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    • [로봇노트] 로봇 제어를 위한 랩뷰(Labview)

      박경원(KAIST 기계공학부) / 2021-04-13 오후 12:49:32


    로봇이란 한 개의 컴퓨터 프로그램으로 작동할 수 있고, 자동적으로 복잡한 일련의 작업을 수행하는 기계적 장치를 말한다. 최근에는 로봇이 인간이 해낼 수 없는 일을 대신 담당하거나, 일을 처리하는 데 있어 인간보다 훨씬 높은 속도와 효율성을 보일 수 있음이 증명되면서 이에 대한 관심이 특히 높아지고 있다. 로봇 하드웨어의 성능이 점차 증진되고 있음과 더불어 로봇의 두뇌를 담당하는 제어 이론과 지능에 대한 알고리즘 연구가 활발히 지속되면서 로봇이 가져올 미래에 많은 사람이 주목하고 있다. 과학 기술의 발전과 병행하여 앞으로의 로봇 시스템은 더욱 더 유용한 형태로 우리 삶에 다가올 것으로 예상된다.





    로봇 시스템의 종류는 목적과 형태에 따라 다양하게 나뉜다. 산업 현장의 일을 처리하는 매니퓰레이터, 재난 현장에서 사용될 다족형 로봇, 재활 및 인간 능력 증강을 목적으로 하는 웨어러블 로봇, 가정보안 및 돌보미 등의 일을 수행할 가정형 로봇 등 그 종류는 가지각색이다. 로봇 연구 및 상용화에 앞장서는 많은 연구소/기업의 노력으로 지금까지 볼 수 없었던 형태의 로봇 시스템이 개발될 가능성도 존재한다.

    그 중에서도 [Fig 1]은 이러한 로봇 시스템의 예시로서 ‘워크온슈트 4’의 모습을 나타내고 있다. 워크온슈트 4는 스스로 하반신을 사용할 수 없는 사용자가 로봇 기술을 통해 일상 생활에서 요구되는 다양한 동작을 수행할 수 있게끔 개발된 웨어러블 로봇이다. 하반신 완전마비 장애인은 이러한 웨어러블 로봇의 개발로 인해 휠체어에 구속된 좌식생활로부터 자유로워지고, 독립적으로 일상 생활을 영위할 수 있는 가능성이 열리게 되었다.

    이렇듯 로봇 시스템이 제 기능을 구현할 수 있게 하기 위해서는 알맞은 제어 알고리즘의 개발이 필수적이라고 할 수 있다. 제어 알고리즘이 정확성을 보장하지 못해 [Fig 1]의 로봇이 의도한 동작을 충실히 생성해내지 못하거나, 제어 알고리즘의 안정성이 떨어져 [Fig 1]의 로봇이 사람과 함께 사용되는데 불안요소가 존재하게 된다면 로봇 시스템을 신뢰하고 사용하기는 어려워질 것이다. 이처럼, 로봇의 성능적인 측면뿐만 아니라 함께 사용하는 인간의 안전을 고려해서라도 올바른 제어 알고리즘의 작성은 매우 중요한 단계가 된다.






    로봇 제어에 사용되는 첫 번째 프로그램은 바로 랩뷰(Labview)다[Fig 2]. 랩뷰는 미국 NI (National instruments)에서 제작한 그래픽 기반의 프로그래밍 툴로, Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench의 약자이다. 다른 프로그래밍 언어와의 가장 큰 차이점은 GUI 방식을 채택했다는 점이다. [Fig 3]과 같이 데이터가 와이어를 통해 각 블록에 연결되는 형태로 이루어져 있기 때문에, 데이터의 흐름을 시각화할 수 있다는 장점이 있다.




    랩뷰는 시스템 디자인 및 하드웨어 제어에 특화되어 있다. 강력하고 직관적인 그래픽 기반 개발 환경을 통해 사용자 인터페이스를 직접 설정할 수 있고, 측정 및 컨트롤 하드웨어와 통합하여 신호 처리, 데이터 분석, 제어 등에 용이하게 사용될 수 있다.
    지원하는 라이브러리의 수도 수백개가 넘어갈 정도로 많은 엔지니어들에게 활용되고 있는 프로그래밍 언어이다. [Fig 4]에는 엔지니어링에 활용될 수 있는 유용한 툴들을 보여준다. 최적화, 미분, 다항식 작성부터 신호처리, 필터링 등 다양한 함수를 선택하고 활용할 수 있다.





    로봇 제어의 측면에서 랩뷰의 매력적인 점은 임베디드 시스템의 구현이 용이하다는 것이다. 일반적인 컴퓨터 시스템과 달리 임베디드 시스템에서 가장 중요하게 다뤄지는 요소는 바로 각 태스크가 주어진 시간 내에 실행을 마치는 지에 대한 것이다. 특히 로봇 시스템의 제어에 있어서는 샘플링 주기안에 제어 알고리즘의 내용을 모두 수행해내는 것, 즉 일정한 속도로 제어 루프가 반복되는 것이 알고리즘의 효용성과 큰 연관이 있다.
    [Fig 4]의 timed loop을 이용하면 손쉽게 RTOS (Real Time Operating System)을 구현할 수 있고, 이러한 측면은 Labview를 통해 우수한 제어기를 구현하는 데 있어 큰 강점으로 작용한다.로봇 제어의 측면에서 랩뷰의 매력적인 점은 임베디드 시스템의 구현이 용이하다는 것이다.

    일반적인 컴퓨터 시스템과 달리 임베디드 시스템에서 가장 중요하게 다뤄지는 요소는 바로 각 태스크가 주어진 시간 내에 실행을 마치는 지에 대한 것이다.




    특히 로봇 시스템의 제어에 있어서는 샘플링 주기안에 제어 알고리즘의 내용을 모두 수행해내는 것, 즉 일정한 속도로 제어 루프가 반복되는 것이 알고리즘의 효용성과 큰 연관이 있다.

    [Fig 5]의 timed loop을 이용하면 손쉽게 RTOS (Real Time Operating System)을 구현할 수 있고, 이러한 측면은 Labview를 통해 우수한 제어기를 구현하는 데 있어 큰 강점으로 작용한다.






    [Fig 6]은 랩뷰를 이용해 작성한 보행 데이터 분석 프로그램을 나타낸다. [Fig 1]의 워크온슈트를 착용한 하반신 완전마비 장애인이 보행하면서 나타내는 물리적 지표들을 정리했다. [Fig 6]에서 확인할 수 있듯, 데이터를 프론트패널로 실시간으로 전송해 데이터를 그래프 형태로 나타냈다.

    Labview의 실시간 데이터 처리 및 시각화의 강점이 돋보이는 부분이다. 또한, 프론트패널의 디자인 또한 사용자의 편의에 따라 설정하여 고관절, 슬관절, 발목 관절의 각도, 토크, 외란(disturbance) 등 수많은 데이터를 일괄적으로 확인할 수 있도록 하였다. 앞서 언급한 인터페이스의 설정에 대한 내용이 강조된 부분이다.


     



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