KR101142762B1 - 이동로봇의 조종 제어기, 조종 제어 방법 및 이를 이용한 이동로봇 시스템 - Google Patents

이동로봇의 조종 제어기, 조종 제어 방법 및 이를 이용한 이동로봇 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이동로봇의 조종 제어기에 관한 것으로서, 이동로봇의 몸체 축선을 중심으로 둘레방향을 따라 서로 이격되게 배치된 복수개의 구동휠에 각각 연결된 구동모터를 구동하여 상기 이동로봇을 조종하는 이동로봇의 조종 제어기에 있어서, 상기 이동로봇의 주행방향에 따른 속도를 포함하는 조종신호가 입력되는 입력부; 상기 구동모터의 회전속도를 포함하는 구동신호를 출력하는 출력부; 및 상기 조종신호를 상기 구동신호로 변환하는 변환부;를 포함하는 것을 특징으로 하며, 이를 통해 사용자가 직관적으로 이동로봇을 조종할 수 있으므로 이동로봇의 사용 편의성을 증대시킬 수 있다.

Description

이동로봇의 조종 제어기, 조종 제어 방법 및 이를 이용한 이동로봇 시스템 {OPERATING CONTROLLER OF MOVABLE ROBOT, OPERATING CONTROL METHOD THEREOF AND MOVABLE ROBOT SYSTEM USING THE SAME}
본 발명은 이동로봇의 조종 제어기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이동로봇의 조종이 직관적으로 가능한 이동로봇의 조종 제어기, 조종 제어 방법 및 이를 이용한 이동로봇 시스템에 관한 것이다.
가스와 같은 위험한 물질이 유동하는 가스관이나 관경이 작은 옥내급수관의 경우는 위험성과 관 직경의 한계 때문에 배관 내부의 상태를 진단하거나 노후된 관내에 존재하는 이물질을 제거하기에는 곤란한 문제점이 있다.
따라서, 위험성과 관 직경의 한계를 극복하고 배관 내부의 상태를 실시간으로 진단함과 동시에 이물질 제거 및 노후된 관을 갱생할 수 있는 장비의 마련이 절실한 상황이다.
이를 위해, 배관이라고 하는 특이하고 제한된 3차원 공간에서 주행하며 그 내부를 면밀히 검사할 수 있는 배관탐사 이동로봇이 개발되었으며, 현재 많은 연구가 진행중에 있다.
하지만, 이러한 배관탐사 이동로봇에 관한 연구는 주로 이동로봇이 배관 내에서 원활히 주행하기 위해 이동로봇의 몸체가 안정적으로 유지되고, 이동로봇이 배관에 밀착하여 이동되게 함으로써 주행 성능을 향상시키는데 주로 초점이 맞춰져 왔다.
배관탐사 이동로봇은 필연적으로 엘보우(elbow)나 T형 연결부(T-branch)를 포함하는 배관 내부를 주행해야 하며, 상기와 같이 직선형이 아닌 배관 연결부를 지날 때 배관탐사 이동로봇을 조종하여 원하는 방향으로 이동시키는 것은 그리 쉬운 일이 아니다.
특히, 구동체인이 120도의 각도로 배열되어 있는 차동 구동형 배관탐사 이동로봇을 배관 내의 곡관에서 이동시키는 경우, 종래에는 회전하고자 하는 방향을 고려하여 일측의 구동휠을 정지시키고, 타측의 구동휠의 회전속도를 증가시키는 방법을 사용하여 이동로봇을 조종했다. 즉, 배관의 기하학적 형상을 사용자가 먼저 인식한 후, 구동휠의 회전속도를 사용자가 직접 온-오프 제어함으로써 배관 내의 곡관에서 이동로봇을 조종하였다.
이러한 온-오프 제어를 이용한 조종방법은 이동로봇이 저속으로 이동할 때에는 이동로봇 자체에 큰 무리가 가지 않지만, 곡률반경이 크거나 고속으로 이동할 때에는 구동모터와 이동로봇에 손상을 초래할 수 있다. 또한, 이와 같은 조종방법은 일일이 배관 내의 곡관의 형상을 고려하여 구동모터의 회전속도를 직접 제어해야 하므로, 조종이 불편하며 조종 속도가 느리다는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 사용자가 직관적으로 이동로봇을 조종할 수 있는 조종 제어기를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 상술한 조종 제어기를 이용하여 이동로봇의 조종을 제어하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 세 번째 과제는 상술한 조종 제어 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 네 번째 과제는 상술한 조종 제어기를 이용한 조종기를 포함하는 이동로봇 시스템을 제공하는 것이다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는,
이동로봇의 몸체 축선을 중심으로 둘레방향을 따라 서로 이격되게 배치된 복수개의 구동휠에 각각 연결된 구동모터를 구동하여 상기 이동로봇을 조종하는 이동로봇의 조종 제어기에 있어서,
상기 이동로봇의 주행방향에 따른 속도를 포함하는 조종신호가 입력되는 입력부;
상기 구동모터의 회전속도를 포함하는 구동신호를 출력하는 출력부; 및
상기 조종신호를 상기 구동신호로 변환하는 변환부;를 포함하는 이동로봇의 조종 제어기를 제공하는 것이다.
여기서, 상기 복수개의 구동휠은 상기 이동로봇의 몸체 축선을 중심으로 120도의 등간격으로 배치될 수 있다.
또한, 상기 조종신호는, 상기 이동로봇의 3개방향 병진속도 및 3개방향 회전속도 중에서 선택되는 속도인 것이 바람직하다.
또한, 상기 조종신호는, 상기 이동로봇의 주행방향을 기준으로 전후방향 병진속도, 좌우방향 회전속도, 및 상하방향 회전속도 중 하나 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 변환부는 하기의 관계식에 의해서 상기 조종신호를 상기 구동신호로 변환할 수 있다.
Figure 112009060414716-pat00001
(여기서,
Figure 112009060414716-pat00002
는 조종신호로서
Figure 112009060414716-pat00003
로 정의되고,
Figure 112009060414716-pat00004
는 구동신호로서
Figure 112009060414716-pat00005
로 정의되며, ωx는 좌우방향 회전속도, ωy는 상하방향 회전속도, Vcz는 전후방향 병진속도,
Figure 112009060414716-pat00006
은 각 구동모터의 회전속도를 나타내며,
Figure 112009060414716-pat00007
는 아래와 같이 정의됨)
Figure 112009060414716-pat00008
(여기서, a는 이동로봇의 중심에서 각 구동휠의 중심까지의 거리를, r은 구동휠의 반경을 나타냄)
본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는,
이동로봇의 몸체 축선을 중심으로 둘레방향을 따라 서로 이격되게 배치된 복수개의 구동휠에 각각 연결된 구동모터를 구동하여 상기 이동로봇을 조종하는 이동로봇의 조종 제어 방법에 있어서,
상기 이동로봇의 주행방향에 따른 속도를 포함하는 조종신호를 입력하는 단계;
입력된 상기 조종신호를 상기 구동모터의 회전속도를 포함하는 구동신호로 변환하는 단계; 및
변환된 상기 구동신호를 상기 구동모터에 전달하여 상기 이동로봇을 구동시키는 단계;를 포함하는 이동로봇의 조종 제어 방법을 제공하는 것이다.
여기서, 상기 복수개의 구동휠은 상기 이동로봇의 몸체 축선을 중심으로 120도의 등간격으로 배치될 수 있다.
또한, 상기 조종신호를 입력하는 단계는, 사용자의 직관에 의해 입력될 수 있는 상기 이동로봇의 3개방향 병진속도 및 3개방향 회전속도에서 선택된 속도를 입력하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 조종신호를 입력하는 단계는, 상기 이동로봇의 주행방향을 기준으로 전후방향 병진속도, 좌우방향 회전속도, 및 상하방향 회전속도 중 하나 이상을 입력하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 구동신호로 변환하는 단계는, 하기의 관계식에 의해서 상기 조종신호를 상기 구동신호로 변환될 수 있다.
Figure 112009060414716-pat00009
(여기서,
Figure 112009060414716-pat00010
는 조종신호로서
Figure 112009060414716-pat00011
로 정의되고,
Figure 112009060414716-pat00012
는 구동신호로서
Figure 112009060414716-pat00013
로 정의되며, ωx는 좌우방향 회전속도, ωy는 상하방향 회전속도, Vcz는 전후방향 병진속도,
Figure 112009060414716-pat00014
은 각 구동모터의 회전속도를 나타내며,
Figure 112009060414716-pat00015
는 아래와 같이 정의됨)
Figure 112009060414716-pat00016
(여기서, a는 이동로봇의 중심에서 각 구동휠의 중심까지의 거리를, r은 구동휠의 반경을 나타냄)
본 발명이 해결하고자 하는 세 번째 과제는,
삭제
본 발명이 해결하고자 하는 네 번째 과제는,
몸체, 상기 몸체의 축선을 중심으로 둘레방향을 따라 서로 이격되게 배치된 복수개의 구동휠, 및 상기 복수개의 구동휠을 각각 구동시키는 구동모터를 포함하는 이동로봇; 및
상기 구동모터의 회전속도를 포함하는 구동신호를 송신하여 상기 이동로봇의 진행방향을 제어하는 조종기;를 포함하고,
상기 조종기는 상기 이동로봇의 진행방향을 기준으로 전후방향 병진속도, 좌우방향 회전속도 및 상하방향 회전속도 중 하나 이상을 포함하는 조종신호가 입력되는 조종부와, 상기 조종신호를 상기 구동신호로 변환하는 변환부를 포함하는 이동로봇 시스템을 제공하는 것이다.
여기서, 상기 복수개의 구동휠은 상기 이동로봇의 몸체 축선을 중심으로 120도의 등간격으로 배치될 수 있다.
또한, 상기 이동로봇의 구동휠의 반경은, 상기 이동로봇이 이동하는 배관의 내경에 대해 10% 내지 15%의 크기를 가지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 변환부는 하기의 수식에 의해 상기 조종신호를 상기 구동신호로 변환할 수 있다.
Figure 112009060414716-pat00017
(여기서,
Figure 112009060414716-pat00018
는 조종신호로서
Figure 112009060414716-pat00019
로 정의되고,
Figure 112009060414716-pat00020
는 구동신호로서
Figure 112009060414716-pat00021
로 정의되며, ωx는 좌우방향 회전속도, ωy는 상하방향 회전속도, Vcz는 전후방향 병진속도,
Figure 112009060414716-pat00022
은 각 구동모터의 회전속도를 나타내며,
Figure 112009060414716-pat00023
는 아래와 같이 정의됨)
Figure 112009060414716-pat00024
(여기서, a는 이동로봇의 중심에서 각 구동휠의 중심까지의 거리를, r은 구동휠의 반경을 나타냄)
또한, 상기 조종부는, 상기 전후방향 병진속도가 입력되는 입력버튼과 상기 좌우방향 회전속도 및 상기 상하방향 회전속도가 입력되는 조종스틱을 포함할 수 있다.
또한, 상기 입력버튼은 상기 조종스틱의 상단에 배치될 수 있다.
또한, 상기 조종스틱은, 그 전후방향 움직임에 의해 상기 이동로봇의 상하방향 회전속도가 입력되고, 그 좌우방향 움직임에 의해 상기 이동로봇의 좌우방향 회전속도가 입력되며, 상기 전후방향과 상기 좌우방향 사이의 움직임에 의해 상하방향 회전속도 및 좌우방향 회전속도의 합성속도가 입력될 수 있다.
본 발명에 따른 이동로봇의 조종 제어기에 의하면, 이동로봇의 사용자가 직관적으로 입력하는 입력신호를 이동로봇의 구동모터를 회전시키는 구동신호로 변환시킬 수 있기 때문에 이동로봇의 사용 편의성을 증대시킬 수 있다. 또한, 이러한 조종 제어기를 이용한 조종기를 통해 사용자는 이동로봇에 부착된 카메라로 이동방향을 관찰하면서 동시에 이동로봇을 손쉽게 조종할 수 있으므로, 이동로봇의 실용화 및 효용성에 많은 이점을 제공할 수 있다.
이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
이동로봇의 조종 제어기
도 1은 배관탐사 이동로봇(10)과 함께 그 좌표계 및 파라미터를 도시한 도면이다. 배관탐사 이동로봇(10)에는 구동휠(1)에 연결된 구동체인(2)이 이동로봇(10)의 몸체(3) 축선(C)을 중심으로 둘레방향을 따라 120도의 동일한 이격 각도로 배치되어 있다. 그리고, 상기 배관탐사 이동로봇은, 구동모터(4)가 구동휠을 구동시켜 구동체인(2)이 배관(5)의 내주면과 접촉하면서 배관 내를 이동하게 된다. 따라서, 이와 같은 이동로봇에서는 이동로봇의 주행과 구동모터의 회전이 서로 일 치하지 않는 문제가 있다. 즉, 이동로봇이 직선형의 배관을 따라 주행할 경우에는 문제가 없지만, 곡관을 이동할 경우에는 각 구동모터를 어떻게 구동시켜야 곡관 내부를 주행할 수 있는지 사용자가 쉽게 인식하기가 어렵다.
본 발명에 따른 이동로봇의 조종 제어기는 이동로봇의 주행방향에 따른 속도(예를 들면, 3개방향 병진속도 및 3개방향 회전속도)를 입력할 경우, 이를 각 구동모터의 회전속도로 변환시켜 사용자가 직관적으로 이동로봇을 조종할 수 있게 하는 것에 그 목적이 있다. 이를 위해서, 이동로봇의 구동모터의 회전속도와 이동로봇의 주행방향에 따른 속도와의 관계를 찾아내는 것이 필요하다.
120도의 간격으로 배치된 구동휠을 구동시키는 데에는 3개의 구동모터(4a, 4b, 4c)가 필요하므로, 이동로봇의 주행방향에 따른 속도 역시 이와 일대일 대응되는 3개의 속도성분이 필요하다. 이 3개의 속도성분은 다양한 조합으로 구성될 수 있지만, 사용자의 직관에 따라 입력할 수 있는 이동로봇의 주행방향에 따른 전후방향 병진속도, 좌우방향 회전속도 및 상하방향 회전속도가 되는 것이 바람직하다. 즉, 직선형 배관 내부를 주행할 때는 전후방향 병진속도를 입력하고, 좌우 또는 상하로 꺾어진 곡관 내부를 주행할 때는 좌우방향 회전속도 또는 상하방향 회전속도를 입력하는 것이 사용자가 가장 직관적으로 인식할 수 있는 입력 정보가 될 수 있다.
이하에서는 이동로봇의 구동모터의 회전속도와 사용자가 입력하는 속도성분과의 관계를 기구학적 해석을 통해 살펴보고자 한다.
입력속도벡터(
Figure 112009060414716-pat00025
)를 이동로봇의 구동휠에 구동력을 전달하여 구동휠을 회전시키는 구동모터(4)의 회전속도로 정의하고, 출력속도벡터(
Figure 112009060414716-pat00026
)를 도 1에 도시된 이동로봇 좌표계 xyz에서 x축으로 회전하는 속도(ωx)와 y축으로 회전하는 속도(ωy) 및 z축으로 이동하는 선형속도(Vcz)로 정의한다. 여기서, 이동로봇의 진행방향(z축)을 기준으로 x축으로 회전하는 속도(ωx)는 좌우방향 회전속도를, y축으로 회전하는 속도(ωy)는 상하방향 회전속도를, z축으로 이동하는 선형속도(Vcz)는 전후방향 병진속도가 된다.
입력속도벡터는 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009060414716-pat00027
여기서, V1, V2, V3는 각각의 구동휠(1a, 1b, 1c)의 중심에서의 선형속도를 의미하고, r은 구동휠의 반경을 나타낸다.
Case 1: 3개의 구동모터의 회전속도가 모두 동일할 때
도 2는 3개의 구동모터의 회전속도가 모두 동일한 경우의 속도 프로파일을 나타낸 도면으로서, (a)는 배관의 단면에서 본 속도 프로파일, (b)는 배관의 측면 에서 본 속도 프로파일이다.
여기서, Pe는 이동로봇의 중심을, P1, P2, P3는 각 구동휠(1a, 1b, 1c)의 중심을, Vcz는 이동로봇의 중심에서의 선속도를, V1, V2, V3는 각 구동휠의 중심에서의 선속도를, a는 이동로봇의 중심(Pe)에서 각 구동휠의 중심까지의 거리를, r은 구동휠의 반경을, b는 이동로봇의 중심에서 2개의 구동휠 중심을 연결한 직선과의 거리를 나타낸다. 이와 같은 파라미터의 정의는 도 3 내지 도 5에도 동일하게 적용된다.
3개의 구동모터의 회전속도가 모두 동일할 때, 이동로봇의 회전속도는 생기지 않고, 이동로봇은 이동로봇 좌표계의 z축으로 병진운동하게 된다.
Figure 112009060414716-pat00028
Case 2: 1개의 구동모터에 회전속도가 생성될 때
도 3은 구동휠(1a)을 구동시키는 제1 구동모터에 회전속도가 생성될 때의 속도 프로파일을 나타낸 도면으로서, (a)는 배관의 단면에서 본 속도 프로파일, (b)는 배관의 측면에서 본 속도 프로파일이다.
제1 구동모터에서만 회전속도가 생성된다면, 도 3(a)에 도시된 바와 같이 선분 P2P3을 축으로 ω1의 회전속도가 생기고, 도 3(b)에 도시된 바와 같이 이동로봇의 중심(Pe)에서 Vcz의 선속도가 생성된다. 이는, 하기의 수학식과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009060414716-pat00029
Case 3: 2개의 구동모터에 회전속도가 생성될 때
도 4는 구동휠(1a)을 구동시키는 제1 구동모터 및 구동휠(1b)을 구동시키는 제2 구동모터에 회전속도가 생성될 때의 속도 프로파일을 나타낸 도면으로서, (a)는 배관의 단면에서 본 속도 프로파일, (b)는 배관의 측면에서 본 속도 프로파일이다.
제1 구동모터와 제2 구동모터에서 회전속도가 생성된다면, 도 4(a)에 도시된 바와 같이 ω12의 회전속도가 생기고, 도 4(b)에 도시된 바와 같이 이동로봇의 중심(Pe)에서 Vcz의 선속도가 생성된다. 이는 하기의 수학식과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009060414716-pat00030
Case 4: 3개의 구동모터에 회전속도가 생성되고 이들 회전속도가 각각 상이할때
도 5는 각 구동휠(1a, 1b, 1c)을 구동시키는 제1 구동모터, 제2 구동모터 및 제3 구동모터에 서로 다른 회전속도가 생성될 때의 속도 프로파일을 나타낸 도면으로서, (a)는 배관의 단면에서 본 속도 프로파일, (b)는 배관의 측면에서 본 속도 프로파일이다.
3개의 구동모터에서 서로 상이한 속도가 생성될 경우, 도 5(a)에 도시된 바와 같이 3개의 속도가 작용하여 만들어지는 회전속도의 합으로 최종 회전속도가 생기고, 도 6(b)에 도시된 바와 같이 이동로봇의 중심에서 Vcz의 선속도가 생성된다. 이는 하기의 수학식과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009060414716-pat00031
상술한 4개의 Case를 통하여 얻어진 입력속도벡터와 출력속도벡터와의 관계를 나타내면 다음과 같다.
Figure 112009060414716-pat00032
여기서,
Figure 112009060414716-pat00033
은 이동로봇의 Jacobian이라 하며, 이는 하기의 식과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112009060414716-pat00034
따라서, 수학식 6 및 7에 정의된 수식을 이용하면 이동로봇을 속도레벨에서 제어할 수 있다. 수학식 7을 역변환하면, 하기의 식으로 표시될 수 있다.
Figure 112009060414716-pat00035
수학식 7에 의해 역변환되어 얻어지는 수학식 8의 의미는, 사용자가 원하는 이동로봇의 회전방향으로의 회전속도를 입력하면, 입력값이 각 구동모터의 회전속도로 변환될 수 있다는 것이다. 즉, 360도 어느 방향이든지 사용자가 원하는 방향으로의 속도값과 이동로봇 중심에서의 선속도값을 입력하면, 이동로봇의 구동모터의 회전값으로 변환되어 사용자가 직관적으로 이동로봇을 제어할 수 있음을 나타낸다.
도 6은 수학식 6 및 7로 정의되는 입력속도벡터와 출력속도벡터 간의 관계를 검증하기 위해 각 구동모터의 회전속도 프로파일을 도시한 그래프이다. 도 6(a)는 이동로봇의 선속도(Vcz, 전후방향 병진속도)가 0, 좌우방향 회전속도 ωx가 15degree/sec로 입력되었을 때 각 구동모터의 회전속도 변화를 나타낸 그래프이고, 도 6(b)는 이동로봇의 선속도가 3cm/sec, 좌우방향 회전속도 ωx가 15degree/sec로 입력되었을 때 각 구동모터의 회전속도 변화를 나타낸 그래프이다.
상술한 로봇의 기구학적 해석을 기초로 본 발명에 따른 조종 제어기의 구성을 블록선도로 나타내면 도 7과 같다.
본 발명의 일 실시예에 따른 조종 제어기는, 이동로봇의 주행방향별 속도를 입력받아(입력부), 실제 입력된 값대로 이동로봇이 주행하도록 각 구동모터의 회전속도를 출력하는(출력부) 변환부(20)를 포함하고 있다. 즉, 상기 변환부는 사용자의 직관에 따른 조종신호(이동로봇의 주행방향별 속도)를 구동신호(구동모터의 회전속도)로 변환시킨다.
이와 같은 조종 제어기를 이용하면, 사용자가 이동로봇을 조종하여 곡관 내부를 무리없이 주행시키고자 할 때, 구동모터의 회전속도를 직접 입력하는 것이 아니라, 주행하고자 하는 방향에 따른 속도를 입력함으로써 직관적으로 이동로봇을 조종할 수 있다.
이동로봇의 조종 제어 방법
상술한 조종 제어기를 이용하여 이동로봇의 조종 제어 방법을 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이동로봇의 조종 제어 방법은, 도 8에 도시된 바와 같이, 이동로봇의 주행방향에 따른 속도를 포함하는 조종신호를 입력하는 단계; 입력된 상기 조종신호를 상기 구동모터의 회전속도를 포함하는 구동신호로 변환하는 단계; 및 변환된 상기 구동신호를 상기 구동모터에 전달하여 상기 이동로봇을 구동시키는 단계;를 포함하여 이루어진다.
먼저, 조종신호를 입력하는 단계(S10)에서는, 사용자의 직관에 의해 입력될 수 있는 이동로봇의 속도성분이 입력될 수 있다. 즉, 이동로봇의 주행방향을 따라 3개방향 병진속도 및 3개방향 회전속도에서 선택된 속도가 입력될 수 있으며, 바람직하게는 이동로봇의 주행방향을 기준으로 전후방향 병진속도, 좌우방향 회전속도, 및 상하방향 회전속도 중 하나 이상이 입력될 수 있다.
구동신호로 변환하는 단계(S20)는, 위와 같이 입력된 조종신호를 각 구동모터의 회전속도로 변환하는 단계이다. 이 단계에서는 사용자의 직관에 의해 입력된 이동로봇의 주행방향에 따른 속도가 각 구동모터의 회전속도로 변환되며, 이와 같은 변환은 상술한 수학식 8에 기재된 변환식에 의해 이루어질 수 있다.
마지막으로, 구동신호를 구동모터에 전달하는 단계(S30)에서는 구동신호로 변환된 각 구동모터의 회전속도를 구동모터에 전달하여 이동로봇을 구동시키는 단계이다.
이와 같이 본 발명에 따른 이동로봇의 조종 제어 방법은, 각 구동모터의 회전속도를 사용자가 직접 온-오프 제어하는 종래의 방법과 달리, 사용자가 배관의 형상 및/또는 구조를 통해 직관적으로 파악할 수 있는 조종신호를 입력하고, 입력 된 조종신호를 구동모터의 회전속도로 변환시켜 이동로봇을 구동시킴으로써 보다 간편하게 이동로봇의 주행방향을 제어할 수 있다.
한편, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 이동로봇의 조종 제어 방법은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 또한, 상술한 본 발명의 실시예에서 사용된 데이터의 구조는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 여러 수단을 통하여 기록될 수 있다.
상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등) 및 캐리어 웨이브(예를 들면, 인터넷을 통한 전송)와 같은 저장매체를 포함한다.
최적의 구동휠 크기 계산
앞서 살펴본 이동로봇의 기구해석을 통해 찾아낸 Jacobian을 통하여 기구학적 최적 파라미터해석을 수행하여 최적의 구동휠의 크기를 계산하였다.
본 해석에 사용된 배관의 내경은 100mm로 가정하여 수행하였으며, 배관의 내경(d)과 구동휠의 반경(r) 사이에는 도 2에 도시된 바와 같이 다음과 같은 관계식이 성립한다.
2(a+r) = d
또한, Jacobian의 특이값(singular value)의 최대값 및 최소값을 각각
Figure 112009060414716-pat00036
와
Figure 112009060414716-pat00037
이라 정의하면, 등방성 지수(isotropic index)는 하기의 식으로 정의되며, 이는 모든 방향으로 이동로봇의 운동성능을 나타내는 지표이다. 즉, 등방성 지수값이 클수록 이동로봇의 운동성능은 향상된다.
Figure 112009060414716-pat00038
한편, 최대 힘 전달비(maximum force transmission ratio)는 단위 토크 놈(unit torque norm)에 의해 생성되는 동작하중(operational load)으로 정의되며 하기의 식으로 표시할 수 있다. 힘 전달비가 클수록 더 큰 동작하중이 생성될 수 있다.
Figure 112009060414716-pat00039
도 9는 구동휠의 반경에 따른 등방성 지수 및 최대 힘 전달비의 변화를 나타낸 그래프이다.
이들 값을 정규화하고, 퍼지 셋 이론(fuzzy set theory)에 사용되는 최대최 소정리(max-min theorem)를 적용하여 최적의 구동휠의 반경을 계산하였으며, 그 결과를 도 10에 나타내었다.
배관의 내경이 100mm인 경우, 바람직한 구동휠의 크기는 10mm 내지 15mm 정도이며, 더욱 바람직하게는 12mm가 됨을 알 수 있었다. 다시 말해서, 이동로봇의 최적의 구동휠의 반경은 배관의 내경에 대해 10% 내지 15%의 크기를 가지는 것이 바람직하다.
이와 같은 최적의 구동휠의 크기는, 상기와 같은 반경 범위를 가진 구동휠이 운동성능 및 힘 전달성 측면에서 가장 효율적임을 나타내는 것이며, 이보다 작은 크기의 구동휠의 경우에는 힘 전달성이 감소되어 바람직하지 않고, 이보다 큰 크기의 구동휠의 경우에는 운동성능이 저하되어 적합하지 않음을 의미한다.
조종 제어기를 이용한 조종기
상술한 조종 제어기를 실제 이동로봇을 조종하는 조종기에 적용하였다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 조종기(30)의 개략 사시도이다.
이 조종기(30)는 이동로봇의 진행방향을 기준으로 전후방향 병진속도, 좌우방향 회전속도 및 상하방향 회전속도를 포함하는 조종신호가 입력되는 조종부(31)와, 조종신호를 구동신호로 변환하는 변환부(미도시)를 포함하고 있다.
변환부를 거쳐 출력되는 구동신호를 이동로봇의 구동모터에 전달하는 신호전달 방법은 무선 또는 유선 등의 공지의 방법을 이용하여 구현될 수 있으며, 이는 당업자에게 자명한 사항이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
조종부(31)는 전후방향 병진속도가 입력되는 입력버튼(32)과 좌우방향 회전속도 및 상기 상하방향 회전속도가 입력되는 조종스틱(33)을 포함하고 있다. 또한 조종의 편의성을 위해, 도 11에 도시된 바와 같이 입력버튼(32)은 조종스틱(33)의 상단에 배치될 수 있다.
입력버튼(32)은 2단의 버튼으로서, 제1 버튼(32a)을 누르면 이동로봇이 전진하며, 제2 버튼(32b)을 누르면 이동로봇이 후진하도록 설계될 수 있다. 또한, 버튼을 누르는 압력의 크기에 따라 속도의 증감이 조절될 수 있다.
한편, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 조종기의 개념도로서, 도 12(a)는 이동로봇의 이동 좌표계를, 도 12(b)는 이동로봇에 부착된 카메라 뷰의 좌표계를, 도 12(c)는 조종기의 좌표계를 나타내고 있다.
즉, 이동로봇의 전면에 부착된 카메라를 통해서 사용자가 자신의 이동로봇이 이동할 방향을 결정하고, 이를 바탕으로 조종기를 직관적으로 조종하면 구동휠에 연결된 각 구동모터는 이에 맞게 그 회전속도를 변화시켜 이동로봇이 원하는 방향으로 이동하게 된다.
예를 들면, 도 12(b)에 도시된 바와 같이, 사용자가 이동로봇에 부착된 카메라를 통해 배관 내부를 관찰하면서 이동로봇을 좌측으로 이동시키고자 하면, 도 12(c)에 도시된 바와 같이 조종기의 조종스틱(33)을 직관에 따라 좌측으로 움직이기만 하면 조종기를 통한 입력신호가 각 구동모터의 회전속도로 변환되어 이동로봇이 좌측으로 이동하게 된다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 조종스틱(33)은, 그 전후방향 움직임에 의해 상기 이동로봇의 상하방향 회전속도가 입력되고, 그 좌우방향 움직임에 의해 상기 이동로봇의 좌우방향 회전속도가 입력될 수 있다. 또한, 조종스틱을 전후방향과 좌우방향 사이로 움직이면, 상기 상하방향 회전속도와 상기 좌우방향 회전속도의 합성속도가 입력될 수 있다.
도 13은 이동로봇의 조종 프로세스를 나타낸 블록선도이다.
조종부(31)를 통해 입력된 조종신호(
Figure 112009060414716-pat00040
)는 변환부(20)를 거쳐 구동모터의 구동신호(
Figure 112009060414716-pat00041
)로 출력되며, 피드백 제어된 구동신호(
Figure 112009060414716-pat00042
)와 함께 구동 컨트롤러(Gc)를 통해 이동로봇에 구동신호를 전달함으로써 이동로봇이 정밀하게 그리고 직관적으로 조종될 수 있다.
본 발명의 단순한 변형 또는 변경은 모두 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.
도 1은 배관탐사 이동로봇의 좌표계 및 파라미터를 도시한 도면이다.
도 2는 3개의 구동모터의 회전속도가 동일한 경우의 속도 프로파일을 나타낸 도면이다.
도 3은 제1 구동모터에 회전속도가 생성될 때의 속도 프로파일을 나타낸 도면이다.
도 4는 제1 구동모터 및 제2 구동모터에 회전속도가 생성될 때의 속도 프로파일을 나타낸 도면이다.
도 5는 제1 구동모터, 제2 구동모터 및 제3 구동모터에 서로 다른 회전속도가 생성될 때의 속도 프로파일을 나타낸 도면이다.
도 6은 각 구동모터의 회전속도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 조종 제어기의 블록선도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 조종 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 9는 구동휠의 반경에 따른 등방성 지수 및 최대 힘 전달비의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 10은 구동휠의 최적 반경값을 도시한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 조종부의 개략 사시도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 조종기의 개념도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동로봇의 조종 프로세스를 나타낸 블록선도이다.

Claims (18)

  1. 이동로봇의 몸체 축선을 중심으로 둘레방향을 따라 서로 이격되게 배치된 복수개의 구동휠에 각각 연결된 구동모터를 구동하여 상기 이동로봇을 조종하는 이동로봇의 조종 제어기에 있어서,
    상기 이동로봇의 주행방향에 따른 속도를 포함하는 조종신호가 입력되는 입력부;
    상기 구동모터의 회전속도를 포함하는 구동신호를 출력하는 출력부; 및
    상기 조종신호를 상기 구동신호로 변환하는 변환부;를 포함하고,
    상기 조종신호는, 사용자의 직관에 의해 입력될 수 있도록 상기 이동로봇의 주행방향을 기준으로 전후방향 병진속도, 좌우방향 회전속도, 및 상하방향 회전속도 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 이동로봇의 조종 제어기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 구동휠은 상기 이동로봇의 몸체 축선을 중심으로 120도의 등간격으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 이동로봇의 조종 제어기.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제2항에 있어서,
    상기 변환부는 하기의 관계식에 의해서 상기 조종신호를 상기 구동신호로 변환하는 것을 특징으로 하는 이동로봇의 조종 제어기.
    Figure 112011083138111-pat00043
    (여기서,
    Figure 112011083138111-pat00044
    는 조종신호로서
    Figure 112011083138111-pat00045
    로 정의되고,
    Figure 112011083138111-pat00046
    는 구동신호로서
    Figure 112011083138111-pat00047
    로 정의되며, ωx는 좌우방향 회전속도, ωy는 상하방향 회전속도, Vcz는 전후방향 병진속도,
    Figure 112011083138111-pat00048
    은 각 구동모터의 회전속도를 나타내며,
    Figure 112011083138111-pat00049
    는 아래와 같이 정의됨)
    Figure 112011083138111-pat00050
    (여기서, a는 이동로봇의 중심에서 각 구동휠의 중심까지의 거리를, r은 구동휠의 반경을 나타냄)
  6. 이동로봇의 몸체 축선을 중심으로 둘레방향을 따라 서로 이격되게 배치된 복수개의 구동휠에 각각 연결된 구동모터를 구동하여 상기 이동로봇을 조종하는 이동로봇의 조종 제어 방법에 있어서,
    상기 이동로봇의 주행방향에 따른 속도를 포함하는 조종신호를 입력하는 단계;
    입력된 상기 조종신호를 상기 구동모터의 회전속도를 포함하는 구동신호로 변환하는 단계; 및
    변환된 상기 구동신호를 상기 구동모터에 전달하여 상기 이동로봇을 구동시키는 단계;를 포함하고,
    상기 조종신호를 입력하는 단계는, 사용자가 직관에 의해 입력할 수 있도록 상기 이동로봇의 주행방향을 기준으로 전후방향 병진속도, 좌우방향 회전속도, 및 상하방향 회전속도 중 하나 이상을 입력하는 것을 특징으로 하는 이동로봇의 조종 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수개의 구동휠은 상기 이동로봇의 몸체 축선을 중심으로 120도의 등간격으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 이동로봇의 조종 제어 방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제7항에 있어서,
    상기 구동신호로 변환하는 단계는, 하기의 관계식에 의해서 상기 조종신호를 상기 구동신호로 변환하는 것을 특징으로 하는 이동로봇의 조종 제어 방법.
    Figure 112011083138111-pat00051
    (여기서,
    Figure 112011083138111-pat00052
    는 조종신호로서
    Figure 112011083138111-pat00053
    로 정의되고,
    Figure 112011083138111-pat00054
    는 구동신호로서
    Figure 112011083138111-pat00055
    로 정의되며, ωx는 좌우방향 회전속도, ωy는 상하방향 회전속도, Vcz는 전후방향 병진속도,
    Figure 112011083138111-pat00056
    은 각 구동모터의 회전속도를 나타내며,
    Figure 112011083138111-pat00057
    는 아래와 같이 정의됨)
    Figure 112011083138111-pat00058
    (여기서, a는 이동로봇의 중심에서 각 구동휠의 중심까지의 거리를, r은 구동휠의 반경을 나타냄)
  11. 삭제
  12. 몸체, 상기 몸체의 축선을 중심으로 둘레방향을 따라 서로 이격되게 배치된 복수개의 구동휠, 및 상기 복수개의 구동휠을 각각 구동시키는 구동모터를 포함하는 이동로봇; 및
    상기 구동모터의 회전속도를 포함하는 구동신호를 송신하여 상기 이동로봇의 진행방향을 제어하는 조종기;를 포함하고,
    상기 조종기는 사용자의 직관에 의해 입력될 수 있도록 상기 이동로봇의 진행방향을 기준으로 전후방향 병진속도, 좌우방향 회전속도 및 상하방향 회전속도 중 하나 이상을 포함하는 조종신호가 입력되는 조종부와, 상기 조종신호를 상기 구동신호로 변환하는 변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동로봇 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 복수개의 구동휠은 상기 이동로봇의 몸체 축선을 중심으로 120도의 등간격으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 이동로봇 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 이동로봇의 구동휠의 반경은, 상기 이동로봇이 이동하는 배관의 내경에 대해 10% 내지 15%의 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 이동로봇 시스템.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 변환부는 하기의 수식에 의해 상기 조종신호를 상기 구동신호로 변환하는 것을 특징으로 하는 이동로봇 시스템.
    Figure 112009060414716-pat00059
    (여기서,
    Figure 112009060414716-pat00060
    는 조종신호로서
    Figure 112009060414716-pat00061
    로 정의되고,
    Figure 112009060414716-pat00062
    는 구동신호로서
    Figure 112009060414716-pat00063
    로 정의되며, ωx는 좌우방향 회전속도, ωy는 상하방향 회전속도, Vcz는 전후방향 병진속도,
    Figure 112009060414716-pat00064
    은 각 구동모터의 회전속도를 나타내며,
    Figure 112009060414716-pat00065
    는 아래와 같이 정의됨)
    Figure 112009060414716-pat00066
    (여기서, a는 이동로봇의 중심에서 각 구동휠의 중심까지의 거리를, r은 구동휠의 반경을 나타냄)
  16. 제12항에 있어서,
    상기 조종부는, 상기 전후방향 병진속도가 입력되는 입력버튼과 상기 좌우방향 회전속도 및 상기 상하방향 회전속도가 입력되는 조종스틱을 포함하는 것을 특징으로 하는 이동로봇 시스템.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 입력버튼은 상기 조종스틱의 상단에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 이동로봇 시스템.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 조종스틱은, 그 전후방향 움직임에 의해 상기 이동로봇의 상하방향 회전속도가 입력되고, 그 좌우방향 움직임에 의해 상기 이동로봇의 좌우방향 회전속도가 입력되며, 상기 전후방향과 상기 좌우방향 사이의 움직임에 의해 상하방향 회전속도 및 좌우방향 회전속도의 합성속도가 입력되는 것을 특징으로 하는 이동로봇 시스템.
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조향과 접힘 기능을 지닌 파이프 탐사 로봇의 설계와 운동계획, 권영식, 한양대학교 대학원 전자전기제어계측공학과 공학석사학위논문(공개일 2008년 2월) *
조향과 접힘 기능을 지닌 파이프 탐사 로봇의 설계와 운동계획, 권영식, 한양대학교 대학원 전자전기제어계측공학과 공학석사학위논문(공개일 2008년 2월)*

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