[논문]정리정돈용 서비스 로봇 플랫폼의 구현 연구

김승우; 김하이준

doi:10.5302/j.icros.2012.18.5.487

정리정돈용 서비스 로봇 플랫폼의 구현 연구
A Study on Implementation of Service Robot Platform for Mess-Cleanup 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.18 no.5, 2012년, pp.487 - 495

김승우 (순천향대학교 전자정보공학과) , 김하이준 (순천향대학교 전자정보공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a Smart Home Service Robot, McBot II, which performs mess-cleanup function etc. in house, is designed much more optimally than other service robots. It is newly developed in much more practical system than McBot I which we had developed two years ago. One characteristic attribute of mobile platforms equipped with a set of dependent wheels is their omni- directionality and the ability to realize complex translational and rotational trajectories for agile navigation in door. An accurate coordination of steering angle and spinning rate of each wheel is necessary for a consistent motion. This paper develops trajectory controller of 3-wheels omni-directional mobile robot using fuzzy azimuth estimator. A specialized anthropomorphic robot manipulator which can be attached to the housemaid robot McBot II, is developed in this paper. This built-in type manipulator consists of both arms with 4 DOF (Degree of Freedom) each and both hands with 3 DOF each. The robotic arm is optimally designed to satisfy both the minimum mechanical size and the maximum workspace. Minimum mass and length are required for the built-in cooperated-arms system. But that makes the workspace so small. This paper proposes optimal design method to overcome the problem by using neck joint to move the arms horizontally forward/backward and waist joint to move them vertically up/down. The robotic hand, which has two fingers and a thumb, is also optimally designed in task-based concept. Finally, the good performance of the developed McBot II is confirmed through live tests of the mess-cleanup task.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

한국의 맥봇I은 정교함과 정확한 이동성은 갖고 있으나 가정에서 정리정돈 서비스를 지원하기 위하여 필요한 적절한 파워와 외형 높이에 미치지 못하고 있다[5]. 그러므로 본 논문에서는 위의 세 로봇들이 갖고 있는 장단점을 고려하고 특히 맥봇I의 비실용적인 단점들을 극복하는 새로운 실내 정리정돈을 위한 홈 서비스 로봇 맥봇II(Mess-Cleanup Robot II; McBot II)를 설계한다.
불확실성은 모바일 로봇의 왜란(disturbance)과 미끄러짐으로 발생한다. 그러므로 본 논문에서는 퍼지 제어기의 강인성(robustness)과 방위각 추정기를 이용한 제어기를 설계하여 옴니휠 이동 로봇의 추적제어 성능을 높인다.
이러한 특성은 옴니휠(Omni-Wheels)을 사용하면 비홀로노믹 로봇보다 민첩하며 좁은 공간에서 효율적이고 자유로운 주행이 가능한 이동로봇 시스템을 개발할 수 있다. 본 논문에서는 세 개의 옴니휠을 이용한 홀로노믹 이동로봇과 추적제어기를 개발한다.
즉, 최소의 질량과 팔 길이에도 불구하고 효율적 작업을 위한 공간 확보가 필요한 것이다. 본 논문에서는 이와 같은 상반된 문제를 해결하기 위하여 수직 방향으로 움직이는 로봇 허리 구조와 수평방향의 전후방으로 이동할수 있는 어깨 관절을 이용한 태스크 기반의 설계 방법을 제안한다. 또한, 양손 협업시스템인 로봇 핸드도 4절 링크핑거를 이용한 작업 기반 설계를 시도한다.
본 논문에서는 홈 서비스 로봇 맥봇 II가 실내 환경에서 자동으로 정리정돈을 하는 실용적 기능을 가지도록 개발되었다. 홈 서비스 로봇은 인간과 함께 생활해야 하기 때문에 기구학 및 운동학적인 설계의 최적화가 필요하고, 동작 제어가 정밀하게 이루어 져야 한다.

제안 방법

처음 반원 즉 시작점(6,6)에서 반원종점(2,2)까지는 자체 회전(Self-Rotation)없이 전체 원을 돌게 하였고 나머지 반원 시점(2,2)에서 종점(6,6)까지는 회전속도 π/3 rad/s으로 자체회전하며 원의 궤적을 따라 움직이게 하였다. 결국 본 실험에서는 다양한 속도변화, 가속도, 3개 바퀴를 사용한 이동 로봇의 방향과 각도, 3 자유도의 궤적으로 제어 된다.
9로 결정하여 PID 제어기를 설계하였다. 구현된 시스템의 동작 제어 결과를 확인하기 위하여 추적제어 실험을 실시하였고, 원하는 궤적은 점(6,6)을 시작점으로 하여 반지름이 #인 원을 그리도록 하였다.
이 불확실성과 부정확성은 옴니휠의 비선형성과 시변성을 유발하며 이것은 정밀한 제어에 어려움이 있다. 그래서 본 장에서는 퍼지 방위각 추정기를 사용하여 3개의 옴니휠을 가진 이동 로봇의 정확한 방향 및 궤적 제어 방법을 제시한다.
즉, 목표 값을주면 그 변위에 상관없이 같은 시간 동안 일정량씩 움직여 같은 시간에 그 목표 값에 도달하여야 한다. 그래서 사용되어진 EX-106, RX-64, RX-28 세 가지 구동기의 이동 각에따른 사전 동기화 프로그램을 구축하였다.
또한, 양손 협업시스템인 로봇 핸드도 4절 링크핑거를 이용한 작업 기반 설계를 시도한다. 끝으로 본 논문에서는 구현된 빌트인 매니퓰레이터의 실제 동작 실험을 통하여 그 성능을 확인한다.
또한 본 논문에서는 홈서비스 로봇인 맥봇 II의 빌트인(Built-in) 로봇 팔과 핸드를 설계한다. 이 빌트인 타입의 로봇 매니퓰레이터는 최적화된 자유도의 로봇팔과 로봇핸드로 구성되어진다.
정리정돈 작업을 직접 수행하는 로봇 팔과 핸드는 실용성을 위하여 최소 자유도를 갖는 시스템으로 설계하였다. 또한, 맥봇 II가 좁은 면적의 실내에서 장애물과의 충돌을 방지하면서 고속의 정밀 이동 능력을 갖기 위하여 홀로노믹(Holonomic) 특성의 이동로봇으로 설계하였다.
맥봇 II의 통합 제어 시스템은 주 제어기와 보조 제어기로 구성되며, PCI 버스와 PLX PCI9054를 이용하여 설계하였다. 이동로봇과 매니퓰레이터에는 전용 타겟보드(atmaga 128)를 장착하여 각각을 독립제어하고, 주제어기가 통합 및 감독하는 구조로 구현되어 있다.
본 논문에서 구현된 로봇 팔과 핸드의 타스크 수행 실험을 실시한다. 이 실험을 통하여 두 개의 로봇 팔과 핸드의 구조 및 성능 그리고 상호동작을 분석한다.
본 논문에서 다루는 서비스용 로봇 암의 목적인 경량화와 최적화를 위해 앞서 정해진 어깨 넓이 안에서 한 손과 양 손이 모두 작업공간을 자유로이 움직이고 두 손 파지시의 파지력을 높일 수 있도록 어깨 파트는 기존 로봇들의 팔이 고정되어진 방식과는 달리 유동적으로 움직일 수 있도록 설계한다. 이로서 로봇 팔과 손의 최대 부하와 파지력을 높이고 전․후진 이동 기능을 통하여 작업 공간을 확보할수 있도록 설계되어 진다.
로봇 매니퓰레이터는 3종류의 모터들을 사용한다. 부하에 따라 EX-106(106 kgf.cm), RX-64(64 kgf.cm), RX-28(28 kgf.cm)을 사용하며, ID는 오른팔과 왼팔로 나누어 1~8까지는 왼팔, 9~16까지는 오른팔로 순차적 배분을 하였다. 로봇 팔의 목표 위치(Goal-Point)까지 이동하기 위하여 D-H 표기법을 사용한 위치 및 방향을 최종 목적 위치까지의 변위 함수로 표현할 수 있다.
두 번째로 맥봇 II의 손가락 타입은 특별한 작업의 용도로 바닥에 있는 신문이나 옷가지 등을 쉽게 잡을 수 있도록 쓰레받이 모양의 손가락을 디자인한다. 쓰레받이의 길이는 첫 번째 디자인되어진 손가락의 길이와 대칭이 되도록하여 100 mm 내외로 설계하고, 4절 링크 손가락과 쓰레받이형 손가락이 상호 작용하여 부피는 작으나 모양이 다양한 모든 물체들을 한손 파지 동작이 가능하도록 설계한다. 로봇 핸드는 로봇 팔에 사용되어진 구동모터보다 크기 및 토크가 작은 모터를 선정하여 엔드이펙터로서의 조건을 갖추도록 고려하고, 각각의 액추에이터는 그 중심을 정삼각형의 꼭짓점을 중심으로 배치하여 구성한다.
옴니휠 이동로봇의 동역학과 모터 비선형 운동방정식을 고려한 정밀한 비선형 동역학 모델을 유도하고 각각의 모터 속도를 계산한다. 옴니휠을 이용한 홀로노믹 이동 로봇의 추적 제어는 제어 대상 시스템 파라미터의 불확실성(uncertainty)이 매우 강하다.
본 논문에서 구현된 로봇 팔과 핸드의 타스크 수행 실험을 실시한다. 이 실험을 통하여 두 개의 로봇 팔과 핸드의 구조 및 성능 그리고 상호동작을 분석한다.
그러나 옴니휠 이동로봇 시스템은 바퀴의 미끄러짐과 센서의 불확실성으로 정확한 방위각 데이터 확보가 어렵다. 이것을 극복하기 위하여 본 논문에서는 퍼지 방위각 추정기를 제시한다. 이때 사용되는 방위각 추정 방정식은 식 (13)과 같다.
실제 가정에서의 정리정돈 작업의 특성상 다양한 파지 기능을 필요로 한다. 이를 위하여 본 논문에서는 로봇 핸드 파트를 두 가지(4절 링크형과 쓰레받이형)의 기구학적 설계 방법을 이용하여 두 종류의 손가락 타입을 이용한 특별한 핸드를 제안한다. 로봇 핸드의 각 조인트 정의도 표 1에서 확인할 수 있다.
맥봇 II는 인간이 허리 및 손을 이용하여 정리 정돈 작업을 수행하는 메커니즘을 모델로 하여 설계하었다. 인간의 허리와 같은 동작 기능은 변화 범위가 큰 수직형 리프트와전후진이 가능한 어깨 조인트 구조로 실현하였다. 정리정돈 작업을 직접 수행하는 로봇 팔과 핸드는 실용성을 위하여 최소 자유도를 갖는 시스템으로 설계하였다.
인간의 허리와 같은 동작 기능은 변화 범위가 큰 수직형 리프트와전후진이 가능한 어깨 조인트 구조로 실현하였다. 정리정돈 작업을 직접 수행하는 로봇 팔과 핸드는 실용성을 위하여 최소 자유도를 갖는 시스템으로 설계하였다. 또한, 맥봇 II가 좁은 면적의 실내에서 장애물과의 충돌을 방지하면서 고속의 정밀 이동 능력을 갖기 위하여 홀로노믹(Holonomic) 특성의 이동로봇으로 설계하였다.
처음 반원 즉 시작점(6,6)에서 반원종점(2,2)까지는 자체 회전(Self-Rotation)없이 전체 원을 돌게 하였고 나머지 반원 시점(2,2)에서 종점(6,6)까지는 회전속도 π/3 rad/s으로 자체회전하며 원의 궤적을 따라 움직이게 하였다.
첫째로 4절 링크 타입의 손가락은 첫 번째 마디와 두 번째 마디가 상호 연동되어지는 구조로 각 손가락 마다 1개의 자유도를 갖도록 설계한 고, 횡 운동(abduction/adduction)은 무시하였다. 손가락의 길이는 성인 남자의 평균을 기준으로 길이를 결정하고, 손가락 마디는 두 개로 설계한다.
최적화 설계를 통하여 구현된 매니퓰레이터의 기구학적 파라미터 값을 이용하여 실험을 진행하였다. 그림 15(a)는 매니퓰레이터 엔드이펙터에 설정된 3차원 운동경로 p(x, y, z)와 실제 진행 경로를 나타낸다.
토크 또한 변하는 특성을 고려하여 첫 번째 마디에 두 번째 마디가 동적으로 구속되는 구조를 사용하여 링크의 길이를 설계한다. 그림 5와 같은 기구학적 관계로부터 링크 2의 위치는 독립변수인 θ₁에 대한 함수로 나타내어진다.
홀로노믹 특성의 옴니휠을 이용한 이동로봇의 제어에서는 첫 번째와 두 번째 모터를 위한 제어 이득은 KP = 15.3, KI = 0.2, KD = 3.2로 설정하였고, 세 번째 모터를 위한 제어 계수는 KP = 14.6, KI = 0.25, 그리고 KD = 3.9로 결정하여 PID 제어기를 설계하였다. 구현된 시스템의 동작 제어 결과를 확인하기 위하여 추적제어 실험을 실시하였고, 원하는 궤적은 점(6,6)을 시작점으로 하여 반지름이 #인 원을 그리도록 하였다.

대상 데이터

로봇 매니퓰레이터는 3종류의 모터들을 사용한다. 부하에 따라 EX-106(106 kgf.
민첩한 이동을 위해 세 개의 직류모터 기반의 옴니휠 시스템으로 동작한다. 바퀴 반경은 60 mm이며, 두 개의 로봇 팔 크기는 각각 상박은 400.6 mm, 하박은 340.7 mm, 핸드는 98.82 mm로 설계되었다. 또한 맥봇 II의 주요 기구학적 매개변수들, M = 15.
본 논문의 이동로봇은 3개의 옴니휠이 120°의 간격으로 장착되어 있다.

이론/모형

로봇 매니퓰레이터의 타스크 수행 알고리즘은 그림 10과 같은 제어 S/W 순서도에 의해 동작하도록 프로그래밍 되어진다. 각각의 관절 구동기는 시작점과 목표점 부근에서 가감속 동작할 수 있도록 속도 패턴을 룩업(look-up) 테이블 방식으로 사용한다. 결국, 맥봇 II는 옴니휠 이동로봇에 의하여 원하는 위치와 자세로 이동하고, 그곳에서 매니퓰레이터를 제어하여 정리정돈 타스크를 수행한다.
cm)을 사용하며, ID는 오른팔과 왼팔로 나누어 1~8까지는 왼팔, 9~16까지는 오른팔로 순차적 배분을 하였다. 로봇 팔의 목표 위치(Goal-Point)까지 이동하기 위하여 D-H 표기법을 사용한 위치 및 방향을 최종 목적 위치까지의 변위 함수로 표현할 수 있다. 이를 이용하여 각각의 구동기들을 독립적이고 정확하게 점대점(Point-to-Point) 방식으로 제어 한다.
각 바퀴는 광학 방식의 엔코더(Encoder)가 설치된 직류모터에 의해 구동되어 지고, 방위각 인식을 위하여 자이로 센서를 사용한다. 이것은 제어기의 설계에 있어 비선형적인 역학은 고려하지 않고, 각각의 모터가 역운동학의 속도 명령들을 수행하기 위해 독립적인 PID 제어 알고리즘을 사용한다. 퍼지 방위각 추정기를 사용한 이동로봇의 전체 제어 구조는 그림 7과 같이 구성되고, 상태 출력 방정식은 절대 좌표 시스템으로 표현된다.
로봇 팔의 목표 위치(Goal-Point)까지 이동하기 위하여 D-H 표기법을 사용한 위치 및 방향을 최종 목적 위치까지의 변위 함수로 표현할 수 있다. 이를 이용하여 각각의 구동기들을 독립적이고 정확하게 점대점(Point-to-Point) 방식으로 제어 한다.

성능/효과

끝으로, 본 논문에서 설계한 서비스 로봇의 실시간 동작 제어 실험 결과들을 통하여 맥봇 II의 향상된 성능을 확인하였다.
위 그림 3과 같이 어깨의 이동에 따른 수평적 작업공간의 이득이 33,450 mm²이고 리프트의 승·하강에 따른 수직적 작업공간의 이득이 350 mm로 계산되어진다. 두 이득을 3차원 작업공간(Workspace)의 개념으로 계산하면 11,075,500 mm³의 이득이 있다는 것을 확인할 수 있다. 이로 인하여 가구 위나 바닥에서 효율적인 작업을 할 수 있으며 작업 중 갑작스럽게 넘어지지 않도록 무게중심의 높이도 낮출 수 있다.
그림 13은 로봇 응답과 명령 사이의 차이를 보여준다. 위치 제어에서는 10 cm 미만의 바운딩(Bounding) 현상을 확인할 수 있고 추적 방향각도 제어에서는 6도 미만의 좋은 성능을 보여주었다.
이 실험에서 기준 전압은 사전에 정의 영역 한계를 초과하지 않으므로, 시간변화 명령 필터 대역폭은 그것의 최대값으로 남는다. 추적 제어 결과들에서 확인할 수 있듯이, 이동 로봇의 홀로노믹 위치제어가 완벽하고 안정적으로 진행되어진 것을 확인할 수 있다.

후속연구

본 논문에서 다루는 서비스용 로봇 암의 목적인 경량화와 최적화를 위해 앞서 정해진 어깨 넓이 안에서 한 손과 양 손이 모두 작업공간을 자유로이 움직이고 두 손 파지시의 파지력을 높일 수 있도록 어깨 파트는 기존 로봇들의 팔이 고정되어진 방식과는 달리 유동적으로 움직일 수 있도록 설계한다. 이로서 로봇 팔과 손의 최대 부하와 파지력을 높이고 전․후진 이동 기능을 통하여 작업 공간을 확보할수 있도록 설계되어 진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	홈 서비스 로봇이 확보해야 하는 성능은 무엇인가?	인간과 함께 생활하면서 인간 생활에 필요한 기능들을 지원하는 로봇의 개발은 맞벌이 등의 가사 전담 노동력이 부족해지는 현대 사회의 가정 에서 그 수요가 매우 크다고 할 수 있다. 그와 같은 목적의홈 서비스 로봇은 정교한 작업능력과 정확한 이동능력을 가지면서 또한 인간 친화적인 인터페이스와 절대적인 안전 성도 확보되어야 한다. 그러나 대부분의 로봇 연구는 엔터 테인먼트 응용 중심의 로봇[1] 또는 특별한 목적성이 없는 두발로 걷는 휴머노이드 로봇 기술에 치우쳐 있다[2].
	빌트인 타입의 로봇 매니퓰레이터의 구성요소는 무엇인가?	또한 본 논문에서는 홈서비스 로봇인 맥봇 II의 빌트인 (Built-in) 로봇 팔과 핸드를 설계한다. 이 빌트인 타입의 로봇 매니퓰레이터는 최적화된 자유도의 로봇팔과 로봇핸드로 구성되어 진다. 제한된 공간에서 인간과 함께 생활하는 홈서비스 로봇에 탑재되는 매니퓰레이터는 최소의 로봇 크기와 최대의 작업 공간 이라는 상반된 설계 스펙이 요구되어 진다.
	실내에서 인간과 함께 공존하는 홈 서비스 로봇의 설계 연구가 미흡한 이유는 무엇인가?	실내에서 인간과 함께 공존하는 홈 서비스 로봇의 설계 연구는 미흡한 실정에 있다[3,4]. 이것은 안전하면서도 쾌속이 가능한, 정교하면서도 높은 파워를 가져야 하는 설계상의 변증법적 어려움이 있기 때문일 것이다. 그럼에도 불구 하고 미국 비영리 로봇센터가 제작한 바퀴 기반의 홈 서비 스로봇 레디봇(ReadyBot)과 일본 와세다 대학에서 개발한 범용 홈 서비스로봇 트웬디원(Twendy-One) 그리고 한국에서 개발한 실내 정리정돈을 위한 맥봇I(McBot I)은 이 분야의 훌륭한 연구 성과라고 볼 수 있다.

참고문헌 (13)

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K. Harada et al., "Dynamics and balance of a humanoid robot during manipulation tasks," IEEE Trans. on Robotics, vol. 22, no. 3, pp. 568-575, 2006.

상세보기
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G. Kantor and S. Singh, "Preliminary results in range-only localization and mapping," Proc. of the IEEE Conference on Robotics and Automation, pp. 1818-1823, 2002.
D. Hahnel, W. Burgard, D. Fox, K. Fishkin, and M. Philipose, "Mapping and Localization with RFID technology," Robotics and Automation, 2004. Proceedings. ICRA '04. 2004 IEEE International Conference on, vol. 1, pp. 1015-1020, 2004.
I. Siio, "User position detection using RFID tags," Technical Report Proceedings of Japanese Information Processing Society, 00-HI-88, pp. 45-50, 2000.
S. Maeyama, S. Yuta, and A. Hararda, "Experiments on a remote appreciation robot in an art museum," Proceedings of IROS 2000, pp. 1008-1013, 2000.
H.-K. Cha and S. W. Kim, "A study on implementation of ubiquitous home mess-cleanup robot" Journal of Control, Automation, and Systems Engineering, vol. 11, no. 12, pp. 1011-1019, 2005.

원문보기 상세보기
R. Baker, Human Navigation and the Sixth Sense, New York, Simon and Schuster, 1981.
D. S. Kim, H. C. Lee, and W. H. Kwon, "Geometric kinematics modeling of omni-directional autonomous mobile robot and its applications," Proc. of the IEEE International Conference Robotics and Automation, pp. 2033-2038, 2000.

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