KR101374616B1 - 자율 이동체와 그 제어 방법 - Google Patents

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각고호우징 게이오기주크
무라다기카이가부시끼가이샤
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Abstract

장해물을 유연하게 회피하는 자율 이동체를 제공한다. 이동체는 수평면 내에서의 병진과 연직축 주위에서의 회전이 가능한 이동 기구를 구비하고, 장해물 센서에 의해 방위각마다 장해물까지의 거리를 구한다. 장해물과의 간섭을 회피하기 위한, 이동체의 병진에 관한 포텐셜 및 이동체의 회전에 관한 포텐셜을 방위각마다의 장해물까지의 거리에 의거해서 생성한다. 생성한 포텐셜에 의거해서 이동체의 병진 방향과 병진 속도, 및 회전의 방향과 각속도에 관한 제어량을 생성하고, 이동 기구를 구동한다.

Description

자율 이동체와 그 제어 방법{AUTONOMOUS MOBILE BODY AND CONTROL METHOD OF SAME}
본 발명은 로봇 및 무인 반송차 등의 자율 이동체와 그 이동 제어에 관한 것이다.
오피스 및 공장 등의 인간이 존재하는 실제 환경에서 여러가지의 서비스를 제공하는 로봇 등의 이동체의 개발이 행해지고 있지만, 이러한 로봇 개발의 전제로서 장해물을 회피하면서 목적지로 자율적으로 이동할 수 있는 것이 요구되고 있다. 장해물의 회피에 대해서 비특허문헌 1은 가상 포텐셜법을 개시한다. 가상 포텐셜법에서는 목적지에 대한 인력 포텐셜과, 회피해야 할 장해물에 대한 척력 포텐셜을 생성하고, 이들 포텐셜을 서로 겹치게 한 역장의 구배에 의해 제어량을 발생시킨다. 이 제어량에 따라 주행 모터가 구동되어 이동체는 장해물을 회피하면서 목적지에 도달할 수 있다.
이동체는 장해물을 회피할 때에 크게 우회하지 않고 유연하게 회피하는 것이 바람직하다. 장해물은 벽 및 기둥을 제외한 통로 등의 이동체가 통과할 수 있는 영역에 발생되지만 그 영역이 충분하게 넓다고는 할 수 없다. 그래서 유연하게 장해물을 회피하는 것, 즉 이동체가 자세를 변경해서 통과할 수 있는 간극이 있으면 좁은 간극에서도 통과하고 또한 회피 운동이 원활한 것이 바람직하다. 그러나, 현재까지의 연구에서는 이동체를 원에 근사한 모델을 이용해서 이동 경로를 탐색하는 것이 대부분이었으므로 이동체의 자세 변경에 대해서 전혀 고려되어 있지 않았다. 즉 이동체를 원 모델에 근사하게 하는 기존의 방법에서는 이동체가 평면으로 봐서 길이가 긴 물체인 경우이여도 그 긴 방향 길이를 완전히 포함하는 원 모델이 설정되므로, 이동체의 짧은 측을 진행 방향을 향한 자세로 하면 통과 가능한 간극이더라도 통과할 수 없는 간극으로 판정되어 버려 결과적으로 크게 우회해서 회피하게 된다.
O.Khatib: "Real-Time Obstacle Avoidance for Manipulators and Mobile Robots, "Int. J. of Robotics Research, vol.5, no.1, pp.90-98, 1986.
본 발명의 과제는 자율 이동체가 장해물을 유연하게 회피할 수 있도록 하는 것에 있다.
본 발명의 자율 이동체는 장해물을 회피하면서 목표 위치까지 이동하는 평면으로 봐서 장축과 단축을 구비한 자율 이동체로서,
수평면 내에서의 병진과 연직축 주위에서의 회전이 가능한 이동 기구를 구비한 대차와,
방위각마다 장해물까지의 거리를 구하는 장해물 센서와,
장해물과의 간섭을 회피하기 위한, 이동체의 병진에 관한 포텐셜 및 이동체의 회전에 관한 포텐셜을 방위각마다의 장해물까지의 거리에 의거해서 생성하기 위한 포텐셜 생성부와,
생성한 포텐셜에 의거해서 이동체의 병진 방향과 병진 속도, 및 회전의 방향과 각속도에 관한 제어량을 생성하는 제어량 생성부와,
생성한 제어량을 합성하여 이동 기구를 구동하는 구동부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 자율 이동체의 제어 방법은 장해물을 회피하면서 목표 위치까지 이동하고, 또한 평면으로 봐서 장축과 단축을 구비한 자율 이동체를 이동 제어하는 방법으로서,
이동체는 수평면 내에서의 병진과 연직축 주위에서의 회전이 가능한 이동 기구를 구비함과 아울러,
이동체는 장해물 센서에 의해 방위각마다 장해물까지의 거리를 구하고, 장해물과의 간섭을 회피하기 위한 이동체의 병진에 관한 포텐셜 및 이동체의 회전에 관한 포텐셜을 방위각마다의 장해물까지의 거리에 의거해서 생성하고, 생성한 포텐셜에 의거해서 이동체의 병진 방향과 병진 속도, 및 회전의 방향과 각속도에 관한 제어량을 생성하고, 생성한 제어량을 합성하여 이동 기구를 구동하는 것을 특징으로 한다.
이 발명에서는 자율 이동체를 원 등에 근사하게 하지 않고 장축과 단축을 구비한 이방성이 있는 것으로서 처리한다. 그리고 장해물과의 관계에 대해서 방위각마다의 포텐셜을 생성하고, 병진 외에 회전의 자유도가 있어서 병진과 회전 각각에 대해서 포텐셜을 생성한다. 각 포텐셜에 의거해서 병진과 회전의 제어량을 발생시키고, 이들에 의거해서 이동 기구를 구동하면 장해물을 회피할 수 있다. 예컨대 어느 방향으로 병진해도 막히는 경우에 이동체는 정지 또는 감속 등을 행하고, 이 동안에 회전해서 장해물을 회피한다. 따라서 작은 간극을 통과해서 장해물을 유연하게 회피할 수 있다. 제어량의 합성은 병진으로의 제어량과 회전으로의 제어량을 합성하여 이동 기구로의 제어량으로 변환하는 것이다.
바람직하게는, 각 포텐셜은 퍼지 포텐셜법(purge potential method)에서의 포텐셜 멤버십 펑션(potential membership function)이고, 병진의 포텐셜 멤버십 펑션은 병진의 방위각마다 장해물과의 간섭 정도를 나타내고, 회전의 포텐셜 멤버십 펑션은 회전의 방위각마다 장해물과의 간섭 정도를 나타낸다. 퍼지 포텐셜법에서는,
ㆍ 복수의 기본 행동, 예컨대 병진, 회전 등의 행동을 포텐셜 멤버쉽 함수(PMF)를 이용하여 각각 표현하고,
ㆍ이들 멤버쉽 함수를 퍼지 연산을 이용해서 통합함으로써 각 기본 행동을 고려한 속도 벡터(속도 지령)를 결정한다.
제어량 생성부는 포텐셜 멤버십 펑션의 값에 의거해서 소정의 최고 병진 속도와 소정의 최저 병진 속도 사이에서 병진 속도를 결정함과 아울러 소정의 최고 각속도와 소정의 최저 각속도 사이에서 각속도를 결정한다.
이렇게 하면, 병진 속도와 각속도를 간단하게 결정할 수 있고, 또한 장해물과의 간섭을 피하도록 로봇은 감속해서 신중하게 장해물을 회피할 수 있다.
포텐셜 생성부는 복수개의 장해물 각각에 대해서 병진 및 회전의 포텐셜 멤버십 펑션을 발생시킴과 아울러 목적지로 자율 이동체를 유도하기 위한 병진 및 회전의 포텐셜 멤버십 펑션을 발생시키고, 또한 장해물 각각으로의 포텐셜 멤버십 펑션과 목적지로의 포텐셜 멤버십 펑션을 병진 및 회전에 관해서 각각 합성한다. 따라서, 복수의 이동체와 간섭의 회피와 목적지로의 유도를 병진과 회전마다 1개의 포텐셜 멤버십 펑션으로 나타낼 수 있다.
병진의 포텐셜 멤버십 펑션의 합성은 복수의 병진의 포텐셜 멤버십 펑션을 합성한 결과로부터 값의 최고값 또는 최소값을 방위각마다 구하는 것이고, 회전의 포텐셜 멤버십 펑션의 합성은 복수의 회전의 포텐셜 멤버십 펑션을 합성한 결과로부터 값의 최고값 또는 최소값을 방위각마다 구하는 것이다. 이렇게 하면, 간단하게 포텐셜 멤버십 펑션을 합성할 수 있다.
바람직하게는, 제어량 생성부는 병진에 관한 제어량과 회전에 관한 제어량을 독립적으로 구한다. 이렇게 하면, 병진과 회전의 상호 작용을 무시하여 간단하게 각각의 제어량을 발생할 수 있다. 특히 바람직하게는, 생성한 제어량의 합성은 병진에 관한 제어량과 회전에 관한 제어량의 가산이다. 이렇게 하면, 제어량의 가산으로 간단하게 이동 기구를 구동할 수 있다.
바람직하게는, 상기 이동 기구는 차륜의 축과 평행한 방향으로의 회전이 가능한 롤러를 외주에 구비한 구동륜을 3륜 이상 구비하고, 또한 상기 3륜 이상의 구동륜에는 상기 차륜의 축의 방향이 다른 것이 포함되어 있다.
도 1은 실시예의 자율 이동 로봇의 측면도이다.
도 2는 실시예의 자율 이동 로봇의 저면도이다.
도 3은 실시예의 자율 이동 로봇에서의 이동 제어계를 나타내는 블록도이다.
도 4는 도 4에서의 모션 컨트롤부의 블록도이다.
도 5는 실시예에서의 캡슐 프레임 모델과 PMF 생성용 각도를 설명하는 평면도이다.
도 6은 실시예의 캡슐 프레임과 로봇의 주행 차륜의 관계를 나타내는 도면이다.
도 7은 실시예에서의 병진 제어 알고리즘을 나타내는 플로우 차트이다.
도 8은 실시예에서의 회전 제어 알고리즘을 나타내는 플로우 차트이다.
도 9는 실시예에서의 PMF로의 높이의 거둬들임을 나타내는 플로우 차트이다.
도 10은 실시예에서의 PMF로의 암의 신축 등의 거둬들임을 나타내는 플로우 차트이다.
도 11은 병진에 대한 장해물의 PMF의 예를 나타내는 도면이다.
도 12는 병진에 대한 골(goal)의 PMF의 예를 나타내는 도면이다.
도 13은 병진에 대한 장해물과 골의 합성 PMF의 예를 나타내는 도면이다.
도 14는 회전에 대한 장해물과 골 및 합성 PMF의 예를 나타내는 도면이다.
도 15는 실시예에서의 로봇의 궤적을 나타내는 도면이다.
도 16은 실시예에서의 로봇의 방위각의 추이를 나타내는 도면이다.
도 17은 종래예에서의 로봇의 방위각의 추이를 나타내는 도면이다.
도 18은 장해물의 간격을 좁혀서 로봇을 통과할 수 없게 했을 때의 실시예에서의 로봇의 궤적을 나타내는 도면이다.
도 19는 장해물의 간격을 좁혀서 로봇을 통과할 수 없게 했을 때의 실시예에서의 로봇의 방위각의 추이를 나타내는 도면이다.
도 20은 캡슐 프레임 모델의 변형예를 나타내는 평면도이다.
도 21은 캡슐 프레임 모델의 제 2 변형예를 나타내는 평면도이다.
도 22는 캡슐 프레임 모델의 제 3 변형예를 나타내는 평면도이다.
이하에 본 발명을 실시하기 위한 최적의 실시예를 나타낸다. 본 발명의 범위는 특허청구의 범위의 기재에 의거해서 명세서와 이 분야의 주지기술을 참작하고, 당업자의 이해에 따라 정해져야 한다.
<실시예>
도 1~도 22에 실시예의 자율 이동 로봇(10)과 그 제어를 나타낸다. 도 1을 참조해서 로봇(10)은 전방위(全方位) 이동 기구를 구비한 대차(13)를 구비하고, 이러한 대차(13)가 상반신으로서의 상부(12)를 지지하고 있다. 상부(12)는 설치 높이가 다른 예컨대 1쌍의 레이저 거리 측정기(14,14)를 구비한다. 레이저 거리 측정기(14) 대신에 스테레오 카메라, 공간 코드화용 광원과 카메라 등의 입체시 장치를 구비해도 좋다. 이상의 구성으로 로봇(10)은 몇개의 높이 위치에서 로봇과 장해물 사이의 거리 정보를 미리 정한 방위각마다 취득해서 출력한다. 또한 로봇(10)은 도시하지 않은 GPS 등을 구비해서 현재 위치 및 방향을 인식해도 좋고, 또는 레이저 거리 측정기(14) 또는 입체시 장치 등으로 검출한 통로 벽까지의 거리 정보 등과 미리 준비한 환경 지도에 따라 현재 위치 및 방향을 인식할 수도 있다. 상부(12)는 제어부(15)와 작업용 암(16)을 구비하고 있다. 또한 상부(12)를 대차(13)에 대해서 연직축 주위에서 회전하도록 해도 좋다.
실시예의 대차(13)의 전방위 이동 기구는 둘레 방향으로 90°의 간격으로 배열하여 배치된 4개의 전방위 차륜(21)과, 전방위 차륜(21)을 구동하는 4개의 모터(22)를 구비한다. 또한, 대차(13)는 3 또는 6세트의 전방위 차륜(21)과 모터(22)를 설치한 구성이여도 좋다. 23은 휠 구동 유닛이고, 휠 구동 유닛(23)은 지지 프레임(24)과, 지지 프레임(24)에 고정된 모터(22)를 구비하고, 지지 프레임(24)은 브래킷(25)에 의해 대차(13)에 고정되어 있다. 대차(13)는 XY 방향으로 자유롭게 이동할 수 있고, 또한 연직축 주위에서 자유롭게 자전 가능하다. 또한 전방위 이동 기구의 종류는 임의이지만, 실시예에서는 선회 반경이 거의 0이고 임의의 방향으로 병진과 회전을 할 수 있는 것이 요구된다. 이하에 전방위 이동 기구를 설명한다.
모터(22)는 하우징(26)을 구비하고, 모터(22)의 출력축(27)은 지지 프레임(24)으로부터 외측으로 돌출되고, 전방위 차륜(21)을 회전시킨다. 전방위 차륜(21)은 그 회전축(차축)이 로봇(10)의 정면(11)에 대해서 이루는 각이 45°또는 135°가 되도록 배치되어 있다. 도 2, 도 6에 나타내는 바와 같이, 로봇(10)은 평면으로 바라봐서 정면(11) 방향의 폭(W)이 깊이(L)에 비해서 크고, 거의 직사각형 형상을 갖고 있다.
전방위 차륜(21)은 모터(22)의 출력축(27)에 의해 구동되는 구동 차륜(31)과, 구동 차륜(31)의 외주를 따라 환상으로 배치된 복수의 프리 롤러(32)를 구비하고 있다. 어느 하나의 프리 롤러(32)의 외주면이 바닥면에 항상 접촉하고, 프리 롤러(32)의 회전 축선은 구동 차륜의 회전 축선에 대해서 수직하다. 모터(22)가 구동 차륜을 회전시키면 프리 롤러(32)에 의해 구동력을 바닥면에 전달한다. 또한 프리 롤러(32)는 회전 축선을 중심으로 해서 자유롭게 회전 가능하므로 전방위 차륜(21)은 구동 차륜의 회전축에 평행한 방향으로도 이동할 수 있다. 또한 프리 롤러(32) 대신에 금속 볼 등을 이용해도 좋다.
도 3에 실시예의 이동 제어부(15)를 나타낸다. 34는 주제어이고, CPU, ROM 및 RAM 등으로 이루어진다. 35는 입력부이고, 작업자는 입력부(35)로부터 로봇(10)의 목적 위치, 후술하는 이방성 모델(캡슐 프레임 모델)의 각종 파라미터, 로봇(10)의 최대ㆍ최소 병진 속도, 및 로봇(10)의 최대ㆍ최소 각속도 등을 입력한다. 36은 맵 기억부이고, 로봇(10)이 이동할 수 있는 환경의 환경 지도를 기억하고 있다. 37은 경로 작성부이고, 목적지까지의 이동 경로를 환경 지도를 참조해서 작성한다. 40은 모션 컨트롤러이고, 병진에 관한 제어 지령과 회전에 관한 제어 지령을 발생하고, 이들 제어 지령을 도 2의 각 모터(22)로의 속도 지령(각속도 지령)으로서 출력한다.
도 4에 모션 컨트롤러(40)의 개념 블록도를 나타내고, 입력으로서 레이저 거리 측정기(14) 등의 센서로부터의 방위각마다의 거리 정보가 있고, 이것에 의거해서 자신의 현재 위치 및 자기의 정면이 향하는 방위각과, 자기의 주위의 장해물에 관한 정보를 취득한다. 벽 및 기둥 등의 이미 설치된 장해물을 제외한 책상 또는 캐비닛 등의 이동 설치 장해물, 및 사람 등의 이동 장해물[이하, 총칭해서 일시 장해물]은 일반적으로 환경 지도에 기재되어 있지 않아 로봇(10)측으로부터 하면 통로 등의 이동 환경의 어느 위치에 일시 장해물이 있을지는 센서로부터의 거리 정보가 입력되어 처음으로 인식할 수 있게 된다. 41은 정보 처리부이고, 장해물 및 목적지 등에 관한 환경 정보 처리부(42)와, 자기의 현재 위치, 방향 및 속도 등의 자기 상태에 관한 자기 정보 처리부(43)를 구비하고, 자기 정보 처리부(43)는 입력된 파라미터로부터 후술하는 캡슐 프레임 모델을 생성해서 기억한다.
캡슐 프레임 모델은 후술하는 바와 같이 3개의 파라미터(Ca,CR,CL)에 의해 정의될 수 있으므로 이들 파라미터를 기억하거나 캡슐 프레임 모델 자체를 기억한다. 또한 높이 방향을 따라 자율 이동체의 형상이 다른 것, 또는 장해물의 형상이 높이 방향을 따라 다른 것을 고려할 경우에는 높이 위치에 따른 복수의 파라미터로 이루어지는 세트를 복수 세트 기억하고, 복수의 캡슐 프레임 모델을 출력해서 기억한다. 또한 자율 이동체의 상반신의 형상이 대차 또는 다리부에 대해서 다른 경우 높이 위치에 따라 상기 파라미터를 변경하고, 상반신에 대한 캡슐 프레임 모델을 변경한다.
도 4를 참조해서 정보 처리부(41)의 후단에 병렬로 병진 제어부(44)와 회전 제어부(45)가 있고, 이들로부터의 제어량을 구동 지령 생성부(48)에서 통합해서 각 모터(22)로의 속도 제어량으로 한다. 병진 제어부(44)와 회전 제어부(45)는 정보 처리부(41)에서의 장해물 등의 위치와 그 사이즈, 목적지 및 자기의 현재 위치와 방향 등에 따라 병진 제어에 대한 포텐셜 멤버십 펑션(PMF)과, 회전 제어에 관한 포텐셜 멤버십 펑션(PMF)을 생성한다. 또한, PMF는 장해물 및 목적지마다 생성되고, 이들을 퍼지 처리부(46,47)에서 합성한다.
합성된 포텐셜 멤버십 펑션(PMF)으로부터 퍼지 처리부(46)에서 병진의 방향 및 병진 속도를 결정하고, 퍼지 처리부(47)에서 대차(13)의 자세를 어느 정도 변화시키는지의 데이터, 즉 회전의 방향과 각속도를 결정한다. 이것들에 의해서, 대차의 병진의 방향과 병진 속도, 회전해야 할 방향과 각속도가 정해지고, 이것을 4개의 모터로의 제어량으로서 구동 지령 생성부(48)에서 변환한다.
로봇의 형상은 일반적으로 말해서 그 디자인 및 기능에 따라 높이 방향을 따라 균일하지 않다. 또한, 암이 상부로부터 돌출되어 있는, 또한 로봇의 상부가 대차에 대해서 몸을 비틀거나 또는 암을 신축시키거나 하는 것에 의해 로봇의 형상은 시간적으로 변화된다. 또한 장해물도 높이 방향을 따라 일정하다고는 할 수 없다. 그래서 바람직하게는 포텐셜 멤버십 펑션(PMF)을 높이 위치에 따라 복수개 준비한다.
도 5, 도 6에 로봇에 대한 캡슐 프레임 모델을 나타낸다. 캡슐 프레임(50)은 대향 거리 2Ca 이간되어 평행하게 배열되는 1쌍의 선분의 단부끼리를 그 양단부에 있어서 반경(Ca)의 반원으로 접속한 것이다. PL,PR은 각 반원의 중심, Po는 대차의 중심이고, CL,CR은 대차 중심으로부터 점(PL,PR)까지의 거리이다. 통상의 경우 CL=CR로서 설정되지만 암의 신축 등 로봇(10)의 형상 변동에 따라 CL과 CR이 다른 것도 있다. Ca는 예컨대 로봇의 깊이의 1/2보다 약간 큰 양이지만 암의 신축, 왜건(wagon) 등의 견인 등에 의해 통상 값보다 증대되는 것이 있다. 도 5에서는 예컨대 장해물(O)(그 중심을 O0으로 함)을 그것이 완전히 내포되는 원에 근사하게 하여 그 반경을 ro로 한다. ds는 안전 거리이며, 로봇(10)과 장해물의 거리를 유지하여 안전을 확보하기 위한 도입되는 파라미터이다.
도 5의 ψro는 대차 중심으로부터 장해물을 보았을 때의 대차 정면에 대한 장해물의 방위이다. ψL은 PL과 O0을 연결하는 선분에 평행하고 중심(P0)을 통과하는 선분과, P0과 O0을 연결하는 선분이 이루는 각이다. ψR은 PR과 O0을 연결하는 선분에 평행하고 중심(P0)을 연결하는 선분과, P0과 O0을 연결하는 선분이 이루는 각이다. ψL'는 PL과 O0을 연결하는 선분에 평행하고 중심(P0)을 통과하는 선분과, PL을 중심으로 하는 원호와 장해물의 안전 확보 원 양자에 접하는 선분에 평행하고 중심(P0)을 통과하는 선분이 이루는 각이다. ψR'는 PR과 O0을 연결하는 선분에 평행하고 중심(P0)을 통과하는 선분과, PR을 중심으로 하는 원호와 장해물의 안전 확보 원 양자에 접하는 선분에 평행하고 중심(P0)을 통과하는 선분이 이루는 각이다. 또한 도 6의 ψout는 대차의 정면 방향으로부터의 대차의 병진의 방위각이다.
여기서 캡슐 프레임(50)에 대해서 설명한다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 캡슐 프레임(50)은 로봇(13)을 완전히 내포하고, 양단에 호를 갖고, 호와 호 사이를 선분으로 접속한 도형이다. 캡슐 프레임(50)에는 장축과 단축이 있고, 이방성이 있는 로봇이 평면으로 봐서 차지하는 영역에 대응한다. 캡슐 프레임(50)에서는 로봇의 길이 방향을 선분으로 나타내고, 이 선분의 이동으로 로봇의 이동을 표현한다. 선분의 양단을 반원으로 접속하고 있는 것은 로봇이 들어가는 위치이면 임의의 위치에서 회전의 자유도를 남기기 위해서이다.
도 7~도 10에 로봇의 제어를 나타낸다. 도 7에 병진 제어의 알고리즘을 나타내고, 스텝 1에서 장해물까지의 거리를 방위각마다 측정한다. 방위각을 변수로 해서 자기로부터 장해물까지의 거리를 측정하면 장해물의 로봇(13)으로부터 보이는 측의 표면을 원, 벽, 입방체 등과 근사하게 할 수 있다. 그리고 원의 경우에는 도 5와 같이 안전 거리(ds)를 정하고, 벽의 경우에는 벽의 앞면에만 안전 거리(ds)를 정한다. 입방체의 경우에는 변에 평행하게 안전 거리(ds)를 정하고, 정점의 주위를 반경(ds)의 원호에 근사하게 한다. 스텝 2에서 장해물에 대한 포텐셜 멤버십 펑션(PMF)을 자기로부터 장해물까지의 거리 및 장해물에 대한 자기의 방향에 의거해서 작성한다. 스텝 3에서는 자기로부터 목적지(골)까지의 거리와 방향에 의거해서 골에 대한 PMF를 작성한다. 또한, 여기서 말하는 골은 로봇(13)이 최종적으로 도달해야 할 목적지뿐만 아니라 로봇(13)이 경유해야 할 경유지(서브 골)도 포함하는 개념이다.
스텝 4에서 장해물에 대한 PMF와 골에 대한 PMF를 합성하고, 장해물이 복수개 있을 경우 복수개의 장해물에 대한 모든 PMF와 골에 대한 PMF를 합성한다. 합성에서는 예컨대 각 방위각에 대해서 PMF가 낮은 측의 값을 채용한다. 또한 이 명세서에서 병진의 포텐셜이 높다라는 것은 척력이 작은 안정된 상태를 의미하고, 로봇은 PMF가 최대가 되는 방위로 병진한다. 또한 로봇의 속도는 PMF에 의해 제한되고, 최대 속도와 최소 속도 사이의 속도를 취하고, PMF가 높을수록 속도가 커진다. 최소 속도는 예컨대 0이고, 최대 속도(ｖmax)와 최소 속도(ｖmin)의 차를 Δv, PMF의 값을 f로 하고, f의 값을 0 이상 1 이하로 하면 병진 속도(v)는 v=Δv×f+ｖmin이 된다. 이들을 정리하면, 로봇은 장해물을 회피하도록 병진의 방향을 결정하고, 장해물의 부근에서 감속한다(스텝 5).
도 8에 회전의 제어를 나타내고, 도 7의 스텝 1, 2에서 장해물까지의 거리와 장해물에 대한 자기의 방향에 관한 정보는 이미 취득 완료되어 있다. 도 7의 스텝 3과 마찬가지로 하여 도 8의 스텝 11에서 방위각마다의 자기로부터 장해물까지의 거리와 자기의 방향(정면 방향)에 의거해서 회전에 관한 PMF를 작성한다. 회전에 관한 PMF는 로봇이 어느 방향을 향하는지에 따라 장해물로부터의 척력(포텐셜의 값)이 어떻게 변화되는지를 나타낸다. 스텝 12에서 골에 대한 PMF를 작성하고, 예컨대 골에 로봇이 정면을 향해서 도착하는 것이 바람직하다라고 하면 PMF는 골이 로봇의 정면이 되는 방향에서 최저이고, 거기서부터 벗어남에 따라 증대된다. 또한 병진과 회전에서 PMF의 값의 해석이 반대이므로 주의가 필요하다. 스텝 13에서 장해물에 대한 PMF와 골에 대한 PMF를 합성하고, 장해물이 복수개 있을 경우 복수개의 장해물에 대한 모든 PMF와 골에 대한 PMF를 합성한다. 그리고 PMF가 최소가 되는 방향으로 PMF에 따른 각속도로 회전한다(스텝 14). 최소의 각속도(ωmin)는 예컨대 0이고, 최대의 각속도(ωmax)와 최소 속도(ωmin)의 차를 Δω, PMF의 값을 f로 하고, f의 값을 0 이상 1 이하로 하면 각속도(ω)는 ω=Δω×(1-f)+ωmin이 된다.
도 9에 높이의 처리를 나타내고, 이것은 장해물의 표면이 높이 방향을 따라 일정하지 않거나 또는 로봇의 표면이 높이 방향을 따라 일정하지 않을 때의 처리이다. 예컨대 도 1에서 복수의 높이에 레이저 거리 측정기(14)를 설치하고, 이것에 의해 높이마다의 PMF를 생성한다(스텝 21). 그리고 예컨대 도 7, 도 8에서의 PMF의 합성과 마찬가지로 하여 높이마다 합성하고, 단일의 PMF로 하거나 높이 위치에 따른 복수개의 PMF 그대로 한다.
도 10에 암의 신축 등의 영향의 처리를 나타낸다. 로봇이 암을 신축시키거나 또는 상체를 경사지게 하거나 하면 이것에 따라 적용해야 할 캡슐 프레임 모델을 변경한다. 캡슐 프레임 모델의 변경은 파라미터(Ca,CR,CL)의 변경으로 처리할 수 있고, PMF는 그 때마다 리얼타임으로 생성시키고 있으므로 새로운 캡슐 프레임 모델에 의거해서 PMF를 생성하면 좋다. 도 9, 도 10의 처리에 의해 로봇의 자세가 변화되고, 또한 로봇의 표면이 높이 방향을 따라 균일하지 않으며, 장해물도 높이 방향을 따라 균일하지 않은 경우도 효율적인 회피를 할 수 있다. 또한 로봇이 왜건을 견인하는 경우에는 예컨대 로봇의 정면으로부터 본 장축과 단축의 방향을 변경하고, 파라미터(Ca,CR,CL)를 변경하면 좋다.
도 11~도 13에 도 5에 나타내는 장해물과 로봇(13)의 위치 관계에 있어서의 병진에 관한 PMF의 일례를 나타낸다. 도 11은 장해물에 대한 PMF를 나타내고, 세로축은 우선도이고 병진 방향으로서의 바람직함을 나타내고, 가로축은 병진의 방위각을 나타내고, 방위각 0에서 로봇은 정면을 향해서 전진한다. a는 0과 1 사이의 값을 취하는 파라미터이고, 장해물의 영향이 없을 경우 a는 0이고, 장해물의 영향이 커지면 a는 1에 근접하고, 그것에 따라 도 11 중앙의 곡가 깊어진다. 도 11에서 곡은 수직하지만, 보다 원활한 곡이여도 좋다. 장해물의 로봇 중심에 대한 거리 ||rr,o||이 반경 α를 하회하면 변수 a를 (1)식과 같이 정의한다. 여기에 D는 도 5의 파라미터(Ca,ro,ds)에 의해 (2)식으로 정의된다.
a=(α-||rr,o||)/(α-D) if ||rr,o||<α (1)
D=Ca+ro+ds (2)
이상과 같이, 장해물의 영향을 받지 않는 위치에서 세로축의 우선도(μo)는 1이고, 장해물의 영향을 받는 위치에서는 영향을 받는 방위각에 대해서 a만큼 저하된다. 도 11에서는 중앙의 곡에서 로봇은 장해물의 영향을 받고, 그 외측의 영역에서 로봇은 전진한다.
도 12는 골에 대한 PMF를 나타내고, 골로부터 충분히 먼 경우 PMF의 값은 1로 고정되고, 이것은 골의 영향이 없는 것을 나타내고 있다. 골의 영향을 받는 범위에 접근하면 골에 대해서 바람직한 방향(ψrg)에서 우선도는 ga, 예컨대 최고값인 1이 되고, 바람직하지 못한 방향에서 작은 값 gb가 된다. 골의 PMF를 근거리장(近距離場)으로 하여 골로 경로 작성부에서 작성한 경로를 따라 접근하거나 골의 PMF를 원거리장으로 하여 경로의 모든 위치에서 골로 유도할지는 임의이다.
복수개의 PMF를 낮은 측의 값을 인출하도록 합성하면 도 13의 PMF가 얻어진다. 이 중에서 PMF가 최대가 되는 방위가 로봇에 있어서 상황이 좋은 방위이며, 병진 속도는 그 방위각에서의 우선도로 정해진다. 즉 우선도가 높을 경우에 허용되는 속도가 크고, 우선도가 낮으면 속도가 작아진다. 도 13의 경우 ψout의 방위각에서 거의 최고 속도와 같은 속도로 병진 운동한다.
도 14는 회전에 대한 PMF를 나타내고, 병진으로의 PMF에서는 가장 높은 PMF의 방위로 진행하도록 했지만 회전에서는 PMF가 가장 낮아지는 방향을 향하도록 했다. 이것은 PMF에 관한 약속한 것의 문제이다. 장해물에 대한 PMF를 μer로 하고, 자기의 방향에 관한 PMF를 μＣR로 한다. 그리고 이들의 차를 μor로 하고, 이것이 장해물에 관한 합성 후의 PMF이다. μer은 자기로부터 보아서 어느 방향에서 장해물의 영향이 커질지를 나타내고, μer은 초음파 센서 또는 레이저 거리 측정기 등의 측거 센서로부터 얻어지는 거리 정보를 기초로 생성되고, 로봇 중심으로부터 주위 전방향에 대한 장해물까지의 거리를 측거 센서에서 계측에 사용하는 최대 거리로 나눈 값이다. μＣR은 어느 방향을 향하면 장해물의 영향을 받기 쉬운 방향이 되는지를 나타내고, 구체적으로는 캡슐 프레임의 중심점(Po)으로부터 그 외곽까지의 길이를 측거 센서에서 계측에 사용하는 최대 거리로 나눈 값으로 나타내어진다. 또한 골에 대한 PMF를 μgr로 한다. μor과 μgr의 작은 쪽을 선택한 것이 도 14의 실선이고, 이것이 합성 후의 PMF가 된다. 그래서 이 PMF를 예컨대 평활화하고, PMF가 최소가 되는 방향을 회전해야 할 방향(ψori)으로 하고, 회전의 각속도는 ψori에서의 우선도가 낮을수록 크고 높을수록 작아진다.
병진의 제어량과 회전의 제어량이 얻어지더라도 전방위 이동 기구는 병진과 회전을 별개로 실행하는 것은 아니다. 구동 지령 생성부에서 병진에 대한 제어량(병진해야 할 방향과 속도)과, 회전에 대한 제어량(회전하는 방향과 각속도)을 합성하여 모터로의 제어량으로 한다. 병진에 대해서 속도의 절대값을 vout, 그 방위를 ψout, 각속도를 ω로 한다. x축 방향의 병진 속도는 vr x=voutㆍcosψout, y축 방향의 병진 속도는 vr y=voutㆍsinψout이 된다.
도 6과 같이 정수 R,δ를 정하면 4개의 구동륜의 목표 속도(제어량) v1 ω, v2 ω, v3 ω, v4 ω는 (3)~(6)식으로 주어진다.
v1 ω= cosδㆍvr x+sinδㆍvr y+Rㆍω (3)
v2 ω= cosδㆍvr x-sinδㆍvr y-Rㆍω (4)
v3 ω=-cosδㆍvr x-sinδㆍvr y+Rㆍω (5)
v4 ω=-cosδㆍvr x+sinδㆍvr y-Rㆍω (6)
도 15~도 19에 로봇(10)에 대한 시뮬레이션 결과를 나타내고, 장해물의 간극을 통과하여 목적지에 도달하는 것을 과제로 했다. 도 15에 있어서 로봇은 폭(W)=1.0m, 깊이(L)=0.4m로 하고, Ca=0.3m, CL=0.3m, CR=0.3m의 캡슐 프레임에 내포시킨다. 장해물은 반경 0.3m의 원으로 가정하고, 2차원 평면에서의 시뮬레이션으로 한다. ro,ds는 모두 0.3m로 하고, 따라서 D=0.9m가 된다. ｖmax, ｖmin은 각각 0.5m/s, 0.0m/s, ωmax, ωmin은 각각 1.0rad/s, 0.0rad/s로 했다. 여기서, 반경 0.3m의 장해물을 점(4.0m, -2.0m), 점(4.0m, -1.4m), 점(4.0m, 1.0m), 점(4.0m, 1.6m), 점(4.0m, 2. 2m)에 도 15와 같이 배치했다. 이 환경에서 점(0.0m, -2.0m)을 출발 지점으로 하고, 점(11.0m, 2.0m)으로 이동시켰다.
로봇을 반경 0.6m의 원으로 가정해서 장해물을 회피하는 종래법에서의 궤적(도 17)과, 실시예에서의 로봇의 궤적(도 15)을 비교한다. 또한 로봇 위치를 1초마다 플로팅했다. 로봇을 하나의 원으로 가정해서 회피 행동을 시켰을 경우, 도 17에 나타내는 바와 같이, 점(4.0m, -1.4m)과 점(4.0m, 1.0m) 사이를 통과할 수 없고 크게 우회하여 회피해서 목표 위치에 도달했다. 이에 대해서 실시예에서는, 도 15에 나타내는 바와 같이, 방위각을 리얼타임으로 변경하고, 각각의 장해물과의 거리를 유지하면서 장해물 사이를 통과하여 목표 위치에 도달했다. 도착 시간은 로봇을 원으로 간주한 종래예에서 42.2s, 실시예에서 31.8s이었다. 실시예의 로봇의 자세각(로봇 정면의 x방향으로부터의 방위각)의 이력을 도 16에 나타낸다.
실시예의 로봇에 대해서 어느 자세에서도 장해물과의 거리 ds=0.3m을 유지한 후에 통과할 수 없는 상황을 상정하고, 장해물을 점(4.0m, -2.0m), 점(4.0m, -1.4m), 점(4.0m, 0.4m), 점(4.0m, 1.0m), 점(4.0m, 1.6m)에 배치했다. 도 18에 나타내는 바와 같이, 로봇은 통과 가능하지 않은 것을 자율적으로 판단하여 큰 우회로 목표 위치로 향해서 장해물간의 간극을 무리하게 통과하는 경로를 채용하지 않았다. 그 때의 자세각의 이력을 도 19에 나타낸다.
도 20~도 22를 참조하여 캡슐 프레임 모델의 의미를 다시 설명한다. 도 20에서 자율 이동 로봇(60)에 대해서 캡슐 프레임(62)을 설치하고, 로봇(60)의 장축 방향 양단에 원호(63,64)가 있고, 그 중심(PR,PL)은 로봇(60) 좌우 양단에 있다.
도 21의 자율 이동 로봇(70)은 평면으로 봐서 우측이 좌측보다 크고, 캡슐 프레임(72)은 이것에 따라 변형되고, 우측의 원호의 반경은 좌측의 원호의 반경보다 크다. 도 22의 캡슐 프레임(74)에서는 원호(75,76)의 중심이 로봇(60)의 내측에 있다. 이들은 모두 캡슐 프레임이다.
실시예에서는 이하의 효과가 얻어진다.
1) 로봇을 원 등에 근사하게 하지 않고 장축과 단축을 구비한 이방성이 있는 것으로서 취급한다. 그리고 장해물과의 관계에 대해서 방위각마다의 포텐셜을 생성하고, 병진 외에 회전의 자유도가 있어서 병진과 회전 각각에 대해서 포텐셜을 생성한다. 각 포텐셜에 의거해서 병진과 회전의 제어량을 발생시키고, 이들에 의거해서 이동 기구를 구동하면 장해물을 회피할 수 있다. 예컨대 어느 방향으로 병진해도 막히는 경우 로봇은 정지 또는 감속 등을 행하고, 이 동안에 회전해서 장해물을 회피한다. 따라서 작은 간극을 통과해서 장해물을 원활하게 회피할 수 있다.
2) 퍼지 포텐셜법에서의 포텐셜 멤버십 펑션은 비교적 간단하게 생성할 수 있어 리얼타임으로의 처리에 적합하다.
3) 제어량 생성부는 포텐셜 멤버십 펑션의 값에 의거해서 소정의 최고 병진 속도와 소정의 최저 병진 속도 사이에서 병진 속도를 결정함과 아울러 소정의 최고 각속도와 소정의 최저 각속도 사이에서 각속도를 결정한다. 이 때문에, 병진 속도와 각속도를 간단하게 결정할 수 있고, 또한 장해물과의 간섭을 피하도록 로봇은 감속해서 신중하게 장해물을 회피한다.
4) 복수개의 장해물 각각에 대해서 각각 병진 및 회전의 포텐셜 멤버십 펑션을 발생시킴과 아울러 목적지로 자율 로봇을 유도하기 위한 포텐셜 멤버십 펑션을 발생시켜서 이들을 합성한다. 따라서, 복수개의 장해물과의 간섭의 회피와 목적지로의 유도를 병진과 회전마다 각 1개의 포텐셜 멤버십 펑션으로 처리할 수 있다.
5) 복수의 포텐셜 멤버십 펑션의 값의 최고값 또는 최소값을 방위각마다 구함으로써 간단하게 포텐셜 멤버십 펑션을 합성할 수 있다.
6) 병진과 회전의 상호 작용을 무시하여 간단하게 각각의 제어량을 발생한다. 그러면 병진이 곤란한 경우 로봇은 감속 또는 정지하고 회전해서 탈출한다. 회전이 불필요한 경우 병진만을 행한다. 이 때문에, 병진과 회전으로 협조 동작을 행하고 있는 것과 같은 운동을 할 수 있다.
7) 병진에 관한 제어량과 회전에 관한 제어량을 가산하여 제어량을 합성한다. 이 때문에 간단하게 이동 기구를 구동할 수 있다.
8) 실시예의 대차는 선회 반경 0에서 임의의 방향으로 병진과 회전을 할 수 있다.
9) 캡슐 프레임 모델에 의해 임의의 위치에서 회전과 병진 쌍방의 자유도를 유지할 수 있고, 이 때문에, 로봇의 자세를 변화시키면서 장해물을 회피하는 것이 용이하다.
10) 높이 방향을 따라 로봇의 표면이 일정하지 않고 또한 장해물의 표면이 높이 방향을 따라 변화되더라도 높이마다의 포텐셜 멤버십 펑션의 합성으로 대응할 수 있다.
11) 탑재한 짐이 돌출되었거나 암이 신축된 로봇이 상체를 경사지게 하는 것 등에 의해 로봇의 형상이 변화되더라도 캡슐 프레임 모델의 변경으로 대응할 수 있다.
실시예에서는 자율 이동 로봇(10)을 예로 하였지만 지상 주행에서 슬라이드 포크, 스칼라 암, 턴테이블 등을 탑재한 무인 반송차 등에도 본 발명을 실시할 수 있다. 또한 차륜으로 이동하는 로봇 외에 보행형 로봇, 공작기계, 반송 장치 등 2방향으로의 병진과 회전의 합계 3 이상의 자유도를 구비한 로봇에도 마찬가지로 실시할 수 있다.
10 : 자율 이동 로봇 11 : 정면
12 : 상부 13 : 대차
14 : 레이저 거리 측정기 15 : 이동 제어부
16 : 암 21 : 전방위 차륜
22 : 모터 23 : 휠 구동 유닛
24 : 지지 프레임 25 : 브래킷
26 : 하우징 27 : 출력축
31 : 구동 차륜 32 : 프리 롤러
34 : 주제어 35 : 통신부
36 : 맵 기억부 37 : 경로 작성부
40 : 모션 컨트롤러 41 : 정보 처리부
42 : 환경 정보 처리부 43 : 자기 정보 처리부
44 : 병진 제어부 45 : 회전 제어부
46,47 : 퍼지 처리부 48 : 구동 지령 생성부
50 : 캡슐 프레임 60,70 : 자율 이동 로봇
62,72,74 : 캡슐 프레임 63,64 : 원호
65,66 : 선분 80,82 : 장해물
PMF : 포텐셜 멤버십 펑션 W : 대차 폭
L : 대차의 깊이 Ca : 캡슐 프레임의 폭의 1/2
CR : 대차 중심으로부터 캡슐 프레임의 선분 우단까지의 거리
CL : 대차 중심으로부터 캡슐 프레임의 선분 좌단까지의 거리
Po : 대차 중심 PR,PL : 캡슐 프레임의 선분의 끝점
ro : 장해물 반경 ds : 상호 작용 거리
ω : 각속도 ψ : 방위각
ψro : 대차 정면에 대한 장해물의 방위
ψout : 대차의 병진 방위각
ψL : 끝점(PL)과 대차 중심(Po)으로부터의 장해물 중심으로의 방위각의 차
ψR : 끝점(PR)과 대차 중심(Po)으로부터의 장해물 중심으로의 방위각의 차

Claims (8)

  1. 장해물을 회피하면서 목표 위치까지 자율적으로 이동하는 자율 이동체로서:
    수평면 내에서의 병진과 연직축 주위에서의 회전이 가능한 이동 기구를 구비한 대차와,
    방위각마다 장해물까지의 거리를 구하는 장해물 센서와,
    장해물과의 간섭을 회피하기 위한, 이동체의 병진에 관한 포텐셜 및 이동체의 회전에 관한 포텐셜을 방위각마다의 상기 자율 이동체로부터 장해물까지의 거리에 의거해서 생성하기 위한 포텐셜 생성부와,
    생성한 포텐셜에 의거해서 이동체의 병진 방향과 병진 속도, 및 회전의 방향과 각속도에 관한 제어량을 생성하는 제어량 생성부와,
    생성한 제어량을 합성하여 상기 이동 기구를 구동하는 구동 제어부를 구비하며,
    상기 각 포텐셜은 퍼지 포텐셜법에서의 포텐셜 멤버십 펑션이고, 병진의 포텐셜 멤버십 펑션은 병진의 방위각마다 장해물과의 간섭 정도를 나타내고, 회전의 포텐셜 멤버십 펑션은 회전의 방위각마다 장해물과의 간섭 정도를 나타내는 것을 특징으로 하는 자율 이동체.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어량 생성부는 포텐셜 멤버십 펑션의 값에 의거해서 최고 병진 속도와 최저 병진 속도 사이에서 병진 속도를 결정함과 아울러 최고 각속도와 최저 각속도 사이에서 각속도를 결정하는 것을 특징으로 하는 자율 이동체.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 포텐셜 생성부는 복수개의 장해물 각각에 대해서 병진 및 회전의 포텐셜 멤버십 펑션을 발생시킴과 아울러 목적지로 상기 자율 이동체를 유도하기 위한 병진 및 회전의 포텐셜 멤버십 펑션을 발생시키고, 또한 장해물 각각으로의 포텐셜 멤버십 펑션과 목적지로의 포텐셜 멤버십 펑션을 병진 및 회전에 관해서 각각 합성하는 것을 특징으로 하는 자율 이동체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 병진의 포텐셜 멤버십 펑션의 합성은 복수의 병진의 포텐셜 멤버십 펑션을 합성한 결과로부터 값의 최고값 또는 최소값을 방위각마다 구하는 것이고,
    상기 회전의 포텐셜 멤버십 펑션의 합성은 복수의 회전의 포텐셜 멤버십 펑션을 합성한 결과로부터 값의 최고값 또는 최소값을 방위각마다 구하는 것을 특징으로 하는 자율 이동체.
  6. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 제어량 생성부는 병진에 관한 제어량과 회전에 관한 제어량을 독립적으로 구하는 것을 특징으로 하는 자율 이동체.
  7. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 이동 기구는 차륜의 축과 평행한 방향으로의 회전이 가능한 롤러를 외주에 구비한 구동륜을 3륜 이상 구비하고, 또한 상기 3륜 이상의 구동륜에는 상기 차륜의 축의 방향이 다른 것이 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 자율 이동체.
  8. 장해물을 회피하면서 목표 위치까지 자율적으로 이동하는 자율 이동체를 이동 제어하는 방법으로서:
    상기 이동체는 수평면 내에서의 병진과 연직축 주위에서의 회전이 가능한 이동 기구를 구비함과 아울러,
    상기 이동체는 장해물 센서에 의해 방위각마다 상기 자율 이동체로부터 장해물까지의 거리를 구하고, 장해물과의 간섭을 회피하기 위한 이동체의 병진에 관한 포텐셜 및 이동체의 회전에 관한 포텐셜을 방위각마다의 상기 자율 이동체로부터 장해물까지의 거리에 의거해서 생성하고, 생성한 포텐셜에 의거해서 이동체의 병진 방향과 병진 속도, 및 회전의 방향과 각속도에 관한 제어량을 생성하고, 생성한 제어량을 합성하여 상기 이동 기구를 구동하며,
    상기 각 포텐셜은 퍼지 포텐셜법에서의 포텐셜 멤버십 펑션이고, 병진의 포텐셜 멤버십 펑션은 병진의 방위각마다 장해물과의 간섭 정도를 나타내고, 회전의 포텐셜 멤버십 펑션은 회전의 방위각마다 장해물과의 간섭 정도를 나타내는 것을 특징으로 하는 자율 이동체의 제어 방법.
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