KR102643164B1 - 힘제어를 이용한 수중 선체 청소 로봇 시스템 및 이를 이용한 청소 방법 - Google Patents

힘제어를 이용한 수중 선체 청소 로봇 시스템 및 이를 이용한 청소 방법 Download PDF

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KR102643164B1
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김형우
한종부
이영준
이판묵
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한국해양과학기술원
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Abstract

상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 선저 틈새지역을 청소하기 위한 다자유도 로봇팔 기반 자율 청소 시스템 및 이를 이용한 청소 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 힘제어를 이용한 수중 선체 청소 로봇 시스템의 자율 청소 방법은, (a) 위치정보 획득부가 로봇 본체와 연결된 매니퓰레이터의 위치정보 및 선체의 청소 대상체의 위치정보를 획득하는 단계; (b) 제어 모델링부가 획득한 상기 위치정보를 바탕으로 상기 매티퓰레이터와 청소 대상체의 상호 작용을 나타내는 댐퍼 시스템 모델을 설정하는 단계; 및 (c) 청소 구동부가 상기 설정된 댐퍼 시스템 모델을 바탕으로, 힘제어에 기반한 임피던스 제어를 통하여 상기 청소 대상체를 청소(Cleaning) 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

힘제어를 이용한 수중 선체 청소 로봇 시스템 및 이를 이용한 청소 방법{Underwater hull cleaning robotic system using force control and cleaning method using the system}
본 발명은 청소 로봇 시스템 및 이를 이용한 청소 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 선저 틈새지역을 청소하기 위한 다자유도 로봇팔 기반 자율 청소 시스템 및 이를 이용한 청소 방법에 관한 것이다.
일반적으로 선박은 선체 하부가 해수에 잠긴 상태에서 운용되므로 수중에 위치하는 저면이나 측면에 바이오 파울링(Biofouling)이 발생할 수 있다.
여기서, 바이오 파울링이란 선박의 물에 잠긴 부분에 수중 생물이 부착되어 축적되는 것을 말한다.
이러한 수중 생물로는 물이끼, 따개비, 멍게, 해초 등과 같은 각종 수중 생물이 부착될 수 있다.
이러한 수중 생물 유기체는 선박 운항 중 피부 마찰 항력을 증가시켜 선박의 연비를 저하시키는 원인이 되는 문제점이 있다.
예컨대, 선체에 부착되는 이물질은 선체가 운항할 때 저항으로 작용하여 속도를 저하시키고 이에 따른 연료 소모량을 증가시키며, 선박 연료 소모 증가로 인한 선박의 운항 비용을 증가시킬뿐 아니라 CO₂, Sox 또는 Nox 등의 배출 가스를 증가시키게 된다.
또한, 바이오 파울링은 수중에 위치하는 선박의 저면 또는 측면의 표면에 캐비테이션(Cavitation)과 난기류(Turbulence)를 발생시킬 수 있다.
이는 선박의 선저에 설치된 센서의 성능이 저하시키는 문제점이 있다.
또한, 선박에 수중 생물이 부착된 상태로 선박의 운항에 따라 이동함으로써, 외래 수중 생물의 이동 및 유입의 주요 원인으로 바이오 파울링이 지적되고 있다.
이와 같이 생태학적으로 바이오 파울링의 해로운 영향 때문에, 국제 해사 기구(IMO)와 해양 환경 보호 위원회(MEPC)는 바이오 파울링을 선체 저항과 생태계 교란의 주요 원인으로 정의하고 있다.
그리고 많은 국가와 조직에서 생물학적 오염을 줄이기 위해, 선체 청소에 관한 새로운 규정과 법률을 제정하고 있다.
이처럼 선체에 부착되는 각종 이물질 및 수중 생물은 선박의 외관을 해치는 것은 물론 선박이 운항할 때 저항으로 작용하여 선박의 속도를 저하시키는 요인이 되므로 선박의 연료 소모량을 크게 증가시키게 되며, 이에 따라 선체에 부착된 각종 이물질 및 수중 생물을 주기적으로 청소하는 것이 매우 중요하다.
선박이 수중에 잠긴 부분은 평평한 선체 표면과 틈새 영역으로 분류된다.
여기서, 평평한 선체 표면은 바이오 파울링 방지용 방오 도료(Anti-Fouling Paint)가 도포된 평면 영역을 의미하며, 틈새 영역은 프로펠러, 스러스터(Thruster), 러더 힌지(Rudder Hinge) 등과 같이 복잡한 형상의 영역을 의미한다.
이러한 틈새 영역은 바이오 파울링 방지용 방오 도료를 도포할 수 없다.
바이오 파울링용 방오 도료와 평평한 형상에 의해 평평한 선체 표면은 바이오 파울링 성장 속도가 느리기 때문에, 기존의 선체 청소 로봇을 이용하여 평평한 선체 표면에 대한 청소가 비교적 용이하다.
하지만, 틈새 영역은 다양한 재질로 구성되어 있고, 복잡한 형상과 역할을 하기 때문에, 바이오 파울링용 방오 도료를 적용하기 어려운 문제점이 있다.
또한, 기존의 선체 청소 로봇은 틈새 영역으로의 접근이 어렵고, 틈새 영역에 해당 선체 청소 로봇을 부착하기가 어려운 문제점이 있다.
종래에 선체 틈새 영역의 청소 작업은 통상 다이버가 직접 들어가 선체 틈새 영역의 표면에 붙은 이물질 및 수중 생물을 청소하였는데, 작업 환경이 열악하고 체력 소모가 심하여 선체 외면을 깨끗하게 청소하기에 어려움이 따르고 시간이 많이 소요되며, 조류가 심한 곳에서는 청소가 불가능한 문제점이 있다.
특히, 대형 선박의 경우 청소 작업량 증가에 따라 수중에서 머무르는 시간이 길어져 다이버에게 많은 위험이 따르고, 다이버의 시야에 의존하여 청소 작업을 수행함으로써 선박의 깊은 밑면은 청소 품질이 현저히 떨어지는 문제점이 있다.
따라서, 상술한 바와 같이 복잡한 형상으로 형성된 틈새 영역에 대해서는 여전히 다이버가 직접 청소 작업을 수행해야 하기 때문에, 많은 시간과 어려움이 따르는 문제점이 있다.
그러나 대부분의 바이오 파울링은 평평한 선체 표면보다는 작은 틈새 영역에서 발견되고 있다.
이러한 틈새 영역이 전체 선체 면적의 작은 비율을 차지함에도 불구하고 최대 80 % 의 바이오 파울링이 틈새 지역에서 발견되고 있다.
따라서, 틈새 영역에 대한 새로운 로봇 청소의 접근 방식이 필요하고, 이에 자율 청소 로봇 시스템을 도입하고 있으나, 기존의 청소 로봇 시스템은 위치제어기를 이용하여 매니퓰레이터를 운용하는 방법으로써, 로봇팔-청소구역간 정밀한 위치·자세 추정이 가능해야 한다는 문제점을 가지고 있다.
또한, 만약, 조류 등의 외력이나 센서 오차에 의해 의하여 상대 위치·자세가 실제 값과 다를 시, 청소솔이 닿지 않아 청소가 안되거나, 반대로 무리한 힘으로 청소하게 되어 선체 및 로봇의 손상을 유발할 수 있다. 따라서 상대 위치·자세가 보장되지 않는 환경에서도 효율적으로 청소할 수 있는 시스템 및 방법이 필요한 실정이다.
대한민국 등록특허공보 제10-2217839호(공고일자: 2021년02월22일)
상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 선저 틈새지역을 청소하기 위한 다자유도 로봇팔 기반 자율 청소 시스템 및 이를 이용한 청소 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은, 매니퓰레이터 동작을 하나의 스프링 질량 댐퍼(spring-mass-damper) 시스템으로 모델링하고, 일정한 힘으로 목표를 밀면서 청소하기 위해 구동기의 전류를 제어하는 다자유도 로봇팔 기반 자율 청소 시스템 및 이를 이용한 청소 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은, 작업 방향에 따라 방향별 임피던스를 변경함으로써, 위치 제어 성능을 유지함과 동시에 작업방향에 대해서는 힘제어를 가능하도록 하는 다자유도 로봇팔 기반 자율 청소 시스템 및 이를 이용한 청소 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 힘제어를 이용한 수중 선체 청소 로봇 시스템의 자율 청소 방법은, (a) 위치정보 획득부가 로봇 본체와 연결된 매니퓰레이터의 위치정보 및 선체의 청소 대상체의 위치정보를 획득하는 단계; (b) 제어 모델링부가 획득한 상기 위치정보를 바탕으로 상기 매티퓰레이터와 청소 대상체의 상호 작용을 나타내는 댐퍼 시스템 모델을 설정하는 단계; 및 (c) 청소 구동부가 상기 설정된 댐퍼 시스템 모델을 바탕으로, 힘제어에 기반한 임피던스 제어를 통하여 상기 청소 대상체를 청소(Cleaning) 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (a) 단계는, (a1) 센서부가 상기 매니퓰레이터와 상기 청소 대상체의 위치정보를 측정하는 단계; 및 (a2) 위치정보 수집부가 상기 매니퓰레이터와 청소 대상체와의 거리를 산출하여 접근 거리 및 위치정보를 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (b) 단계는, 상기 제어 모델링부가 상기 매니퓰레이터 끝단부에서 각 방향에 대한 스프링 질량 댐퍼 시스템을 모델을 생성하여 설정하는 단계인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (b) 단계는, 상기 제어 모델링부가 상기 매니퓰레이터와 청소 대상체와의 실측 거리보다 큰 목표거리를 가정하고, 상기 매니퓰레이터 끝단부에서 각 방향에 대한 스프링 질량 댐퍼 시스템의 모델을 설정하는 단계인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (b) 단계는, 상기 제어 모델링부가 상기 매니퓰레이터와 청소 대상체와의 실측 거리보다 큰 목표거리를 가정하고, 다자유도 관절에 따른 상기 매니퓰레이터의 끝단부 각 방향에 대한 스프링 질량 댐퍼 시스템의 모델을 설정하는 단계인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (c) 단계는, 상기 청소 구동부가 상기 설정된 댐퍼 시스템 모델을 바탕으로, 상기 매니퓰레이터와 청소 대상체와의 실측 거리보다 크게 설정한 목표거리를 조절하여 상기 임피던스를 실시간으로 제어하는 방법으로 상기 청소 대상체를 청소(Cleaning) 하는 단계인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (c) 단계는, (c1) 제어 전략부(131)가 상기 매니퓰레이터와 상기 청소 대상체와의 방향별 목표거리에 따른 제어 전략을 설정하는 단계; (c2) 토크 산출부가 설정된 상기 제어 전략에 따라 상기 매니퓰레이터 끝단부의 방향별 토크값을 산출하는 단계; (c3) 제어부가 상기 목표거리를 조절하여 상기 매니퓰레이터의 임피던스를 제어하는 단계; 및 (c4) 구동부가 상기 제어부의 임피던스 제어에 따라 상기 매니퓰레이터를 구동하여 상기 청소 대상체를 청소(Cleaning) 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 토크값을 산출하는 식은,
(여기서, Pd 는 목표 위치, Kp는 각 방향별 스프링 상수, Kd는 댐퍼 상수, J는 Jacobian 행렬, g는 중력에 의한 처짐 힘, τ는 토크로서 제어입력을 의미한다.)와 같은 식을 충족하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 토크값은 상기 매니퓰레이터의 관절별 토크값으로, 상기 관절펼 토크값을 산출하는 식은,
(여기서, Kp는 각 방향별 스프링 상수, J-1는 역 Jacobian 행렬, Pd는 목표 위치, q는 관절 각도를 나타낸다.)와 같은 식을 충족하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 (c) 단계의 청소 프로세스 진행 중에 상기 위치정보 수집부로부터 실시간으로 수집한 위치정보를 바탕으로, 상기 댐퍼 시스템 모델의 파라미터 또는 상기 목표거리를 재설정하여 상기 임피던스를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 (c) 단계는, 상기 임피던스 제어부가 상기 위치정보 획득부로부터 수집된 위치정보를 바탕으로 실시간으로 가상 거리를 조절하여 상기 임피던스를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (c) 단계는, 임피던스 제어부가 상기 청소 대상체의 형상에 따라 접근 방향으로 임피던스 초기값과 청소 이동 방향의 임피던스 초기값을 서로 다르게 하여 임피던스를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 (c) 단계는, 임피던스 제어부가가 상기 청소 대상체의 접근 방향으로 임피던스 초기값을 미리 설정된 중간 값보다 낮게 설정하여 제어하고, 청소 이동 방향의 임피던스 초기값을 상기 중간 값보다 높게 설정하여 임피던스를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 힘제어를 이용한 선체 로봇 청소 시스템은 상술한 수중 선체 청소 로봇 시스템의 자율 청소 방법 방법에 따라 자율 청소를 수행하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 힘제어를 이용한 수중 선체 자율 청소 시스템은, 끝단부에 브러쉬 부재가 장착되는 다자유도 관절 기반의 매니퓰레이터; 상기 매니퓰레이터와 선체의 청소 대상체의 위치정보를 획득하는 위치정보 획득부; 및 획득한 상기 위치정보를 바탕으로 상기 매티퓰레이터와 청소 대상체의 상호 작용을 나타내는 스프링 질량 댐퍼(Spring-Mass-Damper) 시스템으로 모델링하고, 모델링된 모델에 따라 힘 제어에 기반한 임피던스 제어를 통한 상기 매니퓰레이터의 구동을 제어하여 상기 청소 대상체를 청소(Cleaning) 하는 청소 구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 청소 구동부는, 상기 매니퓰레이터와 상기 청소 대상체와 동력 운동을 스프링 질량 댐퍼(Spring-Mass-Damper) 시스템으로 모델링 하는 제어 모델링부; 상기 매니퓰레이터와 상기 청소 대상체와의 방향별 목표거리에 따른 제어 전략을 설정하는 제어 전략부와, 설정된 상기 제어 전략에 따라 상기 매니퓰레이터 끝단부의 방향별 토크값을 산출하는 토크 산출부와, 상기 목표거리 조절하여 따라 상기 매니퓰레이터의 임피던스를 제어하는 제어부를 포함하는 임피던스 제어부; 및 상기 상기 임피던스 제어부의 제어에 의해 상기 청소 경로를 따라 상기 매니퓰레이터를 구동하여 상기 청소 대상체를 청소(Cleaning) 하는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 매니퓰레이터 끝단부에 장착되고, 상기 청소 대상체와의 접촉에 의해 발생되는 힘 또는 토크를 측정하는 힘-토크 센서(FT sensor)를 포함하되, 상기 임피던스 제어부가 상기 토크 산출부에서 산출된 토크값과 상기 힘-토크 센서에서 측정된 토크값을 비교하여 상기 목표거리를 조절하는 것을 특징으로 한다.
기타 실시 예의 구체적인 사항은 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 및 첨부 "도면"에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 각종 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 각 실시 예의 구성만으로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로도 구현될 수도 있으며, 단지 본 명세서에서 개시한 각각의 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐임을 알아야 한다.
본 발명에 의하면, 수정 선체 틈새 영역에 있는 프로펠러와 같은 복잡한 표면에 적응할 수 있어 불규칙하거나 다양한 형상이 있는 경우에도 효율적으로 청소 할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 방향에 따라 임피던스 계수를 조정하여 매니퓰레이터(로봇 팔)가 움직이는 방향에 따라 다른 힘을 가할 수 있어 청소 성능이 향상될 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 힘제어 기반의 임피던스 제어는 위치 기반 제어 방식에 비해 불확실하고 다양한 환경을 처리하는데 더 견고(Robust)하므로 수중 선체 청소에 더 적합한 장점이 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 센서에 따라 임피던스 모델 파라미터 또는 목표거리를 실시간으로 조정하여 청소의 효율성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 힘제어를 이용한 수중 선체 자율 청소 시스템의 전체 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 힘제어를 이용한 수중 선체 자율 청소 시스템의 블록 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 힘제어를 이용한 수중 선체 청소 로봇 시스템의 자율 청소 방법의 상세 흐름을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 힘제어를 이요한 수중 선체 청소 시스템의 자율 청소 방법에 적용되는 스프링 질량 댐퍼 시스템 모델링의 개념도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 힘제어를 이요한 수중 선체 청소 시스템의 자율 청소 방법에 적용되는 스프링 질량 댐퍼 시스템에 가상의 목표거리를 적용한 모델링의 개념도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 힘제어를 이용한 수중 선체 청소 로봇 시스템의 자율 청소 방법에 적용되는 매니퓰레이터의 동작 모델링을 모식화한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 힘제어를 이용한 수중 선체 청소 로봇 시스템의 자율 청소 방법에서 방향성을 가지는 임피던스 제어방법의 예를 나타낸 모식도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 힘제어를 이용한 수중 선체 청소 로봇 시스템의 자율 청소 방법을 검증한 예로서, 곡면 작업 면(Curve surface)에서의 힘 제어를 나타낸 그래프이다.
본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.
즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니며, 이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있으며, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.
본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.
더 나아가서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"라고 기재한 경우에는, 이 구성 요소가 다른 구성 요소와 직접적으로 연결되어 있거나 접촉하여 설치되어 있을 수 있고, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있을 수도 있으며, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있는 경우에 대해서는 해당 구성 요소를 다른 구성 요소에 고정 내지 연결하기 위한 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재할 수 있으며, 이 제 3의 구성 요소 또는 수단에 대한 설명은 생략될 수도 있음을 알아야 한다.
반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결"되어 있다거나, 또는 "직접 접속"되어 있다고 기재되는 경우에는, 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재하지 않는 것으로 이해하여야 한다.
마찬가지로, 각 구성 요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 " ~ 사이에"와 "바로 ~ 사이에", 또는 " ~ 에 이웃하는"과 " ~ 에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지의 취지를 가지고 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 "일면", "타면", "일측", "타측", "제 1", "제 2" 등의 용어는, 사용된다면, 하나의 구성 요소에 대해서 이 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소로부터 명확하게 구별될 수 있도록 하기 위해서 사용되며, 이와 같은 용어에 의해서 해당 구성 요소의 의미가 제한적으로 사용되는 것은 아님을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에서 "상", "하", "좌", "우" 등의 위치와 관련된 용어는, 사용된다면, 해당 구성 요소에 대해서 해당 도면에서의 상대적인 위치를 나타내고 있는 것으로 이해하여야 하며, 이들의 위치에 대해서 절대적인 위치를 특정하지 않는 이상은, 이들 위치 관련 용어가 절대적인 위치를 언급하고 있는 것으로 이해하여서는 아니된다.
또한, 본 명세서에서는 각 도면의 각 구성 요소에 대해서 그 도면 부호를 명기함에 있어서, 동일한 구성 요소에 대해서는 이 구성 요소가 비록 다른 도면에 표시되더라도 동일한 도면 부호를 가지고 있도록, 즉 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지시하고 있다.
본 명세서에 첨부된 도면에서 본 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 본 발명의 사상을 충분히 명확하게 전달할 수 있도록 하기 위해서 또는 설명의 편의를 위해서 일부 과장 또는 축소되거나 생략되어 기술되어 있을 수 있고, 따라서 그 비례나 축척은 엄밀하지 않을 수 있다.
또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지 기술에 대해 상세한 설명은 생략될 수도 있다.
이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 힘제어를 이용한 수중 선체 자율 청소 시스템(1000)의 전체 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 힘제어를 이용한 수중 선체 자율 청소 시스템(1000)의 블록 구성을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 힘제어를 이용한 수중 선체 자율 청소 시스템(1000)은 청소 구동부(100)를 구비하는 로봇 본체와, 6 자유도 유압 구동식 매니퓰레이터(200)와, 브러시 부재(300)와, 위치정보 획득부(400)와, 바이오 파울링 흡입 시스템(도시 생략)을 포함하여 구성될 수 있다.
이러한 수중 선체 자율 청소 시스템(1000)(1000)은 주로 선체 하부의 프로펠러(10)에 부착된 바이오 파울링 모조물을 청소할 수 있지만, 선체 하부 등 다양한 청소 대상체를 청소할 수 있음은 물론이다.
또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 수중 선체 자율 청소 시스템(1000)(1000)은 선저의 복잡한 틈새 영역에 도달하기 위해 조작기를 사용할 수 있고, 유압 모터와 브러시로 구성된 브러시 도구(300)를 사용하여 바이오 파울링을 제거할 수 있다.
또한, 본 시스템(1000)은 매니퓰레이터(200)의 5번째 링크에 장착된 레이저 카메라 시스템과 같은 위치정보 획득부(400)를 이용하여 프로펠러(10)를 감지, 인식 및 위치정보를 획득할 수 있으며, 바이오 파울링 흡입 시스템의 펌프를 이용하여 세척된 바이오 파울링을 포집할 수 있다.
그리고, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 힘제어를 이용한 수중 선체 자율 청소 시스템(1000)은, 위치정보 획득부(400), 매니퓰레이터(200) 및 청소 구동부(100)를 포함하여 구성하되, 본체인 청소 구동부(100)는 제어 모델링부(120), 임피던스 제어부(130) 및 구동부(150)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 위치정보 획득부(400)는 로봇 본체와 연결된 매니퓰레이터(200)의 위치정보 및 선체의 청소 대상체의 위치정보를 획득하는 구성일 수 있는데, 상술한 매니퓰레이터(200)와 청소 대상체 위치정보를 측정하기 위한 센서, 카메라, 레이저 스캐너 등을 구비하는 센서부와, 센서부에서 측정된 정보를 수집하고, 수집된 정보로부터 위치정보를 도출하는 위치정보 수집부를 포함하여 구성될 수 있다.
위치정보 획득부(400)에서 구비되는 센서부의 카메라, 레이저 스캐너, 소나 또는 LIDAR 시스템, 근접 센서 등은 매니퓰레이터(200)와 청소 대상체 사이의 거리를 추정하는 센서일 수 있다.
이와 같은 센서로부터 수집한 정보는 측정되거나 추정된 실측 거리와 실측 거리보다 크게 설정한 목표거리를 통하여 임피던스 제어를 위한 제어 전략에 사용될 수 있다.
그리고, 매니퓰레이터(200)와 연결되는 본체 청소 구동부(100)는, 제어 모델링부와 임피던스 제어부(130)를 포함하여 구성되고, 임피던스 제어부(130)는 제어부는 제어 전략부, 토크값 산출부(133) 및 제어부(135)를 포함하여 구성될 수 있다.
제어 모델링부(120)은 획득한 상기 위치정보를 바탕으로 매티퓰레이터와 청소 대상체의 상호 작용을 나타내는 스프링 질량 댐퍼(Spring-Mass-Damper) 시스템으로 모델링하고, 모델링된 모델에 따라 힘 제어에 기반한 임피던스 제어를 통한 상기 매니퓰레이터(200)의 구동을 제어하여 상기 청소 대상체를 청소(Cleaning) 하는 구성일 수 있다.
보다 구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 청소 구동부(100)는, 상기 매니퓰레이터(200)와 상기 청소 대상체와 동력 운동을 스프링 질량 댐퍼(Spring-Mass-Damper) 시스템으로 모델링 하는 제어 모델링부; 상기 매니퓰레이터(200)와 상기 청소 대상체와의 방향별 목표거리에 따른 제어 전략을 설정하는 제어 전략부(131)와, 설정된 상기 제어 전략에 따라 상기 매니퓰레이터(200) 끝단부의 방향별 토크값을 산출하는 토크 산출부와, 상기 목표거리 조절하여 따라 상기 매니퓰레이터(200)의 임피던스를 제어하는 제어부(135)를 포함하는 임피던스 제어부(130); 및 상기 상기 임피던스 제어부(130)의 제어에 의해 상기 청소 경로를 따라 상기 매니퓰레이터(200)를 구동하여 상기 청소 대상체를 청소(Cleaning)하기 위한 매니퓰레이터(200)를 구동하는 구동부(150)를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 힘제어를 이용한 수중 선체 자율 청소 시스템(1000)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 매니퓰레이터(200) 끝단부에 장착되는 것으로, 청소 대상체와의 접촉에 의해 발생되는 힘 또는 토크를 측정하는 힘-토크 센서(500)(FT sensor)를 구비할 수 있다.
이를 통해, 임피던스 제어부(130)가 상기 토크 산출부에서 산출된 토크값과 상기 힘-토크 센서(500)에서 측정된 토크값을 비교하여 상기 목표거리를 조절할 수 있다.
즉, 힘-토크 센서(500)에 의한 토크 측정값과, 스프링 질량 댐퍼 시스템 모델을 통한 토크 산출값을 비교하여, 미리 설정된 일정한 범위에서 토크 산출값이 힘-토크 센서(500)에 의해 측정된 토크 값과 유사하도록 목표거리를 조절함으로써, 간접적으로 힘제어에 의한 임피던스 제어를 통해 청소 작업을 수행할 수 있게 된다.
이와 같이 본 발명의 실시예 따른 힘제어를 이용한 수중 선체 자율 청소 시스템(1000)은 후술하는 힘제어를 이용한 수중 선체 자율 청소 시스템(1000)의 청소 방법에 의해 수행된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 힘제어를 이용한 수중 선체 청소 로봇 시스템의 자율 청소 방법의 상세 흐름을 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 힘제어를 이용한 수중 선체 청소 로봇 시스템의 자율 청소 방법은, (a) 위치정보 획득 단계(S100)와, (b) 댐퍼 시스템 모델링 단계(S200)와, (c) 힘제어 기반의 임피던스 제어에 의한 청소(Cleaning) 단계(S300)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, (a) 단계는(S100), 위치정보 획득부(400)가 로봇 본체와 연결된 매니퓰레이터(200)의 위치정보 및 선체의 청소 대상체의 위치정보를 획득하는 단계일 수 있다.
(b) 단계는(S200), 제어 모델링부(120)가 획득한 상기 위치정보를 바탕으로 상기 매티퓰레이터와 청소 대상체의 상호 작용을 나타내는 댐퍼 시스템 모델을 설정하는 단계일 수 있다.
(c) 단계는(S300), 청소 구동부(100)가 상기 설정된 댐퍼 시스템 모델을 바탕으로, 힘제어에 기반한 임피던스 제어를 통하여 상기 청소 대상체를 청소(Cleaning) 하는 단계일 수 있다.
이하에서 본 발명의 실시예에 다른 힘제어를 이용한 수중 선체 청소 로봇 시스템의 자율 청소 방법의 각 단계별 구체적인 구성을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
(a) 단계는(S100), 위치정보 획득 단계로서, (a1) 센서부가 상기 매니퓰레이터(200)와 상기 청소 대상체의 위치정보를 측정하는 단계와, (a2) 위치정보 수집부가 상기 매니퓰레이터(200)와 청소 대상체와의 거리를 산출하여 접근 거리 및 위치정보를 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
즉, (a) 단계(S100)에서 센서부가 매니퓰레이터(200)의 끝단부에 장착된 센서들을 이용하여 매니퓰레이터(200) 및 청소 대상체의 위치정보를 측정한다. 센서부의 센서들은 상술한 바와 같이, 카메라, 레이저 스캐너, 소나 또는 LIDAR 시스템, 근접 센서 등을 포함할 수 있다.
위치정보가 측정되면, 위치정보 수집부가 매니퓰레이터(200)와 청소 대상체와의 거리를 산출하여 접근 거리 등의 위치정보를 획득할 수 있다.
(b) 단계(S200)는 모델링 단계로서, 본 발명의 실시예에 따른 힘제어를 이용한 수중 선체 청소 로봇 시스템의 자율 청소 방법을 구현하기 위해, 제어 모델링부(120)가 매니퓰레이터(200)와 청소 대상체의 상호 작용에 의한 동역학 운동을 스프링 질량 댐퍼(Spring mass Damper) 시스템으로 모델링한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 힘제어를 이요한 수중 선체 청소 시스템의 자율 청소 방법에 적용되는 스프링 질량 댐퍼 시스템 모델링의 개념도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 힘제어를 이요한 수중 선체 청소 시스템의 자율 청소 방법에 적용되는 스프링 질량 댐퍼 시스템에 가상의 목표거리를 적용한 모델링의 개념도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 힘제어를 이용한 수중 선체 청소 로봇 시스템의 자율 청소 방법에 적용되는 매니퓰레이터(200)의 동작 모델링을 모식화한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 시스템의 자율 청소 방법은 로봇 시스템의 매니퓰레이터(200)의 동작을 스프링 질량 댐퍼(Spring-Mass-Damper) 시스템으로 구성하고 모터의 전류를 제어하여 토크를 제어할 수 있는 방법을 제안한다.
가상의 매니퓰레이터(200)에 해당하는 로봇 시스템에 외력을 가하여 현재 위치 x 에서 xd로 이동하는 운동을 가정하고, 가상의 스프링 댐퍼가 장착된 로봇시스템(M)의 움직임으로 가정하여 다음의 [수학식 1]과 같이, 폐쇄 루프 동역학 운동 방정식을 구성할 수 있다.
그리고, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 시스템의 자율 청소 방법은 청소 대상체의 위치에 해당하는 xwall 뒤로 가상의 목표위치(xd)를 설정하여 다음의 [수학식 2]와 같이 운동 방적식을 구성할 수 있다.
즉, 목표위치 xd를 목표 청소구역으로 xwall 뒤쪽에 두게 된다면, [수학식]와 같이 가상 스프링에 의한 변외차이 만큼 일정한 힘을 환경에 전달하게 된다.
만약, 이 xd의 위치를 임의로 조절한다면, 이에 따라 매니퓰레이터가 청소 대상체에 가하는 힘에 해당하는 fext의 크기는 변화게 되며, fext = fd가 되는 xd를 입력하게 되면, 매니퓰레이터(200)는 청소구역을 일정한 힘 fd로 밀면서 움직이게 되므로, 목표위치 또는 목표거리로 매니퓰레이터(200)의 간접 힘제어에 의한 임피던스 제어를 달성할 수 있다.
이와 같이 (b) 단계(S200)에서, 제어 모델링부(120)가 상기 매니퓰레이터(200) 끝단부에서 각 방향에 대한 스프링 질량 댐퍼(Spring-Mass-Damper) 시스템을 모델을 생성하여 설정할 수 있고, 매니퓰레이터(200)와 청소 대상체와의 실측 거리와 상기 실측 거리보다 큰 목표거리를 가정하고, 상기 매니퓰레이터(200) 끝단부에서 각 방향에 대한 스프링 질량 댐퍼 시스템(Spring-Mass-Damper)의 모델을 설정할 수도 있다.
그리고, 도 6의 (a)는 본 발명의 실시예에 따른 청소 시스템의 매니퓰레이터(200)가 청소 대상체에 청소를 위해 가해지는 동작을 모델링한 모식도이고, 도 4의 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 힘제어를 이용한 수중 선체 청소 로봇 시스템의 사진이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 자율 청소 방법에 적용되는 매니퓰레이터(200)의 청소 동작을 모델링할 수 있고, 다음의 [수학식 3]과 같이 작업 공간에서의 매니퓰레이터(200)의 운동방정식을 구성할 수 있다.
여기서 는 관성행렬을 나타내고, 는 코리올리 벡터를 나타내고, 는 중력벡터를 나타내고, 는 매니퓰레이터(200) 끝단부의 힘을 나타낸다.
[수학식 3]은 작업 공간에서의 운동방정식을 나타내지만, 실제 다자유도 관절을 기반으로 하는 매니퓰레이터(200)에 적합하도록 관절 공간에서의 운동방정식으로 변환하기 위해 다음의 [수학식 4]와 같이 자코비안 행렬을 사용하여 변환할 수 있다.
여기서, τ는 관절 토크를 나타내고, J는 자코비안 행렬(Jacobian Matrix)을 나타낸다.
[수학식 4]를 이용하여 관절공간에서의 운동방정식을 통해 최종 제어입력으로서 관절토크 값을 다음의 [수학식 5]와 같이 산출될 수 있다.
여기서, Pd 는 목표 위치, Kp는 각 방향별 스프링 상수이고, Kd는 댐퍼 상수이고, J는 자코비안 행렬(Jacobian Matrix)이고, g는 중력에 의한 처짐 힘을 나타내고, τ는 토크로서 제어입력을 나타낸다.
그러나, 본 발명의 실시예에 따른 힘제어를 이용한 수중 선체 청소 로봇 시스템의 자율 청소 방법에서 방향성을 가지는 임피던스 제어를 위해서는 다시 작업 공간(또는 Cartesain Space)에서의 임피던스를 설정해야 하기 때문에, [수학식 5]를 다음의 [수학식 6]과 같이, 작업 공간에서의 방향별 관절 토크값의 산출식으로 변환할 수 있다.
이 때 작업 공간에서의 게인(Kp, Kd)는 각각 6×1 행렬이고, 각 행렬은 [Kpx, Kpy, Kpz, Kprx, Kpry, Kprz]T , [Kdx, Kdy, Kdz, Kdrx, Kdry, Kdrz]T로 구성되고, 청소 방향을 x라 하면, Kpx, Kdx 만 임피던스 값을 줄이고, 나머지 방향은 임피던스를 강하게 유지할 수 있다.
즉, x 방향에 대해서는 힘에 순응하면서 제어하고, 미리 설정된 원하는(desired) 힘을 주면, 그 힘으로 밀면서(순응 하면서) 청소하고, 다른 방향에 대해서는 임피던스를 강하게 유지하여, 청소 로봇 시스템의 청소 효율성, 속도 및 성능을 높일 수 있다.
여기서, Kp는 각 방향별 스프링 상수, J-1는 역 자코비안 행렬(Jacobian Matrix), Pd는 목표 위치, q는 관절 각도를 나타낸다.
즉, [수학식 6]을 통해 원하는 방향으로의 강성 또는 임피던스를 제어하여 결정할 수 있다.
이처럼, (b) 단계에서, 제어 모델링부(120)가 상기 매니퓰레이터(200)와 청소 대상체와의 실측 거리와 상기 실측 거리보다 큰 목표거리를 가정하고, 다자유도 관절에 따른 상기 매니퓰레이터(200)의 끝단부 각 방향에 대한 스프링 질량 댐퍼 시스템의 모델을 설정할 수 있다.
그리고, (c) 단계(S300)에서, 청소 구동부(100)가 상술한 설정된 스프링 질량 댐퍼 시스템 모델을 바탕으로, 매니퓰레이터(200)와 청소 대상체와의 실측 거리보다 크게 설정한 목표거리를 조절하여 상기 임피던스를 실시간으로 제어하는 방법으로 상기 청소 대상체를 청소(Cleaning) 할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, (c) 단계(S300)에서, (c1) 제어 전략부(131)가 매니퓰레이터(200)와 청소 대상체와의 방향별 목표거리에 따른 제어 전략을 설정하는 단계(S310)와, (c2) 토크 산출부가 설정된 상술한 제어 전략에 따라 상기 매니퓰레이터(200) 끝단부의 방향별 토크값을 산출하는 단계(S320)와, (c3) 제어부가 상기 목표거리 조절하여 따라 상기 매니퓰레이터(200)의 임피던스를 제어하는 단계(S330)와, (c4) 구동부(150)가 제어부의 임피던스 제어에 따라 매니퓰레이터(200)를 구동하여 상기 청소 대상체를 청소(Cleaning) 하는 단계(S340)를 포함할 수 있다.
또한, (c) 단계(S300)의 청소 프로세스 진행 중에 위치정보 수집부로부터 실시간으로 수집한 위치정보를 바탕으로, 스프링 질량 댐퍼 시스템 모델의 파라미터 또는 상기 목표거리를 재설정하여 상기 임피던스를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이와 같은 실시간으로 센서 등에 의한 측정값을 바탕으로 모델을 업데이트하고, 목표거리를 재설정하여 청소의 효율과 성능을 높일 수 있다. 즉, 힘-토크 센서(500) 판독값, 위치 또는 근접 센서 데이터, 관절 조인트 토크를 지속적으로 모니터링하여 필요에 따라 임피던스 제어 전랴, 임피던스 모델 파라미터 및 목표거리를 조정하여 효과적으로 청소의 효율성 및 성능을 높일 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 힘제어를 이용한 수중 선체 청소 로봇 시스템의 자율 청소 방법에서 방향성을 가지는 임피던스 제어방법의 예를 나타낸 모식도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 임피던스 제어부(130)가 상기 청소 대상체의 형상에 따라 접근 방향으로 임피던스 초기값과 청소 이동 방향의 임피던스 초기값을 서로 다르게 하여 임피던스를 제어할 수 있다.
보다 구체적으로, 임피던스 제어부(130)가 청소 대상체의 접근 방향으로 임피던스 초기값을 미리 설정된 중간 값보다 낮게 설정하여 제어하고, 청소 이동 방향의 임피던스 초기값을 상기 중간 값보다 높게 설정하여 임피던스를 제어할 수 있다.
이와 같이, 청소 방향과 청소 이동 방향을 다르게 임피더스 값을 설정하는 것은, 바이오 파울링을 제거하기 위해 청소 대상체 방향으로 가해지는 힘을 부드럽게 하여 청소하는 과정에서 발생할 수 있는 청소 대상체와의 과한 충돌 및 로봇 시스템의 손상을 방지하고, 청소 이동방향으로는 충돌 위험이 낮으므로 임피던스 및 가성을 높게하여 빠른 이동이 가능하게 함으로써, 청소의 효율성 및 성능을 높일 수 있기 때문이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 힘제어를 이용한 수중 선체 청소 로봇 시스템의 자율 청소 방법을 검증한 예로서, 곡면 작업 면(Curve surface)에서의 힘 제어를 나타낸 그래프이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 힘제어를 이용한 수중 선체 청소 로봇 시스템의 자율 청소 방법을 적용하여 곡면 작업 면(Curve surface)에서의 힘 제어 수행을 검증하는 실험을 진행한 결과, 목표로 하는 일정한 힘(10N)이 청소 로봇 시스템의 매니퓰레이터(200)의 청소 방향(z 방향)으로 가해지고 있는 것을 알 수 있다.
즉, 곡면 작업 면과 접촉하는 경로점에서 일정한 힘 Fz 방향으로 가하면서 이동하도록 임피던스 제어하기 위해, [수학식 5]에 나타낸 바와 같이, 원하는 목표거리(Pd)를 제어할 수 있고, 이 결과 원하는 10N의 힘이 일정 시간 동안 나타나고 있음을 명확히 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 힘제어를 이용한 수중 선체 청소 로봇 시스템 및 이의 자율 청소 방법은 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 수정 선체 틈새 영역에 있는 프로펠러와 같은 복잡한 표면에 적응할 수 있어 불규칙하거나 다양한 형상이 있는 경우에도 효율적으로 청소 할 수 있다.
둘째, 방향에 따라 임피던스 계수를 조정하여 매니퓰레이터(200)(로봇 팔)이 움직이는 방향에 따라 다른 힘을 가할 수 있어 청소 성능이 향상될 수 있다.
셋째, 힘제어 기반의 임피던스 제어는 위치 기반 제어 방식에 비해 불확실하고 다양한 환경을 처리하는데 더 견고(Robust)하므로 수중 선체 청소에 더 적합한 장점이 있다.
넷째, 본 발명의 실시예에 따른 자율 청소 로봇 시스템 및 이의 청소 방법은 센서에 따라 임피던스 모델 파라미터 또는 목표거리를 실시간으로 조정하여 청소의 효율성을 향상시킬 수 있다.
이상, 일부 예를 들어서 본 발명의 바람직한 여러 가지 실시 예에 대해서 설명하였지만, 본 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 항목에 기재된 여러 가지 다양한 실시 예에 관한 설명은 예시적인 것에 불과한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 설명으로부터 본 발명을 다양하게 변형하여 실시하거나 본 발명과 균등한 실시를 행할 수 있다는 점을 잘 이해하고 있을 것이다.
또한, 본 발명은 다른 다양한 형태로 구현될 수 있기 때문에 본 발명은 상술한 설명에 의해서 한정되는 것이 아니며, 이상의 설명은 본 발명의 개시 내용이 완전해지도록 하기 위한 것으로 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항에 의해서 정의될 뿐임을 알아야 한다.
100 : 청소 구동부
130 : 임피던스 제어부
131 : 제어 전략부
133 : 토크값 산출부
135 : 제어부
150 : 구동부
200 : 매니퓰레이터
400 : 위치정보 획득부
500 : 힘-토크 센서

Claims (17)

  1. (a) 위치정보 획득부가 로봇 본체와 연결된 매니퓰레이터의 위치정보 및 선체의 청소 대상체의 위치정보를 획득하는 단계;
    (b) 제어 모델링부가 획득한 상기 위치정보를 바탕으로 상기 매니퓰레이터와 청소 대상체의 상호 작용을 나타내는 댐퍼 시스템 모델을 설정하는 단계; 및
    (c) 청소 구동부가 상기 설정된 댐퍼 시스템 모델을 바탕으로, 힘제어에 기반한 임피던스 제어를 통하여 상기 청소 대상체를 청소(Cleaning) 하는 단계를 포함하되;
    상기 (c) 단계는,
    임피던스 제어부가 상기 청소 대상체의 접근 방향으로 임피던스 초기값을 미리 설정된 중간 값보다 낮게 설정하여 제어하고, 청소 이동 방향의 임피던스 초 기값을 상기 중간 값보다 높게 설정하여 임피던스를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    힘제어를 이용한 수중 선체 청소 로봇 시스템의 자율 청소 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (a) 단계는,
    (a1) 센서부가 상기 매니퓰레이터와 상기 청소 대상체의 위치정보를 측정하는 단계; 및
    (a2) 위치정보 수집부가 상기 매니퓰레이터와 청소 대상체와의 거리를 산출하여 접근 거리 및 위치정보를 획득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    힘제어를 이용한 수중 선체 청소 로봇 시스템의 자율 청소 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    상기 제어 모델링부가 상기 매니퓰레이터 끝단부에서 각 방향에 대한 스프링 질량 댐퍼 시스템의 모델을 생성하여 설정하는 단계인 것을 특징으로 하는,
    힘제어를 이용한 수중 선체 청소 로봇 시스템의 자율 청소 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    상기 제어 모델링부가 상기 매니퓰레이터와 청소 대상체와의 실측 거리보다 큰 목표거리를 가정하고, 상기 매니퓰레이터 끝단부에서 각 방향에 대한 스프링 질량 댐퍼 시스템의 모델을 설정하는 단계인 것을 특징으로 하는,
    힘제어를 이용한 수중 선체 청소 로봇 시스템의 자율 청소 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 (b) 단계는,
    상기 제어 모델링부가 상기 매니퓰레이터와 청소 대상체와의 실측 거리보다 큰 목표거리를 가정하고, 다자유도 관절에 따른 상기 매니퓰레이터의 끝단부 각 방향에 대한 스프링 질량 댐퍼 시스템의 모델을 설정하는 단계인 것을 특징으로 하는,
    힘제어를 이용한 수중 선체 청소 로봇 시스템의 자율 청소 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    상기 청소 구동부가 상기 설정된 댐퍼 시스템 모델을 바탕으로, 상기 매니퓰레이터와 청소 대상체와의 실측 거리보다 크게 설정한 목표거리를 조절하여 상기 임피던스를 실시간으로 제어하는 방법으로 상기 청소 대상체를 청소(Cleaning) 하는 단계인 것을 특징으로 하는,
    힘제어를 이용한 수중 선체 청소 로봇 시스템의 자율 청소 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    (c1) 제어 전략부(131)가 상기 매니퓰레이터와 상기 청소 대상체와의 방향별 목표거리에 따른 제어 전략을 설정하는 단계;
    (c2) 토크 산출부가 설정된 상기 제어 전략에 따라 상기 매니퓰레이터 끝단부의 방향별 토크값을 산출하는 단계;
    (c3) 제어부가 상기 목표거리를 조절하여 상기 매니퓰레이터의 임피던스를 제어하는 단계; 및
    (c4) 구동부가 상기 제어부의 임피던스 제어에 따라 상기 매니퓰레이터를 구동하여 상기 청소 대상체를 청소(Cleaning) 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    힘제어를 이용한 수중 선체 청소 로봇 시스템의 자율 청소 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 토크값을 산출하는 식은,

    (여기서, Pd 는 목표 위치, Kp는 각 방향별 스프링 상수, Kd는 댐퍼 상수, J는 Jacobian 행렬, g는 중력에 의한 처짐 힘, τ는 토크로서 제어입력을 의미한다.)와 같은 식을 충족하는 것을 특징으로 하는,
    힘제어를 이용한 수중 선체 청소 로봇 시스템의 자율 청소 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 토크값은 상기 매니퓰레이터의 관절별 토크값으로, 상기 관절별 토크값을 산출하는 식은,

    (여기서, Kp는 각 방향별 스프링 상수, J-1는 역 Jacobian 행렬, Pd는 목표 위치, q는 관절 각도를 나타낸다.)와 같은 식을 충족하는 것을 특징으로 하는,
    힘제어를 이용한 수중 선체 청소 로봇 시스템의 자율 청소 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 (c) 단계의 청소 프로세스 진행 중에 위치정보 수집부로부터 실시간으로 수집한 위치정보를 바탕으로, 상기 댐퍼 시스템 모델의 파라미터 또는 상기 목표거리를 재설정하여 상기 임피던스를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    힘제어를 이용한 수중 선체 청소 로봇 시스템의 자율 청소 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    상기 임피던스 제어부가 상기 위치정보 획득부로부터 수집된 위치정보를 바탕으로 실시간으로 가상 거리를 조절하여 상기 임피던스 제어부를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    힘제어를 이용한 수중 선체 청소 로봇 시스템의 자율 청소 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    임피던스 제어부가 상기 청소 대상체의 형상에 따라 접근 방향으로 임피던스 초기값과 청소 이동 방향의 임피던스 초기값을 서로 다르게 하여 임피던스를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    힘제어를 이용한 수중 선체 청소 로봇 시스템의 자율 청소 방법.
  13. 삭제
  14. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 방법에 따라 자율 청소를 수행하는 힘제어를 통한 선체 청소 시스템.
  15. 끝단부에 브러쉬 부재 가 장착되는 다자유도 관절 기반의 매니퓰레이터;
    상기 매니퓰레이터와 선체의 청소 대상체의 위치정보를 획득하는 위치정보 획득 부; 및
    획득한 상기 위치정보를 바탕으로 상기 매니퓰레이터와 청소 대상체의 상호 작용을 나타내는 스프링 질량 댐퍼(Spring-Mass-Damper) 시스템으로 모델링하고, 모델링된 모델에 따라 힘 제어에 기반한 임피던스 제어를 통한 상기 매니퓰레이터의 구동을 제어하여 상기 청소 대상체를 청소(Cleaning) 하는 청소 구동부를 포함하고;
    상기 청소 구동부는,
    상기 매니퓰레이터와 상기 청소 대상체와 동력 운동을 스프링 질량 댐 퍼(Spring-Mass-Damper) 시스템으로 모델링 하는 제어 모델링부;
    상기 매니퓰레이터와 상기 청소 대상 체와의 방향별 목표거리에 따른 제어 전략을 설정하는 제어 전략부와 , 설정된 상기 제어 전략에 따라 상기 매니퓰레이터 끝단부의 방향별 토크값을 산출하는 토크 산출부와, 상기 목표거리에 따라 상기 매니퓰레이터의 임피던스를 제어하는 제어부를 포함하는 임피던스 제어부; 및
    상기 임피던스 제어부의 제어에 의해 청소 경로를 따라 상기 매니퓰레이터를 구동하여 상기 청소 대상체를 청소(Cleaning) 하는 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    힘제어를 이용한 수중 선체 자율 청소 시스템.
  16. 삭제
  17. 제15항에 있어서,
    상기 매니퓰레이터 끝단부에 장착되고, 상기 청소 대상체와의 접촉에 의해 발생되는 힘 또는 토크를 측정하는 힘-토크 센서(FT sensor)를 포함하되,
    상기 임피던스 제어부가 상기 토크 산출부에서 산출된 토크값과 상기 힘-토크 센서에서 측정된 토크값을 비교하여 상기 목표거리를 조절하는 것을 특징으로 하는,
    힘제어를 이용한 수중 선체 자율 청소 시스템.


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