로봇 소프트웨어 구조 설계

• 구조 설계 = 코드 작성 전 "전체를 어떤 덩어리로 나누고 어떻게 연결할 것인가"를 정하는 것 → 개발 속도·시험 용이성·유지보수 비용을 좌우
• 로봇 고유의 구조 논쟁: "감지하고, 생각하고, 움직인다"를 어떻게 배치할 것인가
• 핵심 출제 포인트: 좋은 구조의 원칙(높은 응집·낮은 결합), 계층형 구조의 장점, 숙고형·반응형·혼합형 제어 구조 3대 패러다임(Sense-Plan-Act, 포섭 구조, 3계층)

구조(아키텍처) 설계란

• 구조(아키텍처) 설계 = 시스템을 모듈(부품)로 분할하고 모듈 사이의 관계와 인터페이스를 정의하는 상위 수준 설계
• 비유: 집의 방 배치·배관 설계에 해당 — 벽지 색(세부 구현)보다 훨씬 바꾸기 어려우니 먼저, 신중하게 정함
• SW 아키텍처의 일반론·분류는 로봇 소프트웨어 아키텍처 분류에서 다루고, 이 노트는 미들웨어 관점의 구조 원칙과 로봇 제어 구조를 다룸

좋은 구조의 원칙

• 모듈화(Modularity): 전체를 독립적인 기능 단위로 분할 — 분할 정복
• 높은 응집도, 낮은 결합도: 한 모듈은 한 가지 일에 집중하고(응집), 모듈끼리는 최소한으로만 의존한다(결합) — 상세 등급은 모듈화 프로그래밍
• 추상화와 정보 은닉: 내부 구현은 감추고 인터페이스만 공개 — 변경의 여파를 모듈 안에 가둔다
• 관심사의 분리(Separation of Concerns): 인지·계획·제어·UI처럼 서로 다른 걱정거리를 서로 다른 모듈에
• 표준 인터페이스: 모듈 교체·재사용이 가능하도록 연결 규격을 표준화

계층형 구조 (Layered Architecture)

• 로봇 소프트웨어의 기본 골격 = 계층
• 아래로 갈수록 하드웨어에, 위로 갈수록 작업 논리에 가까움

1. 하드웨어 — 센서·모터
2. 드라이버 / HAL — 하드웨어 접근을 함수로 추상화 (→ 펌웨어의 HAL과 같은 아이디어)
3. OS / 미들웨어 — 자원 관리, 노드 간 통신
4. 기능 모듈 — 인지, 위치인식, 경로계획, 모션 제어
5. 응용 / UI — 작업 시나리오, 사용자 인터페이스

• 원칙: "위층은 아래층의 인터페이스만 사용한다"
• LiDAR 기종을 바꿔도 드라이버만 교체하면 위층이 그대로 동작 → 이식성과 교체 용이성이 계층화의 최대 이점

로봇 제어 구조의 3대 패러다임 (시험 단골)

로봇이 "감지(Sense) → 판단(Plan) → 행동(Act)"을 어떻게 조직하느냐에 대한 세 가지 접근이다.

① 숙고형 (Deliberative) — Sense-Plan-Act (SPA)

• 센서로 세계 모델(지도 등)을 만들고 → 최적 계획을 세운 뒤 → 실행하는 직렬 구조
• 장점: 전역적으로 최적의 계획 가능 (경로계획 등 복잡한 판단)
• 단점: 계획에 시간이 걸려 반응이 느리다 — 계획 중에 환경이 바뀌면 무용지물

② 반응형 (Reactive) — 행동 기반

• 세계 모델 없이 센서 입력을 행동에 직결하는 규칙들의 집합 ("장애물 감지 → 회피")
• 대표: 포섭 구조(Subsumption Architecture) — Brooks 제안. 행동(behavior)을 "장애물 회피 < 배회 < 목표 추적"처럼 계층으로 쌓고, 상위 행동이 필요할 때 하위 행동의 출력을 억제(subsume)·대체한다
• 장점: 매우 빠른 반응, 단순·강인
• 단점: 세계 모델이 없어 장기적·최적 계획 불가

③ 혼합형 (Hybrid) — 현대의 표준

숙고형의 머리와 반응형의 반사신경을 결합한 3계층(Three-layer) 구조:

전역 계획(숙고) + 지역 계획·회피(반응)의 협력 구조가 바로 이 패러다임의 실제 사례다.

데이터 흐름과 분산 구조

• 기능 관점에서 로봇 SW = 센서 → 인지 → 판단(계획) → 제어 → 구동 파이프라인

• 현대 미들웨어(ROS 등)는 각 단계를 독립 프로세스(노드)로 분산시키고 메시지로 연결

• 장점: 노드별 병렬 개발·개별 재시작 가능(부분 장애 격리), 언어 혼용(C++/Python), 여러 컴퓨터로의 분산 배치

• 주의: 통신 지연·오버헤드가 생기고, 이름 서버 같은 단일 실패점(Single Point of Failure) 이 생기지 않도록 설계해야 한다 (→ 로봇 미들웨어 구조 설계)

구조 설계의 표현과 문서화

• 설계는 그림과 문서로 공유되어야 함 — 블록 다이어그램(모듈과 연결), 데이터 흐름도(무엇이 어디로 흐르나), UML 다이어그램(→ 객체지향 소프트웨어 설계), 인터페이스 정의서(메시지·API 규격)
• "그림 없는 아키텍처는 없는 아키텍처"라는 말처럼, 표현은 설계의 일부

제어 구조 3대 패러다임 비교

flowchart TD
    subgraph D["① 숙고형 (SPA)"]
        S1["Sense"] --> P1["Plan
(세계 모델·최적 계획)"] --> A1["Act"]
    end
    subgraph R["② 반응형 (포섭 구조)"]
        S2["Sense"] --> B3["행동3: 목표 추적"]
        S2 --> B2["행동2: 배회"]
        S2 --> B1["행동1: 장애물 회피"]
        B3 -. "상위가 하위를 억제" .-> B2 -.-> B1
        B1 --> A2["Act"]
    end
    subgraph H["③ 혼합형 (3계층)"]
        DL["숙고층: 전역 계획"] --> EX["실행층: 분해·중재"] --> RL["반응층: 실시간 행동"] --> A3["Act"]
    end

로봇 소프트웨어 계층 구조와 데이터 흐름

flowchart LR
    SEN["센서"] --> PER["인지
(위치인식·물체 인식)"] --> DEC["판단
(경로·작업 계획)"] --> CTR["제어
(모션 제어)"] --> ACT["구동
(모터)"]
    MW["미들웨어: 각 단계를 노드로 분리하고 메시지로 연결"] -.-> PER & DEC & CTR

1. 센서로 세계 모델을 구축하고 최적 계획을 수립한 후 실행하는 순차 구조로, 최적의 판단이 가능하지만 환경 변화에 대한 반응이 느린 로봇 제어 구조는?

① 숙고형(Deliberative) 구조 ② 반응형(Reactive) 구조 ③ 포섭(Subsumption) 구조 ④ 이벤트 구동 구조

2. 포섭 구조(Subsumption Architecture)에 대한 설명으로 옳은 것은?

① 정밀한 세계 모델을 만들어 전역 최적 계획을 수립한다 ② 행동을 계층으로 쌓고 상위 행동이 하위 행동을 억제·대체한다 ③ 모든 판단을 클라우드 서버에서 수행한다 ④ 반드시 지도가 있어야 동작한다

3. 혼합형(Hybrid) 3계층 구조에서 실행층(Executive) 의 역할로 가장 적절한 것은?

① 지도 기반의 전역 경로계획을 수행한다 ② 센서 입력에 ms 단위로 직결 반응한다 ③ 숙고층의 계획을 행동 단위로 분해하고 반응층을 중재한다 ④ 모터 전류 루프를 직접 실행한다

4. 계층형 소프트웨어 구조에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

① 위 계층은 아래 계층의 인터페이스만 사용하는 것이 원칙이다 ② 하드웨어가 바뀌면 드라이버 계층만 교체하면 된다 ③ 관심사를 계층별로 분리해 유지보수성이 좋아진다 ④ 성능을 위해 응용 계층이 하드웨어 레지스터를 직접 조작하는 것이 권장된다

5. 모듈 구조 설계의 방향으로 옳은 것은?

① 응집도는 높이고 결합도는 낮춘다 ② 응집도는 낮추고 결합도는 높인다 ③ 응집도와 결합도를 모두 높인다 ④ 응집도와 결합도는 품질과 무관하다

• 로봇 미들웨어 구조 설계 — 이 구조를 실현하는 미들웨어
• 모듈화 프로그래밍 — 응집도·결합도의 상세 등급
• 로봇 소프트웨어 아키텍처 분류 — 아키텍처 스타일의 일반론
• 로봇 액추에이터 펌웨어 구조 — 펌웨어 쪽의 계층 구조(HAL)
• _MOC 로봇소프트웨어구조설계