[논문]6축 산업용 로봇 팔과 3D 게임 엔진을 결합한 뉴 미디어 콘텐츠 운용 플랫폼

박범영; 이지민; 박경식; 이상엽; 이은규; 박재흥

doi:10.7746/jkros.2017.12.3.306

6축 산업용 로봇 팔과 3D 게임 엔진을 결합한 뉴 미디어 콘텐츠 운용 플랫폼
New Media Content Platform using 6 - DOF Industrial Robot and 3D Game Engine 원문보기

로봇학회논문지 = The journal of Korea Robotics Society, v.12 no.3, 2017년, pp.306 - 312

박범영 (Graduate School of Convergence Science and Technology, Seoul National University) , 이지민 (Graduate School of Convergence Science and Technology, Seoul National University) , 박경식 (Wonik-Robotics Cooperation) , 이상엽 (Wonik-Robotics Cooperation) , 이은규 (Sangwha Cooperation) , 박재흥 (Graduate School of Convergence Science and Technology, Seoul National University, Advanced Institutes of Convergence Technology)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, development of robot technology has been actively investigated that industrial robots are used in various other fields. However, the interface of the industrial robot is limited to the planned and manipulated path according to the target point and reaching time of the robot arm. Thus, it is not easy to create or change the various paths of the robot arm in other applications, and it is not easy to control the robot so that the robot arm passes the specific point precisely at the desired time during the course of the path. In order to overcome these limitations, this paper proposes a new-media content management platform that can manipulate 6 DOF industrial robot arm using 3D game engine. In this platform, the user can directly generate the motion of the robot arm in the UI based on the 3D game engine, and can drive the robot in real time with the generated motion. The proposed platform was verified using 3D game engine Unity3D and KUKA KR-120 robot.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 로봇 팔의 실시간 경로 생성 및 제어를 위한 플랫폼을 제안하고자 한다. 이때, 실시간 경로 생성 및 제어는 User Interface (UI)와 로봇(시뮬레이션 모델 / 실제 로봇)간 동시간대에 조작(경로생성 및 수정)이 이루어지는 것을 의미한다.
본 논문에서는 제안한 플랫폼에 대해 기술하고자 한다. 2장에서는 플랫폼의 구조를 설명하고, 3장에서는 사용자가 명령을 내리는 인터페이스에 대해 설명한다.
본 연구에서는 산업용 로봇과 3D 게임 엔진을 접목하여, 새로운 뉴미디어에서 활용 가능한 플랫폼을 제시하였다. 플랫폼의 UI tool은 3D 게임 엔진인 Unity3D를 통해 구현되었다.
RSI 는 로봇에 사용되는 센서들(힘-토크 센서, 엔코더 등)과 로봇 제어기 간 데이터를 주고받으며 실시간으로 로봇의 움직임을 수정할 수 있게 해주는 인터페이스이다. 본 플랫폼에서는 RSI를 통하여, Bridge SW에서 실시간으로 입력 받은 목표 관절 값을 로봇에게 전달하는 목적으로 사용한다.

제안 방법

Bridge SW는 UI tool로부터 역기구학의 해를 수신하여 로봇으로 전송하고, 로봇의 상태를 수신하여 UI tool에서 나타낼 수 있게 전송한다. KUKA 로봇과 Bridge SW는 RSI와 KRL을 활용하여 12 ms의 주기로 로봇을 실시간으로 제어하고 로봇의 상태를 읽어 올 수 있게 하였다. 제안한 플랫폼은 전문 기관의 인증 방법에 기인하여 실제 로봇을 사용한 실험을 통해 위치 정밀도와 시간 정확도의 성능을 검증하였다.
RSI를 이용한 통신은 로봇의 실시간 제어를 위한 데이터 송·수신을 가능하게 한다. 로봇은 UDP통신을 통하여 RSI의 Start/Stop 신호를 수신하고, 로봇의 목표 관절 값을 수신하여 로봇의 관절 값을 실시간으로 제어한다. Bridge SW는 UDP통신을 통하여 로봇의 현재 관절 값과 Tool tip의 위치/방향 값을 받게 된다.
본 논문에서 제안하는 플랫폼은 실시간으로 경로를 생성 할 수 있고, 로봇을 제어할 수 있는 장점이 있다. 또한 제시한 플랫폼은 다양한 경로를 시간 기반으로 생성하고 제어할 수 있으므로, 뉴 미디어 콘텐츠 분야에서 의 활용이 기대된다.
RSI는 로봇의 센서들과 로봇 제어기 사이의 데이터를 교환해주는데 사용되는 인터페이스인데, 사용되는 예로는 로봇 팔에 부착되어 있는 힘-토크 센서를 사용하여 실시간으로 로봇 팔 끝 단의 위치를 수정하여, 로봇을 제어하는데 사용된다. 본 논문에서는 RSI가 센서의 데이터를 실시간으로 읽어오는 기능이 아닌, 로봇 팔의 목표지점을 실시간으로 수정할 수 있는 기능을 이용하여, UI tool로부터 받은 로봇의 관절 값을 로봇에 실시간으로 입력하는 것을 가능하게 했다.
하지만, 실시간으로 사용자가 원하는 로봇의 목표 관절 값을 반영할 수 없기 때문에 로봇의 초기 자세 설정과 로봇의 상태를 확인하는 용도로 사용하였다. 본 연구에서 강조하는 실시간 제어를 위해서 RSI를 KRL과 병행하여 사용하였다. RSI는 로봇의 센서들과 로봇 제어기 사이의 데이터를 교환해주는데 사용되는 인터페이스인데, 사용되는 예로는 로봇 팔에 부착되어 있는 힘-토크 센서를 사용하여 실시간으로 로봇 팔 끝 단의 위치를 수정하여, 로봇을 제어하는데 사용된다.
실험 에는 KUKA에서 제조한 KR-120모델의 6축 산업용 로봇 팔을 사용하였다. 역기구학 엔진의 성능과, 플랫폼의 실시간 제어성능을 확인하기 위해, UI tool에서 10초에5개의 지점을 움직이는 경로를 12 ms단위로 생성 한 후, 역기구학 엔진을 통해 얻어낸 목표 관절 값을 로봇으로 전송하여 Fig. 5와 같이 로봇 팔이 생성된 오각형 형태의 경로를 추종하였다.
UI tool의 플랫폼으로 사용된 Unity3D는 왼손 좌표계를 사용하지만, 로봇 분야에서는 오른손 좌표계를 주로 사용한다. 오른손 좌표계 기반의 역기구학을 사용하기 위하여 UI tool에서 입력된 왼손 좌표계 기반의 로봇 팔 끝 단의 정보를 오른손 좌표계로 변환하는 것 대신 KUKA 로봇의 역기구학을 왼손 좌표계를 기준으로 계산하여 왼손-오른손 좌표계를 변환하는 과정을 생략하였다. Unity3D에서 로봇 팔 끝 단의 위치와 방향은 P=(p_x,p_y,p_z)∈R³, q=(w,q_x,q_y,q_z)∈R⁴로 입력된다.
KRL은 KUKA 로봇의 기본 제어명령어로, 다양한 명령이 가능하지만 실시간성을 보장하기 어렵다. 이에 본 플랫폼에서는 KRL의 기능 중, 로봇과의 연결 상태 확인, 비상시 긴급 정지, 로봇 팔의 초기 자세 설정 기능을 사용하였다. RSI 는 로봇에 사용되는 센서들(힘-토크 센서, 엔코더 등)과 로봇 제어기 간 데이터를 주고받으며 실시간으로 로봇의 움직임을 수정할 수 있게 해주는 인터페이스이다.
KUKA 로봇과 Bridge SW는 RSI와 KRL을 활용하여 12 ms의 주기로 로봇을 실시간으로 제어하고 로봇의 상태를 읽어 올 수 있게 하였다. 제안한 플랫폼은 전문 기관의 인증 방법에 기인하여 실제 로봇을 사용한 실험을 통해 위치 정밀도와 시간 정확도의 성능을 검증하였다.

대상 데이터

. 실험 에는 KUKA에서 제조한 KR-120모델의 6축 산업용 로봇 팔을 사용하였다. 역기구학 엔진의 성능과, 플랫폼의 실시간 제어성능을 확인하기 위해, UI tool에서 10초에5개의 지점을 움직이는 경로를 12 ms단위로 생성 한 후, 역기구학 엔진을 통해 얻어낸 목표 관절 값을 로봇으로 전송하여 Fig.

이론/모형

본 논문에서 제시한 플랫폼은 한국정보통신기술협회 (Telecommunications Technology Association : TTA)의 성능 분석 시험 방법에 따라 실험을 진행하였다^[12]. 실험 에는 KUKA에서 제조한 KR-120모델의 6축 산업용 로봇 팔을 사용하였다.

성능/효과

Unity3D를 기반으로 개발된 UI tool은 로봇 팔의 경로 생성을 용이하게 하기 위하여 Unity3D 플랫폼의 키프레임 기능을 사 용하였다. UI에서 역기구학 엔진의 해를 로봇의 3D모델과 연결하여, 사용자가 생성한 경로를 로봇 팔이 추종하는 것을 확인 할 수 있게 하였다. Fig.
시간 정확도는 로봇 팔이 움직이도록 입력된 경로를 통과한 실제 시간을 측정한 후, 입력 기준 시간인 10초와의 오차를 비교하였고, 경로 추정 시간 오차는 평균 20.05 ms임을 확인하였다.
위치 정밀도는 실제 로봇이 경로를 따라 1회 움직이며 기록된 5개 경로 지점의 좌표 값(P)과 UI tool을 통해 생성된 경로의 좌표 값들(P′)의 유클리드 거리를 사용하여 구한 위치오차 (||P-P'||)를 통해 검증하였으며, 평균 오차는 3.66 mm임을 확인하였다.
제조용 로봇은 1960년대 초반부터 제조현장에서 활용되기 시작하여 오늘날 자동차, 반도체, 전기전자 등 다양한 산업 현장에서 쉽게 찾아 볼 수 있을 정도로 보편화되었다. 다자유도 로봇 팔은 움직임에 있어서 정확성, 신뢰성, 내구성, 범용성을 확보하고 있어 산업 현장에서 널리 쓰이고 있다.

후속연구

본 논문에서 제안하는 플랫폼은 실시간으로 경로를 생성 할 수 있고, 로봇을 제어할 수 있는 장점이 있다. 또한 제시한 플랫폼은 다양한 경로를 시간 기반으로 생성하고 제어할 수 있으므로, 뉴 미디어 콘텐츠 분야에서 의 활용이 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	공장용으로 제조된 로봇 팔은 공장이 아닌 어떤 분야에 활용할 수 있는가?	이러한 로봇과 사람과의 협업에 대한 연구가 진행됨에 따라, 공장용으로 제조된 로봇 팔이 공장이 아닌 의료, 공연, 영화, 놀이공원, 호텔 서비스 및 요리 등 다양한 분야에서 활용되고 있다[3-6]. 최근에는 다수의 미디어와 기술이 복합적으로 사용되는 디지털 뉴미디어 시장과 특수촬영 현장에서 로봇 팔을 접목시키는 시도가 이루어지고 있다[7].
	로봇 팔의 플랫폼 구조는 어떻게 구성되는가?	플랫폼은 크게 3부분으로 구성되어 있다. 사용자가 로봇 팔의 이동 경로를 입력하고 시뮬레이션을 할 수 있는 UI (User Interface) tool, 실제로 구동되는 로봇 그리고 UI tool 과 Robot 사이에서 데이터 송·수신을 도와주는 Bridge SW (Software)로 구성되어 있다.
	다자유도 로봇 팔의 특징은 무엇인가?	제조용 로봇은 1960년대 초반부터 제조현장에서 활용 되기 시작하여 오늘날 자동차, 반도체, 전기전자 등 다양한 산업 현장에서 쉽게 찾아 볼 수 있을 정도로 보편화되었다. 다자유도 로봇 팔은 움직임에 있어서 정확성, 신뢰성, 내구성, 범용성을 확보하고 있어 산업 현장에서 널리 쓰이고 있다. 기존 산업현장에서 주로 사용되던 로봇 팔은, 안전성의 이유로, 펜스와 같은 장치들을 통해 사람과의 접촉이 단절 된 상태로 작업을 진행하였다.

참고문헌 (12)

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상세보기
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상세보기
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M.W. Spong, S. Hutchinson, and M. Vidyasagar, "Robot modeling and control", John Wiley & Sons, 2006.
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상세보기
Telecommunications Technology Association, [Online], http://www.tta.or.kr/, Accessed February 15, 2017

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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