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    학술행사 취재기 게시판 내용
    제목 인간형 스키로봇 개발 및 2018 스키로봇 챌린지 참가기
    작성자 정상봉,전영수,이석민
    작성일 2018-03-20 오후 3:42:45



    산업통상자원부가 주최하고 한국로봇산업진흥원과 한국산업기술평가관리원이 공동 주관한 스키 로봇 챌린지가 지난달 2월 12일 강원도 평창 웰리힐리파크에서 열렸다.

    평창올림픽 경기 중이어서 관객의 호응도 뜨거웠다. 발전하는 로봇기술에 대중화를 위해 스키로봇 챌린지는 평창 동계올림픽 개최에 맞춰 진행되었다. 국내 로봇기술에 대한 국민적 관심도 높이고 세계에 한국의 로봇기술을 알리기 위함이었다. 세계최초로 인공지능의 로봇들이 스스로 판단하여 움직일 수 있는 로봇기술을 선보이는 자리였다.



    대회는 국민대학교(R.O.K), 경북대학교(Alexi), 카이스트(TiBo), 명지대학교(MHSRP), 서울과학기술대학교(루돌프), 한양대학교(DIANA), 한국로봇융합연구원(SKIRO), ㈜미니로봇(태권브이) 8개 팀을 사전심의를 통하여 선별하였다. 이번 챌린지는 미리 사전심의를 걸쳐 1년여의 준비 기간이 있었다.


    로봇의 사이즈는 가벼운 무게가 동작 시 부하가 적고 넘어졌을 경우 파손의 위험이 덜하다는 생각에 가벼운 무게로 대회규정을 준수하고 가능한 작은 크기로 제작하는 것으로 방향을 잡았다. 상하좌우 무게 균형을 고려하여 제작하다 보니 75cm, 1.2kg 이 되었다.



    대회용 로봇은 팔꿈치와 무릎 관절이 있어야 하며 최소 15 이상의 자유도로 구성된 50cm 이상의 인간형 로봇을 전제로 상용 스키와 폴대를 장착하고 있어야 한다.
    필요시 자율주행에 필요한 영상, 힘/토그 센서 및 GPS 센서를 장착할 수 있는 옵션을 두고 참가팀 모두 자체 로봇을 개발, 제작하여야 한다.
    스키로봇 챌린지는 알파인 스키종목 중 활강속도와 회전기술을 겨루는 “대회전”을 모사해 5개의 기문을 통과한 점수와 시간 기록으로 순위를 결정하게 되는데 로봇은 5개의 기문을 스스로 인식하고 통과하는 자율주행 인공지능 기술을 경쟁하게 된다.


    2-1. 기문규정

     . 너비 70cm, 높이 50cm로 하고 설치는 바닥면에서 50cm로 한다.
     . 미러 천으로 하며 청색 및 적색 2가지를 교대로 사용한다.
     . 색상은 CMYK 코드 기준, 적색( M:100, Y:100), 청색(C:100, M:80) 로 한다.
     . 기문 너비는 5m로 하여 총 5개 설치하며 첫 기문은 출발선에서 10m에 설치하고 기문 간 간격을 15m로 설치하며 결승선에서 10m 이상 거리를 두고 마지막 기문을 설치한다.
     . 기문 색상 배치: 적색, 청색을 교대로 설치한다.


    2-2. 경기 규정

     . 길이 80m, 넓이 20m 의 경기장을 사용한다.
     . 순서결정전과 3회의 본 경기를 진행하여 3회의 본 경기 중 최고점수 기준으로 순위를 정한다.
     . 점수는 통과 기문 당 1점을 부여한다. 동일 점수에 대해서는 주행기록이 빠른 순서로 한다.
     . 출발 신호 후 3분이 지나도 도착하지 않거나 3분 내에 고장 발생 시 심판 승인 후 2명의 팀원이 진행요원의 동행 하에 로봇을 경기장 밖으로 이동시킨다. 이 경우 시간기록은 3분으로 처리한다.




    이번 대회는 1일 차, 2일 차 테스트 진행, 3일 차 본대회로 진행되었는데 매일 위치가 바뀌었다. 빨간색과 파란색으로 구성된 기문과 기문 사이 5m 너비를 통과하기 위해서 우선은 로봇에게 무엇이 기문인지 알려주어야 한다.

    저희 팀이 선택한 방식은 Color Tracking 방식으로 로봇이 파란색 또는 빨간색을 카메라를 통해 확인하게 되면 기문으로 인식하게 프로그래밍하였다. 만일 노란색 기문이 있었다고 가정하면 로봇은 기문으로 인식하지 못하고 그냥 통과하게 되는 것이다.

    다음 기문이 인식되었을 때 로봇이 어떻게 동작할지를 미리 결정하여야만 한다. 로봇이 두 개의 기문을 인지하면 중간을 통과할 수 있도록 몸체를 구성한 모터와 발목 모터의 각도를 조절하여 로봇의 중심을 이동하고, 좌, 우 방향 전환을 할 수 있도록 프로그래밍했다.

    이번 대회는 자율주행과 원격주행으로 나뉘는데 그림 상으론 일직선처럼 보이지만 실제 슬로프는 그렇지 않다. 자율주행경기는 로봇이 기문을 스스로 인식하고 통과하는 인공지능 기술을 경쟁하는 것이고 원격주행은 로봇을 사람이 조종기로 조종하여 내려오게 했다. 솔직히 대회는 자율주행만으로 진행될 예정이었으나 대부분 팀이 자율주행에서 실패하자 주최 측에서 원격조종 부분을 만들어 넣었다.



    우리가 만든 태권브이 로봇은 인간형 로봇이다.
    로봇 기구설계, 지능 및 제어기술의 개발을 기반으로 영상인식 및 자세 센싱 정보를 이용하여 외부환경을 인식하고 스스로 상황을 판단하여 미션을 수행할 수 있게 제작되었다.
    우선은 최대한 가벼우면서도 외부의 충격에 견딜 수 있도록 알루미늄으로 바디를 구성하여 기구를 설계하였다. 로봇이 스키 동작을 하기 위하여 팔 하나당 3개의 관절 서보모터, 다리 하나당 3개의 관절 서보모터, 발목 하나당 3개의 관절 서보모터, 영상처리용 카메라 방향 제어를 위하여 로봇의 머리에 2개의 서보모터, 골반 1개의 서보모터 도합 21개의 서보모터를 사용하였다.
    카메라를 통하여 들어오는 영상 이미지를 Color tracking 가 분석하고 이동속도를 확인하고 중심을 유지하도록 하도록 GPS 센서, IMU센서를 이용하였다. 또한, 이들 Unit을 제어하고 관장할 수 있는 제어 컨트롤러를 개발 제작하여 (주)미니 로봇에서 자체 개발한 소프트웨어 “roboBASIC”을 이용하여 알고리즘을 구성하였다.
    스키대회 미션 수행이 가능한 로봇 즉 ICT 융합형, 인간형 스키로 로봇의 플랫폼 기술 개발을 목표로 제작했다.
    인간형 스키 로봇이란 인간의 모양을 한 스키 로봇 이란 뜻이다. 인간형 로봇은 다른 말로 휴머노이드, 또는 2족 보행 로봇 등으로 불린다. 즉 바퀴 달린 로봇이 아니 두 발로 걷는 로봇이다.
    우리는 목표지향대로 플랫폼 개발에 심려를 기울였다. 플랫폼이란 기본형을 만들어 두고 사용자가 변형하여 사용할 수 있도록 하는 것이다. 즉 ICT 융합, 플랫폼(기본형)을 제작해두고 추후 인터넷, 빅데이터 등으로 활용해 사용할 수 있도록 가능성을 두고 제작한 것이다.





    로봇팔이 얼마나 자유롭게 움직일 수 있는가는 자유도(Degrees of Freedom)라는 말로 나타내고 있다. 로봇 팔의 관절이 위와 아래로만 움직여 쇠망치나 재단기 일을 하면 자유도 1이고, 아래위로 오르내리면서 회전하는 드릴은 자유도 2이다. 손가락에는 3개의 마디가 있고, 엄지는 2개의 관절이 있다. 엄지를 제외한 네 손가락의 각 마디는 모두 굴신할 수 있고, 각 손가락은 좌우로 움직일 수 있으므로 총 16의 자유도가 있다. 한편 엄지는 두 관절로 굴신하고 좌우로도 움직이며 다른 손가락과 달리 회전까지 한다. 그러므로 엄지의 자유도는 4이다. 이런식으로 다섯 손가락의 자유도를 찾아내어 모두 합하면 20이 된다.

    실제 스키 슬로프 환경에서 인간형 로봇의 기본 작동을 구현하여 학습할 수 있는 플랫폼 개발을 위해 21자유도를 적용하여 자율 보행 및 자율 스키 활강이 가능하도록 설계하였다.
    자유도 20의 기능을 자유롭게 할 수 있도록 프로그램을 한다는 것은 간단하지 않다. 로봇 관절을 구성하는 서보 모터의 각도와 속도를 조절하면서 여러 동작을 만들어야 하며 이를 조합하면 걷기, 앉기, 뛰기 등의 인간 동작을 만들어 내야 한다. 로봇의 스키 동작들은 관절 모터의 각도와 속도를 조절하면서 만들어지는 것이기에 매우 어렵다.




    외부 환경을 인식하여 스키 슬로프의 장애물을 피하여 하강할 수 있도록 모터를 구동하고 슬로프 경사의 돌발 상황에서 자세 제어를 하기 위해서는 여러 부품의 조합이 필요하다. 아래는 부품에 대한 설명이다.


    3-1. 로봇 구동용 서보모터

    인간형 스키로봇의 Mechanism을 구성하는 서보모터는 속도와 힘(토크)이 적정하여야 하며, 로봇 전체를 제어하는 컨트롤러에서 명령하는 일정 각도를 유지하는 기능과 현재 유지하는 각도를 다시 컨트롤러에 보내는 피드백(Feed-back) 기능을 내장하고 있어야 한다. 이러한 기능을 구현하는 모터를 개발하기 위해서는 고속 정밀의 DC 모터와 감속 기어, 모터 구동 회로 및 모터 제어 컨트롤러가 필요하며, 로봇의 구성에 필요한 각종 파라미터의 설정, 로봇 컨트롤러와의 통신 등의 기능을 포함하도록 하였다.



    3-2. 영상인식 시스템 (장애물 회피용)

    영상인식은 Color Tracking 방식을 사용하였고 이는 고성능 컴퓨터에서나 가능했던 영상처리를 저전력 소형화된 임베디드에서 스스로 처리하는 영상처리 방식이다. 최대 10종류의 색상추출을 동시 추적 가능하며, UART 통신으로 색상정보와 위치 데이터를 처리할 수 있도록 하였다. 이로 인하여 영상처리에 대한 부담이 없어지고 다양한 보드와 결합하여 다양한 응용이 가능한 영상처리 센서가 된다. 인간형 스키로봇은 소형화된 본 영상센서를 이용하여 영상처리가 더욱 간단하게 하였다.


    그림11 처럼 카메라를 통해 영상이 들어오면 영상인식 시스템은 빨간색 과 파란색을 찾아내고 이를 기문으로 인식한다.


    3-3. MU센서 모듈 (Inertial:관성; Measurement:측정; Unit:장치/관성측정장치)

    이동관성을 측정할 수 있는 가속도계와 회전관성을 측정할 수 있는 자이로계와   방위각을 측정할 수 있는 자계로 이루어진 하나의 통합 Unit을 말한다.
    3차원 공간 내에서의 자유로운 움직임을 측정하기 위하여 각 센서(가속도,자이로,  지자계)를 3축으로 구성해서 하나의 통합된 Unit을 구성하였다.

    3-4. 제어 컨트롤러


    제어부의 소프트웨어 4개의 부분으로 구성하였는데 모터의 실시간 제어를 처리   하는 모터제어 처리 부, 작성된 사용자 프로그램을 해석하여 동작시키는 명령어   해석기 부, 컴퓨터와의 통신을 수행하는 인터페이스 처리 부, 각종 센서 신호를   입력 처리하는 신호처리부로 구성되었다.


    3-5. 모션제작


    스키의 기본 동작인 프르그 화렌 (A 자세활강), 프르그 보겐 (A자 턴), 슈템턴(A  자 평행 회전)을 기본으로 페러럴 턴 (평행 회전), 카빙턴(무감속 회전)을 응용동  작으로 하고 눈밭 평지 보행 시 크로스컨트리 주법을 구성 할 수 있도록 로봇 동  작 모션을 프로그래밍 하였다. 각 관절은 관절구동 모터에 의해 구동되며, 로봇의  행동은 관절운동의 조합으로 구성하였다.



    본선이 이루어지는 2월 12일 이전 2일부터 테스트를 하여 슬로프 실제 환경 적응훈련을 실시하였다.


    4-1. 대회 2일전 테스트 (D-2)


     - 테스트 결과: 12회 주행, 4회 성공 33% 성공률


    - 결과 분석 및 대응


    . 기문색깔 (빨강, 파랑)외 하늘색 인식 --- 로봇 머리각도 조절
    . 관람객 스키복 (빨강, 파랑계열) 색 인식 --- 영상인식센서 민감도 조절
    . 기문은 인식하나 관성에 의한 미끄러짐으로 회전이 어려움 --- 모터 반응속도 조절

    - 추가사항

     . 날씨 및 시간대별 온도차로 인한 눈 상태 변동 대책 필요



    4-2. 대회 1일전 테스트 (D-1)

    - 테스트 결과

     . 10회 주행, 6회 성공 60% 성공률


    - 결과 분석 및 대응:


    - 기문 인식 --- 양호
     . 관성에 의한 미끄러짐으로 회전이 어려움
     . 시간대별 온도차로 인한 눈 상태 변동이 원인

    - GPS 좌표를 이용하여 구간별 속도를 측정하고 속도에 따른 미끄러짐계수를 적용하여 모터반응속도 조절

    - D-2, D-1 테스트 총평:


    기문 인식은 대체적으로 양호하나 바람이 심할 경우 깃발의 펄럭임 정도나 햇빛의 빛 반사에 의한 색 변동을 완벽하게 극복하지는 못하였다. 미끄러짐 계수를 적용한 모터반응속도 조절 방식은 관성에 의한 미끄러짐 현상을 막을 수 있을것으로 예상된다.


    4-3. 대회당일 본선 D-day


    대회 본선은 식전공연 및 선수단 입장, 국민의례, 개회선언 순으로 축제 분위기 속에 캐스터 허준, 로봇전문가 고경철 교수의 맛갈스러운 중계로 자율주행부문과 번외 경기로 원격조종부문이 진행됐다.

    그날따라 매서운 추위와 강풍은 로봇에게 악조건이었다. 5개의 기문을 모두 통과한 로봇은 8대중 2대에 불과했고, 대부분의 로봇은 깃발에 부딪혀 속도를 이기지 못하고 넘어졌다.

    아직까지 인간형 인공지능로봇은 걸음마 수준이지만 IT 와 로봇 그리고 인공지능의 융합기술의 토대를 마련했다는 것에 의미 있는 출발점이다. 


    - 대회 결과



    대회 준비를 위해서 설계하고, 제작하고, 시험하면서 배운 점도 많았지만 그만큼  아쉬운 부분도 있었다. 대회 기간 동안 여러 가지로 힘들었던 8개 팀 모두에게 고생했다고 전하고 싶고 대회 전반적인 과정을 준비하면서 얻은 경험과 기술 분석을 토대로 대한민국 로봇산업 발전에 디딤돌이 되었으면 하는 마음이다.








    Q: 태권브이의 특징과 장점 등 다양한 기능에 관해 설명 부탁드립니다.

    A: 태권브이는 2족 보행이 가능한 휴머노이드 로봇입니다. 75cm의 키와, 12kg 의 무게로 제작되었고요, 21개의 관절 모터, 영상인식용 카메라 및 GPS 센서, IMU 센서 등으로 구성되어 있습니다. 카메라를 통해서 영상 이미지가 들어오면 이를 분석하고 좌, 우 방향을 결정하여 모터를 구동하면 전진 및 회전을 하는 알고리즘을 가지고 있습니다. 현재는 스키를 탈 수 있도록 방향전환 및 중심을 잡는 등의 기능만 있지만, 알고리즘을 변경하면 걷기, 차기 등의 여러 응용 동작이 가능합니다. 비교 대상이 없기에 딱히 이것이 장점이라고 말하기는 어렵지만 보다 적은 비용으로 튼튼하고 효율 높은 로봇을 말 들었다고 할 수 있습니다. 대회 이후 다양한 용도로 활용될 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.


    Q: 스키로봇을 개발하게 된 배경.

    A: 2017년 3월에 로봇산업진흥원에서 주관하여 스키로봇챌린지를 국책과제로 공고하였고 재미있겠다 싶어 신청하였는데 덜컥 승인되는 바람에 시작하게 되었습니다. 사실 (주)미니 로봇이 추구하는 방향이 무조건 재미있어야 한 다거든요 ^^


    Q: 개발 및 대회준비 과정에서 힘들었던 점이나 특별한 에피소드가 있다면.

    A: 대회에 참가한 팀은 6개의 대학연구팀, 한국로봇융합연구원, 기업체로는 미니 로봇이 유일합니다. 기업대표 겸 국가대표라고 저희 끼기로 농담하기도 했습니다. 무엇보다 시간이 부족한 것이 제일 힘들었던 것 같습니다.

    스키 로봇 연구에만 전념할 수 있는 여건이 아니다 보니 겨우 3개월 정도의 개발시간이 있었던 것 같아요. (주)미니 로봇은 이윤을 추구하는 기업체 이다 보니 기존 판매제품 관련된 일들이 우선시 될 수밖에 없어요. 스키 로봇 개발에만 매달려 있을 수 없다 보니 애초에 계획한 일정보다 많이 늦어졌습니다. 시간이 좀 더 있었다면 완성도를 높일 수 있지 않았을까 하는 아쉬움이 있습니다.


    Q: 국내 8개 팀과 다른 참가자들에 비교해 어떤 기술적 유리한 점이 있었는지.

    A: 모든 참가자는 각자의 방법으로 각자의 로봇을 제작합니다. 다른 팀들의 어떠한 방법으로 제작했는지 알 수가 없지요, 알 수가 없으니 비교도 불가능합니다.
    저희 생각으로는 저희가 생각하고 고안한 방법들을 적용하여 최적의 알고리즘을 찾아내는 것에 몰두했는데 나머지 팀들보다 조금 더 최적화된 알고리즘이 적용된 것 같습니다.

     

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    전체댓글3

    사용자 프로필 이미지
    |2018.06.14
    이런 대회가 많을수록 이거저것 여러가지 기술적인 시도도 많이 진행해 볼거 같습니다. 점점 나아지는 대회가 되기를..
    댓글 입력란
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    사용자 프로필 이미지
    |2018.03.22
    매우 신기합니다. 역시 로봇이 경기하는건 아직 한계가 있는듯하지만 외형은 너무나도 비슷해서 정말 멀리서 보면 사람같다는 생각이 들정도입니다. 취재기를 통한 자세한 로봇에 대한 내용을 알게 되어 유익했습니다. 감사합니다.
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