KR20170121768A

KR20170121768A - 다관절을 이용한 장애물을 넘는 벽면 이동 로봇

Info

Publication number: KR20170121768A
Application number: KR1020160050078A
Authority: KR
Inventors: 이현아; 이현호; 임영민; 민태현; 김상하; 이권홍; 최영환
Original assignee: 금오공과대학교 산학협력단
Priority date: 2016-04-25
Filing date: 2016-04-25
Publication date: 2017-11-03

Abstract

본 발명은 다관절을 이용한 장애물을 넘는 벽면 이동 로봇에 관한 것으로서, 몸체와; 상기 몸체에 각각 연결되고, 각각의 모터에 의해 6관절 동작 구조를 갖는 네 개의 다리와; 상기 각 다리의 끝단에 구비된 진공 패드에 진공압을 형성하여 각 다리가 벽면에 부착되도록 흡착력을 발생시키는 흡착 기구와; 상기 각각의 다리에 구비된 모터들과 상기 흡착 기구를 제어하는 제어 기구를 포함하여 구성됨으로써, 로봇의 경령화 및 소형화를 실현함과 아울러 수직 벽면의 조건에 구애됨이 없이 원활한 이동 및 작업이 가능하게 하는 효과를 제공한다.

Description

다관절을 이용한 장애물을 넘는 벽면 이동 로봇{Wall climbing robot with multi joint legs to handle obstacles}

본 발명은 다관절 다리를 구비하여 벽면을 따라 이동하는 벽면 이동 로봇에 관한 것이다.

대형 구조물의 외벽 청소, 대형 선박의 용접, 각종 산업용 탱크의 안전 검사 등과 같은 극한 환경에서의 작업은 작업자의 안전을 위협하고 많은 비용을 수반한다. 이와 같은 작업에서 사람을 대신하기 위해 다양한 벽면 이동 로봇이 개발되고 있다. 벽면 이동 로봇은 중력을 거슬러 벽에 로봇을 부착하는 방식과 부착된 상태에서 이동하는 방식에서 일반적인 로봇에 비해 높은 복잡성을 가진다.

벽면 이동 로봇을 위한 벽면 부착방법은 대표적으로 다섯 가지로 나뉜다. 첫 번째로 정전기를 이용한 방식에서는 (-)와 (+)전기를 번갈아 흐르게 하여 자석처럼 서로 잡아당기는 방식으로 벽면 부착을 구현한다. 하지만 이 방식은 전기가 통하지 않는 벽에는 적용할 수 없다. 두 번째 미세한 털이 달려있는 도마뱀 패드를 이용하여 부착하는 방식은 털에 먼지나 작은 모래가 달라붙으면 벽과 접촉하지 못하는 문제가 있어 이물질이 많은 건물 외벽에 적용하기 어렵다. 세 번째로 자석을 이용한 방식은 자성체가 아닌 구조물에서는 사용할 수 없으며, 네 번째 갈퀴를 이용한 방식은 벽면에 갈퀴를 걸 수 있는 장치가 미리 설치되어야 하는 한계를 가진다. 마지막으로 진공을 이용한 방식에서는 대기압과 진공에 의해 큰 힘을 만들어 낼 수 있으나 벽면에서 천장으로 이동할 경우 로봇 내부에 진공 상태를 유지하기 어려우며 공기 압축기를 사용하여 전력소모가 크다는 문제점이 있다.

벽면에 부착된 로봇을 이동시키는 방법에는 바퀴를 이용한 방식부터 무한궤도형태, 여러 다리를 이용한 이동 방법 등이 있다. 바퀴를 이용한 방식과 무한궤도 방식의 경우 이동 경로에 장애물이 있으면 대처가 불가능하다는 문제점을 가진다. 여러 다리를 이용한 방식에서는 탈부착하고 이동해야하므로 이동속도가 느리다는 문제점이 있다.

또한, 종래의 벽면 이동 로봇은 장애물을 만나면 무조건 피해서 이동하거나 사용자가 장애물 대처 방법을 지시하는 방법을 사용하여, 장애물이 있는 벽면에서 자유롭게 이동이 불가능하다는 문제점이 있다.

이상 설명한 배경기술의 내용은 이 건 출원의 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.

대한민국 등록특허 10-1279501호 대한민국 공개특허 10-2016-0026436호

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 6관절 구조를 가진 네 개의 다리를 구성함과 아울러 진공 흡착 시스템을 구비함으로써 로봇의 경령화 및 소형화를 실현함과 아울러 수직 벽면의 조건에 구애됨이 없이 원활한 이동 및 작업이 가능할 수 있게 하는 다관절을 이용한 장애물을 넘는 벽면 이동 로봇을 제공하는 데 목적이 있다.

상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 다관절을 이용한 장애물을 넘는 벽면 이동 로봇은, 몸체와; 상기 몸체에 각각 연결되고, 각각의 모터에 의해 6관절 동작 구조를 갖는 네 개의 다리와; 상기 각 다리의 끝단에 구비된 진공 패드에 진공압을 형성하여 각 다리가 벽면에 부착되도록 흡착력을 발생시키는 흡착 기구와; 상기 각각의 다리에 구비된 모터들과 상기 흡착 기구를 제어하는 제어 기구를 포함한 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 몸체에는 장애물을 인식할 수 있도록 카메라 및 센서가 구비되고, 상기 제어 기구는 상기 카메라 및 센서로부터 데이터를 입력받아 로봇 이동에 대한 제어 신호를 출력하도록 구성된 것이 바람직하다.

상기 다리는 6관절 작동이 가능하도록 이루어진 6개의 서보 모터와, 상기 서보 모터를 지지함과 아울러 서보 모터의 축들이 결합되는 복수개의 브래킷을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

상기 몸체 쪽으로부터 1번 서보 모터는 다리를 몸체에 대하여 Y축을 중심으로 회전시킬 수 있도록 구성되고, 2번 서보 모터는 다리를 X축을 중심으로 회전시킬 수 있도록 구성되고, 3, 4번 서보 모터는 다리를 Z축을 중심으로 회전시킬 수 있도록 구성되고, 5, 6번 서보 모터는 다리를 Z축과 X축을 중심으로 회전시킬 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다.

상기 브래킷 중 적어도 어느 하나는 다리를 측면에서 보았을 때 호형상으로 절곡되게 형성되는 것이 바람직하다.

상기 흡착 기구는 상기 다리의 끝단에 구비된 진공 패드를 포함하고, 상기 다리에는 상기 진공 패드가 벽면과 수평으로 접근하면서 부착되도록 거리를 측정하는 부착거리 측정센서가 구비되는 것이 바람직하다.

상기 부착거리 측정센서는 진공 패드를 중심으로 배치된 4개의 적외선 센서일 수 있다.

상기 흡착 기구는 상기 다리 끝단에 구비되어 벽면에 부착되는 진공 패드와, 상기 진공 패드에 호스로 연결되어 진공 패드에 진공을 형성하는 진공 모터와, 상기 호스 상에 연결되어 진공 패드에 제공되는 진공압을 측정하는 압력 센서와, 상기 호스 상에 연결되어 진공 패드에 형성된 진공압을 해소하는 솔레노이드 밸브를 포함한 것이 바람직하다.

상기 제어 기구는 각각의 다리에 구비된 모터 및 그 다리에 구비된 흡착 기구를 제어하는 4개의 다리 제어부와, 상기 4개의 다리 제어부로부터 신호를 입력받고 다시 4개의 다리 제어부를 통합 제어하는 중앙 제어부를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같은 본 발명의 주요한 과제 해결 수단들은, 아래에서 설명될 '발명의 실시를 위한 구체적인 내용', 또는 첨부된 '도면' 등의 예시를 통해 보다 구체적이고 명확하게 설명될 것이며, 이때 상기한 바와 같은 주요한 과제 해결 수단 외에도, 본 발명에 따른 다양한 과제 해결 수단들이 추가로 제시되어 설명될 것이다.

본 발명에 따른 다관절을 이용한 장애물을 넘는 벽면 이동 로봇은, 6관절 구조를 가진 네 개의 다리가 구성되고, 벽면에 신속하게 탈착하면서 이동할 수 있도록 구성되기 때문에 전체적으로 로봇의 경령화 및 소형화를 실현함과 아울러 수직 벽면의 형태와 조건에 관계없이 신속하고 원활한 이동 및 작업이 가능한 효과가 있다.

또한, 본 발명은 카메라와 적외선센서를 이용하여 장애물을 인식하고 회피 또는 넘어가면서 벽면을 따라 이동할 수 있도록 구성되기 때문에 종래 벽면 이동 로봇의 한계를 극복하고 벽면 이동 로봇의 활용성 및 신뢰성을 높일 수 있는 효과도 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 다관절을 이용한 장애물을 넘는 벽면 이동 로봇이 도시된 위쪽에서 본 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다관절을 이용한 장애물을 넘는 벽면 이동 로봇이 도시된 아래쪽에서 본 사시도이다.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다관절을 이용한 장애물을 넘는 벽면 이동 로봇이 도시된 평면도, 저면도, 정면도, 측면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 벽면 이동 로봇의 다리 부분이 도시된 상세도로서, 6관절을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 벽면 이동 로봇의 다리 부분이 도시된 상세도로서, 흡착 기구를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 벽면 이동 로봇의 중앙 제어부 및 다리 제어부가 도시된 회로도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 벽면 이동 로봇의 다리 제어부가 도시된 회로도이다.
도 11은 초음파 센서(a)와 적외선 센서(b)의 인식 범위를 보여주는 참고도이다.
도 12는 본 발명에서 적용되는 적외선 센서의 정밀도 검사 결과를 보여주는 도면이다.
도 13은 수직 구조물에서 회피형 장애물을 예를 보여주는 참고도이다.
도 14는 수직 구조물에서 넘어야할 장애물의 예를 보여주는 참고도이다.
도 15는 본 발명에 따른 카메라를 이용한 영상처리 결과를 보여주는 도면으로서, 장애물로 검출되지 않은 유형을 보여주는 참고도이다.
도 16은 본 발명에 따른 카메라를 이용한 영상처리 결과를 보여주는 도면으로서, 장애물 검출 유형에 따른 여러 영상 처리 결과를 보여주는 참고도이다.
도 17은 본 발명에 따른 카메라를 이용한 영상처리 결과를 보여주는 도면으로서, 곡선형 장애물 유형의 영상 처리 결과를 보여주는 참고도이다.
도 18은 본 발명에서 장애물 직선 판단에 따른 대응 방법을 설명하기 위한 참고도이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 장애물 인식 및 대응 방법이 도시된 순서도이다.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하면 다음과 같다.

도 1 내지 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 다관절을 이용한 장애물을 넘는 벽면 이동 로봇을 설명하기 위한 도면들로서, 도 1 및 도 2는 벽면 이동 로봇을 위쪽과 아래쪽에서 본 사시도, 도 3 내지 도 6은 벽면 이동 로봇의 평면도, 저면도, 정면도, 측면도, 도 7은 벽면 이동 로봇의 6관절 설명 도면, 도 8은 벽면 이동 로봇의 흡착 기구 설명 도면, 도 9 및 도 10은 벽면 이동 로봇의 중앙 제어부 및 다리 제어부의 회로도이다.

본 발명에 따른 벽면 이동 로봇은 다리의 활동반경이 겹치는 것을 최소화하기 위해 네 개의 다리(200)를 가지고, 각 다리(200)는 수직벽면에서 자유자재로 움직일 수 있는 6관절을 가지도록 구성된다. 또한 각 다리(200)는 진공에 의한 흡착과 이동이 가능하도록 구성된다. 공기 압축기 없이 진공 모터(320)를 회전시켜 발생되는 진공에 의한 흡착방식을 사용하여, 매끄러운 표면을 가지고 있는 대형 구조물의 벽면에 별도의 장치 없이 안정적으로 부착될 수 있게 구성된다. 부착 과정에서는 네 개의 적외선 센서(240)를 이용하여 정확하고 안전하게 로봇을 벽면에 부착하도록 구성된다. 다리(200)를 제어하기 위해 각 다리(200)에 각각의 다리 제어부(410)를 사용하여 제어 및 대응속도를 높이고, 통합 제어를 위해 하나의 중앙 제어부(450)를 갖도록 구성된다. 중앙 제어부(450)는 적외선 센서(240)와 카메라(500)를 이용하여 이동 경로에 존재하는 장애물을 인식하여 넘어가거나 피해갈 수 있도록 각 다리(200)를 통합 제어하도록 구성된다.

이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 다관절을 이용한 장애물을 넘는 벽면 이동 로봇은, 크게 몸체(100)와, 이 몸체(100)에 각각 연결되고 6관절 구조로 이루어진 4개의 다리(200)와, 4개의 다리(200)의 끝단에 각각 구비된 진공 패드(310)에 진공압을 형성하여 각 다리(200)가 벽면에 부착되도록 흡착력을 발생시키는 흡착 기구(300)와, 4개의 다리(200)에 구비된 서보 모터(210)들과 상기 흡착 기구(300)를 제어하도록 각각의 다리(200)에 구비된 다리 제어부(410)와 이들을 통합 제어하는 중앙 제어부(450)로 이루어진 제어 기구(400)를 포함하여 구성된다.

상기와 같은 이동 로봇의 주요 구성 부분을 각각 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 몸체(100)는 도 1 및 도 2 등을 참조하면, 상하 방향으로 이격된 두 개의 플레이트(110, 120)로 구성되고, 이 두 개의 플레이트(110, 120)의 모서리 부분에 네 개의 다리(200)가 각각 조립된다. 두 개의 플레이트(110, 120)에서 네 개의 다리(200)가 조립되는 모서리 부분은 다리(200)의 움직임이 간섭 없이 원활하게 이루어질 수 있도록 상대적으로 더 돌출된 구조를 갖도록 구성되는 것이 바람직하다.

이러한 몸체(100)의 상부에는 제어 기구(400)가 구비될 수 있고, 앞쪽에는 장애물을 인식하기 위한 카메라(500) 및 적외선 센서(550)가 구성될 수 있다.

본 발명에서 몸체(100)는 전체 벽면 이동 로봇의 크기 대비 작게 구성되는데, 그 이유는 모멘트 최소화, 하중 분산, 부피 감소 등을 위한 것이다. 이는 몸체의 크기가 커질 경우에 하중 집중화 현상으로 인한 몸체의 처짐 현상이 발생하고, 무게가 많아질수록 몸체의 모멘트 발생하며, 벽면 장애물 이동시 몸체의 부피가 커 로봇의 자율성과 활동성이 침해되기 때문이다.

따라서, 본 발명에서는 몸체(100)의 크기를 소형화하고 무게를 경량화하기 위해 몸체(100)에 구성할 수 있는 여러 구성 요소 즉, 진공 모터(320), 적외선 센서(240), 솔레노이드 밸브(340) 등을 다리(200) 쪽에 구성하여 하중을 분산함으로써 몸체(100)가 가질 수 있는 모멘트 및 부피를 최소화시킬 수 있도록 구성된다. 이에 따라 몸체의 처짐 현상이 감소되어 로봇 이동의 움직임에 방해를 줄어들 수 있고, 몸체의 무게가 줄어짐에 따라 몸체가 가지고 있던 모멘트가 줄어들어 몸체의 뒤틀림이 감소할 수 있다. 또 부피를 감소시킴에 따라 축에 대한 제어도 자유롭고 최소한의 공간에서 최대한의 유연성 및 확장성, 자율성 등이 향상되고, 벽면에서의 이동도 수월해질 수 있는 것이다.

다음, 다리(200)는 수직 벽면에서 보행뿐만 아니라 장애물을 넘을 수 있게 6관절 구조로 구성된다. 또한 아래에서 설명할 진공 패드(310)는 접촉면이 조금이라도 어긋나면 제대로 붙지 않기 때문에 각 다리(200)에 구비된 진공 패드의 자유도를 높일 수 있는 6관절 구조로 구성하는 것이다.

이러한 다리(200)는 6개의 서보 모터(210: M1~M6)와, 이 서보 모터(210)를 지지함과 아울러 서보 모터(210)의 축들이 결합되는 각각의 브래킷(220)을 포함하여 구성된다. 몸체(100) 쪽에 연결된 1번 서보 모터(210; M1)의 축은 몸체(100)를 구성하는 두 개의 플레이트(110, 120) 사이에 바로 조립되어 구성된다.

도 7을 참조하여, 6개의 서보 모터(210)의 역할을 설명하면, 몸체(100)와 연결되어 있는 1번 서보 모터(M1)는 Y축을 회전시켜 로봇의 몸체(100)를 전후방으로 이동하기 위한 역할을 담당하고, 2번 서보 모터(M2)는 경사가 달라지는 벽면에서의 이동을 위해 X축 회전을 수행하여 다리(200)의 각도를 조절하며 진공 패드(310)를 부착하기 위한 역할을 한다. 3, 4번 서보 모터(M3, M4)는 Z축 회전을 담당하여 장애물을 넘어갈 수 있도록 로봇의 다리(200)를 들어 올리는 역할을 담당하고, 5, 6번 서보 모터(M5, M6)는 사람의 손목을 모방하여 Z축, X축 회전으로 진공 패드(310)가 정확한 각도로 부착될 수 있게 하는 역할을 담당한다.

이와 같은 6관절 구조의 다리(200)는 경사면 극복, 벽면 이동, 벽면 장애물 등의 특수한 환경에서도 범용적인 움직임을 수행할 수 있는 거미를 생체 모방하여, 정확한 위치와 자세 제어를 위해 6개의 서보 모터(210)를 조합해서 움직일게 구성함으로써 로봇 모델의 제한된 자유도의 문제점을 극복할 수 있게 된다.

6개의 서보 모터(210)는 300도까지 회전이 가능하고 회전속도 또한 조절이 가능해 관절로서의 역할을 충분히 수행할 수 있는 모터로 구성되는 것이 바람직하고, 데이지 체인 현상을 없애기 위해 각 다리(200) 별로 배터리를 사용해 보다 안정적으로 전압, 전류를 공급해 회로에 이상이 없도록 구성하는 것이 바람직하다.

한편, 관절을 구성하는 브래킷(220) 중 진공 패드(310) 쪽의 브래킷(222)은 다리(200)를 측면에서 보았을 때 호 형상으로 길게 절곡되게 형성하는 것이 바람직하다. 이는 진공 패드(310)가 벽면에 부착될 때 수평으로 접근하기 용이하도록 형성한 것이다.

또한, 네 개의 다리(200)에는 진공 패드(310)가 벽면과 수평으로 접근하면서 부착되도록 거리를 측정하는 부착거리 측정센서가 구비되는 것이 바람직하다. 부착거리 측정센서는 진공 패드(310)를 중심으로 설치된 4개의 적외선 센서(240)로 이루어지는 것이 바람직하다.

4개의 적외선 센서(240)는 도면에 예시된 바와 같이 진공 패드(310)의 상부에서 4각 구조로 네 모서리 부분에 설치될 수 있다. 이를 위해 진공 패드(310)가 연결되는 브래킷(220)에는 센서 지지체(230)가 양쪽에 설치되고, 각 센서 지지체(230)의 양쪽 끝단에 적외선 센서(240)가 각각 설치되는 구성으로 이루어질 수 있다.

각 다리(200)의 진공 패드(310)를 정확하게 벽면에 부착하기 위해서는 패드와 벽면이 수평이 되어야 가장 안정적으로 흡착 할 수 있기 때문에 패드와 벽면 사이의 기울기를 정확히 알아야 한다. 본 발명에서는 각 다리(200)의 진공 패드(310)에 4개의 적외선 센서(240)가 설치되어 있으므로, 4개의 적외선 센서(240)가 일정 시간마다 벽면과 진공 패드(310) 사이의 거리를 각각 측정하고, 측정값이 일정 오차보다 크면 기울어져 있다 판별 하고 그에 따라 5, 6번 서보 모터(M5, M6)를 움직여 수평을 맞출 수 있도록 구성되는 것이다.

이와 같은 적외선 센서(240)를 사용하지 않고 부착했을 경우 아래에서 설명할 압력 센서(330)로 부착 여부를 정확히 판단할 수는 있으나 이때에는 부착이 안됐을 경우에는 다시 다리(200)를 재조정하여 부착해야 하므로 추가 제어를 계속해야 한다. 하지만 4개의 적외선 센서(240)를 사용했을 경우 처음부터 다리(200)를 완벽하게 붙게 하는 알고리즘을 적용할 수 있어 부착 속도가 빨라질 수 있을 뿐만 아니라 장애물을 건널 때도 장애물의 폭의 너비도 알 수 있어 보다 용이하게 장애물을 넘어갈 수 있게 된다.

다음, 흡착 기구(300)는 진공 모터(320)를 이용하여 진공 패드(310) 안의 공기를 흡입하여 패드의 내부를 진공 상태로 만들어 다리(200)의 탈부착을 빠르고 정확하게 할 수 있도록 구성된다.

이러한 흡착 기구(300)는 도 8 등을 참조하면, 다리(200) 끝단에 구비되어 벽면에 부착되는 진공 패드(310)와, 이 진공 패드(310)에 호스(350)로 연결되어 진공 패드(310)에 진공을 형성하는 진공 모터(320)와, 상기 진공 패드(310), 호스(350), 진공 모터(320) 중 어느 한쪽에 설치되어 진공 패드(310)에 제공되는 진공압을 측정하는 압력 센서(330)와, 상기 호스(350) 상에 구비되어 진공 패드(310)에 형성된 진공압을 해소하는 솔레노이드 밸브(340)를 포함하여 구성된다.

여기서, 진공 패드(310), 진공 모터(320), 압력 센서(330), 솔레노이드 밸브(340)로 연결되는 호스(350)를 연결하기 위해 십자형 구조를 갖는 피팅(360)을 이용할 수 있다. 이때 피팅(360)은 브래킷(220) 또는 서보 모터(210)의 상부에 설치될 수 있고, 투 터치 피팅을 이용하는 것이 바람직하다.

진공 패드(310)는 작은 양의 공기만 흡입해도 진공상태가 되어 흡착력이 커지도록 납작하고 넓은 모양으로 형성되는 것이 바람직하다.

압력 센서(330)는 진공압을 측정함으로써 진공 패드(310)가 벽면에 정확히 부착되었는지 여부를 정확하게 판단하는 기능을 수행한다. 즉, 압력 센서(330)의 측정값이 일정 값 이상일 때 진공 패드(310)가 붙었음을 의미하고, 측정값이 일정 값 이하일 때 패드가 붙지 않았음을 의미한다. 따라서 다리(200)를 벽면에 내렸을 때, 일정 시간 이상 압력 센서(330)의 값이 증가하지 않으면 진공 패드(310)가 붙지 않았다고 판단 할 수 있기 때문에 차후에 알고리즘을 사용하여 붙을 수 있게 할 수도 있다. 알고리즘에는 재 부착 방식이나 다른 센서를 이용하여 다리(200)를 정확하게 붙이는 방식이 있을 수 있다.

솔레노이드 밸브(340)는 진공이 형성된 진공 패드(310)를 대기압 조건으로 개방하여 신속하게 진공을 해소함으로써 진공 패드(310)가 벽면에서 떨어질 수 있도록 하는 기능을 수행한다.

압력 센서(330) 및 솔레노이드 밸브(340)는 다리(200) 끝단 쪽 브래킷(220)에 각각 설치되는데, 이는 몸체(100) 쪽의 제어 기구(400)와의 충분한 거리를 확보하여 영향이 발생하지 않도록 하기 위한 것이다.

따라서, 흡착 기구(300)는 벽면 부착을 위해서 진공 패드(310)의 차단막을 이용하여 외부와 차단된 공간을 생성하고, 진공 모터(320)를 회전하여 진공 패드(310) 내부의 공기를 배출시켜 진공 상태를 유지한다. 이와 동시에 압력 센서(330)로 진공상태를 확인하여 부착의 안정성을 보장한다. 다리(200)의 이동을 위해서는 진공을 제거해야 하는데, 솔레노이드 밸브(340)로 대기압과 진공 패드(310) 사이의 압력을 맞추어 보다 빨리 떨어져 신속한 이동이 가능하게 한다.

다음, 제어기구는 각각의 다리(200) 움직임을 제어하기 위한 네 개의 다리 제어부(410)를 가지며, 각 다리 제어부(410)는 중앙 제어부(450)에 의해 제어될 수 있게 구성된다.

이러한 제어 기구(400)는 각각의 다리(200) 쪽 서보 모터(210) 및 그 다리(200)에 구비된 흡착 기구(300)를 제어하는 4개의 다리 제어부(410)와, 4개의 다리 제어부(410)로부터 신호를 입력받고 다시 4개의 다리 제어부(410)를 통합 제어하는 중앙 제어부(450)를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

각각의 다리 제어부(410)는 도 10을 참조하면, 크기가 작은 아두이노 나노(Arduino Nano)를 이용하여 구성할 수 있으며, 로봇 이동을 위한 벽면 탈부착과 중앙제어장치로 정보 전송을 하는 두 가지 역할을 수행한다.

각 다리(200)는 앞서 설명한 바와 같이 적외선 센서(240) 4개, 압력 센서(330) 1개, 진공 모터(320) 1개, 솔레노이드 밸브(340) 1개, 서보 모터(210) 6개로 총 13개의 센서 및 모터를 가지는데, 각각의 다리 제어부(410)는 13개의 센서 및 모터로부터 측정 신호를 전달받고, 제어 신호를 출력하도록 구성된다. 즉, 로봇 이동을 위해 중앙 제어부(450)로부터 받은 정보를 이용하여 움직이는 위치를 서보 모터(210)로 제어한다. 벽면 부착을 위해서는 진공 모터(320) ON, 솔레노이드 밸브(340) OFF 상태에서 적외선 센서(240) 4개를 이용하여 벽면과 진공 패드(310)를 수평으로 맞추어 벽면에 부착하고, 압력 센서(330)로 부착 성공 여부를 검사한다. 벽면에서 떼야 할 경우에는 솔레노이드 밸브(340) ON, 진공 모터(320) OFF 상태에서 압력 센서(330)를 이용하여 진공 패드(310) 안의 압력을 확인하고 떼어진 다음 서보 모터(210)를 이용하여 다리(200)를 들어올린다.

또한, 다리 제어부(410)는 중앙 제어부(450)로터 자신의 정보를 보내는 역할을 수행한다. 즉, 각 다리(200)가 가지는 13가지의 센서 및 모터의 값과 진공 패드(310)의 진공 상태 정보, 그리고 다리(200)의 동작 상태 정보를 중앙 제어부(450)에 보낼 수 있도록 구성된다.

중앙 제어부(450)는 다리 제어부(410)의 제어와 아래에서 자세히 설명할 장애물 대처를 위해서 openCV를 이용한 영상처리, openGL을 통한 다리 모델링, QT를 이용한 GUI구현, Serial통신을 이용한 아두이노 동기화 및 제어를 담당한다.

이러한 중앙 제어부(450)는 Jetson TK1 리눅스 보드를 사용하여 구성할 수 있다. 리눅스 보드를 사용함으로써 많은 처리를 요구하는 영상처리 문제를 해결 할 수 있고, 다른 제어부에 비해 범용성이 우수하다. QT 프로그래밍을 이용하여 리눅스 GUI 프로그래밍이 가능했고, 그 GUI를 통해서 사용자에게 값을 보여주거나 시각적으로 보여주는 것이 가능해진다. OpenGL을 이용하여 실제 서보 모터의 움직임을 추적하여 그래픽으로 나타낼 수 있고, OpenCV를 이용하여 영상처리를 원활하게 할 수 있다. 또한 스레드(thread)나 포크(fork)를 이용하여 병렬 처리를 더욱 유연하게 구현할 수 있다.

중앙 제어부(450)의 핵심 기능은 네 개의 다리 제어부(410)를 통한 동작의 동기화를 실현할 수 있도록 구성된다. 즉, 통신의 시작과 끝은 다리 제어부(410)가 담당하므로, 중앙 제어부(450)는 다리 제어부(410)와의 통신을 지속적으로 기다리는 스레드(Thread)를 생성하여 통신을 수행한다. 각 다리 제어부(410)로부터 받은 데이터를 통해 동기화 및 제어를 수행한다.

또한, 중앙 제어부(450)는 장애물 인식 및 대처 기능을 제공할 수 있도록 구성된다. 즉, 몸체(100)의 앞쪽에 구비된 카메라(500)와 적외선 센서(550)를 이용하여 장애물을 인식한다. 적외선 센서(550)를 통해 장애물의 유무를 판단하는데, 측정된 거리가 30cm 이내이면 카메라(500)의 영상처리를 적용할 수 있다. 카메라(500)의 영상처리를 적용하여 장애물임을 판단하면 넘어가고, 그렇지 않다면 회피하는 방법 등을 이용하여 장애물 인식 및 대처를 실행할 수 있는 것이다. 이러한 장애물 인식 및 제어 방법은 아래에서 자세히 설명한다.

상기와 같이 중앙 제어부(450)와 네 개의 다리 제어부(410)로 구성됨으로써, 하나의 다리 제어부(410)가 6개의 서보 모터(210)를 제어하므로 24개의 서보 모터(210)를 처리할 경우보다 반응속도나 처리속도가 약 4배 증가할 수 있고, 각 다리(200)의 서보 모터(210)의 처리속도가 증가함에 따라 각각의 다리(200)를 동시에 작동시킬 수 있게 된다. 또한, 중앙 제어부(450)는 리눅스 보드를 사용함으로써 영상 처리, GUI, TCP/IP 통신 등 기존의 MCU로 불가능했던 기능을 추가적으로 구현할 수 있게 된다.

이제, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명에 따른 벽면 이동 로봇의 장애물 인식 방법에 대하여 도 19 등을 참조하여 자세히 설명한다.

정확하게 장애물을 파악하기 위해서는 로봇과 장애물간의 거리와 함께 장애물을 측정하려고 하는 센서와 장애물간의 기울기를 고려해야 한다. 특히 수직벽면에 부착된 다관절 로봇이 장애물을 넘어갈 때에는 로봇과 장애물이 수평이 되어야 벽면에서 몸체가 뒤틀리지 않고 최대한 안정되게 붙어 장애물을 건널 수 있다.

따라서, 본 발명에서는 로봇이 장애물을 직면했을 때, 적외선 센서(550)를 이용한 수직 벽면에서의 장애물 인식 방법, 그리고 카메라(500)를 이용한 장애물 회피의 여부를 확인하는 방법에 대하여 설명한다.

장애물 인식에서는 장애물이 곡선 형태인지 직선 형태인지 판별하고, 직선인 경우 앞서 설명한 적외선 센서(550)를 사용하여 로봇과 장애물을 수평으로 맞추어 안정적으로 장애물을 건널 수 있도록 하는 것이다.

참고로, 거리를 측정하는 센서에서 가장 중요한 것은 지향각이다. 장애물과 장애물을 측정하는 센서 사이의 기울기가 민감하기 때문에 지향각이 클수록 감지 폭이 넓어져 장애물이 아닌 주변 물체의 길이 값이 감지되는 오류가 발생하기 쉽다. 이를 방지하기 위해서는 지향각이 최소한으로 유지되어야 한다. 도 11을 참고하면, 도 11(a)에 나타난 초음파 센서의 인식 범위에 비하여 도 11의 (b)에 나타난 적외선 센서(b)의 인식 범위 즉, 지향각이 좁은 것을 알 수 있다.

본 실시예에서 사용되는 장애물 인식을 위해 사용되는 적외선 센서는 GP2Y0A41SK0F을 사용할 수 있다.

적외선 센서(550)는 발광부에서 적외선을 발산하고 이를 수광부에서 받아들인다. 이 사이에서 수광부에 외부 적외선이 들어오면 도 12와 같은 노이즈가 발생하여 측정 거리의 정확성을 매번 보장할 수 없다. 따라서 노이즈를 제거하기 위해 n번의 거리 값을 읽고 그 값들을 정렬하여 중앙값에서 임계치 e 이상의 차이가 있는 값은 노이즈로 판단한다. e는 사용자가 지정하는 오차 허용 범위이다. 노이즈로 판단되지 않은 값들의 평균을 구해서 최종 거리를 구한다.

노이즈를 제거하는 알고리즘은 다음과 같이 설정할 수 있다.

(1) 원하는 개수 n만큼 데이터를 읽으며 그것을 집합

이라고 표현한다.

(2) 집합

는 집합

을 정렬한 값들의 집합이다.(오름차순 또는 내림차순)

(3) 집합

에서 사용자가 설정한 오차 허용 범위 e의 ±값을 통해 값을 정제한다. 그것을 집합

라고 하면,

는 다음 [수학식 1]과 같다.

[수학식 1]

(4)

에 속한 모든 원소들의 평균은

라고 정의한다.

(5) 표준편차 s는 다음 [수학식 2]와 같다.

[수학식 2]

(6) 정의된 표준편차 s를 통해 95% 신뢰구간을 다음의 [수학식 3]을 통해 구한다.

[수학식 3]

(7) 집합

는 다음의 [수학식 4]과 같이 집합

의 모든 원소 중

함수에 참인 값들의 집합으로 정의한다.

[수학식 4]

(8) 구하고자 하는 거리값

는 집합

의 평균으로 정의한다. 이를 [수학식 5]로 나타내면 다음과 같다.

[수학식 5]

도 13 및 도 14는 수직 벽면 장애물의 보인 사진들이다. 도면에서와 같이 검은색 화살표는 로봇이 장애물을 바라보는 방향이고 흰색 화살표는 장애물을 넘어가는 방향이며 L은 장애물의 너비를 의미한다.

도 13 및 도 14에 도시된 두 경우 모두 적외선 센서(550)를 통해서 장애물이 인식된다. 이후 카메라(500)의 영상처리를 통해 장애물의 너비를 측정하면 도 13은 너비가 좁고 도 14는 너비가 넓다는 점이 파악할 수 있다.

본 실시예의 로봇은 장애물의 너비를 파악하여 도 13처럼 너비가 설정치보다 좁은 경우는 회피한다. 즉 장애물을 피해가는 방법으로 로봇을 이동시킨다. 하지만, 도 14처럼 너비가 넓은 경우에는 장애물을 넘어가는 방법으로 로봇을 이동시킨다.

카메라(500)를 통해 이미지 데이터를 읽어오면 회색도 변환(Gray Level Transformation)을 통해 이미지를 회색조로 만든다. 회색조로 만든 이미지에 캐니 에지 디텍션 알고리즘(Canny Edge Detection Algorithm)을 적용하여 경계선을 검출한다. 검출된 이미지에 레벨링 알고리즘(Labeling Algorithm)을 적용하여 시작점과 끝점 사이에 선을 긋는다.

장애물은 크게 직선형 장애물과 곡선형 장애물로 나눌 수 있다. 도 15와 도 16은 다양한 직선형 장애물 유형에 따른 카메라 원본 이미지와 경계선 추출 결과를 보인다.

장애물인지 아닌지를 검출하는 핵심은 시작점과 끝점이다. 시작점과 끝점이 성립되려면 w가 이미지의 너비를, h를 이미지의 높이라고 하였을 때, 는

가 0이거나 w,

는 0이거나 h이어야 한다. 장애물을 검출 할 때, 시작점과 끝점은 한 개씩 있어야 하고 시작점과 끝점이 여러 개인 경우에는 회피 하는 장애물이라고 판단한다.

도 15의 경우에는 시작점과 끝점이 성립되지 않기 때문에 장애물이라고 판단하지 못한다. 그러므로 회피해야 할 장애물이라고 판단한다.

도 16은 시작점과 끝점이 성립되는 경우이다. (a), (b), (c)의 경우는 좌측과 우측 끝에 시작점과 끝점이 존재하므로 너비가 넓다고 인식하여 넘어가야할 장애물이라고 판단한다. (d)의 경우에는 위와 아래에 시작점과 끝점이 존재하므로 너비가 좁다고 인식해 회피해야 한다고 판단한다.

넘어가야 할 장애물인 경우에는 로봇과 장애물이 수평으로 있어야 안전하게 장애물을 넘어갈 수 있다. 시작점을

이라고 하고 끝점을

라고 했을 때,

을 이용하여 기울기를 알 수 있다. 도 16의 (a)는 기울기가 0이므로 회전하지 않는다. 그러나 도 16의 (b)와 (c)의 경우는 기울기가 0이 아니므로 회전한다. 도 16의 (b)와 (c)를 보면 흰색 선이 일정 하지 않고 좁아지는 구간과 넓어지는 구간이 있다. 회전은 구간이 좁아지는 곳에서 넓은 곳으로 해야 한다. (b)의 경우는 오른쪽으로 회전하고 (c)의 경우는 왼쪽으로 회전해야 한다.

도 17은 곡선 장애물이며 시작점과 끝점의 조건이 성립된다. 시작점과 끝점 두 개의 점을 선택하여 그은 선은 A이다. 곡선인지 판단하기 위해서는 x의 값은 0에서 w까지 일정 값 n만큼 나누어 기준선을 잡는다. 도 17은 n이 10일 때 기준선을 잡아 선으로 그린 예를 보인 것이다. 10개의 기준선에 직선 A와 곡선을 비교해서

을 구한다.

과 사용자가 정한 e(오차 허용 범위)값을 비교하여 비교 값이 크다면 곡선으로 판단한다. e의 값이 낮아질수록 정확도는 높으나 직선을 곡선으로 분류할 수 있어 하드웨어에 따른 실험이 필요하게 된다. 다음 [수학식 6]은 곡선 판단 수식을 나타낸다.

[수학식 6]

상기한 바와 같이 본 발명에서 영상처리는 임베디드 시스템에서 큰 부하를 발생시키므로 적외선 센서(550)가 장애물이 있다고 판단되면 영상처리를 시작한다.

먼저 카메라(500)를 이용하여 장애물의 유형을 판단한다. 카메라를 이용한 판단은 e(오차 허용 범위)에 의존적이어서 실제 곡선인데 직선으로 판단할 수 있다. 그러므로 보다 정확하게 직선인지 곡선인지 검사할 방법이 요구된다. 도 18은 이러한 방법을 제시한다. 회전 전에 보고 있는 곳은 점선으로 표현하고 회전 후 보고 있는 곳은 실선으로 표현한다. 회전 전에는 거리 값

를 알 수 있고 로봇의 회전각도

는 모든 로봇이 알고 있다. 거리 값

와 회전각도

를 알게 되면 삼각함수를 이용하여 회전 후 거리 값

를 예상할 수 있다.

를 통해 나온 예상 값

와 실제 회전 후 측정된 거리 값

를 비교하여 직선인지 다시 한 번 판단할 수 있다. 다시 한 번 판단하여 나온 결과가 직선이라면 문제가 없지만 다를 경우에는 곡선임을 판단하고 회피할 수 있도록 한다.

이와 같은 방법은 카메라(500)와 적외선 센서(550)를 이용하여 수직 벽면을 이동하는 로봇에 최적화 된 장애물 인식 방법을 보여준다. 카메라(500)와 적외선 센서(550)를 통해 전방 장애물에 대한 장애물과의 거리, 장애물의 기울기, 회피의 가능 유무 그리고 장애물의 곡선의 유무를 파악하는 것이다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따른 벽면 이동 로봇의 장애물 인식 방법은, 거리를 측정하는 센서는 지향각이 좁은 적외선 센서(550)를 사용하고, 적외선의 노이즈 현상을 보안하기 위해 알고리즘을 사용하여 정확도를 높이고 있다. 또한 카메라(500)와 제어부를 고정도의 센서로 활용하여 영상에 대한 경계선 추출과 곡선/직선 판단으로 다양한 장애물의 특성을 파악하여 로봇 이동을 제어할 수 있게 된다.

상기한 바와 같은, 본 발명의 실시예들에서 설명한 기술적 사상들은 각각 독립적으로 실시될 수 있으며, 서로 조합되어 실시될 수 있다. 또한, 본 발명은 도면 및 발명의 상세한 설명에 기재된 실시예를 통하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

100 : 몸체 110, 120 : 플레이트
200 : 다리 210 : 서보 모터
220 : 브래킷 230 : 센서 브래킷
240 : 적외선 센서 300 : 흡착 기구
310 : 진공 패드 320 : 진공 모터
330 : 압력 센서 340 : 솔레노이드 밸브
400 : 제어 기구 410 : 다리 제어부
450 : 중앙 제어부 500 : 카메라
550 : 적외선 센서

Claims

몸체와;
상기 몸체에 각각 연결되고, 각각의 모터에 의해 6관절 동작 구조를 갖는 네 개의 다리와;
상기 각 다리의 끝단에 구비된 진공 패드에 진공압을 형성하여 각 다리가 벽면에 부착되도록 흡착력을 발생시키는 흡착 기구와;
상기 각각의 다리에 구비된 모터들과 상기 흡착 기구를 제어하는 제어 기구를 포함한 것을 특징으로 하는 다관절을 이용한 장애물을 넘는 벽면 이동 로봇.
청구항 1에 있어서,
상기 몸체에는 장애물을 인식할 수 있도록 카메라 및 센서가 구비되고,
상기 제어 기구는 상기 카메라 및 센서로부터 데이터를 입력받아 로봇 이동에 대한 제어 신호를 출력하도록 구성된 것을 특징으로 하는 다관절을 이용한 장애물을 넘는 벽면 이동 로봇.
청구항 1에 있어서,
상기 다리는 6관절 작동이 가능하도록 이루어진 6개의 서보 모터와, 상기 서보 모터를 지지함과 아울러 서보 모터의 축들이 결합되는 복수개의 브래킷을 포함한 것을 특징으로 하는 다관절을 이용한 장애물을 넘는 벽면 이동 로봇.
청구항 3에 있어서,
상기 몸체 쪽으로부터 1번 서보 모터는 다리를 몸체에 대하여 Y축을 중심으로 회전시킬 수 있도록 구성되고, 2번 서보 모터는 다리를 X축을 중심으로 회전시킬 수 있도록 구성되고, 3, 4번 서보 모터는 다리를 Z축을 중심으로 회전시킬 수 있도록 구성되고, 5, 6번 서보 모터는 다리를 Z축과 X축을 중심으로 회전시킬 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 다관절을 이용한 장애물을 넘는 벽면 이동 로봇.
청구항 3에 있어서,
상기 브래킷 중 적어도 어느 하나는 다리를 측면에서 보았을 때 호형상으로 절곡되게 형성된 것을 특징으로 하는 다관절을 이용한 장애물을 넘는 벽면 이동 로봇.
청구항 1에 있어서,
상기 흡착 기구는 상기 다리의 끝단에 구비된 진공 패드를 포함하고,
상기 다리에는 상기 진공 패드가 벽면과 수평으로 접근하면서 부착되도록 거리를 측정하는 부착거리 측정센서가 구비된 것을 특징으로 하는 다관절을 이용한 장애물을 넘는 벽면 이동 로봇.
청구항 6에 있어서,
상기 부착거리 측정센서는 진공 패드를 중심으로 배치된 4개의 적외선 센서인 것을 특징으로 하는 다관절을 이용한 장애물을 넘는 벽면 이동 로봇.
청구항 1에 있어서,
상기 흡착 기구는 상기 다리 끝단에 구비되어 벽면에 부착되는 진공 패드와, 상기 진공 패드에 호스로 연결되어 진공 패드에 진공을 형성하는 진공 모터와, 상기 호스 상에 연결되어 진공 패드에 제공되는 진공압을 측정하는 압력 센서와, 상기 호스 상에 연결되어 진공 패드에 형성된 진공압을 해소하는 솔레노이드 밸브를 포함한 것을 특징으로 하는 다관절을 이용한 장애물을 넘는 벽면 이동 로봇.
청구항 1에 있어서,
상기 제어 기구는 각각의 다리에 구비된 모터 및 그 다리에 구비된 흡착 기구를 제어하는 4개의 다리 제어부와, 상기 4개의 다리 제어부로부터 신호를 입력받고 다시 4개의 다리 제어부를 통합 제어하는 중앙 제어부를 포함한 것을 특징으로 하는 다관절을 이용한 장애물을 넘는 벽면 이동 로봇.