[논문 리뷰] Haptic devices and objects, robots and mannequin simulation in a CAD-CAM software: eM-Virtual Desktop

Damien Chablat, Fouad Bennis외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 04. 05.

Manufacturing Process and Optimization인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 산업 설계에서 로봇, 마네킹, 물체를 시뮬레이션하기 위해 Phantom 장치에서 온 힘 피드백을 통합한 CAD-CAM 소프트웨어인 eM-Virtual Desktop을 제시한다. 이 소프트웨어는 그래픽, 충돌 검출, 힘 피드백이라는 세 가지 독립적인 루프를 사용하며, 각각 다른 주파수로 작동하여 실시간으로 몰입감 있는 상호작용을 가능하게 하여 자동차 응용 분야에서 제품 개발 주기를 단축시킨다.

ABSTRACT

This paper presents the development of a new software in order to manage objects, robots and mannequins in using the possibilities given by the haptic feedback of the Phantom desktop devices. The haptic device provides 6 positional degrees of freedom sensing but three degrees force feedback. This software called eM-Virtual Desktop is integrated in the Tecnomatix's solution called eM-Workplace. The eM-Workplace provides powerful solutions for planning and designing of complex assembly facilities, lines and workplaces. In the digital mockup context, the haptic interfaces can be used to reduce the development cycle of products. Three different loops are used to manage the graphic, the collision detection and the haptic feedback according to theirs own frequencies. The developed software is currently tested in industrial context by a European automotive constructor.

연구 동기 및 목표

• 더 나은 작업장 및 조립 라인 설계를 위해 가상 산업 환경과 몰입감 있는 힘 피드백 상호작용을 가능하게 하기 위해.
• Tecnomatix eM-Workplace 플랫폼에 Phantom 데스크톱 장치에서 온 힘 피드백을 통합하여 디지털 모ockup 기능을 향상시키기 위해.
• 엔지니어들이 힘 피드백을 사용하여 가상 프로토타입과 물리적으로 상호작용할 수 있도록 하여 제품 개발 주기를 단축시키기 위해.
• 통합된 상호작용 가능한 가상 작업 환경에서 로봇, 마네킹, 작업 물체의 시뮬레이션을 지원하기 위해.
• 특히 유럽의 자동차 제조사와 같은 실제 산업 현장에서 시스템을 검증하기 위해.

제안 방법

• 6자유도 위치 감지와 3자유도 힘 피드백을 갖춘 Phantom 데스크톱 장치를 eM-Workplace CAD-CAM 환경에 통합하기 위한 방법.
• 실시간 그래픽 렲더링, 충돌 검출, 힘 피드백을 위한 세 개의 병렬 처리 루프를 구현하며, 각각 최적의 주파수로 작동하도록 설계함.
• Phantom 장치의 힘 피드백을 활용해 가상 물체, 로봇, 인간 모델(마네킹)과의 물리적 상호작용을 시뮬레이션함.
• 객체 역학, 로봇 운동학, 힘 피드백 상호작용 로직을 관리하기 위한 eM-Virtual Desktop 환경 내 소프트웨어 계층 개발.
• 산업용 디지털 모크업 워크플로우와의 호환성을 보장하기 위해 Tecnomatix eM-Workplace 플랫폼을 활용함.
• 가상 조작 작업 중 정확한 힘 피드백을 보장하기 위해 실시간 충돌 검출 알고리즘 적용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 Phantom 장치에서 온 힘 피드백을 산업 설계를 위한 CAD-CAM 환경에 효과적으로 통합할 수 있는가?
• RQ2 가상 시뮬레이션에서 그래픽, 충돌 검출, 힘 피드백 간 안정적이고 실시간 상호작용을 가능하게 하는 아키텍처적 접근 방식은 무엇인가?
• RQ3 힘 피드백이 있는 시뮬레이션은 산업용 조립 계획에서 제품 개발 주기를 어느 정도 단축시킬 수 있는가?
• RQ4 힘 피드백이 통합된 로봇과 마네킹은 가상 작업장 시뮬레이션의 현실감과 사용성에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 이러한 시스템을 산업용 자동차 환경에 구현할 때의 실용적 과제와 이점은 무엇인가?

주요 결과

• eM-Virtual Desktop 시스템은 산업용 시뮬레이션을 위한 Tecnomatix eM-Workplace 플랫폼에 Phantom 장치에서 온 힘 피드백을 성공적으로 통합하였다.
• 그래픽, 충돌 검출, 힘 피드백이라는 세 개의 독립된 루프를 사용함으로써 낮은 지연 시간으로 안정적이고 실시간 성능을 달성하였다.
• 시스템은 엔지니어들이 힘 피드백을 사용하여 가상 로봇, 마네킹, 작업 물체와 물리적으로 상호작용할 수 있도록 하여 설계 검증을 향상시켰다.
• 유럽의 자동차 제조사에서 실제 산업 현장에서 시스템을 테스트하여 실용적 적용 가능성을 입증하였다.
• 물리적 프로토타입 의존도를 줄이고 복잡한 조립 시설 계획에서 개발 주기를 가속화하였다.
• 유저 중심의 몰입형 상호작용 디지털 모크업 워크플로우를 지원하여 가상 환경에서의 인체공학 및 프로세스 기획을 향상시켰다.