KR20060063626A - 이동 시스템 및 이동 시스템의 주행 방법 - Google Patents

이동 시스템 및 이동 시스템의 주행 방법 Download PDF

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KR20060063626A
KR20060063626A KR1020050078309A KR20050078309A KR20060063626A KR 20060063626 A KR20060063626 A KR 20060063626A KR 1020050078309 A KR1020050078309 A KR 1020050078309A KR 20050078309 A KR20050078309 A KR 20050078309A KR 20060063626 A KR20060063626 A KR 20060063626A
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임율균
황대환
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명은 이동 시스템 및 이동 시스템의 주행 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 상기 휠을 통한 가속, 감속 혹은 외력에 의해 나타나는 진동 성분 신호로부터 고유 주기를 측정하고, 상기 고유 주기를 기초로 한 가속 혹은 감속 구간을 포함하는 주행 프로파일을 적용하여 주행한다. 따라서, 고유주기에 기반한 가속프로파일을 사용하므로, 사용자에게 관찰되는 진동을 유발하지 않으면서 이동체를 가속 혹은 감속할 수 있고, 그 결과 이동체의 완성도를 높일 수 있다.
지능형 서비스 이동 로봇, 진동제어, 가속도 센서

Description

이동 시스템 및 이동 시스템의 주행 방법{MOBILE SYSTEM AND METHOD FOR TRAVELLING OF MOBILE SYSTEM}
도 1은 탄성 바퀴와 캐스터를 갖춘 이동 로봇의 예이다
도 2는 탄성 바퀴가 스프링 역할을 하면서 수직 진동을 유발하고 결과적으로 전후 방향의 진동으로 나타나는 것을 설명하는 그림이다.
도 3은 구동 바퀴에 가하는 회전력 M에 의해 발생하는 로봇의 가속도와 이에 따라 로봇의 질량 중심에 반대방향으로 가해지는 관성력을 나타낸 그림이다.
도 4는 구동 바퀴를 이용해서 가속도 a(t)를 가했을 때 자기 위치 추정용 관성 센서 출력(ao)과 진동 주기 측정용 관성센서 출력(aL)을 나타낸 그림이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 다른 이동 로봇 시스템의 구성도이다.
도 6은 일반적인 회전 진동계에 외력이 가해지는 경우를 시뮬레이션하기 위한 그림 및 그 수식이다.
도 7은 임펄스 응답 함수에 나타나는 고유 주기이다.
도 8은 고유 주기에 기반한 가속 프로파일과 속도, 변위 그래프이다.
도 9는 고유주기에 기반한 가속 프로파일(실선)과 로봇의 각도 응답(점선)을 나타낸 그래프이다.
도 10은 가속, 등속, 감속을 하는 경우의 가속 프로파일(실선)과 로봇의 각도 응답(점선)을 나타낸 그래프이다.
도 11은 고속 주행을 위한 가속 프로파일의 변형의 예이다.
도 12는 본 발명의 실시예로서 카메라를 장착한 대화형 소형 로봇이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 휠을 이용한 이동 시스템이 주행 방법에 대한 흐름도이다.
본 발명은 이동 시스템 및 이동 시스템의 주행 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 바퀴를 이동수단으로 사용하여 이동하는 장치, 예를 들어, 자동차, 로봇과 같은 물체는, 바퀴의 회전과 장치의 이동간의 상관 관계를 정확히 하기 위해 미끄럼이 최소화되는 조건(No Slip Condition)으로 구동되어야 한다. 또한 굴곡이 있는 노면에서도 확실한 구동력을 확보해야 하며, 실내에서 사용하는 이동 장치의 경우 바퀴와 바닥의 마찰 소음이 없을수록 좋다.
따라서, 예를 들어 이동 로봇의 경우, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 조건을 만족시키기 위해 고무 등의 탄성물질을 구비한 바퀴를 사용하여 물체를 이동시킬 수 있다. 또, 험지 주행을 해야 하는 이동 로봇의 경우, 자동차에 상당하는 구조의 현가 장치를 추가로 구비할 수도 있다. 이 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 이동 로봇 본체의 질량은 스프링 장치 위에 설치된 것과 같은 구성이 될 수 있다.
이 때, 도 3에 도시된 바와 같이, 바퀴 회전을 통해 이동하는 이동 로봇은 그 특성상 로봇 본체의 아랫 부분에서 발생한 가속 및 감속에 의해 이동 로봇의 중심부가 반대 방향으로 관성력을 받고 무게 중심 높이에 비례하는 모멘트를 받게 된다. 따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, 바닥 굴곡이 없는 평지에서 주행하기만 해도 고정된 좌표계 내에서 앞뒤 혹은 좌우 진동을 하게 된다.
한편 바퀴를 이용하여 이동하는 물체로서 비슷한 구성을 갖는 자동차의 경우, 급가속시 본넷 부위가 위로 들리고 트렁크 부분이 아래로 내려가는 스쿼드(squart) 현상과 급제동시 본넷 부위가 아래로 내려가고 트렁크 부분이 위로 올라가는 노즈 다이브(nose dive) 현상이 일어나는데, 이는 자동차의 성능 및 안전과 관련하여 중요한 설계사항으로 간주된다. 그리고, 사용자 역시 이를 중요한 감성 평가 기준으로 간주하기도 한다.
마찬가지로 이동 로봇에 있어서도 가시화된 진동 형태는 로봇의 성능 및 사용자 감성 품질에 중요한 영향을 미친다.
예를 들어 사용자와 관련 있는 영상을 로봇에 내장된 카메라로 찍거나 사용자의 음성을 마이크를 이용해 받아들이고 스피커를 통해 음성을 재생하는 등 사용자와의 정보 교환이 필요한 지능형 서비스 이동 로봇은, 서 있는 사람을 기준으로 설계된다. 따라서, 상기 이동 로봇은 일반적으로 앞바퀴와 뒷바퀴간의 거리(축거) 또는 왼쪽 바퀴와 오른쪽 바퀴간의 거리(윤거)에 비해 키(전고)가 큰 모양을 갖게된다. 그러므로, 관성력의 영향이 자동차에서와는 달리 앞뒤 혹은 좌우 방향 진동 형태로 가시화된다.
이 때, 상기한 이동로봇의 특성을 무시한 속도 프로파일로 로봇의 이동을 시도하면, 로봇 진동이 발생한다. 그리고, 로봇에 적용되는 가진력의 주파수 성분에 따라 여러 가지 진동 모드가 한꺼번에 가진될 수 있는데, 이중 가장 낮은 주파수의 진동 모드의 경우 주기가 길고 진폭이 크므로 사용자에게 쉽게 관찰될 수 있다. 따라서, 이동 로봇에 대한 사용자의 감성 품질에 나쁜 영향을 미칠 수 있다.
따라서, 이동 로봇을 위한 속도 프로파일로서, 기존의 모터 구동 속도 프로파일 혹은 가속도 프로파일이 이용되기도 한다. 이 때, 실제 가장 많이 사용되는 사다리꼴 속도 프로파일은 가감속 구간에서 일정 가속도를 사용하는데, 가속도의 불연속으로 인해 나머지 진동 모드들을 가진하게 된다. 그리고, 흔히 S자형 속도 프로파일은 가속도가 0에서부터 선형적으로 증가하고 감소하므로 충격력을 주지는 않지만, 제대로 고려되지 않는 경우 역시 진동을 포함하는 과도응답을 얻게 될 염려가 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이동 혹은 정지시의 진동 현상을 이동 장치 자체적으로 측정할 수 있도록 하는데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 측정된 진동 현상을 기초로 진동이 관찰되지 않는 방법으로 장치가 이동할 수 있도록 하는데 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 이동시스템은, 휠을 통한 가속, 감속 혹은 외력에 의해 나타나는 진동 성분 신호로부터 고유 주기가 측정되도록 하는 고유주기 측정부; 및 상기 고유 주기를 기초로 한 가속 혹은 감속 구간을 포함하는 주행 프로파일을 상기 휠 구동에 적용하는 주행 프로파일 적용부를 포함한다.
또 상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 이동 시스템의 주행 방법은, a) 상기 휠을 통한 가속, 감속 혹은 외력에 의해 나타나는 진동 성분 신호로부터 고유 주기가 측정되도록 하는 단계; 및 b) 상기 고유 주기를 기초로 한 가속 혹은 감속 구간을 포함하는 주행 프로파일을 적용하여 주행하는 단계를 포함한다.
이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 특히, 이하 설명의 편의를 위해, 휠을 이용한 이동장치로서 휠타입의 이동 로봇을 예로 들어 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 그러나, 이는 본 발명의 실시예에 불과한 것으로, 본 발명의 권리범위가 이동 로봇으로 한정되는 것이 아님은 당연하다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 이동 장치 즉 이동 로봇시스템은, 고유 주기 측정부(100), 주행 프로파일 적용부(200), 휠(400) 및 설정된 주행 프로파일, 즉 가속도 프로파일 등으로 휠(400)을 구동시키는 휠(400) 구동부(300)를 포함한다.
고유 주기 측정부(100)는 제1 관성 센서부(110), 제2 관성 센서부(120) 및 진동 신호 계산부(130)를 포함하여, 이동 물체의 고유 주기를 측정할 수 있다. 그리고, 주행 프로파일 적용부(200)는 고유 주기에 기초한 주행 프로파일에 따라 이 동 시스템이 주행하도록 한다.
제1 관성 센서부(110)는 자기 위치 추정에 이용되며, 결과적으로 자기 위치 추정을 통해 로봇의 이동 상태를 측정할 수 있다.
제2 관성 센서부(120)는 로봇의 진동이 극대화되는 지점에 마련되어, 진동 검출용으로 이용되며, 제1 관성 센서부(110)에 대해 상대적으로 높은 위치에 마련된다. 일반적으로 어떤 구조물의 진동이 최대로 나타나는 지점은 모드 해석(Modal Analysis)를 통해 얻는 모드 형상(Mode Shape)를 보고 판단할 수 있다. 이 때, 매우 유연한 구조물의 경우, 유한요소해석을 통해 모드 형상을 구해 최대 진동 관측 지점을 알 수 있다.
제1 관성 센서부(110) 혹은 제2 관성 센서부(120)는 예를 들어 0V부터 10V사이의 아날로그 신호를 출력하는 가속도 센서와 같은 관성 센서를 포함할 수 있다. 이 때, 가속도 센서의 출력값인 가속도 아날로그 신호를 적분하면 속도 신호를 얻을 수 있고, 속도 신호를 다시 적분하여 변위신호로 변환하면 로봇의 이동을 측정할 수 있다. 이는 각 단계에서 아날로그 적분수단을 이용하거나 가속도 신호를 디지털 변환하여, 마이크로프로세서 수단과 수치 해석 루틴을 적용하여 수행할 수 있다.
진동 신호 계산부(130)는, 제1 관성 센서부(110) 및 제2 관성 센서부(120)의 출력값의 차이를 이용해서 로봇 진동 신호를 계산할 수 있다.
즉, 앞바퀴와 뒷바퀴간의 거리 또는 왼쪽 바퀴와 오른쪽 바퀴간의 거리에 비해 키가 큰 모양을 갖는 이동체에 있어서, 가속 및 감속에 의해 유발되는 진동형태 는 병진운동보다는 임의의 축을 중심으로 하는 회전운동 형태를 나타낸다.
이 때, 이동 로봇에 고정된 축이 존재하는 경우, 해당 축에 엔코더 등의 각도 센서를 부착하면 진동을 쉽게 측정할 수 있으나, 탄성체로 지지되는 것으로 모델링되는 이동 로봇은 각도 센서를 이용하여 진동을 측정할 수 없다.
따라서, 자기 위치 추정을 위해 사용되는 관성 센서를 포함하는 제1 관성 센서부(110) 외에도, 이동 로봇 각 부의 탄성 요소에 의해 그 진동이 최대한으로 가시화되는 곳에 제2 관성센서를 추가로 부착하면, 두 센서 출력값의 차를 이용해 이동 로봇의 진동형태를 측정할 수 있다.
도 6은 일반적인 회전 진동계에 외력이 가해지는 경우에 대한 시뮬레이션 그림 및 시뮬레이션을 위한 스테이트 폼(STATE FORM)이다.
즉,
Figure 112005047079051-PAT00001
: 평형점(지면으로부터 수직인 선)에 대해 측정한 각도로 반시계 방향이 +
Figure 112005047079051-PAT00002
: 각속도
Figure 112005047079051-PAT00003
: 각가속도 일 때,
진동에 관한 식은 막대의 고정점에 대한 모멘트(
Figure 112005047079051-PAT00004
)의 합(
Figure 112005047079051-PAT00005
)으로 정의되어, 스프링 상수
Figure 112005047079051-PAT00006
를 갖는 토션 스프링(torsional spring)에 의한 모멘트 및 로봇에 가해지는 F 에 대해 반대방향으로 가해지는 관성력 -F에 의한 모멘트의 합으로 나타난다.
이 때, 토션 스프링에 의한 모멘트는 회전 각도
Figure 112005047079051-PAT00007
에 비례하며 방향은 회전각도
Figure 112005047079051-PAT00008
의 부호와 반대가 되어, 이 모멘트에 의해 막대는 반대방향으로 회전하려는 가속력을 받으므로 모멘트값은
Figure 112005047079051-PAT00009
가 되고, 관성력 -F 에 의한 모멘트는
Figure 112005047079051-PAT00010
가 되므로, 진동에 관한 식은
Figure 112005047079051-PAT00011
가 된다.
그리고,
Figure 112005047079051-PAT00012
,
Figure 112005047079051-PAT00013
를 각각 x에 관한 변수로 치환하여
Figure 112005047079051-PAT00014
,
Figure 112005047079051-PAT00015
라 하면,
Figure 112005047079051-PAT00016
,가 되고, 이를 모멘트의 합을 구하는 원래의 식에 대입하면
Figure 112005047079051-PAT00017
가 되며, 상술한 치환 결과를 행렬 및 벡터로 표현하면 아래와 같다.
Figure 112005047079051-PAT00018
Figure 112005047079051-PAT00019
이 때, X를 스테이트 벡터(state vector)라고 하며, 진동계(system)의 상태를 나타내는 상태변수들의 벡터이다. 스테이트 벡터 X 앞에 적절한 행렬을 곱해주어 관심 있는 상태변수를 관찰하거나 관심있는 수식값 Y를 구할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 휠을 이용한 이동 시스템에서는 주로 각도
Figure 112005047079051-PAT00020
응답 을 관찰하므로,
Figure 112005047079051-PAT00021
로부터 진동에 따른 각도
Figure 112005047079051-PAT00022
응답을 구할 수 있다.
즉, 예를 들어, 바퀴 회전을 통해 이동하는 로봇으로, 로봇 본체의 아랫부분, 즉 구동 바퀴에 회전력(M)을 가하는 경우, 이동로봇의 중심부는 가속방향의 반대방향으로 관성력(F)을 받고, 무게 중심 높이(d)에 비례하는 모멘트를 받게 된다.
이 때, 제1 관성 센서부(110)는 자기 위치 추정에 이용되는 것으로, 로봇의 진동과 무관한 것으로 볼 수 있고, 제2 관성 센서부(120)는 제1 관성 센서부(110)에 대해 상대적으로 위쪽에 설치되어 로봇의 진동 현상을 포함하는 신호를 출력할 수 있다.
예를 들어, 제1 관성 센서부(110) 및 제2 관성 센서부(120)가 가속도계를 사용한 경우, 이동 로봇이 정지 상태를 포함하여 등속 운동 상태인 때 제2 관성 센서부(120)는 진동성분만 포함한 신호를 출력한다. 그리고 이동 로봇이 가감속 상태인 때, 제2 관성 센서부(120)로부터 출력되는 신호는 이동 로봇의 가감속 성분도 포함한다.
이 때, 진동 신호 계산부(130)는 이동 로봇 각 부의 탄성요소에 의해 진동이 최대한으로 가시화되는 곳에 마련되는 제2 관성 센서부(120)의 출력값(aL)으로부터 자기 위치 추정을 위한 제1 관성 센서부(110)의 출력값(aO)을 제거하여 순수 진동 성분(am )을 얻을 수 있다. 이 진동 성분으로부터 진동현상의 고유 주기를 측정할 수 있고, 따라서 고유 진동에 의한 진동 현상을 유발하지 않도록 설계된 구동력을 가하면, 이동 로봇의 진동이 억제되고 로봇과 같은 이동체의 감성 품질을 향상시킬 수 있다. 또, 불필요한 진동을 억제함으로써 전복 가능성 또한 줄일 수 있어, 이동 속도를 높일 수도 있다.
이하, 이동 로봇의 고유 진동 주기를 구하는 방법을 좀 더 상세히 설명한다.
이동 로봇의 초기화 시기 또는 외부 질량이 로봇에 추가된 이후 바퀴를 통해 로봇 본체에 특정 힘을 가하고, 관성 센서부의 응답을 관찰하면, 이동 로봇의 현재 고유 진동 주기(이하 고유 주기라 한다)를 알 수 있다.
고유 주기는 이동 로봇과 같은 이동체의 동역학적 특성으로서, 바퀴를 통한 가감속이나 이동 로봇 본체에 가해지는 외력에 의한 진동을 고유주기를 이용하여 예측할 수 있다.
이동로봇의 바퀴가 미끄러지지 않는 조건이라 가정하면, 바퀴 회전의 가속과 감속은 이동 로봇을 가속 및 감속시키게 되며, 고정 좌표계에서 이동 로봇은 진행 방향에 대해 앞뒤로 흔들거리는 진동을 하게 된다. 이 때, 사용자의 명령을 기다리는 대기 상태에서 바퀴를 통해 임펄스 형태의 가진을 하여 진동을 유발하고 관성 센서등을 이용해 고유 주기를 측정할 수 있다. 그리고, 단위 스텝 방식의 가속이 어려운 경우에는 사다리꼴 속도 프로파일로 저속 등속운동을 하다가, 과도 응답이 사라진 후 비상 정지를 하면 단위 스텝 응답을 얻을 수 있다.
이 때, 상술한 예에서 언급한 바와 같이 관성센서로 가속도계를 사용하고, 제2 관성 센서부(120)의 출력값으로부터 제1 관성 센서부(110)의 출력값을 제거하 면, 로봇의 순수 진동 성분을 얻을 수 있다. 이 때, 앞바퀴와 뒷바퀴 간의 거리 혹은 왼쪽 바퀴와 오른쪽 바퀴간의 거리에 비해 키가 큰 형태의 로봇의 경우, 이동 로봇의 회전 진동에서 각 가속도는 회전 반경에 비례한다. 따라서 진동 성분은 제1 관성 센서부(110)와 제2 관성 센서부(120) 간의 거리 차이가 클수록 분명하게 나타나고, 이렇게 얻은 진동 신호로부터 진동주기를 얻을 수 있다.
이 때, 진동 주기는 여러 개가 나타날 수 있는데, 가장 긴 주기가 사람 눈에 가장 잘 관측되고 로봇의 동역학적 안정성에 가장 크게 관여한다. 따라서 가장 긴주기의 진동에 기초하여 이동 로봇의 가감속을 제어한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제1 관성 센서부(110)와 제2 관성 센서부(120)간의 출력값의 차이로부터 도출된 진동 성분이 충격함수에 대한 응답인 경우, 측정된 신호의 시간 축 교차주기는 바로 로봇의 고유 주기가 되며, 기타의 경우 모드 해석 기법을 통해 이동 로봇과 같은 이동체의 고유 주기를 구할 수 있다.
주행 프로파일 적용부(200)는 이동 로봇의 고유 주기를 기초로 주행 프로파일을 설정할 수 있다.
이론상 가장 간단한 속도 프로파일은 진동주기에 해당하는 구형파로서, 단위 충격 함수 형태의 가속도로 원하는 속도에 도달한 후 정해진 거리를 이동하고 나면 반대 방향의 단위 충격 함수 형태의 가속도로 정지한다. 이러한 형태의 속도 프로파일이 정해지고 바퀴가 미끄러지지 않는다는 가정하에 완벽하게 가속되고 등속운동구간을 고유주기에 해당하는 시간 동안 유지한다면, 두 단위 충격 응답 함수의 중첩으로 정지 후 진동을 소멸시킬 수 있다. 그러나 이 경우에도 등속 이동 중에는 과도 진동이 일어나며, 등속 운동 중이므로 로봇의 진동이 쉽게 관찰된다.
또, 사다리꼴 속도 프로파일은 일정한 시간 동안 일정한 가속도를 가하는 속도 프로파일로서 가속의 시작과 등속운동의 시작, 감속의 시작, 정지시기에 가속도 값의 불연속(Jerk)이 있고, 이 때문에 진동은 스텝 응답 함수의 중첩으로 나타난다.
그리고, 가속도를 선형적으로 증감시키는 S곡선 속도 프로파일의 경우 선형 가속함수가 무한한 주파수로 구성되므로, 불필요한 진동을 억제할 수가 없다.
따라서, 주행 프로파일 적용부(200)는 다음과 같은 가속도 프로파일을 적용할 수 있다.
Figure 112005047079051-PAT00023
이 프로파일은 가속도를 0에서부터 증가시킨 후 감소시켜 0으로 끝나는 단일주파수 삼각함수 곡선으로서, 불필요한 진동을 유발하는 불연속(Jerk)이 없으며, 시뮬레이션 작업을 통해 도출될 수 있다.
또, 수학식 1에 나타난 바와 같은 가속도 프로파일을 따르는 경우 속도 및 변위식은 다음과 같으며, 각각의 그래프는 도 8에 도시된 바와 같다.
Figure 112005047079051-PAT00024
따라서, 정지 상태에서 상기 가속도 프로파일을 적용하면 적용되는 동안의 총 이동거리와 가속도 프로파일 적용 후의 속도는 다음과 같다.
가속도 프로파일이 적용되는 동안 총 이동 거리 :
Figure 112005047079051-PAT00025
가속도 프로파일 적용 후 속도 :
Figure 112005047079051-PAT00026
도 9에 도시된 바와 같이, 상기 가속도 프로파일이 적용된 경우, 각도 응답은 가속력이 가해지면 평형위치에서 벗어나기 시작하고 가속력이 사라질 무렵 원래의 평형 위치인 0으로 돌아와 0의 상태를 유지하게 된다.
로봇이 가속하는 동안 평형점 근방을 오가는 진동현상이 없어 한쪽으로 기울었다가 원래 위치로 돌아오게 되는데, 로봇 자체가 가속하고 있으므로 이 움직임은 쉽게 관찰되지 않는다.
로봇이
Figure 112005047079051-PAT00027
의 속도로 등속 운동 중 정지하기 위해서는 아래의 감속도 프로파일을 적용하면 된다.
Figure 112005047079051-PAT00028
이 때, 가속 후 등속 운동을 하다가 정지하는 경우의 가속도 프로파일과 응답은 도 10과 같다.
그리고, 이 가속도 프로파일은 아래의 수학식 4와 같이 고유주기의 짝수배(2배, 4배) 시간동안 가속을 하는 방식으로 변경해도 마찬가지로 가속이 끝난 후에 진동이 없다.
Figure 112005047079051-PAT00029
(n은 자연수)
한편, 일반적으로 로봇을 구동할 때, 가속구간, 등속운동구간, 감속구간으로 구분하여 동작시키는데, 따라서 총 구동시간(
Figure 112005047079051-PAT00030
)은 가속시간, 등속운동시간, 감속시간으로 구분된다. 이 때, 보통의 사다리꼴 속도 프로파일을 사용할 때는 등속운동속도(
Figure 112005047079051-PAT00031
), 가속시간(
Figure 112005047079051-PAT00032
), 감속시간(
Figure 112005047079051-PAT00033
), 총 이동거리(
Figure 112005047079051-PAT00034
)를 지정하면, 등속운동시간(
Figure 112005047079051-PAT00035
)을 장치 내부에서 계산하여 사용한다.
반면, 본 발명의 실시예에 따른 가속도 프로파일을 사용하는 경우, 우선, 총 이동거리(
Figure 112005047079051-PAT00036
)가 제한된 이동에 있어서 가속시간과 감속시간은 고유 주기의 일정 배수가 된다. 따라서 이동로봇의 등속운동 유지 시간과 등속운동 속도 등을 바꿀 수 있다.
또, 정해진 속도로 이동하는 경우에도 가속시간은 고유 주기에 기반하여 가속시간을 갖는다. 따라서, 이 때 사용자는 등속주행구간에서의 속도와 총 이동거리를 지정할 수 있고, 주행 프로파일 적용부(200)는 속도, 로봇의 고유주기를 이용해 가감속 시간을 결정하고 나머지 등속운동시간을 결정한다.
다음은 주행 프로파일 적용부(200)가 고유주기의 2배시간 동안 가감속 프로파일을 적용한 경우 프로파일 변수를 결정하는 과정이다.
Figure 112005047079051-PAT00037
이 때, 가속 프로파일의 최대값(Max(
Figure 112005047079051-PAT00038
)는 가속시간(2T)의 절반시점 (T)에서 발생되며, 그 때의 값은 다음의 수학식 5를 만족해야 한다.
Figure 112005047079051-PAT00039
즉, 가속 프로파일의 최대값이 휠(400) 구동부(300) 성능상의 최대 가속도(
Figure 112005047079051-PAT00040
)보다 낮아야 한다. 따라서, 도 11에 도시된 바와 같이, 가속 프로파일의 최대값이 수학식 5를 만족하도록 등속주행속도(
Figure 112005047079051-PAT00041
)를 낮추어야 할 경우, 주행 프로파일 적용부(200)는 T 시점에 T의 정수배 시간동안의 등가속 구간을 추가하여 등속주행속도도 향상시켜 전체 이동 구간을 더 빠른 시간내에 이동하도록 할 수도 있다.
이 때, 등가속구간에서는 로봇의 진동이 유발되지만, 로봇 전체가 가속되는 상황이므로 로봇의 회전진동은 관찰되지 않는다. 그리고, 로봇이 등속으로 움직일 때는 회전진동이 끝나므로 로봇은 흔들림없는 안정된 모습을 주행할 수 있다.
따라서, 도 12에 도시된 바와 같이, 카메라를 장착하여 휠(400)로 이동하는 소형 로봇에 본 발명의 실시예에 다른 주행 프로파일이 적용되는 경우, 회전진동 등으로 인한 카메라 흔들림없이 안정적 모습으로 주행을 할 수 있다.
특히, 카메라의 위치는 사람의 눈높이에 가까워야 하고 이동로봇 본체의 크기를 최소화 해야 하는 경우로서, 카메라와 본체 사이에 유연한 높이 조절 기구부를 적용한 경우에도, 본 발명의 실시예에 따르면 안정적 주행이 가능하다.
이하 도 13을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 휠(400)을 이용한 이동 장치의 주행방법에 대해 설명한다.
우선, 휠(400)을 이용한 이동체, 즉 상술한 바와 같이, 예를 들어 휠(400)을 이용하여 이동하는 이동 로봇의 경우, 주행시 진동형태를 측정한다(S100).
이 때, 제1 관성센서부 및 제2 관성센서부의 출력값의 차이를 이용하여 이동 로봇의 주행시 진동형태를 측정할 수 있다.
보다 구체적으로, 제1 관성센서부는 자기 위치 추정을 위해 사용되는 관성센서를 포함하고, 제2 관성센서부는 제1 관성센서부에 대해 상대적으로 높은 곳에 마련된 관성센서를 포함하여 이동로봇의 운동 상태에 따라 진동 성분만의 출력 혹은 이동로봇의 가감속 성분을 포함한 출력값을 갖는다.
진동 신호 계산부(130)는 제2 관성센서부의 출력값(aL)으로부터 자기 위치 추정을 위한 제1 관성 센서부(110)의 출력값(aO)을 제거하여 순수 진동 성분(am )을 얻을 수 있고, 해당 이동 로봇의 진동 형태를 측정할 수 있다.
그리고, 해당 로봇의 진동 형태로부터 고유 진동 주기를 도출한다(S110). 이 때, 해당 로봇의 진동 형태가 충격함수에 대한 응답인 경우에는 측정된 신호의 시간출 교차주기가 고유진동주기이며, 기타의 경우 모드 해석 기법을 통해 이동 로봇과 같은 이동체의 고유진동주기를 구할 수 있다.
다음, 도출된 고유진동주기로부터 해당 이동 로봇에 대한 적정 주행 프로파일이 설정된다(S120). 즉, 도출된 고유진동주기에 기초한 가속도 프로파일을 적용 할 수 있으며, 시뮬레이션 작업을 통해 도출된 적정 가속도 프로파일은 상술한 수학식 1과 같다. 그리고, 이동 로봇이 등속운동 중 정지하기 위한 감속도 프로파일은 수학식 3과 같다.
이 때, 본 발명의 실시예에 따른 가속도 프로파일을 사용하고,총 이동거리가 제한되는 때, 가속시간과 감속시간은 고유 주기의 일정 배수로 한정되고, 이동 로봇의 등속운동 유지 시간, 등속운동 속도 등이 사용자에 의해 설정될 수 있다.
또 본 발명의 실시예에 따른 가속도 프로파일을 사용하고 정해진 속도로 이동하는 경우 가감속시간은 여전히 고유주기에 기반한다. 이 때, 등속주행구간에서의 속도와 총이동거리가 사용자에 의해 지정될 수 있고, 등속주행구간에서의 속도, 로봇 고유주기에 기초하여 가감속 시간 및 나머지 등속운동 시간이 이동 로봇 내부적으로 결정될 수 있다.
상술한 바와 같은 방식을 통해, 고유주기의 일정 배수 기간동안 가감속 프로파일을 적용하여 프로파일 변수를 결정한 후, 이동 로봇의 성능을 고려한 주행 프로파일을 설정 및 적용하여 이동 로봇이 주행한 경우, 이동 로봇의 안정된 주행을 관찰할 수 있다(S130).
이상 설명한 바는 본 발명의 실시예에 불과한 것으로, 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니며, 당업자에게 자명한 사항에 대해 다양한 변형실시가 가능함은 물론이다. 본 발명의 권리범위는 후술할 특허청구범위 기재사항 및 그 균등사항으로 인정되는 모든 기술적 구성요소를 포함할 것이다.
따라서 본 발명에 따르면, 고유주기에 기반한 가속프로파일을 사용하므로, 사용자에게 관찰되는 진동을 유발하지 않으면서 이동체를 가속 혹은 감속할 수 있고, 그 결과 이동체의 완성도를 높일 수 있다.
또한, 이동체에 설치된 관성센서를 이용해서 고유주기를 스스로 측정할 수 있으므로, 로봇의 물리적인 구성을 변경하거나 로봇에 추가의 하중을 가하는 경우와 같이 고유주기가 변하는 경우에도, 진동을 최소화 할 수 있다. 이동체 바퀴의 탄성이나 바닥의 탄성조건이 변해도 이에 따른 고유주기의 변화를 측정하여 대응할 수 있음은 물론이다.

Claims (20)

  1. 이동 시스템에 있어서,
    휠을 통한 가속, 감속 혹은 외력에 의해 나타나는 진동 성분 신호로부터 고유 주기가 측정되도록 하는 고유주기 측정부;
    상기 고유 주기를 기초로 한 가속 혹은 감속 구간을 포함하는 주행 프로파일을 상기 휠 구동에 적용하는 주행 프로파일 적용부를 포함하는
    이동 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고유 주기 측정부는,
    각각 다른 위치에 설치된 두 관성센서를 포함하여, 두 관성센서의 출력값의 차이를 통해 진동 형태를 측정하는
    이동 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 관성 센서는 가속도 센서인
    이동 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 고유 주기 측정부는,
    자기 위치를 추정하는 제1 관성 센서부;
    상기 제1 관성 센서부에 대해 상대적으로 위쪽에 마련되어 진동 현상을 포함하는 신호를 출력하는 제2 관성 센서부; 및
    상기 제2 관성 센서부의 출력값으로부터 상기 제1 관성 센서부의 출력값을 제거하여 진동 성분을 계산하는 진동 신호 계산부를 포함하는
    이동 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고유 주기는
    상기 진동 성분이 충격함수에 대한 응답인 경우, 측정된 진동 성분 신호의 시간축 교차 주기인
    이동 시스템.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고유 주기는
    상기 진동 성분 신호의 주기가 복수로 나타나는 경우, 가장 긴 주기를 가리키는
    이동 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 주행 프로파일 적용부는,
    상기 고유 주기에 기초한 가속 프로파일을 사용하고,
    상기 가속 프로파일은
    Figure 112005047079051-PAT00042
    (
    Figure 112005047079051-PAT00043
    : 가속 구간의 가속도,
    Figure 112005047079051-PAT00044
    : 등속운동의 속도
    Figure 112005047079051-PAT00045
    : 자연수,
    Figure 112005047079051-PAT00046
    : 고유주기)
    로부터 도출되는
    이동 시스템.
  8. 제1항 또는 제7항에 있어서,
    상기 주행 프로파일 적용부는,
    상기 고유 주기에 기초한 감속 프로파일을 적용하고,
    상기 감속 프로파일은,
    Figure 112005047079051-PAT00047
    Figure 112005047079051-PAT00048
    (
    Figure 112005047079051-PAT00049
    : 가속 구간의 가속도,
    Figure 112005047079051-PAT00050
    : 감속 구간의 가속도,
    Figure 112005047079051-PAT00051
    : 등속운동의 속도
    Figure 112005047079051-PAT00052
    : 자연수,
    Figure 112005047079051-PAT00053
    : 고유주기)
    로부터 도출되는
    이동 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 가속 프로파일의 최대값은 상기 휠의 성능상 최대 가속도보다 낮아, 식
    Figure 112005047079051-PAT00054
    (
    Figure 112005047079051-PAT00055
    : 가속 프로파일의 최대값,
    Figure 112005047079051-PAT00056
    : 휠의 성능상 최대 가속도)를 만족하는
    이동 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 주행 프로파일 적용부는,
    상기 가속 프로파일의 최대값이 상기 식을 만족하도록 등속주행속도(
    Figure 112005047079051-PAT00057
    )를 낮추어야 하는 경우,
    상기 가속 프로파일이 최대가 되는 시점의 정수배 시간 동안 등가속 구간을 추가하여 등속 주행 속도를 향상시켜 전체 이동 구간을 더 빠른 시간 내 이동하도 록 하는
    이동 시스템.
  11. 이동 시스템의 주행 방법에 있어서,
    a) 상기 휠을 통한 가속, 감속 혹은 외력에 의해 나타나는 진동 성분 신호로부터 고유 주기가 측정되도록 하는 단계;
    b) 상기 고유 주기를 기초로 한 가속 혹은 감속 구간을 포함하는 주행 프로파일을 적용하여 주행하는 단계를 포함하는
    이동 시스템의 주행 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 a) 단계는,
    각각 다른 위치에 설치된 두 관성센서를 포함하여, 두 관성센서의 출력값의 차이를 통해 진동 형태를 측정하는 단계를 포함하는
    이동 시스템의 주행 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 관성 센서는 가속도 센서인
    이동 시스템의 주행 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 a) 단계는,
    진동 현상을 포함하는 신호를 출력하는 관성센서의 출력값으로부터, 진동현상과 무관하게 자기 위치를 추정하는 관성센서의 출력값을 제거하고 진동성분을 계산하여 고유 주기를 측정하는 단계인
    이동 시스템의 주행 방법.
  15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고유 주기는,
    상기 진동 성분이 충격 함수에 대한 응답인 경우, 측정된 진동 성분 신호의 시간축 교차 주기인
    이동 시스템의 주행 방법.
  16. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고유 주기는,
    상기 진동 성분 신호의 주기가 복수로 나타나는 경우, 가장 긴 주기를 가리키는
    이동 시스템의 주행 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 b) 단계는,
    상기 고유 주기에 기초한 가속 프로파일을 사용하여 주행하는 단계를 포함하고,
    상기 가속 프로파일은,
    Figure 112005047079051-PAT00058
    (
    Figure 112005047079051-PAT00059
    : 가속 구간의 가속도,
    Figure 112005047079051-PAT00060
    : 등속운동의 속도
    Figure 112005047079051-PAT00061
    : 자연수,
    Figure 112005047079051-PAT00062
    : 고유주기)
    로부터 도출되는
    이동 시스템의 주행 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 b) 단계는,
    상기 고유 주기에 기초한 감속 프로파일을 사용하여 주행하는 단계를 더 포함하고,
    상기 감속 프로파일은,
    Figure 112005047079051-PAT00063
    (
    Figure 112005047079051-PAT00064
    : 가속 구간의 가속도,
    Figure 112005047079051-PAT00065
    : 감속 구간의 가속도,
    Figure 112005047079051-PAT00066
    : 등속 운동의 속도
    Figure 112005047079051-PAT00067
    : 자연수,
    Figure 112005047079051-PAT00068
    : 고유주기)
    로부터 도출되는
    이동 시스템의 주행 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 가속 프로파일의 최대값은 상기 휠의 성능상의 최대 가속도보다 낮아 식
    Figure 112005047079051-PAT00069
    (
    Figure 112005047079051-PAT00070
    : 가속 프로파일의 최대값,
    Figure 112005047079051-PAT00071
    : 휠의 성능상 최대 가속도)를 만족하는
    이동 시스템의 주행 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 b) 단계는,
    상기 가속 프로파일의 최대값이 상기 식을 만족하도록 등속주행속도(
    Figure 112005047079051-PAT00072
    )를 낮추어야 하는 경우,
    상기 가속 프로파일이 최대가 되는 시점의 정수배 시간 동안 등가속 구간을 추가하여 등속 주행 속도를 향상시켜 전체 이동 구간을 더 빠른 시간 내 이동하는 단계를 더 포함하는
    이동 시스템의 주행 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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