빠른 속도로 움직이는 인간에 대한 지능적인 추종알고리즘과 전방향 서비스 로봇으로의 응용에 대한 연구

Abstract

본 학위논문에서는 빠른 속도로 움직이는 인간에 대한 지능적인 추종알고리즘을 제안하고 그 알고리즘을 마라톤 서비스 로봇에 적용한다. 또한 새로운 개념의 사람 추종 알고리즘을 소개한다. 그리고 이러한 사람 추종기법을 전방향 모바일 플랫폼에 응용하여 노약자나 장애인을 위한 로봇응용을 제안한다. 또한 기구학적 여유자유도를 지니는 전방향 모바일 로봇의 다양한 움직임을 구현하기 위해 기구적 모델링과 로봇의 특이점 해석을 수행한다. 첫 번째로 마라톤 선수가 훈련하는 동안 여러 서비스를 제공할 수 있는 마라톤 서비스 로봇을 위해 인체 감지 알고리즘과 장애물 회피 알고리즘을 제안한다. 마라톤 서비스 로봇으로 사용되기 위해서 모바일 로봇은 불규칙한 실외 환경에서 달리는 사람을 따라가고 역동적으로 움직이는 장애물을 피할 수 있는 능력을 지녀야 한다. 따라서 레이저 거리 측정기를 이용하여 사람을 감지하기 위해 레이저 거리 측정기로부터 얻은 데이터로부터 사람 몸의 특징점을 정의하고, Support Vector Data Description 라고 불려지는 기계학습법을 적용한다. 달리는 사람을 추종하는 동안 움직이는 장애물을 회피하기 위한 로봇과 장애물간의 상대속도를 이용해 장애물의 반지름에 가중치를 적용하는 방법을 제안한다. 마라톤 서비스 로봇이 충돌 없이 장애물을 안전하게 피해가기 위해서 움직이는 장애물 회피 알고리즘을 구현한다. 이 알고리즘은 로봇과 장애물 주변의 가장 짧은 경로와의 위치 벡터를 실시간으로 계산한다. 제안된 알고리즘은 여러 실외 환경에서의 실험을 통해 실현 가능성을 입증한다. 두 번째로는 사람 앞에서 모바일 로봇이 사람을 추종하는 알고리즘을 제안한다. 이 알고리즘을 구현하기 위해 레이저 거리 측정기가 장착된 차동 구동형 모바일 로봇을 사용하였다. 실외 환경에서 강인하게 사람을 추종하기 위해서 사람의 몸체부분을 스캔하는 것을 권장하고, 사람의 앞에서 사람을 추종하기 위해 사람의 속도 벡터를 이용한 가상의 목표를 정한다. 그리고 보다 효율적인 로봇의 움직임을 위해 사람과 로봇의 움직임 벡터를 이용해 로봇의 진행방향을 결정하는 방법을 제안하고 실험을 통해서 알고리즘의 효용성을 입증한다. 세 번째로는 JASIT Active Robotic Walker(JARoW) 라는 로봇의 새로운 제어 기법을 제안한다. 이 로봇은 보행에 어려움이 있는 노인에게 보행 능력을 보조해주는 장치이다. 실제적인 사용을 위해 사용자의 자연스러운 행동을 어떻게 쉽게 인식하고 신뢰성 있는 인터페이스를 구현하는가 핵심 기술이다. 특히 사용자의 의도를 감지하여 로봇을 구동하는 제어장치의 개발이 어려운 부분이다. 따라서 실시간으로 사용자의 다리와 몸의 위치를 추종하기 위해 칼만필터를 적용하고, 사용자의 보행 패턴에 따라 JARoW의 움직임을 결정함으로써 사용자의 추가적인 외부 입력 없이 JARoW가 스스로 움직임 방향과 속도를 생성할 수 있도록 하는 제어 알고리즘을 개발하고 실제 실험을 통해 효용성을 입증한다. 네 번째로는 기구학적 여유자유도를 지니는 모바일 로봇을 위한 제어 알고리즘을 제안한다. 우선 여러 개의 관절을 가지면서 확장도 가능한 행성 탐사선 중에 도쿄공업대학에서 개발한 Tri-Star3 로봇에 대한 기구학적 해석을 수행한다. 이 로봇의 각 chain은 각각 하나씩 기구학적 여유자유도가 있기 때문에 다양한 모양을 만들 수 있다. 그러나 이 로봇은 작업공간에서 특이점을 지니기 때문에 기구학적 여유자유도를 자유롭게 이용할 수가 없음을 제시한다. 따라서 불연속적인 움직임 제어 알고리즘을 제안하고, 이러한 형태의 로봇의 움직임을 향상시키기 위해서 특이점이 없는 개선된 바퀴 구조를 제안한다. 그리고 다양한 성능지수를 활용하여 이 개선된 로봇의 장점을 제시한다. 마지막으로 기구학적 여유자유도를 지니는 전방향 모바일 로봇에 대한 기구학적 모델링과 특이점 해석을 수행하고 각 chain의 기구학적 자유도를 활용한 다양한 모션 계획 알고리즘을 제안한다. 그리고 이 로봇의 odometry를 이용한 내비게이션 알고리즘을 제안한다. 특히 큰 장애물과 작은 장해물을 동시에 고려하는 이중 장애물 회피 알고리즘을 제안하고 이 알고리즘의 실용성을 시뮬레이션과 실험을 통해서 입증한다.