KR101804770B1 - 네비가이더, 네비가이더를 이용한 이동 로봇 및 이동 로봇의 가이드 방법 - Google Patents

네비가이더, 네비가이더를 이용한 이동 로봇 및 이동 로봇의 가이드 방법 Download PDF

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Abstract

네비가이더, 네비가이더를 이용한 이동 로봇 및 이동로봇의 가이드 방법을 공개한다. 본 발명은 권취된 상태에서 일단에 연결되는 이동체의 이동에 따라 인가되는 인장력에 의해 권출되며, 기지정된 위치에서 이동체 방향으로 꺾이는 가이드라인을 구비하는 가이드라인부, 가이드라인이 권출된 길이와 꺽인 각도를 오차 거리 및 오차 각도로 측정하는 가이드라인 측정부 및 오차 거리 및 오차 각도로부터 이동체의 이동 경로를 추종하여 이동하는 이동 로봇의 이동 속도와 회전 각속도를 계산하여 이동 로봇으로 전송하는 가이드 경로 계산부를 포함한다.

Description

네비가이더, 네비가이더를 이용한 이동 로봇 및 이동 로봇의 가이드 방법{NAVI-GUIDER, MOBILE ROBOT USING NAVI-GUIDER AND GUIDE METHOD FOR MOBILE ROBOT}
본 발명은 네비가이더, 네비가이더를 구비하는 이동 로봇 및 이동 로봇의 가이드 방법에 관한 것으로, 특히 이동체에 연결되어 이동체를 추종하며 이동하며, 장애물을 회피할 수 있도록 가이드하는 네비가이더, 네비가이더를 구비하는 이동 로봇 및 이동 로봇의 가이드 방법을 이용하여 이동체를 추종하는 로봇 가이드 방법에 관한 것이다.
최근 다양한 방식의 자율 이동 로봇에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 자율 이동 로봇은 주변 환경을 인식하고, 인식된 환경에 따라 이동 경로를 스스로 결정하여 이동하는 로봇으로, 물류 이송 로봇, 로봇 청소기와 같이 제한된 영역 내에서 이동하며 작업하는 단순 이동 로봇으로부터 장애우 도우미나 유해지역 작업 로봇과 같이 다양한 환경에서 이동 영역의 제한이 없이 작업을 수행하는 이동 로봇까지 사용 목적에 따라 다양하게 발전하고 있다.
이러한 자율 이동 로봇의 한 종류로 이동체를 추종형 자율 이동 로봇이 제안되었다. 이동체를 추종형 자율 이동 로봇은 목표에 해당하는 이동체와 일정 거리만큼 떨어져서 이동하는 이동 로봇으로, 주로 다개체 시스템의 군집 대형 제어 및 플래툰 제어 분야에서 많은 연구가 진행되어 왔다. 그리고 이동체 추종형 자율 이동 로봇에 대한 연구의 일환으로 이동체가 이동할 때, 이동 로봇이 이동체와 일정거리를 유지하면서 따라 이동하도록 가이드하는 네비가이더(Navi-Guider)가 개발되고 있다.
그러나 기존의 네비가이더는 로봇이 이동체의 이동 경로를 그대로 추종하도록 가이드하는 것이 아니라, 이동체와 이동 로봇 사이의 현재 위치 관계에 따라 이동 경로를 결정하므로, 이동체가 장애물을 회피하여 이동하더라도 이동 로봇은 장애물에 충돌할 수 있다. 이동 로봇이 장애물을 회피하면서 이동체의 이동 경로를 추종하기 위해서는, 네비가이더가 이동체의 이동 경로를 기억하고, 기억된 이동 경로에 따라 이동 로봇을 가이드 해야만 한다.
한국 등록 특허 제10-0811886호 (2008.03.03 등록)(이하 선행 기술)에는 로봇의 네비가이더가 이동중인 사용자와 같은 이동체에 연결되어 이동체의 당기는 힘에 비례하여 길이가 늘어나는 인장 수단을 구비하고, 네비가이더가 인장 수단의 길이 및 방향 정보를 이용하여 이동체의 위치를 판별한다. 그리고 메모리와 같은 저장 수단을 구비하여 판별된 위치를 저장함으로써, 로봇이 이동체의 이동 경로를 그대로 추종하도록 제어하는 기술을 공개하고 있다. 그러나 메모리와 같은 저장 수단이 구비되지 않는 경우, 이동 로봇은 장애물 탐지 센서를 추가로 구비하여, 장애물과의 충돌을 방지하도록 구성되어야 한다. 즉 네비가이더를 이용하여 사용자의 궤적을 추종하는 로봇은 저장 장치 또는 장애물 탐지 센서를 구비하여만 장애물을 회피하면서 이동체를 추종 이동할 수 있다.
그러나 위치 추정 및 저장 장치 또는 장애물 탐지 센서는 로봇의 제작 비용을 증가시키는 요인이 되어, 로봇의 대중화에 장애 요소가 된다는 문제가 있다.
한국 등록 특허 제10-0811886호 (2008.03.03 등록)
본 발명의 목적은 저장 장치 또는 장애물 탐지 센서를 구비하지 않고, 이동체를 추종하는 이동 로봇을 장애물과의 충돌없이 가이드 할 수 있는 네비가이더를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상기 네비가이더를 이용하여 이동체를 추종하는 이동 로봇을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 이동 로봇의 가이드 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 네비가이더는 권취된 상태에서 일단에 연결되는 이동체의 이동에 따라 인가되는 인장력에 의해 권출되며, 기지정된 위치에서 이동체 방향으로 꺾이는 가이드라인을 구비하는 가이드라인부; 상기 가이드라인이 권출된 길이와 꺽인 각도를 오차 거리 및 오차 각도로 측정하는 가이드라인 측정부; 및 상기 오차 거리 및 오차 각도로부터 상기 이동체의 이동 경로를 추종하여 이동하는 이동 로봇의 이동 속도와 회전 각속도를 계산하여 상기 이동 로봇으로 전송하는 가이드 경로 계산부; 를 포함한다.
상기 가이드라인부는 기설정된 회전축을 기준으로 회전하여 상기 가이드라인을 권취하는 가이드라인 릴; 및 상기 인장력에 의해 권출된 상기 가이드라인이 상기 가이드라인 릴에 다시 권취되도록 상기 가이드라인 릴에 복원력을 제공하는 권취 수단; 을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 가이드라인 측정부는 상기 가이드라인이 상기 가이드라인 릴에서 권출된 길이를 상기 오차 거리로 측정하는 길이 측정 센서; 및 상기 가이드라인 릴에서 권출된 상기 가이드라인이 경유하여, 상기 이동체 방향으로 꺾이도록 상기 이동 로봇의 전진 방향을 기준으로 상기 가이드라인 릴의 전방의 기지정된 위치에 배치되고, 상기 가이드라인이 상기 이동체 방향으로 꺾인 각도를 상기 오차 각도로 측정하는 각도 측정 센서; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 네비가이더는 상기 가이드라인 릴에서 권출된 상기 가이드라인이 상기 가이드라인 릴의 회전 축과 상기 각도 측정 센서를 잇는 직선 경로를 따라 상기 각도 측정 센서를 경유하도록 상기 가이드라인의 권출 경로를 조절하기 위해 상기 가이드라인 릴과 상기 각도 측정 센서 사이에 배치되는 롤러; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 가이드 경로 계산부는 모션 제어 알고리즘에 따라 기설정된 계산 기법에 따라 상기 오차 거리 및 상기 오차 각도와 상기 이동 로봇의 최대 이동 속도를 이용하여 상기 이동 로봇의 상기 이동 속도를 계산하고, 상기 오차 각도와 상기 이동 로봇의 최대 회전 각속도를 이용하여 상기 이동 로봇의 상기 회전 각속도를 계산하는 것을 특징으로 한다.
상기 가이드 경로 계산부는 상기 오차 거리와 상기 오차 각도를 변수로 적용하는 리아푸노프(Lyapunov) 후보 함수 설정하고 설정된 상기 리아푸노프 후보 함수를 미분한 함수에 상기 오차 거리의 미분값과 상기 오차 각도의 미분값, 상기 오차 거리 및 상기 오차 각도를 대입한 결과값이 기설정된 기준값 이하로 계산되는 리아푸노프 함수 조건을 만족하는지 판별하며, 상기 리아푸노프 후보 함수가 상기 리아푸노프 함수 조건을 만족하면, 상기 이동 속도와 상기 회전 각속도의 계산 기법을 안정도가 검증된 계산 기법으로 활용하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 이동 로봇은 이동 정보를 인가받아 제어 신호를 생성하는 구동 제어부; 상기 제어 신호를 인가받고, 상기 제어 신호에 응답하여 구동되는 구동부; 및 권취된 상태에서 연결된 이동체의 이동에 따라 인가되는 인장력에 의해 권출되는 가이드라인를 구비하고, 상기 가이드라인의 권출된 길이와 꺽인 각도를 오차 거리 및 오차 각도로 측정하며, 상기 오차 거리와 오차 각도로부터 이동 속도와 회전 각속도를 계산하여 상기 이동 정보로서 상기 구동 제어부로 전송하는 네비가이더; 를 포함한다.
상기 네비가이더는 상기 가이드라인이 권취되고, 상기 인장력에 의해 권출된 상기 가이드라인을 다시 권취하기 위한 복원력을 제공하는 가이드라인부; 상기 가이드라인이 권출된 길이와 꺽인 각도를 상기 오차 거리 및 상기 오차 각도로 측정하는 가이드라인 측정부; 및 상기 오차 거리와 오차 각도로부터 상기 이동체의 이동 경로를 추종하여 이동하는 상기 이동 로봇의 이동 속도와 회전 각속도를 계산하여 상기 구동 제어부로 전송하는 가이드 경로 계산부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 예에 따른 이동 로봇의 가이드 방법은 가이드라인이 권취되는 네비가이더, 구동 제어부 및 구동부를 구비하는 이동 로봇의 가이드 방법에 있어서, 상기 네비가이더가 이동체의 이동에 따라 일단이 상기 이동체와 연결된 상기 가이드라인의 권출된 길이 및 각도를 오차 거리 및 오차 각도로 측정하는 단계; 상기 네비가이더가 상기 오차 거리와 오차 각도로부터 상기 이동 로봇이 상기 이동체의 이동 경로를 추종하여 이동하기 위한 이동 속도와 회전 각속도를 계산하여 상기 구동 제어부로 전송하는 단계; 및 상기 구동 제어부가 상기 이동 속도와 상기 회전 각속도에 응답하여 상기 구동부를 제어하는 단계; 를 포함한다.
상기 구동 제어부로 전송하는 단계는 모션 제어 알고리즘에 따라 기설정된 이동 속도 계산 기법에 따라 상기 오차 거리 및 상기 오차 각도와 상기 이동 로봇의 최대 이동 속도를 이용하여 상기 이동 로봇의 상기 이동 속도를 계산하는 단계; 및 상기 모션 제어 알고리즘에 따라 기설정된 회전 각속도 계산 기법에 따라 상기 오차 각도와 상기 이동 로봇의 최대 회전 각속도를 이용하여 상기 이동 로봇의 상기 회전 각속도를 계산하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명의 네비가이더, 네비가이더를 이용한 이동 로봇 및 이동 로봇의 가이드 방법은 이동체의 이동 경로를 저장하기 위한 저장 장치나 장애물을 감지하기 위한 장애물 탐지 센서를 구비하지 않고도, 사용자와 같은 이동체의 이동 경로를 추종하며 이동할 수 있도록 이동 로봇을 가이드하므로, 이동 로봇이 장애물에 충돌할 가능성을 크게 낮출 수 있다. 또한 메모리와 장애물 탐지 센서를 구비하지 않으므로, 로봇 제작 비용을 절감할 수 있도록 하여 로봇의 대중화에 기여할 수 있다.
도1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 네비가이더를 구비한 이동 로봇을 나타낸다.
도2 는 도1 의 네비가이더의 구성 및 구동 방식을 나타낸다.
도3 는 도2 의 네비가이더의 구성 및 구동 방식과 비교하기 위한 종래의 네비가이더의 구성 및 구동 방식을 나타낸 도면이다.
도4 는 사용자가 네비가이더를 구비한 이동 로봇의 이동을 유도하는 형태의 일예를 나타낸다.
도5 는 본 발명의 네비가이더가 이동 정보를 획득하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 네비가이더를 이용한 이동 로봇의 가이드 방법을 나타낸다.
도7 내지 도9 는 본 발명의 이동 로봇 가이드 방법에 따른 이동 로봇의 이동 경로와 기존의 이동 로봇 가이드 방법에 따른 이동 로봇의 이동 경로를 비교하여 나타낸 도면이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로서, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.
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", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 네비가이더를 구비한 이동 로봇을 나타내고, 도2 는 도1 의 네비가이더의 구성 및 구동 방식을 나타낸다.
도1 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 이동 로봇(10)은 네비가이더(100)와 구동 제어부(200) 및 구동부(300)를 구비한다.
네비가이더(100)는 이동체에 연결된 가이드라인(GL)이 연장된 길이와 각도를 감지하여 이동하는 이동체와 이동 로봇의 이동 방향 사이의 관계를 분석함으로써, 이동 로봇이 이동체를 추종하며 이동할 수 있도록 이동 속도 및 회전 각속도를 계산한다. 그리고 계산된 이동 속도 및 회전 각속도를 이동 정보로써 구동 제어부(200)로 전송한다.
도1 및 도2 의 (c)를 참조하면, 네비가이더(100)는 가이드라인부(110)과 엔코더(120), 포텐쇼미터(Photentio Meter)(130) 및 가이드 경로 계산부(140)를 구비한다.
가이드라인부(110)는 일단이 이동체에 연결되는 가이드라인(GL)과 가이드라인(GL)의 타단이 결합되어 가이드라인(guideline)(GL)이 권취(捲取, wind)되는 가이드라인 릴(GLR) 및 이동체의 이동에 따라 가이드라인(GL)을 통해 인가되는 인장력에 의해 가이드라인 릴(guideline reel)(GLR)에서 권출(捲出, unwind)된 가이드라인(GL)을 다시 가이드라인 릴(GLR)에 권취하는 권취 수단(미도시)을 구비할 수 있다. 여기서 권취 수단은 일예로 가이드라인 릴(GLR)의 회전축에 결합되어 가이드라인(GL)의 권출에 따라 회전한 가이드라인 릴(GLR)에 복원력을 인가하는 스파이럴 스프링(spiral spring)으로 구현될 수 있다.
즉 가이드라인부(110)의 가이드라인(GL)은 이동체로부터 인장력이 인가되지 않으면, 가이드라인 릴(GLR)에 결합된 권취 수단에 의해 권취된 상태를 유지하고, 이동체의 이동에 의해 인장력이 인가되면 이동체와 네비가이더(100) 사이의 거리가 멀어지는 만큼 가이드라인 릴(GLR)에서 권출된다. 다만 가이드라인(GL)은 기설정된 길이(예를 들면 1m)만큼 가이드라인 릴(GLR)로부터 미리 권출된 상태로 유지될 수 있다. 이는 이동 로봇(10)이 이동체와 기설정된 길이만큼 거리를 두고 이동체를 따라 이동하도록 설정되기 때문이다.
한편, 엔코더(120)는 가이드라인 릴(GLR)의 회전을 감지하여, 가이드 경로 계산부(140)로 가이드라인 릴(GLR)의 회전 각도값을 전송한다. 가이드라인(GL)이 권취 및 권출되는 가이드라인 릴(GLR)의 지름이 가이드 경로 계산부(140)에 미리 저장되어 있다면, 가이드 경로 계산부(140)는 엔코더(120)에서 인가되는 회전 각도값으로부터 권출된 가이드라인(GL)의 길이를 계산할 수 있다. 즉 엔코더(120)는 가이드라인(GL)이 권출된 길이를 측정하기 위해 구비된다. 네비가이더(100)는 엔코더(130) 대신 권출된 가이드라인(GL)의 길이를 측정하기 위한 다양한 길이측정센서를 구비할 수 있다.
한편, 포텐쇼미터(130)는 이동체가 네비가이더(100)의 가이드라인(GL)을 인장하는 각도를 감지하기 위해 구비된다. 포텐쇼미터(130)는 네비가이더(100)의 전방 진행 방향 축 상에 가이드라인 릴(GLR)과 이동체 사이에 배치되고, 진행 방향 축 상의 회전축을 중심으로 회전하도록 구성된다. 그리고 가이드라인 릴(GLR)에서 권출된 가이드라인(GL)이 관통하도록 구성된다. 따라서 이동체에서 인가된 인장력에 의해 가이드라인 릴(GLR)에서 권출된 가이드라인(GL)이 포텐쇼미터(130)에서 인장력이 인가되는 방향으로 꺽여지도록 구성된다. 알려진 바와 같이 포텐쇼 미터(130)는 일종의 가변 저항으로 회전 각도에 대응하는 저항값을 가질 수 있다. 즉 포텐쇼미터(130)는 이동 로봇(10)의 현재 진행 방향을 기준으로 이동체의 각도를 측정하기 위해 구비된다. 도1 에서는 일예로 포텐쇼미터(130)을 도시하였으나, 포텐쇼미터(130)는 가이드라인(GL)의 꺾임 각도를 측정하기 위한 구성으로, 다양한 각도측정센서로 구현될 수 있다.
여기서 엔코더(120)과 포텐쇼미터(130)는 가이드라인의 인장 길이 및 인장 각도를 측정하는 가이드라인 측정부로 볼 수 있다.
한편 도2 의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 네비가이더(100)에서는 가이드라인 릴(GLR)과 포텐쇼미터(130) 사이에 롤러(RR)가 추가로 구비된다. 롤러(RR)는 가이드라인(GL)이 가이드라인 릴(GLR)의 회전축과 포텐쇼미터(130)의 회전축을 잇는 직선 경로를 따라 포텐쇼미터(130)를 관통하도록 하기 위해 배치된다. 롤러(RR)가 가이드라인 릴(GLR)과 포텐쇼미터(130) 사이에 배치됨으로써, (b)에 도시된 바와 같이, 권취 수단의 복원력이 포텐쇼미터(130)의 회전 각도에 미치는 영향을 최소화한다. 롤러(RR)의 기능에 대한 상세한 설명은 후술한다.
가이드 경로 계산부(140)는 엔코더(120)로부터 회전 각도값을 인가받아 가이드라인(GL)이 권출된 길이(즉 인장 길이)를 계산하고, 포텐쇼 미터(130)의 저항값을 획득함으로써, 이동 로봇(10)의 현재 진행 방향 기준 이동체의 각도(즉 인장 각도)를 계산한다. 만일 엔코더(120) 대신 길이측정센서가 구비된 경우, 가이드 경로 계산부(140)는 길이측정센서로부터 가이드라인(GL)이 권출된 길이를 곧바로 인가받을 수 있으며, 포텐쇼 미터(130) 대신 각도 측정 센서가 구비된 경우에는 인장 각도를 직접 인가받을 수 있다.
그리고 가이드 경로 계산부(140)는 모션 제어 알고리즘에 따라 미리 설정된 이동 로봇(10)의 이동 속도 및 회전 각속도를 인장 길이와 인장 각도를 기초로 계산하고, 이동체의 이동 경로를 추종하는 이동 로봇의 구동 제어부(200)로 계산된 이동 속도 및 회전 각속도를 이동 정보로써 전송한다.
여기서 모션 제어 알고리즘은 이동 로봇(10)의 이동 속도 및 회전 각속도 각각에 대한 수학식의 형태로 설정될 수 있으며, 설정된 수학식은 인장 길이와 인장 각도 및 인장 길이를 변수로 적용하는 리아푸노프 함수를 이용하여 실제 운용하기 전 네비가이더(100)의 설계시에 이동체의 이동 경로 추종에 대한 안정도를 사전에 검증함으로써 신뢰성을 확보한다. 가이드 경로 계산부(140)가 이동 정보를 계산하는 상세한 방법과 안정도 검증을 위한 리아푸노프 함수에 대한 상세한 설명은 후술하도록 한다.
구동 제어부(200)는 네비가이더(100)로부터 이동 정보를 인가받고, 인가된 이동 정보에 대응하는 제어 신호를 생성하여 구동부(300)로 전송한다. 이때 구동 제어부(200)는 이동 정보에 포함된 이동 속도 및 회전 각속도를 분석하여 대응하는 제어 신호를 생성하여 전송함으로써 구동부(300)를 제어한다.
구동부(300)는 구동 제어부(200)에서 인가되는 제어 신호에 응답하여 구동되어 이동 로봇을 이동시킨다. 구동부(300)는 이동 로봇의 설계에 따라 다양하게 구현될 수 있으나, 일예로 모터와 바퀴로 구현되어 이동 로봇을 이동 시킬 수 있다.
도3 는 도2 의 네비가이더의 구성 및 구동 방식과 비교하기 위한 종래의 네비가이더의 구성 및 구동 방식을 나타낸 도면이다.
도2의 (a) 와 도3 의 (a) 를 참조하여, 본 발명의 네비가이더(100)와 종래의 네비가이더의 구성을 비교하면, 본 발명의 네비가이더(100)가 종래의 네비가이더에 비해 롤러(RR)를 추가로 더 구비하며, 나머지 구성은 동일하다.
도3의 (a)에 도시된 바와 같이 가이드라인 릴(GLR)에서 권출된 가이드라인(GL)이 곧바로 포텐쇼미터(130)를 관통하도록 구성되는 경우, (b)에 도시된 바와 같이 가이드라인 릴(GLR)에서 권출되는 가이드라인(GL)이 가이드라인 릴(GLR)과 포텐쇼미터(130) 사이의 거리 및 가이드라인 릴(GLR)의 반지름(r)에 의해 이동 로봇(10)의 전진 방향으로 권출되지 않는다. 가이드라인(GL)은 가이드라인 릴(GLR)의 법선 방향으로 권출되기 때문에 이동 로봇(10)의 전진 방향을 기준으로 소정의 각도(θg)를 갖고 포텐쇼미터(130)를 관통하게 된다. 그리고 가이드라인 릴(GLR)에는 권취 수단에 의해 복원력(fs)이 인가되고, 복원력(fs)은 가이드라인(GL)에 장력(fg)을 발생한다. 이때 가이드라인(GL)에 발생한 장력(fg)에서 이동 로봇의 전진 방향과 수직 방향의 힘(fy = fg * sin(θg))은 포텐쇼미터(130)에 회전력을 인가하게 되고, 이는 이동체의 인장력에 의해 회전되어야 하는 포텐쇼미터(130)가 정확한 인장 각도를 획득하기 어렵게 하는 요소가 된다.
그에 비해 도2 의 (a) 및 (b)를 살펴보면, 본 발명의 네비가이더(100)는 롤러(RR)를 구비한다. 따라서 가이드라인 릴(GLR)에서 권출되는 가이드라인(GL)이 롤러(RR)를 통해 로봇(10)의 전진 방향으로 포텐쇼미터(130)를 관통한다. 따라서 가이드라인 릴(GLR)의 복원력(fs)에 의해 가이드라인(GL)에 발생한 장력(fg)이 포텐쇼미터(130)의 회전력으로 인가되지 않아, 포텐쇼미터(130)는 이동체의 인장력에 의해 회전된다. 즉 포텐쇼미터(130)가 정확한 인장 각도를 획득할 수 있도록 한다.
도4 는 사용자가 네비가이더를 구비한 이동 로봇의 이동을 유도하는 형태의 일예를 나타낸다.
도4 에서는 이동체가 사용자(USR)인 경우로서, 네비가이더(100)가 이동 로봇(10)의 전방 상단에 별도로 구비되어, 사용자가 이동하면 네비가이더(100)의 가이드라인(GL)이 사용자(USR)의 이동 방향으로 인장된다. 이에 네비가이더(100)는 가이드라인(GL)의 인장 길이와 인장 각도를 분석하여, 이동 로봇(10)이 사용자(USR)의 이동 경로를 추종하도록 이동 속도 및 회전 각속도를 계산하고, 계산된 이동 속도 및 회전 각속도를 이동 정보로서 이동 로봇으로 전송한다.
도4 에서는 네비가이더(100)의 기능을 이해하기 쉽도록, 네비가이더(100)가 이동 로봇(10)의 전방 상단에 별도로 구비되는 것으로 도시하였으나, 네비가이더(100)는 이동 로봇(10)의 내부에 배치되는 것이 바람직하다. 또한 도4 에서는 이동 로봇(10)이 구동부가 바퀴를 구비하여 이동하는 것으로 도시하였으나, 이동 로봇(10)은 2족 보행 로봇이나 4족 보행 로봇과 같이 구동부는 다양한 형태로 구현될 수 있다.
도5 는 본 발명의 네비가이더가 이동 정보를 획득하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도5 에서 네비가이더(100)는 이동체와 기설정된 목표 거리(ld)(예를 들면 1m)만큼 간격을 두고 추종하도록 설정된 것으로 가정하며, 사용자가 A 위치(PA)에서 이동 로봇(10)으로부터 사용자 방향에서 각도(φu)와 속도(vu)로 이동하는 경우를 가정하였다.
도1 을 참조하여, 도5 의 네비가이더가 이동 정보를 획득하는 방법을 설명하면, 이동 로봇(10)이 이동체와 목표 거리(ld)만큼 간격을 두고 추종하는 것으로 가정하였으므로, 이동 로봇(10)이 이동체인 사용자(USR)에게 접근해야 할 오차 거리(el)는 가이드라인(GL)의 전체 인장 길이(lr)에서 목표 거리(ld)를 차감한 값(el = lr - ld)로 계산되고, 이동 로봇이 회전해야 할 각도는 현재 사용자(USR)의 위치에 따라 인장 각도(φr)로 나타난다. 즉 본 발명에서 네비가이더(100)가 이동 로봇(10)을 제어하기 위해 획득해야 하는 정보는 오차 거리(el)와 인장 각도(φr) 이다.
그리고 오차 거리(el)와 인장 각도(φr)는 각각의 시간에 대한 미분값은 수학식 1 및 2와 같이 계산될 수 있다.
Figure 112015113341418-pat00001
Figure 112015113341418-pat00002
이때 인장 길이(lr)은 이동 로봇(10)의 가이드라인(GL)의 길이에 제한이 있으므로, 최소 인장 길이(lrmin)와 최대 인장 길이(lrmax)의 값으로 제한된다(
Figure 112015113341418-pat00003
). 그리고 인장 각도(φr)는 이동 로봇의 전진 방향을 기준으로 이동체의 배치 위치 방향 사이의 오차로서 오차 각도(φr)라 할 수 있다. 오차 각도(φr)는 네비가이더가 감지할 수 있는 각도 범위 이내이어야 하므로,
Figure 112015113341418-pat00004
로 제한된다.
한편, 이동체를 추종하는 이동 로봇(10)은 최종적으로 오차 거리(el)와 오차 각도(φr)가 0이 되도록 이동하여야 한다(el → 0, φr → 0). 즉 네비가이더(100)는 이동 로봇(10)이 이동체로부터 오차 거리(el)와 오차 각도(φr)가 0이 되는 위치로 이동하도록 이동 로봇(10)을 가이드해야 한다.
그러나 이동 로봇(10)이 현재 시점에서 즉시 오차 각도(φr)만큼 회전하여 오차 거리(el)만큼 이동하게 되면, 실제로는 사용자(USR)의 이동이 동시에 진행되고 있으므로 사용자(USR)의 이동 경로를 추종하는 것이 아니라 사용자까지의 최단거리로 이동하는 형태가 되어 사용자(USR)가 회피한 장애물을 이동 로봇(10)이 충돌할 우려가 있다.
따라서 본 발명의 가이드 경로 계산부(140)는 오차 거리(el)와 오차 각도(φr)를 수학식 3 및 4에 적용으로써, 가이드되는 이동 로봇(10)이 사용자(USR)의 이동 경로를 추종할 수 있는 이동 속도(vr)와 회전 각속도(ωr)를 계산하도록 제안한다.
Figure 112015113341418-pat00005
Figure 112015113341418-pat00006
(여기서 kd, kω 각각은 오차 거리(el)와 오차 각도(φr)에 대한 가중치이며 0을 초과하는 상수 값으로 시뮬레이션 또는 실험적으로 획득되는 값이고, Vu 이동체의 이동 속도에 대한 설정값을 의미한다.)
수학식 3 및 4 는 본 발명에서 제안하는 모션 제어 알고리즘으로, 수학식 1 에서
Figure 112015113341418-pat00007
는 오차 거리(el)가 0으로 수렴되도록 이동 속도(vr)를 조절하기 위해 사용되었다. 그리고 수학식 3 에서
Figure 112015113341418-pat00008
는 네비가이더(100)가 인지할 수 없는 불확실한 항목인 이동체의 이동 속도(
Figure 112015113341418-pat00009
)를 보상하기 위해 추가되었다. 만일 불확실한 항목에 대해 보상을 수행하지 않는다면, 네비가이더(100)의 가이드 경로와 이동체 경로 사이에 오차가 커지게 되거나, 가이드 경로의 안정성을 보장할 수 없게 된다. 여기서 이동체의 이동 속도(vu)가 이동 로봇(10)의 최대 이동 속도(Vu) 이하인 경우에만 이동 로봇(10)이 이동체를 추종할 수 있으므로, 본 발명에서 이동체의 이동 속도(vu)는
Figure 112015113341418-pat00010
로 제한되는 것으로 가정한다. sgn 함수는 부호함수(signum function)으로 부호를 판별하는 함수이다.
또한 수학식 1 에서
Figure 112015113341418-pat00011
은 이동 로봇(10)의 직진 속도(vr)를 결정할 때, 오차 각도(φr)가 0에 가깝다고 가정하면,
Figure 112015113341418-pat00012
이므로, 수학식 1 은
Figure 112015113341418-pat00013
로 정리 될 수 있다. 이러한 상태에서 오차 각도(φr)가 증가하면, 수학식1 은
Figure 112015113341418-pat00014
에 의해 점차 감소하게 되고, 오차 각도(φr)가 90ㅀ에 근접하면, 즉 사용자(USR)가 이동 로봇(10)과 직각인 위치에 있으면,
Figure 112015113341418-pat00015
→ 0가 되어 이동 로봇(10)은 직진하지 않고 회전만 하게 된다.
한편 수학식 4 에서
Figure 112015113341418-pat00016
는 오차 각도(φr)가 0이 되도록 수렴시키는 역할을 수행하고,
Figure 112015113341418-pat00017
는 불확실한 이동체의 회전 각속도(
Figure 112015113341418-pat00018
)를 보상하기 위해 수학식 4 에 반영되었다. 이동체의 회전 각속도(
Figure 112015113341418-pat00019
)는 이후 수학식에 삽입되는 항목이다.
가이드 경로 계산부(140)가 이동 로봇(10)의 이동 속도(vr)와 회전 각속도(ωr)를 정확하게 획득하기 위해서는 수학식 3 및 수학식 4 에서 실제 이동체의 현재 이동 속도(
Figure 112015113341418-pat00020
)와 회전 각속도(
Figure 112015113341418-pat00021
)를 이동체의 이동 속도(Vu)에 대신 대입하여 계산하는 것이 바람직하다.
그러나 상기한 바와 같이, 네비가이더(100)가 획득할 수 있는 정보는 인장 길이(lr)와 목표 거리(ld)에서 계산되는 오차 거리(el) 및 오차 각도(φr) 뿐이다. 따라서 수학식 4에서 이동체의 이동 속도(
Figure 112015113341418-pat00022
)와 회전 각속도(
Figure 112015113341418-pat00023
)는 계산할 수 없는 값이다. 다만 본 발명에서는 이동체의 이동 속도(
Figure 112015113341418-pat00024
)와 회전 각속도(
Figure 112015113341418-pat00025
)에서
Figure 112015113341418-pat00026
이고,
Figure 112015113341418-pat00027
이며,
Figure 112015113341418-pat00028
이기 때문에, 이동 속도(
Figure 112015113341418-pat00029
)와 회전 각속도(
Figure 112015113341418-pat00030
)는 수학식 5 및 6 과 같이 제한된다.
Figure 112015113341418-pat00031
Figure 112015113341418-pat00032
즉 수학식 3 및 4 와 같이 이동체의 이동 속도(
Figure 112015113341418-pat00033
)와 회전 각속도(
Figure 112015113341418-pat00034
)의 절대값은 0 이상의 상수 값으로 설정되는 이동체의 최대 이동 속도(Vu)에 따라 제한될 수 있다. 그러나 이동체의 최대 이동 속도(Vu) 또한 실질적으로 특정 상수 값으로 지정하기는 어렵다. 반면, 이동 로봇(10)의 최대 이동 속도는 이동 로봇(10)의 설계 시 스펙으로 지정된다. 따라서 실질적으로 이동체의 최대 이동 속도(Vu)는 이동 로봇(10)의 스펙으로 지정된 최대 이동 속도로 설정될 수 있다. 이는 상기한 바와 같이, 이동 로봇(10)이 이동체를 추종하여 이동할 수 있는 것으로 가정할 때, 이동체의 최대 이동 속도(Vu)가 이동 로봇의 스펙에 지정된 최대 이동 속도를 초과할 수 없기 때문이다. 만일 이동체가 이동 로봇의 스펙에 지정된 최대 이동 속도를 초과하여 이동한다면 이동 로봇(10)이 이동체를 추종하는 것은 불가능하다.
결과적으로 가이드 경로 계산부(140)는 수학식 3 및 4으로부터 가이드되는 이동 로봇(10)의 이동 속도(vr)와 회전 각속도(ωr)를 획득할 수 있다.
다만, 가이드 경로 계산부(140)는 수학식 3 및 4 에 따라 획득되는 이동 속도(vr)와 회전 각속도(ωr)가 실질적으로 이동 로봇(10)을 이동체로부터 목표거리(ld)만큼 이격된 위치로 이동시킬 수 있는지에 대한 검증이 이동 로봇(10)의 실제 운용 이전에 수행되어야 한다. 즉 이동 로봇(10) 설계 시, 이동 로봇(10)에 적용할 수학식 3 및 수학식 4 의 타당성에 대한 검증이 수행되어야 한다.
만일 검증을 수행하지 않는 경우, 네비가이더(100)는 수학식 3 및 4 에 의해 획득되는 이동 속도(vr)와 회전 각속도(ωr)를 이동 정보로 구동 제어부(200)로 전송함으로써, 이동 로봇(10)과 이동체 사이의 거리가 점차로 멀어지게 되는 경우가 발생할 수 있기 때문이다.
이에 본 발명에서는 네비가이더(100) 설계 시, 가이드 경로 계산부(140)가 적용할 수학식 3 및 4 에 대한 안정도 검사를 사전에 수행하여, 안정도가 검증되면, 가이드 경로 계산부(140)에 수학식 3 및 4 가 적용되도록 한다.
수학식 3 및 4 에 대한 안정도 검사를 위해서는 우선 오차 거리(el)와 오차 각도(φr)의 시간에 대한 미분값(
Figure 112015113341418-pat00035
,
Figure 112015113341418-pat00036
)을 수학식 1 및 2 에 따라 획득한다. 즉 오차 거리(el)와 오차 각도(φr)의 순간 변화율을 수학식 1 및 2 에 따라 계산한다.
그리고 수학식 3 및 4 에 따라 획득된 이동 로봇(10)의 직진 속도(vr)와 회전 각속도(ωr)에 대한 안정도를 검증하기 위해 오차 거리(el)와 오차 각도(φr)를 변수로 적용하는 리아푸노프(Lyapunov) 후보 함수를 수학식 5 과 같이 설정한다. 여기서 리아푸노프 후보 함수는 특정한 수학식으로 지정된 함수가 아니라, 안정도를 검증해야 할 인자가 변수로 설정되는 함수이다. 리아푸노프 후보 함수는 시스템에서 안정도가 검증되어야 할 인자가 변수로 적용되고, 함수값이 0 이상의 값을 가지며, 시간에 대한 미분이 연속이 되도록 구성된 함수이다.
Figure 112015113341418-pat00037
수학식 7 은 오차 거리(el)와 오차 각도(φr)의 제곱 평균 값을 나타낸다. 즉 오차의 제곱 평균값을 나타낸다.
그리고 수학식 7의 오차의 제곱 평균값을 시간에 대해 미분하면, 수학식 8 이 획득된다.
Figure 112015113341418-pat00038
수학식 8의 오차의 제곱 평균의 미분값(
Figure 112015113341418-pat00039
)은 시간의 변화에 따른 오차의 변화량을 나타내는 값으로써, 이동 로봇(10)이 이동체를 추종할 수 있다면, 이동체와의 오차 거리(el)와 오차 각도(φr)를 계속적으로 줄일 수 있어야만 한다. 즉 이동체와의 오차 거리(el)와 오차 각도(φr)가 계속적으로 줄어든다면, 네비가이더(100)에 의해 가이드 되는 이동 로봇(10)은 안정적으로 이동체를 추종할 수 있는 것으로 볼 수 있다. 따라서 수학식 8의 오차의 제곱 평균의 미분값(
Figure 112015113341418-pat00040
)은 0 이하의 값이 되어야 한다.
리아푸노프 후보 함수의 시간에 대한 미분값이 0보다 작거나 같으면, 리아푸노프 후보 함수는 리아푸노프 함수라고 할 수 있다. 즉 수학식 6 이 0 이하의 값으로 계산된다면, 수학식 5 의 리아푸노프 후보 함수는 리아푸노프 함수라고 할 수 있다.
그리고 수학식 8 에 수학식 3 및 4 의 이동 로봇(10)의 이동 속도(vr)와 회전 각속도(ωr)를 대입함으로써, 수학식 9를 획득할 수 있다.
Figure 112015113341418-pat00041
수학식 9 에서
Figure 112015113341418-pat00042
이고,
Figure 112015113341418-pat00043
이므로, 수학식 9 는 수학식 10의 조건을 만족한다.
Figure 112015113341418-pat00044
결과적으로 수학식 10은 이동 로봇(10)의 이동 속도(vr)와 회전 각속도(ωr)를 계산하는 수학식 3 및 4가 리아푸노프 함수의 안정도 법칙을 만족할 수 있는지 판별할 수 있으며, 안정도를 만족하는 것으로 판별되면, 수학식 3 및 4 는 이동 로봇(10)의 이동 속도(vr)와 회전 각속도(ωr)를 안정적으로 계산할 수 있는 함수로 검증된 것이므로, 네비가이더(100)의 가이드 경로 계산부(140)에 적용된다. 즉 수학식 8을 만족하는 직진 속도(vr)와 회전 각속도(ωr)는 오차 거리(el)와 오차 각도(φr)가 0으로 수렴하도록 하는 값으로 이동 로봇(10)은 이동체를 추종하여 이동할 수 있다.
도6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 네비가이더를 이용한 이동 로봇의 가이드 방법을 나타낸다.
도1 및 도5 를 참조하여 네비가이더를 이용한 이동 로봇의 가이드 방법을 설명하면, 네비가이더(100)의 가이드 경로 계산부(140)는 엔코더(120)와 같은 길이측정센서로부터 가이드라인(GL)의 인장 거리(lr)를 계산하고, 포텐쇼미터(130)와 같은 각도측정센서를 이용하여 인장 각도(φr)를 계산하여 획득한다(S10).
그리고 가이드 경로 계산부(140)는 획득된 인장 거리(lr)로부터 미리 설정된 목표 거리(ld)를 차감하여 오차 거리(el)를 획득할 수 있으며, 인장 각도(φr)는 곧 오차 각도로 획득한다(S20).
한편 가이드 경로 계산부(140)는 모션 제어 알고리즘에 따라 미리 설정되어 저장된 수학식 3 및 4 에 따라 이동 속도(vr)와 회전 각속도(ωr)를 계산하여 획득한다(S30). 여기서 이동 속도(vr)와 회전 각속도(ωr)는 이동 로봇이 이동체의 이동 경로를 추종할 수 있도록 네비가이더(100)에서 구동 제어부(200)로 인가될 이동 정보이며, 가이드 경로 계산부(140)는 획득된 이동 정보를 이동 로봇(10)의 구동 제어부(200)로 전송한다(S40)
여기서 이동 속도(vr)와 회전 각속도(ωr)를 계산하기 위한 수학식 3 및 4 는 네비가이더의 설계시에 안정도 검사가 수행되어 안정도가 검증된 수학식이다.
안정도 검사는 리아푸노프 함수를 이용하여 수행된다. 안정도 검사를 위해서는 우선 오차거리(el)와 오차 각도(φr)의 시간에 대한 미분값, 즉 오차 거리(el)와 오차 각도(φr)의 순간 변화율을 수학식 1 및 2 에 따라 계산한다. 그리고 계산된 오차거리(el)와 오차 각도(φr)의 미분값(
Figure 112015113341418-pat00045
,
Figure 112015113341418-pat00046
)과 획득된 직진 속도(vr)와 회전 각속도(ωr)를 네비가이더(100)의 동작 안정도를 검증하기 위해 제안된 수학식 6 의 리아푸노프 후보 함수의 미분값(
Figure 112015113341418-pat00047
)에 대입하여 계산한다.
계산 결과로서, 리아푸노프 함수의 미분값(
Figure 112015113341418-pat00048
)이 0 이하로 판별되면, 이는 획득된 수학식 3 및 4에 의해 획득되는 이동 속도(vr)와 회전 각속도(ωr)가 이동체와 이동 로봇(10) 사이의 오차를 줄이도록 하는 안정도가 검증된 수학식인 것으로 판별한다.
한편 이동 로봇(10)의 구동 제어부(200)는 가이드 경로 계산부(140)로부터 이동 정보로서, 이동 속도(vr)와 회전 각속도(ωr)가 인가되면, 인가된 이동 속도(vr)와 회전 각속도(ωr)에 대응하여 구동부를 구동함으로써, 이동 로봇(10)이 이동체의 이동 경로를 추종하여 이동하도록 제어한다(S50).
도7 내지 도9 는 본 발명의 이동 로봇 가이드 방법에 따른 이동 로봇의 이동 경로와 기존의 이동 로봇 가이드 방법에 따른 이동 로봇의 이동 경로를 비교하여 나타낸 도면이다.
도7 내지 도9 는 본 발명에 따른 네비가이더를 이용한 이동 로봇의 가이드 방법에 따라 이동체의 이동 경로를 추종하는 로봇 가이드 방법의 성능을 확인하기 위하여 시뮬레이션을 수행한 결과로서, 시뮬레이션 조건은 이동체와 로봇 간의 목표 거리(ld)가 2m 이고, 이동체(사용자)의 이동 속도가 1m/s(=3.6km/h) 인 것으로 가정하였다. 도7 내지 도9 에서 실선은 이동체의 이동 경로를 나타내고, △가 표시된 선은 이동 로봇의 추종 경로를 나타낸다.
시뮬레이션 결과로서 도7 의 (a)와 (b)는 종래의 기술에 따른 이동체의 이동 경로와 이동 로봇의 이동 경로 및 이동체와 이동 로봇 사이의 거리차를 나타내고, 도8 의 (a) 및 (b)는 PID(Proportional-Integral-Derivative) 제어 기법에 따른 이동체의 이동 경로와 이동 로봇의 이동 경로 및 이동체와 이동 로봇 사이의 거리차를 나타낸다. 마지막으로 도9 의 (a)와 (b)는 본 발명의 이동 로봇의 가이드 방법에 따른 이동체의 이동 경로와 이동 로봇의 이동 경로 및 이동체와 이동 로봇 사이의 거리차를 나타낸다.
도7 의 (b)에 도시된 바와 같이, 종래의 기술에 따른 가이드 방법에서는 이동 로봇이 이동체와의 거리를 제대로 유지하지 모할 뿐만 아니라, (a)에 나타난 것처럼 이동체의 이동 경로와 이동 경로의 차이가 매우 크게 나타난다.
그리고 PID 제어 기법을 적용한 경우에는 도8 의 (b)와 같이 이동체와의 거리는 비교적 안정적으로 유지하지만, (a)를 참조할 때, 이동체의 이동 경로와 이동 경로의 차이는 크게 나타남을 확인할 수 있다.
이 경우, 이동 로봇이 이동체의 이동 경로를 정확하게 추종하지 않고, 일부 구간에서 이동체의 이동 경로보다 짧은 이동 거리를 갖는 경로로 추종하게 됨에 따라 이동체가 장애물을 회피하기 위한 경로로 이동하더라도 로봇이 장애물에 충돌할 우려가 있다.
반면, 도9 의 (a) 및 (b)에 도시된 본 발명의 가이드 방법에 따르면, 이동 로봇이 이동체와의 거리를 안정적으로 유지하면서도, 이동체의 이동 경로를 매우 정확하게 추종하고 있음을 알 수 있다. 따라서 이동체가 장애물을 회피하여 이동하는 경우에, 로봇 또한 이동체의 이동 경로를 따라 장애물을 회피하여 이동할 수 있다.
따라서 기존의 로봇 가이드 방법을 이용하는 로봇은 장애물을 회피하기 위한 센서를 필요로 하거나, 이동체의 이동 경로를 저장하기 위한 위치 추정 및 저장 장치를 필요로 하는 반면, 본 발명에서는 위치 추정 및 저장 장치 또는 장애물 탐지 센서를 구비하지 않고도, 사용자와 같은 이동체의 이동 경로를 그대로 추종할 수 있도록 구현되어 이동 로봇 제작 비용을 절감할 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 방법은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 권취된 상태에서 일단에 연결되는 이동체의 이동에 따라 인가되는 인장력에 의해 권출되며, 기지정된 위치에서 이동체 방향으로 꺾이는 가이드라인을 구비하는 가이드라인부;
    상기 가이드라인이 권출된 길이와 꺽인 각도를 오차 거리 및 오차 각도로 측정하는 가이드라인 측정부; 및
    상기 오차 거리 및 오차 각도로부터 상기 이동체의 이동 경로를 추종하여 이동하는 이동 로봇의 이동 속도와 회전 각속도를 계산하여 상기 이동 로봇으로 전송하는 가이드 경로 계산부; 및
    상기 가이드라인부에 포함된 가이드라인 릴에서 권출된 상기 가이드라인이 상기 가이드라인 릴의 회전 축과 상기 가이드라인 측정부에 포함된 각도 측정 센서를 잇는 직선 경로를 따라 상기 각도 측정 센서를 경유하도록 상기 가이드라인의 권출 경로를 조절하기 위해 상기 가이드라인 릴과 상기 각도 측정 센서 사이에 배치되는 롤러를 포함하며,
    상기 가이드 경로 계산부는 모션 제어 알고리즘에 따라 기설정된 계산 기법에 따라 상기 오차 거리와 상기 오차 각도를 변수로 적용하는 리아푸노프(Lyapunov) 후보 함수 설정하고 설정된 상기 리아푸노프 후보 함수를 미분한 함수에 상기 오차 거리의 미분값과 상기 오차 각도의 미분값, 상기 오차 거리 및 상기 오차 각도를 대입한 결과값이 기설정된 기준값 이하로 계산되는 리아푸노프 함수 조건을 만족하는지 판별하며, 상기 리아푸노프 후보 함수가 상기 리아푸노프 함수 조건을 만족하면, 상기 이동 속도와 상기 회전 각속도의 계산 기법을 안정도가 검증된 계산 기법으로 활용하는 것을 특징으로 하는 네비가이더.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 가이드라인부의 상기 가이드라인 릴은 기설정된 회전축을 기준으로 회전하여 상기 가이드라인을 권취하며,
    상기 가이드라인부는 상기 인장력에 의해 권출된 상기 가이드라인이 상기 가이드라인 릴에 다시 권취되도록 상기 가이드라인 릴에 복원력을 제공하는 권취 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 네비가이더.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 가이드라인 측정부는 상기 가이드라인이 상기 가이드라인 릴에서 권출된 길이를 상기 오차 거리로 측정하는 길이 측정 센서를 포함하며,
    상기 가이드라인 측정부의 상기 각도 측정 센서는 상기 가이드라인 릴에서 권출된 상기 가이드라인이 경유하여, 상기 이동체 방향으로 꺾이도록 상기 이동 로봇의 전진 방향을 기준으로 상기 가이드라인 릴의 전방의 기지정된 위치에 배치되고, 상기 가이드라인이 상기 이동체 방향으로 꺾인 각도를 상기 오차 각도로 측정하는 것을 특징으로 하는 네비가이더.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 이동 이동 정보를 인가받아 제어 신호를 생성하는 구동 제어부;
    상기 제어 신호를 인가받고, 상기 제어 신호에 응답하여 구동되는 구동부; 및
    권취된 상태에서 연결된 이동체의 이동에 따라 인가되는 인장력에 의해 권출되는 가이드라인를 구비하고, 상기 가이드라인의 권출된 길이와 꺽인 각도를 오차 거리 및 오차 각도로 측정하며, 상기 오차 거리와 오차 각도로부터 이동 속도와 회전 각속도를 계산하여 상기 이동 정보로서 상기 구동 제어부로 전송하는 네비가이더; 를 포함하며,
    상기 네비가이더는,
    권취된 상태에서 일단에 연결되는 이동체의 이동에 따라 인가되는 인장력에 의해 권출되며, 기지정된 위치에서 이동체 방향으로 꺾이는 가이드라인을 구비하는 가이드라인부;
    상기 가이드라인이 권출된 길이와 꺽인 각도를 오차 거리 및 오차 각도로 측정하는 가이드라인 측정부; 및
    상기 오차 거리 및 오차 각도로부터 상기 이동체의 이동 경로를 추종하여 이동하는 이동 로봇의 이동 속도와 회전 각속도를 계산하여 상기 이동 로봇으로 전송하는 가이드 경로 계산부; 및
    상기 가이드라인부에 포함된 가이드라인 릴에서 권출된 상기 가이드라인이 상기 가이드라인 릴의 회전 축과 상기 가이드라인 측정부에 포함된 각도 측정 센서를 잇는 직선 경로를 따라 상기 각도 측정 센서를 경유하도록 상기 가이드라인의 권출 경로를 조절하기 위해 상기 가이드라인 릴과 상기 각도 측정 센서 사이에 배치되는 롤러를 포함하며,
    상기 네비가이더는 모션 제어 알고리즘에 따라 기설정된 계산 기법에 따라 상기 오차 거리와 상기 오차 각도를 변수로 적용하는 리아푸노프(Lyapunov) 후보 함수 설정하고 설정된 상기 리아푸노프 후보 함수를 미분한 함수에 상기 오차 거리의 미분값과 상기 오차 각도의 미분값, 상기 오차 거리 및 상기 오차 각도를 대입한 결과값이 기설정된 기준값 이하로 계산되는 리아푸노프 함수 조건을 만족하는지 판별하며, 상기 리아푸노프 후보 함수가 상기 리아푸노프 함수 조건을 만족하면, 상기 이동 속도와 상기 회전 각속도의 계산 기법을 안정도가 검증된 계산 기법으로 활용하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇.
  8. 삭제
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 가이드라인부의 상기 가이드라인 릴은 기설정된 회전축을 기준으로 회전하여 상기 가이드라인을 권취하며,
    상기 가이드라인부는 상기 인장력에 의해 권출된 상기 가이드라인이 상기 가이드라인 릴에 다시 권취되도록 상기 가이드라인 릴에 복원력을 제공하는 권취 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 가이드라인 측정부는 상기 가이드라인이 상기 가이드라인 릴에서 권출된 길이를 상기 오차 거리로 측정하는 길이 측정 센서를 포함하며,
    상기 가이드라인 측정부의 상기 각도 측정 센서는 상기 가이드라인 릴에서 권출된 상기 가이드라인이 경유하여, 상기 이동체 방향으로 꺾이도록 상기 이동 로봇의 전진 방향을 기준으로 상기 가이드라인 릴의 전방의 기지정된 위치에 배치되고, 상기 가이드라인이 상기 이동체 방향으로 꺾인 각도를 상기 오차 각도로 측정하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 가이드라인이 권취되는 네비가이더, 구동 제어부 및 구동부를 구비하는 이동 로봇의 가이드 방법에 있어서,
    상기 네비가이더가 이동체의 이동에 따라 일단이 상기 이동체와 연결된 상기 가이드라인의 권출된 길이 및 각도를 오차 거리 및 오차 각도로 측정하는 단계;
    상기 네비가이더가 상기 오차 거리와 오차 각도로부터 상기 이동 로봇이 상기 이동체의 이동 경로를 추종하여 이동하기 위한 이동 속도와 회전 각속도를 계산하여 상기 구동 제어부로 전송하는 단계; 및
    상기 구동 제어부가 상기 이동 속도와 상기 회전 각속도에 응답하여 상기 구동부를 제어하는 단계; 를 포함하며,
    상기 네비가이더는,
    권취된 상태에서 일단에 연결되는 이동체의 이동에 따라 인가되는 인장력에 의해 권출되며, 기지정된 위치에서 이동체 방향으로 꺾이는 가이드라인을 구비하는 가이드라인부;
    상기 가이드라인이 권출된 길이와 꺽인 각도를 오차 거리 및 오차 각도로 측정하는 가이드라인 측정부; 및
    상기 오차 거리 및 오차 각도로부터 상기 이동체의 이동 경로를 추종하여 이동하는 이동 로봇의 이동 속도와 회전 각속도를 계산하여 상기 이동 로봇으로 전송하는 가이드 경로 계산부; 및
    상기 가이드라인부에 포함된 가이드라인 릴에서 권출된 상기 가이드라인이 상기 가이드라인 릴의 회전 축과 상기 가이드라인 측정부에 포함된 각도 측정 센서를 잇는 직선 경로를 따라 상기 각도 측정 센서를 경유하도록 상기 가이드라인의 권출 경로를 조절하기 위해 상기 가이드라인 릴과 상기 각도 측정 센서 사이에 배치되는 롤러를 포함하며,
    상기 구동 제어부로 전송하는 단계는 모션 제어 알고리즘에 따라 기설정된 이동 속도 계산 기법에 따라 상기 오차 거리와 상기 오차 각도를 변수로 적용하는 리아푸노프(Lyapunov) 후보 함수 설정하고 설정된 상기 리아푸노프 후보 함수를 미분한 함수에 상기 오차 거리의 미분값과 상기 오차 각도의 미분값, 상기 오차 거리 및 상기 오차 각도를 대입한 결과값이 기설정된 기준값 이하로 계산되는 리아푸노프 함수 조건을 만족하는지 판별하며, 상기 리아푸노프 후보 함수가 상기 리아푸노프 함수 조건을 만족하면, 상기 이동 속도 계산 기법과 상기 회전 각속도 계산 기법을 안정도가 검증된 계산 기법으로 활용하는 것을 특징으로 하는 이동 로봇의 가이드 방법.
  14. 삭제
  15. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR100811886B1 (ko) * 2006-09-28 2008-03-10 한국전자통신연구원 장애물 회피 진행이 가능한 자율이동로봇 및 그 방법
KR101500169B1 (ko) * 2013-10-15 2015-03-06 주식회사 포스코 처리조 작업용 로봇

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