로봇 원격조종 방법은 1:1, 1:N, N:1, 그리고 N:N의 다양한 방법이 있다. 오퍼레이터가 원격지 로봇을 제어하기 위해서는 로봇의 주변 상황, 모바일 장치의 충돌 가능성, 그리고 매니퓰레이터의 힘을 인지할 수 있어야 한다. 원격조종에서는 데이터 통신과 처리에 소요되는 시간에 따른 지연이 발생하는데, 이 시간 지연은 로봇의 충돌과 햅틱 기반 제어에 있어 양방향 힘 반영에 따른 매니퓰레이터의 바이브레이션과 과도한 힘 반영을 초래할 수 있다. N:N 제어 방식은 근래 개발 중인 조종 기술로 멀티 오퍼레이터가 멀티 로봇을 스위칭하면서 제어하는 구조를 가진다. 이 구조를 구현하기 위해서는 오퍼레이터가 어떤 로봇을 제어할 것인지, 또는 그 로봇의 어떤 장치를 제어할 것인지에 대한 스위칭 기능이 필요하며, 다수의 오퍼레이터가 함께 원격조종을 수행할 때에는 이 스위칭 알고리즘이 반드시 필요하다. 또한 오퍼레이터의 성향에 따라 조종 성향이 달라지므로 이를 일반화하기위한 방안도 요구된다. 본 논문에서는 다수의 로봇과 다수의 오퍼레이터가 원격으로 로봇들을 제어하여 작업을 수행할 수 있는 햅틱 기반 제어 환경을 구축하는 방안과 구현에 대하여 기술한다.
로봇 원격조종 방법은 1:1, 1:N, N:1, 그리고 N:N의 다양한 방법이 있다. 오퍼레이터가 원격지 로봇을 제어하기 위해서는 로봇의 주변 상황, 모바일 장치의 충돌 가능성, 그리고 매니퓰레이터의 힘을 인지할 수 있어야 한다. 원격조종에서는 데이터 통신과 처리에 소요되는 시간에 따른 지연이 발생하는데, 이 시간 지연은 로봇의 충돌과 햅틱 기반 제어에 있어 양방향 힘 반영에 따른 매니퓰레이터의 바이브레이션과 과도한 힘 반영을 초래할 수 있다. N:N 제어 방식은 근래 개발 중인 조종 기술로 멀티 오퍼레이터가 멀티 로봇을 스위칭하면서 제어하는 구조를 가진다. 이 구조를 구현하기 위해서는 오퍼레이터가 어떤 로봇을 제어할 것인지, 또는 그 로봇의 어떤 장치를 제어할 것인지에 대한 스위칭 기능이 필요하며, 다수의 오퍼레이터가 함께 원격조종을 수행할 때에는 이 스위칭 알고리즘이 반드시 필요하다. 또한 오퍼레이터의 성향에 따라 조종 성향이 달라지므로 이를 일반화하기위한 방안도 요구된다. 본 논문에서는 다수의 로봇과 다수의 오퍼레이터가 원격으로 로봇들을 제어하여 작업을 수행할 수 있는 햅틱 기반 제어 환경을 구축하는 방안과 구현에 대하여 기술한다.
There are four methods such as 1:1, 1:N, N:1, and N:N in the tele-operating system for control the remote side robot. The operator must know the information of surroundings of the robot, collision possibility of the mobil equipment, and force feedback of the manipulator. The time delay problem occur...
There are four methods such as 1:1, 1:N, N:1, and N:N in the tele-operating system for control the remote side robot. The operator must know the information of surroundings of the robot, collision possibility of the mobil equipment, and force feedback of the manipulator. The time delay problem occurs in the tele-operating and it causes vibration and expressive power of the manipulator owing to bidirectional force feedback. N:N control technique having been developed lately has a switching algorithm for the operator to select the target robot or it's partial equipment. When multi-operators work together to accomplish a task with multi-robots, the switching facility must be offered. And the automatic tuning skill to generalize the operator's tendency is needed also. We describes the methodologies and skills for developing a haptic-based tele-operating environments to makes it possible to control the remote multi-robots with multi-operators in this paper.
There are four methods such as 1:1, 1:N, N:1, and N:N in the tele-operating system for control the remote side robot. The operator must know the information of surroundings of the robot, collision possibility of the mobil equipment, and force feedback of the manipulator. The time delay problem occurs in the tele-operating and it causes vibration and expressive power of the manipulator owing to bidirectional force feedback. N:N control technique having been developed lately has a switching algorithm for the operator to select the target robot or it's partial equipment. When multi-operators work together to accomplish a task with multi-robots, the switching facility must be offered. And the automatic tuning skill to generalize the operator's tendency is needed also. We describes the methodologies and skills for developing a haptic-based tele-operating environments to makes it possible to control the remote multi-robots with multi-operators in this paper.
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문제 정의
본 논문에서는 Drill-Ship 재난구조용 원격조종 로봇을 개발하면서 이러한 한계를 극복하기 위해 다수 조종자가 원격지에 있는 다수 로봇을 조종할 뿐만 아니라 협조∙협업하면서 작업을 수행할 수 있는 햅틱 기반 N-to-N 원격조종 환경 개발에 관하여 기술한다[3].
본 논문에서는 N-to-N 원격조종용 햅틱 제어 환경 구축에서 로봇의 작업감 인지 문제, 시간 지연에 따른 로봇 제어의 어려움, 그리고 협업을 위한 멀티 로봇 제어 구현 문제 등을 해결하기 위한 원격조종 시스템 구현 방안을 기술한다.
본 논문에서는 다양한 제어 방식에 대해 설명하고 각 제어 방식의 문제점들과 해결을 위한 방안을 기술한다.
본 논문에서는 멀티 오퍼레이터와 멀티 로봇이 서로 협업하는 햅틱 기반의 원격 조종 시스템 구현 방안에 있어 로봇의 원격 조종의 이슈가 되는 문제점들과 이들을 해결하기 위한 방안들을 시스템 구현 방법과 각 시스템에 구현되는 알고리즘을 위주로 설명하였으며, 각각의 문제점들에 대해서 구현된 시스템을 이용하여 실험한 결과를 기술하였다.
제안 방법
- 본 논문에서 제안하고 있는 방식은 다수의 원격지 슬레이브 로봇을 제어하기 위해 다수의 원격제어기를 갖춘 시스템으로 이 구조는 N-to-N 제어 방식으로 1-to-1, N-to-1, 1-to-N 방식을 모두 제공할 수 있다. 이렇게 다양한 제어 방식을 제공하기 위해서는 마스터 장치가 제어하는 슬레이브 로봇 또는 슬레이브 로봇에 장착된 장치 선택을 자유롭게 스위칭 할 수 있는 기능이 필요하다.
- 본 논문에서 제안하는 시스템은 모바일 형태의 슬레이브 로봇을 적용하는 모델로, 슬레이브 로봇에는 매니퓰레이터, 카메라, 그리고 모바일 장비 등이 탑재될 수 있다. 힘반영제어(Force Feed-back Control) 기반의 매니퓰레이터를 장착한 슬레이브의 경우 매니퓰레이터의 안정적인 동작을 위하여 시간지연에 따른 매니퓰레이터의 바이브레이션을 막아줄 수 있는 TDPA(Time Domain Passivity Control Approach)가 POPC Slave Controller에 탑재되어 있는데, 이와 상응하는 기능이 마스터 인터페이스에도 탑재되어 있다.
또한 원격조종 분야에서는 시간 지연 문제가 큰 이슈 중 하나였지만, 본 논문에서 제안한 시스템은 기존의 두 개 통신 노드(마스터 인터페이스↔슬레이브 로봇) 보다 많은 최소 3개(마스터 인터페이스↔MC·SC↔슬레이브 로봇)/최대 4개의 통신 노드(마스터 인터페이스↔MC↔SC↔슬레이브 로봇)를 가지면서도 시간지연 문제까지 극복할 수 있는 환경을 구축하였다.
로봇 A와 B를 작업 현장까지 각각의 마스터 제어기를 이용하여 이동한 후 로봇 A의 매니퓰레이터에 장착된 카메라는 그리퍼의 전방 스위치쪽 영상을 송출하고, 로봇 B에 장착된 카메라는 그리퍼와 스위치의 측면 영상을 송출하게 한다. 이후 로봇 A의 매니퓰레이터 구동에 있어 xy축은 오퍼레이터 A가 담당하고 z축 구동은 오퍼레이터 B가 담당하는 실험을 수행하였다.
본 논문에서 제안하고 있는 N-to-N 제어 방식은 다수의 마스터 제어기, 다수의 슬레이브 로봇, 그리고 마스터 제어기와 슬레이브 로봇 중간에 슬레이브 로봇의 제어의 원활한 수행을 위한 MC(Master Coordinator)와 SC(Slave Coordinator)로 구성되어 있다.
본 논문에서 제안하는 방식으로 여러 명의 오퍼레이터 가 여러 대의 로봇을 조종할 수 있는 원격조종 방식으로 본 논문에서는 이 기술의 개발을 위한 필요 기술로 N:N 대응 원격조종용 서비스 엔진 기술, N:N 원격 조종용 마스터 인터페이스 기술, 그리고 원격 작업용 슬레이브 로봇 시스템 기술을 정의한다.
현재까지 발표된 논문에 의하면 이러한 연구와 실험은 N:N 제어가 아닌 1:N, N:1 그리고 1:N 방식으로 수행되었으며, 따라서 제어 타겟 로봇의 변경이나 로봇 제어 파트의 변경과 같은 제어 타겟 변경의 유연성이 전혀 제공되지 않았다. 본 논문에서 제안하는 방식은 다수의 오퍼레이터가 동일하게 구성된 각각의 마스터 제어환경에서 제어 타겟을 유연하게 선택할 수 있고, 동일 마스터 제어기의 오퍼레이터가 변경되어도 오퍼레이터 성향에 따라 제어 성향 편차가 심하지 않은 상태를 제공함으로써 오퍼레이터가 분산되거나 바뀌는 상황에서도 원활한 원격조종을 수행할 수 있는 환경을 제공하였다. 또한 원격조종 분야에서는 시간 지연 문제가 큰 이슈 중 하나였지만, 본 논문에서 제안한 시스템은 기존의 두 개 통신 노드(마스터 인터페이스↔슬레이브 로봇) 보다 많은 최소 3개(마스터 인터페이스↔MC·SC↔슬레이브 로봇)/최대 4개의 통신 노드(마스터 인터페이스↔MC↔SC↔슬레이브 로봇)를 가지면서도 시간지연 문제까지 극복할 수 있는 환경을 구축하였다.
로봇 A와 B를 작업 현장까지 각각의 마스터 제어기를 이용하여 이동한 후 로봇 A의 매니퓰레이터에 장착된 카메라는 그리퍼의 전방 스위치쪽 영상을 송출하고, 로봇 B에 장착된 카메라는 그리퍼와 스위치의 측면 영상을 송출하게 한다. 이후 로봇 A의 매니퓰레이터 구동에 있어 xy축은 오퍼레이터 A가 담당하고 z축 구동은 오퍼레이터 B가 담당하는 실험을 수행하였다.
대상 데이터
이러한 문제들에 대한 실험 검증을 위하여 두 대의 마스터 환경과 두 대의 슬레이브 로봇(두 대의 카메라와 작업용 매니퓰레이터를 장착한 옴니휠 방식의 모바일 로봇 A와 한 대의 카메라를 장착한 캐스터 방식의 모바일 로봇 B)을 이용하여 팬널에 장착된 스파이크 형태의 작은 버튼을 ON/OFF 시키는 실험을 개발된 시스템을 전혀 사용한 적이 없는 오퍼레이터 20쌍을 동원하여 수행하였다. 두 대의 마스터는 각각의 로봇 구동을 제어하거나 작업용 로봇의 매니퓰레이터를 함께 제어하는 방식을 취하였다.
성능/효과
로봇 원격 조종 환경 구현 연구에 있어 가장 이슈가 되었던 사안들은 제어 데이터 전송 지연과 손실에 따른 로봇의 불안정성과 제어의 어려움 극복, 로봇 협업을 원활하게 수행하기 위한 방안, 로봇의 현재 상황에 대한 오퍼레이터의 인지, 그리고 N:N 제어 기술의 효용성 등이었다.
영상정보 없이는 원격조종이 원천적으로 불가능하였으며, 음향정보 전송이 없을 경우 오퍼레이터 간 의사소통이 불가능하여 협업 시 소요되는 시간이 평균 25% 이상 증가하는 현상을 보였다.
후속연구
멀티 오퍼레이터와 멀티 로봇이 서로 협업하는 햅틱 기반의 원격 조종 시스템 구현은 세계적으로도 연구개발이 진행되고 있는 상황인데, 시스템 구조와 적용되는 알고리즘에 따라 원격 작업의 효율성에 있어 상이한 결과를 초래할 가능성이 높다. 본 논문에서 제안한 구조와 알고리즘들은 현재까지는 만족할 만한 수준의 작업 효율성을 보여주고 있으며, 향후 복잡한 원격 작업들을 수행하기 위한 알고리즘들을 지속적으로 탑재하면서 극한환경 현장 적용이 가능한 시스템으로 지속 발전시킬 계획이다.
이 로봇들은 모바일 장치를 갖추고 있는데, 모바일 장치 측면에는 다수의 초음파 센서가 부착되어 있어 장애물과의 충돌을 회피하기 위한 기능으로 사용된다[10]. 향후 타 기종의 작업용 로봇이 추가될 예정이며, 다양한 협업이 가능한 환경을 구현할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
오퍼레이터가 원격지 로봇을 제어하기 위해서 무엇을 해야하는가?
로봇 원격조종 방법은 1:1, 1:N, N:1, 그리고 N:N의 다양한 방법이 있다. 오퍼레이터가 원격지 로봇을 제어하기 위해서는 로봇의 주변 상황, 모바일 장치의 충돌 가능성, 그리고 매니퓰레이터의 힘을 인지할 수 있어야 한다. 원격조종에서는 데이터 통신과 처리에 소요되는 시간에 따른 지연이 발생하는데, 이 시간 지연은 로봇의 충돌과 햅틱 기반 제어에 있어 양방향 힘 반영에 따른 매니퓰레이터의 바이브레이션과 과도한 힘 반영을 초래할 수 있다.
로봇 원격조종 방법엔 어떤 방법이 있는가?
로봇 원격조종 방법은 1:1, 1:N, N:1, 그리고 N:N의 다양한 방법이 있다. 오퍼레이터가 원격지 로봇을 제어하기 위해서는 로봇의 주변 상황, 모바일 장치의 충돌 가능성, 그리고 매니퓰레이터의 힘을 인지할 수 있어야 한다.
오퍼레이터 한명이 원격지 로봇 1대를 제어하는 방식의 문제점은?
오퍼레이터 한명이 원격지 로봇 1대를 제어하는 방식으로 오퍼레이터가 로봇의 모든 동작명령을 전달한다. 수행할 작업의 복잡도에 제약이 많고, 작업자의 피로도 증가 문제가 발생하며, 오퍼레이터에게 높은 숙련도를 요구하며, 시간지연이 존재하는 경우에는 실질적인 제어가 어려운 문제가 발생한다.
참고문헌 (11)
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