안내 로봇 제어를 위한 새로운 위치 측정 시스템

Abstract

로봇에 적용되는 상대적 또는 절대적 위치 인식 시스템은 초음파 센서처럼 음파를 이용하거나 비전(vision), 적외선, 레이저(LASER), 라이다(LIDAR) 센서처럼 빛을 이용하거나 GPS(Global Positioning System), 레이다(RADAR)와 같이 전파를 이용한다. 실내 환경에서 많이 사용되는 초음파, 비전 센서들은 외란(disturbance)의 변화에 민감하여 바람이 거세거나 연무에 의해서 그 성능이 심각하게 저하된다. 본 논문은 이러한 외란의 영향을 중요시해야 하는 로봇, 예를 들어 사람 가까이서 이동하는 안내 로봇이나 복잡한 실내 환경에서 임무를 수행하는 가사 도우미 로봇들이 이용할 수 있는 새로운 위치 측정 시스템의 제안과 개발, 그리고 실험 및 분석에 관한 것이다. 본 논문에서 제안하는 새로운 위치 측정 시스템은 관절각 또는 링크각을 측정할 수 있는 시리얼 링크의 한 끝에 IMU를 부착한 형태를 가지며 안내 로봇에 적용하여 조이스틱 역할을 하는 것을 Intelligent Lead라고 정의한다. 시각장애인이나 노인을 위한 안내 로봇은 스스로 장애물을 회피하면서 사용자의 위치 및 속도 제어 명령을 추종해야만 한다. 또한 사용자의 위치를 파악하고 사용자 근처에서 적당한 거리를 유지함으로써 사용자의 보행에 방해가 되지 않도록 설계 및 제작되어야 한다. 위의 기능 구현을 위해서는 사용자의 제어 명령을 획득하는 기능뿐만 아니라 외란의 영향을 받지 않으면서 사용자의 위치를 실시간으로 파악할 수 있는 센서가 필요해진다. 그러나 현재까지 주로 사용되고 있는 초음파 센서, 비전 센서 및 라이다 센서 등으로는 외란의 영향으로부터 사용자의 안전을 보장하기 어렵다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 본 논문에서는 외란의 영향을 받지 않고 가까운 장애물에 대한 거리 정보를 획득할 수 있는 새로운 위치 측정 수단으로써 Intelligent Lead를 제안한다. 본 논문에서 제안하는 Intelligent Lead는 로봇과 사용자와의 거리와 속도 제어 량, 회전 제어 량을 실시간 출력하는 새로운 HRI(Human Robot Interaction)용 센서로서 시리얼 링크의 한쪽 끝 단에 IMU(Inertial Measurement Unit)가 부착되고 시리얼 링크의 각각의 관절(joint)마다 엔코더(encoder)가 부착된 형태를 가지며 로봇에 부착된LIDAR로부터 획득되는 사용자의 관절 정보를 융합한다. 시리얼 링크는 사용자 손목의 위치 및 자세를 측정하며 LIDAR는 사용자의 어깨 및 몸체의 위치를 측정하고 두 센서 데이터를 IMU와 함께 EKF(Extended Kalman Filter)로 융합(fusion) 함으로써 LIDAR의 시야각(field of view)을 벗어나는 가까운 거리에서도, 거친 지면으로 인한 로봇의 흔들림에도 안정적으로 사용자의 어깨, 몸체, 손목의 위치를 획득한다. 또한 어깨 및 몸체의 위치를 기준으로 손목의 위치가 정상적인 보행 시의 위치에서 이탈되는 정도를 계산하고 임계 값 이상이 되면 이탈 량에 비례해서 속도와 방향 전환을 위한 제어 량으로 출력한다. 제작된 Intelligent Lead를 실험을 위해서 제작된 이동 로봇(mobile robot)에 장착하고, 1)Intelligent Lead를 사용하지 않는 상태에서 로봇이 인공 장애물을 회피하며 목적 지점까지 도달하는 실험과, 2)Intelligent Lead를 모바일 조이스틱으로 사용하여 사용자가 Intelligent Lead를 이용해서 로봇을 목적지에 도달시키는 실험과, 3)사용자와 로봇이 협업하여 장애물 회피와 목적지 도달 및 서로간의 간격을 유지하는 실험과, 4)사용자가 Intelligent Lead만을 잡고 로봇을 따라가며 주어진 목적지에 도달하는 안내견 모사 실험들을 수행하며 위의 4가지 실험 결과의 분석을 통해서 Intelligent Lead 가 안내 로봇 제어를 위한 위치 측정 시스템으로 사용하기에 적합함을 보여준다.

주요어 : 위치 측정 시스템, 안내 로봇, 시리얼링크, 라이다, 센서융합