특허 개요
본 특허는 가상 환경에서 로봇 팔 등 물체가 장애물에 접근할 때 충돌 위험을 전달하는 다지점 힘 피드백 기술입니다. 물체의 관절·주요부에 힘 측정 위치를 설정하고, 각 위치에서 레이 캐스팅(ray casting)으로 장애물까지의 거리와 표면 법선 벡터를 산출해 국소적 힘 피드백을 생성합니다. 이후 엔드 이펙터와 각 측정 위치의 속도 벡터로 자코비안 근사 변환 행렬을 구성하고, 변환된 피드백을 가중 합산해 햅틱 장치 또는 디스플레이에 최종 힘 피드백으로 제공합니다.
- 핵심 기능
각 힘 측정 위치에서 가상 광선과 장애물의 충돌 거리·법선 벡터를 이용해 피드백 벡터를 만들고, 거리 또는 벡터 크기 기준을 충족하는 벡터를 가중 합산합니다. 각 위치의 국소 피드백을 엔드 이펙터 기준으로 변환한 뒤 최종 피드백을 생성하며, 햅틱 조작부의 이동·저항 또는 화면 표시로 사용자에게 전달합니다.
- 차별 강점
종래 자코비안 기반 힘 변환은 비정형 로봇 팔에서 역행렬 또는 의사 역행렬 계산의 부담과 수치 불안정성이 발생할 수 있습니다. 본 특허는 엔드 이펙터와 측정 위치의 운동 특성으로 변환 행렬을 근사하고, 복수 위치의 충돌 위험을 함께 반영해 다양한 물체 형상과 환경에 적용할 수 있도록 구성한 점이 차별점입니다.
- 활용 범위
기술·연구 측면에서는 로봇 팔 가상 작업 훈련, 디지털 트윈 기반 작업 플래닝, 햅틱 기반 원격조작, 가상현실 로봇 시뮬레이션 분야에 활용 가능하며, 원전 해체 등 원격 작업 훈련에도 적용할 수 있습니다. 사업 측면에서는 산업용 로봇 시뮬레이션 소프트웨어, 원격조작 훈련 시스템, 햅틱 인터페이스, 디지털 트윈 플랫폼으로 확장할 수 있습니다.
연구 개발 단계
가상환경 로봇 팔의 링크·관절부에 힘 측정 위치를 두고, 레이 캐스팅으로 얻은 장애물 충돌 거리와 법선 벡터를 바탕으로 국소 피드백을 생성·합성하는 방식을 제시했습니다. 자코비안 역행렬 또는 의사 역행렬 기반 변환과의 차이를 설명했으나, 실제 햅틱 장치 연동 성능과 사용자 평가, 실시간 처리 성능의 정량 검증은 제시되지 않았습니다.
- 검증 시나리오: 가상환경 내 로봇 팔 조작
- 대상 구성: 로봇 팔 링크·관절부의 힘 측정 위치와 엔드 이펙터
- 비교 방식: 자코비안 역행렬 또는 의사 역행렬 기반 힘 변환
- 입력 조건: 가상 장애물까지의 충돌 거리 및 법선 벡터
현재 성과
장애물 충돌 지점이 가까울수록 더 큰 피드백 벡터를 생성하도록 구성해 충돌 위험을 힘의 크기로 반영합니다. 벡터 크기에 따른 가중 합성으로 가까운 장애물의 위험 정보가 다른 위치의 피드백 평균에 의해 약화되는 것을 방지합니다.
로봇 팔의 링크와 관절부에 힘 측정 위치를 설정하고, 각 위치의 레이 캐스팅 결과를 국소 피드백으로 생성한 뒤 엔드 이펙터용 최종 피드백으로 변환·합성하는 절차를 제시했습니다. 입력으로 가상 장애물의 충돌 거리와 법선 벡터를 사용하며, 실제 장치 연동과 사용자 평가에 관한 정량 결과는 제시되지 않았습니다.
기존 힘 변환 방식은 자코비안 역행렬 또는 의사 역행렬 계산에 의존할 수 있으며, 비정형 로봇 팔에서는 계산 부담과 수치 불안정성이 문제가 될 수 있습니다. 본 특허는 엔드 이펙터와 힘 측정 위치의 속도 벡터로 기구학적 차이를 근사하는 변환 행렬을 구성해 이러한 연산 의존성을 줄이는 방식을 제안합니다.
상용화까지 남은 부분
실제 햅틱 장치와 연동한 힘 피드백 정확도, 응답성 및 조작 안정성 검증
다양한 로봇 모델·장애물 배치·작업 시나리오에서의 충돌 감소 효과와 실시간 처리 지연의 정량 평가
사용자 대상 조작 편의성·충돌 회피 효과 평가 및 실제 원격조작 환경에서의 실증
기술 이전 형태·도입 과정
도입은 이렇게 진행됩니다.
검토 미팅
귀사 상황·데이터 구조 기준으로 적합성을 논의합니다. 자료 검토만으로 끝나도 됩니다.
PoC 공동 검증
연구팀 동행 하에 귀사 데이터 기준 재학습·성능을 확인합니다.
라이센싱 계약
PoC 결과를 기반으로 희망 형태(실시권·공동연구 등)를 협의합니다.
기술지도·후속
도입 초기 기술지도, 필요 시 후속 공동연구·정부과제 연계까지 진행합니다.
특허 정보
가상 환경 내의 물체 조작을 위한 힘 피드백 제공 방법 및 이를 수행하는 가상 환경 물체 조작 시스템
10-2022-0150544 (2022.11.11)
1020240069887 (2024.05.21)
미등록 (심사 중)
박진아 (한국과학기술원), 김현수 (한국과학기술원), 박원정 (한국과학기술원), 우태윤 (한국과학기술원)
한국과학기술원