KR20070003811A - 상호 의존형 유닛들로 형성된 시스템을 제어하기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

소기의 결과에는 응하지만 다른 유닛들의 요구 액션과는 무관하게 각각의 유닛에 대한 요구 액션을 설정함으로써, 다수의 상호 의존적 유닛들(200A 내지 200E)로 형성된 시스템을 그 소기의 결과를 내도록 제어한다. 그러한 제어 방법은 특히 로봇 매니플레이터에 적용된다.

상호 의존적 유닛, 제어, 로봇, 매니플레이터, 소기의 결과, 요구 액션, 구속 액션, 작동 액션, 기준 위치, 요구 위치

Description

상호 의존형 유닛들로 형성된 시스템을 제어하기 위한 방법{METHOD FOR CONTROLLING A SYSTEM FORMED FROM INTERDEPENDENT UNITS}

본 발명은 전반적으로 다수의 상호 의존적 유닛들로 형성된 시스템에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 그러한 시스템을 결과를 내도록 제어하는 방법 및 그러한 방법을 구현하는 제어 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 로봇과 같은 기계 장치에 대한 제어 방법에 관해 설명하지만, 전적으로 그것만을 지향하는 것은 아니다.

로봇, 특히 당해 기술 분야에서 "매니플레이터(manipulator)"라는 용어로 불리는 하위 분류의 로봇들은 그들이 태스크(task)에 특정되게 설계됨으로 인해 주로 하드 오토메이션(hard automation; 장비 및 로봇을 이용한 자동화) 용도들(조립 라인 상에서 금속 플레이트들을 한데 용접하는 것과 같은)에 한정되어 적용되어 왔다. 종래의 중앙 집중형 제어 모델들은 주위 환경 및 특정의 태스크 요건에 관한 미리 프로그램화된 지식에 의존하고 있다.

주위 환경에 관한 미리 프로그램화된 지식을 필요로 함으로 인해, 복합 이동들에 관여하는 로봇들은 변하는 사정들에 적응할 수 없거나, 생소한 상황에 직면했 을 때에 과제를 성공적으로 완료할 수 없는 것이 일반적이다.

그러한 이유로, 로봇들은 수행될 과제가 반복, 정밀 이동, 및 고속을 요하는 용도들에 한정되어 적용되어 왔다. 그러나, 자동화에 대한 수요가 증가함에 따라, 로봇 장치로 하여금 동적이고 예측 불가한 상황들에서 성공적으로 과제를 수행할 수 있게끔 하는 더욱더 정교한 제어 기구들을 갖춘 로봇을 제공할 필요성이 증대되고 있다.

또한, 많은 상호 의존적 부품들을 구비하는 로봇들은 하나의 위치로부터 다른 위치로의 적절한 이동을 결정하기 위해 복합 알고리즘들을 사용하는 것이 일반적이다. 다중의 상호 의존적 유닛들(즉, 물리적으로 연결되거나 제어되는 것과 같이, 특정하게 서로 제약을 받는 다수의 유닛들)을 구비하고 다중의 자유도를 갖는 로봇에서는 하나의 위치로부터 다른 위치로 이동함에 있어 다중의 해법들이 가능하기 때문에, 그러한 복합 알고리즘들이 필요하다. 즉, 각각의 유닛이 어떻게 이동해야 하는지를 결정하는 방정식들을 풀어 로봇을 요구 위치로 이동시키려고 시도한다면, 다중의 중복 해법들이 나오는 결과가 초래된다.

따라서, 복합 알고리즘들은 그러한 가능한 다중의 해법들 중의 어느 것을 사용해야할지를 결정하는데 이용되어야 한다. 그것은 일반적으로 인위적 경계 조건들을 적용하여 로봇의 자유도를 제한하는 것을 수반한다.

발명의 제1 측면에 따르면, 본 발명은 다수의 상호 의존적 유닛들로 형성된 시스템을 결과를 내도록 제어하는 방법으로서, 시스템에 대한 소기의 결과를 설정하는 단계; 및 그 소기의 결과에는 응답하지만 다른 유닛들의 요구 액션(동작)과는 무관하게 각각의 유닛에 대한 요구 액션을 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다수의 상호 의존적 유닛들로 형성된 시스템의 제어 방법을 제공한다.

발명의 제2 측면에 있어서, 본 발명은 다수의 상호 의존적 유닛들로 형성된 시스템을 결과를 내도록 제어하는 방법으로서, 시스템에 대한 소기의 결과를 설정하는 단계; 및 그 소기의 결과에 응하게 각각의 유닛에 대한 요구 액션을 설정하되, 상기 유닛에 대한 요구 액션을 시스템의 하나 이상의 기준 부분의 요구 위치에 대한 그 기준 부분의 현재 위치에 응하여 설정하는 것을 특징으로 하는 다수의 상호 의존적 유닛들로 형성된 시스템의 제어 방법을 제공한다.

상기 유닛에 대한 요구 액션은 상기 기준 부분의 현재 위치와 그 기준 부분의 요구 위치 사이의 차이 값을 계산하고, 상기 차이 값을 사용하여 상기 요구 액션을 설정하는 것을 수반할 수 있다.

바꿔 말하면, 하나 이상의 실시예에서는, 각각의 유닛이 소기의 결과("목표")에 관한 정보를 제공받고, 아울러 기준 위치도 제공받는다. 이어서, 각각의 유닛은 자신이 그 목표에 도달하려면 취해야 할 요구 액션의 지표인 값을 계산하려고 시도한다. 그러한 값은 특정 실시예들에서는 기준 위치와 요구 위치 사이의 차이 값일 수 있다.

본 방법은 각각의 유닛에 대한 작동 액션을 설정하는 단계; 및 각각의 유닛에 그 작동 액션을 개시할 것을 지시하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 방법은 방법 단계들을 반복하여 작동 액션을 갱신하는 단계를 더 포함할 수 있고, 그 반복 속도는 시스템의 전체에 걸쳐 일정하든지 시스템의 유닛들 간에 다르든지 할 수 있다.

유닛들 중의 적어도 일부에 대한 작동 액션을 요구 액션으로 할 수도 있다. 대다수의 경우, 요구 액션은 소기의 결과를 향해 작업하는 유닛을 지원함에 있어 취해야 하는 유닛에 대한 최상의 액션일 것이다. 그러나, 개별 링크들은 장애물 또는 다른 링크들의 고장과 같은 구속들에 직면할 수도 있다.

그러한 경우, 본 방법은 시스템에 대한 구속 인자들을 설정하고, 그 구속 인자들에 응하게 하나 이상의 유닛에 대한 구속 액션을 설정하는 추가의 단계들을 포함할 수 있다. 그러한 구속 액션을 요구 액션에 우선시킬 수 있거나, 구속 액션과 요구 액션을 비교하여 절충안을 모색할 수도 있다.

즉, 구속 액션이 설정된 유닛에 대한 작동 액션을 구속 액션으로 할 수도 있다.

일단 구속 액션을 설정하면, 유닛에 대한 구속 액션을 설정하는데 그 유닛에 대한 구속 인자들만을 사용할 수 있다.

그러나, 다른 양태에서는, 다른 유닛에 대한 구속 액션을 설정하는데 하나 이상의 유닛에 관한 구속 인자들을 사용할 수도 있다.

본 방법은 정해진 경로를 따른 매니플레이터의 이동 또는 매니플레이터와 이동 물체와의 교차와 같은 좀더 복합적인 이동들을 제어하는데도 또한 사용될 수 있다. 그러한 경우, 본 방법은 소기의 결과를 내도록 다수의 중간 결과들을 설정하는 추가의 단계를 포함할 수 있다.

다수의 중간 결과들이 있는 경우에는, 유닛들의 요구 액션들을 중간 결과들의 개개의 것들에 응하여 설정할 수 있다.

방법 단계들을 반복하여 각각의 유닛에 대한 다수의 요구 액션들을 시간에 걸쳐 설정할 수 있고, 그럼으로써 요구 액션들이 다수의 중간 결과들에 응하여 설정될 수 있게 된다.

본 방법은 복합 거동에 사용될 수 있는 이외에도 복합 시스템에 사용될 수도 있다. 즉, 시스템이 일련의 서브 시스템들을 포함하고, 각각의 서브 시스템이 다수의 상호 의존적 유닛들 중의 하나 이상으로 이뤄지는 상황에서는, 본 방법이 각각의 서브 시스템에 대한 중간 결과를 설정함으로써, 각각의 유닛에 대한 요구 액션을 그 유닛이 관련된 서브 시스템의 중간 결과에 응하여 설정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

즉, 각각의 서브 시스템은 중간 결과를 그것의 당면 목표로 하는 자립형 시스템과 같은 기능을 하는데, 여기서 중간 결과는 총괄적으로 시스템에 대한 소기의 결과와 융합될 수 있다.

그러한 결과는 시스템의 공간 관계에 의존하여 달라질 수 있고, 아울러 요구 위치에 대한 시스템의 미리 정해진 공간 관계일 수도 있음을 이해할 수 있을 것이다.

그러한 결과는 시간 의존적일 수도 있고, 유닛에 대한 요구 액션은 그 유닛의 공간 위치를 조정하는 것을 수반할 수 있다. 구속 인자들이 없는 상황에서는, 그러한 결과가 요구 위치의 유일한 결정 인자일 수 있다.

조정은 유닛의 이동 및/또는 그 유닛의 팽창이나 수축에 의한 것일 수 있다.

발명의 제3 측면에 따르면, 본 발명은 다수의 상호 의존적 유닛들을 제어하는 방법으로서, 각각의 유닛에 대해 시작 정보에 응하는 작동 액션을 별개로 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다수의 상호 의존적 유닛들의 제어 방법을 제공한다.

시작 정보는 소기의 결과, 요구 액션, 구속 액션, 및 기준 위치로 이뤄진 군으로부터 선택된다.

발명의 제4 측면에 따르면, 본 발명은 다수의 상호 의존적 유닛들을 결과를 내도록 이동될 수 있게 제어하는 시스템으로서, 본 발명의 제1 양태에 따른 제어 방법을 구현하도록 마련된 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 다수의 상호 의존적 유닛들의 제어 시스템을 제공한다.

발명의 제5 측면에 있어서, 본 발명은 컴퓨팅 시스템에 탑재될 경우에 제1 양태에 따른 제어 방법을 실행하는 컴퓨터 프로그램을 제공한다.

발명의 제6 측면에 있어서, 본 발명은 제5 측면에 따른 컴퓨터 프로그램을 통합한 컴퓨터 판독 가능 매체를 제공한다.

이하, 본 발명의 실시예의 또 다른 특징들을 첨부 도면들을 참조로 하여 단지 예시적으로 설명하기로 한다. 첨부 도면들에 있어서,

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예에 따른 매니플레이터의 개개의 링크를 개략적으로 나타낸 도면이고;

도 2a는 본 발명의 실시예에 따른 매니플레이터를 개략적으로 나타낸 블록 선도이고, 도 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 매니플레이터를 개략적으로 나타낸 블록 선도이며;

도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 실시예에 따른 매니플레이터의 모사된 이동을 도시한 일련의 그래프들이고;

도 4a 내지 도 4f는 본 발명의 실시예에 따른 매니플레이터에 대해 각각의 링크에 대한 액추에이터 각도를 시간의 함수로 도시한 일련의 그래프들이며;

도 5a 내지 도 5h는 본 발명의 실시예에 따른 매니플레이터에 대해 장애물 회피 시퀀스를 시간의 함수로 도시한 일련의 그래프들이고;

도 6a는 본 발명의 실시예에 따른 매니플레이터의 베이스에 대한 기준 링크의 위치를 도시한 그래프이며;

도 6b는 본 발명의 실시예에 따른 매니플레이터의 최종 위치에 대한 에러 값을 도시한 그래프이고;

도 7a는 경로를 따른 매니플레이터의 이동을 묘사하고 있는 그래프이고, 도 7b, 도 7c, 및 도 7d는 매니플레이터가 이동 타깃과 교차하는 것을 도시한 도면들이며;

도 8a는 부품들이 물리적으로 상호 의존적이지 않을 경우에 본 발명의 실시예에 따른 방법을 사용하는 것을 도시한 도면이고, 도 8b 내지 도 8g는 도 8a 에 도시된 예의 MATLAB 모사를 도시한 그래프들이며, 도 8h는 도 8a에 도시된 방법을 사용하는 것을 도시한 도면이고;

도 9a 내지 도 f는 본 발명의 실시예에 따른 분산형 제어 방법을 사용하여 "개(dog)" 걸음 이동을 하고 있는 다중 매니플레이터 시스템을 도시한 MATLAB 모사의 그래프들이며;

도 10a 내지 도 10d는 본 발명에 따른 분산형 제어 방법을 사용하여 매니플레이터 링크의 정향을 제어하는 MATLAB 모사의 그래프들이고;

도 11a 내지 도 11f는 본 발명에 따른 분산형 제어 방법을 사용하여 2개의 암들과 베이스를 포함하는 2갈래의 매니플레이터 모듈을 제어하는 MATLAB 모사의 그래프들이며;

도 12는 집중형 제어 방법과 분산형 제어 방법 사이의 전환을 설명하는 MATLAB 모사의 그래프들이다.

전반적 설명

다수의 상호의존적(interdependent) 유닛들로 하여금 상호 연동하면서도 서로 별개로 소기의 결과에 도달할 수 있게끔 하는 제어 방법을 개시한다. 그것은 각각의 유닛이 소기의 결과와 구속 인자들 중의 임의의 하나 이상으로부터 구해질 수 있는 시작 정보를 사용하여 작동 액션(operation action)을 설정하고 개시하는 분산형(decentralized) 제어 시스템 및 방법을 사용하는 것을 통해 구현되게 된다. 작동 액션은 통상적으로 소기의 결과를 내는데 방향을 맞춘 요구 액션이지만, 구속 인자들이 존재할 경우에는 구속 액션일 수도 있다. 일단 작동 액션이 정의되면, 유닛이 그 액션을 개시한다. 그러한 과정은 소기의 결과에 도달될 때까지 반복된다. 그러한 제어 방법은 다수의 이종 분야들에서 그 적용 용도를 찾을 수 있다. 그러나, 로봇들, 그것도 특히 로봇 매니플레이터(manipulator)들을 제어하는데 그 한 가지 본질적인 적용 용도가 있다.

본 명세서의 문맥에서 소기의 결과란 기준 부분을 공간 중에서 요구되는 고정 위치에 위치시키는데 그 기반을 두고 있다. 그러나, 그러한 요구 위치는 다수의 중간 결과들을 설정함으로써 시간에 따라(즉, 과정의 반복 동안) 변할 수 있는 것임을 이해할 수 있을 것이다. 그와 같이, 소기의 결과는 선 또는 곡선을 따른 이동일 수 있다.

본 명세서의 문맥에서의 상호 의존적이란 용어는 반드시 물리적으로 연결되지는 않지만, 공간적으로 관련되는 것과 같은 특정의 형태로 서로에 구속되는 구성 부품들을 지칭한다. 상호 의존적 시스템의 일례는 통상적으로 당해 기술 분야에서 "매니플레이터(manipulator)"란 용어로 불리는 로봇 암(robot arm)이다.

매니플레이터를 사용하는 예에서는, 매니플레이터에 있는 각각의 유닛이 총괄적으로 매니플레이터 모듈, 매니플레이터 링크, 또는 매니플레이터부란 용어로 불린다.

매니플레이터 모듈의 예

이제, 적절한 매니플레이터 모듈의 예를 단지 예시적으로 설명하기로 한다. 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 매니플레이터 모듈(100)이 도시되어 있다. 그러한 매니플레이터 모듈(100)은 모듈로 하여금 2개의 회전 자유도를 제공할 수 있게끔 마련된 조인트 구조물을 수납할 수 있는 본체부(102)를 포함한다.

매니플레이터 모듈(100)은 플레이트의 형태의 거의 평탄한 구조물인 부착 수단(106)을 더 포함한다. 그러한 플레이트는 모듈로 하여금 다른 모듈(도시를 생략함)에 상호 연결될 수 있게끔 한다. 특정의 실시예들에서는, 모듈들이 다른 모듈들과 일체로 모듈화될 수 있고, 그에 의해 부착 수단에 대한 필요성을 없애게 된다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

본체부(102)는 액추에이터 수단(108)을 수납하도록 마련되기도 한다. 그러한 액추에이터 수단(108)은 조인트 구조물(104)에 연결되어 조인트 구조물(104)의 상대 이동을 제공한다.

액추에이터 수단(108)은 기어 헤드(도시를 생략함)를 구동하는 모터(110)를 포함한다. 기어 헤드는 벨트 구동 장치(112)를 구동하고, 그 벨트 구동 장치(112)는 다시 볼 스크루의 형태의 선형 액추에이터(도시를 생략함)를 구동한다. 그러한 선형 액추에이터는 본 실시예에서 케이블을 포함하는 텐션 구동 장치를 구동한다. 케이블은 조인트(102)의 일 단부 및 타 단부에서 풀리에 연결되어 조인트의 양방향 제어를 감안하고 있다.

바꿔 말하면, 모터를 가동시켰을 때에, 모터는 기어 헤드를 구동하고, 그 기어 헤드는 다시 선형 액추에이터를 구동하여 케이블 구동 장치를 이동시키며, 그에 의해 조인트를 θ의 각도에 걸쳐 이동시킨다. 유사한 액추에이터 수단이 2개의 원호형 부분들에 사용됨으로써 조인트 구조물의 2개의 자유도에 대해 모터에 의한 제어를 제공하게 됨을 이해할 수 있을 것이다.

알 수 있는 바와 같이, 매니플레이터 모듈은 크기에 있어 상대적으로 콤팩트하고, 완전히 자립적이며(즉, 모든 구동 부품들이 매니플레이터 모듈 내에 담겨 있음), 부착 플레이트들은 매니플레이터 모듈로 하여금 다른 모듈에 용이하게 연결될 수 있게끔 한다. 다른 실시예에서는, 조인트에 그 양측으로 하나 또는 2개의 요소들이 일체로 형성되도록 매니플레이터가 일체로 형성된다.

매니플레이터 모듈은 통신 수단을 포함할 수 있고, 그 통신 수단은 모터를 제어 수단에 인터페이싱하는 전자 인터페이스(즉, 전자 버스)의 형태를 취할 수 있다. 제어 수단은 수동 제어식 매니플레이터 모듈의 경우에는 제어 패드(조이스틱과 같은)일 수 있고, 아니면 프로그램화 가능한 매니플레이터 모듈의 경우에는 컴퓨팅 수단(마이크로컨트롤러 또는 컴퓨터와 같은)일 수 있다. 다른 실시예들에서는, 각각의 모듈이 다른 모듈들과 별개로 작동할 수 있도록 통신 수단 및 마이크로컨트롤러(또는 등가물)가 완전히 각각의 모듈 내에 담길 수 있다.

매니플레이터 모듈은 주위 환경을 감지하여 장애물을 회피하거나 온도, 습도 등과 같은 특정의 외부 조건에 관한 정보를 제공하는데 필요할 수 있는 적절한 센서들을 통합할 수도 있다. 특정의 일 실시예에서는, 센서가 장애물들의 근접을 측정하는데 사용될 수 있는 광학 인코더(optical encoder)일 수 있다. 다른 가능한 센서는 매니플레이터 모듈이 외부 물체와 접촉하게 되었는지의 여부를 판정하는데 사용될 수 있는 압력 센서일 수 있다.

간단한 다중-유닛 매니플레이터

도 2a 및 도 2b로 눈을 돌리면, 조립된 매니플레이터를 도시한 개략적인 도면이 도시되어 있다. 그러한 매니플레이터는 일련의 상호 의존적 유닛들, 즉 링크들 또는 모듈들(200a 내지 200e)로 이뤄지는데, 각각의 링크는 연속된 링크에 연결되고, 2개의 자유도, 즉 임의의 "x"와 "y" 평면을 중심으로 회전될 수 있다. 매니플레이터는 다수의 상호 의존적 유닛들의 각각의 링크의 독립된 제어를 감안하고 있는 분산형 제어 기구에 의해 제어된다.

매니플레이터는 매니플레이터의 각각의 링크가 특정의 입력 정보, 즉 소기의 결과(즉, 매니플레이터가 이동하고자 하는 위치) 및 기준 위치(즉, 더욱 상세히 후술할 기준 링크의 위치)의 제공에 응하여 특정의 링크의 동작을 별개로 제어하는 별개의 임베디드 프로세서(embedded processor)를 구비하도록 설계된 제어 시스템을 갖는다. 입력 정보는 장애물의 존재에 관한 정보(근접도 센서에 의해 제공됨)를 포함할 수도 있다.

그러한 특정의 실시예는 각각의 유닛에 대한 별개의 프로세서를 구비하기는 하지만, 멀티-태스킹 모드에서는 각각의 유닛을 위해 필요한 계산들을 실행하는데 중앙 프로세서가 사용될 수도 있음을 이해할 수 있을 것이다. 즉, 하나의 프로세서가 모든 계산들을 실행하기는 하지만, 그 계산들은 각각의 링크에 대해 독자적이고 특유한 것이다.

기준 위치에 관한 정보를 각각의 링크에 제공하는 방식은 다를 수 있다. 설 명될 예에서는, 각각의 링크가 기준 위치(즉, 기준 링크의 위치)에 대한 인접 링크의 위치에 관한 정보를 제공받는다. 그러나, 그것은 그러한 정보를 링크마다 돌릴 수 있는 유일한 방식은 아니다. 다른 실시예에서는, 각각의 링크가 기준 위치에 관한 정보를 링크에 제공하는 센서를 구비할 수 있다. 그와 같이 하여, 각각의 링크는 다른 링크들과는 별개로 작동할 수 있게 된다. 그러나, 편의상 여기서 설명되는 실시예는 정보가 하나의 링크로부터 다음 링크로 중계되는 것을 그 기반으로 하는데, 이는 그것이 실시예를 구성할 때에 비용 효율적인 사양이기 때문이다.

즉, 도 2a 및 도 2b에서 설명되는 실시예의 물리적 레이아웃은 속성에 있어 직렬이고, 그에 따라 정보 분배가 직렬 방식으로 일어나지만, 각각의 링크의 근원적 제어 방법은 다른 링크들과는 무관하다. 제어는 트리 구조, 그물 구조, 또는 병렬 구조로 구현될 수 있다(즉, 정보가 링크마다 흐를 수 있음).

도 2a에서는, 각각의 유닛에 입력된 정보가 처리되는 것이 아니라, 각각의 유닛으로부터 출력된 정보가 연속된 링크로 건네지기 전에 처리된다. 그러나, 도 2b에 개시된 것과 같은 다른 실시예들에서는, 각각의 유닛에 입력된 정보 및 각각의 유닛으로부터 출력된 정보가 임의대로 적절하게 처리될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러한 정보 처리는 정보의 부분 변환이 바람직하게도 링크마다 정보를 전달하는 것을 최소화시킬 수 있기 때문에 유리할 수 있다. 또한, 당연한 결과로서, 각각의 링크 사이에 전달되는 정보의 양을 최소화시킴으로써, 각각의 링크가 수신하는 데이터의 양도 역시 상응하게 줄어들게 된다. 그에 의해, 링크들 사이에 와이드 데이터 버스에 대한 필요성이 줄어들어 신속한 응답 시간이 감안되게 된다.

본 실시예에서는, 링크가 직렬 구조로 마련되고, 그 때문에 설명되는 바의 매니플레이터는 무작위 방식으로 배열된 물체들(예컨대, 나무 또는 줄기에 위치한 과일)을 수집하는데 특히 적합하다. 여기서 설명되는 방법은 직렬 구조들에 한정되지 않고, 임의의 구조의 상호 의존적 유닛들을 제어하는데 사용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

본 실시예의 매니플레이터는 다음과 같은 방식으로 작동한다.

매니플레이터의 기준 링크에 소기의 결과(즉, 요구 위치)를 인식시킨다. 요구 위치는 스테레오 비전 모듈(stereo vision module) 또는 그 유사 장치와 같은 임의의 적절한 수단에 의해 결정될 수 있거나, 작동자에 의해 제공되든지 매니플레이터 내에 미리 프로그램화될 수 있다.

일단

로 지칭되는 요구 위치가 결정되면, 각각의 링크에 요구 위치를 제공하고, 각각의 링크의 주 목표가 기준 부분(일 실시예에서는 매니플레이터의 최종 링크)을 요구 위치에 위치시키는 것이 되도록 각각의 링크를 프로그램화한다.

각각의 모듈 "i"에 2개의 로컬 입력(정보) 값들인

,

을 제공하는데, 그 입력 값들은 인접 링크 (i+1)의 실제 위치와 인접 링크 (i+1)의 요구 위치를 각각 나타낸다. 그 값들은 실제로 원래의 기준 위치와 요구 위치의 변환된 값들이다. 그러나, 각각의 링크는 원래의 값들을 사용할 수 있고, 적절한 변환을 적용하여 그 자신의 기준에서 각각의 유닛에 대한 요구 액션을 구할 수 있다.

제공된 입력 정보 및 아래의 수학식 1 과 수학식 2를 사용하여, 각각의 링크 에 대한 요구 액션을 결정할 수 있고, 그에 따라 특정의 링크의 기준에서 그 링크에서의 회전 에러들도 결정할 수 있다.

일단 그 자신의 기준에서 각각의 링크에 대한 요구 위치를 결정하면, 아래의 수학식 3과 수학식 4를 사용하여 각각의 링크의 회전 에러를 계산할 수 있다.

여기서, f_j는 링크 구조와 링크 상호 연결성에 적절한 특정 함수이다.

일단 각각의 유닛에 대한 요구 액션을 계산하면, 각각의 링크에 대해 작동 액션을 설정한다. 즉, 요구 액션을 명령으로 변환하여 링크를 적절하게 이동시킨다. 그러면, 각각의 링크에 있는 액추에이터는 그러한 작동 액션 하에 링크를 이동시키도록 작동될 수 있다. 입력 정보 및 작동 액션들의 갱신에 따라 그러한 과정을 반복한다. 그러한 과정은 계산된 회전 에러들이 0으로 감소함으로써 소기의 결과에 도달된 것을 나타낼 때까지 계속된다.

따라서, 매니플레이터는 매니플레이터에 있는 각각의 링크로 하여금 로컬 요구 액션을 수행하게끔 하고, 각각의 링크에 소기의 결과 및 기준 위치에 관한 정보를 제공하여 각각의 개별 링크로 하여금 그 정보를 소기의 결과에 적합하면서 그 소기의 결과에 기여하는 요구 액션으로 변환할 수 있게끔 함으로써 작동하게 된다. 그것은 각각의 링크로 하여금 다른 링크들과는 무관하게 로컬 결정들을 내릴 수 있게끔 하면서도 여전히 소기의 결과에 기여할 수 있게끔 한다는 점에서 유리하다. 특히, 그것은 개별 링크들 중의 하나 이상이 장애물 또는 일련의 예측치 못한 장애물들에 직면한 경우 또는 다수의 링크들 중의 하나의 링크가 작동을 멎었을 경우에 유용하다. 장애물의 존재와 링크의 작동 중지는 구속 인자(즉, 하나 이상의 모듈의 이동을 제한하는 액션)로서 모델화될 수 있다. 일단 구속 인자의 존재가 알려지면(예컨대, 센서의 사용에 의해), 그 구속 인자를 감안할 수 있고, 로컬로 또는 전체적으로 구속 액션을 설정할 수 있다. 대안적으로, 하나의 유닛이 작동을 멎으면, 시스템이 그 유닛의 고장에 대한 구속 인자를 설정함이 없이 다른 유닛들이 그것을 무시할 수도 있다. 다른 유닛들은 그 각각이 다른 유닛들과는 무관하게 자신의 작동 액션을 설정하기 때문에 작동을 계속할 수 있다.

즉, 개개의 링크가 장애물을 탐지하거나 알게 될 경우, 그 링크는 그 자신의 경로와 이동을 조정하여 장애물을 회피하는 한편, 그와 동시에 그 구속 액션(즉, 장애물을 회피하는 액션)을 매니플레이터를 그 최종 위치로 이동시킨다는 주목적과 대조하여 균형을 맞춘다. 대안적으로, 구속의 유형에 의존하여, 구속 액션을 요구 액션 대신 수행할 수도 있다. 즉, 구속 인자들이 존재하는 작동 액션으로 요구 액션이 자동 전환되는 것이 아니고, 작동 액션은 구속 액션이거나 요구 액션과 구속 액션의 특정의 조합 또는 평균일 수 있다.

특정의 실시예에서는, 각각의 링크가 다른 링크들에 방송 메시지를 보낼 수 있는 것으로 될 수도 있고, 그에 따라 다른 링크들은 장애물을 미리 알게 되어 그 장애물을 회피하는 조정 액션을 취하는데 도움을 줄 수 있게 된다. 바꿔 말하면, 하나의 유닛에 관련된 구속 인자들을 다른 유닛들에 대한 구속 액션을 설정하는데 사용할 수 있다. 그것은 매니플레이터의 충돌 회피 능력을 증진시키게 된다.

또한, 하나의 링크가 고장을 일으키거나 작동하지 않게 되면, 연속된 링크들은 자신의 구속 액션들을 그에 상응하게 조정하여 문제의 링크를 보상한다. 바꿔 말하면, 분산형 제어 방법은 중복 매니플레이터 제어를 제공하므로, 하나 이상의 링크들에서의 고장이 불가피하게 매니플레이터를 작동하지 않게 하는 일이 없게 된다. 당연한 결과로서, 매니플레이터를 다시 프로그램화할 필요 없이 매니플레이터에 여분의 링크들을 부가할 수도 있다.

즉, 본 발명의 하나 이상의 실시예는 동적으로 재구성될 수 있는 매니플레이터를 감안하고 있다. 특히, 그것은 매니플레이터의 길이가 당장 변경될 필요가 있을 수 있는 상황들에 유용하다(예컨대, 과일을 따는 적용 용도에서는 나무 성장, 두꺼운 입 등과 같은 환경 인자들을 보상하는 여분의 링크들을 매니플레이터에 부가할 수 있음).

매니플레이터는 동적으로 경로를 세울 수 있는 것이 유리한데, 그것은 태스 크들이 비반복적인 적용 용도에서 중요하다.

이제, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 시스템의 예를 설명하기로 한다.

여기서 설명되는 매니플레이터 제어 기구의 실용성을 보이기 위해, MATLAB Simulink 소프트웨어 애플리케이션을 사용하는 시뮬레이션(simulation)을 했다. 그러한 시뮬레이션에서는, 각각의 링크가 그 자신의 각도 오프셋, 형태, 및 기준 위치로부터 소기의 결과 위치까지의 거리를 알고 있다.

링크들은 비록 서로 별개로 작동하고 병렬로 작업하여 소기의 결과를 내지만 물리적으로는 서로 직렬 연결되어 있다. 시뮬레이션 레이아웃은 매니플레이터에서의 정해진 기준 링크로부터 베이스 링크까지에 걸쳐 일 방향으로 정보가 흐르도록 배열된다.

링크 특성들 중에는 링크당 2개의 자유도가 포함되는데, 그것은 각각의 링크로 하여금 구(sphere)의 표면 상에서 이동할 수 있게끔 한다. 연속된 링크들과 개별 링크들 상의 임베디드 프로세서들 사이의 통신은 도 2a 및 도 2b에 도시된 매니플레이터와 동일하게 일어난다.

상기 시뮬레이션에 사용된 매니플레이터는 100 단위 길이의 6개의 링크들("단위"는 모든 임의의 길이 단위임)로 이뤄진다. 시뮬레이션에서는, 소기의 결과(즉, 기준 부분 링크의 요구되는 최종 위치)는 베이스 위치에 대해 항상 일정하게 유지된다.

이후로, 매니플레이터의 구조가 변경되고 나서 소기의 결과 위치를 얻도록 제어되는 2가지 예들을 설명하기로 한다. 링크들의 재구성 후에 시스템을 다시 프로그램화할 필요가 없음을 주목해야 할 것이다.

도 3a는 초기 조건 (-600,0,0)으로부터 (300,300,350)으로 설정된 최종 위치로 이동할 것을 지시받은 통상의 매니플레이터의 성공적인 정규 동작을 나타내고 있다.

제1 시뮬레이션은 링크가 변경되었을 경우의 매니플레이터의 동적 능력을 입증하고 있다. 원래 길이가 100 단위이었던 베이스로부터의 3번째 링크가 이제 길이가 300 단위인 상이한 길이의 링크로 대체된다. 다른 모든 파라미터들을 불변으로 유지하면서, 그리고 다른 링크들에 그 변경을 알리지 않고서, 목표의 최종 위치 (300,300,350)에 도달하라는 지시를 매니플레이터에 내린다. 도 3b는 매니플레이터의 결과적인 동작 프로파일을 나타내고 있다. 그 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 매니플레이터는 동일한 최종 위치에 성공적으로 도달할 수 있다.

제2 시뮬레이션은 움직이는 중에 하나의 링크가 고장을 일으킨 것을 모사하고 있다. 매니플레이터는 주어진 최종 위치에 도달하고자 시도하지만, 시뮬레이션 동안의 특정의 시점에 하나의 링크의 능력이 상실된다. 도 3c는 최종 위치를 향한 이동 시에 매니플레이터가 고장을 회피할 수 있음을 나타내고 있다. 본 예에서는, 기준 링크에 가장 가까운 링크가 목표로 향하는 루틴 중의 특정의 시기에 고장이 났다. 도 3c는 다시 성공적으로 설정 목표 위치에 도달하는 매니플레이터의 결과적인 동작 프로파일을 나타내고 있다.

도 3a 내지 도 3c에 도시된 도면들에서는, 각각의 링크에 변하는 시상수들을 사용하는 것을 통해, 매니플레이터의 동작 프로파일을 최적화하는 과정을 사용하지 않았다.

최종 위치에 도달하는데 중복 매니플레이터 제어를 사용하는 또다른 장점은 매니플레이터가 장애물을 회피할 수 있다는 것이다. 도 4를 참조하면, 6-링크 12- 자유도 매니플레이터가 2개의 장애물들을 회피하면서 최종 위치 (150,0,500)에 접근하는 것이 도시되어 있다. 매니플레이터의 초기 조건은 도 4a에 도시된 바와 같이 (-450,0,386)에 기준 위치를 두는 것이다. 사용된 장애물들은 (-200,-300≤y≤300,300) 및 (0,-300≤y≤300,150)의 좌표들을 갖는 2개의 바이다.

장애물들을 회피하기 위해, 각각의 링크의 축 상에 중심을 맞춘 가정된 반경 50 단위의 원통형 쉘 내에 장애물이 침입할 때에 근접도 센서가 작동된다. 링크는 그 자신이 가능한 가장 짧은 경로로 장애물로부터 물러나도록 하는(즉, 장애물로부터 떨어져 이동함으로써) 액추에이터 동작(구속 액션)을 감안하고 있다. 시뮬레이션에서 장애물 회피에 사용된 함수는 다음과 같은데, 여기서 근접도 센서가 대기 중일 때에는 q = 1이고, 근접도 센서가 작동될 때에는 q = 0이다.

상기 시뮬레이션에서는, 각각의 링크의 1차 응답의 시상수(즉, 응답 속도)들을 변경함으로써, 매니플레이터의 동작의 발견적(heuristic) 최적화가 구현된다. 가장 짧은 시상수(또는 "가장 빠른" 응답 속도)는 기준 링크에 가장 가까운 링크에 주어져서 연속된 각각의 링크에 대해 2배만큼 증분적으로 증가한다.

도 3은 적용 요건에 의존하여 불규칙적 특성들을 갖는 링크들을 도입함으로써 매니플레이터 구성을 변경할 수 있는 분산형 제어 접근방식의 재구성 가능 능력을 나타내고 있다. 링크들은 자기 의존적(self-reliant) 데이터를 포함하여 매니플레이터에서의 플러그-앤-플레이(plug-and-play) 구성 요소들로서 작용한다. 매니플레이터의 중복 속성은 도 3c에 도시된 바와 같이 고장의 용인을 감안하고 있다. 일단 링크 고장이 일어나면, 잔여 링크들은 개별적으로 변화들을 수용하여 목표에 도달하기 위한 수단을 동적으로 제공한다. 매니플레이터의 경로들은 직관적으로 각각의 시나리오에 대한 최적의 것에 가깝게 나타나 시스템 변화들에 적응하도록 동적으로 조정된다.

도 4는 2개의 장애물들을 성공적으로 빠져나가 설정 목표에 도달하는 매니플레이터의 동작 프로파일을 나타내고 있다. 도 4a로부터 알 수 있는 바와 같이, 매니플레이터는 초기에 장애물과 직면하고, 도 4b 내지 도 4g로부터 알 수 있는 바와 같이, 매니플레이터에 있는 각각의 링크는 2개의 장애물들에 대한 그 위치를 조정하여 최종 요구 위치에 도달될 때까지 성공적으로 장애물들을 빠져나간다(도 4h).

도 4의 장애물 회피 시나리오는 매니플레이터가 어떻게 장애물들을 빠져나가 성공적으로 최종 위치에 도달하는지를 나타내고 있다. 분산형 제어 알고리즘은 기준 링크가 장애물들을 빠져나갈 때에 일시적으로 최종 위치로부터 멀어질 수 있게끔 하는 것을 알 수 있다.

매니플레이터의 직렬 레이아웃은 장애물들 우회하는 동작을 결정하는 수단을 더 제공한다. 장애물이 매니플레이터의 베이스 부근에 있을 경우, 링크들은 장애물을 우회하는 방향을 잡음으로써 최종 위치에 도달하려고 시도한다. 그러나, 장애물이 매니플레이터의 베이스로부터 상당히 멀리 떨어져 있으면, 링크들은 장애물 둘레로 돌기보다는 매니플레이터를 장애물을 지나치도록 구동하여 기준 링크를 수축시킬 것이다.

매니플레이터 시상수에 따른 실험은 기준 링크에 가장 가까운 링크가 기준 링크로부터 더 멀리 떨어진 링크들보다 더 민감한 것이 유리함을 나타냈다. 그것은 최종 위치에 대한 기준 링크의 시선 이동에 유리하게 하기 위해, 기준 링크로부터 멀리 떨어진 링크들이 영향을 미칠 기회를 잡기 전에 기준 링크가 최종 위치로 이동 중에 있을 수 있게끔 한다.

링크들이 장애물을 회피할 경우에 요구 동작들이 방해를 받는 상태에서의 각각의 링크의 독립된 동작을 도 5에서 알아볼 수 있다. (-200,-300≤y≤300,300)에 있는 장애물을 링크 4, 링크 5, 및 링크 6이 순차적으로 회피하는 것이 각각의 동작 프로파일에서의 비단조(non-monotonic) 속도들에 의해 명시되어 있다. 그러한 절차들은 결합되는데, 예컨대 링크 4와 링크 5가 동시에 장애물을 회피한다.

그와 유사하게, (0,-300≤y≤300,150)에 있는 장애물을 링크 2와 링크 3이 회피하는 것은 비단조 액추에이터 속도들을 수반한다.

도 6은 베이스 위치 및 기준 위치에 대한 기준 링크의 위치를 나타내고 있다. 특정의 개별 액추에이터 동작 특성들이 자명함에도 불구하고, 요구되는 개개의 링크 동작들을 유도해내는 것은 자명하지 않다. 링크들을 구동하는데 사용되 는, 도 6b에서의 기준 링크 에러는 통상적으로 복합 중앙 집중형 제어 시스템들을 수반해야만 일어나는 분명한 비단조 거동을 보이고 있다. 그것은 동작 제어를 분산시킴으로써 구현된다.

바람직하지 않은 예컨대 링크 6의 제1 각도들에서 도 5에서 관측되는 바와 같은 모터 방향들의 변화가 나타나 그 원래의 값들로 돌아갈 수 있다. 도 4에서의 전체적인 동작을 고찰할 때에, 그러한 거동은 장애물을 우회하여 최종 위치로 가는 원활한 경로를 찾는데 바람직하다.

따라서, 본 발명의 하나 이상의 실시예는 재구성 가능한 중복 매니플레이터를 제어하는 시스템과 방법을 제공한다.

그러한 시스템과 방법은 시스템 재구성 능력을 용이하게 수용하여 동작을 동적으로 조정하고 전체의 매니플레이터의 적응성을 십분 이용하고 있다. 분산형 제어 방법의 성능들에는 중복 제어, 재구성 가능한 모듈식 설계, 고장 용인 동작 제어, 동적 경로 입안, 및 실시간 장애물 회피 특성들이 포함된다.

여기서 설명된 실시예는 매니플레이터 및 공간 중의 정해진 위치로의 그 매니플레이터의 이동을 언급하고 있지만, 분산형 제어 방법은 다수의 상호 의존적 유닛들을 포함하는 임의의 시스템에 적용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

정해진 경로를 따른 동작 및/또는 이동 물체와의 교차

예컨대, 소기의 결과는 공간 중의 고정 지점을 향한 이동에 한정될 필요가 있다. 공간 중의 지점은 시간에 따라 변할 수 있어 정해진 경로를 따른 동작 또는 매니플레이터가 이동 타깃의 경로를 교차할 수 있게끔 한다. 바꿔 말하면, 소기의 결과는 시간 종속 성분이다.

제어 방법은 각각의 모듈 내에서 계산들이 반복될 수 있는 것처럼 여전히 변함이 없는 채로 있게 되므로, 각각의 반복 시에 매니플레이터가 항상 소기의 결과를 향해 이동하고 있도록 소기의 결과를 수정할 수 있다. 그것은 정해진 경로를 따라 이동하거나 이동 물체를 추종하는 암과 유사한 이동을 효과적으로 생성한다. 전술된 동작의 예가 도 7a 내지 도 7d에 주어져 있다. 특히, 도 7에서 알 수 있는 바와 같이, 매니플레이터는 암이 소기의 결과에 접근함에 따라 단지 소기의 결과를 변경하기만 함으로써 정해진 경로를 따라 이동하도록 프로그램화될 수 있다. 도 7a에서는, 매니플레이터가 설정된 (0,600)에서의 mt에 대해 방정식 (x,y) = (-300 + mt, 400)에 의해 정의되는 경로를 따른다.

좀더 구체적으로, 개개의 i번째 모듈에 의해 관측되는 바와 같은 소기의 결과는 지점

이다. 그러한 지점은 공간 중의 고정 지점에 한정될 필요가 없다. 그러한 지점은 시간 종속적일 수 있어 임계 지점

가 시간 종속적인 소기의 결과의 궤적을 따를 수 있게끔 한다. 그것은 그 정보가 후속 모듈들을 통과하기 전에 최종 모듈이 관측하는 바와 같은 소기의 결과

를 다시 정함으로써 구현될 수 있다. 그 개요가 아래의 수학식 6에 약술되어 있다.

제어 방법은 소기의 결과를 사용하는 각각의 모듈 내에서 계산들이 반복되는 것처럼 여전히 변함이 없는 채로 있게 된다. 매니플레이터의 시간 종속적 동작에 통합될 수 있는 부가의 능력은 여러 중간 지점에 걸친 매니플레이터의 근사 동작이다. 그것은 최종 모듈이 관측하는 바와 같은 소기의 결과

를 정의하는 부가의 파라미터를 도입시킨다(수학식 7을 참조).

부가의 파라미터 r ₁은 예컨대 소기의 결과가 수학식 8에 의해 정의되는 임계 지점으로부터 소정의 범위 내에 있을 경우에 그 소기의 결과를 변경할 수 있는 매니플레이터의 능력을 도입시킨다.

아래의 예에서는, 임계 지점

가 t∈0,100;

= -300;

= 에 대해 수학식 9에 의해 정의되는 시간 종속적 목표의 궤적을 따른다.

매니플레이터의 또 다른 능력은 이동 물체의 경로를 교차하는 것을 통한 것이다. 그것은 최종 모듈이 관측하는 바와 같은 소기의 결과

를 정의하는 파라미터 r ₁을 다시 정의시킨다(수학식 10을 참조).

파라미터 r ₂는 예컨대 소기의 결과가 수학식 11에 의해 정의되는 임계 지점으로부터 소정의 범위 q 내에 있을 경우에 그 소기의 결과를 가능하게 하는 매니플레이터의 능력을 도입시킨다.

아래의 예에서는, 범위 q = 200에 대해 볼이 소기의 결과일 경우에 볼을 붙잡는 매니플레이터를 보이고 있다.

질량 중심을 기반으로 한 플랫폼의 센터링(스튜어트(Stewart) 플랫폼)

또한, 유닛들 사이의 관계는 매니플레이터에 있는 모듈들 사이의 물리적 연결에 한정될 필요가 없다. 도 8a에는, 2개의 로봇 매니플레이터들이 교차하여 비강성 물체의 질량 중심을 공간 중의 소정의 지점에 두는 상황을 도시한 도면이 도시되어 있다. 각각의 로봇 매니플레이터는 시스템(즉, 스튜어트 플랫폼)의 서브 시스템인 것으로 간주될 수 있다. 소기의 결과가 이제는 질량 중심에 의해 특징져진다 하더라도 제어 방법은 여전히 변함이 없는 채로 있게 되는데, 여기서는 이제 카메라가 물체의 질량 중심 위치와 목표 위치를 관측하여 그것을 이전처럼 모듈마다 돌린다. 그러한 장치의 치환들의 모사가 도 8b 내지 도 8g에 도시되어 있다.

상기 예에서 2개의 링크 매니플레이터를 교차시키는 임계 지점은 다음과 같은 빔의 중심이다:

그러한 지점은 임계 지점이 도 8b에 도시된 바와 같이 다음과 같은 요구 지점 및 정향을 향해 이동하도록 각각의 매니플레이터에 의해 정향된다:

각각의 서브 시스템(즉, 각각의 매니플레이터 암)은 계속해서 소기의 결과, 즉 무게 중심을 갖지만, 이제 각각의 매니플레이터 암은 그 각각의 매니플레이터 암이 다른 매니플레이터 암과는 별개로 작용한다는 점에서 중간 결과를 갖게 된다.

복합 다중 림 시스템

물론, 본 방법은 개 걸음을 흉내 내는 것과 같은 좀더 복합적인 동작에까지 확장될 수도 있다. 대각선상으로 교호하는 다리 쌍들을 사용하여 이전의 모든 예들에서와 유사하게 몸을 앞으로 내몰면서 몸의 정향을 유지한다.

그와 동시에, 대각선상으로 교호하는 다른 다리 쌍들은 그 각각의 몸 연결 부위들을 베이스로서 사용하여 발들(가장 짧은 링크 길이 부분)을 들어올려 그 발들을 앞으로 움직인다. 그러면, 도 9a 내지 도 9f에 도시된 바와 같이 그러한 동작들을 반복적으로 전환하여 걸음 동작을 이끌어낸다.

개 걸음의 예에서는, 각각의 다른 다리에 대한 각각의 다리의 동작 및 아울러 다리의 다른 섹션들에 대한 다리의 각각의 섹션의 동작을 제어하는데 본 제어 방법을 사용한다. 즉, "유닛들"은 다른 다리에 대해서는 하나의 다리로서, 그리고 별도로 다른 링크들에 대해서는 다리에 있는 각각의 링크로서 정의될 수 있다. 따라서, 제어 방법은 2개의 상이한 방식들로 사용되어 2개의 상이한 태스크들을 수행한다. 그 양자의 태스크들은 동시에 발생하고, 서로 저촉되지 않는다. 바꿔 말하면, 다시 한번 소기의 결과는 개 걸음에 대한 것이라는 것이다. 그것은 다수의 중간 결과들, 즉 각각의 다른 다리에 대한 각각의 다리의 동작으로 분류된다. 각각의 구조물에 대해 하나씩인 일련의 "함유된(nested)" 결과들을 사용함으로써, 매우 복합적인 소기의 결과들을 낼 수 있게 된다.

분기(Bifurcated) 시스템(및 기타의 다중 암 시스템)

본 방법을 적용할 수 있는 복합 구조의 다른 예는 공통의 베이스를 갖는 2갈래(또는 n갈래) 매니플레이터이다.

도 11a 내지 도 11f에 도시된 예에서는, 3개의 링크들로 각각 이뤄지고 Y 형태로 조립되는 3개의 연결된 매니플레이터들이 마련된다. 2갈래의 매니플레이터는 3개의 매니플레이터들 각각이 서브 시스템을 형성하는 "시스템"으로서 간주될 수 있다.

소기의 결과는 2개의 매니플레이터 암들 각각을 요구 위치에 두는 것일 수 있다. 그것은 상이한 중간 결과들을 갖는 2개의 최종 작동체들로 분류될 수 있다. 본 예에서는, 좌측 최종 작동체가 (-400,200)의 지점으로 이동하려고 하고, 우측 최종 작동체가 (100,300)의 지점으로 이동하려고 하고 있다.

개개의 상부 섹션들은 변함이 없는 제어 방법을 사용하여 그 각각의 목표들인

및

에 도달한다.

3개의 링크들을 구비한 베이스 섹션은 2개의 최종 작동체들 각각을 그 각각의 위치들로 이동시킨다는 소기의 결과에 융합되는 중간 결과를 또한 갖는다. 베이스 섹션은 탑 섹션들 중이 2개를 그 출처로 하는 조합된 정보를 제3 링크의 중간 결과를 결정하는데 사용한다. 바꿔 말하면, 각각의 개별 매니플레이터 암에 대한 중간 결과의 "평균"을 취함으로써, 베이스 섹션은 2개의 매니플레이터 암들로 하여금 그들의 중간 결과에 도달할 수 있게끔 하고 다시 전체적으로 시스템에 대한 소기의 결과를 내게끔 하는 그 자신의 중간 결과를 안출한다(수학식 14 와 수학식 15에 도시된 바와 같이 충분한 길이가 있는 것으로 가정함).

베이스 섹션에 있는 제1 및 제2 링크들은 간단한 매니플레이터의 예에 있어 설명된 제어 방법을 사용하는데 요구되는 바와 같이 그 각각의 모듈들로부터

및

를 수령한다. 도 11a 내지 도 11f에 도시된 바와 같이, Y 형태는 각각의 매니플레이터 암에 대한 중간 결과에 성공적으로 도달하고, 그에 의해 소기의 결과를 내게 된다. 베이스 섹션은 소기의 결과에 도달함에 있어서의 동작 속도를 지원하도록 스스로 정향된다.

다른 타입들의 동작

동일한 방법을 회전 동작과 같은 다른 타입들의 동작에 적용할 수 있음을 또한 이해할 수 있을 것이다. 도 12a 내지 도 12d에 도시된 모사는 최종 작동체의 정향 제어를 보이고 있다(즉, 최종 작동체가 회전할 수 있는 경우에). 그것은 평면형 매니플레이터에 대한 수학식 16을 사용하여 정향 제어의 태스크를 매니플레이터의 최종 링크에 할당함으로써 구현되게 된다:

여기서, 다음의 수학식 17이 성립한다.

본 발명의 실시예들은 분산형 제어 방법의 사용을 언급하고 있지만, 분산형 제어 방법은 종래의 중앙 집중형 제어 방법과 연계하여 사용될 수도 있음을 이해할 수 있을 것이다. 특정의 상황들에서는, 분산형 제어 방법만을 사용하는 것이 부적합할 수 있다. 예컨대, 매니플레이터가 목표를 탐색하면서 환경을 글로벌 체계로 맵핑하는 데 사용되는 경우에는, 혼합된 전략이 유용하다.

즉, 매니플레이터가 맵핑(즉, 경계들이 정해진 구역을 가로질러 체계적으로 스캐닝하는 것)을 하는 동안에는 중압 집중형 제어 방법이 더 적합하다. 그러나, 일단 매니플레이터가 소기의 결과에 관한 정보를 수령하면(즉, 일단 매니플레이터가 타깃을 검출하고 그 타깃을 향해 이동하라는 지시를 받으면), 분산형 제어가 더 적합하다.

분산형 제어와 중앙 집중형 제어를 혼합한 것이 도 12에 도시되어 있는데, 도 12는 매니플레이터 링크들이 초기에 로킹되어 단지 2개의 자유도만을 제공하고(그럼으로써, 시스템을 중복적이지 않게 하고), 아울러 시스템으로 하여금 정해진 구역으로 용이하게 이동할 수 있게끔 하는 모사를 도시하고 있다. 일단 좀더 특정된 소기의 결과가 요구되면, 매니플레이터는 분산형 제어로 전환되어 링크들의 로킹을 해제하고 중복성(6개의 자유도)을 도입시키며, 그에 의해 융통성을 증대시킨다.

일 실시예에서는, 각각의 링크 앵글에 관한 정보가 CPU로 건네진다. 2개의 자유도를 갖는 시스템을 중앙 집중적으로 제어하기 위해, 수학식 18과 수학식 19에 의해 2개의 고정 링크들이 주어진다:

여기서,

는 e제 링크의 기준에서의 베이스에 있는 제4 링크의 베이스이다.

여기서,

는 제4 링크의 기준에서의 베이스에 있는 최종 작동체의 위치이다.

변수들 θ ₂, θ ₃, θ ₅, θ ₆은 중압 집중형 제어에 있어서는 고정된다. 2개의 변수들 θ ₁, θ ₄는 수학식 20에 의해 제어된다:

주어진 예에서는, 초기 동작이 단지 2개의 자유도만으로 중앙 집중화되어 매니플레이터를 중복적이지 않은 시스템으로 되게 한다. 동작 중에 액추에이터들을 자유롭게 할 것이 요구될 수 있고, 그에 의해 중복성(6개의 자유도) 및 매니플레이터의 동작에의 융통성을 도입시킨다.

중복성이 도입될 경우에는 본 실시예에 따른 분산형 제어 방법이 더 적합한데, 그 이유는 그것이 중복형 시스템들과 관련된 문제들을 개선하기 때문이다.

전술된 매니플레이터들과 로봇들은 임의의 특정의 규모에 구속되지 않음을 이해할 수 있을 것이다. 본 방법은 전문화된 적용 용도들을 위한 소형 로봇들과 똑같이 대형 산업용 매니플레이트들에도 적용될 수 있다. 예컨대, 본 방법은 과일을 따는 로봇 또는 들판이나 공장 바닥으로부터 부스러기를 찾아내어 제거하는 로봇들에 사용될 수 있다. 마찬가지로, 본 방법은 환자의 신체를 통해 미리 정해진 위치로 자기 추진될 수 있는 지능형 수술 도구에 적용될 수 있다.

특히 본 방법은 전용 작업에 적합한데, 그 이유는 그것이 그러한 작업에 적합한 많은 특성들을 갖기 때문이다.

그러한 특성들은 생소한 경로들을 항행할 수 있는 능력, 장애물을 회피할 수 있는 능력, 매니플레이트의 일부가 고장을 일으킬지라도 작동을 계속할 수 있는 능력, 및 매니플레이트가 방법에 대한 어떠한 변경도 필요로 함이 없이 상이한 적용 용도들에 맞춰 재구성될 수 있는 능력을 망라한다.

본 발명을 전수받은 당업자들에게 명백한 바와 같은 수정 및 변경들을 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주해야 할 것이다.

Claims (43)

1. 다수의 상호 의존적 유닛들로 형성된 시스템을 하나의 결과를 내도록 제어하는 방법에 있어서,

   시스템에 대한 소기의 결과를 설정하는 단계; 및

   상기 소기의 결과에 응답하여 그러나 다른 유닛들의 요구 액션(동작)과는 무관하게 각각의 유닛에 대한 요구 액션을 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다수의 상호 의존적 유닛들로 형성된 시스템의 제어 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 유닛에 대한 요구 동작을 시스템의 하나 이상의 기준 부분의 요구 위치에 대한 그 기준 부분의 현재 위에 응답하여 설정하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
3. 다수의 상호 의존적 유닛들로 형성된 시스템을 하나의 결과를 내도록 제어하는 방법에 있어서,

   시스템에 대한 소기의 결과를 설정하는 단계; 및

   그 소기의 결과에 응답하도록 각각의 유닛에 대한 요구 액션을 설정하되, 상기 유닛에 대한 요구 액션을 시스템의 하나 이상의 기준 부분의 요구 위치에 대한 그 기준 부분의 현재 위치에 응답하여 설정하는 것을 특징으로 하는 다수의 상호 의존적 유닛들로 형성된 시스템의 제어 방법.
4. 제2항 또는 제4항에 있어서, 상기 유닛에 대한 요구 액션은 상기 기준 부분의 현재 위치와 그 기준 부분의 요구 위치 사이의 차이 값을 계산하고, 상기 차이 값을 사용하여 상기 요구 액션을 설정하는 것을 수반하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
5. 선행 항들 중의 어느 한 항에 있어서, 각각의 유닛에 대한 작동 액션을 설정하는 단계; 및 각각의 유닛에 그 작동 액션을 개시할 것을 지시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
6. 제5항에 있어서, 방법 단계들을 반복하여 작동 액션을 갱신하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
7. 제6항에 있어서, 반복율은 시스템의 전체에 걸쳐 일정한 것을 특징으로 하는 제어 방법.
8. 제6항에 있어서, 반복율은 시스템의 유닛들 간에 다른 것을 특징으로 하는 제어 방법.
9. 제5항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서, 유닛들 중의 적어도 일부에 대한 작동 액션(operation action)을 요구 액션(desired action)으로 하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
10. 제5항 내지 제9항 중의 어느 한 항에 있어서, 시스템에 대한 구속 인자들을 설정하는 단계; 및

    그 구속 인자들에 응답하여 적어도 하나의 유닛에 대한 구속 액션(constrained action)을 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
11. 제10항에 있어서, 구속 액션이 설정된 유닛에 대한 작동 액션을 구속 액션으 로 하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 유닛에 대한 구속 액션을 설정하는데 그 유닛에 대한 구속 인자들만을 사용하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
13. 제10항 또는 제11항에 있어서, 다른 유닛에 대한 구속 액션을 설정하는데 하나 이상의 유닛에 관한 구속 인자들을 사용하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
14. 선행 항들 중의 어느 한 항에 있어서, 소기의 결과를 내도록 다수의 중간 결과들을 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
15. 제14항에 있어서, 유닛들의 요구 액션들을 중간 결과들의 개개의 것들에 응답하여 설정하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
16. 제14항 또는 제15항에 있어서, 시스템은 일련의 서브 시스템들을 포함하고, 각각의 서브 시스템은 다수의 상호 의존적 유닛들 중의 하나 이상으로 이루어지며, 상기 제어 방법은 각각의 서브 시스템에 대한 중간 결과를 설정함으로써, 각각의 유닛에 대한 요구 액션을 그 유닛과 관련된 서브 시스템의 중간 결과에 응답하여 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
17. 제14항 또는 제15항에 있어서, 각각의 유닛에 대한 다수의 요구 액션들이 시간 축에 대하여 설정되도록 방법 단계들을 반복하고, 그럼으로써 요구 액션들을 다수의 중간 결과들에 응답하여 설정하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
18. 선행 항들 중의 어느 한 항에 있어서, 결과를 시스템의 공간 관계에 따라 다르게 하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
19. 제18항에 있어서, 결과를 요구 위치에 대한 시스템의 미리 정해진 공간 관계로 하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
20. 제18항 또는 제19항에 있어서, 상기 결과가 시간에 대해 종속적으로 되도록 함을 특징으로 하는 제어 방법.
21. 제18항 내지 제20항 중의 어느 한 항에 있어서, 요구 액션은 그 유닛의 공간 위치를 조정하는 것을 수반하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
22. 제21항에 있어서, 유닛의 이동 및/또는 그 유닛의 팽창이나 수축에 의해 조정이 이루어짐을 특징으로 하는 제어 방법.
23. 제2항, 제3항, 또는 제18항 내지 제22항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 결과가 요구 위치를 결정하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
24. 다수의 상호 의존적 유닛들을 제어하는 방법에 있어서,

    각각의 유닛에 대해 시작 정보에 응답하는 작동 액션을 별개로 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다수의 상호 의존적 유닛들의 제어 방법.
25. 제24항에 있어서, 시작 정보를 소기의 결과, 요구 액션, 구속 액션, 및 기준 위치로 이뤄진 군으로부터 선택하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
26. 소정의 결과를 달성하도록 이동이 가능한 다수의 상호 의존적 유닛들을 제어하기 위한 시스템에 있어서,

    제1항 내지 제23항 중의 어느 한 항에 따른 제어 방법을 구현하도록 구성된 제어장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 다수의 상호 의존적 유닛들의 제어 시스템.
27. 제24항에 있어서, 구속 인자들의 인자들에 관한 정보가 센서에 의해 수집되는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
28. 제25항에 있어서, 이동은 액추에이터 수단에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
29. 제24항 내지 제26항 중의 어느 한 항에 있어서, 각각의 상호 의존적 유닛은 로봇의 일 구성부분인 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
30. 제27항에 있어서, 각각의 구성 부분은 로봇 매니플레이터에 있는 모듈인 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
31. 제24항 내지 제28항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 시스템의 제어 방법을 중앙 집중형 제어 방법으로 전환할 수 있는 제어 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 제어 시스템.
32. 컴퓨팅 시스템에 탑재시에 제1항에 따른 방법을 수행하도록 구성된 컴퓨터 프로그램.
33. 제30항에 따른 컴퓨터 프로그램을 통합한 컴퓨터로 판독 가능한 매체.
34. 컴퓨팅 시스템에 탑재될 시 제3항에 따른 방법을 실행하도록 구성된 컴퓨터 프로그램.
35. 제34항에 따른 컴퓨터 프로그램을 통합한 컴퓨터로 판독 가능한 매체.
36. 서로 의존적이고 서로에 대해 이동할 수 있는 다수의 유닛들;

    상기 유닛들을 이동시키도록 작동하는 하나 이상의 액추에이터; 및

    상기 하나 이상의 액추에이터에 유닛들을 이동시키라는 지시를 내리도록 작동하는 제어 시스템을 포함하되, 상기 제어 시스템은 제1항 내지 제23항 중의 어느 한 항에 따른 제어 방법을 사용하는 것을 특징으로 하는 시스템.
37. 제36항에 있어서, 유닛들은 미리 정해진 공간 관계에 있음으로써 상호 의존적인 것을 특징으로 하는 시스템.
38. 제37항에 있어서, 유닛들은 상호 연결되는 것을 특징으로 하는 시스템.
39. 제36항 내지 제38항 중의 어느 한 항에 있어서, 제어 시스템은 유닛들의 각각의 것에 위치한 다수의 제어장치들을 포함하고, 각각의 제어장치는 적어도 하나의 액추에이터에 그것이 관련된 유닛을 이동시키라는 지시를 내리도록 작동하되, 상기 제어장치들은 제1항 내지 제23항 중의 어느 한 항에 따른 제어 방법을 사용하는 것을 특징으로 하는 시스템.
40. 제36항 내지 제39항 중의 어느 한 항에 있어서, 각각의 유닛은 로봇의 일 구성부인 것을 특징으로 하는 시스템.
41. 제40항에 있어서, 각각의 구성부는 로봇 매니플레이터에 있는 모듈인 것을 특징으로 하는 시스템.
42. 다수의 서브 시스템들을 포함하고,

    각각의 서브 시스템은 상호 의존적이고 서로에 대해 이동할 수 있는 다수의 유닛들; 각각의 서브 시스템에 있는 유닛들을 이동시키도록 작동하는 하나 이상의 액추에이터; 및 제1항 내지 제23항 중의 어느 한 항에 따른 제어 방법을 사용하여 상기 하나 이상의 액추에이터에 지시를 내리도록 작동하는 제어 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
43. 제42항에 있어서, 소기의 결과를 내도록 서브 시스템들 각각에 대해 중간 결과들이 설정되되, 제어 시스템은 각각의 서브 시스템에 대한 중간 결과들을 통합적으로 조정함으로써 서브 시스템들의 이동을 통합 조정하는 것을 특징으로 하는 시스템.

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