[논문]진동모터로 구성된 햅틱 디바이스를 이용한 장애물 정보 전달 및 제어 방법

이동혁; 노경욱; 강선균; 한종호; 이장명

doi:10.5302/j.icros.2014.13.1923

진동모터로 구성된 햅틱 디바이스를 이용한 장애물 정보 전달 및 제어 방법
Obstacle Information Transfer and Control Method using Haptic Device consist of Vibration Motors 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.20 no.10, 2014년, pp.1036 - 1043

이동혁 (부산대학교 전자전기공학과) , 노경욱 (부산대학교 로봇관련협동과정) , 강선균 (부산대학교 전자전기공학과) , 한종호 (부산대학교 전자전기공학과) , 이장명 (부산대학교 전자전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a new haptic device is proposed for the teleoperation, which can recognize the invisible environment of a mobile robot. With this new device, it is possible for the user to identify the location of an obstacle and to avoid it. The haptic device has been attached on the top of a joystick so that the user can remotely control the mobile robot to avoid the obstacles which are recognized by the ultrasonic sensors. Also, the invisible environment is recognized more accurately overlapping the data from the ultrasonic sensors. There are five vibration motors in the haptic device to indicate the direction of the obstacle. So the direction of the obstacle can be recognized by the vibration at the finger on each vibration motor. For various situations and surrounding environments, experiments are performed using fuzzy controller and overlapping ultrasonic sensors. The results demonstrate the effectiveness of the proposed haptic joystick.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

햅틱 디바이스는 퍼지(Fuzzy) 제어기를 이용하여 장애물이 위치한 상황에 따라 햅틱 디바이스의 진동모터를 제어하고, 이를 사용자가 진동을 통해 햅틱을 전달 받을 수 있도록 시스템을 구현한다. 결론적으로 본 연구에서는 사용자가 볼 수 없는 환경에서 햅틱 디바이스를 통해 현재 상황을 판단하고 이를 통해 이동로봇을 제어하는 방법을 제시한다[8-10].
본 논문에서는 사용자가 제안된 햅틱 디바이스를 이용하여 조명이 없는 상황에서 장애물을 인지하고 이를 바탕으로 이동로봇을 주행하여 장애물을 회피 할 수 있는 기법을 제안하였다. 그리고 사용자는 햅틱 디바이스에서 발생하는 햅틱 정보를 통해 장애물의 위치 정보를 정확히 인지하고 이를 바탕으로 이동로봇을 조작할 수 있다는 것을 실험을 통하여 증명하였다.
현재 판매되고 있는 햅틱 디바이스는 고가의 제품이고, 햅틱 조이스틱의 상태로 제작되기 때문에 보유하고 있는 조이스틱에 쉽게 접목하기 어려운 단점을 가지고 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 본 논문에서는 일반적인 조이스틱에 장착하기 위한 진동모터로 구성된 햅틱 디바이스를 개발하였으며, 이를 이용하여 사용자가 볼 수 없는 환경에서 햅틱 디바이스의 성능을 검증하는 연구를 진행하고자 한다. 여기서 우리는 촉각에 기여한 모터의 진동을 통한 햅틱을 구현으로, 사용자가 직관적으로 상황을 판단 할 수 있도록 구현하였다[6,7].
하지만 카메라 영상의 평면 정보만으로는 이동로봇 주변의 거리정보를 사용자가 완전히 판단하기 어려움이 많고, 카메라 고장 및 악천후 등 영상정보를 확인하기 어려운 상황에서 사용자는 이동로봇을 조작할 수 없게 된다. 이러한 문제점을 보완하기 위해 다양한 방법들이 연구되고 있는데, 그 중 하나로 본 논문에서는 촉각 정보를 통해 사용자에게 정보를 전달할 수 있는 햅틱(Haptic) 기술을 연구한다. 여기서 햅틱은 사용자의 입력장치를 통해 촉각, 힘 그리고 운동감 등을 전달하는 기술로 사용자가 로봇의 현재 상황을 간접적으로 사용자가 인지할 수 있게 해주며 로봇과 상호작용을 가능하게 하는 기술을 말한다[3-5].

제안 방법

이를 통해 사용자는 장애물의 위치 정보를 직관적으로 느낄 수 있게 한다. 그리고 이동로봇에 초음파 센서를 장착 하여 장애물을 인지하고, 초음파 센서를 중첩으로 하여 보다 정확히 장애물의 위치를 알 수 있게 하였다. 햅틱 디바이스는 퍼지(Fuzzy) 제어기를 이용하여 장애물이 위치한 상황에 따라 햅틱 디바이스의 진동모터를 제어하고, 이를 사용자가 진동을 통해 햅틱을 전달 받을 수 있도록 시스템을 구현한다.
원격제어 시스템은 그림 1과 같이 구성된다. 마스터를 조이스틱과 햅틱 디바이스로 슬레이브를 이동로봇으로 원격제어 시스템을 구성하였다. 마스터에서 전달하는 조이스틱 데이터를 통해 슬레이브인 이동로봇이 구동한다.
엔코더는 모터의 회전에 따른 펄스 수를 측정하여 모터의 속도 및 위치 값을 측정한다. 모터의 속도를 통해 이동 로봇의 현재 속도를 측정하고, 위치 값을 이용하여 이동 로봇의 이동 경로를 측정한다. 측정한 엔코더 데이터와 MCU2에서 전달받은 데이터를 마스터 시스템으로 전송한다.
그림 10은 본 논문에서 제안한 햅틱 디바이스이다. 본 논문에서는 5개의 진동 모터로 구성된 햅틱 디바이스를 제작하였고, 조이스틱 상단 부분에 장착하여 햅틱 조이스틱을 구성하였다. 햅틱 디바이스는 다양한 조이스틱과 결합하여 햅틱 조이스틱을 구현할 수 있도록 고려하여 설계 및 제작하였고, 장애물의 위치와 직관적인 구조로 진동 모터를 장착하였다.
또한 퍼지 규칙은 사람의 생각을 쉽게 규칙으로 나타낼 수 있으므로, 지능적인 판단을 로봇에 쉽게 반영할 수 있다. 본 논문에서는 이동로봇의 현재 상태와 따라 햅틱 디바이스를 상황에 맞게 구동하여 이를 통해 사용자가 인지하고 조이스틱을 제어하는데 도움을 줄 수 있도록 적용하였다.
본 논문에서는 제안된 햅틱 디바이스를 장착한 조이스틱을 이용하여 이동로봇을 제어하였으며, 이동로봇이 주행 중에 장애물의 인지 상황을 조이스틱 제어기에 전달하고, 조이스틱 제어기는 상황에 따라 햅틱 디바이스를 구동하여 사용자가 알 수 있게 하였다. 햅틱 디바이스는 진동모터 5개로 구성하였으며, 각 진동모터는 원격제어용 이동로봇의 주변환경에 존재하는 장애물의 존재 방향을 나타내고, 진동세기는 장애물과의 거리를 나타낸다.
에 상응하는 초음파 센서링의 중심을 기준으로 한 장애물 거리이다 [18]. 본 논문에서는 초음파 센서의 최대 감지 거리를 1 m로 지정하여 실험하였다.
그림 17은 실험환경을 나타낸다. 본 논문의 IV장의 1에서 소개된 장소에서 진행 되었으며, 성능 분석을 통해 검증된 햅틱 디바이스를 적용한 햅틱 조이스틱을 이용하여 사용자는 볼 수 없다는 가정하에서 실험하였고, 다양한 환경을 두어 실험을 실시하였다.
장애물 4개를 배치하여 실험환경을 구성하였고, 이동로봇은 Start 지점에서 End 지점까지 이동하였다. 사용자는 실험환경에서 5 m 이상 떨어진 볼 수 없는 장소에서 조이스틱을 이용하여 이동로봇을 원격제어를 하였다. 이동로봇이 주행하면서 장애물을 인지하게 되고, 그 상황을 햅틱 디바이스를 통해 사용자가 인지하게 된다.
우선 II 장에서는 원격제어 시스템을 구성함으로서 슬레이브 시스템인 이동로봇과 마스터 시스템인 햅틱 조이스틱을 설명하고, III 장에서는 햅틱 구현을 위한 퍼지 제어기에 대해 소개하였다. IV 장에서는 III 장에서 설명한 제어기의 실제 실험 및 결과에 대해 논하고, 마지막으로 V 장에서는 본 연구의 결론을 제시함으로써 본 논문을 마무리한다.
본 논문에서 사용하는 퍼지 규칙은 그림 11과 같이 2개의 input 과 1개의 output 형태로 구성된다. 이동로봇과 장애물간의 위치 정보를 통해 햅틱 디바이스를 구동하기 위해 퍼지 알고리즘의 입력변수는 전방의 왼쪽과 오른쪽에 대한 장애물의 위치 정보를 이용하였고, 이를 통해 출력되는 결과 값을 이용하여 햅틱 디바이스의 구동 상황을 나타낸다. 또한 결과 값을 결정함에 있어서 비 퍼지화는 일반적인 Mamdani의 무게 중심법을 사용하였고, 정성적인 언어변수로 표현하였다[21-23].
그림 12는 사용자가 햅틱 디바이스를 이용하여 장애물을 정확히 인지하는지에 대한 성능 분석을 위한 실험환경이다. 이동로봇이 중첩된 초음파 센서를 통하여 장애물을 정확히 인지하고, 햅틱 디바이스를 통해 사용자에게 장애물에 대한 정보를 정확히 전달하는가에 대한 성능 분석을 하였다.
그림 5와 같이 초음파 센서는 빔 폭 내에 존재하는 장애물까지의 거리를 측정할 수 있다, 하지만 그림 5(a)와 (b)의 경우와 같이 빔 폭 내에 장애물까지의 거리는 측정할 수 있으나, 정확한 장애물의 위치를 알기 어려운 점이 있으며 이를 초음파 센서의 위치 불확실성이라 부른다[13,14]. 이러한 위치 불확실성을 줄이기 위하여 초음파 센서 3개를 중첩하여 장애물의 위치를 보다 정확하게 인지할 수 있도록 제작하였다.
퍼지 규칙은 장애물의 위치를 고려하여 초음파 센서로부터 측정된 장애물은 위치에 따라서 햅틱 디바이스에서 발생된 진동을 통해 장애물의 위치를 느끼게 해준다. 이를 통해 사용자가 볼 수 없는 상황에서 장애물의 존재여부 및 위치를 인지하고 이에 따라 장애물을 회피할 수 있도록 햅틱 인터페이스를 구현하였다.
장애물이 이동로봇의 왼쪽 면에 존재할 경우에 따라 실험 1과 동일한 방법으로 햅틱 디바이스의 성능을 분석하였다.
그림 16은 실험 3 환경에서 이동로봇이 장애물 인지에 따른 햅틱 디바이스의 성능 분석이다. 장애물이 이동로봇의 왼쪽과 중앙 두 곳에 존재할 경우에 따라 위와 동일한 방법으로 햅틱 디바이스의 성능을 분석하였다. ⓛ번 구간은 이동로봇이 왼쪽에 존재하는 장애물을 먼저 인지하여, 그 상황에 따라 햅틱 디바이스가 동작하였다.
그림 14는 실험 1 환경에서 이동로봇이 장애물 인지에 따른 햅틱 디바이스의 성능 분석이다. 장애물이 이동로봇의 정면에 존재할 경우에 이동로봇이 장애물에 접근함에 따라 햅틱 디바이스의 성능을 분석하였다. ⓛ번 구간은 이동로봇이 중앙 초음파 센서를 통해 장애물을 인지하기 시작하면서 상황에 따라 햅틱 디바이스가 동작하였다.
모터의 속도를 통해 이동 로봇의 현재 속도를 측정하고, 위치 값을 이용하여 이동 로봇의 이동 경로를 측정한다. 측정한 엔코더 데이터와 MCU2에서 전달받은 데이터를 마스터 시스템으로 전송한다.
본 논문에서는 5개의 진동 모터로 구성된 햅틱 디바이스를 제작하였고, 조이스틱 상단 부분에 장착하여 햅틱 조이스틱을 구성하였다. 햅틱 디바이스는 다양한 조이스틱과 결합하여 햅틱 조이스틱을 구현할 수 있도록 고려하여 설계 및 제작하였고, 장애물의 위치와 직관적인 구조로 진동 모터를 장착하였다. 진동 모터에서 발생하는 진동에 의해 장애물의 위치를 인지하게 된다.

대상 데이터

본 실험은 부산대학교 삼성산학협동관 2층 로비에서 실시하였고, 장애물은 중첩된 초음파 센서를 이용하여 측정된 데이터를 통해 장애물과의 거리 및 위치를 알게 된다.
이동로봇이 주행하면서 장애물을 인지하게 되고, 그 상황을 햅틱 디바이스를 통해 사용자가 인지하게 된다. 사용자는 햅틱 디바이스를 통해 전달받은 정보를 이용하여 이동로봇을 주행하고 장애물을 회피하였다.
슬레이브 시스템은 그림 2와 같이 구성된다. 이동로봇은 두 개의 MCU로 구성하였다. MCU2는 초음파 센서의 데이터를 통해 장애물과 이동로봇의 거리 및 각도를 추정하고, 측정된 데이터를 MCU1로 전달한다.
그림 18은 사용자가 햅틱 디바이스를 이용한 햅틱 정보만을 이용하여 주행한 이동로봇의 이동 경로이다. 장애물 4개를 배치하여 실험환경을 구성하였고, 이동로봇은 Start 지점에서 End 지점까지 이동하였다. 사용자는 실험환경에서 5 m 이상 떨어진 볼 수 없는 장소에서 조이스틱을 이용하여 이동로봇을 원격제어를 하였다.

이론/모형

햅틱 디바이스를 통해 햅틱을 표현하는 것은 장애물의 위치를 추정하는 알고리즘과 더불어 이동로봇의 진행방향 등의 현재 상태에 따라 지능적으로 대응할 수 있는 알고리즘이 필요하다. 그래서 본 논문에서는 퍼지 규칙을 이용하여 햅틱 디바이스를 구동하게 한다. 퍼지 모델의 성능은 퍼지 규칙의 구성 방법에 따라 달라지며 더 나은 성능을 위해서 퍼지 규칙의 최적화 과정이 필요하다.
이동로봇과 장애물간의 위치 정보를 통해 햅틱 디바이스를 구동하기 위해 퍼지 알고리즘의 입력변수는 전방의 왼쪽과 오른쪽에 대한 장애물의 위치 정보를 이용하였고, 이를 통해 출력되는 결과 값을 이용하여 햅틱 디바이스의 구동 상황을 나타낸다. 또한 결과 값을 결정함에 있어서 비 퍼지화는 일반적인 Mamdani의 무게 중심법을 사용하였고, 정성적인 언어변수로 표현하였다[21-23].

성능/효과

본 논문에서는 사용자가 제안된 햅틱 디바이스를 이용하여 조명이 없는 상황에서 장애물을 인지하고 이를 바탕으로 이동로봇을 주행하여 장애물을 회피 할 수 있는 기법을 제안하였다. 그리고 사용자는 햅틱 디바이스에서 발생하는 햅틱 정보를 통해 장애물의 위치 정보를 정확히 인지하고 이를 바탕으로 이동로봇을 조작할 수 있다는 것을 실험을 통하여 증명하였다. 하지만 이동로봇이 다중 장애물을 감지할 경우 햅틱 정보를 통해 장애물에 대한 정보를 전달받은 사용자가 회피 방향을 빠르게 판단하기 힘든 상황이 발생하였다.

후속연구

하지만 이동로봇이 다중 장애물을 감지할 경우 햅틱 정보를 통해 장애물에 대한 정보를 전달받은 사용자가 회피 방향을 빠르게 판단하기 힘든 상황이 발생하였다. 향후 연구에서는 사용자가 장애물 위치 정보에 따른 회피 방향을 전달 받기 위한 알고리즘 연구를 진행할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	햅틱이란 무엇인가?	이러한 문제점을 보완하기 위해 다양한 방법들이 연구되고 있는데, 그 중 하나로 본 논문에서는 촉각 정보를 통해 사용자에게 정보를 전달할 수 있는 햅틱(Haptic) 기술을 연구한다. 여기서 햅틱은 사용자의 입력장치를 통해 촉각, 힘 그리고 운동감 등을 전달하는 기술로 사용자가 로봇의 현재 상황을 간접적으로 사용자가 인지할 수 있게 해주며 로봇과 상호작용을 가능하게 하는 기술을 말한다[3-5].
	현재 이동로봇 원격제어 관련 연구는 어떠한 방식으로 이루어졌는가?	현재 이동로봇 원격제어에서는 카메라 등을 이용한 영상 정보를 바탕으로 이동로봇의 주변환경을 인식하고 이에 따라 사용자가 조작하는 방식으로 연구되었다. 하지만 카메라 영상의 평면 정보만으로는 이동로봇 주변의 거리정보를 사용자가 완전히 판단하기 어려움이 많고, 카메라 고장 및 악천후 등 영상정보를 확인하기 어려운 상황에서 사용자는 이동로봇을 조작할 수 없게 된다.
	햅틱 기술을 이용하기 위한 햅틱 디바이스는 어떤 문제점이 있는가?	그리고 햅틱 기술을 이용하기 위해서는 햅틱 디바이스를 보유해야 한다. 현재 판매되고 있는 햅틱 디바이스는 고가의 제품이고, 햅틱 조이스틱의 상태로 제작되기 때문에 보유하고 있는 조이스틱에 쉽게 접목하기 어려운 단점을 가지고 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해 본 논문에서는 일반적인 조이스틱에 장착하기 위한 진동모터로 구성된 햅틱 디바이스를 개발하였으며, 이를 이용하여 사용자가 볼 수 없는 환경에서 햅틱 디바이스의 성능을 검증하는 연구를 진행하고자 한다.

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표제어: PCR

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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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