[논문]길안내를 위한 네트워크 기반 로봇 시스템 구현

김형선; 이준연; 임재현

길안내를 위한 네트워크 기반 로봇 시스템 구현
Implementation of Network-based Robot System to Guide a way 원문보기

인터넷정보학회논문지 = Journal of Korean Society for Internet Information, v.10 no.5, 2009년, pp.117 - 125

김형선 (공주대학교 대학원 컴퓨터공학과) , 이준연 (동명대학교 멀티미디어공학과) , 임재현 (공주대학교 컴퓨터공학부)

초록
AI-Helper

로봇에 대한 연구는 21세기에 접어들면서 단순한 반복패턴의 산업용 로봇에서 벗어나 인간에게 다양한 서비스를 제공하는 지능형 서비스 로봇에 관한 연구가 이루어지고 있다. 그 중에서도 지능형 서비스 로봇에 네트워크를 연결한 URC(Ubiquitous Robotic Companion) 로봇에 관한 연구에 집중을 하고 있다. 본 논문에서는 길안내를 위한 네트워크 기반의 로봇 시스템을 제안한다. 길안내 로봇은 LEGO 브릭을 이용해 제작하고 외부 환경 인식을 위해 초음파 센서, 로테이션 센서, RFID 태그를 사용한다. 또한, 서버와의 데이터 전송 및 처리를 위해 PDA를 장착한다. 네트워크 서버는 처리정보를 블루투스 통신을 통해 로봇 컨트롤러로 전달하여 로봇의 경로이동 및 회피를 제어한다. 본 연구에서 제시한 길안내를 위한 네트워크 기반 로봇 시스템은 네트워크 연결을 통해 서버에서 프로세싱 기능을 분담처리 함으로써 기존의 지능형 로봇의 기술적인 제약을 해결하였고, 실시간 처리가 가능하며 서비스의 확장성이 유용하다. 또한 저가의 센서 장비를 통해 충분한 데이터 수집이 가능함에 따라 로봇 제작의 고비용 문제를 해결하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Early in 21st century, researches about intelligent service robot that provide various services for a human out of the industrial robot only has simple pattern repetition. It concentrates in the research regarding the URC(Ubiquitous Robotic Companion) robot which connects the network in the intelligent service. This paper proposes the robot system based on network to guide a way. The robot has made by lego brick and used ultrasonic sensor, rotation sensor and RFID tag to recognize external environment. Also, it includes a PDA to process the data between robot and server. The network server transmits information to robot controller by bluetooth and it controls the course movement and evasion of the robot. In this research, the robot system based on network to guide a way is easy to expand service and is able to process a data in real time due to data processing in the server as a part of intelligent robot. And it can reduce the cost to build a robot thank to use cheaper sensor equipment.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

또한 길안내 로봇이 이동 중 인식한 RFID 태그의 “direction 값”을 저장하여 충돌회피 알고리즘에서 길안내 로봇의 방향 파악을 위해 제공한다.
본 연구에서는 다중 센서를 이용한 길안내 로봇 시스템을 설계 및 구현하였다. 본 논문에서는 길안내 로봇 시스템의 성능을 향상시키고 로봇의 제작비용을 낮추며 데이터의 신속한 처리를 위해 가격대비 고성능 네트워크 서버에서 일처리를 분담하였고 LEGO 브릭을 이용해 이동이 가능한 저가의 로봇을 제작하였다. 네트워크 서버와 긾안내로봇은 항시 무선 네트워크 및 블루투스 통신을 통해 데이터의 교환이 가능하도록 하여 외부 환경정보의 수집과 처리가 실시간으로 이루어 졌다.
본 논문에서는 네트워크 기반의 길안내 로봇 시스템을 제안한다. 기존의 지능형 서비스 로봇을 이용해 사용자에게 길안내 서비스를 하기 위해서는 외부 환경정보의 수집 및 로봇제어에 대한 모든 처리를 로봇 자체에서 해결해야 한다.
본 연구에서는 다중 센서를 이용한 길안내 로봇 시스템을 설계 및 구현하였다. 본 논문에서는 길안내 로봇 시스템의 성능을 향상시키고 로봇의 제작비용을 낮추며 데이터의 신속한 처리를 위해 가격대비 고성능 네트워크 서버에서 일처리를 분담하였고 LEGO 브릭을 이용해 이동이 가능한 저가의 로봇을 제작하였다.

제안 방법

각각의 시나리오에 따라 길안내 로봇의 목적지 도달 성공률과 도달 시간, 장애물을 만났을 때 회피 알고리즘의 적용률을 테스트 하였다. 모든 테스트는 값을 달리하여 20번씩 테스트 하였으며 각각의 시나리오의 결과에 대한 평균값은 다음과 같다.
각각의 시나리오의 조건에 맞추어 길안내 로봇의 이동을 테스트 하였다. 모터의 속도에 변화를 주어 같은 시나리오에서 테스트한 결과 서보모터의 속도가 너무 빠르면 RFID 태그를 인식하지 못하고 지나치는 경우가 발생하거나 초음파 센서의 거리측정 값이 부정확하여 길안내 로봇이 길을 벗어나는 경우가 발생하였다.
초음파 센서는 장애물의 존재 유·무 측정하기 위하여 길안내 로봇의 앞부분 중앙에 장착한다. 거리의 측정 단위는 cm와 inch가 사용 가능하며 본 연구에는 cm 단위를 사용하여 거리를 측정한다. 길안내 로봇의 크기에 비례하여 장애물 회피에 대한 테스트 결과 40cm의 간격을 유지하는 것이 가장 높은 정확성을 보였다.
길안내 로봇 시스템은 네트워크를 통한 실시간 처리를 위해 서버 프로그램과 클라이언트 프로그램으로 작성하였다. 서버 프로그램은 Windows XP 기반의 Java2 SE 1.
하지만 본 연구에서는 이동 및 외부환경 정보 수집이 가능한 로봇에 URC 개념을 도입 하여 저가의 로봇 시스템을 통해 실시간으로 길안내 서비스가 가능하도록 한다. 길안내 로봇과 네트워크 서버는 지속적인 무선 네트워크 및 블루투스 통신을 통해 데이터를 교환하며 네트워크 서버에서 길안내 로봇을 통해 수집한 외부 환경 정보 및 데이터베이스를 바탕으로 데이터를 처리하여 길안내 로봇으로 길안내를 지시한다. 길안내로봇은 LEGO 브릭을 이용해 이동이 가능하고 RFID 태그정보 처리기 및 센서들을 장착할 수 있도록 제작하여 외부 환경정보를 수집하고 네트워크 서버의 지시를 받아 길안내를 실시한다.
길안내로봇은 LEGO 브릭을 이용해 이동이 가능하고 RFID 태그정보 처리기 및 센서들을 장착할 수 있도록 제작하여 외부 환경정보를 수집하고 네트워크 서버의 지시를 받아 길안내를 실시한다. 길안내 로봇의 서비스 평가를 위해 제한된 공간에서 모의실험을 통해 정해진 목적지 도달 및 장애물 회피에 대한 테스트를 실시한다.
길안내 로봇과 네트워크 서버는 지속적인 무선 네트워크 및 블루투스 통신을 통해 데이터를 교환하며 네트워크 서버에서 길안내 로봇을 통해 수집한 외부 환경 정보 및 데이터베이스를 바탕으로 데이터를 처리하여 길안내 로봇으로 길안내를 지시한다. 길안내로봇은 LEGO 브릭을 이용해 이동이 가능하고 RFID 태그정보 처리기 및 센서들을 장착할 수 있도록 제작하여 외부 환경정보를 수집하고 네트워크 서버의 지시를 받아 길안내를 실시한다. 길안내 로봇의 서비스 평가를 위해 제한된 공간에서 모의실험을 통해 정해진 목적지 도달 및 장애물 회피에 대한 테스트를 실시한다.
다중 센서를 이용한 길안내 네트워크 시스템 실험은 세 가지 시나리오를 통해 테스트 한다. 길안내 로봇이 출발지에서 출발하여 목적지까지 이동하는 동안 표 2와 같은 조건을 두어 로봇의 이동 및 방향에 제한을 둔다.
서보 모터의 속도에 따른 RFID 태그, 초음파 센서, 로테이션 센서의 인식의 정확성을 테스트하기위해 모터의 속도를 20(cm/s)와 40(cm/s)를 각각 설정하여 테스트한다. 또한 길안내 로봇이 시작 방향을 반대로 두었을때 RFID 태그를 인식하여 제대로 된 출발을 하는지, 출발 방향을 좌, 우 다르게 하였을 때 자기의 위치와 방향을 파악하며 목적지까지 이동하는지를 테스트한다.
길안내 로봇이 시작위치에서 출발하여 변환지점을 거쳐 종료위치 #1과 종료위치 #2에 도착하는 거리는 동일하다. 또한 장애물을 중앙에 위치시켜 회피 알고리즘의 적용률을 테스트 하며 장애물은 이동이 가능하다는 전제 조건 하에 테스트 한다.
길안내 로봇의 구조는 RFID 태그의 인식을 높이기 위해 RFID 시스템을 바닥에 밀착시켜 부착할 수 있도록 작은 바퀴를 사용하였고 로봇의 전체적인 높이를 낮추었다. 로테이션 센서는 데이터의 정확성을 높이기 위해 이중 기어를 이용해 바퀴와 연결하였다. 초음파 센서는 장애물 유 무를 실시간으로 파악하기 위해 길안내 로봇의 앞부분 중앙에 장착하였다.
본 시스템은 그림 1과 같이 센서로부터 외부 환경정보의 수집과 길안내를 담당하는 로봇 시스템과 수집된 정보를 통해 로봇의 길안내에 대한 모든 데이터 처리를 담당하는 서버 시스템으로 구성된다. 외부 환경정보는 RFID 태그 및 로테이션 센서, 초음파 센서를 통해 수집된다.
길안내 로봇이 출발지에서 출발하여 목적지까지 이동하는 동안 표 2와 같은 조건을 두어 로봇의 이동 및 방향에 제한을 둔다. 서보 모터의 속도에 따른 RFID 태그, 초음파 센서, 로테이션 센서의 인식의 정확성을 테스트하기위해 모터의 속도를 20(cm/s)와 40(cm/s)를 각각 설정하여 테스트한다. 또한 길안내 로봇이 시작 방향을 반대로 두었을때 RFID 태그를 인식하여 제대로 된 출발을 하는지, 출발 방향을 좌, 우 다르게 하였을 때 자기의 위치와 방향을 파악하며 목적지까지 이동하는지를 테스트한다.
이렇게 저장된 “direction 값”과 로테이션 센서를 통한 길안내 로봇의 좌, 우측 모터의 회전 값을 이용해 로봇의 현재 방향을 파악한다.
또한 서비스의 확장 및 로봇의 성능을 업그레이드하기 위해서는 고가의 소형장비를 장착하게 되어 로봇의 가격이 상승한다. 하지만 본 연구에서는 이동 및 외부환경 정보 수집이 가능한 로봇에 URC 개념을 도입 하여 저가의 로봇 시스템을 통해 실시간으로 길안내 서비스가 가능하도록 한다. 길안내 로봇과 네트워크 서버는 지속적인 무선 네트워크 및 블루투스 통신을 통해 데이터를 교환하며 네트워크 서버에서 길안내 로봇을 통해 수집한 외부 환경 정보 및 데이터베이스를 바탕으로 데이터를 처리하여 길안내 로봇으로 길안내를 지시한다.

대상 데이터

본 연구에 사용한 RFID 태그는 ISO-15396 타입의 태그를 사용하였으며 크기는 30x30(mm), 75x45(mm)를 사용하였다. 30x30 크기의 태그는 길안내 로봇의 위치 파악 및 이동방향과 경로이탈 방지를 위해 사용하였으며 75x45 크기의 태그는 시작과 목적지, 안표로서 사용하였다. RFID 태그는 그림 3과 같이 부착하여 사용한다.
외부 환경정보는 RFID 태그 및 로테이션 센서, 초음파 센서를 통해 수집된다. RFID 태그정보 처리기를 통해 RFID 태그의 정보가 수집 되고 길안내 로봇에 장착된 로봇 컨트롤러를 통해 로테이션 센서와 초음파 센서의 데이터가 각각 수집된다. 수집된 데이터는 네트워크 서버로 전달되어 데이터베이스의 정보와 함께 로봇의 위치 추정 및 길안내 로봇의 길안내 정보를 처리하는데 사용된다.
외부 센서는 초음파 센서, 로테이션 센서 및 SDIO 타입의 RFID 시스템을 장착하였다. 길안내 로봇의 구조는 RFID 태그의 인식을 높이기 위해 RFID 시스템을 바닥에 밀착시켜 부착할 수 있도록 작은 바퀴를 사용하였고 로봇의 전체적인 높이를 낮추었다. 로테이션 센서는 데이터의 정확성을 높이기 위해 이중 기어를 이용해 바퀴와 연결하였다.
RFID 태그는 크기와 모양에 따라 인식거리의 차이가 있다. 본 연구에 사용한 RFID 태그는 ISO-15396 타입의 태그를 사용하였으며 크기는 30x30(mm), 75x45(mm)를 사용하였다. 30x30 크기의 태그는 길안내 로봇의 위치 파악 및 이동방향과 경로이탈 방지를 위해 사용하였으며 75x45 크기의 태그는 시작과 목적지, 안표로서 사용하였다.
RFID 태그정보 처리기를 통해 RFID 태그의 정보가 수집 되고 길안내 로봇에 장착된 로봇 컨트롤러를 통해 로테이션 센서와 초음파 센서의 데이터가 각각 수집된다. 수집된 데이터는 네트워크 서버로 전달되어 데이터베이스의 정보와 함께 로봇의 위치 추정 및 길안내 로봇의 길안내 정보를 처리하는데 사용된다. 네트워크 서버에서 처리된 결과는 길안내 로봇의 로봇 컨트롤러로 전달되고 길안내로봇이 목적지 안내를 실시한다.

이론/모형

0을 이용해 구성하였다. 로봇 컨트롤러와 블루투스 통신을 사용하기 위해 LEJOS 사이트에서 제공하는 icommand Java API를 사용하였다.

성능/효과

거리의 측정 단위는 cm와 inch가 사용 가능하며 본 연구에는 cm 단위를 사용하여 거리를 측정한다. 길안내 로봇의 크기에 비례하여 장애물 회피에 대한 테스트 결과 40cm의 간격을 유지하는 것이 가장 높은 정확성을 보였다.
25%의 결과를 얻었다. 또한 장애물이 있을 경우 서보 모터의 속도가 0.2(m/s)일 경우 96.88%의 결과를 얻었고, 0.4(m/s)일 경우 82.50%의 결과를 얻을 수 있었다.
모든 시나리오의 공통된 전제조건은 길안내 로봇의 이동속도가 0.2(m/s)일 동안 RFID 시스템을 통해 RFID 태그 정보를 인식하여 서버로 정확히 전달되며, 시나리오 2와 3에서 초음파 센서와 로테이션 센서의 데이터 수집 전달이 서버로 정확히 전달되었다.
하지만 서보모터의 속도를 적절히 조절한다면 RFID 태그의 인식률도 높고, 초음파 센서의 거리 값도 정확히 측정되어 목적지 도달의 성공률이 높았다. 본 실험을 통해 적절한 속도를 적용한다면 네트워크 기반 로봇 시스템을 통해 길안내가 가능함을 증명하였다.
모터의 속도에 변화를 주어 같은 시나리오에서 테스트한 결과 서보모터의 속도가 너무 빠르면 RFID 태그를 인식하지 못하고 지나치는 경우가 발생하거나 초음파 센서의 거리측정 값이 부정확하여 길안내 로봇이 길을 벗어나는 경우가 발생하였다. 하지만 서보모터의 속도를 적절히 조절한다면 RFID 태그의 인식률도 높고, 초음파 센서의 거리 값도 정확히 측정되어 목적지 도달의 성공률이 높았다. 본 실험을 통해 적절한 속도를 적용한다면 네트워크 기반 로봇 시스템을 통해 길안내가 가능함을 증명하였다.

후속연구

네트워크 서버와 긾안내로봇은 항시 무선 네트워크 및 블루투스 통신을 통해 데이터의 교환이 가능하도록 하여 외부 환경정보의 수집과 처리가 실시간으로 이루어 졌다. 본 시스템의 실험 평가는 제한된 코스에서 길안내 로봇을 통한 길안내의 가능성을 보였으며, 길안내 과정에 속도에 따른 센서 데이터의 정확성을 해결하면 향상된 결과를 가져올 것이다.
향후 센서 데이터의 정확성만 수정한다면, 길안내 로봇의 장점을 살려 하나의 네트워크 서버에서 여러 대의 길안내 로봇을 통해 길안내 서비스가 가능할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지능형 서비스 로봇이란?	최근 우리나라에서는 차세대 성장 동력 산업으로 지능형 서비스 로봇을 선정하여 집중하고 있다. 지능형 서비스 로봇이란 외부 환경을 인식하고 스스로 상황을 판단하여 자율적인 동작을 하는 로봇을 말한다[1][2]. 로봇 산업이 가장 발달한 일본 총무성의 자료에 의하면 2000년에는 6,600억 엔에 달했던 로봇 시장이 2010년에는 약 3조엔, 2025년에는 8조 엔까지 성장할 것으로 전망하고 있다[3].
	지능형 서비스 로봇에 관한 연구에는 무엇이 있는가?	현대사회는 생명공학기술과 보건의료 기술의 발달 등 사회적 환경과 과학기술의 발달로 평균수명이 연장되면서 지능형 서비스 로봇에 관한 연구의 방향은 인간생활에 도움을 주는 복지 로봇들에 관심을 기울이고 있다. 대표적인 예로는 시각장애인이나 노약자, 어린이 등 안내가 필요한 사람들에게 길안내를 하는 연구가 그 중 하나이다.
	현대사회에서 무엇의 발달로 평균수명이 연장되었는가?	로봇 산업이 가장 발달한 일본 총무성의 자료에 의하면 2000년에는 6,600억 엔에 달했던 로봇 시장이 2010년에는 약 3조엔, 2025년에는 8조 엔까지 성장할 것으로 전망하고 있다[3]. 현대사회는 생명공학기술과 보건의료 기술의 발달 등 사회적 환경과 과학기술의 발달로 평균수명이 연장되면서 지능형 서비스 로봇에 관한 연구의 방향은 인간생활에 도움을 주는 복지 로봇들에 관심을 기울이고 있다. 대표적인 예로는 시각장애인이나 노약자, 어린이 등 안내가 필요한 사람들에게 길안내를 하는 연구가 그 중 하나이다.

참고문헌 (15)

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조현규, “URC용 지능형 웹 기반 서비스 플랫폼 기술 개발에 관한 연구”, 정보통신부, 정보통신연구원 학술기사, 2005.
조영조외, “지능형 서비스 로봇과 URC(Ubiquitous Robotic Companion)", 한국통
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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