KR101222624B1 - 군집 로봇 및 군집 로봇을 이용한 수색 방법 - Google Patents

군집 로봇 및 군집 로봇을 이용한 수색 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 군집 로봇 및 군집 로봇을 이용한 수색 방법에 관한 것으로서, 이 군집 로봇은 주어진 탐색 영역에 위치한 복수의 목적물을 제거하되 개별 목적물을 적어도 2대가 협조하여 제거하는 로봇으로서, 탐색 영역에서 이동하여 탐색 영역의 환경 정보를 감지하고, 탐색 영역 내에서 자신의 위치를 파악하며, 환경 정보 및 위치 정보를 이용하여 지역 지도 및 목적물 지도를 작성하고, 지역 지도 및 목적물 지도에 따라 목적물로 이동하여 목적물을 제거한다.

Description

군집 로봇 및 군집 로봇을 이용한 수색 방법{SWARM ROBOT AND SWEEPING METHOD USING SWARM ROBOT}
본 발명은 군집 로봇 및 군집 로봇을 이용한 수색 방법에 관한 것이다.
다수의 로봇은 수색 및 정찰을 수행할 때 시공간 효율성과 로봇 오작동에 대한 안전성 측면에서 단일 로봇보다 우월하다. 다수 로봇의 협력 운용에 관한 많은 연구들이 진행되어 왔으며, 이 연구들은 집중형(Centralized)과 분산형(Decentralized) 방식으로 구분된다.
각 로봇을 하나의 제어 모듈로서 간주하고 전체 로봇 집합을 하나의 대형 시스템으로서 운영하도록 하는 집중형 방식은 운영의 최적 해를 제공하지만, 이 방식에는 각 로봇들의 동작 상태를 알아야 하는 운영상의 어려움이 있고, 또한 로봇 행동 결정 알고리즘의 계산량이 로봇 수에 따라 기하급수적으로 증가한다.
한편, 분산형 방식은 각 로봇이 전체 집단의 목적을 달성하도록 상황에 맞게 자신의 행동을 결정하는 방식으로, 비록 최적 해를 제공하지는 못하지만 일부 로봇에 문제가 발생되었을 때에도 최종 목표를 달성할 수 있는 안전성을 가지며, 로봇의 수가 증가되더라도 계산량의 증가가 적고, 일부 환경 정보와 로봇 정보만 주어진 상황에서도 행동 결정이 가능하다. 이러한 이유로 분산형 방식은 비정형 환경의 필드 분야에서 현실적인 대안으로 판단되고 있다.
분산형 방식은 로봇 간 통신을 기준으로 직접적인 통신(Explicit Communication)이 가능한 경우와 암묵적인 통신(Implicit Communication)이 가능한 경우로 나뉘고 있다. 후자가 비록 전자보다 비효율적이지만, 수중이나 복잡한 환경으로 통신의 가시성(Visibility)이 확보되지 못하는 환경에서도 적용할 수 있다.
현실적인 비정형 외부 환경에 적용할 수 있다는 점에서 분산형 방식에서의 작업 생산성(Productivity)을 증대시키기 위한 연구가 많이 진행되고 있다. 그 한 예로서, 로봇 사이의 입찰(bidding)과 경매(auction) 방식을 사용한 작업 재분배를 통하여 작업 효율성을 증대시키려는 시장 기반 접근 방법(Market-based Approach)을 들 수 있으며, 미지 영역에서 두 대의 협조 행동에 의한 스틱 제거 문제(Stick-Pulling Problem) 또는 두 대 이상의 로봇의 협조 문제에 관한 연구도 활발하게 진행되고 있다. 그러나 이러한 연구 방법에 의하더라도 로봇의 작업 생산성은 크게 향상되지 못하고 있다.
본 발명이 해결하려는 과제는 미지 영역에서 효율적으로 협조 탐색할 수 있으며 작업 생산성을 높일 수 있는 군집 로봇 및 군집 로봇을 이용한 수색 방법을 제공하는 것이다.
이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 태양에 따른 군집 로봇은, 주어진 탐색 영역에 위치한 복수의 목적물을 제거하되 개별 목적물을 적어도 2대가 협조하여 제거하는 군집 로봇으로서, 상기 탐색 영역에서 이동할 수 있는 구동부, 상기 목적물을 잡는 조작부, 상기 탐색 영역의 환경 정보를 감지할 수 있는 감지부, 상기 탐색 영역 내에서 자신의 위치를 파악하는 위치 파악부, 상기 감지부로부터의 상기 환경 정보 및 상기 위치 파악부로부터의 위치 정보를 이용하여 지역 지도 및 목적물 지도를 작성하며, 상기 지역 지도 및 상기 목적물 지도에 따라 상기 목적물로 이동하여 상기 목적물을 제거하도록 상기 구동부 및 상기 조작부를 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 목적물 지도는 가장 먼저 발견된 제1 목적물이 최상위 레벨로 등록되고, 상기 제1 목적물을 중심으로 추가적으로 탐색하여 발견된 제2 목적물이 그 하위 레벨로 등록되며, 순차적으로 상기 목적물이 레벨별로 등록되어 작성될 수 있다.
상기 제어부는 상기 목적물을 발견하기 위하여 상기 탐색 영역을 탐색하는 배회 모드, 발견된 목적물을 제거하기 위하여 대기 제한 시간 내에서 기다리는 대기 모드, 상기 발견된 목적물 주위에서 새로운 목적물을 추가로 발견하기 위하여 주변 탐색 영역을 탐색하는 주변탐색 모드, 상기 목적물 지도에 등록된 복수의 목적물을 차례로 방문하는 순회 모드, 그리고 상기 발견된 목적물을 제거하는 소거 모드를 통하여 상기 목적물을 제거할 수 있다.
상기 배회 모드에서 상기 탐색 영역의 상기 지역 지도를 갱신하며 상기 목적물이 존재하지 않는 영역으로 재방문하는 것을 제한할 수 있다.
상기 대기 모드에서 상기 발견된 목적물을 처음 방문할 때의 대기 제한 시간보다 재방문할 때의 대기 제한 시간이 작을 수 있다.
상기 주변탐색 모드에서 상기 목적물 지도를 작성하고 상기 주변 탐색 영역의 탐색이 완료되면 상기 순회 모드로 전환될 수 있다.
상기 주변 탐색 영역은 상기 발견된 목적물과 일정한 거리를 가지고 있을 수 있다.
상기 순회 모드에서 상기 목적물을 제거하기 위하여 발견되었으나 제거되지 않은 목적물을 방문하는 순서는 상위 레벨에 등록되어 있는 목적물에서부터 하위 레벨에 등록되어 있는 목적물 순으로, 그리고 동일한 레벨에서는 현재 위치로부터 가장 가까운 목적물부터 멀리 있는 목적물 순으로 정해질 수 있다.
본 발명의 다른 태양에 따른 군집 로봇을 이용한 수색 방법은, 주어진 탐색 영역에 위치한 복수의 목적물을 제거하되 개별 목적물을 적어도 2대가 협조하여 제거하는 군집 로봇을 이용한 수색 방법으로서, 상기 목적물을 발견하기 위하여 상기 탐색 영역을 탐색하는 단계, 상기 탐색 영역의 환경 정보를 감지하는 단계, 상기 탐색 영역 내에서 자신의 위치를 파악하는 단계, 상기 환경 정보 및 상기 파악된 위치를 이용하여 지역 지도 및 목적물 지도를 작성하는 단계, 그리고 상기 지역 지도 및 상기 목적물 지도에 따라 상기 목적물로 이동하여 상기 목적물을 제거하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면 미지 영역에서 협조 탐색을 효율적으로 수행할 수 있으며 작업 생산성을 높일 수 있는 군집 로봇을 제공할 수 있다. 또한 이러한 군집 로봇을 이용한 수색 방법을 응용함으로써 공공 인프라에 적절히 활용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 군집 로봇의 한 예를 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 군집 로봇의 한 예를 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 군집 로봇이 작성하는 스틱 지도의 한 예이다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 실시예에 따른 군집 로봇의 행위 모드를 도시한 흐름도이다.
도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 실시예에 따른 군집 로봇의 행위 모드를 도시한 개념도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 수색 방법에 의한 모의실험 결과를 도시한 그래프이다.
이하 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
먼저, 도 1 및 도 2를 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 군집 로봇의 한 예에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2는 각각 본 발명의 실시예에 따른 군집 로봇의 한 예를 도시한 블록도 및 개략도이다.
도 1에 도시한 것처럼, 본 발명의 실시예에 따른 군집 로봇(100)은 구동부(110), 조작부(120), 감지부(130), 위치 파악부(140), 그리고 제어부(150)를 포함한다.
구동부(110)는 모터 및 모터 드라이버 등을 포함하며 바퀴나 무한궤도 등을 통하여 군집 로봇(100)이 탐색하려는 영역을 자유롭게 이동할 수 있도록 하며, 조작부(120)에 구동력을 전달하여 조작부(120)가 동작할 수 있도록 한다. 조작부(120)는 군집 로봇(100)이 과제를 수행할 수 있도록 목적물을 잡거나 드는 동작을 한다.
감지부(130)는 카메라나 각종 센서를 포함하며, 군집 로봇(100)이 탐색 영역의 환경 정보를 수집할 수 있도록 한다. 위치 파악부(140)는 GPS(global positioning system) 수신기를 포함할 수 있으며 GPS 기반 항법 기술 또는 동시적 위치 추정 및 지도 작성(simultaneous localization and mapping, SLAM) 기반의 자기 위치 결정 방법 등에 의하여 군집 로봇(100)이 자기 자신의 위치를 파악할 수 있도록 한다.
제어부(150)는 구동부(110), 조작부(120), 감지부(130), 그리고 위치 파악부(140)를 제어하며, 군집 로봇(100)이 장애물을 회피하고 주어진 임무를 수행할 수 있도록 한다. 예를 들면, 제어부(150)는 감지부(130)로부터의 환경 정보 및 위치 파악부(140)로부터의 위치 정보를 이용하여 환경 지도를 작성하고, 다른 로봇과의 충돌을 회피하고 목적물을 잡아 이동시키도록 구동부(110) 및 조작부(120)를 제어한다. 따라서 군집 로봇(100)은 임의 공간에서 이동하면서 주변을 탐색하여 주변 환경을 인식 가능한 정보로 변환하고 이로부터 자기의 현재 위치를 추정할 수 있으며, 또한 해당 공간에서 목적물을 발견하고 인식하여 해당 목적물을 제거하는 작업을 수행할 수 있다.
한편 도 2를 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 군집 로봇(100)을 구조적으로 보면 군집 로봇(100)은 본체(210), 이동 수단(220), 그리고 매니퓰레이터(230)를 포함하여 이루어져 있다.
본체(210)는 도 1에 도시한 구동부(110), 감지부(130), 위치 파악부(140), 제어부(150) 또는 그 일부가 구현된 장치를 포함하고 있으며, 이동 수단(220)에 의하여 지지되고 있고 매니퓰레이터(230)를 지지하고 있다.
이동 수단(220)은 본체(210)에 구비되어 있는 모터 등에 의하여 구동되며, 도 2에서 바퀴로 이루어져 있는 것으로 도시하였으나, 이에 한정되지 않으며 무한궤도나 보행 가능한 다리 등으로 이루어질 수도 있다.
매니퓰레이터(230)는 관절을 가지고 다양한 자세를 취할 수도 있도록 링크, 기어, 액추에이터와 같은 기계 장치로 이루어져 있으며 다양한 자유도를 가질 수 있다. 또한 매니퓰레이터(230)는 끝부분에 손가락 또는 집게 모양의 단말 작동기(end effector)를 포함할 수 있으며 물체를 잡거나 드는 등 인간의 팔과 유사한 동작을 할 수 있다.
물론, 도 2에 도시한 군집 로봇(100)은 하나의 예일 뿐이고 이와 다른 형태를 가질 수 있다.
그러면 본 발명의 실시예에 따른 군집 로봇을 이용한 수색 방법에 대하여 도 3 내지 도 5f를 참고하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 군집 로봇이 작성하는 스틱 지도의 한 예이고, 도 4a 내지 도 4e는 본 발명의 실시예에 따른 군집 로봇의 행위 모드를 도시한 흐름도이며, 도 5a 내지 도 5f는 본 발명의 실시예에 따른 군집 로봇의 행위 모드를 도시한 개념도이다.
본 발명의 실시예에 따른 수색 방법은 앞서 설명한 복수의 군집 로봇이 주어진 작업 환경 내에서 임의로 위치한 복수의 목적물을 효율적으로 제거하기 위한 알고리즘으로 제시될 수 있다. 목적물은 다양한 형태의 물건일 수 있으며 이하에서는 목적물이 예를 들어 스틱인 것으로 하여 설명한다.
각 스틱들은 두 개 이상의 군집 로봇이 협조 작업을 해야 제거할 수 있고, 작업 환경(수색 영역)은 2차원 환경이며, 작업 환경 내에는 고정 장애물이나 이동 장애물은 없는 것으로 한다. 앞서 설명한 것처럼 군집 로봇은 환경 지도를 사전에 갖고 있지 않으나 자신의 센서를 활용하여 지역 환경 지도를 작성할 수 있고, 스틱 위치에 대한 누적 지도를 작성할 수 있다. 또한 각 군집 로봇은 자신의 위치를 정확히 파악할 수 있고, 탐색 영역 내의 스틱에 대한 상대 위치와 스틱 제거에 필요한 로봇의 수를 파악할 수 있다. 군집 로봇은 스스로 충돌을 회피할 수 있으며, 각 군집 로봇의 성능(감지, 이동, 조작)은 균등하지만 군집 로봇 간 통신은 허용되지 않는 것으로 한다.
미지 영역에 놓인 고정 스틱들은 로봇들의 협조 작업을 통하여 제거될 수 있으며, 각 스틱들에 대해서 제거에 필요한 로봇의 수와 작업 시간은 사전에 정의되어 있다. 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어 및 기호는 다음 [표 1]과 같다.
Figure 112010083567059-pat00001
군집 로봇은 각자 자신의 행동을 결정해야 하며, 각 군집 로봇은 스틱이 발견되면 해당 스틱에 다른 군집 로봇이 도착할 때까지 대기하거나 다른 스틱들을 추가로 탐색할 수 있다.
군집 로봇(Ri)의 운용 시간은 탐색 시간[TS(Ri)], 대기 시간[TW(Ri)]과 스틱 제거 시간[TP(Ri)]으로 이루어져 있으며, 본 발명의 실시예에서 하나의 군집 로봇의 생산성과 복수의 군집 로봇의 생산성을 [수학식 1]과 [수학식 2]와 같이 각각 정의한다.
Figure 112010083567059-pat00002
Figure 112010083567059-pat00003
그런데, 스틱 제거에 사용되는 소요 시간은 일정한 시간으로 사전에 정의되어 있으므로 [수학식 2]에서 분자 항과 분모 항의 마지막 항은 고정되어 있고, 따라서 분모 항의 첫 번째 항과 두 번째 항의 합을 최소화 시키면 군집 로봇의 생산성을 향상시킬 수 있다. 그러므로 군집 로봇의 스틱 제거 문제는 군집 로봇의 스틱 제거 작업의 생산성을 극대화 하는 개별 로봇의 행동 해를 도출하는 문제로, 복수의 군집 로봇의 스틱 대기 시간과 스틱 발견을 위한 탐색과 이동 시간의 합을 최소화 시키면서 모든 스틱을 제거할 수 있는 군집 로봇들의 행동 방법을 도출하는 문제로 정의될 수 있다.
미지의 영역에서 협조 스틱 제거에 대한 최적 해를 항상 제공할 수 있는 군집 로봇의 행동 결정 방법을 도출하는 것은 쉽지 않다. 따라서 이 문제는 각 군집 로봇이 불필요하게 오랜 시간 동안 스틱에 대기하거나 스틱이 없는 지역에 재방문하는 횟수를 줄여주는 행동 전략을 도출하는 것이 타당한 접근 방법이다.
본 발명의 실시예에 의하면, 발견은 되었지만 제거되지 않은 스틱들에 대한 재방문을 적절히 조절하여 해당 스틱들의 제거 확률을 높여줌으로써 스틱 제거 작업의 생산성을 증가시킬 수 있다. 이렇게 발견되었지만 제거되지 않은 스틱들의 집합은 도 3과 같은 스틱 지도를 이용하여 관리한다. 스틱 지도는 트리 구조의 자료 구조체로, 스틱들에 대한 물리적 공간 위치 정보와 자료 구조 내의 토폴로지 정보(레벨 정보와 스틱 간 상하 관계)를 가지고 있다.
이 구조의 가장 상위 레벨, 즉 레벨 0에 놓인 스틱은 군집 로봇이 최초로 발견한 스틱이고, 이 스틱을 중심으로 추가적으로 탐색(sweep)하는 과정에서 발견된 스틱들이 레벨 1에 속한 스틱들이다(도 3에서는 스틱 2와 스틱 3). 그리고 연속하여 스틱 2를 중심으로 탐색하여 검출된 스틱 4와 스틱 5, 그리고 스틱 3을 중심으로 검출된 스틱 6, 스틱 7, 그리고 스틱 8이 각각 최하위 층에 놓이며 발견된 순서에 따라 스틱 지도에 놓여진다.
스틱 2와 스틱 4 또는 스틱 3과 스틱 8과 같이 스틱 지도에서 상하로 연결된 스틱들은 물리적 공간상에서도 근접된 위치에 놓여 있다. 그리고 스틱 2와 스틱 3과 같이 수평 관계에 놓인 스틱들은 공통의 부모 스틱(도 3에서는 스틱 1)에 가깝게 위치하고 있다. 이러한 스틱 지도의 토폴로지와 물리적 공간 관계는 스틱들을 제거하기 위하여 순환하여 방문하는 행위(circuit)에서의 스틱의 방문 순서를 조절함으로써 군집 로봇의 생산성을 향상시키는 것과 관련된다.
그러면 본 발명의 실시예에 따른 군집 로봇의 행동 전략에 대하여 좀 더 상세하게 설명한다.
군집 로봇은 다섯 개의 개별적인 행동 모드, 즉, 배회 모드(wander mode), 대기 모드(hold mode), 주변탐색 모드(sweep mode), 순회 모드(circuit mode) 및 소거 모드(pull mode)로 동작하여 공동 작업을 수행한다.
배회 모드는 군집 로봇의 초기 행동 모드로 새로운 스틱을 찾으러 탐색하는 행동 모드이다. 도 4a를 참고하면, 배회 모드에서 군집 로봇은 주어진 영역을 자유롭게 배회하며 지역 지도(local map)를 갱신한다(S410). 도 5a에 도시한 것처럼, 각 군집 로봇(R1~R5)은 스틱(S1~S10)이 놓인 탐색 영역을 섹터로 구분한 자신만의 탐색 지도를 가질 수 있으며, 군집 로봇이 불필요한 영역, 즉 스틱이 없는 것이 확인된 지역으로 재방문하는 것을 제한할 수 있다.
군집 로봇은 무언가를 발견할 때까지 돌아다니면서 무언가를 발견하면(S411-예) 발견된 것을 식별한다(S412). 발견된 것이 스틱인지 판단하여(S413) 스틱이 아니라면 장애물인 것으로 판단하여 장애물을 회피하고(S414) 다시 단계(410)로 돌아간다. 그러나 발견된 것이 스틱이라면 NH(Sj)과 NR(Sj)을 비교하고(S415) 다음 행동을 결정한다. NH(Sj)이 NR(Sj)-1과 같은지 판단하여(S416) 같다면 군집 로봇은 곧바로 소거 모드로 돌입하고, 다르다면 NH(Sj)이 NR(Sj)-1보다 작은지 판단하여(S417) 작다면 로봇의 행동 모드는 대기 모드로 전환되고, 그렇지 않다면 종료한다.
대기 모드는 군집 로봇이 스틱 제거가 가능할 때까지 기다리는 행동 모드이다. 도 4b를 참고하면, 대기 모드가 시작되면 군집 로봇은 이전 행동 모드에서 발견된 스틱을 잡는다(S420). 그런 후 대기 시간[TW(Ri,Sj)]이 대기 제한 시간[EW(Ri,Sj)]보다 큰지 판단하여(S421) 크면 스틱의 위치 정보를 북마크 B 0(Ri)에 등록하고(S422) 행동 모드를 주변탐색 모드로 전환한다. 즉, 허용된 시간 내에서 스틱을 제거할 수 없으면 군집 로봇은 해당 스틱의 제거를 포기하고 다른 스틱을 찾는 주변탐색 모드로 전환하게 된다.
단계(S421)의 판단 결과 크지 않으면 대기 시간[TW(Ri,Sj)]이 대기 제한 시간의 1/2[EW(Ri,Sj)/2]보다 큰지 판단하고(S423) 크면 이전 행동 모드가 행동 모드가 순회 모드인지 판단한다(S424). 이전 모드가 순회 모드이면 다시 순회 모드로 전환한다. 즉, 이 또한 허용된 시간 내에서 스틱을 제거할 수 없어서 군집 로봇은 해당 스틱의 제거를 포기하고 다른 스틱을 방문하는 순회 모드로 전환하게 된다. 여기서 반드시 대기 제한 시간의 1/2일 필요는 없으나 그 계수가 1보다 작게 설정되면 된다.
단계(S424)의 판단 결과 아니거나 단계(S423)의 판단 결과 크지 않으면 다른 군집 로봇이 동일한 스틱을 잡고 있는지 판단한다(S425). 다른 군집 로봇이 동일한 스틱을 잡고 있지 않으면 스틱을 잡은 채로 대기하며(S426) 다시 단계(S421)로 돌아간다. 도 5b는 군집 로봇(R1)이 스틱(S1)을 잡고 대기하고 있으며, 다른 군집 로봇(S2~S5)은 스틱(S1)을 잡지 않고 있는 것을 보여주고 있다.
단계(S425)의 판단 결과 다른 군집 로봇이 동일한 스틱을 잡고 있으면 NH(Sj)과 NR(Sj)을 비교하고(S427) 다음 행동을 결정한다. NH(Sj)이 NR(Sj)과 같은지 판단하여(S428) 같으면 군집 로봇은 곧바로 소거 모드로 돌입한다. 즉, 대기 모드 상태에 있는 군집 로봇들이 대기 제한 시간[EW(Ri,Sj) 또는 EW(Ri,Sj)/2] 안에 스틱 제거에 필요한 수만큼의 군집 로봇들이 모이게 되면 해당 스틱을 제거하는 소거 모드로 전환되는 것이다.
단계(S428)의 판단 결과 같지 않다면 NH(Sj)이 NR(Sj)보다 작은지 판단하여(S429) 작으면 군집 로봇은 대기 시간[TW(Ri,Sj)]을 0으로 초기화한(S430) 후 다시 단계(S421)로 돌아가고, 그렇지 않으면 종료한다.
앞서 설명한 것처럼 군집 로봇들의 대기 시간[TW(Ri,Sj)]이 길어지면 생산성이 저하된다. 대기 제한 시간[EW(Ri,Sj)]이 작을수록 대기 시간은 줄어들게 되지만, 이 시간이 너무 짧으면 원하는 수만큼 로봇들이 모여들 가능성이 작아진다. 따라서 군집 로봇의 수와 스틱의 수에 따라 대기 제한 시간[EW(Ri,Sj)]을 적절히 조절할 필요가 있다.
주변탐색 모드는 군집 로봇이 스틱 제거의 생산성을 높이기 위하여 스틱들을 추가로 검색하고 정보를 수집하여 스틱 지도를 작성하는 행동 모드이다. 도 4c를 참고하면, 주변탐색 모드에서, 우선 로봇은 탐색 영역을 탐색하여(S431) 스틱을 발견하려 시도한다. 주변탐색 모드에서의 탐색 영역(이하, 주변 탐색 영역이라 한다)은 스틱(Sj)과 주변 탐색 영역의 경계선 사이의 거리가 D(Sj)인 정사각형으로 이루어진다. 예를 들면, 도 5c에 도시한 것처럼, 스틱(S1)을 중심으로 하여 점선으로 도시한 정사각형이 스틱(S1)에 관한 주변 탐색 영역이 된다. 그러나 주변 탐색 영역을 전체 탐색 영역의 크기나 모양에 따라 정사각형 이외에 직사각형이나 다른 모양으로 정할 수도 있다.
해당 주변 탐색 영역에서 새로운 스틱이 발견되었는지 판단하고(S432) 발견되었다면 군집 로봇은 NH(Sj)과 NR(Sj)을 비교한다(S434). 비교 결과 NH(Sj)이 NR(Sj)-1과 같은지 판단하여(S435) 같으면 로봇의 행동 모드는 소거 모드로 전환되며, 같지 않으면 NH(Sj)이 NR(Sj)-1보다 작은지 판단한다(S436). 판단 결과 작으면 스틱(Sj)에 관한 정보를 북마크 B k(Ri)에 등록하고 다시 단계(S431)로 돌아가나, 작지 않으면 종료한다. 군집 로봇이 레벨 k의 탐색 영역을 탐색하는 동안 새로이 발견된 스틱은 다음 레벨 k+1에 등록된다. 한편 인접된 영역에서 새로운 스틱이 발견되면 주변탐색 모드에서 탐색할 영역은 스틱 지도에 포함된 스틱이 하나라도 존재하는 모든 분할 영역들의 합으로 확대된다.
예를 들어 도 5c를 참고하면, 군집 로봇(R1)이 북마크 B 0(R1)에 등록된 스틱(S1)의 주변 탐색 영역을 탐색하여 스틱(S7 및 S10)을 발견하고 이들을 북마크 B 1(R1)에 등록한다. 도 5d를 참고하면, 군집 로봇(R1)이 북마크 B 1(R1)에 등록된 스틱(S10)의 주변 탐색 영역을 탐색하여 스틱(S8 및 S9)을 발견하고 이들을 북마크 B 2(R1)에 등록하며, 스틱(S7)의 주변 탐색 영역을 탐색하여 스틱(S6)을 발견하고 이들을 북마크 B 2(R1)에 등록한다.
만일 단계(S432)에서 새로운 스틱이 발견되지 않으면 해당 주변 탐색 영역의 탐색이 완료되었는지 판단하고(S433) 판단 결과 완료되지 않았으면 다시 단계(S431)로 돌아가고 완료되었다면 순회 모드로 전환된다. 즉 주변 탐색 영역들에 대한 탐색이 모두 끝나서 더 이상 새로운 스틱이 발견될 가능성이 없는 경우에는 스틱 지도에 등록된 스틱들을 제거하는 순회 모드로 전환된다.
순회 모드는 스틱 지도에 등록된 스틱들을 차례로 방문하는 행동 모드이다. 도 4d를 참고하면, 순회 모드가 시작되면 군집 로봇(Ri)은 북마크 B(Ri)를 확인하고 북마크 B(Ri)에 등록된 스틱을 방문한다(S441). 방문할 스틱은 트리 구조의 너비 탐색 방법을 사용하여 선택할 수 있다. 즉, 현재 스틱과 동일한 레벨에 소속된 스틱들 중에서 현재 위치로부터 가장 가까운 스틱을 방문할 스틱으로 결정한다. 한 예로서, 북마크 B(Ri)에 등록된 스틱의 방문 순서는 도 3에 도시한 것과 같다. 또한 다른 예로서, 도 5e를 참고하면, 군집 로봇(R1)은 스틱(S1), 스틱(S10), 스틱(S7), 스틱(S9), 스틱(S8), 스틱(S6) 순으로 방문하게 된다.
군집 로봇이 방문하여 스틱이 발견되었는지 판단하여(S442) 발견되었으면 NH(Sj)과 NR(Sj)을 비교한다(S444). 비교 결과 NH(Sj)이 NR(Sj)-1과 같은지 판단하여(S445) 같으면 군집 로봇의 행동 모드는 소거 모드로 전환되고, 같지 않다면 NH(Sj)이 NR(Sj)-1보다 작은지 판단한다(S446). 판단 결과 작으면 군집 로봇의 행동 모드는 대기 모드로 전환되며 이 경우 대기 제한 시간은 EW(Ri,Sj)/2이 된다.
단계(442)에서 스틱이 발견되지 않으면 B(Ri)에 등록된 모든 스틱을 방문하였는지 판단하여(S443) 그렇다면 배회 모드로 전환하고 그렇지 않다면 단계(S441)로 돌아가 B(Ri)에 등록된 다른 스틱을 방문한다.
소거 모드는 군집 로봇들이 협조하여 스틱을 제거하는 작업 모드이다. 도 4e를 참고하면, 소거 모드가 시작되면 군집 로봇은 함께 잡고 있는 스틱을 미리 정해져 있는 시간 TP(Sj) 동안에 제거하고(S451), 해당 스틱의 위치 정보를 북마크 B(Ri)에서 삭제한다(S452). 그런 후 군집 로봇은 제거될 스틱과 관련된 정보가 북마크 B(Ri)에 남아있는지 판단하여(S453) 남아있지 않으면 북마크 B(Ri)를 리셋하고 배회 모드로 전환하고, 이와 달리 남아있으면 이전 행동 모드로 되돌린다(S454). 도 5f는 소거 모드에서 두 개의 군집 로봇이 스틱을 제거하고 스틱이 해당 위치에서 사라진 것을 보여준다.
그러면 도 6을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 군집 로봇을 이용한 수색 방법에 대하여 모의실험을 한 결과에 대하여 상세하게 설명한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 수색 방법에 의한 모의실험 결과를 도시한 그래프이다.
본 발명의 실시예에 따른 수색 방법에서 제안한 알고리즘의 타당성 검토를 위하여 매트랩(matlab)을 기반으로 한 시뮬레이터를 개발하였다. 개체의 동작 환경은 100m x 100m의 2차원 환경이고, 모든 로봇들의 반경은 0.5m, 최대 이동 속도는 1m/sec이고 사용된 로봇의 수(N)는 10대, 50대, 그리고 70대이다. 편의를 위하여 모든 로봇들은 순간 이동 모델을 적용하여 멈춘 상태에서 최대 속도로 가속할 수 있으며, 속도의 가감 없이 진행 방향을 변경할 수 있다고 가정하였다. 즉, 로봇은 가감속 없이 순간 방향 전환이 가능하고, 항상 최대 속도로 이동하는 것으로 하였다. 가감속 시간이나 방향 전환 시간은 작업 영역에서의 이동 시간에 비하여 현저히 작을 경우에는 무시할 수 있다. 또한 각 개체간의 충돌은 고려하지 않았으나, 동작 환경을 둘러싸고 있는 벽으로부터 0.5m 이내에 접근 시 임의의 각도로 회전하게 함으로써 동작 환경을 벗어나지 않도록 하였다. 작업 환경 내에는 고정 장애물도 이동 장애물도 없는 것으로 하였다.
모든 스틱들에 대하여 스틱 제거에 필요한 로봇의 수[NR(Sj)]를 2대, 제거 작업 시간[TP(Ri)]을 1sec로 가정하였다. 또한, 로봇은 스틱과의 거리가 5m이내인 경우 예외 없이 스틱을 발견하고 정확한 위치 정보를 얻을 수 있다고 가정하였다. 다른 로봇들이 도착할 때까지 대기하는 로봇의 대기 제한 시간[EW(Ri,Sj)]은 10sec로 설정하였다.
실험 공간에서 20개의 스틱을 10대, 50대 그리고 70대를 활용하여 제거하였다. 도 6에서 세로축은 제거되지 않은 스틱의 수이며, 이 값이 빠르게 0으로 수렴해 갈수록 군집 로봇의 생산성이 높은 것이다.
도 6과 같이 스틱을 동시에 제거하는데 필요한 로봇의 수(이 실험에서는 각 스틱을 제거하는 데 필요한 로봇이 2대이므로 스틱을 동시에 제거하기 위해서는 총 46대가 필요함)보다 많은 로봇들이 투입된 경우, 즉 70대와 50대의 로봇이 사용된 경우에는 스틱의 분포나 로봇의 초기 위치에 관계없이 빠르게 스틱이 제거되었다. 그러나 10대인 경우에는 스틱 제거에 상대적으로 많은 시간이 소요되었으며, 스틱의 분포에 따라 로봇이 스틱을 제거하지 못하는 경우도 발생되었는데, 이것은 로봇들이 흩어져서 자신의 스틱 지도에 기록된 국부 지역에 머무르고 있었기 때문이었다.
이를 보완하기 위하여 순회 모드에서 로봇이 일정 수만큼(예를 들면, 2회) 스틱 지도 상의 스틱들을 재방문하더라도 하나의 스틱도 제거하지 못한 경우에, 해당 스틱들이 다른 로봇들이 자주 방문하지 않는 외딴 지역에 위치해 있다고 판단하여 이 영역들에 대한 정보를 제거하고 다른 지역으로 이동하도록 하였다. 이 결과 10대의 경우에도 오랜 시간이 걸렸지만, 종국에는 모든 스틱들이 제거됨을 확인하였다. 이는 로봇들에게 랜덤하게 움직이는 행동 모드를 부여하였기에, 어느 순간 일정 지역에 스틱 제거에 필요한 수, 즉 2대 이상으로 로봇이 모여들 확률이 시간이 지남에 따라 증가하기 때문이다. 즉 시간에 따라 2대 이상이 스틱이 존재하는 특정 지역에 같은 시간에 존재하는 사건에 대한 확률들이 시간에 따라 증가하는 확률적 완비성(Probabilistic Completeness)이 존재하며, 이로 인하여 시간이 지남에 따라 모든 스틱이 제거될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등한 것으로 인정되는 범위의 모든 변경 및 수정을 포함한다.
100: 군집 로봇, 110: 구동부,
120: 조작부, 130: 감지부,
140: 위치 파악부, 150: 제어부,
210: 본체, 220: 이동 수단,
230: 매니퓰레이터

Claims (16)

  1. 주어진 탐색 영역에 위치한 복수의 목적물을 제거하되 개별 목적물을 적어도 2대가 협조하여 제거하는 군집 로봇으로서,
    상기 탐색 영역에서 이동할 수 있는 구동부,
    상기 목적물을 잡는 조작부,
    상기 탐색 영역의 환경 정보를 감지할 수 있는 감지부,
    상기 탐색 영역 내에서 자신의 위치를 파악하는 위치 파악부,
    상기 감지부로부터의 상기 환경 정보 및 상기 위치 파악부로부터의 위치 정보를 이용하여 지역 지도 및 목적물 지도를 작성하며, 상기 지역 지도 및 상기 목적물 지도에 따라 상기 목적물로 이동하여 상기 목적물을 제거하도록 상기 구동부 및 상기 조작부를 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 목적물을 발견하기 위하여 상기 탐색 영역을 탐색하는 배회 모드, 발견된 목적물을 제거하기 위하여 미리 정해져 있는 시간 내에서 기다리는 대기 모드, 상기 발견된 목적물 주위에서 새로운 목적물을 추가로 발견하기 위하여 주변 탐색 영역을 탐색하는 주변탐색 모드, 상기 목적물 지도에 등록된 복수의 목적물을 차례로 방문하는 순회 모드, 그리고 상기 발견된 목적물을 제거하는 소거 모드를 통하여 상기 목적물을 제거하고,
    상기 제어부는 상기 대기 모드가 시작되면 이전 행동 모드에서 발견된 목적물을 상기 조작부가 잡도록 제어한 후 대기 시간과 제1 대기 제한 시간을 비교하여 상기 대기 시간이 상기 제1 대기 제한 시간보다 크면 상기 목적물의 위치 정보를 상기 목적물 지도에 등록하고 행동 모드를 상기 주변탐색 모드로 전환하며, 상기 대기 시간이 상기 제1 대기 제한 시간보다 크지 않으면 상기 대기 시간과 상기 제1 대기 제한 시간보다 작은 제2 대기 제한 시간을 비교하여 상기 대기 시간이 상기 제2 대기 제한 시간보다 크고 상기 이전 행동 모드가 상기 순회 모드이면 다시 상기 순회 모드로 전환하고, 상기 대기 시간이 상기 제2 대기 제한 시간보다 크지 않거나 상기 이전 행동 모드가 상기 순회 모드가 아니면 다른 군집 로봇이 상기 목적물을 잡고 있는지 판단하여 상기 다른 군집 로봇이 상기 목적물을 잡고 있지 않으면 상기 목적물을 잡은 채로 대기하며, 상기 다른 군집 로봇이 상기 목적물을 잡고 있으면 상기 목적물 제거에 필요한 제1 로봇 수와 상기 목적물에서 대기하고 있는 제2 로봇 수를 비교하여 상기 제1 로봇 수와 상기 제2 로봇 수가 동일하면 상기 소거 모드로 전환하고 상기 제2 로봇 수가 상기 제1 로봇 수보다 작으면 상기 대기 시간을 초기화하는
    군집 로봇.
  2. 제1항에서,
    상기 목적물 지도는 가장 먼저 발견된 제1 목적물이 최상위 레벨로 등록되고, 상기 제1 목적물을 중심으로 추가적으로 탐색하여 발견된 제2 목적물이 그 하위 레벨로 등록되며, 순차적으로 상기 목적물이 레벨별로 등록되어 작성되는 군집 로봇.
  3. 삭제
  4. 제1항에서,
    상기 배회 모드에서 상기 탐색 영역의 상기 지역 지도를 갱신하며 상기 목적물이 존재하지 않는 영역으로 재방문하는 것을 제한하는 군집 로봇.
  5. 삭제
  6. 제1항에서,
    상기 주변탐색 모드에서 상기 목적물 지도를 작성하고 상기 주변 탐색 영역의 탐색이 완료되면 상기 순회 모드로 전환되는 군집 로봇.
  7. 제1항에서,
    상기 주변 탐색 영역은 상기 발견된 목적물과 일정한 거리를 가지고 있는 영역인 군집 로봇.
  8. 제1항에서,
    상기 순회 모드에서 상기 목적물을 제거하기 위하여 발견되었으나 제거되지 않은 목적물을 방문하는 순서는 상위 레벨에 등록되어 있는 목적물에서부터 하위 레벨에 등록되어 있는 목적물 순으로, 그리고 동일한 레벨에서는 현재 위치로부터 가장 가까운 목적물부터 멀리 있는 목적물 순으로 정해지는 군집 로봇.
  9. 주어진 탐색 영역에 위치한 복수의 목적물을 제거하되 개별 목적물을 적어도 2대가 협조하여 제거하는 군집 로봇을 이용한 수색 방법으로서,
    상기 목적물을 발견하기 위하여 상기 탐색 영역을 탐색하는 단계,
    상기 탐색 영역의 환경 정보를 감지하는 단계,
    상기 탐색 영역 내에서 자신의 위치를 파악하는 단계,
    상기 환경 정보 및 상기 파악된 위치를 이용하여 지역 지도 및 목적물 지도를 작성하는 단계,
    상기 지역 지도 및 상기 목적물 지도에 따라 상기 목적물로 이동하여 상기 목적물을 제거하는 단계, 그리고
    상기 목적물 지도에 등록된 복수의 목적물을 차례로 방문하는 순회 단계를 포함하며,
    상기 탐색 단계는 상기 발견된 목적물 주위에서 새로운 목적물을 추가로 발견하기 위하여 주변 탐색 영역을 탐색하는 주변탐색 단계를 포함하고,
    상기 제거 단계는 상기 발견된 목적물을 제거하기 위하여 대기 제한 시간 내에서 기다리는 대기 단계를 포함하며,
    상기 대기 단계는,
    상기 군집 로봇의 대기 시간과 제1 대기 제한 시간을 비교하여 상기 대기 시간이 상기 제1 대기 제한 시간보다 크면 상기 목적물의 위치 정보를 상기 목적물 지도에 등록한 후 상기 주변탐색 단계를 수행하는 단계,
    상기 대기 시간이 상기 제1 대기 제한 시간보다 크지 않으면 상기 대기 시간과 상기 제1 대기 제한 시간보다 작은 제2 대기 제한 시간을 비교하여 상기 대기 시간이 상기 제2 대기 제한 시간보다 크고 상기 대기 단계 이전 단계가 상기 순회 단계이면 다시 상기 순회 단계를 수행하는 단계,
    상기 대기 시간이 상기 제2 대기 제한 시간보다 크지 않거나 상기 이전 단계가 상기 순회 단계가 아니면 다른 군집 로봇이 상기 목적물을 잡고 있는지 판단하여 상기 다른 군집 로봇이 상기 목적물을 잡고 있지 않으면 상기 목적물을 잡은 채로 대기하며, 상기 다른 군집 로봇이 상기 목적물을 잡고 있으면 상기 목적물 제거에 필요한 제1 로봇 수와 상기 목적물에서 대기하고 있는 제2 로봇 수를 비교하여 상기 제1 로봇 수와 상기 제2 로봇 수가 동일하면 상기 목적물을 제거하고 상기 제2 로봇 수가 상기 제1 로봇 수보다 작으면 상기 대기 시간을 초기화하는 단계를 포함하는
    군집 로봇을 이용한 수색 방법.
  10. 제9항에서,
    상기 목적물 지도는 가장 먼저 발견된 제1 목적물이 최상위 레벨로 등록되고, 상기 제1 목적물을 중심으로 추가적으로 탐색하여 발견된 제2 목적물이 그 하위 레벨로 등록되며, 순차적으로 상기 목적물이 레벨별로 등록되어 작성되는 군집 로봇을 이용한 수색 방법.
  11. 삭제
  12. 제9항에서,
    상기 탐색 단계는 상기 탐색 영역의 상기 지역 지도를 갱신하는 단계 및 상기 목적물이 존재하지 않는 영역으로 재방문하는 것을 제한하는 단계를 더 포함하는 군집 로봇을 이용한 수색 방법.
  13. 삭제
  14. 제9항에서,
    상기 주변 탐색 영역에서 더 이상 목적물이 발견되지 않으면 상기 목적물 지도에 등록된 복수의 목적물을 차례로 방문하는 군집 로봇을 이용한 수색 방법.
  15. 제9항에서,
    상기 주변 탐색 영역은 상기 발견된 목적물과 일정한 거리를 가지고 있는 영역인 군집 로봇을 이용한 수색 방법.
  16. 제9항에서,
    상기 순회 단계에서 상기 목적물을 제거하기 위하여 발견되었으나 제거되지 않은 목적물을 방문하는 순서는 상위 레벨에 등록되어 있는 목적물에서부터 하위 레벨에 등록되어 있는 목적물 순으로, 그리고 동일한 레벨에서는 현재 위치로부터 가장 가까운 목적물부터 멀리 있는 목적물 순으로 정해지는 군집 로봇을 이용한 수색 방법.
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