KR101812039B1 - 자율 이동 로봇의 도킹 제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자율 이동 로봇의 도킹 제어 장치에 대하여 개시한다. 본 발명의 일면에 따른 복수의 다리를 가지며 물품이 적재된, 도크의 도킹 영역에 진입하여 운송을 위해 상기 도크를 들어올리는 자율 이동 로봇의 도킹 제어 장치는, 감지된 주변 물체에 대한 거리를 이용하여 상기 복수의 다리 중에서 상기 자율 이동 로봇에 상대적으로 가까운 도크를 검출하는 영역 검출부; 및 상기 도크의 복수의 다리 중에서 상대적으로 가까운 두 다리의 중심선에 수직으로 진입하기 위한 경로를 산출하는 경로 산출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

자율 이동 로봇의 도킹 제어 장치{Apparatus for Controlling Docking of Autonomous Mobile Robot}

본 발명은 자율 이동 로봇에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 물품이 적재된 도크를 운반하는 자율 이동 로봇의 도킹 제어 장치에 관한 것이다.

최근, 다양한 분야에서 인간의 노동을 대체하는 로봇이 개발되어 사용중에 있으며, 대표적으로 생산 분야에서 공장 자동화 로봇이 활발히 사용되고 있다.

한편, 운송 분야에서도 사람을 대신해 크고 무거운 물건을 들어올리기 위한 물품 자율 이동 로봇이 개발중에 있다.

물품 자율 이동 로봇은 물건을 안전사고를 방지하기 위해서 도크(운반할 물품)를 정확히 인식하여 도킹하는(들어올리는) 것이 무엇보다 중요하여 그를 위한 다양한 알고리즘이 개발되고 있다.

한국등록특허 제991194호(2010년 10월 26일)

본 발명은 전술한 바와 같은 기술적 배경에서 안출된 것으로서, 물품이 적재된 도크와 안정적으로 도킹할 수 있는 자율 이동 로봇의 도킹 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일면에 따른 복수의 다리를 가지며 물품이 적재된, 도크의 도킹 영역에 진입하여 운송을 위해 상기 도크를 들어올리는 자율 이동 로봇의 도킹 제어 장치는, 감지된 주변 물체에 대한 거리를 이용하여 상기 복수의 다리 중에서 상기 자율 이동 로봇에 상대적으로 가까운 도크를 검출하는 영역 검출부; 및 상기 도크의 복수의 다리 중에서 상대적으로 가까운 두 다리의 중심선에 수직으로 진입하기 위한 경로를 산출하는 경로 산출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 면에 따른 복수의 다리를 가지며 물품이 적재된 도크의 하부에 진입하여 운송을 위해 상기 도크를 들어올리는 자율 이동 로봇의 도킹 제어 장치는, 감지된 주변 물체와의 거리를 이용하여 상기 복수의 다리를 검출하는 영역 검출부; 및 상기 두 개의 다리의 중심선에서 연장되는 연장선상의 상기 도크의 도킹 영역으로 직선 진입을 시작하는 지점인 제1 목표지점에 이르는 곡선 경로를 산출하는 경로 산출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 물품이 적재된 도크에 안정적으로 도킹할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 도킹 제어 장치를 도시한 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 대차의 규격과 모양을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 도킹 제어 장치가 구비된 자율 이동 로봇을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 로봇 좌표계의 LRF 데이터를 도시한 그래프.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 도킹 제어 장치의 경로 산출 과정을 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 도킹 제어 장치에 의한 자율 이동 로봇의 도킹 과정을 촬영한 사진.

본 발명의 전술한 목적 및 그 이외의 목적과 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이제 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 도킹 제어 장치를 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 도크의 규격과 모양을 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 도킹 제어 장치가 구비된 자율 이동 로봇을 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 로봇 좌표계의 LRF 데이터를 도시한 그래프이다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 도킹 제어 장치의 경로 산출 과정을 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 도킹 제어 장치에 의한 자율 이동 로봇의 도킹 과정을 촬영한 사진이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 도킹 제어 장치(10)는 감지부(110), 영역 검출부(120), 경로 산출부(130) 및 이동 제어부(140)를 포함한다. 여기서, 도킹 제어 장치(10)는 감지부(110) 및 이동 제어부(140) 중 적어도 하나를 포함하지 않을 수도 있다.

도 2와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 도킹 제어 장치(10)는 물품이 적재된 대차(이하, '도크'라고 함)의 복수의 다리의 하부에서 도크를 들어올려 적재하는 자율 이동 로봇의 자율 도킹을 위한 구성요소일 수 있다. 도 1 내지 6에서는 도크가 각기 균등 간격을 갖는 네 개의 다리를 구비함에 따라 도킹 영역이 정사각형인 경우를 예로 들어 설명한다. 여기서, 도킹 영역은 도킹을 위해 도크의 하부로 이동한 자율 이동 로봇이 도크를 들어올리기 전에 위치하는 영역으로서, 네 다리를 잇는 직선 내부의 영역일 수 있다.

감지부(110)는 신호를 송신하고 주변 물체에 반사되어 돌아오는 신호를 수신하여 주변 물체에 대한 거리를 측정한다.

도 3과 같이, 감지부(110)는 자율 이동 로봇(10)의 전방 중심에 장착된 2D 레이저 거리 측정기(LRF; Laser Range Finder)일 수 있다.

영역 검출부(120)는 감지부(110)에 의해 측정된 주변 물체와의 거리를 기반으로 자율 이동 로봇에 상대적으로 가장 가까운 도크의 도킹 영역을 감지할 수 있다.

먼저, 영역 검출부(120)는 도 4와 같이 주변 물체가 존재하는 것으로 인지된 지점들(P= P_i-2, P_i-1, P_i, P_i+1, P_i+2 등) 중에서 두 지점(P_i, P_i+1) 간의 거리(D(P_i, P_i+1))를 하기의 수학식 1과 같이 산출한다.

여기서, r은 자율 이동 로봇과 각 지점과의 거리이며, θ는 자율 이동 로봇과 각 지점과의 각도이다. 이같이, 영역 검출부(120)는 r과 θ를 이용하여 감지된 지점에 대응하는 로봇 좌표계의 x, y 값을 확인할 수 있다.

>> 도크 인식

이어서, 영역 검출부(120)는 감지된 지점들 중에서 기설정된 기준범위에 속하는 복수의 지점을 하나의 집합으로 군집화하고 하기의 수학식 2와 같이 각 집합에 포함된 지점들의 평균에 해당하는 지점을 검출한다. 여기서, 검출된 지점은 도크 각 다리가 존재하는 위치 C_i일 수 있다.

이때, 기준범위는 도크의 각 다리의 폭을 초과하면서 도크의 다리 간의 간격 미만일 수 있다. 다시 말해, 영역 검출부(120)는 감지된 지점들 중에서 하나의 다리를 인식한 것으로 예상되는 지점들을 군집화함에 따라 도크의 각 다리 위치 C_i를 검출할 수 있다. 여기서, 도크의 각 다리가 사각형일 경우, 각 다리의 폭은 사각형의 대각선 폭일 수 있다.

LRF 데이터는 0도에서 180도까지 조금씩 증가하면서 송수신 되어, 1번에서 N번 데이터를 포함하는 총 N 개이다. 이에, 수학식 2에서, N은 LRF 데이터의 총 개수이며, k 내지 n 군집화할 데이터의 집합이며, n-k+1은 각 집합에 포함된 지점들의 개수이다.

>> 도킹 영역 검출 과정

만약, 도크 다리 사이의 최소 간격을

라 하고, 도크 다리의 대각선 거리를

라고 하면, 영역 검출부(120)는 하기의 과정을 통해서 도킹 영역을 검출할 수 있다.

먼저, 영역 검출부(120)는 검출된 도크 다리 위치 중에서 자율 이동 로봇의 중심에서 가장 가까운 제1 다리(DP₁)를 검출한다.

이어서, 영역 검출부(120)는 제1 다리(DP₁)에서

의 간격만큼 이격된 다리 중에서 자율 이동 로봇의 중심에서 가장 가까운 제2 다리(DP₂)를 검출한다.

그리고 영역 검출부(120)는 제1 및 제2 다리(DP₁, DP₂)와 각기

및

만큼 이격된 제3 다리(DP₃) 및 제1 및 제2 다리와 각기

및

만큼 이격된 제4 다리(DP₄)를 검출한다. 이러한 과정을 통해, 영역 검출부(120)는 네 다리 중에서 하나가 보이지 않더라도 도크의 기하학적 특징(정사각형)을 이용하여 제1 내지 제4 다리 및 그 사이의 공간인 도킹 영역을 추정할 수 있다.

>> 도킹 경로 산출 및 도킹

경로 산출부(130)는 검출된 도킹 영역 중에서 자율 이동 로봇에 가장 가까운 도크의 도킹 영역에 도크 다리와 부딪히지 않고 진입하기 위한 경로를 생성한다.

크게, 경로 산출부(130)는 가장 가까운 도크의 도킹 영역의 중심선의 연장선상의 제1 목표지점에 도달하는 곡선 경로 및 도크의 두 다리에 부딪히지 않고 제1 목표지점으로부터 제2 목표지점(Goal₂) 및 제3 목표지점(Goal₂)을 잇는 직선을 따라 도킹 영역으로 이동하는 직선 경로를 생성한다.

여기서, 제1 목표지점은 자율 이동 로봇의 크기를 고려할 때 자율 이동 로봇이 현 위치에서 제1 목표지점으로 이동할 때와 제1 목표지점에서 제1 및 제2 다리 사이로 진입할 때에 도크의 두 다리와 충돌하지 않는 위치로 설정될 수 있다. 더 상세하게는, 제1 목표지점은 제1 및 제2 다리 사이의 중심점(Goal₂)과 제1 목표지점 간의 거리 D(Goal₁, Goal₂)가 하기 수학식 3의 조건을 만족하도록 설정될 수 있다.

수학식 3에서, R_size는 자율 이동 로봇의 크기 상수로서, 예를 들어, 자율 이동 로봇의 중심에서 자율 이동 로봇의 전방에서 가장 돌출된 부분까지의 거리 이상의 값일 수 있다. 또한, 제3 목표지점은 자율 이동 로봇에서 상대적으로 먼 두 다리의 중심점일 수 있다.

이하, 도 5를 참조하여 경로 산출부(130)의 곡선 경로를 산출 과정에 대하여 설명한다.

도 5와 같이, 경로 산출부(130)는 제1 목표지점을 확인하고, 자율 이동 로봇의 중심에서 제1 목표지점을 잇는 제1 직선을 확인한다(S510).

이어서, 경로 산출부(130)는 제1 직선상의 균등 이격된 n 개의 점을 이용하여 제1 직선을 n+1개로 균등 분할한다(S520).

경로 산출부(130)는 제1 직선상의 n 개의 점에서 연장선에 수직을 이루는 n 개의 수선을 내리고, n 개의 수선을 각 수선 강의 n 개의 점을 이용해 n+1개로 균등 분할한다(S530).

경로 산출부(130)는 n 개의 수선 상의 n 개의 점을 1 내지 n 칸씩 오름차순으로 이동하는 곡선 경로를 산출한다(S540). 도 5와 같이, n이 3인 경우, 경로 산출부(130)는 자율 이동 로봇의 중심에서 가장 가까운 제1수선의 첫 번째 점까지의 곡선 경로, 제1수선의 첫 번째 점에서 자율 이동 로봇의 중심에 두 번째로 가까운 제2수선의 두 번째 점까지의 곡선 경로, 제2수선의 두 번째 점에서 자율 이동 로봇의 중심에 세 번째로 가까운 제3수선의 세 번째 점까지의 곡선 경로 및 제3수선의 세 번째 점에서 제1 목표지점까지의 곡선 경로를 포함하는 곡선 경로를 산출할 수 있다.

또한, 경로 산출부(130)는 제1 목표지점에서 제1 및 제2 다리의 중심선을 따라 이동하여 도킹 영역의 중심과 자율 이동 로봇의 중심이 일치하는 위치까지의 직선 경로를 생성한다.

도 6과 같이, 이동 제어부(140)는 산출된 곡선 경로를 따라 자율 이동 로봇을 이동시킨 후 직선 경로를 따라 이동시킴에 따라 도킹 영역의 중심과 자율 이동 로봇의 중심이 일치하는 위치에 자율 이동 로봇을 위치시킬 수 있다. 여기서, 자율 이동 로봇이 도크의 도킹을 위한 이동을 멈추는 지점은 도크를 들어올리는 기능을 하는 자율 이동 로봇의 리프트 위치에 따라 달라질 수 있다. 참고로, 본 명세서에서는 리프트의 중심이 자율 이동 로봇의 중심에 위치하는 경우를 예로 들어 설명하였다.

한편, 전술한 실시예에서는 도크가 정사각형인 경우를 예로 들어 설명하였지만, 도크는 직사각형일 수 있고, 원형, 삼각형 등의 다른 형태로 구성될 수 있다. 이 경우, 도킹 제어 장치(10)는 도크의 다리 간의 간격, 자율 이동 로봇의 크기, 도크에 대한 제1 목표지점의 위치를 기반으로 다양하게 도크의 다리를 감지하여 도킹 영역에 이르는 곡선 거리 및 도킹 영역의 중심에 도달하는 경로를 다양하게 설정할 수 있다.

예를 들어, 도크의 다리가 직사각형이면, 도킹 제어 장치(10)는 기준범위를 직사각형의 넓은 간격의 두 다리 및 직사각형의 좁은 간격의 두 다리 중 적어도 한 쌍의 다리에 맞출 수 있다. 그리고 도킹 제어 장치(10)는 적어도 한 쌍의 다리에 맞추어 변형된 도킹 영역 인지 알고리즘을 사용하여 도킹 영역(도크의 다리)을 감지하고, 제1 목표지점을 설정하여 도크 영역으로의 진입 경로를 설정 및 제어할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예는 도크에 부딪히지 않고 안정적으로 도크 영역에 진입 가능한 경로를 설정함에 따라 안정적으로 물품을 들어올려 운반하도록 할 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시예는 도킹 과정의 안정성을 확보함에 따라 2차 안전사고를 방지할 수 있다.

이상, 본 발명의 구성에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 보호 범위는 전술한 실시예에 국한되어서는 아니되며 이하의 특허청구범위의 기재에 의하여 정해져야 할 것이다.

10: 도킹 제어 장치 110: 감지부
120: 영역 검출부 130: 경로 산출부
140: 이동 제어부

Claims (11)

1. 복수의 다리를 가지며 물품이 적재된, 도크의 도킹 영역에 진입하여 운송을 위해 상기 도크를 들어올리는 자율 이동 로봇의 도킹 제어 장치로서,
   감지된 주변 물체에 대한 거리를 이용하여 상기 복수의 다리 중에서 상기 자율 이동 로봇에 상대적으로 가까운 도크를 검출하는 영역 검출부; 및
   상기 도크의 복수의 다리 중에서 상대적으로 가까운 두 다리의 중심선에 수직으로 진입하기 위한 경로를 산출하는 경로 산출부를 포함하되,
   상기 영역 검출부는 상기 주변 물체가 존재하는 것으로 인지된 지점들 중에서 두 지점 간의 거리가 각 다리의 폭을 초과하면서 상기 복수의 다리들 중에서 인접하는 다리 간의 간격 미만인 복수의 지점을 각기 하나의 집합으로 군집화하고, 군집화된 각 집합의 평균 위치를 상기 각 다리의 위치로 검출하는 것인 도킹 제어 장치.
2. 삭제
3. 제1항에서, 상기 영역 검출부는,
   상기 복수의 다리 중에서 상기 자율 이동 로봇의 중심에서 가장 가까운 제1 다리, 상기 제1 다리에서 상기 복수의 다리들 중에서 인접하는 다리 간의 간격만큼 이격된 다리 중에서 상기 자율 이동 로봇의 중심에서 가장 가까운 제2 다리를 검출하고, 상기 제1 및 제2 다리와 각기 상기 인접하는 다리 및 상기 복수의 다리의 대각 간격 또는 상기 대각 간격 및 인접하는 다리만큼 이격된 제3 및 제4 다리를 검출함에 따라 상기 도킹 영역을 검출하는 것인 도킹 제어 장치.
4. 제3항에서, 상기 경로 산출부는,
   상기 상대적으로 가까운 두 다리의 중심선에서 연장되는 연장선상의 상기 도크의 하부인 상기 도킹 영역으로 직선으로 진입하기 시작하는 지점인 제1 목표지점에 이르는 곡선 경로를 산출하고, 상기 제1 목표지점에서 상기 도킹 영역의 중심으로 수직으로 이동하는 직선 경로를 산출하며,
   상기 도킹 영역은, 상기 제1 및 제2 다리와 각기 상기 인접하는 다리 및 상기 복수의 다리의 대각 간격 또는 상기 대각 간격 및 인접하는 다리만큼 이격된 제3 및 제4 다리를 잇는 직선 내부의 영역인 도킹 제어 장치.
5. 제4항에서, 상기 경로 산출부는,
   상기 자율 이동 로봇의 중심에서 상기 제1 목표지점에 이르는 제1 직선을 상기 제1 직선상의 n 개의 점을 이용하여 n+1개로 균등 분할하고, 상기 제1 직선상의 n 개의 점에서 상기 연장선에 수직을 이루는 n 개의 수선을 산출하고, 상기 n 개의 수산을 각기 상기 n 개의 수선 상의 n 개의 점을 이용해 n+1개로 균등 분할하고, 상기 자율 이동 로봇의 중심에서 상기 제1 목표지점까지 각기 다른 수선 상의 첫 번째 점 내지 n 번째 점을 지나는 상기 곡선 경로를 산출하는 것인 도킹 제어 장치.
6. 제4항에서, 상기 제1 목표지점은,
   상기 자율 이동 로봇이 상기 도킹 영역으로 진입할 때 상기 도크의 복수의 다리와 충돌되지 않는 위치로 설정되는 것인 도킹 제어 장치.
7. 복수의 다리를 가지며 물품이 적재된 도크의 하부에 진입하여 운송을 위해 상기 도크를 들어올리는 자율 이동 로봇의 도킹 제어 장치로서,
   감지된 주변 물체와의 거리를 이용하여 상기 복수의 다리를 검출하는 영역 검출부; 및
   상기 두 개의 다리의 중심선에서 연장되는 연장선상의 상기 도크의 도킹 영역으로 직선 진입을 시작하는 지점인 제1 목표지점에 이르는 곡선 경로를 산출하는 경로 산출부를 포함하되,
   상기 영역 검출부는 상기 주변 물체가 존재하는 것으로 인지된 지점들 중에서 두 지점 간의 거리가 각 다리의 폭을 초과하면서 상기 복수의 다리들 중에서 인접하는 다리 간의 간격 미만인 복수의 지점을 각기 하나의 집합으로 군집화하고, 군집화된 각 집합의 평균 위치를 상기 각 다리의 위치로 검출하는 것인 도킹 제어 장치.
8. 제7항에서, 상기 경로 산출부는,
   상기 제1 목표지점에서 제1 및 제2 다리와 각기 인접하는 다리 및 상기 복수의 다리의 대각 간격 또는 상기 대각 간격 및 인접하는 다리만큼 이격된 제3 및 제4 다리를 포함하는 도킹 영역의 중심으로 수직으로 이동하는 직선 경로를 더 산출하는 것인 도킹 제어 장치.
9. 제8항에서, 상기 경로 산출부는,
   상기 자율 이동 로봇의 중심에서 상기 제1 목표지점에 이르는 제1 직선을 상기 제1 직선상의 n 개의 점을 이용하여 n+1개로 균등 분할하고, 상기 제1 직선상의 n 개의 점에서 상기 연장선에 수직을 이루는 n 개의 수선을 산출하고, 상기 n 개의 수산을 각기 상기 n 개의 수선 상의 n 개의 점을 이용해 n+1개로 균등 분할하고, 상기 자율 이동 로봇의 중심에서 상기 제1 목표지점까지 각기 다른 수선 상의 첫 번째 점 내지 n 번째 점을 지나는 상기 곡선 경로를 산출하는 것인 도킹 제어 장치.
10. 제8항에서, 상기 제1 목표지점은,
    상기 자율 이동 로봇이 상기 도킹 영역으로 진입할 때 상기 도크의 복수의 다리와 충돌되지 않는 위치로 설정되는 것인 도킹 제어 장치.
11. 삭제

Images