KR20150144141A - 이동 로봇의 층간 주행 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

이동 로봇의 층간 주행 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 이동 로봇의 층간 주행 방법은 로봇이 위치하는 건물의 각 층별 지도를 이용하여 상기 로봇의 현재 위치를 확인하는 단계; 상기 각 층별 지도 각각에 포함된 원점 좌표들을 기준으로, 상기 현재 위치와 목적지 간의 층간 이동 정보를 생성하는 단계; 상기 층간 이동 정보를 이용하여 상기 현재 위치에 상응하는 층의 계단으로 이동하고, 상기 목적지에 상응하는 층으로 층간 이동하는 단계; 및 상기 현재 위치에 상응하는 층의 원점 좌표를 상기 목적지에 상응하는 층의 원점 좌표로 변환하여 상기 로봇을 상기 목적지로 이동하는 단계를 포함한다.

Description

이동 로봇의 층간 주행 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CLIMBING STAIR OF THE MOBILE ROBOT}

본 발명은 이동 로봇의 활동 범위를 확장하기 위하여 다층 구조의 실내 공간에서 층간 주행하는 방법에 관한 것으로, 특히 건물의 층별 지도와 층간 이동 정보를 이용하여 로봇을 계단으로 이동하고, 층간 이동 정보를 이용하여 로봇을 목적지에 상응하는 층으로 층간 이동하여 목적지로 이동하는 기술에 관한 것이다.

이동 로봇의 자율주행 기능은 로봇이 목적지까지 장애물과 충돌 없이 안전하게 이동하는 기술이다. 자율주행 기술을 구현하기 위해서는 로봇 스스로 어디 있는지 판단할 수 있는 위치 인식 능력과 주변의 장애물에 대한 정보를 파악할 수 있는 지도작성 능력이 기본적으로 요구된다.

이동 로봇의 정확한 위치인식 및 지도작성 기술을 위해 환경을 인식할 수 있는 센서가 필요하다. 이와 같은 환경인식 센서로는 초음파센서, 비전센서, 레이저센서 등이 있으며, 위치인식 및 지도작성 기술에 따라 특별히 제작된 센서를 사용하기도 한다. 환경인식 센서의 발전과 이를 활용한 위치인식 및 지도작성 기술의 발전으로 이동 로봇의 주행기술은 물류이송, 안내서비스, 정찰 및 감시 등 다양한 분야에 활용되고 있으며, 응용할 수 있는 분야를 확장하고 있다.

최근에는 이동 로봇에 캐터필러 구동부를 적용하여 노면이 고르지 않은 실외장소에서도 활용 범위가 확장되고 있다. 캐터필러 외에도 네 발 달린 구동부의 로봇 등은 불규칙한 노면에서도 주행이 가능하여 군사용으로 활발히 사용되고 있다.

이와 같이 다양하고 정확한 환경인지 센서의 개발, 위치인식 및 지도작성 기술 성능의 향상 및 이동 로봇 구동부의 발전으로 실외 및 실내에서 이동 로봇의 주행 기술은 안정화되고 그 적용 가능범위가 확대되고 있다.

따라서, 본 발명은 이동 로봇의 활용 분야 중 다층구조의 실내공간에서의 층간 주행 기술에 대하여, 광범위하고 일반적으로 사용할 수 있으며 저비용으로 구현 가능한 이동 로봇의 층간 주행 기술을 개시하고자 한다.

관련 선행기술로는 평지 및 계단 주행이 가능한 변형 바퀴, 바퀴조립체 및 이를 구비한 이동 로봇에 관한 한국공개특허 2012-0053236호가 있다.

본 발명의 목적은 다층 구조의 실내 공간에서 이동 로봇이 계단을 이용하여 정확하고 안전하게 층간 주행함으로써, 이동 로봇이 가지는 활동 범위를 확장할 수 있도록 하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 이동 로봇을 이용한 층간 배달 업무를 가능하게 함으로써, 기존에 이동 로봇을 이용한 배달 서비스를 제공하기 위해 각 층별로 배치했던 이동 로봇의 수를 절감함으로써 비용을 절약할 수 있도록 하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이동 로봇의 층간 주행 방법은, 로봇이 위치하는 건물의 각 층별 지도를 이용하여 상기 로봇의 현재 위치를 확인하는 단계; 상기 각 층별 지도 각각에 포함된 원점 좌표들을 기준으로, 상기 현재 위치와 목적지 간의 층간 이동 정보를 생성하는 단계; 상기 층간 이동 정보를 이용하여 상기 현재 위치에 상응하는 층의 계단으로 이동하고, 상기 목적지에 상응하는 층으로 층간 이동하는 단계; 및 상기 현재 위치에 상응하는 층의 원점 좌표를 상기 목적지에 상응하는 층의 원점 좌표로 변환하여 상기 로봇을 상기 목적지로 이동하는 단계를 포함한다.

이 때, 생성하는 단계는 상기 현재 위치에 상응하는 층수를 나타내는 CURRENT_FLOOR 필드, 상기 목적지에 상응하는 층수를 나타내는 TARGET_FLOOR 필드, 상기 계단의 기울기 각도를 나타내는 INCLINE_ANGLE 필드, 상기 계단의 단수를 나타내는 NUMBER_STAIR 필드, 상기 현재 위치에 상응하는 층의 계단의 좌표를 나타내는 CURRENT_ZONE_X 필드 및 CURRENT_ZONE_Y 필드, 상기 계단의 좌표 오차 범위를 나타내는 X_COVER_RANGE 필드 및 Y_COVER_RANGE 필드, 상기 목적지에 상응하는 층의 계단의 좌표를 나타내는 TARGET_ZONE_X 필드 및 TARGET_ZONE_Y 필드를 포함하는 상기 층간 이동 정보를 생성할 수 있다.

이 때, 층간 이동하는 단계는 상기 CURRENT_ZONE_X 필드의 값 및 상기 CURRENT_ZONE_Y 필드의 값을 각각 X좌표 및 Y좌표로 하는 상기 현재 위치에 상응하는 층의 계단으로 이동할 수 있다.

이 때, 층간 이동하는 단계는 상기 TARGET_FLOOR 필드의 값에 따라 위층으로 올라갈 수 있는 위층 계단 및 아래층으로 내려갈 수 있는 아래층 계단 중 어느 하나의 계단으로 이동할 수 있다.

이 때, 층간 이동하는 단계는 상기 로봇이 상기 X_COVER_RANGE 필드의 값 및 상기 Y_COVER_RANGE 필드의 값에 따른 계단 좌표 오차 범위 내에 들어오면, 상기 로봇의 주행 모드를 계단 이동 모드로 변경하여 상기 층간 이동할 수 있다.

이 때, 계단 이동 모드는 상기 층간 이동하는 동안 측정한 계단의 기울기 및 계단의 단수를 상기 INCLINE_ANGLE 필드의 값 및 NUMBER_STAIR 필드의 값과 비교하여 상기 층간 이동의 완료 여부를 판단할 수 있다.

이 때, 층간 이동의 완료 여부는 상기 계단의 기울기가 상기 INCLINE_ANGLE 필드의 값에 도달하였다가 평지에 상응하는 값에 도달하면 상기 계단의 단수를 추가하고, 상기 계단의 단수가 상기 NUMBER_STAIR 필드의 값에 도달하면 상기 층간 이동을 완료한 것으로 판단할 수 있다.

이 때, 확인하는 단계는 래스터, 토폴로지, 3D 포인트 클라우드, 3D 텍스쳐 및 3D 복셀의 형태를 포함하는 상기 각 층별 지도를 이용할 수 있다.

이 때, 로봇은 캐터필러 및 네 다리 중 어느 하나의 구동부를 포함하고, 3축 센싱이 가능한 자이로스코프를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 이동 로봇의 층간 주행 장치는, 로봇이 위치하는 건물의 각 층별 지도를 획득하여 저장하는 층별 지도 DB; 상기 각 층별 지도를 이용하여 상기 로봇의 현재 위치를 확인하는 위치 확인부; 상기 각 층별 지도 각각에 포함된 원점 좌표들을 기준으로, 상기 현재 위치와 목적지 간의 층간 이동 정보를 생성하는 층간 이동 정보 생성부; 상기 층간 이동 정보를 이용하여 상기 현재 위치에 상응하는 층의 계단으로 이동하고, 상기 목적지에 상응하는 층으로 층간 이동하는 층간 주행부; 및 상기 현재 위치에 상응하는 층의 원점 좌표를 상기 목적지에 상응하는 층의 원점 좌표로 변환하여 상기 로봇을 상기 목적지로 이동하는 목적지 이동부를 포함한다.

본 발명에 따르면, 다층 구조의 실내 공간에서 이동 로봇이 계단을 이용하여 정확하고 안전하게 층간 주행함으로써, 이동 로봇이 가지는 활동 범위를 확장할 수 있다.

또한, 본 발명은 이동 로봇을 이용한 층간 배달 업무를 가능하게 함으로써, 기존에 이동 로봇을 이용한 배달 서비스를 제공하기 위해 각 층별로 배치했던 이동 로봇의 수를 절감함으로써 비용을 절약할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이동 로봇의 층간 주행 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 각 층별 지도의 형태를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 다층 구조의 실내지도 중 격자 지도의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 층간 이동 정보의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 층간 이동 정보를 지도에 도시한 일 예를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 캐터필러 구동부 및 3축 자이로스코프를 갖는 이동 로봇을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 이동 로봇의 층간 주행 경로에 대한 일 예를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 이동 로봇의 층간 주행 장치를 나타낸 블록도이다.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이동 로봇의 층간 주행 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 이동 로봇의 층간 주행 방법은 로봇이 위치하는 건물의 각 층별 지도를 이용하여 상기 로봇의 현재 위치를 확인할 수 있다(S110). 현재 위치는 WIFI의 RSSI 값을 이용하는 방법, 공간 상에 인공 표식물을 설치하여 인식하는 방법, 지도와 로봇에 장착된 거리 센서에 기반한 필터링 방법 등을 통해 알 수 있다.

이 때, 래스터, 토폴로지, 3D 포인트 클라우드, 3D 텍스쳐 및 3D 복셀의 형태를 포함하는 각 층별 지도를 이용할 수 있다. 래스터 형태의 지도는 래스터형 데이터로 저장된 지도를 의미할 수 있다. 래스터형 데이터는 2차원 표면을 일정한 규격의 사각 영역으로 나누어, 각 영역별로 정보를 분할하여 데이터를 저장하는 구조일 수 있다.

이러한 래스터형 데이터를 이용한 지도는 인공 위성 사진상의 픽셀들이 각각의 정해진 영역을 나타내는 것처럼 컴퓨터에서 픽셀 단위로 지도관련 데이터를 저장할 수 있다. 즉, 래스터형 지도는 일정한 크기로 나누어진 영역에 할당된 데이터 값을 이용하여 물체의 유무 및 공간의 구조를 표현하는 지도일 수 있다.

토폴로지 형태의 지도는 영역 혹은 물체간의 관계성을 바탕으로 생성된 지도일 수 있다. 이동 로봇의 주행관점에서 토폴로지 형태의 지도는 point-to-point 모션 기반의 주행제어에 적합할 수 있다. 주로 복수개의 별개 공간/영역으로 구성된 대규모 환경에 적합하며 개별 공간은 래스터 형태의 지도로 표현하되, 공간 사이의 관계는 토폴로지 형태의 지도로 표현하는 하이브리드 지도 또한 이동 로봇의 주행에 많이 활용되고 있다.

3D 포인트 클라우드 형태의 지도는 3차원 지상 레이저 스캐너로부터 취득한 포인트로 구성된 3D 포인트 클라우드를 통해 생성된 지도일 수 있다.

3D 텍스쳐 형태의 지도는 물체에 재질 또는 질감을 입혀서, 물체 면에 인위적으로 미세한 굴곡을 만들어 주름 면을 형성한 지도일 수 있다.

3D 복셀 형태의 지도는 복셀을 이용하여 생성한 지도로, 복셀은 픽셀의 3차원 버전으로 볼 수 있으며 확대해도 깔끔한 이미지를 볼 수 있지만 많은 데이터 용량을 필요로 할 수 있다.

이 때, 로봇은 캐터필러 및 네 다리 중 어느 하나의 구동부를 포함하고, 3축 센싱이 가능한 자이로스코프를 포함할 수 있다. 캐터필러는 강판제의 판을 체인 모양으로 연결하고, 이것을 앞, 뒷바퀴에 벨트처럼 걸어 동력으로 회전시켜서 주행하게 하는 장치이다. 보통의 바퀴에 비해 접지면적이 크고 지면과의 마찰도 크므로, 요철이 심한 도로나 진흙에서도 자유로이 주행할 수 있다. 또한, 좌우의 회전 속도를 바꿈으로써 방향전환을 자유로이 할 수 있으며, 회전반경을 최소한으로 작게 할 수도 있다. 자이로스코프는 상하, 좌우, 전후에 생기는 각도 변화를 읽어 이동체의 속도와 위치를 알려주는 센서이다. 실리콘 웨이퍼 위에 극소형 진동 구조물을 제작한 뒤, 이 진동 구조물이 구동되는 상태에서 회전에 의해 각 변위가 생기면 이를 감지하는 센서로, 차세대 소형로봇인 마이크로 로봇을 구현하는 핵심기술로, 1초에 0.1도 이하의 각도 변화까지 감지할 수 있다.

이 후, 각 층별 지도 각각에 포함된 원점 좌표들을 기준으로, 현재 위치와 목적지 간의 층간 이동 정보를 생성할 수 있다(S120). 예를 들어, 현재 위치에 상응하는 층이 1층이고 목적지가 위치한 층이 2층이라고 한다면, 1층의 계단의 위치, 1층에서 2층으로 올라가는 계단의 단수와 기울기 및 2층에 도착하였을 때 계단의 위치 등의 정보들을 포함하는 층간 이동 정보를 생성할 수 있다.

이 때, 층간 이동 정보는 현재 위치에 상응하는 층수를 나타내는 CURRENT_FLOOR 필드, 목적지에 상응하는 층수를 나타내는 TARGET_FLOOR 필드, 계단의 기울기 각도를 나타내는 INCLINE_ANGLE 필드, 계단의 단수를 나타내는 NUMBER_STAIR 필드, 현재 위치에 상응하는 층의 계단의 좌표를 나타내는 CURRENT_ZONE_X 필드 및 CURRENT_ZONE_Y 필드, 계단의 좌표 오차 범위를 나타내는 X_COVER_RANGE 필드 및 Y_COVER_RANGE 필드, 목적지에 상응하는 층의 계단의 좌표를 나타내는 TARGET_ZONE_X 필드 및 TARGET_ZONE_Y 필드를 포함할 수 있다.

이 후, 층간 이동 정보를 이용하여 현재 위치에 상응하는 층의 계단으로 이동하고, 목적지에 상응하는 층으로 층간 이동할 수 있다(S130).

이 때, CURRENT_ZONE_X 필드의 값 및 CURRENT_ZONE_Y 필드의 값을 각각 X좌표 및 Y좌표로 하는 현재 위치에 상응하는 층의 계단으로 이동할 수 있다. 예를 들어, 현재 위치의 좌표에서부터 CURRENT_ZONE_X 필드의 값 및 CURRENT_ZONE_Y 필드의 값에 따른 좌표까지 이동 경로를 생성하여 현재 위치에 상응하는 층의 계단으로 이동할 수 있다.

이 때, TARGET_FLOOR 필드의 값에 따라 위층으로 올라갈 수 있는 위층 계단 및 아래층으로 내려갈 수 있는 아래층 계단 중 어느 하나의 계단으로 이동할 수 있다.

이 때, 로봇이 X_COVER_RANGE 필드의 값 및 Y_COVER_RANGE 필드의 값에 따른 계단 좌표 오차 범위 내에 들어오면, 로봇의 주행 모드를 계단 이동 모드로 변경하여 층간 이동할 수 있다.

이 때, 계단 이동 모드는 층간 이동하는 동안 측정한 계단의 기울기 및 계단의 단수를 INCLINE_ANGLE 필드의 값 및 NUMBER_STAIR 필드의 값과 비교하여 층간 이동의 완료 여부를 판단할 수 있다.

이 때, 층간 이동의 완료 여부는 계단의 기울기가 INCLINE_ANGLE 필드의 값에 도달하였다가 평지에 상응하는 값에 도달하면 계단의 단수를 추가하고, 계단의 단수가 NUMBER_STAIR 필드의 값에 도달하면 층간 이동을 완료한 것으로 판단할 수 있다. 예를 들어, INCLINE_ANGLE 필드의 값이 30이고 NUMBER_STAIR 필드의 값이 2라고 한다면, 이동 로봇이 계단을 주행하면서 측정한 각도가 0도-30도-0도-30도-0도로 변화하는 것을 확인할 수 잇다. 이 때, 처음 30도-0도 구간과 두번째 30도-0도 구간이 계단을 오르는 구간이며, 이런 각도 변화가 2번 발생함을 통해 이동 로봇의 계단 주행이 완료되었다고 판단할 수 있다.

이 후, 현재 위치에 상응하는 층의 원점 좌표를 목적지에 상응하는 층의 원점 좌표로 변환하여 로봇을 목적지로 이동할 수 있다(S140). 이동 로봇에 사용되는 지도 정보는 다양한 규격을 가지지만, 어떤 지도 규격이라도 하나의 원점을 중심으로 좌표가 도시될 수 있기 때문에, 다층 구조의 실내지도의 경우 각 층별로 원점 좌표를 가질 수 있다. 따라서, 이동 로봇이 계단을 통해 주행할 시에는 층 사이의 원점 좌표 변환에 대한 정보를 제공할 수 있다.

이와 같은 이동 로봇의 층간 주행 방법을 이용하여 다층 구조의 실내 건물에서 이동 로봇이 계단을 이용하여 정확하고 안전하게 층간 주행을 할 수 있어, 서비스를 목적으로 하는 이동 로봇의 활용 범위가 확대되는 효과를 가져올 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 각 층별 지도의 형태를 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 각 층별 지도의 형태는 래스터, 토폴로지, 3D 포인트 클라우드, 3D 텍스쳐 및 3D 복셀을 포함할 수 있다.

래스터 형태의 지도는 래스터형 데이터로 저장된 지도를 의미할 수 있다. 래스터형 데이터는 2차원 표면을 일정한 규격의 사각 영역으로 나누어, 각 영역별로 정보를 분할하여 데이터를 저장하는 구조이다.

이러한 래스터형 데이터를 이용한 지도는 인공 위성 사진상의 픽셀들이 각각의 정해진 영역을 나타내는 것처럼 컴퓨터에서 픽셀 단위로 지도관련 데이터를 저장할 수 있다. 즉, 래스터형 지도는 일정한 크기로 나누어진 영역에 할당된 데이터 값을 이용하여 물체의 유무 및 공간의 구조를 표현하는 지도일 수 있다.

토폴로지 형태의 지도는 영역 혹은 물체간의 관계성을 바탕으로 생성된 지도일 수 있다. 이동 로봇의 주행관점에서 토폴로지 형태의 지도는 point-to-point 모션 기반의 주행제어에 적합할 수 있다. 주로 복수개의 별개 공간/영역으로 구성된 대규모 환경에 적합하며 개별 공간은 래스터 형태의 지도로 표현하되, 공간 사이의 관계는 토폴로지 형태의 지도로 표현하는 하이브리드 지도 또한 이동 로봇의 주행에 많이 활용되고 있다.

3D 포인트 클라우드 형태의 지도는 3차원 지상 레이저 스캐너로부터 취득한 포인트로 구성된 3D 포인트 클라우드를 통해 생성된 지도일 수 있다.

3D 텍스쳐 형태의 지도는 물체에 재질 또는 질감을 입혀서, 물체 면에 인위적으로 미세한 굴곡을 만들어 주름 면을 형성한 지도일 수 있다.

3D 복셀 형태의 지도는 복셀을 이용하여 생성한 지도로, 복셀은 픽셀의 3차원 버전으로 볼 수 있으며 확대해도 깔끔한 이미지를 볼 수 있지만 많은 데이터 용량을 필요로 할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 다층 구조의 실내지도 중 격자 지도의 일 예를 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 다층 구조의 실내 지도는 래스터 포맷 일종의 격자 지도이다. 격자 지도는 실제 주행에 시용하는 이동 로봇이 아닌 다른 로봇을 통해 작성된 것일 수 있다. 이와 같이 사용되는 지도 정보는 다른 로봇에 의해 작성되거나 CAD 도면으로부터 추출될 수도 있다.

이동 로봇에 제공된 다층 구조의 실내지도는 도 3의 (a) 및 (b)와 같이 원점 좌표(310, 320)가 있으며, 위층과 아래층으로 이동할 수 있는 계단(311, 321)이 존재할 수 있다.

원점 좌표(310)는 도 3의 (a)에 상응하는 층에 대한 실내 지도의 원점이고, 원점 좌표(320)는 도 3의 (b)에 상응하는 층에 대한 실내 지도의 원점일 수 있다. 따라서, 이동 로봇이 층간 이동을 수행한 뒤에 목적지를 향한 이동 경로를 생성한다면, 목적지에 상응하는 층의 원점 좌표를 기준으로 이동 경로를 생성하여야 목적지까지 정확하게 도달할 수 있다.

계단(311, 321)은 이동 로봇의 현재 위치에 따른 목적지의 위치에 따라서 위층으로 이동하거나 아래층으로 이동하는 경우가 발생할 수 있기 때문에, 각각 위층 계단 및 아래층 계단으로 구분하여 나타낼 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 층간 이동 정보의 일 예를 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 층간 이동 정보는 CURRENT_FLOOR 필드, TARGET_FLOOR 필드, INCLINE_ANGLE 필드, NUMBER_STAIR 필드, CURRENT_ZONE_X 필드 및 CURRENT_ZONE_Y 필드, X_COVER_RANGE 필드 및 Y_COVER_RANGE 필드, TARGET_ZONE_X 필드 및 TARGET_ZONE_Y 필드를 포함할 수 있다.

CURRENT_FLOOR 필드는 이동 로봇의 현재 위치에 상응하는 층수를 나타낼 수 있다.

TARGET_FLOOR 필드는 이동 로봇의 목적지에 상응하는 층수를 나타낼 수 있다.

INCLINE_ANGLE 필드는 이동 로봇의 목적지에 상응하는 층으로 이동을 위한 계단의 기울기 각도를 나타낼 수 있다.

NUMBER_STAIR 필드는 이동 로봇의 목적지에 상응하는 층으로 이동을 위한 계단의 단수를 나타낼 수 있다.

CURRENT_ZONE_X 필드 및 CURRENT_ZONE_Y 필드는 이동 로봇의 현재 위치에 상응하는 층의 계단의 X좌표 및 Y좌표를 각각 나타낼 수 있다.

X_COVER_RANGE 필드 및 Y_COVER_RANGE 필드는 계단의 좌표 오차 범위를 각각 나타낼 수 있다.

TARGET_ZONE_X 필드 및 TARGET_ZONE_Y 필드는 이동 로봇의 목적지에 상응하는 층의 계단의 X좌표 및 Y좌표를 각각 나타낼 수 있다.

또한, 6층에서 7층으로 이동할 때 LINK_6_TO_7의 층간 이동 정보를 사용하고, 7층에서 6층으로 이동할 때 LINK_7_TO_6의 층간 이동 정보를 사용할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 층간 이동 정보를 지도에 도시한 일 예를 나타낸 도면이다.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 층간 이동 정보를 지도 상에 도시하였을 때 도 5의 (a) 및 (b)와 같이 이동 로봇이 위치하는 현재 층수의 계단 시작 위치의 좌표(CURRENT_ZONE_X, CURRENT_ZONE_Y)와 목적지 층수의 계단 도착 위치의 좌표(TARGET_ZONE_X, TARGET_ZONE_Y)를 확인할 수 있다.

이동 로봇이 다른 층수의 목적지에 도착하기 위해서는, 먼저 목적지가 속한 층수로 이동하기 위한 층간 이동 정보를 참조하여 현재 층수의 계단 시작 위치의 좌표(CURRENT_ZONE_X, CURRENT_ZONE_Y)로 경로를 계획할 수 있다.

계획한 경로에 따라 현재 층수의 계단 시작 위치의 좌표(CURRENT_ZONE_X, CURRENT_ZONE_Y)에 도착할 때, 이동 로봇의 위치인식 모듈의 오차를 감안하여, 이동 로봇이 현재 층수의 계단 시작 위치의 좌표(CURRENT_ZONE_X, CURRENT_ZONE_Y)에서 현재 층수 계단의 좌표 오차 범위(X_COVER_RANGE, Y_COVER_RANGE)안에 들어오면 계단 이동 모드로 변경하여 층간 이동을 수행할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 캐터필러 구동부 및 3축 자이로스코프를 갖는 이동 로봇을 나타낸 도면이다.

도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 캐터필러 구동부 및 3축 자이로스코프를 갖는 이동 로봇은 도 6과 같이 바퀴부분에 강판제의 판을 체인 모양으로 연결하고, 이것을 앞, 뒷바퀴에 벨트처럼 걸어 주행할 수 있다. 보통의 바퀴에 비해 접지면적이 크고 지면과의 마찰도 크므로, 요철이 심한 도로나 진흙에서도 자유로이 주행할 수 있다. 또한, 좌우의 회전 속도를 바꿈으로써 방향전환을 자유로이 할 수 있으며, 회전반경을 최소한으로 작게 할 수도 있다.

자이로스코프는 상하, 좌우, 전후에 생기는 각도 변화를 읽어 이동체의 속도와 위치를 알려주는 센서이다. 실리콘 웨이퍼 위에 극소형 진동 구조물을 제작한 뒤, 이 진동 구조물이 구동되는 상태에서 회전에 의해 각 변위가 생기면 이를 감지하는 센서로, 차세대 소형로봇인 마이크로 로봇을 구현하는 핵심기술로, 1초에 0.1도 이하의 각도 변화까지 감지할 수 있다.

도 6에서는 Pitch or Tilt 각도를 사용할 수 있다. 이동 로봇이 계단을 올라가거나 내려가며 측정되는 Pitch 각도 기울기가 층간 이동 정보 중 INCLINE_ANGLE 필드의 값에 도달하였다가 평지에 도달하면 이동 완료된 계단의 단수를 올리고, 단수가 NUMBER_STAIR 필드의 값과 같게 되면 층간 이동을 위한 계단 주행이 완료되었다고 판단할 수 있다. 예를 들어, 아래층에서 위층으로 올라간다고 하였을 때, 층간 이동 정보를 통해 획득한 INCLINE_ANGLE 필드의 값이 30이고, NUMBER_STAIR 필드의 값이 2라고 한다면, 이동 로봇이 계단을 주행하면서 자이로스코프의 Pitch 각도가 0도-30도-0도-30도-0도로 변화하는 것을 확인할 수 잇다. 이 때, 처음 30도-0도 구간과 두번째 30도-0도 구간이 계단을 오르는 구간이며, 이런 각도 변화가 2번 발생함을 통해 이동 로봇의 계단 주행이 완료되었다고 판단할 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 이동 로봇의 층간 주행 경로에 대한 일 예를 나타낸 도면이다.

도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 이동 로봇의 층간 주행 경로는 먼저 시작점(710)부터 계단 시작 위치(712)까지 경로(711)가 생성될 수 있다. 이동 로봇이 시작점(710)에 위치한다고 가정하였을 때, 시작점(710)부터 계단 시작 위치(712)까지 생성된 경로(711)를 통해 이동 로봇이 계단으로 이동할 수 있다.

이 후, 층간 이동 정보를 이용하여 목적지에 상응하는 층으로 이동하기 위해 위층 계단 및 아래층 계단 중 어느 하나의 계단을 이용하여 층간 이동을 수행할 수 있다.

층간 이동을 통해 목적지에 상응하는 층의 계단 도착 위치(720)에 도착할 수 있다.

이 후, 계단 도착 위치(720)부터 목적지(722)까지 경로(721)가 생성될 수 있다. 이동 로봇이 층간 이동을 통해 계단 도착 위치(720)에 위치하고 있기 때문에, 계단 도착 위치(720)부터 목적지(722)까지 생성된 경로(721)을 통해 로봇이 목적지에 도달할 수 있다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 이동 로봇의 층간 주행 장치를 나타낸 블록도이다.

도 8을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 이동 로봇의 층간 주행 장치(800)는 위치 확인부(810), 층별 지도 DB(811), 층간 이동 정보 생성부(820), 층간 주행부(830) 및 목적지 이동부(840)를 포함할 수 있다.

위치 확인부(810)는 층별 지도 DB(811)에 저장된 로봇이 위치하는 건물의 각 층별 지도를 이용하여 로봇의 현재 위치를 확인할 수 있다. 현재 위치는 WIFI의 RSSI 값을 이용하는 방법, 공간 상에 인공 표식물을 설치하여 인식하는 방법, 지도와 로봇에 장착된 거리 센서에 기반한 필터링 방법 등을 통해 알 수 있다.

이 때, 래스터, 토폴로지, 3D 포인트 클라우드, 3D 텍스쳐 및 3D 복셀의 형태를 포함하는 각 층별 지도를 이용할 수 있다. 래스터 형태의 지도는 래스터형 데이터로 저장된 지도를 의미할 수 있다. 래스터형 데이터는 2차원 표면을 일정한 규격의 사각 영역으로 나누어, 각 영역별로 정보를 분할하여 데이터를 저장하는 구조일 수 있다.

이러한 래스터형 데이터를 이용한 지도는 인공 위성 사진상의 픽셀들이 각각의 정해진 영역을 나타내는 것처럼 컴퓨터에서 픽셀 단위로 지도관련 데이터를 저장할 수 있다. 즉, 래스터형 지도는 일정한 크기로 나누어진 영역에 할당된 데이터 값을 이용하여 물체의 유무 및 공간의 구조를 표현하는 지도일 수 있다.

토폴로지 형태의 지도는 영역 혹은 물체간의 관계성을 바탕으로 생성된 지도일 수 있다. 이동 로봇의 주행관점에서 토폴로지 형태의 지도는 point-to-point 모션 기반의 주행제어에 적합할 수 있다. 주로 복수개의 별개 공간/영역으로 구성된 대규모 환경에 적합하며 개별 공간은 래스터 형태의 지도로 표현하되, 공간 사이의 관계는 토폴로지 형태의 지도로 표현하는 하이브리드 지도 또한 이동 로봇의 주행에 많이 활용되고 있다.

3D 포인트 클라우드 형태의 지도는 3차원 지상 레이저 스캐너로부터 취득한 포인트로 구성된 3D 포인트 클라우드를 통해 생성된 지도일 수 있다.

3D 텍스처 형태의 지도는 물체에 재질 또는 질감을 입혀서, 물체 면에 인위적으로 미세한 굴곡을 만들어 주름 면을 형성한 지도일 수 있다.

3D 복셀 형태의 지도는 복셀을 이용하여 생성한 지도로, 복셀은 픽셀의 3차원 버전으로 볼 수 있으며 확대해도 깔끔한 이미지를 볼 수 있지만 많은 데이터 용량을 필요로 할 수 있다.

이 때, 로봇은 캐터필러 및 네 다리 중 어느 하나의 구동부를 포함하고, 3축 센싱이 가능한 자이로스코프를 포함할 수 있다. 캐터필러는 강판제의 판을 체인 모양으로 연결하고, 이것을 앞, 뒷바퀴에 벨트처럼 걸어 동력으로 회전시켜서 주행하게 하는 장치이다. 보통의 바퀴에 비해 접지면적이 크고 지면과의 마찰도 크므로, 요철이 심한 도로나 진흙에서도 자유로이 주행할 수 있다. 또한, 좌우의 회전 속도를 바꿈으로써 방향전환을 자유로이 할 수 있으며, 회전반경을 최소한으로 작게 할 수도 있다. 자이로스코프는 상하, 좌우, 전후에 생기는 각도 변화를 읽어 이동체의 속도와 위치를 알려주는 센서이다. 실리콘 웨이퍼 위에 극소형 진동 구조물을 제작한 뒤, 이 진동 구조물이 구동되는 상태에서 회전에 의해 각 변위가 생기면 이를 감지하는 센서로, 차세대 소형로봇인 마이크로 로봇을 구현하는 핵심기술로, 1초에 0.1도 이하의 각도 변화까지 감지할 수 있다.

층간 이동 정보 생성부(820)는 각 층별 지도 각각에 포함된 원점 좌표들을 기준으로, 현재 위치와 목적지 간의 층간 이동 정보를 생성할 수 있다. 예를 들어, 현재 위치에 상응하는 층이 1층이고 목적지가 위치한 층이 2층이라고 한다면, 1층의 계단의 위치, 1층에서 2층으로 올라가는 계단의 단수와 기울기 및 2층에 도착하였을 때 계단의 위치 등의 정보들을 포함하는 층간 이동 정보를 생성할 수 있다.

이 때, 층간 이동 정보는 현재 위치에 상응하는 층수를 나타내는 CURRENT_FLOOR 필드, 목적지에 상응하는 층수를 나타내는 TARGET_FLOOR 필드, 계단의 기울기 각도를 나타내는 INCLINE_ANGLE 필드, 계단의 단수를 나타내는 NUMBER_STAIR 필드, 현재 위치에 상응하는 층의 계단의 좌표를 나타내는 CURRENT_ZONE_X 필드 및 CURRENT_ZONE_Y 필드, 계단의 좌표 오차 범위를 나타내는 X_COVER_RANGE 필드 및 Y_COVER_RANGE 필드, 목적지에 상응하는 층의 계단의 좌표를 나타내는 TARGET_ZONE_X 필드 및 TARGET_ZONE_Y 필드를 포함할 수 있다.

층간 주행부(830)는 층간 이동 정보를 이용하여 현재 위치에 상응하는 층의 계단으로 이동하고, 목적지에 상응하는 층으로 층간 이동할 수 있다. 예를 들어, 현재 위치의 좌표에서부터 CURRENT_ZONE_X 필드의 값 및 CURRENT_ZONE_Y 필드의 값에 따른 좌표까지 이동 경로를 생성하여 현재 위치에 상응하는 층의 계단으로 이동할 수 있다.

이 때, CURRENT_ZONE_X 필드의 값 및 CURRENT_ZONE_Y 필드의 값을 각각 X좌표 및 Y좌표로 하는 현재 위치에 상응하는 층의 계단으로 이동할 수 있다.

이 때, TARGET_FLOOR 필드의 값에 따라 위층으로 올라갈 수 있는 위층 계단 및 아래층으로 내려갈 수 있는 아래층 계단 중 어느 하나의 계단으로 이동할 수 있다.

이 때, 로봇이 X_COVER_RANGE 필드의 값 및 Y_COVER_RANGE 필드의 값에 따른 계단 좌표 오차 범위 내에 들어오면, 로봇의 주행 모드를 계단 이동 모드로 변경하여 층간 이동할 수 있다.

이 때, 계단 이동 모드는 층간 이동하는 동안 측정한 계단의 기울기 및 계단의 단수를 INCLINE_ANGLE 필드의 값 및 NUMBER_STAIR 필드의 값과 비교하여 층간 이동의 완료 여부를 판단할 수 있다.

이 때, 층간 이동의 완료 여부는 계단의 기울기가 INCLINE_ANGLE 필드의 값에 도달하였다가 평지에 상응하는 값에 도달하면 계단의 단수를 추가하고, 계단의 단수가 NUMBER_STAIR 필드의 값에 도달하면 층간 이동을 완료한 것으로 판단할 수 있다. 예를 들어, INCLINE_ANGLE 필드의 값이 30이고 NUMBER_STAIR 필드의 값이 2라고 한다면, 이동 로봇이 계단을 주행하면서 측정한 각도가 0도-30도-0도-30도-0도로 변화하는 것을 확인할 수 잇다. 이 때, 처음 30도-0도 구간과 두번째 30도-0도 구간이 계단을 오르는 구간이며, 이런 각도 변화가 2번 발생함을 통해 이동 로봇의 계단 주행이 완료되었다고 판단할 수 있다.

층간 주행 장치(840)는 현재 위치에 상응하는 층의 원점 좌표를 목적지에 상응하는 층의 원점 좌표로 변환하여 로봇을 목적지로 이동할 수 있다. 이동 로봇에 사용되는 지도 정보는 다양한 규격을 가지지만, 어떤 지도 규격이라도 하나의 원점을 중심으로 좌표가 도시될 수 있기 때문에, 다층 구조의 실내지도의 경우 각 층별로 원점 좌표를 가질 수 있다. 따라서, 이동 로봇이 계단을 통해 주행할 시에는 층 사이의 원점 좌표 변환에 대한 정보를 제공할 수 있다.

이와 같은 이동 로봇의 층간 주행 장치를 이용하여 이동 로봇이 계단을 통한 층간 주행이 자유로워짐으로써, 기존의 이동 로봇을 이용한 서비스를 제공하기 위해 각 층별로 배치했던 이동 로봇의 수를 절감함으로써 비용을 절약하는 효과를 가져올 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명에 따른 이동 로봇의 층간 주행 장치 및 방법은 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

310, 320: 원점 좌표
311, 321: 계단
410, 420: 층간 이동 정보
510, 520: 계단 좌표
511, 512: 계단 좌표 오차 범위
800: 층간 주행 장치
810: 위치 확인부
811: 층별 지도 DB
820: 계단 위치부
830: 층간 주행부
840: 목적지 이동부

Claims (1)

1. 로봇이 위치하는 건물의 각 층별 지도를 이용하여 상기 로봇의 현재 위치를 확인하는 단계;
   상기 각 층별 지도 각각에 포함된 원점 좌표들을 기준으로, 상기 현재 위치와 목적지 간의 층간 이동 정보를 생성하는 단계;
   상기 층간 이동 정보를 이용하여 상기 현재 위치에 상응하는 층의 계단으로 이동하고, 상기 목적지에 상응하는 층으로 층간 이동하는 단계; 및
   상기 현재 위치에 상응하는 층의 원점 좌표를 상기 목적지에 상응하는 층의 원점 좌표로 변환하여 상기 로봇을 상기 목적지로 이동하는 단계
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇의 층간 주행 방법.

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