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문제 정의
- 본 논문은 재난 환경과 같은 사람이 직접 현장에서 수행하기 어려운 상황에서, 로봇을 이용하여 특정 작업을 수행할 수 있는 가이던스 시스템을 제안하였다.
제안 방법
- 로봇이 작업해야 하는 환경을 원격지에 전송하기 위하여, 키넥트 센서를 이용하여 3차원 데이터를 취득하여 3차원 재구성을 수행하였다. 그리고 3차원 영상 정보와 매니퓰레이터의 위치를 이용하여 작업에 도움을 줄 수 있는 가이던스를 제안하였다.
- 본 논문에서는 키넥트 센서를 이용하여, 로봇 주변환경에 대해 3차원 정보를 취득한다. 그리고 다시점(multi-view)으로 취득된 3차원 거리 데이터를 누적하여 조밀한(dense) 3차원 영상을 재구성한다.
- 로봇 기준 좌표계로 변환된 3차원 영상 정보를 이용하여 본 논문은 워크스페이스(workspace), 대상물체 설정 및 가상벽을 가시화한다.
- 로봇이 작업해야 하는 환경을 원격지에 전송하기 위하여, 키넥트 센서를 이용하여 3차원 데이터를 취득하여 3차원 재구성을 수행하였다. 그리고 3차원 영상 정보와 매니퓰레이터의 위치를 이용하여 작업에 도움을 줄 수 있는 가이던스를 제안하였다.
- 이와 더불어 조종기 워크스페이스를 연동하여 매니퓰레이터의 작업 범위를 인지할 수 있도록 워크스페이스 가시화와 작업 대상물체 가시화를 통해 작업의 효율을 증대시킨다. 마지막으로 가상벽을 이용하여, 햅틱 피드백을 통한 작업 범위 제한하는 가이던스 기술을 제안한다.
- 마지막으로 본 논문에서는 Fig. 5와 같이 가상벽을 이용하여 로봇 매니퓰레이터를 조종하는 것을 제안한다. 유압 매니퓰레이터의 경우 유압의 힘으로 인해 고중량의 물체를 움직이는 것과 같이 강한 힘이 필요한 작업을 수행할 수 있다.
- 본 논문에서는 키넥트 센서를 이용하여, 로봇 주변환경에 대해 3차원 정보를 취득한다. 그리고 다시점(multi-view)으로 취득된 3차원 거리 데이터를 누적하여 조밀한(dense) 3차원 영상을 재구성한다.
- 본 논문은 원격에서 유압 매니퓰레이터를 이용하여 작업을 수행하기 위기 위하여, Fig 6과 같이 실험환경을 구축하였다. 로봇 매니퓰레이터 전방에는 2층으로 구성된 테이블이 놓여 있으며, 테이블 위에는 대상 물체인 벽돌을 놓여 있다.
- 하지만 이러한 유압 매니퓰레이터의 강한 힘으로 인해 조작자는 대상 물체가 아닌 물체들의 파손과 같이 의도치 않은 결과가 발생할 수 있는 부담감을 가지고 있다. 이를 위하여 본 논문은 가상벽을 이용하여 로봇 매니퓰레이터의 조작 범위를 제한한다. 또한 가상벽과 로봇 매니퓰레이터의 거리를 측정하여 햅틱 조종기에 햅틱 피드백을 전달함으로써 조작자가 직관적으로 작업 영역의 범위를 느낄 수 있다.
- 조작자가 다양한 작업을 수행함에 있어 필요한 비주얼 가이던스 기술들을 제안한다. 원격지에 있는 조작자는 현장에 있는 로봇 매니퓰레이터의 움직임을 관찰하기 어렵다.
- 조작자는 3차원 재구성된 영상과 로봇 매니퓰레이터의 3차원 모델의 움직임을 통하여, 1층에 놓여 있는 벽돌을 2층으로 옮기는 작업을 수행하였다. Fig 7은 실험을 수행하면서 각 과정에 대한 결과 영상이다.
- 조작자의 신호에 의해 UR-5는 대상 물체와 주변 영역을 스캐닝하며, UR-5에 장착된 키넥트 센서로 3차원 데이터를 취득할 수 있다. 취득된 데이터는 3차원 환경 재구성 기법을 이용하여 조밀한 3차원 영상을 생성하여, 원격 스테이션에서 조작자에게 화면을 보여준다.
- 따라서 로봇 매니퓰레이터를 조작하기 위하여, 조종기의 물리적 위치값에 스케일을 적용하여 유압 매니퓰레이터를 이동하거나 조작할 수 있다. 하지만 조종기의 조작 범위를 사람이 쉽게 인지하기 어렵기 때문에 본 논문은 조종기를 이용하여 매니퓰레이터를 조작할 수 있는 범위를 3차원 재구성 영상에 표현함으로써 조작자가 직관적으로 인지할 수 있게 한다.
대상 데이터
- 원격지에 있는 조작자는 UR-5를 이용하여 대상 물체와 주변 환경을 키넥트 센서로 3차원 데이터를 취득한다. 그러면 3장에 기술된 3차원 환경 재구성 기법을 이용하여 3차원 영상을 모니터로 볼 수 있다.
이론/모형
- 키넥트 센서에서 취득되는 점군 데이터를 모델 점군 데이터라고 하고, 3차원 재구성으로 수행된 3차원 볼륨 데이터에서 얻어진 타겟 점군 데이터라고 할 때, 대상 점군 데이터와 타겟 점군 데이터와의 차이가 최소가 되도록 하는 회전 행렬 R과 이동 행렬 t를 구한다. 이를 위하여, ICP (Iterative Closest Point)기법이 사용된다.8-9)
성능/효과
- 실험을 통하여 3차원 재구성 화면을 이용하여 특정 임무를 수행할 수 있음을 통하여, 가이던스 시스템을 통하여 조작자가 원격 제어를 할 수 있음을 확인하였다.
후속연구
- 향후, 붕괴된 물체 더미를 치우는 것과 위험물을 제거하는 등의 고난이도 작업을 수행함에 있어 제안하는 가이던스 시스템을 정량적으로 평가할 예정이며, 특정 작업에 필요한 가이던스 기술을 개발할 예정이다.
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