A Reliable Watcher-pusher Framework for Multi-robot Box-pushing : 다중 로봇 상자 밀기를 위한 견실한 와쳐-푸셔(Watcher-Pusher) 체제 :

김민정

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김민정 (경북대학교, 경북대학교 대학원)

지도교수: 양정민.

발행연도: 2019

저작권: 경북대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2019

Watcher-Pusher 구조를 이용한 자율 주행 로봇의 견실한 상자 밀기 작업

김민정 , 양정민 제어로봇시스템학회 논문지 2019.05 학술저널

A Reliable Watcher-pusher Framework for Multi-robot Box-pushing : 다중 로봇 상자 밀기를 위한 견실한 와쳐-푸셔(Watcher-Pusher) 체제

김민정 전자공학부 2019.01 학위논문

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다중 로봇 시스템은 방사선 누출, 화재 진압 등의 재난 현장 감시 및 인지, 대형 물체 운송, 실내 산업 현장 등 많은 곳에서 사용되고 있다. 공통의 목표를 달성하기 위해 인간이나 개미가 모둠을 이루어 작업하는 경우와 유사하게 다중 로봇은 단일 로봇보다 다수의 작업을 더 잘 수행할 수 있다. 본 연구는 다중 로봇이 협력하여 상자밀기(box-pushing) 문제를 해결하는 새로운 방법을 제공한다. 다중 로봇 시스템의 중요한 작업 문제 중 하나인 상자밀기는 하나 또는 여러 대의 이동 로봇이 동적/정적 환경에서 주어진 상자를 목표 위치까지 밀면서 옮기는 것이 목적이다. 다중 로봇 상자밀기 문제는 여러 가지 다중 로봇 협력 알고리듬과 주행 제어, 장애물 회피 기술이 필요하므로 이론 및 실제 응용 면에서 모두 연구할 가치가 있다. 로봇 한 대의 센서 정보만으로 상자가 움직이는 환경을 판단하는 것은 어려우며 작업에 많은 시간이 소요된다. 또한 주어진 상자의 관성질량이 로봇 한 대의 질량보다 큰 경우가 대부분이므로 본 문제는 다중 로봇의 협동 작업을 통해 해결되어야 한다. 본 논문에서는 두 대의 모바일 로봇을 사용하여 상자밀기 문제를 해결하는 알고리듬을 제안한다. 상자를 미는 작업을 하위 작업으로 분류하고 두 대의 로봇이 순차적으로 실행함으로써 효율적이고 견실한 작업이 수행될 수 있게 한다. 또한 단일 로봇이 수행할 수 없는 여러 작업을 위해 와쳐(Watcher)와 푸셔(Pusher)로 로봇의 역할을 지정하여 분산 감지 및 작업을 이룩할 수 있게 한다. 본 논문에서는 특히 로봇이 두 대 사용된다는 점을 활용하여 여러 고장이 발생해도 상자밀기 작업을 완수할 수 있는 견실한 작업 알고리듬을 제안한다. 분류된 네 개의 하위 작업 수행 도중 발생하는 임의의 고장을 감지한 후 각 고장에 맞는 내고장성 작업이 실행된다. 본 논문에서 제안된 작업 알고리듬을 이용하여 두 대의 로봇이 실시간으로 통신하여 협력을 통해 장애물 유무, 고장 발생 유무에 따른 상자밀기 연구를 모두 성공적으로 완료했음을 실험적으로 검증한다. 다중 로봇간의 효율적 협동 작업을 통해 내고장성 작업 수행을 이룩하고 로봇 간의 협동 작업을 마스터 PC를 통해 실시간으로 모니터링 하는 본 연구의 결과는 다중 로봇이 사용되는 산업 현장 관련 이론 및 응용 연구로 확장될 수 있다.

Multi-robot systems are increasingly used in highly dynamic or static environments to handle complex tasks, such as disaster sites (radiation leakage, fire suppression) [1], monitoring and surveillance [2], transportation of large objects [3]-[5], indoor industrial sites [6], etc. Multi-robots mostly perform a certain task better than a single robot in the same way as humans or ants that work on teams [7]-[9]. However, an efficient cooperative operation between robots must be activated to ensure the success of tasks.
The present work provides a robust scheme to solve the multi-robot cooperative box-pushing problem. The problem of box-pushing is that a single or multiple mobile robots push a box toward the target position in a dynamic or static environment with or without obstacles. The problem of multi-robot box-pushing is regarded worthwhile in both theoretical research and practical applications. Using a single robot, instead of multi-robots, to achieve box-pushing raises many predicaments. It is difficult to judge the environment of the robot only by sensor information of a single robot. Further, it takes a long time to complete the task since the box inertia is usually greater than that of a single robot.
To overcome these problems, we present a box-pushing scheme by two mobile robots. By decomposing the box-pushing task into sub-tasks that are appropriate for two mobile robots and by running them in a sequential way, we allow for an efficient and robust task performance. In addition, those tasks that a single robot cannot perform are solved by the two robot team utilizing distributed sensing and task assignment. Also, our two mobile robots can realize box-pushing against occurrences of various faults by virtue of redundancy in the number of robots.
Several approaches have been developed to tackle the problems of box-pushing using multi-robots [10]-[14]. Nemrava and Cermak [10] use the structure of master-slave robots in an environment without obstacles. The master robot calculates the angle to the goal position and determines the number of robots to perform box-pushing. Gerkey and Mataric [11] develop a watcher-pusher framework that consists of one watcher robot and two pusher robots. These robots can remove obstacles and perform box-pushing. Hu et al. [12] employ three robots, one of which becomes an observer and performs box-pushing in an underwater environment without obstacles. Moon et al. [13] use a distributed control system in which the box and environmental information are provided in advance to perform box-pushing. Verrna et al. [14] fix the camera and the rangefinder in the experimental environment to detect the position of the box and the robot. The robot performs box-pushing to the nearest goal position with the information of the sensor.
Compared with the previous studies, this paper has the following contributions. First, note that the previous studies did not consider the presence of obstacles in the box-pushing path that cannot be detected a priori. On the other hand, the proposed task algorithm makes it possible that the robot can displace the box to avoid obstacles even if the obstacle is undetectable. Note that only 2D sensors attached to the robot will be used to obtain all the necessary information about obstacle avoidance. Second, the previous results did not consider how to overcome faults that may occur to robots during the box-pushing operation. By contrast, in the proposed scheme we diagnose fault occurrences and activate fault-tolerant operations so as to continue the box-pushing tasks.
The rest of this paper is organized as follows. In Section 2, we describe the structure of the box-pushing system and the environment and hardware used in the experiment. In Section 3, a novel box-pushing algorithm is addressed that can tolerate kinematic and sensor faults occurring to the pusher and watcher, respectively. In Section 4, we provide the details of our experiential results. Finally, Section 5 presents some concluding remarks.

#다중로봇 #박스푸싱(box-pushing) #결함허용

1. Introduction 1
2. Preliminaries 4
2.1 Structure of box-pushing system 4
2.2 Environment and hardware set-up 5
3. Box-pushing algorithm 8
3.1 Nominal box-pushing 8
3.2 Fault tolerant box-pushing 15
4. Experiential results 20
4.1 Nominal box-pushing without obstacles 20
4.2 Nominal box-pushing with an obstacle 21
4.3 Fault tolerant box-pushing with an obstacle 22
4.4 Comparative study and performance measures 28
5. Conclusion 32
References 33
Abstract (in Korean) 37

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