KR101496445B1

KR101496445B1 - 이동 로봇의 위치 및 자세 인식 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101496445B1
Application number: KR1020130040358A
Authority: KR
Inventors: 박일환; 김호경; 이동훈
Original assignee: 에스티엑스조선해양 주식회사
Priority date: 2013-04-12
Filing date: 2013-04-12
Publication date: 2015-03-02
Also published as: KR20140123629A

Abstract

이동 로봇의 위치 및 자세 인식 장치 및 방법에 관한 것으로, 위치 인식에 필요한 절대좌표의 기준이 되는 기준고정대; 상기 기준 고정대에 고정 설치되며 이동 물체의 회전각을 산출하는 제1 엔코더 유닛; 작업장 내부를 자유롭게 이동하는 이동 로봇; 상기 이동 로봇에 고정 설치되는 제2 엔코더 유닛; 상기 제1 엔코더 유닛과 제2 엔코더 유닛 사이를 연결하는 와이어로 구성된 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 고가의 센싱장비 및 통신장비 없이 상기 이동 로봇의 위치와 자세를 용이하게 파악할 수 있는 효과가 있다.

Description

이동 로봇의 위치 및 자세 인식 장치 및 방법{POSITION RECOGNITION WITH POSTURE APPARATUS OF MOBIL ROBOT AND METHOD}

본 발명은 이동 로봇의 위치 및 자세 인식 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 작업장 내에서 자율 이동하는 이동 로봇의 위치 및 자세 파악을 고가의 센서장비 없이 정확하고 용이하게 판단할 수 있는 이동 로봇의 위치 및 자세 인식 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로,

선박을 구성하는 선체는 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 완성할 수 있다.

그리고 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. 이에 따라, 블록 내부에서 다양하게 수행되는 작업이 용이하게 이루어지도록 작업에 필요한 장치를 블록의 내부에서 원하는 위치로 자유롭게 이동시키는 장치가 필요하게 되었다.

최근에는 블록의 내부에서 자유롭게 이동하는 장치로서 이동 로봇을 사용하고 있다.

그리고, 상기 이동 로봇을 제어하기 위해서는 상기 이동 로봇의 위치 및 자세를 감지해야 한다.

즉, 상기 이동 로봇의 위치 및 자세를 감지하기 위한 구성요소로서, RF 통신을 이용한 복합센서, 초음파센서, 레이저센서, 자이로센서 등을 사용하고 있다.

그런데, 종래기술에 적용된 복합센서의 경우에는 통신환경에 따른 노이즈로 인해 정밀한 위치 추적이 어려웠으며, 초음파 및 레이져센서의 경우에는 주변에 벽또는 장애물이 존재하지 않는 작업 영역에서는 센싱을 할 수 없고, 주변 불빛에 민감하게 반응하여 정확한 위치 추적이 어려웠다.

또한, 자이로센서의 경우에는 주변 환경의 온도 및 진동에 민감하게 반응할 뿐만 아니라, 고가로서 구입단가가 높은 단점이 있었다.

한국등록특허공보 제0647461호(2006.11.13)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 발명의 목적은 작업장 내에서 자율 이동하는 이동 로봇의 위치 및 자세 파악을 고가의 센서장비 없이 정확하고 용이하게 판단할 수 있는 이동 로봇의 위치 및 자세 인식 장치 및 방법을 제공하는데 있다.

전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 이동 로봇의 위치 및 자세 인식 장치는, 위치 인식에 필요한 절대좌표의 기준이 되는 기준고정대; 상기 기준 고정대에 고정 설치되며 이동 물체의 회전각을 산출하는 제1 엔코더 유닛; 작업장 내부를 자유롭게 이동하는 이동 로봇; 상기 이동 로봇에 고정 설치되는 제2 엔코더 유닛; 상기 제1 엔코더 유닛과 제2 엔코더 유닛 사이를 연결하는 와이어로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 엔코더 유닛 또는 제2 엔코더 유닛에는 상기 와이어의 이동 길이를 산출하는 와이어 센서를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 제1 엔코더 유닛 및 제2 엔코더 유닛은 설치공간부를 형성한 케이스 본체와, 상기 케이스 본체의 상부에 설치되며 원주방향으로 회전하는 턴 테이블과, 상기 설치공간부 내에 위치하고 상기 턴 테이블과 결합되는 회전결합부의 움직임에 따른 회전각을 산출하는 중공의 로터리 엔코더와, 상기 턴 테이블의 상면에 설치되며 상기 와이어의 인출 및 회전 방향을 용이하게 안내하는 가이드 덮개로 구성된 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 중공의 로터리 엔코더와 턴 테이블 사이에는 베어링이 개재되는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 제1 엔코더 유닛 및 제2 엔코더 유닛의 구성요소인 턴 테이블에는 상기 중공의 로터리 엔코더를 관통하여 이동하는 와이어의 방향전환 및 원활하게 인출될 수 있도록 안내하는 제1 가이드롤러가 설치된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가이드 덮개에는 상기 제1 가이드롤러를 따라 이동하는 와이어의 이탈을 방지하며 탄력적인 장력을 유지할 수 있도록 안내하는 제2 가이드롤러가 설치된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 기준고정대는 이동 로봇의 종류별 높낮이 차이에 대응하여 높낮이를 조절이 가능한 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명에 따른 이동 로봇의 위치 및 자세 인식 방법은 기준고정대로부터 이동 로봇까지의 거리를 와이어 센서에 의해 검출하는 거리측정단계; 상기 거리측정단계 후 상기 기준고정대를 기준으로 이동 로봇의 평면 위치를 판단하는 이동 로봇의 위치를 산출단계; 및 상기 이동 로봇의 위치 산출단계 후 이동 로봇의 자세를 산출하는 이동 로봇의 자세 산출단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

전술한 바와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 기준고정대에 설치되는 제1 엔코더 유닛, 이동 로봇에 설치되는 제2 엔코더 유닛 및 상기 제1 엔코더 유닛과 제2 엔코더 유닛 사이를 연결하는 와이어를 구성함으로써, 고가의 센싱장비 및 통신장비 없이 상기 이동 로봇의 위치와 자세를 용이하게 파악할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이동 로봇의 위치 및 자세 인식 장치를 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 기준고정대 및 제1 엔코더 유닛을 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 1의 이동 로봇 및 제2 엔코더 유닛을 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 1의 제1 엔코더 유닛 및 제2 엔코더 유닛의 구성을 나타낸 단면도이다.
도 5는 도 1의 이동 로봇의 위치 및 자세 인식을 나타낸 평면좌표이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 이동 로봇의 위치 및 자세 인식 방법을 나타낸 순서도이다.

이하, 첨부된 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 이동 로봇의 위치 및 자세 인식 장치는 위치 인식에 필요한 절대좌표의 기준이 되는 기준고정대(100)와, 상기 기준고정대(100)에 고정 설치되며 이동 물체의 회전각을 산출하는 제1 엔코더 유닛(200)과, 작업장 내부를 자유롭게 이동하는 이동 로봇(300)과, 상기 이동 로봇(300)에 고정 설치되는 제2 엔코더 유닛(400)과, 상기 제1 엔코더 유닛(200)과 제2 엔코더 유닛(400) 사이를 연결하는 와이어(500)로 구성된 것을 특징으로 한다.

먼저, 상기 기준고정대(100)는 작업장 내의 일측에 세워지는 수직 부재로서, 후술할 이동 로봇(300)의 위치를 파악하기 위한 절대좌표(x,y)의 기준 역할을 수행한다.

즉, 상기 이동 로봇(300)은 이동하더라도 상기 기준고정대(100)는 이동하지 않도록 바닥면에 고정시켜야한다.

또한, 상기 기준고정대(100)의 내부에는 상기 이동 로봇의 이동방향에 따라 후술할 와이어(500)를 풀거나 감는 방향으로 회전하는 권취롤러(미도시)가 장착된다.

아울러, 상기 기준고정대(100)는 이동 로봇(300)의 크기 및 종류별 높낮이 차이에 대응하여 높낮이 조절이 가능한 구조로 제작하는 것이 바람직하다.

이를 위해, 상기 기준고정대(100)는 일정 길이로 연장형성되는 제1 수직부재(110)와 상기 제1 수직부재(110)의 길이방향에 대하여 슬라이드 이동하는 제2 수직부재(120)와, 상기 제2 수직부재(120)의 이동거리를 규제하는 고정부재(130)로 이루어진다.

상기 제1 엔코더 유닛(200)은 상기 기준고정대(100)에 고정 설치되는 것으로, 와이어(500)의 회전각을 산출하는 역할을 수행한다.

즉, 제1 엔코더 유닛(200)은 기준고정대(100)의 절대좌표를 기준으로 상기 와이어(500)의 회전각에 따른 이동 로봇(300)의 지역좌표를 측정할 수 있다.

구체적으로, 상기 제1 엔코더 유닛(200)은 설치공간부를 형성한 케이스 본체(210)와, 상기 케이스 본체(210)의 상부에 설치되며 원주방향으로 회전하는 턴 테이블(220)과, 상기 설치공간부 내에 위치하고 상기 턴 테이블(220)과 결합되는 회전결합부(231)의 움직임에 따른 회전각을 산출하는 중공의 로터리 엔코더(230)와, 상기 턴 테이블(220)의 상면에 설치되며 상기 와이어(500)의 인출 및 회전 방향을 용이하게 안내하는 가이드 덮개(240)로 구성된다.

즉, 상기 제1 엔코더 유닛(200)은 상기 턴 테이블(220)의 회전시 상기 중공의 로터리 엔코더(230)가 턴 테이블(220)의 회전각 또는 회전량에 따른 각도변화를 산출하게 된다.

또한, 상기 중공의 로터리 엔코더(230)와 턴 테이블(220) 사이에는 상호 간의 회전 마찰을 줄이기 위한 베어링(250)이 설치된다.

한편, 상기 이동 로봇(300)은 작업장 내부를 자유롭게 이동하는 것으로, 작업자 대신 해당 공정의 작업을 수행한다.

이러한 상기 이동 로봇(300)은 지면에 대하여 구름 이동이 가능한 바퀴 또는 궤도를 구성한 공지된 기술이므로 그 구체적인 구성 및 작용 설명은 생략한다.

상기 제2 엔코더 유닛(400)은 상기 이동 로봇(300)에 고정 설치되는 것으로, 상기 이동 로봇(300)의 현 자세를 감지하는 역할을 수행한다.

상기 제2 엔코더 유닛(400) 역시 앞서 설명한 제1 엔코더 유닛(200)과 동일한 구성을 가지는 설치공간부를 형성한 케이스 본체(410)와, 상기 케이스 본체(410)의 상부에 설치되며 원주방향으로 회전하는 턴 테이블(420)과, 상기 설치공간부 내에 위치하고 상기 턴 테이블(420)과 결합되는 회전결합부(431)의 움직임에 따른 회전각을 산출하는 중공의 로터리 엔코더(430)와, 상기 턴 테이블(420)의 상면에 설치되며 상기 와이어(500)의 인출 및 회전 방향을 용이하게 안내하는 가이드 덮개(440)로 이루어진다.

아울러, 상기 제1 엔코더 유닛(200) 또는 제2 엔코더 유닛(400)에는 상기 와이어의 이동 길이를 산출하는 와이어 센서(260,460)가 설치된다.

또한, 상기 제1 엔코더 유닛(200) 및 제2 엔코더 유닛(400)의 구성요소인 턴 테이블(220,420)에는 상기 중공의 로터리 엔코더(230,430)를 관통하여 이동하는 와이어(500)의 방향전환 및 원활하게 인출될 수 있도록 안내하는 제1 가이드롤러(270,470)가 설치된다.

상기 제1 가이드롤러(270,470)는 일정 간격을 두고 배치되는 한 쌍의 구성으로 이루어진다.

그리고, 상기 가이드 덮개(240,440)에는 상기 제1 가이드롤러(270,470)에 의해 이동하는 와이어(500)의 이탈을 방지하며 탄력적인 장력을 유지할 수 있도록 안내하는 제2 가이드롤러(280,480)가 설치된다.

구체적으로 상기 제2 가이드롤러(280,480)는 상기 한 쌍의 제1 가이드롤러(270,470) 사이에 위치하는 가압롤러(281,481)와, 상기 가압롤러(281,481)와 가이드 덮개(240,440) 사이에 개재되는 스프링(282,482)으로 구성된다.

이러한 상기 가이드 덮개(240,440)는 턴 테이블(220,420)에 대하여 개폐가능하도록 회전방향으로 일단이 힌지결합된다.

한편, 상기 와이어(500)는 상기 제1 엔코더 유닛(200)과 제2 엔코더 유닛(400) 사이를 연결하는 것으로, 상기 기준고정대(100)와 이동 로봇(300) 간의 거리, 위치 및 자세를 산출할 수 있도록 안내하는 도구이다.

예컨대, 상기 기준고정대(100)로부터 이동 로봇(300)까지의 거리(L)는 상기 와이어 센서(260,460)로부터 검출할 수 있으며, 상기 기준고정대(100)로부터 이동 로봇(300)의 위치(x,y) 및 자세(θ)는 상기 와이어 센서(260,460)에 따른 거리(L)와, 상기 제1 엔코더 유닛(200) 및 제2 엔코더 유닛(400)에 의해 측정된 각도(θ)로부터 산출할 수 있다.

즉, 상기 기준고정대(100)를 기준으로 이동 로봇(300)의 위치(x,y)는 X = L COS θ1, Y = L COS θ1 수식에 의해 산출된다.

여기서, 거리(L)는 와이어 센서(260,460)로부터 측정된 길이이고, θ1은 상기 기준고정대(100)에 설치된 제1 엔코더 유닛(200)으로부터 측정된 값이다.

또한, 상기 기준고정대(100)를 기준으로 이동 로봇(300)의 자세(θ)는 θ3 = θ2 - θ1 수식으로부터 산출할 수 있다(도 5참조).

구체적으로, 상기의 이동 로봇(300)이 이동함에 따라 이동 로봇에 설치되어 있는 제2 엔코더 유닛(400)도 기준고정대(100)에 설치된 제1 엔코더 유닛의 회전량만큼 같이 회전되기 때문에 이동 로봇(300)에 장착되어 있는 제2 엔코더 유닛의 측정값을 이동 로봇(300)의 회전량으로 바로 사용할 수 없다. 따라서 이동 로봇의 회전량은 θ3= θ2-θ1로 계산하여 이동로봇의 자세를 측정할 수 있다.

이와 같이 이동 로봇(300)의 자세를 구하기 위해 도 5에 도시한 바와 같이, 절대표계(X,Y)의 원점은 기준고정대(100)의 제1 엔코더 유닛(200)의 위치를 나타내고 이동 로봇이 이동함에 따라 θ1의 회전량 변화와 와이어(500) 길이를 나타내는 L을 이용하여 상기 수식을 이용하여 이동 로봇의 위치를 측정할 수 있다. 그리고 이동 로봇의 제2 엔코더 유닛도 지역좌표(x,y)가 θ1만큼 회전하게 되고 이때 이동한 위치에서 이동 로봇이 회전하게 되면 이동에 따른 회전량과 더해진 값이 이동 로봇에 설치된 제2 엔코더 유닛에 측정된다. 따라서 실제 이동 로봇이 회전한 값에 따른 자세(θ3)를 θ3=θ2-θ1으로 구할 수 있다.

아울러, 상기 제1 엔코더 유닛(200)과 제2 엔코더 유닛(400) 중 어느 하나에는 와이어(500)를 용이하게 고정시키는 고정클립(600)을 설치한다.

본 발명의 실시예에서는 상기 고정클립(600)을 이동 로봇(300)의 제2 엔코더 유닛(400)에 설치하였으나, 상기 고정클립(600)은 기준고정대(100)의 제1 엔코더 유닛(200)에 설치할 수도 있다.

이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 이동 로봇의 위치 및 자세 인식 방법에 대하여 설명한다.

먼저, 상기 기준고정대(100)로부터 이동 로봇(300)까지의 거리를 와이어 센서(260,460)에 의해 검출하는 거리측정단계(S100)를 실시한다.

이후, 상기 거리측정단계(S100) 후 상기 기준고정대(100)를 기준으로 이동 로봇의 평면 위치를 판단하는 이동 로봇의 위치를 산출(X = L COS θ1, Y = L COS θ1)단계를 진행한다(S200).

상기 이동 로봇(300)의 위치 산출단계(S200) 후 이동 로봇(300)의 자세를 산출하는 이동 로봇의 자세 산출(θ3 = θ2 - θ1)단계(S300)를 실시한다.

이와 같이 본 발명에 따르면, 기준고정대(100)에 설치되는 제1 엔코더 유닛(200), 이동 로봇(300)에 설치되는 제2 엔코더 유닛(400) 및 상기 제1 엔코더 유닛(200)과 제2 엔코더 유닛(400) 사이를 연결하는 와이어(500)를 구성함으로써, 고가의 센싱장비 및 통신장비 없이 상기 이동 로봇의 위치와 자세를 용이하게 파악할 수 있는 효과가 있다.

100 : 기준고정대
200 : 제1 엔코더 유닛
210 : 케이스 본체
220 : 턴 테이블
230 : 중공의 로터리 엔코더
240 : 가이드 덮개
250 : 베어링
260 : 와이어 센서
270 : 제1 가이드롤러
280 : 제2 가이드롤러
300 : 이동 로봇
400 : 제2 엔코더 유닛
500 : 와이어
600 : 고정클립

Claims

위치 인식에 필요한 절대좌표의 기준이 되는 기준고정대;
상기 기준 고정대에 고정 설치되며 이동 물체의 회전각을 산출하는 제1 엔코더 유닛;
작업장 내부를 이동하는 이동 로봇;
상기 이동 로봇에 고정 설치되는 제2 엔코더 유닛;
상기 제1 엔코더 유닛과 제2 엔코더 유닛 사이를 연결하는 와이어를 포함하되,
상기 제1 엔코더 유닛 또는 제2 엔코더 유닛에는 상기 와이어의 이동 길이를 산출하는 와이어 센서를 더 포함하며,
상기 제1 엔코더 유닛 및 제2 엔코더 유닛은 설치공간부를 형성한 케이스 본체와, 상기 케이스 본체의 상부에 설치되며 원주방향으로 회전하는 턴 테이블과, 상기 설치공간부 내에 위치하고 상기 턴 테이블과 결합되는 회전결합부의 움직임에 따른 회전각을 산출하는 중공의 로터리 엔코더와, 상기 턴 테이블의 상면에 설치되며 상기 와이어의 인출 및 회전 방향을 안내하는 가이드 덮개로 구성되고,
상기 기준고정대는 이동 로봇의 종류별 높낮이 차이에 대응하여 높낮이를 조절이 가능하도록 일정 길이로 연장형성되는 제1 수직부재와, 상기 제1 수직부재의 길이방향에 대하여 슬라이드 이동하는 제2 수직부재와, 상기 제2 수직부재의 이동거리를 규제하는 고정부재를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 이동 로봇의 위치 및 자세 인식 장치.
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제1항에 있어서,
상기 중공의 로터리 엔코더와 턴 테이블 사이에는 베어링이 개재되는 것을 특징으로 하는 이동 로봇의 위치 및 자세 인식 장치.
제1항 또는 제4항에 있어서,
상기 턴 테이블에는 상기 중공의 로터리 엔코더를 관통하여 이동하는 와이어의 방향전환에 맞추어 인출될 수 있도록 안내하는 제1 가이드롤러가 설치된 것을 특징으로 하는 이동 로봇의 위치 및 자세 인식 장치.
제5항에 있어서,
상기 가이드 덮개에는 상기 제1 가이드롤러를 따라 이동하는 와이어의 이탈을 방지하며 장력을 유지할 수 있도록 안내하는 제2 가이드롤러가 설치된 것을 특징으로 하는 이동 로봇의 위치 및 자세 인식 장치.
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