KR20020096323A - Teleoperaion system with streaming buffer - Google Patents

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KR20020096323A KR1020010034716A KR20010034716A KR20020096323A KR 20020096323 A KR20020096323 A KR 20020096323A KR 1020010034716 A KR1020010034716 A KR 1020010034716A KR 20010034716 A KR20010034716 A KR 20010034716A KR 20020096323 A KR20020096323 A KR 20020096323A
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Abstract

PURPOSE: A system for a remote operation using a streaming buffer is provided to minimize a control input cycle by maintaining a system time delay constantly using a buffer and to make a streaming control possible by increasing a control band width. CONSTITUTION: In an Internet remote operating system comprising a master unit(100) and a slave unit(300), a control-input device(120) inputs a reference control. An Internet connection unit(140) transmits a control signal inputted in the control input device(120) to packet data through the Internet. A connection socket(330) and a connection manager(340) receive the packet data being transmitted through the Internet(200). A streaming buffer unit(320) recreates the received packet data as a control command having a predetermined time delay. A local controller(310) controls a slave robot(350) in accordance with the recreated control command. The slave robot(350) performs a feedback of an operating state to the local controller(310).

Description

스트리밍 버퍼를 이용한 원격조작 시스템{Teleoperaion system with streaming buffer}Remote operation system with streaming buffer {Teleoperaion system with streaming buffer}

본 발명은 인터넷 원격조작 시스템에 관한 것으로, 특히 버퍼(Buffer)를 이용하여 시스템 시간 지연(System Time Delay)을 일정(Constant)하게 유지하도록 함으로써, 제어 입력주기를 최소화하고, 제어 대역폭을 향상시켜 스트리밍 제어(Streaming Control)를 가능하게 하는 스트리밍 버퍼를 이용한 원격조작 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an Internet remote control system, and in particular, to keep the system time delay constant using a buffer, thereby minimizing the control input period and improving the control bandwidth to stream. The present invention relates to a remote control system using a streaming buffer that enables streaming control.

최근 원격지에서 조작하여 특정작업을 수행하는 원격조작(Teleoperation) 시스템 개발에 관심이 모아지고 있다. 원격 수술, 원격 탐사, 원격 정비/수선 등의 많은 부분에서 그 응용의 사례가 늘어나고 있다. 이에 원격지에서 정확하고 빠르게 조작할 수 있는 원격조작 시스템이 요구되고 있다.Recently, attention has been focused on the development of a teleoperation system that operates at a remote location to perform a specific task. In many areas, such as telesurgery, remote sensing and remote maintenance / repair, applications are increasing. Therefore, there is a need for a remote control system that can operate accurately and quickly at a remote location.

하지만, 원격지로의 명령전달 매체로써 사설라인을 사용함으로 인해, 전체적인 제작·유지 비용이 크게 발생하고 있어, 원격조작을 경쟁력있는 비용으로 정확하고 안전하게 사용할 수 있는 원격조작 시스템이 필요하게 되었으며, 이를 위해 공용라인인 인터넷, 무선인터넷, 블루투스(Bluetooth) 등을 이용하는 원격조작 시스템의 개발이 요구되고 있다.However, the use of a private line as a command transmission medium to a remote location has caused a large production and maintenance cost, requiring a remote operation system that can accurately and safely use remote operation at a competitive cost. There is a demand for the development of a remote control system using the public line, the Internet, wireless Internet, and Bluetooth.

인터넷을 이용한 원격조작에 대한 연구는 1999년부터 활발히 진행되고 있다. 인터넷을 전송매체(Transmission Media)로 이용할 경우, 상기 비용문제 이외에 다양한 장점이 있지만, 인터넷을 이용한 원격조작 시스템 개발에 있어 가장 큰 어려운 점은 첫째, 시간 지연(Time Delay)이 존재한다는 것이고, 둘째, 그 시간 지연이 가변적(Variance)이란 인터넷의 특징 때문이다. 많은 종래의 연구들이 상기 두 가지 특징을 하나의 것으로 간주하고, 그 성질을 여러가지 방법으로 줄이려는 노력을 하였는데, 나름대로 상당한 발전이 있었지만, 상기 두 가지 문제점을 근본적으로 해결하지 못했고, 실제 조작명령을 완전하게 수행하기에는 어려움이 많았다. 따라서, 이러한 성능상의 문제로 인해 인터넷을 이용한 원격조작 시스템은 그 적용범위가 줄어들게 되었다.Research on remote operation using the Internet has been actively conducted since 1999. When using the Internet as a transmission medium, there are various advantages in addition to the above-mentioned costs, but the biggest difficulty in developing a remote control system using the Internet is first, there is a time delay, and secondly, The variation in time delay is due to the characteristics of the Internet. Many conventional studies have considered these two features as one, and have tried to reduce their properties in many ways, with considerable advancement in their own right, but have not fundamentally solved these two problems, and have completed the actual operating instructions. It was difficult to carry out. Therefore, due to this performance problem, the application range of the remote control system using the Internet is reduced.

도 1a, 도 1b는 종래의 인터넷을 이용한 원격조작 시스템을 나타낸 블록도로서, 전송매체로써 인터넷을 이용하는 대표적인 두 가지 선행기술을 나타낸 것이다.Figure 1a, Figure 1b is a block diagram showing a conventional remote control system using the Internet, showing two representative prior art using the Internet as a transmission medium.

도 1a는 명령어에 기반한 원격조작(Command-based Teleoperation) 시스템을 나타낸 블록도이다. 이는 간단한 작업기반의 원격조작으로서, 전송매체의 두 가지 특징(시간 지연이 존재, 시간 지연의 가변성)을 고려해서 미리 정의된 간단한 작업 명령을 내려 수행하도록 한다. 원격조작자(10)가 입력한 작업명령어가 전송매체(20)를 통해 수신측의 작업 매니저(30)에 전송되면, 작업 매니저(30)는 해당 작업명령어를 제 1 제어부(Controller)(40)에 전송하여 로봇(50)을 구동하게 한다. 당연히 그 작업의 제어는 불편하며, 각 작업이 완료가 되어야만 다음 작업명령이 전달되는 방식을 취하고 있다. 그로 인해 연속적인 명령을 하기 어렵고, 제어대역폭이 좁다. 따라서, 시간 지연에 큰 영향을 받지 않는 환경에서 아주 간단한 시스템을 구성할 수 있는 장점은 있으나, 그 성능으로 인해 적용범위가 좁은 문제점이 있었다.1A is a block diagram illustrating a command-based teleoperation system. This is a simple task-based remote operation that allows the user to execute a simple task command that is predefined in consideration of two characteristics of the transmission medium (the existence of a time delay and the variability of the time delay). When the work command input by the remote operator 10 is transmitted to the work manager 30 on the receiving side through the transmission medium 20, the work manager 30 transmits the work command to the first controller 40. The robot 50 is driven. Naturally, the control of the work is inconvenient, and the next work command is transmitted only when each work is completed. As a result, it is difficult to execute continuous commands and the control bandwidth is narrow. Therefore, there is an advantage in that a very simple system can be configured in an environment that is not significantly affected by the time delay, but due to its performance, there is a narrow application range.

도 1b는 이벤트에 기반한 원격조작(Event-based Teleoperation) 시스템을 나타낸 블록도이다. 이는 상기 명령어에 기반한 원격조작 시스템과는 달리 연속적으로 원격조작이 가능하도록 시스템을 구성하였다. 원격조작자(60)에 의해 제어명령에 대한 기준입력이 이루어지면 전송매체(20)를 통해 제 2 제어부(80)로 해당 제어명령이 전송되고, 제 2 제어부(80)는 전송된 제어명령에 따라 로봇(90)을 구동한다. 각각의 제어명령(위치정보, 속도정보 등)이 수행되면, 그 여부를 원격조작자(60)에게 알려주고, 그 이후에 다음 제어명령을 보내어 수행하도록 한다. 하지만, 제어명령들 사이의 시간간격이 일정하지 않음으로 인해, 원격조작물에 채터링(Chattering)이 발생하고, 정확한 제어의 어려움을 가지고 있었다.1B is a block diagram illustrating an event-based teleoperation system. Unlike the remote control system based on the command, the system is configured to enable continuous remote operation. When the reference input for the control command is made by the remote operator 60, the control command is transmitted to the second control unit 80 through the transmission medium 20, and the second control unit 80 according to the transmitted control command. The robot 90 is driven. When each control command (position information, speed information, etc.) is performed, it is notified to the remote operator 60, and after that, the next control command is sent to be performed. However, due to the inconsistent time intervals between the control commands, chattering occurs in the remote control and has difficulty in accurate control.

상술한 두 가지 시스템은 또한 다음과 같은 문제점을 갖고 있었다.The two systems described above also had the following problems.

첫째, 원격지와의 시간 지연이 여전히 존재한다.First, there is still a time delay with the remote.

둘째, 그 시간 지연이 여전히 가변적이기 때문에 시스템이 불안정하고, 진동발생이 일어나며, 부정확한 입력에 의한 오동작이 발생한다.Second, because the time delay is still variable, the system becomes unstable, vibration occurs, and malfunctions due to incorrect inputs occur.

셋째, 두 번째의 특징으로 인해 첫 번째의 특징을 개선하기 위한 강인제어(Robust Control), 예측제어(Predictive Control) 등의 접목이 어렵다.Third, due to the second feature, it is difficult to combine robust control and predictive control to improve the first feature.

넷째, 새로운 원격조작 시스템마다 고유의 제어부(Controller)를 새롭게 제작해야만 한다.Fourth, a new controller must be newly created for each new remote control system.

상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 버퍼(Buffer)를 이용하여 시스템 시간 지연(System Time Delay)을 일정(Constant)하게 유지하도록 함으로써, 제어 입력주기를 최소화하고, 제어 대역폭을 향상시켜 스트리밍 제어(Streaming Control)를 가능하게 하는 스트리밍 버퍼를 이용한 원격조작 시스템을 제공하는데 있다.An object of the present invention for solving the above problems is to use a buffer to maintain a constant system time delay (Constant), thereby minimizing the control input period, improve the control bandwidth streaming control It is to provide a remote control system using a streaming buffer that enables (Streaming Control).

도 1a, 1b는 종래의 인터넷을 이용한 원격조작 시스템을 나타낸 블록도.Figure 1a, 1b is a block diagram showing a remote control system using a conventional Internet.

도 2는 본 발명에 따른 원격조작 시스템을 나타낸 블록도.Figure 2 is a block diagram showing a remote control system according to the present invention.

도 3은 본 발명에 따른 버퍼 매니저의 버퍼관리 과정을 나타낸 흐름도.3 is a flowchart illustrating a buffer management process of a buffer manager according to the present invention.

도 4는 본 발명에 따른 피드백(Feedback)을 위한 원격조작 시스템을 나타낸 블록도.4 is a block diagram illustrating a remote control system for feedback in accordance with the present invention.

도 5a ∼ 5f는 본 발명에 따른 원격조작 시스템의 테스트 결과를 나타낸 도면.5a to 5f are diagrams showing the test results of the remote control system according to the present invention.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Major Parts of Drawings>

10, 60 : 원격조작자 20 : 전송매체10, 60: remote operator 20: transmission medium

30 : 작업 매니저 40 : 제 1 제어부30: job manager 40: first control unit

50, 90 : 로봇 80 : 제 2 제어부50, 90: robot 80: second control unit

100 : 마스터부 110 : 조작자100: master unit 110: operator

120 : 제어 입력장치 130, 330 : 연결 소켓120: control input device 130, 330: connection socket

140, 340 : 접속 매니저 160, 360 : 인터넷 연결부140, 340: access manager 160, 360: Internet connection

200 : 전송매체 300 : 슬레이브부200: transmission medium 300: slave unit

310 : 지역 제어기 320 : 스트리밍 버퍼부310: local controller 320: streaming buffer unit

321 : 버퍼 매니저 322 : 버퍼321: buffer manager 322: buffer

323 : 제어 타이머 324 : 명령어 재생성부323: control timer 324: instruction regeneration unit

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 마스터부와 슬레이브부로 이루어진 인터넷 원격조작 시스템에 있어서, 상기 마스터부는 기준 제어 입력을 위한 제어입력장치와, 상기 제어 입력장치에서 입력된 제어신호를 인터넷을 통해 패킷 데이터로 전송하는 인터넷 연결부로 이루어지고, 상기 슬레이브부는 상기 인터넷을 통해 전송되는 상기 마스터부의 패킷 데이터를 수신하는 인터넷 연결부와, 상기 인터넷 연결부에서 수신된 패킷 데이터를 일정한 시간 지연을 갖는 제어 명령어로 재생성하는 스트리밍 버퍼부와, 상기 스트리밍 버퍼부에서 재생성된 제어 명령어에 따라 피제어장치를 제어하는 지역 제어기와, 상기 지역 제어기의 제어 명령에 따라 동작하며 상기 지역 제어기로 동작상황을 피드백(Feedback)하는 피제어장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트리밍 버퍼를 이용한 원격조작 시스템에 있다.A feature of the present invention for achieving the above object is the Internet remote control system consisting of a master unit and a slave unit, the master unit is a control input device for the reference control input, the control signal input from the control input device via the Internet Internet connection unit for transmitting the packet data, the slave unit Internet connection unit for receiving the packet data of the master unit transmitted through the Internet, and regenerating the packet data received from the Internet connection unit with a control command having a certain time delay A streaming buffer unit, a local controller controlling the controlled device according to the control command regenerated by the streaming buffer unit, and a feedback operation condition fed back to the local controller while operating according to a control command of the local controller. It includes a control device In the remote control system using the streaming buffer which.

본 발명의 상세한 설명에 앞서, 본 명세서 상에서는 네트워크 상의 패킷(Packet)의 시간 지연을 패킷 시간 지연(Packet Time Delay)이라고 정의 하며, 각 패킷들 사이의 시간을 지터(Jitter, 이하 지터라 칭함)라고 정의 한다. 그리고,마스터부와 슬레이브부 사이의 전체 시스템의 시간 지연을 시스템 시간 지연(System Time Delay)이라고 하여 혼용을 방지하겠다.Prior to the detailed description of the present invention, in this specification, a time delay of a packet on a network is defined as a packet time delay, and the time between each packet is referred to as jitter (hereinafter referred to as jitter). define. In addition, the time delay of the entire system between the master unit and the slave unit is referred to as a system time delay to prevent mixing.

이하, 첨부한 도면을 통해 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명에 따른 원격조작 시스템을 나타낸 블록도로서, 크게 마스터부와 슬레이브부 및 이들 사이의 데이터 전송매체인 인터넷으로 이루어져 있다.2 is a block diagram illustrating a remote control system according to the present invention, and is mainly composed of a master unit, a slave unit, and the internet as a data transmission medium therebetween.

상기 마스터부(100)는 조작자(110), 제어 입력장치(마스터 로봇)(120) 그리고 인터넷 연결부인 접속 매니저(Connection Manager)(140)와 연결 소켓(130)으로 구성되며, 상기 슬레이브부(300)는 인터넷 연결부(330, 340), 스트리밍 버퍼부(Streaming Buffer)(320), 지역제어기(Local Controller)(310) 및 슬레이브 로봇(350)으로 구성된다.The master unit 100 includes an operator 110, a control input device (master robot) 120, a connection manager 140, which is an internet connection unit, and a connection socket 130, and the slave unit 300. ) Is composed of an internet connection unit 330, 340, a streaming buffer unit 320, a local controller 310, and a slave robot 350.

상기 마스터부(100)와 상기 슬레이브부(300)의 연결 소켓(130, 330)으로는 비동기 소켓(Asynchronous Socket) 또는 동기 소켓(Synchronous Socket)을 이용할 수 있다.An asynchronous socket or a synchronous socket may be used as the connection sockets 130 and 330 of the master unit 100 and the slave unit 300.

상기 마스터부(100)는 조작자(110)에 의해 제어 입력장치(120)가 조작되고, 제어신호의 안정적이고 빠른 전달을 위해 접속지향(Connection-Oriented) 프로토콜(Protocol)인 TCP/IP 기반하의 연결 소켓(130)을 사용하여 해당 조작 명령 데이터를 패킷화하여 슬레이브부(300)에 전달하게 된다. 데이터의 전송과 수신, 접속의 관리 그리고 사용자 인증 등의 네트워크와 관련된 기능들은 접속 매니저(140)가 담당하게 된다.The master unit 100 is operated by the operator 110, the control input device 120 is operated, the connection based (Connection-Oriented) protocol (TCP / IP) based connection for stable and fast delivery of control signals The operation command data is packetized using the socket 130 and transferred to the slave unit 300. The connection manager 140 is responsible for network related functions such as data transmission and reception, connection management, and user authentication.

상기 슬레이브부(300)는 인터넷 연결부(330, 340)로부터 수신된 데이터를 스트리밍 버퍼부(320)에 전달하게 된다. 그 데이터는 스트리밍 버퍼부(320)에 의해 일정 간격을 가지는 제어 입력으로 재구성된 후, 지역 제어기(310)의 기준 입력(Reference Input)으로 처리하여 슬레이브 로봇(350)을 제어한다.The slave unit 300 transmits the data received from the Internet connection unit 330, 340 to the streaming buffer unit 320. The data is reconstructed into a control input having a predetermined interval by the streaming buffer unit 320 and then processed as a reference input of the local controller 310 to control the slave robot 350.

상기, 슬레이브 로봇(350)은 상기 마스터부의 제어 명령을 최종적으로 받는 피제어장치로써, 도 2와 도 4의 실시예에서는 로봇으로 되어 있으나, 마스터부의 제어명령을 수신받아 동작할 수 있는 장치라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하다. 일례로 로봇대신 센서를 이용한다면 원격 계측 분야에도 쉽게 응용할 수 있다.The slave robot 350 is a controlled device that finally receives the control command of the master unit. In the embodiments of FIGS. 2 and 4, the slave robot 350 is a robot, but any device capable of receiving and operating the control command of the master unit may be used. You may use it. For example, if a sensor is used instead of a robot, it can be easily applied to the telemetry field.

상기 지역 제어기(310)는 기존에 개발된 다양한 지역 제어기(PID Controller, Sliding Mode Controller 등)의 사용이 가능하며, 상기 마스터부(100)의 상기 제어 입력장치(120)와 인터넷 연결부(130, 140) 사이의 명령 전달 매체(Command Transmission Media)는 인터넷, 무선인터넷, 블루투스(Bluetooth) 등을 이용할 수 있다.The local controller 310 may use various conventionally developed local controllers (PID controller, sliding mode controller, etc.), and the control input device 120 and the internet connection unit 130, 140 of the master unit 100. The command transmission media () may be used for the Internet, the wireless Internet, Bluetooth, and the like.

상기 스트리밍 버퍼부(320)는 상기 마스터부(100)에서 전송된 패킷 데이터를 저장하는 버퍼(Buffer)(322); 실시간 클럭을 발생하여 상기 마스터부(100)와 일정 시간 지연을 유지하기 위한 제어 타이머(Control Timer)(323); 상기 제어 타이머(323)에 따라 상기 버퍼(322)에 저장된 데이터를 제어 명령어로 재생성하는 명령어 재생성부(Command Reproduction)(324); 및 상기 버퍼(322)의 상황을 모니터링 하면서 버퍼 초기화, 일정 시간 지연의 정의, 실시간 버퍼 크기 조정 및 상기 명령어 재생성부(324)를 제어하는 버퍼 매니저(Buffer Manager)(321) 이렇게 4가지 모듈(Module)로 구성되어 있다.The streaming buffer 320 may include a buffer 322 for storing packet data transmitted from the master unit 100; A control timer 323 for generating a real time clock to maintain a predetermined time delay with the master unit 100; A command reproduction unit 324 for regenerating data stored in the buffer 322 into a control command according to the control timer 323; And a buffer manager 321 that monitors the buffer 322 and controls the buffer initialization, definition of a predetermined time delay, real-time buffer resizing, and the instruction regeneration unit 324. It consists of).

상기 모듈 중 버퍼 매니저(321)의 기능을 좀 더 살펴보면, 초기의 버퍼 크기를 정의하여 그 정의된 버퍼의 크기와 제어 입력 주기에 따라 일정한 시간 지연의 길이를 정할 수 있다.Looking at the function of the buffer manager 321 among the modules, it is possible to define the initial buffer size to determine the length of a constant time delay according to the size of the defined buffer and the control input period.

(1) (One)

또한, 상기 식(1)과 같이 시간 지연의 변화량(지터송신측- 지터수신측)의 합이 버퍼가 취할 수 있는 범위(현재버퍼크기 × 버퍼주기) 이내일 경우 안정적인 동작을 보장할 수 있다. 만약 그 범위를 벗어날 경우, 실시간으로 버퍼 크기를 재조정하여 채터링(Chattering)을 최소화하면서 원격조작을 안정적으로 수행할 수 있도록 한다.In addition, as shown in Equation (1), when the sum of the amount of change in time delay (jitter transmitting side -jitter receiving side ) is within a range that the buffer can take (current buffer size x buffer period), stable operation can be ensured. If it is out of this range, the buffer size is resized in real time to allow stable remote operation while minimizing chattering.

도 3은 본 발명에 따른 버퍼 매니저의 버퍼관리 과정을 나타낸 흐름도이다.3 is a flowchart illustrating a buffer management process of a buffer manager according to the present invention.

네트워크 상황이 급격히 나빠져 버퍼가 보상해 줄 수 잇는 범위를 벗어나게 되면, 버퍼의 크기가 0으로 되면서 상기 식(1)을 만족하지 못하게 된다. 그런 경우 슬레이브부(300)는 기존 시스템과 같은 치명적인 폭주 또는 Amp Fault 등이 발생할 수 있으며, 짧은 시간 안에 네트워크 상황이 호전되더라도 채터링이 발생하게 된다. 이러한 채터링은 정확한 기준 입력 추종을 불가능하게 하기 때문에 버퍼의 한계를 넘을 경우, 시스템이 안정적으로 버퍼 크기를 증가시켜 주는 버퍼 매니저가 필요하다.If the network situation suddenly worsens and is out of the range that the buffer can compensate for, the size of the buffer becomes zero and the equation (1) cannot be satisfied. In such a case, the slave unit 300 may cause a fatal congestion or an Amp Fault as in the existing system, and chattering may occur even if the network condition improves within a short time. Since this chattering prevents accurate reference input tracking, a buffer manager is needed to reliably increase the buffer size when the buffer is exceeded.

이러한 버퍼 매니저(321)의 버퍼관리 과정은 우선 버퍼를 먼저 초기화하고, 상기 인터넷 연결부로부터 패킷 데이터를 수신(S400)하고, 패킷 데이터를분석(Pharsing)(S410)한다. 상기 분석결과 제어 명령에 대한 데이터이면 연결 소켓(330)으로부터 들어온 데이터를 버퍼(322)에 삽입(S420)하고, 버퍼 준비 테스트(S430)를 행한다. 버퍼 준비 테스트(S430)는 초기 버퍼 크기에 도달할 때까지 버퍼를 채우기 위한 동작이며, 최초 버퍼에 데이터를 증가시킬 때만 이루어진다.The buffer management process of the buffer manager 321 first initializes the buffer, receives packet data from the Internet connection unit (S400), and analyzes the packet data (Pharsing) (S410). If the data of the analysis result control command is inserted into the buffer 322, the data from the connection socket 330 (S420), and performs a buffer preparation test (S430). The buffer preparation test S430 is an operation for filling the buffer until the initial buffer size is reached, and is performed only when increasing the data in the initial buffer.

버퍼가 준비되면 그 버퍼의 유효성을 상기 식(1)을 이용해 판단(S440)하게 되며, 유효할 경우는 현재 버퍼의 최근 데이터를 제어 기준 입력으로 사용(S450)한다. 유효하지 않은 경우에는 버퍼의 한계를 벗어났기 때문에 이전 스텝의 데이터를 복제하여 제어 기준 입력으로 사용(S460)한다. 상기 제어 기준 입력에 따라 명령어 재생성부(324)에서 제어 명령어가 생성되고 지역 제어기(310)에 의해 슬레이브 로봇(350) 제어(S470)가 이루어지면 현재 버퍼를 삭제(S480)한다.When the buffer is prepared, the validity of the buffer is determined using Equation (1) (S440). If the buffer is valid, the latest data of the current buffer is used as the control reference input (S450). If it is not valid, the data of the previous step is copied because it is outside the limit of the buffer and used as a control reference input (S460). When the control command is generated in the command regenerator 324 according to the control reference input and the control of the slave robot 350 is performed by the local controller 310 (S470), the current buffer is deleted (S480).

이렇게 버퍼가 유효하지 않은 경우 이전 스텝의 데이터를 복제하여 로봇을 제어할 동안 새로운 데이터가 버퍼로 들어오게 된다. 이러한 방법은 채터링이 거의 발생하지 않으면서 효과적으로 버퍼의 크기를 증가시킬 수 있으며, 지터의 탄력성으로 곧 버퍼는 회복이 가능하게 된다. 상기 버퍼 유효성 판단(S440)은 상기 버퍼 준비 테스트(S430)와는 달리 각 제어 주기마다 이루어지게 된다.If the buffer is invalid, new data will enter the buffer while controlling the robot by duplicating the data from the previous step. This method effectively increases the size of the buffer with little chattering, and the jitter's elasticity allows the buffer to recover. The buffer validity determination S440 is performed at each control period differently from the buffer preparation test S430.

도 4는 본 발명에 따른 피드백(Feedback)을 위한 원격조작 시스템을 나타낸 블록도이다.4 is a block diagram showing a remote control system for feedback according to the present invention.

도시된 마스터부(100)의 스트리밍 버퍼부(320a)는 도 2의 스트리밍 버퍼부(320)를 마스터부(100)의 인터넷 연결부(160)에 교차 연결한 것으로, 마스터부(100)의 제어 명령에 따른 슬레이브 로봇(350)의 반향(reflection) 데이터가 마스터부(100)로 전송될 때, 일정한 시간 지연을 갖게 함으로써, 작업성 및 안정성의 저하가 없는 피드백을 구현하기 위한 것이다. 상기 반향 데이터는 슬레이브 로봇(350)의 각종 센서로부터 수집된 상태(Status), 힘(Force), 가속도 정보 등을 말한다. 이렇게 함으로써, telepresence 개념의 실현을 가능하게 한다. 이 때, 마스터부(100)의 제어 입력장치(120)는 피드백 구현을 위한 장치가 별도 구비될 필요가 있다.The streaming buffer unit 320a of the illustrated master unit 100 cross-connects the streaming buffer unit 320 of FIG. 2 to the Internet connection unit 160 of the master unit 100, and controls commands of the master unit 100. When the reflection data of the slave robot 350 according to the present invention is transmitted to the master unit 100, by having a predetermined time delay, it is to implement a feedback without deterioration of workability and stability. The echo data refers to status, force, acceleration information, etc. collected from various sensors of the slave robot 350. This enables the realization of the telepresence concept. At this time, the control input device 120 of the master unit 100 needs to be provided with a separate device for implementing the feedback.

도 5a ∼ 5f는 본 발명에 따른 원격조작 시스템의 테스트 결과를 나타낸 도면으로써, 도 5a는 기준 곡선과 실제 곡선을 나타낸 그래프, 도 5b는 패킷 지연 그래프, 도 5c는 실제 각속도(Joint Angular Velocity) 그래프, 도 5d는 실제 출력(전압) 그래프, 도 5e는 버퍼 매니저가 없는 경우의 버퍼 사이즈, 도 5f는 버퍼 매니저가 있는 경우의 버퍼 사이즈를 나타낸 것이다.5A to 5F are diagrams showing the test results of the remote control system according to the present invention. FIG. 5A is a graph showing a reference curve and an actual curve, FIG. 5B is a packet delay graph, and FIG. 5C is a real angular velocity graph. 5D shows an actual output (voltage) graph, FIG. 5E shows a buffer size without a buffer manager, and FIG. 5F shows a buffer size with a buffer manager.

도 5는 장거리 원격조작을 위한 실험으로, 마스터부와 슬레이브부 사이의 거리가 약 15,000km이다. 제어 입력 주기는 10ms로 하고, 초기 버퍼 크기는 10개(100ms)로 하여 행해진 것이며, 6자유도의 슬레이브 로봇을 사용하였다.5 is an experiment for long-distance remote operation, the distance between the master unit and the slave unit is about 15,000km. The control input period was 10ms, the initial buffer size was 10 (100ms), and 6 degrees of freedom slave robot was used.

상기 제어 입력 주기와 초기 버퍼 크기는 마스터부와 슬레이브부 사이의 거리 및 네트웍 상황에 따라 결정되는 것으로, 일반적으로 근거리 및 단거리의 경우에는 제어 입력 주기 10ms, 초기 버퍼 크기 5(50ms)이며, 장거리는 제어 입력 주기 10ms, 초기 버퍼 크기 10(100ms)이다. 또한, 무선 인터넷을 명령 전달매체로 이용할 경우에는 제어 입력 주기(20ms), 초기 버퍼 크기 5(100ms) 정도의 값이 주어진다.The control input period and the initial buffer size are determined according to the distance between the master unit and the slave unit and the network conditions. In general, the control input period is 10ms and the initial buffer size 5 (50ms) in the short and short distances. Control input period 10ms, initial buffer size 10 (100ms). In addition, when using the wireless Internet as a command transmission medium, a value of a control input period (20 ms) and an initial buffer size of 5 (100 ms) is given.

본 발명에 따른 시스템은 근거리 및 단거리 원격제어도 가능하며, 이 경우는 상기 장거리 원격조작보다 더 뛰어난 성능을 보여준다. 이는 네트워크 거리가 짧음으로 인해 지터값의 변화가 적기 때문이므로, 자명한 결과라 하겠다. 따라서, 이하 설명에서는 장거리 원격조작의 경우만 설명하도록 하겠다.The system according to the invention is also capable of short-range and short-range remote control, in which case it shows better performance than the long-distance remote operation. This is because the change in jitter value is small due to the short network distance, which is obvious. Therefore, in the following description, only the case of long distance remote operation will be described.

도 5a에서 보는 바와 같이 초기 패킷 시간 지연은 122ms가 발생하였고, 버퍼의 크기(100ms)만큼 일정한 시간 지연을 두고 성공적인 제어가 가능하였다. 결과적으로 전체 시스템 시간 지연(System Time Delay)이 약 0.22sec(222msec)로 일정하게 유지하면서 지속적인 슬레이브 로봇의 제어가 가능하였다.As shown in FIG. 5A, the initial packet time delay was 122ms, and the successful control was possible with a constant time delay as large as the buffer size (100ms). As a result, continuous control of the slave robot was possible while keeping the overall system time delay constant at about 0.22 sec (222 msec).

도 5b와 같이 약 23sec경에서 패킷 시간 지연이 버퍼의 한계를 초과하였다. 하지만, 버퍼 매니저가 4번에 걸쳐 버퍼의 크기를 효과적으로 증가시켜 주어, 지속적으로 안정적인 제어가 가능하였다. 23sec이후의 전체 시스템 지연 시간은 약 0.26sec의 시스템 시간 지연이 발생하였다.As shown in FIG. 5B, the packet time delay exceeded the buffer limit at about 23 sec. However, the buffer manager effectively increased the size of the buffer four times, enabling continuous stable control. The total system delay time after 23 sec was about 0.26 sec.

도 5c와 도 5d에서 확인할 수 있듯이 채터링이 거의 발생하지 않고, 효과적으로 버퍼의 크기를 증가시켜 주는 것을 확인할 수 있다.As can be seen in FIGS. 5C and 5D, chattering hardly occurs, and the buffer size can be effectively increased.

도 5e의 경우는 버퍼 매니저(321) 없이 버퍼만을 사용한 경우로써, 버퍼가 소진될 경우의 버퍼 상황을 보여주고 있으며, 도 5f의 경우는 버퍼 매니저(321)를 도입한 경우의 버퍼 상황을 보여주고 있다. 도 5e에 나타난 바와 같이 버퍼 매니저(321)가 없을 경우에는 예상하지 못한 수준의 급격한 트래픽 상황이 발생하면 버퍼 사이즈가 0(약 22.8sec이후)이하로 될 수 있다. 이 경우에는 버퍼의 의미가 무의미해지므로, 종래의 원격조작 시스템과 같이 채터링이 발생하게 된다. 하지만, 버퍼 매니저(321)를 도입하게 되면, 버퍼의 크기를 효과적으로 증가시켜 주어, 도 5f의 약 23sec이후와 같이 버퍼 크기가 일정 수준을 유지하게 된다.In the case of FIG. 5E, only the buffer is used without the buffer manager 321. The buffer state when the buffer is exhausted is shown. In FIG. 5F, the buffer situation when the buffer manager 321 is introduced is shown. have. As shown in FIG. 5E, in the absence of the buffer manager 321, if an unexpected level of sudden traffic occurs, the buffer size may be 0 or less (about 22.8 sec or less). In this case, since the meaning of the buffer becomes meaningless, chattering occurs as in the conventional remote control system. However, when the buffer manager 321 is introduced, the size of the buffer is effectively increased, so that the buffer size is maintained at a constant level as in about 23 sec after FIG. 5F.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 원격조작 시스템은 시스템 시간 지연이 일정하지만, 상대적으로 그 값이 0.2sec정도로 큰 값을 갖고 있다. 이런 문제를 극복하기 위해, 강인제어(Robust Control), 예측제어(Predictive Control)를 적용한다면 더 좋은 효과를 기대할 수 있을 것이다.As described above, the remote control system according to the present invention has a constant system time delay, but has a relatively large value of about 0.2 sec. To overcome this problem, if you apply Robust Control and Predictive Control, you can expect a better effect.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.As described above, the present invention has the following effects.

첫째, 스트리밍 버퍼를 도입하여 일정한 제어 입력 주기를 갖게 한다. 시스템 시간 지연이 일정화 됨으로써, 원격조작을 매끄럽고 정확하게 수행할 수 있으며, 강인제어(Robust Control), 예측제어(Predictive Control)를 할 수 있다.First, the streaming buffer is introduced to have a constant control input period. The system time delay is fixed, so that remote operation can be performed smoothly and accurately, and robust control and predictive control can be performed.

둘째, 가변적인 시스템 지연 시간을 상기 스트리밍 버퍼를 이용함으로써, 일정하게 변환할 수 있으므로, 기준 입력 주기를 최소화 할 수 있다. 즉, 더욱더 짧은 순간에 새로운 조작을 할 수 있으며, 정확한 기준 입력 추종이 가능하다.Second, the variable system delay time can be constantly converted by using the streaming buffer, thereby minimizing the reference input period. That is, a new operation can be performed in a shorter time, and accurate reference input can be followed.

셋째, 앞의 두 가지 특징으로 인해 시스템이 간소화해 지고, 제어 대역폭을 획기적으로 향상시킬 수 있다.Third, the previous two features simplify the system and significantly improve the control bandwidth.

넷째, 명령 전달 매체로써 인터넷, 무선인터넷, 블루투스(Bluetooth) 등의 사용이 가능하고, 기존의 다양한 지역 제어기(PID Controller, Sliding Mode Controller 등)를 사용 가능하기 때문에, 많은 분야로의 응용이 가능한 이점이 있다.Fourth, it is possible to use the Internet, wireless Internet, Bluetooth, etc. as a command transmission medium, and various existing local controllers (PID Controller, Sliding Mode Controller, etc.) can be used. There is this.

다섯째, 마스터(Master)쪽에도 스트리밍 버퍼를 교차 구성하면, 안정적인 피드백(Feedback) 시스템을 간단히 실현할 수 있다.Fifth, if the streaming buffer is also cross-configured on the master side, a stable feedback system can be easily realized.

Claims (7)

마스터부와 슬레이브부로 이루어진 인터넷 원격조작 시스템에 있어서,In the Internet remote control system consisting of a master unit and a slave unit, 상기 마스터부는 기준 제어 입력을 위한 제어입력장치와, 상기 제어 입력장치에서 입력된 제어신호를 인터넷을 통해 패킷 데이터로 전송하는 인터넷 연결부로 이루어지고,The master unit is composed of a control input device for the reference control input, and an Internet connection unit for transmitting the control signal input from the control input device as packet data through the Internet, 상기 슬레이브부는 상기 인터넷을 통해 전송되는 상기 마스터부의 패킷 데이터를 수신하는 인터넷 연결부와, 상기 인터넷 연결부에서 수신된 패킷 데이터를 일정한 시간 지연을 갖는 제어 명령어로 재생성하는 스트리밍 버퍼부와, 상기 스트리밍 버퍼부에서 재생성된 제어 명령어에 따라 피제어장치를 제어하는 지역 제어기와, 상기 지역 제어기의 제어 명령에 따라 동작하며 상기 지역 제어기로 동작상황을 피드백(Feedback)하는 피제어장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트리밍 버퍼를 이용한 원격조작 시스템.The slave unit includes an internet connection unit for receiving packet data of the master unit transmitted through the internet, a streaming buffer unit for regenerating packet data received from the internet connection unit with a control command having a predetermined time delay, and in the streaming buffer unit. A streaming buffer comprising a local controller controlling a controlled device according to a regenerated control command, and a controlled device operating according to a control command of the local controller and feeding back an operation status to the local controller. Remote control system using. 제 1 항에 있어서, 상기 스트리밍 버퍼부는 상기 마스터부에서 전송된 패킷 데이터를 저장하는 버퍼;The apparatus of claim 1, wherein the streaming buffer unit comprises: a buffer configured to store packet data transmitted from the master unit; 실시간 클럭을 발생하여 상기 마스터부와 일정 시간 지연을 유지하기 위한 제어 타이머;A control timer for generating a real time clock to maintain a predetermined time delay with the master unit; 상기 제어 타이머에 따라 상기 버퍼에 저장된 데이터를 제어 명령어로 재생성하는 명령어 재생성부; 및A command regenerator for regenerating data stored in the buffer into a control command according to the control timer; And 상기 버퍼의 상황을 모니터링 하면서 버퍼 초기화, 일정 시간 지연의 정의, 실시간 버퍼 크기 조정 및 상기 명령어 재생성부를 제어하는 버퍼 매니저를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트리밍 버퍼를 이용한 원격조작 시스템.And a buffer manager for controlling the initialization of the buffer, the definition of a predetermined time delay, the real-time buffer size adjustment, and the instruction regeneration unit while monitoring the status of the buffer. 제 2 항에 있어서, 상기 버퍼 매니저는 버퍼를 먼저 초기화하고, 인터넷 연결부로부터 들어온 데이터를 초기 버퍼 크기에 도달할 때까지 채우며, 버퍼가 준비되면 그 버퍼의 유효성을 판단하여, 유효할 경우 현재 버퍼의 최근 데이터를 제어 기준 입력으로 사용하며, 유효하지 않을 경우 이전 스텝의 데이터를 복제하여 제어 기준 입력으로 사용하는 것을 특징으로 하는 스트리밍 버퍼를 이용한 원격조작 시스템.The buffer manager of claim 2, wherein the buffer manager initializes the buffer first, and fills the data from the Internet connection until the initial buffer size is reached. When the buffer is ready, the buffer manager determines the validity of the buffer. A remote control system using a streaming buffer, characterized in that the latest data is used as a control reference input, and if not valid, the data of the previous step is copied and used as a control reference input. 제 3 항에 있어서, 상기 버퍼 매니저의 버퍼 유효성은4. The buffer validity of claim 3, wherein the buffer validity of the buffer manager is 에 의하여 판단되는 것을 특징으로 하는 스트리밍 버퍼를 이용한 원격조작 시스템.Remote control system using a streaming buffer, characterized in that determined by. 여기서,는 각 패킷(Packet)들 사이의 시간 변화량이다.here, Is the amount of time change between each packet. 제 3 항에 있어서, 초기 버퍼 크기는 마스터부와 슬레이브부 사이의 거리 및네트웍 상황에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 스트리밍 버퍼를 이용한 원격조작 시스템.4. The remote control system of claim 3, wherein the initial buffer size is determined according to a distance between the master unit and the slave unit and a network condition. 제 1 항에 있어서, 상기 마스터부의 인터넷 연결부에 부가하여 피드백(Feedback) 데이터의 시간 지연을 일정하게 하는 스트리밍 버퍼부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스트리밍 버퍼를 이용한 원격조작 시스템.The remote control system of claim 1, further comprising a streaming buffer unit configured to add a time delay of feedback data in addition to the Internet connection unit of the master unit. 제 1 항에 있어서, 상기 제어 입력장치와 인터넷 연결부 사이의 명령 전달 매체(Command Transmission Media)는 인터넷, 무선인터넷, 블루투스(Bluetooth) 중 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 스트리밍 버퍼를 이용한 원격조작 시스템.The remote control system using a streaming buffer of claim 1, wherein the command transmission medium between the control input device and the Internet connection unit is one selected from the Internet, wireless Internet, and Bluetooth.
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