KR102348607B1

KR102348607B1 - 움직이는 물체와 동반하는 이동 로봇 시스템 및 그의 제어방법

Info

Publication number: KR102348607B1
Application number: KR1020200100552A
Authority: KR
Inventors: 조황
Original assignee: 조황
Priority date: 2020-08-10
Filing date: 2020-08-10
Publication date: 2022-01-07

Abstract

본 발명은 자체 동력을 이용하여 이동할 수 있는 움직이는 물체와 동반하는 이동 로봇 시스템 및 그의 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자체 동력을 이용하여 움직이는 이동형 로봇 장치 (또는 이동형 장치)가 인간의 후방에서 추종(following)하는 기존의 기술과는 차별되는 기술로, 이동 로봇 장치 와 인간 (또는 다른 움직이는 물체) 사이의 양자간의 상대적 위치가 전후좌우등 임의로 자유롭게 설정 가능하고 한번 설정된 상대적 위치는 적절한 오차범위 내에서 유지되도록 움직이도록 구현하는 움직이는 물체와 동반하는 이동 로봇 시스템 및 그의 제어방법에 관한 것이다.

Description

움직이는 물체와 동반하는 이동 로봇 시스템 및 그의 제어방법{A Locomotion Robot Device that tracks moving objects and its Control Method}

본 발명은 자체 동력을 이용하여 움직이는 물체와 동반하는 움직이는 물체를 추적하는 이동 로봇 시스템 및 그의 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자체 동력을 이용하여 움직이는 이동 로봇 시스템 (또는 이동 로봇 장치)가 인간의 후방에서 추종(following)하는 기존의 기술과는 차별되는 기술로, 이동 로봇 시스템과 움직이는 물체 (또는 인간 조정자) 사이의 양자간의 상대적 위치가 전후좌우등 임의로 자유롭게 설정 가능하고 한번 설정된 상대적 위치는 적절한 오차범위 내에서 일정하게 유지되어 움직이도록 구현하는 움직이는 물체와 동반하는 움직이는 물체와 동반하는 이동 로봇 시스템 및 그의 제어방법에 관한 것이다.

최근 고효율 전동기 기술과 고밀도 에너지 저장 기술의 발전은 전기에너지를 기계적에너지로 변환하여 움직이는 다양한 이동 로봇 시스템 (또는 이동 로봇 장치)들의 개발을 가속화하고 있다. 몇 가지 예로는 이동형 서비스 로봇, 전동식 여행가방, 전동식 쇼핑 카트 등이 있다. 이동 로봇 장치의 이러한 다양한 응용성과 관련하여 제안된 기술들을 살펴보면 다음과 같다. 기존의 방법은 자율이동로봇이 장애물을 회피하면서 사용자를 후방에서 추종하는 보편적인 기술을 소개하고 있거나, 또는 사용자(또는 움직이는 물체)의 경로를 따라 후방에서 추종하는 방법등이 소개되어 있는 등 최근 인간의 추적을 수행하는 다양한 방법에 관한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 한편, 이러한 추적 기술은 무선센서를 이용한 삼각측량 방식을 이용하여 이동 로봇이 사용자를 전후방 추종하는 방법등을 대부분 소개하고 있다. 이러한 방법은 무선 신호의 세기를 감지하는 기술을 사용하기 때문에 사용자의 위치 측정 정확도 측면에서 한계가 있으며, 특히 사용자가 이동 로봇 후방에서 조종하는 경우 사용자가 로봇의 움직임을 지속적으로 관찰하면서 몰고 다니는 방식으로 조종해야 하기 때문에 실용성이 매우 저조하다는 문제점이 있다. 이에 카메라 영상을 이용하여 사용자를 추종하는 보편적인 기술이 제안되었다. 결국 기존의 기술에서 이동 로봇 장치는 인간 조종자의 후방에서 추종하거나 인간 조종자에 상대적으로 미리 정해진 위치에서 추종하는 방식을 사용하기 때문에 인간 조종자의 편의성을 제안하게 되며, 특히 인간 조종자가 이동 로봇 장치와 상대적으로 전방, 후방, 좌측방향 및 우측방향 등 자유롭게 설정 가능한 어느 하나의 특정 위치에서 편리하게 동반하며 조종할 수 있는 기술의 구현은 아직 실현된 예가 없는 상황이다.

한편, 현재 인간 추종 제어기술에 사용되는 위치측정기술은 몇 가지 방법들을 통해 구현되고 있으며, 이중에서 가장 흔하게 사용되는 방법은 이동장치에 설치된 카메라를 이용하여 얻어진 영상을 이용하여 추종하는 방법이다. 이 방법은 인간 조종자를 이동 로봇 장치로부터 완전히 자유롭게 해주는 장점이 있는 반면, 복잡한 환경에서 인간 조종자의 정확한 위치 추종이 어려울 뿐만 아니라, 카메라의 특성상 조명에 영향을 많이 받기 때문에 특히 실외환경에서 오작동을 유발하기 쉬운 단점이 있다. 인간 조종자의 위치를 측정하기 위해 인간 조종자가 소지한 초음파 발신기로부터 발신된 초음파를 이동 로봇 장치에 장착된 두 개 이상의 초음파 수신기를 통해 수신하여 발신기 위치를 측정하는 기술이 사용되기도 한다. 이 기술의 경우 다른 초음파 발신기에서 발신된 초음파에 의한 간섭, 복잡한 공간에서는 반사파 수신 등의 문제에 노출될 수 있다. 또한, 인간 조종자 위치 측정 센서로 UWB 또는 Bluetooth 와 같은 무선 통신 기술이 사용되기도 하는데 현재 기술로는 정확한 위치 측정이 어려운 문제점이 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-0811886호 (2008.03.10.) 미국 등록특허공보 US7211980B1 (2007.05.01.) 미국 등록특허공보 US8275491B2 (2012.09.25.)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 이동 로봇 시스템 (또는 이동 로봇 장치)가 인간 조종자(또는 움직이는 물체)에 상대적으로 임의로 설정될 수 있는 위치에서 인간 조종자 동반이 가능한 정확도와 신뢰성을 갖춘 실용적인 위치측정 기술 및 제어방법을 제안하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 이동 로봇 장치 또는 움직이는 물체에서 임의의 위치를 설정하고 이를 일정하게 유지되도록 움직이는 물체와 이동 로봇 장치가 동반제어되는 방법을 제안하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면

기준 좌표값을 갖는 움직이는 물체; 상기 움직이는 물체의 전방(前方), 후방(後方), 좌측방향(左側方向) 또는 우측방향(右側方向) 중 어느 하나의 방향에서 상기 움직이는 물체와 동반하는 이동 로봇 시스템; 상기 이동 로봇 시스템은 적어도 2 자유도 이상의 평면 운동 자유도를 갖는 적어도 한 대 이상의 이동 로봇 시스템을 포함하고, 상기 이동 로봇 시스템은 상기 이동 로봇 시스템에 설정된 좌표계에 대하여 상기 움직이는 물체 상의 적어도 한 개 이상의 점의 좌표값을 측정할 수 있는 적어도 한 개 이상의 위치 측정 장치를 포함하고; 상기 이동 로봇 시스템은 상기 위치 측정 장치를 통하여 획득된 상기 움직이는 물체 상의 적어도 한 개 이상의 점의 좌표값 중 특정한 점의 좌표값을 선택하여 상기 선택된 좌표값을 기 설정된 기준 좌표값과 비교하여 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면

기준 좌표값을 갖는 움직이는 물체; 상기 움직이는 물체의 전방(前方), 후방(後方), 좌측방향(左側方向) 또는 우측방향(右側方向) 중 어느 하나의 방향에서 상기 움직이는 물체와 동반하는 이동 로봇 시스템; 상기 이동 로봇 시스템은 적어도 2자유도 이상의 평면 운동 자유도를 갖는 적어도 한 대 이상의 이동 로봇 장치를 포함하고, 상기 이동 로봇 시스템은 상기 이동 로봇 시스템에 설정된 좌표계에 대하여 상기 움직이는 물체 상의 적어도 한 개 이상의 점의 좌표값을 측정할 수 있는 적어도 한 개 이상의 위치 측정 장치를 포함하고, 상기 이동 로봇 시스템은 상기 위치 측정 장치를 통하여 획득된 상기 움직이는 물체 상의 적어도 한 개 이상의 점의 좌표값 중 특정한 점의 좌표값을 선택하여 상기 선택된 좌표값을 활용하여 상기 움직이는 물체 상에 좌표계를 설정하고, 상기 움직이는 물체 상에 설정된 좌표계에 대하여 이동 로봇 시스템 상의 임의의 특정 점의 좌표값을 기 설정된 기준 좌표값과 비교하여 제어하는 제어부;를 특징으로 한다.

또한, 상기 움직이는 물체상의 점의 좌표는 상기 움직이는 물체상의 한 점을 지표면에 수직 투영한 제1점과 이동 로봇 상의 한 점을 지표면에 수직 투영한 제2점과의 거리 정보를 포함하고, 상기 제1점과 제2점을 연결한 직선과 이동 로봇 시스템과 상대적으로 고정되어 지표면 상에 정의된 기준선과 이루는 각도 정보를 포함하며, 상기 제어부는 상기 거리정보와 각도정보 중 적어도 하나를 상기 설정된 기준값과 비교하여 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 이동 로봇 시스템은 지표면에서 3자유도의 운동성을 갖는 전방향 구동장치를 포함하거나, 독립적으로 구동될 수 있는 두 개의 바퀴로 구성되는 차동방식 구동장치;를 포함하거나, 한 개의 능동 조향 제어가 가능한 바퀴와 한 개 이상의 구동 제어가 가능한 세발자전거 방식의 구동장치를 포함하거나, 또는 독립적으로 보행제어가 가능한 두 개 이상의 다리를 포함하는 구동장치중 어느 하나를 포함하는 것;을 특징으로 한다.

또한, 상기 위치 측정 장치는 상기 이동 로봇 시스템에 설치되어 상기 이동 로봇 시스템과 상기 움직이는 물체를 연결하는 한 개 이상의 줄 방출/회수 장치를 포함하여 구성되는 것;을 특징으로 한다.

또한, 상기 줄 방출/회수 장치는; 상기 방출된 줄의 길이와 상기 줄의 방향을 측정할 수 있는 센서부와, 상기 줄에 장력을 부여하여 상기 줄의 직진성을 유지하고 상기 줄을 상기 위치 측정 장치로 회수할 수 있도록 하는 장력 발생장치;를 더 포함하는 것;을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부는 줄 방출/회수 장치를 통해 획득된 방출된 줄 길이정보와 방향정보 중 적어도 한 개의 정보의 시간에 따른 변화를 측정하여 데이터로 획득하며, 상기 데이터를 기 설정된 신호 패턴 또는 제스춰 중 어느 하나와 비교하여 인식한 후 인식된 신호패턴에 대응하여 반응하는 것;을 특징으로 한다.

또한, 상기 줄은 장력이 인가된 상태에서 미리 설정된 길이를 유지하도록 인장강도를 갖는 것;을 특징으로 한다.

또한, 상기 장력 발생장치는 스프링을 포함하고, 상기 스프링의 일 단은 상기 줄의 일단에 연결되며, 상기 스프링의 타 단은 이동 로봇 시스템에 고정되는 것;을 특징으로 한다.

또한, 상기 장력 발생장치는 전동기를 포함하고, 상기 전동기를 이용하여 전동기 축의 얼레에 감긴 줄의 장력을 제어하는 것;을 특징으로 한다.

또한, 상기 위치 측정 장치는 레이저를 이용한 거리측정 장치를 포함하고, 상기 거리측정 장치는 움직이는 물체 상의 적어도 한 개 이상의 점들의 이동 로봇 시스템에 고정된 좌표계에 대한 위치 정보를 획득하고, 상기 정보를 가공하여 움직이는 물체 상의 적어도 한 개 이상의 특정 점의 좌표값을 산출하는 것;을 특징으로 한다.

또한, 상기 위치 측정 장치는 카메라를 이용한 거리측정 장치를 포함하며, 상기 거리측정 장치는 상기 움직이는 물체의 영상을 분석하여 물체 상의 적어도 한 개 이상의 점들의 상기 이동 로봇 시스템에 고정된 좌표계에 대한 위치 정보를 획득하고, 상기 정보를 가공하여 움직이는 물체 상의 적어도 한 개 이상의 특정 점의 좌표값을 산출하는 것;을 특징으로 한다.

또한, 상기 위치 측정 장치는 상기 이동 로봇 시스템에 설치되어, 상기 이동 로봇 시스템과 움직이는 물체를 연결하는 한 개 이상의 줄 방출/회수 장치;와, 방출된 줄의 길이를 측정할 수 있는 센서부;와, 줄의 장력과 이동 로봇 시스템에 대한 줄의 방향을 측정하기 위한 힘센서부;와, 줄에 장력을 부여하여 줄의 직진성을 유지하고 줄을 상기 위치 측정 장치로 회수하는 장력 발생장치를 포함하여 구성되는 것;을 특징으로 한다.

또한, 상기 줄은 장력이 인가된 상태에서 미리 설정된 길이를 유지하도록 소정의 인장강도를 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 위치 측정 장치는 상기 이동 로봇 시스템에 설치되어, 이동 로봇 시스템과 움직이는 물체를 연결하는 한 개 이상의 줄 방출/회수 장치;와, 장력에 크기에 따라 인장이 발생되는 줄과 인장된 줄 길이와 이동 로봇 시스템에 고정된 좌표계에 대하여 줄의 방향을 측정할 수 있는 힘센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부는 동반운전 모드와 추종운전 모드 중 어느 하나를 선택하여 동작하고, 상기 동반 운전 모드로 동작할 경우, 움직이는 물체와 이동 로봇 시스템 간의 거리와 움직이는 물체의 이동 로봇 시스템에 대한 방향을 고려하여, 상기 거리와 방향이 모두 기 지정된 오차 범위 내에 있도록 이동 로봇 시스템의 움직임을 제어하며, 상기 추종 운전 모드로 동작할 경우, 움직이는 물체와 이동 로봇 시스템 간의 거리를 고려하여, 상기 거리가 기 지정된 오차 범위 내에 있도록 이동 로봇 시스템의 움직임을 제어하는 것;을 특징으로 한다.

또한, 상기 제어부는 상기 이동 로봇 시스템을 기준으로 기하학적으로 다수의 영역을 정의하고, 현재 움직이는 물체가 위치하는 영역을 감지하여, 감지된 영역에 대응하도록 기 설정된 동작모드를 수행하는 것;을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이본 발명에 따른 움직이는 물체를 추적하는 이동형 장치 및 그의 제어방법은 이동 로봇 장치가 인간 조종자(또는 움직이는 물체)에 상대적으로 임의로 설정될 수 있는 위치에서 인간 조종자 동반이 가능한 정확도와 신뢰성을 갖춘 실용적인 위치측정 기술을 제공하는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 이동 이동 로봇 장치 또는 움직이는 물체에서 임의의 위치를 설정하고 이를 일정하게 유지되도록 움직이는 물체와 이동 로봇 장치가 동반제어되는 장점이 있다.

도 1은 인간과 동반하는 이동 로봇 장치.
도 2는 이동 로봇 시스템에 상대적으로 줄의 길이와 방향정보를 표현하는데 사용되는 네 개의 변수

그리고

를 정의.
도 3은 첫번째 방법을 이용하여 극좌표 관점에서 인간을 동행하는 제어방법의 일 예.
도 4와 5는 첫번째 방법을 이용하여 극좌표 관점에서 인간을 동행하는 제어기의 예를 블록선도.
도 6은 첫번째 방법을 이용하여 직교좌표 관점에서 인간을 동행하는 제어방법의 일 예.
도 7은 첫번째 방법을 이용하여 직교좌표 관점에서 인간을 동행하는 제어기의 예
도 8은 두번째 방법을 이용하여 극좌표 관점에서 인간을 동행하는 제어방법의 일 예.
도 9는 두번째 방법을 이용하여 극좌표 관점에서 인간을 동행하는 제어기의 예를 블록선도.
도 10은 두번째 방법을 이용하여 직교좌표 관점에서 인간을 동행하는 제어방법의 일 예.
도 11은 두번째 방법을 이용하여 직교좌표 관점에서 인간을 동행하는 제어기의 예를 블록선도.
도 12는 세발 자전거 형태의 이동 로봇 시스템의 개념.
도 13은 세발 자전거 형태의 이동 로봇 시스템의 동반 제어개념을 블록선도.
도 14는 인간 추종제어의 개념.
도 15는 인간 추종제어 개념을 블록선도.
도 16은 위치 측정 센서의 위치가 이동 로봇 상의 제어 점의 위치와 다른 경우.
도 17은 나선형 토션 스프링에 의해 되감기도록 만들어진 줄을 이용하여 극좌표를 측정하는 개념.
도 18은 전동기를 이용하여 되감기도록 만들어진 줄을 이용하여 극좌표를 측정하는 개념.
도 19는 힘 센서를 이용하여 줄의 방향을 측정하는 개념.
도 20은 힘 센서를 이용하여 줄의 방향과 길이를 측정하는 개념.
도 21은 LiDAR센서와 같은 레이저 거리측정 장치를 이용하여 무선으로
극좌표를 측정하는 개념.
도 22는 차동구동 방식의 이동 로봇이 인간의 우측에서 동행하는 개념.
도 23은 사람과 이동 로봇과 상대위치가 자유롭게 설정되어 동행하는 개념.
도 24는 인간이 다수의 이동 로봇과 동행하는 상황의 예시..
도 25는 이동 로봇 주위에 프로그램적으로 설정된 제어 참고 영역 개념.
도 26은 시간에 따라 줄의 길이와 방향이 변하는 몸짓신호의 예.
도 27은 본 발명이 적용가능한 상품들 중 몇 가지의 예시.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

도 1은 차체 동력원을 탑재하고 두 개의 전동바퀴(5)에 의해서 차동구동 형태로 구동되는 이동 로봇 시스템 (2)(또는 이동 로봇 장치)가 인간과 동반하는 기술을 예시한다. 여기서 이동 로봇 장치가 사람과 동기화 되어 동반 운행되는 방법의 한 예는 다음과 같다.

인간 조종자 (1) (또는 움직이는 물체)가 로봇 이동 장치(2)에 설치된 되감기 기능이 있어 줄의 장력이 적절히 유지되는 줄 제어기(4)로부터 줄(3)을 잡아당겨 뽑아내면 튜브(8)로부터 방출된 줄(3)의 길이와 방향은 줄 제어기(4) 내외부에 장착된 센서들을 이용하여 측정된다. 인간 조종자가 줄을 잡고 계속 움직이게 되면 측정된 줄 길이가 미리 설정된 값에 도달하게 되고, 이때부터 이동 로봇 시스템은 미리 설정된 줄 길이와 방향을 계속 유지하기 위하여 제어부에 의해 제어를 시작하게 되고, 이동 로봇 시스템의 제어기가 줄의 길이와 방향을 동시에 제어하는 행위는 인간 조종자 (1)과 이동 로봇 시스템 (2)의 상대위치가 적절하게 유지된다는 것을 의미하며 결국 이는 인간 조종자와 이동 로봇 시스템이 동반을 가능하게 함을 의미한다. 이 실시 예의 경우 동반 운행 중 인간 조종자과 이동 로봇 사이의 물리적인 상호 작용은 줄을 통해서 이루어지게 되기 때문에 상호작용을 최소화하기 위해서는 끈의 느슨함이 발생하지 않는 최소한의 장력이 사용되는 것이 바람직하다.

도 2는 기술 설명을 위해 필요한 몇 가지 변수들을 정의하고 있다. 우선 줄(3)의 방향을 나타내는 각

는 줄(3)을 지표면(7)에 수직으로 투영한 선(31)과 이동 로봇에 고정되고 지표면에 평행하게 설정 정의된 선(32) 사이의 각도로 정의된다. 따라서 각

는 이동 로봇(2)에 상대적으로 인간 조종자(1)의 방향을 정의한다. 도 2에서 L은 줄 제어기(4)로부터 풀려나온 줄(3)의 길이를 나타내며, 점 P는 줄의 , 즉 인간 조종자와 연결되는 줄의 끝점 즉 인간 조종자 또는 움직이는 물체상의 어느 하나의 특정점 Q를 지표면(7)에 수직 투영하여 얻어진 점을 나타낸다. 인간 조종자(1)이 지표면(7) 위에서 움직일 경우 Q점이 이동 로봇(2)에 상대적으로 이동하게 되고 L 과

가 따라서 변하게 된다. 변수 r은 튜브(8)의 회전축(9)이 지표면(7)과 만나는 점 O와 위에서 정의된 점 P와의 거리이며 L을 지표면에 투영한 길이를 나타낸다. 마지막으로

는 줄(3)과 지표면(7)이 이루는 경사각을 나타낸다. 인간 조종자(1)이 지표면(7)위에서 이동할 경우 네 개의 변수

그리고

가 종속적으로 변화하게 되며, 이동 로봇 시스템이 인간 조종자와 상대적으로 일정한 위치에서 동행하기 위해서는 극좌표 관점에서

그리고

를 미리 설정된 값들로 유지되도록 제어하는 것이 필요하다. 여기서,

를 만족함으로,

은 L 과

를 측정해서 간접적으로 얻을 수 있다.

도 3은 본 발명에서 제안하고 있는 동반 제어 기술을 기본 개념을 도식화하고 있다. 여기서 이동 로봇 시스템(2)는 지표면(7)위에서 적어도 2자유도의 조종성을 갖는 것으로 가정한다. 이동 로봇 시스템이 3자유도의 조종성을 갖는 경우에는 이동 로봇 장치의 회전운동과 직선운동을 독립적으로 제어할 수 있기 때문에 다양한 방식의 동반 제어가 가능하며, 가장 직관적인 방법으로는 이동 로봇 시스템의 위치제어에 2개의 직선운동 조종성을 사용하고 이동 로봇 시스템의 방향제어에 1개의 회전운동 자유도를 사용하는 것이다. 도 3에서 이동 로봇 시스템은 동일 축 상에 설치된 두 개의 독립적으로 구동제어가 가능한 바퀴를 사용하는 차동구동형 로봇을 보여주고 있다.

본 발명에서는 크게 나누어 두 가지 개념적으로 상반되는 동반 제어기술을 제안한다. 하나의 방법은 이동 로봇 시스템에 고정 설정된 좌표계에서 바라본 인간 조종자와 연결되는 줄의 끝점, 즉 인간 조정자 (또는 움직이는 물체) 상의 어느 하나의 특정점의 좌표값을 미리 설정된 범위내에서 유지되도록 이동 로봇 시스템을 제어하는 방법이며, 이와 대비되는 둘째 방법은 인간 조종자 (또는 움직이는 물체)에 고정 설정된 좌표계에서 바라본 이동 로봇 시스템 상의 어느 하나의 특정한 점의 좌표를 미리 설정된 범위내에서 유지되도록 이동 로봇 시스템을 제어하는 방법이다. 이 두 방법은 실제 적용할 경우 다소 다른 동반 특성을 보여주게 되며 상황에 따라 제어 모드를 자동 또는 수동으로 변경하여 사용하는 것이 가능하다.

이동 로봇 시스템의 동반 제어기를 설계하기위해 동반 위치 오차를 이용하여 직접 바퀴의 구동 토크를 제어하는 방법이 사용될 수도 있으나, 본 실시예에서는 동반 위치 오차를 바퀴 회전 속도제어기 관점에서 제어하는 방법을 이용하여 설명하도록 하겠다. 바퀴 회전 속도제어기 관점에서 설계할 경우 바퀴의 최대 회전속도를 안정적으로 제한할 수 있으며, 바퀴의 미끄러짐을 방지하기위해 적극적인 토크제어가 필요하다고 판단될 경우 속도 제어기 출력을 토크 제어기에 캐스케이드(cascade) 방식으로 입력함으로써 보다 체계적인 제어기 설계가 가능하다.

첫 번째 제어방법은 이동 로봇에 고정 설정된 좌표계에서 바라본 인간 조종자와 연결되는 줄의 끝점, 즉 인간 조정자 (또는 움직이는 물체) 상의 어느 하나의 특정점의 좌표값을 미리 설정된 범위내에서 유지되도록 이동 로봇 시스템을 제어하는 방법을 설명하기 위하여 다양한 좌표계를 사용하는 것이 가능하나, 여기서는 극 좌표와 데카르트 좌표계를 이용하여 제어하는 방법을 실시 예로서 기술하도록 한다.

도 3에서 데카르트 좌표계 X-Y는 이동 로봇 시스템 상에 고정 설정되어 이동 로봇 시스템의 움직임을 따라 지표면 위에서 회전과 병진 운동을 하는 움직이는 좌표계이며, 양의 X 방향과 양의 Y 방향은 이동 로봇 장치의 전방과 좌측을 각각 가리키는 것으로 가정하고, 좌표계의 원점 A는, 일반성을 잃지 않고, 구동바퀴 축 상에 위치하며, 왼쪽 바퀴로부터 b만큼, 오른쪽 바퀴로부터 c만큼 떨어져 설정된다고 가정한다. 또한, 일반성을 잃지 않고, 점 O는 X축 상에 위치하며 원점 A로부터 h만큼의 거리에 설정된다고 가정한다.

인간 조종자의 절대속도(인간 조종자와 연결되는 줄의 끝점, 즉 인간 조정자 (또는 움직이는 물체) 상의 어느 하나의 특정점 Q의 지표면에 대한 속도)는 지표면(7)에 수직으로 투영될 경우 점O에 원점이 설정되고 두 개의 단위 벡터

과

에 의해 정의되는 극 좌표를 이용하여

성분인

과

성분인

두 성분으로 표현 될 수 있다. 점O의 절대속도(즉, 점O의 지표면에 대한 상대속도)는 동일한 극 좌표를 이용하여

성분인

과

성분인

로 나타낼 수 있다.

인간 조종자가 지표면(7)위에서

과

에 의해 정의되는 속도로 움직일 경우, 이동 로봇 장치는 인간을 움직임을 따라서 계속 동반할 수 있도록 줄의 길이 L 과 줄의 방향

를 미리 설정된 값들 로부터 크게 벗어나지 않도록 점 O의 속도를 적절히 제어하는 방식을 사용하면 되는데, 이는 결국 좌우 두 개의 구동바퀴의 회전속도

과

의 제어를 통해 이루어지게 된다. 본 설명에서 점 O는 제어 대상이 되는 점, 간단하게 제어점이라고 부르도록 한다. 도 3에서 바퀴의 양의 회전방향은 오른손법칙을 적용하여 Y축 방향으로 설정하였고 바퀴의 반경은 a로 가정하였다.

도 3은 극 좌표를 이용하여 동반 제어를 하는 개념을 보여주고 있다. 우선, 점 P의 점 O에 대한 상대위치는 극 좌표를 이용하여

로 나타낼 수 있다. 줄의 길이 L을 제어하기 위해서 점 O는

방향으로 제어하면 된다. 다시 말해서 줄 길이 L을 제어하기 위해서 줄 길이 L이 지면에 수직 투영된 길이

을 제어하면 가능하다는 의미이며 이를 도 3에서

제어기로 표시하였다. 따라서, 줄 길이 L을 증가시키기 위해서는 제어점 O를 점 P에서 멀어지는 방향, 즉,

방향으로 움직이면 되며, 반대로 줄 길이를 감소시키기 위해서는 제어점 O를 점 P에 가까워지는 방향, 즉

방향으로 움직이면 된다.

한편, 줄의 방향각

를 제어하기 위해서는 제어점O를

방향으로 제어하면 되며, 도 3에서

제어기로 표시하였다. 따라서, 줄 방향각

를 증가시키기 위해서는 제어점 O를

방향, 즉 점 P를 중심으로 반경

인 원을 따라서 반시계방향으로 움직이면 되며, 반대로 줄 방향각

를 감소시키기 위해서는 제어점 O를

방향, 즉 점 P를 중심으로 반경

인 원을 따라서 시계방향으로 움직이면 된다.

두 개의 변수

과

의 시간에 대한 변화율은

과의 운동학적 관계식으로부터 다음과 같이 얻어질 수 있다.

여기서, Ω 는 이동 로봇 시스템의 지면에 수직인 축 방향의 회전 속도를 나타내며 오른손 법칙을 이용하여 지면에서 수직으로 올라가는 방향을 양의 방향으로 설정하면 이동 로봇 시스템의 두 구동바퀴들이 지면에서 미끄러짐이 없이 구른다는 가정하에 다음과 같이 표현될 수 있다.

식 (3)을 이용하여 식 (2)를 다시 쓰면 다음과 같다.

식 (1)과 (4)를 인간 조종자와 동반 이동 로봇 시스템의 운동학적 모델로 사용하여 속도 제어기를 설계하는 방법의 예를 소개하면 다음과 같다. 원하는 줄의 길이

와 줄의 방향각

, 그리고 줄의 경사각

가 인간 조종자에 의해 설정되었다고 가정하면,

는

로 설정된다. 도 4는 인간 조종자에 대한 동반 제어기의 블록선도 예를 보여주고 있다.

방향의 오차

과

방향의 오차

는 각각 별개의 비례적분 제어기(PI 제어기) 입력되어 제어기 출력 속도

과

를 다음과 같이 산출하게 된다.

여기서

과

는 각 제어기의 비례, 적분 이득을 나타낸다. 이 제어기 출력들을 이용하여 점 O에 요구되는 기준 제어 속도를 다음과 같이 얻어낼 수 있다.

여기서 주목할 점은

과

가 식 (5)와 (6)에서 알 수 있듯이 상수 비례, 적분 이득을 이용해서 구현되었음에도 불구하고

는

과

의 함수로 얻어지며 따라서 점 P의 제어점 O에대한 상대 위치에 따라서 영향을 받게 된다는 사실이다. 식 (7)과 (8)에 정의된

과

는 인간 조종자와 이동 로봇 시스텐 동반 시스템의 운동학적 식 (1) 과 (4)가 입력 속도 성분

과

가 주어졌을 때, 서로 독립적인 두 개의 안정한 2차 시스템과 같이 작동하게 하고자 하는 의도로 얻어진 결과이다.

식 (8)에서 알 수 있듯이

를 만족하게 될 경우, 즉 점 P 가 차동 구동 바퀴 축 상에 위치하게 될 경우,

의 크기가 발산하게 되면서

방향의 오차

를 제어할 수 없음을 보여주는데 이는 차동구동 시스템의 본질적인 구조적 특이상황(singular configuration)으로서 이 상황이 만들어지지 않게 제어하는 것이 필요함을 의미한다. 만약 부득이하게 특이상황의 회피가 불가할 경우

의 크기를 모니터링하여 기준치 이상으로 커지게 될 경우에는

를 인위적으로 0으로 처리하여

방향의 오차 제어를 잠시 포기하는 방법도 가능하다.

한편, 도 4에서 "측정 및 신호처리" 블록은 필요한 신호들을 측정한 후 필요에 따라 적절한 필터링을 거쳐 잡음을 제거한 후 사용될 필요가 있음을 나타낸다.

식 (7)과 (8)에 정의된

과

로부터 차동구동 메커니즘의 운동학적 관계식을 이용하여 좌우 두 개의 구동 바퀴에 필요한 속도

과

를 다음과 같이 얻어낼 수 있다.

식 (9) 와 (10) 을 얻어내는 데 있어서 구동 바퀴들이 지면과 미끄러짐이 구른다고 가정하였다. 식 (5) ~ (10)을 이용하여 얻어진 좌우 바퀴 구동 속도

과

은 각 바퀴의 속도 제어기에 기준 입력으로 사용된다. 도 4와 5는 극 좌표 개념을 이용하여 인간 조종자와 차륜구동 방식의 이동 로봇 시스템이 동행할 수 있도록 제어하는 방식의 실시 예를 블록선도 형태로 보여준다.

도 6은 데카르트 좌표계를 이용하여 제어하는 방법을 개념적으로 보여주고 있다. 여기서 데카르트 좌표계 X-Y는 이동 로봇 시스템 상의 제어점 O에 고정 설정되어 이동 로봇 시스템의 움직임을 따라 지표면 위에서 회전과 병진 운동을 하는 움직이는 좌표계이며, 양의 X 방향과 양의 Y 방향은 이동 로봇 시스템의 전방과 좌측을 각각 가리키는 것으로 가정하였다. 이때, 인간 조종자의 절대속도 (즉, 인간 조종자와 연결되는 줄의 끝점으로 인간 조정자 (또는 움직이는 물체) 상의 어느 하나의 특정점 Q를 지표면에 수직 투영한 점 P의 속도)는 데카르트 좌표계 X-Y를 이용하여

와

성분으로 표현되고, 제어점 O의 절대속도는 같은 좌표계를 이용하여

와

로 나타낼 수 있다.

한편, 점 P의 좌표계 X-Y에 대한 위치를 좌표

로 표현할 경우, 다음과 같은 운동학적 관계식을 얻을 수 있다

여기서 Ω 는 이동 로봇 시스템의 지면에 수직인 축 방향의 회전 속도를 나타내며 오른손 법칙을 이용하여 지면에서 수직으로 올라가는 방향을 양의 방향으로 설정하면 이동 로봇 시스템의 두 구동바퀴들이 지면에서 미끄러짐 없이 구른다는 가정하에 다음과 같이 표현될 수 있다.

식 (13)을 식 (11)과 (12)에 대입하여 사람과 이동 로봇 장치 동반 시스템의 운동학적 모델을 다음과 같이 표현할 수 있다.

데카르트 좌표계를 이용하여 제어기를 설계하는 방법의 한 예는 아래와 같다. 우선 점 P의 데카르트 좌표에 대한 목표 위치가

로 주어져 있고 현재 점 P의 위치가

로 측정이 된다면 X-선분 위치 오차

와 Y-성분 위치 오차

를 얻어낼 수 있다. 이를 이용하여 비례적분(PI-제어기) 제어기 출력 속도

와

를 다음과 같이 얻어낸다.

위 식에서

그리고

는 두 제어기에 사용되는 비례, 적분이득을 나타낸다. 이 제어기 출력들을 이용하여 제어점 O에 요구되는 기준 제어 속도 성분

와

를 다음과 같이 얻어낼 수 있다.

여기서 주목할 점은

와

가 식 (16)와 (17)에서와 같이 상수 비례, 적분 이득을 이용해서 구현되고

와

는 식 (18)과 (19)에서 알 수 있듯이 점 P의 제어점 O에대한 상대 위치

를 고려하여 얻어진다는 사실이다. 이는 입력 속도

and

에 대해서 인간 조종자와 이동 로봇 장치 동반 시스템의 운동학적 모델 (11) 과 (12)를 서로 독립적인 두 개의 안정한 2차 시스템과 같이 동작하도록 제어하고자 하는 의도로 얻어진 결과이며,

를 만족하는 경우, 즉 점 P가 차동구동 바퀴 축 선상에 위치하는 경우

가 발산하게 되어 제어 불가 상태가 됨을 보여주는데 이는 차동구동 시스템의 본질적인 구조적 특이상황(singular configuration)으로서 이 상황이 만들어지지 않게 제어하는 것이 필요함을 의미한다. 만약 부득이하게 특이상황의 회피가 불가할 경우

를 인위적으로 0으로 처리하여 Y-성분 위치 오차 제어를 잠시 하지 않고

만을 사용하여 X-성분 위치 오차 만을 제어하는 방법을 사용할 수 있다

식 (18)과 (19)에 정의된

와

과

를 다음과 같이 얻어낼 수 있다.

식 (20)와 (21)을 얻어내는데 있어서 구동 바퀴들이 지면과 미끄러짐이 구른다고 가정하였다. 식 (16)~(21)을 이용하여 얻어진 좌우 바퀴 구동 속도

과

은 각 바퀴의 속도 제어기에 기준 입력으로 사용된다. 도 7은 데카르트 좌표를 이용하여 인간 조종자와 차륜구동 방식의 이동 로봇 시스템이 동행할 수 있도록 제어하는 방식의 실시 예를 블록선도 형태로 보여준다.

도 12는 세발자전거 구조의 이동 로봇 시스템을 이용한 실시예를 보여준다. 세발자전거 구조의 이동 로봇 시스템의 동반 제어의 경우도 다양한 좌표계를 이용하여 제어가 가능하나 본 실시예에서는 데카르트 좌표계를 이용한 방법을 소개하도록 한다. 도 12는 세발자전거 구조의 이동 로봇 시스템을 개념적으로 보여준다. 여기서 조향바퀴(51) 방향각 Ψ는 두 개의 뒷바퀴 회전축 상에 정의되는 순간 중심의 위치를 정의하게 된다. 자동차와 같이 두 개의 조향 바퀴를 갖는 이동 로봇 시스템도 아케르만 조향 (Ackerman steering) 원리를 적용하면 세발자전거 구조와 동등하게 모델이 가능하다.

세발자전거 구조의 이동 로봇 시스템은 흔히 조향바퀴에 구동력이 부여되어 움직이는 방식을 사용하지만, 본 예에서는, 일반성을 잃지 않고, 조향바퀴 (51)는 조향용 전동기에 의해 조향만 이루어지고 오른쪽 뒷바퀴를 전동기로 구동해서 움직이는 시스템을 가정하여 동반 제어 방법을 도 13을 이용하여 설명하도록 한다.

도 13에서 알 수 있듯이 점 P의 위치 오차를 이용하여 두 개의 비례적분제어기(PI-제어기)가 구성되고 두 제어기는 제어 출력으로

와

를 산출하게 되며 이를 이용하여 위치 오차를 줄이기 위해 필요한 순간중심

의 위치를 정의하는 변수

와 이 점을 중심으로 회전에 필요한

를 다음과 같이 얻어낼 수 있다.

이결과를 이용하여 필요한 조향바퀴 방향각

과 구동바퀴 회전속도

을 산출하면 다음과 같다.

만약

이 만족될 경우, 식 (22)과 (23)은 각각

와

를 산출하며 이는 이동 로봇 시스템이 직진운동을 하는 상황을 나타낸다.

두 번째 제어방법은 인간 조종자(또는 움직이는 물체)에 고정된 좌표계 관점에서 이동 로봇 시스템 (또는 이동 로봇 장치) 상의 어느 하나의 특정점의 좌표를 미리 설정된 범위내에서 유지되도록 이동 로봇 시스템을 제어하는 방법으로서, 인간 조종자(또는 움직이는 물체)에 좌표계를 설정하는 방법이 필요하며 이를 위해 추가적인 장치를 인간 조종자(또는 움직이는 물체)에 설치하는 방법도 가능하나 본 실시예는 추가 적인 장치를 사용하지 않고 이동 로봇 장치에 설치된 장치만을 이용할 수 있는 방법을 기술한다. 또한 기술 실시를 위해 다양한 좌표계를 사용하는 것이 가능하나, 여기서는 극 좌표와 데카르트 좌표계를 이용하여 제어하는 방법을 실시 예로서 기술하도록 하겠다.

극 좌표를 이용하는 방법을 먼저 설명하면 다음과 같다. 도 8은 이동 로봇 시스템의 점 A에 고정 설치된 X-Y 좌표계와 인간 조종자 위의 점P에 정의된

좌표계를 보여준다. 두 좌표계는 모두 지표면에 수직 투영되어 정의되고 X-Y 좌표계는 이동 로봇 시스템과 같이,

좌표계는 인간 조종자와 같이 병진운동과 회전운동을 하는 좌표계라고 가정한다. 도 8에서 알 수 있듯이

의 방향은 인간 조종자의 전방, 즉 진행방향과 일치되게 정의되고

의 방향은 인간 조종자의 좌측 방향으로 설정되었다. 따라서, 일반성을 잃지 않고, 인간 조종자의 절대속도 벡터

는

방향으로 가정할 수 있으며 이동 로붓 시스템에 설정된 X-Y 좌표계에 대해서 벡터

를 측정함으로써

방향을 정의할 수 있다. X-Y 좌표계에 대해서 벡터

는 다음과 같이 얻어질 수 있다.

여기서

그리고

는 이동 로봇 상의 제어점 O에 원점을 두고 정의된 극 좌표

와 그 시간에 대한 변화율을 나타내고,

그리고

는 구동 바퀴들이 지면과 미끄러짐 없이 구른다는 가정하에 다음과 같이 표현될 수 있다.

식 (26)와 (27)을 이용하여 좌표계 X-Y에 대하여 벡터

또는

의 방향은 다음과 같이 각도

로 표현될 수 있다.

따라서, 각

는 점 P 원점을 둔 좌표계

를 정의한다. 이 결과를 이용하여 극 좌표계를 이용하여 동반 제어를 하는 방법은 다음과 같다. 이동 로봇 시스템 상의 제어점 O의 위치를

좌표계 원점 P에 두 단위 벡터

와

를 이용하여 정의된 극 좌표계에 대하여

로 유지되도록 제어하는 상황을 고려하면, 현재 점 O의 좌표는 다음과 같이 얻어질 수 있다.

이를 이용하여

방향 오차

와

방향 오차

를 얻어내고 이를 각각 두 개의 비례적분제어기 (PI-제어기)에 입력하여 제어기 출력 속도

와

를 다음과 같이 얻어낸다.

도 8에서

와

는 각각 "

제어" 와 "

제어"로 표시되었다. 두 제어기 출력

와

는 이동 로봇 시스템의 제어점 O에 요구되는 속도로 다음과 같이 변환한다.

와

를 구현하기 위한 좌우 구동바퀴의 속도

과

는 두 바퀴가 지면과 미끄러짐 없이 구른다는 가정하에 다음과 같이 얻어진다.

각 바퀴의 속도제어기는

과

를 기준 속도로 이용하게 되며, 도 9는 극 좌표계를 이용하는 제어기의 블록선도를 보여준다.

다음은 데카르트 좌표계를 사용하는 방법을 기술한다. 도 10은 이동 로봇 시스템의 점 A에 고정 설치된 X-Y 좌표계와 인간 조종자 위의 점P에 정의된

자표계를 보여준다. 두 좌표계는 모두 지표면에 수직 투영되어 정의되고 X-Y 좌표계는 이동 로봇 시스템과 같이,

좌표계는 인간 조종자와 같이 병진운동과 회전운동을 하는 좌표계라고 가정한다. 도 10에서 알 수 있듯이

의 방향은 인간 조종자의 좌측 방향으로 가정하였다. 따라서, 일반성을 잃지 않고, 인간 조종자의 절대속도 벡터

는

방향으로 가정할 수 있으며 이동 로봇 시스템에 설정된 X-Y 좌표계에 대해서 벡터

를 측정함으로써

방향을 정의할 수 있다. X-Y 좌표계에 대해서 벡터

는 다음과 같이 얻어질 수 있다.

여기서

그리고

는 이동 로봇 시스템 상의 어느 하나의 특정 제어점 O에 원점을 두고 정의된 극 좌표

와 그 시간에 대한 변화율을 나타내고,

, 그리고

식 (40)와 (41)을 이용하여 좌표계 X-Y 대하여 벡터

또는

의 방향은 다음과 같이 각도

로 표현될 수 있다.

이동 로봇 시스템 상의 어느 하나의 특정 제어점 O의 위치를

좌표계에 대하여

로 유지되도록 제어하는 상황을 고려하면, 현재 제어점 O의 좌표는 다음과 같이 얻어질 수 있다.

이를 이용하여

방향 오차

와

방향 오차

를 정의하여 각각 독립적인 비례적분제어기(PI-제어기)에 입력하여 제어기 출력 속도

와

를 다음과 같이 얻어낸다.

도 8에서

와

는 각각 "X 제어" 와 "Y 제어"로 표시되었다. 제어기 출력 속도

와

를 구현하기 위해 필요한 이동 로봇 시스템 상의 어느 하나의 특정 제어점 O의 속도는 다음과 같이 얻어진다.

최종적으로 좌우 구동 바퀴 속도제어기에 기준입력으로 필요한

과

는 구동 바퀴가 지면과 미끄러짐이 없이 구른다는 가정하에 다음과같이 얻어질 수 있다.

도 11는 데카르트 좌표계를 이용하는 제어기 블록선도를 보여준다. 지금까지 기술된 내용에서 알 수 있듯이 본 발명은 이동 로봇 시스템과 인간 조종자(또는 움직이는 물체)를 동반하는 기술을 제안하고 있다. 따라서 동반(accompanying) 모드를 주 동작 모드로 설정하여 사용하게 되며, 필요할 경우 모드를 추종(following) 모드로 간편하게 바꾸는 것이 가능하다. 추종모드의 경우 이동 로봇 시스템은 항상 인간 조종자(또는 움직이는 물체)의 후방에서 동행하는 방식이며, 이는 이미 설명한 동반모드에서 이동 로봇 시스템의 위치(좌표)를 인간 조종자(또는 움직이는 물체) 후방에 설정함으로써 쉽게 구현이 가능하다. 또한 보다 간편한 방법으로는 도 14에 설명되어 있듯이 줄의 방향은 제어하지 않고 "줄 길이 제어" 만을 수행하는 개념을 활용할 수 있다. 이 방법은 점 P와 점 O사의의 거리만 일정하게 제어하는 방법으로써 본 실시예에서는 극 좌표계를 이용하여

방향의 오차

만을 제어하는 방식으로 예시하였다.

도 15는 결과적으로 얻어진 제어기의 블록선도 구조를 보여준다.

한편, 지금까지 예시된 제어기는 이동 로봇 시스템에 장착되어 인간 조종자(또는 움직이는 물체)의 위치를 측정하는 줄 조정장치 (4)의 원점이 제어점과 일치하는 상황을 가정하여 얻어진 결과이며, 도 4, 5, 7, 9, 11, 13 과 15에 제시된 제어기 블록선도에서 알 수 있듯이 줄 조정장치(4)의 원점의 위치를 정의하는 3개의 기하학적 매개변수 b, c, 그리고 h를 이용하고 있다. 따라서 이동 로봇 시스템 상에 줄 조정장치(4)의 원점을 설정하는 위치에 따라 제어기 블록들의 이득이 달라지게 된다. 특히 매개변수 h는 다수의 블록의 이득을 정의하는 수식의 분모에 위치하게 되어 h=O의 경우, 즉 줄 조정장치(4)의 원점이 두 개의 구동바퀴 축선상에 위치하게 될 때, 관련 블록 이득을 발산시키게 되어 문제를 초래할 수 있는 것으로 보일 수 있다. 그러나 본 기술에서 예시된 제어기 개념들은 줄 조정장치(4)의 원점의 위치에 상관없이 사용할 수 있다는 사실을 한 예를 들어 설명하면 다음과 같다.

도 16은 차동구동 방식의 이동 로봇 시스템의 구동축 상에 줄 조종장치(4)의 원점 O가 설치된 상황을 보여준다. 이 경우도 16에서와 같이 구동축 상의 점 O가 아닌 다른 임의의 점

를 제어점으로 선택하는 것이 항상 가능하다. 다시 말해서 센서, 즉 줄 조종장치(4)의 원점과 제어점의 위치는 필요에 따라서 차별화가 가능하다.

이러한 경우, 도 16의 예와 같이 센서를 점 O에 원점을 두고 측정된

과

는 제어점

에 센서를 두고 측정한

과

으로 다음과 같이 쉽게 변환될 수 있고, 도 4, 5, 7, 9, 11, 13 과 15에서 제어기 블록선도에 사용된

과

를

과

으로 대치함으로써 동일한 제어기 개념을 적용할 수 있다.

따라서, 본 발명에서 예시된 동반 제어기 개념은 센서, 즉 줄 조종장치(4)의 위치에 관계없이 제어점의 위치를 적절하게 선택함으로써 항상 적용이 가능하다.

도 17은 자동 되감기가 가능한 줄 조종장치(4)의 실시예의 개념도이다. 여기서 줄(3)은 나선형 토션 스프링(41)의 일 단에 고정되어 줄(3)은 미끄러짐이 일어나지 않도록 풀리(43)를 수차례 감고 튜브(8)을 통해 배출된다. 배출된 줄(3)의 길이

은 줄 조종장치(4)에 고정 설치되어 축(45)를 통해 풀리(44)에 연결된 회전각 측정센서(44)에 측정되며, 이때 풀리(44)의 반경이 고려된다. 줄을 배출하는 튜브(8)는 줄 조종장치에 상대적으로 회전이 가능하도록 베어링(47)을 통해 설치되어 인간 조종자(또는 움직이는 물체)에 연결된 줄(3)의 방향을 따라 회전하고 줄(3)의 방향은 각도센서(42)를 이용하여 측정된다. 줄(3)의 지표면에 대한 경사각

를 측정하기위해 튜부굴절부(81)에 각도센서(82)가 설치된다. 줄 길이

이 지표면에 수직 투영된 길이

은

관계식을 이용하여 측정이 가능하다.

도 18은 줄 조종장치(4)의 다른 실시예의 개념도이다. 여기서 도 17에서 사용된 나선형 토션 스프핑은 소형 전동기(48)로 대체되어 줄(3)의 장력을 능동적으로 제어 가능하게 하였다. 줄(3)은 축(49)를 통해 전동기(48)에 연결된 릴(433)로부터 배출되며, 전동기(48)는 줄(3)에 적절한 장력을 가하도록 제어되고, 배출된 줄의 길이는 각도센서(444)와 릴(433)의 반경을 이용하여 계산된다.

도 19는 줄 조정장치(4)에 대한 줄(3)의 방향을 힘센서를 이용하여 얻어내는 개념을 보여준다. 이 실시예에서 튜브(8)은 줄 조종장치(4)에 고정되어 설치되고 튜브(8)의 하단에 힘센서가 설치된다. 이 경우 줄의 장력

에 의해 굽힘 모멘트

가 발생되고 이는 힘센서(422)에 의해 검출되게 된다. 힘센서(422)를 구현하는 방법의 한 예는 원형 단면의 튜브(8)에 두 개의 스트레인게이지를 90 도 간격으로 설치하여, 줄의 장력 T에 의해 굽힘모멘트 M이 발생할 경우 두 개의 스트레인게이지로부터 얻어진 신호를 이용하여 굽힘모멘트 M의 크기와 방향각

얻어낸 후, 이를 이용하여 줄의 장력

의 크기와 방향을 알아내는 방법이다. 이 방법은 줄 조종장치(4)에 고정된 튜브를 활용하기 때문에 베어링(47)과 센서(42)를 사용하지 않는 장점이 있다.

도 20는 줄 조종장치(4)의 다른 실시예를 보여준다. 여기서 줄은 그 자체로 수식화 가능한 인장 특성 그래프를 갖는 물질로 만들어지거나 또는 인장 특성이 없는 줄의 일 단을 인장 특성이 미리 알려진 코일스프링(333)에 연결하여 인장이 가능하게 하게 된다. 줄의 길이 L은 줄의 장력이 무시될 수 있는 상태에서의 줄길이에 늘어난 길이를 합하여 얻어낼 있으며 늘어난 길이는 두 개의 힘센서 (422)와 (423)을 이용하여 다음과 같이 측정할 수 있다. 줄의 장력

가 작용하게 되면 힘센서 (422)와 (423)에는 각각 모멘트

와

검출되게 되고 이를 이용하여 장력은 다음과 같이 얻어질 수 있다.

여기서,

줄의 장력이 얻어지면 줄의 인장특성 관계식을 이용하여 줄의 늘어난 길이를 산출이 가능하다.

도 21은 줄(3)을 이용하지 않고 무선 센서를 이용하여 이동 로봇 시스템으로부터 인간 조종자(또는 움직이는 물체) 상의 어느 하나의 특정점의 위치와 거리를 측정하는 실시예를 개념적으로 보여준다. 여기에 사용될 수 있는 무선 센서로는 회전이 가능한 LiDAR (Light Detection and Ranging) 센서와 거리와 방향정보를 산출할 수 있는 스테레오 카메라, 예로서 Kinect 센서 등을 들 수 있다. 이 실시예에서 무선 센서는 회전하면서 인간 조종자(또는 움직이는 물체)와 관련된 거리정보를 방향각 의 함수로 산출하게 되고 이정보를 가공하여 인간 조종자(또는 움직이는 물체) 상의 어느 하나의 특정점 Q의 위치(좌표) 정보를 얻을 있다. 간편하게 사용가능한 특징점으로 가장 가까운 점, 즉 센서로부터 가장 가까이 위치한 인간 조종자(또는 움직이는 물체) 상의 어느 하나의 특정점을 사용할 수 있으며, 이 경우 이동 로봇 시스템과 인간 조종자(또는 움직이는 물체)와의 적절한 안전 거리를 유지하면서 동반하기 위해 효과적이라고 할 수 있다.

도 22는 인간 조종자에 대한 이동 로봇 시스템의 상대위치 유지되면서 인간 조종자가 이동 로봇 시스템를 동반하여 이동하는 상황을 보여준다.

도 23 은 조종자에 대한 이동 로봇 시스템의 상대위치가 자유롭게 설정 가능함을 보여준다. 이 기능은 기존의 추종제어 기술에서는 구현할 수 없는 본 특허에서 새롭게 제안하는 기술로서 폭넓은 응용성을 기대할 수 있는 기술이라고 할 수 있다.

도 24는 한 명의 조종자가 다수의 이동 로봇 시스템들을 계층적으로 연결하여 동반하는 기술을 도식화하고 있다. 이 경우 인간 조종자는 자신과 직접 연결된 한 대의 이동 로봇 시스템만을 조종하게 되고 다른 이동 로봇 시스템들은 계층적 연결구조에서 상위에 있는 이동 로봇 시스템을 동반하는 형식으로 작동하게 된다.

도 25는 이동 로봇 시스템의 동반 제어기가 작동하는 모드 영역을 설정하여 사용할 수 있음을 보여준다. 예를 들어, 인간 조종자가 두 타원 내부 영역에 있을 경우에는 정상적으로 동반 운전을 수행하고, 작은 타원 내부에 조종자가 들어가게 되면 자동으로 정지하며, 큰 타원 밖으로 조종자가 벗어난 경우에는 경고 음을 발생하여 동반운전에 어떠한 문제가 발생하였음을 알려주는 방식 등을 사용할 수 있다.

도 26은 두 개의 시간에 따라 변하는 신호의 예를 보여준다. 이 신호는 시간에 따라 변하는 줄의 길이나 방향 등을 나타낼 수 있다. 인간 조종자는 다른 추가적인 장치 없이 미리 설정된 특정 신호 패턴(즉 gesture)을 발생시켜 이동 로봇 시스템으로 하여금 신호 패턴에 따라서 반응하도록 하는 것이 가능하다. 예로서 이동 로봇 시스템의 이동, 정지, 운전모드 변경과 같은 지시를 정해진 신호 패턴을 발생시킴으로써 가능하게 할 수 있다.

도 27은 본 발명이 적용될 수 있는 몇 가지 응용 예를 보여주고 있다. 도 27에서 (a)는 쇼핑 카트, (b)는 유모차, (c)는 골프 카트, (e)와 (f)는 유아용 전동차, 그리고 (g)는 조깅이나 트레킹 시 도우미 용도로 사용할 수 있는 이동 로봇 시스템의 형태를 예시로 나타내고 있다.

본 특허에 기술된 실시예는 여러가지 형태로 변경되어 사용될 수 있다. 예를 들어, 이동 로봇 장치 제어기는 토크 제어기 형태로 구현되는 것도 가능하며, 움직이는 물체의 위치와 방향을 측정하는 장치의 경우 제시된 기술을 다양한 형태로 혼합하여 구성하는 것이 가능하다.

1: 인간 조종자(움직이는 물체) 2: 동력을 탑재한 이동 로봇 시스템
3: 줄 31: 줄을 지면에 수직 투영해서 얻어진 선
32: 줄의 각도

를 측정하기 위해 이동 로봇 시스템 상에 설정된 기준선
33: 수축과 인장이 가능한 줄
4: 되감기 기능이 있는 줄 제어기 (항상 적절한 장력이 유지됨)
41: 나선형 비틀림 스프링
42: 튜브(8)의 줄 제어기(4)에 대한 회전각도를 측정하는 센서
43: 줄(3)을 안내하기 위해 회전 가능하게 설치된 풀리
44: 줄 제어기(4)에 상대적으로 풀리(43)의 방향을 측정하기 위한 센서
45: 회전 센서(44)와 풀리(43)을 연결하는 축
46: 나선형 비틀림 스프링의 고정 단
47: 베어링 48: 전동기
49: 축 422, 423: 모멘트 또는 힘 측정 센서
4221: 스트레인 게이지 433: 릴 (얼레)
444: 회전식 엔코더
445: 레이져 거리 측정기(또는 LiDAR (Light Detection and Ranging) 장치) 또는 거리정보를 얻어낼 수 있는 스테레오 카메라(예: Kinect 장치)
5: 전기식으로 구동되는 바퀴 51: 조향 가능한 바퀴
6: 캐스터 바퀴 7: 지표면
8: 줄 안내용 튜브 81: 튜브 굴절부
82: 경사각 측정 센서 83: 튜브 또는 기둥
9: 줄 안내용 튜브의 회전 축

Claims

움직이는 물체와 동반하는 동반 로봇 시스템과 상기 동반 로봇 시스템은 움직이는 물체의 전방, 후방, 좌측방향, 또는 우측방향 중 어느 하나의 방향에서 상기 움직이는 물체와 동반하는 적어도 한 대 이상의 이동 로봇을 포함하는 이동 로봇 시스템에 있어서,
상기 이동 로봇은 적어도 2자유도 이상의 평면 운동 자유도를 포함하고;
상기 이동 로봇은 고정된 좌표계에 대하여 상기 움직이는 물체 상의 적어도 한 개 이상의 특정 점의 좌표를 획득할 수 있는 적어도 한 개 이상의 위치측정장치를 포함하고;
상기 특정 점의 좌표를 상기 이동 로봇의 고정된 좌표계에 대하여 극좌표 성분
과
로 표현할 경우
과
의 시간에 대한 변화율이 하기 식(1) 및 (2)와 같고;

여기서,
은 상기 좌표계의 원점으로부터 상기 특정 점까지의 거리,

는 좌표계 XY의 X축과 상기 좌표계 XY의 원점과 상기 특정점을 연결하는 선이 이루는 각도,

는 상기 좌표계 XY의 원점과 구동 바퀴축 사이의 거리,

과
는 각각 상기 특정점이 움직이는 속도 벡터를 극좌표 분해하여 얻어진
성분과
성분을 의미,

과
는 각각 상기 좌표계 원점(또는 제어점)의 속도 벡터를 극좌표 분해하여 얻어진
성분과
성분을 의미하며,
상기 특정 점의 속도 벡터가 극좌표 성분으로
과
로 주어질 때, 상기 이동 로봇 제어점 속도의 극좌표 성분
과
를 발생시켜
과
를 기 설정 값
과
에 근접하도록 제어하거나; 또는
상기 특정 점의 좌표를 상기 이동 로봇에 고정된 좌표계 XY에 대하여 데카르트좌표 성분
와
로 표현할 경우
와
의 시간에 대한 변화율이 하기 식 (3) 및 (4)와 같고,

여기서,
와
는 각각 상기 특정 점의 상기 좌표계에 대한 좌표의 X-성분과 Y-성분을 의미,

는 상기 좌표계 XY의 원점과 구동 바퀴축 사이의 거리,

과
는 각각 상기 특정점의 속도 벡터의 X-성분과 Y-성분,

과
는 각각 상기 좌표계 원점(또는 제어점)의 속도 벡터의 X-성분과 Y-성분을 의미하며,
상기 특정 점의 속도가 데카르트좌표 성분으로
과
로 주어질 때, 이동 로봇 제어점의 속도의 데카르트좌표 성분
와
를 발생시켜
와
를 기 설정 값
와
에 근접하도록 제어되는 것 중 어느 하나의 방법에 의해 제어하는 제어부를 포함하는 것;을 특징으로 하는 이동 로봇 시스템.
움직이는 물체와 동반하는 동반 로봇 시스템과 상기 동반 로봇 시스템은 움직이는 물체의 전방, 후방, 좌측방향, 또는 우측방향 중 어느 하나의 방향에서 상기 움직이는 물체와 동반하는 적어도 한 대 이상의 이동 로봇을 포함하는 이동 로봇 시스템에 있어서,
상기 이동 로봇은 적어도 2자유도 이상의 평면 운동 자유도를 포함하고;
상기 이동 로봇은 상기 이동 로봇에 고정된 좌표계 XY에 대하여 상기 움직이는 물체 상의 적어도 한 개 이상의 특정 점의 좌표를 획득할 수 있는 적어도 한개 이상의 위치 측정 장치를 탑재하며;
상기 움직이는 물체가 이동하는 동안 기준 좌표가 일정하게 유지되도록 제어하는 제어부를 포함하고;
상기 제어부는
상기 이동 로봇에 고정된 좌표계 XY에 대하여 하기 식 (5) 및 (6)으로부터 상기 특정 점의 속도 벡터 성분
과
를 구하는 1 단계;

여기서,
은 상기 좌표계 XY 원점으로부터 상기 특정 점까지의 거리,

는 상기 좌표계 XY의 X축과 상기 좌표계 XY의 원점과 상기 특정점을 연결하는 선이 이루는 각도,

는 이동 로봇의 회전속도,

과
는 각각 상기 특정점의 속도 벡터의 X-성분과 Y-성분,

과
는 각각 상기 좌표계 원점(또는 제어점)의 속도 벡터의 X-성분과 Y-성분을 의미하며,
상기 특정 점의 이동 방향을 상기 이동 로봇에 고정된 좌표계 XY를 기준으로 하기 식 (7)로부터 구하는 2 단계;

상기 특정 점에 좌표계 원점을 갖는 상기 움직이는 물체에 고정된 좌표계
를 설정하는 3단계; 및
상기 움직이는 물체에 설정된 좌표계
에서 바라본 로봇에 고정된 상기 좌표계 XY의 원점 (또는 제어점)의 좌표를 기준 좌표로 설정하는 4단계를 포함하는 것;을 특징으로 하는 이동 로봇 시스템.
삭제
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 이동 로봇 시스템은 지표면에서 3자유도의 운동성을 갖는 전방향 구동장치를 포함하거나, 독립적으로 구동될 수 있는 두 개의 바퀴로 구성되는 차동방식 구동장치;를 포함하거나,
한 개의 능동 조향 제어가 가능한 바퀴와 한 개 이상의 구동 제어가 가능한 세발자전거 방식의 구동장치를 포함하거나, 또는 독립적으로 보행제어가 가능한 두 개 이상의 다리를 포함하는 구동장치중 어느 하나를 포함하는 것;을 특징으로 하는 이동 로봇 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 위치 측정 장치는 상기 이동 로봇 시스템에 설치되어 상기 이동 로봇 시스템과 상기 움직이는 물체를 연결하는 한 개 이상의 줄 방출/회수 장치를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 이동 로봇 시스템.
제5항에 있어서,
상기 줄 방출/회수 장치는;
상기 방출된 줄의 길이와 상기 줄의 방향을 측정할 수 있는 센서부와,
상기 줄에 장력을 부여하여 상기 줄의 직진성을 유지하고 상기 줄을 상기 위치 측정 장치로 회수할 수 있도록 하는 장력 발생장치;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제어부는 줄 방출/회수 장치를 통해 획득된 방출된 줄 길이정보와 방향정보 중 적어도 한 개의 정보의 시간에 따른 변화를 측정하여 데이터로 획득하며, 상기 데이터를 기 설정된 신호 패턴 또는 제스춰 중 어느 하나와 비교하여 인식한 후 인식된 신호패턴에 대응하여 반응하는 것;을 특징으로 하는 이동 로봇 시스템.
제6항에 있어서,
상기 줄은 장력이 인가된 상태에서 미리 설정된 길이를 유지하도록 인장강도를 갖는 것을 특징으로 하는 이동 로봇 시스템.
제6항에 있어서,
상기 장력 발생장치는 스프링을 포함하고, 상기 스프링의 일 단은 상기 줄의 일단에 연결되며, 상기 스프링의 타 단은 이동 로봇 시스템에 고정되는 것을 특징으로 하는 이동 로봇 시스템.
제6항에 있어서,
상기 장력 발생장치는 전동기를 포함하고, 상기 전동기를 이용하여 전동기 축의 얼레에 감긴 줄의 장력을 제어하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 위치 측정 장치는 레이저를 이용한 거리측정 장치를 포함하고, 상기 거리측정 장치는 움직이는 물체 상의 적어도 한 개 이상의 점들의 이동 로봇 시스템에 고정된 좌표계에 대한 위치 정보를 획득하고,
상기 정보를 가공하여 움직이는 물체 상의 적어도 한 개 이상의 특정 점의 좌표값을 산출하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 위치 측정 장치는 카메라를 이용한 거리측정 장치를 포함하며, 상기 거리측정 장치는 상기 움직이는 물체의 영상을 분석하여 물체 상의 적어도 한 개 이상의 점들의 상기 이동 로봇 시스템에 고정된 좌표계에 대한 위치 정보를 획득하고, 상기 정보를 가공하여 움직이는 물체 상의 적어도 한 개 이상의 특정 점의 좌표값을 산출하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 위치 측정 장치는 상기 이동 로봇 시스템에 설치되어, 상기 이동 로봇 시스템과 움직이는 물체를 연결하는 한 개 이상의 줄 방출/회수 장치;와,
방출된 줄의 길이를 측정할 수 있는 센서부;와,
줄의 장력과 이동 로봇 시스템에 대한 줄의 방향을 측정하기 위한 힘센서부;와,
줄에 장력을 부여하여 줄의 직진성을 유지하고 줄을 상기 위치 측정 장치로 회수하는 장력 발생장치를 포함하여 구성되는 것;을 특징으로 하는 이동 로봇 시스템.
제13항에 있어서,
상기 줄은 장력이 인가된 상태에서 미리 설정된 길이를 유지하도록 소정의 인장강도를 갖는 것;을 특징으로 이동 로봇 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 위치 측정 장치는 상기 이동 로봇 시스템에 설치되어, 이동 로봇 시스템과 움직이는 물체를 연결하는 한 개 이상의 줄 방출/회수 장치;와,
장력에 크기에 따라 인장이 발생되는 줄과 인장된 줄 길이와 이동 로봇 시스템에 고정된 좌표계에 대하여 줄의 방향을 측정할 수 있는 힘센서;를 포함하는 이동 로봇 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제어부는 동반운전 모드와 추종운전 모드 중 어느 하나를 선택하여 동작하고,
상기 동반 운전 모드로 동작할 경우, 움직이는 물체와 이동 로봇 시스템 간의 거리와 움직이는 물체의 이동 로봇 시스템에 대한 방향을 고려하여, 상기 거리와 방향이 모두 기 지정된 오차 범위 내에 있도록 이동 로봇 시스템의 움직임을 제어하며,
상기 추종 운전 모드로 동작할 경우, 움직이는 물체와 이동 로봇 시스템 간의 거리를 고려하여, 상기 거리가 기 지정된 오차 범위 내에 있도록 이동 로봇 시스템의 움직임을 제어하는 것;을 특징으로 하는 이동 로봇 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제어부는 상기 이동 로봇 시스템을 기준으로 기하학적으로 다수의 영역을 정의하고,
현재 움직이는 물체가 위치하는 영역을 감지하여, 감지된 영역에 대응하도록 기 설정된 동작모드를 수행하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇 시스템.