KR20030073447A - 로봇의 목표물 추종장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로봇의 목표물 추종장치 및 방법에 관한 것으로, 가속도 센서 및 이전 명령의 가중치 적용 기법을 이용하여 부드럽게 목표물을 추종할 수 있도록 한 것이다. 이를 위하여 본 발명은 씨씨디 카메라를 통해 입력되는 목표물에 대한 영상정보를 소정 신호처리하는 영상신호처리기와; 상기 영상신호처리기에서 출력되는 영상신호로 목표물까지의 거리 및 이동경로를 산출하여 그에 따른 위치 이동명령을 내리는 동작처리기와; 현재 모터의 가속도를 검출하는 가속도 센서와; 상기 가속도 센서의 가속도신호와 상기 동작처리기의 위치이동명령을 이용하여, 현재 위치 명령의 예측치 및 이후의 위치 명령의 예측치를 산출하여 모터를 구동하기 위한 PWM신호를 출력하는 모터 제어부를 포함하여 구성한다.

Description

로봇의 목표물 추종장치 및 방법{OBJCCTIVE COMPOLIANCY APPARATUS AND METHOD OF ROBOT}

본 발명은 보행 로봇의 목표물 추종장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 부드러운 동작으로 목표물 추종이 가능하도록 한 보행 로봇의 목표물 추종장치 및 방법에 관한 것이다.

최근, 소니(SONY)에 의해 발표된 AIBO는 산업로봇을 중심으로 하여 주도되던 기존의 로봇 업계에 애완 로봇 혹은 엔터테인먼트 로봇이라는 새로운 분야에 대한 가능성을 제시하였다.

이러한 엔터테인먼트 로봇은 기능성이라는 측면은 배제하고, 단지 즐거움만을 사용자에게 제공한다는 측면에서 기존의 틀을 깬 것이다.

이러한 종류의 제품은 일반적으로 사용자의 목적에 의해서만 작업을 진행하는 산업용 로봇과는 달리 인공지능을 가지고 있어, 로봇 스스로, 즉 자율적으로 자신의 행동을 결정하고 행동할 수 있다.

일반적으로 이러한 자율적인 행동 및 로봇 내부의 감정 상태를 표현하기 위하여 로봇은 사물을 관측할 수 있는 카메라, 물체와의 거리 및 충돌방지를 위한 IR혹은 초음파 센서등을 구비하고 있으며, 음성 인식등을 위한 스피커와 행동을 제아하기 위한 각종 센서를 구비하고 있다.

특정 목표의 추적을 위해서는 일반적으로 카메라의 영상신호를 처리하는 화상신호(Vision processing)처리 장치가 부착되어 있어야 하며, 이러한 화상처리의결과를 이용하여 애완용 로봇의 머리부분이나 전체 몸 동작을 제어하는 동작제어 처리기에 특정 위치로의 명령을 전달하여, 몸 전체의 움직임을 제어하여야 한다.

도1은 일반적인 보행 로봇의 제어장치에 대한 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시된 바와같이 CCD 혹은 CMOS 카메라에서 들어오는 영상정보를 처리하는 영상신호처리기(1)와, 상기 영상신호처리기(1)에서 처리된 신호를 이용하여 목표물까지의 거리 및 이동경로등을 계산하는 동작처리기(2)와, 상기 동작처리기(2)에 로봇의 각종 정보를 제공하는 센서(3), 상기 동작처리기(2)로부터 들어오는 동작명령을 이용하여 직접적으로 로봇의 각 관절의 위치를 명령위치로 제어하는 모터제어용 신호처리기(4)와, 상기 모터제어용 신호처리기(4)의 신호를 적절한 레벨의 전압 및 전류로 변환하여 모터(6)에 인가하는 모터 구동부(5)와, 모터(6)의 위치를 감지하여 적절한 전압신호로 변환하는 위치감지센서(7)로 구성된다.

그 밖에도 애완용 로봇에는 음성신호를 처리하기 위한 부분 및 감정상태를 외부로 표현하기 위한 LCD 혹은 LED등의 각종 디스플레이장치 및 사용자 입력처리기, 다른 로봇 및 개인용 컴퓨터와의 통신을 위한 통신 모듈을 구비하고 있다.

도2는 종래 보행 로봇의 목표물 추종을 위한 개략도로서, 카메라의 영상 신호를 영상신호처리기(1)에서 처리하여 추적하고자 하는 목표물이 있는 경우에는, 동작처리기(2)에 영상신호를 전달하여 목표물의 위치를 알린다.

상기 동작처리기(2)는 목표물의 현재위치와 움직이는 방향을 계산하여,모터 제어부 (10)에 위치 이동명령을 내린다.

상기 모터제어부(10)는 각 모터(6)의 현재 위치와 위치 명령의 차이를 비례적분하여 그에 따른 펄스폭 변조(PWM) 출력을 계산한후, 그 펄스폭변조신호(PWM)를 각 부의 모터(6)에 인가한다.

상술한 종래 로봇의 목표물 추종방법은, 애완용 로봇의 머리가 목표물을 당연히 추적하지만, 그 움직이는 모양이 카메라의 영상신호를 처리하는 영신신호처리기의 목표물의 위치를 알려주는 명령의 시간 간격에 따라, 외부에서 바라보는 머리의 움직임이 매우 부자연스러워지는데, 즉 로봇의 위치 명령의 시간간격이 영상신호처리기의 느림으로 인하여 느리게 전송되는 경우에는 외부에서 보이는 움직임이 끊어져 보이는 문제점이 있다.

또한, 비례 적분 제어시, 목표물에 추종하는 시간과 오버슈트를 최소로 하는 경향이 있기 때문에 목표위치로 최단 시간동안 이동하려고 하지만, 연속된 신호인 것처럼 보여야 할 이동경로가 자연스러운 로봇의 동작과는 다소 멀어지는 현상이 발생하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 가속도 센서 및 이전 명령의 가중치 적용 기법을 이용하여 부드럽게 목표물을 추종할 수 있도록 한 로봇의 목표물 추종 장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

도1은 일반적인 로봇의 제어장치에 대한 구성을 보인 블록도.

도2는 도1에 있어서, 로봇의 목표물 추종장치에 대한 구성을 보인 블록도.

도3은 본 발명 로봇의 목표물 추종장치에 대한 구성을 보인 블록도.

도4는 본 발명 로봇의 목표물 추종방법에 대한 동작 흐름도.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***

1:영상신호처리기2:동작처리기

100:모터제어부101:시간차이검출부

102:비례적분제어기200:가속도센서

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 씨씨디 카메라를 통해 입력되는 목표물에 대한 영상정보를 소정 신호처리하는 영상신호처리기와; 상기 영상신호처리기에서 출력되는 영상신호로 목표물까지의 거리 및 이동경로를 산출하여 그에따른 위치 이동명령을 내리는 동작처리기와; 현재 모터의 가속도를 검출하는 가속도 센서와; 상기 가속도 센서의 가속도신호와 상기 동작처리기의 위치이동명령을 이용하여, 현재 위치 명령의 예측치 및 이후의 위치 명령의 예측치를 산출하여 모터를 구동하기 위한 PWM신호를 출력하는 모터 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 목표물을 추출하여, 그 목표물의 변위를 산출하는 제1 과정과; 현재 모터의 가속도를 검출하여, 그 가속도에 따라 비례적분 제어기의 이득을 변경하는 제2 과정과; 이전 위치 이동명령에 일정한 가중치를 이용하여 현재 목표물의 위치를 예측하는 제3 과정과; 상기 목표물의 위치 예측에 따른 위치 이동 명령신호를, 상기 이득에 따라 비례 적분하는 제4 과정과; 상기 위치 이동 명령신호에 따른 PWM신호를 산출한후,그 PWM신호를 모터의 위치신호로 인가하는 제5 과정으로 수행함을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 의한 로봇의 목표물 추종장치 및 방법에 대한 실시예의 작용 및 효과를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도3은 본 발명 로봇의 목표물 추종장치에 대한 실시예의 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시한 바와같이 씨씨디 카메라를 통해 입력되는 목표물에 대한 영상정보를 소정 신호처리하는 영상신호처리기(1)와; 상기 영상신호처리기(1)에서 출력되는 영상신호로 목표물까지의 거리 및 이동경로를 산출하여 그에 따른 위치 이동명령을 내리는 동작처리기(2)와; 현재 모터의 가속도를 검출하는 가속도 센서(200)와; 상기 가속도 센서(200)의 가속도신호와 상기 동작처리기(2)의 위치이동명령을이용하여, 현재 위치 명령의 예측치 및 이후의 위치 명령의 예측치를 산출하여 모터를 구동하기 위한 PWM신호를 출력하는 모터 제어부(100)로 구성한다.

상기 모터제어부(100)는 상기 동작처리기(2)에서 현재 입력되는 위치 이동명령신호를 이전 이동명령신호와 비교하여 시간차이를 검출하는 시간차이검출부(101)와; 상기 동작처리기(2)의 위치이동명령신호를 입력받아 이를 가속도 신호 및 시간차이에 의해 이득을 변경하는 비례 적분 제어기(102)를 구비한다.

도4는 본 발명 로봇의 목표물 추종방법에 대한 동작흐름도로서, 이에 도시한 바와같이 목표물을 추출하여, 그 목표물의 변위를 산출하는 제1 과정과; 현재 모터의 가속도를 검출하여, 그 가속도에 따라 비례적분 제어기(102)의 이득을 변경하는 제2 과정과; 이전 위치 이동명령에 일정한 가중치를 이용하여 현재 목표물의 위치를 예측하는 제3 과정과; 상기 목표물의 위치 예측에 따른 위치 이동 명령신호를, 상기 이득에 따라 비례 적분하는 제4 과정과; 상기 위치 이동 명령신호에 따른 PWM신호를 산출한후,그 PWM신호를 모터의 위치신호로 인가하는 제5 과정으로 이루어지며, 이와같은 본 발명의 동작을 설명한다.

먼저, 영상신호처리기(1)는, 씨씨디 카메라를 통해 입력되는 목표물에 대한 영상정보를 소정 신호처리하여 이를 동작처리기(2)에 인가하고, 이에 의해 상기 동작처리기(2)는 상기 영상신호처리기(1)에서 출력되는 영상신호로 목표물까지의 거리 및 이동경로를 산출하여 그에 따른 위치 이동명령을 모터제어부(100)에 내린다.

한편, 가속도센서(200)는 현재 모터의 가속도를 검출하여 이를 모터제어부 (100)에 인가한다.

이에 따라, 상기 모터 제어부(100)는 상기 가속도 센서(200)의 가속도신호와 상기 동작처리기(2)의 위치이동명령을 이용하여, 현재 위치 명령의 예측치 및 이후의 위치 명령의 예측치를 산출하여 모터를 구동하기 위한 PWM신호를 출력한다.

즉, 상기 모터제어부(100)의 시간차이검출부(101)는 상기 동작처리기(2)에서 현재 입력되는 위치 이동명령신호를 이전 이동명령신호와 비교하여 시간차이를 검출하고, 모터제어부(100)의 비례적분제어기(102)는 상기 동작처리기(2)의 위치이동명령신호를 입력받아 이를 가속도 신호 및 시간차이에 의해 이득을 변경하는데, 각 모터의 현재 위치와 위치명령의 차이 및 로봇전체의 현재상태를 알수 있는 가속도 센서의 신호 및 이전 위치 명령의 가중치를 이용한 현재위치 명령의 예측치 및 이후 명령의 예측치를 이용하여 비례적분 제어기를 통한 펄스폭 변조(PWM)출력을 계산하고 각 부의 모터에 펄스폭 변조신호를 인가한다.

종래와 달리, 상기 가속도 센서(200)의 신호를 이용하는 것은 로봇의 현재 자세에 따라 로봇의 머리가 움직이는데 필요한 최소 동력이 달라지기 때문인데, 예를 들면 로봇이 4족을 이용하여 정상태로 정지하였을 경우에는 머리를 들어올리는데 필요한 힘이 머리를 내리는데 필요한 에너지보다 당연히 더 필요하게 된다.

따라서, 상기 가속도센서(200)에서 들어오는 신호는 자세에 따라 비례적분제어기 (102)의 이득을 변경시키는데 사용된다.

또한, 목표물의 움직임은 시간에 따라 그 속도가 가변이지만, 영상처리기(1)의 신호처리는 거의 일정하게 영상처리를 하므로, 그 영상처리기(2)가 줄 수 있는 명령으로 표현할 수 있는 최대 주파수는 영상 처리기의 주파수를 2f라고 한다면, f라는 것으로 표현할 수 있다.

만약 목표물이 f이상의 속도로 가변 되어진다면, 로봇의 움직임은 당연히 그 움직임을 추적하지 못할 것이다.

따라서, 상기 모터 제어부(100)는 제어 명령의 이전 데이터들을 이용하여 목표물의 움직임을 가상적으로 파악하는 기법을 구사하여야 하는데,이를 도4를 참조하여 설명한다.

우선, 목표물을 추출하여, 그 목표물의 변위를 산출하고, 현재 모터의 가속도를 검출하여, 그 가속도에 따라 비례적분 제어기의 이득을 변경한다.

그 다음, 이전 위치 이동명령에 일정한 가중치를 이용하여 현재 목표물의 위치를 예측하는데, 이때 이전 위치변화 명령신호가 오래된 명령일 수록 가중치의 값을 작게 설정한다.

예를 들면, 현재의 명령이 n이면 이전 명령은 n-1, n-2등이 될 것이며 오래된 명령일수록 가중치의 값이 적어져 현재 명령에 미치는 영향이 적다.

그 다음, 상기 목표물의 위치 예측에 따른 위치 이동 명령신호를, 상기 이득에 따라 비례 적분한 다음, 상기 위치 이동 명령신호에 따른 PWM신호를 산출한후,그 PWM신호를 모터의 위치신호로 인가한다.

다시 말해서, 본 발명은, 가속도 센서에서 나오는 신호를 이용하여 비례적분 제어기의 이득이 가변적으로 조정되며, 목표물의 부드러운 추종을 위하여, 가중치와 이전명령들의 곱으로 현재 명령을 갱신하여 하여 목표물의 궤적을 어느정도 예측할 수 있게 된다.

상기 본 발명의 상세한 설명에서 행해진 구체적인 실시 양태 또는 실시예는 어디까지나 본 발명의 기술 내용을 명확하게 하기 위한 것으로 이러한 구체적 실시예에 한정해서 협의로 해석해서는 안되며, 본 발명의 정신과 다음에 기재된 특허 청구의 범위내에서 여러가지 변경 실시가 가능한 것이다.

이상에서 상세히 설명한 바와같이 본 발명은, 로봇의 목표물 추적에 있어서 기존의 비례 적분제어기에서 처리하여 생길 수 있는 동작의 부자연스러움을 가속도 센서 및 이전 명령의 가중치 적용 기법을 이용하여 부드럽게 할 수 있으며, 목표물의 빠른 변화에도 대응 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 씨씨디 카메라를 통해 입력되는 목표물에 대한 영상정보를 소정 신호처리하는 영상신호처리기와;

   상기 영상신호처리기에서 출력되는 영상신호로 목표물까지의 거리 및 이동경로를 산출하여 그에 따른 위치 이동명령을 내리는 동작처리기와;

   현재 모터의 가속도를 검출하는 가속도 센서와;

   상기 가속도 센서의 가속도신호와 상기 동작처리기의 위치이동명령을 이용하여, 현재 위치 명령의 예측치 및 이후의 위치 명령의 예측치를 산출하여 모터를 구동하기 위한 PWM신호를 출력하는 모터 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의 목표물 추종장치.
2. 제1 항에 있어서, 모터 제어부는,

   각 모터의 현재위치와 위치명령의 차이 및 가속도 신호와 이전 위치명령의 가중치를 이용하여 현재 위치 명령의 예측치 및 이후 위치 명령의 예측치를 산출하는 것을 특징으로 하는 로봇의 목표물 추종장치.
3. 제1 항에 있어서, 모터 제어부는,

   상기 동작처리기에서 현재 입력되는 위치 이동명령신호를 이전 이동명령신호와 비교하여 시간차이를 검출하는 시간차이검출부와;

   상기 동작처리기의 위치이동명령신호를 입력받아 이를 가속도 신호 및 시간차이에 의해 이득을 변경하는 비례 적분 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의 목표물 추종장치.
4. 제 3항에 있어서, 비례적분제어기는,

   목표물의 위치변화와 시간과의 차이를 이용하여 로봇 머리의 변위를 제어하는 것을 특징으로 하는 로봇의 목표물 추종장치.
5. 제 3항에 있어서, 비례적분제어기는,

   로봇 머리의 변위가 최대 변위를 초과하면, 로봇 머리의 변위를 일정한 양으로 제한하는 것을 특징으로 하는 로봇의 목표물 추종장치.
6. 목표물을 추출하여, 그 목표물의 변위를 산출하는 제1 과정과;

   현재 모터의 가속도를 검출하여, 그 가속도에 따라 비례적분 제어기의 이득을 변경하는 제2 과정과;

   이전 위치 이동명령에 일정한 가중치를 이용하여 현재 목표물의 위치를 예측하는 제3 과정과;

   상기 목표물의 위치 예측에 따른 위치 이동 명령신호를, 상기 이득에 따라 비례 적분하는 제4 과정과;

   상기 위치 이동 명령신호에 따른 PWM신호를 산출한후,그 PWM신호를 모터의위치신호로 인가하는 제5 과정으로 수행함을 특징으로 하는 로봇의 목표물 추종방법.
7. 제6 항에 있어서, 제3 과정은,

   이전 위치변화 명령신호가 오래된 명령일 수록 가중치의 값을 작게 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의 목표물 추종방법.