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로봇 개발을 위한 복합 임베디드 시스템
“개발자가 원하는 맞춤형 로봇 제어시스템을 경험하라!”
로봇마다 사용되는 센서와 모터 제어방법 등이 다르기에 로봇 어플리케이션을 설계하고, 시제품을 만들고, 배포할 때 이를 통합·실행할 수 있는 임베디드 하드웨어에 대한 필요성이 높아졌다. 이러한 요구에 따라 내쇼날인스트루먼트에서는 센서/액추에이터의 통합 및 복합 제어가 가능한 임베디드 하드웨어 환경을 제공하는 NI CompactRIO를 선보이며, 기존 LabVIEW 개발자들에게 더욱 친숙한 소프트웨어 개발환경을 제공하기 시작했다. 본 내용에서는 로봇개발을 위한 복합 임베디드 시스템인 CompactRIO의 활용에 대해 살펴보도록 하겠다.
NI CompactRIO, 복합 임베디드 시스템을 제안하다
로봇은 현재 가장 빠른 속도로 발전하고 있는 엔지니어링 분야이며 가장 어려운 분야이기도 하다. 하지만 삶의 질 또는 작업 환경을 향상시킬 수 있는 기회를 제공하고 있는 현시대의 중요한 요소이다. 예를 들면, 로봇이 수술을 하고, 집안일을 대신하며, 자동차가 스스로 움직이는 것들이 로봇이 발달하면서 생겨난 편리함이다.
이처럼 로봇은 각기 다른 환경에서 작동하며, 각기 다른 동작 또는 목적을 가질 뿐만 아니라 수많은 센서와 액추에이터 등과 같은 요소들이 연결된다. 따라서 서로 다른 요소들을 사용하기 때문에 이에 대응되는 각기 다른 소프트웨어 개발 툴을 사용하며, 각기 다른 하드웨어 플랫폼에서 개발이 진행된다.
또한 엔지니어가 많은 시행착오 끝에 하나의 로봇 제어 시스템을 개발한 경우, 동일한 제어 시스템을 다른 로봇에 적용한다는 것은 실제로 거의 불가능한 일이다. 그 이유는 로봇마다 사용되는 센서가 다르고, 모터 제어 방법 등이 다를 수 있기 때문이다.
이와 같이 로봇 어플리케이션을 설계하고, 시제품을 만들고, 배포할 때 가장 큰 어려움은 센서와 액추에이터의 통합, 적합한 실행, 결정성 있는 제어를 임베디드 하드웨어로 배포하는 것이다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 NI CompactRIO는 센서/액추에이터의 통합 및 복합 제어 등을 할 수 있는 임베디드 하드웨어 환경을 제공하고, LabVIEW는 개발자들이 제어 알고리즘을 설계하고, 실제 입출력에 연결하며, 결정성 있는 하드웨어 타깃에 배포하기 위한 단일 소프트웨어 개발환경을 제공한다.
개발자들은 LabVIEW를 이용하여 Real-Time과 FPGA 기반 하드웨어 솔루션을 편리하게 통합하여 빠른 응답의 제어를 구현할 수 있다.
센서 및 액추에이터의 통합
여러 센서와 액추에이터를 통해서 로봇이 명령대로 움직이는 것이 가능하기 때문에, 이는 전체 시스템 설계에 있어서 가장 중요한 요소들이다. 하지만 개발 시작 단계에서 센서 및 액추에이터와 연결될 입출력 채널의 개수, 전압 레벨, 데이터 수집 속도 등의 정보를 정확하게 알고 결정하는 것이 쉽지 않다. 따라서 설계자들이 센서 입력과 같은 실제 데이터에 접근할 수 있거나 모터와 같은 액추에이터를 제어할 수 있다면 로봇의 개발을 더욱 신속하게 할 수 있을 것이다.
그래픽 기반의 시스템 개발 언어인 NI LabVIEW를 이용하면 손쉽고 빠르게 센서의 데이터를 추출하거나 사용자가 원하는 형태의 제어 알고리즘을 구현할 수 있고, 기존 기성품의 장점과 사용자 레벨의 하드웨어 제작의 장점을 결합한 NI CompactRIO를 통해 센서 및 액추에이터 등과 같은 하드웨어의 통합 임베디드 시스템을 구성할 수 있다.
위의 그림은 이러한 콘셉트를 보여준다. 임베디드 컨트롤러와 FPGA가 내장된 섀시로 구성된 NI CompactRIO는 개발자가 원하는 시스템에 맞게 사용하고자 하는 모듈들을 선택하여 맞춤형 제어 시스템을 구성할 수 있다. 또한, 이더넷을 통해 확장이 가능하며, 스마트 카메라, IP 카메라와의 통합이 가능하다. 그리고 FPGA가 내장된 섀시에서 사용할 수 있는 아날로그 입출력, 디지털 입출력, 카운터, 모션, 산업용 통신 등과 같은 다양한 모듈들을 제공하고 있다.
이를 적용한 로봇의 사례로는 버지니아 공대의 시각 장애인용 차량을 예로 들 수 있다. 시각 장애인을 위한 반자동 차량에는 햅틱을 기반으로 운전자가 주행 시 결정을 내릴 수 있도록 인터페이스가 존재하고, 센서는 홀 센서(속도 측정)와 전위차계(조향 각도) 등 차량의 상태와 관련된 중요한 정보를 수집한다. 또, 이와 같은 센서에서 데이터를 NI CompactRIO 임베디드 플래폼에서 FPGA를 사용하여 신속하게 수집한 후, LabVIEW에서 데이터를 직접 처리한다.
센서 데이터를 처리한 후 다시 LabVIEW와 CompactRIO를 통해 관련된 피드백을 모터의 진동을 통해 운전자가 진행 방향을 알 수 있게 해주는 조끼의 모터를 제어한다. 조끼를 입은 시각 장애 운전자는 최고 속도 한계에 이를 때까지 편안한 속도로 운전을 할 수 있다. 최고 속도나 긴급 상황이 발생하면 FPGA에서는 빠른 정보를 수집하고 처리하여 신속한 제어 신호를 출력하고 운전자는 이를 통해 보이지 않는 상황에서 빠른 대응을 할 수 있다.
이런 복잡한 시스템을 단 2학기 만에 9명의 학부생이 개발할 수 있었고, 이 도움으로 시각 장애 운전자들은 기본적인 운전 작업을 안전하게 할 수 있었다.
버지니아 공대의 시각 장애인용 차량. 센서에서 데이터를 NI CompactRIO 임베디드 플래폼에서 FPGA를 사용하여 신속하게 수집한 후, LabVIEW에서 데이터를 직접 처리한다.
제어 알고리즘을 결정성 있는 하드웨어에 배포
LabVIEW를 통해 엔지니어들은 결과와 동작을 더욱 정확하게 확인하고 검증하기 위해 이론적인 알고리즘 디자인과 실제 데이터를 통합할 수 있다.
로봇 개발자들은 로봇에서 사용하기 위한 제어 알고리즘 디자인과 하드웨어에서 실제 구현하기 위한 디자인 간의 차이를 줄여야 한다. 여러 엔지니어들은 다양한 텍스트 프로그래밍으로 배포하기 전에 알고리즘 테스트와 모델링에 하이 레벨 연산 관련 개발을 하고, 이렇게 개발된 제어 알고리즘은 임베디드 하드웨어 환경에서 다시 실행되며 다시 테스트하는 등의 검증 단계를 거치게 된다. 최근 로봇은 실시간의 높은 반응의 제어를 요구하는데 이런 과정은 많은 오류와 시행착오를 발생하게 된다.
LabVIEW는 하드웨어와의 연결을 추상화할 수 있고, 일반 PC뿐만 아니라 임베디드 Real-Time 및 FPGA 기반의 환경에서도 동일한 분석, 연산, 제어에 대한 라이브러리를 제공함으로써 실행과 테스트 과정을 향상시킬 수 있다. 따라서 엔지니어들은 결과와 동작을 더욱 정확하게 확인하고 검증하기 위해 이론적인 알고리즘 디자인과 실제 데이터를 통합할 수 있다.
또한 개발자들은 LabVIEW를 이용하여 Real-Time과 FPGA 기반 하드웨어 솔루션을 편리하게 통합하여 빠른 응답의 제어를 구현할 수 있다. 이와 같은 제품에는 견고하며 고성능을 제공하는 CompactRIO 임베디드 플랫폼과 작은 크기로 공간상의 제약이 있는 환경에 적용할 수 있는 보드 버전인 Single-Board RIO가 있다. 이 같은 재구성 가능한 I/O (RIO) 하드웨어 아키텍처를 통해 로봇 설계자들은 FPGA 로직으로 하드웨어 인터페이스, 신호 처리 및 시간 결정적인 제어 알고리즘을 구현할 수 있다.
또한, Nexans社가 NI CompactRIO 임베디드 플랫폼을 사용하여 만든 해저 오일/가스 탐사용 스파이더 로봇에서도 확인할 수 있다. 노르웨이 서쪽 바다에서부터 영국까지 약 1200km에 이르는 거리를 수심 1000m 정도에서 해저 바닥을 탐사하고, 케이블 매설 작업을 하였다. 이에 필요한 복잡한 제어 알고리즘들과 센서 데이터 수집, 액추에이터 구동 등은 NI 임베디드 시스템을 통해서 가능하였으며, 매우 열악한 환경에서의 결정성 있는 작업을 가능하게 할 수 있었다.
혁신적인 의료기기에서부터 최첨단 로봇과 산업용 장비에 이르기까지 그래픽 기반의 시스템 디자인을 사용하면 임베디드 시스템을 신속하게 설계, 프로토타이핑 및 배포할 수 있다. LabVIEW 환경과 임베디드 Real-Time 및 FPGA 기반 하드웨어 CompactRIO의 내재적인 통합을 통해 복합 임베디드 시스템을 더욱 신속하게 개발하시기 바란다.
Nexans社가 NI CompactRIO 임베디드 플랫폼을 사용하여 만든 해저 오일/가스 탐사용 스파이더 로봇으로 NI 임베디드 시스템을 이용해 개발됐다 할 수 있다.
한국NI www.ni.com/korea
필 자 한국NI 분산제어솔루션담당 윤주영 대리 (JuYoung.Yoon@ni.com)
