KR20060125191A

KR20060125191A - 로봇 시스템의 ｇｐｉｏ 확장장치

Info

Publication number: KR20060125191A
Application number: KR1020050047091A
Authority: KR
Inventors: 이효승
Original assignee: 이효승
Priority date: 2005-06-02
Filing date: 2005-06-02
Publication date: 2006-12-06

Abstract

본 발명은 로봇 등의 장치에서 병렬 GPIO(General Propose Input Output) 신호를 고속으로 양방향 시리얼화하여 CPU에 전달하는 장치에 관한 것으로서, 로봇의 각 관절의 스텝모터 구동과 센서데이터 입출력시 CPU의 컨트롤 포트수가 기하급수적으로 늘어나는 현재의 MCU 또는 CPU 포트에 한계를 극복하여 가격절감 및 내수성 있는 로봇 구현이 가능하도록 한 기술이다.

로봇, GPIO

Description

로봇 시스템의 ＧＰＩＯ 확장장치{ GPIO EXTEXSION DEVICE OF ROBOT SYSTEM}

도 1은 종래의 로봇 컨트롤 장치를 도시한 도면.

도 2는 본 발명의 로봇 시스템의 GPIO 확장장치를 도면.

도 3은 본 발명의 로봇 시스템의 GPIO 확장장치의 CPU와 MUX간의 흐름을 도시한 도면.

도 4는 본 발명의 GPIO 확장장치의 컨트롤 장치를 도시한 도면.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : 중앙처리장치(CPU) 2 : 멀티플렉서(MUX), GPIO

21. 21' : Input Output Setting

22, 22' : IO/Set

23 : Input Value 23' : Output Value

24 : Interrupt & Set Clear

25 : Serail To Parallel I/F

본 발명은 로봇 등의 장치에서 병렬 GPIO(General Propose Input Output) 신호를 고속으로 양방향 시리얼화하여 CPU에 전달하는 장치로서, 로봇의 각 관절의 스텝모터 구동과 센서데이터 입출력시 CPU의 컨트롤 포트수가 기하급수적으로 늘어나는 현재의 MCU 또는 CPU의 포트에 한계를 극복하여 가격절감 및 내수성 있는 로봇 구현이 가능하도록 한 로봇 시스템의 GPIO 확장장치에 관한 것이다.

산업기술이 발달하면서 사람이 기피하는 일 또는 사람들이 할 수 없는 일 등을 대신할 수 있는 로봇 개발이 이루어지고 있다.

현재 개발된 로봇들은 탐사, 산업 또는 군대, 경찰 분야에서 사용되고 있다. 이처럼 다양한 분야에 걸쳐 이용되고 있는 로봇을 사람들의 일상생활에 접목시켜 보다 편리한 생활을 영위할 수 있도록 하는 것이 바람직한 바, 집안 청소, 심부름 및 말동무 등이 가능하도록 만들어진 로봇을 칭하는 휴머노이드 로봇 등이 개발되기에 이르렀다.

그러나, 현재 기술로 휴머노이드 로봇 구현시 도 1에 도시한 바와 같이 스텝모터 구동을 위한 각각의 출력을 중앙처리장치(CPU)(10)에서 컨트롤하고 사람 피부에 해당하는 각각의 센서를 구현하기 위해 다수의 입출력 포트를 필요로 하는데, 로봇장치의 경우 각 관절의 스텝모터 구동과 센서데이터 입출력시 중앙제어장치(10)의 컨트롤 포트수(20)가 기하급수적으로 늘어나게 된다.

이러한 현상은 로봇의 기능이 고급화될 경우 모터와 센서 구동용 입출력 포트를 위한 중앙처리장치(10) 장치에서 과도한 부하로 작용하게 되며 결과적으로 중앙처리장치(10)로부터 각 종단의 센서 혹은 모터까지 컨트롤 라인의 개수가 줄어드 는 문제점이 있다.

예를 들어 일본의 아시모 혹은 한국의 휴보 등을 컨트롤하기 위해서는 여러 개의 스텝모터와 다수의 센서를 탑재하여야 한다. 다시 말해 손가락 및 발가락과 손목 발목 팔꿈치의 수평 수직 좌우 관절에 장착된 각각의 모터를 컨트롤하기 위해서는 모터의 개수가 늘어나야 하며, 또 성능 증가를 위해서는 센서 종류와 개수가 기하급수적으로 늘어나야 되는데, 현재 사용중인 MCU 또는 CPU의 포트로는 한계가 있으며 각각의 컨트롤 혹은 센서 라인이 각 관절부의 모터에 전달되기 위해서는 CPU 측의 포트가 부족하다는 문제가 발생한다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 휴머노이드 로봇 구현시 병렬 GPIO신호를 고속으로 양방향 시리얼화하여 CPU에 전달함으로써 로봇 각 관절의 스텝모터 구동과 센서데이터 입출력시 CPU의 컨트롤 포트수가 기하급수적으로 늘어나 현재의 MCU 또는 CPU의 포트수의 한계를 극복토록 한 로봇 시스템의 GPIO 확장장치를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 로봇 시스템의 GPIO 확장장치는, Interrupt & Set Clear의 인터럽트를 전달받아 이에 합당한 신호처리를 한후, Serail To Parallel 인터페이스를 셋팅하여 인터럽트의 클리어는 물론, 로봇 시스템의 모든 입출력 동작을 제어하는 CPU; 및 상기 CPU에 병렬로 연결되어 CPU의 컨 트롤에 따라서 입력 혹은 출력포트를 설정하는 각각의 멀티플렉서(Mux)로 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 상기 멀티플렉서는 초기 입출력 설정에 의한 입력의 경우, 입력값(Val 1)을 입력받아 포트를 통해 후술하는 IO/Set 1 블록에 전달하는 Input Output Setting 1; 상기 Input Output Setting 1로부터 입력값(Val 1)을 입력받아 Input Value 1로 전달하는 IO/Set 1; 상기 IO/Set 1로부터 입력값(Val 1)을 입력받아 Serail To Parallel I/F(인터페이스); Interrupt & Set Clear로 전송하는 Input Value 1; 상기 Input Value 1의 입력값(Val 1)을 전달받는 Serail To Parallel I/F(인터페이스); 및 상기 Input Value 1의 입력값(Val 1)을 인지하여 인터럽트 1을 발생하여 상기 CPU로 전송하는 Interrupt & Set Clear로 이루어지며,

초기 입출력 설정에 의한 출력의 경우, 상기 CPU를 통해 입력받은 출력값(Val 2)을 입력받아 Output Value 2에 전달하는 Serail To Parallel I/F(인터페이스); 상기 Serail To Parallel I/F를 통해 입력받은 출력값(Val 2)을 IO/Set 2에 전달하는 Output Value 2; 상기 Output Value 2로부터 입력받은 출력값(Val 2)을 Input Output Setting 2에 전달하는 IO/Set 2; 및 상기 IO/Set 2로부터 입력받은 출력값(Val 2)을 출력하는 Input Output Setting 2로 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 또한, 상기 CPU에 병렬의 GPIO(MUX) 신호를 고속으로 양방향 시리얼화하여 입출력 값을 전달함으로써 입출력 포트를 절감시키도록 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 의한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 로봇 시스템의 GPIO 확장장치를 도면, 도 3은 본 발명의 로봇 시스템의 GPIO 확장장치의 CPU와 MUX간의 흐름을 도시한 도면, 도 4는 본 발명의 GPIO 확장장치를 사용한 컨트롤 장치를 도시한 도면이다.

도 2 내지 도 3에 도시한 바와 같이 본 발명의 로봇 시스템의 GPIO 확장장치는, Interrupt & Set Clear의 인터럽트를 전달받아 이에 합당한 신호처리를 한 후, Serail To Parallel 인터페이스를 셋팅하여 인터럽트의 클리어는 물론, 로봇 시스템의 모든 입출력 동작을 제어하는 CPU(1)와, 상기 CPU(1)에 병렬 연결되어 CPU(1)의 컨트롤에 따라 입력 혹은 출력포트를 설정하는 각각의 멀티플렉서(Mux)(2)가 포함 구성된다.

상기 멀티플렉서(2)는 도 4에 도시된 GPIO BOX(2)와 동일한 것으로, 초기 입출력 설정에 의한 입력의 경우, 입력값(Val 1)을 입력받아 포트를 통해 후술하는 IO/Set 1 블록에 전달하는 Input Output Setting 1(21)과, 상기 Input Output Setting 1(21)로부터 입력값(Val 1)을 입력받아 후술하는 Input Value 1로 전달하는 IO/Set 1(22)과, 상기 IO/Set 1(22)로부터 입력값(Val 1)을 입력받아 후술하는 Serail To Parallel I/F(인터페이스)와 Interrupt & Set Clear로 전송하는 Input Value 1(23)과, 상기 Input Value 1(23)의 입력값(Val 1)을 전달받는 Serail To Parallel I/F(인터페이스)(25) 및 상기 Input Value 1(23)의 입력 값(Val 1)을 인 지하여 인터럽트 1을 발생하여 상기 CPU(1)로 전송하는 Interrupt & Set Clear(24)로 이루어진다.

초기 입출력 설정에 의한 출력의 경우, 상기 CPU(2)를 통해 입력받은 출력값(Val 2)을 입력받아 후술하는 Output Value 2에 전달하는 Serail To Parallel I/F(인터페이스)(25)와, 상기 Serail To Parallel I/F(25)를 통해 입력받은 출력값(Val 2)을 후술하는 IO/Set 2에 전달하는 Output Value 2(23')와, 상기 Output Value 2(23')로부터 입력받은 출력값(Val 2)을 후술하는 Input Output Setting 2에 전달하는 IO/Set 2(22'), 및 상기 IO/Set 2(22')로부터 입력받은 출력값(Val 2)을 출력하는 Input Output Setting 2(21')로 구성된다.

도 4는 GPIO 확장장치를 이용한 컨트롤 장치로써, 예를 들어 로봇 등의 손가락 및 발가락과 손목 발목 무릎 팔꿈치의 수평 수직 좌우 관절에 장착된 각각의 모터를 컨트롤하기 위해서는 모터의 개수가 늘어나야 하며 또한 성능을 증가시키기 위해서는 센서의 종류와 개수도 기하급수적으로 늘어나야 된다.

이는 도 1에 도시된 바와 같이 일반적인 MCU 혹은 CPU의 포트로는 한계가 있으며 각각의 컨트롤 혹은 센서 라인이 각 관절부의 모터에 전달되기 위해 CPU측의 포트부족 문제를 해결하기 위해 수 개의 GPIO BOX(2), 즉 MUX를 병렬로 연결한 구조이다.

도 3은 상술한 본 발명의 GPIO 확장장치에서 CPU(1)와 MUX 즉, GPIO BOX(2)의 흐름을 도시한 도면으로써, 본 발명의 로봇 시스템의 GPIO 확장장치에서 CPU(1) 와 MUX(멀티플렉서)(2)와의 흐름을 예를 들면 다음과 같다.

먼저, CPU(1)에서 MUX(멀티플렉서)(2) 1의 포트를 1번은 입력으로, 2번은 출력으로, N번은 출력으로 설정하고, Serail To Parallel I/F(25)에서 예를 들면 I/O 레지스터 값이 1인 경우 입력으로 설정한다.

상술한 바와 같이 입출력 포트와 I/O 레지스터 값을 설정한 후,

1)입력 설정시

Val 1은 입력값이며 상기 Val 1 입력값이 포트를 통해서 입력되도록 Input Output Setting(21)을 1로 설정한다.

입력으로 설정되어 있으므로 입력된 Val 1 값이 I/O Set 1(22) 블록을 경유하여 Input Value 1(23)을 형성하며, 이때 Interrupt & Set Clear(24)에 입력값이 바뀐 경우 이를 인지하도록 하여 인터럽트 1을 발생한다.

상기 Interrupt & Set Clear(24)에서 인터럽트 1 발생시 CPU(1)는 인터럽트에 따른 레지스터값 Val 1을 인지한다.

상기 Val 1의 변화시 인터럽트가 발생하였으므로 CPU(1)에서 Val 1의 변화에 합당한 신호처리를 한 후, Serail To Parallel I/F(인터페이스)(25)를 세팅하여 인터럽트를 클리어한다.

2)출력의 경우

Serail To Parallel I/F(인터페이스)(25)를 경유하여 포트 2가 출력이 되도록 설정한다.(예를 들면 : 0)

이렇게 설정된 출력값 Val 2를 Output Value 2(23')를 통해 I/O Set 2(22')에 전달한다.

이에 따라 IO/Set 2(22') 블록을 통해 Val 2가 출력되고, 이렇게 출력된 값은 상기 Val 2가 출력으로 설정되었으므로 상기 포트 2와 같은 형식으로 동작한다.

일본의 아시모 혹은 한국의 휴보 등을 컨트롤하기 위해서는 여러 개의 Step 모터와 다수의 센서를 탑재하여야 한다.

예를 들어 손가락 및 발가락과 손목 무릎 팔꿈치 등의 수평 수직 좌우 관절에 장착된 각각의 모터를 컨트롤하기 위해 모터의 개수가 기하급수적으로 늘어나야 되는데 이 점을 개선하기 위해 병렬의 GPIO 신호를 고속으로 양방향 시리얼화하여 CPU()에 전달하는 것이 필요하다.

로봇 시스템에서 저가격 구현을 위하여 시리얼 신호를 데이터가 병렬방식으로 들어오는 방식인 패러렐로 확장시키고 패러렐 신호의 입출력 셋팅을 CPU()에서 결정하도록 하는 반도체를 구현한다.

로봇등의 장치에서 센서 신호 변동 시 CPU(1)에 변동사항을 고지할 수 있도록 인터럽트 신호 발생이 필요한 경우, 센서의 개수가 증가하면 인터럽트의 개수도 증가하므로 인터럽트가 2개 이상인 경우 비효율적인 시스템 설계가 된다.

이와 같은 문제점을 보완하기 위해 인터럽트의 숫자를 줄이고 인터럽트 발생시 인터럽트 위치를 파악하는 방안으로 대처가 가능하며, 이를 위해 최종단에서 센서의 값 변동시 1차 인터럽트를 발생하도록 하며, 상기 1차 인터럽트들의 신호 여 러 개를 모아 2차 인터럽트 구현시 인터럽트의 개수를 줄일 수 있다.

인터럽트 발생시 CPU(1)는 고속 시리얼 인터페이스를 사용하여 인터럽트가 발생한 위치를 조사하여 어느 위치에서 인터럽트가 발생했는지 확인이 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 로봇 시스템의 GPIO 확장장치 및 방법에 따르면 다음과 같은 여러 가지 뛰어난 효과가 있다.

첫째, CPU의 시리얼 고속 컨트롤 신호를 병렬방식의 패러렐의 저속 입출력 신호로 설정이 가능하여 CPU의 부담을 줄일 수 있다.

둘째, CPU에서 컨트롤 혹은 센싱 부문 종단까지의 전선을 단순화하여 가격절감 및 내구성 있는 로봇 구현이 가능하다.

셋째, GPIO 확장장치를 사용함으로써 수백 ~ 수천개의 컨트롤 또는 센싱 라인을 2 ~ 3개의 라인으로 단순화가 가능하다.

넷째, 센서 값 변경 동작 시에 발생하는 인터럽트를 조사하여 인터럽트를 발생한 후 발생한 인터럽트를 모아 CPU에 적합한 숫자의 인터럽트로 줄일 수 있다.

Claims

Interrupt & Set Clear의 인터럽트를 전달받아 이에 합당한 신호처리를 한후, Serail To Parallel 인터페이스를 셋팅하여 인터럽트의 클리어는 물론, 로봇 시스템의 모든 입출력 동작을 제어하는 CPU(1); 및

상기 CPU(1)에 병렬로 연결되어 CPU(1)의 컨트롤에 따라서 입력 혹은 출력포트를 설정하는 각각의 멀티플렉서(Mux)(2)로 구성된 것을 특징으로 하는 로봇 시스템의 GPIO 확장장치.
제 1항에 있어서, 상기 멀티플렉서(2)는

초기 입출력 설정에 의한 입력의 경우, 입력값(Val 1)을 입력받아 포트를 통해 후술하는 IO/Set 1 블록에 전달하는 Input Output Setting 1(21);

상기 Input Output Setting 1(21)로부터 입력 값(Val 1)을 입력받아 Input Value 1로 전달하는 IO/Set 1(22);

상기 IO/Set 1(22)로부터 입력값(Val 1)을 입력받아 Serail To Parallel I/F(인터페이스)와 Interrupt & Set Clear로 전송하는 Input Value 1(23);

상기 Input Value 1(23)의 입력값(Val 1)을 전달받는 Serail To Parallel I/F(인터페이스)(25); 및

상기 Input Value 1(23)의 입력값(Val 1)을 인지하여 인터럽트 1을 발생하여 상기 CPU(1)로 전송하는 Interrupt & Set Clear(24)로 이루어지며,

초기 입출력 설정에 의한 출력의 경우, 상기 CPU(2)를 통해 입력받은 출력값(Val 2)을 입력받아 Output Value 2에 전달하는 Serail To Parallel I/F(인터페이스)(25);

상기 Serail To Parallel I/F(25)를 통해 입력받은 출력값(Val 2)을 IO/Set 2에 전달하는 Output Value 2(23');

상기 Output Value 2(23')로부터 입력받은 출력값(Val 2)을 후술하는 Input Output Setting 2에 전달하는 IO/Set 2(22'); 및

상기 IO/Set 2(22')로부터 입력받은 출력값(Val 2)을 출력하는 Input Output Setting 2(21')로 구성된 것을 특징으로 하는 로봇 시스템의 GPIO 확장장치
제 1항에 있어서,

상기 CPU(1)에 병렬의 GPIO(MUX)(2) 신호를 고속으로 양방향 시리얼화하여 입출력 값을 전달함으로써 입출력 포트를 절감시키도록 한 것을 특징으로 하는 로봇 시스템의 GPIO 확장장치.