KR101950784B1

KR101950784B1 - 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇

Info

Publication number: KR101950784B1
Application number: KR1020170065870A
Authority: KR
Inventors: 주영훈
Original assignee: 군산대학교산학협력단
Priority date: 2017-05-29
Filing date: 2017-05-29
Publication date: 2019-02-21
Also published as: KR20180130157A

Abstract

본 발명은 정형 환경에서는 바퀴형으로 주행하고 비정형 환경에서는 관절로 주행할 수 있도록 로봇의 형태와 이동 방법을 변환하여 전반향으로 자율 이동이 가능하며, 이에 따라 농업용, 방제용, 군사용, 산업용 등의 다양한 분야에서 사용이 가능한 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇을 제공하는 데 목적이 있다.
이를 위해, 본 발명의 실시 예에 따른 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇은 각각 관절모터와 바퀴를 포함하는 다리부 4개가 몸체부를 지지하도록 구성되되, 상기 다리부는 상기 관절모터의 작동에 의해 움직이며, 상기 바퀴는 상기 다리부 끝단부에서 구동모터와 함께 연결되도록 구비되고, 상기 4개의 다리부 끝단을 지면과 접촉하도록 하여 관절모터를 작동시키거나, 상기 바퀴를 지면과 접촉하도록 형태를 변형시켜 구동모터를 작동시킴으로써 4족 보행 또는 4륜 주행이 가능한 것을 특징으로 한다.

Description

전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇{Omnidirectional Four-wheel, Four-foot autonomous mobile robot}

본 발명은 전방향(全方向) 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇에 관한 것으로서, 특히 다수의 관절과 바퀴로 로봇의 다리를 구성하여 관절 또는 바퀴를 변형함으로써 전방향으로 4륜 주행 또는 4족 보행이 가능하고 센서를 통해 자율주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇에 관한 것이다.

최근, 인구의 고령화, 개인화, 정보화 등 사회 환경의 변화에 따라 인공지능 등의 IT 기술을 바탕으로 인간과 상호작용하여 다양한 형태의 서비스를 제공할 수 있는 로봇 산업이 급속도로 성장하고 있다.

또한, 로봇이 제공하는 서비스는 과거 단순 반복 작업에서 보다 정밀한 작업을 할 수 있도록 변화되어, 점차 높은 지능을 갖추며, 다양한 크기 및 형태를 지닌 이동 로봇들이 연구되고 있는 실정이다.

특히, 인간의 안정성을 위협하는 유해한 환경이나 인간의 작업이 제한되는 협소한 환경 및 동적으로 변화하는 비정형 환경 등에서 유용하게 활용할 수 있도록 하는 로봇의 크기, 형태 이동 방식 및 자율 이동 방법들이 개발되고 있다.

이러한, 이동 로봇은 이동하는 환경의 지면이 고르지 않기 때문에 지면 상태에 따라 로봇의 형태 및 이동 방법을 적절히 변환할 수 있고, 이동 중 동/정적 장애물을 마주할 가능성이 크기 때문에 이를 극복하여 자율적으로 이동할 수 있는 지능형 자율 이동 로봇 개발이 요구된다.

이에 따라, 한국등록특허 제10-1004957호 "모터를 이용한 4륜 구동 및 4륜 조향 방식의 전방향성 주행로봇 시스템"에 개시된 바와 같이 바퀴형 로봇이 제안되었으나, 바퀴형 로봇은 굴곡진 환경을 포함하는 비정형 환경에서는 주행하기 어려운 단점이 있다.

따라서, 상기한 단점을 보완하기 위해 한국등록특허 제10-1372740호 "사족 주행로봇"과 같이 다수의 다리를 구성하여 동적환경을 조성할 수 있는 여러가지 관절형 로봇이 제안되고 있다.

하지만, 이러한 관절형 로봇은 바퀴형 로봇에 비해 이동 속도가 상대적으로 느리며, 로봇의 흔들림도 상대적으로 심하기 때문에 측정 정보 등에 많은 오차를 유발하여 구동에 많은 오류가 발생될 수 있다.

따라서, 보다 다양한 환경에서 자율적이고 안정적인 이동을 위해 바퀴형 로봇과 관절형 로봇의 각 단점을 극복하면서도 장점을 취할 수 있는 로봇의 개발이 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자, 정형 환경에서는 바퀴형으로 주행하고 비정형 환경에서는 관절로 주행할 수 있도록 로봇의 형태와 이동 방법을 변환하여 전방향으로 이동이 가능하며, 로봇에 장착된 센서를 이용하여 자율 주행 할 수 있어, 농업용, 방제용, 군사용, 산업용 등의 다양한 분야에서 사용이 가능한 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇을 제공하는 데 목적이 있다.

상기와 같은 과제를 해결하고자 본 발명의 실시 예에 따른 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇은, 각각 관절모터와 바퀴를 포함하는 다리부 4개가 몸체부를 지지하도록 구성되되, 상기 다리부는 상기 관절모터의 작동에 의해 움직이며, 상기 바퀴는 상기 다리부 끝단부에서 구동모터와 함께 연결되도록 구비되고, 상기 4개의 다리부 끝단을 지면과 접촉하도록 하여 관절모터를 작동시키거나, 상기 바퀴를 지면과 접촉하도록 형태를 변형시켜 구동모터를 작동시킴으로써 4족 보행 또는 4륜 주행이 가능할 수 있다.

또한, 상기 관절모터는 다리부마다 4개가 구비되고, 상기 다리부에 형성된 4개의 관절모터는 각각 연결부재에 의해 연결되어 다리부를 0° 내지 300°회전시킴으로써 4족 또는 4륜 형태로 전방향으로 이동할 수 있다.

또한, 상기 다리부는 상기 몸체부와 연결되어 좌/우로 회전하는 제1 관절모터; 상기 제1 관절모터의 끝단 일측에 연결되는 제1 연결부재; 상기 제1 연결부재와 연결되고, 회전축이 제1 관절모터의 회전축과 수직으로 형성되어 회전하는 제2 관절모터; 상기 제2 관절모터의 끝단 일측에 연결되는 제2 연결부재; 상기 제2 연결부재와 연결되고, 회전축이 지면과 평행하도록 제2 관절모터의 회전축과 수직으로 형성되어 회전하는 제3 관절모터; 상기 제3 관절모터의 끝단에 연결되는 제3 연결부재; 상기 제3 연결부재와 연결되고, 회전축이 제3 관절모터의 회전축과 수평으로 형성되어 회전하는 제4 관절모터; 상기 제4 관절모터와 인접하게 상기 다리부 끝단부로 구비되는 구동모터; 상기 제3 연결부재가 제4 관절모터와 연결된 면과 다른 일방향 면에서 상기 제4 관절모터와 상기 구동모터를 연결하는 동시에 일측 일부를 감싸도록 형성되는 제4 연결부재; 상기 제3 연결부재가 제4 관절모터와 연결된 면과 다른 타방향 면에서 상기 제4 관절모터와 상기 구동모터를 연결하는 동시에 타측 일부를 감싸도록 형성되는 제5 연결부재 및 상기 제4 및 제5 연결부재 사이에서 구동모터의 일측과 연결되는 바퀴를 포함할 수 있다.

또한, 상기 다리부는 상기 구동모터가 지면에 직접적으로 닿지 않도록 구동모터 끝단을 감싸도록 형성되어 지면과 접촉하는 보호부재를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 몸체부는 좌우 및 상하로 구동되는 2개의 회전모터가 연결되어 전방위로 회전하며 주변환경을 인식하는 인식부 및 상기 각 관절모터, 구동모터 및 회전모터를 제어하는 MCU를 포함하며, 상기 인식부는 로봇 주변의 물체를 감지하는 거리감지센서 및 주변을 촬영하여 이미지를 생성하는 주변인식 카메라를 포함하고, 상기 MCU는 상기 거리감지센서와 연동되며, 상기 주변인식 카메라 및 MCU는 원격제어시스템과 통신 가능하여 실시간으로 원격 제어 될 수 있다.

또한, 상기 주변인식 카메라는 원격제어시스템과 RF/IP 복합 통신하며, MCU는 원격제어시스템과 블루투스 통신할 수 있다.

또한, 상기 원격제어시스템은 상기 MCU 및 주변인식 카메라와 접속하도록 형성되는 통신부; MCU 및 주변인식 카메라의 상황을 모니터링 할 수 있는 모니터링부; 주변인식 카메라에 의해 생성된 이미지를 처리하는 영상처리부 및 사용자의 조작에 따라 상기 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇이 동작하도록 MCU에 신호를 인가하는 수동조작부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 원격제어시스템은 기설정된 모드에 따라 상기 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇이 동작하도록 상기 MCU에 신호를 인가하는 모드조작부를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 모드조작부는 상기 주변인식 카메라를 이용하여 주변 이미지를 촬상한 후, 설정된 색상을 추정하는 추정모드를 포함할 수 있다.

또한, 상기 모드조작부는 자율주행모드를 포함하며, 자율주행모드 작동 시 상기 관절모터, 구동모터 및 회전모터를 제어하여 장애물회피, 주행 모드 변환, 물체 추정을 자율적으로 할 수 있다.

또한, 상기 원격제어시스템은 4륜 주행 및 4족 보행을 수동적으로 변환하는 주행변환부를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 몸체부는 로봇의 기울기를 감지하며, 상기 MCU와 연동되는 자이로센서를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 몸체부는 외부의 빛의 세기를 감지하며, 상기 MCU와 연동되는 조도센서 및 조도센서로부터 감지된 빛의 세기에 따라 MCU로부터 제어되는 LED모듈을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇은, 이동로봇의 관절을 변형하여 정형 환경에서는 바퀴형으로 주행하고 비정형 환경에서는 관절로 주행할 수 있어, 다양한 환경에서 전방향 이동이 가능하며, 이에 따라 농업용, 방제용, 군사용, 산업용 등의 다양한 분야에서 사용이 가능하다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇은 RC 컨트롤러 또는 PC 등으로 형성되는 원격제어시스템과 연동되어 사용자가 원격에서도 제어가 가능하다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇은 자율주행모드가 가능하며, 자율주행모드 시 거리감지센서를 통해 장애물을 회피하여 주행 또는 보행 할 수 있고, 주변인식 카메라를 통해 주변 이미지를 촬영한 후 색상을 추정하여 원하는 색상의 이미지를 따라 주행할 수 있으며, 자이로센서를 통해 기울기 및 진동을 감지하여 기울기 및 진동변화량에 따라 4륜 주행 및 4족 변환을 스스로 수행할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇의 사시도이다.
도 2는 도 1의 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇의 다리부 사시도이다.
도 3은 도 1의 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇의 4륜 주행 모드를 도시한 사시도이다.
도 4a 내지 도 4e는 도 3의 4륜 주행 모드시의 작동 예시도이다.
도 5a 내지 도 5b는 도 1의 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇의 4족 보행 모드의 기구학적 해석을 위한 D-H 표현을 도시한 도면이다.
도 6a 내지 도 6d는 도 5a 내지 도 5b의 기구학적 해석에 따라 작동되는 4족 보행 모드의 전/후진 보행 예시도이다.
도 7a 내지 도 7d는 도 5a 내지 도 5b의 기구학적 해석에 따라 작동되는 4족 보행 모드의 양방향 회전 보행 예시도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇에 원격제어를 위한 구성을 추가하여 도시한 사시도이다.
도 9는 도 8의 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇의 원격제어 작동 시스템 구성도이다.
도 10은 도 8의 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇을 원격제어하는 원격제어시스템의 GUI(Graphical User Interface)이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇의 자율주행모드시의 작동을 도시한 흐름도이다.
도 12a 내지 도 12b는 도 11의 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇이 4족 보행 시의 장애물 감지 및 회피 알고리즘을 도시한 흐름도이다.
도 13a 내지 도 13b는 도 11의 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇이 4륜 주행 시의 장애물 감지 및 회피 알고리즘을 도시한 흐름도이다.
도 14는 도 11의 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇이 주변인식 카메라를 이용한 색상 감지 작동 알고리즘을 도시한 흐름도이다.
도 15a 내지 도 15b는 도 11의 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇이 자이로센서를 이용하여 Roll, Pitch 감지를 통한 주행 변환 작동 알고리즘을 도시한 흐름도이다.

이하, 도면을 참조한 본 발명의 설명은 특정한 실시 형태에 대해 한정되지 않으며, 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있다. 또한, 이하에서 설명하는 내용은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하의 설명에서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용되는 용어로서, 그 자체에 의미가 한정되지 아니하며, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 명세서 전체에 걸쳐 사용되는 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 이하에서 기재되는 "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로 해석되어야 하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도 1 내지 도 15b를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇의 사시도이며, 도 2는 도 1의 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇의 다리부 사시도이고, 도 3은 도 1의 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇의 4륜 주행 모드를 도시한 사시도이다.

먼저 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇은 다리부 4개(100)와 몸체부(200)를 포함할 수 있다. 또한, 다리부 4개(100)는 몸체부(200)를 지지할 수 있다. 즉, 몸체부(200)의 4 방면으로 다리부(100) 4개가 균형되게 연결될 수 있다.

여기서, 도 2를 참조하면, 각 다리부(100)에는 관절모터(110)가 형성될 수 있다. 또한, 관절모터(110)는 다리부(100)마다 각 4개가 형성될 수 있다. 또한, 각각의 관절모터(110)는 연결부재(120)에 의해 연결될 수 있다. 즉, 다리부(100)는 4개의 관절모터(110)가 연결부재(120)에 연결되어 관절모터(110)의 회전을 통해 다리부(100)의 각도를 변경하여 4족 보행을 할 수 있다.

또한, 각 다리부(100)에는 관절모터(110)외에도 바퀴(130)가 구비될 수 있다. 이때, 바퀴(130)는 바퀴(130)를 회전시키는 구동모터(140)와 연결될 수 있으며, 구동모터(140)는 다리부(100) 끝단부에 형성된 연결부재(120)의 하부에 구비될 수 있다. 이를 통해, 바퀴(130)가 지면에 닿도록 다리부(100)를 회전시켜 4륜 주행을 할 수 있다.

한편, 관절모터(110)는 0° 내지 300°회전할 수 있어 다양한 방향으로 전환하여 보행할 수 있고, 구동모터(140)는 정방향 또는 역방향으로 360°회전 할 수 있다.

이하, 다리부(100)의 보다 구체적인 형태를 설명하면, 본 발명의 실시 예에 따른 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇의 다리부(100)는 몸체부(200)와 연결되어 좌/우로 회전하는 제1 관절모터(111) 및 제1 관절모터(111)의 끝단 일측에 연결되는 제1 연결부재(121)와,

제1 연결부재(121)와 연결되고 회전축이 제1 관절모터(111)의 회전축과 수직으로 형성되어 회전하는 제2 관절모터(112) 및 제2 관절모터(112)의 끝단 일측에 연결되는 제2 연결부재(122)와,

제2 연결부재(122)와 연결되고 회전축이 지면과 평행하도록 제2 관절모터(112)의 회전축과 수직으로 형성되어 회전하는 제3 관절모터(113) 및 제3 관절모터(113)의 끝단에 연결되는 제3 연결부재(123)와,

제3 연결부재(123)와 연결되고 회전축이 제3 관절모터(113)의 회전축과 수평으로 형성되어 회전하는 제4 관절모터(114) 및 제4 관절모터(114)와 인접하게 다리부(100) 끝단부로 구비되는 구동모터(140)와,

제3 연결부재(123)가 제4 관절모터(114)와 연결된 면과 다른 양방향 면에서 제4 관절모터(114)와 구동모터(140)를 연결하는 동시에 양측 일부를 감싸도록 형성되는 제4 및 제5 연결부재(124, 125)와,

구동모터(140)가 지면에 직접적으로 닿지 않도록 구동모터(140) 끝단을 감싸도록 형성되어 지면과 접촉하는 보호부재(150)와,

제4 및 제5 연결부재(124, 125) 사이에서 구동모터(140)의 일측과 연결되는 바퀴(130)로 구성될 수 있다.

여기서, 도 3을 참조하면, 다리부(100)를 통한 본 발명의 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇의 주행 및 보행은 제1 내지 제4 관절모터(111 내지 114) 또는 구동모터(140)의 회전에 의해 이루어질 수 있다. 즉, 상술한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇은 4개의 다리부의 제1 내지 제4 관절모터(111 내지 114)를 0° 내지 300°회전시켜 4족 보행을 하며, 바퀴(130)가 지면에 닿도록 다리부(100)를 회전시키고 구동모터(140)를 작동시킴으로써 4륜 주행도 수행할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇의 주행(보행)방식은 도 4a 내지 도 7d를 참조하여 설명하기로 한다.

도 4a 내지 도 4e는 도 3의 4륜 주행 모드시의 작동 예시도이며, 도 5a 내지 도 5b는 도 1의 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇의 4족 보행 모드의 기구학적 해석을 위한 D-H 표현을 도시한 도면이고, 도 6a 내지 도 6d는 도 5a 내지 도 5b의 기구학적 해석에 따라 작동되는 4족 보행 모드의 전/후진 보행 예시도이며, 도 7a 내지 도 7d는 도 5a 내지 도 5b의 기구학적 해석에 따라 작동되는 4족 보행 모드의 양방향 회전 보행 예시도이다.

이하, 도 4a 내지 도 7d를 참조하여 상기 다리부의 관절모터(110) 및 구동모터(140)의 회전방향으로 본 발명의 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇의 주행 또는 보행을 설명하기로 한다.

또한, 다리부(100)는 몸체부(200) 기준으로 좌측 앞쪽 다리부("제1 다리부"(100a)라 함), 좌측 뒤쪽 다리부("제2 다리부(100b)"라 함), 우측 앞쪽 다리부("제3 다리부(100c)"라 함), 우측 뒤쪽 다리부("제4 다리부(100d)"라 함)로 구분지어 설명하기로 한다.

[4륜 주행]

도 4a에 도시된 바와 같이, 총 16개의 관절모터를 이용하여 바퀴(130a 내지 130d)가 지면에 닿도록 4륜 주행모드로 변환하며, 각 다리부(100a 내지 100d) 끝단부에 장착된 구동모터(140a 내지 140d)를 회전하여 4륜 주행을 실행할 수 있다.

[4륜 주행, 전진/후진]

도 4b를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇은 4륜을 이용한 전진 및 후진 시, 제1 내지 제4 다리부(100a 내지 100d)의 구동모터(140a 내지 140d)를 모두 같은 방향으로 같은 속도를 갖도록 회전시킬 수 있다.

[4륜 주행, 우회전/좌회전]

도 4c를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇은 4륜을 이용한 우회전 시에는 제1 내지 제2 다리부(100a, 100b)의 구동모터(140a, 140b)를 정방향으로 회전시키고, 제3 내지 제4 다리부(100c, 100d)의 구동모터(140c, 140d)를 역방향으로 회전시켜 우회전 할 수 있다.

또한, 좌회전 시에는 제1 내지 제2 다리부(100a, 100b)의 구동모터(140a, 140b)를 역방향으로 회전시키고, 제3 내지 제4 다리부(100c, 100d)의 구동모터(140c, 140d)를 정방향으로 회전시켜 좌회전 할 수 있다.

여기서, 상기 제1 내지 제4 다리부 구동모터(140a 내지 140d)의 속도는 모두 동일해야 한다.

[4륜 주행, 대각선 주행(우측/좌측)]

도 4d를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇은 4륜을 이용한 우측 또는 좌측 대각선 주행시에는 제1 내지 제4 다리부(100a 내지 100d)의 구동모터(140a 내지 140d)가 모두 같은 방향을 향하여 회전하되, 회전속도는 다르게 형성될 수 있다.

즉, 우측 대각선 주행시에는 제1 내지 제2 다리부(100a, 100b)의 구동모터(140a, 140b) 회전속도가 제3 내지 제4 다리부(100c, 100d)의 구동모터(140c, 140d) 회전속도보다 빠르게 형성될 수 있다.

또한, 좌측 대각선 주행시에는 제1 내지 제2 다리부(100a, 100b)의 구동모터(140a, 140b) 회전속도가 제3 내지 제4 다리부(100c, 100d)의 구동모터(140c, 140d) 회전속도보다 느리게 형성될 수 있다.

여기서, 제1 내지 제2 다리부(100a, 100b)의 구동모터(140a, 140b)간 회전속도는 동일하며, 제3 내지 제4 다리부(100c, 100d)의 구동모터(140c, 140d)간 회전속도는 동일해야 한다.

[4륜 주행, 우측/좌측]

도 4e를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇은 4륜을 이용한 우측 또는 좌측 주행시에 회전축이 수직으로 형성되어 좌/우로 회전하는 상기 제1 관절모터(111) 및 구동모터(140)를 사용할 수 있다.

자세하게는, 우측 주행시에는 제1 내지 제4 다리부(100a 내지 100d)의 각 제1 관절모터(111a 내지 111d)를 회전시켜 각 다리부(100a 내지 100d)의 방향 조절 후, 각 다리부(100a 내지 100d)의 구동모터(140a 내지 140d)를 동작시킬 수 있다.

이때, 제1 및 제4 다리부(100a, 100d)의 제1 관절모터(111a, 111d)는 좌측으로 회전하고, 제2 및 제3 다리부(100b, 100c)의 제1 관절모터(111b, 111c)는 우측으로 회전할 수 있다. 또한, 제1 및 제4 다리부(100a, 100d)의 구동모터(140a, 140d)는 역회전 하며, 제2 및 제3 다리부(100b, 100c)의 구동모터(140b, 140c)는 정회전 할 수 있다.

반대로, 좌측 주행시에는 제1 내지 제4 다리부(100a 내지 100d)의 각 제1 관절모터(111a 내지 111d)의 회전방향은 우측 주행시와 같으나, 구동모터(140a 내지 140d) 회전방향이 반대로 형성될 수 있다.

즉, 제1 및 제4 다리부(100a, 100d)의 제1 관절모터(111a, 111d)는 좌측으로 회전하고, 제2 및 제3 다리부(100b, 100c)의 제1 관절모터(111b, 111c)는 우측으로 회전하되, 제1 및 제4 다리부(100a, 100d)의 구동모터(140a, 140d)는 정회전 하며, 제2 및 제3 다리부(100b, 100c)의 구동모터(140b, 140c)는 역회전 할 수 있다.

[4족 보행]

도 5a에 도시된 바와 같이, 총 16개의 관절모터(111 내지 114)를 이용하여 보호부재(150)가 지면에 닿도록 4족 보행모드로 변환하여, 16개의 관절모터(111 내지 114)를 회전시켜 4족 보행을 실행할 수 있다.

이때, 4족 보행은 4륜 주행과 달리 구동모터(140)는 사용하지 않는다.

[4족 보행의 기구학적 해석]

이하, 4족 보행의 기구학적 해석은 이해가 쉽도록 하나의 다리부(100)에 대하여 설명하기로 한다.

도 5a 및 도 5b를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇의 4족 보행은 D-H(Denavit-Hartenberg) 모델을 이용하여 수행될 수 있다.

이때, D-H(Denavit-Hartenberg) 변수는 하기 <표 1>과 같이 정의될 수 있다.

연결부재( )
1	0	0		0
2		90
3	0	-90	0
4		0	0

이에, 상기 D-H(Denavit-Hartenberg) 변수를 이용하여 각 연결부재 i에 대한 변환행렬 A _i 로 표현할 수 있다.

또한, 변환행렬 A _i 로 표현된 값은 각각 A₁ A₂ A₃ A₄ 의 연산을 통해 하기와 같이 로봇의 방위벡터 및 최종 발끝 위치(보호부재의 위치)가 결정될 수 있다.

여기서, n_x _,n_y, n_z _,o_x,o_y _,o_z,a_x,a_y,a_z는 로봇의 방위벡터이며, p_x,p_y _, p_z는 로봇의 최종 발끝 위치(보호부재의 위치)이다.

[4족 보행, 전/후진]

4족 보행 시 전진 또는 후진은 1 내지 4 단계로 이루어 질 수 있다.

구체적으로, 1단계는 도 6a를 참조하면, 제1 및 제4 다리부(100a, 100d)의 각 제1 및 제2 관절모터(111a, 111d, 112a, 112d)를 동시에 동작시켜 제1 및 제4 다리부(100a, 100d)를 상승시키는 단계이다.

이때, 제1 및 제4 다리부(100a, 100d)의 각 제1 관절모터(111a, 111d)는 서로 다른 방향으로 회전하며, 각 제2 관절모터(112a, 112d)는 서로 같은 방향으로 회전해야 한다.

2단계는 도 6b를 참조하면, 1단계에서 상승된 제1 및 제4 다리부(100a, 100d)를 하강시키는 단계로서, 제2 관절모터(112a, 112d)를 1단계와 반대로 동작시켜 제1 및 제4 다리부(100a, 100d)를 하강시킬 수 있다. 이때, 제1 및 제4 다리부(100a, 100d)의 제2 관절모터(112a, 112d)는 서로 같은 방향으로 회전해야 한다.

3단계는 도 6c를 참조하면, 제2 및 제3 다리부(100b, 100c)의 각 제1 및 제2 관절모터(111b, 111c, 112b, 112c)를 동시에 동작시켜 제2 및 제3 다리부(100b, 100c)를 상승시키는 단계이다.

이때, 제2 및 제3 다리부(100b, 100c)의 각 제1 관절모터(111b, 111c)는 서로 다른 방향으로 회전하며, 각 제2 관절모터(112b, 112c)는 서로 같은 방향으로 회전해야 한다.

또한, 제2 다리부(100b)의 제1 관절모터(111b)는 1단계의 제1 다리부(100a)의 제1 관절모터(111a) 회전방향과 동일하며, 제3 다리부(100c)의 제1 관절모터(110c)는 1단계의 제4 다리부(100d)의 제1 관절모터(111d) 회전방향과 동일해야 한다.

또한, 제2 다리부(100b)의 제2 관절모터(112b)는 1단계의 제1 다리부(100a)의 제2 관절모터(112a) 회전방향과 동일하며, 제3 다리부(100c)의 제2 관절모터(112c)는 1단계의 제4 다리부(100d)의 제2 관절모터(112d) 회전방향과 동일해야 한다.

4단계는 도 6d를 참조하면, 3단계에서 상승된 제2 및 제3 다리부(100b, 100c)를 하강시키는 단계로서, 제2 관절모터(112b, 112c)를 3단계와 반대로 동작시켜 제2 및 제3 다리부(100b, 100c)를 하강시킬 수 있다. 이때, 제2 및 제3 다리부(100b, 100c)의 각 제2 관절모터(112b, 112c)는 서로 같은 방향으로 회전해야 한다.

[4족 보행, 양방향 회전]

4족 보행 시 양방향 회전은 1 내지 4 단계로 이루어 질 수 있다.

구체적으로, 1단계는 도 7a를 참조하면, 제1 및 제4 다리부(100a, 100d)의 각 제1 및 제2 관절모터(111a, 111d, 112a, 112d)를 동시에 동작시켜 제1 및 제4 다리부(100a, 100d)를 상승시키는 단계이다.

이때, 제1 및 제4 다리부(100a, 100d)의 각 제1 관절모터(111a, 111d)는 서로 같은 방향으로 회전하며, 각 제2 관절모터(112a, 112d)는 서로 같은 방향으로 회전해야 한다.

2단계는 도 7b를 참조하면, 1단계에서 상승된 제1 및 제4 다리부(100a, 100d)를 하강시키는 단계로서, 제2 관절모터(112a, 112d)를 1단계와 반대로 동작시켜 제1 및 제4 다리부(100a, 100d)를 하강시킬 수 있다. 이때, 제1 및 제4 다리부(100a, 100d)의 제2 관절모터(112a, 112d)는 서로 같은 방향으로 회전해야 한다.

3단계는 도 7c를 참조하면, 제2 및 제3 다리부(100b, 100c)의 각 제1 및 제2 관절모터(111b, 111c, 112b, 112c)를 동시에 동작시켜 제2 및 제3 다리부(100b, 100c)를 상승시키는 단계이다.

이때, 제2 및 제3 다리부(100b, 100c)의 각 제1 관절모터(111b, 111c)는 서로 같은 방향으로 회전하며, 각 제2 관절모터(112b, 112c)는 서로 같은 방향으로 회전해야 한다.

또한, 제2 다리부(100b)의 제1 관절모터(111b)는 1단계의 제1 다리부(100a)의 제1 관절모터(111a) 회전방향과 동일하며, 제3 다리부(100c)의 제1 관절모터(111c)는 1단계의 제4 다리부(100d)의 제1 관절모터(111d) 회전방향과 동일해야 한다.

4단계는 도 7d를 참조하면, 3단계에서 상승된 제2 및 제3 다리부(100b, 100c)를 하강시키는 단계로서, 제2 관절모터(112b, 112c)를 3단계와 반대로 동작시켜 제2 및 제3 다리부(100b, 100c)를 하강시킬 수 있다. 이때, 제2 및 제3 다리부(100b, 100c)의 각 제2 관절모터(112b, 112c)는 서로 같은 방향으로 회전해야 한다.

이상으로 설명한 작동방식에 의해 본 발명의 실시 예에 따른 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇은 유선으로 연결되는 컨트롤박스 등의 제어장치와 연결하여 원하는 방향으로 주행 또는 보행시킬 수 있다.

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇은 사용자와 유선으로 연결되어 제어될 수 있지만, 이에 한정되지 않고 무선으로 원격 제어가 가능할 수 있다. 이는 이하에서 도 8 내지 도 10을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇에 원격제어를 위한 구성을 추가하여 도시한 사시도이며, 도 9는 도 8의 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇의 원격제어 작동 시스템 구성도이고, 도 10은 도 8의 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇을 원격제어하는 원격제어시스템의 GUI(Graphical User Interface)이다.

도 8 내지 도 10을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇의 몸체부(200)는 상면의 일부 및 전/후, 양측면이 모두 개방되도록 형성될 수 있다. 이는, 원격제어에 필요한 센서 또는 카메라의 구성들이 구비될 공간을 마련하기 위한 것으로서, 몸체부(200)는 도 8에 도시된 바와 같이 상판과 하판의 2개의 판으로 구비될 수 있으며 상판은 일부가 개방되도록 형성될 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않고 상면의 일부 및 측면이 개방된 형상은 모두 형성될 수 있다.

또한, 몸체부(200)는 원격 제어 구성을 위해 인식부(210), MCU(220)를 포함할 수 있다.

구체적으로, 인식부(210)는 좌/우 및 상/하로 구동되는 2개의 회전모터(216a, 216b)가 연결되어 전방위로 회전할 수 있다. 이때, 2개의 회전모터(216a, 216b)는 순차적으로 연결되는 것이 바람직하다.

또한, 인식부(210)는 주변환경을 인식할 수 있다. 이를 위해, 인식부(210)는 거리감지센서(212) 및 주변인식 카메라(214)를 포함할 수 있다.

거리감지센서(212)는 로봇 주변의 물체를 감지할 수 있다. 이때, 거리감지센서(212)는 상기 인식부(210)와 연결되는 좌/우 회전모터(216a)에 의해 360°회전하여 물체를 감지할 수 있다.

주변인식 카메라(214)는 주변을 촬영하여 색상을 인식할 수 있다. 이는, 색상 감지를 통해 로봇을 원하는 색상 방향으로 향하도록 제어하기 위한 것으로서, 상기 인식부(210)와 연결되는 좌/우 및 상/하 회전모터(216a, 216b)에 의해 전방위로 회전하며 주변을 촬영하여 색상을 인지할 수 있다.

한편, 인식부(210)의 2개의 회전모터(216)는 MCU(220)에 의해 제어될 수 있다.

구체적으로, MCU(220)는 인식부(210)와 연결되는 2개의 회전모터(216), 다리부(100)의 16개 관절모터(110) 및 4개의 구동모터(140)를 모두 제어하도록 형성될 수 있다. 또한, MCU(220)는 거리감지센서(212)와 연동될 수 있다.

즉, MCU(220)는 거리감지센서(212)로부터 센싱데이터를 전달받아 센싱데이터에 따른 제어명령을 각 회전모터(216), 관절모터(110) 또는 구동모터(140)로 전송하여 제어하며, 이때 각 회전모터(216), 관절모터(110) 또는 구동모터(140)는 제어된 상태의 데이터 값을 MCU(220)로 다시 전송하여 MCU(220) 안에서 통합적인 데이터 추출이 이루어질 수 있다.

또한, MCU(220)는 본 발명의 실시 예에 따른 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇의 몸체부(200)에 더 포함될 수 있는 자이로센서(230) 및 조도센서(240)와도 연동될 수 있다.

자이로센서(230)는 몸체부(200)의 기울기를 감지하여 4륜 주행 및 4족 보행을 자동으로 변환하기 위하여 구비되는 것으로서, 후술하는 모드조작부(350)의 자율주행모드(355) 구성에 따라 더 포함될 수 있다.

구체적으로, 자이로센서(230)는 로봇의 주행 시 비정형 환경에 따라 로봇의 기울기가 지속적으로 변하는데, 이때 몸체부(200)의 좌/우(Roll) 및 상/하(Pitch)로의 기울기 변화를 감지하여 MCU(220)에게 감지 데이터 값을 전달함으로써, MCU(220)가 기설정된 시간 내에 발생되는 Roll 및 Pitch의 횟수에 따라 4륜 주행과 4족 보행을 변환하여 수행하도록 상기 각 모터(110, 140, 216)에 제어명령을 전달할 수 있다.

또한, 조도센서(240)는 외부의 빛의 세기를 감지하여 LED모듈(245)을 작동시키기 위한 것으로서, LED모듈(245) 구비시에 함께 구비될 수 있으며, 이에 따라 LED모듈(245)은 MCU(220)와 연동되며, 조도센서(240)로부터 감지된 빛의 세기에 따라 MCU(220)로부터 제어될 수 있다.

상기 자이로센서(230)의 구체적인 작동 알고리즘은 도 15b를 참조하여 후술하기로 한다.

한편, 주변인식 카메라(214) 및 MCU(220)는 원격제어시스템(300)과 통신할 수 있으며, 이를 통해 원격제어시스템(300)에 의해 실시간으로 원격제어 될 수 있다. 이때, 주변인식 카메라(214)는 원격제어시스템(300)과 RF/IP 복합 통신하고, MCU(220)는 원격제어시스템(300)과 블루투스 통신하여 접속될 수 있다. 여기서, RF/IP 복합 통신이란, RF통신과 IP 통신을 복합적으로 사용하는 하이브리드 통신 기술을 지칭한다.

원격제어시스템(300)은 RC 컨트롤러, PC(Personal Computer), 스마트 단말 등으로 형성될 수 있으며, 이하에서는 이해가 쉽도록 PC(Personal Computer)에 설치된 원격제어시스템(300)의 GUI(Graphical User Interface)를 참조하여 설명하기로 한다.

원격제어시스템(300)은 도 10에 도시된 바와 같이 원격제어를 위해 통신부(310), 모니터링부(320), 영상처리부(330) 및 수동조작부(340)를 포함할 수 있다.

구체적으로, 통신부(310)는 MCU(220) 및 주변인식 카메라(214)와 접속하도록 형성될 수 있다. 즉, 원격제어시스템(300)의 원격제어 작동은 통신부(310)로부터 접속신호가 인가되며, 이때, 통신부(310)는 MCU(220)와 블루투스 통신하며, 주변인식 카메라(214)와 RF/IP 복합 통신 할 수 있다.

한편, 통신부(310)의 MCU(220) 및 주변인식 카메라(214)와의 접속여부는 모니터링부(320)에서 확인할 수 있다.

모니터링부(320)는 MCU(220) 및 주변인식 카메라(214)의 상황을 모니터링 할 수 있다. 즉, 상술한 바와 같이 통신부(310)의 MCU(220) 또는 주변인식 카메라(214)와의 접속여부 상태를 알 수 있으며, 더불어 MCU(220)와 연동되는 센서들의 데이터 확인, 현재 주행모드 확인, 장애물 감지 여부 파악 등을 수행할 수 있다.

영상처리부(330)는 주변인식 카메라(214)로부터 생성된 이미지를 처리할 수 있다. 이때, 영상처리부(330)는 주변인식 카메라(214)로부터 3채널의 RGB(Red-Green_Blue) 이미지를 RF/IP 복합 통신을 통해 입력받아 HSV(hue-saturation-value)이미지로 변환 후, H,S,V의 조건에 따라 픽셀 값을 0 또는 1로 변환하여 모폴리지 연산(팽창, 침식)을 통해 잡음을 제거하여 색상을 인식할 수 있다. 영상처리부(330)의 보다 구체적인 알고리즘은 도 13b를 참조하여 후술하기로 한다.

수동조작부(340)는 사용자의 조작에 따라 본 발명의 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇이 동작하도록 MCU(220)에 신호를 인가할 수 있다. 이때, 수동조작부(340)는 4족 및 4륜 변환모드와 전진, 후진, 좌/우 주행(보행), 좌회전, 우회전, 정지 모드 등을 포함하여 해당 모드에 맞추어 MCU(220)에 신호를 인가할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇을 원격제어하는 원격제어시스템은 모드조작부(350)를 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 모드조작부(350)는 기설정된 모드에 따라 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇이 동작하도록 MCU(220)에 신호를 인가할 수 있다. 이때, 기설정된 모드는 도 10에는 도시되지 않았으나, 4륜 주행 또는 4족 보행이 아닌 어떤 특수한 형상을 만들거나, 그 형상을 반복하는 형태의 동작일 수 있다. 예컨대, 제1 및 제4 다리부(100a, 100d)를 반복적으로 들어올리는 동작일 수 있으며, 각 다리부(100)를 회전하여 바퀴(130)의 위치를 로봇 내측과 외측으로 변환하는 모드일 수 있다.

또한, 모드조작부(350)는 도 10에 도시된 바와 같이 수동모드, 추정모드(357), 모드초기화 등을 포함할 수 있다.

구체적으로, 수동모드는 상술한 수동조작부(340)로 사용자 조작이 가능하도록 변환하는 모드이다.

추정모드(360)는 주변인식 카메라(214)를 이용하여 주변 이미지를 촬상한 후, 설정된 색상을 추정하여 본 발명의 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇이 이동토록 하는 모드로서, 색상감지 알고리즘을 통해 작동될 수 있다.

모드초기화는 모드조작부(350)에서 실행되고 있는 모드를 초기화 하는 모드이다.

또한, 모드조작부(350)는 자율주행모드(355)를 더 포함할 수 있다.

자율주행모드(355)는 본 발명의 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇이 각 센서(212, 230) 및 모터(110, 140, 216), 주변인식 카메라(214)를 이용하여 자율로 주행하도록 설정하는 것으로서, 자율주행모드(355) 작동 시 장애물회피, 주행 모드 변환, 물체 추정 등을 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇이 자율적으로 수행할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시 예에 따른 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇을 원격제어하는 원격제어시스템은 주행변환부(360)를 더 포함하며, 주행변환부(360)는 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇의 4륜 주행 및 4족 보행을 수동적으로 변환할 수 있다.

이하, 도 11 내지 도 15b를 참조하여 로봇 제어 및 자율주행모드(355)시에 장애물회피, 주행 모드 변환, 물체 추정시의 색상감지 알고리즘을 설명하기로 한다.

도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇의 자율주행모드시의 작동을 도시한 흐름도이며, 도 12a 내지 도 12b는 도 11의 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇이 4족 보행 시의 장애물 감지 및 회피 알고리즘을 도시한 흐름도이고, 도 13a 내지 도 13b는 도 11의 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇이 4륜 주행 시의 장애물 감지 및 회피 알고리즘을 도시한 흐름도이며, 도 14는 도 11의 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇이 주변인식 카메라를 이용한 색상 감지 작동 알고리즘을 도시한 흐름도이고, 도 15a 내지 도 15b는 도 11의 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇이 자이로센서를 이용하여 Roll, Pitch 감지를 통한 주행 변환 작동 알고리즘을 도시한 흐름도이다.

[4륜 주행 및 4족 보행 제어 알고리즘]

도 11을 참조하면, 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇의 원격제어시스템(300)은 작동 시 블루투스 및 주변인식 카메라(214)의 데이터 초기화 단계(S10)를 거쳐 블루투스 및 주변인식 카메라(214)의 접속이 이루어질 수 있다.

이때, 블루투스 및 주변인식 카메라(214)의 접속여부(S15)에 따라 초기화 단계(S10) 또는 모드 선택 단계(S20)로 진행될 수 있다. (미접속시 초기화 단계, 접속시 모드 선택 단계)

모드가 선택되면 해당 모드의 자율/추정 모드(색상 설정) 여부를 판별(S25)하여 해당 모드가 자율/추정 모드(색상 설정)에 해당할 시 센서 초기화 및 로봇 주행 방향 설정 단계(S30)로 진행되며, 자율/추정 모드에 해당하지 않을 시 수동 모드(S500)로 진행될 수 있다.

로봇 주행 방향이 설정되면, 로봇은 설정된 주행 방향으로 주행하며, 주행시에 센싱데이터를 획득(S50)하여 색상감지여부(S55)를 수시로 확인할 수 있다.

이때, 설정된 색상을 감지(S55)시 주행 방향 설정단계(S60)로 진행되며, 색상 미감지시에 거리감지센서(212)를 통한 장애물회피(S100), 자이로센서(230)를 통한 주행 모드 변환(S200), 조도 센서(240)를 통한 LED모듈 ON/OFF(S300)를 수행하면서 설정된 주행방향으로 주행할 수 있다.

이는, 자율/추정모드 종료 선택(S400)시까지 반복되며, 자율/추정모드 종료 선택시(S400)에는 수동 모드(S500)로 전환되어 수동 제어 될 수 있다.

[4족 보행 시 장애물 회피(S130) 알고리즘]

도 12a를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇의 4족 보행시에는 상술한 바와 같이 각 다리부(100)의 관절모터(110)를 회전하여 보행할 수 있다. 이때, 몸체부(200)에 장착된 거리감지센서(212)를 통해 장애물이 인식되면 주행 방향을 바꾸어 장애물을 회피하도록 형성된다.

도 12b를 참조한 구체적인 알고리즘은 다음과 같다.

보행 중 장애물이 감지(S131)되면, d_obs

d_avoid _{_min}의 여부를 체크(S132)할 수 있다. (여기서 d_obs는 장애물 감지거리이며, d_avoid _{_min}는 충돌회피를 위한 최소거리이다)

d_obs

d_avoid _{_min}에 해당되지 않으면, 장애물 회피가 종료되며, d_obs

d_avoid _{_min}에 해당되면, 거리감지센서(212)의 방향 재설정(S133)을 실행할 수 있다(0°내지 360°범위 내에서 재설정)

방향 재설정 후, d_obs>d_avoid _{_} _min여부를 체크(S134)하여 d_obs>d_avoid _{_min}에 해당하지 않으면 다시 거리감지센서(212)의 방향 재설정(S133)을 실행하며, d_obs>d_avoid _{_min}에 해당하면 설정된 거리감지센서(212) 방향으로 제1 내지 제4 다리부의 보행 방향을 전환(S135)하여 장애물 회피를 실행할 수 있다(이때, 방향 전환 시 관절모터의 이동 범위는 0°내지 140°범위)

[4륜 주행 시 장애물 회피(S150) 알고리즘]

도 13a를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇의 4족 주행시에는 상술한 바와 같이 각 다리부(100)의 구동모터(140)를 회전하여 주행할 수 있다. 이때, 몸체부(200)에 장착된 거리감지센서(212)를 통해 장애물이 인식되면 주행 방향을 바꾸어 장애물을 회피하도록 형성된다. 또한, 구동모터(140)의 속도 및 방향을 조절하여 전방향 주행이 가능하다.

도 13b를 참조한 구체적인 알고리즘은 다음과 같다.

주행 중 장애물이 감지(S151)되면, d_obs

d_avoid _{_min}의 여부를 체크(S152)할 수 있다. (여기서 d_obs는 장애물 감지거리이며, d_avoid _{_min}는 충돌회피를 위한 최소거리이다)

d_obs

d_avoid _{_min}에 해당되면, 거리감지센서(212)의 방향 재설정(S153)을 실행할 수 있다(0°내지 360°범위 내에서 재설정)

방향 재설정 후, d_obs>d_avoid _{_} _min여부를 체크(S154)하여 d_obs>d_avoid _{_min}에 해당하지 않으면 다시 거리감지센서(212)의 방향 재설정(S153)을 실행하며, d_obs>d_avoid _{_min}에 해당하면 설정된 거리감지센서(212) 방향으로 제1 내지 제4 다리부의 바퀴 주행 방향을 전환(S155)하여 장애물 회피를 실행할 수 있다.

[색상감지 알고리즘]

도 14를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇의 색상감지는 주변인식 카메라에서 촬상된 연속된 이미지를 영상처리부(330)에서 순차적으로 색상인식을 수행하여 처리할 수 있다.

이때, 주변인식 카메라(214)에서는 3채널의 RGB(Red-Green-blue) 이미지가 입력되어 영상처리부(330)로 전송(S610)될 수 있다.

RGB 이미지를 전송받은 영상처리부(330)는 색상을 인식하기 편리한 HSV(hue-saturation-value) 이미지로 변환(S620)하며, 색상의 H,S,V 조건(1<H<30, 200<S<255, 200<V<255)을 정하여 모든 픽셀을 필터링(S630) 한 후, 조건에 부합여부를 판별(S635)하여 조건에 부합하면 해당 픽셀 값을 1로 변환(S640)하고, 부합하지 않으면 해당 픽셀 값을 0으로 변환(S650)할 수 있다.

이때, 변환된 해당 픽셀이 전체 영역에서 마지막에 위치하는지 판별(S655)을 수행하여 변환된 해당 픽셀이 전체 영역에서 마지막에 위치하지 않으면 다시 픽셀의 필터링 단계(S630)로 전환되며, 마지막 위치에 해당하면 모폴로지 연산(팽창, 침식)(S660)으로 진행될 수 있다.

변환을 마친 이미지는 잡음이 포함된 이미지이므로 모폴로지 기법 중 침식, 팽창 연산을 차례대로 수행하여 잡음을 제거할 수 있다.

상기 과정을 마친 이미지를 판별(S665)하여 이미지내에 원하는 색상이 있으면 색상 방향으로 로봇을 제어할 수 있으며, 원하는 색상이 없으면 다음순서의 이미지를 검색(S670)하여 상기 과정을 거쳐 다시 색상을 인식할 수 있다.

[주행모드변환 알고리즘]

도 15a를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇의 자율주행모드시 주행 모드 변환은 자이로센서(230)를 통해 Roll(좌/우), Pitch(상/하) 변화를 감지하여 실행될 수 있다.

구체적으로, 도 15b를 참조하면 4륜 주행 또는 4족 보행시에 자이로센서(230)는 Roll(좌/우), Pitch(상/하) 변화량을 감지(S210)할 수 있다.

이때, Roll, Pitch 값과

(최소변화량)을 비교수행(S215)하여 Roll, Pitch 값이

(최소변화량)보다 크거나 작을 경우에 Roll, Pitch 값을 계수(Count)하여 최대값(Count_max)과 최소값(Count_min)을 구분(S220)짓는다.

구분된 최대값(Count_max)과 최소값(Count_min)은 각각 n_max와 n_min와 비교수행(S225)할 수 있다. (즉, Count_max>n_max 비교수행, Count_min>n_min 비교수행, 여기서 n은 사용자 설정 횟수)

이때, Count_max>n_max 또는 Count_min>n_min에 미해당시 제한시간(Delay)를 진행시간(t)과 비교수행(S235)하여 제한시간(Delay) 초기화(S240) 또는 Roll, Pitch 감지 종료 단계로 진행될 수 있다.

구체적으로, 제한시간(Delay)이 진행시간(t)보다 작을 경우에는 Roll, Pitch 감지 종료 단계로 진행될 수 있다. 반면, 제한시간(Delay)이 진행시간(t)보다 클 경우에는 제한시간(Delay) 초기화 단계(S240)로 진행되며, 다시 Roll, Pitch 변화량 감지(S210)를 실행할 수 있다.

즉, 제한시간(Delay)<진행시간(t) 여부를 비교하여 변화량 감지 또는 변화량 감지 종료를 수행할 수 있다.

한편, Count_max>n_max 에 해당시 4족 변환(S250)을 수행하며, Count_min>n_min에 해당시 4륜 변환(S250)을 수행한다.

이를 통한, 본 발명의 실시 예에 따른 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇은 고른 평지에서는 바퀴형으로 주행하고 비정형 환경에서는 관절로 주행할 수 있어, 다양한 환경에서 탐사 임무 수행이 가능하며, 이에 따라 농업용, 방제용, 군사용, 산업용 등의 다양한 분야에서 사용이 가능하다.

이상으로 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것이다.

10 : 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇
100 : 다리부
100a ~ 100d : 제1 내지 제4 다리부
110 : 관절모터
111 ~ 114 : 제1 내지 제4 관절모터
120 : 연결부재
121 ~ 125: 제1 내지 제5 연결부재
130 : 바퀴
140 : 구동모터
150 : 보호부재
200 : 몸체부
210 : 인식부
212 : 거리감지센서
214 : 주변인식 카메라
216 : 회전모터
220 : MCU
230 : 자이로센서
240 : 조도센서
245 : LED모듈
300 : 원격제어시스템
310 : 통신부
320 : 모니터링부
330 : 영상처리부
340 : 수동조작부
350 : 모드조작부
355 : 자율주행모드
357 : 추정모드
360 : 주행변환부

Claims

각각 관절모터와 바퀴를 포함하는 다리부 4개가 몸체부를 지지하도록 구성되되, 상기 다리부는 상기 관절모터의 작동에 의해 움직이며, 상기 바퀴는 상기 다리부의 끝단부에서 구동모터와 함께 연결되도록 구비되고, 상기 4개의 다리부 끝단을 지면과 접촉하도록 하여 관절모터를 작동시키거나, 상기 바퀴를 지면과 접촉하도록 형태를 변형시켜 구동모터를 작동시킴으로써 4족 보행 또는 4륜 주행이 가능하도록 형성되는 자율 이동 로봇에 있어서,
상기 다리부는,
상기 몸체부와 연결되어 좌/우로 회전하는 제1 관절모터;
상기 제1 관절모터의 끝단 일측에 연결되는 제1 연결부재;
상기 제1 연결부재와 연결되고, 회전축이 제1 관절모터의 회전축과 직각방향인 수직으로 형성되어 회전하는 제2 관절모터;
상기 제2 관절모터의 끝단 일측에 연결되는 제2 연결부재;
상기 제2 연결부재와 연결되고, 회전축이 지면과 평행하도록 제2 관절모터의 회전축과 수직으로 형성되어 회전하는 제3 관절모터;
상기 제3 관절모터의 끝단에 연결되는 제3 연결부재;
상기 제3 연결부재와 연결되고, 회전축이 제3 관절모터의 회전축과 수평으로 형성되어 회전하는 제4 관절모터;
상기 제4 관절모터와 인접하게 상기 다리부 끝단부로 구비되는 구동모터;
상기 제3 연결부재가 제4 관절모터와 연결된 면과 다른 일방향 면에서 상기 제4 관절모터와 상기 구동모터를 연결하는 동시에 일측 일부를 감싸도록 형성되는 제4 연결부재;
상기 제3 연결부재가 제4 관절모터와 연결된 면과 다른 타방향 면에서 상기 제4 관절모터와 상기 구동모터를 연결하는 동시에 타측 일부를 감싸도록 형성되는 제5 연결부재 및
상기 제4 및 제5 연결부재 사이에서 구동모터의 일측과 연결되는 바퀴를 포함하며,
상기 제1 내지 제4 관절모터는 0° 내지 300°회전이 가능하고,
상기 제1 관절모터는,
상기 몸체부의 내·외측으로 회전하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇.
삭제
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 다리부는,
상기 구동모터가 지면에 직접적으로 닿지 않도록 구동모터 끝단을 감싸도록 형성되어 지면과 접촉하는 보호부재를 더 포함하는 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇.
제 1 항에 있어서,
상기 몸체부는,
좌우 및 상하로 구동되는 2개의 회전모터가 연결되어 전방위로 회전하며 주변환경을 인식하는 인식부 및
상기 각 관절모터, 구동모터 및 회전모터를 제어하는 MCU를 포함하며,
상기 인식부는,
로봇 주변의 물체를 감지하는 거리감지센서 및
주변을 촬영하여 이미지를 생성하는 주변인식 카메라를 포함하고,
상기 MCU는 상기 거리감지센서와 연동되며,
상기 주변인식 카메라 및 MCU는 원격제어시스템과 통신 가능하여 실시간으로 원격 제어 될 수 있는 것을 특징으로 하는 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇.
제 5 항에 있어서,
상기 주변인식 카메라는 원격제어시스템과 RF/IP 복합 통신하며, MCU는 원격제어시스템과 블루투스 통신하는 것을 특징으로 하는 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇.
제 5 항에 있어서,
상기 원격제어시스템은,
상기 MCU 및 주변인식 카메라와 접속하도록 형성되는 통신부;
MCU 및 주변인식 카메라의 상황을 모니터링 할 수 있는 모니터링부;
주변인식 카메라에 의해 생성된 이미지를 처리하는 영상처리부 및
사용자의 조작에 따라 상기 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇이 동작하도록 MCU에 신호를 인가하는 수동조작부를 포함하는 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇.
제 7 항에 있어서,
상기 원격제어시스템은,
기설정된 모드에 따라 상기 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇이 동작하도록 상기 MCU에 신호를 인가하는 모드조작부를 더 포함하는 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇.
제 8 항에 있어서,
상기 모드조작부는,
상기 주변인식 카메라를 이용하여 주변 이미지를 촬상한 후, 설정된 색상을 추정하는 추정모드를 포함하는 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇.
제 8 항에 있어서,
상기 모드조작부는,
자율주행모드를 포함하며, 자율주행모드 작동 시 상기 관절모터, 구동모터 및 회전모터를 제어하여 장애물회피, 주행 모드 변환, 물체 추정을 자율적으로 할 수 있는 것을 특징으로 하는 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇.
제 7 항에 있어서,
상기 원격제어시스템은,
4륜 주행 및 4족 보행을 수동적으로 변환하는 주행변환부를 더 포함하는 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇.
제 5 항에 있어서,
상기 몸체부는,
로봇의 기울기를 감지하며, 상기 MCU와 연동되는 자이로센서를 더 포함하는 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇.
제 5 항에 있어서,
상기 몸체부는,
외부의 빛의 세기를 감지하며, 상기 MCU와 연동되는 조도센서 및
조도센서로부터 감지된 빛의 세기에 따라 MCU로부터 제어되는 LED모듈을 더 포함하는 전방향 주행이 가능한 4륜 4족 자율 이동 로봇.