KR102159432B1 - 이동 로봇의 원격 제어를 위한 하이브리드 조이스틱 장치 및 이의 동작 방법 및 시스템 - Google Patents

이동 로봇의 원격 제어를 위한 하이브리드 조이스틱 장치 및 이의 동작 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

이동 로봇의 원격 제어를 위한 하이브리드 조이스틱 장치 및 이의 동작 방법 및 시스템이 제시된다. 일 실시예에 따른 이동 로봇의 원격 제어를 위한 하이브리드 조이스틱 장치는, 상부 플레이트; 상기 상부 플레이트와 소정 간격 이격되어 구성되는 하부 플레이트; 상기 상부 플레이트와 상기 하부 플레이트를 연결하는 리니어 액추에이터; 상기 상부 플레이트의 상단에 구성된 조이스틱과, 조작자가 상기 조이스틱을 조정함에 따라 조향 방향을 감지하는 홀 센서를 포함하는 홀 센서부; 상기 상부 플레이트와 상기 리니어 액추에이터의 연결부에 구성되어 상기 조이스틱에 가해지는 힘에 의해 하측으로 미는 힘을 검출하는 힘 센서부; 및 상기 홀 센서부로부터 홀 센서 데이터를 전달 받아 이동 로봇의 방향 명령을 생성하고, 상기 힘 센서부로부터 힘 센서 데이터를 전달 받아 상기 이동 로봇의 속도 명령을 생성하여 상기 이동 로봇을 제어하는 제어부를 포함하여 이루어질 수 있다.

Description

이동 로봇의 원격 제어를 위한 하이브리드 조이스틱 장치 및 이의 동작 방법 및 시스템{HYBRID JOYSTICK APPARATUS FOR REMOTE CONTROL OF MOBILE ROBOT AND OPERATING METHOD AND SYSTEM USING THEREOF}
아래의 실시예들은 이동 로봇의 원격 제어를 위한 하이브리드 조이스틱 장치 및 이의 동작 방법 및 시스템에 관한 것이다.
다양한 산업 환경에 적용할 수 있는 로봇들이 개발되면서 로봇을 제어하는 원격 제어의 활용범위가 점차 넓어지고 있다. 하지만 대부분의 원격 제어에 적용되는 조이스틱(joystick)은 머니퓰레이터(manipulator)를 중심으로 디자인되고 활용되고 있다. 이에 비해 이동 로봇을 중심으로 제어할 수 있는 햅틱(haptic) 조이스틱의 개발은 부족한 실정이다.
산업적, 군사적, 재해 및 재난 등 다양한 환경에서 적용되는 이동 로봇의 경우, 보다 효과적이고 안정적으로 제어할 수 있는 조이스틱 및 제어기술 개발이 필수적이다. 한편, 기존의 이동 로봇의 경우 2 자유도에 국한되어 있기 때문에 머니퓰레이터에 적용되는 일반적인 다자유도 조이스틱을 통한 제어를 할 경우 여러 가지 불편한 점이 있다.
한국공개특허 10-2006-0116922호는 이러한 이동형 로봇 시스템에 관한 것으로, 전방향(全方向) 제어가 용이하고 상기 이동형 로봇의 상태를 알려주는 이동형 로봇의 원격조정기에 관한 기술을 기재하고 있다.
한국공개특허 10-2006-0116922호
실시예들은 이동 로봇의 원격 제어를 위한 하이브리드 조이스틱 장치 및 이의 동작 방법 및 시스템에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 이동 로봇을 효과적인 제어와 안정적인 원격 제어에 적합한 형태를 가지는 하이브리드 조이스틱 장치를 설계하고 이를 제어하는 기술을 제공한다.
실시예들은 이동 로봇에 장착된 카메라를 통하여 조작자가 영상정보를 이용하여 하이브리드 조이스틱을 통하여 이동 로봇을 제어하며, 이동 로봇에 장착된 INS 센서를 통하여 이동 로봇의 현재 상태 값 및 이동 로봇이 이동하고 있는 지면의 현재 값을 롤(roll), 피치(pitch), 요(yaw) 값으로 피드백 받아서 조작자가 제어하는 조이스틱으로 피드백 해줌으로써 조작자가 이동 로봇의 상태 값을 즉각적으로 알 수 있는 이동 로봇의 원격 제어를 위한 하이브리드 조이스틱 장치 및 이의 동작 방법 및 시스템을 제공하는데 있다.
일 실시예에 따른 이동 로봇의 원격 제어를 위한 하이브리드 조이스틱 장치는, 상부 플레이트; 상기 상부 플레이트와 소정 간격 이격되어 구성되는 하부 플레이트; 상기 상부 플레이트와 상기 하부 플레이트를 연결하는 리니어 액추에이터; 상기 상부 플레이트의 상단에 구성된 조이스틱과, 조작자가 상기 조이스틱을 조정함에 따라 조향 방향을 감지하는 홀 센서를 포함하는 홀 센서부; 상기 상부 플레이트와 상기 리니어 액추에이터의 연결부에 구성되어 상기 조이스틱에 가해지는 힘에 의해 하측으로 미는 힘을 검출하는 힘 센서부; 및 상기 홀 센서부로부터 홀 센서 데이터를 전달 받아 이동 로봇의 방향 명령을 생성하고, 상기 힘 센서부로부터 힘 센서 데이터를 전달 받아 상기 이동 로봇의 속도 명령을 생성하여 상기 이동 로봇을 제어하는 제어부를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 제어부는, 상기 상부 플레이트에 가해지는 힘에 임계 값(threshold)을 설정하여, 상기 임계 값 이상인 경우 상기 이동 로봇을 가속시키고 상기 임계 값 이하인 경우 상기 이동 로봇을 감속시키도록 제어할 수 있다.
상기 임계 값은, 상기 이동 로봇의 구동을 위해 상기 조작자가 상기 상부 플레이트에 손을 올리고 상기 조이스틱을 파지할 때의 무게를 초기 값으로 설정하여 상기 이동 로봇의 기본 속도로 설정하게 되며, 상기 조작자가 상기 이동 로봇을 제어하기 이전에 각각의 조작자에 맞게 조정될 수 있다.
상기 제어부는, 상기 이동 로봇으로부터 주행 중인 지형의 경사도(slope) 및 틸트(tilt) 값을 전달 받아 상기 리니어 액추에이터를 통해 상기 상부 플레이트의 기울기로 피드백하여, 상기 상부 플레이트의 상단에 구성된 상기 조이스틱을 파지하고 있는 조작자에게 피드백할 수 있다.
상기 힘 센서부는, 상기 이동 로봇에 부착된 INS(Inertial Navigation System) 센서부가 감지한 경사도(slope) 및 틸트(tilt)의 지형 조건에 각각 대응하는 피치(pitch) 및 롤(roll) 운동을 생성하고, 상기 리니어 액추에이터는, 3개 구성되어, 상기 힘 센서부에서 생성된 상기 피치(pitch) 및 롤(roll) 운동에 따라 상기 상부 플레이트를 기울일 수 있다.
상기 하부 플레이트의 하측에 독립적으로 구성되며, 요(yaw) 운동에 의한 조향 명령의 결과를 반영하는 회전 조인트(revolute joint)가 구성되는 베이스 프레임을 더 포함할 수 있다.
상기 베이스 프레임은, 상기 조향 명령이 일치할 때 요 운동은 0이 되어, 상기 조작자가 상기 조향 명령과 상기 요 운동에 의해 생성된 실제 주행 피드백 간의 차이를 인식하도록 할 수 있다.
상기 이동 로봇에 부착된 비전 센서부에서 획득한 영상정보를 전달 받아 제공하는 모니터부를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 모니터부는, 상기 하이브리드 조이스틱 장치에 구성되거나 상기 하이브리드 조이스틱 장치에 연결되어 상기 이동 로봇의 위치 또는 상태 정보를 영상으로 제공할 수 있다.
다른 실시예에 따른 이동 로봇의 원격 제어를 위한 하이브리드 조이스틱 장치의 동작 시스템은, 조작자가 상부 플레이트의 상단에 구성된 조이스틱을 조정함에 따라 홀 센서를 통해 조향 방향을 감지하는 홀 센서부; 상기 홀 센서부로부터 홀 센서 데이터를 전달 받아 이동 로봇의 방향 명령을 생성하여 상기 이동 로봇으로 전달함에 따라 이동 로봇의 방향을 제어하는 방향 제어부; 상기 상부 플레이트와 상기 상부 플레이트의 하부에 구성된 리니어 액추에이터의 연결부에 구성되어, 상기 조이스틱에 가해지는 힘에 의해 하측으로 미는 힘을 검출하는 힘 센서부; 및 상기 힘 센서부로부터 힘 센서 데이터를 전달 받아 상기 이동 로봇의 속도 명령을 생성하여 상기 이동 로봇으로 전달함에 따라 이동 로봇의 속도를 제어하는 속도 제어부를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 속도 제어부는, 상기 상부 플레이트에 가해지는 힘에 임계 값(threshold)을 설정하여, 상기 임계 값 이상인 경우 상기 이동 로봇을 가속시키고 상기 임계 값 이하인 경우 상기 이동 로봇을 감속시키도록 제어할 수 있다.
상기 이동 로봇으로부터 주행 중인 지형의 경사도(slope) 및 틸트(tilt) 값을 전달 받아 상기 리니어 액추에이터를 통해 상기 상부 플레이트의 기울기로 피드백하여, 상기 상부 플레이트의 상단에 구성된 상기 조이스틱을 파지하고 있는 조작자에게 피드백하는 피드백 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 피드백 제어부는, 상기 힘 센서부를 이용하여 상기 이동 로봇에 부착된 INS(Inertial Navigation System) 센서부가 감지한 경사도(slope) 및 틸트(tilt)의 지형 조건에 각각 대응하는 피치(pitch) 및 롤(roll) 운동을 생성하고, 3개로 구성된 상기 리니어 액추에이터를 이용하여 상기 힘 센서부에서 생성된 상기 피치(pitch) 및 롤(roll) 운동에 따라 상기 상부 플레이트를 기울이도록 제어하여 상기 조작자에게 피드백할 수 있다.
상기 하부 플레이트의 하측에 독립적으로 구성되어, 회전 조인트(revolute joint)를 통해 요(yaw) 운동에 의한 조향 명령의 결과를 반영하는 편향 각 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 이동 로봇에 부착된 비전 센서부에서 획득한 영상정보를 전달 받아 제공하는 모니터부를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 모니터부는, 상기 하이브리드 조이스틱 장치에 구성되거나 상기 하이브리드 조이스틱 장치에 연결되어 상기 이동 로봇의 위치 또는 상태 정보를 영상으로 제공할 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 이동 로봇의 원격 제어를 위한 하이브리드 조이스틱 장치의 동작 방법은, 조작자가 상부 플레이트의 상단에 구성된 조이스틱을 조정함에 따라 홀 센서를 통해 조향 방향을 감지하는 단계; 상기 홀 센서로부터 홀 센서 데이터를 전달 받아 이동 로봇의 방향 명령을 생성하여 상기 이동 로봇으로 전달함에 따라 이동 로봇의 방향을 제어하는 단계; 상기 상부 플레이트와 상기 상부 플레이트의 하부에 구성된 리니어 액추에이터의 연결부에 구성되어, 힘 센서를 통해 상기 조이스틱에 가해지는 힘에 의해 하측으로 미는 힘을 검출하는 단계; 및 상기 힘 센서로부터 힘 센서 데이터를 전달 받아 상기 이동 로봇의 속도 명령을 생성하여 상기 이동 로봇으로 전달함에 따라 이동 로봇의 속도를 제어하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 이동 로봇의 속도를 제어하는 단계는, 상기 상부 플레이트에 가해지는 힘에 임계 값(threshold)을 설정하여, 상기 임계 값 이상인 경우 상기 이동 로봇을 가속시키고 상기 임계 값 이하인 경우 상기 이동 로봇을 감속시키도록 제어할 수 있다.
상기 이동 로봇으로부터 주행 중인 지형의 경사도(slope) 및 틸트(tilt) 값을 전달 받아 상기 리니어 액추에이터를 통해 상기 상부 플레이트의 기울기로 피드백하여, 상기 상부 플레이트의 상단에 구성된 상기 조이스틱을 파지하고 있는 조작자에게 피드백하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 조작자에게 피드백하는 단계는, 상기 힘 센서를 이용하여 상기 이동 로봇에 부착된 INS(Inertial Navigation System) 센서부가 감지한 경사도(slope) 및 틸트(tilt)의 지형 조건에 각각 대응하는 피치(pitch) 및 롤(roll) 운동을 생성하고, 3개로 구성된 상기 리니어 액추에이터를 이용하여 상기 힘 센서에서 생성된 상기 피치(pitch) 및 롤(roll) 운동에 따라 상기 상부 플레이트를 기울이도록 제어하여 상기 조작자에게 피드백할 수 있다.
상기 하부 플레이트의 하측에 독립적으로 구성되어, 회전 조인트(revolute joint)를 통해 요(yaw) 운동에 의한 조향 명령의 결과를 반영하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 이동 로봇에 부착된 비전 센서부에서 획득한 영상정보를 전달 받아 모니터를 통해 제공하는 단계를 더 포함하고, 상기 영상정보를 전달 받아 모니터를 통해 제공하는 단계는, 상기 하이브리드 조이스틱 장치에 구성되거나 상기 하이브리드 조이스틱 장치에 연결되어 상기 이동 로봇의 위치 또는 상태 정보를 영상으로 제공할 수 있다.
실시예들에 따르면 이동 로봇에 장착된 카메라를 통하여 조작자가 영상정보를 이용하여 하이브리드 조이스틱을 통하여 이동 로봇을 제어하며, 이동 로봇에 장착된 INS 센서를 통하여 이동 로봇의 현재 상태 값, 이동 로봇이 이동하고 있는 지면의 현재 값을 롤(roll), 피치(pitch), 요(yaw) 값을 피드백 받아서 조작자가 제어하는 조이스틱으로 피드백 해줌으로써 조작자가 이동 로봇의 상태 값을 즉각적으로 알 수 있으며, 피드백되는 값에 따라 이동 로봇의 속도를 제어할 수 있는 하이브리드 조이스틱 장치 및 이의 동작 방법 및 시스템을 제공할 수 있다.
실시예들에 따르면 이동 로봇의 상태 및 지형에 따른 효과적이고 안정적인 주행을 가능하게 할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 하이브리드 조이스틱 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 하이브리드 조이스틱 장치에서 사용하는 좌표계를 나타내는 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 하이브리드 조이스틱 장치의 상부 플레이트의 피치 각을 나타내는 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 하이브리드 조이스틱 장치의 상부 플레이트의 롤 각을 나타내는 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 전체 시스템의 블록 다이어그램을 나타내는 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 상부 플레이트의 힘 감지를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 전체 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 이동 로봇의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 하이브리드 조이스틱 장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른 하이브리드 조이스틱 장치의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 11은 일 실시예에 따른 하이브리드 조이스틱 장치의 동작 시스템을 나타내는 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
아래의 실시예들은 이동 로봇의 원격 제어를 위한 하이브리드 조이스틱 장치 및 이의 동작 방법 및 시스템에 관한 것으로, 이동 로봇을 효과적으로 제어하고 안정적으로 원격 제어할 수 있는 하이브리드 조이스틱 장치를 설계하고 이를 제어하는 기술을 제공한다.
실시예들은 3 자유도 입력과 3 자유도 피드백 신호를 가지는 6 자유도(Degrees Of Freedom, DOF) 하이브리드 조이스틱 장치를 제공할 수 있다. 하이브리드 조이스틱 장치를 통해 이동 로봇을 원격 제어하기 위해 x, y 및 z 방향 동작을 사용하는 3 자유도 조이스틱으로 조향 및 가속 명령을 생성할 수 있다.
일반적으로 하이브리드 조이스틱 장치의 조작자는 동적으로 변하는 지형 조건을 명확하게 볼 수 없다. 따라서 롤(roll) 및 피치(pitch) 값을 조이스틱을 통해 조작자에게 피드백함으로써 동적으로 변하는 지형 조건의 정보를 제공할 수 있다. 이 값은 관성항법시스템(Inertial Navigation System, INS)을 기반으로 생성될 수 있다. 또한, 편향 각(요(yaw) 값)은 조향 제어를 통해 로봇의 실제 방향을 피드백하는데 사용될 수 있다. 실시예들에 따르면 하이브리드 조이스틱 장치의 메커니즘과 제어 시스템이 새롭게 설계되었으며, 이러한 하이브리드 조이스틱 장치의 효과는 경사도(slope) 및 틸트(tilt)된 지형에서 움직이는 이동 로봇의 실제 원격 작동을 통해 검증되었다.
도 1은 일 실시예에 따른 하이브리드 조이스틱 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 하이브리드 조이스틱 장치는 이동 로봇을 제어하는 장치로, 상부 프레임(110), 하부 프레임(120) 및 베이스 프레임(130)을 포함하여 이루어질 수 있으며, 6 자유도(6-DOF) 제어 신호를 생성할 수 있다. 아래에서는 하이브리드 조이스틱 장치에 의해 제어되는 이동 로봇을 간단히 로봇이라고 언급할 수 있으며, 이동 로봇과 로봇을 혼용하여 사용할 수 있다. 아래에서는 도 1 및 도 6을 함께 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
먼저, 상부 프레임(110)은 이동 로봇의 방향 명령을 생성할 수 있으며, 하이브리드 조이스틱 장치가 이동 로봇으로 방향 및 속도에 대한 입력을 주는 입력부 역할을 할 수 있다.
이러한 상부 프레임(110)은 상부 플레이트(111)로 이루어질 수 있으며, 홀 센서(hall sensor)부 및 힘 센서부(113)를 포함할 수 있다. 또한, 상부 플레이트(111)에는 INS 센서부를 더 포함할 수 있다. 여기서, INS 센서부는 관성항법시스템(Inertial Navigation System, INS)으로 구성될 수 있다.
홀 센서부(112)는 홀 센서 및 조이스틱을 포함할 수 있으며, 조작자가 조이스틱을 조정함에 따라 홀 센서를 통해 조작자의 조향 의도를 감지하여 이를 로봇의 방향 제어로 변환할 수 있다. 예를 들어, 상부 프레임(110)은 로봇의 방향 명령을 생성하는 2 자유도(DOF) 조이스틱으로 구성될 수 있으며, 방향 입력으로는 2축 홀 센서 조이스틱이 사용되어 이동 로봇의 x-y축으로의 조향 제어에 이용될 수 있다.
이동 로봇의 속도 제어는 조작자의 손에 의해 발생되며 상부 플레이트(111)에 가해지는 z축으로 누르는 힘을 통해 이동 로봇의 가속도를 발생시키도록 한다. 상부 플레이트(111)에 가해지는 힘에 임계 값(threshold)을 지정하여, 임계 값 이상인 경우 가속시키고, 임계 값 이하인 경우 감속을 시키도록 할 수 있다. 여기서, 이동 로봇의 구동을 위해 조작자가 상부 프레임(110)의 상부 플레이트(111)에 손을 올리고 조이스틱을 잡게 되면 조작자의 손의 무게만큼 초기 값을 설정하여 이동 로봇의 기본 속도로 설정하게 된다.
힘 센서부(113)는 적어도 하나 이상의 힘 센서로 구성되며, 예컨대 3 개의 힘 센서가 구성될 수 있다. 힘 센서부(113)의 힘 센서는 미는 힘을 검출하기 위해 상부 및 하부 플레이트(121)를 연결하는 리니어 액추에이터(122)(linear actuator)의 연결부에 구성될 수 있다.
속도의 변화는 자동차의 액셀러레이터 메커니즘(accelerator mechanism)과 유사하게 조작자가 손으로 상부 플레이트(111)를 하측으로 미는 힘을 작용시킴에 따라 형성될 수 있다. 힘 센서부(113)를 통해 미는 힘을 검출할 수 있으며, 상부 플레이트(111)에 가해지는 미는 힘의 감속과 가속 명령을 구분하기 위해 임계 값을 설정할 수 있다. 또한, 임계 값은 제로 가속도 또는 일정 속도를 나타내기 위해 사용될 수 있다.
그리고, 하부 프레임(120)은 상부 프레임(110)의 하측에 배치되는 것으로, 하부 플레이트(121) 및 리니어 액추에이터(122)를 포함할 수 있다. 즉, 상부 플레이트(111)와 이격되어 구성되는 하부 플레이트(121)를 리니어 액추에이터(122)를 통해 연결시킬 수 있다. 리니어 액추에이터(122)는 복수 개 구성될 수 있으며, 예컨대 3 개 구성될 수 있다.
이러한 하부 프레임(120)은 3 개의 리니어 액추에이터(122)(actuator)로 구성된 스튜어트 프레임으로, 이동 로봇이 주행하는 도로의 현재 경사도(slope) 및 틸트(tilt) 값을 피드백 구현하는데 이용될 수 있다. 여기서, 이 피드백 구현은 이동 로봇의 안정적인 제어에 많은 영향을 끼칠 수 있다. 이동 로봇이 경사도를 가지는 도로를 이동하게 되면 그 경사도(slope)의 값이 상부 플레이트(111)의 기울기로 피드백되며, 이때 조이스틱을 쥐고 있는 조작자가 힘을 느끼게 된다. 그 힘을 자연스럽게 저항하는 가운데 언덕을 올라갈 때 가속하는 명령 또 경사를 내려갈 때 감속하는 명령이 자연스럽게 주어지게 된다.
마지막으로, 베이스 프레임(130)은 상부 프레임(110) 및 하부 프레임(120)과 독립적으로 구성될 수 있으며, 서보 모터를 포함할 수 있다. 베이스 프레임(130)에는 요(yaw) 운동에 의한 조향 명령의 결과를 반영하는 회전 조인트(revolute joint)가 구성될 수 있고, 제어부가 구성되는 제어 박스(control box)를 더 포함할 수 있다.
베이스 프레임(130)은 조향 명령이 일치할 때, 요 운동은 0이 된다. 이에 따라 조작자는 자신의 명령과 요 운동에 의해 생성된 실제 주행 피드백 간의 차이를 인식할 수 있다. 즉, 베이스 프레임(130)은 조작자가 조향(steering) 방향으로 이동 로봇이 잘 주행하고 있는지 여부를 피드백하여 이동 로봇의 도로 주행의 방향성을 제어할 수 있다.
아래에서 일 실시예에 따른 하이브리드 조이스틱 장치에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도 2는 일 실시예에 따른 하이브리드 조이스틱 장치에서 사용하는 좌표계를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 하이브리드 조이스틱 장치는 베이스 프레임(
Figure 112018103006418-pat00001
), 하부 플레이트(
Figure 112018103006418-pat00002
) 및 상부 플레이트(
Figure 112018103006418-pat00003
)로 구분될 수 있다. 3 개의 리니어 액추에이터에 의해 상부 플레이트 상의 운동 구성 요소는 피치, 롤 및 요(
Figure 112018103006418-pat00004
)이다. 하부 및 상부 플레이트는 동일한 크기로 이루어질 수 있고, 3 개의 리니어 액추에이터는 이들 사이에 수직으로 위치하며, P1, P2 및 P3로 표시될 수 있다.
이러한 3 개의 리니어 액추에이터는
Figure 112018103006418-pat00005
및 요 운동을 생성할 수 없다.
Figure 112018103006418-pat00006
의 운동 명령은 상부 플레이트의 조이스틱에 의해 생성되어 이동 로봇의 제어부로 직접 전송될 수 있다. 또한, 요 운동은 하부 플레이트의 아래의 회전 조인트에 의해 발생될 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 하이브리드 조이스틱 장치의 상부 플레이트의 피치 각을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 상부 플레이트의 중심(OU)에 대해 정의된 상부 플레이트의 피치 각(
Figure 112018103006418-pat00007
)을 나타낸다. OU는 상부 플레이트의 중심에 고정되어 있으며, 상부 플레이트의 피치 각(
Figure 112018103006418-pat00008
)은 다음 식과 같이 나타낼 수 있다,
[수학식 1]
Figure 112018103006418-pat00009
여기서, a는 P2 및 P3 사이의 중심점 사이와 P1 사이의 길이를 나타낸다.
도 4는 일 실시예에 따른 하이브리드 조이스틱 장치의 상부 플레이트의 롤 각을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 상부 플레이트의 중심(OU)에 대해 정의된 상부 플레이트의 롤 각(
Figure 112018103006418-pat00010
)을 나타낸다. OU는 상부 플레이트의 중심에 고정되어 있으며, 상부 플레이트의 롤 각(
Figure 112018103006418-pat00011
)은 다음 식과 같이 나타낼 수 있다,
[수학식 2]
Figure 112018103006418-pat00012
여기서, c는 P2 및 P3 사이의 거리를 나타낸다.
다시 도 2를 참조하면, 요 각(
Figure 112018103006418-pat00013
)은 OL 와 OB 사이의 회전 조인트에 의해 생성될 수 있다. 이는 이동 로봇의 주행 방향을 드러내는
Figure 112018103006418-pat00014
범위 내로 제한될 수 있다. 회전 조인트는 각도의 제한 없이 제어될 수 있다. 그러나 일반적인 사람의 손목 동작을 반영하는 데는 한계가 있으며, 일반적으로 대략
Figure 112018103006418-pat00015
로 제한될 수 있다.
z 방향 운동은 3 개의 리니어 액추에이터 P1, P2 및 P3에 의해 동일한 양의 운동에 의해 발생될 수 있으며, 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112018103006418-pat00016
여기서, z 방향 운동은 피치 및 롤 운동과는 독립적이다.
도 5는 일 실시예에 따른 전체 시스템의 블록 다이어그램을 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 조작자(501)는 이동 로봇(503)을 제어하기 위해 홀 센서 및 조이스틱(502)을 통해 조향할 수 있으며, 이동 로봇(503)의 모니터링 및 제어에 영상정보를 사용할 수 있다. 이동 로봇(503)에 부착된 INS 센서부는 주행로의 경사도(slope) 및 틸트(tilt)와 조향 정보와 같은 지형 조건을 모은 다음, 하이브리드 조이스틱 장치에 피치, 롤 및 요 값을 각각 피드백할 수 있다. 여기서, 이동 로봇(503)은 컴퓨터 등 모니터에 영상정보를 제공하기 위해 비전 센서 데이터(504)를 전달하고, 하이브리드 조이스틱 장치에 INS 센서부에서 INS 센서 데이터(505)를 전달할 수 있다.
하이브리드 조이스틱 장치의 피치 제어(506) 및 롤 제어(507)의 경우, 하이브리드 조이스틱 장치의 리니어 액추에이터의 끝 부분과 상부 플레이트 사이에 설치된 힘 센서부에 의해 도 6에 도시된 바와 같이 fP1, fP2 및 fP3(509)이 제공될 수 있다. fP1, fP2 및 fP3의 일반적인 구성 요소는
Figure 112018103006418-pat00017
의 명령으로 변환하여 이동 로봇(503)의 속도를 변경(510)하는 데 사용될 수 있다.
홀 센서 및 조이스틱(502)은 조작자(501)가 조향 명령을 생성하고 명령을
Figure 112018103006418-pat00018
에 의해 이동 로봇(503)에 직접 전송하는 데 사용될 수 있다. 2 자유도 운동에는 제어 동작이 요구되지 않는다.
그리고 하부 플레이트의 회전 조인트는 안정적이고 빠른 성능을 얻기 위해 PD(Proportional-Derivative) 제어 알고리즘에 의해 제어된 조향 명령에 따라 이동 로봇(503)의 요 각을 감지하는데 사용될 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 상부 플레이트의 힘 감지를 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 상부 플레이트(111)의 힘 센서부(113)를 통한 힘 감지 구조를 나타내는 것으로, 힘 센서부(113)는 P1, P2 및 P3의 끝 부분에 3 개의 힘 센서를 설치함으로써 조작자가 이동 로봇의 속도(vd)에 대한 명령(
Figure 112018103006418-pat00019
)을 생성하기 위해 미는 힘을 감지하고, 지형의 경사도(slope) 및 틸트(tilt) 각에 해당하는 롤 및 피치 운동을 생성할 수 있다. 이는 힘과 운동 사이에 원하는 관계를 유지하는 임피던스 제어를 기반으로 한다. 이러한 관계는 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112018103006418-pat00020
[수학식 5]
Figure 112018103006418-pat00021
조작자는 가속 및 감속을 구별하기 위해 임계 값(fthre)으로 사용된 특정 힘으로 상부 플레이트(111)를 손으로 밀 수 있다. 여기서, 임계 값(fthre)은 이동 로봇을 제어하기 전에 각각의 조작자에 맞게 조정할 수 있다. 상부 플레이트(111) 중심의 힘은 3개의 힘 센서를 통해 획득될 수 있으며, 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112018103006418-pat00022
[수학식 5] 및 [수학식 6]에서와 같이, fP1, fP2, fP3와
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사이의 관계를 정확하게 결정해야 한다. 이는 상부 플레이트(111)의 운동 및 힘이 상부 플레이트(111)의 조작자의 손을 통해 서로 직접적으로 관련되기 때문이다. 따라서 3 개의 리니어 액추에이터(122)
Figure 112018103006418-pat00024
에 의한 상부 플레이트(111)의 제어는 3 개의 힘 센서를 통한 fP1, fP2, fP3의 센싱에 의해 원하는 임피던스로 정확하게 관리할 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 전체 시스템의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 조작자는 이동 로봇(710)의 CCD(Charge-Coupled Device) 카메라에서 보낸 이미지(image)를 사용하여 하이브리드 조이스틱 장치를 조작함에 따라 원격에서 이동 로봇(710)을 제어할 수 있다. 이동 로봇(710)이 비전 센서부를 통해 획득한 이미지를 기반으로 장애물을 피할 수 있고 2 자유도 홀 센서 조이스틱을 사용하여 통신 네트워크의 지정된 경로를 따르도록 이동 로봇(710)을 조작할 수 있다.
이동 로봇(710)을 가속 또는 감속시키기 위해 하이브리드 조이스틱 장치의 리니어 액추에이터의 끝 부분에 설치된 힘 센서부를 이용하여 감지된 힘에 따라 상부 플레이트를 밀거나 약간 당길 수 있다. 동시에, 경사도(slope) 및 틸트(tilt)의 지형 조건을 이동 로봇(710)의 INS 센서부로 측정한 다음, 경사도(slope) 및 틸트(tilt)에 대응하는 롤과 피치 운동을 통해 상부 플레이트를 제어하여 조작자 손으로 다시 보낼 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 이동 로봇의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 일 실시예에 따른 이동 로봇은 이동 로봇의 제어부, DC 모터, 엔코더, INS 센서부 및 비전 센서부를 포함하여 이루어질 수 있다.
이동 로봇의 제어부는 MCU(Micro Controller Unit)로 구성될 수 있으며, 예컨대 DSP로 이루어질 수 있다.
DC 모터 및 엔코더(encoder)는 휠(wheel)을 구동하고 감지하는데 사용될 수 있다. 이때, DC 모터 및 엔코더는 복수 개 구성될 수 있으며, 예컨대 2 개의 DC 모터와 2개의 엔코더로 구성될 수 있다.
INS 센서부 및 비전 센서부는 롤, 피치 및 요 각들을 감지하기 위해 구성될 수 있으며, 예컨대 비전 센서부는 CCD 카메라로 이동 로봇에 설치될 수 있다. INS 센서부에서 획득한 INS 센서 데이터와 비전 센서부에서 획득한 영상정보는 통신 채널을 통해 원격의 하이브리드 조이스틱 장치로 전달됨으로써 조작자에게 전달될 수 있다. 여기서, 비전 센서부에서 획득한 영상정보는 컴퓨터 등의 외부 모니터(830)로 전달됨으로써 조작자에게 제공될 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 하이브리드 조이스틱 장치의 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 일 실시예에 따른 하이브리드 조이스틱 장치는 상부 플레이트(921), 하부 플레이트(922), 리니어 액추에이터(923), 홀 센서부(924), 힘 센서부(925) 및 제어부(926)를 포함하여 이루어질 수 있다. 실시예에 따라 하이브리드 조이스틱 장치는 베이스 프레임, 서보 모터(928) 및 엔코더(929)를 포함하여 이루어질 수 있다. 이동 로봇(910)에서 측정되는 INS 센서 데이터와 영상정보를 전달 받아 이동 로봇(910)의 상태를 판단하고, 그에 따라 서보 모터(928)와 리니어 액추에이터(923)를 제어하여 피드백을 구현할 수 있다. 일 실시예에 따른 하이브리드 조이스틱 장치는 도 1을 비롯하여 앞에서 설명한 구성을 포함할 수 있다.
먼저, 도 1에서 설명한 바와 같이, 상부 플레이트(921)와 소정 간격 이격되어 하부 플레이트(922)가 구성되고, 상부 플레이트(921)와 하부 플레이트(922)를 연결하는 리니어 액추에이터(923)가 구성될 수 있다. 이 때 리니어 액추에이터(923)는 복수 개 구성될 수 있으며, 예컨대 3개 구성될 수 있다.
홀 센서부(924)는 상부 플레이트(921)의 상단에 구성된 조이스틱과, 조작자가 조이스틱을 조정함에 따라 조향 방향을 감지하는 홀 센서를 포함할 수 있으며, 조작자가 조이스틱을 조정함에 따라 홀 센서를 통해 조작자의 조향 의도를 감지하여 이를 로봇의 방향 제어로 변환할 수 있다. 조이스틱은 조작자의 손이 안착되는 상부 플레이트(921)의 상단에 부착될 수 있다. 그리고 홀 센서는 복수 개 사용될 수 있으며, 예컨대 x-y축으로의 조향 제어를 감지하기 위해 2 개의 홀 센서가 사용될 수 있다.
한편, 이동 로봇(910)의 위치는 컴퓨터 등 모니터(930)에서 모니터링될 수 있으며, 이동 로봇(910)의 비전 센서부를 통해 이미지 등 영상정보를 획득할 수 있다.
힘 센서부(925)는 적어도 하나 이상의 힘 센서로 구성되며, 예컨대 3 개의 힘 센서가 구성될 수 있다. 힘 센서부(925)는 상부 플레이트(921)와 리니어 액추에이터(923)의 연결부에 구성되어 조이스틱에 가해지는 힘에 의해 하측으로 미는 힘을 검출할 수 있다.
힘 센서부(925)는 이동 로봇(910)에 부착된 INS(Inertial Navigation System) 센서부가 감지한 경사도(slope) 및 틸트(tilt)의 지형 조건에 각각 대응하는 피치(pitch) 및 롤(roll) 운동을 생성할 수 있다. 이에 따라 리니어 액추에이터(923)는 3개 구성되어, 힘 센서부(925)에서 생성된 피치(pitch) 및 롤(roll) 운동에 따라 상부 플레이트(921)를 기울일 수 있다.
제어부(926)는 홀 센서부(924)로부터 홀 센서 데이터를 전달 받아 이동 로봇(910)의 방향 명령을 생성하고, 힘 센서부(925)로부터 힘 센서 데이터를 전달 받아 이동 로봇(910)의 속도 명령을 생성하여 이동 로봇(910)을 제어할 수 있다. 이러한 제어부(926)는 MCU(Micro Controller Unit)로 구성될 수 있으며, 예컨대 ARM이 사용될 수 있다.
제어부(926)는 상부 플레이트(921)에 가해지는 힘에 임계 값(threshold)을 설정하여, 임계 값 이상인 경우 이동 로봇(910)을 가속시키고 임계 값 이하인 경우 이동 로봇(910)을 감속시키도록 제어할 수 있다. 여기서, 임계 값은 이동 로봇(910)의 구동을 위해 조작자가 상부 플레이트(921)에 손을 올리고 조이스틱을 파지할 때의 무게를 초기 값으로 설정하여 이동 로봇(910)의 기본 속도로 설정하게 되며, 조작자가 이동 로봇(910)을 제어하기 이전에 각각의 조작자에 맞게 조정될 수 있다.
이동 로봇(910)의 INS 센서부에서 획득한 INS 센서 데이터는 지형의 경사도(slope) 및 틸트(tilt) 조건을 반영하여 리니어 액추에이터(923)를 제어하기 위해 하이브리드 조이스틱 장치의 제어부(926)로 전송될 수 있다.
제어부(926)는 이동 로봇(910)으로부터 주행 중인 지형의 경사도(slope) 및 틸트(tilt) 값을 전달 받아 리니어 액추에이터(923)를 통해 상부 플레이트(921)의 기울기로 피드백하여, 상부 플레이트(921)의 상단에 구성된 조이스틱을 파지하고 있는 조작자에게 피드백할 수 있다.
다시 말하면, 리니어 액추에이터(923)의 동작은 경사도(slope) 및 틸트(tilt)의 지형 조건에 각각 대응하는 피치(pitch) 및 롤(roll) 운동을 생성하는 데 사용될 수 있다. 이동 로봇(910)이 경사도(slope) 및 틸트(tilt) 있는 지형을 만날 때 이동 로봇(910)에 부착된 INS 센서부가 경사도(slope) 및 틸트(tilt) 값을 감지하며, 이를 하이브리드 조이스틱 장치로 다시 보내고 조이스틱은 상부 플레이트(921)의 해당 동작에 따라 값을 반영할 수 있다. 따라서 조작자는 상부 플레이트(921)를 통해 경사도(slope) 및 틸트(tilt)를 감지할 수 있으며, 그에 따라 속도를 변경할 수 있다. 예를 들어, 로봇이 경사면에 있을 때 경사도(slope) 피드백에 의해 인식되는 속도가 감소한다. 이에 따라 조작자는 상부 플레이트(921)를 하측으로 밀어서 속도를 증가시킬 수 있다.
또한, PD 제어 알고리즘에 의해 요 각을 제어하는 데 사용된, 실제 롤, 피치 및 요 각들을 측정하기 위해, 추가 INS 센서부(927)가 상부 플레이트(921)의 바닥부에 부착될 수 있다.
베이스 프레임은 하부 플레이트(922)의 하측에 독립적으로 구성되며, 요(yaw) 운동에 의한 조향 명령의 결과를 반영하는 회전 조인트(revolute joint)가 구성될 수 있다. 이러한 베이스 프레임은 조향 명령이 일치할 때 요 운동은 0이 되어, 조작자가 조향 명령과 요 운동에 의해 생성된 실제 주행 피드백 간의 차이를 인식하도록 할 수 있다.
또한, 이동 로봇(910)에 부착된 비전 센서부에서 획득한 영상정보를 전달 받아 제공하는 모니터부(930)를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 모니터부(930)는 하이브리드 조이스틱 장치에 구성되거나 외부의 컴퓨터 등에 구성되며 하이브리드 조이스틱 장치에 연결되어 이동 로봇(910)의 위치 또는 상태 정보를 영상으로 제공할 수 있다.
도 10은 일 실시예에 따른 하이브리드 조이스틱 장치의 동작 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 10을 참조하면, 일 실시예에 따른 이동 로봇의 원격 제어를 위한 하이브리드 조이스틱 장치의 동작 방법은, 조작자가 상부 플레이트의 상단에 구성된 조이스틱을 조정함에 따라 홀 센서를 통해 조향 방향을 감지하는 단계(S110), 홀 센서로부터 홀 센서 데이터를 전달 받아 이동 로봇의 방향 명령을 생성하여 이동 로봇으로 전달함에 따라 이동 로봇의 방향을 제어하는 단계(S120), 상부 플레이트와 상부 플레이트의 하부에 구성된 리니어 액추에이터의 연결부에 구성되어, 힘 센서를 통해 조이스틱에 가해지는 힘에 의해 하측으로 미는 힘을 검출하는 단계(S130), 및 힘 센서로부터 힘 센서 데이터를 전달 받아 이동 로봇의 속도 명령을 생성하여 이동 로봇으로 전달함에 따라 이동 로봇의 속도를 제어하는 단계(S140)를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 이동 로봇으로부터 주행 중인 지형의 경사도(slope) 및 틸트(tilt) 값을 전달 받아 리니어 액추에이터를 통해 상부 플레이트의 기울기로 피드백하여, 상부 플레이트의 상단에 구성된 조이스틱을 파지하고 있는 조작자에게 피드백하는 단계(S150)를 더 포함할 수 있다.
그리고 하부 플레이트의 하측에 독립적으로 구성되어, 회전 조인트(revolute joint)를 통해 요(yaw) 운동에 의한 조향 명령의 결과를 반영하는 단계(S160)를 더 포함할 수 있다.
아래에서 일 실시예에 따른 이동 로봇의 원격 제어를 위한 하이브리드 조이스틱 장치의 동작 방법에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
일 실시예에 따른 이동 로봇의 원격 제어를 위한 하이브리드 조이스틱 장치의 동작 방법은 일 실시예에 따른 이동 로봇의 원격 제어를 위한 하이브리드 조이스틱 장치의 동작 시스템을 이용하여 보다 구체적으로 설명할 수 있다.
도 11은 일 실시예에 따른 하이브리드 조이스틱 장치의 동작 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 이동 로봇의 원격 제어를 위한 하이브리드 조이스틱 장치의 동작 시스템(1100)은 홀 센서부(1110), 방향 제어부(1130), 힘 센서부(1120) 및 속도 제어부(1140)를 포함하여 이루어질 수 있다. 실시예에 따라 이동 로봇의 원격 제어를 위한 하이브리드 조이스틱 장치의 동작 시스템(1100)은 피드백 제어부(1150) 및 편향 각 제어부(1160)를 포함할 수 있다. 또한, 모니터부를 더 포함하거나 외부 모니터와 연결될 수 있다.
단계(S110)에서, 홀 센서부(1110)는 조작자가 상부 플레이트의 상단에 구성된 조이스틱을 조정함에 따라 홀 센서를 통해 조향 방향을 감지할 수 있다.
단계(S120)에서, 방향 제어부(1130)는 홀 센서로부터 홀 센서 데이터를 전달 받아 이동 로봇의 방향 명령을 생성하여 이동 로봇으로 전달함에 따라 이동 로봇의 방향을 제어할 수 있다.
단계(S130)에서, 힘 센서부(1120)는 상부 플레이트와 상부 플레이트의 하부에 구성된 리니어 액추에이터의 연결부에 구성되어, 힘 센서를 통해 조이스틱에 가해지는 힘에 의해 하측으로 미는 힘을 검출할 수 있다.
단계(S140)에서, 속도 제어부(1140)는 힘 센서로부터 힘 센서 데이터를 전달 받아 이동 로봇의 속도 명령을 생성하여 이동 로봇으로 전달함에 따라 이동 로봇의 속도를 제어할 수 있다. 여기서, 속도 제어부(1140)는 상부 플레이트에 가해지는 힘에 임계 값(threshold)을 설정하여, 임계 값 이상인 경우 이동 로봇을 가속시키고 임계 값 이하인 경우 이동 로봇을 감속시키도록 제어할 수 있다.
단계(S150)에서, 피드백 제어부(1150)는 이동 로봇으로부터 주행 중인 지형의 경사도(slope) 및 틸트(tilt) 값을 전달 받아 리니어 액추에이터를 통해 상부 플레이트의 기울기로 피드백하여, 상부 플레이트의 상단에 구성된 조이스틱을 파지하고 있는 조작자에게 피드백할 수 있다.
보다 구체적으로, 피드백 제어부(1150)는 힘 센서부(1120)를 이용하여 이동 로봇에 부착된 INS(Inertial Navigation System) 센서부가 감지한 경사도(slope) 및 틸트(tilt)의 지형 조건에 각각 대응하는 피치(pitch) 및 롤(roll) 운동을 생성하고, 3개로 구성된 리니어 액추에이터를 이용하여 힘 센서부(1120)에서 생성된 피치(pitch) 및 롤(roll) 운동에 따라 상부 플레이트를 기울이도록 제어하여 조작자에게 피드백할 수 있다.
단계(S160)에서, 편향 각 제어부(1160)는 하부 플레이트의 하측에 독립적으로 구성되어, 회전 조인트(revolute joint)를 통해 요(yaw) 운동에 의한 조향 명령의 결과를 반영할 수 있다.
한편, 이동 로봇에 부착된 비전 센서부에서 획득한 영상정보를 전달 받아 제공하는 모니터부를 더 포함할 수 있다. 모니터부는 하이브리드 조이스틱 장치에 구성되거나 하이브리드 조이스틱 장치에 연결되어 이동 로봇의 위치 또는 상태 정보를 영상으로 제공할 수 있다.
실시예들은 이동 로봇에 장착된 카메라를 통하여 조작자가 영상정보를 이용하여 하이브리드 조이스틱 장치를 통하여 이동 로봇을 제어하며, 이동 로봇에 장착된 INS 센서를 통하여 이동 로봇의 현재 상태 값, 이동 로봇이 이동하고 있는 지면의 현재 값을 롤(roll), 피치(pitch), 요(yaw) 값을 피드백 받아서 조작자가 제어하는 조이스틱으로 피드백 해줌으로써 조작자가 이동 로봇의 상태 값을 즉각적으로 알 수 있도록 한다. 또한, 피드백되는 값에 따라 이동 로봇의 속도가 제어될 수 있다.
하이브리드 조이스틱 장치의 상부 플레이트에 장착된 힘 센서를 이용하여 조작자가 하이브리드 조이스틱 장치의 상부 플레이트를 누르는 힘과 상부 플레이트가 이동 로봇의 현재 상태 값을 피드백하기 위하여 움직이는 힘 사이에서 발생하는 힘을 측정하여 이동 로봇의 속도를 제어하고, 조작자는 하이브리드 조이스틱 장치의 상부 플레이트에 장착된 2 자유도 조이스틱을 통하여 이동 로봇의 방향 값만을 제어하도록 할 수 있다. 이를 통하여 이동 로봇의 상태 및 지형에 따른 효과적이고 안정적인 주행을 가능하게 할 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 컨트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (20)

  1. 이동 로봇의 원격 제어를 위한 하이브리드 조이스틱 장치에 있어서,
    상부 플레이트;
    상기 상부 플레이트와 소정 간격 이격되어 구성되는 하부 플레이트;
    상기 상부 플레이트와 상기 하부 플레이트를 연결하는 리니어 액추에이터;
    상기 상부 플레이트의 상단에 구성된 조이스틱과, 조작자가 상기 조이스틱을 조정함에 따라 조향 방향을 감지하는 홀 센서를 포함하는 홀 센서부;
    상기 상부 플레이트와 상기 리니어 액추에이터의 연결부에 구성되어 상기 조이스틱에 가해지는 힘에 의해 하측으로 미는 힘을 검출하는 힘 센서부; 및
    상기 홀 센서부로부터 홀 센서 데이터를 전달 받아 이동 로봇의 방향 명령을 생성하고, 상기 힘 센서부로부터 힘 센서 데이터를 전달 받아 상기 이동 로봇의 속도 명령을 생성하여 상기 이동 로봇을 제어하는 제어부
    를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 이동 로봇으로부터 주행 중인 지형의 경사도(slope) 및 틸트(tilt) 값을 전달 받아 상기 리니어 액추에이터를 통해 상기 상부 플레이트의 기울기로 피드백하여, 상기 상부 플레이트의 상단에 구성된 상기 조이스틱을 파지하고 있는 조작자에게 피드백하는 것
    을 특징으로 하는, 하이브리드 조이스틱 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 상부 플레이트에 가해지는 힘에 임계 값(threshold)을 설정하여, 상기 임계 값 이상인 경우 상기 이동 로봇을 가속시키고 상기 임계 값 이하인 경우 상기 이동 로봇을 감속시키도록 제어하는 것
    을 특징으로 하는, 하이브리드 조이스틱 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 임계 값은,
    상기 이동 로봇의 구동을 위해 상기 조작자가 상기 상부 플레이트에 손을 올리고 상기 조이스틱을 파지할 때의 무게를 초기 값으로 설정하여 상기 이동 로봇의 기본 속도로 설정하게 되며, 상기 조작자가 상기 이동 로봇을 제어하기 이전에 각각의 조작자에 맞게 조정되는 것
    을 특징으로 하는, 하이브리드 조이스틱 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 힘 센서부는,
    상기 이동 로봇에 부착된 INS(Inertial Navigation System) 센서부가 감지한 경사도(slope) 및 틸트(tilt)의 지형 조건에 각각 대응하는 피치(pitch) 및 롤(roll) 운동을 생성하고,
    상기 리니어 액추에이터는,
    3개 구성되어, 상기 힘 센서부에서 생성된 상기 피치(pitch) 및 롤(roll) 운동에 따라 상기 상부 플레이트를 기울이는 것
    을 특징으로 하는, 하이브리드 조이스틱 장치.
  6. 이동 로봇의 원격 제어를 위한 하이브리드 조이스틱 장치에 있어서,
    상부 플레이트;
    상기 상부 플레이트와 소정 간격 이격되어 구성되는 하부 플레이트;
    상기 상부 플레이트와 상기 하부 플레이트를 연결하는 리니어 액추에이터;
    상기 상부 플레이트의 상단에 구성된 조이스틱과, 조작자가 상기 조이스틱을 조정함에 따라 조향 방향을 감지하는 홀 센서를 포함하는 홀 센서부;
    상기 상부 플레이트와 상기 리니어 액추에이터의 연결부에 구성되어 상기 조이스틱에 가해지는 힘에 의해 하측으로 미는 힘을 검출하는 힘 센서부; 및
    상기 홀 센서부로부터 홀 센서 데이터를 전달 받아 이동 로봇의 방향 명령을 생성하고, 상기 힘 센서부로부터 힘 센서 데이터를 전달 받아 상기 이동 로봇의 속도 명령을 생성하여 상기 이동 로봇을 제어하는 제어부
    를 포함하고,
    상기 하부 플레이트의 하측에 독립적으로 구성되며, 요(yaw) 운동에 의한 조향 명령의 결과를 반영하는 회전 조인트(revolute joint)가 구성되는 베이스 프레임
    을 더 포함하는, 하이브리드 조이스틱 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 베이스 프레임은,
    상기 조향 명령이 일치할 때 요 운동은 0이 되어, 상기 조작자가 상기 조향 명령과 상기 요 운동에 의해 생성된 실제 주행 피드백 간의 차이를 인식하도록 하는 것
    을 특징으로 하는, 하이브리드 조이스틱 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 이동 로봇에 부착된 비전 센서부에서 획득한 영상정보를 전달 받아 제공하는 모니터부
    를 더 포함하고,
    상기 모니터부는,
    상기 하이브리드 조이스틱 장치에 구성되거나 상기 하이브리드 조이스틱 장치에 연결되어 상기 이동 로봇의 위치 또는 상태 정보를 영상으로 제공하는 것
    을 특징으로 하는, 하이브리드 조이스틱 장치.
  9. 이동 로봇의 원격 제어를 위한 하이브리드 조이스틱 장치의 동작 시스템에 있어서,
    조작자가 상부 플레이트의 상단에 구성된 조이스틱을 조정함에 따라 홀 센서를 통해 조향 방향을 감지하는 홀 센서부;
    상기 홀 센서부로부터 홀 센서 데이터를 전달 받아 이동 로봇의 방향 명령을 생성하여 상기 이동 로봇으로 전달함에 따라 이동 로봇의 방향을 제어하는 방향 제어부;
    상기 상부 플레이트와 상기 상부 플레이트의 하부에 구성된 리니어 액추에이터의 연결부에 구성되어, 상기 조이스틱에 가해지는 힘에 의해 하측으로 미는 힘을 검출하는 힘 센서부; 및
    상기 힘 센서부로부터 힘 센서 데이터를 전달 받아 상기 이동 로봇의 속도 명령을 생성하여 상기 이동 로봇으로 전달함에 따라 이동 로봇의 속도를 제어하는 속도 제어부
    를 포함하고,
    상기 이동 로봇으로부터 주행 중인 지형의 경사도(slope) 및 틸트(tilt) 값을 전달 받아 상기 리니어 액추에이터를 통해 상기 상부 플레이트의 기울기로 피드백하여, 상기 상부 플레이트의 상단에 구성된 상기 조이스틱을 파지하고 있는 조작자에게 피드백하는 피드백 제어부
    를 더 포함하는, 하이브리드 조이스틱 장치의 동작 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 속도 제어부는,
    상기 상부 플레이트에 가해지는 힘에 임계 값(threshold)을 설정하여, 상기 임계 값 이상인 경우 상기 이동 로봇을 가속시키고 상기 임계 값 이하인 경우 상기 이동 로봇을 감속시키도록 제어하는 것
    을 특징으로 하는, 하이브리드 조이스틱 장치의 동작 시스템.
  11. 삭제
  12. 제9항에 있어서,
    상기 피드백 제어부는,
    상기 힘 센서부를 이용하여 상기 이동 로봇에 부착된 INS(Inertial Navigation System) 센서부가 감지한 경사도(slope) 및 틸트(tilt)의 지형 조건에 각각 대응하는 피치(pitch) 및 롤(roll) 운동을 생성하고, 3개로 구성된 상기 리니어 액추에이터를 이용하여 상기 힘 센서부에서 생성된 상기 피치(pitch) 및 롤(roll) 운동에 따라 상기 상부 플레이트를 기울이도록 제어하여 상기 조작자에게 피드백하는 것
    을 특징으로 하는, 하이브리드 조이스틱 장치의 동작 시스템.
  13. 제9항에 있어서,
    하부 플레이트의 하측에 독립적으로 구성되어, 회전 조인트(revolute joint)를 통해 요(yaw) 운동에 의한 조향 명령의 결과를 반영하는 편향 각 제어부
    를 더 포함하는, 하이브리드 조이스틱 장치의 동작 시스템.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 이동 로봇에 부착된 비전 센서부에서 획득한 영상정보를 전달 받아 제공하는 모니터부
    를 더 포함하고,
    상기 모니터부는,
    상기 하이브리드 조이스틱 장치에 구성되거나 상기 하이브리드 조이스틱 장치에 연결되어 상기 이동 로봇의 위치 또는 상태 정보를 영상으로 제공하는 것
    을 특징으로 하는, 하이브리드 조이스틱 장치의 동작 시스템.
  15. 이동 로봇의 원격 제어를 위한 하이브리드 조이스틱 장치의 동작 방법에 있어서,
    조작자가 상부 플레이트의 상단에 구성된 조이스틱을 조정함에 따라 홀 센서를 통해 조향 방향을 감지하는 단계;
    상기 홀 센서로부터 홀 센서 데이터를 전달 받아 이동 로봇의 방향 명령을 생성하여 상기 이동 로봇으로 전달함에 따라 이동 로봇의 방향을 제어하는 단계;
    상기 상부 플레이트와 상기 상부 플레이트의 하부에 구성된 리니어 액추에이터의 연결부에 구성되어, 힘 센서를 통해 상기 조이스틱에 가해지는 힘에 의해 하측으로 미는 힘을 검출하는 단계; 및
    상기 힘 센서로부터 힘 센서 데이터를 전달 받아 상기 이동 로봇의 속도 명령을 생성하여 상기 이동 로봇으로 전달함에 따라 이동 로봇의 속도를 제어하는 단계
    를 포함하고,
    상기 이동 로봇으로부터 주행 중인 지형의 경사도(slope) 및 틸트(tilt) 값을 전달 받아 상기 리니어 액추에이터를 통해 상기 상부 플레이트의 기울기로 피드백하여, 상기 상부 플레이트의 상단에 구성된 상기 조이스틱을 파지하고 있는 조작자에게 피드백하는 단계
    를 더 포함하는, 하이브리드 조이스틱 장치의 동작 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 이동 로봇의 속도를 제어하는 단계는,
    상기 상부 플레이트에 가해지는 힘에 임계 값(threshold)을 설정하여, 상기 임계 값 이상인 경우 상기 이동 로봇을 가속시키고 상기 임계 값 이하인 경우 상기 이동 로봇을 감속시키도록 제어하는 것
    을 특징으로 하는, 하이브리드 조이스틱 장치의 동작 방법.
  17. 삭제
  18. 제15항에 있어서,
    상기 조작자에게 피드백하는 단계는,
    상기 힘 센서를 이용하여 상기 이동 로봇에 부착된 INS(Inertial Navigation System) 센서부가 감지한 경사도(slope) 및 틸트(tilt)의 지형 조건에 각각 대응하는 피치(pitch) 및 롤(roll) 운동을 생성하고, 3개로 구성된 상기 리니어 액추에이터를 이용하여 상기 힘 센서에서 생성된 상기 피치(pitch) 및 롤(roll) 운동에 따라 상기 상부 플레이트를 기울이도록 제어하여 상기 조작자에게 피드백하는 것
    을 특징으로 하는, 하이브리드 조이스틱 장치의 동작 방법.
  19. 제15항에 있어서,
    하부 플레이트의 하측에 독립적으로 구성되어, 회전 조인트(revolute joint)를 통해 요(yaw) 운동에 의한 조향 명령의 결과를 반영하는 단계
    를 더 포함하는, 하이브리드 조이스틱 장치의 동작 방법.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 이동 로봇에 부착된 비전 센서부에서 획득한 영상정보를 전달 받아 모니터를 통해 제공하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 영상정보를 전달 받아 모니터를 통해 제공하는 단계는,
    상기 하이브리드 조이스틱 장치에 구성되거나 상기 하이브리드 조이스틱 장치에 연결되어 상기 이동 로봇의 위치 또는 상태 정보를 영상으로 제공하는 것
    을 특징으로 하는, 하이브리드 조이스틱 장치의 동작 방법.
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