KR102290320B1 - 장치의 배향을 계산하기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

장치의 배향을 계산하기 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

차량의 배향을 결정하기 위한 시스템과 방법이 제공된다. 상기 방법은 섀시의 섹션이 서로에 대해 회전 가능하도록, 힌지 조인트를 갖는 차량을 제공하는 단계를 포함한다. 제1 및 제2 휠은 각각 제1 섀시 섹션 중 하나, 및 다른 하나에 장착된다. 힌지 조인트와, 제1 및 제2 휠의 중심 사이의 거리, 및 상기 휠의 직경을 각각 정의하는 차량 기하학적 데이터가 제공된다. 표면의 곡률을 정의하는 표면 기하학적 데이터가 제공될 수 있다. 힌지 조인트에 대한 회전 각도가 측정된다. 차량 기하학적 데이터, 표면 기하학적 데이터, 및 측정된 회전 각도에 기초해서, 표면에 대한 차량의 배향이 결정될 수 있다. 물체의 배향을 결정하기 위한 시스템과 방법이 또한 제공된다.

Description

장치의 배향을 계산하기 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR CALCULATING THE ORIENTATION OF A DEVICE}
본 출원은 2013년 11월 30일자 출원된 미국 가특허출원 제61/910,341호에 기초하고, 그리고 이에 대해 우선권을 청구하고 있으며, 상기 미국 가특허출원은 그 전체가 여기에 기재된 바와 같이 참조 인용되었다.
본 발명은 장치의 배향, 그리고 특히, 표면에 대한 장치의 배향을 결정하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
모바일 로봇(mobile robotics)에서, 국지화 데이터(localization data)는 기준 프레임에 대한 물체의 위치와 배향을 결정하는 데이터로서 이해된다. 정확한 국지화 데이터는 적절한 탐사, 경로 계획, 맵핑(mapping) 및 이 분야의 기타 작업을 위해서 요구된다. 일반적으로, 국지화 관련 감지 기술은 절대적 및 상대적 기준 기술로 분류될 수 있다. 상대적 기술은 구동열의 부품 및 차량의 회전을 기록하는 회전형 인코더(encoder)를 사용하는 것을 포함한다. 이 기술은 절대적 기준 프레임이 결여되어 있고, 그리고 따라서 일반적으로 누적 오차 및 신호 드리프트(drifting signals)의 문제점을 경험한다.
절대적 기준 기술의 일부 예시는 전세계 위치파악 시스템[Global Positioning Systems(GPS)] 및 관성 측정 장비[Inertial Measurement Units(IMUs)]을 포함한다. GPS는 전세계 위치파악을 위해서는 잘 작동하지만 소규모의 어플리케이션은 종종 고해상도/고정확성을 요구하고, GPS는 배향 데이터를 제공할 수 없으며, 위치파악만 제공한다. 다른 한편으로는, IMU는 배향 데이터 면에서는 우수한 성능기이지만 포지셔닝을 잘 수행하지 않는다. 최종적으로, IMU 성능은 측정을 요하는 배향 각도가 장치 주위의 중력장의 방향과 평행한 축 주위에 있을 때 상당히 절충된다는 것을 강조한 것에 관련된 것이다.
본 발명은 이들 문제점 및 다른 문제점들을 다루고 있다.
본 발명의 양태에 따라, 표면에 대한 차량의 배향을 결정하기 위한 방법이 제공된다. 본 방법은 제1 및 제2 섀시 섹션들이 적어도 제1 배향에서 서로 회전할 수 있도록 제1 섀시 섹션, 제2 섀시 섹션 및, 상기 제1 및 제2 섀시 섹션을 연결하는 힌지 조인트를 갖는 차량을 제공하는 단계를 포함한다. 차량은 제1 및 제2 섀시 섹션 중 하나에 장착되는 제1 휠 및, 상기 제1 및 제2 섀시 섹션 중 다른 하나에 장착되는 제2 휠을 추가로 포함한다. 상기 방법은 제1 및 제2 휠 중심 각각과 힌지 조인트 사이의 거리, 및 각 휠의 직경을 적어도 정의하는 차량 기하학적 데이터를 제공하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 표면의 곡률을 정의하는 표면 기하학적 데이터를 제공하는 단계, 및 힌지 조인트에 대한 회전각을 측정하는 단계를 추가로 포함한다. 본 방법은 또한 차량 기하학적 데이터, 표면 기하학적 데이터, 및 측정된 회전 각도에 기초해서 표면에 대한 차량의 배향을 결정하는 단계를 포함한다. 추가의 양태에 따라, 제1 휠은 자기 구동휠이다.
추가의 양태에 따라, 제2 휠은 자기 구동휠이다.
추가의 양태에 따라, 차량은 나선형 경로에서 굴곡면을 횡단할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따라, 표면의 곡률을 나타내는 정의된 기하학적 데이터를 갖는 표면에 대한 차량의 배향을 결정하기 위한 시스템이 제공된다. 상기 시스템은 제1 및 제2 섀시 섹션이 적어도 제1 배향에 대해 서로 회전할 수 있도록, 제1 섀시 섹션, 제2 섀시 섹션 및, 상기 제1 및 제2 섀시 섹션을 연결하는 힌지 조인트를 갖는 차량을 포함한다. 상기 차량은 제1 및 제2 섀시 섹션 중 하나에 장착된 제1 휠 및 제1 및 제2 섀시 섹션 중 다른 하나에 장착된 제2 휠, 및 힌지 조인트에 대한 회전각을 측정하도록 구성된 센서를 추가로 포함한다. 본 시스템은 정의된 차량 기하학적 데이터, 표면 기하학적 데이터, 및 힌지 조인트에 대해 측정된 회전각에 기초해서, 표면에 대한 차량의 배향을 결정하도록 구성된 처리 장치를 추가로 포함한다.
추가의 양태에 따라, 정의된 차량 기하학적 데이터는 제1 및 제2 휠 중심 각각과 힌지 조인트 사이의 거리, 및 각 휠의 직경을 적어도 포함한다.
추가의 양태의 따라, 제1 휠은 자기 구동휠이다.
추가의 양태에 따라, 제2 휠은 자기 구동휠이다.
추가의 양태에 따라, 차량은 나선형 경로에서 굴곡면을 횡단할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따라, 표면을 갖는 물체에 대한 장치의 배향을 결정하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 물체의 표면을 접촉할 수 있는 적어도 제1 및 제2 부재들 및 물체의 표면에 대한 장치의 배향에 의존적인 적어도 하나의 변수를 측정할 수 있는 제3 부재를 갖는 장치를 제공하는 단계를 포함한다. 상기 방법은 장치의 기하학적 형상을 정의하는 기하학적 데이터를 제공하는 단계, 표면의 곡률을 정의하는 표면 기하학적 데이터를 제공하는 단계 및 변수를 측정하는 단계를 추가로 포함한다. 상기 방법은 장치 기하학적 데이터, 표면 기하학적 데이터 및 측정된 변수에 기초해서, 물체의 표면에 대한 장치의 배향을 결정하는 단계를 포함한다.
추가의 양태에 따라, 제1 및 제2 부재는 제1 및 제2 레그(leg)이다.
추가의 양태에 따라, 제1 및 제2 레그는 물체의 표면에 부착하도록 구성된 그리퍼(gripper) 부재를 포함한다.
추가의 양태에 따라, 제3 부재는 피봇을 통해 장치에 연결된 제3 레그 및 상기 피봇에 대한 제3 레그의 회전을 측정하도록 구성된 센서를 포함한다.
추가의 양태에 따라, 제3 레그는 물체의 표면에 부착하도록 구성된 제3 그리퍼 부재를 포함한다.
추가의 양태에 따라, 변수는 피봇에 대한 제3 레그의 회전도(degree of rotation)이다.
추가의 양태에 따라, 제3 부재는 제1 및 제2 레그를 연결하는 제1 및 제2 피봇, 및 상기 제1 및 제2 레그 각각의 회전을 측정하도록 구성된 제1 및 제 2 센서를 포함한다.
추가의 양태에 따라, 변수는 각각의 피봇에 대한 제1 및 제2 레그의 회전도를 포함한다.
추가의 양태에 따라, 제3 부재는 장치에 대해 선형으로 이동하도록 구성되고, 장치에 대한 이동을 측정하도록 구성된 센서를 추가로 포함한다.
추가의 양태에 따라, 제3 부재는 물체의 표면에 부착하도록 구성된 제3 그리퍼 부재를 포함한다.
추가의 양태에 따라, 변수는 제3 부재의 선형 이동량이다.
추가의 양태에 따라, 제3 부재는 장치에 의해서 지지되고, 장치와 물체의 표면 사이의 거리를 측정하도록 구성된 비-접촉식 거리 센서이다.
추가의 양태에 따라, 변수는 센서와 표면 사이의 거리이다.
본 발명의 또 다른 양태에 따라, 표면의 곡률을 나타내는 기하학적 데이터가 정의된 표면을 갖는 물체에 대한 장치의 배향을 결정하기 위한 시스템이 제공된다. 상기 시스템은 물체의 표면을 접촉할 수 있는 적어도 제1 및 제2 부재, 및 상기 물체의 표면에 대한 장치의 배향에 의존적인 적어도 하나의 변수를 측정할 수 있는 제3 부재를 갖는 장치를 포함한다. 상기 시스템은 정의된 장치 기하학적 데이터, 표면 기하학적 데이터 및 측정된 변수에 기초해서, 표면에 대한 장치의 배향을 결정하도록 구성된 처리 장치를 추가로 포함한다.
추가의 양태에 따라, 제1 및 제2 부재들은 제1 및 제2 레그이다.
추가의 양태에 따라, 제1 및 제2 레그는 물체의 표면에 부착하도록 구성된 그리퍼 부재를 포함한다. 추가의 양태에 따라, 제3 부재는 피봇을 통해 장치에 연결된 제3 레그, 및 상기 피봇에 대한 제3 레그의 회전을 측정하도록 구성된 센서를 포함한다.
추가의 양태에 따라, 제3 레그는 물체의 표면에 부착하도록 구성된 제3 그리퍼 부재를 포함한다.
추가의 양태에 따라, 변수는 피봇에 대한 제3 레그의 회전도이다. 추가의 양태에 따라, 제3 부재는 제1 및 제2 레그를 장치에 연결하는 제1 및 제2 피봇 및, 상기 제1 및 제2 레그 각각의 회전을 측정하도록 구성된 제1 및 제 2 센서를 포함한다.
추가의 양태에 따라, 변수는 각각의 피봇에 대한 제1 및 제2 레그의 회전도를 포함한다.
추가의 양태에 따라, 제3 부재는 장치에 대해 선형으로 이동되도록 구성되고, 장치에 대한 이동을 측정하도록 구성된 센서를 추가로 포함한다.
추가의 양태에 따라, 제3 부재는 물체의 표면에 부착하도록 구성된 제3 그리퍼 부재를 포함한다.
추가의 양태에 따라, 변수는 제3 부재의 선형 이동량이다.
추가의 양태에 따라, 제3 부재는 장치에 의해 지지되고, 장치와 물체의 표면 사이의 거리를 측정하도록 구성된 비-접촉식 거리 센서이다.
추가의 양태에 따라, 변수는 센서와 표면 사이의 거리이다.
도 1a는 배향이 결정될 수 있는 차량을 도시하고 있다.
도 1b는 배향이 결정될 수 있는 차량의 추가적인 특징부를 도시하고 있다.
도 2a는 표면 상의 차량의 개략도를 도시하고 있다.
도 2b는 표면 상의 차량의 개략도를 도시하고 있다.
도 3는 표면 상의 차량을 도시하고 있다.
도 4는 배향을 결정하는데 사용될 수 있는 시스템의 개략도를 도시하고 있다.
도 5a-5b는 표면에 대한 배향에서 차량을 도시하고 있다.
도 6a-6c는 표면에 대한 배향에서 차량을 도시하고 있다.
도 7는 표면에 대한 차량의 그래픽 표현을 도시하고 있다.
도 8a-8b는 표면에 대해 그리고 중력에 대해 차량을 도시하고 있다.
도 9a-9h는 장치에 대한 물체의 배향을 결정하는 데 사용될 수 있는 장치를 도시하고 있다.
본 발명은 공지의 기하학적 형상을 갖는 표면에 대한 이동 장치, 예를 들어 로봇식 차량, 핀서(pincer)등의 배향을 결정하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 공지의 굴곡면을 접촉하는(예를 들어, 구동하는) 메커니즘(예를 들어, 차량)을 위해, 상기 메커니즘의 배향은 메커니즘의 구조 및 측정된 메커니즘의 변형에 기초해서 결정될 수 있다. 예를 들어, 메커니즘의 본체가, 터치된 (또는 횡단된) 표면의 곡률을 자체-조정하는 것을 허용하도록, 일반 형태가 측정 가능한 방식으로 동적으로 (능동적이거나 또는 수동적으로) 변형될 수 있도록 메커니즘이 제공될 수 있다. 또한, 메커니즘은 변형 동안에 완전히 정의된 구조를 유지한다(예를 들어, 메커니즘의 부품은 서로 회전할 수 있지만 메커니즘 자체의 길이는 변하지 않게 유지된다). 이러한 메커니즘을 이용하여, 측정된 변형이 굴곡면의 특별한 특징에 대해 메커니즘의 절대 배향을 계산하기 위해서 수학적 모델을 거칠 수 있다. 완전히 정의된 구조를 유지하지 않는 메커니즘은 수학적 모델에 대한 여러 가지 해법을 야기할 수 있고, 따라서 차량의 배향을 계산하는 것이 가능하지 않을 수 있다는 것을 인식해야 한다. 따라서 메커니즘(예를 들어, 배향 정보뿐 아니라 위치를 결정하는 데 추가로 사용될 수 있는 다수의 핀서를 갖는 그리퍼와 같은 다수의 힌지형 메커니즘)은 다중 정의(redundant definition)를 제공하기 위한 구조를 가질 수 있다. 예시의 용이성을 위해서, 일 실시예에 따른 시스템과 방법이 로봇식 검사 차량과 관련해서 기재된다. 그러나 상기 시스템과 방법은 제한되지 않으며, 다른 장치에 적용될 수 있다.
모바일 로봇에서, 국지화 데이터는 기준 프레임에 대한 물체의 위치와 배향을 결정하는 데이터로서 이해된다. 정확한 국지화 데이터는 적절한 탐사, 경로 계획, 맵핑 및 이 분야의 기타 작업을 위해서 요구된다. 본 발명의 시스템과 방법은 차량이 이동하는 표면에 대한, 차량의 배향을 결정하기 위한 수단을 제공한다. 이 배향 정보는 하기에 더 상세히 논의된 바와 같이, 차량이 얼마나 멀리 이동했는지, 차량의 정확한 위치 및 차량의 이동 궤도 경로를 결정하기 위해서 다른 데이터와 결합될 수 있다.
도 1a 및 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 로봇식 차량(10)이 도시되어 있다. 로봇식 차량(10)은 제1 섀시 섹션(12) 및 제2 섀시 섹션(14)을 포함한다. 구동휠(16)은 제1 섀시 섹션(12)에 연결되고, 옴니-휠(18)은 제2 섀시 섹션(14)에 연결된다. 휠(16,18) 및/또는 섀시 섹션들은 차량과 강자성/자기 유도성 재료[예를 들어, 자기장의 존재 시 인력(引力)(attractive force)을 발생시키는, 스틸 파이프와 같은 재료] 사이에 인력을 제공하는 자석을 포함할 수 있다. 자석은, 강자성/자기 유도성 표면을 따라 이동할 때 차량이 수직 및/또는 역전된 위치로 이동하는 것을 허용하기에 충분한 인력을 제공할 수 있도록 선택될 수 있다. 제1 및 제2 섀시 섹션은 힌지(20)를 통해서 함께 연결된다. 힌지(20)는(예를 들어, 너클/핀 힌지, 볼 및 디텐트 힌지를 포함하는) 여러 개의 다른 형태일 수 있다. 다른 형태의 구조는 2개의 섀시 섹션들 사이에서 자유도를 제공하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 가요성 재료(예를 들어, 가요성 플라스틱)는 2개의 섀시 섹션들 사이에서 자유도를 제공하면서 2개의 섀시 섹션을 함께 연결하는 데 사용될 수 있다. 힌지(20)는 화살표 "A"에 의해 표시된 바와 같이 서로에 대해 회전할 수 있도록 제1 및 제 2 섀시 섹션 사이에서 이동 자유도를 제공한다. 제1 및 제2 섀시 섹션(12,14) 사이에서 회전을 허용하는 이동 자유도는, 차량이 굴곡면을 횡단하게 하는 이동 가요성을 제공하며, 구동휠(16)과 옴니-휠(18)은 굴곡면(1)(예를 들어, 스틸 파이프)과 접촉하며 그에 수직으로 배향되어 있다.
이제 도 1b를 참조하면, 간단한 도면은 힌지형 섀시를 도시하지 않고 구동휠(16)과 옴니-휠(18)의 배향을 도시하고 있다. 화살표 "D"에 의해 표시된 바람직한 이동 방향을 갖는 로봇식 차량의 실시예에 있어서, 로봇식 차량(10)의 구동휠(16)은 차량을 전방으로 추진시키는 모터에 응답하여 화살표 "R1"에 의해 표시된 방향으로 그 접근(access)에 대해 회전한다. 옴니-휠(18)의 회전 축선은 도 1b에 나타낸 바와 같이, 명목상 구동휠(16)과 직교하여 배향되어 있다 (그리고 휠은 직교 평면에 있다). 옴니-휠(18)은 상기 옴니-휠(18)의 주변 둘레에 위치된 다수의 롤러(22)를 포함한다. 롤러(22)는 화살표 "R2"에 의해 표시된 바와 같이, 구동휠(16)과 동일한 방향으로의 회전을 위해 (예를 들어, 핀 또는 차축을 통해) 옴니-휠(18) 상에 장착되어 있다(즉, R1은 R2과 동일한 방향이다). 따라서 구동휠(16)이 구동될 때, 옴니-휠(18)은 구동되지 않은 종동자 휠로서 작용할 수 있다. 구동휠(16)이 구동될 때 롤러(22)는 수동적으로 회전하며, 이에 따라 화살표 "D"로 도시된 바와 같이 구동된 방향으로 차량이 이동하는 것을 허용하며, 상기 롤러는 수동적인 옴니-휠(18)의 마찰을 감소시키도록 작용하며, 적어도 그 결과는 차량(10)이 수준면을 따라 이동할 때이다.
옴니-휠(18)은 로봇식 차량(10)을 제어하기 위해 조종(steering) 또는 회전을 제공한다. 차량(10)은, 옴니-휠과 모터 사이의 통상적인 결합을 이용함으로써 전술한 모터, 또는 (별도로 도시되지 않은) 제2 모터를 사용하여 옴니-휠(18)을 구동함으로써 조종될 수 있다. 옴니-휠은 화살표 "R3"에 의해 표시된 방향으로 회전한다. 옴니-휠의 회전은 차량을 화살표 "S"에 표시된 방향으로 회전시키거나 조정시킨다. 옴니-휠(18)의 회전을 제어하면 차량(10)의 조종을 허용한다. 옴니-휠이 "S" 방향으로 회전할 때, 차량 자체의 접혀짐 없이 차량이 "S"방향으로 회전될 수 있도록, 또한 힌지(20)를 통해 구동휠로 전달된 이동의 결과로서 옴니-휠(18)의 "S" 방향으로의 이동이 구동휠(16)의 재-배향과 관련될 수 있도록, 힌지(20)는 무-수율(no yield)이 최소로 되도록 구성된다.
따라서 구동휠(16)은 차량의 전방 및 후방 이동을 제공하도록 제어될 수 있는 반면에, 옴니-휠(18)은 수동적인 저-저항(low resistance) 종동자 휠이거나 또는 차량을 위한 활성의 조종 메커니즘으로서 작용한다. 휠(16, 18)은 차량(10)의 상이한 타입의 조종을 실행하기 위해서 별도로 또는 동시에 활성화되어 구동될 수 있다.
차량 휠의 구성은, 비교적 작은 족적(foot print)을 유지하면서, 우수한 이동성과 안정성을 제공한다. 이는 로봇을 소영역 내로 삽입되어, 불가능하지는 않지만 4륜 차량과 같은 전통적인 장치로는 얻기 어려울 수 있는 기동성을 갖게 한다. 예를 들어, 기재된 장치를 갖는 차량은 8인치 직경부터 완전히 평탄한 표면까지의 표면 상에서 효과적일 수 있도록 구성될 수 있다. 구동휠(16)은 차량에 안정성을 제공한다. 특히, 구동휠은 차량(10)이 이동될 수 있는 휠과 강자성 표면 사이에 인장력(pull force)을 형성하는 강한 자석을 포함하고, 그리고 이 구조적 배치는 차량의 저항성 티핑(tipping)을 돕는다. 또한, 구동휠은 비교적 넓고 평탄한 구성을 가질 수 있고, 이는 차량에 안정성을 추가로 제공한다.
도 3를 참조하면, 차량(10)은 단지 예시적으로 강재 파이프일 수 있는, 굴곡된 강자성 표면(1)을 횡단하는 것으로 도시되어 있다. 구동휠(16)과 옴니-휠(18)은 자석을 각각 포함할 수 있다. 예를 들어, 자석은 이들 각각의 휠의 허브에, 또는 (도 3에 도시된 바와 같이) 이중 옴니-휠인 경우에는 2개의 허브 사이에, 포함될 수 있다. 구동휠과 옴니-휠을 각각의 섀시 섹션에 연결시킴으로써, 각 섀시 섹션은 강자성/자기 유도성 재료(예를 들어, 스틸 파이프와 같은, 자기장의 존재 시 인력을 발생시키는 재료) 표면으로 (휠의 자석을 통해서) 끌린다. 대안적으로 또는 추가로, 섀시 섹션은 그 자체가 각 섀시 섹션과 강자성 표면 사이에 인력을 제공한 자석을 포함할 수 있다. 따라서 차량이 굴곡면 또는 요철면을 횡단할 때, 각 섀시 섹션은 표면에 자기적으로 부착될 수 있다. 반면에, 힌지(20)는 섀시 섹션이 서로에 대해 회전하도록 한다. 이러한 장치에 의해서, 구동휠(16)과 옴니-휠(18)은 차량(10)이 이동하는 표면과 접촉하고, 그리고 그에 수직하게 유지한다. 스프링(24)은 2개의 섀시 섹션(12,14) 사이로 연장할 수 있고, 2개의 휠이 2개의 섀시 섹션 사이에서 대략 0의 회전도를 갖는 동일한 평탄면 상에 위치되어 있는 위치로 섹션이 돌아갈 수 있게 도움을 주는 가압력을 제공하도록 연결될 수 있다.
도 2a 및 2b를 참조하면, 굴곡면 및 평평한 평면 상에 로봇식 차량의 개략도가 도시되어 있다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 섀시 섹션은 휠이 굴곡면(2)(예를 들어, 파이프)과 접촉하도록 힌지(20)에 대해 회전한다. 힌지(20)가 없다면, 섀시는 직선 구성을 유지할 수 있고, 휠들 중 하나는 굴곡면과 접촉하지 못할 수도 있거나, 굴곡면과 부분적으로만 접촉할 수 있다. 하나 또는 2개의 휠이 이동면과의 접촉을 유지하지 못하면 섀시와 표면의 자석 사이에서 인력의 상당한 저하를 유발할 수 있다. 이는 차량이 수직면 또는 반대면을 횡단할 때와 같은 심각한 결과를 가질 수 있고, 상기 차량은 표면을 갖는 자성 퍼쳐스(purchase)를 유지하지 못하고, 표면으로부터 분리시킨다. 차량의 분리는 낙하의 결과로서 고통받는 차량의 손상으로 나타나고, 영역 내의 작업자에게 위험을 줄 수 있으며, 및/또는 차량이 끼이게 할 수 있으며, 이는 추가적인 문제를 제공할 수 있다. 도 2b에 도시한 바와 같이, 차량(10)은 굴곡면(2)에 배치되지만 상기 차량은 굴곡면의 축에 평행하게(예를 들어, 파이프의 흐름 "F" 방향에 평행하게) 배향되어 있다. 차량이 굴곡면의 융기부에 위치되어 있기 때문에, 전륜 및 후륜은 동일한 평면 상에 위치되어 있다. 따라서, 힌지에 대한 회전 각도는 0이다.
힌지(20)는 회전 정지부(26, 28)를 포함할 수 있다. 이들은 예를 들어 각각의 제1 및 제2 섀시 섹션 상에서 결합면일 수 있다. 회전 정지부는 차량이 평면에 있을 때와 같이, 힌지(20)에 대해 원치 않는 회전을 방지한다. 예를 들어, 힌지는 힌지 조인트가 표면에 드래그(drag)되도록 평면에 있을 때 차량 그 자체가 접혀지는 것을 방지할 수 있다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 차량은 파이프의 축 또는 흐름 방향에 직교하게 배향되어 있다. 이 구성에서, 회전 각도 또는 회전도는 도면 부호(30)에 나타낸 바와 같이 힌지에 대해 이탈한다. 차량이 굴곡면의 축에 대해 직교할 때, 힌지 사이의 각도는 그 최대값으로 있다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 차량(10)은 굴곡면 상에 배치되지만 상기 차량은 굴곡면의 축에 평행하게(예를 들어, 파이프의 흐름 방향에 평행하게) 배향된다. 차량이 굴곡면의 융기부에 위치되기 때문에, 전륜 및 후륜은 동일한 평면에 위치된다. 따라서 힌지에 대한 회전 각도는 0이다. 이 배향에서, 힌지에 대한 각도는 최소, 즉, 0이다. 상기 차량은 표면의 축에 직교하는 배향으로부터 차량이 표면의 축에 평행한 배향으로 전이함에 따라, 힌지에 대한 각도는 최대에서 최소로 감소한다. 힌지에 대한 각도 값을 측정함으로써, 굴곡면에 대한 차량의 배향이 하기에 더 상세히 논의된 바와 같이 결정될 수 있다.
이 각도 값은 차량의 기하학적 형상, 상기 차량이 배치되는 굴곡면(예를 들어, 파이프)의 직경, 및 상기 굴곡면에 대한 차량의 배향의 함수이다. 휠의 직경과, 휠과 힌지 사이의 거리를 포함할 수 있는, 차량의 기하학적 형상은 측정되어 공지될 수 있고, 로봇에 의해서 수행되는 검사 중 일정하게 유지되는 요소이다. 또한, 상기 차량이 (예를 들어, 굴곡형 파이프)를 검사하기 위해서 이용되는 표면의 직경은 측정되어 공지될 수 있으며, 로봇에 의해서 수행되는 검사 중 일정하게 유지되는 요소이다. 또한, 힌지에 대한 각도는 센서를 통해 [예를 들어, 전위차계(potentiometer), 인코더, 스트레인 게이지, 2개의 관성 측정 장비(하나는 구동 모듈에 장착되고, 다른 하나는 짧은 시간 주기에 대해 조종 모듈 상에 장착된다) 사이의 상대거리를 사용하여], 또는 다른 적절한 센서, 등을 사용하여 측정될 수 있다. 차량의 배향은 힌지에 대해 측정된 각도와 조합되는, 차량 및 표면과 연관된 공지된 그리고 일정한 요소를 사용해서 계산될 수 있다.
이하의 예는 특히 기하학적 형상의 굴곡면, 예를 들어 파이프를 횡단하는 특별한 기하학적 형상의 차량의 배향을 계산하는 방법을 예시한 것이다. 예시적인 계산을 이용하여, 구조에서 결함이 위치될 수 있는 경우를 측정하기 위해서, 차량의 위치를 결정하고, 검사 데이터가 수집되는 위치를 식별하는 데 유용한 차량의 국지화 데이터가 결정될 수 있다. 국지화 방법은 차량이 파이프에 대해 그 위치와 배향을 일정하고 정확하게 결정할 수 있게 한다. 따라서 검사 데이터는 이후 작업자가 유입되는 센서 데이터에서 인지된 것을 찾아내고 이를 위치시키도록, 파이프의 기하학적 형상으로 정확하게 맵핑될 수 있다. 차량의 위치를 정확하게 결정하고, 그 위치를 검사 데이터와 연관시키는 능력은 두께 측정 및 부식 맵(corrosion map)을 위한 신뢰성 있는 초음파 스캔의 제조를 허용한다.
파이프의 완전 스캔 및 광범위한 부식 맵을 제공하기 위해서, 차량은 파이프 주위의 나선형 경로를 자율적으로 따를 수 있다. 나선형 경로는 래스터화된(rasterized) (지그재그) 스캔 경로 또는 원형 스캔 경로에 대해서 상당한 이점들을 제공한다. 원형 스캔 경로에서, 루프가 완성되면, 전형적인 크롤러(crawler)의 종방향 위치가 파이프 축을 따라서 상승될 수 있다. 원형 스캔을 완료하고, 이후 전개시키는 공정이 파이프의 원하는 길이가 커버될 때까지 반복된다. 래스터화된 스캔의 종방향에서, 파이프의 원하는 길이가 일단 스캔되면, 크롤러는 그 각위치가 상승되고, 이후 다른 선형 스캔을 수행해야 한다. 이 공정은 커버된, 원하는 영역에서 반복된다. 이들 크롤러의 대부분은 이동성이 매우 좋지는 않지만 대신에 크롤러가 원하는 스캔 영역을 커버하기 위해서 (원주방향의 및 종방향의) X-Y 운동으로 이동할 수 있는 고정형 플랫폼을 제공하는 지지 받침대를 사용한다. 이는 원하는 스캔 영역에 대한 접근은 지지 받침대를 제공하기 위한 요건이라는 것을 의미한다. 상기 기재된 차량(10)은 이동성이 좋고, 고정형 지지 받침대를 필요로 하지 않는다. 오히려, 이러한 받침대 없이 파이프 상에서 자유롭게 돌아다닐 수 있다. 따라서 원하는 스캔 영역에 대한 접근성을 가질 필요가 없고, 따라서 차량은 파이프를 따라 모든 지점에 배치될 수 있고, 이후 원하는 위치로 구동될 수 있다. 이러한 능력을 가지면 차량이 덜 제한된 이동 및 조종을 수행하게 한다. 추가로, 차량의 이동성은 초음파 스캔을 수행하면서 차량이 나선형 경로를 횡단하도록 허용한다.
이하의 나선형 경로는 이하의 X-Y 스캐닝 운동과 비교했을 때 차량의 조종 제어를 단순화한다. 나선형 경로에서, 차량은 주어진 속도에서 전방으로 구동할 지령을 받았고, 경미한 조종 정정이 원하는 나선형 경로를 달성하기 위해서 수행될 수 있다. 이는 복잡한 조종 기동을 필요로 하는 X-Y 스캐닝 방법에 대해 보다 효과적인 제어 방법을 제공한다. 나선형 스캔 경로는 차량의 긴 배터리 수명으로 나타날 수 있다. 나선형 스캔과 비교했을 때, X-Y 스캐닝을 이용하여 파이프를 스캐닝하는 것은 매 스캔선 후 요구되는 복합적인 조종 때문에 과도한 배터리 소모를 가져올 수 있다. 또한, 차량이, 상당 부분의 선형 스캔을 위해 발생할 수 있는, 매 스캐닝 선 동안에 중력에 대항해서 이동하도록 요구된다면, 과도한 전력 소모가 발생할 수 있다. X-Y 스캔 경로에서 크롤러의 국지화는 더 복잡하고, 오차-허용이 작다. 위치 결정의 오차는 X-Y 시스템에서 매 스캔 선 후에 요구되는 복잡한 조종 기동 중에 발생되기 쉽다.
나선형 스캔 경로에서, 국지화는 나선형 피치 제어 및 나선형 루프 시작/종료 제어를 통해서 달성될 수 있다. 나선형 피치 제어는 나선의 피치(각 루프와 다음 루프 사이의 공간)가 전체 나선형 경로를 따라 일정하다는 것을 보장한다. 나선형 루프 시작/종료 제어는 나선의 루프가 종료되고 다음 루프가 시작될 때 차량이 결정될 수 있다는 것을 보장한다.
차량은 각 루프와 다음 루프 사이의 공간(나선형 피치)이 일정하다는 것을 보장할 수 있다. 따라서 차량은 정확한 대응 위치에 획득한 검사 데이터를 맵핑하기 위해서 원하는 나선형 경로를 따를 수 있다. 차량이 파이프를 따라서 전진함에 따라, 제어 방법은 나선형 피치를 제어하고, 루프들이 서로 유사하게 이격되어 있는 것을 보장하도록 실행될 수 있다. 피치를 제어하는 것은 공지의, 균일한 스캔 경로를 제공한다.
파이프 주위에서 차량의 궤도의 피치는 파이프에 대한 차량의 (종방향의, 임의의 피치를 갖는 나선형의, 또는 원주방향의) 배향을 점검하고 제어함으로써 제어될 수 있다. 배향 각도를 측정함으로써, 제어 루프는 각도가 유지되고, 따라서 나선형 피치가 유지된다는 것을 보장할 수 있다. 파이프에 대한 차량의 배향은 차량의 조종 모듈과 구동 모듈 사이에서 힌지의 각도(제1 섀시 섹션과 제2 섀시 섹션 사이의 각도)를 측정함으로써 결정될 수 있다. 차량 섹션들 사이에서 힌지를 포함하는 것은 힌지에 대한 각도를 측정하기 위한 능력을 제공한다. 힌지는 또한 차량이 여러 곡률 및 파이프 직경의 표면 상에서 작동하는 것을 허용하는 차량의 자체-조정 특징을 제공한다.
파이프에 대한 차량 배향 각도를 위한 측정 규칙이 설정될 수 있다. 도 5a 및 5b는 각(θ)을 위한 예시적인 측정 규칙을 도시하고 있다. 규칙에 따르면, 차량(10)이 파이프(50)에 직교하게 배향되어 있을 때, 원주방향의(원형의) 경로 상에서 이동하는 차량을 유발하고, θ는 0도이다. 차량이 파이프의 흐름 방향과 동일한 방향으로 배향될 때, 이는 파이프의 길이를 따라서 이동하는 차량으로 나타나고, θ는 90도이다. 따라서 파이프에 대한 차량의 배향이 직교방향에서 종방향으로 변하기 때문에, θ는 0도부터 90도까지 증가하게 된다. 2차원 횡방향 평면 상의 수학적 모델은 중심 차량 면에 의해서 형성된다. 이는 각도 변화(θ)를 갖는 동일한 면이다. 도 6a-6b는 상이한 값의 θ를 위한 차량(10)에 대한 파이프(60)의 단면적을 도시하고 있다. 도 6a는 θ가 0인 경우에 원주방향형 경로를 위한 단면적을 도시하고 있다. 도 6b 및 6c에서 알 수 있는 바와 같이, θ의 증가는 파이프의 단면을, 그 장축이 θ가 증가하는 타원형이 되게 한다.
도 7를 참조하면, 차량(70)은 와이어 형태(wire form)로 나타난다. 차량(70)은 제1 섀시 섹션(72), 제2 섀시 섹션(74), 구동휠(76), 및 상기 구동휠(76)에 대해 직교하게 장착되어 있는 옴니-휠(78)을 포함한다. 차량은 특정값의 θ를 위한 타원형 단면적을 갖는 파이프(71) 상에 배치된다. 차량과 파이프의 매개변수들은 하기 수학적 표기에 의해서 나타난다.
Φ: 힌지 각도
a: 파이프의 타원 단면적의 장축
b: 파이프의 타원 단면적의 단축
R1: 자기 구동휠의 반경
R2: 옴니-휠의 반경
L: 구동휠의 피봇과 힌지 사이의 가상 강한 연결 길이
D: 옴니-휠의 힌지와 제1 롤러 세트 사이의 거리
W: 옴니-휠의 폭(2개의 롤러 세트 사이의 거리)
x1,y1: 옴니-휠과 파이프 사이의 제1 접점의 좌표
x2,y2: 옴니-휠과 파이프 사이의 제2 접점의 좌표
xh,yh: 힌지 포인트의 좌표
단축(b)은 로봇 배향(θ)에 관계없이 파이프의 반경과 동일할 것이다. 장축(a)은 배향에 따라 달라지고, 하기식을 이용하여 결정될 수 있다:
Figure 112016061117827-pct00001
2개의 수학적 모델이 힌지 각도를 위해서 사용될 수 있다. "정방향 모델(forward model)"은 주어진 차량 배향 각도(θ)를 위해 힌지 각도(Φ)의 결정을 허용한다. "역방향 모델(inverse model)"은 힌지 각도(Φ)를 위해 차량 배향 각도(θ)의 결정을 허용한다.
정방향 모델
정방향 모델의 경우, a는 θ가 공지되어 있기 때문에 상기 식으로부터 계산될 수 있다. 힌지 각도(Φ)를 계산하기 위해서, 6개의 비-선형 방정식의 시스템이 상기 모델에서 공지되지 않은 6개((xl, yl, x2, y2, xh, yh)를 해결하도록 구성되어 있다. 변수를 위해 해결한 것들은 힌지 각도(Φ)를 계산하는 데 사용될 수 있다. 6개의 방정식이 하기 관계를 사용하여 기재되어 있다:
1. 타원 상에 옴니-휠의 제1 접점의 위치
2. 타원 상에 옴니-휠의 제2 접점의 위치
3. 힌지 포인트와 구동휠 축 사이의 거리
4. 2개의 접점 사이의 거리(옴니-휠의 폭)
5. 2개의 접점 위치에 대한 힌지 포인트의 X-좌표
6. 2개의 접점 위치에 대한 힌지 포인트의 Y-좌표
이들 관계는 하기 식으로서 나타낼 수 있다:
Figure 112016061117827-pct00002
이들 6개의 방정식은 하기와 같이 비-선형 방정식의 시스템으로서 기재될 수 있다:
Figure 112016061117827-pct00003
이들 방정식을 해결하는 것은 반복적인 뉴턴-랩슨(Newton-Raphson) 수치 방법을 이용하여 행해질 수 있다. 각 반복에서, 신규한 벡터(X)는 하기와 같이 계산될 수 있다:
Figure 112016061117827-pct00004
Jf는 시스템 F(X)의 자코비안 매트릭스(Jacobean matrix)이고:
Figure 112016061117827-pct00005
상기 방정식을 해결하는 것은 자코비안의 역(inverse)을 알아내는 것을 포함하고, 이는 시간 소모적이며, 고수요의 계산 지원을 유발한다. 따라서 하기 선형 방정식 시스템이 빠른 결과를 위해서 이용될 수 있다:
Figure 112016061117827-pct00006
제1 반복을 위해서, 벡터(Xn)는 초기 추정치(X0)이다. 해결에 대한 수렴을 보장하는데 사용되는 초기 추정치는 힌지 포인트가 구동휠 축과 동일한 y-좌표를 가지고 힌지 각도(φ)가 180도인 경우이다. 이 경우 초기 추정치는 하기와 같다:
Figure 112016061117827-pct00007
비-선형 시스템을 해결한 후에, 힌지 각도(φ)는 이후 하기와 같이 X에 대해 계산될 수 있다:
Figure 112016061117827-pct00008
정방향 모델에서 계산의 시퀀스를 위한 요약은 하기와 같이 나타낼 수 있다:
Figure 112016061117827-pct00009
역방향 모델
역방향 모델에서, 힌지 각도(Φ)가 (전위차계 또는 기타 적절한 센서를 사용하여 측정되어서) 주어지고, 차량 배향(θ)이 계산된다. 이 경우 장축(a)은 공지되어 있지 않다. Φ를 계산하기 위해서, 7개의 비-선형 방정식 방정식은 상기 모델에서 공지되지 않은 6개(xl, yl, x2, y2, xh, yh, a)를 해결하도록 구성되어 있다. 이들 방정식은 힌지 각도 방정식(Φ)과 함께, 정방향 모델에서, 동일한 6개의 방정식이다. 이들 방정식은 하기와 같다:
Figure 112016061117827-pct00010
이 시스템은 뉴턴 랩슨 방법을 사용하여 해결될 수 있고, 초기 추정치는 하기와 같다:
Figure 112016061117827-pct00011
비-선형 시스템을 해결한 후에, 차량 배향(θ)이 하기와 같이 X에 대해 계산될 수 있다:
Figure 112016061117827-pct00012
정방향 모델에서 계산의 시퀀스를 위한 요약이 하기와 같이 나타날 수 있다:
Figure 112016061117827-pct00013
나선형 경로의 매 루프가 언제 종료되고 다음 경로가 언제 시작되는지 결정하기 위해서, 휠 인코더와 IMU 데이터를 포함하는 센서 판독(가속도계, 자이로스코프, 및 자기계)의 조합이 사용될 수 있다. 사용된 국지화 방법은 어떤 센서가 유용한 판독을 제공하는지에 영향을 주기 때문에 지면(ground)에 대한 파이프 배향에 의존한다. 도 8a에 나타낸 바와 같이, 파이프(80)가 수평이면, 가속도계는 파이프 상에 차량(10)의 각도 위치를 결정하는 데 있어 유용한 데이터를 제공할 것이다. 중력 방향과 가속도계 판독은 차량이 파이프 주위에서 이동하면서 연속적으로 변하게 될 것이다. 이러한 변이를 갖는 것은, 제어기가 로봇이 언제, 예를 들어 12시 위치에 도달하고 나선형 루프의 종료 및 다음 루프의 시작을 등록하는지 알 수 있게 도움을 준다. 파이프(80)가 도 8b에 나타낸 바와 같이 수직이면, 가속도계는 차량(10)에 대한 중력 방향이 변하지 않기 때문에 유용하지 않을 것이다. 따라서 가속도계 데이터는, 가속도계가 로봇에 어느 배향으로 장착되는지 관계없이 로봇이 파이프 주위를 이동하면서 변하지 않을 것이다. 이는 로봇이 수직 수평 주위를 주행할 때 로봇의 동일한 면이 항상 지면을 마주하기 때문이다.
따라서 수평형 파이프의 경우, 마스터 마이크로컨트롤러는 나선형 루프의 종료와 시작을 결정하기 위한 가속도계 값에 의존할 수 있다. 경사진 파이프에서, 가속도계 값은 경사가 수직에 가깝게 되지 않는 한 사용될 수 있으며; 이는 상기 파이프가 수직이거나, 또는 수직에 가까우면, 가속도계 값은 일정하게 유지할 수 있거나, 또는 그 변화는 중요한 결정을 위해서는 충분하지 않을 수 있기 때문이다. 이 경우, 자기계 판독, 휠 인코더 값을 이용한 추측 항법, 및/또는 외부 시각 참조 점검을 포함하는 다른 수단들이 사용될 수 있다. 칼만 필터(Kalman filter) 또는 다른 적절한 센서 융합 알고리즘은 수직형 파이프의 경우를 위한 데이터를 융합하는데 사용될 수 있다.
따라서 상기 방정식은 굴곡면 상에서 차량의 배향 각도/힌지 각도를 결정하기 위한 예시의 방법을 제공한다. 상기 방법은 측정 가능한 방식으로 공지의 곡률로 자체-조정될 수 있는(예를 들어, 측정된 힌지를 갖는) 차량/메커니즘의 상이한 구조로 조정될 수 있다.
차량의 배향을 결정하기 위한 방법은 코드 실행을 위한 메모리를 갖는 처리 장치를 갖는 컴퓨터에 의해서 수행될 수 있다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 정보 처리 장치(102)의 기능 부재가 도시되어 있고, 바람직하게는 정보 처리 장치(102), 판독 전용 기억 장치[read only memory(ROM)](204), 임의 접근 기억 장치[random access memory(RAM)](206)의 작동을 제어하기 위해서 소프트웨어 코드를 실행하는 데 사용되는 하나 또는 그 이상의 중앙 처리 장치[central processing unit(CPU)](202), 통신망을 가로지르는 다른 계산 장치, 하드 디스크 드라이브, 플래시 메모리, 프로그램 코드, 데이터베이스 및 적용 코드를 저장하기 위한 CD-ROM 또는 DVD 드라이브로, 또는 그로부터 데이터를 전송하고 수신하기 위한 하나 이상의 네트워크 인터페이스(208), 키보드, 마우스, 트랙볼 등의 하나 또는 그 이상의 입력 장치(212) 및 디스플레이(214)를 포함한다. 정보 처리 장치(102)의 다양한 부품들이 동일한 섀시 내에 물리적으로 함유되거나, 하나의 위치에 위치되어 있을 필요는 없다. 예를 들어, 저장 장치(210)가 존재할 수 있는 데이터베이스에 대해 전술한 바와 같이, 저장 장치(210)는 정보 처리 장치(102)의 남아 있는 부재로부터 떨어져 있는 자리에 위치될 수 있고, 심지어는 네트워크 인터페이스(208)를 통해 통신망(106)을 가로질러 CPU(202)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 데이터 처리는 로봇 내에 위치되고, 원격 컴퓨터 단말기에 전송될 수 있는 처리 장치를 사용하여 수행될 수 있다.
도 4에 도시된 (도면 부호(202-214)에 의해 지정된) 기능 요소들은 바람직하게는 사용자 연산 장치(104)에 존재하는 동일한 범주의 기능 요소이다. 그러나 모든 부재, 예를 들어 PDA의 경우 저장 장치가 존재할 필요는 없으며, 또한 다양한 부재들의 용량은 예상되는 사용자 요구를 수용하도록 배열되어 있다. 예를 들어, 사용자 연산 장치(104)에서 CPU(202)는 정보 처리 장치(102)에 존재하는 CPU(202)보다 작은 용량일 수 있다. 마찬가지로, 정보 처리 장치(102)는 워크스테이션(104)에 존재하는 저장 장치(210)보다 더 큰 용량의 저장 장치(210)를 포함할 가능성이 크다. 물론, 본 기술의 숙련자라면 기능적 요소들의 용량이 필요에 따라 조정될 수 있다는 것을 인식할 것이다.
예를 들어, 힌지의 각도를 측정하는 센서는 처리 장치에 전기적 입력 신호를 제공할 수 있다. 이러한 신호들은 처리 장치(202)로 입력되기 전에, 예를 들어 컴퓨터 코드와 같이 실행된 전-처리 모듈에 의해서 아날로그 또는 디지털 신호 처리를 거칠 수 있다. 이러한 모듈은 아날로그-대-디지털 변환기로부터 출력을 수신할 수 있고, 결과적으로 센서, 예를 들어, 스트레인 게이지로부터 신호를 수신한다. 차량의 배향을 결정하는 데 사용되는 계산은 로봇식 차량 내에 위치되는 처리 장치에 의해 수행될 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 감지된 데이터는 차량의 배향과 위치를 결정하기 위한 처리를 수행하기 위해서 원격 처리 장치(예를 들어, 필드 랩탑 컴퓨터, 스마트폰, 태블릿 등)에 (예를 들어, 무선 커뮤니케이션을 통해서) 전송될 수 있다.
차량의 배향을 결정하는 것은 로봇 검사 응용에 특히 유용하다. 예를 들어, 배향 정보는 차량이 표면을 따라 이동함에 따라 차량의 궤도를 계산하는 데 사용될 수 있다. 이는 차량의 절대 위치를 결정하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 차량이 표면을 따라 어디에 위치되어 있는지 결정하기 위해서, 차량에 의해 이동된(예를 들어, 구동휠의 회전을 계산함으로써) 측정된 거리와 조합될 수 있다. 추가로, 배향 정보는 차량이 표면 자체를 검사하는 데 사용되고, 그리고 상기 차량이 검사하기 위해서 표면을 통과할 필요가 있을 때 특히 유용할 수 있다. 배향 정보는 원하는 스윕(sweep) 패턴이 로봇에 의해서 달성되는지 여부를 결정하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 거리와 배향 정보는 데이터 포인트로서 수집되고, 차량의 이동 맵을 구축하기 위해서 결합될 수 있다. 상기 맵은(예를 들어, 원통형 좌표 시스템을 사용하는) 3차원 맵일 수 있거나, 원통형 표면을 평탄한 평면으로 변환함으로써 2차원 맵으로서 나타낼 수 있다. 추가로, 로봇의 궤도가 맵핑될 수 있기 때문에, 위치 정보는 구조의 맵이 검사 데이터와 중복된 상세한 맵을 생성하기 위해서, 수집된 검사 데이터와 조합될 수 있다. 따라서 위치 정보와 검사 정보(예를 들어, 그 위치에서 표면의 상태)를 포함하는 데이터 포인트가 발생될 수 있다. 데이터 포인트는 부식 영역이 맵 상에 강조되어 있는 파이프라인의 상세한 맵을 형성하는 데 사용될 수 있다. 본 발명의 시스템과 방법 없이, 이러한 맵을 생성하는 데 요구되는 국지화 데이터는 시간에 따라 축적될 수 있는 오차를 드리프트를 상대 참조해서 기초할 수 있다.
로봇식 차량(10)에서 본 발명의 시스템과 방법을 통합하는 것은 예를 들어 상당한 이점을 제공할 수 있다. 상기 시스템과 방법은, 파이프 상에서의 로봇 기동은 파이프의 중심선 (또는 흐름)에 대해 로봇의 절대 배향이 정확하게 계산하는 것을 허용하기 때문에, 힌지 각도를 측정하는 데 유용할 수 있다. 이 방법은 다른 메커니즘, 차량 및 굴곡면에 추정될 수 있다. 이 방법은 특히 차량 주위의 중력 방향이 차량이 피봇하고 있는 회전축과 정렬되어 있는 경우에 IMU를 수행하다는 점에서 특이하다. 중력과 회전축 사이의 정렬은, 예를 들어, 로봇이 수평형 파이프 상에 12시 위치에 위치되어 있고, 상기 로봇이 제 자리에서 원형으로 피봇/조종하고 있는 상태에서 발생할 수 있다.
전술한 바와 같이, 이 방법은 로봇식 검사 차량 제어에서 특별한 응용을 갖는다. 예를 들어, 로봇이 원통형 파이프를 따라 전진하면, 힌지 각도의 특별한 측정은 파이프 중심선 또는 흐름에 대한 로봇의 가능성 있는 4개의 배향에 대응할 수 있다. 그러나 로봇의 원래의 배향이 공지되어 있다면, 날짜를 저장하고, 그리고 모든 추가의 배향 변화를 나타내는 데이터를 추가로 저장하도록 구성되어 있을 수 있다. 따라서 시스템은 힌지 각도의 이전 측정을 기록할 수 있고, 가능성 있는 4개의 현재 배향 중 어느 것이 실제 배향인지 시작 배향 및 이전 배향 변화에 기초해서 쉽게 추정할 수 있다.
추가로, 로봇의 기하학적 형상이 공지되어 있고, 파이프에 대한 로봇의 배향이 공지되어 있으면, 힌지에 대한 측정 각도는 파이프의 직경을 결정하는 데 사용될 수 있다. 추가로, 로봇은 공지되지 않은 직경의 파이프 상에 위치되고, 이후 그 자체의 구동휠 주위에 181도를 피봇하고, 힌지에 대한 각을 측정하는 센서로부터 획득한 데이터를 맵핑하도록 명령을 받을 수 있다. 시스템은 로봇이 회전함에 따라 최대 각도를 기록할 수 있고, 이는 파이프의 흐름에 수직으로 배향되어 있을 때 (즉, 로봇이 파이프 원주 주위에 원형으로 구동을 시작하려고 하는 것과 같이) 발생한다. 로봇의 기하학적 데이터와 조합된 측정된 최대 각도는 로봇이 이동하는 파이프의 직경을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 상기 방법은 측정 가능한 방식으로 공지의 곡률로 자체-조정될 수 있는(예를 들어, 측정된 힌지를 갖는) 차량/메커니즘의 상이한 구조로 조정될 수 있다. 차량은 항공우주와 해양 선체를 포함하는, 선박 선체를 검사하는 데 사용될 수 있다. 추가로, 이러한 검사 공구가 원주에 대해 특이한 곡률를 갖는 구조에 사용되면, 공구 위치는 힌지 각도를 측정함으로써 결정될 수 있다. 예를 들어, 잠수함의 곡률은 그 선체 전체적으로 특이하며, 공지되어 있으면(예를 들어, 포물선과 같이 그래프로 나타낼 수 있으면), 측정된 힌지 각도는 차량 배향 및 위치를 계산하는 데 사용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 기재된 기술은 차량 및 기타 메커니즘에 더 일반적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 힌지형 핀서는, 상기 핀서에 의해 지지되는 물체의 배향을 결정하기 위한 기재된 방법을 이용할 수 있다.
전술한 방법은 IMU가 유사한 정보를 제공하지 않는 응용에 유용한 데이터를 제공할 수 있다. 예를 들어, 자동화된 어셈블리 라인[예를 들어, 힌지에 의해서 연결된 제1 및 제2 프롱(prong)으로 이루어진 핀서]에서 스마트 그리퍼는 물체가 잡히는 방향을 결정하기 위해서, 스크램블된 물체(예를 들어, 임의의 배향을 갖는 파일에서 많은 물체)를 잡고, 그 형상을 자체-조정하고, 그리퍼의 본체에서 측정된 변화를 사용하도록 본 발명의 원리에 따라 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 9a-9h는 물체의 배향을 결정하는 데 사용될 수 있는 그리퍼의 여러 가지 실시예를 도시하고 있다.
도 9a를 참조하면, 그리퍼(910)는 피봇(916)을 통해서 그리퍼에 연결되어 있는 2개의 레그(912) 및 제3 레그(914)을 갖는다. 레그(912) 및 레그(914)의 말단은 물체의 표면에 접촉하는 그리핑 부재(918)를 포함한다. 물체는 오목부, 볼록부 또는 평면 또는 그 조합을 가질 수 있다. 그리핑 부재(918)는 물체와 접촉하는 그리퍼를 유지할 수 있다. 그리퍼 부재는 자력, 흡인력, 비-영구적 접착력, 또는 물체와 접촉하는 그리퍼의 말단을 유지하기 위한 다른 적절한 수단을 통해서 물체와의 접촉을 유지할 수 있다. 그리퍼(910) 및 그 레그 및 그리핑 부재의 기하학적인 세부 사항이 공지되어 있다. 물체의 기하학적 세부 사항이 또한 공지되어 있다. 따라서 전술한 방법에 따라 피봇(916)에서 회전량을 측정함으로써, 그리퍼에 의해서 지지되는 물체의 배향이 결정될 수 있다. 도 9e에 도시된 바와 같이, 그 표면을 따라 다양한 배향에서 물체(X)와 접촉하는 그리퍼(910)가 도시되어 있다. 전술한 방법에 따라, 그리퍼에 대한 물체(X)의 배향이 결정될 수 있다.
도 9b을 참조하면, 그리퍼(920)는 각각이 피봇(926)을 통해서 그리퍼에 연결되어 있는 2개의 레그(922)를 갖는다. 레그(922)의 말단은 물체의 표면을 접촉하는 그리핑 부재(928)를 포함한다. 물체는 오목부, 볼록부, 또는 평면 또는 그 조합을 가질 수 있다. 그리핑 부재(928)는 물체와 접촉하는 그리퍼를 유지할 수 있다. 그리퍼 부재들은 자력, 흡인력, 비-영구적 접착력, 또는 물체와 접촉하는 그리퍼의 말단을 유지하기 위한 다른 적절한 수단을 통해서 물체와의 접촉을 유지할 수 있다. 그리퍼(920) 및 그 레그 및 그리핑 부재의 기하학적 세부 사항이 공지되어 있다. 물체의 기하학적 세부 사항이 또한 공지되어 있다. 따라서 전술한 방법에 따라 피봇(926)의 회전량을 측정함으로써, 그리퍼에 의해서 지지되는 물체의 배향이 측정될 수 있다. 도 9f에 도시된 바와 같이, 그 표면을 따라서 다양한 배향으로 물체(X)와 접촉하는 그리퍼(929)가 도시되어 있다. 전술한 방법에 따라, 그리퍼에 대한 물체(X)의 배향이 결정될 수 있다.
도 9c를 참조하면, 그리퍼(930)는 선형 변위될 수 있는, 그리퍼와 부재(934)에 각각 연결되어 있는 2개의 레그(932)를 갖는다. 레그(932)와 부재(934)의 말단은 물체의 표면을 접촉하는 그리핑 부재(938)를 포함한다. 상기 물체는 오목부, 볼록부, 또는 평면, 또는 그 조합을 가질 수 있다. 그리핑 부재(938)는 물체와 접촉하는 그리퍼를 유지할 수 있다. 그리퍼 부재들은 자력, 흡인력, 비-영구적 접착력, 또는 물체와 접촉하는 그리퍼의 말단을 유지하기 위한 다른 적절한 수단에 의해서 물체와의 접촉을 유지할 수 있다. 그리퍼(930) 및 그 레그, 이동 부재 및 그리핑 부재의 기하학적 세부 사항이 공지되어 있다. 물체의 기하학적 세부 사항이 또한 공지되어 있다. 따라서 전술한 방법에 따라 부재(934)의 변위량을 측정함으로써, 피봇의 회전이 선형 변위를 대체하고, 그리퍼에 의해서 지지되는 물체의 배향이 결정될 수 있다. 부재(934)의 변위는 예를 들어 스프링 스트레인 게이지(936) 등의 센서에 의해서 측정될 수 있다. 도 9g에 나타낸 바와 같이, 그 표면을 따라 다양한 배향에서 물체(X)와 접촉하는 그리퍼(930)가 도시되어 있다. 상술한 방법에 따라, 그리퍼에 대한 물체(X)의 배향이 결정될 수 있다.
도 9d를 참조하면, 그리퍼(940)는 상기 그리퍼에 각각 연결되어 있는 2개의 레그(942)를 갖는다. 레그(942)의 말단은 물체의 표면과 접촉하는 그리핑 부재(948)를 포함한다. 물체는 오목부, 볼록부, 또는 평면, 또는 그 조합을 가질 수 있다. 그리핑 부재(948)는 물체와 접촉하는 그리퍼를 유지할 수 있다. 그리퍼 부재는 자력, 흡인력, 비-영구적 접착력, 또는 물체와 접촉하는 그리퍼의 말단을 유지하기 위한 다른 적절한 수단에 의해서 물체와의 접촉을 유지할 수 있다. 그리퍼는 센서(946), 및 상기 센서와 일직선에 있는 물체의 표면 사이의 거리를 측정할 수 있는 비-접촉식 센서(946)(예를 들어, 초음파, 빛, 레이저 등)를 포함한다. 그리퍼(930) 및 그 레그 및 센서의 위치의 기하학적 세부 사항이 도시되어 있다. 물체의 기하학적 세부 사항이 또한 공지되어 있다. 따라서 상술한 방법에 따라 물체의 센서(946)와 표면 사이의 거리를 측정함으로써, 피봇의 회전이 센서에 의해서 측정된 거리를 대체하고, 그리퍼에 의해서 지지되는 물체의 배향이 결정될 수 있다. 도 9h에 도시된 바와 같이, 그 표면을 따라 여러 가지 배향으로 물체(X)와 접촉하는 그리퍼(940)가 도시되어 있다. 상술한 방법에 따라, 그리퍼에 대한 물체(X)의 배향이 결정될 수 있다.
도 9a-h는 장치(예를 들어, 그리퍼(910, 920, 930 또는 940)가, 상기 장치와 접촉하는 물체의 배향을 결정하는 데 사용될 수 있는 장치의 실시예를 도시하고 있다. 상기 방법은 장치에 대한 물체의 방향을 결정하기 위해서, 장치 관련 기하학적 데이터를 고정시키고, 물체 관련 기하학적 데이터 및 하나 이상의 변수(예를 들어, 단일 피봇 회전, 이중 피봇 회전, 선형 이동 또는 거리)를 고정시켰다.
본 기술분야의 숙련자에 의해 본 발명의 다양한 조합, 대안 및 수정이 창안될 수 있음을 인식해야 한다. 본 발명은 첨부된 청구범위의 범주 내에 속하는 이러한 모든 대안, 수정 및 변화를 포함하는 것으로 의도된다.
본 발명이 그 바람직한 실시예를 참조로 해서 특별히 도시되고 기재되었지만, 본 기술분야의 숙련자라면 본 발명의 정신과 범주로부터의 일탈 없이, 형태 및 세부사항에 다양한 변화가 이루어질 것임은 인식할 것이다.

Claims (35)

  1. 표면에 대한 차량의 배향 결정 방법으로서:
    제1 섀시 섹션; 제2 섀시 섹션; 상기 제1 및 제 섀시 섹션들이 적어도 제1 방향으로 서로에 대해 회전할 수 있도록, 상기 제1 및 제2 섀시 섹션을 연결하는 힌지 조인트; 상기 제1 및 제2 섀시 섹션 중 하나에 장착된 제1 휠; 상기 제1 및 제2 섀시 섹션 중 다른 하나에 장착된 제2 휠을 갖는 차량을 제공하는 단계;
    상기 제1 및 제2 휠 중심 각각과 상기 힌지 조인트 사이의 거리, 및 각 휠의 직경을 적어도 정의하는 차량 기하학적 데이터를 제공하는 단계;
    상기 표면의 곡률을 정의하는 표면 기하학적 데이터를 제공하는 단계;
    상기 힌지 조인트에 대한 회전 각도를 측정하는 단계;
    상기 차량 기하학적 데이터, 상기 표면 기하학적 데이터, 및 측정된 회전 각도에 기초해서, 표면에 대한 차량의 배향을 결정하는 단계를 포함하는, 차량 배향 결정 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 휠은 자기 구동휠인, 차량 배향 결정 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 휠은 자기 구동휠인, 차량 배향 결정 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 차량은 나선형 경로에서 굴곡면을 횡단할 수 있는, 차량 배향 결정 방법.
  5. 표면의 곡률을 나타내는 정의된 기하학적 데이터를 갖는 표면에 대한 차량의 배향 결정 시스템으로서:
    제1 섀시 섹션; 제2 섀시 섹션; 상기 제1 및 제 섀시 섹션들이 적어도 제1 방향으로 서로에 대해 회전할 수 있도록, 상기 제1 및 제2 섀시 섹션을 연결하는 힌지 조인트; 상기 제1 및 제2 섀시 섹션 중 하나에 장착된 제1 휠; 상기 제1 및 제2 섀시 섹션 중 다른 하나에 장착된 제2 휠; 상기 힌지 조인트에 대한 회전 각도를 측정하도록 구성된 센서; 및 정의된 차량 기하학적 데이터, 표면 기하학적 데이터 및 상기 힌지 조인트에 대해 측정된 회전 각도에 기초해서, 표면에 대한 차량의 배향을 결정하도록 구성된 처리 장치를 갖는 차량을 포함하는, 차량 배향 결정 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 정의된 차량 기하학적 데이터는 제1 및 제2 휠 중심 각각과 힌지 조인트 사이의 거리, 및 각 휠의 직경을 적어도 포함하는, 차량 배향 결정 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 휠은 자기 구동휠인, 차량 배향 결정 시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제2 휠은 자기 구동휠인, 차량 배향 결정 시스템.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 차량은 나선형 경로에서 굴곡면을 횡단할 수 있는, 차량 배향 결정 시스템.
  10. 표면을 갖는 물체에 대한 장치의 배향 결정 방법으로서:
    상기 장치의 기하학적 형상을 정의하는 기하학적 데이터를 제공하는 단계로서, 상기 장치는 상기 물체의 표면에 접촉하도록 구성되고, 상기 장치는 상기 물체의 표면에 대한 장치의 배향에 의존적인, 적어도 하나의 변수를 측정할 수 있는 부재를 가지는 단계;
    상기 표면의 굴곡면을 정의하는 표면 기하학적 데이터를 제공하는 단계;
    변수를 측정하는 단계; 및
    장치 기하학적 데이터, 표면 기하학적 데이터 및 측정된 변수에 기초해서, 상기 물체의 표면에 대한 장치의 배향을 결정하는 단계를 포함하고,
    상기 장치는 적어도 2개의 레그들을 포함하고, 상기 적어도 2개의 레그들은 상기 물체의 표면에 부착되도록 구성된 그리퍼 부재들을 포함하며, 상기 레그들 중 적어도 하나는 피봇을 통해서 상기 장치에 연결되고,
    상기 적어도 하나의 변수를 측정할 수 있는 부재는 상기 적어도 2개의 레그들 중 적어도 하나의 회전을 측정하도록 구성된 적어도 하나의 센서를 포함하는, 장치 배향 결정 방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제10항에 있어서,
    상기 부재는 피봇을 통해 상기 장치에 연결되어 있는 제3 레그, 및 상기 피봇에 대한 제3 레그의 회전을 측정하도록 구성된 센서를 포함하는, 장치 배향 결정 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제3 레그는 상기 물체의 표면에 부착하도록 구성된 제3 그리퍼 부재를 포함하는, 장치 배향 결정 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 변수는 피봇에 대한 제3 레그의 회전도인, 장치 배향 결정 방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 레그들은 제1 레그 및 제2 레그로 이루어지고,
    상기 부재는 상기 제1 및 제2 레그를 상기 장치에 연결하는 제1 및 제2 피봇, 및 상기 제1 및 제2 레그의 회전을 각각 측정하도록 구성된 제1 및 제2 센서를 포함하는, 장치 배향 결정 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 변수는 각각의 피봇에 대한 제1 및 제2 레그의 회전도를 포함하는, 장치 배향 결정 방법.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 부재는 상기 장치에 대해 선형으로 이동하도록 구성되고, 상기 장치에 대한 이동을 측정하도록 구성된 센서를 더 포함하는, 장치 배향 결정 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 부재는 상기 물체의 표면에 부착하도록 구성된 제3 그리퍼 부재를 포함하는, 장치 배향 결정 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 변수는 상기 부재의 선형 이동량인, 장치 배향 결정 방법.
  21. 제10항에 있어서,
    상기 부재는 상기 장치에 의해서 지지되고, 상기 장치와 물체 표면 사이의 거리를 측정하도록 구성된 비-접촉식 거리 센서인, 장치 배향 결정 방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 변수는 센서와 표면 사이의 거리, 장치 배향 결정 방법.
  23. 표면을 갖는 물체에 대한 장치의 배향 결정 시스템으로서, 상기 표면은 상기 표면의 곡률을 나타내는 정의된 기하학적 데이터를 가지고,
    상기 장치는 상기 물체의 표면을 접촉하도록 구성되고, 상기 장치는:
    상기 물체의 표면에 대한 장치의 배향에 의존적인, 적어도 하나의 변수를 측정할 수 있는 부재;
    정의된 장치 기하학적 데이터, 표면 기하학적 데이터 및 측정된 변수에 기초해서, 표면에 대한 장치의 배향을 결정하도록 구성된 처리장치; 및
    적어도 2개의 레그들을 포함하고, 상기 적어도 2개의 레그들은 상기 물체의 표면에 부착되도록 구성된 그리퍼 부재들을 포함하며, 상기 레그들 중 적어도 하나는 피봇을 통해서 상기 장치에 연결되고,
    상기 적어도 하나의 변수를 측정할 수 있는 부재는 상기 적어도 2개의 레그들 중 적어도 하나의 회전을 측정하도록 구성된 적어도 하나의 센서를 포함하는,
    장치 배향 결정 시스템.
  24. 삭제
  25. 삭제
  26. 제23항에 있어서,
    상기 부재는 피봇을 통해 상기 장치에 연결된 제3 부재, 및 상기 피봇에 대한 제3 레그의 회전을 측정하도록 구성된 센서를 포함하는, 장치 배향 결정 시스템.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 제3 레그는 물체의 표면에 부착하도록 구성된 제3 그리퍼 부재를 포함하는, 장치 배향 결정 시스템.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 변수는 피봇에 대한 제3 레그의 회전도인, 장치 배향 결정 시스템.
  29. 제23항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 레그들은 제 1 레그 및 제 2 레그로 이루어지고,
    상기 부재는 상기 제1 및 제2 레그를 상기 장치에 연결하는 제1 및 제2 피봇, 및 상기 제1 및 제2 레그 각각의 회전을 측정하도록 구성된 제1 및 제2 센서를 포함하는, 장치 배향 결정 시스템.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 변수는 각각의 피봇에 대한 제1 및 제2 레그의 회전도를 포함하는, 장치 배향 결정 시스템.
  31. 제23항에 있어서,
    상기 부재는 장치에 대해 선형으로 이동하도록 구성되고, 장치에 대한 이동을 측정하도록 구성된 센서를 더 포함하는, 장치 배향 결정 시스템.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 부재는 물체의 표면에 부착하도록 구성된 제3 그리퍼 부재를 포함하는, 장치 배향 결정 시스템.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 변수는 상기 부재의 선형 이동량인, 장치 배향 결정 시스템.
  34. 제23항에 있어서,
    상기 부재는 상기 장치에 의해서 지지되고, 상기 장치와 물체의 표면 사이의 거리를 측정하도록 구성된, 비-접촉식 거리 센서인, 장치 배향 결정 시스템.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 변수는 센서와 표면 사이의 거리인, 장치 배향 결정 시스템.
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