치열 교정용 와이어 가공 로봇과 모션분석 카메라의 동시 제어 및 렌더링 기반 시뮬레이션 = Simultaneous control and rendering based simulation of orthodontic wire processing robot and motion analysis camera system

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 실사 기반의 병렬형 다 링크 로봇 시뮬레이션 기술을 기반으로 하고, 치열 교정용 와이어 가공 로봇과 모션 분석 카메라의 동시 제어 및 시뮬레이션 시스템을 개발한다. 본 연구 그룹에서는 (1) 치기공사가 교정용 와이어의 형상을 설계할 수 있도록 도와주는 소프트웨어, (2) 치기공사가 디자인한 와이어의 형상을 생성하는 치열 교정용 와이어 가공 로봇, (3) 치열 교정 와이어를 위한 시뮬레이션/제어 플랫폼을 개발 중이며 본 연구에서는 치열 교정용 와이어 가공 로봇과 모션 분석 카메라의 동시 제어 및 렌더링 기반 시뮬레이션 기술 개발을 목표로 한다. 본 연구를 통하여 개발한 로봇 시뮬레이션 기술을 활용하여 로봇의 모션 분석 및 제어 목표치를 설계할 수 있을 뿐만 아니라 로봇 운용에 필요한 시간과 비용을 절감할 수 있으며 실제 작업환경에서 발생할 수 있는 다양한 위험을 시뮬레이션으로 예방함으로써 로봇을 안정적으로 운용할 수 있다.
3차원 게임엔진인 유니티 기반의 시뮬레이션 시스템을 개발함으로써, 3차원으로 설계한 로봇의 렌더링 영상을 활용한 시뮬레이션이 가능하게 된다. 치열 교정용 와이어는 구강 스캐너를 통하여 취득된 구강 영상정보를 통하여 와이어를 설계하며 환자 맞춤형으로 설계한 치열 교정용 와이어의 가공을 위해서는 직․병렬 링크구조를 가지는 로봇이 각 팔에서 와이어의 피딩, 그리핑, 굽힘가공 등 다양한 작업을 독립적으로 수행하면서도 서로 조화롭게 협조하는 등 복잡한 공정을 필연적으로 포함한다. 본 연구에서는 3차원 로봇의 렌더링 기반의 시뮬레이션 기술을 응용하여 치열 교정용 와이어 가공 로봇의 운동자유도를 충분히 활용한 최적의 가공 시퀀스를 설계하는데 유용하게 응용될 수 있다. 이뿐만 아니라 시뮬레이션 관찰용 카메라시스템과 치열 교정용 와이어 가공 로봇의 운동학적 표현과 제어를 동일한 플랫폼상에서 동차변환행렬을 기반으로 수행한다. 즉, 로봇시스템과 카메라시스템의 동시 자세제어를 각각의 시스템에서 각 관절의 3차원 좌표값과 각도 관계를 활용하여 정식화하고 카메라시스템의 자세제어는 다시 로봇의 자세에 의존하여 이루어지도록 한다. 즉, 로봇시스템과 카메라시스템의 자세를 제약하는 기하학적 조건을 함수화하고 이를 만족하는 해를 실시간으로 Newton-Raphson법을 활용하여 구함으로써 로봇시스템의 자세와 3차원 공간에서 임의의 카메라 시스템의 자료 및 이를 활용한 시뮬레이션 영상을 동시에 생성할 수 있다.
본 연구에서 개발하는 로봇시스템과 카메라시스템의 동시 제어 방법은 로봇의 시뮬레이션 시에 링크에 의한 카메라 뷰의 차폐가 일어나지 않게 하는 장점이 있다. 또한, 로봇시스템과 카메라시스템의 동시 자세제어는 각 링크 말단에서의 관절 각도와 3차원 좌표 사이의 자코비안 관계를 활용하여 이루어지는데 각 관절 각도의 변화량 대비 좌표값의 변화량의 비율이 커질 때 자코비안 행렬의 값이 특이치를 가지게 되며, 정확한 운동학 계산이 어렵게 되는 문제점이 있다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여, 새롭게 개발한 PIR 기법을 적용한다. 본 연구에서 제안한 로봇시스템과 카메라시스템의 동시 제어 및 시뮬레이션 시스템의 효율성을 시뮬레이션 실험을 통하여 검증한다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• Ⅱ. 치열 교정용 와이어 가공 로봇 6
• 2.1 파지용 그리퍼 10
• 2.2 피딩용 그리퍼 11
• 2.3 제어 보드 13
• 2.4 로봇 통합 운용 플랫폼 14
• Ⅲ. 로봇 & 카메라 동시 다이나믹스 15
• 3.1 로봇과 카메라 제어 블록 다이어그램 15
• 3.2 로봇 다이나믹스 19
• 3.2.1 로봇 동차변환 행렬 21
• 3.2.2 로봇 역 자코비안 23
• 3.3 카메라 다이나믹스 25
• 3.3.1 카메라 운동학 모델 27
• 3.4 Newton-Raphson법 30
• 3.4.1 로봇-카메라 시스템의 비선형 방정식 30
• 3.5 PIR 기법 31
• Ⅳ. 로봇과 카메라 제어 시뮬레이션 실험 및 결과 34
• 4.1 Case study 34
• 4.2 로봇 동작 속도 변화 시 카메라 자세제어 결과 37
• 4.3 PIR 기법의 효과 39
• 4.4 제약조건 불만족시의 강건성 41
• V. 시뮬레이션용 로봇 그래픽 파일 (.fbx)생성 기법 45
• 5.1 로봇 파트의 파일 변환 과정 45
• 5.2 로봇 파트를 유니티 라이브러리로 옮기기 46
• 5.2 유니티 사용법 47
• 5.4 오브젝트의 부모-자식 관계 설정 48
• Ⅵ. 결 론 50
• 참고문헌 52
• Abstract 54