KR20180069288A - 웨어러블 디바이스를 이용한 매니퓰레이터 제어 시스템 - Google Patents

웨어러블 디바이스를 이용한 매니퓰레이터 제어 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 웨어러블 디바이스를 이용한 매니퓰레이터 제어 시스템에 관한 것으로서, 작업자의 팔뚝에 착용되며, 작업자가 매니퓰레이터를 조작할 때의 팔의 움직임과 관련된 센서 데이터를 획득하여 시뮬레이션 장치로 전송하는 웨어러블 디바이스; 작업자의 조작에 의해 동작하거나 시뮬레이션 장치에서 생성된 제어 데이터에 의해 동작하는 매니퓰레이터; 및 웨어러블 디바이스로부터 수신한 센서 데이터에 기초하여 가상 매니퓰레이터를 시뮬레이션하고, 시뮬레이션 결과에 따라 제어 데이터를 생성하는 시뮬레이션 장치를 포함하는 웨어러블 디바이스를 이용한 매니퓰레이터 제어 시스템을 제공한다.

Description

웨어러블 디바이스를 이용한 매니퓰레이터 제어 시스템{SYSTEM FOR CONTROLLING MANIPULATOR USING WEARABLE DEVICE}
본 발명은 웨어러블 디바이스를 이용한 매니퓰레이터 제어 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 웨어러블 디바이스를 이용하여 매니퓰레이터의 조작시의 센서 데이터를 획득하고 이에 기초하여 가상 매니퓰레이터를 시뮬레이션하고, 시뮬레이션 결과를 학습함으로써 매니퓰레이터를 최적으로 제어할 수 있는 시스템에 관한 것이다.
매니퓰레이터(manipulator)란 일반적으로 산업 현장의 로봇 팔을 의미하며, 컨트롤 패널(panel)이나 팬던트(pendant)라는 컨트롤러(controller)를 통해 버튼을 조작함으로써 미리 저장된 작업을 수행하는 장비를 말한다.
이러한 매니퓰레이터의 동작을 구현하기 위해서는 모션 데이터와 이를 제어할 인터페이스를 포함하고 있어야 하지만, 제어하는데 전문가 수준의 지식 숙지가 필요하다. 따라서, 비전문가가 현장에서 매니퓰레이터의 작업 사항을 직접 수정하고 원하는 작업 사항을 동작시키는 것에 어려움이 있다. 따라서, 실제 산업 현장에서는 숙련되지 않은 인력이 매니퓰레이터를 제어해야 하는 경우가 있어서 장비의 오작동이나 사고의 위험이 항상 상존하고 있는 실정이다.
본 발명은 상기한 바와 같은 한계점을 해결하기 위한 것으로서, 웨어러블 디바이스를 이용하여 매니퓰레이터의 조작시의 센서 데이터를 획득하고 이에 기초하여 가상 매니퓰레이터를 시뮬레이션하고, 시뮬레이션 결과를 학습함으로써 매니퓰레이터를 최적으로 제어할 수 있는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 웨어러블 디바이스를 이용한 매니퓰레이터 제어 시스템으로서, 작업자의 팔뚝에 착용되며, 작업자가 매니퓰레이터를 조작할 때의 팔의 움직임과 관련된 센서 데이터를 획득하여 시뮬레이션 장치로 전송하는 웨어러블 디바이스; 작업자의 조작에 의해 동작하거나 시뮬레이션 장치에서 생성된 제어 데이터에 의해 동작하는 매니퓰레이터; 및 웨어러블 디바이스로부터 수신한 센서 데이터에 기초하여 가상 매니퓰레이터를 시뮬레이션하고, 시뮬레이션 결과에 따라 제어 데이터를 생성하는 시뮬레이션 장치를 포함하는 웨어러블 디바이스를 이용한 매니퓰레이터 제어 시스템을 제공한다.
여기에서, 상기 센서 데이터는, 작업자가 매니퓰레이터를 조작할 때의 근전도(EMG), 각속도, 가속도 데이터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 시뮬레이션 장치는, 웨어러블 디바이스로부터 수신한 센서 데이터에 기초하여 가상 매니퓰레이터가 매니퓰레이터를 시뮬레이션하도록 제어하는 가상 매니퓰레이터 제어부; 가상 매니퓰레이터 제어부에 의해 조작되어 매니퓰레이터의 동작을 컴퓨터 상에서 시뮬레이션하고 매니퓰레이터의 움직임에 대한 모션 데이터를 생성하는 가상 매니퓰레이터; 가상 매니퓰레이터로부터 수신한 모션 데이터에 기초하여 매니퓰레이터의 움직임을 최적화하기 위한 학습을 수행하는 학습부; 및 학습부에서 수행된 학습 결과에 따라 매니퓰레이터의 움직임에 대한 제어 데이터를 생성하는 제어 데이터 생성부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 학습부는, 센서 데이터 또는 모션 데이터에 대해서 매니퓰레이터가 3차원 공간 상에서 움직이는 이동 경로 및 속도를 최적화하도록 학습하도록 구성할 수 있다.
또한, 상기 웨어러블 디바이스는, 작업자가 가상 매니퓰레이터를 조작할 때의 팔의 움직임과 관련된 센서 데이터를 획득하여 시뮬레이션 장치로 전송하도록 구성할 수도 있다.
본 발명에 의하면, 웨어러블 디바이스를 이용하여 매니퓰레이터의 조작시의 센서 데이터를 획득하고 이에 기초하여 가상 매니퓰레이터를 시뮬레이션하고, 시뮬레이션 결과를 학습함으로써 매니퓰레이터를 최적으로 제어할 수 있는 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 비전문가라도 매니퓰레이터를 효율적으로 정확하게 이용할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 누구나 착용하기만 하면 손쉽게 매니퓰레이터를 제어할 수 있으며, 사용자의 행동에 따라 움직여 숙련된 작업자들이 필요했던 작업을 자동화 할 수 있고, 학습을 통해 사람을 통한 작업에 비해 행동오류가 적고 시뮬레이션 상 로봇의 반복 시행으로 로봇의 움직임의 최적화 된 데이터를 저장하여 로봇에게 적용하여 정확도와 효율을 상승시킬 수 있다.
또한, 본 발명은, 제조 공정이 빈번히 바뀌는 제조업 분야에 특히 유용하며 반복적인 작업에 대해 유동적으로 대응할 수 있고, 생산 로봇의 행동 오류들을 최소한으로 줄일 수 있고, 로봇 오작동으로 인한 인명 피해를 최소화 할 수 있고, 사람만이 할 수 있는 다양한 동작 작업 등에 적용할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 의한 웨어러블 디바이스를 이용한 매니퓰레이터 제어 시스템(100)의 전체적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 웨어러블 디바이스(10)의 일예를 나타낸 도면이다.
도 3은 매니퓰레이터(20)의 일예를 나타낸 도면이다.
도 4는 시뮬레이션 장치(30)의 구성을 나타낸 도면이다.
도 5는 센서 데이터를 화면에 표시한 상태를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에 의한 시스템(100)의 동작을 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 의한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 의한 웨어러블 디바이스를 이용한 매니퓰레이터 제어 시스템(100)의 전체적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 의한 웨어러블 디바이스를 이용한 매니퓰레이터 제어 시스템(이하, 간단히 "시스템(100)"이라 한다)은, 웨어러블 디바이스(10), 매니퓰레이터(20) 및 시뮬레이션 장치(30)를 포함한다.
웨어러블 디바이스(10)는 작업자의 손목이나 팔뚝에 착용하는 밴드형의 디바이스로서, 작업자가 매니퓰레이터(20)를 조작할 때의 팔의 움직임과 관련된 센서 데이터를 획득하여 시뮬레이션 장치(30)로 전송하는 기능을 수행한다.
웨어러블 디바이스(10)는 작업자가 팔뚝에 착용한 상태에서, 매니퓰레이터(20)를 조작할 때 근전도(EMG), 각속도, 가속도 등과 같은 센서 데이터를 획득한다. 이를 위하여 웨어러블 디바이스(10)는 근전도 센서, 자이로 센서, 지자기 센서 및 가속도 센서 등을 구비한다.
도 2는 웨어러블 디바이스(10)의 일예를 나타낸 도면이다.
도 2의 웨어러블 디바이스(10)는 MYO사의 MYO 밴드로서, 작업자가 팔뚝에 착용하고 팔을 움직일 때 근전도, 가속도, 자이로 등과 같은 센서 데이터를 획득한다. 획득된 센서 데이터는 시뮬레이션 장치(30)로 전송된다.
본 발명에 사용되는 웨어러블 디바이스(10) 자체는 본 발명의 직접적인 목적은 아니며 도 2와 같이 종래 알려져 있는 상용 제품을 사용할 수 있으므로, 여기에서는 상세 설명은 생략한다.
매니퓰레이터(20)는 산업 현장에서 사용되는 로봇 팔을 의미하는데, 일반적으로 제어 패널이나 펜던트(pendant)라고 하는 컨트롤러를 통해 버튼을 조작함으로써 미리 저장된 작업을 수행한다. 본 발명에서의 매니퓰레이터(20)는 이러한 종래의 장치를 의미하는데 다만 본 발명과 관련하여서는 작업자의 조작에 의해 웨어러블 디바이스(10)가 센서 데이터를 획득하는데 사용되며 또한 시뮬레이션 장치(30)에서 생성된 제어 데이터에 의해 조작되는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 제어 데이터는 매니퓰레이터(20)를 동작시키기 위한 데이터를 의미하며, 후술하는 시뮬레이션 장치(30)에서 생성된다.
도 3은 매니퓰레이터(20)의 일예를 나타낸 도면이다.
도 3에 나타낸 매니퓰레이터(20)는 6개의 축을 가지며 따라서 6 자유도를 갖는다. 이러한 매니퓰레이터(20)는 일반적으로 작업자의 조작에 의해 또는 컨트롤러를 통해 조작되어 특정 작업을 수행하게 된다.
시뮬레이션 장치(30)는 웨어러블 디바이스(10)로부터 수신한 센서 데이터에 기초하여 가상 매니퓰레이터를 시뮬레이션하고, 시뮬레이션 결과에 따라 제어 데이터를 생성하는 기능을 담당한다.
도 4는 시뮬레이션 장치(30)의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 시뮬레이션 장치(30)는, 가상 매니퓰레이터 제어부(31), 가상 매니퓰레이터(32), 학습부(33) 및 제어 데이터 생성부(34)를 포함한다.
가상 매니퓰레이터 제어부(31)는 웨어러블 디바이스(10)로부터 수신한 센서 데이터에 기초하여 가상 매니퓰레이터(32)가 매니퓰레이터(20)를 시뮬레이션하도록 제어하는 수단이다.
도 5는 센서 데이터를 화면에 표시한 상태를 나타낸 것이다.
도 5의 센서 데이터는 왼쪽 위부터 시계 방향으로 각각 가속도, EMG, 자이로, 오리엔테이션(방향) 데이터를 나타낸 것으로서, 작업자가 웨어러블 디바이스(10)를 착용한 상태에서 매니퓰레이터(20)를 조작할 때의 센서 데이터들의 변화를 나타낸 것이다.
가상 매니퓰레이터 제어부(31)는 이러한 센서 데이터에 기초하여 가상 매니퓰레이터(32)가 매니퓰레이터(20)의 동작을 시뮬레이션하도록 제어한다.
가상 매니퓰레이터(32)는 매니퓰레이터(20)를 컴퓨터 상에서 가상으로 구현한 것으로서, 가상 매니퓰레이터 제어부(31)에 의해 조작되어 매니퓰레이터(20)의 동작을 시뮬레이션하는 수단이다.
가상 매니퓰레이터(32)는 가상 매니퓰레이터 제어부(31)에 의해 매니퓰레이터(20)의 동작을 시뮬레이션하면서 매니퓰레이터(20)의 모션 데이터를 생성한다
여기에서, 모션 데이터는 매니퓰레이터(20)의 특정 부위 예컨대 매니퓰레이터(20)이 단부에 구비되어 물체를 집을 수 있는 그리퍼의 3차원 공간에서의 좌표값 및 이동 경로 정보를 포함할 수 있다.
또한, 모션 데이터는 매니퓰레이터(20)의 각 축의 좌표값 및 이동 경로 정보를 포함할 수 있다.
생성된 모션 데이터는 학습부(33)로 전달된다.
학습부(33)는 가상 매니퓰레이터(32)로부터 수신한 모션 데이터에 기초하여 매니퓰레이터(20)의 움직임을 학습시키기 위한 수단이다.
학습부(33)는 인공 신경망 및 기계 학습(machine learning) 알고리듬을 사용할 수 있다. 즉, 학습부(33)는 기계 학습 알고리듬에 의해 특정한 센서 데이터 또는 모션 데이터에 대해서 매니퓰레이터(20)가 3차원 공간 상에서 움직이는 이동 경로 및 속도를 최적화하도록 학습부(33) 내부의 분류기(classifier)에서 사용되는 변수를 학습시킨다.
이 때, 매니퓰레이터(20)의 특정 부위 예컨대 매니퓰레이터(20)의 단부에 설치되어 물체를 집을 수 있기 위한 그리퍼에 대한 이동 경로 및 속도를 최적화하도록 학습시킬 수 있다.
이러한 학습부(33)의 구체적인 구성은 본 발명의 직접적인 구성은 아니며 종래 기술에 의해 알려져 있는 것을 사용할 수 있으므로 상세 설명은 생략한다.
학습부(33)에서 학습이 완료되면, 특정 센서 데이터나 모션 데이터에 대한 최적의 속도 및 경로에 대한 제어 데이터가 생성된다. 생성된 제어 데이터는 제어 데이터 생성부(34)로 전달된다.
제어 데이터 생성부(34)는 학습부(33)에서 수행된 학습 결과에 따라 매니퓰레이터(20)의 움직임에 대한 제어 데이터를 생성하는 기능을 담당한다.
제어 데이터 생성부(34)는 학습부(33)에서 피드백된 결과에 기초하여 매니퓰에이터(20)가 특정 작업을 수행할 때 요구되는 움직임을 최적화한 제어 데이터를 생성한다.
제어 데이터 생성부(34)는 생성된 제어 데이터를 저장하고, 매니퓰레이터(20)로부터 요청이 있는 경우 해당 제어 데이터를 전송하거나, 매니퓰레이터(20)로 미리 전송해 두고 매니퓰레이터(20)에서 작업에 사용하도록 한다.
도 6은 본 발명에 의한 시스템(100)의 동작을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 작업자가 웨어러블 디바이스(10)를 착용하여 매니퓰레이터(20)를 조작하여 센서 데이터를 획득하여 시뮬레이션 장치(30)로 전송하면, 시뮬레이션 장치(30)는 가상 시뮬레이터(32)를 구동하여 모션 데이터를 획득하고 이에 기초하여 학습을 수행한 후, 매니퓰레이터(20)를 제어하기 위한 제어 데이터를 생성하여 매니퓰레이터(20)를 제어할 수 있다.
이상에서 본 발명에 의한 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였으나 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것이 아니며 다양한 수정 및 변형 실시가 가능함은 물론이다.
예컨대, 상기 실시예에서는 작업자가 웨어러블 디바이스(10)를 착용하고 매니퓰레이터(20)를 조작할 때 팔의 움직임과 관련된 센서 데이터를 획득하는 것으로 설명하였으나, 매니퓰레이터(20) 대신 가상 매니퓰레이터(32)를 조작하도록 하여 센서 데이터를 획득하는 것도 가능하다. 이 경우, 고가의 매니퓰레이터(20)의 조작으로 인한 장비의 고장이나 사고를 원천적으로 차단할 수 있다.
100...웨어러블 디바이스를 이용한 매니퓰레이터 제어 시스템
10...웨어러블 디바이스
20...매니퓰레이터
30...시뮬레이션 장치

Claims (5)

  1. 웨어러블 디바이스를 이용한 매니퓰레이터 제어 시스템으로서,
    작업자의 팔뚝에 착용되며, 작업자가 매니퓰레이터를 조작할 때의 팔의 움직임과 관련된 센서 데이터를 획득하여 시뮬레이션 장치로 전송하는 웨어러블 디바이스;
    작업자의 조작에 의해 동작하거나 시뮬레이션 장치에서 생성된 제어 데이터에 의해 동작하는 매니퓰레이터; 및
    웨어러블 디바이스로부터 수신한 센서 데이터에 기초하여 가상 매니퓰레이터를 시뮬레이션하고, 시뮬레이션 결과에 따라 제어 데이터를 생성하는 시뮬레이션 장치
    를 포함하는 웨어러블 디바이스를 이용한 매니퓰레이터 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센서 데이터는, 작업자가 매니퓰레이터를 조작할 때의 근전도(EMG), 각속도, 가속도 데이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 웨어러블 디바이스를 이용한 매니퓰레이터 제어 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 시뮬레이션 장치는,
    웨어러블 디바이스로부터 수신한 센서 데이터에 기초하여 가상 매니퓰레이터가 매니퓰레이터를 시뮬레이션하도록 제어하는 가상 매니퓰레이터 제어부;
    가상 매니퓰레이터 제어부에 의해 조작되어 매니퓰레이터의 동작을 컴퓨터 상에서 시뮬레이션하고 매니퓰레이터의 움직임에 대한 모션 데이터를 생성하는 가상 매니퓰레이터;
    가상 매니퓰레이터로부터 수신한 모션 데이터에 기초하여 매니퓰레이터의 움직임을 최적화하기 위한 학습을 수행하는 학습부; 및
    학습부에서 수행된 학습 결과에 따라 매니퓰레이터의 움직임에 대한 제어 데이터를 생성하는 제어 데이터 생성부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 웨어러블 디바이스를 이용한 매니퓰레이터 제어 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 학습부는, 센서 데이터 또는 모션 데이터에 대해서 매니퓰레이터가 3차원 공간 상에서 움직이는 이동 경로 및 속도를 최적화하도록 학습하는 것을 특징으로 하는 웨어러블 디바이스를 이용한 매니퓰레이터 제어 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 웨어러블 디바이스는, 작업자가 가상 매니퓰레이터를 조작할 때의 팔의 움직임과 관련된 센서 데이터를 획득하여 시뮬레이션 장치로 전송하는 것을 특징으로 하는 웨어러블 디바이스를 이용한 매니퓰레이터 제어 시스템.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200026617A (ko) * 2018-09-03 2020-03-11 창원대학교 산학협력단 로봇암 제어 시스템
KR20210059079A (ko) * 2019-11-13 2021-05-25 경일대학교산학협력단 깊이 카메라 및 근전도 센서를 이용한 핸드트래킹 시스템

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