KR20010009585A - 미장로봇을 위한 경로계획 생성방법 - Google Patents

미장로봇을 위한 경로계획 생성방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 미장로봇을 위한 경로계획 생성방법에 관한 것으로서, 배경도면 입력모드, 미장영역 입력모드, 구조물 선택모드, 시뮬레이션 모드 및 환경설정 모드 등으로 구성된 화면을 표시하는 단계(ST10); 상기 단계(ST10)에서 표시되는 화면을 통하여 미장영역 및 장애물의 정보를 입력하는 단계(ST20); 미장로봇 상에서 꼭지점에 대한 좌표 계산이 용이하도록 대칭형의 다각형으로 모델링하는 단계(ST30); 미장작업을 위한 작업영역을 일정한 크기의 셀로 분할하는 장애물 지도 생성 단계(ST40); 장애물과 그 주변의 셀에 에너지 필드를 정의하는 장애물 포텐셜 레벨링 단계(ST50); 장애물의 주변을 돌아가기 위한 주요 통과지점을 설정하고 경로를 만들어 가는 트래킹 포인트 생성 단계(ST60); 최종경로가 생성되는 판단하여 yes이면 다음 단계로 진행하나, no이면 상기 단계 ST40으로 가서 시작 셀과 목표 셀간을 통과하는 일련의 연결이 이루어지도록 반복하는 단계(ST70); 및 생성된 최종경로를 시각적으로 확인할 수 있도록 하면서 미장로봇에 전송할 데이터를 생성하여 저장하는 시뮬레이션 수행 단계(ST80)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 함에 따라, 미리 입력된 작업영역에 대한 도면 데이터를 이용하여 최적의 경로를 생성한 다음 그래픽으로 표시하여 시뮬레이션을 수행함에 따라 작업의 효율성을 높이는 동시에 불측의 안전사고를 방지하는 효과가 있다.

Description

미장로봇을 위한 경로계획 생성방법 {METHOD OF PRODUCING MOTION PLANNING FOR TROWELING ROBOT}
본 발명은 미장로봇을 위한 경로계획 생성방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 미리 입력된 작업영역에 대한 도면 데이터를 이용하여 최적의 경로를 생성한 다음 그래픽으로 표시하여 시뮬레이션을 수행함에 따라 작업의 효율성을 높이는 동시에 불측의 안전사고를 방지하는 미장로봇을 위한 경로계획 생성방법에 관한 것이다.
일반적으로 바퀴로 움직이는 이동로봇이나 무인운반차량(AGV)은 현재의 위치로부터 목적하는 위치로 이동하기 위하여 이동공간 상에 놓인 장애물을 회피하여 최소의 에너지가 소비되는 경로를 찾기 위한 알고리즘을 사용하게 된다. 이를 위해 이동로봇과 장애물을 하나의 에너지 필드로 설정하고 이동로봇이 장애물에 접근하는 경우 에너지 필드간의 반발력이 증가하는 특성을 사용하여 충돌회피 계획을 생성하였다.
그러나 미장작업에 있어서의 경로계획은 장애물이 있는 위치를 제외한 모든 작업영역을 통과해야 한다는 측면에서 시작점과 종료점을 주고 최적경로를 찾도록 하는 종래의 이동로봇에서의 경로계획 알고리즘과 확실히 구별된다. 대부분의 미장작업을 위한 공간에는 다수의 기둥이 존재하기 때문에 미장로봇이 이러한 장애물과 충돌되지 않으면서 자율적으로 미장작업을 수행하는 최적의 경로를 생성하는 것이 필요하다.
또한 종래의 알고리즘을 사용하는 이동로봇의 경우 장애물간의 거리 정보만 사용하기 때문에 같은 자리를 계속 선회하는 데드록(deadlock) 현상을 초래하는 단점이 있다.
이에 따라 본 발명은 미리 입력된 작업영역에 대한 도면 데이터를 이용하여 최적의 경로를 생성한 다음 그래픽으로 표시하여 시뮬레이션을 수행함에 따라 작업의 효율성을 높이는 동시에 불측의 안전사고를 방지하는 미장로봇을 위한 경로계획 생성방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 경로계획 생성방법을 나타내는 플로우챠트,
도 2는 본 발명에 따른 프로그램의 시작화면의 구성을 나타내는 도표,
도 3은 본 발명에 사용되는 데이터 구조의 모형을 나타내는 도식도.
도 4는 본 발명에 따른 미장로봇에 대한 모델링을 나타내는 도식도,
도 5, 도 6a 및 6b는 본 발명에 사용되는 충돌감지 알고리즘을 설명하는 도식도,
도 7은 본 발명에 따른 작업공간 모델링을 나타내는 도식도,
도 8은 장애물의 외곽을 추적하는 상태를 나타내는 도식도,
도 9a 내지 도 9d는 본 발명에 따른 시뮬레이션을 위한 최종경로를 생성하는 주요 과정을 나타내는 도식도.
이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 작업공간 및 미장로봇에 대한 정보를 입력하면 장애물과 충돌을 피하면서 미장작업을 수행하기 위한 경로를 자동으로 생성하고 시뮬레이터를 통하여 실제 운동간의 불일치 또는 불협화음이 방지되도록 하는 경로계획 방법에 있어서: 배경도면 입력모드, 미장영역 입력모드, 구조물 선택모드, 시뮬레이션 모드 및 환경설정 모드 등으로 구성된 화면을 표시하는 단계(ST10); 상기 단계(ST10)에서 표시되는 화면을 통하여 미장영역 및 장애물의 정보를 입력하는 단계(ST20); 미장로봇 상에서 꼭지점에 대한 좌표 계산이 용이하도록 대칭형의 다각형으로 모델링하는 단계(ST30); 미장작업을 위한 작업영역을 일정한 크기의 셀로 분할하는 장애물 지도 생성 단계(ST40); 장애물과 그 주변의 셀에 에너지 필드를 정의하는 장애물 포텐셜 레벨링 단계(ST50); 장애물의 주변을 돌아가기 위한 주요 통과지점을 설정하고 경로를 만들어 가는 트래킹 포인트 생성 단계(ST60); 최종경로가 생성되는 판단하여 yes이면 다음 단계로 진행하나, no이면 상기 단계 ST40으로 가서 시작 셀과 목표 셀간을 통과하는 일련의 연결이 이루어지도록 반복하는 단계(ST70); 및 생성된 최종경로를 시각적으로 확인할 수 있도록 하면서 미장로봇에 전송할 데이터를 생성하여 저장하는 시뮬레이션 수행 단계(ST80)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이때 상기 단계 ST70은 큰 셀 내의 단위 셀들의 갯수를 일정치까지 줄여 가면서 반복하여도 최종경로가 생성되지 않는 경우 경로 만들기에 실패한 큰 셀들을 연결에서 제외시킨 상태에서 현재 셀과 목표 셀간의 거리가 최소가 되도록 하는 셀을 연결한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 경로계획 생성방법을 나타내는 플로우챠트로서, 각 단계(ST10∼ST80)는 이하의 설명에서 전체적으로 동일하게 인용된다. 본 발명은 작업공간 및 미장로봇에 대한 정보를 입력하면 장애물과 충돌을 피하면서 미장작업을 수행하기 위한 경로를 자동으로 생성하고 시뮬레이터를 통하여 실제 운동간의 불일치 또는 불협화음이 방지되도록 하는 경로계획 방법에 관련된다.
도 2는 본 발명에 따른 프로그램의 시작화면의 구성을 나타내는 도표가 도시된다.
본 발명의 처음 단계(ST10)는 배경도면 입력모드, 미장영역 입력모드, 구조물 선택모드, 시뮬레이션 모드 및 환경설정 모드 등으로 구성된 화면을 표시하여 작업자가 소정의 명령을 입력할 수 있도록 한다.
배경도면 입력모드는 기 작성된 건설도면을 스캐닝하여 미장작업을 수행할 전체 작업영역을 입력하는 모드이다. 미장영역 입력모드는 입력된 배경에 대하여 전체를 한번에 작업할 수 없는 특성 때문에 콘크리트가 타설된 미장작업 영역을 전체 도면에 입력하는 모드이다. 구조물 선택모드는 입력된 도면상에 벽면, 기둥 등의 장애물을 입력하는 모드이다. 기둥은 원형은 물론 정사각형, 직사각형을 포함한 다각형의 모양으로 입력할 수 있다.
또, 본 발명의 단계 ST20에서는 상기 단계(ST10)에서 표시되는 화면을 통하여 사용자가 입력하는 미장영역 및 장애물의 정보가 기억장치에 저장되고 처리된다. 이러한 동작 외에 도 2에서 나타내는 미설명 입력, 예컨대 "불러오기", "로봇선택" 등을 처리한다.
한편 도 3은 본 발명에 사용되는 데이터 구조의 모형을 나타내는 도식도로서, 벽면과 기둥 등의 구조물의 종류, 위치, 크기를 입력하는 데이터 구조의 모형이다. 데이터는 전체적으로는 체인형의 구조를 지니면서 하나의 객체는 이전의 객체를 지시하는 포인터 및 이후 객체를 지시하는 포인터를 지니므로 메모리의 낭비가 적고 데이터의 편집, 추가, 삭제 및 치환이 용이하다.
또, 본 발명의 단계 ST30에서는 미장로봇 상에서 꼭지점에 대한 좌표 계산이 용이하도록 대칭형의 다각형으로 모델링한다.
도 4는 본 발명에 따른 미장로봇에 대한 모델링을 나타내는 도식도로서, 본 발명에서는 경로계획을 위하여 미장로봇을 팔각형으로 모델링한다. 로봇의 위치 및 회전각을 각각 x, y, theta 로 표현할 때 중심에 대한 각 꼭지점의 좌표는 다음 식으로 표현된다.
, 0 〈= i 〈= 7
도시하는 바와 같이 대칭되는 팔각형으로 모델링하면 a, b, c, d로 표시되는 간단한 데이터를 이용하여 충돌이 발생하는 꼭지점의 좌표 및 변의 직선 방정식을 계산하기 용이하여 마이크로 프로세서의 연산에 따른 속도를 줄일 수 있으므로 로봇의 이동을 리얼타임으로 제어하는 것이 가능하다.
마찬가지로 작업영역 내의 장애물은 이차원 평면상의 다각형 및 곡선으로 구분되는데 다각형은 꼭지점과 꼭지점간의 길이에 대한 정보로 표현되며, 곡선은 유사한 다각형으로 피팅(Fitting)하면 꼭지점들의 집합으로 표현될 수 있다.
한편, 도 5, 도 6a 및 6b는 본 발명에 사용되는 충돌감지 알고리즘을 설명하는 도식도가 도시된다.
충돌감지 알고리즘은 로봇을 표현하는 선과 장애물의 외곽선간의 충돌(Line-to-Line Collision)감지 및 로봇의 각 경계점이 장애물 내에 포함되는지 또는 장애물의 경계가 로봇에 포함되는지의 분석을 통한 충돌(Point-to-Polygon Collision)감지 등으로 구분된다.
이때 전자의 충돌감지는 다음의 식으로 표시되는 바, 로봇 및 장애물에 포함되는 임의의 두 직선을 각각 l_1 = a_1 x +b_1 , l_2 = a_2 x +b_2 라 할 때 두 직선의 교점의 좌표는,로 되므로 충돌감지 조건은
(x_11 〈= x_c 〈= x_12 ) BIGWEDGE (x_21 〈= x_c 〈= x_22 ) BIGWEDGE (y_11 〈= y_c 〈= y_12 ) BIGWEDGE (y_21 〈= y_c 〈= y_22 ) 가 된다.
또한 상기한 후자의 충돌감지에서는 한 점이 다각형에 내부에 포함된 경우에가 성립하고, 한 점이 다각형에 포함되지 않은 경우에가 성립하는 조건을 지닌다.
또, 본 발명에 따르면 미장작업을 위한 작업영역을 일정한 크기의 셀로 분할하는 장애물 지도 생성 단계(ST40)와, 장애물과 그 주변의 셀에 에너지 필드를 정의하는 장애물 포텐셜 레벨링 단계(ST50)를 구비한다.
상기한 단계를 통하여 설명한 각종 입력정보, 로봇의 모델인, 충돌감지 알고리즘 등을 이용하여 미장로봇과 장애물간의 충돌회피 경로계획을 생성하기 위해서는 먼저 작업공간을 일정한 크기의 셀(Cell)로 나누는 장애물 지도 생성(Obstacle Map Making) 과정 및 장애물의 경계·내부·외부를 구분하는 장애물 포텐셜 레벨링(Obstacle Potential Leveling) 과정을 거친다.
도 7은 본 발명에 따른 작업공간 모델링을 나타내는 도식도로서, 작업영역을 일정한 크기의 셀로 분할한 다음 주변의 셀에 대하여 에너지 필드를 정의하는 것을 알 수 있다. 구체적으로 몇 개의 단위 셀을 묶어 하나의 큰 셀로 보고 정의된 큰 셀들을 연결하여 미장로봇의 시작 셀 및 목표 셀 사이에 연결통로를 만든다. 시작 셀에는 시작위치 및 자세가 포함되고, 목표 셀에는 목표 위치 및 자세가 포함된다. 단, 큰 셀의 선택시 선택하고자 하는 큰 셀과 목표 셀간의 거리, 시작 셀과의 거리 그리고 큰 셀 내의 장애물 셀의 갯수 등으로 표현되는 평가함수를 최소로 만드는 큰 셀들을 선택하여 연결한다.
상기 단계는 터널을 만들어 시작 셀과 목표 셀간을 통과하는 일련의 연결을 만들어 간다. 경로는 터널을 구성하는 셀 내에서 장애물 셀들을 회피하면서 현재 셀과 목표 셀간의 거리가 최소가 되도록 하는 셀을 국소영역 스캐닝 방식에 기초하여 현재 셀과 이웃하는 셀 중에서 선택하여 연결해 나감으로써 구한다.
또, 본 발명에 따르면 장애물의 주변을 돌아가기 위한 주요 통과지점을 설정하고 경로를 만들어 가는 트래킹 포인트 생성 단계(ST60) 및 스캐닝(Scanning) 과정을 구비한다.
트래킹 포인트 생성(Tracking Point Generation) 과정은 큰 셀의 연결 중에 뒤엉킴 현상이 발생했는지를 검사하고 뒤엉킴 현상이 있으면 제안된 재추적 방법으로 뒤엉킴이 없는 연결상태를 만든다. 이러한 큰 셀들의 연결로 이루어진 연결통로 내에서 충돌감지 결과를 참조하여 기본단위 셀들의 연결로 이루어지는 최종경로를 만든다.
재추적 과정은 뒤엉킴 현상이 시작되는 모든 중간 셀을 중간목표 셀로 설정하고 시작 셀과 목표 셀을 연결하는 경로를 생성함으로써 뒤엉킴이 없는 작업경로를 만들 수 있다. 2차원의 작업공간 상에서 장애물을 회피하면서 비어있는 작업공간을 모두 거쳐가기 위해서는 중간목표점(Tracking Point)이 필요하다. 중간목표점은 로봇의 운동에너지를 작게 하고 이동 특성을 일정하게 하기 위하여 경로 이동 중 로봇의 자세를 일정하게 유지할 수 있도록 설정한다.
또, 본 발명의 단계 ST70에서는 최종경로가 생성되는 판단하여 yes이면 다음 단계로 진행하나, no이면 상기 단계 ST40으로 가서 시작 셀과 목표 셀간을 통과하는 일련의 연결이 이루어지도록 반복한다.
만일 최종경로가 만들어지지 않을 경우 큰 셀 내의 단위 셀들의 갯수를 줄여 상기한 제 1 단계부터 다시 수행한다. 그리고 큰 셀 내의 기본단위 셀의 개수가 일정 개수보다 적을 경우에는 경로 만들기에 실패한 큰 셀들을 가상의 장애물로 기억하여 상기한 제 1 단계에서부터 큰 셀들을 연결에서 제외시킨다.
이와 같이 본 발명에서는 경로 생성시 탐색시간과 계산량을 줄이기 위해 계층적 국소 경로계획 알고리즘을 사용한다.
도 8은 장애물의 외곽을 추적하는 상태를 나타내는 도식도로서, 모델링된 로봇은 부호 S에서 시작하여 G1, G2, G3, G4 …, S로 복귀하며 모델링된 장애물을 돌아간다.
또, 본 발명에 따르면 생성된 최종경로를 시각적으로 확인할 수 있도록 하면서 미장로봇에 전송할 데이터를 생성하여 저장하는 시뮬레이션 수행 단계(ST80)를 구비한다. 도 2에 나타내는 것처럼 시뮬레이션 모드는 중간 및 최종경로의 생성을 확인하는 기능 및 로봇과의 인터페이스 등을 담당하는 기능을 수행한다. 생성된 경로를 시각적으로 확인할 수 있도록 하는 동시에 미장로봇에 전송할 데이터를 생성하여 저장하기도 한다.
도 9a 내지 도 9d는 본 발명에 따른 시뮬레이션을 위한 최종경로를 생성하는 주요 과정을 나타내는 도식도가 도시된다.
본 발명에서 제안된 자동 경로생성 방법을 사용하여 도 9a 에 보인 작업공간에 대하여 경로생성 과정 및 결과를 도9b 내지 도 9d에 나타낸다. 도 9b는 작업공간에 대해 중간목표점을 생성한 결과를 나타내고, 도 9c는 장애물을 회피하기 위해 직각운동이 필요한 주요위치를 나타내고, 도 9d는 최종적으로 생성된 경로를 나타낸다.
이에 따라 본 발명은 작업공간에 대한 도면을 미리 CAD 데이터로 입력하거나 도면을 스캐닝하여 이미지 파일로 입력하고 미장로봇의 크기와 장애물의 모양, 크기 및 위치 등을 지정하면 장애물과 충돌을 피하면서 미장작업을 수행하기 위한 경로를 자동으로 생성한다.
또한 계획된 경로가 제대로 생성되었는지 확인하기 위한 그래픽 시뮬레이터를 구비하여 경로계획과 실제 운동간의 불일치 또는 불협화음이 발생되지 않도록 한다.
이상의 구성 및 작용에 따르면 본 발명의 미장로봇을 위한 경로계획 생성방법은 미리 입력된 작업영역에 대한 도면 데이터를 이용하여 최적의 경로를 생성한 다음 그래픽으로 표시하여 시뮬레이션을 수행함에 따라 작업의 효율성을 높이는 동시에 불측의 안전사고를 방지하는 효과가 있다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

Claims (2)

  1. 작업공간 및 미장로봇에 대한 정보를 입력하면 장애물과 충돌을 피하면서 미장작업을 수행하기 위한 경로를 자동으로 생성하고 시뮬레이터를 통하여 실제 운동간의 불일치 또는 불협화음이 방지되도록 하는 경로계획 방법에 있어서:
    배경도면 입력모드, 미장영역 입력모드, 구조물 선택모드, 시뮬레이션 모드 및 환경설정 모드 등으로 구성된 화면을 표시하는 단계(ST10);
    상기 단계(ST10)에서 표시되는 화면을 통하여 미장영역 및 장애물의 정보를 입력하는 단계(ST20);
    미장로봇 상에서 꼭지점에 대한 좌표 계산이 용이하도록 대칭형의 다각형으로 모델링하는 단계(ST30);
    미장작업을 위한 작업영역을 일정한 크기의 셀로 분할하는 장애물 지도 생성 단계(ST40);
    장애물과 그 주변의 셀에 에너지 필드를 정의하는 장애물 포텐셜 레벨링 단계(ST50);
    장애물의 주변을 돌아가기 위한 주요 통과지점을 설정하고 경로를 만들어 가는 트래킹 포인트 생성 단계(ST60);
    최종경로가 생성되는 판단하여 yes이면 다음 단계로 진행하나, no이면 상기 단계 ST40으로 가서 시작 셀과 목표 셀간을 통과하는 일련의 연결이 이루어지도록 반복하는 단계(ST70); 및
    생성된 최종경로를 시각적으로 확인할 수 있도록 하면서 미장로봇에 전송할 데이터를 생성하여 저장하는 시뮬레이션 수행 단계(ST80)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 미장로봇을 위한 경로계획 생성방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단계 ST70은 큰 셀 내의 단위 셀들의 갯수를 일정치까지 줄여 가면서 반복하여도 최종경로가 생성되지 않는 경우 경로 만들기에 실패한 큰 셀들을 연결에서 제외시킨 상태에서 현재 셀과 목표 셀간의 거리가 최소가 되도록 하는 셀을 연결하는 것을 특징으로 하는 미장로봇을 위한 경로계획 생성방법.
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