KR20130081926A - 이동체 제어장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시 예는 와이어의 제1길이정보를 입력받아 상기 이동체의 제1위치정보를 산출하는 위치산출부; 상기 이동체의 제2위치정보를 입력받아 상기 와이어의 제2길이정보를 산출하는 길이산출부; 상기 와이어의 장력을 측정하는 장력측정부; 및 상기 와이어를 감거나 푸는 윈치에 포함된 드럼을 제어하고, 상기 장력측정부로부터 측정된 상기 와이어의 장력을 이용하여 상기 드럼의 직경을 가상으로 바꾸는 중앙제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동체 제어장치를 제공한다.

Description

이동체 제어장치 및 방법{Device and method for controlling autonomous platform}
본 발명은 이동체 제어장치 및 방법에 대한 것이다.
선박의 대형화 추세에 따라 선체를 이루는 블록(block)도 대형화되고 있다. 일반적으로 대형 선박의 선체는 먼저 선체의 일부분을 구성하는 블록을 제작한 후, 블록들을 서로 조립하는 방식으로 제작되고 있다. 다시 말하면, 원자재 표면의 녹이나 이물질을 블라스팅(blasting) 등의 방법으로 제거한 후 부식 방지를 위한 도장을 한 다음, 원자재를 용접 등의 방법을 이용하여 블록을 제조하고, 이 블록들을 서로 조립하여 선체를 완성할 수 있다.
이러한 블록의 내부 또한 용접, 블라스팅, 도장작업 등이 행해져야 한다. 따라서, 블라스팅에 사용된 그리트(grit)의 수거작업, 도장 후 도막의 건조 작업, 작업완료된 도막의 검사 작업 및 도막의 측정 작업 등 다양한 작업들 또한 블록 내에서 행해지게 된다. 이러한 블록 내부에서의 작업 효율을 향상시키기 위해 용접, 도장 및 검사 등을 수행하는 각종 자동화 방법이 꾸준히 개발되어 오고 있다. 이에 따라, 블록 내부에서 수행되는 작업이 용이하게 이루어지도록 작업에 필요한 장치를 블록의 내부에서 원하는 위치로 자유롭게 이동시키는 장치가 필요하게 되었다. 블록의 내부에서 자유롭게 이동하는 장치로는 와이어를 이용한 자율이동장치가 대표적이다.
기존 긴장재(Tendon)를 이용한 이동체는 리니어 액추에이터(Linear actuator)를 이용한 스튜어트 플랫폼(Stewart platform)보다 작업반경이 넓을 뿐만 아니라 매우 큰 하중에 대해서도 강인한 특성을 가지고 있다.
이러한 이동체는 와이어가 늘어나는 것을 방지하기 위해 무중력 상태(즉, 하중이 작용하지 않은 상태)에서만 위치 및 자세의 제어가 가능하였다. 그러나 무중력상태에서의 작업은 작업시간, 작업영역이 제한적이고 비용의 소모가 많다. 또한, 이동체가 중력 하에서의 와이어를 이용한 이동체의 경우에는 이동체의 무게로 인해 와이어가 늘어나게 되어 와이어 처짐이 발생한다. 이렇게 와이어 처짐이 발생한 상태에서 외란이 작용할 경우에는 이동체의 위치 및 자세를 유지하기 어려워지는 문제가 발생한다.
본 발명의 일 실시 예에 의하면 이동체와 연결된 와이어의 장력을 제어하여 이동체를 목표하는 위치로 정확하게 이동시키고 원하는 자세로 제어하는 장치 및 방법이 제공된다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 이동체 제어장치로서, 와이어의 제1길이정보를 입력받아 상기 이동체의 제1위치정보를 산출하는 위치산출부; 상기 이동체의 제2위치정보를 입력받아 상기 와이어의 제2길이정보를 산출하는 길이산출부; 상기 와이어의 장력을 측정하는 장력측정부; 및 상기 와이어를 감거나 푸는 윈치에 포함된 드럼을 제어하고, 상기 장력측정부로부터 측정된 상기 와이어의 장력을 이용하여 상기 드럼의 직경을 가상으로 바꾸는 중앙제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동체 제어장치가 제공된다.
상기 위치산출부는 정기구학(forward kinematics)을 통해서 와이어의 제1길이정보를 이동체의 제1위치정보로 변환할 수 있다.
상기 길이산출부는 역기구학(inverse kinematics)을 통해서 이동체의 제2위치정보를 와이어의 제2길이정보로 변환할 수 있다.
상기 장력측정부는 측정된 상기 와이어의 장력과 장력기준정보를 비교하여 상기 와이어의 처짐을 판단하되, 상기 장력기준정보는 상기 와이어에 미치는 최대기준장력값(Tmax)과 최소기준장력값(Tmin)으로 설정되는 정보일 수 있다.
상기 장력측정부는 측정된 상기 와이어의 장력이 상기 최대기준장력값과 상기 최소기준장력의 범위를 벗어난 경우 장력이상정보를 상기 중앙제어부로 전송할 수 있다.
상기 중앙제어부는 상기 이동체의 경로정보를 설정하는 경로설정모듈; 상기 이동체의 속도정보를 생성하는 속도관리모듈; 상기 장력측정부로부터 측정된 장력을 이용하여 상기 드럼의 직경을 가상으로 바꾸어 가상직경정보를 생성하는 가상드럼생성모듈; 그리고 상기 경로정보, 상기 속도정보, 상기 가상직경정보를 이용하여 상기 윈치를 제어하는 통제모듈을 포함할 수 있다.
상기 가상드럼생성모듈은 상기 장력이상정보를 전송받은 경우 상기 통제모듈에 상기 가상직경정보를 전송할 수 있다.
상기 가상드럼생성모듈은 상기 장력측정부에서 측정된 장력이 최대기준장력을 넘는 경우 상기 드럼의 직경이 실제 드럼보다 큰 가상직경정보를 생성하고, 측정된 장력이 최소기준장력 미만인 경우 상기 드럼의 직경이 실제 드럼보다 작은 가상직경정보를 생성할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 이동체 제어방법으로서 (a) 와이어의 초기길이정보와 이동체의 목표위치정보를 입력받는 단계; (b) 상기 이동체의 초기위치정보, 상기 와이어의 목표길이정보를 생성하는 단계; (c) 상기 와이어의 장력을 측정하여 장력측정정보를 생성하는 단계; (d) 상기 장력측정정보를 장력기준정보와 비교하여 장력이상을 판정하는 단계; 그리고 (e) 장력이상 발생시 상기 와이어를 감거나 푸는 윈치에 포함된 드럼의 직경을 가상으로 변화시키는 단계를 포함하는 이동체 제어방법이 제공된다.
상기 (b)단계는 정기구학(forward kinematics)에 의해서 상기 이동체의 초기위치정보를 생성하고, 역기구학(inverse kinematics)에 의해서 상기 와이어의 목표길이정보를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 (e)단계는 상기 장력측정정보가 최대기준장력을 넘는 경우 상기 드럼의 직경이 실제 드럼보다 큰 것으로 인식하도록 제어하는 단계; 그리고 상기 장력측정정보가 최소기준장력 미만인 경우 상기 드럼의 직경이 실제 드럼보다 작은 것으로 인식하도록 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 다음에 열거된 효과들 중 적어도 하나 이상을 나타낸다.
첫째, 정확한 위치로 이동체를 움직일 수 있다.
둘째, 외란에도 불구하고 이동체의 위치, 자세의 변형이 줄어든다.
셋째, 윈치드럼을 회전시키는 구동장치의 고장을 줄일 수 있다.
도1은 와이어가 연결된 이동체의 처짐 현상을 도시한 상태도이다.
도2는 본 발명의 실시 예에 따른 이동체 제어장치의 블록도이다.
도3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이동체의 현재위치정보를 생성하는 방법을 설명하기 위해 나타낸 예시도이다.
도4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 와이어 길이정보를 생성하는 방법을 설명하기 위해 나타낸 예시도이다.
도5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 이동체 제어장치의 일부구성인 중앙제어부의 블럭도이다.
도6은 와이어의 장력을 측정한 데이터 그래프이다.
도7은 본 발명의 실시 예에 따른 이동체 제어방법의 순서도이다.
실시 예들은 여러 가지 다른 형태들로 구체화되어질 수 있고, 여기에서 설명되는 양상들로 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 오히려, 상기 양상들은 실시 예들을 더욱 철저하고 완전하게 되도록 해주며, 당업자에게 실시 예들의 영역을 충분히 전달할 수 있도록 해준다. 비록 제1, 제2… 등의 용어들이 여러 구성 요소들을 기술하기 위하여 여기에서 사용되어 질 수 있다면, 상기 구성 요소들은 이러한 용어들로 한정되지 않는 것으로 이해되어 질 것이다. 단지 이러한 용어들은 어떤 구성 요소로부터 다른 구성 요소를 구별하기 위해서 사용될 뿐이다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 본 명세서에서 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
본 발명의 일 양상은 이동체 제어장치에 대한 것이다. 이동체가 중력이 작용하는 공간에 위치하게 되면 이동체에 작용하는 외란이나 이동체 자체의 무게로 인해서 와이어의 처짐이 발생한다. 와이어 처짐을 보정하기 위해서 윈치에 포함된 드럼을 더 감거나 푼다. 그러나 이러한 보정은 초기 이동체의 위치정보와 목표위치정보를 이용하여 생성된 이동정보에 오류로 작용한다. 본 발명의 일 양상인 이동체 제어장치는 윈치의 드럼을 제어하는 중앙제어부에 실제드럼의 직경을 가상으로 변화시킨 가상드럼으로 인식하도록 하여 중앙제어부로 하여금 와이어의 길이에는 변화가 없는 것으로 인식시키면서 이동체에 부착된 와이어의 장력이 일정하게 유지될 수 있도록 제어하는 장치에 관한 것이다.
이하 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
도1은 와이어가 연결된 이동체의 처짐현상을 도시한 상태도이다.
도1에 도시된 바와 같이 이동체는 목표위치에 놓여 있도록 설계된다. 그러나 사실상 이동체 자체의 무게 내지는 외란에 의해서 이동체는 목표위치보다 아래에 위치한다. 이동체와 연결되어 있는 각각의 와이어인 l1, l2, l3, l4 에 작용하는 장력은 서로 다르고 특히 l3, l4 에 작용하는 장력은 l1, l2 보다 작다. 일반적으로는 처짐이 발생한 l3, l4 를 팽팽하게 당기도록 윈치를 조작하여 힘의 합력이 이동체 내에서 0이 될 수 있도록 하나, 이러한 방법에 의하면 이동체의 실제위치는 변하지 않고 이동체는 목표위치에 도달할 수 없다.
결국, 모든 와이어 l1, l2, l3, l4 를 소정의 비율로 동일하게 당겨주어야 이동체의 위치가 목표위치에 가까워진다. 이러한 점에 착안하여 본 발명의 일 실시 예는 블록내부를 움직이는 이동체와 연결된 모든 와이어를 제어하여 와이어의 처짐을 방지하되 와이어를 감거나 푸는 드럼의 직경을 가상으로 변화시켜 와이어의 처짐에 의한 이동체의 이탈을 방지한다.
본 발명의 일 실시 예에서 가상드럼의 의미는 윈치에 포함된 드럼을 제어하는 중앙제어부로 하여금 드럼의 직경이 커지거나 작아진 인식상의 드럼을 의미할 뿐 실제드럼의 직경은 변하지 않는다.
이상 와이어를 이용한 이동체의 처짐발생과 이를 극복하기 위한 필요성에 대해서 살펴보았다. 이하 본 발명의 일 양상으로서 이동체의 제어장치에 대해서 살펴본다.
도2는 본 발명의 실시 예에 따른 이동체 제어장치의 블록도이다.
도2에 도시된 바와 같이 와이어를 이용한 이동체의 제어장치는 와이어의 제1길이정보를 입력받아 이동체의 제1위치정보를 산출하는 위치산출부(200), 이동체의 제2위치정보를 입력받아 와이어의 제2길이정보를 산출하는 길이산출부(300), 와이어의 장력을 측정하는 장력측정부(500), 윈치에 포함된 드럼을 제어하고, 장력측정부로부터 측정된 장력을 이용하여 드럼의 직경을 가상으로 바꾸고 윈치의 드럼을 제어하는 중앙제어부(400)를 포함한다.
또한, 사용자로부터 각종정보를 입력받는 입력부(100), 윈치(700)에 포함된 드럼의 회전각을 측정하는 회전각 측정부(600)를 포함한다.
입력부(100)는 사용자로부터 제2위치정보를 입력받을 수 있다. 제2위치정보는 목표위치정보 일 수 있다. 여기서, 목표위치정보는 이동체가 최종적으로 블록 내에서 이동해야 할 위치 및 자세를 나타낸다.
이동체의 위치는 이동체가 블록 내에 위치하는 곳을 x, y, z를 포함하는 좌표값으로 표현될 수 있다.
여기서, 이동체의 자세는 이동체가 블록 내에서 위치를 기준으로 x, y, z 축으로부터 각각 기울어진 각도 ψ, θ, φ를 포함하는 오일러 각으로 표현될 수 있다.
즉, 목표위치정보는 최종적으로 블록 내에서 이동체가 이동해야 할 위치 및 자세를 (x, y, z), (ψ, θ, φ)으로 표현한 정보이다. 목표위치정보는 이동체를 기준으로 하는 지역 좌표값 및 블록 내의 어느 하나의 지점을 기준으로 하는 전역 좌표값 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
입력부(100)는 사용자로부터 각종 데이터를 입력받기 위한 사용자 인터페이스(user interface : UI)로서, 그 구현 방식에는 특별한 제한이 없다. 예를 들어, 입력부는 키보드(keyboard), 터치-패드(touch-pad), 마우스(mouse) 및 키-패드(key-pad) 등과 같이 데이터를 입력 받을 수 있는 수단이면 무관하다.
한편, 입력부(100)는 CAD/CAM(Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing) 등을 이용해 생성된 매크로(macro)를 통해 목표위치정보를 입력 받을 수 있다. 이하, 목표위치정보가 사용자로부터 입력부(100)를 통해 입력받은 것을 예를 들어 설명하기로 한다.
입력부(100)는 사용자로부터 장력기준정보를 입력받는다. 장력기준정보는 와이어에 미치는 최대기준장력값(Tmax)과 최소기준장력값(Tmin)일 수 있으며, 장력기준정보는 장력측정부(500)로 전송된다.
위치산출부(200)는 와이어의 제1길이정보를 입력받아 이동체의 제1위치정보를 산출한다. 위치산출부(200)는 정기구학(forward kinematics)연산을 통해서 이동체의 위치정보를 생성한다.
제1길이정보는 초기 와이어의 길이정보일 수 있다. 초기 이동체의 위치정보는 초기 와이어의 길이로부터 알 수 있다. 이동체가 이동을 시작하면 회전각 측정부(600)는 기 설정된 기준시간단위로 윈치의 드럼에서 풀리거나 감기는 와이어의 길이를 검출하여 위치산출부(200)로 전달한다. 위치산출부(200)는 정기구학 연산을 통해서 와이어의 길이에 따른 이동체의 위치정보를 생성한다.
길이산출부(300)는 이동체의 제2위치정보를 입력받아 와이어의 제2길이정보를 산출한다. 길이산출부(300)는 역기구학(inverse kinematics)연산을 통해서 와이어의 길이정보를 생성한다.
이하 이동체의 위치정보와 와이어의 길이정보 생성방법에 대해서 살펴본다.
도3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이동체의 현재위치정보를 생성하는 방법을 설명하기 위해 나타낸 예시도이다.
도4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 와이어 길이정보를 생성하는 방법을 설명하기 위해 나타낸 예시도이다.
이동체의 위치정보를 생성하는 방법으로 드럼의 회전각 측정값을 이용하여 와이어 현재 길이 정보를 생성한다. 이동체가 위치한 블록 내에서 임의의 위치를 나타낸 임의 위치 정보를 설정한다. 역 기구학(inverse kinematics)에 임의 위치 정보를 대입하여 와이어 임의 길이 정보를 설정한다. 와이어 현재 길이 정보와 와이어 임의 길이 정보를 비교하여 길이 차이값을 생성한다. 길이 차이값을 [수학식 1]과 같이 정의할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서, D는 길이 차이값이며, Lm은 와이어 현재 길이 정보이고, Lk는 와이어 임의 길이 정보이다. 따라서, [수학식 1]의 Lm에 와이어 현재 길이 정보를 대입하고, Lk에 와이어 임의 길이 정보를 대입하여 길이 차이값을 생성한다. 이때, 이동체에 연결된 복수의 와이어 각각에 대응되도록 길이 차이값을 생성할 수 있다.
위치산출부(200)는 길이 차이값이 길이 수렴 정보 미만인지를 판단한다. 판단한 결과에 따라 길이 차이값이 길이 수렴 정보 이상이면 임의 위치 정보를 다시 설정할 수 있다. 판단한 결과에 따라 길이 차이값이 길이 수렴 정보 미만이면 임의 위치 정보는 현재 위치정보로 설정된다. 길이수렴정보는 사용자의 설정에 의해 정해질 수 있다.
즉, 하기 [수학식 2]를 현재 위치 정보를 생성하는데 이용한다.
[수학식 2]
Figure pat00002
여기서, Xk +1은 임의 위치정보인 Xk 및 길이차를 통해 업데이트 된 재설정 임의 위치 및 자세를 나타내며, Xk는 임의 위치 정보이고, JM은 Jacobian matrix이며 JM# 는 JM의 pseudo inverse matrix로서 와이어의 기구학적 형상에 의해 결정되며, D는 길이 차이값이다.
[수학식 2]는 [수학식 3]으로 변환된다.
[수학식 3]
Figure pat00003
여기서,
Figure pat00004
는 위치 및 자세 미분 값으로서 미소 시간일 경우 Xk +1에서 Xk를 뺀 값을 단위시간으로 나눈 것을 의미한다.
Figure pat00005
는 와이어 길이를 미분한 값으로서 미소 시간에서 Lm에서 Lk를 빼기 연산한 값을 단위 시간으로 나눈 것을 의미한다. 이후, 현재 위치 정보를 생성하기 위해 [수학식 3]이 [수학식 4]로 변환된다.
[수학식 4]
Figure pat00006
Figure pat00007
Figure pat00008
여기서, sn은 도3 및 도4에 도시된 바와 같이 n번째 와이어에 대한 An(n번째 와이어가 이동체에 고정되는 위치값)에서 Bn(n번째 와이어가 블록에 고정되는 위치값)까지의 단위 벡터이며, bn은 이동체 중심에서 An까지의 벡터를 의미하고, n은 자연수이다. 길이 차이값 및 블록 설계 정보의 블록 고정 위치값을 이용하여 sn 및 bn을 연산한다. 그리고, [수학식 4]에 sn 및 bn을 대입하여 현재 위치 정보를 생성한다.
현재위치정보와 목표위치정보를 비교하여 위치차이정보를 생성하고, 위치차이정보는 와이어 연산길이정보를 생성한다.
길이산출부(300)는 와이어 연산길이정보를 [수학식 5]와 같이 산출한다.
[수학식 5]
Figure pat00009
Figure pat00010

여기서, L은 와이어 연산 길이 정보이며, 도 4에 도시된 바와 같이 An는 이동체에서 n번째 와이어가 고정되는 와이어 고정 위치값이고, Bn는 n번째 와이어가 블록에서 고정되는 블록 고정 위치값이며, n은 이동체에 연결된 와이어의 개수를 나타내며, 자연수이다.
Figure pat00011
은 전역 좌표계(블록을 기준으로 고정된 좌표계)에서 정의된 n번째 와이어가 이동체에 고정된 와이어 고정 위치값이며,
Figure pat00012
은 전역 좌표계에서 정의된 n번째 와이어가 블록에 고정된 블록 고정 위치값이다. 이때, Bn는 블록에서 n번째 와이어가 고정되는 위치이므로 이동체가 이동해도 변화하지 않기 때문에 블록 설계 정보의 블록 고정 위치값을 이용하여 확인할 수 있다. An을 [수학식 6]과 같이 정의할 수 있다.
[수학식 6]
Figure pat00013
Figure pat00014
여기서, R은 로테이션 매트릭스(rotation matrix)이며, T는 트랜스레이션 매트릭스(translation matrix)이다.
Figure pat00015
,
Figure pat00016
,
Figure pat00017
은 지역 좌표계(이동체를 기준으로 이동체의 위치변화에 따라 원점이 이동하는 좌표계)에서 정의된 n번째 와이어가 이동체에서 고정되는 장치 고정 위치값이다. 이때,
Figure pat00018
,
Figure pat00019
,
Figure pat00020
은 이동체를 기준으로 와이어의 고정 위치점을 판단하므로 이동체가 이동해도 변화하지 않기 때문에 블록 설계 정보에 포함된 장치 고정 위치값을 이용하여 확인한다. cθ 및 sθ는 cosθ 및 sinθ를 나타낸다. 그리고, Px, Py, Pz는 전역 좌표계에서 이동체의 위치 및 자세를 나타낸다.
따라서, 길이 산출부(300)는 [수학식 6]의
Figure pat00021
,
Figure pat00022
,
Figure pat00023
에 블록 설계 정보의 장치 고정 위치값을 대입하고, Px, Py, Pz에 현재 위치 정보, 위치 차이 정보 및 위치 단위 정보를 더하기 연산한 정보를 대입하여 와이어 고정 위치값인 An을 생성한다.
그리고, [수학식 5]의 An에 생성한 와이어 고정 위치값을 대입하고, Bn에 블록 설계 정보의 블록 고정 위치값을 대입하여 와이어 길이정보를 생성한다.
중앙제어부(400)는 윈치에 포함된 드럼을 제어하고 장력측정부(500)로부터 측정된 장력을 이용하여 드럼의 직경을 가상으로 변경한다.
도5은 본 발명의 일실시예에 따른 이동체 제어장치의 일부구성인 중앙제어부의 블럭도이다.
도5에 도시된 바와 같이 중앙제어부(400)는 이동체의 경로정보를 설정하는 경로설정모듈(410), 이동체의 속도정보를 생성하는 속도관리모듈(420), 장력측정부(500)로부터 측정된 장력을 이용하여 윈치에 포함된 드럼의 직경을 가상으로 바꾸어 가상직경정보를 생성하는 가상드럼생성모듈(430) 그리고 경로정보, 속도정보, 드럼의 가상직경정보를 이용하여 윈치(700)를 제어하는 통제모듈(440)을 포함한다.
경로설정모듈(410)은 이동체의 초기위치정보와 목표위치정보, 블록의 내부지형정보를 이용하여 이동체가 목표위치까지 이동할 경로를 설정한다. 이동경로의 설정은 다양한 방법으로 가능하다. 특히 블록에 관한 CAD데이터 또는 기타 이동정보를 통해 이동체의 이동에 관한 경로를 생성한다.
속도관리모듈(420)은 이동체의 속도정보를 생성한다. 초기 위치정보와 이동해야할 목표위치정보를 기반으로 이동체가 시간에 따라 어떻게 움직여야 할지를 결정한다.
일반적으로 사다리꼴 속도프로파일을 이용하여 이동체의 가감속구간 및 등속구간을 결정한다. 블록의 형상, 이동시간 등을 고려하여 다양한 형태의 프로파일을 직접 생성하여 이동체를 이동시킬 수 있다.
가상드럼생성모듈(430)은 앞서 살펴본 장력측정부(500)에서 장력이상이 발생하는 경우 드럼의 직경을 가상으로 변경한다. 가상드럼생성모듈(430)에서의 기능과 역할을 설명하기에 앞서 가상드럼개념을 도입해야 하는 이유에 대해 살펴본다.
앞서 살펴본 정기구학연산과 역기구학연산에 의해서 산출되는 모든 정보는 드럼에서 풀리거나 감기는 와이어의 길이에 의존한다. 즉 드럼에서 풀리는 와이어의 길이는 일정하게 유지하면서 일부 와이어에 장력이상을 보정해야 한다. 그렇지 않고 단순히 실제드럼의 회전속도, 회전수를 제어하여 와이어 장력이상을 보정하도록 하면 실제 정기구학연산과 역기구학연산에서 산출했던 정보는 잘못된 정보가 된다.
이처럼 윈치의 드럼을 제어하는 통제모듈(440)로 하여금 와이어 길이에는 변화가 없도록 인식시키고 장력이상을 보정하는 방식을 취해야 한다. 그러기 위해서 와이어가 감기거나 풀리는 드럼의 직경을 변화시키는 방식을 사용한다.
가상드럼생성모듈(430)이 일부 와이어의 장력이 최대기준장력을 초과하였다는 장력이상정보를 장력측정부(500)로부터 받는다면 통제모듈(440)은 와이어를 더 풀거나 덜 감아서 장력을 완화해야 한다. 이 때 가상드럼생성모듈(430)은 실제 드럼을 직경이 커진 가상드럼으로 통제모듈(440)이 인식하도록 한다. 윈치에 포함된 드럼을 통제하는 통제모듈(440)은 실제 드럼보다 직경이 커진 가상드럼을 제어한다고 인식하므로 기준시간에 풀리거나 감기는 와이어가 일정하도록 드럼의 회전속도 또는 회전량을 줄이게 된다. 그러나 실제 드럼에서 풀리거나 감기는 와이어의 풀리거나 감기는 속도와 와이어 길이는 줄어들게 되어 최대기준장력 이하로 와이어의 장력을 낮추게 된다.
반대로 가상드럼생성모듈(430)이 일부 와이어의 장력이 최소기준장력 미만이라는 장력이상정보를 장력측정부(500)로부터 받는다면 와이어를 더 감거나 덜 풀어서 장력을 증가시켜야 한다. 이 때 가상드럼생성모듈(430)은 실제 드럼을 직경이 작아진 가상드럼으로 통제모듈(440)이 인식하도록 한다. 윈치에 포함된 드럼을 통제하는 통제모듈(440)은 실제 드럼보다 직경이 줄어든 가상드럼을 제어한다고 인식하므로 기준시간에 풀리거나 감기는 와이어가 일정하도록 드럼의 회전속도와 회전량을 늘리게 된다. 그러나 실제 드럼에서 풀리거나 감기는 와이어의 풀리거나 감기는 속도와 길이는 늘어나게 되어 최소기준장력 이상으로 와이어 장력을 늘린다.
통제모듈(440)은 윈치(700)를 제어한다. 보다 자세히는 윈치(700)에 포함된 드럼의 속도, 회전량을 제어하여 목표위치로 이동체를 이동시킨다. 앞서와 같이 통제모듈(440)은 드럼의 직경정보에 대해서 가상드럼생성모듈(430)에 의해 제어된다.
장력측정부(500)는 와이어의 장력을 실시간으로 측정한다. 장력측정부(500)는 입력부(100)로부터 사용자가 입력한 장력기준정보를 비교하여 와이어의 처짐을 판단한다. 장력기준정보는 최대기준장력(Tmax)과 최소기준장력(Tmin)으로 설정된다. 장력측정부(500)는 와이어의 장력을 측정하여 최대기준장력과 최소기준장력범위를 벗어난 와이어가 검출된 경우 장력이상정보를 생성하고 장력이상정보를 중앙제어부(400)로 전송한다.
회전각 측정부(600)는 윈치(700)에 포함된 드럼의 회전량을 측정한다. 기준시간당 회전량을 측정하여 회전속도의 산출이 가능하도록 한다. 회전각 측정부(600)로부터 정보를 받아 길이산출부(300), 중앙제어부(400)는 와이어의 길이를 예측할 수 있다.
윈치(700)는 와이어가 감거나 푸는 장치로서 드럼을 포함한다. 일반적으로 육면체의 입체형상의 이동체는 8개의 각 꼭지점에 윈치가 연결되어 와이어를 제어한다.
도6은 와이어의 장력을 측정한 데이터 그래프이다.
도6에 도시된 바와 같이 실시간으로 장력측정부(500)는 와이어의 장력을 측정하고, 측정된 장력이 최소기준장력 미만으로 떨어지는 경우에는 실제드럼보다 직경이 작아진 가상드럼을 생성하여 장력을 증가시키고, 최대기준장력을 초과하여 장력이 커지는 경우 실제드럼보다 직경이 커진 가상드럼을 생성하여 장력을 감소시킨다. 이동체와 연결된 와이어의 장력범위를 기준장력정보범위로 제한하여 이동체의 위치를 정밀하게 제어한다.
이상 본 발명의 일 양상인 이동체 제어장치에 대한 설명이다.
이하 본 발명의 다른 양상인 이동체 제어방법에 대해 설명한다.
도7은 본 발명의 실시예에 따른 이동체 제어방법의 순서도이다.
본 발명의 일실시예인 이동체 제어방법은 와이어의 초기길이정보, 이동체의 목표위치정보를 입력받는 단계(S1000), 이동체의 초기위치정보, 와이어의 목표길이정보를 생성하는 단계(S2000), 와이어의 장력을 측정하는 단계(S3000), 장력측정정보와 장력기준정보를 비교하는 단계(S4000), 장력이상발생여부를 판정하는 단계(S4100), 장력이상이 발생하지 않은 경우에는 드럼을 제어하는 단계를 포함하며, 만약 장력이상이 발생하는 경우 측정된 장력측정정보를 장력기준정보와 비교하는 단계(S4200), 장력측정정보가 최대기준장력을 초과하는 경우 실제 드럼의 직경을 증가시킨 가상드럼을 적용하는 단계(S5100), 장력측정정보가 최소기준장력 미만인 경우 실제 드럼의 직경을 감소시킨 가상드럼을 적용하는 단계(S5200)를 포함하며, 가상드럼을 이용하여 드럼을 제어하는 단계(S6000)를 포함한다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시 예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
100 입력부
200 위치산출부
300 길이산출부
400 중앙제어부
500 장력측정부
600 회전각측정부
700 윈치

Claims (11)

  1. 이동체 제어장치로서,
    와이어의 제1길이정보를 입력받아 상기 이동체의 제1위치정보를 산출하는 위치산출부;
    상기 이동체의 제2위치정보를 입력받아 상기 와이어의 제2길이정보를 산출하는 길이산출부;
    상기 와이어의 장력을 측정하는 장력측정부; 및
    상기 와이어를 감거나 푸는 윈치에 포함된 드럼을 제어하고, 상기 장력측정부로부터 측정된 상기 와이어의 장력을 이용하여 상기 드럼의 직경을 가상으로 바꾸는 중앙제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동체 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 위치산출부는 정기구학(forward kinematics)을 통해서 상기 와이어의 제1길이정보를 상기 이동체의 제1위치정보로 변환하는 것을 특징으로 하는 이동체 제어장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 길이산출부는 역기구학(inverse kinematics)을 통해서 상기 이동체의 제2위치정보를 상기 와이어의 제2길이정보로 변환하는 것을 특징으로 하는 이동체 제어장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 장력측정부는 측정된 상기 와이어의 장력과 장력기준정보를 비교하여 상기 와이어의 처짐을 판단하되,
    상기 장력기준정보는 상기 와이어에 미치는 최대기준장력값(Tmax)과 최소기준장력값(Tmin)으로 설정되는 정보인 것을 특징으로 하는 이동체 제어장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 장력측정부는 측정된 상기 와이어의 장력이 상기 최대기준장력값과 상기 최소기준장력의 범위를 벗어난 경우 장력이상정보를 상기 중앙제어부로 전송하는 것을 특징으로 하는 이동체 제어장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 중앙제어부는 상기 이동체의 경로정보를 설정하는 경로설정모듈;
    상기 이동체의 속도정보를 생성하는 속도관리모듈;
    상기 장력측정부로부터 측정된 장력을 이용하여 상기 드럼의 직경을 가상으로 바꾸어 가상직경정보를 생성하는 가상드럼생성모듈; 그리고
    상기 경로정보, 상기 속도정보, 상기 가상직경정보를 이용하여 상기 윈치를 제어하는 통제모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 이동체 제어장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 가상드럼생성모듈은 상기 장력이상정보를 전송받은 경우 상기 통제모듈에 상기 가상직경정보를 전송하는 것을 특징으로 하는 이동체 제어장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 가상드럼생성모듈은 상기 장력측정부에서 측정된 장력이 최대기준장력을 넘는 경우 상기 드럼의 직경이 실제 드럼보다 큰 가상직경정보를 생성하고, 측정된 장력이 최소기준장력 미만인 경우 상기 드럼의 직경이 실제 드럼보다 작은 가상직경정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 이동체 제어장치.
  9. 이동체 제어방법으로서
    (a) 와이어의 초기길이정보와 이동체의 목표위치정보를 입력받는 단계;
    (b) 상기 이동체의 초기위치정보, 상기 와이어의 목표길이정보를 생성하는 단계;
    (c) 상기 와이어의 장력을 측정하여 장력측정정보를 생성하는 단계;
    (d) 상기 장력측정정보를 장력기준정보와 비교하여 장력이상을 판정하는 단계; 그리고
    (e) 장력이상 발생시 상기 와이어를 감거나 푸는 윈치에 포함된 드럼의 직경을 가상으로 변화시키는 단계를 포함하는 이동체 제어방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 (b)단계는
    정기구학(forward kinematics)에 의해서 상기 이동체의 초기위치정보를 생성하고, 역기구학(inverse kinematics)에 의해서 상기 와이어의 목표길이정보를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동체 제어방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 (e)단계는
    상기 장력측정정보가 최대기준장력을 넘는 경우 상기 드럼의 직경이 실제 드럼보다 큰 것으로 인식하도록 제어하는 단계; 그리고
    상기 장력측정정보가 최소기준장력 미만인 경우 상기 드럼의 직경이 실제 드럼보다 작은 것으로 인식하도록 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동체 제어방법.
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