JP5563669B2 - ロボットハードウェアの設計支援システム及びその方法 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットハードウェアの設計支援に関し、特に、共用部品を利用してロボットモジュール及びプラットホームを作る場合、ロボット製造の概念設計及び細部設計の時間と費用を減らすことができる、ロボットハードウェアの設計支援システム及びその方法に関する。

一般的に、ロボットは、産業用、医療用、宇宙用及び海底用に分類されて多様な分野で応用されている。例えば、自動車生産のような機械加工工業では同一な動作を繰り返す産業用ロボットが稼動されており、医療用分野では腕がない人の意思、すなわち、運動神経から送る命令を筋転移で取り出してモーターを駆動させる義手が実用化されている。宇宙開発においてもアメリカ、ロシアなどで自動月面車のような遠隔操縦型ロボットが開発されている。

このようなロボットを設計するためには、具現しようとするロボットの開発目標を設定し、概略的な仕様及び構造を導出しなければならない。概念設計段階で動力学的なシミュレーションを経た後、詳細仕様導出及び部品を選定する細部設計段階が進行される。

このようなロボットを製作する工程の一例が図１に示されている。図１は、従来技術に係るロボット開発過程の工程フローチャートである。

図１に示したように、開発目標に適合するロボット製作計画を樹立した（ステップＳ１１）後、シナリオを製作する（ステップＳ１２）。前記ステップＳ１２の後に、ハードウェアの設計／製作（ステップＳ１３）と共に駆動プログラムが製作され（ステップＳ１５）、製作されたハードウェアの試験（ステップＳ１４）を経た後、正常な結果が導出されると、駆動プログラムをハードウェアに搭載する（ステップＳ１６）。このような駆動プログラムをハードウェアに搭載することでロボットの正常動作可否を試験し（ステップＳ１７）、その試験の結果、ロボットが正常動作すると判断されると、現在の回路設計と機械設計を量産用モデルで確定した後、量産用ロボットを製作する（ステップＳ１８）。

このようなロボットの製作計画樹立とシナリオ製作などは、ロボットの開発目標や特性によって期間が定まって、ハードウェアの設計／製作及び駆動ソフトウェアの製作などは、技術的な難易度によってある程度の差はあるが大部分が長期間を必要とする。特に、従来のロボットハードウェアは、ＣＡＤのような設計ツールを利用して設計されるが、それは専門的な設計技術が必要であるため気軽に使用できないという問題点があった。また、このような設計ツールは、ロボットに特化されたものではないので、ロボットのみを専門的に設計することは難しいという問題点もあった。また、ロボット開発のための標準部品、体系的な性能検証データなどが不足なので多様な部品を使用してロボットを最適に設計することが難しいという問題点もあった。

したがって、本発明は前述のような問題点を解決すべくなされたものであって、その目的は、ロボットを構成する移動モジュール、腕モジュール、頭モジュールなどの各々のモジュールに対して多様な構造、メカニズム及び動力伝達方式を有するテンプレートを提示することにより、ロボットのハードウェアを手軽に設計することができる、ロボットハードウェアの設計支援システム及びその方法を提供することにある。

本発明の他の目的は、解析を通じてロボット関節各々の仕様を導出し、条件に適合する部品の仕様導出及び部品を選定することにより最適なロボットを設計することができる、ロボットハードウェアの設計支援システム及びその方法を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明の実施形態によるロボットハードウェアの設計支援システムによれば、ロボットモジュールを設計するためのシミュレータで利用されるように前記ロボットモジュールの機械的構造、動作メカニズム、動力伝達方式及びモーションデータの情報を含むテンプレートと、前記テンプレートをローディングして前記情報を修正し、前記モーションデータによる前記ロボットモジュールの動作を解析することで導出された前記ロボットモジュールの各関節の仕様を活用するためのシミュレータＡＰＩと、前記シミュレータの解析結果から前記ロボットモジュールの製作に必要な部品を備える部品データベースと、前記部品データベースから前記ロボットモジュールの製作に必要な部品を選択して組み合わせる部品選定／組合せ部と、前記シミュレータ、前記テンプレート、前記シミュレータＡＰＩ、前記部品データベース及び前記部品選定／組合せ部を制御する制御部とを含むことを特徴とする。

また、本発明の実施形態によるロボットハードウェアの設計支援システムによれば、前記ロボットモジュールの製作に必要な部品に対する情報を更新することができるデータベース入力部をさらに含むことを特徴とする。

また、本発明の実施形態によるロボットハードウェアの設計支援システムによれば、前記ロボットモジュールは、移動モジュール、腕モジュール及び頭モジュールの中で選択された少なくとも一つのモジュールを含むことを特徴とする。

また、本発明の実施形態によるロボットハードウェアの設計支援システムによれば、前記解析の結果データは、前記移動モジュール、前記腕モジュール及び前記頭モジュール各々の関節で必要なトルク及び速度を含むことを特徴とする。

前記目的を達成するための本発明の実施形態によるロボットハードウェアの設計支援方法によれば、I）ロボットモジュールを設計するためのシミュレータを駆動するステップと、ＩＩ）移動モジュール、腕モジュール及び頭モジュールを含むロボットモジュール各々の機械的構造及びメカニズムを推薦し、推薦された前記ロボットモジュールのモーションデータを提供し、前記ロボットモジュール各々に適用される部品の仕様を導出する概念設計ステップと、ＩＩＩ）前記ステップＩＩ）から導出された各関節の仕様を満たすことができる部品を提供し、前記提供された部品の組み合わせを選定する細部設計ステップとを含むことを特徴とする。

また、本発明の実施形態によるロボットハードウェアの設計支援方法によれば、前記ステップII）は、ＩＶ）前記移動モジュール、前記腕モジュール及び前記頭モジュールを含むロボットモジュールの中で少なくとも一つのモジュールを選択するステップと、Ｖ）前記シミュレータで利用されるように前記選択された少なくとも一つのロボットモジュールの機械的構造、動作メカニズム、動力伝達方式及びモーションデータの情報を含むテンプレートを提示するステップと、ＶＩ）前記テンプレートから前記選択された少なくとも一つのロボットモジュールの仕様を導出するステップとを含むことを特徴とする。

また、本発明の実施形態によるロボットハードウェアの設計支援方法によれば、前記ステップＩＩＩ）は、ＶＩＩ）前記導出された前記少なくとも一つのモジュール仕様が製作しようとするモジュールの設計に適合するか否かを判断するステップと、ＶＩＩＩ）前記ステップＶＩＩ）で、設計に適合する判断された場合、導出された仕様に対応する部品を選定するステップとを含むことを特徴とする。

また、本発明の実施形態によるロボットハードウェアの設計支援方法によれば、前記ステップＶＩＩ）の判断結果、前記導出された前記少なくとも一つのモジュール仕様が製作しようとするモジュールの設計に適合しない場合には、前記テンプレートから前記モジュールの仕様を再導出するステップをさらに含むことを特徴とする。

上述のように、本発明の実施形態によるロボットハードウェアの設計支援システム及びその方法によれば、ロボットを構成する移動モジュール、腕モジュール及び頭モジュールなどのモジュール各々に対して多様な構造、メカニズム及び動力伝達方式を有するテンプレートを提示することにより、ロボットのハードウェアを手軽に設計することができるという効果が得られる。

また、本発明の実施形態によるロボットハードウェアの設計支援システム及びその方法によれば、解析を通じてロボット関節各々の仕様を導出し、条件に適合する部品の仕様導出及び部品を選定することにより、最適でロボットを設計することができるという効果も得られる。

従来技術に係るロボット開発過程の工程を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係るロボットハードウェアの設計支援システムの概念を説明するための図である。 本発明の実施形態に係るロボットハードウェアの設計支援システムを示した図である。 本発明の実施形態に係るロボットハードウェアの設計支援方法の一例を説明するためのフローチャートである。 本発明の実施形態に係る設計支援システムを適用したロボット設計の一例を説明するための図である。

以下、本発明の前記目的及びその他の目的と新しい特徴について本明細書の技術及び添付図面を参照してより詳細に説明する。まず、図２を参照して本発明の概念に対して説明する。図２は、本発明の実施形態に係るロボットハードウェアの設計支援システムの概念を説明するための図である。

図２に示したように、ロボットを設計するためには、用途及び使用目的による目標を樹立する（ステップＳ２１）。前記ステップＳ２１で、開発しようとするロボットに対する目標が樹立されると、概念設計としてロボットの概略的な構造と仕様が導出される（ステップＳ２３）。前記ステップＳ２３で、導出された概略的な構造と仕様は、動力学的なシミュレーションを通じて検証されて概念設計に反映される。その後、細部設計として仕様部品を選定し、部品組合せを推薦する（ステップＳ２５）。前記ステップＳ２５は、構造解析を通じて修正を経た後に完成される。

この場合、概念設計ステップと細部設計ステップをロボットハードウェアの設計支援システムを通じて完成させることができる（ステップＳ２７）。前記設計支援システムは、概念設計ステップで、移動モジュール、腕モジュール及び頭モジュールを含んで構成されたロボットモジュールの各々に対して多様な構造、メカニズム及び動力伝達方式を有するテンプレートを提示し、提示されたテンプレートを解析してモジュールを構成する関節各々の仕様を導出する。また、前記設計支援システムは、細部設計ステップで、関節各々の仕様を満たすことができる部品を選定し、部品間の可能な組合せを導出する。

前記部品の導出及び選定作業は、製品データベースにあらかじめ構築された多くの製造社の部品を利用し、製造社から選択された部品各々に対する情報と部品組合せに対する評価内訳を提示する。例えば、前記設計支援システムは、腕モジュールに対して部品を選定する場合、腕モジュールに採択されるモーター、減速機及びセンサー各々に対する特定会社及び特定製品を選定し、それに対する部品組合せに対する評価内訳を提示するようになる。

前記設計支援システムを通じて細部設計が完成されると、後工程を進行するようになる（ステップＳ２９）。前記後工程は、加工図面によってロボットモジュール各々の部品を加工及び組立し、組み立てられたロボットに駆動ソフトウェアを搭載して試験を行うようになる。前記試験ステップから導出されたデータは、さらに概念設計及び細部設計に反映され、目標樹立に適合するモジュール各々の仕様が導出されると、量産ステップを経てロボットを製造するようになる。

次に、図３を参照して本発明の構成について詳細に説明する。また、本発明の説明において、同一部分には同一符号を付与し、その反復説明は省略する。

図３は、本発明の実施形態に係るロボットハードウェアの設計支援システムを示した図である。

図３に示したように、本発明の実施形態に係るロボットハードウェアの設計支援システム３０は、ロボットを設計するために定まった又は標準ＡＰＩを使用するシミュレータ（図示せず）で利用されるデータ形態で構成されるテンプレート３３と、シミュレータＡＰＩ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）３５と、部品データベース３７と、部品選定／組合せ部３９と、データベース入力部４１と、制御部４３とを含んで構成される。

前記テンプレート３３は、シミュレータで使われるデータ形態で構成され、ロボットモジュールの機械的構造、メカニズム、動力伝達方式及び解析のための基本モーションデータなどの情報を具備している。この場合、前記シミュレータ上で解析するということは、仮想でロボットの主な動作又は極端的な動作を実行させることで様々な必要な力学的データを得ることを意味する。また、前記解析のための基本モーションデータは、関節各々で時間による位置、速度などの動作サンプルを意味する。前記動作サンプルは、開ループ制御システムでの単純な軌跡生成であってもよいし、閉ループ制御システムでのように制御器を通じて計算された軌跡を使用してもよい。

前記テンプレート３３は、シミュレータでローディングしてロボットモジュール各々の大きさ、質量、摩擦、慣性モーメントなどの物理的性質を変更することができる。また、前記テンプレート３３は、移動機能モジュール、作業機能モジュール、認識機能モジュールなどで各々の目標機能を具現するための多様な例題を提供することができる。

前記シミュレータＡＰＩ３５は、テンプレート３３をローディングして修正し、基本モーションデータによって動作させた後に解析して各関節で必要なトルク、速度などの結果データを活用する。前記部品データベース３７は、シミュレータの解析結果を活用して部品を選定する。前記部品データベース３７は、部品の基本的な仕様、製造社、簡単な評価結果及び組合せ可能な構成に対する情報を含む。また、前記部品データベース３７は、オンライン又はオフラインを通じて部品仕様に対する情報を更新することができ、共有などのためにウェブ（ｗｅｂ）上に構築することができる。

前記部品選定／組合せ部３９は、多様な組合せ基準、例えば、組合せモジュールのサイズ最小化、価格最小化及び信頼性などによって部品を組み合わせるアルゴリズムを具備している。前記データベース入力部４１は、部品データベース３７に部品に対する情報を追加又は修正するために部品製造社又は販売社と連動することができる。これによって、部品製造社又は販売社は、オンライン上に構築された部品データベース３７に該当会社部品に対する情報を更新することができ、前記情報はデータベース管理者の最終承認を通じて部品データベース３７に登録される。

前記制御部４５は、シミュレータ、テンプレート３３、シミュレータＡＰＩ３５、部品データベース３７及び部品選定／組合せ部３９を制御することにより、ロボットの概念設計及び細部設計過程を最適化させてロボットハードウェアの開発時間を短縮させることができる。

次に、図３乃至図５を参照して本発明の実施形態に係るロボットハードウェアの設計支援方法を説明する。図４は、本発明の実施形態に係るロボットハードウェアの設計支援方法の一例を説明するためのフローチャートであり、図５は、本発明の実施形態に係る設計支援システムを適用したロボット設計の一例を説明するための図である。

図３乃至図５に示したように、本発明の実施形態に係るロボットハードウェアの設計支援方法は、ロボットを設計するために定まった又は標準ＡＰＩを使用するシミュレータを駆動するステップから始まる（ステップＳ４１）。前記シミュレータは、上述のようにＯＰＲｏＳだけではなく当業者によく知られた他のプラットホームを使用してもよい。

前記ステップＳ４１の後に、移動モジュール、腕モジュール及び頭モジュールを含むロボットモジュールの中で少なくとも一つのモジュールを選択し（ステップＳ４２）、前記シミュレータで利用されるように移動モジュール、腕モジュール及び頭モジュールを含むロボットモジュール各々の機械的構造、動作メカニズム、動力伝達方式及びモーションデータの情報を含むテンプレート３３を提示する（ステップＳ４３）。また、前記ステップＳ４３後に、テンプレート３３から選択された少なくとも一つのモジュールの仕様を導出する（ステップＳ４４）。

図５には、開発目標が乳児英語教育用ロボットである場合、ロボットハードウェアの設計支援システムを利用した概念設計及び細部設計過程が例示されている。この場合、詳細な開発目標は両腕がある輪移動型の乳児親和型動物形態であり、人間スケールの単純モーション型腕を備え、積載荷重が３０ｋｇ程度の移動体で形成されたロボットを開発することである。

前記概念設計は、詳細目標に符合するロボットの移動モジュール、腕モジュール及び頭モジュールを含むロボットモジュール各々の構造及びメカニズムを推薦し、推薦されたロボットモジュールの基本モーションデータを提供し、提供されたテンプレートのパラメータを調整して希望するスケールに合わせた後、解析により各関節の仕様を導出する。また、前記細部設計は、概念設計から導出された各関節の仕様を満たすことができる部品を提供し、提供された部品の組合せを推薦するようになる。

前記テンプレート３３には、多様な形態の腕モジュール（第１テンプレート乃至第４テンプレート）が提示されており、概念設計ステップでは、細部目標である人間スケールの単純モーション型腕モジュールとして第２テンプレートを選択することができる。また、前記シミュレータＡＰＩ３５は、選択された第２テンプレートをローディングして修正し、基本モーションデータによって動作させた後に解析して各関節で必要なトルク及び速度などの結果データを活用することができる。前記部品データベース３７は、選択された第２テンプレートの人間スケールの単純モーション型腕モジュールに対して基本的な仕様及び製造社、簡単な評価結果及び組合せ可能な構成に対する情報を含んでいる。

前記ステップＳ４４で、第２テンプレートのパラメータを調整して希望するスケールに合わせた後に解析によって最適の仕様が導出されると、導出された個別モジュール仕様が希望する設計モジュールに適合するか否かを判断し（ステップＳ４５）、適合すると判断される場合には、導出された仕様に対応する部品を組み合わせて推薦する（ステップＳ４６）。例えば、図５に示すように、細部設計ステップで人間スケールの単純モーション型腕モジュールの第２テンプレートに採択するためのＡ社のモーター製品Ｐ、Ｂ社の減速機Ｑ及びＣ社のセンサーＲを採択することができる。結果的に、本発明の実施形態に係るロボットハードウェアの設計支援システムをロボットの概念設計及び細部設計に適用すれば、ロボットハードウェアの設計時間を２５％以上短縮させることができ、テンプレート、解析及び部品データベースを活用することによりロボットハードウェアの設計を最適化することができる。

前記ステップＳ４５から導出された個別モジュール仕様が製作しようとするモジュールの設計に適合しない場合には、テンプレート３３からモジュールの仕様を再導出するステップを実行する。前記ステップＳ４６後には、図面化、加工、組立、テスト及び製品化する後工程が適用されて目標に符合するロボットを生産するようになる（ステップＳ４７）。

以上において説明した本発明は、本発明が属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形及び変更が可能であるので、上述した実施例及び添付された図面に限定されるものではない。

Claims (7)

1. ロボットモジュールを設計するためのシミュレータで利用されるように前記ロボットモジュールの機械的構造、動作メカニズム、動力伝達方式及びモーションデータの情報を含むテンプレートと、
   前記テンプレートをローディングして前記テンプレートに含まれた情報を修正し、前記モーションデータによる前記ロボットモジュールの動作を解析することで導出された前記ロボットモジュールの各関節の仕様を活用するためのシミュレータＡＰＩと、
   前記ロボットモジュールの製作に必要な部品に対する情報を格納する部品データベースと、
   前記部品データベースから前記ロボットモジュールの製作に必要な部品を選択して組み合わせるが、前記必要な部品は、前記シミュレータの解釈結果から導出されたロボットモジュールの仕様に対応される部品である部品選定／組合せ部と、
   前記シミュレータ、前記テンプレート、前記シミュレータＡＰＩ、前記部品データベース及び前記部品選定／組合せ部を制御する制御部と、を備え、
   前記モーションデータは、前記ロボットモジュールの関節各々で時間による位置、速度を含む動作サンプルである
   ことを特徴とするロボットハードウェアの設計支援システム。
2. 前記ロボットモジュールの製作に必要な部品に対する情報を更新することができるデータベース入力部をさらに含む
   ことを特徴とする請求項１に記載のロボットハードウェアの設計支援システム。
3. 前記ロボットモジュールは、移動モジュール、腕モジュール及び頭モジュールの中で選択された少なくとも一つのモジュールを含む
   ことを特徴とする請求項１に記載のロボットハードウェアの設計支援システム。
4. 前記解析の結果データは、前記移動モジュール、前記腕モジュール及び前記頭モジュール各々の関節で必要なトルク及び速度を含む
   ことを特徴とする請求項３に記載のロボットハードウェアの設計支援システム。
5. ロボットモジュールの機械的構造、動作メカニズム、動力伝達方式及びモーションデータの情報を含むテンプレートと、前記テンプレートをローディングして修正し、前記モーションデータによるロボットモジュールの動作を解釈するシミュレータと、ロボットモジュールの製作に必要な部品に対する情報を格納する部品データベースとを有するロボットハードウェアの設計支援システムによる、ロボットハードウェアの設計支援方法において、
   Ｉ）前記システムが、ロボットモジュールを設計するためのシミュレータを駆動するステップと、
   ＩＩ）前記システムが、移動モジュール、腕モジュール及び頭モジュールを含むロボットモジュールの中で、少なくとも一つのモジュールを選択するステップと、
   ＩＩＩ）前記システムが、前記シミュレータで利用されるように前記選択された少なくとも一つのロボットモジュールの機械的構造、動作メカニズム、動力伝達方式及びモーションデータの情報を含むテンプレートを提示するステップと、
   ＩＶ）前記システムが、前記シミュレータを利用し、前記テンプレートのモーションデータによる前記ロボットモジュールの動作を解釈し、前記シミュレータの解釈結果から少なくとも一つのロボットモジュールの仕様を導出するステップと、
   Ｖ)前記システムが、導出されたロボットモジュールの仕様に対応される部品を前記部品データベースから提供し、前記提供された部品の組み合わせを選定するステップとを含み、
   前記モーションデータは、前記ロボットモジュールの各々の関節で時間による位置、速度を含む動作サンプルである
   ことを特徴とするロボットハードウェアの設計支援方法。
6. 前記ステップＶ）は、
   ＶＩＩ）前記システムが、前記導出された前記少なくとも一つのモジュール仕様が製作しようとするモジュールの設計に適合するか否かを判断するステップと、
   ＶＩＩＩ）前記システムが、前記ステップＶＩＩ）で、設計に適合すると判断された場合、導出された仕様に対応する部品を選定するステップと、を含む
   ことを特徴とする請求項５に記載のロボットハードウェアの設計支援方法。
7. 前記ステップＶ)は、
   前記システムが、前記ステップＶＩＩ）の判断結果、前記導出された前記少なくとも一つのモジュール仕様が製作しようとするモジュールの設計に適合しない場合には、前記テンプレートから前記モジュールの仕様を再導出するステップをさらに含む
   ことを特徴とする請求項６に記載のロボットハードウェアの設計支援方法。

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