와세다 대학교 Humanoid Robotics Institute

SOLIDWORKS® Research 소프트웨어를 통한 휴머노이드 로봇 개발 역량 강화.

과제

휴머노이드 로봇을 개발하고 관련 로봇 연구를 효율적, 효과적, 경제적으로 수행합니다.

요약

기계 및 전기 설계 솔루션 제품군인 SOLIDWORKS Research Edition을 구현하십시오.

결과

설계 효율 3~4배 향상

기계, 전기, 열 설계의 동시 실현

파트의 복잡성 증가

20개 이상의 로봇 개발로 휴머노이드 로봇 연구의 역량 강화

와세다 대학교는 1973년 최초의 풀스케일 인간형 로봇인 WABOT-1을 개발하는 등 인간형 로봇 연구에 앞장서 왔습니다. 2000년에는 발전된 정보 사회에서 인간과 기계의 관계를 새롭게 구축하는 연구 활동을 촉진하기 위해 HRI(Humanoid Robotics Institute)를 설립했습니다. HRI는 와세다 현대 기계 엔지니어링 학부 교수인 Atsuo Takanishi의 지도에 따라 휴머노이드 로봇의 연구 개발에 박차를 가했습니다. 도쿄에 위치한 이 연구 조직은 기초적인 로봇공학 기술을 개발하는 동시에 유능한 여러 엔지니어와 과학자를 양성해 왔습니다. HRI는 주로 일상 업무 수행, 의료 보조, 말동무 등의 역할로 인간과 상호작용하는 로봇을 개발하는 데 집중하고 있습니다. 이러한 로봇은 인간의 생활 환경에서 동일한 업무 공간을 공유하고 동일한 경험을 하는 등 파트너로서의 역할을 수행하기 때문에, 인간처럼 보여야 할 뿐만 아니라 인간과 같은 사고 및 행동 패턴을 보여야 합니다. 부교수 Kenji Hashimoto에 따르면, 처음에 와세다는 2D 설계 도구를 활용해 휴머노이드 로봇을 개발했지만 HRI에서는 2001년 휴머노이드 로봇 R&D의 발전을 위해 통합형 3D 개발 플랫폼이 필요하다고 판단했습니다. Hashimoto는 “언어, 얼굴 표정, 신체 움직임과 관련된 센서로부터 정보를 통합해 고도의 커뮤니케이션과 조화로운 동작을 수행하는 우리의 로봇은 상당히 복잡한 시스템입니다.”라고 설명합니다. “우리 팀은 목표 달성을 위해 완전한 3D 설계 및 엔지니어링 도구 세트를 활용해야 했습니다.” 여러 유명 3D 설계 시스템을 평가한 HRI는 SOLIDWORKS Research 소프트웨어를 표준 플랫폼으로 선택해 60개의 라이선스를 도입했습니다. HRI가 SOLIDWORKS Research를 선택한 이유는 다른 3D 패키지보다 사용자 친화적인 인터페이스를 갖추었고, 전체 통합형 설계 및 시뮬레이션 도구 세트를 이용할 수 있기 때문입니다.

단일 플랫폼으로 다양한 로봇 개발

HRI는 2001년 SOLIDWORKS Research 소프트웨어를 도입한 이후, 통합형 3D 플랫폼 작업으로 로봇 개발의 속도를 높여 20가지 이상의 휴머노이드 로봇을 선보였습니다. 장애인과 노인을 위한 이족보행 이동기구인 Waseda Leg 시리즈, 치아 개념의 이해를 돕기 위해 인간의 저작 능력을 기계적으로 시뮬레이션하는 Waseda Jaw 시리즈, 턱 질환이 있는 환자의 턱 개폐를 도와주는 Waseda Yamanashi 시리즈, 플루트와 색소폰 연주 로봇인 Waseda Flautis와 Waseda Saxophonist 시리즈, 일본어 모음과 자음을 기계적으로 발음하는 Waseda Talker 시리즈, 감정을 표현하는 Waseda Eye와 KOBIAN 시리즈가 그중 일부입니다. 기타 HRI 로봇으로는 인간과 유사한 골반 및 7DOF(자유도)의 다리 메커니즘으로 무릎을 확장해 보행하는 WABIAN-2R 로봇, 28DOF의 재난 구조 로봇 WAREC-1, 인간을 포함해 최대 80kg의 중량을 적재할 수 있는 WL-16 로봇이 있습니다. “HRI는 SOLIDWORKS Research 소프트웨어에 포함된 다양한 기능으로 로봇 개발의 생산성을 높였습니다. 설계 효율은 3~4배 증가했습니다.”라고 Hashimoto는 말합니다. “2D로는 단순한 평면 구조체만 설계할 수 있었어요. SOLIDWORKS 덕분에 이제 복잡한 로봇 파트를 손쉽게 설계할 수 있습니다.”

“HRI는 SOLIDWORKS Research 소프트웨어에 포함된 다양한 기능으로 로봇 개발의 생산성을 높였습니다. 설계 효율은 3~4배 증가했습니다.”

- Kenji Hashimoto 부교수

가볍지만 단단한 소재

HRI는 SOLIDWORKS에 통합된 유한 요소 해석(FEA) 도구를 활용해 파트의 무게는 줄이고 강도는 유지함으로써 휴머노이드 로봇 설계의 기본적인 문제를 극복하고 있습니다. “다리 달린 로봇은 최대한 가벼우면서도 높은 강도를 유지해야 하기 때문에, 설계 과정에 SOLIDWORKS Simulation이 꼭 필요하다”고 Hashimoto는 강조합니다. “SOLIDWORKS 설계 소프트웨어를 사용하면 시뮬레이션에 필요한 로봇 파트의 무게 중심과 관성 모멘트를 빠르게 계산하고, 파트 간 간섭을 3차원으로 확인할 수 있죠. SOLIDWORKS Flow Simulation[전산유체역학 해석 소프트웨어]은 구동장치, 모터, 드라이브와 같은 열원의 냉각 시스템을 설계하는 데도 유용합니다.”

ALL-IN-ONE 기계-전기 설계

HRI가 SOLIDWORKS Research 소프트웨어로 상당한 생산성 효과를 얻을 수 있는 이유는 조직 내 여러 팀이 기계, 전기, 열 설계를 개별적으로 진행하지 않고 동시 진행할 수 있게 해주는 소프트웨어의 다영역 통합형 기능 덕분입니다. “SOLIDWORKS의 기술은 하나의 소프트웨어로 기계와 전기 설계를 모두 다룰 수 있는 혁신적인 기술”이라고 Hashimoto는 말합니다. “또한 구조적 FEA, 열 유체유동 해석과 같은 다양한 해석을 수행할 수 있죠. 정교한 로봇을 개발하려면 기계 설계뿐만 아니라 전기 설계와 열 설계도 동시에 수행해야 합니다. 모터, 감속 기어, 인코더 등의 구성 파트를 제한된 공간 안에 배치해야 하죠. 크기와 무게 제한을 유지하면서 각 파트의 강도를 높은 수준으로 유지하며 FEA 해석을 반복 수행해야 합니다. 이러한 설계 프로세스를 진행하는 데 SOLIDWORKS가 큰 도움이 되었습니다.”