KR20120105798A

KR20120105798A - 탈부착 허브 메커니즘 구조를 가지는 교육용 모듈러 로봇

Info

Publication number: KR20120105798A
Application number: KR1020110023446A
Authority: KR
Inventors: 최계희; 설동국; 황민수; 이석규
Original assignee: (주) 알코; 영남대학교 산학협력단
Priority date: 2011-03-16
Filing date: 2011-03-16
Publication date: 2012-09-26

Abstract

본 발명은 확장용 허브 모듈을 이용하여 하나의 제어기 모듈에 다른 인터페이스를 가지는 다양한 센서 모듈 및 액츄에이터 모듈을 조립할 수 있도록 하는 기능 확장이 용이한 탈부착 허브 메커니즘 구조를 가지는 교육용 모듈러 로봇에 관한 것으로, 로봇을 구성하는 하나의 로봇 제어기 모듈과 다수의 센서 모듈 및 액츄에이터 모듈을 전기적 및/또는 기계적으로 연결 및 조립하여 다양한 형상의 로봇을 제작할 수 있는 교육용 모듈러 로봇 시스템에 있어서, 사용자에 의해 프로그래밍 되며, 상기 사용자에 의해 작성된 프로그래밍에 따라 전체 시스템을 제어하는 로봇 제어기 모듈; 사용자의 조작에 따라 상기 로봇 제어기 모듈에 탈착 또는 부착되며, 복수의 통신 인터페이스와 복수의 형태를 가지는 센서 모듈과 액츄에이터 모듈이 선택적으로 연결될 수 있도록 통신수단과 인터페이스로 이루어진 재구성 허브 모듈; 상기 재구성 허브 모듈에 의해 상기 로봇 제어기 모듈과 연결되어, 상기 로봇 제어기 모듈에 의해 제어되는 센서 모듈; 및 상기 재구성 허브 모듈에 의해 상기 로봇 제어기 모듈과 연결되어, 상기 로봇 제어기 모듈에 의해 제어되는 액츄에이터 모듈을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

탈부착 허브 메커니즘 구조를 가지는 교육용 모듈러 로봇{Modular robot for educational having hub mechanism structure}

본 발명은 탈부착 허브 메커니즘 구조를 가지는 교육용 모듈러 로봇에 관한 것이다.

특히, 확장용 허브 모듈을 이용하여 하나의 제어기 모듈에 다른 인터페이스를 가지는 다양한 센서 모듈 및 액츄에이터 모듈을 조립할 수 있도록 하는 기능 확장이 용이한 탈부착 허브 메커니즘 구조를 가지는 교육용 모듈러 로봇에 관한 것이다.

로봇 산업은 자동차 산업 규모 이상의 성장 잠재력을 가진 첨단 융합산업의 대표산업으로 신규 투자와 기술혁신을 통하여 무한한 시장이 열려 있는 유망산업이다. 이중 교육용 로봇산업은 로봇과 교육의 융합으로 로봇시장뿐만 아니라 에듀테인먼트 콘텐츠 및 부가서비스에 성장잠재력이 크고 전후방 산업에 미치는 영향력도 큰 분야이며 세계 교구로봇시장의 규모도 크게 증가할 것으로 전망된다.

최근에 로봇을 구성하는 하나의 로봇 제어기 모듈과 다수의 센서 모듈 및 액츄에이터 모듈을 전기적/기계적으로 연결 및 조립하여 인간, 강아지, 공룡 등 다양한 형상의 로봇을 제작할 수 있는 교육용 모듈러 로봇이 각광받고 있다.

도 1은 일반적인 교육용 모듈러 로봇의 일례에 대한 사시도이다.

도 1을 참조하면, 일반적인 교육용 모듈러 로봇(10)은 로봇을 구성하는 기본단위로서 사용자가 프로그래밍 가능하고 센서 모듈(30)과 액츄에이터 모듈(40)을 제어할 수 있는 하나의 로봇 제어기모듈(20)과, 소리, 빛, 거리 등 환경 인식을 위한 다수의 센서 모듈(30)과, 로봇의 구동과 동작을 수행하는 다수의 액츄에이터 모듈(40)과, 상기 로봇 제어기 모듈(20), 센서 모듈(30) 및 액츄에이터 모듈(40)의 전기적인 연결을 위한 통신 케이블(50)과, 인간, 강아지, 공룡 등 로봇의 다양한 형상을 구현할 수 있도록 하는 조립 기구물(60)로 구성된다.

종래의 교육용 모듈러 로봇의 경우, 로봇 제어기 모듈(20), 센서 모듈(30) 및 액츄에이터 모듈(40) 간의 통신 포트 및 인터페이스가 고정되어 있어, 로봇 제어기 모듈(20)이 정해지면 로봇 제어기 모듈(20)의 통신포트 및 인터페이스를 만족하는 센서 모듈(30)과 액츄에이터 모듈(40)만 적용이 가능하다.

예를 들어, A 회사의 로봇 제어기 모듈, 센서 모듈 및 액츄에이터 모듈 간의 통신이 4-Wire, I2C방식으로 이루어진다면, 3-Wire, RS485 방식의 통신 인터페이스로 구현되어 있는 B 회사의 센서모듈과 액츄에이터 모듈은 A 회사의 로봇 제어기 모듈에 사용할 수 없다. 이렇기 때문에, A 회사의 로봇 제어기 모듈을 구입한 사용자가 B 회사의 센서 모듈이나 액츄에이터 모듈을 사용하려면 B 회사의 로봇 제어기 모듈을 다시 구입해야 한다는 문제점을 가지고 있다.

또한, 통신 인터페이스를 만족한다 하더라도, A 회사의 로봇 제어기 모듈, 센서 모듈 및 액츄에이터 모듈의 통신 포트가 C 회사의 4-Pin 커넥터로 구현되어 있는 경우, 통신 포트가 D 회사의 4-Pin 커넥터로 구현되어 있는 E 회사의 센서 모듈과 액츄에이터 모듈을 사용하기 위해서는 통신 케이블을 별도로 제작해야 한다는 문제점을 가지고 있다.

또한, 종래의 교육용 모듈러 로봇의 경우, 로봇 제어기 모듈의 센서 및 액츄에이터 포트 수에 따라 연결 가능한 센서 모듈 및 액츄에이터 모듈의 수가 제한되기 때문에 로봇 구현에 대한 응용성 및 확장성이 저하된다는 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해소시키기 위해 안출된 것으로 본 발명은 서로 다른 통신 포트와 인터페이스를 가진, 로봇 제어기 모듈, 센서 모듈 및 액츄에이터 모듈 간의 통신 포트와 인터페이스를 전기적 및 기계적으로 맞춰주는 허브 모듈을 이용하여 하나의 로봇 제어기 모듈에 여러 메이커에 의해 생산된 다양한 종류의 센서 모듈 및 액츄에이터 모듈을 사용할 수 있도록 하는 탈부착 허브 메커니즘 구조를 가지는 교육용 모듈러 로봇을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한, 멀티드롭 방식의 네트워크형 센서 모듈과 액츄에이터 모듈을 구현함으로써, 교육용 모듈러 로봇을 활용함에 있어 로봇 제어기 모듈의 센서 및 액츄에이터 연결 포트 수에 대한 제한 및 배선에 대한 어려움 없이 다수의 센서 모듈 및 액츄에이터 모듈을 확장 연결하고 제어할 수 있도록 하는 탈부착 허브 메커니즘 구조를 가지는 교육용 모듈러 로봇을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 제안된 본 발명의 일 실시예는, 로봇을 구성하는 하나의 로봇 제어기 모듈과 다수의 센서 모듈 및 액츄에이터 모듈을 전기적 및/또는 기계적으로 연결 및 조립하여 다양한 형상의 로봇을 제작할 수 있는 교육용 모듈러 로봇 시스템에 있어서, 사용자에 의해 프로그래밍 되며, 상기 사용자에 의해 작성된 프로그래밍에 따라 전체 시스템을 제어하는 로봇 제어기 모듈; 사용자의 조작에 따라 상기 로봇 제어기 모듈에 탈착 또는 부착되며, 복수의 통신 인터페이스와 복수의 형태를 가지는 센서 모듈과 액츄에이터 모듈이 선택적으로 연결될 수 있도록 통신수단과 인터페이스로 이루어진 재구성 허브 모듈; 상기 재구성 허브 모듈에 의해 상기 로봇 제어기 모듈과 연결되어, 상기 로봇 제어기 모듈에 의해 제어되는 센서 모듈; 및 상기 재구성 허브 모듈에 의해 상기 로봇 제어기 모듈과 연결되어, 상기 로봇 제어기 모듈에 의해 제어되는 액츄에이터 모듈을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 로봇 제어기 모듈은, 외부의 컴퓨터와 명령 및 데이터를 유선방식으로 송수신하기 위한 송수신부; 상기 외부의 컴퓨터 또는 다른 로봇 제어기 모듈을 무선방식으로 명령 및 데이터를 주고받기 위한 무선통신부; 상기 로봇 제어기 모듈, 허브 모듈, 센서 모듈 및 액츄에이터 모듈에 전원을 인가하는 전원공급부; 사용자의 조작에 따라 상기 로봇 제어기 모듈의 프로그램 선택, 실행 또는 중지 명령신호를 출력하는 사용자입력부; 로봇 제어 프로그램, 센서 모듈 및 액츄에이터 모듈의 데이터, 연산 데이터, 디스플레이 데이터 및 음원 데이터 중 적어도 하나 이상의 데이터를 저장하고 있는 저장부; 상기 센서 모듈 및 상기 액츄에이터 모듈을 제어하고 데이터 수집 및 연산과 처리를 수행하며, 상기 로봇 제어기 모듈 내의 송수신부, 무선통신부, 저장부, 통신부, 디스플레이부 및 음향발생부를 제어하는 제어부; 상기 허브 모듈과의 명령 및 데이터 송수신을 위한 통신부; 상기 프로그램의 조작, 센서 모듈 및 액츄에이터 모듈의 데이터 피드백을 위한 디스플레이부; 및 음악, 벨소리, 경고음, 녹취된 음성을 발생하기 위한 음향발생부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 허브 모듈은, 외부의 컴퓨터와 데이터를 주고받기 위한 송수신부; 상기 로봇 제어기 모듈로부터 일정한 전원을 공급받아, 허브 모듈, 센서 모듈 및 액츄에이터 모듈의 구동전원으로 변환하여 해당 구성요소에 공급하는 전원변환부; 상기 로봇 제어기 모듈과의 명령 및 데이터 송수신을 위한 통신부; 상기 허브 모듈 제어 프로그램, 로봇 제어기 모듈로부터 입력된 명령 데이터와 상기 센서 모듈 및 액츄에이터 모듈의 데이터를 저장하는 저장부; 상기 센서 모듈 또는 상기 액츄에이터 모듈을 제어하기 위한 제어신호 또는 명령 패킷을 생성하고, 상기 허브 모듈 내의 송수신부, 통신부, 저장부, 인터페이스부를 제어하는 제어부; 및 복수의 센서 모듈 또는 복수의 액츄에이터 모듈 중 사용자에 의해 선택된 센서 모듈 및 액츄에이터 모듈이 연결되는 인터페이스부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 센서 모듈은, 상기 허브 모듈과 명령 및 데이터 송수신을 위한 통신부; 상기 센서 모듈의 전반적인 제어를 위한 프로그램, 상기 센서부로부터 입력된 측정 데이터, 상기 입출력부를 통해 사용자가 부여한 고유 ID 정보를 저장하고 있는 저장부; 상기 센서 모듈의 전반적인 동작을 제어하며, 상기 센서 모듈 내의 통신부, 저장부, 입출력부 및 센서부를 제어하는 제어부; 사용자가 센서 모듈의 고유 ID를 설정하기 위한 2개의 버튼으로 구성된 입력부와, 사용자의 입력에 따라 고유 ID를 숫자로 표시하기 위한 3개의 7 세그먼트로 구성된 출력부를 포함하는 입출력부; 및 측정하고자 하는 정보에 따라 하나 또는 다수 개의 센서를 포함하는 센서부; 를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 액츄에이터 모듈은, 상기 허브 모듈과 명령 및 데이터 송수신을 위한 통신부; 상기 액츄에이터 모듈의 전반적인 제어를 위한 프로그램, 상기 액츄에이터 모듈의 상태 정보, 상기 입출력부를 통해 사용자가 부여한 고유 ID 정보를 저장하고 있는 저장부; 상기 액츄에이터 모듈의 전반적인 동작을 제어하며, 상기 액츄에이터 모듈 내의 통신부, 저장부, 연산부, 입출력부 및 구동부를 제어하는 제어부; 상기 구동부의 회전방향 및 회전속도를 연산하며 상기 액츄에이터 모듈가 구동될 때의 각도를 계산하는 과정을 반복, 수행하는 연산부; 사용자가 상기 액츄에이터 모듈의 고유 ID를 설정하기 위한 2개의 버튼으로 구성된 입력부와, 사용자의 입력에 따라 고유 ID를 숫자로 표시하기 위한 3개의 7세그먼트로 구성된 출력부를 포함하는 입출력부; 및 상기 연산부에서 연산된 회전방향 및 회전속도에 따라 구동되어 상기 액츄에이터 모듈을 구동시키고, 실제 구동하는 모터 및 모터의 구동을 제어하는 모터구동부를 포함하는 구동부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성 및 작용 그리고 바람직한 실시예를 가지는 본 발명에 의하면, 재구성 허브 모듈의 교체만으로 모듈 간의 통신 포트나 인터페이스에 제한 받지 않고, 하나의 로봇 제어기 모듈로 다양한 종류의 센서 모듈과 액츄에이터 모듈을 제어할 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 교육용 모듈러 로봇을 구성하는 센서 모듈과 액츄에이터 모듈에 멀티드롭 통신방식을 적용함으로써 물리적인 연결 포트 수의 제한 없이 다수의 센서 모듈과 액츄에이터 모듈을 확장 연결하여 제어할 수 있고 네트워크 토폴로지(Topology)를 단순화 할 수 있도록 하는 효과가 있다.

이를 통해, 하나의 로봇 제어기 모듈을 구입한 사용자가 타 사의 센서 모듈이나 액츄에이터 모듈을 사용하고자 할 경우에도 또 다른 로봇 제어기 모듈을 구입할 필요가 없어지게 되므로 비용적 손실을 줄일 수 있으며, 다양한 종류의 센서 모듈과 액츄에이터 모듈을 사용할 수 있고, 다수의 센서 모듈과 액츄에이터 모듈을 확장 사용할 수 있으므로, 다양한 형상의 로봇을 구현함에 있어 응용성 및 확장성이 향상될 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 교육용 모듈러 로봇의 일례에 대한 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 교육용 모듈러 로봇의 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 로봇 제어기 모듈의 블록도이다.
도 4는 본 발명에 따른 재구성 허브 모듈의 블록도이다.
도 5는 본 발명에 따른 센서 모듈의 블록도이다.
도 6은 본 발명에 따른 액츄에이터 모듈의 블록도이다.
도 7는 본 발명에 따른 교육용 모듈러 로봇의 예시도이다.
도 8은 본 발명에 따른 교육용 모듈러 로봇의 또 다른 예시도이다.

이하 첨부도면에 도시된 본 발명의 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 교육용 모듈러 로봇을 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 교육용 모듈러 로봇의 구성도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 교육용 모듈러 로봇은, 사용자 프로그래밍과 센서 및 액츄에이터 제어가 가능한 로봇 제어기 모듈(100)과, 상기 로봇 제어기 모듈(100)에 탈부착이 가능하며 다양한 통신 인터페이스와 형태를 갖는 센서 모듈과 액츄에이터 모듈을 선택하여 다양한 형태로 적용할 수 있도록 통신 기능과 인터페이스가 구현된 재구성 허브 모듈(200)과, 상기 로봇 제어기 모듈(100)과의 통신 포트와 인터페이스에 제한을 받지 않는 센서 모듈 또는 시중에 판매 중인 교육용 로봇용 센서 모듈(300)과, 상기 로봇 제어기 모듈(100)과의 통신 포트 및 인터페이스에 제한을 받지 않는 액츄에이터 모듈 또는 시중에 판매 중인 교육용 로봇용 액츄에이터 모듈(400)로 구성된다.

상기와 같이 구성된 교육용 모듈러 로봇의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저 로봇 제어기 모듈(100)은 사용자에 의해 구동명령이 입력되는 경우 상기 허브 모듈(200)을 통해 상기 센서모듈(300)과 통신을 수행하여 감지된 신호를 사용자에 의해 작성된 프로그램에 적용시켜 상기 허브 모듈(200)을 통해 액츄에이터 모듈(400)을 제어하여 교육용 로봇이 구동되도록 한다.

도 3은 도 2에 적용된 로봇 제어기 모듈(100)의 블록도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 로봇 제어기 모듈(100)은 송수신부(110), 무선통신부(120), 전원공급부(130), 사용자입력부(140), 저장부(150), 제어부(160), 통신부(170), 디스플레이부(180), 음향발생부(190)를 포함하여 이루어진다.

상기 송수신부(110)는 외부의 컴퓨터와 명령 및 데이터를 주고받기 위한 통신모듈로서, RS232, USB 등으로 구현될 수 있으며, 사용자에 의해 작성된 로봇을 제어하기 위한 프로그램은 사용자의 조작에 따라 상기 송수신부(110)를 통해 로봇 제어기 모듈(100)로 전송되고, 로봇 제어기 모듈(100)의 저장부(150)에 저장된 후 설치된다.

상기 무선통신부(120)는 외부의 컴퓨터 또는 다른 로봇 제어기 모듈과 무선으로 명령 및 데이터를 주고받기 위한 통신모듈로서, Bluetooth, Zigbee 등으로 구현될 수 있으며, 사용자에 의해 컴퓨터에서 작성된 로봇 제어 프로그램은 사용자의 조작에 따라 무선데이터로 변환되어 무선방식으로 로봇 제어기 모듈(100)의 저장부(150)에 저장된 후 설치된다.

상기 전원공급부(130)는 로봇 제어기 모듈(100)뿐만 아니라 도 2의 허브 모듈(200), 센서 모듈(300), 액츄에이터 모듈(400)에 인가되는 전원을 제공하기 위한 것으로서, 직류전원을 제공하는 충전 가능한 배터리를 이용하며, 배터리를 충전하기 위해 외부 교류전원에 접속하기 위한 접속모듈 및 입력되는 교류전압을 직류로 변환하는 레귤레이터 등을 포함한다.

상기 사용자 입력부(140)는 상기 로봇 제어기 모듈(100)의 프로그램 선택, 실행, 중지 등을 위해 3개의 버튼으로 구성되며, 각 버튼은 “쉬프트”, “선택/런”, “중지/취소”의 기능이 구현된다.

상기 저장부(150)는 사용자가 작성한 로봇 제어 프로그램, 로봇 동작 중에 생성되는 센서 모듈(300)의 데이터 및 액츄에이터 모듈(400)의 동작 데이터, 연산 데이터, 디스플레이를 위한 특정 아이콘 및 심볼 데이터, 음원 데이터 등을 저장하여 상기 제어부(160)의 요청에 의해 저장된 데이터를 출력할 수 있는 메모리로서, 램(RAM)과 롬(ROM) 형태의 메모리를 포함한다.

상기 제어부(160)는 저장부(150)에 저장되어 있는 로봇 제어 프로그램 및 사용자 입력에 따라, 허브 모듈(200)을 통해 센서 모듈(300) 및 액츄에이터 모듈(400)을 제어하고, 데이터 수집 및 연산과 처리를 수행한다. 나아가 로봇 제어기 모듈(100)이 동작하도록 송수신부(110), 무선통신부(120), 저장부(150), 통신부(170), 디스플레이부(180) 및 음향발생부(190)를 제어한다.

상기 통신부(170)는 로봇 제어기 모듈(100)과 허브 모듈(200) 간의 명령 및 데이터 송수신을 위한 통신모듈로서, 시리얼 통신(I2C, UART, SPI 등) 방식의 패킷 단위로 데이터를 주고받을 수 있으며, 정해진 통신 프로토콜을 만족하는 모든 허브 모듈(200)과의 통신이 가능하다.

상기 디스플레이부(180)는 다수의 특정 아이콘 및 심볼, 글자, 이미지 등을 도시할 수 있는 액정 표시장치(LCD)로서, 저장된 프로그램의 조작, 실행 등을 확인하거나 센서 모듈(300)의 측정 결과와 액츄에이터 모듈(400)의 동작 결과 등을 사용자에게 피드백한다.

상기 음향발생부(190)는 상기 저장부(150)에 저장된 음악, 벨소리, 경고음과 사용자의 녹취된 음성을 발생하기 위한 일체의 음향처리 장치로서, 스피커를 포함하여 D/A 컨버터, 증폭기 등으로 구현된다.

상기와 같이 구성된 로봇 제어기 모듈(100)의 작용을 설명하면 다음과 같다.

사용자가 작성한 로봇 제어 프로그램은 상기 송수신부(110) 또는 상기 무선통신부(120)를 통해 상기 저장부(150)에 저장되며, 사용자는 상기 사용자 입력부(140)를 통해 로봇 제어기 모듈을 조작할 수 있다.

사용자가 사용자 입력부(140)를 통해 로봇을 제어하기 위한 임의의 명령을 입력하면, 상기 제어부(160)는 상기 사용자에 의해 입력된 임의의 명령에 따라 상기 저장부(150)에 저장된 로봇 제어 프로그램을 읽어들이고, 읽어들인 로봇 제어 프로그램에 따라 상기 액츄에이터 모듈(400)을 제어하여 교육용 로봇이 구동되도록 한다. 이때 상기 제어부(160)는 상기 센서모듈(300)을 통해 센싱된 센싱 정보를 입력받아 액츄에이터 모듈(400)의 구동상태를 제어하게 된다.

또한 제어부(160)는 교육용 로봇의 구동제어에 따라 생성된 영상 데이터 및 음성 데이터를 상기 디스플레이부(180) 및 상기 음향발생부(190)를 통해 각각 출력하여 사용자가 보고 들을 수 있도록 한다.

도 4는 본 발명에 따른 재구성 허브 모듈(200)의 블록도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 재구성 허브 모듈(200)은 송수신부(210), 전원변환부(220), 통신부(230), 저장부(240), 제어부(250), 인터페이스부(260)를 포함한다.

상기 송수신부(210)는 외부의 컴퓨터와 데이터를 주고받기 위한 통신모듈로서, RS232, USB 등으로 구현될 수 있으며, 사용자에 의해 작성된 허브 모듈(200)의 동작을 위한 프로그램이 사용자의 조작에 따라 전송되어 허브 모듈(200)에 설치되도록 한다.

상기 전원변환부(220)는 상기 로봇 제어기 모듈(100)로부터 일정한 전원을 공급받아 허브 모듈(200), 센서 모듈(300) 및 액츄에이터 모듈(400)에서 필요로 하는 전원으로 변환하여 인가하기 위한 것으로서 레귤레이터 등을 포함한다.

상기 통신부(230)는 상기 로봇 제어기 모듈(100)과 상기 허브 모듈(200) 간의 명령 및 데이터 송수신을 위한 통신모듈로서, 시리얼 통신(I2C, UART, SPI 등) 방식의 패킷 단위로 데이터를 주고받을 수 있으며, 상기 로봇제어기 모듈(100)과 통신 프로토콜을 공유한다.

상기 저장부(240)는 사용자에 의해 작성된 상기 허브 모듈(200)의 제어 프로그램, 로봇 동작 중에 상기 로봇 제어기 모듈(100)로부터 입력된 명령 데이터, 센서 모듈(300)의 데이터 및 액츄에이터 모듈(400)의 동작 데이터 등을 저장하여 상기 제어부(250)의 요청에 의해 저장된 데이터를 출력할 수 있는 메모리로서, 램(RAM)과 롬(ROM) 형태의 메모리를 포함한다.

상기 제어부(250)는 상기 저장부(240)에 저장되어 있는 허브 모듈(200) 제어 프로그램과 상기 로봇 제어기 모듈(100)의 명령에 따라, 수동형 센서 모듈(300) 및 액츄에이터 모듈(400)을 제어할 수 있는 제어신호를 생성하거나 능동형 센서 모듈(300) 및 액츄에이터 모듈을 제어하기 위한 명령 패킷을 생성한다. 나아가 허브 모듈(200)이 동작하도록 상기 송수신부(210), 통신부(230), 저장부(240) 및 인터페이스부(260)를 제어한다.

상기 인터페이스부(260)는 상기 센서 모듈(300) 및 상기 액츄에이터 모듈(400)과 직접적으로 연결되는 부분으로서, 적용하고자 하는 상기 센서 모듈(300)과 상기 액츄에이터 모듈(400)의 통신 포트 및 인터페이스에 따라 변경이 가능하며, 다양한 형태 및 수량의 커넥터와, 상기 능동형 센서 모듈(300) 및 액츄에이터 모듈(400)과의 통신을 위한 통신부와, 상기 수동형 센서 모듈(300) 및 상기 액츄에이터 모듈(400)을 제어하기 위한 제어 회로 등을 포함하여 이루어진다.

상기와 같이 구성된 재구성 허브 모듈(200)의 작용을 설명하면 다음과 같다.

사용자가 작성한 허브 모듈 제어 프로그램은 제어부(250)의 제어에 응하여 상기 송수신부(210)를 통해 상기 저장부(240)에 저장되며, 상기 제어부(250)는 상기 통신부(230)를 통해 입력된 상기 로봇 제어기 모듈(100)의 명령과 상기 저장부(240)에 저장된 허브 모듈 제어 프로그램에 따라 상기 인터페이스부(260)를 통해 상기 센서모듈(300) 및 상기 액츄에이터 모듈(400)과 상호 통신을 수행하고, 그 결과를 상기 통신부(230)를 통해 상기 로봇 제어기 모듈(100)로 전송한다.

도 5는 본 발명에 따른 센서 모듈(300)의 블록도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 센서 모듈(300)은 통신부(310), 저장부(320), 제어부(330), 입출력부(340), 센서부(350)를 포함하여 이루어진다.

상기 통신부(310)는 상기 허브 모듈(200)과 상기 센서 모듈(300) 간의 명령 및 데이터 송수신을 위한 통신 모듈로서, 시리얼 통신(I2C, UART, SPI 등) 방식의 패킷 단위로 데이터를 전송할 수 있으며, 상기 허브 모듈(200)과 통신 프로토콜을 공유한다.

또한, 상기 통신부(310)는 상기 허브 모듈(200)로부터 수신된 명령 패킷 내의 ID 정보와 상기 저장부(320)에 저장되어 있는 센서 모듈(300)의 고유 ID를 비교하여 명령을 수행할 것인지를 판단하고, 센서 측정 데이터를 상기 허브 모듈(200)로 전송한다. 또한, 상기 통신부(310)는 상기 허브 모듈(200)로부터 명령 패킷이 수신되지 않았다 하더라도, 상기 센서부(350)에 이벤트가 발생한 경우 통신선의 사용 여부를 체크한 후, 해당 데이터 패킷을 상기 허브 모듈(200)로 전송한다.

상기 저장부(320)는 상기 센서 모듈(300)의 전반적인 제어를 위한 프로그램, 상기 센서부(350)로부터 입력되는 측정 데이터, 상기 입출력부(340)를 통해 사용자가 부여한 고유 ID 정보 등을 저장하고 있으며, 상기 제어부(330) 또는 상기 통신부(310)의 요청에 의해 저장된 데이터를 출력할 수 있는 메모리로서, 램(RAM)과 롬(ROM) 형태의 메모리를 포함한다.

상기 제어부(330)는 상기 센서 모듈(300)의 전반적인 동작을 제어하며, 상기 저장부(320)에 저장되어 있는 제어 프로그램과 상기 허브 모듈(200)로부터 전송된 명령에 따라 상기 센서 모듈(300)이 동작하도록 통신부(310), 저장부(320), 입출력부(340) 및 센서부(350)를 제어한다.

상기 입출력부(340)는 사용자가 센서 모듈(300)의 고유 ID를 설정하기 위한 2개의 버튼으로 구성된 입력부와 사용자의 입력에 따라 고유 ID를 숫자로 표시하기 위한 3개의 7 세그먼트로 구성된 출력부를 포함하여 이루어진다.

상기 센서부(350)는 측정하고자 하는 정보에 따라 하나 또는 다수 개의 다양한 센서를 포함하고 있을 수 있다.

여기서 센서는 예를 들어, U-SONIC, CDS, TILT, ACCELERATION, GYRO, PHOTO, COLOR, IR 센서 등이 사용될 수 있다.

상기와 같이 구성된 센서 모듈(300)의 작용을 설명하면 다음과 같다.

사용자는 상기 입출력부(340)를 통해 상기 센서 모듈(300)의 고유 ID를 설정하고, 상기 제어부(330)는 상기 통신부(310)를 통해 상기 허브 모듈(200)로부터 입력되는 명령 패킷의 ID와 미리 설정된 고유 ID를 비교하여 명령의 수행 여부를 결정한다. 그리고 상기 제어부(330)는 상기 저장부(320)에 저장되어 있는 센서 모듈 제어 프로그램에 따라 상기 센서부(350)를 제어하여 상기 센서부(350)에서 측정된 데이터를 상기 저장부(320)에 저장하거나 상기 통신부(310)를 통해 상기 허브 모듈(200)로 전송한다.

도 6은 본 발명에 따른 액츄에이터 모듈(400)의 블록도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 액츄에이터 모듈(400)은 통신부(410), 저장부(420), 제어부(430), 연산부(440), 입출력부(450), 구동부(460)를 포함하여 이루어진다.

상기 통신부(410)는 상기 허브 모듈(200)과 액츄에이터 모듈(400) 간의 명령 및 데이터 송수신을 위한 통신 모듈로서, 시리얼 통신(I2C, UART, SPI 등) 방식의 패킷 단위로 데이터를 전송할 수 있으며, 상기 허브 모듈(200)과 통신 프로토콜을 공유한다.

또한, 상기 통신부(410)는 허브 모듈(200)로부터 수신된 명령 패킷 내의 ID 정보와 상기 저장부(420)에 저장되어 있는 상기 액츄에이터 모듈(400)의 고유 ID를 비교하여 명령을 수행할 것 인지를 판단하고, 상기 액츄에이터 모듈(400)의 상태 정보를 상기 허브 모듈(200)로 전송한다.

상기 저장부(420)는 액츄에이터 모듈(400)의 전반적인 제어를 위한 프로그램, 액츄에이터 모듈(400)의 상태 정보, 입출력부(450)를 통해 사용자가 부여한 고유 ID 정보 등을 저장하고 있으며, 상기 제어부(430) 또는 통신부(410)의 요청에 의해 저장된 데이터를 출력할 수 있는 메모리로서, 램(RAM)과 롬(ROM) 형태의 메모리를 포함한다.

상기 제어부(430)는 상기 액츄에이터 모듈(400)의 전반적인 동작을 제어하며, 상기 저장부(420)에 저장되어 있는 제어 프로그램과 상기 허브 모듈(200)로부터 전송된 명령에 따라 상기 액츄에이터 모듈(400)이 동작하도록 통신부(410), 저장부(420), 연산부(440), 입출력부(450), 구동부(460)를 제어한다.

상기 연산부(440)는 상기 저장부(420)에 저장되어 있는 제어 프로그램과 상기 허브 모듈(200)로부터 수신된 명령 패킷에 따라 상기 구동부(460)의 회전방향 및 회전속도를 연산하며, 상기 액츄에이터 모듈(400)을 구동할 때의 각도를 계산하는 과정을 반복한다. 즉 설정된 동작을 제어하기 위하여 상기 구동부(460)의 구동값을 연산한다.

상기 입출력부(450)는 사용자가 액츄에이터 모듈(400)의 고유 ID를 설정하기 위한 2개의 버튼으로 구성된 입력부와, 사용자의 입력에 따라 고유 ID를 숫자로 표시하기 위한 3개의 7 세그먼트로 구성된 출력부를 포함하여 이루어진다.

상기 구동부(460)는 상기 제어부(430)의 제어 신호에 따라 구동하여 상기 액츄에이터 모듈(400)의 동작을 구현하게 되며, 이러한 상기 구동부(460)의 구동은 상기 연산부(440)에서 연산된 회전방향 및 회전속도에 따라 결정된다. 상기 구동부(460)는 실제 구동하는 모터 및 모터의 구동을 제어하는 모터구동부를 포함한다.

상기와 같이 구성된 액츄에이터 모듈(400)의 작용을 설명하면 다음과 같다.

사용자는 상기 입출력부(450)를 통해 상기 액츄에이터 모듈(400)의 고유 ID를 설정하고, 상기 제어부(430)는 상기 통신부(310)를 통해 상기 허브 모듈(200)로부터 입력되는 명령 패킷의 ID와 미리 설정된 고유 ID를 비교하여 명령의 수행 여부를 결정한다. 그리고 상기 제어부(430)는 상기 저장부(420)에 저장되어 있는 액츄에이터 모듈 제어 프로그램과 상기 연산부(440)에서 연산된 결과 값에 따라 상기 구동부(460)를 제어하고 그 결과를 상기 통신부(410)를 통해 상기 허브 모듈(200)로 전송한다.

도 7은 본 발명에 따른 교육용 모듈러 로봇의 예시도이다.

도 7을 참조하면, 사용하고자 하는 센서 모듈(300) 및 액츄에이터 모듈(400)은, 4-Pin 커넥터 및 4-Wire 통신선을 통해 I2C 방식으로 통신하며 고유 ID에 의한 멀티드롭 방식으로 통신할 수 있는 본 발명에 따른 능동형 센서 모듈(300) 및 액츄에이터 모듈(400)이다.

상기 재구성 허브 모듈(200)은 상기 로봇 제어기 모듈(100)의 명령을 받아, 제어하고자 하는 센서 모듈(300) 또는 액츄에이터 모듈(400)의 고유 ID를 생성하여 3개의 4-Pin 커넥터 및 4-Wire 케이블을 통해 I2C 통신방식으로, 상기 허브 모듈(200)에 연결되어 있는 모든 상기 센서 모듈(300)과 상기 액츄에이터 모듈(400)로 명령 패킷을 전송한다.

명령 패킷이 전송된 센서 모듈(300)과 액츄에이터 모듈(400)은 자신의 고유 ID와 수신된 ID를 비교하여 일치할 경우, 명령을 처리한 후 응답 패킷을 허브 모듈(200)로 전송한다. 상기 로봇 제어기 모듈(100)은 상기 허브 모듈(200)을 통해 센서 모듈(300) 및 액츄에이터 모듈(400)과 1:n의 멀티드롭 방식으로 연결되어 통신할 수 있으며, 이러한 배선은 다양하게 설정될 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 교육용 모듈러 로봇의 또 다른 예시도이다.

도 8을 참조하면, 사용하고자 하는 센서 모듈(300) 및 액츄에이터 모듈(400)은 A 회사에서 개발한 RJ12 커넥터 및 6-Wire 케이블을 통해 전원을 공급 받아 아날로그 신호를 출력하는 수동형 센서 모듈(300)과 RJ12 커넥터 및 6-Wire 케이블을 통해 전원을 공급 받고 PWM 신호를 입력 받아 모터를 제어하는 수동형 액츄에이터 모듈(400)이다.

재구성 허브 모듈(200)은 수동형 센서 모듈(300)을 연결할 수 있는 3개의 포트 및 제어 회로가 구현되어 있어, 상기 로봇 제어기 모듈(100)의 명령을 받아, 제어하고자 하는 센서 모듈(300)이 연결되어 있는 센서 포트를 제어하고 상기 센서 모듈(300)로부터 입력된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 상기 로봇 제어기 모듈(100)로 전송한다.

또한 액츄에이터 모듈(400)을 연결할 수 있는 3개의 포트 및 제어 회로가 구현되어 있으며, 상기 3개의 포트 및 제어회로는 상기 로봇 제어기 모듈(100)의 명령을 받아, 제어하고자 하는 액츄에이터 모듈(400)이 연결되어 있는 액츄에이터 포트를 제어하고 액츄에이터 모듈(400)로부터 입력된 상태 정보를 로봇 제어기 모듈(100)로 전송되도록 한다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세히 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는, 변경하여 실시할 수 있을 것이지만, 이는 첨부된 청구항에서 포함되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.

100: 로봇 제어기 모듈
110: 로봇 제어기 모듈 송수신부
120: 로봇 제어기 모듈 무선통신부
130: 로봇 제어기 모듈 전원공급부
140: 로봇 제어기 모듈 사용자입력부
150: 로봇 제어기 모듈 저장부
160: 로봇 제어기 모듈 제어부
170: 로봇 제어기 모듈 통신부
180: 로봇 제어기 모듈 디스플레이부
190: 로봇 제어기 모듈 음향발생부
200: 허브 모듈
210: 허브 모듈 송수신부
220: 허브 모듈 전원변환부
230: 허브 모듈 통신부
240: 허브 모듈 저장부
250: 허브 모듈 제어부
260: 허브 모듈 인터페이스부
300: 센서 모듈
310: 센서 모듈 통신부
320: 센서 모듈 저장부
330: 센서 모듈 제어부
340: 센서 모듈 입출력부
350: 센서 모듈 센서부
400: 액츄에이터 모듈
410: 액츄에이터 모듈 통신부
420: 액츄에이터 모듈 저장부
430: 액츄에이터 모듈 제어부
440: 액츄에이터 모듈 연산부
450: 액츄에이터 모듈 입출력부
460: 액츄에이터 모듈 구동부

Claims

로봇을 구성하는 하나의 로봇 제어기 모듈과 다수의 센서 모듈 및 액츄에이터 모듈을 전기적 및/또는 기계적으로 연결 및 조립하여 다양한 형상의 로봇을 제작할 수 있는 교육용 모듈러 로봇 시스템에 있어서,
사용자에 의해 프로그래밍 되며, 상기 사용자에 의해 작성된 프로그래밍에 따라 전체 시스템을 제어하는 로봇 제어기 모듈;
사용자의 조작에 따라 상기 로봇 제어기 모듈에 탈착 또는 부착되며, 복수의 통신 인터페이스와 복수의 형태를 가지는 센서 모듈과 액츄에이터 모듈이 선택적으로 연결될 수 있도록 통신수단과 인터페이스로 이루어진 재구성 허브 모듈;
상기 재구성 허브 모듈에 의해 상기 로봇 제어기 모듈과 연결되어, 상기 로봇 제어기 모듈에 의해 제어되는 센서 모듈; 및
상기 재구성 허브 모듈에 의해 상기 로봇 제어기 모듈과 연결되어, 상기 로봇 제어기 모듈에 의해 제어되는 액츄에이터 모듈;
을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탈부착 허브 메커니즘 구조를 가지는 교육용 모듈러 로봇.
제 1 항에 있어서,
상기 로봇 제어기 모듈은,
외부의 컴퓨터와 명령 및 데이터를 유선방식으로 송수신하기 위한 송수신부;
상기 외부의 컴퓨터 또는 다른 로봇 제어기 모듈을 무선방식으로 명령 및 데이터를 주고받기 위한 무선통신부;
상기 로봇 제어기 모듈, 허브 모듈, 센서 모듈 및 액츄에이터 모듈에 전원을 인가하는 전원공급부;
사용자의 조작에 따라 상기 로봇 제어기 모듈의 프로그램 선택, 실행 또는 중지 명령신호를 출력하는 사용자입력부;
로봇 제어 프로그램, 센서 모듈 및 액츄에이터 모듈의 데이터, 연산 데이터, 디스플레이 데이터 및 음원 데이터 중 적어도 하나 이상의 데이터를 저장하고 있는 저장부;
상기 센서 모듈 및 상기 액츄에이터 모듈을 제어하고 데이터 수집 및 연산과 처리를 수행하며, 상기 로봇 제어기 모듈 내의 송수신부, 무선통신부, 저장부, 통신부, 디스플레이부 및 음향발생부를 제어하는 제어부;
상기 허브 모듈과의 명령 및 데이터 송수신을 위한 통신부;
상기 프로그램의 조작, 센서 모듈 및 액츄에이터 모듈의 데이터 피드백을 위한 디스플레이부; 및
음악, 벨소리, 경고음, 녹취된 음성을 발생하기 위한 음향발생부;
를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 탈부착 허브 메커니즘 구조를 가지는 교육용 모듈러 로봇.
제 1 항에 있어서,
상기 허브 모듈은,
외부의 컴퓨터와 데이터를 주고받기 위한 송수신부;
상기 로봇 제어기 모듈로부터 일정한 전원을 공급받아, 허브 모듈, 센서 모듈 및 액츄에이터 모듈의 구동전원으로 변환하여 해당 구성요소에 공급하는 전원변환부;
상기 로봇 제어기 모듈과의 명령 및 데이터 송수신을 위한 통신부;
상기 허브 모듈 제어 프로그램, 로봇 제어기 모듈로부터 입력된 명령 데이터와 상기 센서 모듈 및 액츄에이터 모듈의 데이터를 저장하는 저장부;
상기 센서 모듈 또는 상기 액츄에이터 모듈을 제어하기 위한 제어신호 또는 명령 패킷을 생성하고, 상기 허브 모듈 내의 송수신부, 통신부, 저장부, 인터페이스부를 제어하는 제어부; 및
복수의 센서 모듈 또는 복수의 액츄에이터 모듈 중 사용자에 의해 선택된 센서 모듈 및 액츄에이터 모듈이 연결되는 인터페이스부;
를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 탈부착 허브 메커니즘 구조를 가지는 교육용 모듈러 로봇.
제 1 항에 있어서,
상기 센서 모듈은,
상기 허브 모듈과 명령 및 데이터 송수신을 위한 통신부;
상기 센서 모듈의 전반적인 제어를 위한 프로그램, 상기 센서부로부터 입력된 측정 데이터, 상기 입출력부를 통해 사용자가 부여한 고유 ID 정보를 저장하고 있는 저장부;
상기 센서 모듈의 전반적인 동작을 제어하며, 상기 센서 모듈 내의 통신부, 저장부, 입출력부 및 센서부를 제어하는 제어부;
사용자가 센서 모듈의 고유 ID를 설정하기 위한 2개의 버튼으로 구성된 입력부와, 사용자의 입력에 따라 고유 ID를 숫자로 표시하기 위한 3개의 7 세그먼트로 구성된 출력부를 포함하는 입출력부; 및
측정하고자 하는 정보에 따라 하나 또는 다수 개의 센서를 포함하는 센서부; 를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 탈부착 허브 메커니즘 구조를 가지는 교육용 모듈러 로봇.
제 1 항에 있어서,
상기 액츄에이터 모듈은,
상기 허브 모듈과 명령 및 데이터 송수신을 위한 통신부;
상기 액츄에이터 모듈의 전반적인 제어를 위한 프로그램, 상기 액츄에이터 모듈의 상태 정보, 상기 입출력부를 통해 사용자가 부여한 고유 ID 정보를 저장하고 있는 저장부;
상기 액츄에이터 모듈의 전반적인 동작을 제어하며, 상기 액츄에이터 모듈 내의 통신부, 저장부, 연산부, 입출력부 및 구동부를 제어하는 제어부;
상기 구동부의 회전방향 및 회전속도를 연산하며 상기 액츄에이터 모듈가 구동될 때의 각도를 계산하는 과정을 반복, 수행하는 연산부;
사용자가 상기 액츄에이터 모듈의 고유 ID를 설정하기 위한 2개의 버튼으로 구성된 입력부와, 사용자의 입력에 따라 고유 ID를 숫자로 표시하기 위한 3개의 7세그먼트로 구성된 출력부를 포함하는 입출력부; 및
상기 연산부에서 연산된 회전방향 및 회전속도에 따라 구동되어 상기 액츄에이터 모듈을 구동시키고, 실제 구동하는 모터 및 모터의 구동을 제어하는 모터구동부를 포함하는 구동부;
를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 탈부착 허브 메커니즘 구조를 가지는 교육용 모듈러 로봇.