몸체(2)와 제1 몸체를 연결하는 연결부(1)에 연결되어 간접적으로 제2 몸체(2)의 위치를 제어하도록 구성된다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 다른 실시예에서 병진 구동부(22)는 직접 제2 몸체(2)에 연결되거나, 또는 상이한 형태의 장치를 통하여 제2 몸체(2)의 위치를 제어하도록 구성될 수도 있다.
한편, 회전 구동부(21)는 인공 전정 장치(10)로부터 전달된 제1 몸체의 회전 신호를 제2 몸체(2)에 되먹임하여 제2 몸체(2)의 회전을 제어한다. 즉, 제1 몸체가 특정 방향으로 회전하는 신호가 회전 구동부(21)에 전달되면, 회전 구동부(21)는 제1 몸체의 회전으로 인한 효과를 감소시키는 방향, 예컨대 제1 몸체의 회전 방향과 반대 방향으로 제2 몸체(2)를 회전시킨다.
도 1을 참조하면, 회전 구동부(21)는 전술한 음의 피드백을 수행하기 위하여 제2 몸체(2)에 연결된 회전축(210)을 포함할 수 있다. 회전축(210)을 이용하여 제2 몸체(2)를 제1 몸체의 회전 방향과 반대 방향으로 회전시킴으로써, 제1 몸체의 회전에 영향을 받지 않고 제2 몸체(2)의 방향을 일정하게 유지할 수 있다.
도 1에 도시된 실시예에서 회전 구동부(21)는 하나의 회전축(210)을 포함하여 구성되나, 이는 예시적인 것으로서 회전 구동부(21)는 복수 개의 회전축을 사용하여 제2 몸체(2)의 방향을 제어할 수도 있다.
또한, 도 1에 도시된 본 발명의 실시예에서, 제2 몸체(2)는 외부로부터 영상 정보를 수신하기 위한 장치(20)를 포함한다. 상기 실시예에서 제2 몸체(2)는 이동 로봇의 안구 부분에 해당하며, 외부로부터 영상 정보를 수신하여 이동 로봇의 눈에 해당하는 장치를 포함한다.
이 경우 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 제어 시스템을 사용하여 제2 몸체(2)의 위치 및 방향을 제어하면, 이동 로봇의 두상부인 제1 몸체가 움직이는 경우에도 제2 몸체(2)의 위치 및 방향은 일정하게 유지된다. 따라서, 제2 몸체(2)가 수신하는 영상 정보의 안정성이 향상되고, 수신되는 영상 정보에 번짐(blurring) 등의 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
한편, 도 1에 도시된 실시예에서는 제2 몸체(2)가 이동 로봇의 안구 부분에 해당하였으나, 이는 예시적인 것으로서 다른 실시예에서 제2 몸체(2)는 물체의 상이한 부분으로 구성될 수도 있다. 또한, 영상 정보를 수신하기 위한 장치뿐만 아니라 상이한 목적을 가지는 부분을 제2 몸체(2)로 하여 본 발명에 따른 안정화 제어 시스템을 사용하는 것도 가능하다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 제어 방법의 각 단계를 도시한 순서도이다. 설명의 편의를 위하여, 도 2 및 도 3을 참조하여 상기 실시예에 따른 안정화 제어 방법에 대하여 설명한다. 상기 실시예에 따른 안정화 제어 방법은 인공 전정 장치(10)에서 제1 몸체의 이동으로 인한 이동 신호를 검출하는 단계(S1) 및 인공 전정 장치(10)에서 제1 몸체의 회전으로 인한 회전 신호를 검출하는 단계(S2)로 시작된다.
인공 전정 장치(10)에 의하여 검출된 제1 몸체의 이동 신호 및 회전 신호는 각각 병진 구동부(22) 및 회전 구동부(21)로 전달된다. 다음으로, 병진 구동부(22)는 전달된 이동 신호에 따라 제1 몸체와 연결된 제2 몸체의 위치를 제어하며(S3), 회전 구동부(21)는 전달된 회전 신호에 따라 제2 몸체의 회전을 제어한다(S4).
예컨대, 본 발명의 일 실시예에서 병진 구동부(22)는 제1 몸체의 이동 방향과 반대 방향으로 제2 몸체를 이동시키며, 회전 구동부(21)는 제1 몸체의 회전 방향과 반대 방향으로 제2 몸체를 회전시키도록 구성될 수 있다. 이 경우, 제1 몸체의 이동 및 회전으로 인한 영향을 받지 않고 제2 몸체의 위치 및 방향을 일정하게 유지할 수 있다.
이상에서 살펴본 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 제어 시스템 및 방법을 사용하면, 생체의 전정안반사를 모사한 인공 전정 장치에 의하여 인공 로봇 등과 같은 물체가 진동하거나 회전하는 등 움직이는 경우에도 물체 내의 특정 부분의 위치 및 방향을 일정하게 유지할 수 있다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 제어 시스템 및 방법을 이동 로봇의 비젼(vision) 시스템에 응용하면, 이동 로봇이 움직이는 경우에도 비젼 시스템 이 안정된 영상 정보를 획득하도록 제어할 수 있어, 이동 로봇이 수신하는 영상 정보에 번짐(blurring) 등의 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있는 이점이 있다.
이상 본 발명의 특정 실시예를 도시하고 설명하였으나, 본 발명의 기술사상은 첨부된 도면과 상기한 설명내용에 한정하지 않으며 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 변형이 가능함은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 사실이며, 이러한 형태의 변형은, 본 발명의 정신에 위배되지 않는 범위 내에서 본 발명의 특허청구범위에 속한다고 볼 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 제어 시스템이 적용된 물체를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 제어 시스템의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 안정화 제어 방법의 각 단계를 도시한 순서도이다.

Claims (7)

  1. 이동 가능한 제1 몸체 및 상기 제1 몸체에 연결된 제2 몸체를 포함하는 물체의 위치 및 방향을 제어하는 안정화 제어 시스템에 있어서,
    복수 개의 축 방향을 따른 상기 제1 몸체의 이동에 대응되는 이동 신호 및 상기 복수 개의 축 방향을 기준으로 한 상기 제1 몸체의 회전에 대응되는 회전 신호를 출력하는 인공 전정 장치;
    상기 제1 몸체와 상기 제2 몸체 사이에 연결되며, 상기 이동 신호에 대응하여 상기 제2 몸체를 수직 방향 및 수평 방향으로 이동시킴으로써 상기 제2 몸체의 위치를 제어하는 병진 구동부; 및
    상기 제1 몸체와 상기 제2 몸체 사이에 연결되며, 상기 제2 몸체에 연결된 복수 개의 회전축을 포함하고, 상기 회전 신호에 대응하여 상기 복수 개의 회전축을 회전시킴으로써 상기 제2 몸체의 회전을 제어하는 회전 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 안정화 제어 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 인공 전정 장치는,
    상기 제1 몸체의 상기 복수 개의 축 방향의 선가속도를 검출하는 선가속도계; 및
    상기 제1 몸체의 상기 복수 개의 축 방향의 각가속도를 검출하는 각가속도계를 포함하는 것을 특징으로 하는 안정화 제어 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 몸체는 영상 정보를 수신하기 위한 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 안정화 제어 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 병진 구동부는 상기 이동 신호로부터 검출된 상기 제1 몸체의 이동 방향과 반대 방향으로 상기 제2 몸체를 이동시키며,
    상기 회전 구동부는 상기 회전 신호로부터 검출된 상기 제1 몸체의 회전 방향과 반대 방향으로 상기 제2 몸체를 회전시키는 것을 특징으로 하는 안정화 제어 시스템.
  5. 이동 가능한 제1 몸체 및 상기 제1 몸체와 복수 개의 회전축에 연결된 제2 몸체를 포함하는 물체의 위치 및 방향을 제어하는 안정화 제어 방법에 있어서,
    복수 개의 축 방향을 따른 상기 제1 몸체의 이동에 대응되는 이동 신호 및 상기 복수 개의 축 방향을 기준으로 한 상기 제1 몸체의 회전에 대응되는 회전 신호를 산출하는 단계;
    상기 이동 신호에 대응하여 상기 제2 몸체를 수직 방향 및 수평 방향으로 이동시킴으로써 상기 제2 몸체의 위치를 제어하는 단계; 및
    상기 회전 신호에 대응하여 상기 복수 개의 회전축을 회전시킴으로써 상기 제2 몸체의 회전을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 안정화 제어 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제2 몸체의 위치를 제어하는 단계는,
    상기 이동 신호로부터 검출된 상기 제1 몸체의 이동 방향과 반대 방향으로 상기 제2 몸체를 이동시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 안정화 제어 방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 제2 몸체의 회전을 제어하는 단계는,
    상기 회전 신호로부터 검출된 상기 제1 몸체의 회전 방향과 반대 방향으로 상기 제2 몸체를 회전시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 안정화 제어 방법.
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