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SEOULTECH 지능로봇 대회 대통령상 수상기

김현우 (금오공과대학교 기계시스템공학과) 2021-11-15

서울테크 지능로봇 대회는 통칭 SRC IRC로 불리는 대회로 서울과학기술대학교에서 개최하는 아시아 최대 로봇경진대회이다. 국제규모의 로봇경진대회를 개최함으로써 산업화 로봇의 기술발전과 인력양성, 국제팀간의 기술 교류 및 커뮤니티 형성, 세계 최대 지능 로봇대회를 위한 로봇기술 발전 및 교육을 통한 기술 진입장벽 해소를 목표로 하고 있다.

ㅇ서울테크 지능로봇 대회 - 지능형 창작로봇 개요

- 대회 목적
① 다양한 형태의 지능형 로봇의 구조와 성능, 이동방법 등에 대한 새로운 연구 진작
② 사람, 동물, 곤충 등의 동작 또는 신체구조를 모방한 지능형 로봇기술의 개발장려
③ 재활, 보조 및 웨어러블 로봇 기술의 개발 장려

- 대회 소개
① 참가 가능한 로봇의 종류는 자유로운 형태로 지능형이고 창작형이어야 한다.
② 로봇의 특징적 동작을 시연 및 구조의 독창성과 운동성능을 겨루는 대회이다.

- 대회 관련 활용 기술
① 단순하고 신뢰성이 높은 동작 메카니즘을 구현하기 위한 설계 및 가공기술
② 마이크로컨트롤러와 소프트웨어를 활용한 프로그래밍 기술
③ 센서류 및 모터 등 액츄에이터 구동을 위한 제어 기술

- 참가 로봇
① 참가하는 지능형 로봇은 특징과 동작을 잘 표현하여 참가팀이 스스로 제작한 창작 형태이 어야 하며, 기존에 판매중인 상품화된 로봇은 출전할 수 없다.
② 지능형 로봇의 크기에는 제한이 없다.
③ 한 팀에서 특정한 동작을 구현하기 위해 여러 대의 로봇이 출전하는 경우에는 종류에 상관없이 최대 3대의 로봇으로 제한한다.
④ 휴머노이드 로봇은 휴머노이드 로봇대회가 따로 있으므로 단독으로 이 대회에 출전할 수 없으나, 휴머노이드가 아닌 다른 형태의 로봇과 같이 협력 동작을 할 경우에는 출전가능하다.

- 경기 일반규정
① 모든 참가팀은 자유롭게 로봇의 동작과 특징을 효과적으로 표현할 수 있다.
② 한팀당 발표는 5분 이내, 동작시연은 5분 이내로 하고 2분의 질의응답시간을 가진다.
③ 로봇동작에 필요한 전원은 배터리를 장착할 수도 외부전원을 사용할 수 있다.

- 심사 규정
① 주최 측에서 대회참가 로봇의 심사를 위해 교수를 포함한 5명 이내로 심사위원회를 구성한다.
② 심사위원회는 로봇의 특징적 구조와 동작, hardware 및 software 등 로봇의 모든 사항을 심사하고 평가한다.
③ 심사는 사전심사와 본선 최종심사로 이루어진다. 사전심사에는, 참가신청시 제출한 로봇 작품 개요서와 시연영상에 대해서 실시하고, 본선 최종심사 배점방식은 기구구조(20), 회로 및 센서(20), 동작 구현(20), 창의성(20), 난이도(10), 호응도(10)의 합으로 구성된다.
④ 로봇 작품 개요서에는 참가로봇의 구조와 동작의 특징, 구동 소프트웨어에 관한 내용을 포함하며, 심사위원회는 이를 바탕으로 사전심사를 하여 출전 자격을 결정할 수 있다.
⑤ 본선 대회 당일, 대면심사로 이루어지며 5분이내의 포스터 발표와 5분 이내의 동작 시연으로 평가하며, 사전 제출한 시연 동영상은 참고자료일 뿐 평가에 포함되지 않는다.
⑥ 본선 대회 당일, 문답심사는 동작시연을 마친 모든 경연자들을 대상으로 이루어지며, 경연자들은 로봇에 관한 심사위원들의 모든 질문에 직접 성실히 답변하여야 한다.
⑦ 본선 대회 당일, 정해진 심사시간에 팀원모두가 심사장소에 있어야 하며, 부재시 실격처리한다.

본 대회에서는 휴머노이드 로봇스포츠와 서울테크 지능로봇 부문이 있다. 우리가 참가한 대회는 서울테크 지능로봇 부문 중에서도 지능형 창작로봇이다.

‘험지극복을 위한 이동형태 변형 로봇’의 연구 목적은 재난 및 재해 현장에 접근하고자 할 때 로봇을 활용하는 경우가 많다. 그러나 다리만을 이용하는 로봇은 현장에 신속하게 도착을 하지 못하고, 바퀴만을 사용하는 로봇은 장애물과 같은 험지를 극복하지 못한다. 하나의 특정 상황에 각기 다른 로봇을 사용하는 것은 시간과 비용적인 측면에서 효율적이지 못하다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 로봇이 평탄한 지형에서는 바퀴로 구동할 수 있고, 장애물을 마주쳤을 때는 다리를 사용할 수 있도록 주변환경에 맞게 다리-바퀴 변형이 가능한 로봇이 필요하고 느껴 연구를 시작했다.

본 연구에서는 자체적으로 환경을 인식하고, Fig. 3에 나타난 바퀴주행모드로 전환이 가능한 변형 로봇을 제안하였다. 장애물을 만났을 때 다리보행모드로 장애물을 극복하고, 평탄한 지형에서는 바퀴주행모드로 고속주행을 할 수 있게 설계하였다.

또한, 주변 환경을 인식하기 위해 레이저 센서를 부착하였고, 비평탄 지형에서 IMU 센서를 통해 본체의 기울기를 실시간으로 측정하여 로봇에 부착된 4개의 다리를 측정값에 따라서 펴고 접음으로써 항상 수평을 유지할 수 있게 설계하였다. 그리고 카메라 및 통신 모듈을 이용하여 상황에 맞게 모터를 제어할 수 있는 제어 알고리즘 및 운영 프로세스를 개발하였다.

하드웨어 설계는 다리부와 본체부로 나눠서 설계했다. 먼저 다리부는 Fig. 4(a)와 같이 2개의 링크로 이루어진 다리를 설계하였다. 이와 같은 2개의 링크를 결합하면 Fig. 4(b)와 같은 형상이 나오게 된다. 2개의 링크를 겹치면서 낮은 무게중심을 유지하면서 안정적인 주행이 가능하게 하였다.

로봇의 본체에는 환경인식을 위한 하드웨어들이 부착된다. Fig. 5와 같이 로봇의 전면부에는 장애물과 로봇 사이의 거리를 측정하는 레이저 센서와 실시간으로 로봇 상황을 볼 수 있는 카메라 센서가 부착되고, 하단부에는 높이를 측정하는 레이저 센서와 로봇의 기울어진 각도를 측정하는 IMU 센서가 부착된다.

본체를 제작할 때 앞에서 말한 하드웨어들이 부착될 위치를 고려하여 제작하였다.

다리보행모드에서는 무게중심을 항상 고려하여 균형이 무너지지 않게 해야 한다. 따라서 모든 움직임마다 균형이 유지되도록 지지다각형을 고려한다. Fig. 6(a)처럼 로봇이 험지극복을 위해 다리를 들어 전방으로 뻗게 된다.

이때 로봇의 무게중심 G_1이 지지다각형에서 벗어나게 되고 균형을 유지하지 못하게 된다. Fig. 6(b)과 같이 무게중심을 지지다각형에 포함하기 위해 무게중심 공식 (1)을 이용하여 계산을 바탕으로 다리부 C를 계산값 T만큼 이동시킨다.

그 결과 변화한 무게중심 G_2가 지지다각형에 내부에 위치하게 되고 로봇의 균형이 유지된다. 이와 같은 방법으로 안정적인 다리보행모드를 제어하였다.

‘험지극복을 위한 이동형태 변형 로봇’은 Fig. 7과 같은 모바일 기기와 로봇 사이의 상호작용이 있다. 한다. 사용자가 원격으로 로봇을 조작할 수 있도록 블루투스 모듈을 이용하여 모바일 기기와 연결되고 카메라 센서를 활용하여 로봇의 상황을 전송받아 로봇의 움직임을 사용자가 수동으로 제어할 수 있다.

본 로봇에서 사용된 부품들의 상세 정보들은 Table 1에 정리되어 있다.

로봇은 레이저 센서를 이용하여 장애물의 유무와 극복 가능성을 파악한다. 로봇이 주행 중 전방에 장애물을 감지하고 Fig. 8과 같이 바퀴주행모드에서 다리보행모드로 전환할 때 전방에 부착된 레이저 센서가 장애물과의 거리 변화를 감지한다.

로봇이 높이측정을 위해 일어서는 동안 전방에 부착된 레이저 센서가 측정하는 값이 장애물을 벗어나 더 먼 거리를 측정하는 순간 본체 바닥에 부착된 다른 레이저 센서가 높이를 측정한다. 해당 높이에 맞는 다리보행모드를 실행하여 장애물을 극복한다.

로봇이 경사가 있는 비평탄면에서 주행해야 할 때가 있다. 이때 수평유지기능이 없다면 로봇이 경사면의 기울기만큼 기울어져서 재해 및 재난현장에서 수송 및 구조목적 등의 활용에 부적절하다. 이를 해결하기 위해 로봇의 다리를 이용한 자체적인 수평유지기능을 도입하고자 한다.

로봇이 비평탄면에 진입했을 때 로봇의 본체에 부착된 IMU센서가 로봇의 기울기를 실시간으로 측정한다. 이때의 측정값을 바탕으로 중앙처리장치에서 로봇이 수평을 유지할 수 있도록 다리부를 펴고 굽히도록 제어함으로써 Fig. 9처럼 로봇이 항상 지면과 수평을 유지할 수 있게 설계하였다.

로봇의 정면부에 카메라를 설치하여 전방 상황을 모바일 컨트롤러로 수동조작한다. 수동조작 중 바퀴구동으로만 넘어갈 수 있는 장애물이라고 판단되면 바퀴 구동만으로 장애물을 넘어간다. 하지만 바퀴보다 큰 장애물일 경우 바퀴 구동만으로 장애물을 넘어갈 수 없다. 그래서 높이를 측정할 수 있는 레이저 센서로 측정하고, 극복 여부를 판단한다.

극복 가능한 장애물이면 다리보행모드로 전환하여 장애물을 극복한다. 비평탄 지형일 경우 항상 본체가 수평을 유지할 수 있도록 IMU 센서로부터 기울기 값을 받아 다리-바퀴 혼합모드로 전환할 수 있게 알고리즘을 설계하였다. 자세한 내용 설명은 Fig. 10과 같다.

Fig. 11은 위에서 설명한 지지다각형 기반의 균형유지 메커니즘을 적용하여 로봇을 제어한 모습이다. 로봇이 장애물을 극복하는 과정에서 각각의 다리부가 지면에서 떨어지기 전에 다른 다리부를 이동시켜 지지다각형의 형태를 바꿔 무게중심을 유지하고 안정적인 이동으로 장애물을 극복하는 모습이다.

Fig. 12는 균형유지 메커니즘을 통해 보행제어를 했을 때 로봇의 기울기가 –1˚~ 1˚를 유지되는 것을 시간에 따라 나타낸 그래프이다. 이를 통해 로봇이 균형을 유지되는 것을 검증하였다.

IMU센서를 활용하여 비평탄면에서 로봇의 자체적인 수평유지가 가능함을 실험적으로 검증하였다. Fig. 13(a)은 수평유지기능을 적용하기 전의 로봇의 모습이다. 실제 제작한 로봇도 경사로의 기울기만큼 기울어짐을 확인할 수 있다.

반면, Fig. 13(b)는 제작한 로봇에 수평유지기능을 적용한 모습이다. 센서로 측정한 기울기 값을 통해 다리를 펴서 지면과 수평을 유지할 수 있음을 확인할 수 있다.

Fig. 14는 로봇이 비평탄면을 주행할 때 수평유지기능이 적용되기 전후의 기울기를 측정한 그래프이다. 수평유지시스템을 적용하지 않았을 때는 경사면의 기울기만큼 로봇이 기울어지는 것을 확인할 수 있고, 수평유지시스템을 적용하였을 때에는 기울기가 –1˚~ 1˚ 사이에서 유지되는 것을 확인할 수 있다.

본 연구에서는 바퀴구동과 다리구동이 동시에 가능한 로봇을 제안하였다. 사용자가 로봇을 쉽게 제어하기 위해 카메라 센서와 블루투스 모듈을 이용하여 로봇의 전방 상황을 스마트폰으로 확인하고 조작할 수 있게 하였다. 레이저 센서를 통한 환경인식 알고리즘과 카메라 센서를 통한 실시간 스마트폰 조작으로 수동 및 자동제어가 가능하게 했다.

장애물의 높이에 따라 로봇의 다리 모션이 달라지는데 장애물 측정 높이가 로봇이 극복가능한 장애물이라고 판단되면 역기구학 계산을 통해 장애물을 넘을 수 있도록 제어했다. 비평탄 지형에서는 IMU 센서를 통해 기울기를 측정하여 본체의 기울기가 항상 수평이 되도록 다리를 제어했다.

‘다양한 지형에 사용 가능한 주행형태 변형 로봇’은 다리와 바퀴의 결합으로 주변 환경의 변화 및 장애물 유무와 관계없이 구동할 수 있다. 이러한 기능을 이용하면 사람이 접근하기 어려운 곳에 대한 조사가 필요하거나 구조목적 및 물품수송 등의 역할로 사용할 수 있다. 4차산업혁명과 함께 각종 현장에서 사람의 역할뿐만 아니라 지능형 로봇의 역할 또한 증가하고 있다.

환경을 스스로 판단해 적절한 모드로 전환하여 접근이 어려운 현장을 다닐 수 있다면 많은 산업현장에서도 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 하나의 로봇으로 여러 가지 기능을 할 수 있으므로 경제적인 효율성이 높아 상용화가 기대된다.

서울테크 지능로봇 대회는 2021년 10월 29일에 일산 킨텍스에서 개최하였다. 많은 팀이 참가했지만, 본선에는 9개의 팀만이 올라왔다. 13시부터 심사가 시작되었고, 발표 순서가 우리 팀이 처음이라 많이 긴장되었지만, 발표자 이재백 학생이 침착하게 발표를 잘 마무리해주었다. 발표 후 시연도 있었지만 준비한 것들, 장애물 측정 및 극복과 레벨링 시스템 모두 오작동 없이 깔끔하게 잘 보여주었다.

시연을 보고 심사감독분들이 많은 질문들 중 전혀 예상하지 못한 질문 때문에 당황했지만, 다시 마음을 가다듬고 적절한 답변을 생각하여 질의응답 시간을 마무리했다. 그리고 모든 팀의 심사가 끝나고 결과를 발표하는 순간 1등 KIT_TR 팀 이름이 불렀다.
전혀 예상하지 못한 등수에 모두가 믿지 않았고 놀라움을 금치 못하였다. 발표를 침착하게 하고, 준비한 시연을 모두 정상적으로 마무리하며 전반적인 높은 완성도가 큰 도움이 된 것 같다.

서울테크 지능로봇 대회에서 큰 성과를 거둘 수 있어서 모두가 기쁜 순간이었다. 수상하면서 노력했던 순간들이 머릿속을 지나갔다. 아이디어 회의부터 로봇이 완성되는 순간까지 모든 순간이 힘들었지만, 특히 여름방학 기간이 힘들었다. 오전 10시에 모여 저녁 12시까지 매일매일 회의하면서 팀원 모두 많은 스트레스가 쌓여 약간의 트러블도 있었지만 서로 배려하는 마음을 가지고 꾸준하게 로봇을 만들어 완성했다.

제작하는 동안 금오공과대학교 지능로보틱스 연구실(IRL) 지도교수인 주백석 교수님께서 로봇을 어떻게 만들어야 할지 방향성을 제시해주고, 수많은 피드백과 지원을 해주셨다. 또한, 연구실의 선배들께서 많은 도움을 주어 로봇을 완성할 수 있는 계기가 되었다. 교수님과 선배들 덕분에 이 자리까지 올 수 있어 다시 한번 감사드리고, 학업과 로봇 개발을 동시에 하면서 많은 고난이 있었지만 잘 겪어내고 성공적으로 로봇을 완성할 수 있는 원동력이 되었던 팀원들에게 고생했다고 말하고 싶다. 앞으로 4차산업혁명 시대에서 대한민국이 한걸음 더 나아갈 수 있게 도움이 되는 인재가 되고 싶다.

지능로보틱스 연구실(IRL)은 ‘배열을 바꿀 수 있는 군집 수송 로봇’, ‘역포아송비를 이용한 크기조절 로봇’ 등 이전부터 학부생들이 로봇에 대해 연구를 해오고 있고, 대학원생들은 ‘지능형 위치추적 기반의 건설현장 미세먼지 자율억제 시스템’, ‘인공지능 기반의 자율 구동 관절을 갖는 건설 근로자 협업 로봇’ 등 로봇에 인공지능을 결합하여 연구하고 있다. 하드웨어와 소프트웨어 두 가지를 모두 공부하는 기계시스템공학과로써 로봇을 개발하게 되면, 학문으로 공부했던 것을 로봇에 적용할 수 있는 큰 장점이 있다.

본 연구실에서는 로봇과 인공지능을 결합하는 연구를 통해 앞으로 4차산업혁명에 큰 힘이 되는 연구생들을 육성하고 있다.