KR101467621B1 - 고소작업대의 직선이동제어 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 인간공학적으로 운전이 간편한 고소작업대의 직선이동 제어 방법 및 장치에 관한 것이다. 좀더 상세하게는, 고소작업대의 운전에 있어서 인간이 익숙한 직각좌표계(Rectangular Coordinate System)의 운전명령을 운전자로부터 입력 받아서 구좌표계(Spherical Coordinate System)의 제어명령으로 변환한 다음에 고소작업대의 구동장치로 출력하는 제어 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명의 제어방법은, 3차원 좌표계의 원점에 해당하는 위치에 일단이 연결되며 길이, 기복각도, 선회각도를 조절 가능한 붐(boom)과 상기 붐의 타단에 연결되며 좌우회전이 가능한 작업대를 포함하는 고소작업대의 제어방법에 있어서, 상기 작업대의 회전각도에 따라 x, y축이 z축을 회전축으로 하여 회전하는 직각좌표계에서 상기 작업대의 목표지점 좌표를 구하고 이를 구좌표로 변환한 정보를 사용하여 제어하는 특징을 가진다.
본 발명의 제어장치는, 3차원 좌표계의 원점에 해당하는 위치에 일단이 연결되며 길이, 기복각도, 선회각도를 조절 가능한 붐(boom)과 상기 붐의 타단에 연결되며 좌우회전이 가능한 작업대를 포함하는 고소작업대의 제어장치에 있어서, 작업대의 회전정보 및 전후, 좌우, 상하 이동정보를 입력하는 제어정보 입력부; 상기 작업대의 회전각도에 따라 x, y축이 z축을 회전축으로 하여 회전하는 직각좌표계에서 상기 제어정보 입력부가 제공하는 정보에 근거하여 상기 작업대의 목표지점 좌표를 연산한 다음에 이를 다시 구좌표로 변환하는 회전좌표 연산부; 및 상기 회전좌표 연산부에서 연산한 결과 정보를 고소작업대의 구동장치에 출력하는 구동정보 출력부;를 포함하는 특징을 가진다.

Description

고소작업대의 직선이동제어 방법 및 장치{Method and Apparatus for Linear-Motion Control of Aerial Work Platform}
본 발명은 인간공학적으로 운전이 간편한 고소작업대의 직선이동 제어 방법 및 장치에 관한 것이다. 좀더 상세하게는, 고소작업대의 운전에 있어서 인간이 익숙한 직각좌표계(Rectangular Coordinate System)의 운전명령을 운전자로부터 입력 받아서 구좌표계(Spherical Coordinate System)의 제어명령으로 변환한 다음에 고소작업대의 구동장치로 출력하는 제어 방법 및 장치에 관한 것이다.
먼저, 의미전달의 혼동을 피하기 위하여 본 명세서에서 사용되는 몇 가지 중요한 용어를 다음과 같이 정의한다. 도1, 도2, 도5 및 도7을 참조하여, 수직축(z축)과 고소작업대 붐(30) 사이의 각도 θ를 ‘기복각도’ 또는 ‘기복각’, 평면도 상에서 본 x축과 붐 사이의 각도 φ를 ‘선회각도’ 또는 ‘선회각’, 평면도 상에서 본 붐과 작업대 후면(또는 전면) 사이의 각도 α를 ‘회전각도’ 또는 ‘회전각’이라고 부르기로 한다. 또, 고소작업대 구동장치 고유의 좌표계를 ‘고정좌표계’, 상기 고정좌표계의 수직축(z축)을 회전축으로 하여 회전하는 좌표계를 ‘회전좌표계’, 현재의 작업대 위치를 나타내는 회전좌표계를 ‘현재 회전좌표계’ 또는 ‘현재좌표계’, 작업대 운전명령을 처리하여 다음의 작업대 위치를 연산하기 위하여 사용되는 회전좌표계를 ‘다음 회전좌표계’또는‘다음좌표계’라고 부르기로 한다.
빌딩건축, 선박건조, 소방구조 등의 다양한 현장에서 대단히 많이 사용되고 있는 고소작업대(또는 사다리 차)는 일종의 크레인으로서, 통상적으로 도1에 보인 바와 같이 지면에 단단히 지지되는 베이스(10), 상기 베이스에 구비되어 z축을 중심으로 좌우로 선회(25) 가능한 턴테이블(20), 상기 턴테이블에 그 일부로서 구비된 붐 연결부(21) 및 유압실린더(22)와 연결됨으로써 상하 기복(26)이 가능하고, 더불어 길이(35)도 신축 가능한 붐(30), 상기 붐의 끝에 구비되어 z’축을 중심으로 좌우방향으로 회전(45)이 가능한 작업대(40)을 포함하여 구성된다. 여기서 상기 베이스는 지면에 반영구적으로 고정되거나, 작업 후 이동이 가능하도록 차량에 설치되며, 작업자(50)가 탑승하는 작업대(40)는 작업자의 안전을 위해 항상 수평을 유지하고 있다.
도2에 보인 바와 같이, 이러한 구조를 가지는 고소작업대는 그 구조상 작업대(또는 붐 끝)의 위치 P가 본질적으로 붐의 길이 r, 기복각 θ, 선회각 φ로 구성되는 구좌표계의 좌표 P(r,θ,φ)로 표현되므로, 종래기술에서는 운전자가 상기 길이 r, 기복각 θ, 선회각 φ, 및 작업대의 회전각 α를 개별적으로 조절하는 제어방법을 사용하였다. 즉 4개의 레버를 사용하거나, 도3에 보인 일례와 같이 2개의 조이스틱을 사용한 HMI(Human Machine Interface)를 통하여 작업대의 위치를 조종하였다.
도3은 종래기술의 전형적인 조이스틱 HMI이다. 도3에서 운전명령을 표현하는 아이콘들은 통상적으로 사용되는 아이콘이 아닌 구좌표계의 좌표요소를 사용하였는데, 이는 운전명령과 실제 제어되는 좌표요소 사이의 상관관계의 이해를 돕기 위함이다. 도3에서 보인 바와 같이 작업대의 회전명령 이외에는 모두 붐의 작동을 제어하는 명령이다. 붐의 작동은 구좌표계 좌표요소를 제어하는 것이므로 작업대의 직선이동과는 직접적인 상관관계가 없다. 또, 예를 들어 두 개의 조이스틱을 모두 1시나 2시 방향으로 조작하였을 경우에 복합적인 운전명령이 발생하는 데, 이러한 복합적인 운전명령의 결과를 운전자가 직관적으로 예측하기가 대단히 어렵다. 따라서 종래기술에서는 이러한 복합적인 운전명령을 사용하지 않고 일련의 단순 운전명령들을 순서대로 사용하는 것이 통상적인 관례여서, 3시, 6시, 9시, 12시 방향으로만 조작이 가능하도록 상기 조이스틱에 기계적인 제한을 가하거나, 조이스틱이 아닌 4개의 레버를 사용한 HMI를 통하여 개별적으로 제어하도록 하고 있다.
또한, 인간의 공간인지능력은 구좌표계가 아니라 직각좌표계에 익숙하므로, 직각좌표로 표현되는 3차원 공간상의 한 지점에서 다른 지점으로 작업대를 직선이동 하고자 할 때 고소작업대의 운전에 많은 어려움이 있었다. 이를 좀더 구체적으로 설명하자면, ‘①운전자의 공간인지능력에 의하여 목표하는 작업대 위치를 3차원 직각좌표로 인지하고, ②두뇌에서 이를 구좌표로 변환한 다음에, ③붐의 길이 r, 기복각 θ, 선회각 φ 및 작업대 회전각 α를 필요한 양만큼 조절’하는 행위를 시행착오적으로 반복함으로써 최종적으로 원하는 목표지점으로 이동하였다. 이때 상기 행위를 시행착오적으로 반복하는 이유는 인간의 공간인지능력이 구좌표계에 익숙하지 않은 점과 직각좌표를 구좌표로 변환하는 과정이 직관적이지 않은 점 때문이다. 즉 운전자의 두뇌가 좌표변환 역할을 함으로써, 운전조작의 반복적 시행착오, 비직선적 공간이동, 공간이동 속도의 저하 및 운전조작 미숙으로 인한 안전사고 발생 등의 문제점들이 상존하였다.
한편, 작업대상 벽면 상의 한 지점에서 목표 지점으로 이동하고자 할 때, 작업대가 상기 벽면의 형상을 자동으로 추적할 수 있어서 상기 벽면과 일정한 거리를 항상 유지할 수 있다면 안전과 효율의 측면에서 바람직하지만, 상기한 운전 및 제어의 어려움 때문에 종래 기술에서는 존재할 수 없었다. 또 다른 바람직한 예를 들자면, 선박이나 건물의 도장작업, 물청소, 용접작업 등을 작업대에 장착된 작업로봇이 수행하게 되면 힘들고 위험한 고소작업을 사람이 하지 않아도 되는 장점이 있으나, 상기한 운전 및 제어의 어려움으로 인하여 작업대의 정교한 위치제어가 불가능하기 때문에 종래 기술에서는 구현될 수 없었다.
전술한 문제점들을 해결하고자 하는 본 발명의 과제는, 도4에 보인 일례와 같이 인간이 익숙한 직각좌표계 운전명령을 사용하여 운전이 가능한 고소작업대의 직선이동 제어 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 또 작업대상 벽면이 곡면이더라도 상기 곡면을 자동으로 추적하여 운전이 가능한 고소작업대의 직선이동 제어 방법 및 장치를 제공하는 것이다. 또 사전에 제공된 도면에 따라 무인작업이 가능한 로봇이 탑재된 고소작업대의 직선이동 제어 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
전술한 과제들을 해결하기 위한 본 발명의 제어방법은, 3차원 좌표계의 원점에 해당하는 위치에 일단이 연결되며 길이, 기복각도, 선회각도를 조절 가능한 붐(boom)과 상기 붐의 타단에 연결되며 좌우회전이 가능한 작업대를 포함하는 고소작업대의 제어방법에 있어서, 상기 작업대의 회전각도에 따라 x, y축이 z축을 회전축으로 하여 회전하는 직각좌표계에서 상기 작업대의 목표지점 좌표를 구하고 이를 구좌표로 변환한 정보를 사용하여 제어하는 특징을 가진다.
또한, 다음의 순차적인 단계들을 포함하는 제어과정을 반복적으로 수행하는 특징을 가진다.
1) 작업대의 회전정보 및 좌우, 전후, 상하 이동정보를 입력하는 단계
2) 현재좌표계에서, 작업대의 현재위치 구좌표를 직각좌표로 변환하는 단계
3) 현재좌표계에서, 작업대 이동정보에 따라 목표지점 직각좌표를 연산하는 단계
4) 현재좌표계에서, 목표지점의 직각좌표를 구좌표로 변환하는 단계
5) 작업대 회전정보에 따라 현재좌표계를 회전하여 다음좌표계를 만들고, 목표지점의 현재좌표계 구좌표를 다음좌표계 구좌표로 변환하는 단계
6) 작업대의 다음좌표계 구좌표를 고정좌표계 구좌표로 변환하는 단계
7) 다음좌표계의 회전각도 값으로 작업대를 회전구동하고, 동시에 고정좌표계의 구좌표 값으로 붐을 구동하여 작업대를 이동하는 단계
8) 다음 제어과정을 준비하는 단계
또한, 다음의 순차적인 단계들을 포함하는 제어과정을 반복적으로 수행하는 특징을 가진다.
1) 작업대의 회전정보 및 좌우, 전후, 상하 이동정보를 입력하는 단계
2) 작업대 회전정보에 따라 현재좌표계를 회전하여 다음좌표계를 만들고, 작업대의 현재좌표계 구좌표를 다음좌표계 구좌표로 변환하는 단계
3) 다음좌표계에서, 작업대의 현재위치 구좌표를 직각좌표로 변환하는 단계
4) 다음좌표계에서, 작업대 이동정보에 따라 목표지점 직각좌표를 연산하는 단계
5) 다음좌표계에서, 목표지점의 직각좌표를 구좌표로 변환하는 단계
6) 작업대의 다음좌표계 구좌표를 고정좌표계 구좌표로 변환하는 단계
7) 다음좌표계의 회전각도 값으로 작업대를 회전구동하고, 동시에 고정좌표계의 구좌표 값으로 붐을 구동하여 작업대를 이동하는 단계
8) 다음 제어과정을 준비하는 단계
한편, 전술한 과제들을 해결하기 위한 본 발명의 제어장치는, 3차원 좌표계의 원점에 해당하는 위치에 일단이 연결되며 길이, 기복각도, 선회각도를 조절 가능한 붐(boom)과 상기 붐의 타단에 연결되며 좌우회전이 가능한 작업대를 포함하는 고소작업대의 제어장치에 있어서, 작업대의 회전정보 및 전후, 좌우, 상하 이동정보를 입력하는 제어정보 입력부; 상기 작업대의 회전각도에 따라 x, y축이 z축을 회전축으로 하여 회전하는 직각좌표계에서 상기 제어정보 입력부가 제공하는 정보에 근거하여 상기 작업대의 목표지점 좌표를 연산한 다음에 이를 다시 구좌표로 변환하는 회전좌표 연산부; 및 상기 회전좌표 연산부에서 연산한 결과 정보를 고소작업대의 구동장치에 출력하는 구동정보 출력부;를 포함하는 특징을 가진다.
또한, 상기 제어장치는 상기 제어정보 입력부의 HMI(Human Machine Interface)는 2 이상의 조이스틱을 포함하되, 제1 조이스틱의 12시 방향에는 ‘작업대 전진’, 6시 방향에는 ‘작업대 후진’, 3시 방향에는 ‘작업대 우회전’, 9시 방향에는 ‘작업대 좌회전’ 제어명령을 할당하고, 제2 조이스틱의 12시 방향에는 ‘작업대 상향 이동’, 6시 방향에는 ‘작업대 하향 이동’, 3시 방향에는 ‘작업대 우로 이동’, 9시 방향에는 ‘작업대 좌로 이동’ 제어명령을 할당한 특징을 더 가진다. 또한, 상기 제어장치는 2 이상의 거리측정수단을 상기 작업대의 전면에 구비하고 각각의 거리측정수단이 측정한 작업대상 벽면까지의 거리가 동일하도록 작업대의 회전을 자동 조절하는 수단을 더 가진다. 또한, 상기 제어장치는 상기 작업대에 구비된 1 이상의 작업로봇과, 컴퓨터 기록매체 형태로 저장된 도면으로부터 추출한 작업정보에 근거하여 상기 작업로봇을 작동하는 로봇 제어수단을 더 가진다.
전술한 과제 해결 수단들에 의해, 인간이 익숙한 직각좌표계 운전명령을 사용하여 고소작업대를 운전할 수 있게 되며, 3차원 공간상의 어떤 지점에서 다른 지점으로 고소작업대를 직선이동을 하고자 할 때 신속하고 정확하며 안전한 이동을 할 수 있게 된다. 또 작업대상 벽면이 곡면이더라도 상기 곡면을 자동으로 추적하여 고소작업대를 이동하는 운전이 가능하게 된다. 또 예를 들어서 선박이나 빌딩의 도장작업, 물청소, 용접작업 등을 하고자 할 때, 작업대에 작업자가 탑승하지 않고도 사전에 제공된 도면에 따라 무인작업이 가능한 고소작업로봇을 제공할 수 있게 된다.
도1은 통상적인 고소작업대의 간략도.
도2는 본 명세서에서 사용되는 구좌표계.
도3은 종래기술의 리모컨 조이스틱 HMI의 일례.
도4는 본 발명의 리모컨 조이스틱 HMI의 일 실시례.
도4는 본 발명의 ‘선이동 후회전’ 제어방법을 설명하기 위한 고소작업대의 평면도.
도6은 본 발명의 ‘선이동 후회전’ 제어방법 순서도.
도7은 본 발명의 ‘선회전 후이동’ 제어방법을 설명하기 위한 고소작업대의 평면도
도8은 본 발명의 ‘선회전 후이동’ 제어방법 순서도
도9는 고소작업대 위치제어 오차의 보정을 설명하기 위한 고소작업대의 단면도.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제공되는 바람직한 실시례를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시례는 본 발명의 보다 쉬운 이해를 위해 제공되는 바, 본 실시례에 의해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 덧붙여서 본 명세서의 설명과 첨부된 도면에서, 동일한 목적과 기능을 가지는 구성요소는 그 구성과 도면이 달라지더라도 가능한 한 동일한 명칭과 도면부호를 가지도록 하여 일관성을 유지하였음을 밝혀둔다.
도4는 본 발명기술 조이스틱 HMI의 일례를 보인 것이다. 도3에 보인 종래기술의 HMI가 구좌표계에서 작업대의 위치를 제어하는 것과는 달리, 도4에 보인 HMI는 모든 운전명령이 3차원 직각좌표계에서 작업대의 위치를 제어한다. 따라서 3차원 직각좌표계에서의 작업대 직선이동과 직접적인 상관관계를 가지게 되어, 고소작업대 운전자에게 인간공학적으로 대단히 직관적인 HMI를 제공한다. 예를 들어서, 두 개의 조이스틱을 모두 1시나 2시 방향으로 조작하였을 경우에 발생하는 복합적인 운전명령의 결과를 운전자가 용이하고도 직관적으로 예측할 수 있다. 이를 좀더 자세히 설명하자면, 도4의 왼쪽 조이스틱은 수평면(xy 평면) 상에서의 작업대의 이동을 제어하며, 오른쪽 조이스틱은 수직면(작업대상 벽면, xz 평면) 상에서의 작업대 이동을 제어한다. 또 조이스틱을 360도 전 방향 중 어느 방향으로 조작하고 얼마나 많이 젖히는 가에 비례해서 작업대가 이동한다. 따라서 전자는 휠체어 또는 자동차의 운전과 유사한 느낌을 제공하고, 후자는 컴퓨터 화면상의 커서 움직임을 제어하는 것 또는 항공기의 조종과 유사한 느낌을 제공한다.
한편 본 발명기술의 고소작업대는 3차원 직교좌표계 공간에서 직선이동을 할 수 있으므로 3차원 공간에서 임의의 궤적을 따라 이동할 수 있으며, 따라서 당연히 2차원 평면 특히 수직평면을 주사(scan)하거나, 상기 2차원 평면상에서 임의의 궤적을 따라 움직일 수 있다. 이는 컴퓨터 프로그램에 의해 고소작업대의 이동을 제어할 수 있음을 의미한다. 따라서 고소작업대에 도료분사, 물 분사, 용접 등을 할 수 있는 작업로봇을 탑재한다면, 컴퓨터 기록매체 형태로 저장된 도면으로부터 추출한 작업정보에 근거하여 작동하는 고소작업로봇에 의한 무인작업이 가능해진다. 더구나 상기 작업로봇은 작업자보다 중량이 적을 수 있으며, 이는 보다 더 적은 비용으로 보다 더 안전하고 보다 더 높이 작업 가능한 고소작업대를 만들 수 있음을 의미한다. 예를 들자면, 기 설치된 대형 입간판에 새로 그림을 그려 넣는 작업을 상상해보거나 선박이나 건물의 도장작업, 세척작업 등을 염두에 둔다면, 이러한 고소작업로봇을 사용한 무인작업의 무한한 유용성에 대해 수긍이 갈 것이다.
3차원 공간에서 어떤 점의 위치(벡터)를 구좌표계에서 표현하는 방식은 구좌표계가 적용되는 기술분야마다 조금씩 다르다. 도2는 본 발명의 명세서에서 사용되는 표현방식을 보인 것이다. 도2에서 x, y, z축은 직각좌표계의 좌표축을 나타낸 것으로서 직각좌표계에서 점 P는 (x, y, z)로 표현되며, 이를 본 명세서에서 사용되는 방식의 구좌표계로 표현하면 (r,θ,φ)가 된다. 이때 두 좌표값 사이의 관계는 다음의 수학식 1, 2로 표현되며, 이는 두 좌표계 사이의 좌표값 변환이 이들 식에 의해 가능함을 의미한다.
Figure 112012036102379-pat00073
Figure 112012036102379-pat00074
Figure 112012036102379-pat00075
Figure 112012036102379-pat00076
Figure 112012036102379-pat00077
Figure 112012036102379-pat00078
도5 및 도7은 본 발명 고소작업대가 회전정보(Δφ) 및 좌우(Δx), 전후(Δy), 상하(Δz) 방향의 이동정보를 입력 받아서, 상기 정보들과 현재위치 좌표로부터 다음에 취해야 할 고소작업대의 자세(회전각)와 위치 좌표를 연산하고 고소작업대의 구동장치에 구동명령을 출력함으로써, 고소작업대가 회전 및 직선 이동하는 상황을 xy평면(지면)에 투사한 평면도이다.
도5 및 도7에서 xF, yF는 고소작업대 구동장치에 의해 정해지는 고유의 좌표계를 나타낸 것으로서 도1에 보인 턴테이블(20)의 회전축을 z축으로 하며 좌표축의 위치가 변하지 않는 고정좌표계이다. 한편 x, y는 현재의 고소작업대 위치를 나타내기 위한 회전좌표계(현재좌표계)이고, xN, yN은 상기 회전정보 및 이동정보를 입력 받아서 회전 및 이동을 한 후, 즉 다음의 고소작업대 위치를 표현하기 위한 회전좌표계(다음좌표계)이다. 이들은 모두 고정좌표계와 동일하게 도1에 보인 턴테이블(20)의 회전축을 z축으로 가지지만, 상기 z축을 회전축으로 하여 좌표계(x, y, xN, yN축)가 회전한다는 점이 상기 고정좌표계와 다르다.
한편, 도5는 현재좌표계에서 작업대 이동정보에 따른 목표지점의 좌표연산을 먼저 처리하고 목표지점에서 작업대 회전정보에 따라 회전좌표계의 회전각 연산을 나중에 처리하는 ‘선이동 후회전’ 경우를 보인 것이고, 도7은 현재좌표계에서 작업대 회전정보에 따른 회전좌표계의 회전각 연산을 먼저 처리하고, 상기 회전각에 따라 회전하여 만든 다음좌표계에서 작업대 이동정보에 따라 목표지점의 좌표연산을 나중에 처리하는 ‘선회전 후이동’ 경우를 보인 것이다. 이러한 연산과정의 우선순위 차이에 의한 작업대 이동궤적의 차이는, 원운동의 경우에 원에 외접하는 다각형과 원에 내접하는 다각형으로 모형화할 수 있다. 이때 작업대 회전정보 및 이동정보의 크기가 충분히 작으면 상기 이동궤적의 차이는 무시될 수 있으며, 상기 정보의 크기가 무한히 작아지면 상기 이동궤적은 모두 원에 수렴한다.
도5 또는 도7에서 보인 바와 같이, 본 발명기술에서 3차원 회전좌표계는 x축이 작업대의 후면(또는 전면)과 항상 평행을 유지하고 y축이 작업대의 측면과 항상 평행을 유지하도록, 작업대의 회전각 α에 따라 x, y축이 z축을 회전축으로 하여 회전한다. 즉 작업대 회전각 α가 변하면, 그에 따라서 3차원 회전좌표계도 z축을 회전축으로 하여 회전한다. 다른 표현을 하자면, 3차원 회전좌표계에서 작업대 회전각 α가 변하면 붐의 선회각 φ도 그에 따라 변하도록 상기 회전좌표계를 회전한다. 따라서 α와 φ는 그 값이 항상 동일하다. 이는 회전좌표계의 y축이 작업대에 탑승한 운전자의 시선방향(고소작업대의 전면이 향하는 방향)과 항상 일치(평행)하도록 회전좌표계가 회전함을 의미한다. 또 운전자의 시선방향이 작업대상 벽면을 향하게 되면, 상기 작업대상 벽면은 언제나 회전좌표계의 xz 평면과 평행하다. 따라서, 고소작업대의 위치를 제어함에 있어서, 언제나 운전자의 관점에서 본 직교좌표계(도4에 보인 조이스틱 HMI 참조) 운전명령을 사용하여 고소작업대가 직선이동 하도록 할 수 있다. 이상이 본 발명사상의 핵심요지이다.
도6 및 도8은 본 발명 제어방법의 순서도를 보인 것으로서, 도6은 ‘선이동 후회전’ 제어과정을 단계별로 나타낸 것이고, 도8은 ‘선회전 후이동’ 제어과정을 단계별로 나타낸 것이다. 여기서 상기 제어과정은 단 한번만 수행되는 것이 아니고, 끊임없이 반복적으로 수행됨에 유의해야 한다. 이하 각각의 제어과정의 각 단계별로 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 전술한 바와 같이 회전좌표계에서 α와 φ는 그 값이 항상 동일하므로, 작업대의 회전각 또는 붐의 선회각을 의미하는 기호를 φ로 통일하여 사용하기로 한다.
[‘선이동 후회전’ 제어과정]
1) 작업대의 회전정보(Δφ) 및 좌우(Δx), 전후(Δy), 상하(Δz) 이동정보를 입력하는 단계 - 고소작업대에 작업자가 탑승하는 유인작업의 경우에는, 도4에 일례로 보인 조이스틱 HMI 또는 그와 유사한 HMI로부터 상기 4가지 정보를 입력할 수 있다. 선박이나 건물의 도장작업, 물청소작업, 용접작업 등의 용도에서 고소작업대에 작업로봇을 탑재하여 무인작업을 할 경우에는 컴퓨터 기록매체 형태로 저장된 도면으로부터 추출한 작업정보를 사용하여 상기 4가지 정보를 입력할 수 있다. 한편, 외부로부터 입력되는 작업대의 이동정보가 위치제어 오차를 발생할 만큼 충분히 클 경우에는 보간법(interpolation)을 사용하여 충분히 작은 값으로 나눈 것을 상기 단계의 입력정보로서 사용한다.
2) 현재좌표계에서, 작업대의 현재위치 구좌표를 직각좌표로 변환하는 단계 - 현재좌표계에서, 작업대의 현재위치 구좌표가 P1(r1,θ1,φ1)라 하고, 이것의 직각좌표를 P1(x1,y1,z1)라 하면, 직각좌표의 각 요소는 수학식 1에 의해
Figure 112012036102379-pat00079
,
Figure 112012036102379-pat00080
,
Figure 112012036102379-pat00081
로 연산된다.
3) 현재좌표계에서, 작업대 이동정보에 따라 목표지점 직각좌표를 연산하는 단계 - 현재좌표계에서, 작업대의 목표지점 직각좌표를 P2(x2,y2,z2)라 하면, x2=x1+Δx, y2=y1+Δy, z2=z1+Δz로 연산된다.
4) 현재좌표계에서, 목표지점의 직각좌표를 구좌표로 변환하는 단계 - 현재좌표계에서, 작업대의 목표지점 구좌표를 P2(r2,θ2,φ2)라 하면, 수학식 2에 의해
Figure 112012036102379-pat00082
,
Figure 112012036102379-pat00083
,
Figure 112012036102379-pat00084
로 연산된다. 이때 arctan 값의 계산에 있어서, x2, y2 값의 극성에 주의해서 arctan 값을 계산하여야 한다.
5) 작업대 회전정보(Δφ)에 따라 현재좌표계를 회전하여 다음좌표계를 만들고, 목표지점의 현재좌표계 구좌표를 다음좌표계 구좌표로 변환하는 단계 - 구좌표계를 z축을 회전축으로 하여 회전하면 φ 값의 변화만 발생한다. 따라서 다음좌표계 구좌표 P2(rN,θN,φN)는 rN=r2, θN=θ2, φN=φ2+Δφ로 연산된다.
6) 작업대의 다음좌표계 구좌표를 고정좌표계 구좌표로 변환하는 단계 - 5단계에서와 동일한 원리에 의해 고정좌표계 구좌표
Figure 112012036102379-pat00085
는
Figure 112012036102379-pat00086
,
Figure 112012036102379-pat00087
,
Figure 112012036102379-pat00088
로 연산되고 φ0N 값은 φ0-Δφ가 된다.
7) 다음좌표계의 회전각도(φN) 값으로 작업대를 회전구동하고, 동시에 고정좌표계의 구좌표 P2(rF, θF, φF) 값으로 붐을 구동하여 작업대를 이동하는 단계 - 이 단계에서 고소작업대의 구동장치가 실제로 구동된다.
8) 다음 제어과정을 준비하는 단계 - 고소작업대가 이동한 결과를 다음 번의 제어과정에서 현재좌표계 좌표값으로 사용하기 위한 준비작업을 한다.
Figure 112012036102379-pat00089
,
Figure 112012036102379-pat00090
,
Figure 112012036102379-pat00091
,
Figure 112012036102379-pat00092
으로 설정된다.
[‘선회전 후이동’ 제어과정]
1) 작업대의 회전정보(Δφ) 및 좌우(Δx), 전후(Δy), 상하(Δz) 이동정보를 입력하는 단계 - ‘선이동 후회전’ 제어과정과 동일하다.
2) 작업대 회전정보(Δφ)에 따라 현재좌표계를 회전하여 다음좌표계를 만들고, 작업대의 현재좌표계 구좌표를 다음좌표계 구좌표로 변환하는 단계 - 구좌표계를 z축을 회전축으로 하여 회전하면 φ요소 값의 변화만 발생한다. 따라서 현재좌표계에서 작업대의 현재위치 구좌표를 P1(r1,θ1,φ1)라 하면, 현재좌표계를 z축을 회전축으로 하여 Δφ만큼 회전한 다음좌표계에서 이것의 구좌표
Figure 112012036102379-pat00093
는
Figure 112012036102379-pat00094
,
Figure 112012036102379-pat00095
,
Figure 112012036102379-pat00096
로 연산된다.
3) 다음좌표계에서, 작업대의 현재위치 구좌표를 직각좌표로 변환하는 단계 - 다음 회전좌표계에서, 작업대의 현재위치 직각좌표
Figure 112012036102379-pat00097
의 각 요소는 수학식 1에 의해
Figure 112012036102379-pat00098
,
Figure 112012036102379-pat00099
,
Figure 112012036102379-pat00100
으로 연산된다.
4) 다음좌표계에서, 작업대 이동정보에 따라 목표지점 직각좌표를 연산하는 단계 - 다음 회전좌표계에서, 작업대의 목표지점 직각좌표
Figure 112012036102379-pat00101
는
Figure 112012036102379-pat00102
,
Figure 112012036102379-pat00103
,
Figure 112012036102379-pat00104
으로 연산된다.
5) 다음좌표계에서, 목표지점의 직각좌표를 구좌표로 변환하는 단계 - 다음 회전좌표계에서, 작업대의 목표지점 구좌표
Figure 112012036102379-pat00105
는 수학식 2에 의해
Figure 112012036102379-pat00106
,
Figure 112012036102379-pat00107
,
Figure 112012036102379-pat00108
로 연산된다. 이때 arctan 값의 계산에 있어서, xN, yN 값의 극성에 주의해서 arctan 값을 계산하여야 한다.
6) 작업대의 다음좌표계 구좌표를 고정좌표계 구좌표로 변환하는 단계 - 구좌표계를 z축을 회전축으로 하여 회전하면 φ 값의 변화만 발생한다. 따라서 고정좌표계 구좌표
Figure 112012036102379-pat00109
는
Figure 112012036102379-pat00110
,
Figure 112012036102379-pat00111
,
Figure 112012036102379-pat00112
로 연산되고 φ0N 값은 φ0-Δφ가 된다.
7) 다음좌표계의 회전각도(φN) 값으로 작업대를 회전구동하고, 동시에 고정좌표계의 구좌표 P2(rF,θF,φF) 값으로 붐을 구동하여 작업대를 이동하는 단계 - ‘선이동 후회전’ 제어과정과 동일하다.
8) 다음 제어과정을 준비하는 단계 - ‘선이동 후회전’ 제어과정과 동일하다.
여기서 밝혀둘 것은, 단 한번의 목표지점 좌표 연산과정에 의해 상기 작업대가 현재위치로부터 최종 목표지점까지 이동하는 것이 아니라는 점이다. 고소작업대 구동장치의 반응시간에 대해 생각해보기로 한다. 본 발명의 제어장치가 상기의 제어과정에 의해 연산된 작업대 회전각도 φN 과 목표지점의 좌표값 rF, θF, φF을 출력하면, 상기 4가지 파라미터 각각의 구동수단이 작동을 시작한다. 유압실린더를 상기 구동수단의 예로 들자면, 유압실린더에 작동유가 공급되기 시작한다. 그러나 각각의 유압실린더는 그 길이와 직경이 다를 것이므로, 단위 시간당 동일한 양의 작동유가 공급되더라도 최종적으로 목표하는 길이만큼 유압실린더가 신축되는 시간(반응시간)은 모두 다르다. 따라서 반응시간이 작은 유압실린더부터 차례로 최종 목표치에 도달하며, 이는 구동장치 설계에 따라 모두 개개의 반응시간뿐만 아니라 유압실린더 구동순서도 다름을 의미한다.
따라서, 만약 단 한번의 좌표 연산과정에 의해 먼 거리를 이동하게 되면, 이동구간 중간 점들의 좌표 값이 결정되지 않으므로 작업대는 운전자가 원하는 경로를 따르는 매끄러운 이동을 할 수 없다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는, 현재위치와 최종 목표지점 사이를 연결하는 직선구간을 다수의 미소 직선구간으로 나누어서, 각각의 미소 직선구간에 의해 설정된 목표지점 좌표의 연산과정을 반복하면서 고소작업대가 제어되어야 한다. 상기 미소 직선구간의 크기가 작을 수록 더욱 더 매끄러운 직선경로를 따라 작업대가 이동하게 된다. 또 버튼이나 조이스틱 등의 입력장치를 사용해서 고소작업대를 운전하는 경우에, 상기 입력장치에 의해 발생하는 운전정보는 현재 위치에 대한 위치의 상대적 미소증분이며 절대적 각도나 위치좌표가 아님에 유의해야 한다. 통상적으로 PLC(Programmable Logic Controller) 또는 그와 유사한 기능을 가지는 전자제어장치는 주기적으로 제어과정을 반복하므로, 상기 미소증분은 단위 시간(제어주기)당 미소증분, 즉 고소작업대의 속도정보에 해당한다. 한편, 상기한 미소 직선구간(증분)의 크기가 충분히 작을 경우에는, 수학식 1, 2 대신에 미분 관계식 형태로 표현된 아래의 수학식 3, 4를 좌표 연산과정에 적용할 수 있다.
Figure 112012036102379-pat00113
Figure 112012036102379-pat00114
전술한 발명기술 설명들은, 도1에 보인 고소작업대의 작동을 도2의 구좌표계로 모형화할 수 있음을 가정한 것이다. 즉, 도2의 구좌표계는 원점 O에서 고소작업대의 기복각을 조절하는 회전축(31)과 선회각을 조절하는 회전축(z축)이 만나는 것을 가정하고 있다. 그러나 기계 구조상의 한계 때문에 도1에 보인 바와 같이 선회각을 조절하는 턴테이블(20)에 단단히 고정된 붐 연결부(21)의 상부에 구비된 회전축(31)에서 통상적으로 붐이 연결되어 기복각이 조절된다. 따라서 도1에 보인 고소작업대의 작동을 도2의 구좌표계로 모형화한 것은 실제 제어 시에 작업대의 위치제어 오차를 발생한다. 도8은 위치제어 오차의 보정을 설명하기 위한 개념도로서 도2의 wz 평면에서 본 고소작업대의 단면도이다. 여기서 벡터 P(w, z), P 1(w1, z1), P 2(w2, z2) 사이에는
Figure 112012036102379-pat00115
의 관계식이 성립하며, 따라서 2차원 직각좌표계에서
Figure 112012036102379-pat00116
,
Figure 112012036102379-pat00117
이 된다. 이것을 다시 구좌표계의 좌표값으로 표현하면
Figure 112012036102379-pat00118
,
Figure 112012036102379-pat00119
이 된다. 이 연립방정식을 r, θ에 대해 풀면 수학식 5가 되고, r2 및 θ2에 대해 풀면 수학식 6이 되는데, 이들은 wz 평면에서 해석한 결과이므로 구좌표계의 φ 좌표값에 무관하게 항상 성립한다.
Figure 112012036102379-pat00120
Figure 112012036102379-pat00121
Figure 112012036102379-pat00122
Figure 112012036102379-pat00123
여기서 붐 연결부(21)의 길이 r1 및 기복각 θ1은 상수이므로, 붐의 길이 r2 및 붐의 기복각 θ2을 알면(측정하면), 실제 위치벡터 P의 좌표 값을 구할 수 있다. 또 도5 내지 도8에서의 제어방법에 보인 좌표변환 및 연산단계에서 실제 위치벡터를 적용한 후, 최종적으로 상기 6식을 사용하여 붐의 길이 및 기복각을 구하고 이를 붐 구동장치에 출력함으로써 위치오차 없이 고소작업대를 제어할 수 있다.
통상적인 고소작업의 예를 들자면, 운전자는 고소작업대를 작업대상 벽면의 한 지점에 최대한 가까이 접근하도록 운전한 후에 작업을 시작한다. 이후 다른 작업지점으로의 이동은 작업대상 벽면 상의 다른 지점이므로 좌우(x축) 또는 상하(z축) 방향의 이동만을 하게 된다. 이상에서 설명한 본 발명기술은 이에 최적화되어 있다. 그러나 최초에 운전자가 작업대상 벽면에 고소작업대를 접근시킬 때, 작업대상 벽면과 고소작업대가 정확히 평행을 이루도록 운전을 하기는 어렵다. 즉 평행면과 약간의 각도 오차가 존재한다. 더군다나 작업대상 벽면이 완만한 곡면을 이루고 있을 경우에는 최초에 정확한 평행을 유지하였다고 하더라도, 이후에 좌우 또는 상하 이동운전을 하게 되면 고소작업대가 작업대상 벽면과 멀어지거나 충돌하게 된다. 따라서 이를 방지하기 위한 수단이 추가적으로 필요하다.
이는 비교적 손쉽게 구현 가능하다. 즉 작업대의 전면에 2 이상의 거리감지수단을 구비하고 상기 거리감지수단 각각이 감지한 작업대상 벽면과의 거리가 동일하도록 고소작업대를 제어하면 된다. 예를 들어서 작업대상 벽면이 좌우방향으로 완만한 곡면을 이룰 경우에 작업대의 전면에 수평방향으로 2 이상의 거리감지수단을 배열한 후에 매회의 제어과정마다 각각의 거리감지수단이 감지한 거리가 동일하도록 고소작업대의 회전각도를 미세하게 조절하면 작업대상 벽면 추적기능을 구현할 수 있다.
또 작업대상 벽면이 상하방향으로 완만한 곡면을 이룰 경우에는 작업대의 전면에 수직방향으로 2 이상의 거리감지수단을 배열함으로써 해결 가능하다. 이때 유인작업의 경우에는 안전을 위해 작업대의 수평유지기능을 유지해야 하므로, 각각의 거리감지수단이 감지한 거리 사이에, 사전 또는 운전 중에 정해지는 일정한 값의 차이를 유지하도록 해야 하며, 작업로봇을 사용한 무인작업의 경우에는 작업대의 수평유지기능을 해제하여 상하방향으로도 작업대의 회전이 가능하도록 할 수도 있다. 또 고소작업대상 벽면이 천장일 경우에는 고소작업대의 상면에 2 이상의 거리감지수단을 배열하고 유사한 방법으로 고소작업대를 제어하면 된다.
이상으로 본 발명의 구성과 그에 따른 바람직한 실시례에 대한 상세한 설명을 마치며, 본 발명은 전술한 바람직한 실시례에만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 개량, 변경, 대체 또는 부가하여 실시할 수 있는 것임을 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 한편, ‘포함하다’ 또는 ‘포함하는’의 표현은 본 발명의 요지와 직접적인 관련이 없는 구성요소가 포함되는 것을 배제하지 않으려는 의도임을 밝혀둔다.
10 베이스
20 턴테이블
21 붐 연결부
26 붐 기복각도
30 붐
31 붐 기복 회전축
35 붐 길이
40 (고소)작업대
50 작업자, 운전자
60 고소작업대의 이동경로

Claims (7)

  1. 3차원 좌표계의 원점에 해당하는 위치에 일단이 연결되며 길이, 기복각도, 선회각도를 조절 가능한 붐(boom)과 상기 붐의 타단에 연결되며 좌우회전이 가능한 작업대를 포함하는 고소작업대의 제어방법에 있어서, 상기 작업대에 탑승한 운전자의 시선방향(작업대의 전면이 향하는 방향)과 x 또는 y축의 방향이 일치하도록, z축을 회전축으로 하여 좌표계가 회전하는 회전좌표계에서, 상기 운전자의 운전명령에 따라 상기 작업대의 목표지점 좌표값을 구한 다음에, 이를 고소작업대 고유의 고정좌표계의 좌표값으로 변환한 정보를 사용하여 상기 고소작업대를 구동하는 특징을 가진 고소작업대의 직선이동 제어방법.
  2. 3차원 좌표계의 원점에 해당하는 위치에 일단이 연결되며 길이, 기복각도, 선회각도를 조절 가능한 붐(boom)과 상기 붐의 타단에 연결되며 좌우회전이 가능한 작업대를 포함하는 고소작업대의 제어방법에 있어서, 다음의 순차적인 단계들을 포함하는 제어과정을 반복적으로 수행하는 고소작업대의 직선이동 제어방법.
    1) 작업대의 회전정보 및 좌우, 전후, 상하 이동정보를 입력하는 단계
    2) 현재좌표계에서, 작업대의 현재위치 구좌표를 직각좌표로 변환하는 단계
    3) 현재좌표계에서, 작업대 이동정보에 따라 목표지점 직각좌표를 연산하는 단계
    4) 현재좌표계에서, 목표지점의 직각좌표를 구좌표로 변환하는 단계
    5) 작업대 회전정보에 따라 현재좌표계를 회전하여 다음좌표계를 만들고, 목표지점의 현재좌표계 구좌표를 다음좌표계 구좌표로 변환하는 단계
    6) 작업대의 다음좌표계 구좌표를 고정좌표계 구좌표로 변환하는 단계
    7) 다음좌표계의 회전각도 값으로 작업대를 회전구동하고, 동시에 고정좌표계의 구좌표 값으로 붐을 구동하여 작업대를 이동하는 단계
    8) 다음 제어과정을 준비하는 단계
  3. 3차원 좌표계의 원점에 해당하는 위치에 일단이 연결되며 길이, 기복각도, 선회각도를 조절 가능한 붐(boom)과 상기 붐의 타단에 연결되며 좌우회전이 가능한 작업대를 포함하는 고소작업대의 제어방법에 있어서, 다음의 순차적인 단계들을 포함하는 제어과정을 반복적으로 수행하는 고소작업대의 직선이동 제어방법.
    1) 작업대의 회전정보 및 좌우, 전후, 상하 이동정보를 입력하는 단계
    2) 작업대 회전정보에 따라 현재좌표계를 회전하여 다음좌표계를 만들고, 작업대의 현재좌표계 구좌표를 다음좌표계 구좌표로 변환하는 단계
    3) 다음좌표계에서, 작업대의 현재위치 구좌표를 직각좌표로 변환하는 단계
    4) 다음좌표계에서, 작업대 이동정보에 따라 목표지점 직각좌표를 연산하는 단계
    5) 다음좌표계에서, 목표지점의 직각좌표를 구좌표로 변환하는 단계
    6) 작업대의 다음좌표계 구좌표를 고정좌표계 구좌표로 변환하는 단계
    7) 다음좌표계의 회전각도 값으로 작업대를 회전구동하고, 동시에 고정좌표계의 구좌표 값으로 붐을 구동하여 작업대를 이동하는 단계
    8) 다음 제어과정을 준비하는 단계
  4. 3차원 좌표계의 원점에 해당하는 위치에 일단이 연결되며 길이, 기복각도, 선회각도를 조절 가능한 붐(boom)과 상기 붐의 타단에 연결되며 좌우회전이 가능한 작업대를 포함하는 고소작업대의 제어장치에 있어서, 작업대의 회전정보 및 전후, 좌우, 상하 이동정보를 입력하는 제어정보 입력부; 상기 작업대에 탑승한 운전자의 시선방향(작업대의 전면이 향하는 방향)과 x 또는 y축의 방향이 일치하도록, z축을 회전축으로 하여 좌표계가 회전하는 회전좌표계에서, 상기 제어정보 입력부가 제공하는 정보에 따라 상기 작업대의 목표지점 좌표값을 구한 다음에, 이를 고소작업대 고유의 고정좌표계의 좌표값으로 변환하는 회전좌표 연산부; 및 상기 회전좌표 연산부에서 연산한 결과 정보를 고소작업대의 구동장치에 출력하는 구동정보 출력부;를 포함하는 특징을 가진 고소작업대의 직선이동 제어장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제어정보 입력부의 HMI(Human Machine Interface)는 2 이상의 조이스틱을 포함하되, 제1 조이스틱의 12시 방향에는 ‘작업대 전진’, 6시 방향에는 ‘작업대 후진’, 3시 방향에는 ‘작업대 우회전’, 9시 방향에는 ‘작업대 좌회전’ 제어명령을 할당하고, 제2 조이스틱의 12시 방향에는 ‘작업대 상향 이동’, 6시 방향에는 ‘작업대 하향 이동’, 3시 방향에는 ‘작업대 우로 이동’, 9시 방향에는 ‘작업대 좌로 이동’ 제어명령을 할당한 특징을 가지는 고소작업대의 직선이동 제어장치.
  6. 제4항에 있어서, 2 이상의 거리측정수단을 상기 작업대의 전면에 구비하고 각각의 거리측정수단이 측정한 작업대상 벽면까지의 거리가 동일하도록 작업대의 회전을 자동 조절하는 수단을 더 가지는 고소작업대의 직선이동 제어장치.
  7. 제4항에 있어서, 상기 작업대에 구비된 1 이상의 작업로봇과, 컴퓨터 기록매체 형태로 저장된 도면으로부터 추출한 작업정보에 근거하여 상기 작업로봇을 작동하는 로봇 제어수단을 더 가지는 고소작업대의 직선이동 제어장치.
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