축구 로봇의 칼라 패치 인식을 위한 비젼 시스템의 RGB 측정 및 평가

이대훈 東亞大學校 大學院 2003 국내석사

로봇축구에서는 우리팀과 상대방팀을 구별하기 위하여 로봇의 등에 각각 서로 다른 칼라패치를 부착시킨다. 컴퓨터의 비젼시스템으로 로봇을 인식하기 위하여는 CCD카메라에서 얻은 화상을 처리해야 한다. 각각 서로 다른 칼라 패치는 우리팀과 상대방팀의 역할분담을 나타내기도 한다. 비젼시스템으로 각각의 축구로봇을 구별하려면 각각의 칼라 패치를 측정하여 정확하게 평가하여야 한다. 그러나 광원의 종류와 세기 및 비추는 각도에 따라 칼라의 RGB값에 변화가 생긴다. 로봇축구시스템은 기본적으로 색상을 이용하여 로봇의 위치와 역할을 판단하기 때문에 결국 색상을 인식하는 비젼의 성능이 경기 결과를 좌우한다. 로봇축구시스템에서 색상을 인식하는 방법은 가로 세로 7.5cm의 정사각형 패치에 우리 팀과 상대방 팀을 구별하게 하는 팀 패치와 각 로봇의 역할을 결정하는 로봇패치의 두 가지 색상을 표현하여 이를 이용하여 필요한 정보를 메인으로 인식시킨다. 이들 패치는 색상의 RGB값을 이용하여 메인에 인식되는데 이 RGB값을 얼마나 정확하게 인식시키는지 그 여부가 vision의 핵심이라고 할 수 있다. 따라서 어느 위치에서 RGB값을 인식시켜야 시스템의 안정성을 확보할 수 있는지를 찾아내는 것은 대단히 중요한 시스템의 정보라 할 수 있다. 또한 RGB값을 정확히 인식시켰다 하여도 축구로봇의 구동속도는 상당히 빠르기 때문에 이 색상정보들을 이용한 로봇의 위치를 메인이 얼마나 지속적으로 추적하는가 또한 중요하다. 실험은 각각의 R, G, B의 경향과 평가를 하기 위하여 축구로봇의 경기장을 80군데로 지정하여 각각의 RGB값을 측정하여 인식하는 정도를 나타내고 평가하였다. Each different color patch is attached at upper plate of soccer robot to distinguish other team from our team. We must handle a picture of CCD camera to recognize robot by vision system of computer. Each different color patch expresses team of cage and other team's division of role. To distinguish each soccer robot by vision system, soccer robot system must measure and evaluate each color patch exactly. But RGB value changes accroding to the kind of a light source, intensity and illuminating angle. The result of the game of robot soccer is dependent on the performance of vision system. Because robot soccer system interpret position and role of robot using color recognition. Method to recognize color in robot soccer system is based in interpretation of information by using the expressing of two colors of robot patch. Those are square patches of 7.5cm and distinguish our team and other team. Main program recognizes RGB values of these patches. And it is very important to search values of RGB at every position. Also, it is very important to track each soccer robot which drive fastly without loss of information of RGB. An experiment expressed and estimated measured precision rate of each RGB value marking the ground of soccer robot to 80 places to do each RGB relationship tendency and estimation.

스마트 폰을 이용한 이동로봇의 주행제어 및 정보획득을 위한 어플리케이션 개발

정효영 목원대학교 대학원 2013 국내석사

이동로봇의 주행제어에는 환경에 따른 수많은 변수들이 존재하며, 이는 로봇에 미치는 영향 또한 다양하다고 볼 수 있다. 이런 불특정한 변수들은 로봇에 있어 정확한 정보획득 기능구현에 어려움을 주는 요소이다. 이러한 여러 가지 문제점을 해결하기 위해 이동로봇의 정보획득을 통한 주행제어가 반드시 필요하다. 그 이동로봇의 주행제어에는 장애물 회피 알고리즘을 통한 제어와 32bit급 이상의 임베디드 장치를 탑재하여 카메라의 영상 또는 레이져 센서, 위치알림 센서 등의 정보 획득을 통하여 제어하는 방법이 있다. 하지만 이동로봇 자체의 부피나 알고리즘 계획으로 인한 불편함이 나타나기도 하며, 명령 프로그램 및 제어 가능한 실행 파일의 UI에 제한이 많다. 그러므로 프로그램의 UI를 충족하며, 알고리즘의 계획 및 간편한 프로그램의 일환으로 안드로이드 어플리케이션을 이용하여 이동로봇을 제어한다. 또한, 국내뿐만 아니라 해외까지 스마트폰의 사용자가 급증하는 추세이며, 이에 따른 스마트폰 어플리케이션 또한 일반인들이 쉽게 접할 수 있는 하나의 수단으로 전락하고 있고 스마트폰의 기기 종류도 여러 가지의 기능과 해상도를 지원한다. 본 논문에서는 이동로봇을 제어하기 위하여 별도의 처리장치를 탑재하는 방식과는 달리 언제 어디에서나 어떤 스마트 기기의 종류에도 구애 받지 않고 사용할 수 있는 ‘스마트폰의 어플리케이션’을 통한 로봇제어에 대해 연구하였다.

반려로봇 디자인을 위한 사용자 유형 분류 및 비언어적 요소 연구

이주회 숙명여자대학교 대학원 2023 국내박사

그동안 첨단 기술의 발달은 로봇의 기능과 용도 측면에서 인간을 대신하는 작업의 효율성과 생산성을 향상시키는 방향으로 진행되었다. 그러나 최근 인간-로봇 상호작용에 초점을 둔 다양한 서비스 로봇이 개발되고 있으며, 이중 정서적 안정과 동반감을 느끼며 소통할 수 있는 반려로봇의 역할이 앞으로 상승할 것으로 여겨진다. 이에 따라 반려로봇의 사회적 속성에 따른 디자인 요소에 대한 논의가 필요한 시기이다. 본 논문은 사용자가 반려로봇과 원활하게 소통하고 친밀한 관계를 형성하는 방안으로 반려로봇의 비언어적 요소를 중점적으로 살펴보았다. 현재 대화형 인공지능 챗봇, 음성 기반 인공지능 스피커 등 로봇의 언어적 요소에 관한 연구가 활발하지만, 비언어적 요소에 관한 연구는 상대적으로 미흡했다. 그러나 인간의 사회적 상호작용 측면에서 시선, 몸짓 등의 비언어적 요소는 언어로 표현하기 어려운 미묘한 감정 또는 생각을 직관적인 방식으로 전달해 주는 유용한 소통의 매개체이다. 그러나 아직 반려로봇은 실제 사용 경험에 기반을 둔 객관적 데이터가 부족하다. 반려로봇 디자인에 비언어적 요소를 적용하는 방안에 효율적으로 접근하기 위해서는 반려로봇을 향한 사용자 지향성 즉, 사용자가 반려로봇에 대해 기대하는 반려로봇과의 관계, 사회적 역할, 인상 등을 먼저 파악한 후에 반려로봇의 비언어적 행위 지원성 곧, 반려로봇이 사용자에게 유발하는 모든 비언어적 행위 가능성의 범위를 선정해야 한다. 이에 본 논문은 반려로봇에 대한 사용자 지향성을 기반으로 반려로봇 디자인에 비언어적 요소를 적용하는 방안에 대해 살펴보았다. 따라서 본 논문의 목적은 사용자가 지향하는 방식으로 반려로봇의 비언어적 행위 지원성을 선별하여 사용자가 반려로봇과 편안한 상호작용을 할 수 있도록 보장하고, 사용자 기대에 부응하는 반려로봇 디자인에 신속하고 정확하게 도달하는 새로운 디자인 접근 방법을 제시하는 것이다. 이를 위해 반려로봇, 인간-로봇 상호작용, 비언어적 요소에 관한 문헌 조사를 바탕으로 연구의 이론적 논의 및 차별성을 검토하였으며, 실증 분석 1과 실증 분석 2를 위한 기초 자료를 수집하였다. 실증 분석 1에서는 반려로봇의 대한 사용자 지향성을 파악하기 위한 구조화된 설문지를 설계하였으며, 일반인 200명을 대상으로 온라인 설문 조사를 시행하였다. 수집한 데이터를 기반으로 통계 분석을 사용하여 반려로봇의 보편적 가치 인식에 기반한 사용자 유형화를 시도하였다. 이를 통해 도출한 5가지 사용자 유형별 반려로봇에 대한 인식 및 사용자의 사회 심리적 특성을 비교 분석하였다. 실증 분석 2에서는 반려로봇의 비언어적 요소에 대한 사용자 인식을 분석하기 위한 2차 설문지를 개발하였다. 반려로봇의 비언어적 행위에 대한 정보를 나타내는 13개의 기표를 선정하여 온라인 설문 조사를 통해 일반인 200명을 대상으로 기표별 중요도를 측정하였다. 또한, 실증 분석 1과 동일한 설문 항목과 분석 방법을 가지고 사용자 유형을 분류하였으며, 실증 분석 1과 일관된 특성을 보이는 5가지 사용자 유형을 확인하였다. 이에 유형별 반려로봇의 비언어적 요소에 대한 인식 차이를 분석하였다. 본 연구에서 도출한 결과는 다음과 같다. 첫째, 반려로봇에 대한 보편적 가치 인식을 기반으로 둔 유형화 분석을 통해 ‘동반자형’, ‘평균형’, ‘자기중심형’, ‘성취지향형’, ‘안전지향형’ 5가지 사용자 유형을 도출하였다. 유형별 반려로봇의 보편적 가치를 평가하는 수준과 수용 의도 간 상관관계를 확인하였으며, 이는 크게 3가지 수준으로 나타났다. 먼저, 높은 수준은 ‘동반자형’으로 반려로봇을 독립적인 객체로 이해하고 반려로봇에 대해 가장 긍정적인 태도를 보였다. 이에 해당 유형은 앞으로 반려로봇을 사용할 개연성이 가장 높은 유형으로 확인되었다. 다음으로, 보통 수준은 ‘평균형’과 ‘자기중심형’으로 나타났다. 두 유형 모두 반려로봇에 대한 태도가 부정적이지는 않으나, ‘동반자형’처럼 반려로봇을 사회적 관계를 맺는 대상으로 인식하지 않았다. 마지막으로, 낮은 수준은 ‘성취지향형’과 ‘안정지향형’으로 반려로봇의 보편적 가치와 수용 의도에 대한 수치가 가장 낮게 나타났다. 둘째, 반려로봇의 보편적 가치 인식이 대중화 단계에 진입하였다. 가장 높은 수용 의도를 보인 ‘동반자형’이 전체에서 차지하는 비중이 33%이며, 중간 수준의 수용 의도를 보인 ‘평균형’과 ‘자기중심형’은 56%이며, 가장 낮은 수준의 수용 의도를 보인 ‘성취지향형’과 ‘안정지향형’은 11%이다. 이는 현재 국내 일반인의 반려로봇에 대한 인식 수준이 반려로봇을 실제 수용하는 데 있어 기술 대중화의 변곡점 시점을 넘어갔음을 보여준다. 셋째, 모든 유형에서 반려로봇의 비언어적 행위를 위한 기표로 ‘눈’을 가장 중요하게 인식하였다. 유형별 ‘눈’ 기표의 중요도 수치는 차이가 있었으나 유형별 총 13개 기표에 대한 순위를 분석한 결과, 모든 유형이 공통으로 ‘눈’ 기표에 대한 중요도를 가장 높게 평가하였다. 이를 통해 사용자가 반려로봇과 비언어적 상호작용을 하는 데 있어 모두가 ‘눈’을 가장 중요하게 여겼다. 마지막으로, 반려로봇에 대한 보편적 가치 인식이 긍정적일수록 비언어적 요소에 대한 중요도를 높게 평가하였다. 반려로봇의 보편적 가치를 가장 높게 평가한 ‘동반자형’은 비언어적 요소에 대한 중요도가 모두 높게 나타났으며 요소별 간격 차이도 가장 적게 나타났다. 반면, 반려로봇에 대한 인식이 가장 부정적으로 나타난 ‘성취지향형’과 ‘안정지향형’은 비언어적 요소에 대한 중요도를 가장 낮게 평가하였다. 이를 통해 반려로봇에 대한 보편적 가치 인식과 비언어적 요소에 대한 인식 간 상관관계가 있음을 확인하였다. 본 연구는 통계 분석을 활용한 사용자 유형화를 통해 반려로봇을 향한 사용자의 추상적 사고를 구체화하여 인식의 개념으로 재정립하였으며, 반려로봇의 비언어적 요소에 대한 유형별 사용자 데이터를 생성하였다. 이 연구 결과는 반려로봇 디자인 및 관련 분야의 전문가에게 객관적 기준 및 자료를 제공하며, 본 연구에서 제안한 사용자 유형화 방법론은 앞으로 반려로봇의 비언어적 요소를 적용한 폼팩터 디자인의 효용성을 높이는 데 기여할 것이다. Robots have traditionally been used as tools for labor-intensive work, but recent advancements in robotics have focused on developing service robots with enhanced human-robot interaction capabilities. Companion robots, designed to provide social interaction and companionship, are gaining prominence. This paper highlights the importance of nonverbal cues in companion robots for smooth communication and building intimate relationships in human-robot social interaction. While verbal aspects of robots have been extensively researched, nonverbal cues have received less attention. Nevertheless, nonverbal cues, such as gaze and gesture, play a significant role in conveying subtle emotions and thoughts in human social interaction. However, there is a lack of objective user data for companion robots based on real-world experiences. To effectively apply nonverbal cues to companion robot design, it is crucial to understand “user intentionality”, which refers to how users anticipate the companion robot’s social and physical characteristics, such as the human-robot relationship, the robot's social role, and appearance. Therefore, the purpose of this paper is to investigate the efficient application of nonverbal cues in companion robot design through user classification and a user-centered design approach. The paper presents a logical rationale for the design approach of nonverbal cues in companion robots, based on a literature review of companion robots, human-robot interaction, and nonverbal cues. Two studies were conducted as follows: Study 1 developed a structured questionnaire to analyze user perceptions towards companion robots, and an online survey was conducted with 200 participants. Based on collected user data, five distinct user types were categorized via statistical analysis based on how users perceive the companion robot’s general value. Subsequently, the overall perception of companion robots and the socio-psychological characteristics of each user type were compared and analyzed. Study 2 conducted another online survey with 200 participants to examine user perceptions of nonverbal cues in companion robots. The second questionnaire had 13 indicators related to the companion robot’s nonverbal behavior to measure the importance of each indicator. User classification was performed using the same analysis method as Study 1, resulting in five consistent user types, and the perception of nonverbal cues by each user type was analyzed. The results of the studies revealed four key findings. First, five user types with distinct characteristics were identified, showing correlations between user perceptions of the companion robot’s general value and their intention to adopt. The highest level of intention to adopt was shown in the “companion” type, which was identified as the most likely to use a companion robot in the future. The “average” and “self-centered” types had moderate attitudes toward adopting the companion robot, while the “promotion-oriented” and “prevention-oriented” types showed the lowest level of intention to adopt. Second, the perception of the general value of companion robots has reached a stage of popularization, indicating positive acceptance among the general public. Third, the “eye” cue was identified as the most crucial indicator for nonverbal behavior in companion robots, emphasizing its significance in user expectations. Lastly, a positive perception of companion robots was associated with a higher importance placed on nonverbal factors. This paper contributes by redefining users' abstract thoughts about companion robots into concrete perceptions through statistical analysis. The research findings gained by the proposed user classification design method will be used as measurable and objective indicators for future human-robot interaction research.

로봇활용 중등과학 AI융합 교육프로그램 개발 및 적용 : 로봇활용 중등과학 AI융합 교육프로그램 개발 및 적용

김수현 청주교육대학교 교육대학원 2024 국내석사

국문 초록 및 주제어 현대 사회는 복잡하고 다양한 문제들로 가득 차 있으며, 학생들이 이러한 문제를 창의적이고 효율적으로 해결할 수 있는 능력을 배양할 수 있는 융합 교육이 지속적으로 이루어질 필요가 있다. 정보가 넘쳐나는 현대 사회에서 데이터의 중요성은 날로 증가하고 있으며, 데이터를 제대로 이해하고 분석하여 현대 사회의 복잡한 문제를 해결할 수 있는 교육이 필수적이다. 이러한 교육의 방향은 과학 교육과 인공지능 교육에서 매우 유사하게 나타난다. 로봇을 활용한 교육은 실세계의 복잡한 문제를 물리적으로 모델링하여 시연할 수 있는 학습 환경을 제공함으로써, 문제 해결력, 컴퓨팅 사고력 등 인지 영역뿐만 아니라 몰입, 흥미 등 정의적 영역에서도 효과적임을 보여주지만, 현재 중등 과학 교육에서는 제대로 활용되고 있지 않다. 앞으로 과학 교육은 지능형 과학실을 통해 다양한 데이터의 수집, 분석, 시각화 탐구 활동을 실천해야 하며, 이러한 과정에서 직접 필요한 센서를 연결할 수 있는 모듈형 로봇을 활용하여 상호작용하고 몰입할 수 있는 수업 환경을 제공한다면, 2022 개정 교육과정에서 강조하는 디지털 소양뿐만 아니라 과학 교과에서 함양해야 하는 핵심역량, 동기와 만족도 등 정의적 영역에도 긍정적인 영향을 줄 것으로 예상된다. 따라서 중등 대상의 로봇 활용 AI융합 과학 교육 프로그램 개발이 필요한 상황이다. 이에 본 논문에서는 2022 개정된 교육과정에서 제시된 기후변화와 관련된 과학 및 정보 과목의 성취기준을 재구성하여, 기후위기를 해결하기 위한 로봇 활용 중등 과학 AI융합 교육 프로그램을 16차시로 개발하였다. 이 프로그램을 중학생을 대상으로 적용하여 데이터 리터러시와 인공지능 리터러시뿐만 아니라 과학 교과의 핵심역량 및 과학적 태도에 대한 교육적 효과와 융합 프로그램의 핵심역량 분석을 통해 그 효과성을 살펴보았다. 이 논문의 연구 결과를 요약하면 다음과 같다. 첫째, 중등 교육에서 적용할 수 있는 상호작용적 학습환경을 제공하는 로봇을 활용한 과학 AI융합 교육프로그램을 개발하였다. 둘째, 개발된 교육프로그램이 중학생들에게 데이터 리터러시, AI 리터러시, 과학과 핵심역량, 과학적 태도에 긍정적인 영향을 주었고, 개발된 교육프로그램은 과학적 핵심역량 함양을 위해 데이터 및 AI 리터러시 융합 교육이 매우 효과적이면서 과학적 태도 함양을 위해 과학적 핵심역량 함양 교육이 효과적임을 알 수 있다. 이를 통해 교구용 로봇을 활용한 과학 AI융합 교육이 중학생들에게도 효과적인 교수·학습 방법임을 보였다. 본 논문에서 개발된 교육프로그램은 과학, 정보 교과 시간뿐 아니라 2022 개정 교육과정에서 신설되어 운영되는 학교 자율 교육과정과 연계하여 교육프로그램으로 활용되거나 동아리 지도, 디지털 새싹 캠프 등 다양하게 운영될 수 있다. 또, 교사 교육과정으로 깊이 있는 학습이 이루어질 수 있는 교육과정 개발의 활성화에 긍정적인 영향을 미치길 기대해본다. 키워드: 인공지능융합교육, 로봇활용교육, AI융합과학교육, 2022 개정 교육과정, 학교 자율 교육과정 Keyword: Artificial Intelligence Convergence Education, AIRobot Education, AI Convergence Science Education, National 2022 Revised Curriculum, School Autonomous Curriculum ※ 본 논문의 교육프로그램은 청주교육대학교 디지털 새싹 사업의 “인공지능 로봇 활용을 위한 데이터 리터러시 여행” 프로그램에 기반하여 중등 특화과정으로 개발되었으며, 집합형 수업(2024년 06월)으로 운영하였음.

뉴럴 네트워크 기반의 산업용 로봇 임피던스 제어

유영수 서울産業大學校 産業大學院 2003 국내석사

로봇 말단부의 위치를 제어하기 위하여 로봇 말단부에서 발생하는 힘을 제어하는 것을 로봇 힘 제어라 한다. 로봇 임피던스 제어는 로봇 힘 제어의 일종으로 로봇 말단부와 외부물체와의 동역학적 관계를 표현하는 임피던스를 제어함으로써 로봇 말단부의 위치제어를 수행하는 것이다. 임피던스 제어는 모델기반 임피던스 제어와 위치기반 임피던스 제어로 분류 된다. 모델기반 임피던스 제어는 모델링을 통하여 얻어진 로봇 동역학 방정식을 기반으로 하는 제어로써 힘과 위치를 동시에 제어 할 수 있다. 그러나 실제 적용에서 로봇의 정확한 동역학 방정식을 얻기가 어려우며 외부 강성의 불확실성 등으로 인하여 정밀한 접촉력의 제어가 어렵다는 단점을 가지고 있다. 이에 반하여 위치 기반 임피던스 제어는 로봇의 우수한 위치 추종성을 바탕으로 필터를 사용하여 로봇의 말단부를 제어하는 방식이다. 위치기반 임피던스 제어는 실제 적용에서 로봇의 동역학적 관계를 필요로 하지 않는 반면 주어진 작업에 대한 적절한 임피던스 파라미터를 결정하기 매우 어렵다는 단점을 가지고 있다. 이는 위치기반 임피던스 제어가 실제 적용에서 로봇의 동역학적 변화를 고려하지 않은 것이 일반적이며, 따라서 작업이 수행되는 동안 변화하는 로봇의 동적 독성을 대별할 수 있는 임피던스 파라미터의 설정이 어렵기 때문이다. 본 논문은 뉴럴 네트워크를 통해 임피던스 파라미터를 작업 형태에 따라 적절하게 학습하는 위치기반 임피던스 제어기의 구현에 관한 것이다. 본 논문에서는 위치 기반 임피던스 제어의 실현에서 문제점으로 지적된 변화하는 로봇의 동적 특성을 추종할 수 있는 임피던스 파라미터의 실시간 선정을 위하여 뉴럴 네트워크를 이용한 임피던스 파라미터 학습을 수행하며, 따라서 작업이 수행되는 동안 로봇 스스로 작업에 적합한 임피던스 파라미터를 선택할 수 있는 능력을 제공할 수 있는 제어기의 구현을 실현하였다. 본 논문에서 제안된 위치기반 임피던스 제어기의 성능을 평가하기위해 경계추종 작업을 수행하였으며, 아울러 삽입 작업 수행을 수행 하였다. Position based impedance control is an indirect force control such that the contact force is regulated by controlling the position of robot end effector using impedance, where the impedance easy the dynamic relation between the robot end effector and the environment. Since the position based impedance control does not require any closed form robot dynamics in implementation, it can easily be used in industry. Nevertheless the successful implementation of it is still somewhat hard. This is due to the fact that finding the appropriate impedance parameters for a given task is very difficult. Also the position based impedance control generally uses a fixed impedance parameter for a given task. This is since, in general, the position based impedance control assumes that the robot dynamics does not change during the task, which is incorrect in most cases. This thesis is a development and implementation of position based impedance control system, which has an ability to modify the impedance parameters such that the most suitable impedance parameters are selected for a given task. A neural network with an unsupervised learning mechanism using a reinforcement signal is used with error back propagation method to modify the impedance parameters while the task is carried on. Thus the modified impedance parameters are representing the most appropriate parameters for a given task. At the same time, they reflect the robot dynamics changes during the task. A developed position based impedance control system is implemented in edge following and peg-in-hole tasks with an industrial robot manipulator respectively and shows a good performance in controlling the contact forces.

운동분석 및 근전도 신호를 활용한 모듈형 외골격로봇 설계 및 제작

김동현 성균관대학교 일반대학원 2019 국내석사

외골격로봇은 국내외 여러 기업에서 개발되고 있는 미래 산업 중 한 분야를 차지하고 있다. 외골격로봇은 크게 3 가지의 분야로 군사·산업분야, 의료·재활분야, 사회복지분야로 구분한다. 현재 개발 중인 로봇의 주요한 한계점은 고성능 일수록 고중량, 고비용이라는 점이다. 이러한 한계점의 해결방안으로 고관절의 움직임을 보조하는 모듈형 외골격 로봇을 제안하는 바이다. 본 연구에서는 피실험자 1명을 대상 중심으로 피실험자의 운동분석을 통해 피실험자가 보행 시 허벅지 근력의 40%를 보조해 주는 모듈형 외골격로봇을 맞춤형으로 제작하는 것을 목표로 한다. The purpose of this study is to make a customized modular exoskeleton robot that assists the subject 40% of muscle efforts in walking by analyzing and experimenting the subject's movements. Exoskeleton robots occupy one of the future industries that have been developed by various companies at home and abroad. Exoskeleton robots are divided into three main areas military and industrial, medical and rehabilitation, and social welfare fields. The major limitations of the robots currently under development are performance, weight and cost. As a solution to these limitations we proposed a modular type exoskeleton robot that supports the movement of the hip joint during gait. From the results of the model we developed we found the quantitative improvement and the availability in future exoskeleton robot industry and research area.

스마트재료의 운동특성을 활용한 로봇 디자인에 관한 연구

강유훈 서울시립대학교 디자인대학원 2008 국내석사

로봇디자인은 동적인 메커니즘(Mechanism)이 전체 구조 및 형태를 결정하는 중요한 역할을 하며 운동부위의 자유도(Freedom of Degree)가 높아질수록 그 영향력이 심화되기 때문에 앞으로 다(多)자유도를 지향하는 관련기술의 발전 추이를 감안한다면 로봇디자인에서 동적구조를 무시하고 형태를 논하기란 어려운 일이다. 로봇의 구동기(Actuator)는 지능로봇의 이동, 조작과 감정표현을 목적으로 움직임을 능동적으로 생성하는 수단이며 로봇의 디자인을 결정짓는 주요한 요소이다. 기존의 전자기 모터나 솔레노이드(solenoid)는 일반적인 로봇에서 매우 유용하게 사용되고 있으나 자유도가 높아질수록 점차 많은 부피를 차지하는 단점과 특수한 경우 작은 크기로 사용하거나 다목적으로 쓰기 위해서는 많은 어려움이 따른다. 이러한 필요성에 따라 작고 효율적인 액추에이터에 관심이 높아지면서 다양한 구동기들이 등장하고 있다. 이에 지능로봇의 핵심 기술로 지칭되는 ‘Artificial Muscle' 은 스마트 재료(Smart Material)를 기반으로 한 로봇 구동 기술로써 다양한 목적에 따라 기존의 모터 방식을 점차 대체할 것으로 전망되고 있다. 스마트 재료(Smart Material)는 외부 환경 변화에 따라 반응할 수 있는 재료로써 기존의 재료들이 주워진 환경 변화를 수동적으로 견디는 한계를 넘어서 외부자극과 변화에 생물체처럼 환경에 반응하는 특성을 가지고 있기 때문에 자체 구동 기술은 물론 스마트 재료의 능동적인 특성을 활용한 인간 로봇의 인터랙션(Human-Robot Interaction) 디자인 분야에 적용될 수 있을 것이다. 이에 본 논문은 차세대 로봇 엑추에이터로 연구되고 있는 스마트 재료 연구 현황 및 각 재료의 구동 원리에 대하여 제시하고 기존의 모터 구동방식과의 차별되는 요소를 분석하여 특화된 동적 구조의 로봇 디자인 적용 가능성을 판단하고자 로봇의 동적 구성 요인을 구동부(Actuator)와 센서부(Sensor)로 분류하였다. 이후 일반로봇의 동적요인을 기계요소 중심으로 해석하여 스마트 재료와 비교 분석하고 장점 요소를 도출하였으며 스마트 재료로 구성 할 수 있는 센서를 동적 피드백(Feedback) 을 중심으로 해석하고 촉각센서(Haptic Sensor) 적용 가능성을 판단했다. 분석된 자료를 바탕으로 일반 로봇의 동적 구성요인과의 차별적 특징을 추출하고 상관관계를 적용하여 스마트 재료의 동적 특성에 따른 로봇 디자인 요소를 선정하였다. 그리고 지능 재료(Intelligence Material)를 활용한 로봇을 선별하여 각 연구 성과에 적용된 스마트 재료와 구동 메커니즘을 조사하고 추출된 디자인 요소와 동시에 비교 분석하여 문제점을 도출함으로써 디자인의 제안방향을 설정하였다. 디자인의 설정방향을 제시하기 위해 스마트 재료의 물성(物性)적 특징과 운동(Locomotion)특징을 중심으로 생체모방(Biomimetic)구조의 적합성을 분석하고 스마트재료의 구동 및 센서 특성을 활용할 수 있는 생체적 메타포를 적용한 포섭구조(Subsumption Architecture) 로봇시스템의 적용 가능성을 연구하였다. 분석된 스마트 재료의 동적특성과 디자인 요소를 생체모방구조에 적용하여 근 미래에 다양한 영역에서 활용될 수 있는 로봇을 제안하고자 하였으며 이를 통해 로봇의 개발단계에서 디자인이 동시에 관여하는 동시 공학(Concurrent Engineering)적 로봇 디자인 프로세스의 필요성을 밝혔다. It's difficult to deal with the form of robot design ignoring dynamic structure because dynamic mechanism does important role in determination of entire structure and form of robot since the influence of dynamic structure becomes strong according to increasing freedom of degree in motion parts considering development progress which aim multi-freedom of degree. The actuator of robot is not only a significant factor deciding design of robot and also a measure that makes motion of robot actively in purpose of control of intelligent robots and their expression of emotions. Traditional electromagnetism motors and solenoids are employed very usefully in general robots but it is not easy to apply them to a robot with small size or multi-functional purpose because they have a defect that occupy large spaces as increasing freedom of degree. According to these needs for small and efficient actuator lead creations of various actuators. So 'Artificial Muscle' called the core technology which is based on smart material is expected to substitute traditional manner of motor for various purposes. Smart material, responding as change of circumstance can be applied in design of human-robot interaction utilizing it's active factor because it surpasses limit of traditional material which respond to change of circumstance passively and has a feature that respond to change of circumstance and a stimulus from the outside like living things. So this paper divided active constitution factors of robot into parts of actuators and parts of sensors proposing the present condition of research in smart material for next-generation robot actuator and analyzing factors which are different from existing motor-driving manner to decide possibility of appliance of specialized active structure of robot design. And then this paper analyzes active factors of general robot focusing mechanical factors and compares them to smart material and drew their merit factors. Besides this paper analyzes sensors which is constituted by smart material with active feedback mainly and estimate possibility of appliance of haptic sensor. Based on analyzed materials I drew differential features from dynamic composition factors of general robots and applied interrelation and decide the factor of robot design according to dynamic features of smart material. I set up proposal direction of design by conducting comparative analysis that selects robots which employ intelligence material and investigates employed smart material and driving mechanism in each case drawing problems. To propose establishment direction of design this paper analyzed suitability of biomimetic structure of smart material in physical property features and locomotion features primarily and studied possibility of appliance of subsumption architecture robot system employing organism metaphor which can use smart material driving and sensor features. This paper tried to propose a robot which can be used variously in near future by applying analyzed dynamic features of smart material to biomimetic structure, and clarify the necessity of concurrent engineering in robot design from the development step.

반응표면 기법에 의한 이족로봇의 동적 보행 안정성에 관한 연구

선윈더 全南大學校 2007 국내박사

본 논문에서는 이족보행 로봇의 관절 매개변수, 시간변수, 보행 매개변수가 보행 안정성에 미치는 영향을 해석하고, 이족보행 로봇이 불확실한 환경에 적응할 수 있는 걸음걸이 구현을 위해 보행 매개변수를 최적화하는 방안을 제시하였다. 본 논문에서 사용한 이족로봇은 인간의 보행 및 기구학적 특성을 고려하여 각각의 다리가 6자유도를 갖는 총 12자유도의 수학적 모델을 이용하였다. 이족로봇의 보행계획은 측면방향과 정면방향을 함께 고려하여 3차원 공간상의 입체적 보행계획을 수행하였고, 상용 프로그램 이용 시 계산상의 용이성을 증가시키기 위해 행렬형태의 수학 방정식으로 표현하였다. 또한, 반응표면 기법을 이용하여 각 매개변수가 보행 안정성에 미치는 영향을 해석하고, 그 결과를 기반으로 ADAMS 프로그램을 이용하여 로봇의 동적 보행을 분석하였다. 보행 중 발이 지면에 접촉할 때 동적 거동의 불안정성은 접촉하는 부분의 동적 특성을 고려할 수 있는 Hertz의 힘 모델에 기반하여 발바닥의 강성 값을 선택함으로써 안정한 보행운동을 구현할 수 있었다. 이족로봇의 관절 매개변수가 안정성에 미치는 영향을 해석하기 위하여 보행 안정성 판별기준인 ZMP(Zero moment point)를 측면방향과 정면방향에서 일반화된 계산식으로 정리하고, 각각의 관절 좌표에 대해 미분함으로써 관절운동의 변화율이 ZMP의 변화율에 미치는 영향을 해석하였다. 해석결과를 통하여 정면방향에서는 발목 관절의 운동이 ZMP에 미치는 영향이 제일 큼을 알 수 있었다. 한 사이클의 보행주기에서 한발 지지상태와 두발 지지상태의 시간 비율이 보행안정성에 미치는 영향을 해석하기 위하여 ADAMS 로봇 모델을 이용하였으며, 보폭, 스윙발의 최대높이, 보행주기의 값을 일정하게 하고 시간비율을 변화시키면서 모의실험을 수행하였다. 모의실험에서 얻은 결과를 바탕으로 반응표면 기법을 이용하여 한 보행주기 내에서 두발 지지상태의 시간비율이 보행 안정성에 미치는 영향을 해석하였다. 또한 D-optimal 실험계획법을 이용하여 보행위치를 결정하고, 모의실험 결과로부터 얻은 COG와 ZMP의 표준오차를 목적함수로 하여, 반응표면 기법을 이용하여 보행 매개변수가 보행 안정성에 미치는 영향을 해석하고 설계변수의 최적화를 수행하였다. 최적화된 보행 매개변수의 신뢰성은 최적화 값을 이용한 ADAMS 로봇 모델의 모의실험에서 확인하였다. 따라서 반응표면 기법을 이용한 보행 매개변수의 최적 설계는 보다 짧은 시간과 적은 계산량으로 오차영역 내에서 만족할만한 결과를 얻을 수 있음을 확인하였다. In this study, the walking stability affected by the joint parameters of biped robot, variable of time and parameters of walking, were analyzed, and for the optimal design of walking parameters, the adaptation of uncertain environments of walking patterns were also studied. Mathematical models of kinematics and dynamics applied to 7 links biped robot with 12 degrees of freedom (6 degrees of freedom in each leg) were constructed considering the conditions of human’s walking patterns. 3 dimensional planning of walking was carried out considering Sagital plane together with Frontal plane in the walking planning of biped robot, which expressed in matrix form in order to carry out the simulation easily by using commercial analysis code. For analysis of dynamic walking stability affected by each parameter, ADAMS robot model of 12 degrees of freedom was applied with the response surface method. The stable movement of walking was realized by using stiffness value based on Hertz’s force model considering the physical characteristics of collision between swing leg and ground at the moment of landing in the planning of walking. In order to analyze the effects of joint parameters on the stability of biped robot, the ZMP(Zero Moment Point) was formulated briefly based on the models of Sagital plane and 127 Frontal plane, and then the effects of the rate of change of joint movement to the rate of ZMP was analyzed through differentiating each joint coordinate, respectively. According to the results, it is verified that the movement of ankle joint is the most important factor for the ZMP in the Frontal direction. For analyzing the effects of the time ratio of single and double leg supporting phase to the walking stability, the simulation of 1 cycle time of walking was carried out using ADAMS model by varying the ratio of time with various values of walking step, maximum height of swing leg and cycle time of walking. The effect of the ratio of double leg supporting phase to the walking stability was also studied using the response surface method based on the simulation results obtained from ADAMS model. In order to verify the effect of the walking parameters of biped robot on walking stability, D-optimal DOE(Design Of Experiments) method was used to determine the walking point and simulations using ADAMS model. The optimal design of walking parameters was studied with the objective function as the standard error of between COG and ZMP obtained from simulation results. The reliability of the optimal design was verified by comparing with the simulation result of ADAMS robot model at the optimal point. Therefore, optimal design of walking parameters based on the response surface method was verified with the satisfied acceptable bound of error, under the minimum time and calculations.

지능형 서비스 로봇을 위한 명세 기반 서비스 개발방법

최병기 서울시립대학교 일반대학원 2020 국내박사

The development of services provided by Intelligent robots necessarily involves efficient integration of various functions and knowledge for recognition, reasoning, decision making, behavior, and more. Such functions and knowledge should be reusable and extensible to adapt to rapidly growing demands for advanced intelligent robot services, which in turn requires effect ways to develop services for intelligent robots. The current approaches to implementation of intelligent robot services, however, have paid relatively less attention to the efficient integration of functions and knowledge for intelligent robot services, which resulted in repeated and duplicated development, limited reusability, and lack of dynamic extension or growing of functions and knowledge. In this thesis, three approaches are proposed to overcome these limitations. Firstly, a robot intelligence framework is proposed. The framework effectively incorporates common functions and knowledge to avoid repeated and duplicated development. Secondly, a specification-based development method is proposed to support the extension of functions and knowledge to adapt to growing demands for advanced new services. Lastly, A run-time service application system is proposed to allow dynamic deployment of extended functions and knowledge for the services running as necessary. The effectiveness of the proposed approaches is evaluated by conducting a set of scenario-based experiments and comparing with other approaches to the development of intelligent robot services. The experiments confirmed the efficiency of the robot intelligence framework that is equipped with the specification-based method and the functionality of the dynamic service deployment process. The proposed approach in this thesis toward the development of intelligent robot services, a specification-based development method and application system, is hoped to serve as a stepping stone toward further development of advanced intelligent robot services for years to come. 지능형 로봇은 인식, 추론 및 판단, 행위 등의 기능을 복합적으로 활용하여 서비스를 제공할 수 있어야 하며, 이를 위한 기능 및 지식을 동적으로 확장할 수 있어야 한다. 이러한 지능형 로봇은 최근 수요가 빠르게 증대되고 있어 이에 따라 효과적인 서비스의 개발방법이 필요하다. 그러나 현재의 지능형 로봇의 구현을 위해 제안된 기술들은 여러 도메인에서 활용되는 범용적인 기능 및 지식을 반복적으로 개발하여야 하며, 이미 개발되어있는 기능 및 지식을 확장하거나 재사용할 수 있는 방법이 미흡하고, 로봇이 구동 중에 동적으로 기능 및 지식을 확장하는 방법이 존재하지 않아 지능형 로봇의 서비스를 효율적으로 개발하는 데에 한계가 있다. 본 논문은 이러한 한계를 극복하기 위하여 먼저 지능형 로봇의 서비스에 공통으로 사용되는 기능 및 지식을 제공하는 로봇 지능 통합 프레임워크를 제시하고, 기존의 기능 및 지식에 대한 확장 및 재사용을 지원하기 위한 명세 기반 개발방법을 제안하며 나아가 로봇이 동적으로 기능 및 지식을 확장할 수 있는 런타임 서비스 적용체계를 제공하고자 한다. 논문에서는 다른 기술과의 비교와 실험을 통해 로봇 지능 통합 프레임워크가 제공하는 기능의 구성을 평가하고 범용 기능에 대한 재사용이 가능함을 확인한다. 또한, 실험에서 사용한 서비스의 기능 및 지식이 명세 기반 개발방법에 서술된 의존성을 통해 확장 및 재사용이 가능함을 보인다. 나아가 로봇이 구동 중에도 추가적인 서비스를 로드하는 과정을 보여 런타임 서비스 적용체계가 로봇이 구동 중에도 동적인 확장을 제공하는 것을 확인한다. 이처럼 본 논문에서 제안하는 기술은 지능형 로봇의 범용적인 기능을 제공하고 서비스의 확장 및 재사용을 지원하며 동적으로 서비스를 확장하는 방법을 제시하여, 지능형 로봇의 서비스를 개발하는 데에 있어 편의성을 제공할 수 있는 기반 기술로 작용할 것으로 기대된다.

로봇 관제 시스템 구조 개선과 Port Mirroring 기술을 활용한 지연시간 감소 연구

서승호 목원대학교 대학원 2023 국내박사

최근 다양한 관제 시스템이 제안 및 고도화 되고 있으며, 통신 기술의 발전으로 기존의 소규모/지역 기반 관제 시스템을 넘어 대규모/네트워크 기반 관제 시스템이 도입되고 있다. 다양한 형태의 관제 시스템이 있으며 각각의 관제 시스템이 요구받는 정확성 및 속도는 차이가 있으나, 로봇 관제 분야는 정확하고 빠른 대응이 필수적이다. 해당 요구사항을 만족시키기 위해 로봇의 HW 및 SW의 성능 향상도 필수적이지만 시스템 요소들의 배치 및 통신방식 또한 연구가 필요하다. 본 논문에서는 기존 로봇 관제 시스템의 구조 및 연결 방식을 분석한 후, 지연시간을 감소시키기 위해 시스템 구성요소들의 조정과 연결 방식의 개선을 통한 시스템 구조 및 통신방식의 변화를 제안한다. 이를 위하여 기존 로봇 관제 시스템의 구성요소와 통신방식들을 조사하고 로봇 관제 시스템이 필요로 하는 기능들을 도출하고, 이들을 연결하는데 필요한 통신방식의 특징을 도출하였다. 이러한 내용을 기반으로 로봇 관제 시스템의 기능들의 배치를 조정하고 통신방식을 개선하고자 한다. 본 논문에서 중앙집중형과 클라이언트 업무분담형 두 개의 모델을 제안하였으며, 각 모델의 네트워크 연결에는 Port Mirroring 기술을 도입하였다. 또한, 기준 모델을 포함한 세 개의 모델에서 로봇에서 생성된 데이터가 클라이언트까지 전달되는 시간, 사용자 명령이 로봇까지 도달하는데 소모되는 시간, 로봇의 데이터가 중앙 서버에 저장되는데 소모되는 시간을 시뮬레이션을 통해 계산하였다. 이를 통해 로봇 관제 시스템에서의 지연시간을 감소할 수 있는 방법을 제시하고자 한다.