[논문]립모션 센서와 블루투스 통신을 이용한 원격 제어 로봇팔

이재원; 김한솔; 김준호; 배재혁; 유창근

doi:10.13067/jkiecs.2017.12.6.1127

립모션 센서와 블루투스 통신을 이용한 원격 제어 로봇팔
Remote Control Robot Arm Using Leap Motion Sensor and Bluetooth Communication 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.12 no.6, 2017년, pp.1127 - 1134

이재원 (남서울대학교) , 김한솔 (남서울대학교) , 김준호 (남서울대학교) , 배재혁 (남서울대학교) , 유창근 (남서울대학교 전자공학과)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 사람이 접근하기 힘든 환경에서도 사용할 수 있는 로봇 팔이 사람의 손 동작에 따라 동작하는 로봇 팔 제어시스템을 구현하였다. 적외선 센서와, 영상인식 센서를 이용한 립모션 센서를 사용해 사람 손의 좌표를 추출 후 맵핑하고 블루투스 통신을 통하여 로봇 팔에게 전송하여 동작하도록 하였다.

In this study, the robot arm control system was implemented that is operated by human hands, which can be used in environments that are inaccessible to humans. This function has to be sent to the robot's arms after extracting coordinates of human hands. Through mapping and bluetooth communication we...

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문은 립모션을 이용해 사용자 손의 좌표 값을 획득하여 사용자 손의 움직임을 그대로 모방해 따라 하는 로봇 팔 원격제어 시스템을 소개하였다.
본 실험은 로봇 팔의 손동작 인식률, 통신지연시간과 사용자 의지대로 로봇 팔 조종이 가능한가의 실성 능을 테스트하기 위한 실험이다. 로봇 팔로 아령을 세로로 세운모양의 특정 오브젝트를 A지점부터 B지점까지 옮기는 실험으로 성능테스트를 하였다.
본 실험은 립모션 센서가 인식한 손의 이동거리에 따른 로봇 팔 각도 변화의 오차율을 테스트하기 위한 실험이다. 립모션의 인식범위에 따라 예상되는 각도변화를 계산하고 실제 립모션이 인식하는 손의 이동거리를 측정하여 그에 따른 로봇 팔의 각도변화를 체크하였다.
본 연구에서는 고위험 현장에서의 업무를 인간에게 익숙한 손동작으로 원격 제어를 통해 로봇에게 대신할 수 있도록 구현하고 그에 대한 예시로 소형 물체의 이동을 시연하고자 한다.

제안 방법

그 결과 손의 위치와 무선 실시간 동기화를 구현하였다. 연구결과를 요악하면 다음과 같다.
그림 5는 연구한 알고리즘을 기반으로 만든 시작품이다 본 시작품을 통하여 통신 거리와 좌표 수신을 실험하였고 구현한 알고리즘의 정확도와 동기화율을 실험하였다.
둘째, 잡음에 의한 센서의 오작동을 방지하기 위해 조건에 맞는 좌표를 연속적으로 3회 이상 획득하였을시에 집게를 오므리도록 프로그램을 구현하였다.
본 실험은 로봇 팔의 손동작 인식률, 통신지연시간과 사용자 의지대로 로봇 팔 조종이 가능한가의 실성 능을 테스트하기 위한 실험이다. 로봇 팔로 아령을 세로로 세운모양의 특정 오브젝트를 A지점부터 B지점까지 옮기는 실험으로 성능테스트를 하였다. 실험결과 로봇 팔이 사용자 손과 거의 일치하게 동기화 되어 움직이는 것을 확인할 수 있었다.
본 실험은 립모션 센서가 인식한 손의 이동거리에 따른 로봇 팔 각도 변화의 오차율을 테스트하기 위한 실험이다. 립모션의 인식범위에 따라 예상되는 각도변화를 계산하고 실제 립모션이 인식하는 손의 이동거리를 측정하여 그에 따른 로봇 팔의 각도변화를 체크하였다. 실험차수에 따라 달리나올 수 있기 때문에 실험은 각 좌표당 5회씩 진행하였고 인식범위의 끝에서 오차를 알아보기 위해 3부분으로 60도씩 나누어 측정하였다.
그림 1은 본 연구에서 로봇 팔 제어를 구현한 소프트웨어 구성을 나타낸 것이다. 립모션이 사용자 손의 좌표를 추출하면 추출한 데이터 값을 0~180 숫자 값으로 맵핑하여 아두이노로 전송 후 X, Y, Z축을 담당하는 각 서보모터에게 각도 값을 출력하도록 하고, 집게 구동부의 서보모터는 인식된 손동작에 따라 사용자의 손의 오므린 정도를 0~5단계로 구별한 후 2단계 이하의 확실히 오므린 손동작을 취했을 때 집게를 작동하도록 구현하였다[8].
립모션이 손의 좌표 값을 인식하는 것을 실시간으로 확인하기 위해 시리얼 통신 실험을 하였다. 통신속도는 9600bps이며, 패리티비트는 사용하지 않았기 때문에 허용하지 않음으로 설정하였다.
립모션의 인식범위에 따라 예상되는 각도변화를 계산하고 실제 립모션이 인식하는 손의 이동거리를 측정하여 그에 따른 로봇 팔의 각도변화를 체크하였다. 실험차수에 따라 달리나올 수 있기 때문에 실험은 각 좌표당 5회씩 진행하였고 인식범위의 끝에서 오차를 알아보기 위해 3부분으로 60도씩 나누어 측정하였다.
그림 2는 본 연구에서 로봇 팔 X, Y, Z 좌표 값 출력을 구현한 알고리즘을 나타낸 것이다. 좌표 값이바뀌면 2번의 기회를 주고 동작을 실행하기 전에 기회를 소모하게 되며 좌표 값이 바뀌지 않거나 코드가공회전을 하게 되면 남은 기회를 소모하게 되어 기회를 모두 잃으면 서보핀을 해제하여 필요 없는 동작을 차단하도록 구현하였다.
첫째, 기존 립모션의 X, Y, Z 축의 인식범위가 각각 달라서 추출값을 통일하는데 어려움이 있기에 서로 다른 립모션의 범위를 전체적으로 0~180 사이로맵핑함으로써 립모션의 인식범위를 각도로 바로 대체할 수 있도록 구현하였다.

성능/효과

따라서 전체적으로 X<Y<Z순으로 오차가 심하게 발생 한다는 것을 알 수 있었고 인식범위 끝에서의 오차는 X좌표의 경우 60~120도 사이, Y와 Z좌표의 경우 60~180에서 크게 나타난 것을 알 수 있었다.
셋째, 블루투스 통신을 이용하여 70m 내에서는 무리없이 동작한다.
실험 결과에 따르면 X의 오차율은 1.1%로 측정되었으며 Y좌표의 오차율은 차수에 따라 크게 차이를 보이며 평균적으로 약 5.3%의 오차가 발생하였다. 그리고 Z좌표는 오차가 비교적 크게 나타나 6.
로봇 팔로 아령을 세로로 세운모양의 특정 오브젝트를 A지점부터 B지점까지 옮기는 실험으로 성능테스트를 하였다. 실험결과 로봇 팔이 사용자 손과 거의 일치하게 동기화 되어 움직이는 것을 확인할 수 있었다. 주된 실험실패의 원인으로는 집게구동부와 립모션 센서의 인식범위 때문인 것을 표 3을 확인하면 알 수 있다.

후속연구

구현하는데 많은 어려움이 있었던 집게의 악력저하 부분과 로봇팔의 자연스러운 구동부분, 과도한 민감도 등을 보완한다면 현실적으로 운용이 가능한 기술이 될 것이라 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서 지화 입력 수단으로 사용한 것은 무엇인가?	정필성 외 1인은 청각 장애인의 보조기구로서 의사소통을 위한 지화 번역 시스템을 설계 및 구현하였다. 지화 입력 수단으로 손가락 모양과 손동작을 추적할 수 있는 립 모션을 사용하였다. 청각 장애인과의 의사소통이 용하지만 근거리에서 마주보며 대화해야 하며 교육이나 직업 등 다양한 정보를 얻기에는 제한적이다[10].
	본 연구에서 시리얼 통신 실험을 수행한 이유는 무엇인가?	립모션이 손의 좌표 값을 인식하는 것을 실시간으로 확인하기 위해 시리얼 통신 실험을 하였다. 통신속도는 9600bps이며, 패리티비트는 사용하지 않았기 때문에 허용하지 않음으로 설정하였다.

참고문헌 (12)

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상세보기
Murphy, R. Robin, and E. Rogers. "Cooperative Assistance for Remote Robot Supervision," Presence: Teleoperators & Virtual Environments, vol. 5, no. 2, 1996, pp.224-240.

상세보기
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G. Kim, Y. Jeong, and J. Choi, "A Study on Multi-functional Welder Remote Control System using Smart Phone," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 9 no. 3, 2014, pp.351-358.

원문보기 상세보기
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원문보기 상세보기
Y. Ko, "A Study on the Voltage Control of a Single Phase Full-bridge Inverter using SPWM Driving Method," J. of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 12 no. 5, 2017, pp.851-858.
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