WO2011068356A2 - 로봇 하드웨어 설계지원 시스템 및 그의 방법 - Google Patents

로봇 하드웨어 설계지원 시스템 및 그의 방법 Download PDF

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WO2011068356A2
WO2011068356A2 PCT/KR2010/008558 KR2010008558W WO2011068356A2 WO 2011068356 A2 WO2011068356 A2 WO 2011068356A2 KR 2010008558 W KR2010008558 W KR 2010008558W WO 2011068356 A2 WO2011068356 A2 WO 2011068356A2
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robot
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simulator
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최무성
양광웅
신은철
김홍석
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한국생산기술연구원
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    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B15/00—Systems controlled by a computer
    • G05B15/02—Systems controlled by a computer electric
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/4097—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by using design data to control NC machines, e.g. CAD/CAM

Definitions

  • the present invention relates to robot hardware design support, and more particularly, to a robot hardware design support system and method thereof capable of reducing the time and cost of conceptual design and detailed design of robot manufacturing in the case of making a robot module and platform using common parts. will be.
  • robots are classified into industrial, medical, space, and subsea applications, and are applied in various fields.
  • machining industry such as automobile production
  • an industrial robot that operates the same operation is operating.
  • a doctor who does not have an arm that is, a doctor who drives a motor by taking a command from the motor nerve at a muscle potential.
  • remotely controlled robots such as automatic moon cars have been developed in the US and Russia.
  • FIG. 1 is a process flow diagram of a robot development process according to the prior art.
  • the production plan of such robots and scenario production are determined according to the robot development goals or characteristics, and hardware design / manufacturing and driving software production take a long time, although there are some differences depending on technical difficulty.
  • the hardware of the conventional robot is designed using a design tool such as CAD (CAD) has a problem that accessibility is not easy because it requires a professional design skills.
  • CAD design tool
  • such a design tool has a problem that it is difficult to professionally design only the robot because it is not specialized to the robot.
  • there is a problem that it is difficult to optimally design the robot using a variety of parts because the lack of standard parts and systematic performance verification data for robot development.
  • An object of the present invention is to solve the problems as described above, by presenting a template having a variety of structures, mechanisms and power transmission method for each module, such as a mobile module, arm module and head module constituting the robot
  • the present invention provides a robot hardware design support system and a method for easily designing the hardware of the robot.
  • the mechanical structure, operation mechanism, power transmission method and motion data information of the robot module to be used in the simulator for designing the robot module A template comprising: a simulator API for utilizing the result data required in each joint of the robot module by loading the template, modifying the information, and analyzing the motion of the robot module according to the motion data; A parts database including parts necessary for manufacturing the robot module from a result, a part selection / combining unit for selecting and combining parts required for manufacturing the robot module from the parts database, and the simulator, the template, the simulator API, and the parts databaseIt characterized by a controller for controlling the part selection / combination unit.
  • the robot hardware design support system according to an embodiment of the present invention, characterized in that it further comprises a database input unit for updating the information on the parts required for manufacturing the robot module.
  • the robot module is characterized in that it comprises at least one module selected from the movement module, arm module and head module.
  • the result data is characterized in that it includes the torque and the speed required in each joint of the moving module, the arm module and the head module.
  • the robot hardware design support method i) driving a simulator for designing a robot module, ii) a robot module including a moving module, an arm module and a head module
  • the step iii) is vii) determining whether the derived at least one module specification is suitable for the design of the module to be manufactured and viii ) Selecting a part corresponding to the derived specification when suitable for design in step vii).
  • the method may further include performing the step of deriving the specification.
  • the specifications of each robot joint through the analysis to derive, the specification of the parts that meet the conditions and select the parts to optimally design the robot can also be obtained.
  • FIG. 2 is a view for explaining the concept of a robot hardware design support system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a robot hardware design support system according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating an example of a robot hardware design support method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view for explaining an example of the robot design to which the design support system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view for explaining the concept of a robot hardware design support system according to an embodiment of the present invention.
  • a goal according to a use and a purpose of use must be established (S21).
  • a schematic structure and specification of the robot are derived as a conceptual design (S23).
  • the schematic structure and specifications derived in step S23 are verified through dynamic simulation and reflected in the concept design. After that, a specification part is selected as a detailed design, and a combination of parts is recommended (S25).
  • the step S25 is completed after the modification through the structural analysis.
  • the conceptual design and detailed design steps may be completed through the robot hardware design support system (S27).
  • the design support system presents a template having various structures, mechanisms, and power transmission methods for each of the robot modules including the mobile module, the arm module, and the head module in the conceptual design stage, and analyzes the presented template to configure the module. To derive the specifications of each joint.
  • the design support system selects parts that can meet the specifications of each joint in the detailed design stage, and derives possible combinations between the parts.
  • the derivation and selection of the parts uses parts of various manufacturers, which are pre-built in the product database, and presents information on each of the parts selected from the manufacturers and evaluation details of the parts combination. For example, when designing a part for an arm module, the design support system selects a specific company and a specific product for each of the motor, the reducer, and the sensor adopted in the arm module, and presents the evaluation details on the combination of parts. Will be done.
  • the post process is to process and assemble the respective components of the robot module according to the processing drawings, the driving software is mounted on the assembled robot is subjected to the test step.
  • the data derived from the test step is reflected in the conceptual design and the detailed design again, and when the specifications of each module suitable for goal setting are derived, the robot is manufactured through the mass production step.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a robot hardware design support system according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the robot hardware design support system 30 is configured in the form of data used in a simulator (not shown) using a predetermined or standard API to design the robot
  • a template 33 a simulator API 35 (Application Programming Interface), a parts database 37, a part selection / combining unit 39, a database input unit 41, and a control unit 43 are configured.
  • the template 33 is configured in the form of data used in the simulator, and has information such as mechanical structure, mechanism, power transmission method, and basic motion data for analysis of the robot module.
  • interpreting on the simulator means obtaining various necessary mechanical data by virtually performing the main motion or the extreme motion of the robot.
  • the basic motion data for the analysis means motion samples such as position, velocity, etc. in each joint.
  • the motion sample may be a simple trajectory spraying in an open-loop control system, or trajectories calculated by a controller may be used, as in a closed-loop control system.
  • the template 33 may be loaded in a simulator to change physical properties such as size, mass, friction, and moment of inertia of each robot module.
  • the template 33 may provide various examples for implementing respective target functions in a mobile function module, a work function module, a recognition function module, and the like.
  • the simulator API 35 loads and modifies the template 33, operates after the basic motion data, and analyzes the resultant data using torques and speeds required for each joint.
  • the parts database 37 selects a part by using an analysis result of the simulator.
  • the parts database 37 contains information on the basic specifications of the parts, the manufacturer, a simple evaluation result, and a combinable configuration.
  • the parts database 37 may update information on parts specifications through online or offline, and may be built on a web for sharing.
  • the component selection / combination unit 39 includes algorithms for assembling components according to various combination criteria, for example, minimizing size, minimizing price, and reliability of a combination module.
  • the database input unit 41 may work with a component manufacturing or sales company in order to add or modify information about components in the component database 37. Accordingly, the parts manufacturing or sales company can update the information on the company parts in the parts database 37 built online, and the information is registered in the parts database 37 through the final approval of the database administrator. .
  • the controller 45 optimizes the conceptual design and detailed design process of the robot by controlling the simulator, the template 33, the simulator API 35, the parts database 37, and the parts selection / combining unit 39, thereby providing robot hardware. Development time can be shortened.
  • FIGS. 3 to 5 is a flowchart illustrating an example of a robot hardware design support method according to an embodiment of the present invention
  • Figure 5 is a view for explaining an example of the robot design to which the design support system according to an embodiment of the present invention.
  • the robot hardware design support method begins with driving a simulator using a predetermined or standard API to design the robot (S41).
  • the simulator may use other platforms well known to those skilled in the art, as well as OPRoS as described above.
  • At least one module of the robot module including the moving module, the arm module and the head module is selected (S42), and each of the robot modules including the moving module, the arm module and the head module is used for use in the simulator.
  • a template 33 including information of a structure, an operation mechanism, a power transmission method, and motion data is presented (S43).
  • the specification of at least one module selected from the template 33 is derived (S44).
  • the detailed development goal is to develop a robot which is a baby-friendly animal shape of a two-wheeled wheel moving type, has a simple motion type arm of a human scale, and has a load of about 30 kg.
  • the conceptual design recommends the structure and mechanism of each of the robot modules, including the robot's movement module, arm module and head module, to meet the detailed objectives, provides basic motion data of the recommended robot module, and provides the parameters of the provided template. Adjust it to the desired scale and then analyze the specifications of each joint.
  • the detailed design also provides parts that can meet the specifications of each joint derived from the concept design, and recommends a combination of the provided parts.
  • the template 33 presents various types of arm modules (Templates 1 to 4), and in the concept design stage, Template 2 may be selected as a simple target of a human-scale simple motion type arm module.
  • the simulator API 35 may load and modify the selected template 2, operate the motion according to the basic motion data, and then analyze and use the result data such as torque and speed required in each joint.
  • the parts database 37 contains information on the basic specifications and manufacturers, simple evaluation results and combinable configurations for the human scale simple motion arm module of the selected template 2.
  • step S44 if the parameters of the template 2 are adjusted to the desired scale and an optimal specification is derived by analysis, it is determined whether the derived individual module specifications are suitable for the desired design module (S45). It is recommended to combine the parts corresponding to the derived specifications (S46). For example, as shown in FIG. 5, the motor product P of company A, the speed reducer Q of the company B, and the sensor R of C for adoption in the human scale simple motion arm module template 2 in the detailed design stage as shown in FIG. 5. Can be adopted. As a result, if the robot hardware design support system according to the embodiment of the present invention is applied to the conceptual design and detailed design of the robot, the design time of the robot hardware can be reduced by 25% or more. Optimize the design of the robot hardware.
  • step S45 If the individual module specification derived in step S45 is not suitable for the design of the module to be manufactured, the step of deriving the specification of the module from the template 33 is performed. After step S46, a post process of drawing, processing, assembling, testing and commercializing is applied to produce a robot meeting the target (S47).

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Abstract

본 발명은 로봇 하드웨어 설계지원 시스템 및 그의 방법에 관한 것으로, 로봇 모듈을 설계하기 위한 시뮬레이터에서 이용되도록 로봇 모듈의 기계적 구조, 동작 메커니즘, 동력전달방식 및 모션 데이터의 정보를 포함하는 템플릿, 템플릿을 로딩하여 정보를 수정하고, 모션 데이터에 따른 로봇 모듈의 동작을 해석함으로써 로봇 모듈 각각의 관절에서 요구되는 결과데이터를 활용하기 위한 시뮬레이터 API, 시뮬레이터의 해석 결과로부터 로봇 모듈 제작에 필요한 부품을 구비하는 부품 데이터베이스, 부품 데이터베이스에서 로봇 모듈 제작에 필요한 부품을 선택하여 조합하는 부품 선정/조합부 및 시뮬레이터, 템플릿, 시뮬레이터 API, 부품 데이터베이스 및 부품 선정/조합부를 제어하는 제어부를 포함하는 구성을 마련한다. 상기와 같은 시스템 및 그의 방법에 의해, 로봇의 하드웨어 설계 시간을 단축하고, 로봇의 하드웨어를 최적으로 설계할 수 있다.

Description

로봇 하드웨어 설계지원 시스템 및 그의 방법
본 발명은 로봇 하드웨어 설계지원에 관한 것으로, 특히 공용 부품을 이용하여 로봇 모듈 및 플랫폼을 만드는 경우 로봇 제조의 개념 설계 및 세부 설계의 시간과 비용을 줄일 수 있는 로봇 하드웨어 설계지원 시스템 및 그의 방법에 관한 것이다.
일반적으로 로봇은 산업용, 의료용, 우주용 및 해저용으로 분류되어 다양한 분야에서 응용되고 있다. 예를 들면, 자동차 생산과 같은 기계가공 공업에서 동일한 동작을 반복하는 산업용 로봇이 가동되고 있고, 의료용 분야에서는 팔이 없는 사람의 의사, 즉 운동신경으로부터 보내 오는 명령을 근전위로 꺼내서 모터를 구동시키는 의수가 실용화되어 있다. 우주개발에 있어서도 미국과 러시아 등에서 자동월면차와 같은 원격조종형 로봇이 개발되어 있다.
이러한 로봇을 설계하기 위해서는 구현하고자 하는 로봇의 개발 목표를 설정하고, 개략적인 사양 및 구조를 도출해야 한다. 개념 설계 단계에서 동역학적인 시뮬레이션을 거친 후에 세부 사양 도출 및 부품을 선정하는 세부 설계 단계가 진행된다.
이러한 로봇을 제작하는 공정의 일례가 도 1에 도시되어 있다. 도 1은 종래기술에 따른 로봇 개발 과정의 공정 흐름도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 개발 목표에 부합하는 로봇 제작 계획을 수립한(S11) 후에 시나리오를 제작한다(S12). 상기 단계 S12 후에 하드웨어 설계/제작(S13)과 더불어 구동 프로그램이 제작되고(S15), 제작된 하드웨어의 시험(S14)을 거친 후에 정상적인 결과가 도출되면 구동 프로그램을 하드웨어에 탑재한다(S16). 이러한 구동 프로그램을 하드웨어에 탑재함으로써 로봇의 정상동작 여부를 시험하고(S17), 시험결과 로봇이 정상동작하는 것으로 판단되면 현재의 회로 설계와 기계 설계를 양산용 모델로 확정한 후에 양산용 로봇을 제작하게 된다(S18).
이러한 로봇의 제작 계획 수립과 시나리오 제작 등은 로봇 개발 목표나 특성에 따라 기간이 정해지고, 하드웨어 설계/제작 및 구동 소프트웨어 제작 등은 기술적인 난이도에 따라 어느 정도 차이는 있지만 대부분 장시간이 소요된다. 특히, 종래 로봇의 하드웨어는 캐드(CAD)와 같은 설계 도구를 이용하여 설계되는데 전문적인 설계 기술이 필요하기 때문에 접근성이 용이하지 않다는 문제점이 있었다. 또한, 이러한 설계 도구는 로봇에 특화된 것이 아니기 때문에 로봇만을 전문적으로 설계하기에는 어렵다는 문제점도 있었다. 또한, 로봇 개발을 위한 표준 부품 및 체계적인 성능 검증 데이터 등이 부족하기 때문에 다양한 부품을 사용하여 로봇을 최적으로 설계하는 것이 어렵다는 문제점도 있었다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 로봇을 구성하는 이동 모듈, 팔 모듈 및 머리 모듈 등의 모듈 각각에 대해 다양한 구조, 메커니즘 및 동력전달방식을 갖는 템플릿을 제시함으로써 로봇의 하드웨어를 손쉽게 설계할 수 있는 로봇 하드웨어 설계지원 시스템 및 그의 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 해석을 통해 로봇 관절 각각의 사양을 도출하며, 조건에 맞는 부품의 사양 도출 및 부품을 선정함으로써 최적으로 로봇을 설계할 수 있는 로봇 하드웨어 설계지원 시스템 및 그의 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시 예에 따른 로봇 하드웨어 설계지원 시스템에 의하면, 로봇 모듈을 설계하기 위한 시뮬레이터에서 이용되도록 상기 로봇 모듈의 기계적 구조, 동작 메커니즘, 동력전달방식 및 모션 데이터의 정보를 포함하는 템플릿, 상기 템플릿을 로딩하여 상기 정보를 수정하고, 상기 모션 데이터에 따른 상기 로봇 모듈의 동작을 해석함으로써 상기 로봇 모듈 각각의 관절에서 요구되는 결과데이터를 활용하기 위한 시뮬레이터 API, 상기 시뮬레이터의 해석 결과로부터 상기 로봇 모듈 제작에 필요한 부품을 구비하는 부품 데이터베이스, 상기 부품 데이터베이스에서 상기 로봇 모듈 제작에 필요한 부품을 선택하여 조합하는 부품 선정/조합부 및 상기 시뮬레이터, 상기 템플릿, 상기 시뮬레이터 API, 상기 부품 데이터베이스 및 상기 부품 선정/조합부를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 로봇 하드웨어 설계지원 시스템에 의하면, 상기 로봇 모듈 제작에 필요한 부품에 대한 정보를 갱신할 수 있는 데이터베이스 입력부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 로봇 하드웨어 설계지원 시스템에 의하면, 상기 로봇 모듈은 이동 모듈, 팔 모듈 및 머리 모듈 중에서 선택된 적어도 하나의 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 로봇 하드웨어 설계지원 시스템에 의하면, 상기 결과데이터는 상기 이동 모듈, 상기 팔 모듈 및 상기 머리 모듈 각각의 관절에서 필요한 토크 및 속도를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시 예에 따른 로봇 하드웨어 설계지원 방법에 의하면, i) 로봇 모듈을 설계하기 위한 시뮬레이터를 구동하는 단계, ii) 이동 모듈, 팔 모듈 및 머리 모듈을 포함하는 로봇 모듈 각각의 구조 및 메커니즘을 추천하고, 추천된 상기 로봇 모듈의 모션 데이터를 제공하며, 상기 로봇 모듈 각각에 적용되는 부품의 사양을 도출하는 개념 설계 단계 및 iii) 상기 단계 ii)에서 도출된 부품의 사양을 충족시킬 수 있는 부품을 제공하고, 상기 제공된 부품의 조합을 선정하는 세부 설계 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 로봇 하드웨어 설계지원 방법에 의하면, 상기 단계 ii)는 iv) 상기 이동 모듈, 상기 팔 모듈 및 상기 머리 모듈을 포함하는 로봇 모듈 중에서 적어도 하나의 모듈을 선택하는 단계, v) 상기 시뮬레이터에서 이용되도록 상기 선택된 적어도 하나의 로봇 모듈의 기계적 구조, 동작 메커니즘, 동력전달방식 및 모션 데이터의 정보를 포함하는 템플릿을 제시하는 단계 및 vi) 상기 템플릿으로부터 상기 선택된 적어도 하나의 로봇 모듈의 사양을 도출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 로봇 하드웨어 설계지원 방법에 의하면, 상기 단계 iii)은 vii) 상기 도출된 상기 적어도 하나의 모듈 사양이 제작하고자하는 모듈의 설계에 적합한지 여부를 판단하는 단계 및 viii) 상기 단계 vii)에서 설계에 적합한 경우 도출된 사양에 대응하는 부품을 선정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 로봇 하드웨어 설계지원 방법에 의하면, 상기 단계 vii)에서 상기 도출된 상기 적어도 하나의 모듈 사양이 제작하고자하는 모듈의 설계에 적합하지 않은 경우에는 상기 템플릿으로부터 상기 모듈의 사양을 다시 도출하는 단계를 수행하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 로봇 하드웨어 설계지원 시스템 및 그 방법에 의하면, 로봇을 구성하는 이동 모듈, 팔 모듈 및 머리 모듈 등의 모듈 각각에 대해 다양한 구조, 메커니즘 및 동력전달방식을 갖는 템플릿을 제시함으로써 로봇의 하드웨어를 손쉽게 설계할 수 있다는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 로봇 하드웨어 설계지원 시스템 및 그 방법에 의하면, 해석을 통해 로봇 관절 각각의 사양을 도출하며, 조건에 맞는 부품의 사양 도출 및 부품을 선정함으로써 최적으로 로봇을 설계할 수 있다는 효과도 얻어진다.
도 1은 도 1은 종래기술에 따른 로봇 개발 과정의 공정 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 로봇 하드웨어 설계지원 시스템의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 로봇 하드웨어 설계지원 시스템을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 로봇 하드웨어 설계지원 방법의 일례를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 설계지원 시스템을 적용한 로봇 설계의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다. 먼저, 도 2를 참조하여 본 발명의 개념에 대하여 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 로봇 하드웨어 설계지원 시스템의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 2에서 도시한 바와 같이, 로봇을 설계하기 위해서는 용도 및 사용 목적에 따른 목표를 수립해야 한다(S21). 상기 단계 S21에서 개발하고자 하는 로봇에 대한 목표가 수립되면 개념 설계로서 로봇의 개략적인 구조와 사양이 도출된다(S23). 상기 단계 S23에서 도출된 개략적인 구조와 사양은 동역학적인 시뮬레이션을 통해 검증되고, 개념 설계에 반영된다. 이 후 세부 설계로서 사양 부품을 선정하며, 부품 조합을 추천한다(S25). 상기 단계 S25는 구조해석을 통하여 수정을 거친 후에 완성된다.
이 경우, 개념 설계와 세부 설계 단계는 로봇 하드웨어 설계지원 시스템을 통하여 완성될 수 있다(S27). 상기 설계지원 시스템은 개념 설계 단계에서 이동 모듈, 팔 모듈 및 머리 모듈을 포함하여 구성된 로봇 모듈의 각각에 대해 다양한 구조, 메커니즘 및 동력전달 방식을 갖는 템플릿을 제시하고, 제시된 템플릿을 해석하여 모듈을 구성하는 관절 각각의 사양을 도출한다. 또한, 상기 설계지원 시스템은 세부 설계 단계에서 관절 각각의 사양을 충족할 수 있는 부품을 선정하고, 부품 간의 가능한 조합을 도출한다.
상기 부품의 도출 및 선정 작업은 제품 데이터베이스에 미리 구축된 여러 제조사의 부품을 이용하고, 제조사로부터 선택된 부품 각각에 대한 정보와 부품 조합에 대한 평가 내역을 제시한다. 예를 들어, 상기 설계지원 시스템은 팔 모듈에 대하여 부품을 선정하는 경우 팔 모듈에 채택되는 모터, 감속기 및 센서 각각에 대한 특정 회사 및 특정 제품을 선정하고, 이에 대한 부품 조합에 대한 평가 내역을 제시하게 되는 것이다.
상기 설계지원 시스템을 통하여 세부 설계가 완성되면 후공정을 진행하게 된다(S29). 상기 후공정은 가공 도면에 따라 로봇 모듈 각각의 부품을 가공 및 조립하며, 조립된 로봇에 구동 소프트웨어를 탑재하여 시험단계를 거치게 된다. 상기 시험단계에서 도출된 데이터들은 다시 개념 설계 및 세부 설계에 반영되고, 목표 수립에 적합한 모듈 각각의 사양이 도출되면 양산 단계를 거쳐 로봇을 제조하게 된다.
다음으로, 도 3을 참조하여 본 발명의 구성을 도면에 따라서 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명의 설명에 있어서는 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 로봇 하드웨어 설계지원 시스템을 도시한 도면이다.
도 3에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 로봇 하드웨어 설계지원 시스템(30)은 로봇을 설계하기 위해 정해진 또는 표준 API를 사용하는 시뮬레이터(도시하지 않음)에서 이용되는 데이터 형태로 구성되는 템플릿(33), 시뮬레이터 API(35 ;Application Programming Interface), 부품 데이터베이스(37), 부품 선정/조합부(39), 데이터베이스 입력부(41) 및 제어부(43)를 포함하여 구성된다.
상기 템플릿(33)은 시뮬레이터에서 사용되는 데이터 형태로 구성되며, 로봇 모듈의 기계적 구조, 메커니즘, 동력전달방식 및 해석을 위한 기본 모션 데이터 등의 정보를 구비하고 있다. 이 경우, 상기 시뮬레이터 상에서 해석한다는 것은 가상으로 로봇의 주된 동작 또는 극단적인 동작을 수행하게 함으로써 여러 가지 필요한 역학적 데이터를 얻는 것을 의미한다. 또한, 상기 해석을 위한 기본 모션 데이터는 관절 각각에서 시간에 따른 위치, 속도 등의 동작 샘플을 의미한다. 상기 동작 샘플은 오픈 루프(open-loop) 제어 시스템에서의 단순한 궤도(trajectory) 뿌려주기가 될 수도 있고, 닫힌 루프(closed-loop) 제어 시스템에서와 같이 제어기를 통해 계산된 궤도가 사용될 수도 있다.
상기 템플릿(33)은 시뮬레이터에서 로딩하여 로봇 모듈 각각의 크기, 질량, 마찰 및 관성모멘트 등의 물리적 성질을 변경할 수 있다. 또한, 상기 템플릿(33)은 이동기능 모듈, 작업기능 모듈 및 인식기능 모듈 등에서 각각의 목표 기능들을 구현하기 위한 다양한 예제를 제공할 수 있다.
상기 시뮬레이터 API(35)는 템플릿(33)을 로딩하여 수정하고, 기본 모션 데이터에 따라 동작을 시켜본 뒤 해석하여 각 관절에서 필요한 토크 및 속도 등의 결과데이터를 활용한다. 상기 부품 데이터베이스(37)는 시뮬레이터의 해석 결과를 활용하여 부품을 선정한다. 상기 부품 데이터베이스(37)는 부품의 기본적인 사양, 제조사, 간단한 평가 결과 및 조합 가능한 구성에 대한 정보를 포함한다. 또한, 상기 부품 데이터베이스(37)는 온라인 또는 오프라인을 통하여 부품 사양에 대한 정보를 갱신할 수 있으며, 공유 등을 위하여 웹(web) 상에 구축될 수 있다.
상기 부품 선정/조합부(39)는 여러 가지 조합 기준들, 예를 들어 조합 모듈의 크기 최소화, 가격 최소화 및 신뢰성 등에 따라 부품을 조합하는 알고리즘을 구비하고 있다. 상기 데이터베이스 입력부(41)는 부품 데이터베이스(37)에 부품에 대한 정보를 추가 또한 수정하기 위해서 부품 제조 또는 판매회사와 연동할 수 있다. 이에 따라, 부품 제조 또는 판매 회사는 온라인 상에 구축된 부품 데이터베이스(37)에 해당 회사 부품에 대한 정보를 갱신할 수 있고, 상기 정보는 데이터베이스 관리자의 최종 승인을 통하여 부품 데이터베이스(37)에 등록된다.
상기 제어부(45)는 시뮬레이터, 템플릿(33), 시뮬레이터 API(35), 부품 데이터베이스(37) 및 부품 선정/조합부(39)를 제어함으로써 로봇의 개념 설계 및 세부 설계 과정을 최적화시켜, 로봇 하드웨어 개발 시간을 단축할 수 있다.
다음으로, 도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 로봇 하드웨어 설계지원 방법을 설명하기로 한다. 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 로봇 하드웨어 설계지원 방법의 일례를 설명하기 위한 흐름도이고, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 설계지원 시스템을 적용한 로봇 설계의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 3 내지 도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 로봇 하드웨어 설계지원 방법은 로봇을 설계하기 위하여 정해진 또는 표준 API를 사용하는 시뮬레이터를 구동하는 단계로부터 시작된다(S41). 상기 시뮬레이터는 상술한 바와 같이 OPRoS뿐만 아니라 당업자에게 잘 알려진 다른 플랫폼을 사용할 수도 있다.
상기 단계 S41 후에 이동 모듈, 팔 모듈 및 머리 모듈을 포함하는 로봇 모듈 중에서 적어도 하나의 모듈을 선택하고(S42), 상기 시뮬레이터에서 이용되도록 이동 모듈, 팔 모듈 및 머리 모듈을 포함하는 로봇 모듈 각각의 기계적 구조, 동작 메커니즘, 동력전달방식 및 모션 데이터의 정보를 포함하는 템플릿(33)을 제시한다(S43). 또한, 상기 단계 S43 후에 템플릿(33)으로부터 선택된 적어도 하나의 모듈의 사양을 도출한다(S44).
도 5에는 개발 목표가 유아 영어 교육용 로봇인 경우, 로봇 하드웨어 설계지원 시스템을 이용한 개념 설계 및 세부 설계 과정이 예시되어 있다. 이 경우, 세부적인 개발 목표는 양팔이 있는 바퀴 이동형의 유아 친화형 동물 모양이고, 인간 스케일의 단순 모션형 팔을 구비하며, 적재 하중이 30kg정도의 이동체로 형성된 로봇을 개발하기 위한 것이다.
상기 개념 설계는 세부 목표에 부합하는 로봇의 이동 모듈, 팔 모듈 및 머리 모듈을 포함하는 로봇 모듈 각각의 구조 및 메커니즘을 추천하고, 추천된 로봇 모듈의 기본 모션 데이터를 제공하며, 제공된 템플릿의 파라미터를 조정하여 원하는 스케일로 맞춘 후 해석에 의해 각 관절의 사양을 도출한다. 또한, 상기 세부 설계는 개념 설계에서 도출된 각 관절의 사양을 충족시킬 수 있는 부품을 제공하고, 제공된 부품의 조합을 추천하게 된다.
상기 템플릿(33)에는 다양한 형태의 팔 모듈들(템플릿 1 내지 4)이 제시되어 있고, 개념 설계 단계에서는 세부 목표인 인간 스케일의 단순 모션형 팔 모듈로써 템플릿 2가 선택될 수 있다. 또한, 상기 시뮬레이터 API(35)는 선택된 템플릿 2를 로딩하여 수정하고, 기본 모션 데이터에 따라 동작을 시켜본 뒤 해석하여 각 관절에서 필요한 토크 및 속도 등의 결과데이터를 활용할 수 있다. 상기 부품 데이터베이스(37)는 선택된 템플릿 2의 인간 스케일의 단순 모션형 팔 모듈에 대해 기본적인 사양 및 제조사, 간단한 평가 결과 및 조합 가능한 구성에 대한 정보를 포함하고 있다.
상기 단계 S44에서 템플릿 2의 파라미터를 조정하며 원하는 스케일로 맞춘 후 해석에 의해 최적의 사양이 도출되면, 도출된 개별 모듈 사양이 원하는 설계 모듈에 적합한가를 판단하고(S45), 적합하다고 판단되는 경우에는 도출된 사양에 대응하는 부품을 조합하여 추천한다(S46). 예를 들어, 도 5에서 도시한 바와 같이 세부 설계 단계에서 인간 스케일의 단순 모션형 팔 모듈 템플릿 2에 채택하기 위한 A사의 모터 제품(P), B사의 감속기(Q) 및 C사의 센서(R)가 채택될 수 있다. 결과적으로, 본 발명의 실시 예에 따른 로봇 하드웨어 설계지원 시스템을 로봇의 개념 설계 및 세부 설계에 적용하게 되면 로봇 하드웨어의 설계시간을 25% 이상 단축할 수 있으며, 템플릿, 해석 및 부품 데이터베이스를 활용함으로써 로봇 하드웨어의 설계를 최적화 할 수 있다.
상기 단계 S45에서 도출된 개별 모듈 사양이 제작하고자하는 모듈의 설계에 적합하지 않은 경우에는 템플릿(33)으로부터 모듈의 사양을 다시 도출하는 단계를 수행하게 된다. 상기 단계S46 후에는 도면화, 가공, 조립, 테스트 및 제품화하는 후공정이 적용되어 목표에 부합하는 로봇을 생산하게 된다(S47).
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

Claims (8)

  1. 로봇 모듈을 설계하기 위한 시뮬레이터에서 이용되도록 상기 로봇 모듈의 기계적 구조, 동작 메커니즘, 동력전달방식 및 모션 데이터의 정보를 포함하는 템플릿;
    상기 템플릿을 로딩하여 상기 정보를 수정하고, 상기 모션 데이터에 따른 상기 로봇 모듈의 동작을 해석함으로써 상기 로봇 모듈 각각의 관절에서 요구되는 결과데이터를 활용하기 위한 시뮬레이터 API;
    상기 시뮬레이터의 해석 결과로부터 상기 로봇 모듈 제작에 필요한 부품을 구비하는 부품 데이터베이스;
    상기 부품 데이터베이스에서 상기 로봇 모듈 제작에 필요한 부품을 선택하여 조합하는 부품 선정/조합부; 및
    상기 시뮬레이터, 상기 템플릿, 상기 시뮬레이터 API, 상기 부품 데이터베이스 및 상기 부품 선정/조합부를 제어하는 제어부를 구비하는 로봇 하드웨어 설계지원 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 로봇 모듈 제작에 필요한 부품에 대한 정보를 갱신할 수 있는 데이터베이스 입력부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 하드웨어 설계지원 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 로봇 모듈은 이동 모듈, 팔 모듈 및 머리 모듈 중에서 선택된 적어도 하나의 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 하드웨어 설계지원 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 결과데이터는 상기 이동 모듈, 상기 팔 모듈 및 상기 머리 모듈 각각의 관절에서 필요한 토크 및 속도를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 하드웨어 설계지원 시스템.
  5. i) 로봇 모듈을 설계하기 위한 시뮬레이터를 구동하는 단계;
    ii) 이동 모듈, 팔 모듈 및 머리 모듈을 포함하는 로봇 모듈 각각의 구조 및 메커니즘을 추천하고, 추천된 상기 로봇 모듈의 모션 데이터를 제공하며, 상기 로봇 모듈 각각에 적용되는 부품의 사양을 도출하는 개념 설계 단계; 및
    iii) 상기 단계 ii)에서 도출된 부품의 사양을 충족시킬 수 있는 부품을 제공하고, 상기 제공된 부품의 조합을 선정하는 세부 설계 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 하드웨어 설계지원 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 단계 ii)는
    iv) 상기 이동 모듈, 상기 팔 모듈 및 상기 머리 모듈을 포함하는 로봇 모듈 중에서 적어도 하나의 모듈을 선택하는 단계;
    v) 상기 시뮬레이터에서 이용되도록 상기 선택된 적어도 하나의 로봇 모듈의 기계적 구조, 동작 메커니즘, 동력전달방식 및 모션 데이터의 정보를 포함하는 템플릿을 제시하는 단계; 및
    vi) 상기 템플릿으로부터 상기 선택된 적어도 하나의 로봇 모듈의 사양을 도출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 하드웨어 설계지원 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 단계 iii)은
    vii) 상기 도출된 상기 적어도 하나의 모듈 사양이 제작하고자하는 모듈의 설계에 적합한지 여부를 판단하는 단계; 및
    viii) 상기 단계 vii)에서 설계에 적합한 경우 도출된 사양에 대응하는 부품을 선정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 하드웨어 설계지원 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 단계 vii)에서 상기 도출된 상기 적어도 하나의 모듈 사양이 제작하고자하는 모듈의 설계에 적합하지 않은 경우에는 상기 템플릿으로부터 상기 모듈의 사양을 다시 도출하는 단계를 수행하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 하드웨어 설계지원 방법.
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