KR101346186B1 - 와이어를 이용하는 자율이동장치의 작업영역 분석 방법 및 이를 이용하는 작업영역 분석 시스템 - Google Patents

와이어를 이용하는 자율이동장치의 작업영역 분석 방법 및 이를 이용하는 작업영역 분석 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 와이어를 이용하는 자율이동장치의 작업영역 분석 방법은, 테스트 영역을 설정하는 단계, 상기 테스트 영역 내에서 상기 와이어에 걸리는 장력값에 기초하여 상기 자율이동장치의 이동가능 영역을 설정하는 단계 및 상기 이동가능 영역 내에서 상기 장력값이 상기 와이어의 강성을 유지할 수 있는 최소장력값 이상인지를 판별하여 장력유지 영역을 설정하는 단계를 포함한다.

Description

와이어를 이용하는 자율이동장치의 작업영역 분석 방법 및 이를 이용하는 작업영역 분석 시스템{Workspace analysis method of tendon-driven robot and system using the same}
본 발명은 로봇 시스템에 관한 것으로, 특히, 와이어를 이용하는 자율이동장치의 작업영역 분석 방법 및 이를 이용하는 작업영역 분석 시스템에 관한 것이다.
최근 와이어를 이용한 로봇 시스템에 대한 연구가 활성화되고 있다. 와이어를 이용한 구동 시스템은 가벼워서 빠른 이동이 가능하며, 상대적으로 넓은 작업영역을 갖기 때문이다.
또한, 선체내부 작업을 위한 자율이동장치도 개발되고 있다. 선박의 대형화 추세에 따라 선체를 이루는 블록(block)도 대형화되고 있다. 일반적으로 대형 선박의 선체는 선체의 일부분을 구성하는 블록 단위로 제작된 후, 블록을 서로 조립하는 방식으로 제작되고 있다. 다시 말하면, 원자재 표면의 녹이나 이물질을 블라스팅(blasting) 등의 방법으로 제거한 후 부식 방지를 위한 도장을 한 다음, 원자재를 용접 등의 방법을 이용하여 블록을 제조하고, 이 블록들을 서로 조립하여 선체를 완성한다.
이러한 블록의 내부 또한 용접, 블라스팅, 도장작업 등이 행해져야 한다. 따라서, 블라스팅에 사용된 그리트(grit)의 수거, 도장 후 도막의 건조 작업, 검사 작업 및 도막 측정 작업 등 다양한 작업들 또한 블록 내에서 행해지게 된다. 이러한 블록 내부에서의 작업 효율을 향상시키기 위해 용접, 도장 및 검사 등을 수행하는 각종 자동화 준비가 꾸준히 개발되어 오고 있다. 이와 같이 선체 내부의 작업을 자율적으로 수행하기 위한 장치의 하나가 자율이동장치이다.
이와 같은 추세에 따라, 자율이동장치의 와이어의 형태 및 고정 위치 등에 대한 연구가 이루어지고 있다. 그 중의 하나가 선행특허1(한국공개특허 제10-2010-0111584호)에 개시되어 있다. 선행특허1은 자율이동장치의 이동영역 최대화를 위해 연결된 와이어의 구조 및 와이어의 고정 위치를 결정하기 위한 방법에 관한 발명으로서, 자율이동장치의 작업영역을 분석하는 단계를 개시하고 있다.
그러나, 선행특허1의 작업영역 분석 단계는 와이어의 강성유지를 위한 최소장력을 고려하지 않는다. 와이어의 장력값이 강성유지를 위한 최소장력값보다 작을 경우, 자율이동장치의 이동은 가능하지만 외력에 대한 강성이 부족하여 실제로 작업이 불가능할 수 있다.
한국공개특허 2010-0111584 2010.10.15. 삼성중공업
본 발명의 기술적 과제는 와이어의 강성 및 작업로봇의 강성이 유지되는 영역을 도출하여 실제로 작업이 가능한 영역을 작업영역으로 설정할 수 있는 와이어를 이용하는 자율이동장치의 작업영역 분석 방법 및 이를 이용하는 작업영역 분석 시스템을 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 실시예에 따른 와이어를 이용하는 자율이동장치의 작업영역 분석 방법은, 테스트 영역을 설정하는 단계, 상기 테스트 영역 내에서 상기 와이어에 걸리는 장력값에 기초하여 상기 자율이동장치의 이동가능 영역을 설정하는 단계 및 상기 이동가능 영역 내에서 상기 장력값이 상기 와이어의 강성을 유지할 수 있는 최소장력값 이상인지를 판별하여 장력유지 영역을 설정하는 단계를 포함한다.
상기 자율이동장치에는 작업로봇이 결합되고, 상기 자율이동장치의 작업영역 분석 방법은 상기 장력유지 영역 내에서 상기 작업로봇 끝단에 외력이 작용할 경우 상기 작업로봇 끝단에 발생하는 위치 오차가 기설정된 범위 내인지를 판별하여 강성유지 영역을 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 장력값은 상기 와이어에 걸리는 장력의 노름(norm)값이 최소값을 가지도록 결정될 수 있다.
상기 최소장력값은 상기 와이어의 처짐량(slack) 변화에 따른 길이 변화량과 상기 와이어의 강성에 의한 길이 변화량의 비율이 기설정된 값 이하가 되도록 설정될 수 있다.
상기 위치 오차의 값
Figure 112012092340498-pat00001
는 수학식 1에 의해 결정되고, 상기 수학식 1은
Figure 112012092340498-pat00002
이며, 상기 J는 자코비안행렬이고, 상기 K는 공동영역(joint space)의 강성행렬이고, 상기 Kc는 작업영역에서의 상기 작업로봇의 강성행렬이고, 상기 Fext는 상기 외력이며, 상기 dx는 위치 오차 벡터일 수 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 실시예에 따른 와이어를 이용하는 자율이동장치의 작업영역 분석 시스템은, 상기 와이어의 장력값을 결정하는 와이어 장력 결정부, 테스트 영역을 설정하는 테스트 영역 설정부, 상기 테스트 영역 내에서 상기 장력값에 기초하여 상기 자율이동장치의 이동가능 영역을 설정하는 이동가능 영역 설정부, 및 상기 이동가능 영역 내에서 상기 장력값이 상기 와이어의 강성을 유지할 수 있는 최소장력값 이상인지를 판별하여 장력유지 영역을 설정하는 장력유지 영역 설정부를 포함한다.
상기 자율이동장치에는 작업로봇이 결합되고, 상기 자율이동장치의 작업영역 분석 시스템은 상기 작업로봇 끝단에 외력이 작용할 경우 상기 작업로봇 끝단에 발생하는 위치 오차를 결정하는 위치오차 결정부, 및 상기 장력유지 영역 내에서 상기 위치 오차가 기설정된 범위 내인지를 판별하여 강성유지 영역을 설정하는 강성유지 영역 설정부를 더 포함할 수 있다.
상기 장력값은 상기 와이어에 걸리는 장력의 노름(norm)값이 최소값을 가지도록 결정될 수 있다.
상기 최소장력값은 상기 와이어의 처짐량(slack) 변화에 따른 길이 변화량과 상기 와이어의 강성에 의한 길이 변화량의 비율이 기설정된 값 이하가 되도록 설정될 수 있다.
상기 위치 오차의 값
Figure 112012092340498-pat00003
는 수학식 1에 의해 결정되고, 상기 수학식 1은
Figure 112012092340498-pat00004
이고, 상기 J는 자코비안행렬이고, 상기 K는 공동영역(joint space)의 강성행렬이고, 상기 Kc는 작업영역에서의 상기 작업로봇의 강성행렬이고, 상기 Fext는 상기 외력이며, 상기 dx는 위치 오차 벡터일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 실제로 작업이 가능한 영역을 작업영역으로 설정할 수 있어 로봇 시스템의 최적화가 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 와이어 및 자율이동장치를 간략하게 도시한 예시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자율이동장치의 작업영역 분석 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 와이어 처짐 모델을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전체 작업영역 해석 방법을 나타낸 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자율이동장치의 작업영역 분석 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 일 실시예에 따라 산출된 자율이동장치의 테스트 영역, 이동가능 영역, 장력유지 영역 및 강성유지 영역을 각각 나타낸다.
도 7은 본 발명의 자율이동장치의 작업영역 분석 시스템을 이용하는 자율이동장치 제어 시스템의 블록도이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 와이어 및 자율이동장치를 간략하게 도시한 예시도이다.
도 1을 참조하면, 블록(50) 내에는 자율이동장치(10) 및 와이어(20)가 설치된다. 자율이동장치(10)는 복수의 와이어(20)가 연결되어 와이어(20)에 의해 이동 가능하다. 자율이동장치(10)는 이동플랫폼을 포함하고, 자율이동장치(10)에는 작업로봇(30)이 결합된다. 이에 따라, 자율이동장치(10)는 작업 공간인 블록(50) 내부를 자유롭게 이동하면서 블록(50) 내부의 용접, 블라스팅, 도장 및 표면 등의 작업을 용이하게 수행할 수 있다. 여기서 자율이동장치(10)에는 여덟 개의 와이어(20)가 연결된다.
와이어(20)는 자율이동장치(10)에 연결되어 설치된다. 와이어(20)의 일 단은 블록(50)과 결합되고, 타 단은 자율이동장치(10)에 설치된 윈치(winch, 도시하지 않음)에 결합된다. 이때, 윈치는 감거나 풀어서 와이어(20)의 길이를 정밀하게 조절할 수 있다. 이에 따라, 자율이동장치(10)는 윈치를 이용하여 와이어(20)의 길이를 조절해서 블록(50) 내의 원하는 위치로 정밀하게 이동하도록 작동한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자율이동장치의 작업영역 분석 방법을 나타내는 순서도이다.
테스트 영역을 설정한다(S201). 테스트 영역에서, 자율이동장치(10)는 블록(50) 내부에 있어야 하고, 윈치는 스터드볼트(stud bolts)가 이루는 공간 내에 있어야 한다. 스터드볼트는 와이어(20)가 블록(50) 내부에 연결되는 지점을 의미한다.
상기 테스트 영역 내에서 상기 와이어(20)에 걸리는 장력값에 기초하여 상기 자율이동장치(10)의 이동가능 영역을 설정한다(S203). 상기 장력값을 구하기 위해 이하의 수학식 1을 이용할 수 있다.
Figure 112012092340498-pat00005
여기서, W는 자율이동장치(10)에 작용하는 하중에 의한 외력이며, J는 자코비안행렬(Jacobian matrix)이고, T는 와이어 장력이며 윈치에 걸리는 힘이다.
상기 수학식 1을 이용하여 자율이동장치(10)의 이동 및 위치에 따른 다수의 와이어 장력 후보를 포함하는 와이어 장력 후보군을 생성한다. 이때, 와이어 장력 후보는 자율이동장치(10)에 연결된 다수의 와이어(20) 각각에 작용하는 와이어 장력을 포함한다. 예를 들어, 와이어 장력 후보는 여덟 개의 와이어(20)가 자율이동장치(10)에 연결되므로 여덟 개의 와이어(20) 각각에 작용하는 와이어 장력을 포함한다.
상기 수학식 1의 선형연립방정식은 무수히 많은 해가 존재한다. 여기서, 해는 와이어 장력 후보이다. 이러한 문제를 여유구동자유도(Actuation redundancy) 문제라 하며, 상기 해들 중 하나의 해를 선택하기 위해 제약조건을 갖는 선형최소제곱법(Constrained Linear Least Square; CL-LS)을 사용한다. 즉, 와이어 장력 후보군에서 와이어 장력이 양수이며, 와이어(20)에 걸리는 장력의 노름(norm)값의 제곱(
Figure 112012092340498-pat00006
)이 최소값을 갖는 와이어 장력 후보를 추출한다. 이때 와이어(20)에 걸리는 장력의 노름값 또한 최소값을 갖는다. 여기서, 와이어 장력이 양수인 것을 추출하는 이유는 와이어(20)의 특성상 인장력만 가해질 뿐 압축력은 전달할 수 없기 때문이다.
Figure 112012092340498-pat00007
값이 최소인 와이어 장력 후보를 추출함으로써 최적의 와이어 장력값을 구할 수 있으며, 이는 매트랩(Matlab) 소프트웨어의 lsqlin() 함수로 구현이 가능하다. 상기 추출한 와이어 장력 후보에 포함되는 와이어 장력(T)을 이용하여 작업 영역을 분석한다.
자율이동장치(10)의 이동가능 영역은 이하의 수학식 2에 의해 구할 수 있다.
Figure 112012092340498-pat00008
여기서, Tmax는 와이어의 최대허용장력이다.
상기 이동가능 영역 내에서 상기 장력값이 상기 와이어(20)의 강성을 유지할 수 있는 최소장력값(T0) 이상인지를 판별하여 장력유지 영역을 설정한다(S205). 즉, 장력유지 영역은 이하의 수학식 3에 의해 구할 수 있다.
Figure 112012092340498-pat00009
여기서, T0는 와이어가 강성을 유지할 수 있는 최소 장력이다.
와이어의 장력이 변할 때 장력방향의 길이 변화는 크게 두 가지 요인에 의해서 일어난다. 요인 1은 탄성 변형(elastic deformation)에 의한 늘어남(
Figure 112012092340498-pat00010
)이며, 요인 2는 와이어 처짐량(slack) 변화에 따른 길이 변화(
Figure 112012092340498-pat00011
)이다. 와이어가 강성을 갖기 위해서는 요인 2를 무시할 수 있어야 하며, 즉,
Figure 112012092340498-pat00012
이어야 한다.
Figure 112012092340498-pat00013
는 이하의 수학식 4에 의해 구할 수 있다.
Figure 112012092340498-pat00014
Figure 112012092340498-pat00015
여기서,
Figure 112012092340498-pat00016
는 i-번째 와이어의 강성,
Figure 112012092340498-pat00017
는 와이어의 장력 차이(tension difference),
Figure 112012092340498-pat00018
는 와이어 길이, E는 영의 계수, A는 와이어의 단면적이다. E와 A는 와이어의 재질 및 굵기에 의해 결정되는 값으로, 와이어의 사양서 또는 실험을 통해 구해질 수 있다.
도 3은 와이어 처짐 모델을 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면,
Figure 112012092340498-pat00019
는 이하의 수학식 5에 의해 구할 수 있다.
Figure 112012092340498-pat00020
Figure 112012092340498-pat00021
Figure 112012092340498-pat00022
여기서, D는 경첩(hinge) 간의 최단거리이며, y는 와이어 처짐량,
Figure 112012092340498-pat00023
는 와이어의 길이 밀도(length density), g는 중력 가속도, L은 와이어 길이이다.
Figure 112012092340498-pat00024
와
Figure 112012092340498-pat00025
의 비율을 r이라 정의한다. 즉,
Figure 112012092340498-pat00026
이다. 이때 와이어가 강성을 갖기 위해서는 장력이 충분히 가해져
Figure 112012092340498-pat00027
가 무시될 수 있어야 한다. 즉, 비율 r이 충분히 작아야 한다. 상기 와이어(20)의 처짐량(slack) 변화에 따른 길이 변화량과 상기 와이어(20)의 강성에 의한 길이 변화량의 비율(r)이 기설정된 값 이하가 되도록 최소장력값(T0)을 설정하면 와이어의 장력유지 영역을 구할 수 있다. 일례로, 상기 기설정된 값은 0.01이고,
Figure 112012092340498-pat00028
일 수 있다.
다시 도 2를 참조하여 설명한다. 상기 장력유지 영역 내에서 상기 작업로봇(30) 끝단에 외력이 작용할 경우 상기 작업로봇(30) 끝단에 발생하는 위치 오차가 기설정된 범위 내인지를 판별하여 강성유지 영역을 설정한다(S207).
상기 위치 오차의 값
Figure 112012092340498-pat00029
는 이하의 수학식 6에 의해 결정될 수 있다.
Figure 112012092340498-pat00030
상기 J는 자코비안행렬이고, 상기 K는 공동영역(joint space)의 강성행렬이고, 상기 Kc는 작업영역의 상기 작업로봇(30)의 강성행렬이고, 상기 Fext는 상기 외력이며, 상기 dx는 위치 오차 벡터이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전체 작업영역 해석 방법을 나타낸 순서도이다.
테스트 영역을 설정하고, 테스트 영역 내 그리드를 설정한다(S301). 그리드 내 테스트 포인트를 설정한다(S303). 상기 테스트 포인트는 임의로 설정할 수 있다. 테스트 포인트가 이동가능 영역 내인지 판단한다(S305). 테스트 포인트가 이동가능 영역 내일 경우, 테스트 포인트가 장력유지 영역 내인지 판단한다(S307). 테스트 포인트가 장력유지 영역 내일 경우, 테스트 포인트가 강성유지 영역 내인지 판단한다(S309). 테스트 포인트가 이동가능 영역, 장력유지 영역 또는 강성유지 영역의 외부에 있으면 그리드 내에서 테스트 포인트를 변경하여(S311), 다시 변경된 테스트 포인트가 이동가능 영역, 장력유지 영역 및 강성유지 영역 내인지 판단한다. 테스트 포인트가 강성유지 영역 내에 있을 경우, 상기 테스트 포인트는 작업영역에 해당한다. 이때 상기 테스트 포인트에서 작업을 수행하거나 상기 테스트 포인트를 작업영역으로 저장하고, 이후 그리드 내에서 테스트 포인트를 변경하여 변경된 테스트 포인트가 이동가능 영역, 장력유지 영역 및 강성유지 영역 내인지 판단할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자율이동장치의 작업영역 분석 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 5를 참조하면, 작업영역 분석 시스템(400)은 테스트 영역 설정부(410), 와이어 장력 결정부(420), 이동가능 영역 설정부(430), 장력유지 영역 설정부(440)를 포함한다.
테스트 영역 설정부(410)는 블록 내의 테스트 영역을 설정한다. 와이어 장력 결정부(420)는 상기 수학식 1을 만족하고 와이어(20)에 걸리는 장력의 노름(norm)값이 최소값을 갖도록 하는 와이어 장력값을 결정한다.
이동가능 영역 설정부(430)는 상기 장력값에 기초하여, 상기 테스트 영역 내에서 자율이동장치(10)의 이동가능 영역을 설정한다. 상기 이동가능 영역은 상기 수학식 2에 의해 결정될 수 있다. 장력유지 영역 설정부(440)는 상기 장력값에 기초하여, 상기 이동가능 영역 내에서 상기 장력값이 상기 와이어(20)의 강성을 유지할 수 있는 최소장력값 이상인지를 판별하여 장력유지 영역을 설정한다. 상기 최소장력값은 상기 수학식 4 및 수학식 5에 기초하여, 상기 와이어(20)의 처짐량(slack) 변화에 따른 길이 변화량과 상기 와이어(20)의 강성에 의한 길이 변화량의 비율이 기설정된 값 이하가 되도록 설정될 수 있다. 일례로, 상기 기설정된 값은 0.01일 수 있다. 상기 장력유지 영역은 상기 수학식 3에 의해 결정될 수 있다.
작업영역 분석 시스템(400)은 위치오차 결정부(450) 및 강성유지 영역 설정부(460)를 더 포함할 수 있다. 위치오차 결정부(450)는 자율이동장치(10)에 결합되는 작업로봇(30)의 끝단에 외력이 작용할 경우 상기 작업로봇(30) 끝단에 발생하는 위치 오차를 결정한다. 상기 위치 오차는 상기 수학식 6에 의해 결정될 수 있다.
강성유지 영역 설정부(460)는 상기 장력유지 영역 내에서 상기 위치 오차가 기설정된 범위 내인지를 판별하여 강성유지 영역을 설정한다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 일 실시예에 따라 산출된 자율이동장치의 테스트 영역, 이동가능 영역, 장력유지 영역 및 강성유지 영역을 각각 나타낸다.
도 6a는 테스트 영역을 나타낸다. 도 6b는 이동가능 영역이며, 테스트 영역의 49.5%의 영역에 해당한다. 도 6c는 장력유지 영역이며, 모든 와이어가 장력을 유지한 상태로 자율이동장치가 이동할 수 있는 영역은 테스트 영역의 32.0%이다. 도 6d는 강성유지 영역이다. 외력 Fext의 크기를 8kgf로 설정하고, 기설정된 범위를 3cm로 설정한 결과, 상기 도 6c의 장력유지 영역에서 상기 위치 오차는 모두 3cm 이내에 들어 상기 장력유지 영역과 상기 강성유지 영역은 동일하게 나타났다. 그러나 상기 외력 및 기설정된 범위를 다르게 설정할 경우, 상기 강성유지 영역은 상기 장력유지 영역보다 작게 계산될 수 있다.
도 7은 본 발명의 자율이동장치의 작업영역 분석 시스템을 이용하는 자율이동장치 제어 시스템의 블록도이다.
작업영역 분석부(400)는 기설정된 데이터에 기초하여 자율이동장치(10)의 작업영역을 계산하여 출력한다. 상기 작업영역은 장력유지 영역 또는 강성유지 영역일 수 있다. 도 5에 도시된 작업영역 분석 시스템(400)은 컴퓨터 프로그램으로 구현되어, 작업영역 분석부(400)에서 실행될 수 있다. 실시예에 따라 작업영역 분석부(400)는 제어부(500)의 일부로서 구현될 수도 있다.
제어부(500)는 작업영역을 수신하고, 이에 기초하여 자율이동장치(10)의 기구 변수를 최적화할 수 있다. 이때 수신한 작업영역은 와이어의 강성 및 작업로봇의 강성을 고려하여 도출된 실제로 작업이 가능한 영역이므로, 이에 따라 시스템의 최적화가 가능하다. 또한 제어부(500)는 자율이동장치(10)의 최적 이동경로를 계산하고, 이에 따라 자율이동장치(10)가 이동하며 작업을 수행하도록 제어할 수 있다.
이상에서는 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
10: 자율이동장치 20: 와이어
30: 작업 로봇 50: 블록
D: 경첩 간 최단거리 y: 와이어 처짐량
T: 장력 L: 와이어 길이
400: 작업영역 분석 시스템 410: 테스트 영역 설정부
420: 와이어 장력 결정부 430: 이동가능 영역 설정부
440: 장력유지 영역 설정부 450: 위치오차 결정부
460: 강성유지 영역 설정부 500: 제어부

Claims (10)

  1. 와이어를 이용하는 자율이동장치의 작업영역 분석 방법에 있어서,
    테스트 영역을 설정하는 단계;
    상기 테스트 영역 내에서 상기 와이어에 걸리는 장력값에 기초하여 상기 자율이동장치의 이동가능 영역을 설정하는 단계; 및
    상기 이동가능 영역 내에서 상기 장력값이 상기 와이어의 강성을 유지할 수 있는 최소장력값 이상인지를 판별하여 장력유지 영역을 설정하는 단계를 포함하는 자율이동장치의 작업영역 분석 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 자율이동장치에는 작업로봇이 결합되고,
    상기 자율이동장치의 작업영역 분석 방법은
    상기 장력유지 영역 내에서 상기 작업로봇 끝단에 외력이 작용할 경우 상기 작업로봇 끝단에 발생하는 위치 오차가 기설정된 범위 내인지를 판별하여 강성유지 영역을 설정하는 단계를 더 포함하는 자율이동장치의 작업영역 분석 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 장력값은
    상기 와이어에 걸리는 장력의 노름(norm)값이 최소값을 가지도록 결정되는 자율이동장치의 작업영역 분석 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 최소장력값은
    상기 와이어의 처짐량(slack) 변화에 따른 길이 변화량과 상기 와이어의 강성에 의한 길이 변화량의 비율이 기설정된 값 이하가 되도록 설정되는 자율이동장치의 작업영역 분석 방법.
  5. 제2항에 있어서, 상기 위치 오차의 값
    Figure 112012092340498-pat00031
    는
    수학식 1에 의해 결정되고,
    상기 수학식 1은
    Figure 112012092340498-pat00032

    이며,
    상기 J는 자코비안행렬이고, 상기 K는 공동영역(joint space)의 강성행렬이고, 상기 Kc는 작업영역에서의 상기 작업로봇의 강성행렬이고, 상기 Fext는 상기 외력이며, 상기 dx는 위치 오차 벡터인 자율이동장치의 작업영역 분석 방법.
  6. 와이어를 이용하는 자율이동장치의 작업영역 분석 시스템에 있어서,
    상기 와이어의 장력값을 결정하는 와이어 장력 결정부;
    테스트 영역을 설정하는 테스트 영역 설정부;
    상기 테스트 영역 내에서 상기 장력값에 기초하여 상기 자율이동장치의 이동가능 영역을 설정하는 이동가능 영역 설정부; 및
    상기 이동가능 영역 내에서 상기 장력값이 상기 와이어의 강성을 유지할 수 있는 최소장력값 이상인지를 판별하여 장력유지 영역을 설정하는 장력유지 영역 설정부를 포함하는 자율이동장치의 작업영역 분석 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 자율이동장치에는 작업로봇이 결합되고,
    상기 자율이동장치의 작업영역 분석 시스템은
    상기 작업로봇 끝단에 외력이 작용할 경우 상기 작업로봇 끝단에 발생하는 위치 오차를 결정하는 위치오차 결정부; 및
    상기 장력유지 영역 내에서 상기 위치 오차가 기설정된 범위 내인지를 판별하여 강성유지 영역을 설정하는 강성유지 영역 설정부를 더 포함하는 자율이동장치의 작업영역 분석 시스템.
  8. 제6항에 있어서, 상기 장력값은
    상기 와이어에 걸리는 장력의 노름(norm)값이 최소값을 가지도록 결정되는 자율이동장치의 작업영역 분석 시스템.
  9. 제6항에 있어서, 상기 최소장력값은
    상기 와이어의 처짐량(slack) 변화에 따른 길이 변화량과 상기 와이어의 강성에 의한 길이 변화량의 비율이 기설정된 값 이하가 되도록 설정되는 자율이동장치의 작업영역 분석 시스템.
  10. 제7항에 있어서, 상기 위치 오차의 값
    Figure 112012092340498-pat00033
    는
    수학식 1에 의해 결정되고,
    상기 수학식 1은
    Figure 112012092340498-pat00034

    이며,
    상기 J는 자코비안행렬이고, 상기 K는 공동영역(joint space)의 강성행렬이고, 상기 Kc는 작업영역에서의 상기 작업로봇의 강성행렬이고, 상기 Fext는 상기 외력이며, 상기 dx는 위치 오차 벡터인 자율이동장치의 작업영역 분석 시스템.
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