[논문]로봇경진대회의 가상현실 3D 운영 모델에 대한 연구

김진우; 김주민; 김대원

문제 정의

간단히 언급한 위와 같은 과정으로, 본 연구는 실제 로봇경진대회를 컴퓨터상의 가상현실에서 비교적 효과적으로 구현하는 것이 가능함을 보이는 것을 목표로 한다.
바로 이러한 과정을 통해 얻을 수 있는 이점을 십분 활용하기 위해 로봇경진대회를 가상현실에서 현실감 있게 구현하는 방법을 연구했다. 여기서 현실감을 얻기 위해 물리엔진의 물리 운동에 대한 비교적 정확한 표현을 활용하였는데, 본 연구에서 이용한 물리엔진은 Open Dynamics Engine이며 줄여서 ODE라고 하는 공개물리엔진을 이용하여 시뮬레이션 과정에서 현실감을 더했다.
현재 로봇경진대회의 경우 크고 작은 규모로 여러 정부기관과 민간기업, 또 대학에서 개최하는 대회가 많이 있다. 여러 대회 중에서 표본으로 삼을 대회를 결정하기 위해서 대회들을 객관적으로 평가할 수 있는 조건을 정했다. 첫째, 고도의 기술이 필요한 대회는 제외 할 것.

가설 설정

셋째, 대회 규모는 너무 작지 않아야 할 것. 넷째, 다년간에 걸쳐 개최되어 경기 규정이나 운영 면에서 부족하지 않은 인프라를 구축한 대회 일 것. 이상의 조건으로 검토한 대회는 다음과 같다: 대한민국공룡로봇올림픽, 전국학생로봇경진대회, 한국 로봇항공기경연대회, 로봇댄스경연대회, 로봇올림피아드, 한국지능로봇 경진대회 등.
둘째, 다양한 연령층이 참가하는 대회 일 것. 셋째, 대회 규모는 너무 작지 않아야 할 것. 넷째, 다년간에 걸쳐 개최되어 경기 규정이나 운영 면에서 부족하지 않은 인프라를 구축한 대회 일 것.
여러 대회 중에서 표본으로 삼을 대회를 결정하기 위해서 대회들을 객관적으로 평가할 수 있는 조건을 정했다. 첫째, 고도의 기술이 필요한 대회는 제외 할 것. 둘째, 다양한 연령층이 참가하는 대회 일 것.

제안 방법

여기서 현실감을 얻기 위해 물리엔진의 물리 운동에 대한 비교적 정확한 표현을 활용하였는데, 본 연구에서 이용한 물리엔진은 Open Dynamics Engine이며 줄여서 ODE라고 하는 공개물리엔진을 이용하여 시뮬레이션 과정에서 현실감을 더했다. 그리고 실제 로봇경진대회중의 하나인 대한로봇축구협회에서 운영하는 로봇올림피아드의 한 종목을 바탕으로, 구체적인 수치나 실제 로봇경진대회의 경기장 구성을 얻어서 연구를 진행했다.
66GHz, Memory - 4G, HDD - 250G, Video card - ATI Radeon HD3850 512M, Window version - Windows XP sp3, 실행 프로세스 - 45개로 2G이상의 여유 메모리가 확보 된 상태로 실행 되었으며, 사용 프로그램은 Visual studio 2008이며 C언어를 사용하여 프로그래밍 했다. 그리고 충분한 램 메모리와 하드디스크의 여유 공간을 확보함으로써 환경요인이 시뮬레이션 결과에 영향을 끼치는 것을 최소한으로 한 상태에서 시뮬레이션을 실행 했다.
이러한 점을 고려하여 차륜구동모델(differential drive model)의 경우를 생각해보면, 이 때 가장 큰 영향을 끼치는 요소를 말하면 로봇 바퀴의 축간 거리가장 중요하다고 할 수 있다. 바퀴의 축간거리는 로봇의 회전반경을 결정하므로 각 장애물 블록 간의 거리를 참고로 하여 최대한으로 가능한 회전반경을 상회하지 않게 제작한다. 그리고 ODE에서 제공하는 물리적인 마찰에 대한 표현의 적용을 위해선 실제 로봇 모델 바퀴 재질의 마찰계수와 동일하게 설정해야 로봇의 사실감을 살릴 수 있으므로 보통 고무 재질의 바퀴를 사용한다는 것을 전제로, ODE에서 제공하는 마찰 계수 설정 관련 API에 상수 값을 적절히 입력하였다[5].
바로 이러한 과정을 통해 얻을 수 있는 이점을 십분 활용하기 위해 로봇경진대회를 가상현실에서 현실감 있게 구현하는 방법을 연구했다. 여기서 현실감을 얻기 위해 물리엔진의 물리 운동에 대한 비교적 정확한 표현을 활용하였는데, 본 연구에서 이용한 물리엔진은 Open Dynamics Engine이며 줄여서 ODE라고 하는 공개물리엔진을 이용하여 시뮬레이션 과정에서 현실감을 더했다. 그리고 실제 로봇경진대회중의 하나인 대한로봇축구협회에서 운영하는 로봇올림피아드의 한 종목을 바탕으로, 구체적인 수치나 실제 로봇경진대회의 경기장 구성을 얻어서 연구를 진행했다.
컴퓨터의 구성환경은 다음과 같다: CPU - Intel Wolfdale E7300 Core 2 Duo 2.66GHz, Memory - 4G, HDD - 250G, Video card - ATI Radeon HD3850 512M, Window version - Windows XP sp3, 실행 프로세스 - 45개로 2G이상의 여유 메모리가 확보 된 상태로 실행 되었으며, 사용 프로그램은 Visual studio 2008이며 C언어를 사용하여 프로그래밍 했다. 그리고 충분한 램 메모리와 하드디스크의 여유 공간을 확보함으로써 환경요인이 시뮬레이션 결과에 영향을 끼치는 것을 최소한으로 한 상태에서 시뮬레이션을 실행 했다.
환경 모델의 경우 최대한 동일한 경기장을 만들기 위해 실제 수치를 적용하였으며, ODE 시뮬레이션 상에서의 단위 환산은 길이 1m의 경우 정수 10으로 입력하여 실제 경기장의 크기와 동일한 비율로 표현을 했다. 즉, 시뮬레이션 상에서는 1/10로 1m를 단위 환산한다고 생각하면 된다.

성능/효과

또, 시뮬레이션 구현 과정 중에 문제가 있는 부분으로 대두 되었던 것 중에 하나가, 로봇 모델의 이동 속도의 경우, 시뮬레이션을 실행하는 컴퓨터의 성능에 따라 큰 영향을 받아 본 실험 컴퓨터보다 고사양이나 저사양 컴퓨터의 경우 속도가 구현시 설정 속도보다 빨라지거나 느려지는 현상이 보였다. 이는 프로그램 상의 계산량의 처리 속도 차이로 보인 현상으로, 하드웨어적인 성능 차이에 의해 시뮬레이션의 실행 속도에 차이가 생기는 것으로써 시뮬레이션 실행 환경에 대한 범용성에 문제가 있는 것이므로 반드시 개선해야 할 사항이다.
둘째, 현실에서의 로봇경진대회와는 대조적으로 가상로봇경진대회에서는 실시간으로 경기장을 변화시켜 경기의 변수를 추가하는 것과 같은, 현실에서 구현이 힘든 것의 구현이 손쉽게 가능하다는 점. 셋째, 가상로봇경진대회에서 얻은 경험을 통해 실제 로봇경진대회에서의 기술적용이 상대적으로 쉬워진다는 점 등을 장점으로 볼 수 있다. 하지만 가상현실인 만큼 현실과는 다른점이 있다는 것은 간과 할 수 없는데, 예를 들면 경진대회 중의 돌발요소가 많이 배제 되어 결과적으로 사실감을 감소시키는 점은 단점으로 볼 수 있다.
그리고 로봇올림피아드 경기 종목 중에서 세부종목의 결정은, 대회의 모델을 개발하는 과정에서의 센서 모델을 통한 환경요소의 감지와 경기 방식을 종합평가 한 결과 로봇올림피아드의 9가지 종목중 시범 케이스 모델에 가장 부합하는 ‘장애물 탈출 경기’를 선정하게 되었다. 여기서 세부적인 평가요소를 살펴보면 센서모델의 경우 초음파 센서, 바닥감지센서, 압력감지센서를 종합적으로 이용해야 원활한 주행이 가능하다는 점이 난이도 면에서 만족할 만한 난이도를 보여주었고, 경기방식의 경우는 단순 주행이 아닌 로봇팔을 사용해 미션을 수행하면서 바닥을 감지하고 장애물을 회피하는 일련의 과정이 필요한 만큼 9가지 로봇올림피아드 종목 중 여타 다른 종목들이 갖는 경기 완주에 필요한 요소들을 포괄적으로 의미 있게 포함한다는 것이 선정 이유가 되었다. 이로서 선정 된 로봇올림피아드의 ‘장애물 탈출’ 경기의 개요를 볼 수 있는 경기 안내문에 첨부되어 있는 경기장 예시 그림은 <그림1>에 보였다.
위 대회들 중에 검토한 결과 4가지 조건에 모두 부합하는 대회는 로봇올림피아드, 전국학생로봇경진대회가 결과로 나왔다. 두 가지 대회 모두 전국 규모의 대회로써 비슷한 종목들이 열리고 있는데 이 중에서 로봇올림피아드가 규모면에서 전국학생로봇경진대회 보다 큰 규모를 갖고 있다.
두 가지 대회 모두 전국 규모의 대회로써 비슷한 종목들이 열리고 있는데 이 중에서 로봇올림피아드가 규모면에서 전국학생로봇경진대회 보다 큰 규모를 갖고 있다. 이 때문에 두 대회의 세부종목이 비슷한 상황에서 로봇올림피아드가 대외적인 측면에서 전국학생로봇경진대회보다 연구 모델에 적합하다는 판단을 했다. 그리고 로봇올림피아드 경기 종목 중에서 세부종목의 결정은, 대회의 모델을 개발하는 과정에서의 센서 모델을 통한 환경요소의 감지와 경기 방식을 종합평가 한 결과 로봇올림피아드의 9가지 종목중 시범 케이스 모델에 가장 부합하는 ‘장애물 탈출 경기’를 선정하게 되었다.

후속연구

이는 프로그램 상의 계산량의 처리 속도 차이로 보인 현상으로, 하드웨어적인 성능 차이에 의해 시뮬레이션의 실행 속도에 차이가 생기는 것으로써 시뮬레이션 실행 환경에 대한 범용성에 문제가 있는 것이므로 반드시 개선해야 할 사항이다. 개선에 대한 문제는 향후 연구과정에서 해결하기로 하고, 위 내용에 더해서 한 가지 연구가 필요한 분야를 말하면, 논문의 목적인 실제 개최되고 있는 로봇경진대회 모델을 가상현실에서 모델링하고 시뮬레이션하는 것이 충분히 가능하다는 점을 보이는 것은 위 내용에서 충분히 보였지만 실제 로봇경진대회와는 다르게 경기 자체의 진행을 위한 모델들만을 고려하면 경진대회의 개최가 가능한 것과는 다르게 가상현실에서의 가상로봇경진대회의 경우는 참가자의 참여하는 방법에 대한 고려가 필요하다. 이 부분에 대해선 차후의 연구를 통해 참가자들이 가상경진대회에 원활히 참여가 가능하고, 최소한 실제 로봇경진대회와 유사한 대회 결과와 진행 이끌어 낼 수 있는, 가상경진대회의 참가자들의 참여 방식에 대한 모델의 연구가 요구 되는데, 이 모델에 대한 부분도 향후 연구과정으로 남겨둔다.
개선에 대한 문제는 향후 연구과정에서 해결하기로 하고, 위 내용에 더해서 한 가지 연구가 필요한 분야를 말하면, 논문의 목적인 실제 개최되고 있는 로봇경진대회 모델을 가상현실에서 모델링하고 시뮬레이션하는 것이 충분히 가능하다는 점을 보이는 것은 위 내용에서 충분히 보였지만 실제 로봇경진대회와는 다르게 경기 자체의 진행을 위한 모델들만을 고려하면 경진대회의 개최가 가능한 것과는 다르게 가상현실에서의 가상로봇경진대회의 경우는 참가자의 참여하는 방법에 대한 고려가 필요하다. 이 부분에 대해선 차후의 연구를 통해 참가자들이 가상경진대회에 원활히 참여가 가능하고, 최소한 실제 로봇경진대회와 유사한 대회 결과와 진행 이끌어 낼 수 있는, 가상경진대회의 참가자들의 참여 방식에 대한 모델의 연구가 요구 되는데, 이 모델에 대한 부분도 향후 연구과정으로 남겨둔다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	로봇에 대한 접근을 어렵게 만드는 것은 무엇인가?	오늘날 로봇을 제작하면서 부딪칠 수 있는 여러 가지 문제 중에서 가장 로봇에 대한 접근을 어렵게 만드는 것은, 로봇 제작시의 테스트와 테스트를 통한 수정 과정에서 로봇의 제작비용이 상당히 늘어나는 것에 대한 부담이 큰 축을 차지한다. 물론 기술적인 어려움으로 인해 로봇 제작에 어려움을 겪는 것은 논외로 한다[1].
	로봇의 제작비용이 상당히 늘어나는 문제점을 해결 할 수 있는 방안에는 무엇이 있는가?	이러한 문제점을 효과적으로 해결 할 수 있는 방안으로 상당히 다양한 분야에서 제시되고 있는 해결 방안으로, 시뮬레이터를 통한 시뮬레이션을 이용하여 미리 결과를 얻고 예측함으로써 보다 효과적인 제작결과를 얻을 수 있는 방법이 있다. 이 방법을 사용하면 효과적인 제작결과뿐만 아니라 제작과정 중에 불필요하게 발생하는 지출을 획기적으로 줄일 수 있는 이점이 있다.
	로봇 모델에 필요한 요소는 무엇으로 나뉘는가?	로봇 모델의 경우 필요한 요소는 크게 구동, 조향, 센서로 나눌 수 있으며 여기에 블록을 운반하고 집을 수 있게 해주는 로봇팔이란 요소가 필요하다. 구동부의 경우 흔히 차륜구동모델(differential drive model)이라고 하는 두 개의 바퀴의 회전 속도의 조절로 좌우 회전과 전후 운동을 할 수 있는 모델을 사용하였고, 이때 두 개의 바퀴만으로는 정지상태 안정성(Static stability)을 보장 받을 수 없기에 일반적으로 하나의 점을 접촉점으로 갖는 보조 기둥을 모델 밑에 장착시켜 3개의 접촉점을 이용해 정지상태안정성(Static stability)을 만족 시키게 된다[3].

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