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작성일 : 09-07-10 16:43
소형휴머노이드 모델의 설계와 제작
 글쓴이 : 로보맨
조회 : 7,849   추천 : 0  




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오늘은 여러분께 소형 휴머노이드의 설계및 제작에 관한 글을 번역, 소개해보려고 합니다. 일본의 자동계측제어 학회 토호쿠 지부 제209회 연구 집회(2003.6.12)에서 발표된 이 자료는 소형휴머노이드의 제작에 관심이 있는 분들에게 좋은 참고자료가 될 것입니다.
   ** 대문 사진은 정기형(?)님과 고경태님의 휴머노이드 'Ssaulon'

주제 : 인간형 로봇에 대한 interaction 시스템 / An Interaction System for a Humanoid Robot
소제 : 소형휴머노이드 모델의 설계와 제작 / Design and Prototyping for a Small-Size Robot
자료 번호 : 209-5
발표 : 타라오 수수무, 하시모토 마사키 / Susumu Tarao, Masaki Hashimoto
         이치세키 공업 고등 전문학교 / Ichinoseki National College of Technology
키워드 : 소형 인조인간 로봇(small-size humanoid robot), interaction(interaction), 맨-머신 인터페이스(man-machine interface), 동역학(dynamics), 편입 시스템(embedded system)
연락처 : (우)021-8511 이와테현 이치노세키시 하기쇼자 타카나시 이치세키 공업 고등 전문학교 제어 정보공학과
타라오 수수무 : Tel. (0191)24-4754, Fax. (0191)24-2146, E-mail tarao@ichinoseki.ac.jp


1.  처음에

종래의 산업용 로봇의 용도와는 다른, 인간의 생활 환경에 있어서의 로봇의 이용이 주목받게 되고 있다. 인간의 생활 환경은 인간의 몸의 구조나 신체 능력에 적절하도록 정비되고 있다. 이러한 환경속에서 인간과 공존해 행동하는 로봇은 인간을 모방한 인간형의 로보트인 것이 바람직한 경우가 많다.

이러한 환경에 대응하는 새로운 로봇의 응용 분야에 있어서 실제로 인간형 로봇(인조인간 로봇)의 연구개발이 활발하게 행해지고 있는(주1) 인간형 로봇은 기본적으로 자율 행동할 수 있는 기능을 갖추는 것이 기대되고 있지만, 다른한편으로는 인간과의 여러가지 형태에서의 교환에 의해 생기는 인간과 로봇 사이의 상호작용(interaction)을 포함한 행동에 충분히 대응할 수 있는 능력도 요구된다.

일반적으로 인간과 동일한 정도의 운동 성능을 가지는 것이 바람직하는 인간형 로봇은 이전부터 산업용 로봇으로서 활용되어 온 암형 로봇에 비해 허리부분의 다자유도인 것이 추가되고, 지면에 고정된 베이스를 가지지 않고, 2족 보행 등에 의해 로봇 자신이 자유롭게 이동을 실시하는 능력을 갖추는 것 등이 그 기능의 특징으로 꼽히고  있다.

이와 같이 복잡한 기능을 가지는 인간형 로봇을  자유자재로 조작하는 것은 매우 난도가 높고, 주로 산업용 로봇을 대상으로 해 실용화되어 있는 기존의 방식과는 별도로 인간과 인간형 로봇 사이의 효과적인 interaction를 확립하기 위한 새로운 interaction 수법을 제공하는 것이 필요하다. 인간과 공존하는 로봇과의 interaction 수법은 지금까지 몇개정도 제안되고 있다. 예를 들면 마을시마 등은 인간이 실시하는 제스체를 인식해, 로보트의 행동에 반영시키는 시스템을 보고하고 있고(주2), 칸노 등은 음성 회화나 악수 등을 통해서 커뮤니케이션을 실시하는 것이 가능한 인조인간 로봇 Hadaly-2를 개발하였고(주3) 또, 경제 산업성의 인간 협조 공존형 로봇 시스템 프로젝트(HRP)에서는, 텔레이그지스턴스 기술을 이용한 원격 조작 시스템을 개발해 있다. (주4)

그러나 제스체에 의한 방식에서는 전해지는 정보량이 한정되어 있어 인간측에서의 지시 동작이 애매하게 되는 경우도 생각할 수 있어 정보의 신뢰성이 낮다.  또 음성에 의한 방식은 단순한 동작의 지시에는 유효하지만, 유연성이 풍부한 복잡한 동작을 지시하려면  곤란이 따른다. 또, 주위로부터의 환경음등의 영향으로 음성인식율이 변화한다고 하는 문제가 있다.

한편, 마스터 슬레이브 방식을 기본으로 한 텔레이그지스턴스에 의한 방법은 로봇의 직감적인 지시가 가능한 반면 그 조작 시스템은 비교적 대규모 것이 되어 일상으로 사용하는 용도에는 적합하지 않는 경우가 생각된다.

여기서 본 발표에서는 인간과 인간형 로봇 사이의 interaction 수법의 하나로서 직감적 한편 단순한 조작에 의해, 인간이 로봇의 행동에 개입하는 interaction 방법을 제안한다. 이 방법에 근거하는 interaction 시스템의 개념을 설명하기 위해서 이러한 시스템 구축의 제일 첫번째 연구로써 시작한 본 시스템의 핵심의 하나인 스몰 사이즈 인간형 로봇 prototype에 관해서 설명하겠다.


2.  interaction 방법

많은 자유도를 가지는 복잡한 기구의 인간형 로봇은 동작의 다양성이 풍부하여 인간이 개입해 그 전신 동작에 효과적인 interaction를 부가하는 것은 어려워진다. 또, 미리 계획된 기본 동작의 편성을 지시하는 개입법은 비교적 용이하지만, 얻을 수 있는 동작의 유연성은 떨어진다.

이것들을 고려해 우리는 인간이 누르는, 당기고, 비튼다고 하는 단순한 조작에 의해 직감적인 한편 유연하게 인간형 로봇의 행동에 개입하는 interaction 수법을 제안한다. 본시스템은 인간형 로봇의 본체 및 인간형 로봇의 동역학 계산을 실시간으로 처리하는 릴얼타임 모션시뮬레이션을 시스템의 중심으로하고, 동작의 특성을 고려한 자연스러운 행동 개입을 실현하는 것을 목표로 하는 것이다.

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이 개념을 Fig.1 에 나타낸다. 본발표에서는 시스템중 인간형 로봇의 실제 본체인 미노루(로봇에 붙인 이름이라 생각됨/필자) 모델의 구축에 관해서 주로 말하지만 이것에 더해서 다음의 요소(수치 모델, 미노루 모델과 수치 모델의 인터페이스, 맨-머신 인터페이스)로 시스템을 구성한다.

- 인간형 로봇의 수치 모델은 계산 부하의 큰 인간형 로보트의 동역학 계산에 대해서, 이것을 실시간으로 처리할 수 있도록, 계산 효율이 좋은 알고리즘을 채용해, 리얼타임 모션 시뮬레이션을 실시하는 일련을 디지탈 계산기상에 구축한다.

-  인간형 로봇 미노루 모델과 수치 모델의 결합을 실시하는 인터페이스는 이러한 동기를 취하는 한편, 미노루 모델의 센서치, 수치 모델의 계산치 등 쌍방의 운동에 관한 정보를 네트워크를 개입시켜 공유한다. 공유하는 운동 데이터는 각각의 다음 스텝의 운동에 반영시킨다.

-   인간형 로봇에 대한 조종 인터페이스는 유저가 지정한 부분에 단순하게 임의의 힘/토르크를 주는 직감적인 동작의 지시를 실시해 수치 모델을 통해서 유효한 운동 정보를 생성해 인간형 로봇의 실제 행동에 개입한다. 덧붙여 야마네 등은 운동 학문적인 어프로치에 의해 인간형 로봇의 동작을 직감적이고 유연하게 지시할 수 있는 핀/드러그 인터페이스를 이용한 수법을 제안하고 있다.(주5) 묘수법은 실시간 동역학 계산에 근거하는 수치 모델과 미노루 모델을 결합한 동역학적인 어프로치에 의해 유저의 조작 부하를 경감하기 위하여, 단순하고 직감적인 조작으로 인간형 로봇에게로의 동작특성을 고려한 고도의 동작 개입을 노린다.


3.  미노루 모델 prototype

요즘 활발하게 개발을 하고 있는 인간형 로봇 중의 하나의 카테고리로서 존재하는 스몰 사이즈의 인간형 로봇(주6)~(주8)은 비교적 저비용으로 제작이 가능하다. 단기간에 제작이 가능하고 확실히 실현될 수 있는 것을 염두에 두어, 모터, 감속기, 모터 드라이버, 각도 센서 등이 컴팩트하게 내장된 무선조종용 써보모터를 액츄에이터로서 이용하고, 규격재에 단순한 가공을 하는 정도의 부품을 개입시켜 각 액츄에이터간을 결합해 링크 기구를 구성해 이것에 몇개의 범용 마이크로 컴퓨터를 짜넣는 설계 사상으로 본 시스템의 미노루 모델로서 이용하는 인간형 로보트 본체의 prototype를 구축한다.

본 prototype의 다리 부분에는 편각 6 자유도×2의 전 12 자유도를 가지도록하였고, 콘도 과학(주) 무선조종용 써보모터 PDS-2144FET 를 12개 배치해 팔부분에는 한쪽 팔 4 자유도× 2의 전 8 자유도를 가지도록했으며 후타바 전자공업(주) 무선조종용 써보모터 S3101 를 8개 배치했다.

또 다리부분에는 닛타(주)에서 제작한 FrexiForce SSB-TA101-1 를 촉각 센서로서 편각 4×2, 합계 8개 배치했다. 다리 부분에 관해서, 모터의 배치와 각 보디간의 결합 상태를Fig.2 에 나타낸다. Fig.2 에 대해, Joint 1 ~ 12 가, 모터의 회전축에 대응한다.


Fig.2 Biped mechanism (arrangement of motors)

이것들을 고려해 설계를 실시했을 때의 조립도는 Fig.3과 같다.


Fig.3 Assembly drawing of the hardware.

다리, 팔부분의 각 모터 설치용 물건, 모터의 회전축 결합용의 플랜지등은 알루미늄제각 파이프, 앵글, 채널 등의 규격재를 일반적인 탁상 선반, 밀링 등의 공작기계로, 용이하게 가공할 수 있도록 했다. 이러한 가공에 의해 제작한 부품의 일부는 Fig.4와 같다.


Fig.4 Sections of the robot

2개의 모터의 회전축이 직교 하는 부분(Fig.2의 Joint 2와 Joint3사이, Joint 5와 Joint 6사이 등)는 비교적 기구가 복잡하게 되지만 본prototype에서는 이 부분을 감히 편소유 지지로 해 모퉁이 파이프에 천공 등이 가공을 한 것으로 2개의 회 전축을 결합하는 구조로 만들어 제작의 용이함과 가동 범위의 확보를 우선했다. Joint 5 로 Joint 6 간의 결합 부분을 Fig.5 에 나타낸다.


Fig.5 Binding module

실제로 제작한 prototype의 사진을 Fig.6 에 나타낸다. 덧붙여 배터리를 포함한 전질량은 2.2 [kg]이며, 또 직립시의 높이는 0.42 [m] 이다.


4.  미노루 모델 제어 시스템

미노루 모델의 제어 시스템은 수치 모델과의 통신 및 로봇 내부 시스템의 통괄 등 상위 레벨의 처리를 실시하는 메인컨트롤 유니트와 각 액츄에이터, 센서가 직결되어 구성된다.


Fig.6 Photograph of the prototype


Fig.7 Linux-based control unit

하위 레벨의 처리를 실시하는 서브컨트롤 유니트로부터 제어된다. 각 모터, 센서와의 인터페이스의 역할을 담당하는 서브컨트롤 유니트에는 I/O 포트, A/D 변환기 등이 많이 준비된 원 보드 마이크로컴퓨터를 이용하는 한편, 메인컨틀로 유니트에는 네트워크의 기능이 가능해 개발을 효과적으로 실시할 수 있는 시스템이 되는 것을 중시하였다. OS 로서 Linux 를 탑재한 소형의 서버를 이용한다.

Linux 베이스의 메인컨트롤 유니트에는 레이자파이브(주)에서 만든 L-Card+2M 를 이용한다. 이것은 일본 전기(주)에서 만든 RISC 형 마이크로 프로세서 VR4181-66(66MHz)를 CPU로 탑재하고, 16M 바이트의 SDRAM, 2M 바이트의 플래시 ROM, 10BASE-T 인터페이스, RS232C 시리얼 인터페이스, CompactFlash 인터페이스, 확장 버스등이 매우 적은 스페이스로 꾸며진 보드 컴퓨터이다.

메인컨트롤 유니트는 prototype 동체 상부에 탑재한다. 이것을 실제로 탑재하고 있는 상태를 Fig.7 에 나타낸다. 한편, 서브컨트롤 유니트에는 (주)히타치 제작소에서 만든 마이크로 콘트롤러 H8/3048F 를 탑재한(주) 아키즈키 전자 통상의 마이크로컴퓨터 보드 AKIH8/3048F를 이용한다. 메인컨트롤 유니트와 서브컨트롤 유니트는 자작의 패러렐 인터페이스 보드를 이용하여 접속한다. LCard+2M 측은 그 확장 버스에 포함되는 범용 입출력 단자 GPIO 중, 유저가 사용할 수 있는 11개의 단자를 마이크로컴퓨터 보드와의 통신에 이용한다.

이들 단자중 8 개가 데이터 송수신용, 1 개가 패러렐 인터페이스 보드상의 2개의 IC (74ALS573, 74LCX245)의 변환용, 2 개가 마이크로컴퓨터 보드와과의 핸드쉐이크용으로 할당해지고 있다.

여기서 이용하는 GPIO 는 3.3[V] 레벨인데 대해 마이크로컴퓨터 보드의 I/O 포트는 5[V] TTL 레벨로 사용하기 때문에, 레벨 변환 기능을 갖춘 인터페이스 IC 인 74LCX245 를 이용하여 마이크로컴퓨터 보드측으로부터 L-Card+2M 에의 데이터 입력을 실시한다. 이러한 개요를 Fig.8 에 나타낸다.


Fig.8 Control system

PC/AT 호환기(OS: Linux) 상에 L-Card+2 M의 CPU (VR4181-66) 및 H8/3048F 각각 대응한 GNU의 크로스 개발 환경을 구축하였다. 각각의 소프트웨어는 이 환경아래에서 작성한다. LCard+2M 에 인스톨 된 Linux는 리얼 타임 처리에 대응한 것은 아니지만, 상기 환경의 C 컴파일러 gcc 에 준비된 usleep 함수에 의한 sleeve 시간의 설정에 의해 약 20 [msec] 의 주기에 본prototype의 제어를 실시하고 있다.

이 주기내에 전술한 접속에 의해 L-Card+2M는 마이크로컴퓨터 보드로부터 8 개의 각 센서 데이터(1 바이트)를 수신한 후 20 개의 각 모터 각도 데이터(1 바이트)를 마이크로컴퓨터 보드에 송신한다. 여기서 사용하는 L-Card+2M 의 범용 입출력 단자 GPIO 에의 액세스는 전술의 gcc 에 준비된 mmap 함수를 이용해 얻을 수 있던 각 단자에 대응 붙일 수 있었던 포인터를 개입시켜 실시한다.

마이크로컴퓨터 보드는 각도 데이터를 받으면 타이머 세치기에 의해 모터 제어용의 펄스 파형을 생성해 모터에 출력한다.(Fig.8)  마이크로컴퓨터 보드측 입력용, 출력용 각각에 8 비트의 신호선을 준비해 있는데 대해 LCard+2M 측은 GPIO 의 8 비트를 입출력 겸용에 이용하고 있다. 이러한 접속으로, 확실히 데이터 통신을 실시할 수 있도록(듯이), L-Card+2M 측으로부터, 핸드쉐이크용 2 비트의 신호선을 이용해 입력/출 힘의 모드 혹은, 에러의 유무등의 정보를 직접, 마이크로컴퓨터 보드에 입력해, 통신의 신뢰성을 확보하고 있다.


5.  동작 실험

여기까지 이야기한 미노루 모델의 동작 시험으로서 보행의 동작을 시도했다. 다만, 본 실험에서는 사전에 보행 패턴을 각 관절 각도 데이터로서 준비해 메인컨트롤 유니트는 서브컨트롤 유니트를 경유해 각 관절의 모터에 대해서 오픈루프로 보행 패턴에 따른 목표 각도의 지령을 실시한다. 보행패턴은 요소가 되는 점을 결정해 가 그것들 각 점의 사이의 적당한 소요 시간을 주어 보간을 베풀어 경험적으로 생성한 것이다. 덧붙여 각 모터내부에서는, 관절각의 위치 제어를 한다. 이 수법으로, 실현될 수 있었던 2족 보행의 동작예를 Fig.9 에 나타낸다.


Fig.9  Trial of bipedal walking


6.  끝에

인간과 인간형 로봇 사이의 interaction 수법의 하나로서 직감적이고 단순한 조작방법을 인간이 로봇의 행동에 개입하는 interaction 수법을 제안했다. 이것을 실현하는 시스템 구축의 첫번째 스텝으로서 본시스템의 중심중 하나가 되는 스몰 사이즈 인간형 로보트 prototype(양각, 양팔, 동체 부분)를 시작했다.

하드웨어는, 간단한 부품에 의해 구축하고 이것에 제어 시스템을 실장했다. 이것은 상위 레벨의 처리를 실시하는 메인컨트롤 유니트와 하위 레벨의 처리를 실시하는 서브컨트롤 유니트로부터 되는 구성으로 만들었다. 메인컨트롤 유니트에는 개발을 효과적으로 실시할 수 있는 시스템이 되는 것을 중시하여, Linux 베이스의 보드 컴퓨터를 이용했다.

향후에는 Linux 베이스 제어 시스템의 메리트를 살려, 그 충실화를 꾀해하고자 자율적인 보행 제어 등의 기능을 실장하는 것을 시도할 예정이다.  게다가 수치모델의 구축, 외부 네트워크를 이용한 각 모델의 결합등 interaction 시스템의 다른 부분의 구축등을 시도할 계획이다.


참고 문헌

(주1) 특집 인조인간, 일본 로보트 학회잡지,15-7,961/992 (1997)
(주2) 마을시마 테루구, 쿠노의덕, 시마다 신경, 시라이 요시아키:인간과 기계의 interaction를 통한 제스체의 이해와 학습, 일본 로보트 학회잡지,18-4, 590/599(2000)
(주3) 칸노 시게키, 시부야 츠네지:비언어 커뮤니케이션을 위한 인간형 로보트, 일본 로보트 학회잡지,15-7,975/978 (1997)
(주4) 코모리야 키요시, 사와다일재, 정상리지, 이노우에 코조:HRP 원격 조작 플랫폼, 일본 로보트 학회잡지,19-1, 16/27 (2001)
(주5) 야마네극, 나카무라 히토시언:휴먼 피겨의 전신 운동 생성을 위한 협응구조화 인터페이스, 일본 로보트 학회잡지,20-3, 335/343 (2002)
(주6) 이나바아행, 금광후미오, 이노우에 히로시윤:뇌를 가지고 다니지 않는 2 켤레 2 팔로보트의 개발, 제11 회 일본 로보트 학회 학술 강연회 예고집,623/624 (1993)
(주7) 후루타 타카유키, 오쿠무라유, 토야마 켄:계층 제어계 실장을 위한 소형 인조인간 Mk. 5 로 그 플랫폼 시스템의 개발, 일본 기계 학회 로보트 디크스·메카트로닉스 강연회 논문집, 2P1-79-128 (2000)
(주8) 야마자키문경, 마츠이 타츠야, 미야시타경굉, 키타노히로아키:인조인간 PINO -인조인간 플랫폼으로서의 외장과 구조-, 제18 회 일본 로보트 학회 학술 강연회 예고집,921/922 (2000)
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