능동형 안전 머니퓰레이터의 개발

해결과제

우발적으로 발생하는 로봇과 사람의 충돌에 능동적으로 대응하여 사람의 안전을 보장하는 로봇 머니퓰레이터를 제작한다.
솔루션머니퓰레이터에 가해지는 충격력을 측정하기 위하여 비선형 관측기를 설계하였다. 설계된 관측기는 각 조인트의 토크, 위치, 속도 정보와 머니퓰레이터의 모델 정보를 사용하여 머니퓰레이터에 가해지는 외력을 빠른 속도로 추정할 수 있다. 현재 2축으로 구성된 머니퓰레이터에 NI 제품군을 사용하여 제시된 관측기의 성능을 검증하였으며, 이 관측기는 향후 7축 머니퓰레이터에 적용될 예정이다.

어플리케이션 요약

다양한 분야에 로봇이 적용되면서 보다 효율적인 작업을 위해 인간과 로봇의 협업 작업에 대한 요구가 늘어나고 있다. 로봇과 인간이 작업 공간을 공유할 경우, 인간의 안전이 최우선적으로 보장되어야 한다. 본 시스템에서는 2축 머니퓰레이터를 구성하고, NI 플랫폼을 사용하여 위치 제어기 및 충돌 감지 관측기를 설계하였다. 제작된 머니퓰레이터는 충돌 발생 시 빠르게 대응하여, 로봇과의 충돌로부터 사람의 안전을 보장한다.

본  론

1. 시스템 구성

위의 그림은 본 시스템의 구성도이다. Host PC의 GUI는 NI CVI를 사용하여 제작되었으며, 사용자가 머니퓰레이터에 다양한 명령을 내릴 수 있을 뿐만 아니라, 동역학 모델이나 제어 상수 등을 설정하고, 실험에 필요한 값들을 실시간으로 그래프로 출력해준다. Target PC는 Host PC와 TCP-IP통신을 하며 지령을 받고, 머니퓰레이터를 실시간으로 제어하는데, NI Real-time Module이 설치되었다.
I/O module은 PCI-6221을 사용하였으며, 엔코더와 토크센서로부터 신호를 받고, 모터 드라이버에 신호를 출력한다. 토크센서에 필요한 증폭기는 NI SCC-SG24를 사용하였다.

2. 실험 및 결과 

A. 풍선과의 충돌 

제작된 머니퓰레이터의 성능을 검증하기 위하여 말단에 바늘을 설치하고 빠른 속도로 풍선과 충돌을 시켰다. 머니퓰레이터는 풍선과의 충돌을 감지하고 풍선이 터지기 전에 안전한 위치로 회피하는 것을 확인할 수 있다.

B. 인체와의 충돌
인체의 부위 중 가장 위험한 머리에 대하여 충돌 실험을 수행하였다. 머니퓰레이터는 사람과의 충돌을 매우 빠르게 감지하고, 이에 대해 대응함으로써 사람의 안전을 보장하는 것을 볼 수 있다.

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점

1. NI 제품을 사용하면서 얻은 이점
① 거의 모든 하드웨어와 소프트웨어를 단일 NI 제품으로 사용 * 소프트웨어와 하드웨어와의 쉬운 연동을 통해 개발이 용이함 
② CVI에서 제공하는 향상된 라이브러리(Analysis library)  
* 센서의 필터링이나 머니퓰레이터의 행렬 연산 등에 필요한 개발기간 단축 
③ 타사 RTOS에 비해 저렴하면서도 막강한 성능의 Real-time Module  
* 안정한 제어 성능을 보장

2. 결론 및 향후 계획 
로봇의 수요가 늘어남에 따라 안전에 대한 문제도 매우 중요시 되고 있다. 고려대학교 지능로봇연구실에서 NI 솔루션을 통해 제작한 2축 머니퓰레이터는 매우 빠른 속도에서 사람과 충돌하여도 사람의 안전을 보장할 수 있었다. 향후 본 시스템은 7축 머니퓰레이터로 확장될 예정이며 아래의 그림은 제작 중인 머니퓰레이터이다.

NI 솔루션을 선택한 이유

머니퓰레이터의 개발을 위해서는 액추에이터 및 센서와의 연동 등을 위한 하드웨어 구성이 필수적이다. NI는 이미 성능적으로 검증된 하드웨어 제품을 보유하고 있으며, Real-time Module은 하드웨어와 강력하게 연동된다. 따라서 기존 DSP를 사용하던 시스템에 비하여 시스템 구성이 용이하며, 계측 및 제어의 성능을 보장할 수 있다. 또한 본 과제에 필수적인 조인트 토크센서는 스트레인 게이지 증폭기가 필요한데, NI 스트레인 게이지 증폭기는 타사의 제품에 비해 빠른 응답 속도와 낮은 잡음을 보장한다.