로봇의 Uni-modal 장애물 충돌 회피를 위한 효율적인 Via-Position 결정 방법 연구

Abstract

로봇공학에서 로봇의 충돌 회피 Path Planning에 관한 문제는 가장 중요한 문제 중 하나로 다루어져 왔다. Multi-DoF 로봇의 충돌 회피 Path Planning에 다양한 이론들이 제시되고 검증되면서, 2 자유도 또는 3 자유도 로봇의 충돌 회피 Path Planning 문제는 다소 해결 되었다. 충돌 회피 Path Planning의 전체 수행시간은 충돌 검사 횟수에 의해 결정되는데, 기존 연구들은 로봇의 자유도가 증가할 때 충돌 검사 횟수가 기하급수적으로 증가하는 특징이 있어, 실질적으로 산업현장에 기존 충돌 회피 Path Planning을 적용할 수 없었다. 본 논문에서는 위와 같은 문제를 해결하고자 실질적으로 6 자유도 산업용 로봇에 적용할 수 있는 충돌 회피 Path-Planning 방법을 연구하였다. 실제 산업현장에서 6 자유도 산업용 로봇의 시작 위치와 마지막 위치가 주어졌을 때, 시작 위치와 마지막 위치 사이에 존재하는 장애물은 대부분 Uni-modal(단봉형) 장애물이다. 또 6 자유도 산업용 로봇이 Uni-modal 장애물을 회피하여 시작 위치에서 마지막 위치로 이동할 때는 두 개만의 Via-Position을 거쳐 이동할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 로봇이 회피해야 할 장애물을 Uni-modal 장애물로 한정하고, 로봇의 시작 위치와 마지막 위치 사이에 두 개의 경유점 (Via-Position)의 위치를 결정하여 실질적으로 6 자유도 산업용 로봇에 적용할 수 있는 Path Planning 방법을 연구하였다. 본 논문에서 연구한 충돌 회피 Path Planning 방법은 아래와 같이 크게 세 가지의 과정으로 진행된다. 첫 번째로 충돌 검사 횟수를 최소화하기 위해, 충돌 검사를 하지 않고 주어진 두 위치 사이에 장애물의 존재 여부를 빠르게 알 수 있는 Line Sensor를 사용하여 6 자유도 산업용 로봇의 주어진 두 위치 사이에 장애물이 존재하지 않는 빈 공간 및 장애물의 형상을 파악한다. 두 번째로 첫 번째 과정에서 파악한 장애물이 존재하지 않는 빈 공간과 장애물의 형상 정보를 바탕으로 장애물이 존재하지 않는 빈 공간에 두 개씩 쌍을 이루는 다수의 예상 경유점 (Via-Position) 을 생성한다. 세 번째로 두 번째 과정에서 생성한 다수의 예상 경유점 (Via-Position)에 충돌 안전 점수를 부여하고, 최소 충돌 안전 기준 점수를 만족하는 예상 경유점 (Via-Position) 중 경로(Path)의 길이가 가장 짧은 경유점 (Via-Position) 순으로 충돌검사를 진행하여 최종적으로 충돌이 발생하지 않는 두 개의 경유점 (Via-Position)을 결정한다. 본 논문의 방법으로 결정된 경유점 (Via-Position)은 6 자유도 산업용 로봇의 주어진 두 위치 사이를 충돌 없이 이동하기 위한 최적 Solution은 아니지만, 앞서 거론한 기존 충돌 회피 Path Planning을 수행할 때의 문제점들을 대부분 해결하여 누구나 쉽게 6 자유도 산업용 로봇의 충돌 회피 Path Planning이 가능하게 되었으며, 실험을 통해 본 논문에서 제시한 연구 내용이 실제 산업현장에서 적용 가능함을 입증하였다.