보고서 정보
주관연구기관 |
한국과학기술연구원 Korea Institute Of Science and Technology |
연구책임자 |
강성철
|
참여연구자 |
손영수
,
김재홍
,
이석한
|
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
|
발행년월 | 2018-10 |
과제시작연도 |
2017 |
주관부처 |
산업통상자원부 Ministry of Trade, Industry and Energy |
등록번호 |
TRKO202200007137 |
과제고유번호 |
1415153185 |
사업명 |
로봇산업핵심기술개발 |
DB 구축일자 |
2022-09-03
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키워드 |
모듈라 매니퓰레이터.모듈라 조인트.모듈라 링크.모듈라 그리퍼.모듈라 3D 비전.모듈 기구학/동역학.최적 모듈 조합.물체 인식.실시간 환경 정보 획득.3차원 구조광 카메라.모듈 표준화.
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초록
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3. 개발결과 요약
□ 최종목표
○ 조인트/그리퍼/3D비젼으로 구성되어 재구성이 가능한 모듈라 매니퓰레이터와, 자가 재구성이 가능한 모션제어 및 작업인지 엔진이 통합된 모듈라 매니퓰레이터 시스템(modular manipulation system : ModMan) 개발
□ 개발내용 및 결과
○ 1차년도
● 핵심 기술 개발 검증용 POC 개발(KIST)
◆ Modular Manipulator 운용 소프트웨어 통합 시스템 구조 설계
◆ 조작 대상 객체와의 인터랙션을 위한 실시간 관심 객체 추적
3. 개발결과 요약
□ 최종목표
○ 조인트/그리퍼/3D비젼으로 구성되어 재구성이 가능한 모듈라 매니퓰레이터와, 자가 재구성이 가능한 모션제어 및 작업인지 엔진이 통합된 모듈라 매니퓰레이터 시스템(modular manipulation system : ModMan) 개발
□ 개발내용 및 결과
○ 1차년도
● 핵심 기술 개발 검증용 POC 개발(KIST)
◆ Modular Manipulator 운용 소프트웨어 통합 시스템 구조 설계
◆ 조작 대상 객체와의 인터랙션을 위한 실시간 관심 객체 추적 프레임워크 개발
◆ Motor + Gear + 제어기 통합 Joint Module POC 개발
◆ 기계적 및 전기적 견고한 결합이 가능한 Modular Joint와 Modular Link 간 결합 기구부 개발
◆ 힘센서 통합 Modular Gripper POC 개발
◆ 모듈 간 결합을 통해 구성할 수 있는 다양한 3자유도 Modular Manipulator 구성
● 모듈라 매니퓰레이터 자동 생성 모션 엔진 기반 기술(KIMM)
◆ 3자유도 모듈라 로봇 최적 조합 도출 솔루션 개발
◆ 1축 오토게인 튜닝 알고리즘 개발
◆ 기구학 정보 획득 및 코드 자동생성 엔진 설계
● Clean 환경 대응 ModMan 작업인지 엔진 요소 기술 개발(ETRI)
◆ 모듈라 매니퓰레이터(ModMan) 작업인지 엔진 설계: ModMan 작업인지 엔진의 요구사항 분석, 기능 정의 및 시스템 설계
◆ 실시간 3D 환경 분석 기반 기술개발: 실시간 3D 환경 분석 기술설계 및 매니퓰레이터-사람 협업을 위한 HRI 기술 설계
◆ Clean 환경에서의 물체인식 기술개발: 물체 인식 학습용 데이터셋 1,500장 구축 및 Clean 환경 물체 검출율 98.9%, 인식율 97.8%
◆ 논문 6건(국제학술대회 2건, 국내학술대회 4건), 학술상 1건, 우수 논문상 1건
● 구조광 기반 3차원 3D Camera 모듈 개발(SKKU)
◆ 3차원 구조광 카메라 패턴 고속투사 및 영상획득 HW 1차 버전 개발(DMD기반)
◆ 고정확/고속 3차원 구조광 카메라 Pattern/CODEC 1차 설계 및 개발
◆ 사용자 친화형 3차원 구조광 카메라 및 Robot Hand-Eye Calibration 알고리즘 개발
○ 2차년도
● 3축 모듈라 매니퓰레이터 시스템 개발(KIST)
◆ 실시간 재구성 가능 운용 소프트웨어 통합 시스템 개발
◆ 조작 대상 객체와의 인터랙션을 위한 고정밀 관심 객체 검출 및 추적 기술 개발
◆ 가변 감속 가능한 1자유도 통합 조인트 모듈 개발
◆ 2자유도 모듈 POC 개발
◆ 조인트 토크 센서 통합 링크 개발
◆ 모듈라 그리퍼 기구부 개발
◆ 모듈화 국제 표준화 관련 대응
● 3축 모듈라 매니퓰레이터 자동 생성 모션 엔진(KIMM)
◆ 6자유도 모듈라 로봇 최적 조합 도출 방법론 연구
◆ 모듈라로봇 3축 자동 게인 튜닝 알고리즘 적용
◆ 6자유도 기구학 자동생성 엔진 개발
● 3D 환경분석/물체인식 요소기술 검증 및 작업인지엔진 프로토 타입 개발(ETRI)
◆ ModMan 작업인지 엔진 프로토타입 개발: 물체인식, 환경 모델링, 사용자 상호작용 등 주요 모듈에 대한 상세 설계
◆ 영상 특징을 이용한 복잡 환경에서의 물체인식 및 위치/자세인식
기술개발: 3D Depth/RGB 데이터 기반 복잡환경 객체 검출율 90.6%, 인식율 98%. 복잡 환경에서의 객체 위치/자세인식 정 밀도: 3.72mm(위치 오차), 5.89°(회전 오차). 2,000개의 가상 학습셋 이미지 및 3차원 자세인식을 위한 가상 학습셋 6,930장 구축
◆ 매니퓰레이터-사람 협업 환경에서의 공간공유를 위한 충돌/간섭
◆ 요소 기술개발: 충돌/간섭을 고려한 SAR 기반 사용자 상호작용 요소기술 개발
◆ 국내 특허 출원 2건, 논문 11건(국내학술지 3건, 국제학술지 1건, SCI 1건, 국제학술대회 2건, 국내학술대회 4건), 우수논문상 1건
● 구조광 기반 3차원 3D Camera 모듈 개발 (SKKU)
◆ 3차원 구조광 카메라 패턴 고속투사 및 영상획득 시스템 2차 버전 개발(DMD기반)
◆ 고정확/고속 3차원 구조광 카메라 Pattern/CODEC 2차 설계 및 개발
◆ 사용자 친화형 3차원 구조광 카메라 및 Robot Hand-Eye Calibration Tool SW 개발 및 검증
○ 3차년도
● 6축 모듈라 매니퓰레이터 시스템 개발(KIST)
◆ 6자유도 실시간 재구성이 가능한 운용 소프트웨어 모션 제어 통합 시스템 완성
◆ 관심 객체 파지를 위한 실시간 고정밀 객체 검출 및 추적 기술 개발
◆ Joint Torque Sensor 일체형 안전 조인트 기구부 + Motor + 제어기 통합 Joint Module 최종 버전 버전 개발
◆ 2 자유도 3종, 1자유도 1종의 Modular Joint Line-Up 완성
◆ 고속 통신 기반 모듈러 제어기 개발 완료
◆ Modular Joint 기반 고정밀 실시간 외력 추출 알고리즘개발
◆ 다양한 목표 작업에 적용 가능한 최적화 Link 형상 개발
◆ Joint Torque Sensor 일체형 안전 조인트 기구부
◆ 힘센서 + Tactile 센서 + IMU 통합 Modular Gripper 및 임베디드 외력 추출 제어기 통합 및 Modular Gripper 개발
◆ Gripper Module을 위한 복합 센서 기반 파지 물체 정보 추출 알고리즘 개발
◆ ISO TC184/SC2 WG10에 모듈 HW 연구 자료 제출
● 6축 모듈라 매니퓰레이터 자동 생성 모션 엔진(KIMM)
◆ 6자유도 모듈라 로봇 최적 조합 도출 솔루션 개발
◆ 6축 자동 게인 튜닝 알고리즘 실 로봇 적용
◆ 6자유도 자동 생성 모션 엔진 적용 시험
● 복잡 환경에서의 물체 위치/자세인식 기술 및 이에 특화된 가상학습셋 생성 기법 개발 (ETRI)
◆ 물체 간 가려짐이 있는 복잡 환경에서의 물체 검출/인식 및 위치/자세 인식 기술 개발: 복잡 환경에서의 객체 검출율 95.91%, 인식율 95.91%. 객체 위치/자세인식 정밀도: 3.36mm(위치 오차), 0.46°(회전 오차). 자동 재구성에 의한 인식기 생성 시간(복잡 환경): 4시간 40분
◆ 가상학습셋 생성 알고리즘 고도화 및 복잡 환경을 고려한 학습셋 생성 기술 개발: 다면체 강체11종을 포함한 총 26종 물체에 대한 가상학습셋 생성: Set 1 516,672장. Set 2 308,254장. Set 3 500장
◆ 통합 시스템의 현장 적용을 위한 인지엔진 최적 구성: 실제 현장 환경 및 작업 대상 물체의 특성을 고려한 인지모듈 최적화
◆ 국제특허 출원 1건, 논문 6건(국제학술대회 4건, 국내학술대회 2건)
● 구조광 기반 3차원 3D Camera 모듈 개발(SKKU)
◆ 3차원 구조광 카메라 패턴 고속투사 및 영상획득 시스템 최적 소형/경량화
◆ 모듈라 매니퓰레이터-3차원 구조광 카메라 시스템 통합
◆ 산업현장 친화형 고정밀 3차원 구조광 카메라 시제품 개발
○ 4차년도
● 7축 모듈라 매니퓰레이터 시스템 개발 (KIST)
◆ 목표 작업을 위한 Object 위치 기반 경로 생성 기능이 추가된 7자 유도 Modular Manipulator 모션 제어 통합 시스템 완성
◆ 관심 객체 파지를 위한 실시간 고정밀 객체 검출 및 추적 기술 통합 및 고도화
◆ 2자유도 및 1자유도 Joint Module Component 완성도 고도화
◆ Joint Torque Sensor 일체형 통합 Joint Module의 System 안정화
◆ Torsion Bar 기반 외력 추출 알고리즘 개발
◆ 외력 추출 알고리즘이 통합된 고속 통신 기반 Modular Joint 제어기 안정화
◆ 최대 7축 구성이 가능한 Modular Link Line-Up 완성
◆ Modular Joint와 Modular Link간 결합 안정화
◆ 다양한 형상 파지가 가능한 파지력 센서 및 3D 비전 시스템 통합 Modular Gripper 성능 안정화
◆ ISO국제회의 (TC184/SC2 WG10)에 국내의 모듈 HW 표준화 관련 연구 내용 전달
● 7축 모듈라 매니퓰레이터 자동 생성 모션 엔진(KIMM)
◆ 7자유도 모듈라 로봇 최적 조합 도출 솔루션 개발
◆ 7축 자동 게인 튜닝 알고리즘 개발
◆ 7자유도 기구학 자동생성 엔진 개발 및 성능 개선
● 물리적 겹침 환경에서의 물체 위치/자세 인식 및 인지모듈 최적화 기술 개발(ETRI)
◆ 물체간 물리적 겹침이 있는 환경에서의 물체인식, 위치/자세인식 및 파지점 검출 기술개발: 물체 간 물리적 겹침이 있는 환경에서 객체 검출률 96.8%, 인식률 97.7%, 자세 인식 오차 X/Y/Z축 각 0.26도/0.27도/0.23도, 위치 인식 오차 X/Y/Z축 각 0.34mm/0.78mm/0.46mm
◆ 물체간 가림과 복잡환경을 고려한 가상학습셋 생성: 책상 및 선반 환경에서 20종 이상 물체의 물리적 겹침을 생성하고, 실감 조명과 재질을 고려하여 RGB, 물체별 마스크, 기하 주석 자동 생성
◆ ModMan 작업인지 엔진 통합시스템 개발: 주관기관의 최종 제어 시스템에 AR 기반 상호작용 기술과 ModMan 작업인지 엔진 통합
◆ 국내 특허 출원 1건, 논문 2건(국제학술대회 1건, 국내학술대회 1건), 기술이전 1건(1.05억), 우수논문상 1건
● 구조광 기반 3차원 3D Camera 모듈 개발(SKKU)
◆ 3차원 구조광 카메라 패턴 고속투사 및 영상획득 시스템 최적 소형/경량화 및 성능검증
◆ 고정확/고속 3차원 구조광 카메라 Pattern/CODEC 최적화 및 성능 검증
◆ 사용자 친화형 3차원 구조광 카메라 및 Robot Hand-Eye Calibration Tool SW 최적화 및 성능검증
◆ 최적화된 3D 구조광 카메라 Module과 모듈라 매니퓰레이터 시스템과의 통합 및 데모
◆ 3D 구조광 카메라 Module과 모듈라 매니퓰레이터간의 통합을 위한 3D Vision 카메라 모듈용 사용자 친화형 SW Tool 최적화 및 검증
□ 기술개발 배경
○ 연구 배경 : 로봇의 사용 환경 변화
◆ 21세기 들어 다양한 서비스 로봇의 수요가 다양화되고, 산업현장의 제조용 로봇도 다품종 소량 생산에 적합한 로봇의 수요가 커지면서, 이러한 새로운 환경에 적합한 로봇의 필요성이 제기 되고 있다.
◆ 특히 최근의 서비스/제조용 로봇의 공통점은, 소품종 대량 생산이나 규격화된 단순 서비스가 아니라, 현장의 수요에 맞게 작업(task)의 종류나 조건이 다양하게 바뀐다는 점이다.
◆ 즉 다종(多種)의 가변형(可變形) 작업에 효과적으로 대응할 수 있는 작업 적응성 (task adaptation) 을 갖는 로봇 매니퓰레이터의 필요성이 증대되고 있다.
□ 핵심개발 기술의 의의
○ 7축 Modular Manipulator HW (KIST)
◆ 4차 산업혁명 시대의 흐름에 맞게 다종의 가변형 작업에 효과적으로 대응할 수 있는 작업 적응성을 보유함.
◆ 사용자의 용도와 작업 조건에 맞는 모듈로만 로봇을 구성할 수 있으므로 기존 공급자 중심의 고가의 로봇 시장에서 사용자 중심의 저가의 로봇 시장으로의 변화를 선도.
◆ 비전문가인 사용자에게도 분해조립이 용이하며 GUI 기반 조작 인터페이스를 통한 로봇 작업 조작이 용이함.
○ 물체의 크기와 자세 변화에 강인한 단일 모델 기반의 물체 추적 기술 (KIST)
◆ 정해진 크기의 단일 모델을 이용함으로써 크기 변화 및 자세 변화에 강인한 물체 추적을 가능하게 하고, 결과적으로 매니퓰레이터가 관심 물체를 정밀하게 파지할 수 있도록 함.
○ 모듈라 매니퓰레이터 자가재구성 모션 엔진 (KIMM)
◆ Task에 적합한 모듈의 최적 조합 구조 도출 솔루션 : 로봇의 용도와 구체적인 작업에 따라서 요구되는 로봇의 형태, 길이, 자유도 등이 다양하게 결정될 수 있음. 본 연구를 통해 개발된 구동모듈과 링크모듈을 기반으로 로봇의 목표경로 또는 작업영역에 최적화된 작업 수행이 가능한 로봇의 최적 구조를 도출하는 기술을 개발함
◆ 모듈라 매니퓰레이터 조인트 제어기 자동 게인 튜닝 : 모듈라 매니퓰레이터는 용도와 목적에 적합하게 다양한 형태로 구성이 될 수 있으므로, 임의의 로봇 형상에 대해 동작 가능한 게인 선정이 요구됨. 본 연구를 통해 전문가의 게인 튜닝 작업이 없이도, 로봇의 형태에 따라 목표 작업 수행이 가능한 수준의 게인이 자동을 자동으로 선정할 수 있는 기술을 개발함
◆ 임의의 모듈 결합 구조에 따른 자동 생성 기구학 및 통합 시뮬레이터 : 모듈라 매니퓰레이터는 사용자의 요구 및 작업 목표에 따라 필요한 구조의 로봇으로 구성됨. 본 연구를 통해 임의의 형태로 구성된 로봇의 구조에 대응 가 능한 비실시간 시뮬레이터용 기구학 엔진 및 실시간 제어용 기구학 엔진 자동 생성 기술을 확보함
○ ModMan 작업 인지 엔진 (ETRI)
◆ 매니퓰레이터의 대상이 되는 물체에 대한 학습 데이터를 대량으로 만드는 것은 매우 어려우며, 특히, 위치/자세에 대한 정답 데이터 셋을 대량으로 만드는 것은 거의 불가능함. 본 과제에서 개발한 가상 데이터 생성 기술은 이러한 기존의 문제를 해결할 수 있는 기술이며 본 과제를 통해 가상 데이터 셋이 물체에 대한 학습 시 크게 도움이 될 수 있음을 실험을 통해 보였으며, 다른 도메인의 기업에 대한 기술이전을 통해 다른 분야에도 적용 가능함을 보임.
◆ 가상 데이터 셋 자동 생성 기술을 기반으로 물체를 검출/인식하고 물체의 위치/자세를 인식하는 기술을 개발하였으며 이들 전 과정에 대한 자동화율을 높여, 차후 로봇이 실제 작업을 수행하는 목표 물체의 위치 및 종류를 인식하는 시스템을 사용자의 최소한의 간섭으로 비 전문가도 구성할 수 있도록 하였음.
◆ 또한, 매니퓰레이터와 사람의 협업 환경에서 활용가능한 AR 기반 상호작용 기술을 개발하여 사람이 쉽게 작업 지시를 할 수 있도록 하였으며, 본 기술은 고령자가 로봇에게 쉬운 인터페이스를 통해 작업 지시를 하는데 응용이 가능한 기술임
○ 소형/경량 3차원 구조광 카메라 개발 (SKKU)
◆ 고성능의 3차원 구조광 카메라의 소형/경량화를 통해 로봇 매니퓰레이터, 개인 3차원 카메라 보급 등 3차원 카메라의 적용 범위를 확장
○ 고속 패턴 고속투사 및 영상획득 시스템 (SKKU)
◆ 패턴 최소화 및 최적화를 기반으로 다수 패턴을 이용하는 고성능의 3차원 복원 시스템의 촬영 속도를 고속화하여 고성능과 고속 촬영을 동시에 수행할 수 있는 3차원 카메라를 개발
○ 산업현장 친화형 고정밀 3차원 구조광 카메라 시제품 (SKKU)
◆ 사용자 친화형 기능을 탑재한 3차원 복원 시스템을 기반으로 3차원 카메라에 대하여 비전문가인 사용자의 접근성을 높임
□ 적용 분야
○ 서비스 분야: 공장, 가정, 공공 기관
◆ 중소규모 제조 현장에서의 다품종 변량 작업에 손쉬운 대응
◆ 가정 및 공공 기관 등에서 사용자 용도에 맞는 서비스 지원
○ 의료 분야
◆ 병원 및 연구실에서 상황에 맞는 서비스 지원
○ 우주 산업 분야
◆ 손쉬운 분해조립을 통한 운반 및 설치에 용이함
◆ 우주로의 운반이 용이하며 우주에서의 다양한 작업을 상황에 맞는 작업 적응성의 기능을 통해 지원
(출처 : 기술개발사업 최종보고서 초록 4p)
목차 Contents
- 표지 ... 1
- 제 출 문 ... 2
- 최종보고서 초록 ... 3
- 기술개발사업 주요 연구성과 ... 19
- 목차 ... 38
- 제 1 장 서론 ... 39
- 제 1 절 과제의 개요 ... 39
- 제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과 ... 43
- 제 1 절 최종목표 및 평가 방법 ... 43
- 제 2 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 62
- 제 3 절 수행 결과의 보안 등급 ... 299
- 제 4 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리현황 ... 299
- 제 3 장 결과 ... 303
- 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 303
- 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 323
- 제 3 절 고용 창출 효과 ... 325
- 제 4 절 자체보안관리진단표 ... 325
- 제 4 장 사업화 계획 ... 326
- 제 1 절 시장 현황 및 전망 ... 326
- 제 2 절 사업화 계획 ... 326
- 제 3 절 향후 추가 기술 개발 계획(개발기술 응용 등) ... 326
- 끝페이지 ... 327
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