KR102381067B1

KR102381067B1 - 이동식 원격 작업 로봇, 그의 제어 시스템 및 제어 방법

Info

Publication number: KR102381067B1
Application number: KR1020200136818A
Authority: KR
Inventors: 박철영; 윤동관; 김이수; 송동수
Original assignee: 대구대학교 산학협력단
Priority date: 2020-10-21
Filing date: 2020-10-21
Publication date: 2022-03-30

Abstract

본 발명은 소정 방향으로 이동하며, 사용자의 손동작 움직임에 동기화되어 일련의 작업을 수행할 수 있는 이동식 원격 작업 로봇, 그리고 이를 제어하는 제어시스템 및 제어방법을 제안한다. 본 발명의 작업 로봇은 이동을 위한 구동 휠이 구비된 차량부와, 상기 차량부에 탑재되고, 사용자의 손 움직임과 동기화하여 움직이는 로봇 팔을 가지는 로봇 본체를 포함한다. 나아가 로봇 본체에 장착되어 작업 상황을 촬영하는 카메라가 더 구비된다. 그리고 상기 차량부는, 골격을 형성하는 프레임; 상기 프레임에 설치되며, 상기 구동 휠을 구동시키는 기어모터와 상기 기어모터를 제어하는 모터 드라이버, 상기 차량부와 상기 로봇 본체에 전원 공급을 위한 배터리, 상기 배터리 전원을 둘 이상의 전원레벨로 변환 공급하는 컨버터가 구비된 하우징 박스를 포함하고 있다.

Description

이동식 원격 작업 로봇, 그의 제어 시스템 및 제어 방법{Mobile remote work robot, its control system and control method}

본 발명은 작업 로봇에 관한 것으로, 특히 이동 가능하며, 사용자의 손동작 움직임과 동기화하여 구동하면서 일련의 작업을 수행할 수 있는 이동식 원격 작업 로봇과 이를 제어하는 제어시스템, 제어방법에 관한 것이다.

로봇은 산업과 가정 등 다양한 분야에서 인력을 대처하기 위한 수단으로 활발한 연구개발이 진행되고 있고, 제어기술의 발달로 다양한 목적을 가지며 그에 맞는 형상으로 제조된 로봇이 개발되어 활용되고 있다. 이러한 로봇의 한 예로 작업자가 기피하는 열악한 작업 환경이나 위험한 환경에서 노동력을 확보하기 위한 요구에 따라 개발된 작업 로봇을 말할 수 있다.

작업 로봇은 예를 들면 지금까지도 각종 실험실에서 실험하는 도중에 다양한 형태의 안전사고(ex, 절단, 감전, 화상 등)가 지속적으로 발생하고 있는데 이를 대체하는 수단이라 할 수 있다. 또 화학물질을 처리해야 하거나 군사지역과 같은 고위험군에서도 이러한 작업을 대체하기 위해 필요하였다. 이처럼 작업로봇은 다양한 작업장에서 작업자의 노동력을 대체하거나 작업자의 위험요소를 줄이는 수단의 보조장치로 이용되고 있다.

그러나 현재까지 개발된 작업 로봇은 제조비용이 상대적으로 고가이며 무게가 무거워서 기술적으로 활용이 쉽지 않았다. 이러한 이유로 작업 로봇의 시장 활성화가 어려웠고, 이는 작업로봇의 개발을 더디게 하는 문제를 초래하였다.

작업 로봇은 다양한 구조로 구성될 수 있는데, 가장 대표적인 작업 로봇의 예로 로봇 팔이 구비된 로봇을 들 수 있다. 그러나 로봇 팔(로봇 손)의 조종은 교육이나 훈련받지 않은 일반인이 쉽게 할 수 없고 반드시 숙련된 전문가가 조종해야 할 만큼 높은 전문성이 요구된다. 조종이 잘못되어 작업장 주위의 각종 기기를 파손하거나 파지하고 있던 위험 물건을 떨어뜨리게 되면 더 큰 위험부담에 노출되는 문제를 초래하기 때문이다. 또 로봇 팔의 전문가를 양성하기까지 적지않은 시간과 노력도 필요한 문제가 있다.

따라서 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 기존 작업로봇 대비 저렴하고 가벼운 로봇을 개발하여 시장 활성화를 기대할 수 있게 하는 이동식 원격 작업 로봇을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 제어가 용이한 작업 로봇을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기한 이동식 원격 작업로봇의 제어시스템을 제공하는 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 이동을 위한 구동 휠이 구비된 차량부; 상기 차량부에 탑재되고, 사용자의 손 움직임과 동기화하여 움직이는 로봇 팔을 가지는 로봇 본체; 및 상기 로봇 본체에 장착되어 작업 상황을 촬영하는 카메라를 포함하고, 상기 차량부는, 골격을 형성하는 프레임; 상기 프레임에 설치되며, 상기 구동 휠을 구동시키는 기어모터와 상기 기어모터를 제어하는 모터 드라이버, 상기 차량부와 상기 로봇 본체에 전원 공급을 위한 배터리, 상기 배터리 전원을 둘 이상의 전원레벨로 변환 공급하는 컨버터가 구비된 하우징 박스를 포함하여 구성되는 이동식 원격 작업 로봇을 제공한다.

상기 로봇 팔은, 하나 이상의 서보모터에 의해 손가락, 손목, 팔꿈치의 관절 동작이 가능하게 구성되며, 로봇 팔의 손가락 마디에 골무 및 손바닥에 고무 패드가 부착된다.

상기 로봇 팔의 관절 동작은 상기 서보모터에 연결된 코드 와이어 또는 나일로 와이어의 당김이나 풀림동작에 의해 움직인다.

상기 차량부는 아두이노 우노(Arduino UNO)로 구현된다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 이동 및 방향 조정을 위한 조정장치; 사용자가 착용하고 로봇 팔의 움직임을 제어하는 조정용 장갑; 및 상기 조정장치에 의해 이동하며, 상기 조정용 장갑을 착용한 사용자의 움직임에 따라 상기 로봇 팔을 통해 물건을 파지하고 운반하는 작업 로봇을 포함하는 이동식 원격 작업로봇의 제어시스템을 제공한다.

상기 조정용 장갑은, 사용자의 손가락 구부림 정도와 팔꿈치 동작을 센싱하는 플렉스 센서; 및 사용자의 손목 기울기 정도를 센싱하는 자이로 센서가 부착된다.

상기 조정용 장갑에는, 상기 플렉스 센서 및 자이로 센서가 감지한 손동작 움직임을 상기 작업 로봇에 전송하는 제어박스가 더 장착되며, 상기 제어박스는 상기 조정용 장갑에 설치된 플렉스 센서의 저항 값과 자이로 센서의 Y축 기울기 값을 측정하고, 측정된 센서 신호들을 소정 구간으로 구획하여 전송한다.

상기 제어박스는, 상기 센서 신호들의 구획 시 노이즈 제거를 함께 수행한다.

상기 제어박스는 아두이노 미니(Arduino Mini)로 구현된다.

상기 작업 로봇은, 구동 휠이 구비된 차량부; 상기 차량부에 탑재되고, 사용자의 손 움직임과 동기화하여 관절 움직임이 가능하도록 서보 모터가 내장된 로봇 팔을 가지는 로봇 본체; 및 상기 로봇 본체에 장착되어 작업 상황을 촬영하는 카메라를 포함하여 구성된다.

상기 로봇 본체는, 상기 제어박스가 전송하는 센서 값을 식별하는 센서 값 식별부; 상기 센서 값을 각도 값으로 맵핑하는 맵핑부; 및 상기 맵핑된 각도 값을 상기 서보 모터에 전달하는 각도 값 제공부를 포함한다.

상기 로봇 본체 및 카메라는 라즈베리파이(Raspberrypi)로 구현된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 원격 작업로봇의 제어시스템이, 둘 이상의 센서가 부착된 조정용 장갑을 착용한 사용자의 팔 움직임과 동기화되어 로봇 팔을 제어하는 방법이고, 상기 센서가 상기 사용자의 팔 움직임을 감지하는 감지단계; 제어박스가 상기 감지 단계로부터 사용자의 팔꿈치 및 손가락 움직임과 손목의 기울기 정도를 측정하는 측정단계; 상기 제어박스가 상기 측정된 센서 값을 상기 센서들마다 구간별로 구획한 후 작업로봇에 전송하는 전송단계; 상기 작업로봇이 상기 센서 값을 센서별로 식별하는 식별단계; 상기 작업로봇이 식별된 센서 값을 각도 값으로 맵핑하는 맵핑단계; 상기 작업로봇이 각도 값을 각각 대응하는 서보모터로 전달하는 전달단계; 및 상기 작업로봇이 상기 서보모터의 구동력에 의해 상기 로봇 팔의 움직임을 제어하는 제어단계를 포함하는 이동식 원격 작업 로봇의 제어 방법을 제공한다.

상기 측정단계에서, 상기 팔꿈치 및 손가락 움직임은 센서의 저항 값을 측정하는 것이고, 상기 손목의 기울기 정도는 센서의 Y축 기울기 값을 측정하는 것이다.

상기 작업로봇은 상기 제어박스가 전송하는 센서 값들 중 기 구획된 갯수를 초과한 센서 값은 입력받지 않도록 한다.

상기 전송단계는, 센서 값에 포함된 노이즈를 제거하면서 전송한다.

이상과 같은 본 발명의 이동식 원격 작업 로봇, 그 제어시스템 및 제어방법에 따르면, 기존의 작업로봇에 비해 손쉽게 제작할 수 있어 작업로봇에 대한 시장 활성화를 기대할 수 있다.

그리고 본 발명에 따르면, 간단하고 손쉬운 조정장치를 통한 작업로봇의 이동이 가능하며, 사용자 자신의 팔 움직임에 따라 로봇 팔을 동기화시켜 구동시킬 수 있어, 초보자도 손쉽게 작업로봇을 제어할 수 있다. 이로 인하여 위험요소가 많은 작업환경에서 안전사고 발생율이 저감되며, 작업자의 육체 피로도 감소로 인하여 작업능률이 향상되는 효과도 기대할 수 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 이동식 원격 작업로봇을 나타낸 정면도 및 측면도
도 3은 로봇 팔의 나타낸 실시 예 도면
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 작업로봇의 구동을 위한 제어시스템의 전체 구성도
도 5는 작업로봇의 이동을 위한 애플리케이션의 화면 표시 예시도
도 6은 로봇 팔을 원격 제어하기 위한 조정용 장갑을 나타낸 도면
도 7은 본 발명의 작업로봇이 데이터 종류(type)에 따른 구동과정을 설명하는 흐름도
도 8은 본 발명에 따라 제어신호 및 센서신호의 처리과정을 설명하는 흐름도
도 9는 사용자와 로봇 팔의 작동 모습의 예시 도면

이하, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 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, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세히 설명한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 이동식 원격 작업로봇(이하 '작업로봇'이라 함)을 나타낸 정면도 및 측면도이다. 도시된 작업로봇(10)은 소정 작업 공간에서 이동이 가능하며 작업자의 손동작과 동일한 움직임을 수행할 수 있도록 구성된다.

작업로봇(10)은 이동가능한 수단을 구비한 차량부(20)를 포함한다. 차량부(20)는 작업로봇(10)을 이동시키는 구성을 말하며, 프레임(21)과, 상기 프레임(21)에 장착된 구동 휠(wheel)(22)을 포함하는 구성이다. 상기 구동 휠(22)은 4개이며, 구동 휠(22)마다 아래에서 설명하게 될 기어모터(24, 도 4)가 각각 연결되고 이러한 기어모터(24)의 개별 제어를 위해 모터 드라이버(25)가 구성된다.

상기 차량부(20)에는 차량부(20)의 이동에 필요한 각종 구성들이 탑재된 하우징 박스(23)가 설치된다. 하우징 박스(23)는 프레임(21)에 견고하게 고정되며, 내부에 상기 기어모터(24)가 설치된다. 나아가 하우징 박스(23)에는 전원 공급을 위한 배터리(26, 도 4)가 설치된다. 실시 예에서 배터리(26)는 DC 12V가 채용되고, 이러한 배터리(26)로부터 차량부(20)의 이동, 작업로봇(10)의 구동에 필요한 전원을 공급하게 된다.

작업로봇(10)을 이루는 각 구성들은 필요한 전원 레벨이 다 상이하다. 따라서 이에 맞게 전원을 변환하기 위한 장치가 구비되어야 한다. 그래서 도 4에 도시한 바와 같이 배터리(26)에 DC/DC용 강압 컨버터(27)가 연결된다. DC/DC용 강압 컨버터(27)는 배터리(26) 전원인 DC 12V를 각 구성들이 필요로 하는 공급 전원으로 변환하는 역할을 한다. 예를 들어 기어 모터(24)에는 9V, 서보 모터(44)에는 7.2V, 센서 및 모터 드라이버(25)에는 5V 전원, 차량부(20)와 로봇 본체(40)를 구현하고 있는 아두이노(Arduino) 및 라즈베리파이(Raspberrypi)에는 5V가 공급되게 하는 것이다.

상기 차량부(20)의 상방에는 로봇 본체(40)가 구비된다. 로봇 본체(40)는 실제 소정 물건을 파지하고 운반할 수 있는 부분이다. 도 1 및 도 2에서 보듯이 로봇 본체(40)는 예를 들어 사람의 상반신과 비슷한 모양으로 구성된다. 즉 몸통, 머리, 로봇 팔(42)을 포함한다고 할 수 있다. 로봇 팔(42)은 각각의 관절 움직임이 가능한 구성으로, 어깨 회전이 가능하며, 팔꿈치 및 손목, 손가락의 관절 움직임이 가능하다. 그래서 작업자의 팔 움직임과 동기화되어 동작하게 될 것이다.

본 실시 예에서 상기 로봇 팔(42)은 한쪽만 팔꿈치 및 손목, 손이 모두 포함된 완전한 팔 형태로 구성된다. 나머지 팔 부분은 팔꿈치까지만 제작되고, 팔꿈치의 끝 단에 작업과정을 실시간 촬영하기 위한 카메라(50)가 장착된다. 물론 이는 일 실시 예에 불과하고, 양쪽 팔을 온전한 팔 형태로 구성할 수 있을 것이다. 이 경우 카메라는 몸통이나 머리 부분에 설치할 수 있을 것이다. 즉 카메라(50)는 작업에 방해받지 않는 위치에 적절하게 설치 가능하다.

도 3은 로봇 팔의 나타낸 실시 예 도면이다. 도 3a에 도시된 바와 같이 로봇 팔(42)은 손가락 동작, 손목 동작, 팔꿈치 동작을 구현할 수 있도록 제작된다. 미 도시하고 있지만 손목 동작은 서보 모터와 동력전달원인 서보 혼(servo horn)을 이용하여 동력 전달이 가능하게 하였고, 팔꿈치는 메탈 기어(ex, PDI-HV2060mg)와 서보 혼, 폴리를 결합하고 체인을 사용하여 움직임을 구현하였다.

또 관절 사이는 코드 와이어 및 나일론 와이어를 이용하여 연결하여, 관절 움직임이 구체적으로 구동되게 설계하였다. 예를 들면 도 3b와 같이 손가락 마디를 와이어(43)로 연결하고 있다. 그리고, 로봇 팔(42)의 외형이 친환경 수지인 PLA(Poly Lactic Acid)로 제작되면, 미끄럼 방지를 위해 손가락에 고무재질의 골무(46)를 끼우고 손바닥에는 고무 패드(48)를 부착하여, 미끄럼 없이 물체를 잡는 파지력을 향상시키도록 한다.

이러한 로봇 팔(42)의 외형은 사용 용도와 재료에 따라 크기나 디자인은 얼마든지 변경될 수 있을 것이다. 기본적으로 작업자의 명령에 따라 소정 물건을 파지한 상태에서 운반할 수 있는 어떠한 형태도 가능한 것이다.

이와 같은 구성의 작업 로봇(10)은 사용자(작업자)가 장갑을 착용한 상태에서 소정 시스템에 의해 팔 움직임과 대응되게 구동 되는바, 계속해서 작업 로봇의 구동을 위한 시스템에 대해 살펴본다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 작업로봇(10)의 구동을 위한 제어시스템의 전체 구성도이다. 제어 시스템(100)은 스마트폰과 같이 작업자가 휴대하는 조정장치(200), 작업자가 착용하고 손동작을 명령하는 조정용 장갑(300), 조정장치(200)에 의해 이동하며, 위에서 설명한 로봇 팔(42)을 가진 작업로봇(10)을 포함한다. 이러한 구성에 따르면 조정장치(200)에 의해 작업로봇(10)은 일 방향으로 이동되며, 작업 공간에서 조정용 장갑(300)을 착용한 작업자가 로봇 팔(42)의 움직임을 제어하여 물건을 파지하고 운반하도록 하는 일련의 작업이 가능하다. 각각의 구성에 대해 구체적으로 살펴본다.

상기 조정장치(200)는 스마트폰을 예를 들 수 있고, 작업로봇(10)의 이동 및 카메라(50)가 촬영한 정보를 표시할 수 있게 하는 애플리케이션이 설치되어 있어야 한다. 작업로봇(10)의 이동을 위한 애플리케이션의 화면 표시는 도 5와 같을 수 있다. 도 5에 도시한 바와 같이 작업로봇(10)과의 연결 또는 연결 차단을 위한 버튼(210), 촬영 정보를 스트리밍 표시하기 위한 버튼(220), 작업로봇(10)의 이동 방향을 결정하는 버튼(230) 등이 구비되어 있다. 이동방향은 중앙의 회전버튼 및 화살표 방향으로의 진행방향 등 총 10가지가 있다.

상기 로봇 팔(42)을 원격 제어하기 위한 조정용 장갑은 도 6a 및 도 6b에 도시하고 있다. 이들 도면에서 보듯이 조정용 장갑(300)은 작업자가 자신의 손 및 팔꿈치까지 착용할 수 있는 형태로 제작된다. 이는 작업자의 팔꿈치 상태 및 손목의 기울기, 손가락의 구부림 정도까지 검출할 수 있어야 하기 때문이다.

조정용 장갑(300)에는 작업자의 손동작을 감지하는 센서가 부착된다. 센서는 플렉스 센서(310) 및 자이로 센서(320)를 말할 수 있다. 플렉스 센서(310)는 손가락의 구부림 정도와 팔꿈치 동작을 센싱하기 위한 것이고, 자이로 센서(320)는 손목의 기울기 정도를 센싱하기 위한 것이다. 그래서 플렉스 센서(310) 및 자이로 센서(320)는 이러한 동작들을 가장 적절하게 센싱할 수 있는 위치에 설치되어야 할 것이다. 예를 들면 도 6a는 조정용 장갑(300)의 각각의 손가락마다 플렉스 센서(310)가 부착된 예를 도시하였다. 그리고 자이로 센서(320)는 팔아대 부위에 부착된다(미도시). 플렉스 센서(310)는 손가락 및 팔꿈치 센싱을 위해 6개가 설치되며, 자이로 센서(320)는 손목의 기울기를 센싱하기 위해 1개가 설치된다.

도 6b에서 보듯이 작업자는 조정용 장갑(300)과 함께 제어박스(330)를 팔에 차고 있다. 제어박스(330)는 작업자의 손동작 신호를 소정 시간 간격으로 로봇 본체(40)로 전달하는 기능을 한다. 제어박스(330)는 작업자의 신체 다른 부위에 착용할 수 있지만, 상기 센서들(310, 320)이 감지한 신호를 효과적으로 로봇 본체(40)로 전송하도록 팔아대 부분에 착용하는 것이 바람직하다. 팔아대 부분에 착용할 때 유동이 발생하지 않도록 벨트를 이용하여 견고하게 고정되도록 한다.

제어박스(330)가 팔아대 부분에 위치하기 때문에, 작업자의 팔 움직임 등을 고려하면 사이즈는 작을수록 좋다. 따라서 실시 예는 제어박스(330)의 사이즈를 최소화하도록 아두이노 미니(Arduino Mini)를 적용한다.

그리고 제어박스(330)는 상기 7개의 센서(310, 320)가 감지한 센서 값의 식별을 위해 소정 값으로 구간을 나누어 송신하도록 제어하는 제어부(340)가 구비된다. 제어부(340)는 제어박스(330)의 전체 동작을 제어하는 역할도 한다.

도 4를 다시 참조하면, 작업 로봇(10)은 상술한 바와 같이 차량부(20), 로봇 본체(40)를 포함하고 있다.

상기 차량부(20)는, 아두이노 우노(Arduino UNO)로 구현되며, 상기 조정장치(200)의 제어신호를 인가받는 모터 드라이버(25), 상기 모터 드라이버(25)에 의해 구동 휠을 각각 구동하는 기어모터(24)가 구성된다.

상기 로봇 본체(40)는 카메라(50)와 함께 라즈베리파이로 구현한다. 상기 로봇 본체(40)는 로봇 팔(42)과, 상기 로봇 팔(42)에 설치되며 상기 센서 값에 의해 어깨 회전이나 손목 기울기, 손가락을 구부릴 수 있도록 소정 구동력을 제공하도록 복수 개의 서보 모터(44)가 포함한다.

상기 서보 모터(44)는 상기 센서 값에 의해 구동되는데, 각 센서에 대응하는 서보 모터가 구동되어야 한다. 즉 센서 값을 식별하는 구성이 필요하다. 이를 위해 로봇 본체(40)에는 상기 제어박스(330)가 전송하는 7개의 센서 값을 식별하기 위한 센서 값 식별부(45)와, 센서 값을 각도 값으로 맵핑하는 맵핑부(46), 그리고 맵핑된 각도 값을 서보모터(44)로 전달하는 각도 값 제공부(47)가 구비된다. 그래서 서보모터(44)는 상기 전달받은 각도 값만큼 회전하여 와이어(43)의 당김 정도를 조절함으로써, 팔꿈치나 손목 관절을 움직이게 하고 손가락이 구부려지게 한다.

상기 로봇 본체(40)에 장착된 카메라(50)는 실시간으로 촬영된 영상을 웹 스트르밍 방식으로 전송할 수 있다. 전송된 영상정보는 작업자가 IP 주소를 통해 모바일(즉 조정장치) 또는 PC 등의 장치에서 실시간으로 확인할 수 있게 한다.

다음에는 이와 같이 구성된 작업로봇, 이를 포함하는 제어시스템의 동작에 대해 살펴본다.

도 7은 본 발명의 작업로봇(10)이 데이터 종류(type)에 따른 구동과정을 설명하는 흐름도이다. 작업로봇(10)은 전원이 공급된 상태에서 차량부(20), 카메라(50)를 포함한 로봇본체(40)로 인가되는 신호가 있는가를 실시간 체크한다(s100). 실시 예에서 상기 조정장치(200)의 제어신호, 센서(310, 320)가 감지한 센서 신호는 10ms 간격으로 송신이 이루어진다.

그리고 상기 체크 결과에 따라 신호가 인가된 경우 상기 신호 종류별로 상이한 동작을 수행한다(s102). 즉 카메라(50)는 촬영된 정보가 있으면 이를 조정장치(200)로 전송하고, 로봇 팔 구동신호인 경우 센서 값과 대응하는 서보모터(44)를 각각 구동시켜 로봇 팔(42)을 동작하고, 차량부(20)의 이동을 위한 신호이면 구동 휠(22)을 동작시켜 소정 방향으로 회전하거나 이동되게 한다(s104, s106). 이러한 각각의 동작이 완료된 다음에는 다음 신호가 발생할 때까지 대기한다(s108).

이때 차량부(20) 및 로봇본체(40)와, 카메라(50)는 자신에게 전송되는 신호에 대해 변수맵핑 또는 제어신호 분별을 통해 대응하는 동작이 수행되어야 하는데, 이는 다음 도 8을 참조한다.

도 8은 본 발명에 따라 제어신호 및 센서신호의 처리과정을 설명하는 흐름도이다. 본 발명은 조정용 장갑(300)에 손가락의 구부림 정도와 팔꿈치 동작을 센싱하기 위하여 6개의 플렉스 센서(310), 손목의 기울기 정도를 센싱하는 1개의 자이로 센서(320)가 설치되는데, 이러한 각각의 센서 값을 로봇 본체(40)가 식별하여 처리하는 것이 중요하다.

로봇 팔(42)을 구동하기 위해 사용자는 조정용 장갑(300)을 착용하여 팔꿈치나 손목, 손가락을 움직인다(s200). 이에 제어박스(330)는 조정용 장갑(300)에 설치된 렉스 센서(310)의 저항 값과 자이로 센서(320)의 Y축 기울기 값을 측정한다(s202). 상기 저항 값은 팔꿈치 및 손가락의 구부러지는 정도에 따라 변하는 값이다. 그리고 제어박스(330)는 상기 측정된 저항값을 0 ~ 1023 값으로 맵핑하고, 자이로 센서(320)가 측정한 Y축의 기울기 정도에 따라 -180° ~ 180° 사이의 각도 값으로 변환한다.

이후 제어박스(330)는 소정 시간간격(10ms)으로 송신되는 센서 값을 식별할 수 있도록 1~ 245를 7개의 구간으로 나눠 송신한다(s204). 이렇게 하면 플렉스 센서 6개, 자이로 센서 1개이기 때문에 이들 각각의 센서를 식별할 수 있다.

본 실시 예에 따른 각 센서의 맵핑 방식은 다음 [표 1]과 같다. 즉 버퍼(buffer) 대신 [표 1] 처럼 245개의 값을 7개의 센서에 맞게 구간화하였다. 이때 플렉스 센서(310)는 장갑 내부에 위치하고 있어 손가락의 눌림에 취약하다. 따라서 노이즈가 발생할 수 있기 때문에, 맵핑시 노이즈 제거를 위한 코딩도 함께 설계하였다.

finger1 = analogRead(flexpin1);
if(finger1>800 || finger1<0){
trash=finger1;}
angle1 = map(finger1, 560, 750, 1, 35);
angle1 = constrain(angle1, 1, 35);
finger2 = analogRead(flexpin2);
if(finger2>800 || finger2<0){
trash=finger2;}
angle2 = map(finger2, 700, 800, 36, 70);
angle2 = constrain(angle2, 36, 70);
finger3 = analogRead(flexpin3);
if(finger3>800 || finger3<0){
trash=finger3;}
angle3 = map(finger3, 670, 800, 71, 105);
angle3 = constrain(angle3, 71, 105);
finger5 = analogRead(flexpin5);
if(finger5>800 || finger5<0){
trash=finger5;}
angle5 = map(finger5, 600, 800, 106, 140);
angle5 = constrain(angle5, 106, 140);
finger4 = analogRead(flexpin4);
if(finger4>800 || finger4<0){
trash=finger4;}
angle4 = map(finger4, 200, 430, 141, 175);
angle4 = constrain(angle4, 141, 175);
elbow = analogRead(flexpin6);
if(elbow>800 || elbow<0){
trash=elbow;}
angle6 = map(elbow, 750, 900, 176, 210);
angle6 = constrain(angle6, 176, 210);
mpu6050.update();
wrist=mpu6050.getAngleY();
wrist=wrist/10;
angle7 = map(wrist, -18, 0, 211, 245);
angle7 = constrain(angle7, 211, 245);

[표 1]에서 finger 1은 새끼손가락, finger 2는 약지 손가락, finger 3은 중지 손가락, finger 5는 검지 손가락, finger 4는 엄지 손가락, elbow는 팔꿈치, wrist는 손목에 대한 맵핑을 의미하며, 손가락 및 팔꿈치의 경우 플렉스 센서(310)의 노이즈 제거와 함께 맵핑 번호가 부여되고 있고, 손목은 별도의 노이즈 제거명령은 없고 자이로 센서 값의 맵핑 번호만 부여된다.

이와 같이 제어박스(330)가 센서 값을 로봇 본체(40)로 전송하면, 로봇 본체(40)는 센서 값을 분별하기 위해 재맵핑 및 배열과정을 수행해야 한다. 즉 로봇 팔(42)은 작업자의 팔과 같이 동일한 움직임으로 구동되어야 하기 때문이다. 예를 들어 엄지손가락의 센싱 값이 새끼 손가락을 구동하는 서보모터로 전달되면 안되기 때문이다.

따라서 로봇 본체(40)의 센서 값 식별부(45)는, 제어박스(330)가 송신했던 7개 구간으로 나뉘져 있는 센서 값을 식별하여 각 배열에 저장한다(s206). 이때 센서 값은 총 245개이기 때문에 245개를 초과하는 값은 노이즈 제거를 위해 입력받지 않도록 셋팅된다.

그런다음 맵핑부(46)는 각 배열에 저장된 값을 600 ~ 2400으로 각도 맵핑한다(s208). 이때 엄지 손가락과 팔꿈치의 동작은 0 ~ 110°까지 구현하도록 1600 ~ 2400으로 맵핑한다. 맵핑된 값은 배열에 다시 저장된다. 그리고 각도 값 제공부(47)는 다시 저장된 배열 값을 각 서보모터(44)로 입력하게 된다(s210). 이에 각 서보모터(44)는 센서 값에 대응하여 와이어(43)를 당기거나 푸는 동작을 하여 관절을 움직하게 한다(s212). 즉 사용자가 착용한 조정용 장갑(300)의 움직임과 일치되어 움직이게 된다.

상기한 과정은 다시 움직임 발생할 때까지 대기하였다가 다시 수행하는 과정을 반복한다(s214).

사용자와 로봇 팔(42)의 작동 모습의 예는 도 9에 나타냈다. 사용자 입력 대기상태(a), 손목을 180도 돌린상태(b), 손을 오므린 상태(c), 손을 오므린 상태에서 손목을 180도 돌린 상태(d)로, 조정용 장갑(300)을 착용한 사용자의 움직임에 따라 로봇 팔(40)도 동일하게 움직이고 있음을 확인할 수 있다.

한편, 상기 로봇 본체(40)가 수신한 센서 값을 재맵핑 및 배열하는 과정은 다음 [표 2]와 같다. 이때 제어 박스(330)와 로봇 본체(40)는 무선통신으로 송수신하기 때문에 통신시 발생하는 노이즈를 제거하는 코딩도 함께 설계하였다.

if 1<=sensor_value<=35 :
sensor_value=(sensor_value-1)*(2400-600) / (35-1)+600
ar[0]=sensor_value
#새끼손가락에 해당하는 센서값 맵핑 후 배열에 입력
elif 36<=sensor_value<=70 :
sensor_value=(sensor_value-36)*(2400-600) / (70-36)+600
ar[1]=sensor_value
#약지 손가락에 해당하는 센서값 맵핑 후 배열에 입력
elif 71<=sensor_value<=105 :
sensor_value=(sensor_value-71)*(2400-600) / (105-71)+600
ar[2]=sensor_value
#중지 손가락에 해당하는 센서값 맵핑 후 배열에 입력
elif 106<=sensor_value<=140 :
sensor_value=(sensor_value-106)*(2400-600) / (140-106)+600
ar[3]=sensor_value
#검지 손가락에 해당하는 센서값 맵핑 후 배열에 입력
elif 141<=sensor_value<=175 :
sensor_value=(sensor_value-141)*(2400-1100) / (175-141)+1100
ar[4]=sensor_value
#엄지 손가락에 해당하는 센서값 맵핑 후 배열에 입력
elif 176<=sensor_value<=210 :
sensor_value=(sensor_value-176)*(1500-600) / (210-176)+600
ar[5]=sensor_value
#팔꿈치 손가락에 해당하는 센서값 맵핑 후 배열에 입력
elif 211<=sensor_value<=245 :
sensor_value=(sensor_value-211)*(2400-600) / (245-211)+600
ar[6]=sensor_value
#손목 손가락에 해당하는 센서값 맵핑 후 배열에 입력
elif 255<=sensor_value :
sensor_value=0
#블루투스 통신 시에 발생한 노이즈 제거

본 발명에 따른 작업로봇(10)의 이동은, 사용자가 조정장치(200)를 조작하는 것에 의해 개시된다. 즉 조정장치(200)의 조작은 도 5에 도시했던 10개의 버튼들을 선택하여 조작하는 것을 의미한다.

상기 버튼 조작에 따라 조정장치(200)는 차량부(20)로 제어신호를 전송하고, 그러면 차량부(20)는 상기 제어신호에 따라 모터드라이버(25)가 각 구동 휠(22)에 연결된 각각의 기어모터(24)의 구동을 제어하여 회전시키거나 일 방향으로 이동되게 한다. 본 실시 예는 상기 구동 휠(22)에 설정한 총 동작은 도 5에 도시한 바와 같이 10개이며, 각 명령에 따라 동작에 맞는 기어모터(24)에 제어신호를 출력하는 코드는 다음 [표 3]과 같이 설계하였다.

void loop()
{
switch (BTSerial.read()){
case 12:
digitalWrite(2, HIGH); // Motor A 방향설정1
digitalWrite(3, LOW); // Motor A 방향설정2
digitalWrite(4, HIGH); // Motor B 방향설정1
digitalWrite(5, LOW); // Motor B 방향설정2
digitalWrite(6, HIGH); // Motor C 방향설정1
digitalWrite(7, LOW); // Motor C 방향설정2
digitalWrite(8, HIGH); // Motor D 방향설정1
digitalWrite(9, LOW); // Motor D 방향설정2
Serial.println("12");
break;
.
.
.

case 13:
digitalWrite(2, LOW); // Motor A 방향설정1
digitalWrite(3, LOW); // Motor A 방향설정2
digitalWrite(4, LOW); // Motor B 방향설정1
digitalWrite(5, LOW); // Motor B 방향설정2
digitalWrite(6, LOW); // Motor C 방향설정1
digitalWrite(7, LOW); // Motor C 방향설정2
digitalWrite(8, LOW); // Motor D 방향설정1
digitalWrite(9, LOW); // Motor D 방향설정2
Serial.println("stop");
break;
}
}

한편, 본 발명은 키보드 인터럽트 기능을 제공한다. 급하게 작업로봇(10)의 구동을 중지시킬 필요가 있는 경우다. 키보드 인터럽트 기능은 소정 버튼(예를 들면, ctrl + c)가 입력되면 로봇본체(40)에 구비된 모든 서보모터(44)가 최초 값을 가지도록 하면서 동작을 중지시킨다.

이상과 같이 본 발명의 도시된 실시 예를 참고하여 설명하고 있으나, 이는 예시적인 것들에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 요지 및 범위에 벗어나지 않으면서도 다양한 변형, 변경 및 균등한 타 실시 예들이 가능하다는 것을 명백하게 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적인 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

10: 작업로봇 20: 차량부
21: 프레임 22: 구동 휠
23: 하우징 박스 24: 기어모터
25: 모터 드라이버 26: 배터리
27: 강압 컨버터 40: 로봇 본체
42: 로봇 팔 44: 서보모터
45: 센서 값 식별부 46: 맵핑부
47: 각도 값 제공부 50: 카메라
100: 제어 시스템 200: 조정장치
300: 조정용 장갑 310: 플렉스 센서
320: 자이로 센서 330: 제어박스
340: 제어부

Claims

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이동 및 방향 조정을 위한 조정장치;
사용자가 착용하고 로봇 팔의 움직임을 제어하는 조정용 장갑; 및
상기 조정장치에 의해 이동하며, 상기 조정용 장갑을 착용한 사용자의 움직임에 따라 상기 로봇 팔을 통해 물건을 파지하고 운반하는 작업 로봇을 포함하며,
상기 조정용 장갑에는 사용자의 손가락 구부림 정도와 팔꿈치 동작을 센싱하는 플렉스 센서; 및 사용자의 손목 기울기 정도를 센싱하는 자이로 센서가 부착되고,
상기 조정용 장갑에는 상기 플렉스 센서 및 상기 자이로 센서가 감지한 손동작 움직임을 상기 작업 로봇에 전송하는 제어박스가 더 장착되며, 상기 제어박스는 상기 플렉스 센서의 저항 값과 상기 자이로 센서의 Y축 기울기 값을 측정하고, 측정된 센서 값들을 소정 시간간격으로 소정 구간으로 구획하여 전송하며,
상기 작업 로봇은 구동 휠이 구비된 차량부; 상기 차량부에 탑재되고, 사용자의 손 움직임과 동기화하여 관절 움직임이 가능하도록 서보 모터가 내장된 로봇 팔을 가지는 로봇 본체를 포함하며,
상기 로봇 본체는 상기 제어박스가 전송하는 센서 값을 식별하는 센서 값 식별부를 포함하며, 상기 센서 값 식별부는 상기 제어박스가 전송하는 센서 값들 중 기 구획된 갯수를 초과한 센서 값은 입력받지 않도록 셋팅되는 것을 특징으로 하는 이동식 원격 작업로봇의 제어시스템.
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제4항에 있어서,
상기 제어박스는,
상기 센서 값들의 구획 시 노이즈 제거를 함께 수행하는 이동식 원격 작업로봇의 제어시스템.
제4항에 있어서,
상기 작업 로봇은,
상기 로봇 본체에 장착되어 작업 상황을 촬영하는 카메라;를 더 포함하는 이동식 원격 작업로봇의 제어시스템.
제8항에 있어서,
상기 로봇 본체는,
상기 센서 값을 각도 값으로 맵핑하는 맵핑부; 및
상기 맵핑된 각도 값을 상기 서보 모터에 전달하는 각도 값 제공부;를 더 포함하는 이동식 원격 작업로봇의 제어시스템.
원격 작업로봇의 제어시스템이, 둘 이상의 센서가 부착된 조정용 장갑을 착용한 사용자의 팔 움직임과 동기화되어 로봇 팔을 제어하는 방법이고,
상기 센서가 상기 사용자의 팔 움직임을 감지하는 감지단계;
제어박스가 상기 감지단계로부터 사용자의 팔꿈치 및 손가락 움직임과 손목의 기울기 정도를 측정하는 측정단계;
상기 제어박스가 상기 측정된 센서 값을 센서들마다 구간별로 구획한 후 작업로봇에 전송하는 전송단계;
상기 작업로봇이 상기 센서 값을 센서별로 식별하는 식별단계;
상기 작업로봇이 식별된 센서 값을 각도 값으로 맵핑하는 맵핑단계;
상기 작업로봇이 각도 값을 각각 대응하는 서보모터로 전달하는 전달단계; 및
상기 작업로봇이 상기 서보모터의 구동력에 의해 상기 로봇 팔의 움직임을 제어하는 제어단계를 포함하며,
상기 작업로봇은 상기 제어박스가 전송하는 센서 값들 중 기 구획된 갯수를 초과한 센서 값은 입력받지 않도록 하는 이동식 원격 작업 로봇의 제어 방법.
제10항에 있어서,
상기 측정단계에서,
상기 팔꿈치 및 손가락 움직임은 센서의 저항 값을 측정하는 것이고,
상기 손목의 기울기 정도는 센서의 Y축 기울기 값을 측정하는 이동식 원격 작업 로봇의 제어 방법.
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