KR20130122231A

KR20130122231A - 알에프아이디를 이용한 최단거리 경로탐색 로봇 및 그 구동방법

Info

Publication number: KR20130122231A
Application number: KR1020120045394A
Authority: KR
Inventors: 류정탁; 문병현
Original assignee: 류정탁; 문병현
Priority date: 2012-04-30
Filing date: 2012-04-30
Publication date: 2013-11-07

Abstract

본 발명은 RFID를 이용한 최단거리 경로탐색 로봇 및 그 구동방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 병원 내의 복잡한 실내에서 자신의 위치 및 목적지 위치의 경로를 최단거리로 탐색하여 목적지에 도달할 수가 있어 위급한 상황에 즉각적으로 대응할 수 있으며 원활한 치료 및 검사를 받을 수 있도록 할 수 있는 기술에 관한 것으로서, 병원 내의 복잡한 실내공간에서 자신의 위치나 목적지 및 위치의 경로를 탐색할 수 있도록 하고, 경로를 탐색하되 최단거리의 경로를 탐색하여 위급한 상황에 즉각적으로 대응할 수 있는 제품을 제공하여 병원의 좁은 실내공간에서 환자나 보호자의 원활한 치료 및 검사를 받을 수 있도록 있도록 도와주게 됨으로써 위급한 상황에 즉각적으로 대응할 수 있으며 무엇보다 RFID를 이용하여 자신의 위치를 인식하고 인식된 자신의 위치에서 목적지까지의 최단거리 경로를 탐색하여 사용자가 원활하게 이동할 수 있도록 한 것이다.

Description

알에프아이디를 이용한 최단거리 경로탐색 로봇 및 그 구동방법{Robot Navigation Using RFID shortest path and its driving method}

본 발명은 RFID를 이용한 최단거리 경로탐색 로봇 및 그 구동방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 병원 내의 복잡한 실내에서 자신의 위치 및 목적지 위치의 경로를 최단거리로 탐색하여 목적지에 도달할 수가 있어 위급한 상황에 즉각적으로 대응할 수 있으며 원활한 치료 및 검사를 받을 수 있도록 할 수 있는 기술에 관한 것이다.

로봇에 대한 개발은 270년경 그리스의 어느 엔지니어를 통해 시작되었다고 전해지고 있다. 그러나 로봇이 직접적으로 인간 생활에 영향을 준 것은 1950년대 후반 국방, 우주 및 해양 탐사 등의 특수 분야에서 활용하면서 급속하게 발전했다. 1980년대 이후 산업용 로봇은 전자산업과 자동차등 노동이 필요로 하는 산업을 배경으로 성장하게 되었고, 생산 현장에 로봇이 투입되면서 산업이 급속히 발전 할 수 있었다. 하지만, 1990년대에 산업용 로봇이 많아지면서 인간소외 문제가 발생 하였다. 그리고 다른 분야의 응용도 시도해 왔다. 2000년대에 로봇은 단순한 작업을 하는 게 아니라 사람과 함께 생활하며 인간에게 직접적으로 도움을 줄 수 있는 지능형 서비스 로봇에 관한 개발이 이루어지고 있다.

최근 우리나라에서는 차세대 성장 동력 산업으로 지능형 서비스 로봇을 선정하여 집중하고 있으며 2010년 5월 31일 “지능형 로봇 개발 및 보급 촉진법”이 일부개정 되었으며 오는 2010년 12월 1일에는 시행 될 것으로 보이고 있다. 이렇듯 지능형 서비스 로봇은 앞으로 다양하게 제작 될 것으로 전망하고 있다. 지능형 서비스 로봇이라 하면 외부 환경을 인식하고 스스로 상황을 판단하여 자율적인 동작을 하는 로봇을 말한다.

문명이 발달함에 따라 인간의 생활에 도움을 줄 수 있는 복지 로봇들에 관심을 기울이고 있다. 예로 시각장애인, 노약자, 어린이 등 안내가 필요한 이들에게 길안내를 하는 개발도 그 중 하나이다. 길안내 로봇이 사용자가 의도하는 목적지로 안내를 하기 위해서는 사용자의 특성에 맞는 외부 환경정보가 필요하며 상황정보를 통해 사용자를 길안내를 하기위해서는 로봇의 위치추정 기법과 이동에 대한 많은 개발이 필요하다.

로봇의 위치 인식에 관한 개발들은 현재까지도 많은 분야에서 이루어지고 있다. 1999년 Robotics and State Estimation Lab은 지능형 로봇의 위치를 인식하기 위해 몬테카를로 위치추정기법(Monte Carlo localization)에 대해 발표하였고, 2006년 UST에서는 지능형 서비스 로봇의 위치추정을 위해 로봇에 RFID 리더를 장착하고 바닥에 일정한 간격의 RFID 태그를 부착한 후 태그가 인식된 곳의 위치와 이동된 로봇의 위치를 추정하는 개발을 하였으며, 추정 기법은 몬테카를로 위치추정기법을 사용하였다[4]. 2004년 D. Hahne 외 개발팀은 로봇의 정확한 위치 추정을 위해 레이저 스캔 센서와 UHF RFID리더를 양쪽에 장착하였으며 레이저 스캔 센서를 통해 수집된 정보와 태그의 정보를 통해 로봇의 현재 위치를 추정하였다[5]. 이처럼 로봇의 위치 추정 기법은 많이 개발되고 있다.

로봇의 위치 인식에 관한 개발뿐만 아니라 경로탐색과 이동에 관한 개발도 활발히 이루어지고 있다. 대표적인 Dijkstra 알고리즘은 매 반복마다 거리의 누적 값이 가장 작은 노드의 표지를 영구표지로 표시하게 되는데, 이러한 기법을 Label-setting기법이라 한다.

우선 종래의 의료용으로 개발되어온 기술들을 살펴보면,

등록번호 10-1039108(특) 환부 영역을 치료하는 의료용 로봇과, 광을 이용하여 상기 의료용 로봇의 위치를 추적하는 광 추적 장치와, 상기 환부 영역을 포함하는 대상 영역에 대한 제1 그래픽 영상 및 상기 의료용 로봇에 대한 제2 그래픽 영상을 포함하는 제3 그래픽 영상을 생성하는 영상 생성 장치 및 상기 광 추적 장치에서 추적된 상기 의료용 로봇의 제1 위치, 및 상기 제3 그래픽 영상 내에서의 상기 의료용 로봇의 제2 위치에 기초하여 상기 의료용 로봇의 치료 동작을 제어하는 제어 장치를 포함하는 것이다.

공개번호 10-2008-0100211(특) 의료 기구를 로봇 보조식으로 조종하기 위한 로봇 매니퓰레이터를 포함하는 의료 절차 수행용 의료용 로봇 시스템에 있어서, 상기 로봇 매니퓰레이터는, 기부 상기 기부에 의해 지지되는 본질적으로 수직인 수직부와 상기 수직부에 의해 지지되는 본질적으로 수평인 수평부를 갖는 매니퓰레이터 암, 상기 매니퓰레이터 암에 의해 지지되는 매니퓰레이터 손목, 및 상기 매니퓰레이터 손목에 지지되어 의료 기구를 유지하도록 구성된 작동 유닛을 포함하며, 상기 매니퓰레이터 암은 원통형 PRP 기구학적 구성을 갖고 있으며, 상기 원통형 PRP 기구학적 구성은 본질 적 수직 축선을 따른 병진 자유도를 제공함으로써 상기 수직부의 높이를 변화시키는 프리즘형의 제1 조인트와, 본질적 수직 축선을 중심으로 한 회전 자유도를 제공함으로써 상기 수직부와 상기 수평부 간의 회전 각도를 변화시키는 제2 회전형 조인트와, 본질적 수평 축선을 따른 병진 자유도를 제공함으로써 상기 수평부의 리치(reach)를 변화시키는 프리즘형의 제3 조인트를 포함하는 것이다.

상기한 종래의 기술들은 로봇의 구동방법을 설명하고 있으며 최종적인 목적은 환자들의 치료를 목적하는 것을 중심적으로 기재하고 있는 것들이다. 이는, 이미 수술을 할 때 사용되는 것으로써 수술 이외에 다른 환자들이게는 사용할 수 없는 로봇으로 구성되어 있는 것이다.

다른 형태의 기술은 전체적인 로봇의 구성으로써 앞서 언급한 종래의 기술과 별반 차이가 없는 기술이며 로봇의 구동방법을 설명하고 있으며 이는, 이미 환자의 수술을 위한 편리성을 부여하는 로봇이고, 수술 이외에는 다른 용도로 사용할 수 없는 문제점이 있다.

이에 따라, 입원 환자들이 병원 내의 복잡한 실내에서 자신의 위치 및 목적지 위치의 경로를 최단거리로 탐색하여 목적지에 도달할 수가 있어 위급한 상황에 즉각적으로 대응할 수 있으며 원활한 치료 및 검사를 받을 수 있도록 위치를 탐색하여 목적지에 도달하는 로봇이 개발되어야 할 것이다.

따라서 본 발명의 목적은 병원 내의 복잡한 실내공간에서 자신의 위치나 목적지 및 위치의 경로를 탐색할 수 있도록 하고, 경로를 탐색하되 최단거리의 경로를 탐색하여 위급한 상황에 즉각적으로 대응할 수 있는 제품을 제공함에 주안점을 두고 그 기술적 과제로 완성해낸 것이다.

이에 본 발명에는 로봇이 구비되되 상기 로봇을 구동시키는 모터와, 상기 모터의 구동을 제어하고 입력프로그램으로 로봇의 경로를 제어하는 모터제어보드와, 상기 로봇의 전, 후방에 각각 구성되는 초음파센서와, 상기 초음파센서가 거리를 측정한 측정값을 제어하는 센서제어보드로 구성되어 상기 모터제어보드의 MFC프로그램에 구현된 설정부에서 RFID리더를 이용하여 RFID태그를 인식하고, RFID태그의 위치정보를 이용하여 자신의 위치를 확인 한 후 사용자가 목표지점을 설정 시 최적경로를 표시하여 상기 최적경로로 로봇이 이동하는 것을 특징으로 한다.

또한, 로봇을 구동시키는 모터와, 상기 모터의 구동을 제어하고, 입력프로그램으로 로봇의 경로를 제어하는 모터제어보드와, 상기 로봇의 전, 후방에 각각 구성되는 초음파센서와, 상기 초음파센서가 거리를 측정한 측정값을 제어하는 센서제어보드가 포함되는 로봇으로 구성된 RFID를 이용한 최단거리 경로탐색 로봇의 구동방법에 있어서, 상기 모터제어보드의 MFC프로그램과 FLASH프로그램에 구현된 설정부에서 RFID리더를 이용하여 RFID태그를 인식하되 MFC프로그램과 FLASH프로그램을 구현하기 전 C언어로 다익스트라 알고리즘을 구현하는 1단계와, 상기 1단계에서 인식된 RFID의 위치정보를 이용하여 자신의 위치를 확인하는 2단계와, 사용자가 목표지점을 설정하는 3단계와, 모터제어보드의 MFC프로그램과 FLASH프로그램을 이용하여 최적경로를 표시하되 상기 초음파센서로 측정한 측정값을 센서제어보드로부터 전송받아 측정값에 따라 로봇의 정지, 방향전환을 제어하는 이동하는 4단계로 이루어지는 RFID를 이용한 최단거리 경로탐색 로봇과 그 구동방법을 제공함에 그 기술적 과제로서 창안하였다.

본 발명에 따른 RFID를 이용한 최단거리 경로탐색 로봇 및 그 구동방법 의하면 병원의 좁은 실내공간에서 환자나 보호자의 원활한 치료 및 검사를 받을 수 있도록 있도록 도와주게 됨으로써 위급한 상황에 즉각적으로 대응할 수 있으며 무엇보다 RFID를 이용하여 자신의 위치를 인식하고 인식된 자신의 위치에서 목적지까지의 최단거리 경로를 탐색하여 사용자가 원활하게 이동할 수 있는 유용한 발명이라 하겠다.

도 1은 본 발명인 로봇의 구성을 나타내는 앞면부
도 2는 본 발명인 로봇의 구성을 나타내는 후면부와 측면부
도 3은 본 발명의 알고리즘을 나타내는 작동순서도
도 4는 본 발명의 경로탐색 알고리즘을 나타내는 순서도
도 5는 본 발명의 맵 정보를 나타내는 도면
도 6은 본 발명의 MFC Serial을 나타내는 통신설정부
도 7은 본 발명의 최적경로를 나타내는 표시 창
도 8은 본 발명을 적용한 로봇의 경로탐색 테스트(1)를 나타내는 화면
도 9는 본 발명을 적용한 로봇의 경로탐색 테스트(2)를 나타내는 화면
도 10은 본 발명을 적용한 로봇의 경로탐색 테스트(3)를 나타내는 화면
도 11은 본 발명의 MFC & FLASH의 연동을 나타내는 프로그램
도 12는 본 발명을 적용한 실시 예 1을 나타내는 프로그램
도 13은 본 발명을 적용한 실시 예 2을 나타내는 프로그램
도 14는 본 발명을 적용한 실시 예 3을 나타내는 프로그램
도 15는 본 발명을 적용한 실시 예 1 로봇의 이동화면
도 16은 본 발명을 적용한 실시 예 3 로봇의 이동화면

통상적으로 로봇의 최적경로탐색에 대한 알고리즘에는 시간 가변적 최적경로탐색 알고리즘과 선호경로 알고리즘이 있으며,

이에 대해 우선 시간 가변적 최적경로탐색 알고리즘을 살펴보면,

구조자를 위한 최적경로를 산출하기 위해서는 건물의 구조 뿐 만 아니라 시시각각 변화하는 동적 매개변수도 고려해야 한다. 따라서 최적경로를 산출하는 방법에 복도의 수용능력과 현재 점유정도 등 공간상황의 동적변화를 관리 할 수 있는 시간의 개념을 적용한 데이터베이스와 연계하여야 한다.

알고리즘에 사용되는 매개변수는 크게 물리적인 환경과 인간의 행태 두 가지로 분류할 수 있다(Pu and Zlatanova 2005). 이들은 주로 위험지역, 연기농도, 인구밀도, 보행자의 흐름 등이 될 수 있다.

이에 대해 본 발명에서는 링크(EdgeN)에 가중치를 준 형태의 Dijkstra’ 최단경로 알고리즘(Dijkstra 1959)을 사용하였다. 가중치는 해당 링크를 통해서 노드에서 그 다음 노드로 이동하는 시간으로 표현되는데 이는 해당 링크에 속해있는 보행자의 속도와 링크의 길이를 비교하여 산출한다.

또한, 선호경로 알고리즘을 살펴보면,

시각장애인을 위한 선호경로 알고리즘 적용을 위해서 출발지에서 목적지까지 고려해야 할 사항을 보면, 첫째 수평이동 시에 점자블록과 RFID로 구성된 4가지 타입으로 이루어진 경로를 시각장애인의 접근성이 높은 즉, 랜드마크 역할이 큰 경로를 우선으로 제공하게 되고, 두 번째 층간의 수직이동 시에 접근 가능한 이동 경로 중에서 층간의 이동 또한 시각장애인을 대상으로 접근성과 편의성이 높은 경로를 제공함으로써, 시각장애인에게 선호의 경로를 탐색하여 제공하는 알고리즘을 적용하게 된다.

본 발명에서는 Dijkstra’s Algorithm을 기반으로 하여 다음 노드를 선택 시 비용의 산정방식에서 시각장애인을 위한 수평이동 시의 비용산출방식과 수직이동 시의 비용산출방식을 적용하였다.

여기에는 층간 이동의 경로가 되는 엘리베이터, 에스컬레이터, 계단, 경사로에 대해 시각장애인의 선호도와 거리 대비 속도 등을 비용산정 방식에 적용하고, 같은 층간의 선호 경로 즉, 수평이동 부분은 시각장애인에게 우선시되는 랜드마크로써의 경로 선택 시 가중치를 부여함으로써 경로의 속성이 RFID + 점자블록 > RFID > 점자블록 > 일반 복도 등의 경로 순으로 제공함으로써 시각장애인에게 선호의 경로를 제공하게 된다.

시각장애인을 위한 선호경로 알고리즘을 의사코드로 나타내었다. 여기서 현 노드에서 인접한 노드의 선택 시 수평이동과 수직이동 시 경로의 속성 구분을 통해 각각의 비용이 최소인 노드를 우선적으로 선택하여 탐색을 진행함을 알 수 있다.

통상적으로 최적경로 탐색 알고리즘은 어떤 환경에서 두 지점 사이에 여러 가지의 경로가 존재하는데 이 중 가장 짧은 길이(또는 비용)의 경로를 찾는 방법을 나타내는 것이다.

이는 일반적으로 두 개 이상의 N개의 지점(1,2,3,.....,N)과 출발점·도착점을 연결하는 링크(i, j)로 구성된다. 일반적으로 최적경로 탐색 알고리즘은 특정한 두 지점사이의 최적경로를 탐색하는 것이다. 여기서 최적경로라는 것은 두 노드 사이에서 가장 적은 비용을 들여서 갈 수 있는 경로를 말한다. 비용에는 거리 또는 시간이 많이 쓰인다.

최적경로 탐색에서 비용을 고려할 때, 지점의 고려에 따라 Tree(수형망) 알고리즘과 Vine(덩굴망) 알고리즘이 있다. 그리고 탐색 전략에 따라 breath-first search, depth-first search, lowest search가 있다. 표지에 의한 분류와 자료 구조에 따라 알고리즘을 나타낼 수도 있다.

다음 표 1은 찾고자 하는 목적지의 수 또는 출발지의 수에 따른 최적경로 탐색에 적용가능 한 알고리즘을 표지에 따라 분류한 것이다.

최적경로 탐색 알고리즘의 분류

구 분	Tree	Vine
Dijkstra	Dijkstra Tree	Dijkstra Vine
Moore	Moore Tree	Moore Vine
D'esopo	D'esopo Tree	D'esopo Vine
자료구조에 의한 분류	Heap, Bucket, L-queue, L-Deque

최적의 원리에 근거를 둔 등식을 만족하는 해를 구하는 것이다. 최적의 원리는 현재의 상태가 주어져 있을 때, 지금까지의 전 단계들에서 취해진 의사결정과는 무관하게 현재의 상태를 전제로 최적화를 하는 것이다. 즉 현재 상태에서 다음 상태를 최적화하는데 과거에 관한 정보와는 독립적으로 파악하는 것이다. 즉, 노드 1에서 j까지의 최적경로를 라 할 때, 노드 j에 대해 교점 1에서 노드 j까지의 최적경로 상에 마지막 노드인 j와 연결되는 링크 (i,j)가 존재한다면 가 성립한다. 즉, 노드 1에서 노드 j까지의 최적경로가 교점 i까지의 최적경로이며, 또한 노드 i에서 j까지의 부분경로도 역시 노드 i에서 노드 j간에 최적경로이다.

최적경로 알고리즘은 기존에 개발된 정적 최적경로 알고리즘이다. 가장 일반적으로 쓰이는 알고리즘은 Dijkstra 알고리즘이다. Dijkstra 알고리즘은 가장 빠른 시간에 찾는 알고리즘은 아니다. 하지만 어디든지 적용이 쉬운 장점을 가지고 있다.

노드 고려에 따른 최적경로 알고리즘에서 Tree 알고리즘은 계산이 간단하고 빠르다는 장점이 있지만 교차점이 노드로 구성된 네트워크체계에서는 회전 제한 특성을 반영하지 못하는 단점이 있다. 이와는 달리 Vine 알고리즘은 링크의 교차점이 노드로 인식되어 회전 방향을 인식하는 경우에는 보다 정확한 해답을 준다. 그래서 노드를 Tree에 의한 것보다 Vine을 기반으로 하는 것이 정확한 해를 구할 수 있다.

또한 네트워크가 커질수록 최적경로 탐색 시간은 점점 증가를 한다. 탐색시간을 단축하기 위해 자료 구조를 사용하면 효과적으로 시간을 줄일 수 있다. 자료 구조는 위에서 언급한 것들 중에 L-deque 또는 Bucket에 의한 것이 빠르다. 그러므로 자료구조를 사용하는 것이 최적경로 탐색 시간을 단축시킨다.

이에 본 발명인 RFID(Radio Frequency Identification 이하 RFID)를 이용한 최단거리 경로탐색 로봇을 설명하기로 한다.

로봇이 구비되되 상기 로봇을 구동시키는 모터와, 상기 모터의 구동을 제어하고 MFC(Microsoft Foundation Class 이하 MFC)와 FLASH프로그램을 연동하여 로봇의 경로를 제어하는 모터제어보드와, 로봇의 외주에 구성되는 초음파센서와, 상기 초음파센서가 거리를 측정한 측정값을 제어하는 센서제어보드로 구성되어 상기 모터제어보드의 MFC에 구현된 설정부에서 RFID리더를 이용하여 RFID태그를 인식하고, RFID태그의 위치정보를 이용하여 자신의 위치를 확인 한 후 사용자가 목표지점을 설정 시 최적경로를 표시하여 상기 최적경로로 로봇이 이동할 수 있도록 구성하였다.

이에 대해 보다 상세히 설명하면,

1) 초음파센서

상기 로봇의 외주에 구성되는 초음파센서는 하나 이상 다수개 구성된다.

이는 로봇의 전방 또는 후방에 각각 다수개 구성되며, 본 발명에서는 전, 후방에 각각 6개씩 12개가 상하로 배치되어 있다. 각 초음파 센서간의 간격은 좌로 20 cm 상하로 60cm로 배치되어 있다. 로봇의 앞과 뒤 모두 반원으로 굽어져 있으며 정면을 주시하는 초음파 센서를 중심으로 좌우 초음파 센서는 30도 틀어져 있다.

또한, 본 발명에서의 초음파 센서는 도면 1과 같이 Devantech사의 SRF10을 사용하였다. 측정범위는 6cm ~ 600cm 까지 거리 측정이 가능하며, SRF10은 I2C bus방식으로 통신을 하고, 각 센서에 사용자가(E0, E2, E4, E6, E8, EA, EC, EE, F0, F2, F4, F8, FA, FC, FE)15개의 address중에서 선택하여 바꿀 수 있다. I2C방식은 2선식 직렬통신 방식으로 항상 마스터(master)와 슬레이브(slave) 사이에서 직렬로 데이터를 송수신할 수 있다. SRF10은 각각의 주소를 지정할 수 있고 마스터에서 각 주소를 전송하게 되면 슬레이브인 초음파센서에서 데이터를 받고 다시 마스터로 거리 값을 전달해 준다. 제안된 시스템에서는 E0 ~ F8 까지 12개의 초음파 센서를 사용하였다. 센서가 각 5ms 마다 측정하여 12개의 센서가 1번 측정하는데 걸리는 시간은 60ms이다. 또한 센서는 단순히 거리만을 측정하기 때문에 로봇이 물체의 위치를 알고 좌우 회피 결정을 하기 위해선 각 72° 빔 각도의 최소 3개의 초음파가 필요하다.

2) 모터제어보드

상기 모터제어보드는 초음파센서로 측정한 측정값을 센서제어보드로부터 전송받아 측정값에 따라 로봇의 정지, 방향전환 등을 제어한다.

이에 대해 본 발명에서의 모터제어 보드는 도면 2와 같이 SDQ-DA04EX를 사용하며 이동로봇의 센서 값에 따른 정지, 방향전환 등을 수행하는 역할을 한다. 이 보드는 디지털 신호를 아날로그 신호로 바꾸어주는 역할을 하며 센서 제어 보드로부터 해당 거리 측정 값을 받아 명령어를 전달하게 되면 명령어에 해당하는 전압 값으로 변환하여 이동로봇을 움직이게 한다. 아래 표 2는 각각의 명령에 대한 전압 값을 보여준다.

명령어에 대한 전압 값

명령어	Left Motor(D2)	Right Motor(D3)
STOP	2.5V	2.5V
GO	2.5V	3V~4V
BACK	2.5V	1V~2V
TURN LEFT	1V~2V	2.5V
TURN RIGHT	3V~4V	2.5V
GO LEFT	1V~2V	3V~4V
GO RIGHT	3V~4V	3V~4V
BACK LEFT	3V~4V	1V~2V
BACK RIGHT	1V~2V	1V~2V

상기 모터제어보드에서는 MFC와 FLASH프로그램을 구현하기 전 C언어로 다익스트라 알고리즘을 구현한다. 상기한 다익스트라 알고리즘은 Dijkstra가 개발한 알고리즘으로 음수값을 갖지 않는 방향 그래프에서 주어진 출발점과 도착점 사이의 최단경로를 구하는 알고리즘이다. 이는 Dijkstra's shortest path algorithm이라고도 한다.

또한, 전체 시스템은 도면 3과 같이 태그를 인식하고 태그의 위치정보를 이용하여 자신의 위치를 확인한 뒤 목표지점을 사용자가 설정하면 최적경로 알고리즘으로 경로를 표시한다. 그리고 초음파센서를 사용하여 충돌을 회피하면서 이동하게 된다.

3) Dijkstra알고리즘

최적경로 알고리즘은 Dijkstra알고리즘을 이용하였는데 그 순서도는 도면 4와 같이 출발지에서 기반노드와 방문노드를 초기화 하고 방문링크 수를 확인한다. 방문링크수가 0이 아닐 경우는 최소 비용 방문 노드를 선택하고 표지값과 비교를 하게 된다. 작을 경우는 표지값을 수정하고 확정노드에 영구 표지, 기반 노드를 수정한다. 그 다음 최소비용 방문링크를 삭제하고 방문링크 수를 확인한다. 표지값과 비교시 클 경우는 바로 최소비용 방문링크를 삭제하고 방문링크 수를 확인한다. 여기서 방문링크수가 0이면 목적지이기 때문에 확정노드를 완성하고 확정노드의 영구표지값을 바탕으로 역추적으로 최단 경로를 도출한다.

이에 대한 맵 정보를 살펴보면,

도면 5와 같이 맵의 정보는 8개의 노드와 각 노드와 거리(링크)의 값으로 이루어 져있다.

또한, 이에 대한 인접행렬을 살펴보면,

각 노드간의 거리를 인접행렬로 표 3과 같이 표현을 하였다. 인접행렬을 Dijkstra알고리즘에 적용하여 최단거리 경로를 구현하였다.

맵 정보의 인접행렬

{ {0,2,max,max,max,3,max,max }, {2,0,4,1,max,max,max,max },
{max,4,0,max,max,max,3,max }, {max,1,max,0,3,max,2,max },
{max,max,3,3,0,max,max,4 }, {3,max,max,max,max,0,6,max },
{max,max,max,2,max,6,0,4 }, {max,max,max,max,4,max,4,0 } };

이에 대한 프로그램 소스는 C언어로 구현하였으며,

C언어 구현은 Visual Studio 6.0에서 하였으며 맵 정보를 인접행렬로 표현을 하여 Dijkstra알고리즘을 적용하였습니다. 시작지점과 끝 지점을 입력하면 Dijkstra알고리즘을 통해 최단경로 및 최단거리를 표시하였다.

4)소프트웨어(MFC, FLASH프로그램)

본 발명에서는 MFC와 FLASH프로그램의 연동으로 이루어져 있으며, 운영체제는 Windows XP에서 하였고, MFC프로그램을 위해서 Microsoft Visual studio 6.0을 사용 하였으며, FLASH프로그램을 위해서는 Adobe Master Collection CS3 Flash을 사용하여 구현을 하였다.

MFC에서 PropertySheet를 이용하여 Serial통신 설정부와 최적경로 설정부로 구성을 하였다. PropertySheet란 여러 개의 탭으로 이루어진 페이지들을 함께 가지고 있는 일종의 대화상자이다. 각각의 탬을 PropertyPage라고 하고 이들을 묶어서 PropertySheet라고 한다.

Serial통신 설정부는 도면 6과 같이 Serial통신 설정과 상태표시창, 보내는 데이터표시 및 입력창, 받는 데이터 표시창으로 이루어져 있다. Serial통신 설정은 통신포트, 보우레이트, 데이터 비트, 스탑 비트, 패리티 비트를 설정 후 포트를 열고 닫을 수 있고, 상태 표시창은 지금 포트가 열려있는지 받는 데이터의 크기를 표시한다. 그리고 보내는 데이터 표시 및 입력창은 직접 데이터를 보낼 수 있고 보내진 데이터를 표시하는 창이다. 받는 데이터 표시창은 받은 데이터를 표시하는 창이다.

최적경로 설정부는 도면 7과 같이 MFC에서는 시작지점과 목적지점 설정 부분과 맵 선택 부분으로 이루어져 있으며 FLASH는 자신의 위치와 목적지 위치, 그리고 경로를 표시하는 부분으로 이루어 져있다.

이하, 본 발명에 대한 구동방법과 그에 대한 바람직한 실시 예에 대하여 도 8내지 도 16을 참고로 설명하면 다음과 같다.

우선, 본 발명에 대한 구동방법을 살펴보면, 로봇이 구비되되 상기 로봇을 구동시키는 모터와, 상기 모터의 구동을 제어하고 MFC프로그램과 FLASH프로그램을 연동하여 로봇의 경로를 제어하는 모터제어보드와, 로봇의 외주에 구성되는 초음파센서와, 상기 초음파센서가 거리를 측정한 측정값을 제어하는 센서제어보드로 구성된 RFID를 이용한 최단거리 경로탐색 로봇의 구동방법에 있어서, 상기 모터제어보드의 MFC프로그램에 구현된 설정부에서 RFID리더를 이용하여 RFID태그를 인식하는 1단계와, 상기 1단계에서 인식된 RFID의 위치정보를 이용하여 자신의 위치를 확인하는 2단계와, 사용자가 목표지점을 설정하는 3단계와, 모터제어보드의 MFC프로그램과 FLASH프로그램을 이용하여 최적경로를 표시하여 이동하는 4단계로 이루어진다.

상기 모터제어보드에서는 MFC프로그램과 FLASH프로그램을 구현하기 전 C언어로 다익스트라 알고리즘을 구현한다.

또한, 상기 모터제어보드는 초음파센서로 측정한 측정값을 센서제어보드로부터 전송받아 측정값에 따라 로봇의 정지, 방향전환 등을 제어한다.

이에 대해 부가적으로 설명하면,

본 발명에서는 RFID를 이용한 의료용 서비스 로봇의 경로탐색을 실시 예로 하였으며, 여기는 MFC프로그램과 FLASH프로그램의 연동을 통해 이루어져 있다. 운영체제는 Windows XP 기반이며 MFC프로그램은 Visual Studio 6.0을 이용하여 작성 하였으며, FLASH프로그램은 Adobe Master Collection CS3 Flash를 이용하여 작성하였다.

도 10과 같이 가로 4m × 세로 3m의 공간에서 RFID Tag를 설치하여 로봇의 경로탐색 및 이동에 관한 테스트를 한다. 로봇이 여러 가지 맵과 상황에 따라 목적지까지 도달함을 목표로 한다. 로봇의 임베디드 시스템에서 프로그램을 실행을 하였다.

로봇의 실험은 도 8 내지 도 10과 같은 환경에서 테스트 한다. RFID Tag를 맵의 정보와 같이 부착하고 Tag를 인식하여 로봇의 자신의 위치와 목적지까지의 경로를 통하여 목적지에 도착을 하면 테스트를 종료 한다. Dijkstra알고리즘의 적용률을 테스트하며 로봇의 방향성을 위하여 그림 9와 같이 로봇의 출발 시 방향을 잡아준다는 전제조건 하에 테스트를 한다.

RFID를 이용한 의료용 서비스 로봇의 경로탐색에 관한 발명의 실시 예는 3가지 맵을 통해 테스트한다. 로봇이 출발지에서 목적지까지 이동이 도면 11과 같은 프로그램과 비교하여 테스트한다.

실시 예 1 : 도면 12와 같은 8개 Tag를 사용한 맵 정보를 이용하여 로봇이 자신의 위치에서 목적지까지의 경로탐색 후 이동에 관해서 프로그램과 비교하여 문제점에 대해 테스트한다.

실시 예 2 : 도면 13과 같은 9개 Tag를 사용한 맵 정보를 이용하여 로봇이 자신의 위치에서 목적지까지의 경로탐색 후 이동에 관해서 프로그램과 비교하여 문제점에 대해 테스트한다.

실시 예 3 : 도면 14와 같은 12개 Tag를 사용한 맵 정보를 이용하여 로봇이 자신의 위치에서 목적지까지의 경로탐색 후 이동에 관해서 프로그램과 비교하여 문제점에 대해 테스트한다.

도 15, 16은 실시 예에 대한 로봇의 이동화면을 나타내었다.

각각의 실시 예에 따라 로봇이 목적지까지의 프로그램과의 경로비교와 성공률을 테스트 하였다. 모든 테스트는 목적지 지점을 달리하여 10번씩 테스트 하였으며 각각의 시나리오에 따른 테스트 결과 값은 다음과 같다.

실시 예 1의 경우 표 4와 같이 성공률을 보였으며 실패의 문제점은 로봇의 회전이 원활하게 이루어지지 않았다.

실시 예 1의 테스트 결과

경로	성공률	실패 문제점
1-2	100%	없음
1-2-3	100%	없음
1-2-3-4	100%	없음
1-2-3-4-5	90%	로봇의 회전각
1-8-7-6	90%	로봇의 회전각
1-8-7	100%	없음
1-8	100%	없음

실시 예 2의 경우 표 5와 같이 성공률을 보였으며 실패의 문제점은 로봇의 회전이 원활하게 이루어지지 않았고, 직선구간에서 조금씩 경로를 이탈을 하였다.

실시 예 2의 테스트 결과

경로	성공률	실패 문제점
1-4-3-2	80%	로봇의 회전각
1-4-5-6-3	70%	로봇의 회전각, 경로이탈
1-4	100%	없음
1-4-5	90%	로봇의 회전각
1-4-5-6	80%	로봇의 회전각, 경로이탈
1-4-7	100%	없음
1-4-5-8	90%	로봇의 회전각
1-4-5-8-9	70%	로봇의 회전각, 경로이탈

실시 예 3의 경우 표 6과 같이 성공률을 보였으며 실패의 문제점은 로봇의 회전이 원활하게 이루어지지 않아 자주 회전을 할 때 실패를 하였으며, 직선구간에서 경로이탈을 하였다.

실시 예 3의 테스트 결과

경로	성공률	실패 문제점
1-2	100%	없음
1-2-3	100%	없음
1-2-3-4	90%	경로이탈
1-5	100%	없음
1-6	100%	없음
1-6-7	90%	로봇의 회전각
1-6-7-8	80%	로봇의 회전각, 경로이탈
1-5-9	100%	없음
1-6-10	90%	로봇의 회전각
1-6-11	100%	없음
1-6-12	80%	로봇의 회전각, 경로이탈

각각의 실시 예의 조건에 맞추어 로봇의 경로탐색 및 이동 테스트를 하였다. 각 시나리오에서의 실패 문제점은 경로이탈과 로봇의 회전각에 의해 발생하였다. 경로이탈은 로봇의 정확한 회전이 이루어지지 않을 경우 직선이 긴 구간에서 발생하였다. 로봇의 회전각은 바퀴의 공기압과 명령에 대한 전압값이 변화하면서 발생하였다. 하지만 바퀴의 공기압에 대한 로봇의 회전각을 개선하고 명령에 대한 전압값 변화를 최소화 한다면 목적지 도달의 성공률은 높아 질 것이다. 그리고 알고리즘의 경로탐색에 대한 실패는 발생하지 않았다.

본 발명에서는 RFID를 이용한 의료용 서비스 로봇의 경로탐색에 관한 발명을 하였다. 지능형 서비스 로봇의 경로탐색 및 이동은 복잡한 실내공간의 병원에서 자신의 위치와 진료를 받기 위해 이동경로를 확인하고 로봇의 안내를 통해 이동함으로써 시간적 낭비를 줄일 수 있다.

지능형 로봇 제작을 위해 MFC프로그램에 RFID연동을 위해 Serial통신을 사용하였으며, RFID를 통하여 자신의 위치를 인식 할 수 있었고, MFC에 FLASH프로그램 연동을 통해 사용자가 이동하고 있는 자신의 위치를 확인하고, 목적지를 선택 할 수 있게 하였다. 목적지를 선택함과 동시에 Dijkstra알고리즘으로 최단거리 경로를 계산하여 최단거리 경로를 표시하고 이동하도록 하였다.

Claims

로봇을 구동시키는 모터;
상기 모터의 구동을 제어하고, 입력프로그램으로 로봇의 경로를 제어하는 모터제어보드;
상기 로봇의 전, 후방에 각각 구성되는 초음파센서;
상기 초음파센서가 거리를 측정한 측정값을 제어하는 센서제어보드; 가 포함되는 로봇으로 구성되되
상기 모터제어보드의 MFC프로그램에 구현된 설정부에서 RFID리더를 이용하여 RFID태그를 인식하고, RFID태그의 위치정보를 이용하여 자신의 위치를 확인 한 후 사용자가 목표지점을 설정 시 최적경로를 표시하여 상기 최적경로로 로봇이 이동하는 것을 특징으로 하는 RFID를 이용한 최단거리 경로탐색 로봇
제 1항에 있어서,
상기 모터제어보드의 입력프로그램은 MFC프로그램과 FLASH프로그램을 연동하여사용하되 MFC프로그램과 FLASH프로그램을 구현하기 전 C언어로 다익스트라 알고리즘을 구현하는 것을 특징으로 하는 RFID를 이용한 최단거리 경로탐색 로봇
제 1항에 있어서,
상기 초음파센서는 전, 후방에 하나 이상 다수개 구성되는 것을 특징으로 하는 RFID를 이용한 최단거리 경로탐색 로봇
로봇을 구동시키는 모터와, 상기 모터의 구동을 제어하고, 입력프로그램으로 로봇의 경로를 제어하는 모터제어보드와, 상기 로봇의 전, 후방에 각각 구성되는 초음파센서와, 상기 초음파센서가 거리를 측정한 측정값을 제어하는 센서제어보드가 포함되는 로봇으로 구성된 RFID를 이용한 최단거리 경로탐색 로봇의 구동방법에 있어서,
상기 모터제어보드의 MFC프로그램과 FLASH프로그램에 구현된 설정부에서 RFID리더를 이용하여 RFID태그를 인식하되 MFC프로그램과 FLASH프로그램을 구현하기 전 C언어로 다익스트라 알고리즘을 구현하는 1단계;
상기 1단계에서 인식된 RFID의 위치정보를 이용하여 자신의 위치를 확인하는 2단계;
사용자가 목표지점을 설정하는 3단계;
모터제어보드의 MFC프로그램과 FLASH프로그램을 이용하여 최적경로를 표시하되 상기 초음파센서로 측정한 측정값을 센서제어보드로부터 전송받아 측정값에 따라 로봇의 정지, 방향전환을 제어하는 이동하는 4단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 RFID를 이용한 최단거리 경로탐색 로봇의 구동방법