기계·로봇 연구정보센터

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고속 자율주행 배달로봇의 동적균형제어에 관한 연구

최동일( Dongil Choi)(명지대학교 기계공학과) / dongilc at mju.ac.kr 2021-06-24

1. 본인의 연구에 대해서 자세한 소개를 부탁 드립니다.

- 저는 명지대학교 기계공학과에서 다양한 로봇을 개발하고 있습니다. 과제나 연구를 위한 로봇 말고도 개인적으로 테니스 치기를 좋아해서 테니스 연습을 위한 로봇을 개발해보거나 3D 프린터로 로봇 액추에이터 모듈 및 6자유도 로봇팔을 만드는 등, 주로 연구를 통해 즐기면서 일하는 것을 목표로 하고 있습니다. 저희 랩의 이름은 다이나믹 로봇 제어 연구실 (Dynamic Robot Control Lab.)로 로봇을 개발하고 제어하는 일을 주로 합니다. 로봇을 개발하는데 있어서 설계와 제어, 하드웨어 시스템 구축, 소프트웨어 구현 등과 같은 여러 단계의 기술적 노하우가 필요한 데, 저희 랩에서는 이러한 하드웨어 적인 연구의 부분에 좀 더 집중하여 연구를 진행합니다.

영상: 테니스 연습 로봇

영상:6자유로 로봇팔을 탑재한 모바일 머니퓰레이터 시뮬레이션

2. 한국산업기술평가 관리원, 한국연구재단 등 여러기관의 지원을 통해 현재 많은 프로젝트를 진행하고 계신거 같습니다. 어떤 연구들인지 소개를 부탁드립니다.

-한국산업기술평가 관리원 과제로는 신개념 로봇용 감속기 개발을 진행중에 있습니다. 기존의 로봇 관절에는 주로 하모닉드라이브와 같은 고가의 감속기를 장착하였고 이는 주로 일본의 하모닉드라이브사의 제품을 사용하여 로봇 개발에 있어 가격적으로 큰 비중을 차지했습니다. 최근에는 중국 및 국내에서 개발된 하모닉드라이브가 있어 나아지긴 했지만, 여전히 일본 제품의 의존도는 높다고 할 수 있습니다. 최근에는 로봇에 사용되는 모터가 지름이 크고 두께가 좁은 토크 모터의 사용이 보다 많아졌고 이에 따라 높은 감속비를 내는 하모닉드라이브 감속기에 비해 보다 낮은 감속비에서 보다 좋은 역구동성을 지닌 감속기의 수요가 늘어나고 있습니다. 이는 로봇이 인간환경에서 사용되는 예가 늘면서 환경에서 받는 힘에 대한 역구동성을 높여 보다 환경에 순응할 수 있는 로봇의 필요성이 높아졌기 때문입니다. 저희가 진행하는 신개념 로봇용 감속기 프로젝트는 이러한 측면에서 유성감속기와 정밀나노 가공 공정을 이용한 역구동성이 높은 감속기를 개발하는 것을 목표로 하고 있습니다.

- 한국연구재단에서 진행중인 과제는 “고속 자율주행 배달로봇의 동적균형제어에 관한 연구”로 최근 음식 배달 로봇등이 실용화를 앞두고 있는데 이를 보다 고속으로 가능하게 하는 배달로봇에 대한 연구입니다. 음식, 커피와 같은 유동성이 높은 물체는 이송중에 높은 가속력이 가해질 경우 원치 않는 상황이 벌어질 수 있어 이를 제어를 통해 적절히 조절하여 빠른 가감속으로 움직이는 상황에서 안전성을 유지하는 방법에 대한 연구입니다. 기본적으로 로봇이 이동할 경로가 주어지면 MPC(Model Predictive Control)을 이용한 모션 계획법을 통해 로봇의 상부에 놓인 물체에 가해지는 원심력 등을 상쇄시킬 수 있는 상부 트레이의 기울기를 계산하여 이를 통해 물체를 안정화 시킵니다. 현재는 Gazebo 시뮬레이터를 이용하여 로봇이 빠른 가속력으로 움직이더라도 물체를 안정적으로 이송시킬 수 있는 기술에 대한 검증을 마친 상태이며 올해 하반기에 하드웨어 개발을 완료할 계획입니다.

영상: 고속 자율주행 배달로봇의 Gazebo 시뮬레이션

3. VESC 기반의 모터 콘트롤러인 VESCular6 (VESC6 + Circular)를 직접 판매도 하고 계신거 같습니다만, 어떤 장점이나 특징이 있는지 소개를 부탁드립니다.

- VESC는 스웨덴의 Benjamin Vedderb가 2015년에 개발한 오픈소스 모터제어기로 다양한 크기와 종류의 DC 및 BLDC를 제어하는데 사용할 수 있습니다. 기본적으로 전동스케이트보드를 자작(DIY)하기 위한 목적으로 개발되었는데, 모터제어성능이 뛰어나고 사용성이 훌륭하여 로봇의 모터제어에도 활용하고 있습니다. VESC 오픈소스 데이터는 초창기 PCB기판에 대한 기술 및 Firmware가 공개가 되어있는데, 최근에는 상용화가 진행되면서 PCB기판에 대한 기술은 공개가 되고 있지 않은 상태입니다. 저는 VESC 모터제어기를 2016년도부터 꾸준히 사용하면서 VESC 모터제어기 기술을 채득하고 이를 응용하여 로봇제어에 특화된 VESCular6 모터제어기를 개발하였습니다. VESCular6 모터제어기는 VESC6 + Circular로 이름에서도 알 수 있듯이 원형 타입의 VESC기반 모터제어기 입니다. 기존 VESC Firmware가 100% 호환되면서 소형으로 로봇 액추에이터에 내장되어 사용하기 좋도록 만들어졌습니다. 이외에도 VESCuino (VESC + Arduino) 제품도 개발되었는데 이는 Arduino Shield 타입으로 아두이노에 적층 시켜 사용할 수 있는 제품입니다. VESCular6와 VESCuino 제품이 기존 VESC와 차별되는 가장 큰 특징은 로봇 관절의 정확한 위치제어를 위한 제어알고리즘에 있습니다. 이는 기존의 VESC에는 없는 기능으로 VESC의 기본 Firmware는 Duty, Current 제어 성능은 매우 우수하지만 로봇에서 주로 사용하는 위치제어 성능은 부족한 면이 많습니다. 저는 이를 보완하여 저속 및 고속 구동의 모든 영역에서 정확한 위치, 속도제어가 가능한 제어알고리즘을 개발하였습니다. 현재 DRCL에서 개발중인 모든 로봇의 관절은 이 VESCular6 모터제어기를 이용하여 개발되고 있으며 상위제어기로 ROS를 사용할 수 도 있고, 혹은 Python GUI 프로그램을 이용하여 제어할 수 있어 다양한 연구자들의 수요를 만족시킬 수 있을 것으로 보고 있습니다. 두 제품 모두 네이버 스마트 스토어에서 구매할 수 있습니다. 제품을 판매하기 위해 사업자를 설립하였고 현재 교수이면서 스타트업 대표를 겸하여 일하고 있습니다. 로봇 연구자 분들이 주로 구매를 해주시고 계시며 추후에는 본 제품을 이용하여 대학에서 BLDC 모터제어기에 대해 전문적으로 교육할 수 있도록 교제 출판을 목표로 하고 있습니다.

네이버 스마트스토어 판매링크: https://smartstore.naver.com/ctvt

VESC 사용 Tutorial 홈페이지: https://dongilc.gitbook.io/openrobot-inc

4. 네이버 로보틱스에서도 연구를 하신걸로 알고 있습니다. 주로 어떤 연구를 담당 하셨는지(Personal Last-mile Mobility, AIRCART), 또한 네이버 로보틱스에 관심을 가지신 분들이 많이 있을텐데, 어떤 분위기 인지 소개해 주세요.

-네이버랩스(Naver Labs) 로보틱스연구실에는 2016년도부터 2018년도까지 2년반 정도를 근무하였습니다. 네이버랩스 로보틱스 연구실에 영입된 3번째 박사 연구원으로 과히 초창기 맴버라고 할 수 있습니다. 제가 네이버에 입사할 때만해도 네이버에서 로봇을 한다고 하면 주변사람들의 반응이 시큰둥하였습니다. 그동안 많은 로봇과 기술들을 발표하면서 현재는 로봇계에서 높은 위상을 가진 기업으로 성장하였지만 그 당시에는 그랬습니다. 인터넷 기업인 네이버가 로봇을 한다는 데에서 일단 갸우뚱 했고, 기업에서 로봇으로 높은 이윤을 창출 할 수 없는 시기이기도 했기 때문에 네이버에서 로봇연구에 대한 지원을 오랜 시간 지속할까 에 대한 의문도 있었던 거 같습니다. 2016년으로부터 5년이 지난 지금 네이버랩스는 지속적으로 성장하고 있고 로봇에 대한 관심은 더욱 뜨거워지고 있으니 앞으로가 더욱 기대가 되는 기업이라고 할 수 있습니다. 네이버랩스에 있으면서 랩스에서 개발한 바퀴가 달린 로봇은 거의 모두 개발에 참여하였다고 볼 수 있고 그 때에도 VESC 모터제어기를 이용하였습니다. 특히, Personal Last-mile Mobility, 가칭 SMG (Sports Mobility Gear)로 불리는 로봇은 밸런싱 전동스케이트 보드로 사람이 타서 기울어짐에 따라 제어가 가능한 전동스케이트보드입니다. SMG는 컨셉에서부터 제어, 테스트 심지어 메이킹 비디오도 직접 출연하여 찍었기 때문에 애착이 많이 가는 “내 작품이다”라고 말할 수 있는 로봇이 되겠습니다. 아쉽게도 퇴사를 하면서 이젠 만질 수 없게 되었지만 언젠가는 다시 타보고 싶은 로봇입니다.

영상: Personal Last-mile Mobility 메이킹

5. Dynamic Robot Control Laboratory (DRC LAB)에 대해서도 소개를 부탁드립니다. 현재 어떤 프로젝트를 진행하고 있으며, 또한 어떤 학생들이 지원하면 좋을런지 말씀해 주세요.

-DRC Lab에서는 재미있게 로봇을 개발할 수 있는 열정이 있는 학생을 선호합니다. 로봇을 개발한다는 것은 여러가지 측면이 있지만 기본적으로 하드웨어적인 부분의 개발이 우선이 되어야 하고 이른바 손재주가 있는 학생들이 이런 부분에 대한 강점을 가지게 됩니다. 하드웨어 개발은 사실 제작하는 과정에서 시간도 많이 소요되고 허드렛일도 많습니다. 전선을 납땜한다든가 드릴을 이용해서 구멍을 내는 등 육체적인 노동이 필요한 경우가 많기 때문에 이를 잘 하기 위해서는 기본적으로 체력과 손재주가 필요합니다. 다행이도 저희 명지대학교에는 이른바 손재주 좋은 학생들이 많아서 현재 5명의 석사과정 학생과 2명의 학부연구생이 로봇 개발에 참여하고 있습니다. 각자 잘 할 수 있는 분야가 무엇인지 파악하고 학생이 재미있게 할 수 있는 분야를 추천해주어 연구를 진행할 수 있도록 유도합니다. 저희 랩에서는 로봇의 하드웨어 적인 일만 진행하는 것은 아닙니다. 한 학생은 머신러닝을 이용하여 로봇의 위치정보를 파악하는 머신비전 관련 연구를 하고 있고 한 학생은 딥러닝등을 이용하여 테니스공의 위치를 추적, 예측하는 연구를 수행하고 있습니다. 로봇의 개발을 대전제로 두고 이를 수행하기 위한 여러 단위 기술을 각자 맡아서 진행한다고 보시면 되겠습니다.

6. 영향을 받은 연구자가 있다면? 또한 어떤 영향을 받으셨는지 궁금합니다.

-저의 지도 교수님이셨던 KAIST 오준호 교수님을 존경합니다. 작년에 KAIST 교수직에서는 은퇴를 하셨지만 현재는 ㈜레인보우로보틱스를 경영하시고 계십니다. ㈜레인보우로보틱스는 오준호 교수님의 KAIST 연구실인 휴보랩에서 Spin-off 되어 나온 기업으로 현재는 국내 KOSDAQ 상장사로 성장하였습니다. 오준호 교수님은 휴보의 아버지로 유명하시고 로봇계에서는 이분을 모르시는 분은 아마 없으실 것입니다. 오 교수님이 이루신 많은 업적이 있으시지만 저는 무엇보다 연구에 대한 지치지 않는 열정을 존경합니다.

7. 연구활동 하시면서 평소 느끼신 점

- 저의 연구분야에서도 패러다임이 바뀌고 있는 것을 많이 느낍니다. 과거 휴보랩에서 로봇을 개발할 때는 연구실에서 쌓아온 여러가지 노하우를 선배로부터 전수받아서 사용하고 또 발전시켜 후배에게 물려주는 다소 폐쇄적인 방식이었습니다. 하지만, 현재는 하드웨어 및 소프트웨어 기술을 오픈소스로 공유하고 이것이 경계없이 전달되어 보다 빠른 기술적 성장이 가능하게 되었습니다. 즉, 기술이란 것이 어느 한 집단의 전유물이 아니라 많은 사람들과 함께 개발하는 공동의 결과물로 변화하고 있다는 것입니다. 따라서, 앞으로의 경쟁력은 다른 사람들의 기술을 빠르게 수용하고 이를 내 것으로 만들어서 또다른 결과물을 창조해내고 이를 다시 공유함으로써 기술의 발전을 도모할 수 있는 방향으로 진행될 것입니다. 기존에 소프트웨어 개발이 이러한 방식으로 진행되었고 이러한 방식은 이제 하드웨어 개발 분야에도 빠르게 적용되고 있습니다. 대표적으로 Hackaday.io라는 사이트에서는 이러한 하드웨어 개발 프로젝트를 공유하고 여러 사람들과 의견을 나눌 수 있는 SNS방식의 플랫폼이 제공됩니다. 저도 Hackaday.io에 제가 개발한 프로젝트를 공유하여 여러 사람들의 의견을 받고 있습니다. 이를 통해 프로젝트의 발전 방향을 점검하고 프로젝트에 도움이 되는 다양한 정보도 얻고 있습니다. Hackaday.io와 같은 사이트에서 활동하다 보면 아쉬운 점은 한국인을 찾기가 쉽지 않다는 것입니다. 주로 중국인이나 유럽인, 미국인들이 많이 활동하고 있어 국내 개발자들의 활동이 앞으로 많이 늘어나길 바래 봅니다.

DRCL Hackaday 사이트: https://hackaday.io/projects/hacker/421977

8. 이 분야로 진학(사업) 하려는 후배들에게 조언을 해 주신다면?

-로봇 하드웨어 개발자는 과거에도 필요했고 앞으로도 많이 필요하다고 생각됩니다. 과거에는 하드웨어 개발에 대한 노하우가 연구실에서 선배가 후배에게 직접 전수해주는 방식이 대부분 이었다고 하면, 이제는 Youtube의 발달로 동영상으로 찍어서 공유하는 것이 가능 해졌습니다. 즉, 하드웨어 개발에 대한 노하우를 Youtube를 통해 온라인으로 배우고 이를 실습하면서 실력을 키울 수가 있게 된 것입니다. 인터넷에서 많은 정보를 수집하고 찾아낼 수 있는 것 또한 경쟁력이 된 세상입니다. 관심이 있는 분야가 있다면 스스로 찾아서 학습하는 능력을 키우는 것이 중요하다고 생각합니다.

9. 앞으로 진행할 연구 방향이나 목표가 있으시다면?

-2015년 DRC 휴보가 세계 대회에서 우승을 하면서 전세계에 우리나라 로봇기술력을 과시한 적이 있었습니다. 6년이 지난 지금 중국의 약진이 무서울 정도이고 미국의 보스톤 다이나믹스로 대표되는 로봇 기술력은 현재 족형로봇기술에 있어서 한국을 한참이나 앞서 나가고 있음을 확인시켜주고 있습니다. 물론 현대자동차가 보스톤 다이나믹스를 인수하면서 앞으로의 행보가 기대가 됩니다만, 한국의 로봇 기업의 경쟁력에 많은 우려가 되는 것이 사실입니다. 앞으로 목표가 있다면 한국에 경쟁력 있는 로봇기업이 더욱 늘어나서 실질적인 수요가 창출되고 로봇 산업이 부흥되는데 일조 할 수 있었으면 좋겠습니다. 올해 초 저는 OpenRobot, Inc이라는 로봇 스타트업을 차렸습니다. 현재는 1인 기업으로 갈 길이 멀지만, 궁극적으로는 한국을 대표하는 로봇 기업으로 성장시키고 싶습니다.

* 최동일 교수의 최근(대표) 논문

[1] Dongil Choi, "Development of Open-Source Motor Controller Framework for Robotic Applications," in IEEE ACCESS, Vol.8, No.1, pp.14134-14145, DOI: 10.1109/ACCESS.2020.2965977, Jan 2020.

[2] Mingeuk Kim, Dongil Choi, “Design and Development of a Variable Configuration Delivery Robot Platform,” in International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, Vol.20, No.10, pp.1757-1765, DOI: 10.1007/s12541-019-00188-9, October 2019.

[3] Dongil Choi, “Model Predictive Control of Autonomous Delivery Robot with Non-minimum Phase Characteristic,” in International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, Vol.21, pp. 883-894, DOI: 10.1007/s12541-019-00303-w, Jan 2020.

[4] Dongil Choi, Minsu Kim, Hyeongkeun Kim, Jonghun Choe, Moses C. Nah, "Motion Planning of Autonomous Personal Transporter using Model Predictive Control for Minimizing Non-minimum Phase Behavior," in 15TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON UBIQUITOUS ROBOTS (UR2018), Hawaii, USA, 2018, pp. 362-368, Winner Of Best Application Paper Award.

[5] Dongil Choi, Jun-ho Oh, “Motion Planning for a Rapid Mobile Manipulator Using Model-based ZMP Stabilization,” in Robotica, Vol. 32, No. 6, 05 November 2014.

Motion Planning
Robot Control
Intelligent Actuators
Open-source Hardware

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