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차세대신기술 개발사업(2단계) – 제2과제
퍼스널 로봇의 고기능 모듈 기술개발
전자부품연구원 정중기 수석연구원
2005년 3월11일(금요일)
참여기업 : ㈜마이크로아이, ㈜로보티즈, 이지로보틱스㈜
위탁기관 : 한양대학교(권병일), 세종대학교(김용국)
-1-
목차
1. 기술개발의 개요
2. 시장현황 및 사업화 전망
3. 기술개발의 목표 및 내용
4. 기술개발의 평가항목 및 방법
5. 기술개발의 추진전략 및 체계
6. 개발기술의 파급효과 및 활용계획
7. 사업화 계획
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1. 개발기술의 개요 – [Smart actuator 모듈의 소형화 기술]
Smart actuator 모듈의 소형화 기술
소형화를 위한 일체화 기술 추세
파워드라이버, 제어기, 통신모듈의 소형화 기술 필요
경량화를 위한 고토크 저속의 모터 기술 필요
국내외 관련 기술 현황
• 각자의 분야에서 독자적으로 발전되어 왔던 로봇의 핵심 부품 요소로서 모터, 감속기, 위치검출기, 베어링, 축 등이 신
뢰성 향상, 저가격화에 따라 이들 요소 기기를 서로 조합한 하나의 기기로 발전함.
• 모터와 위치 검출기의 일체화, 감속기와 베어링의 일체화, 감속기가 없이 모터 자체로 직접 구동할 수 있도록 한
DD(Direct Drive)모터가 개발.
• 일본의 하모닉 드라이브사는 자사가 가지고 있는 감속기 기술을 이용하여 모터와 드라이브를 일체화한 휴머노이드 로봇
용 smart actuator를 개발.
• SONY의 경우 인간형 엔터테인먼트 로봇인 SDR-3X, 4X, Qurio에 자체로 개발한 ISA(Intelligent Servo Actuator; SONY
의 smart actuator 모델명임)를 채택하여, 역시 자체로 개발한 OPEN-R이라는 로봇용 OS를 통하여 network로 24개의
관절을 실시간으로 유연하게 제어하고 있음.
• 이러한 smart actuator를 제어하기 위하여 Microprocessor기능외에 모터 제어용 회로, 즉 전류제어회로, Motor PWM회
로, 센서위치변환기, 상변환회로, 엔코더 카운터등이 내장된 시스템 LSI 개발.
-3-
1. 개발기술의 개요 - 고기능 비전 인식 및 학습 기술
고기능 비전 인식 및 학습 기술
로봇 시각시스템의 통합화
퍼스널로봇-환경 인터페이스를 위한 핵심 기술
저조도 환경용 고속 영상 개선 (Enhancement) 알고리즘 개발
퍼스널로봇-인간 인터랙션을 위한 핵심 기술
Uncertainty 에 강인한 영상 인식 및 학습 기술개발
로봇 자율 주행 및 환경 대처를 위한 핵심 기술
모듈화된 아키텍쳐 구성을 위한 Java VM 기반의 알고리즘 개발
국내 관련 기술 현황
국외 관련 기술 현황
• 2D-3D Object 인식, 인간, 얼굴 인식 중심으로 연구
• 1990년대 초부터 영상인식 기술개발 시작
• HCI, 지능형로봇, 영상처리 관련 대학과 연구소 중심
의 연구
• MIT, CMU 등의 대학을 중심으로 얼굴인식을 비롯한
Non –rigid Object 인식에서 세계 최고 성능 구혐
• 제한된 환경에서 최적의 성능을 보임
• 미국의 iRboot의 CCD 센서를 통한 인식기반 로봇네비
게이션 구현
• 다양한 환경에서의 신뢰성 부족으로 인한 상용화 부진
• 일부상용화 성공에도 불구하고 로봇 플랫폼상에서의
Object 인식 기술은 신뢰성있는 단계에 이르지 못함
인간-로봇 인터페이스와 Mobile 로봇의 자율주행을 위한 핵심기술의 모듈화
범용성, 확장성, 개방성을 가진 퍼스널로봇의 핵심부품으로 활용
-4-
2. 시장현황 및 사업화 전망 – [Smart actuator 모듈]
시장규모(메카트로닉스)
구분
현재시장규모(2003년)
예상시장규모(2005년)
세계시장규모
995 억$
1,114 억$
국내시장규모
1조 6000 억원
1조 7,920 억원
• Actuator 부분 세계시장 규모 148조원 으로 58%의 비중을 차지함
• 현재까지는 unit 별로 분리된 제품형태로 출시되고 모듈화는 되어있지 않음
무역수지 개선 효과
구분
2008년
2009년
2010년
수입 대체
10 억원
15 억원
20 억원
수출
5 억원
15 억원
30 억원
-5-
2. 시장현황 및 사업화 전망 - [고기능 비전 인식 및 학습 기술]
시장규모
구분
현재시장규모(2003년)
예상시장규모(2005년)
세계시장규모
600 억원
40,000 억원
국내시장규모
50 억원
3,000 억원
• 20만원 이하의 저가 시각센서모듈 및 고기능 고가의 시각 센서 모듈의 개발
• 로봇참여업체들의 활용을 통한 세계 홍보 및 세계시장 공략
무역수지 개선 효과
구분
2008년
2009년
2010년
수입 대체
30 억원
100 억원
120 억원
수출
10 억원
50 억원
100 억원
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3. 기술개발의 목표 및 내용 - [Smart actuator 모듈의 소형화 기술]
개발목표(Smart actuator) 제품 시나리오
[상위 컨트롤러]
위치/속도 지령
위치/상태 정보
Smart
Actuator
[CAN,1Mbps]
Smart Actuator
Smart
Actuator
Smart
Actuator
[Gear]
[ Sensor ]
[Motor]
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[ Driver ]
[ Network module ]
3. 기술개발의 목표 및 내용 - [Smart actuator 모듈의 소형화 기술]
개발목표(Smart actuator)를 위한 필요기술
구
분
네트워크 기반
제어 모듈
저가형 Position
센서
저속, 고토크형
BLDC 모터
주요 기술
개발 방안
보유/개발 주체
DSP 기반 하드웨어 기술
자체개발
전자부품연구원
DC/BLDC 모터 위치, 속도, 토크 제어 기술
자체 개발
전자부품연구원
CAN 통신 등 네트워크 기술
자체 개발
전자부품연구원
전력 전자 기술
자체 개발
전자부품연구원
부하토크 보상, 피드포워드 제어 기술
자체 개발
전자부품연구원
정현적 Magnetizing Yoke 설계 및 FE해석기술
위탁개발
한양대학교
저가형 Position 센서 Unit 설계기술
위탁개발
한양대학교
저속, 고토크형 모터의 자기회로 설계기술
자체개발
전자부품연구원
영구자석 자화분포를 고려한 특성해석 기술
자체개발
전자부품연구원
고정도 서보화를 위한 코깅토크 저감화 기술
위탁개발
한양대학교
-8-
3. 기술개발의 목표 및 내용 - [Smart actuator 모듈의 소형화 기술]
최종목표
• COTS 기반 모터 스마트화 기술 개발
• 모터, 서보제어모듈, 통신모듈이 일체화된 로봇용 저가형 Smart Actuator 개발
제어 PCB
파워 PCB
ABS 마그네트 센서 로터 마그네트
감속기
센서
제어 IC
스테이터 코어
로터 마그네트 센서
-9-
3. 기술개발의 목표 및 내용 - [Smart actuator 모듈의 소형화 기술]
[제어 모듈 개발]
- DC 모터용 네트워크 인터페이스, 서보 드라이버 일체형 제어모듈 개발
- BLDC 모터용 네트워크 인터페이스, 서보 드라이버 일체형 제어모듈 개발
- 스마트 액추에이터 제어 모듈의 소형화
One board
Parameter 조정
CAN
통
신
제어드라이버
제어조정
상위통신
지령
생성
토크제어
속도제어
위치제어
상변환
제어
전류
제어
PWM
Power
Converter
Motor
현재위치
자극위치
위치검출기
-10-
로터 각도
위치검출기
3. 기술개발의 목표 및 내용 - [Smart actuator 모듈의 소형화 기술]
[상용화 기술개발]
-1차년도
•플라스틱 정밀 감속기 부품 설계 및 제작
•금속형 정밀 감속기 부품 설계 및 제작
-2차년도
•저토크 감속기 및 smart actuator 인티그레이션
•고토크 감속기 및 smart actuator 인티그레이션
-3차년도
•COTS 기반의 smart actuator 제작기술
•BLDC 기반의 smart actuator 제작
-11-
3. 기술개발의 목표 및 내용 - [Smart actuator 모듈의 소형화 기술]
[서보모터 위치센서 및 Cogging torque 저감화 설계기술 개발 -
위탁과제(한양대 권병일 교수):]
•1차년도 : 서보모터 회전자 검출용 저가형 위치센서 설계기술 개발
Hall element
θ
(0~2π)
-착자회로를 고려한 영구자석의 자화분포 해석
-Sinusoidal 표면자속밀도 분포를 갖기 위한
영구자석의 착자요크 설계 기술 개발
-저가형 위치센서 detection circuit 해석 및 설계
SIN(θ)
N
S
COS(θ)
SIN(θx)
Permanent Magnet
•2차년도 : BLDC 서보모터의 cogging torque 저감화 기술개발
-영구자석의 자화분포를 고려한 유한요소 수치해석
- Cogging torque 저감을 위한 영구자석 자화분포 설계기술 개발
- 자화분포 설계에 따른 Magnetizing yoke 설계
- 착자회로 및 착자요크를 고려한 영구자석 자화분포 해석
- Cogging torque 저감을 위한 스테이터 코어 설계
•3차년도 : BLDC 서보모터의 저속, 고 토크화 설계, 해석 기술개발
-
BLDC 서보모터의 저속, 고토화 성능을 위한 설계기술 개발
D(외경), L(적층폭)을 고려한 고토크화 설계기술 개발
저속, 고토크화 실현을 위한 권선설계
BLDC 서보모터의 구동회로를 고려한 동특성 해석
-12-
Kp(S+Ki)
S
COS(θx)
1
S
θx
(0~2π)
3. 기술개발의 목표 및 내용 - 고기능 비전 인식 및 학습 기술
최종목표
• Object 인식 기술개발 및 Object 학습 및 인식 기술개발
• 환경변화에 강인한 실시간 영상 Enhancement
• 로봇 탑재용 영상 Java VM (Virtual Machine) 모듈 개발
고기능 비전 모듈
저조도 환경 노이즈 및 화질 개선 기술개발
Stereo IR Camera
무선 영상전송 module
저조도 화질개선 module
영상 인식 모듈
JVM 모듈
[컨트롤러(DSP) 모듈]
2D Object 영상 해석을 통한 인식 기술개발
영상기반 Rigid/Non-Rigid Object 인식 기술개발
-13-
3. 기술개발의 목표 및 내용 - 고기능 비전 인식 및 학습 기술
기술 분류 및 List
구
분
주요 기술
개발 방안
보유/개발 주체
영상기반 2D Object 해석기술 개발
자체 개발
전자부품연구원
실시간 2D Object 인식 기술 개발
자체 개발
전자부품연구원
3D Object 영상 해석 및 인식 기술 개발
자체 개발
전자부품연구원
저조도 화질 개선(노이즈, Edge) 알고리즘 개발
자체 개발
전자부품연구원
야간용 IR LED 및 영상센서 모듈
업체 개발
마이크로아이
업체 개발
마이크로아이
저조도 노이즈 개선 필터 모듈 (Embedded)
위탁 개발
전자부품연구원
분산처리 개념 및 호환성을 고려한 skeleton 및
stub
위탁 개발
세종대학교
Embedded Vision Module
위탁 개발
세종대학교
JVM 기반 영상전송 및 제어 메소드 개발
위탁 개발
세종대학교
영상기반 인식 모듈
환경변화에 강인한 영상
무선 영상 전송 모듈 개발
Enhance 모듈
로봇 탑재용
JVM 모듈
-14-
고기능 비전 인식 및 학습 기술
최종목표
• Object 인식 기술개발 및 Object 학습 및 인식 기술개발
• 환경변화에 강인한 실시간 영상 Enhancement 모듈 개발
• 로봇 탑재용 영상 Java VM (Virtual Machine) 모듈 개발
내용
연차
Object 인식 모듈
(KETI)
환경변화에 강인한 영상
Enhancement 모듈
( ㈜ 마이크로아이 )
-. 영상기반 2D Object
해석기술 개발
-. 저조도 노이즈 개선
필터 개발
-. 저조도 대응용 IR 모듈
및 카메라 모듈 개발
-. 무선 영상전송 모듈
로봇용 JVM 모듈
(세종대)
시제품
-. JVM 기반 Skeleton
및 Stub 기술개발
IR LED + Camera Module
Local Feature Extraction
Modeling of 2D Object
client
interface
1차년도
implementation
object
[Spec]
Histogram Processing
Up to PSNR 40 dB
Feature 학습 속도 : 5sec
RMI
server
[Spec]
영상센서 : QVGA 급
조도 : 0.1 lux 이하
거리 : 10 m 이하
-15-
클라이언트-서버 인터
페이스
-. 저조도 대응용 IR
카메라모듈
-. 영상해석 SDK
-. RMI 모듈
고기능 비전 인식 및 학습 기술
내용
연차
Object 인식 모듈
(KETI)
-. 2D Object 해석을 이용
한 인식기술 개발
-. Denosing 및 adaptive
에지 Enhancement 알고
리즘 개발 (SDK -> 포팅)
환경변화에 강인한 영상
Enhancement 모듈
( ㈜ 마이크로아이 )
-. 초저조도 대응용 화질
개선 카메라 모듈 개발
IR Lamp + Camera Module
로봇용 JVM 모듈
(세종대)
시제품
-. JVM 기반 영상전송
및 제어 메소드 개발
[그림]
Client 모듈
Stub
Local Feature Matching
Recognition
원격참조계츨
전송계층
2차년도
RMI 계층
전송계층
원격참조계층
Denosing and Adaptive 에
지 Enhancement (Wavelet)
논
리
적
호
출
Skeleton
[Spec]
영상센서 : QVGA급
조도 : 0.5 Lux이하
거리 : 20 m이하
화질개선 : 45 dB (PSNR)
2D Object 인식률 : 90%
-16-
Server 모듈
[Spec]
영상전송 및 제어인터
페이스
-. 초저조도 및 화질개선
카메라 모듈
(IR + 전송 + DSP 모듈)
-. 2D 인식 SDK
-. JVM 영상전송모듈
고기능 비전 인식 및 학습 기술
내용
연차
Object 인식 모듈
(KETI)
-. 3D object 영상 해석 및
3D Object Pose 인식
기술 개발
환경변화에 강인한 영상
Enhancement 모듈
( ㈜ 마이크로아이 )
-. 저조도 대응용 스테레오
카메라 모듈 및 통합
비전 모듈 개발
로봇용 JVM 모듈
(세종대)
시제품
-. JVM 기반 영상신호
전송 메소드 개발
[그림]
3D Pose correction
[그림]
Client 모듈
Stub
원격참조계츨
전송계층
3차년도
RMI 계층
전송계층
원격참조계층
[Spec]
2D Object 학습속도 : 1초
3D Pose 인식률 : 90%
[Spec]
영상센서 : QVGA급
조도 : 0.0 Lux
거리 : 30 m 이하
화질개선 : 50 dB (PSNR)
Skeleton
Server 모듈
JVM 영상메소드 최적화
[Spec]
영상 메소드 최적화
-17-
논
리
적
호
출
스테레오 카메라 + 화
질개선 모듈 + 인식모
듈 + JVM
(OS 탑재된 형태의 비
전 모듈)
3. 기술개발의 목표 및 내용 - 고기능 비전 인식 및 학습 기술
[고기능 컬러 시각센서 모듈 개발]
-. Low level 영상 개선모듈 : 저가용 로봇과 고기능의 로봇에 탑재 가능한 가정용 로봇과 같은 퍼스널 로봇의 실용화에 활용할
수 있는 CCD를 이용한 고기능 시각센서 시스템의 H/W 및 영상개선 알고리즘 개발.
(1차년도 : 저조도 대응 로봇탑재용 QVGA급 카메라 module 모듈 개발)
(2차년도 : 로봇탑재용 QVGA급 카메라 module 모듈 및 adaptive Denosing, Edge enhancement)
(3차년도 : 로봇탑재용 주야간 가능한 스테레오 ROBOT EYE 실장)
[Intermediate Image]
[Original Image]
[Denoising and
interpolated Image]
-18-
3. 기술개발의 목표 및 내용 - 고기능 비전 인식 및 학습 기술
[로봇 탑재용 영상 Java VM (Virtual Machine) 모듈 개발 – 위탁(세종대 김용국교수) ]
-. 로봇 모듈용 Java VM 개발 : 분산처리 개념 및 호환성을 고려한 skeleton 및 stub
< 자바의 주요특성 >
 플랫폼에 독립적으로 작동함
 분산형 시스템에 적당하며, 네트웍(혹은 Client-Server)용으로 편리함
 자바는 객체지향적이어서 코드 재사용이 용이함
< 기술개발의 목표 및 내용 >
 로봇 탑재용 영상용 Java Virtual Machine 모듈 개발
 RMI기반 Client-Server 인터페이스 구축
 Java 기반 영상전송 및 제어 인터페이스 개발
 JVM 영상 메소드 최적화 및 로봇 시각모듈 탑재
Interfaces
INTERFACE
JVM모듈
Implements
IMPLEMENTATION_Stub
SBC
Implements
Network
JVM을 이용한 Client-Server 시스템 구성도
-19-
IMPLEMENTATION
4. 개발기술의 평가방법 및 평가항목
구분
Smart
Actuator
고기능
비젼모듈
평가항목
단위
비중
세계최고수준
연구개발전
국내수준
서보형태
-
10
일본/
하모닉드라이브
위치/ 속도
로보티즈/위치
위치/
속도
위치/
속도
위치/
속도
자체 평가
31X46X23 (20W)
개념
설계
개념
설계
50X
50X
50
자체 평가
1차
개발목표치
2차
3차
평가방법
제어모듈크기
mm
15
일본/
하모닉드라이브
위치/ 속도
(50W기준)
40X50X85
Output Power
W
10
-
-
20
100
100
N-T-I
특성평가
Cogging Torque
gcm
15
-
200
50
이하
250
이하
180
이하
무여자시
torque
측정
2D Object 인식률
%
15
미국/MIT
90%
제한된 환경하에서 인식
80% (Constrained)
60 (Unconstrained)
85
90
95
통계적방법
3D Object 인식률
%
15
미국/CMU
85%
제한된 환경하에서 인식
70% (Constrained)
50 (Unconstrained)
-
-
90
통계적방법
2D Object
학습속도
sec
10
미국/MIT
3 sec
정형화된 DB에서의 학습
10 sec
5
3
1
단위입력당
인식속도
영상화질개선
DB
10
미국/MIT
50
-
40
45
50
PSNR
-20-
5. 개발기술의 추진전략 및 체계
-. 타 과제간 기술연결 전략
-. 분야별 분담연구를 통한 연구개발의 효율화
-. COTS 기반의 부품 응용과 자체 부품 개발 병행
3과제
1차년도
2차년도
3차년도
고토크 BLDC
모터 제어회로
소형화
COTS 기반의
smart actauator
(이지로보틱스 )
플라스틱 정밀
감속기 부품 설계
및 제작
저토크 감속기 및
smart actuator
인테그레이션
COTS 기반의
smart actuator
제작기술
BLDC 모터기반의
smart actuator 상용화
(로보티즈 )
금속형 정밀
감속기 부품 설계
및 제작
고토크 감속기 및
smart actuator
인테그레이션
BLDC 기반의
smart actuator
제작
영상처리 S/W 기술 개발
(전자부품연구원 )
Non -rigid 2D
객체 해석 및 학습
기술개발
Rigid/non rigid
3D 특성추출 및
모델링 /학습 기술
Rigid/non rigid
3D 객체인식 및
학습 기술
저가격 저조도
스테레오
센서 모듈 개발
화상 enhancement
모듈화 및 최적화
상용화
영상 H/W 모듈개발
및 상용화
(마이크로아이 )
자체 상품화
COTS 기반의
소형화
3 과제 상품화
제어부 개발
저가격센서 개발
1 과제용 표준화 모듈
Smart actuator 제어부 및
고토크 모터 개발
(전자부품연구원 )
-21-
5. 개발기술의 추진전략 및 체계 (개발팀 편성)
-22-
6. 개발기술의 파급효과 및 활용계획
Smart Actuator 모듈의 소형화 기술
• 소형고출력 Actuator 제어부의 소형,일체화를 통한 COTS 스마트 Actuator 기술확보
• 드라이버 실장화로 모터 소형화 가능, 관절의 Actuator로 사용시 로봇전체 소형화 가능
• 자체에 프로세서 통신기능 및 타 Actuator 와의 통신버스 공유로 배선절감의 효과와 경량
모듈화 가능
고기능 비전 인식 및 학습 기술
• 영상기반 저조도 환경용 화상 Enhancement 모듈로 객체인식 성능 개선 효과
• Object 학습 및 인식기술, 영상 java VM 핵심기술 확보로 mobile 로봇 자율주행을 위한
핵심기술의 모듈화 가능.
• 로봇용 시각모듈의 범용성, 확장성, 개방성 확보로 로봇 핵심부품으로 사용됨.
-23-
7. 사업화 계획
Smart Actuator 모듈
• Target Market : 의용공학기기, 통신 및 OA기기, VR 관련 기기
• 상기 시장 선정사유 : Hybrid에 대한 시장의 요구, 병렬화 및 모듈화에 대한 요구
• 시장 진입 전략 : 초기 현 요청업체 중심 공략, 대체형 사양, 지속적인 홍보 및 전시회 참가
• 다양한 line Up 구축
사업화 년도
구분
2008년
2009년
2010년
사업화품목
Smart Actuator
Smart Actuator
Smart Actuator
투자계획(억원)
12
18
30
생산계획 (억원)
18
26
45
내수
10
15
20
수출
5
15
30
계
15
30
50
판매
계획
-24-
7. 사업화 계획
Smart Actuator 모듈
네트워크 기반 actuator 제어 모듈
사업화 가능 품목 Tree
저가형 Position 센서
Hall element
θ
(0~2π)
SIN(θ)
N
Kp(S+Ki)
S
S
COS(θ)
SIN(θx)
Permanent Magnet
고출력 BLDC모터&감속모듈
소형 고기능 Smart actuator
-25-
COS(θx)
1
S
θx
(0~2π)
7. 사업화 계획
고기능 비전 인식 및 학습 모듈
• 원가를 20만원 이하로 낮추는 전략 + 고기능 부가 고가의 시각센서 개발
• 국내외 관련업체를 통하여 로봇개발에 활용하며 이를 기반으로 국외 로봇 관련 전시회 출품, 홍보를 통하여
국외시장 개척
사업화 년도
구분
2008년
2009년
2010년
사업화품목
컬러 시각센서
컬러 시각센서
컬러 시각센서
투자계획(억원)
5.8
13.5
20.5
생산계획 (억원)
6.5
17
28
내수
5.0
10
15
수출
1
5
10
계
6
15
25
판매
계획
-26-
7. 사업화 계획
고기능 비전 인식 및 학습 모듈
Mobile Robot 탑재
 주야 겸용 물체 인식
Vision
Module
 주야겸용 Localizer
 JVM 기반 통합 제어
저가용 주야감시
 최저 조도 0.0 Lux
 최대 검출 거리 30m
 노이즈 저감 Filter
-27-