KR20120082881A - 충돌 회피 스킴을 실행하는 로보틱 장치 및 연관된 방법 - Google Patents

충돌 회피 스킴을 실행하는 로보틱 장치 및 연관된 방법 Download PDF

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폴 마이클 보스처
다니엘 라이언 헤드먼
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해리스 코포레이션
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Abstract

로보틱 시스템은 충돌 회피 스킴을 실행하고, 제 1 로보틱 매니퓰레이터 및 제 1의 미리-계획된 실제 경로에 따른 이동을 위해 제 1 로보틱 매니퓰레이터를 제어하도록 구성되는 제 1 제어기를 포함한다. 제 2 제어기는 제 2의 미리-계획된 의도된 경로에 따른 이동을 위해 제 2 로보틱 매니퓰레이터의 움직임을 제어하고, 제 1의 미리-계획된 실제 경로의 사전 지식 없이 제 1 로보틱 매니퓰레이터와의 잠재적 충돌을 결정하는 것에 기반해서 제 1의 미리-계획된 실제 경로로부터 멀리 떨어진 도징 경로로 이동하도록 제 2의 미리-계획된 의도된 경로부터 벗어나도록 구성된다.

Description

충돌 회피 스킴을 실행하는 로보틱 장치 및 연관된 방법{ROBOTIC APPARATUS IMPLEMENTING COLLISION AVOIDANCE SCHEME AND ASSOCIATED METHODS}
본 발명은 로보틱의 분야, 그리고 더 구체적으로 로보틱 매니퓰레이터를 위한 충돌 회피 및 관련된 방법에 관한 것이다. 로보틱 시스템은 제조와 같은 분야에서 매우 흔하다. 실제, 제조 플랜트는 다양한 업무를 수행하기 위해 많은 로보틱 매니퓰레이터를 포함하는 로보틱 시스템을 일반적으로 사용한다. 로보틱 매니퓰레이터에 대한 손상을 회피하기 위해, 충돌 회피 스킴에 따라 로보틱 매니퓰레이터를 제어하는 것이 도움이 될 수 있다. 그와 같이, 로보틱 시스템을 위한 다양한 충돌 회피 스킴이 전개되어 왔다.
일부 충돌 회피 스킴은 미리-계획된 충돌 자유 경로로 각각의 로보틱 매니퓰레이터를 제한하는 것에 의해 작동한다. 예를 들어, 하나의 그러한 충돌 회피 스킴이 Otera et al.의 미국 특허 제 5,204,942호에서 개시된다. 그러한 충돌 회피 스킴은 로보틱 매니퓰레이터의 미리-계획된 경로에 대해 이루어지는 각각의 그리고 매 변경을 수용하도록 재프로그래밍하는 것을 일반적으로 요구한다. 일상적으로 변경되고 업데이트되는 제조 프로세스에서, Otera et al.의 충돌 회피 시스템은 그것의 필수적인 반복되는 재프로그래밍으로 인해 불리할 수 있다.
다른 충돌 회피 스킴은 작업장을 모델링하고 그것을 다른 존으로 분할할 수 있다. 특정 로보틱 매니퓰레이터는 특정 존에 진입하는 것이 금지될 수 있고, 또는 하나의 로보틱 매니퓰레이터만이 한번에 소정 존으로 허용될 수 있다. Pollack et al.의 미국 특허 제 5,150,452호는 로보틱 시스템을 위한 그러한 충돌 회피 스킴을 개시한다. 로보틱 시스템은 점유 그리드(occupancy grid)로 분할되는 작업장의 모델을 저장하는 제어기를 포함한다. 제어기는 하나의 로보틱 매니퓰레이터만이 소정 시간에 점유 그리드의 셀을 점유할 수 있도록 로보틱 시스템의 로보틱 매니퓰레이터를 제어한다. 이러한 충돌 회피 시스템은, 특히 다양하고 다르게 크기조절된 로보틱 매니퓰레이터가 있고, 점유 그리드의 셀 크기가 가장 큰 로보틱 매니퓰레이터를 동반하도록 크기조절된다면, 제조 플랜트의 효율성을 감소시킬 수 있다. 또한, 이러한 로보틱 시스템은 작업장의 모델에 기반해서 동작하기 때문에, 작업장에 대한 임의 변경은 모델의 업데이트를 요구할 수 있고, 그것은 시간 소모적일 수 있다.
로보틱 시스템을 위한 충돌 회피 스킴에서의 다른 시도는 로보틱 매니퓰레이터 사이의 잠재적 충돌을 능동적으로 찾는 제어기를 포함한다. 예를 들어, Stark의 미국 특허 제 4,578,757호는 다수의 중복 영역(overlapping spheres)과 같이 시스템의 각각의 로보틱 매니퓰레이터를 모델링하는 로보틱 시스템을 위한 충돌 회피 스킴을 개시한다. 로보틱 매니퓰레이터가 미리-계획된 경로를 따라 이동함에 따라, 근접한 로보틱 매니퓰레이터의 각각의 영역 사이의 거리가 제어기에 의해 계산된다. 이들 계산된 거리는 두개의 인접한 로보틱 매니퓰레이터 사이의 충돌의 위험을 나타낸다. 충돌의 위험이 임계량을 초과할 때, 로보틱 매니퓰레이터 중 적어도 하나가 그것의 미리-계획된 경로를 따라 트래블링함에 따라 느려질 수 있거나, 또는 심지어 완전히 정지될 수 있다. 그러나 그러한 충돌 회피 스킴은 로보틱 매니퓰레이터의 정지 및 제조 프로세스에서의 연관된 지연으로 인해 로보틱 시스템을 사용하는 제조 플랜트의 효율성을 감소시킬 수 있다.
설명된 바와 같이, 이들 선행 접근은 그들의 각각의 로보틱 시스템을 사용하는 제조 프로세스를 비효율적으로 만들 수 있다. 게다가, 이들 선행 접근을 사용하는 로보틱 시스템은 새로운 어플리케이션 또는 추가적인 로보틱 매니퓰레이터의 추가에 적응되기에 어려울 수 있고 및/또는 고비용일 수 있다. 그러한 바와 같이, 충돌 회피 스킴의 분야에서의 또 다른 진전이 소망될 수 있다.
그러므로 이전의 배경의 관점에서, 로보틱 장치를 위한 더 효율적인 충돌 회피 스킴을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
본 발명에 부합하는 이러한 그리고 다른 목적, 특징 및 이점이 또 다른 로보틱 매니퓰레이터와의 잠재적 충돌을 검출하고, 잠재적 충돌의 검출에 기반해서 도징(dodging) 경로로 이동하는 로보틱 매니퓰레이터에 의해 제공된다. 더 구체적으로, 로보틱 장치는 제 1 로보틱 매니퓰레이터, 및 제 1의 미리-계획된 실제 경로에 따른 이동을 위한 제 1 로보틱 매니퓰레이터를 제어하도록 구성되는 제 1 제어기를 포함할 수 있다. 덧붙여서, 로보틱 장치는 제 2 로보틱 매니퓰레이터, 및 제 2의 미리-계획된 의도된 경로에 따른 이동을 위한 제 2 로보틱 매니퓰레이터의 이동을 제어하도록 구성되는 제 2 제어기를 포함할 수 있다. 제 2 로보틱 매니퓰레이터는 제 1의 미리-계획된 실제 경로의 사전 지식 없이 그리고 제 1 로보틱 매니퓰레이터와의 잠재적 충돌을 결정하는 것에 기반해서 제 1의 미리-계획된 실제 경로로부터 멀리 떨어진 도징 경로로 이동하도록 제 2의 미리-계획된 의도된 경로로부터 벗어난다.
이러한 충돌 회피 스킴은 제 1 로보틱 매니퓰레이터의 제 1의 미리-계획된 실제 경로가 제 2의 미리-계획된 의도된 경로의 재프로그래밍을 필요로 함없이 재프로그래밍되는 것을 유리하게 허용한다. 이것은 로보틱 장치가 새로운 어플리케이션에 적응되기 위해 걸리는 시간을 감소시킬 수 있다.
제 1 제어기는 제 1 로보틱 매니퓰레이터를 위한 제 1 드라이브 신호를 발생시킬 수 있고, 제 2 제어기는 제 1 드라이브 신호에 기반해서 잠재적 충돌을 결정할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 제 1 로보틱 매니퓰레이터는 적어도 하나의 조인트, 적어도 하나의 조인트의 포지셔닝을 결정하기 위해 제 1 제어기 및 적어도 하나의 조인트와 협조하는 조인트 센서를 포함할 수 있다. 제 2 제어기는 제 1 로보틱 장치의 적어도 하나의 조인트의 포지셔닝에 기반해서 잠재적 충돌을 결정할 수 있다. 이것은 이미지 센서의 사용을 통한 것보다 더 적은 프로세싱 파워의 사용으로 그리고 더 정확하게 잠재적 충돌의 결정을 허용할 수 있다. 물론, 제 2 제어기는 또한 일부 실시예에서 이미지 센서 또는 조인트 포지션 센서에 기반해서 잠재적 충돌을 결정할 수 있다.
제 2 제어기는 제 2 로보틱 매니퓰레이터와 제 1 로보틱 매니퓰레이터 사이의 거리를 반복적으로 결정할 수 있고, 그 거리를 임계 거리와 비교하고, 그로써 잠재적 충돌을 결정할 수 있다. 게다가, 제 2 제어기는 또한 제 2 로보틱 매니퓰레이터와 제 1 로보틱 매니퓰레이터 사이의 접근 속도를 결정할 수 있고, 제 2 제어기는 또한 접근 속도에 기반해서 잠재적 충돌을 결정할 수 있다.
또한, 제 2 제어기 역시 제 2 로보틱 매니퓰레이터와 제 1 로보틱 매니퓰레이터 사이의 접근 속도를 반복적으로 결정할 수 있고, 제 2 제어기 역시 접근 속도에 기반해서 잠재적 충돌을 결정할 수 있다. 제 2 제어기는 접근 속도에 기반해서 다른 속도로 제 2 로보틱 매니퓰레이터를 이동시킬 수 있다. 제 2 제어기는 또한 제 1 로보틱 매니퓰레이터의 가속도를 반복적으로 결정할 수 있고, 제 2 제어기는 또한 가속도에 기반해서 잠재적 충돌을 결정할 수 있다.
덧붙여서, 제 2 제어기는 제 1 및 제 2 로보틱 매니퓰레이터의 기하학적 모델을 저장할 수 있고, 제 2 제어기는 기하학적 모델에 기반해서 제 2 로보틱 매니퓰레이터와 제 1 로보틱 매니퓰레이터 사이의 거리를 결정할 수 있다. 기하학적 모델의 사용은 잠재적 충돌을 결정하는데 소비되는 프로세싱 파워를 크게 감소시킬 수 있다.
각각의 기하학적 모델은 각각의 로보틱 매니퓰레이터를 둘러싸는 일련의 버퍼 존(buffer zones)을 포함할 수 있다. 제 2 제어기는 버퍼 존 사이의 중복에 기반해서 제 2 로보틱 매니퓰레이터와 제 1 로보틱 매니퓰레이터 사이의 잠재적 충돌을 결정할 수 있다. 게다가, 제 2 제어기는 어느 각각의 버퍼 존이 중복하고 있는지에 기반해서 다른 속도로 제 2 로보틱 매니퓰레이터를 이동시킬 수 있다.
제 2의 미리-계획된 의도된 경로는 소망의 속도의 시퀀스에 기반할 수 있다. 제 2 제어기는 제 2의 미리-계획된 의도된 경로의 소망의 속도의 시퀀스에 근접하게 뒤따르는 동안 잠재적 충돌을 회피하도록 도지 속도(dodge velocities)의 시퀀스에 기반해서 도징 경로에 따라 제 2 로보틱 매니퓰레이터를 이동할 수 있다.
제 2 로보틱 매니퓰레이터는 적어도 하나의 조인트를 포함할 수 있고, 제 2 제어기는 적어도 하나의 조인트 상의 힘에 기반해서 도지 속도의 시퀀스를 결정할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 제 2 제어기는 또한 제 2 로보틱 매니퓰레이터의 키네틱 에너지 상의 도지 속도의 시퀀스를 결정할 수 있다. 적어도 하나의 조인트 상의 힘 또는 토크에 기반해서, 또는 제 2 로보틱 매니퓰레이터의 키네틱 에너지에 기반해서 도지 속도의 시퀀스를 결정하는 것은 제 2 로보틱 매니퓰레이터가 그것의 하드웨어에 손상을 줄 수 있는 경로 또는 도지 속도를 따라 전진하는 것을 유리하게 제한할 수 있다.
도지 속도의 시퀀스는 복수의 물리적 방향의 각각에서의 적어도 하나의 속도를 포함할 수 있다. 제 2 제어기는 허용가능한 속도 중 복수의 볼록 집합(convex sets)에 기반해서 도지 속도의 시퀀스를 결정할 수 있다.
일 방법 측면은 제 1의 미리-계획된 실제 경로에 따른 이동을 위해 제 1 제어기에 의해 제어되는 제 1 로보틱 매니퓰레이터와의 충돌을 회피하기 위한 충돌 회피 스킴에 따라서 로보틱 장치를 작동하는 방법에 관련된다. 방법은 제 2의 미리-계획된 의도된 경로에 따른 이동을 위해 제 2 제어기로 제 2 로보틱 매니퓰레이터를 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 제 1의 미리-계획된 실제 경로의 사전 지식 없이 그리고 제 1 로보틱 매니퓰레이터와의 잠재적 충돌을 결정하는 것에 기반해서 제 1의 미리-계획된 실제 경로로부터 멀리 떨어진 도징 경로로의 이동을 위한 제 2 제어기로 제 2 로보틱 매니퓰레이터를 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 충돌 회피 스킴은 제 1 로보틱 매니퓰레이터의 제 1의 미리-계획된 실제 경로가 제 2의 미리-계획된 의도된 경로의 재프로그래밍을 필요로 함없이 재프로그래밍되는 것을 유리하게 허용한다. 이것은 로보틱 장치가 새로운 어플리케이션에 적응되기 위해 걸리는 시간을 감소시킬 수 있다.
제 2 제어기는 제 1 및 제 2 로보틱 매니퓰레이터의 기하학적 모델을 저장할 수 있고, 제 2 제어기는 기하학적 모델에 기반해서 제 2 로보틱 매니퓰레이터와 제 1 로보틱 매니퓰레이터 사이의 거리를 결정할 수 있다. 기하학적 모델의 사용은 충돌을 결정하는데 소비되는 프로세싱 파워를 크게 감소시킬 수 있다.
적어도 하나의 조인트 상의 힘 또는 토크에 기반해서, 또는 제 2 로보틱 매니퓰레이터의 키네틱 에너지에 기반해서 도지 속도의 시퀀스를 결정하는 것은 제 2 로보틱 매니퓰레이터가 그것의 하드웨어에 손상을 줄 수 있는 경로 또는 도지 속도를 따라 전진하는 것을 유리하게 제한할 수 있다.
도 1은 본 발명에 부합하는, 충돌 회피 스킴을 실행하는 로보틱 장치의 도식화된 측면도이다.
도 2는 도 1의 로보틱 장치의 도식화된 투시도이다.
도 3은 본 발명에 부합하여, 충돌 회피 스킴을 실행하는 로보틱 장치의 또 다른 실시예의 도식화된 블록도이다.
도 4는 도 3의 로보틱 장치에 의한 도지 속도의 선택을 도시하는 그래프이다.
도 5는 본 발명에 부합해서, 충돌 회피 스킴을 실행하는 로보틱 장치의 여전히 또 다른 실시예의 도식화된 블록도이다.
도 6은 도 5의 로보틱 장치의 투시도이다.
도 7은 본 발명에 부합하는, 일련의 버퍼 존에 의해 둘러싸인 로보틱 매니퓰레이터의 도식화된 측면도이다.
도 8은 본 발명에 부합하는, 충돌 회피 스킴에 따라서 로보틱 장치를 작동시키는 방법의 흐름도이다.
도 9a는 제 1 및 제 2 로보틱 매니퓰레이터의 도식화된 측면도이다.
도 9b는 도징 경로를 결정하는데 사용되는 벡터를 포함하는 제 1 및 제 2 로보틱 매니퓰레이터의 도식화된 측면도이다.
도 9c는 도징 경로를 결정하는데 사용되는 벡터를 포함하는 제 1 및 제 2 로보틱 매니퓰레이터의 도식화된 측면도이다.
도 10은 도징 경로를 결정하는데 사용하는 접근 속도의 계산을 도시하는 차트이다.
본 발명은 이제 첨부된 도면에 관한 참조와 함께 이하에서 더 완전하게 설명될 것이고, 본 발명의 바람직한 실시예가 도시된다. 그러나 본 발명은 많은 다른 형태로 실행될 수 있고 여기서 제시된 실시예로 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 그보다는, 이들 실시예는 본 개시가 철저해지고 완전해지고, 해당 기술분야의 당업자에게 본 발명의 범위를 충분히 전달하도록 제공된다. 동일한 번호는 전체에 걸쳐 동일한 엘리먼트에 관한 것이고, 프라임 및 다중 프라임 기호가 대안적인 실시예에서 유사한 엘리먼트를 나타내도록 사용된다.
도 1-2에 관해 최초로 언급할 때, 충돌 회피 스킴을 실행하는 로보틱 장치(9)가 이제 설명된다. 로보틱 장치(9)는 제 1 로보틱 매니퓰레이터(10) 및, 제 1의 미리-계획된 실제 경로(11a, 11b)에 따른 이동을 위해 제 1 로보틱 매니퓰레이터를 제어하도록 구성되는 제 1 제어기(15)를 포함한다. 덧붙여, 제 2 로보틱 매니퓰레이터(12) 및 제 2 제어기(20)가 있다. 제 2 제어기(20)는 제 2의 미리-계획된 의도된 경로(13)에 따른 이동을 위해 제 2 로보틱 매니퓰레이터(12)의 이동을 제어하도록 구성된다. 제 2 제어기(20)는 제 1의 미리-계획된 실제 경로(11a, 11b)의 사전 지식 없이, 제 2 로보틱 매니퓰레이터(12)가 잠재적 충돌을 결정하는 것에 기반해서 제 1의 미리-계획된 실제 경로, 그리고 따라서 제 1 로보틱 매니퓰레이터(10)로부터 멀리 떨어진 도징 경로(14a, 14b)로 이동하도록 제 2의 미리-계획된 의도된 경로(13)로부터 벗어나도록 야기한다. 도징 경로(14a, 14b)의 유도(derivation)의 또 다른 세부사항은 아래에 주어질 것이다.
해당 기술분야의 당업자는 로보틱 장치(9)가 임의 수의 로보틱 매니퓰레이터를 포함할 수 있고 제 1 및 제 2 로보틱 매니퓰레이터(10, 12)가 예를 들어, 대상 및/또는 툴을 핸들링하기 위한 용접 아암, 또는 로보틱 클로(claws)와 같은, 임의 적합한 로보틱 매니퓰레이터일 수 있다는 것을 이해할 것이다. 물론, 제 1 및 제 2 로보틱 매니퓰레이터(10, 12)는 다른 유형의 로보틱 매니퓰레이터일 수 있고 크기에서 다양할 수 있다.
다른 실시예에서, 제 1의 미리-계획된 실제 경로(11a, 11b)는 임의 방향에서의 연속적인 또는 비연속적인 이동을 포함할 수 있고, 제 1 로보틱 매니퓰레이터(10)의 조인트(26)의 이동을 포함할 수 있다. 유사하게, 제 2의 미리-계획된 의도된 경로(13)는 다른 실시예에서 임의 방향에서의 연속적인 또는 비연속적인 이동을 포함할 수 있고, 제 2 로보틱 매니퓰레이터(12)의 조인트(27)의 이동을 포함할 수 있다. 도 1에서 도시된 바와 같은 실시예에서, 경로는 설명의 명백함을 위해 선형 이동으로 단순화된다.
이러한 충돌 회피 스킴의 어플리케이션은 시간에서의 세개의 별개의 순간에 도 1에 도시된다. 여기서, 제 1 로보틱 매니퓰레이터(10)는 제 1 시간(T1)에서 시작해서, 제 2 시간(T2)에서 제 2 세그먼트(11b)에 따라 계속하며 제 3 시간(T3)에서 종료하는 제 1 세그먼트(11a)를 포함하는, 제 1의 미리-계획된 실제 경로(11)에 따른 이동을 위해 제 1 제어기(15)(도 2)에 의해 제어되고 있다.
제 2 제어기(20)(도 2)는 제 2의 미리-계획된 의도된 경로(13)에 따라 시도된 이동을 위해 제 2 로보틱 매니퓰레이터(12)를 제어하고 있다. 그러나, T1에서, 제 2 제어기(20)는 제 2 로보틱 매니퓰레이터(12)가 제 1 로보틱 매니퓰레이터(10)와 충돌할 수 있는 것을 검출한다. 그러므로, 제 2 제어기(20)는 제 2 로보틱 매니퓰레이터(12)가 대신에 도지 경로, 세그먼트(14a, 14b)를 뒤따르도록 야기하고, 그래서 T1 및 T3에서, 그것은 제 1 로보틱 매니퓰레이터(10)와 충돌하지 않는다. 도지 경로(14am, 14b)는 제 2 로보틱 매니퓰레이터(12)가 제 1 로보틱 매니퓰레이터(10)와 충돌하는 위험에서 벗어나게 할 뿐만 아니라, 가능한 근접하게 제 2의 미리-계획된 의도된 경로(13)를 유리하게 뒤따르게 할 수 있다. 도시되는 예시에서, 제 2 로보틱 매니퓰레이터(12)는 제 2의 미리-계획된 의도된 경로(13)를 뒤따르는 곳에서와 같은 T3에서의 동일한 위치에서 설명적으로 엔딩 업 한다.
해당 기술분야의 당업자는 제 2 제어기(20)가 제 1 로보틱 매니퓰레이터(10)와의 잠재적 충돌을 반복적으로 조사할 수 있고, 예를 들어, 매 2 밀리초와 같이, 그것에 기반해서 도지 경로(13)를 반복적으로 조절할 수 있다는 것을 이해할 것이다.
로보틱 장치(9')의 또 다른 실시예는 도 3에 대한 참조와 함께 이제 설명된다. 여기서, 제 1 제어기(15')는 제 1의 미리-계획된 실제 경로에 따른 이동을 위해 제 1 로보틱 매니퓰레이터(10')를 제어하도록 프로세서(16')와 협조하는 메모리(17')를 포함한다. 프로세서(16')는 드라이브 신호 발생기(18')로 드라이브 명령어를 보내고, 결국 제 1 로보틱 매니퓰레이터(10')로 제 1 드라이브 신호를 발생시키고 보낸다. 제 1 로보틱 매니퓰레이터(10')는 제 1 드라이브 신호에 기반해서 제 1의 미리-계획된 실제 경로에 따라 이동한다.
제 2 제어기(20')는 제 2의 미리-계획된 의도된 경로에 따른 제 2 로보틱 매니퓰레이터(12')의 이동을 제어하기 위해 협조하는 프로세서(21') 및 메모리(22')를 포함한다. 여기서, 제 2의 미리-계획된 의도된 경로는 소망의 속도의 시퀀스에 기반한다. 프로세서(21')는 드라이브 신호 발생기(23')로 드라이브 명령어를 보내고, 결국 제 2 로보틱 매니퓰레이터(12')로 제 2 드라이브 신호를 발생시키고 보낸다. 제 2 로보틱 매니퓰레이터(12')는 제 2 드라이브 신호에 기반해서 제 2의 미리-계획된 의도된 경로에 따라 이동한다.
프로세서(21')는 제 1의 미리-계획된 실제 경로의 사전 지식 없이 제 1 로보틱 매니퓰레이터(10')와의 잠재적 충돌을 결정한다. 이러한 결정을 야기하도록, 제 2 제어기(20')의 통신 인터페이스(24')가 제 1 드라이브 신호를 판독하도록 제 1 제어기(15')의 통신 인터페이스(19')에 결합된다. 프로세서(21')는 통신 인터페이스(24')와 협조하고, 그로써 제 1 드라이브 신호에 기반해서 잠재적 충돌을 결정한다. 이것은 제 1 로보틱 매니퓰레이터(10')의 각각의 부분의 속도의 빠르고 정확한 결정 그리고 따라서 제 1의 미리-계획된 실제 경로를 유리하게 허용한다.
프로세서(21')가 제 2 로보틱 매니퓰레이터(12')와 제 1 로보틱 매니퓰레이터(10')의 잠재적 충돌을 결정할 때, 그것은 제 2 로보틱 매니퓰레이터가 제 2의 미리-계획된 경로로부터 벗어나, 대신에 도지 속도의 시퀀스에 기반해서 (제 1의 미리-계획된 실제 경로 그리고 따라서 제 1 로보틱 매니퓰레이터로부터 멀리 떨어진) 도징 경로로 이동하도록 야기한다.
프로세서(21')는 잠재적 도지 속도의 세트로부터 도지 속도의 시퀀스의 각각을 선택할 수 있다. 잠재적 도지 속도의 그러한 세트가 도 5의 2-차원 그래프에서 도시된다. 도 5에서 크로스해치된 영역은 만일 제 2 로보틱 매니퓰레이터(12')에 의해 뒤따른다면, 제 1 로보틱 매니퓰레이터(10')와의 충돌을 초래할 수 있는 속도를 나타낸다. 도 5의 다각형의 비-크로스해치된(non-crosshatched) 영역은 충돌 자유 도지 속도의 세트를 나타낸다. 제 2의 미리-계획된 의도된 경로는 소망의 속도의 시퀀스에 기반하고, 도지 속도의 시퀀스의 각각을 선택하는 것에서, 프로세서(21')는 소망의 속도에 가장 근접한 도지 속도를 선택할 수 있다. 도 4에서 나타나는 바와 같이, 선택된 속도 SV가 의도된 속도 IV에 인접해서 나타난다.
도지 속도는 또한 다양한 요소들 가운데 제 2 로보틱 매니퓰레이터(12')의 조인트 상의 토크 및/또는 제 2 로보틱 매니퓰레이터의 키네틱 에너지에 기반할 수 있다(또는 소망의 속도를 선택하기 위한 로봇-일부 키네마틱, 다이나믹, 등의 원칙을 다루는 일부 목적 함수에 기반할 수 있으나-그러나 최적은 로봇 시스템을 위해 규정된다). 예를 들어, 제 2 로보틱 매니퓰레이터(12')의 특정 조인트는 토크 제한을 가질 수 있고, 이들 조인트가 그러한 토그 제한을 초과하도록 야기할 수 있는 속도로 로보틱 매니퓰레이터를 이동시키는 것은 소망되지 않는다. 제 2 로보틱 매니퓰레이터의 키네틱 에너지 또는 조인트 상의 토크에 도지 속도를 기반하는 것은 제 2 로보틱 매니퓰레이터(12')가 도지 속도의 시퀀스에 따른 이동 동안 손상되지 않거나, 또는 제 2 로보틱 매니퓰레이터에 의해 캐링되는 툴 또는 대상이 도지 속도에 따른 이동 동안 손상되지 않는다는 것을 보장하도록 유리하게 도울 수 있다. 이들 도지 속도의 결정은 아래에서 더 구체적으로 설명될 것이다.
도 5에 대한 추가적인 참조와 함께, 충돌 회피 스킴을 실행하는 로보틱 장치(9")의 여전히 또 다른 실시예가 이제 설명된다. 제 1 로보틱 매니퓰레이터(10") 및 제 1 제어기(15")는 위에서 설명된 제 1 로보틱 매니퓰레이터(10') 및 제 1 제어기(15')에 관한 구조 및 기능에서 유사하고, 따라서 그것의 또 다른 설명이 요구되지 않는다.
제 2 제어기(20")는 제 2 제어기(20')에 관한 참조와 함께 위에서 설명된 바와 같이 프로세서(21"), 메모리(22"), 드라이브 신호 발생기(23"), 및 통신 인터페이스(24")를 포함한다. 그러나 여기서 메모리(22")는 제 1 및 제 2 로보틱 매니퓰레이터의 기하학적 모델을 저장한다. 제 2 제어기(20")의 프로세서(21")는 기하학적 모델을 발생시킬 수 있고, 또는 이러한 데이터는 제 2 제어기로 통신되고 그것의 메모리(22")에 저장될 수 있다.
기하학적 모델을 발생시키기 위해서, 각각의 로보틱 매니퓰레이터(10", 12")는 기하학적 프리미티브(primitives)의 세트로서 제일 먼저 제시된다. 기하학적 프리미티브는 포인트, 라인 세그먼트, 및 직사각형을 포함한다. 기하학적 모델을 완성하기 위해, 제 1 및 제 2 로보틱 매니퓰레이터(10", 12")가 그때 스윕핑된 구면체(swept spherical bodies)와 같이 나타날 수 있다. 이들 스윕핑된 구면체는 각각의 기하학적 프리미티브로부터 구체화된 거리/반경에 있는 포인트의 세트를 포함한다. 프리미티브가 포인트라면, 결과 바디는 구체이다. 프리미티브가 라인 세그먼트라면, 바디는 실리스피어(cylisphere)로도 알려진, 구체 엔드캡(endcaps)을 갖는 실린더이다. 프리미티브가 직사각형이라면, 바디는 라운딩된 에지를 갖는 박스이다. 독해의 용이함을 위해, 이들 바디는 이하에서 "실리스피어 쉘"로 언급될 것이나, 그들이 위에서 설명된 바와 같이 다르게 형상화될 수 있다는 것이 이해되어야만 한다.
도 6에서 나타나는 바와 같이, 대상의 기하학적으로 복잡한 세트(여기서, 로보틱 매니퓰레이터)가 실리스피어 쉘의 선택에 의해 추정될 수 있다. 분명한 실리스피어 쉘을 더 명백하게 도시하기 위해, 각각의 쉘을 위한 기하학적 프리미티브가 쉘 위에 중첩된다. 도 6에서 각각의 로보틱 매니퓰레이터(10", 12")가 (각각에 대해 여덟개의 라인 세그먼트로부터 보여질 수 있는 바와 같이) 여덟개의 실리스피어 쉘에 의해 추정된다. 결과적으로, 로보틱 매니퓰레이터(10", 12")의 완전한 기하학적 모델 및 소정 순간에서의 그들의 주변이 바디의 목록, 각각의 바디 유형(즉, 포인트, 라인 세그먼트, 또는 플레인), 각각의 바디 상의 코너/엔드 포인트의 위치, 및 각각의 바디와 연관된 반경에 의해 표현될 수 있다.
로보틱 장치의 로보틱 매니퓰레이터를 추정하기 위해 그러한 방법을 사용하는 1차 이점은 로보틱 매니퓰레이터 사이의 거리를 계산하는 것에서의 단순성이다. 대상 j와 k 사이의 거리 d(j,k)는 단순하게
Figure pct00001
이고, 여기서 dp(j,k)는 대상 j 및 k의 프리미티브 사이의 거리이고 rj 및 rk는 각각 대상 j 및 k의 반경이다. 프리미티브(포인트, 라인 세그먼트, 직사각형) 사이의 거리를 계산하는 것은 일부 경우에서 상대적으로 간단한 폐형(closed-form) 해법을 가진다.
로보틱 매니퓰레이터 마다 사용된 실리스피어 쉘의 수를 증가시키는 것은 증가된 계산 시간의 비용 측면을 제외하고, 기하학적 모델의 정확성을 개선할 수 있다. 해당 기술분야의 당업자는 이것이 로보틱 장치의 기하학적 모델을 단순화하는 유일한 가능한 방법이 아니라는 점을 이해할 것이다. 신속하게 수행될 수 있는 기하학적 계산을 허용하는 로보틱 장치의 임의 제시가 허용가능한 대안이 될 수 있다.
도지 속도의 시퀀스의 계산과 관련해서 아래에서 설명될 바와 같이, 이러한 충돌 회피 스킴의 제한 발생 부분은 그것이 제 1 로보틱 매니퓰레이터(10")와 충돌하기에 얼마나 가까운가에 기반해서 제 2 로보틱 매니퓰레이터(12")의 모션 상에 제한을 생성한다. 이것은 각각의 기하학적 프리미티브에 대해 세개의 버퍼 존(26", 27", 28")의 세트를 생성하는 것에 의해 달성된다. 이것은 도 7에서 도시되고, 제 2 로보틱 매니퓰레이터(12")의 하나의 링크의 지오메트리가 모델링된다. 선택된 기하학적 프리미티브는 라인 세그먼트(미도시)이다. 세개의 다른 반경을 갖는 실리스피어 쉘이 그때 이러한 단일 기하학적 프리미티브로부터 구성된다.
도 5의 로보틱 장치에 이러한 충돌 회피 스킴을 적용하는 것에서, 버퍼 존(26", 27", 28")은 예를 들어, 기하학적 모델과 동일한 형상일 수 있고, 프로세서(21")는 제 1 및 제 2 로보틱 매니퓰레이터(10", 12")의 버퍼 존 사이의 중복을 검출하는 것에 기반해서 도지 경로를 변경할 수 있다.
여전히 도 7에 관련해서, 버퍼 존은 반응 버퍼 존(26"), 평형(equilibrium) 버퍼 존(27"), 및 대상 버퍼 존(28")을 포함한다. 반응 버퍼 존(26") 및 평형 버퍼 존(27")은 제 1 로보틱 매니퓰레이터(10")에 접근함에 따라 제 2 로보틱 매니퓰레이터(12")의 모션에 변경을 점차로 적용하도록 사용된다. 대상 버퍼 존(28")은 제 2 로보틱 매니퓰레이터(12")가 제 1 로보틱 매니퓰레이터(10")에 얼마나 가깝도록 허용될 수 있는가에 관한 하부 바운드이다. 특히, 제 2 로보틱 매니퓰레이터(12")의 대상 버퍼 존(28")은 제 1 로보틱 매니퓰레이터의 대상 버퍼 존을 접촉하도록 허용될 수 없고 아니면 충돌이 발생할 수 있다.
도 5에 관해 다시 언급할 때, 프로세서(21")는 위에서 설명된 바와 같이, 드라이브 신호 발생기(23")를 통한 제 2의 미리-계획된 의도된 경로에 따른 이동을 위해 제 2 로보틱 매니퓰레이터(12")의 이동을 제어한다. 하나 이상의 시각 센서, 설명적으로 시각 센서(25"),(위치 센서, 모션 센서 등과 같이 센서의 임의 유형일 수 있음)가 통신 인터페이스(24")에 결합된다. 해당분야의 당업자는 이미지 센서(시각 센서(25"))가 카메라와 같은 임의 적합한 이미지 센서일 수 있고, 복수의 그러한 센서가 있을 수 있다는 것을 이해할 것이다. 부가적으로 또는 대안적으로, 다른 어플리케이션에서, 예를 들어, 레이더 또는 소나와 같은 센서의 다른 유형이 있을 수 있다.
프로세서(21")는 제 1 및 제 2 로보틱 매니퓰레이터(10", 12") 사이의 잠재적 충돌을 검출하도록 시각 센서(25')에 기반해서 제 2 로보틱 매니퓰레이터(12")의 쉘과 제 1 로보틱 매니퓰레이터(10")의 쉘 사이의 거리를 결정한다. 잠재적 충돌은 제 1 로보틱 매니퓰레이터(10")의 버퍼 존과 중복하는 제 2 로보틱 매니퓰레이터(12")의 버퍼 존에 기반해서 검출될 수 있다.
잠재적 충돌에 응답해서, 프로세서(21")는 제 1 로보틱 매니퓰레이터(10")와의 충돌을 회피하도록 도지 경로로의 이동을 위해 제 2 로보틱 매니퓰레이터(12")를 제어한다. 도지 경로는 제 1 및 제 2 로보틱 매니퓰레이터(10", 12")의 어느 버퍼 존이 서로 중복하는가에 의존할 수 있다. 예를 들어, 제 1 및 제 2 로보틱 매니퓰레이터(10", 12")의 반응 버퍼 존(26")이 중복한다면, 도지 경로는 제 1 로보틱 매니퓰레이터(10")로부터 떨어져 제 2 로보틱 매니퓰레이터(12")를 택할 수 있으나, 그것의 접근 속도보다 더 적은 속도에서이다. 반응(26") 버퍼 존이 그들의 각각의 로보틱 매니퓰레이터의 기하학적 모델과 비교해서 상대적으로 크도록 규정될 수 있기 때문에, 제 2 로보틱 매니퓰레이터(12")는 제 1 로보틱 매니퓰레이터(10")의 접근 속도와 동일하거나 또는 더 큰 속도로 이동하는 것을 단순히 필요로 하지 않을 수 있다. 도지 경로에 따른 그러한 더 적은 속도에서의 이동은 파워를 절약하고, 제 2 로보틱 매니퓰레이터(12") 상의 마모 및 손상을 감소시킬 수 있다.
제 1 및 제 2 로보틱 매니퓰레이터(10", 12")의 평형 버퍼 존(27")이 서로 중복한다면, 도지 경로는 그것의 접근 속도에서 제 1 로보틱 매니퓰레이터(10")로부터 떨어져 제 2 로보틱 매니퓰레이터(12")를 택할 수 있다. 이것은 제 2 로보틱 매니퓰레이터(12")가 더 느린 속도로 이동하지 않는다면 피할 수 없는 충돌을 회피하도록 도울 수 있다. 제 1 및 제 2 로보틱 매니퓰레이터(10", 12")의 대상 버퍼 존(28")이 서로 접촉한다면, 도지 경로는 비상 정지할 수 있다. 게다가, 제 1 및 제 2 로보틱 매니퓰레이터(10", 12")의 대상 버퍼 존(28")이 서로 접촉한다면, 제 2 제어기(20")는 로보틱 장치(9")를 정지시킬 수 있다.
압축을 위해, 각각의 기하학적 프리미티브 및 그것과 연관된 세개의 쉘은 b로 표기된, "바디"로서 집합적으로 언급될 수 있다. 바디의 세트는 두개의 세트로 분할될 수 있다. "로보틱 매니퓰레이터" 바디의 세트 즉, R은 제 2 로보틱 매니퓰레이터의 일부인 바디이다. "대상" 바디의 세트 즉, O는 (제 1 로보틱 매니퓰레이터를 포함하는) 다른 바디이다.
각각의 로보틱 매니퓰레이터 바디 bj∈R에 대해, 그것과 충돌할 가능성이 있는 바디의 세트 bk∈(R∪O)를 그때 결정하는 것이 도움이 될 수 있다. 이것은 세개의 단계로 이루어진다. 제 1 단계는 충돌 회피 스킴을 실행하기에 앞서 오프-라인 수행되고, 가능한 충돌의 목록으로부터 잠재적 충돌 쌍(bj, bk)을 수동으로 제거하는 단계를 포함한다. 이 단계에서 제거된 잠재적 충돌 쌍은 충돌 회피 스킴에서 임의 포인트에 대해 확인되지 않을 수 있다. 이것은 충돌로 플래그됨 없이 이웃하는 바디가 서로 중복하는 것을 허용하도록 주로 사용된다.
예를 들어, 도 6에서 로보틱 매니퓰레이터 바디의 일부가 서로 중복한다. 이 경우에 이웃하는 바디 사이의 중복을 무시하는 것이 소망될 수 있다. 그러나, 이것은 로봇 바디의 모든 쌍에 대한 경우는 아니다. 예를 들어, 특정 바디와 로보틱 매니퓰레이터의 베이스 사이의 충돌을 방지하는 것이 소망될 수 있고, 저들 바디에 대한 충돌 쌍이 가능한 충돌의 목록으로부터 제거되지 않을 수 있다.
제 2 단계는 충돌 회피 스킴의 실행을 시작한 후에 수행된다. 이 단계의 목적은 잠재적 충돌 쌍(bj, bk)이 이 순간에서 무시될 수 있을 만큼 매우 충분히 떨어져 있는가를 신속하게 확인하는 것이다. 이 단계를 실행하기 위해, 바운딩 박스가 작업장에서의 바디 주변에 구성될 수 있다. 각각의 잠재적 충돌 쌍(bj, bk)의 바운딩 박스가 비교되고 바운딩 박스가 중복하지 않으면, 그 (bj, bk)쌍은 가능한 충돌 바디의 목록으로부터 제외될 수 있다. 이 단계는 빠르고 고려로부터 잠재적 충돌을 신속하게 제거할 수 있다.
제 3 단계에서 바디 사이의 실제 거리가 제 1 두개의 단계에서 제거되지 않았던 쌍(bj, bk)에 기반해서 계산된다. 특히, 바디와 연관된 기하학적 프리미티브 사이의 거리가 계산된다. 선택된 단순한 기하학적 프리미티브 때문에, 이것은 매우 신속하게 계산될 수 있다. 이 단계의 출력은 (bj, bk)의 프리미티브 사이의 최단 거리 dp(j,k), 및 이 최단 거리에 대응하는 프리미티브의 각각 상의 포인트이다. (bj, bk)의 ith쌍이 고려될 때, 이 거리는 dpi 로서 언급되고 이들 포인트는 cpi("충돌 포인트"), 및 ipi("간섭 포인트")로서 언급되고, 여기서 cpi는 바디 bj 상에 있고 ipi는 바디 bk 상에 있다.
다른 기하학적 모델링 접근이 사용되지 않는다면 앞서 설명된 충돌 및 거리 확인 방법을 수정하는 것이 도움이 될 수 있다는 것은 언급할 가치가 있다.
로보틱 장치(기하학적 모델에 의해 나타나는 바와 같음)의 현재 상태 및 가능한 충돌의 세트를 고려할 때, 이들 충돌을 회피하도록 로봇의 허용된 모션 상에 제한을 발생시키는 것은 도움이 될 수 있다. (제 1 로보틱 매니퓰레이터와의 그리고 그 자체와의 둘 모두와의) 충돌을 회피하는 것에 더해서, 조인트 각 제한 또는 조인트 속도 제한에 저항하지 않는 것이 제 2 로보틱 매니퓰레이터의 모션에 도움이 될 수 있다.
이것을 야기하기 위해, 제 1 로보틱 매니퓰레이터의 커맨드된 속도 상의 일차 부등식 제한의 세트가 생성된다. 편의를 위해, 이들 제한은 여기서 설명된 실행에서 엔드-이펙터(태스크 스페이스)에 포뮬레이팅된다. 태스크 스페이스 속도에 대한 조인트 속도의 자코비안 매핑은 선형이기 때문에, 이들 제한은 조인트 스페이스 또는 태스크 스페이스 중 하나로 표현될 수 있고 그들은 여전히 선형일 것이라는 점에 유의한다. 결과적으로, 이 순간에 로봇의 허용가능한 속도의 세트는 볼록 세트를 형성한다. 그것이 볼록 최적화(convex optimization)와 같은 속도 선택 문제의 포뮬레이션을 허용하기 때문에 이 구조는 유리하다. 이 최적화는 매우 효율적으로 계산될 수 있고, 실시간으로 계산되도록 충돌-자유 모션을 허용할 수 있다.
볼록 최적화 문제의 형태는,
Figure pct00002
이고, 여기서 k 연립 부등식 제한이 있다. 목적 함수 f0(x)는 최소화될 때 소망되는 또는 "최적" 거동을 생성하는 임의 함수일 수 있다. 실제 엔드-이펙터 선형 및 각 속도
Figure pct00003
와 소망되는 엔드-이펙터 선형 및 각 속도
Figure pct00004
사이의 에러를 최소화하는 것이 소망된다. 따라서 다음의 함수가 선택되었다.
Figure pct00005
여기서
Figure pct00006
여기서 w는 x의 모든 엘리먼트가 동일한 유닛을 갖도록 적합한 유닛 텀을 갖는 가중치 매트릭스이다.
Figure pct00007
예를 들어, 유효 선택은
Figure pct00008
일 수 있다. 다른 경우에서 목적 함수에 포함되는 추가적인 기준을 가지는 것이 소망될 수 있다. 예를 들어, 리던던트 매니퓰레이터와 함께 추가적인 텀이 로봇의 셀프-모션의 최적 사용을 나타내도록 목적 함수에 추가될 수 있고, 제공되는 결과 fo(x)는 볼록, 두번-미분가능한 함수이다.
목적 함수를 고려할 때, 제한 함수 fi(x)를 정의하는 것이 도움이 될 수 있다.
조인트 각 제한 및 조인트 속도 제한으로 인한 제한이 발생된다.
조인트 제한의 두개의 다른 경우가 있다: 조인트 각 제한 및 조인트 속도 제한. 위에서 설명된 바와 같이, 이들 제한 상에 도지 속도를 기반하는 것이 소망될 수 있고, 그래서 상부 및 하부 조인트 속도 제한의 단일 세트를 갖는 두 경우 모두를 수용하는 것이 도움이 될 수 있다. 이렇게 하기 위해, 이 순간에 허용가능한 조인트 속도 상의 모든 상부 제한을 포함하는 벡터가 형성되고,
Figure pct00009
여기서 각각의
Figure pct00010
의 값은 조인트 i의 현재 각에 의존한다:
Figure pct00011
즉, 조인트 i는 사용자-정의된 속도 제한(일반적으로 조인트의 정격 속도 제한)에 의해 명목상으로 상부 바운딩되나, 그러나 조인트 i가 그것의 조인트 제한을 초과하기 시작한다면 그것의 상부 속도 제한은 0이고 각은 더 증가하도록 허용되지 않을 수 있다. 허용가능한 조인트 속도 상의 하부 제한의 유사한 벡터가 생성되고:
Figure pct00012
여기서
Figure pct00013
수학식(7, 9)에서의 상부 및 하부 조인트 제한에 관한 값을 고려할 때,
Figure pct00014
상의 순간 제한은
Figure pct00015
과 같이 언급될 수 있다.
수학식(10)은
Figure pct00016
과 같이 수학식(6, 8)을 사용하여 재언급될 수 있고, 여기서
Figure pct00017
는 ith 조인트에 대응하는 텀을 선택하는 벡터이고,
Figure pct00018
Figure pct00019
표기는 벡터가 단위 벡터(unit vector)임을 나타내도록 사용된다. 수학식(11)의 오른쪽 부분(즉, 상부 제한)에 대응하는 제한 함수 fi(x)는:
Figure pct00020
시리얼(serial) 매니퓰레이터에 대해 자코비안 관계를 사용하고
Figure pct00021
그리고 제 2 로보틱 매니퓰레이터가 특이 구성에 있지 않다고 가정할 때, J는 변환되고 수학식(14)을 수학식(13)으로 치환할 수 있다:
Figure pct00022
W-1W=1 이라는 사실을 사용하여, 그것은 수학식(15) 및 그룹 텀에 삽입될 수 있고:
Figure pct00023
여기서
Figure pct00024
수학식(17)의 크기로 다 나누는 것은:
Figure pct00025
을 생성한다.
따라서 조인트 i 상의 상부 조인트 제한은
Figure pct00026
로 감소한다.
수학식(11)의 왼쪽 부분에 대응하는 제한 함수 fi(x)(즉, 하부 제한)가 그때 유사하게 생성될 수 있다:
Figure pct00027
Figure pct00028
Figure pct00029
Figure pct00030
모든 n 조인트에 대해 수학식(19, 24)의 계수를 결합하는 것은
Figure pct00031
Figure pct00032
을 생성한다.
그때 조인트 제한으로 인한 2n 제한의 세트가
Figure pct00033
로 단순화된다.
위에서 설명된 바와 같이, 충돌 및 거리 확인은 잠재적 충돌 포인트의 쌍을 발생시킨다: 충돌 포인트 cpi 및 간섭 포인트 ipi. 잠재적 충돌에 대해, ipi로의 cpi의 속도를 제한하는 것이 소망된다. 그래픽적으로, 이것은 도 9에서 도시된다. 도 9a에서, 로보틱 매니퓰레이터 및 그것에 가까운 대상이 그들의 각각의 기하학적 프리미티브(이 경우에 라인 세그먼트)에 의해 표현된다. 도 9b 및 9c에서 가능한 충돌 포인트의 두개의 쌍 사이에 대시 기호로된 선이 있다. 도 9b는 외부 대상과 로보틱 매니퓰레이터 사이의 잠재적 충돌을 나타내고, 도 9c는 로보틱 매니퓰레이터와 그 자체 사이의 잠재적 충돌을 나타낸다. 각각의 경우에서 (cpi로부터 ipi로의) 충돌 방향에서의 단위 벡터
Figure pct00034
가 구성된다. 덧붙여, cpi의 속도는 vcpi로 표기되고 ipi의 속도는 vipi로 표기된다.
ipi로의 cpi의 모션 상의 제한은
Figure pct00035
으로 재언급될 수 있고, 여기서 vai는 ipi로의 cpi의 가장 크게 허용된 "접근 속도"이다. vai가 구체화되는 방법은 소망되는 충돌 회피 거동에 따라 변화될 수 있다. 소망되는 실시예에서, 다중 쉘(반응, 평형, 및 안전)이 평활(smoothed) 접근 속도 vai를 생성하도록 각각의 바디에 대해 구성되고, 그것은:
Figure pct00036
로 표현되고, 여기서 dpi는 ipi로의 cpi사이의 거리이고, rri는 두개의 바디의 반응 반경의 합계이고, rei는 두개의 대상의 평형 반경의 합계이며, vhalfi는 dpi가 rri와 rei 사이의 하프웨이일 때 허용되는 가장 큰 접근 속도이다. 결과 가장 크게 허용되는 접근 속도가 분리 거리의 함수로서 도 10에 도시된다. 등식은 rri>di>0 일 때 유효하다(그리고 따라서 사용된다)는 점에 유의한다.
대상이 정확하게 그들의 평형 반경의 합계에 의해 분리될 때, 회피 속도는 그들이 더이상 가까워지지 않음을 보장하도록 충돌 방향에 따른 간섭 포인트의 속도와 등가이어야만 한다. 분리 거리가 반응 반경의 합계로 증가함에 따라서, 회피 속도는 제한을 효과적으로 무시하면서, 무한대로 증가한다. 대상이 그들의 평형 반경의 합계보다 더 가까울 때, 회피 속도는 그들을 강제로 분리시키도록 낮아진다. dpi가 rsi(두개의 바디의 안전 반경의 합계) 아래로 강하한다면 로보틱 장치의 비상 정지가 트리거링될 수 있다. 수학식(29)에서 선택된 원칙이 임의 등가 함수로 대체될 수 있음에 유의한다.
vai를 고려할 때 수학식(28)의 왼쪽 측면은 로봇 조인트 속도의 관점에서 cpi의 속도를 표현하도록 확장되어야만 한다. 이것은 cpi를 로보틱 장치의 엔드-이펙터인 것처럼 처리하고 이 포인트에 대해 "부분 자코비안 매트릭스" (Jcpi)를 생성함으로써 달성된다. 달리 말해서, 로봇은 cpi에서 시각적으로 절단되고 cpi와 로봇 베이스 사이의 조인트의 효과가 고려된다. 시리얼 매니퓰레이터 vcpi에 대해 자코비안 관계를 사용하는 것은
Figure pct00037
으로 표현된다.
도 9b에 나타난 경우에서 잠재적 충돌이 로봇과 또 다른 대상 Jcpi 사이에 있고,
Figure pct00038
이고, 여기서 cpi와 그라운드 사이에 μ 조인트가 있다. 도 9c에 나타나는 바와 같이, 로보틱 매니퓰레이터와 그것 자체 사이의 잠재적 충돌의 경우에, ipi 아래의 조인트의 모션은 cpi와 ipi 사이의 거리에 영향을 주지 않는다.
따라서 이들 조인트의 효과는 무시될 수 있고 Jcpi는
Figure pct00039
로 포뮬레이팅될 수 있고, 여기서 ipi와 그라운드 사이에 η-1 조인트가 있다. 수학식(30)을 수학식(28)로 치환하는 것은
Figure pct00040
을 생성한다.
수학식(14)을 사용하여
Figure pct00041
에 대해 치환하고
Figure pct00042
수학식(16)과 동일한 접근을 사용하여, W-1W가 삽입되고 텀이 그룹핑되며:
Figure pct00043
여기서
Figure pct00044
이고, 따라서 수학식(35)은
Figure pct00045
로 감소된다.
수학식(36)의 크기로 다 나누는 것은:
Figure pct00046
을 생성한다.
따라서 ith잠재적 충돌(28)로 인한 제한은
Figure pct00047
로 감소된다.
m 잠재적 충돌에 대해 수학식(39)의 계수를 결합하는 것은
Figure pct00048
을 생성하고, 그것은 수학식(26)과 결합될 수 있으며
Figure pct00049
그래서 조인트 각 제한, 조인트 속도 제한, 다른 대상과의 잠재적 충돌, 및 그것 자체와의 잠재적 충돌로 인한 매니퓰레이터의 속도 상의 제한이 등식의 단일 세트 내에 표현된다.
Figure pct00050
제한의 소망의 형태를 획득하도록, 수학식(42)은
Figure pct00051
으로 재배열되고, 여기서 각각의 fi(x)는 수학식(43)의 왼쪽 측면의 ith 열에 의해 재표현된다. 따라서 제한의 총 수는 k=2n+m이다.
계속하기 전에, 본 방법을 실패하도록 야기하는 특별한 경우가 논의될 수 있다. 첫째로, 로보틱 매니퓰레이터가 비특이 구성에 있는 것이 도움이 될 수 있다. 이것은 특이 구성을 회피하기 위한 조인트 제한의 적합한 선택 또는 특이성을 통해 로보틱 매니퓰레이터를 트랜지션하도록 추가 소프트웨어를 사용하고 그런 후에 충돌 회피 알고리즘을 재시작하여 일반적으로 획득된다. 또한, Jcpi의 범위 스페이스(즉, cpi의 모든 가능한 속도의 세트)가
Figure pct00052
에 대해 직교인 경우에, 그때 수학식(33)의 왼쪽 측면은
Figure pct00053
의 선택에 상관없이 0과 등가이다. 이 경우에 로보틱 매니퓰레이터는 이 순간에 ipi로부터 멀리 떨어진 cpi로 이동할 수 없다. 이러한 시나리오는 드물고, cpi로 이동하도록 로보틱 매니퓰레이터에게 커맨드하는 추가 로직을 부가함으로써 극복될 수 있고, 그래서 직교성 조건이 변화하고 충돌 회피 알고리즘이 재시작할 수 있다.
수학식(2)을 재언급할 때, 충돌 회피 알고리즘이 형태의 제한된 최적화로 감소된다:
Figure pct00054
목적 함수 f0(x) 및 제한 함수 f1(x),...,fk(x)가 각각 수학식(3, 42)에서 구체화된다. 덧붙여, f01,...,fk: Rn->R는 볼록이고 두번 연속으로 미분가능하다. 따라서 볼록 최적화 기법이 적용가능하다.
볼록 최적화는 수학 내의 광범위한 연구의 주제이다. 여기서, 볼록 최적화를 해결하는 내점(interior point) 방법이 선택되었다. 특히, 대수 장벽 방법이 사용된다. 이 방법은 빠르고, 임의 큰 수의 부등식 제한을 처리할 수 있으며, 결과의 정확성(에러를 바운딩)이 수학적으로 증명될 수 있기 때문에 매우 적합하다.
간략하게, 최적화는 도 4에 도시되고, 각각의 제한 fi(x)은 허용되지 않는 속도의 세트를 생성한다. 모든
Figure pct00055
제한이 결합될 때, 허용가능한 속도의 남은 세트는 볼록이다. 대수 장벽 방법의 기본 접근은 x가 fi(x)=0 장벽에 접근함에 따라 무한대로 성장하는 로그 페널티 함수로서 각각의 부등식 제한을 모델링하는 것이다. 이들 페널티 함수가 목적 함수 f0(x)에 더해지고, x의 비제한된 최적화가 반복 하강 방법(일반적으로 뉴튼의 방법)을 통해 수행된다. x의 이러한 값은 그때 페널티 함수의 크기를 스케일링하고 하강 방법을 통해 x를 다시 최적화하는 것에 의해 정제된다. 이 프로세스는 xopt, x의 최적 값을 찾도록 반복된다. 그때 수학식(4, 14)을 사용하여 최적 조인트 속도
Figure pct00056
는
Figure pct00057
이다.
이들 조인트 속도는 로보틱 매니퓰레이터로 커맨딩된다. 그들이 구체화된 시간 간격의 기간 동안 실행된 후에, 알고리즘이 반복된다.
도 7의 흐름도(30)와 관련해서, 충돌 회피 스킴에 따라 로보틱 장치를 작동시키는 방법이 이제 설명된다. 시작(블록(31)에서) 후에, 블록(32)에서 제 1 로보틱 매니퓰레이터가 제 1의 미리-계획된 실제 경로에 따라 이동된다. 블록(33)에서, 제 2 로보틱 매니퓰레이터가 제 2의 미리-계획된 의도된 경로에 따라 이동된다.
블록(34)에서, 제 2 로보틱 매니퓰레이터와 제 1 로보틱 매니퓰레이터 사이의 거리가 결정되고 잠재적 충돌을 결정하도록 임계 거리와 비교된다. 블록(35)에서, 결정이 이루어진다. 잠재적 충돌이 없다면, 블록(36)에서, 제 2의 미리-계획된 의도된 경로에 따른 제 2 로보틱 매니퓰레이터의 이동이 계속된다. 블록(37)에서 잠재적 충돌이 있다면, 제 2 로보틱 매니퓰레이터의 제 2 이동은 제 1의 미리-계획된 실제 경로로부터 멀리 떨어져, 그러나 가깝게 뒤따르며 도지 경로로 이동하도록 제 2의 미리-계획된 의도된 경로에서 벗어난다. 블록(38)은 방법의 종료를 나타낸다.
10, 10', 10": 제 1 로보틱 매니퓰레이터
12, 12': 제 2 로보틱 매니퓰레이터
15', 15": 제 1 제어기
16', 16", 21': 프로세서
17', 17", 22': 메모리
18', 18", 23': 드라이브 신호 발생기
19', 24': 통신 인터페이스
20": 제 2 제어기
25': 조인트 센서
25": 시각 센서

Claims (10)

  1. 충돌 회피 스킴을 실행하는 로보틱 장치로서:
    제 1 로보틱 매니퓰레이터;
    제 1의 미리-계획된 실제 경로에 따른 이동을 위해 상기 제 1 로보틱 매니퓰레이터를 제어하도록 구성되는 제 1 제어기; 및
    제 2 로보틱 매니퓰레이터; 및
    제 2의 미리-계획된 의도된 경로에 따른 이동, 및 상기 제 1의 미리-계획된 실제 경로의 사전 지식 없이 상기 제 1 로보틱 매니퓰레이터와의 잠재적 충돌을 결정하는 것에 기반해서 상기 제 1의 미리-계획된 실제 경로로부터 멀리 떨어진 도징 경로로 이동하도록 상기 제 2의 미리-계획된 의도된 경로로부터 벗어나는 이동을 위해 상기 제 2 로보틱 매니퓰레이터의 이동을 제어하도록 구성된 제 2 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 충돌회피 스킴 실행용 로보틱 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 로보틱 매니퓰레이터는 적어도 하나의 조인트 및 상기 적어도 하나의 조인트의 포지셔닝을 결정하기 위해 상기 제 1 제어기 및 상기 적어도 하나의 조인트와 협조하는 조인트 센서를 포함하고, 상기 제 2 제어기는 상기 적어도 하나의 조인트의 포지셔닝에 기반해서 상기 잠재적 충돌을 결정하는 것을 특징으로 하는 충돌회피 스킴 실행용 로보틱 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 제어기는 상기 제 2 로보틱 매니퓰레이터와 상기 제 1 로보틱 매니퓰레이터 사이의 거리를 반복적으로 결정하고 상기 거리를 적어도 하나의 임계 거리와 비교함으로써 잠재적 충돌을 결정하는 것을 특징으로 하는 충돌회피 스킴 실행용 로보틱 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 제어기는 상기 제 2 로보틱 매니퓰레이터와 상기 제 1 로보틱 매니퓰레이터 사이의 거리를 반복적으로 결정하고, 상기 거리에 기반해서 상기 제 1 로보틱 매니퓰레이터와의 잠재적 충돌을 결정하며, 상기 제 2 제어기는 상기 제 1 및 제 2 로보틱 매니퓰레이터의 기하학적 모델을 저장하고, 상기 제 2 제어기는 상기 제 2 로보틱 매니퓰레이터와 상기 제 1 로보틱 매니퓰레이터의 기하학적 모델에 기반해서 상기 제 2 로보틱 매니퓰레이터와 상기 제 1 로보틱 매니퓰레이터 사이의 상기 거리를 결정하는 것을 특징으로 하는 충돌회피 스킴 실행용 로보틱 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    각각의 기하학적 모델은 각각의 로보틱 매니퓰레이터를 둘러싸는 일련의 버퍼 존을 포함하고, 상기 제 2 제어기는 상기 제 2 로보틱 매니퓰레이터와 상기 제 1 로보틱 매니퓰레이터의 각각의 버퍼 존 사이의 중복에 기반해서 상기 제 2 로보틱 매니퓰레이터와 상기 제 1 로보틱 매니퓰레이터 사이의 잠재적 충돌을 결정하는 것을 특징으로 하는 충돌회피 스킴 실행용 로보틱 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제 2 제어기는 어느 각각의 버퍼 존이 중복하고 있는지에 기반해서 다른 속도로 상기 제 2 로보틱 매니퓰레이터를 이동시키는 것을 특징으로 하는 충돌회피 스킴 실행용 로보틱 장치.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 제 2 제어기는 또한 상기 제 2 로보틱 매니퓰레이터와 상기 제 1 로보틱 매니퓰레이터 사이의 접근 속도를 반복적으로 결정하고 상기 제 2 제어기는 또한 상기 접근 속도에 기반해서 잠재적 충돌을 결정하는 것을 특징으로 하는 충돌회피 스킴 실행용 로보틱 장치.
  8. 제 3항에 있어서,
    상기 제 2 제어기는 또한 상기 제 2 로보틱 매니퓰레이터와 상기 제 1 로보틱 매니퓰레이터 사이의 접근 속도를 반복적으로 결정하고, 상기 제 2 제어기는 또한 상기 접근 속도에 기반해서 잠재적 충돌을 결정하는 것을 특징으로 하는 충돌회피 스킴 실행용 로보틱 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2의 미리-계획된 의도된 경로는 소망의 속도의 시퀀스에 기반하고, 상기 제 2 제어기는 상기 제 2의 미리-계획된 의도된 경로의 소망의 속도의 시퀀스를 가깝게 뒤따르면서 잠재적 충돌을 회피하도록 도지 속도의 시퀀스에 기반해서 상기 도징 경로를 따라 상기 제 2 로보틱 매니퓰레이터를 이동시키는 것을 특징으로 하는 충돌회피 스킴 실행용 로보틱 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제 2 로보틱 매니퓰레이터는 적어도 하나의 조인트를 포함하고; 상기 제 2 제어기는 상기 적어도 하나의 조인트 상의 힘에 기반해서 도지 속도의 시퀀스를 결정하는 것을 특징으로 하는 충돌회피 스킴 실행용 로보틱 장치.
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