KR101619927B1 - 다중 이동조작로봇의 협업제어 및 장애물회피 기법 - Google Patents

다중 이동조작로봇의 협업제어 및 장애물회피 기법 Download PDF

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KR101619927B1
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Abstract

본 발명은 논홀로노믹 패시브 디컴포지션(nonholonomic passive decomposition)을 이용하여 다수의 이동조작로봇을 제어하는 기법에 관한 것으로서, 이동조작로봇의 기구조작부 대형을 변화시키는 벡터공간에 대한 제어입력; 이동조작로봇의 기구조작부 또는 운반하는 물체의 위치를 변화시키는 벡터공간에 대한 제어입력; 이동조작로봇의 기구조작부 대형을 유지하면서 이동로봇 플랫폼을 회전 및 전후 이동시키는 벡터공간에 대한 제어입력; 및, 이동조작로봇의 기구조작부 대형 유지 및 움직임을 동시에 방해하는 벡터공간에 대한 제어입력;에 의하여 각각의 이동조작로봇의 상태가 결정되는 것을 특징으로 하는 다중 이동조작로봇의 협업제어 및 장애물회피 기법에 관한 것이다.

Description

다중 이동조작로봇의 협업제어 및 장애물회피 기법{Cooperative Grasping Control and Obstacle Avoidance of Multiple Mobile Manipulator}
본 발명은 여러 대의 이동조작로봇에 대한 기구조작부 대형유지 및 물체의 이동을 동시에 제어하는 기법, 그리고 각 이동조작로봇의 내부 움직임 또는 전체 경로 수정을 통한 충돌회피 기법에 관한 것이다.
이동조작로봇(Mobile Manipulator)이란 이동로봇(Mobile Robot)의 공간상에서의 이동성과 매니퓰레이터의 조작능력을 활용할 수 있는 로봇을 말한다.
이러한 이동조작로봇의 제어기법에 관한 선행기술로는 도1에 도시된 바와 같이 등록특허 제10-1000879호(공간 메커니즘을 이용한 이동로봇과 이를 이용한 이동로봇 협동 제어 시스템 및 방법)이 있는며, 해당 특허문헌에는 결합된 이동로봇들의 장애물을 극복하기 위한 협동 동작을 제어하는 시스템에 있어서, 제1 이동로봇 및 제2 이동로봇을 결합하는 도킹 모듈(docking module); 일단이 상기 제1 이동로봇의 몸체부와 연결되고 타단이 상기 도킹 모듈과 연결되며, 복수 개의 조인트(joint)를 지니는 제1 로봇암(robotic arm); 일단이 상기 제2 이동로봇의 몸체부와 연결되고 타단이 상기 도킹 모듈과 연결되며, 복수 개의 조인트를 지니는 제2 로봇암; 및 상기 이동로봇들을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 제1 로봇암 및 상기 제2 로봇암이 지니는 복수 개의 조인트를 제어하여 상기 도킹 모듈에 의해 결합된 상기 제1 이동로봇 및 상기 제2 이동로봇으로 하여금 협동 동작을 수행하도록 하는 내용이 제시되어 있는데, 도킹모듈을 이용하는 여러 대의 이동조작로봇 사이의 협업 제어 방법을 제시하고 있다는 특징이 있다.
아울러 도2에 도시된 또 다른 선행기술(공개특허 제10-2009-0118152호, 로봇 및 그 협조작업 제어방법 )은 복수의 로봇 매니퓰레이터가 임피던스 제어를 통해 협조작업(coordinated work)을 수행하는 로봇 및 그 협조작업 제어방법에 관한 것인데, 이를 위해 작업을 수행하는 복수의 머니퓰레이터에 각각 마련된 엔드 이펙터의 절대좌표 위치를 계산하고; 상기 각 엔드 이펙터의 절대좌표 위치로부터 상대좌표 위치를 계산하고; 상기 상대좌표 위치를 이용하여 상기 복수의 머니퓰레이터의 관절 토크를 계산하고; 상기 관절 토크에 따라 상기 복수의 머니퓰레이터의 협조작업을 제어하는 것을 포함하여 하나의 엔드 이펙터에 대한 다른 엔드 이펙터의 상대 자코비안을 이용하는 임피던스 제어를 통해 복수의 로봇 매니퓰레이터를 하나의 로봇 매니퓰레이터처럼 제어하는 여유 자유도 확보로 작업공간의 제약을 극복할 수 있다는 특징이 있다.
이러한 이동조작로봇은 매 순간 이동할 수 있는 방향이 제한되어 있는 논홀로노믹(nonholonomic) 구속조건 형태의 논슬립컨디션(no-slip condition)이 있는 시스템이다.
즉,
Figure 112014042810251-pat00001
, 여기서 A(q)는 구속조건을 나타내는 행렬,
Figure 112014042810251-pat00002
는 상태(state)의 시간미분이다.
아울러, 여러 대의 이동조작로봇이 대형유지 및 물체운반, 장애물 회피의 각기 다른 임무를 동시에 수행하도록 정밀하게 제어하기 위해서는 각 임무를 하는 과정에서 서로 다른 임무가 영향을 주거나 방해하지 않도록 해야 한다.
따라서 본 발명에서는 nonholonomic passive decomposition기법을 이용하여 각 제어 임무를 동시에 분리하여 고려할 수 있는 제어기를 설계할 필요가 있다.
본 발명은 이동조작로봇의 기구조작부의 대형을 유지하면서 물체를 원하는 경로와 속도로 움직이게 함과 동시에 장애물과의 충돌을 방지하기 위하여 잠재함수를 이용한 장애물 회피(이동경로 변경) 또는 이동조작로봇의 여유 자유도를 이용한 내부 움직임을 통하여 장애물 회피(이동경로 유지)를 선택할 수 있는 제어기법을 제시함을 목적으로 한다.
상기한 목적을 위하여 창작된 본 발명은 논홀로노믹 패시브 디컴포지션(nonholonomic passive decomposition)을 이용하여 다수의 이동조작로봇을 제어하는 기법에 관한 것으로서, 이동조작로봇의 기구조작부 대형을 변화시키는 벡터공간에 대한 제어입력; 이동조작로봇의 기구조작부 대형을 유지하면서 이동조작로봇의 기구조작부 또는 운반하는 물체의 위치를 변화시키는 벡터공간에 대한 제어입력; 이동조작로봇의 기구조작부 대형을 유지하면서 이동로봇 플랫폼을 회전 및 전후 이동시키는 벡터공간에 대한 제어입력; 및, 이동조작로봇의 기구조작부 대형 유지 및 움직임을 동시에 방해하는 벡터공간에 대한 제어입력;에 의하여 각각의 이동조작로봇의 상태가 결정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 구성에 따르면 이동조작로봇의 기구조작부의 대형을 유지하면서 물체를 원하는 경로와 속도로 움직이게 함과 동시에 장애물과의 충돌을 방지하기 위하여 잠재함수를 이용한 장애물 회피(이동경로 변경) 또는 이동조작로봇의 여유 자유도를 이용한 내부 움직임을 통하여 장애물 회피(이동경로 유지)를 선택할 수 있다.
도1 및 도2는 종래기술을 도시한다.
도3은 제어입력과 이에 따른 이동조작로봇들의 움직임을 개념적으로 도시한 것이다.
도4는 내부 움직임을 통한 장애물 회피 방식의 구체적 예시를 도시한 것이다.
도5은 본 발명에 제어기법의 개괄적으로 보여주는 순서도이다.
본 발명은 이동조작로봇 사이에 기구조작부의 대형을 유지하면서 이와 동시에 운반하는 물체를 원하는 경로, 속도로 움직이게 하는 제어 기법에 관한 것이다.
여러 대의 이동조작로봇의 기구조작부 대형 유지 및 장애물 회피라는 서로 다른 임무를 동시에 제어하기 위해서 논홀로노믹 패시브 디컴포지션(nonholonomic passive decomposition)을 이용하여 각각의 임무를 수행하는 과정에서 서로 방해하지 않도록 벡터공간을 나누고, 각각의 벡터공간을 이용하여 대형 유지와 물체의 이동을 독립적으로 제어한다. 논홀로노믹 패시브 디컴포지션(nonholonomic passive decomposition)은 관련 논문(D. J. Lee, Passive Decomposition and Control of Nonholonomic Mechanical Systems, IEEE Transactions on Robotics, 26(6), p.978-992, 2010)에서 제안된 방식을 차용한다.
이하에서는 도1에 도시된 바와 같이 2자유도 기구조작부(manipulator)가 구비된 3대의 이동조작로봇이 물체를 운반하는 것으로 가정하고 설명한다.
이동조작 로봇 이동조작로봇 (Mobile manipulator)은 이동로봇 (Mobile robot)과 이동로봇 위에 2자유도 매니퓰레이터(Manipulaator)가 결합한 로봇에 대한 기구학적 (kinematic) 제어 식은 다음과 같음.
Figure 112014042810251-pat00003
여기서
Figure 112014042810251-pat00004
는 i번째 이동조작로봇의 상태, x,y는 이동조작로봇의 좌표,
Figure 112014042810251-pat00005
는 이동조작로봇의 방향,
Figure 112014042810251-pat00006
는 이동조작로봇의 첫번째 및 두번째 조인트의 회전각도,
Figure 112014042810251-pat00007
는 이동조작로봇의 속도, 회전각속도, 기구조작부의 각속도 제어입력이다. 논홀로노믹 패시브 디컴포지션(Nonholonomic passive decomposition)을 이용하면 여러 대의 이동조작로봇에 대한 속도식 및 전달되는 제어입력은 다음과 같이 분리되어 표현될 수 있다.
Figure 112014042810251-pat00008
여기서,
Figure 112014042810251-pat00009
는 각 이동조작로봇의 상태(state)를 하나로 합친 것이며,
Figure 112014042810251-pat00010
: 상태(state)의 시간미분
Figure 112014042810251-pat00011
: 이동조작로봇의 기구조작부 대형을 변화시키는 벡터공간
Figure 112014042810251-pat00012
:
Figure 112014042810251-pat00013
에 대한 제어입력
Figure 112014042810251-pat00014
: 이동조작로봇의 기구조작부 대형을 유지하면서 이동조작로봇의 기구조작부 또는 운반하는 물체의 위치를 x,y 방향으로 변화시키는 벡터공간
Figure 112014042810251-pat00015
:
Figure 112014042810251-pat00016
각각에 대한 제어입력(기구조작부의 x,y 방향의 단위속도)
Figure 112014042810251-pat00017
: 이동조작로봇의 기구조작부 대형을 유지하면서 이동조작로봇의 플랫폼을 회전, 전후이동시키는 벡터공간
Figure 112014042810251-pat00018
:
Figure 112014042810251-pat00019
각각에 대한 제어입력(회전운동에 관한 회전속도, 병진운동에 관한 단위속도)
Figure 112014042810251-pat00020
: 이동조작로봇의 기구조작부 대형 유지 및 움직임을 동시에 방해하는 벡터공간
을 의미한다. 아울러 i는 이동조작로봇의 수, k는 벡터공간의 수를 각각 의미한다.
즉
Figure 112014042810251-pat00021
은 이동조작로봇의 상태(state)의 시간미분값이며,
Figure 112014042810251-pat00022
는 기구조작부의 대형(각 기구조작부의 상대적인 위치)을 변화시키는 벡터공간의 기저(basis)이며,
Figure 112014042810251-pat00023
는 이동조작로봇의 기구조작부 또는 운반하는 물체의 위치를 x,y 방향으로 변화시키는 벡터공간의 기저이며,
Figure 112014042810251-pat00024
는 기구조작부의 대형을 유지하기 위한 벡터공간 및 이동조작로봇의 기구조작부 또는 운반하는 물체의 위치를 x,y 방향으로 변화시키는 벡터공간의 움직임을 모두 방해하는 벡터공간의 기저이며,
Figure 112014042810251-pat00025
는 기구조작부의 대형(각 기구조작부의 상대적인 위치)을 유지하면서 이동조작로봇의 플랫폼을 회전 및 전후로 병진운동시키는 벡터공간의 기저로서 이동조작로봇의 내부 움직임(internal motion)을 정의한다. 아울러
Figure 112014042810251-pat00026
는 제어입력을 의미한다.
여기서
Figure 112014042810251-pat00027
는 원하는 움직임이 아니므로 제어입력은 0(zero)으로 한다. 따라서 분리된 벡터공간 각각을 그에 대한 각각의 제어입력을 통해 동시에 제어할 수 있다.
본 발명에 따르면 이동조작로봇 및 이동조작로봇이 운반하는 물체가 장애물과 충돌하지 않고 접근할 수 있는 범위를 잠재함수를 이용하여 결정하고 충돌이 일어나지 않음을 보장한다. 또한 물체를 운반하면서 추가적인 자유도를 이용한 이동조작로봇의 내부 움직임을 통해 작은 장애물 또는 바닥의 구멍을 회피할 수 있도록 한다.
장애물이 큰 경우에는 이동조작로봇의 전체 경로를 변경하여 장애물과의 충돌을 회피할 수 있는데, 이럴 경우의 제어입력은 다음과 같다.
Figure 112014042810251-pat00028
여기서,
Figure 112014042810251-pat00029
는 실제 적용되는 x,y 방향의 제어입력을 의미하고,
Figure 112014042810251-pat00030
는 병진운동 제어입력을 의미하고,
Figure 112014042810251-pat00031
는 잠재함수의 편미분(장애물과의 척력)을 의미한다.
따라서 운반하는 물체 및 기구조작부의 위치는 병진운동 제어입력 방향으로 움직이면서 동시에 장애물로부터 척력(Repulsive force)를 받아 충돌이 회피된다.
장애물이 작거나 바닥의 구멍을 회피하기 위해서는 전체 경로를 변경하지 않더라도 (
Figure 112014042810251-pat00032
를 변경하지 않더라도) 이동조작로봇의 내부형상을 변경(내부 움직임)함으로써 장애물을 회피할 수 있다. 이때 제어입력은 다음과 같다.
Figure 112014042810251-pat00033
여기서,
Figure 112014042810251-pat00034
는 상수(gain)를 의미하고,
Figure 112014042810251-pat00035
는 각각 이동조작로봇의 바디프레임(body frame)에서 이동조작로봇 기구조작부의 y방향 좌표와 장애물회피를 위하여 요구되는 y방향 좌표(desired value)를 의미하고,
Figure 112014042810251-pat00036
는 미리 설정된 상수 원하는 값과 현재 값의 차이가 충분히 작음을 보장하도록 미리 설정된 상수를 의미하고, 이때 경로를 제어하는
Figure 112014042810251-pat00037
는 변화하지 않는다.
이동조작로봇의 기구조작부 및 운반하는 물체의 경로를 변경하지 않고 이동조작로봇의 내부 움직임을 이용하여 장애물회피가 가능한지 여부는 이동조작로봇이 장애물과 충돌하기 전에 장애물을 회피할 수 있는 내부형상으로 변화할 수 있는지 판단이 필요하며, 다음의 부등식으로 결정하는데,
Figure 112014042810251-pat00038
여기서,
Figure 112014042810251-pat00039
: 경로를 변경하지 않는 경우 장애물과 충돌시까지 걸리는 시간
Figure 112014042810251-pat00040
:
Figure 112014042810251-pat00041
을 만족시키는 값
Figure 112014042810251-pat00042
:
Figure 112014042810251-pat00043
를 만족시키는 값
Figure 112014042810251-pat00044
: 미리 설정된 상수
Figure 112014042810251-pat00045
: 미리 설정된 상수
Figure 112014042810251-pat00046
: 현재 시간
Figure 112014042810251-pat00047
: 이동조작로봇의 내부 움직임에 따른 이동조작로봇 기구조작부의 x좌표를 이동조작로봇의 바디프레임(body frame)에서 본 값의 최소값(
Figure 112014042810251-pat00048
)
Figure 112014042810251-pat00049
: 이동조작로봇의 내부 움직임이 이루어지는 동안
Figure 112014042810251-pat00050
를 만족하는 상수
Figure 112014042810251-pat00051
: 계산을 통해 얻어지는 이동조작로봇의 진행방향 근사값
Figure 112014042810251-pat00052
: 초기 상태에서
Figure 112014042810251-pat00053
을 만족하게 될 때까지 걸리는 시간
Figure 112014042810251-pat00054
: 이동조작로봇의 바디프레임(body frame)에서 이동조작로봇 기구조작부의 y방향 좌표, 장애물회피를 위하여 요구되는 y방향 좌표(desired value)
Figure 112014042810251-pat00055
:
Figure 112014042810251-pat00056
을 만족시키는 값
Figure 112014042810251-pat00057
: 초기 상태의 기구조작부 첫번째 조인트 각도
라는 수식에 따라
Figure 112014042810251-pat00058
인 경우에 이동조작로봇의 내부 움직임을 이용하여 장애물회피가 가능한 것으로 판단한다.
도5에 도시된 바와 같이 원하는 위치로 이동하는 과정에서 장애물이 존재하는 경우 먼저 전체 경로를 바꾸지 않고 장애물 회피가 가능한지 여부를 판단하고, 가능하다고 판단되면 내부 움직임을 통하여 장애물을 회피하고 그렇지 않는 경우에는 잠재함수를 이용하여 장애물을 회피하는 경로로 변경하게 된다.
상기한 바와 같이 본 발명의 구체적 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하였으나 본 발명의 보호범위가 반드시 이러한 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명의 기술적 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양한 설계변경, 공지기술의 부가나 삭제, 단순한 수치한정 등의 경우에도 본 발명의 보호범위에 속함을 분명히 한다.

Claims (7)

  1. 논홀로노믹 패시브 디컴포지션(nonholonomic passive decomposition)을 이용하여 다수의 이동조작로봇을 제어하는 기법에 관한 것으로서,
    이동조작로봇의 기구조작부 대형을 변화시키는 벡터공간에 대한 제어입력;
    이동조작로봇의 기구조작부 또는 운반하는 물체의 위치를 변화시키는 벡터공간에 대한 제어입력;
    이동조작로봇의 기구조작부 대형을 유지하면서 이동조작로봇 플랫폼을 회전 및 전후 이동시키는 벡터공간에 대한 제어입력; 및,
    이동조작로봇의 기구조작부 대형 유지 및 움직임을 동시에 방해하는 벡터공간에 대한 제어입력;
    에 의하여 각각의 이동조작로봇의 상태가 결정되고,
    상기 이동조작로봇의 상태는,
    Figure 112015100720998-pat00106

    여기서,
    q : 이동조작로봇의 상태
    Figure 112015100720998-pat00107
    : 상태의 시간미분
    Figure 112015100720998-pat00108
    : 이동조작로봇의 기구조작부 대형을 변화시키는 벡터공간
    Figure 112015100720998-pat00109
    : 에 대한 제어입력
    Figure 112015100720998-pat00111
    : 이동조작로봇의 기구조작부 대형을 유지하면서 이동조작로봇의 기구조작부 또는 운반하는 물체의 위치를 x,y 방향으로 변화시키는 벡터공간
    Figure 112015100720998-pat00112
    :
    Figure 112015100720998-pat00113
    각각에 대한 제어입력(x,y 방향의 단위속도)
    Figure 112015100720998-pat00114
    : 이동조작로봇의 기구조작부 대형을 유지하면서 이동조작로봇 플랫폼을 회전, 전후이동시키는 벡터공간
    Figure 112015100720998-pat00115
    :
    Figure 112015100720998-pat00116
    각각에 대한 제어입력(회전운동에 관한 회전속도, 병진운동에 관한 단위속도)
    Figure 112015100720998-pat00117
    : 이동조작로봇의 기구조작부 대형 유지 및 움직임을 동시에 방해하는 벡터공간
    i: 이동조작로봇의 수
    k: 벡터공간의 수
    로 표현되는 것을 특징으로 하는 다중 이동조작로봇의 협업제어 및 장애물회피 기법.
  2. 제1항에서,
    상기 이동조작로봇의 상태에는,
    이동조작로봇의 위치좌표, 이동조작로봇의 진행방향, 및 이동조작로봇의 기구조작부 조인트 회전각도가 포함되는 것을 특징으로 하는 다중 이동조작로봇의 협업제어 및 장애물회피 기법.
  3. 제2항에서,
    상기 이동조작로봇의 진행방향에 장애물이 존재하는 경우,
    이동조작로봇의 기구조작부 및 운반하는 물체의 경로를 변경하지 않고 이동조작로봇의 내부 움직임을 이용하여 장애물회피가 가능한지 여부를 판단하여 경로변경 여부를 결정하는 것을 특징으로 하는 다중 이동조작로봇의 협업제어 및 장애물회피 기법.
  4. 제3항에서,
    이동조작로봇의 기구조작부 및 운반하는 물체의 경로를 변경하지 않고 이동조작로봇의 내부 움직임을 이용하여 장애물회피가 가능한지 여부는
    Figure 112015100720998-pat00071

    여기서,
    Figure 112015100720998-pat00072
    : 경로를 변경하지 않는 경우 장애물과 충돌시까지 걸리는 시간
    Figure 112015100720998-pat00073
    :
    Figure 112015100720998-pat00074
    을 만족시키는 값
    Figure 112015100720998-pat00075
    :
    Figure 112015100720998-pat00076
    를 만족시키는 값
    Figure 112015100720998-pat00077
    : 미리 설정된 상수
    Figure 112015100720998-pat00078
    : 미리 설정된 상수
    Figure 112015100720998-pat00079
    : 현재 시간
    Figure 112015100720998-pat00080
    : 이동조작로봇의 내부 움직임에 따른 이동조작로봇 기구조작부의 x좌표를 이동조작로봇의 바디프레임(body frame)에서 본 값의 최소값(
    Figure 112015100720998-pat00081
    )
    Figure 112015100720998-pat00082
    : 이동조작로봇의 내부 움직임이 이루어지는 동안
    Figure 112015100720998-pat00083
    를 만족하는 상수
    Figure 112015100720998-pat00084
    : 계산을 통해 얻어지는 이동조작로봇의 진행방향 근사값
    Figure 112015100720998-pat00085
    : 초기 상태에서
    Figure 112015100720998-pat00086
    을 만족하게 될 때까지 걸리는 시간
    Figure 112015100720998-pat00087
    : 이동조작로봇의 바디프레임(body frame)에서 이동조작로봇 기구조작부의 y방향 좌표, 장애물회피를 위하여 요구되는 y방향 좌표(desired value)
    Figure 112015100720998-pat00088
    :
    Figure 112015100720998-pat00089
    을 만족시키는 값
    Figure 112015100720998-pat00090
    : 초기 상태의 기구조작부 첫번째 조인트 각도
    라는 수식에 따라
    Figure 112015100720998-pat00091
    인 경우에 이동조작로봇의 내부 움직임을 이용하여 장애물회피가 가능한 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 다중 이동조작로봇의 협업제어 및 장애물회피 기법.
  5. 제4항에서,
    Figure 112015100720998-pat00092
    이 만족되어 이동조작로봇의 내부 움직임을 이용하여 장애물회피가 가능한 것으로 판단되면, x,y 방향의 제어입력인
    Figure 112015100720998-pat00093
    는 그대로 유지하면서
    Figure 112015100720998-pat00094

    Figure 112015100720998-pat00095
    : 상수(gain)
    이 되는 것을 특징으로 하는 다중 이동조작로봇의 협업제어 및 장애물회피 기법.
  6. 제4항에서,
    Figure 112015100720998-pat00096
    이 만족되지 않아 이동조작로봇의 내부 움직임을 이용한 장애물회피가 불가능한 것으로 판단되면,
    이동조작로봇의 기구조작부 및 운반하는 물체의 경로를 변경하기 위하여 x,y 방향의 제어입력이
    Figure 112015100720998-pat00097

    여기서,
    Figure 112015100720998-pat00098
    (실제 적용되는 x,y 방향의 제어입력)
    Figure 112015100720998-pat00099
    : 병진운동 제어입력
    Figure 112015100720998-pat00100
    : 잠재함수의 편미분(장애물과의 척력)
    이 되는 것을 특징으로 하는 다중 이동조작로봇의 협업제어 및 장애물회피 기법.
  7. 삭제
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