KR20110054850A - 탑승자 자세인식을 통해 주행시키는 1인 기립식 탑승로봇 - Google Patents

탑승자 자세인식을 통해 주행시키는 1인 기립식 탑승로봇 Download PDF

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Abstract

탑승자의 자세를 인식하여 이동방향을 결정하고 장애물을 회피하여 주행하는 1인 기립식 탑승로봇 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 탑승로봇은 구동바퀴와 구동바퀴를 구동시키는 구동모터를 구비하고, 구동바퀴 위에 장착된 발판과 발판 일측 상에 설치되는 손잡이대를 포함하는 주행장치; 탑승자의 자세를 인식하여 이동방향을 결정하는 사용자 의도인식 센서; 주행방향의 장애물을 인식하는 장애물 센서; 및 사용자 의도인식 센서에 의한 이동방향으로, 주행장치를 주행하도록 구동모터를 제어하는 제어장치를 포함하고, 제어장치는 이동방향에 장애물이 인식되면, 장애물을 회피하여 주행하도록 구동모터를 제어하는 구성을 마련한다.
상기와 같은 1인 기립식 탑승로봇 및 그 제어방법에 의해, 탑승자의 자세 또는 무게중심에 의해 이동방향을 설정하더라도 탑승장치의 무게중심을 안정점 안에 유지함으로써, 장애물을 피하기 위해 정지 또는 방향전환을 하더라도 탑승자가 일방향으로 중심이 쏠리는 것을 방지할 수 있다.
탑승, 로봇, 자세, 주행, 장애물, 센서

Description

탑승자 자세인식을 통해 주행시키는 1인 기립식 탑승로봇 { A standing-up type ride robot directed by recognizing passenger's posture }
본 발명은 탑승자의 자세를 인식하여 이동방향을 결정하고 장애물을 회피하여 주행하는 1인 기립식 탑승로봇 및 그 제어방법에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 전(全)방향 이동이 가능한 주행장치를 구비하고, 압력센서, 이미지 센서, 또는 광센서를 통해 탑승자의 자세를 인식하는 1인 기립식 탑승로봇 및 그 제어방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 이동방향으로 가상 거리에 위치하는 지점을 이동 목적지로 정하고, 이동로봇의 장애물 회피 알고리즘에 의해 주행경로를 구하여 주행하는 1인 기립식 탑승로봇 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 1인용 기립식 탑승장치는 세그웨이(segway)나 윙렛(winglet)과 같이 이륜 구조를 가지고 있다. 즉, 종래의 기립식 탑승장치는 바퀴는 2개이고 센 서가 탑승자의 무게중심 이동을 100분의 1초 단위로 측정해 방향과 속도를 결정한다.
특히 오뚝이처럼 균형 메커니즘을 이용해 탑승자가 넘어지지 않도록 제작되었고, 몸을 앞뒤로 기울이기만 하면 자동으로 앞뒤로 나아가거나 방향전환이 되고 정지할 수 있도록 구성되어 있다.
상기와 같은 종래의 기립식 탑승장치의 일례가 [일본공개특허 2005-094898(2005.04.07공개), "평행 2륜 승용 대차"](이하 선행기술 1)에 제시되고 있다. 도 10a에 보는 바와 같이, 상기 선행기술 1은 양측의 바퀴(3,4)를 구동하는 모터(15,16)를 설치한 기저부(8)와, 상기 기저부(8) 상부의 중심 위치에 탑승대(5)를 전후좌우로 기울어질 수 있게 지지하는 기울임 지지부(10)를 구비하고, 탑승대(5)는 전후좌우를 스프링(11)으로 기저부(8)에 의해 지지받고, 탑승대(5)에는 전후좌우에 탑승대 경사센서(13)를 구비하고, 기저부(8)에는 마찬가지로 좌우의 기저부 경사센서(14)를 설치한다. 회로 기판(18)의 제어 장치는 레이트 자이로스코프(20), 기저부 경사센서(21) 등의 신호에 의하여 차륜형 도립 진자의 원리에 의하여 밸런스를 제어하여 자립시킨다. 또, 발판(9)에 탑승하는 탑승자의 전후의 체중 이동을 검출하고 전후진을 제어하고, 좌우의 체중 이동을 검출하고 주행 방향을 제어한다.
종래의 기립식 탑승장치의 다른 예로서, [한국공개특허 2009-0048584(2009.05.14 공개), "전기 운송수단의 속도 제한"](이하 선행기술 2)에 제시되고 있다. 상기 선행기술 2는 운송수단(또는 탑승장치)의 구동장치에 생성되는 재생전류, 탑승장치 및 탑승자 하중의 무게, 접지요소에 가해지는 토크, 탑승장치 의 가속도 및 속도 등을 토대로 속도를 제어하는 기술을 제시하고 있다.
즉, 상기 선행기술 1과 2는 탑승자의 무게중심의 이동 및 탑승장치의 무게중심 또는 이동상태 등에 의해 탑승장치를 제어하는 기술이다.
그러나 상기 선행기술들은 탑승자가 전진 방향으로 주행장치를 기울여 주행중일 때 노면이 고르지 못하거나, 구동바퀴에 장애물이 걸릴 경우, 횡으로 마주보는 두 개의 구동바퀴가 구성된 이륜 탑승장치의 특성상 급격한 기울임이 발생하게 된다. 이로 인해 균형을 잃어 결국 탑승장치가 전복되는 문제가 있었다. 또한, 초보 탑승자의 경우 조작능력이 미숙하여 탑승장치의 기울임 정도를 제대로 조작할 수 없는 경우가 대부분으로, 탑승장치의 기울임 정도를 급격하게 조작할 경우 탑승장치가 급출발하여 주변 장애물에 부딪히거나 전복하는 등 안전문제가 발생한다.
이를 극복하고자 하는 기술이 제시되고 있는데, 일례로, [한국공개특허 2009-0012505(2009.02.04 공개), "삼륜 주행장치"](이하 선행기술 3)에 제시되고 있다. 도 10b에서 보는 바와 같이, 상기 선행기술 3은 하측에 구성된 지지바퀴(10)가 지면에 닿고, 쇼크업소버(15)와 연결되도록 로드브래킷(13)을 부착한 바퀴로드(11)를 구성하고, 바퀴로드(11)의 상단을 축으로 조정대(3)에 부착되어 지지바퀴(10)의 위치가 움직이도록 바퀴로드(11)를 조정대(3)에 로드힌지(12)로 연결하고, 조정대(3)에 조정대 브래킷(14)을 구성하고 로드브래킷(13)과 조정대 브래킷(14) 사이를 쇼크업소버(15)로 연결하여 구성한 삼륜 주행장치를 구성하고 있다.
그러나 상기 선행기술 3은 노면이 고르지 못하거나 돌부리 등 작은 장애물이 있는 경우 보다 안전한 주행을 할 수 있으나, 의자나 화분 등 장애물이 있는 경우 충돌의 위험이 매우 크다.
특히 상기 선행기술 3은 상기 선행기술 1과 2와 같이, 자세변형을 통해 방향을 제어하므로, 탑승장치 전체의 무게중심이 이동하는 것으로 바퀴가 물체에 걸려 탑승장치 이동에 장애가 생길 경우 자세가 심하게 기울지고 이로 인한 과도한 동작이 발생하여 사고로 이어진다.
또, 주변환경 인식 기능을 부가하여 자동 정지 기능을 실행할 경우, 이동상태에서 자세가 기울어져 있다면 탑승장치가 자체적으로 정지(회피)를 할 때 탑승자가 넘어지는 상황이 발생한다. 따라서 탑승자가 움직이고자 하는 동작의도를 인식하고 또한 사용자가 그 동작에 대응한 자세(이동방향으로 몸을 기울임)를 취하도록 유도하는 것은 필요하나, 탑승장치 전체의 자세나 중심이 이동하여 동작 자유도(기울어진 방향으로 밖에 움직이지 못함)를 제약하지 않도록 하여야 한다.
특히, 주변환경을 인식하는 이유는 탑승자가 노화, 병증 등으로 신체기능이 활발치 않거나 주의분산으로 장애물을 향하는 기동을 할 경우, 충돌 또는 급정지에 따른 위험을 방지하여야 한다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 탑승자의 자세를 인식하여 이동방향을 결정하고 장애물을 회피하여 주행하는 1인 기립식 탑승로봇 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
또, 본 발명의 목적은 전(全)방향 이동이 가능한 주행장치를 구비하고, 압력센서, 이미지 센서, 또는 광센서를 통해 탑승자의 자세를 인식하는 1인 기립식 탑승로봇 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
또, 본 발명의 목적은 이동방향으로 가상 거리에 위치하는 지점을 이동 목적지로 정하고, 이동로봇의 장애물 회피 알고리즘에 의해 주행경로를 구하여 주행하는 1인 기립식 탑승로봇 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 1인 기립식 탑승로봇에 관한 것으로서, 구동바퀴와 상기 구동바퀴를 구동시키는 구동모터를 구비하고, 상기 구동바퀴 위에 장착된 발판과 상기 발판 일측 상에 설치되는 손잡이대를 포함하는 주행장치; 탑승자의 자세를 인식하여 이동방향을 결정하는 사용자 의도인식 센서; 상기 주행장치의 장애물을 인식하는 장애물 센서; 및 상기 사용자 의도인식 센서에 의한 이동방향으로, 상기 주행장치를 주행하도록 상기 구동모터를 제어하는 제어장치를 포함하고, 상기 제어장치는 상기 이동방향에 장애물이 인식되면, 상기 장애물을 회피하여 주행하도록 상기 구동모터를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 1인 기립식 탑승로봇에 있어서, 상기 사용자 의도인식 센서는 상기 발판에 설치되는 압력센서를 구비하고 상기 압력센서에 의해 인식되는 탑승자의 무게중심에 따라 이동방향을 결정하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 1인 기립식 탑승로봇에 있어서, 상기 사용자 의도인식 센서는 상기 손잡이대에 설치되는 이미지 센서를 구비하고 상기 이미지 센서에 의해 인식되는 탑승자의 어깨 위치에 따라 이동방향을 결정하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 1인 기립식 탑승로봇에 있어서, 상기 사용자 의도인식 센서는 상기 발판 둘레에 설치되는 광센서를 구비하고 상기 광센서에 의해 인식되는 탑승자의 위치에 따라 이동방향을 결정하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 1인 기립식 탑승로봇에 있어서, 상기 장애물 센서는 상기 주행장치의 둘레에 일정한 간격으로 설치되는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 1인 기립식 탑승로봇에 있어서, 상기 제어장치는 이동로봇의 장애물 회피 알고리즘을 이용하여 주행경로를 구하되, 상기 장애물 회피 알고리즘의 이동 목적지를 현재 위치에서 이동방향으로 가상 거리에 위치하는 지점으로 정하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 1인 기립식 탑승로봇에 있어서, 상기 제어장치는 상기 사용자 의도인식 센서에 의해 측정되는 탑승자의 자세 인식의 크기에 따라 상기 가상 거리를 더 멀게 하여 상기 이동 목적지를 설정하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 1인 기립식 탑승로봇에 있어서, 상기 탑승로봇은 상기 주행장치의 둘레에 설치되는 원형의 회전링을 더 포함하고, 상기 회전링은 주행장치와 사이에 베어링을 구비하여 주행장치의 회전과 무관하게 회전할 수 있도록 설치되는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 1인 기립식 탑승로봇에 있어서, 상기 회전링에 접촉센서가 구비되고, 상기 제어장치는 상기 접촉센서에 의해 장애물과의 접촉을 인식하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 구동바퀴와 구동모터, 발판, 손잡이대를 구비한 주행장치와, 탑승자의 자세를 인식하여 이동방향을 센싱하는 사용자 의도인식 센서, 상기 주행장치의 장애물을 인식하는 장애물 센서를 포함하는 1인 기립식 탑승로봇의 제어방법에 관한 것으로서, (a) 상기 사용자 의도인식 센서에 의해 탑승자의 자세를 인식하여 이동방향을 결정하는 단계; (b) 상기 장애물 센서에 의해 장애물을 인식하는 단계; (c) 상기 주행장치의 현재 위치에서 상기 이동방향으로 가상 거리에 위치하는 지점을 이동 목적지로 설정하는 단계; 및 (d) 현재 위치에서 상기 이동 목적지까지 주행하되, 인식된 장애물을 회피하여 주행하도록 상기 주행장치의 구동모터를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 1인 기립식 탑승로봇의 제어방법에 있어서, 상기 (d)단계에서, 상기 사용자 의도인식 센서에 의해 측정되는 탑승자의 자세 인식의 크기에 따라 상기 가상 거리를 더 멀게 하여 상기 이동 목적지를 설정하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명은 1인 기립식 탑승로봇의 제어방법에 있어서, 상기 (d)단계에서, 이동로봇의 장애물 회피 알고리즘을 이용하여 현재 위치에서 상기 이동 목적지까지의 주행경로를 구하고, 상기 주행경로에 따라 주행하도록 상기 주행장치의 구동모터를 제어하되, 상기 장애물 회피 알고리즘에 인식된 상기 장애물을 포함시켜 주행경로를 구하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 1인 기립식 탑승로봇 및 그 제어방법에 의하면, 탑승자의 자세 또는 무게중심에 의해 이동방향을 설정하더라도 탑승장치의 무게중심을 안정점 안에 유지함으로써, 장애물을 피하기 위해 정지 또는 방향전환을 하더라도 탑승자가 일방향으로 중심이 쏠리는 것을 방지할 수 있는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명에 따른 1인 기립식 탑승로봇 및 그 제어방법에 의하면, 이동로봇의 장애물 회피 알고리즘에 의해 주행경로를 구하여 주행함으로써, 탑승자가 원하는 이동방향에 존재하는 장애물을 자동으로 회피하여 충돌을 방지할 수 있는 효과가 얻어진다.
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면에 따라서 설명한다.
또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.
먼저, 본 발명의 일실시예에 따른 1인 기립식 탑승로봇 구성에 대하여 도 1내지 도 3을 참조하여 설명한다.
도 1 내지 도 3에서 보는 바와 같이, 기립식 탑승로봇(100)은 주행장 치(110), 사용자 의도인식 센서(210), 장애물 센서(220)로 구성된다. 또한, 주행장치(110)의 구동모터(112)를 제어하는 제어장치(200)를 포함한다.
주행장치(110)는 구동바퀴(111)와 구동모터(112)를 구비하여, 구동모터(112)의 작동에 따라 구동바퀴(111)에 의해 이동할 수 있는 장치이다. 특히, 주행장치(110)는 전(全)방향 구동장치인 것이 바람직하다.
일례로서, 도 3과 같이, 주행장치(110)는 세 개의 구동바퀴(111)로 구성되어, 어느 방향으로도 회전이 가능하고 어느 방향으로도 직진할 수 있는 전방향 구동장치이다. 도 3과 같은 세 바퀴의 전방향 구동장치 외에 어느 전방향 구동장치도 본 발명에 적용이 가능하다. 전방향 구동장치는 로봇 분야에서 공지기술이므로, 구체적 설명은 생략한다.
한편, 주행장치(110)의 구동바퀴(111) 위에 발판(120)이 장착된다. 발판(120)은 탑승자(300)가 양 발을 디뎌 기립하는 공간이다. 또, 상기 발판(120)의 일측 상에는 손잡이대(130)가 설치된다. 손잡이대(130)는 탑승자(300)가 발판(120) 상에 올라서서 기립하면 중심을 잡기 위해 손으로 잡을 수 있는 지지대이다. 따라서 도 1과 같이, 탑승자(300)는 두 발로 발판(120) 상에 올라서서 기립하고, 양손으로 손잡이대(130)를 잡고 안정되게 주행을 할 수 있다.
바람직하게는, 손잡이대(130)는 발판(120)의 일측에서 수직 상향으로 설치되는 손잡이대 프레임(131)과 프레임 일단에 설치되는 손잡이(132)로 구성된다. 탑승자(300)는 손잡이(132)를 잡음으로써 안정적으로 균형을 잡을 수 있다.
사용자 의도인식 센서(210)는 탑승자의 자세를 인식하여 이동방향을 결정하 는 센서이다. 탑승자의 자세로부터 이동방향을 결정할 수 있는 방식은 3가지 실시예가 있다. 상기 각 방식은 사용자 의도인식 센서(210)로서 각각 압력센서(211), 광센서(212), 이미지 센서(213)를 이용한다.
압력센서(211)를 이용하는 실시예는 탑승자(300)의 무게중심을 이용하는 방식이다. 압력센서(211)는 주행장치(110)의 발판(120) 아래에 설치되어 탑승자(300)의 무게중심을 감지한다. 특히, 탑승자(300)의 양발에서의 무게중심을 감지하여, 무게중심이 오른발 또는 왼발에 실리는지, 각 발의 앞쪽인지 뒤쪽에 실리는지를 감지한다.
도 4에서 보는 바와 같이, 탑승자(300)가 몸을 앞쪽으로 향하게 하여 발의 앞쪽으로 무게중심을 이동시키면 탑승자(300)의 전면으로 이동방향을 결정하거나, 몸을 뒤쪽으로 향하게 하여 발의 뒤쪽으로 무게중심을 이동시키면 탑승자(300)의 후면으로 이동방향을 결정한다. 또, 탑승자(300)의 발 무게중심을 오른쪽 또는 왼쪽으로 이동시키면, 무게중심이 이동되는 방향으로 주행시킨다. 한편, 오른발의 무게중심은 앞쪽으로, 왼발의 무게중심을 뒤쪽으로 준다면 시계 반대방향으로 회전시키고, 그 반대이면 시계 방향으로 회전시킨다.
두 번째 실시예로서, 광센서(212)를 이용하여 이동방향을 결정하는 방식이다. 도 5와 같이, 주행장치(110)의 발판(120) 둘레에 다수의 광센서(212)를 구비한다. 바람직하게는 발판(120)의 둘레에 일정한 간격으로 광센서(212)를 설치한다.
광센서(212)는 발판(120)에서 수직되는 방향의 광량을 센싱한다. 탑승자가 몸을 기울임에 따라 각 위치의 광량 분포가 달라진다. 도 6에서 보는 바와 같이, 탑승자(300)가 앞쪽으로 몸을 기울이면 탑승자의 몸에 가려 전방향의 광량이 적게 센싱되고, 몸을 뒤쪽으로 기울이면 후방향의 광량이 적게 센싱된다. 이때, 각각 전방향 또는 후방향으로 이동방향이 결정된다. 또, 탑승자(300)가 좌우로 몸을 기울이면, 각각 좌우로 이동방향이 결정된다. 또한, 탑승자(300)가 시계방향으로 몸을 회전하면 적은 광량이 센싱되는 위치도 시계방향으로 변화하게 된다.
세 번째 실시예로서, 이미지센서(213)를 이용하여 이동방향을 결정하는 방식이다. 이미지 센서(213)는 손잡이대(130)에 설치되어 탑승자(300)의 상체(또는 어깨)의 움직임을 인식한다. 탑승자(300)의 상체를 인식해야 하므로, 이미지센서(213)는 손잡이대(130)의 윗부분에 설치되는 것이 바람직하다. 이미지센서(213)는 카메라를 이용하는 것이 더욱 바람직하다.
카메라를 이용하는 경우, 탑승자(300)의 전면 하부에 카메라를 설치하여 탑승자(300)를 인식할 경우, 탑승자(300)가 몸을 앞으로 숙이면 영상에 탑승자 몸이 차지하는 부분이 많아질 것이고, 뒤로 제끼면 작아질 것이다. 몸을 좌우로 움직인다던가, 회전하는 경우에도 영상에서 탑승자 몸이 나타나는 패턴을 인식하여, 회전방향을 결정한다. 즉, 도 6에서 보는 바와 같이, 탑승자(300)의 상체 움직임을 인식하여 전후, 좌우, 회전에 대한 자세를 알아내고, 이를 통해 이동방향을 결정한다.
장애물 센서(220)는 주행장치(110)의 주변에 존재하는 장애물을 인식하는 센서이다. 따라서 장애물 센서(220)는 주행장치(110)의 둘레에 일정한 간격으로 설치되는 것이 바람직하다. 즉, 적어도 상하좌우 4 방향에 설치되는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 주행장치(110)는 전방향 구동장치이므로 한 위치에서 어느 방향으로도 주행할 수 있다. 따라서 각 방향에 장애물이 있는지를 확인해야 하므로 모든 방향의 장애물을 센싱할 수 있도록 장애물 센서(220)를 설치하는 것이 바람직하다.
장애물 센서(220)는 적외선 센서 또는 이미지 센서 등을 이용할 수 있다. 전방향의 물체를 인식할 수 있는 센서는 어느 것이나 적용될 수 있다.
제어장치(200)는 주행장치(110)의 이동방향에 장애물이 인식되면, 상기 장애물을 회피하여 주행하도록 주행장치(110)의 구동모터(112)를 제어한다. 제어장치(200)는 사용자 의도인식 센서(210)로부터 주행장치(110)가 이동하려는 방향을 인식하고, 장애물 센서(220)로부터 이동방향에 존재하는 장애물을 인식한다. 만약 이동방향에 장애물이 존재하는 것으로 인식되면, 제어장치(200)는 장애물을 회피하도록 주행경로를 구한다.
바람직하게는, 제어장치(200)는 장애물을 회피하기 위하여, 이동로봇의 장애물 회피 알고리즘을 이용하여 주행경로를 구하되, 상기 장애물 회피 알고리즘의 이동 목적지를 현재 위치에서 이동방향으로 가상 거리에 위치하는 지점으로 정한다.
이동로봇의 장애물 회피 알고리즘은 이동로봇 분야에서 로봇이 주행시 장애물을 회피하여 주행경로를 구하는 알고리즘이다. 일반적으로 이동로봇의 장애물 회피 알고리즘은 현재 이동로봇의 위치와 이동로봇이 이동하고자 하는 목적지가 주어지고 이동로봇이 이동하고자 하는 경로 상에서의 장애물의 위치가 주어지면, 현재 위치에서 목적지까지의 주행경로를 구하되 주어진 장애물을 회피하는 주행경로를 구하는 알고리즘이다.
제어장치(200)는 이동로봇의 장애물 회피 알고리즘을 이용하되, 목적지를 주행방향에 따라 임의로 설정한다. 예를 들어, 사용자 의도인식 센서(210)에 의해 인식되는 주행방향이 12시 방향이면, 제어장치(200)는 현재 위치에서 12시 방향으로 5m 전방에 위치하는 지점을 목적지로 설정한다. 이때 5m 의 거리가 곧 "가상 거리"를 의미한다. 따라서 제어장치(200)는 주행방향에 따라 또는 어느 정도 이동하고 나면, 항상 목적지를 다시 설정하여 주행경로를 새로 구한다.
도 7a에서 보는 바와 같이, 제어장치(200)는 장애물 회피 알고리즘에 따라 주행장치(110)의 이동방향에 장애물이 존재하면 이를 회피하여 주행한다. 즉, 주행장치(110)가 이동하려는 전방에 장애물이 있으면 이를 회피하여 우측으로 이동한다. 도 7b의 (b) 또는 (c)는 탑승자(300)가 몸을 앞으로 기울여 감지되는 이동방향은 12시 방향이나, 장애물을 회피하여 실제 이동경로가 휘어지거나 좌측으로 이동하는 일례를 보여주고 있다.
세그웨이, 윙렛 같은 것들도 자세변형을 통해 방향을 제어하나 기구 전체의 무게중심을 이동시키므로, 바퀴가 물체에 걸려 동체이동에 장애가 생길 경우 자세가 심하게 기울지고 이로 인한 과도한 동작이 발생하여 사고로 이어지는 경우가 있다. 이에 반해, 본 발명의 탑승장치(100)는 이동상태에서 자세가 기울져 있더라도 탑승자의 무게중심(자세)은 이동하지만 기구전체의 무게중심은 안정점 안에 유지될 수 있다.
특히, 본 발명은 장애물을 인식하여 자동 정지하므로, 충돌의 위험을 방지할 수 있다. 장애물을 인식하는 이유는 사용자가 노화, 병증 등으로 신체기능이 활발 치 않거나 주의분산으로 장애물을 향하는 기동을 할 경우의 위험을 방지하기 위한 것이다. 즉, 기존의 기구 같은 경우 탑승자의 조작에 의해 환경상황과 관계없이 기동하게 됨으로써 발생할 수 있는 사고를 방지할 수 있다. 예를 들어, 도 7a와 같이, 탑승자(300)의 전면에 장애물이 존재함에도 불구하고, 몸을 앞으로 기울이고 있는 상태라면 충돌이 발생할 것이다. 이런 경우 사용자의 의도에 불구하고 본 발명에 의한 탑승로봇은 전진기동을 거부한다. 대신 장애물이 없는 방향(측면)으로의 이동은 실행한다.
한편, 전방향 주행장치로 구성한 것은 사람의 보행자유도를 충실히 구현하기 위한 것이다. 종래의 탑승장치들은 진행하고자 하는 경로를 따라 기구의 방향이 바뀌어야만 하므로, 도 7b의 (a)와 같은 형태로 주행한다. 그러나 일반적인 사람의 보행은 전방향이동이 가능한 형태로 사용자가 특정방향을 주시하면서 이동하거나, 진행경로 상황으로 인해 일시적으로 최종목적지의 방향과 다른 방향으로 이동하게 될 경우 도 7b의 (b)와 (c)의 경우처럼 이동궤적과 탑승자의 방향이 다를 수도 있다. 본 발명은 사람의 보행과 같이, 탑승자의 방향과 다른 방향으로의 이동시에도 안전을 보장할 수 있다. 또한, 본 발명의 탑승장치(100)는 일반 보행자들과 같은 공간에서 활동하는 특성상 (엘리베이터 같은 좁은 공간에서) 제자리 회전은 필수적이므로 전방향 주행장치가 바람직하다. 본 발명은 독립된 회전동작이 가능한 전방향 구조를 채용하고 있다.
한편, 바람직하게는, 제어장치(200)는 상기 사용자 의도인식 센서(210)에 의 해 측정되는 탑승자의 자세 인식의 크기에 따라 상기 가상 거리를 더 멀게 하여 상기 이동 목적지를 설정할 수 있다.
예를 들어, 가상 거리는 5 - 20m 이내로 한정하고, 탑승자(300)의 자세 인식 크기에 비례하여 이 범위의 임의 값을 가상거리로 정할 수 있다. 압력센서(211)의 경우, 센싱되는 압력의 크기가 클수록 자세 인식이 큰 것으로 판단하거나, 광센서(212)의 경우, 광량 분포가 더 적어질수록 자세 인식이 큰 것으로 판단한다. 또, 이미지 센서(213)의 경우, 상체가 일방향으로 더욱 더 많이 기울어질수록 자세 인식의 크기가 큰 것으로 판단한다.
일반적으로, 탑승자(300)의 자세가 클수록 탑승자(300)는 그 방향으로 더욱 빨리 가고자하는 것을 나타낸다. 따라서 이동방향으로 장애물이 없다면 보다 빠른 속도로 주행할 수 있다. 그러나 제어장치(200)는 장애물 회피 알고리즘에 의해 가상거리 이내의 장애물만 인식한다. 만약 가상거리가 짧다면, 제어장치(200)는 짧은 범위 안의 장애물만 인식하므로, 이 범위에 벗어나는 장애물을 인식하고 있지 못하다가 이동함에 따라 장애물을 인식하게 되면 속도를 멈추거나 갑자기 방향을 바꾸어야 한다. 이때, 주행장치(110)가 빠른 속도로 이동하고 있다면 갑자스런 방향전환이나 멈춤으로 인해, 탑승자(300)는 무게중심을 잃고 넘어질 수 있다. 따라서 빠른 속도로 이동하기 위해서는 보다 먼 거리에 존재하는 장애물도 인식해야 한다.
그러나 가상거리를 항상 멀게 고정시키는 것도 문제가 있다. 예를 들어 5m 반경 내에서 주변을 천천히 왔다갔다 하는 경우나, 지그재그로 구경하면서 천천히 이동하는 경우에는, 굳이 먼 거리의 장애물까지 인식하여 주행경로를 구할 필요가 없다. 먼 거리의 장애물까지 인식하여 주행경로를 구하려면 많은 컴퓨팅 파워가 필요하므로, 필요없은 연산을 많이 해야 한다.
따라서 제어장치(200)는 상황에 따라 가상거리의 길이를 달리하여 불필요한 연산을 줄일 수 있다.
한편, 상기와 같은 구성을 가진 제어장치(200)는 회로로 구성할 수도 있고, 마이컴 칩에 작성된 프로그램을 입력하여 구현시킬 수도 있다. 제어장치(200)의 구현 기술은 설계사항이므로 구현시 최적의 구성에 따라 여러 가지 중 하나가 선택될 수 있다.
바람직하게는, 도 8에서 보는 바와 같이, 탑승로봇(100)은 주행장치(110)의 둘레에 설치되는 원형의 회전링(140)을 더 포함하고, 상기 회전링(140)은 주행장치(110)와 사이에 베어링(141)을 구비하여 주행장치(110)의 회전과 무관하게 회전할 수 있도록 구성된다.
회전링(140)은 탑승장치(100)가 장애물에 걸린 경우(또는 접촉된 경우)에도 주행장치(110)가 회전하거나 주행할 수 있도록 하기 위한 장치이다. 예를 들어, 탑승자(300)가 탑승장치(100)를 타고 엘리베이터를 탄 경우, 주변에 서 있는 사람들과 맞닿을 수 있다. 특히, 주행장치(110)와 사람들의 발과 접촉하는 경우에도, 주행장치(110)는 회전이 가능하다.
더욱 바람직하게는, 회전링(140)에 접촉센서(222)가 구비되고, 상기 제어장 치(200)는 상기 접촉센서(222)에 의해 장애물과의 접촉을 인식한다. 즉, 접촉센서(222)는 장애물 센서(220)의 또 다른 실시예이다. 즉, 장애물 센서(220)로 적외선 센서(221) 이외에 접촉센서(222)가 이용될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 1인 기립식 탑승로봇의 제어방법을 도 9를 참조하여 설명한다.
상기 1인 기립식 탑승로봇의 제어방법은 구동바퀴(111)와 구동모터(112), 발판(120), 손잡이대(130)를 구비한 주행장치(110)와, 탑승자(300)의 자세를 인식하여 이동방향을 센싱하는 사용자 의도인식 센서(210), 상기 주행장치(110)의 장애물을 인식하는 장애물 센서(220)를 포함하는 1인 기립식 탑승로봇에 대한 제어방법이다.
도 9에서 보는 바와 같이, 상기 1인 기립식 탑승로봇의 제어방법은 (a) 사용자 의도인식 센서(210)에 의해 탑승자의 자세를 인식하여 이동방향을 결정하는 단계(S10); (b) 장애물 센서(220)에 의해 장애물을 인식하는 단계(S20); (c) 주행장치(110)의 현재 위치에서 상기 이동방향으로 가상 거리에 위치하는 지점을 이동 목적지로 설정하는 단계(S30); 및 (d) 현재 위치에서 상기 이동 목적지까지 주행하되, 인식된 장애물을 회피하여 주행하도록 주행장치(110)의 구동모터(112)를 제어하는 단계(S40)로 구분된다.
특히, 상기 (d)단계에서, 상기 사용자 의도인식 센서(210)에 의해 측정되는 탑승자의 자세 인식의 크기에 따라 상기 가상 거리를 더 멀게 하여 상기 이동 목적 지를 설정한다.
또한, 상기 (d)단계에서, 이동로봇의 장애물 회피 알고리즘을 이용하여 현재 위치에서 상기 이동 목적지까지의 주행경로를 구하고, 상기 주행경로에 따라 주행하도록 주행장치(110)의 구동모터(112)를 제어하되, 상기 장애물 회피 알고리즘에 인식된 상기 장애물을 포함시켜 주행경로를 구한다.
상기 1인 기립식 탑승로봇의 제어방법에서 생략된 설명은 앞서 기재된 1인 기립식 탑승로봇의 설명을 참조한다.
이상, 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명은 탑승자의 자세를 인식하여 이동방향을 결정하고 장애물을 회피하여 주행하는 1인 기립식 탑승로봇을 개발하는데 적용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 1인 기립식 탑승로봇의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 1인 기립식 탑승로봇의 구성에 대한 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 구동바퀴 및 구동모터의 일례를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 사용자 의도인식 센서의 제1 실시예를 예시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 사용자 의도인식 센서의 제2 실시예를 예시한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 사용자 의도인식 센서의 제3 실시예를 예시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 주행장치의 주행경로의 일례를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 회전링의 사시도이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 1인 기립식 탑승로봇의 제어방법을 실시 하는 흐름도이다.
도 10은 종래의 기술에 의한 1인 기립식 탑승장치를 예시한 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 1인 기립식 탑승로봇 110 : 주행장치
111 : 구동바퀴 112 : 구동모터
120 : 발판 130 : 손잡이대
131 : 손잡이대 프레임 132 : 손잡이
133 : 배터리 140 : 회전링
141 : 회전링 베어링 200 : 제어장치
210 : 사용자 의도인식 센서 211 : 압력센서
212 : 광센서 213 : 이미지 센서
220 : 장애물 센서 221 : 적외선 센서
222 : 접촉센서 300 : 탑승자

Claims (12)

  1. 구동바퀴와 상기 구동바퀴를 구동시키는 구동모터를 구비하고, 상기 구동바 퀴 위에 장착된 발판과 상기 발판 일측 상에 설치되는 손잡이대를 포함하는 주행장치;
    탑승자의 자세를 인식하여 이동방향을 결정하는 사용자 의도인식 센서;
    주행방향의 장애물을 인식하는 장애물 센서; 및
    상기 사용자 의도인식 센서에 의해 지시된 이동방향으로, 상기 주행장치를 주행하도록 상기 구동모터를 제어하는 제어장치를 포함하고,
    상기 제어장치는 상기 이동방향에 장애물이 인식되면, 상기 장애물을 회피하여 주행하도록 상기 구동모터를 제어하는 것을 특징으로 하는 1인 기립식 탑승로봇.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 사용자 의도인식 센서는 상기 발판에 설치되는 압력센서를 구비하고 상기 압력센서에 의해 인식되는 탑승자의 무게중심에 따라 이동방향을 결정하는 것을 특징으로 하는 1인 기립식 탑승로봇.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 사용자 의도인식 센서는 상기 손잡이대에 설치되는 이미지 센서를 구비하고 상기 이미지 센서에 의해 인식되는 탑승자의 어깨 위치에 따라 이동방향을 결 정하는 것을 특징으로 하는 1인 기립식 탑승로봇.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 사용자 의도인식 센서는 상기 발판 둘레에 설치되는 광센서를 구비하고 상기 광센서에 의해 인식되는 탑승자의 위치에 따라 이동방향을 결정하는 것을 특징으로 하는 1인 기립식 탑승로봇.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 장애물 센서는 상기 주행장치의 둘레에 일정한 간격으로 설치되는 것을 특징으로 하는 1인 기립식 탑승로봇.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어장치는 이동로봇의 장애물 회피 알고리즘을 이용하여 주행경로를 구하되, 상기 장애물 회피 알고리즘의 이동 목적지를 현재 위치에서 이동방향으로 가상 거리에 위치하는 지점으로 정하는 것을 특징으로 하는 1인 기립식 탑승로봇.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어장치는 상기 사용자 의도인식 센서에 의해 측정되는 탑승자의 자세 인식의 크기에 따라 상기 가상 거리를 더 멀게 하여 상기 이동 목적지를 설정하는 것을 특징으로 하는 1인 기립식 탑승로봇.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 탑승로봇은 상기 주행장치의 둘레에 설치되는 원형의 회전링을 더 포함하고,
    상기 회전링은 주행장치와 사이에 베어링을 구비하여 주행장치의 회전과 무관하게 회전할 수 있도록 설치되는 것을 특징으로 하는 1인 기립식 탑승로봇.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 회전링에 접촉센서가 구비되고,
    상기 제어장치는 상기 접촉센서에 의해 장애물과의 접촉을 인식하는 것을 특징으로 하는 1인 기립식 탑승로봇.
  10. 구동바퀴와 구동모터, 발판, 손잡이대를 구비한 주행장치와, 탑승자의 자세 를 인식하여 이동방향을 센싱하는 사용자 의도인식 센서, 상기 주행장치의 장애물을 인식하는 장애물 센서를 포함하는 1인 기립식 탑승로봇의 제어방법에 있어서,
    (a) 상기 사용자 의도인식 센서에 의해 탑승자의 자세를 인식하여 이동방향을 결정하는 단계;
    (b) 상기 장애물 센서에 의해 장애물을 인식하는 단계;
    (c) 상기 주행장치의 현재 위치에서 상기 이동방향으로 가상 거리에 위치하는 지점을 이동 목적지로 설정하는 단계; 및
    (d) 현재 위치에서 상기 이동 목적지까지 주행하되, 인식된 장애물을 회피하여 주행하도록 상기 주행장치의 구동모터를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 1인 기립식 탑승로봇의 제어방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 (d)단계에서, 상기 사용자 의도인식 센서에 의해 측정되는 탑승자의 자세 인식의 크기에 따라 상기 가상 거리를 더 멀게 하여 상기 이동 목적지를 설정하는 것을 특징으로 하는 1인 기립식 탑승로봇.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 (d)단계에서, 이동로봇의 장애물 회피 알고리즘을 이용하여 현재 위치 에서 상기 이동 목적지까지의 주행경로를 구하고, 상기 주행경로에 따라 주행하도록 상기 주행장치의 구동모터를 제어하되, 상기 장애물 회피 알고리즘에 인식된 상기 장애물을 포함시켜 주행경로를 구하는 것을 특징으로 하는 1인 기립식 탑승로봇.
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