[첨단 헬로티]

2020년에 열리는 World Robot Summit(이하 ‘WRS’)에서는 World Robot Challenge로서 4가지의 로봇 경기대회가 열린다. WRS는 ‘최첨단 로봇이나 로봇 기술, 로봇에 관련된 연구자·개발자 및 정부나 민간의 요인을 전 세계에서 모집, 모인 Robot Excellence가 경기나 전시를 통해 경연함으로써 생활이나 산업·사회가 어떻게 변화하는지를 제시하는 것’을 목적으로 하고 있으며, Future Convenience Store Challenge(이하 ‘FCSC’)은 서비스 로보틱스 카테고리의 경기대회로서 실시되고 접객, 진열·폐기, 화장실 청소의 3가지 경기 종목으로 구성된다.

이 글에서는 사전 대회로서 2017년 12월에 센다이에서 열린 FCSC 콘테스트에서 진열·폐기 태스크에 출장하는 것을 목적으로, 하드웨어에서부터 설계 제작한 시제작 로봇 JeLa-C1의 구성과 대회 당일의 동작 결과에 대해 소개한다. 또한, 이 글에서 설명하는 시제작 로봇은 대회까지의 준비 기간이 짧아 약 4개월 만에 설계 제작을 한 것으로, 소프트웨어에 관해서는 충분한 성능이 실장되어 있지 않기 때문에 하드웨어를 중심으로 설명하는 것을 이해해 주기 바란다.

진열․폐기 태스크용 JeLa-C1의 개요

1. 전체 구조

FCSC의 진열·폐기 태스크는 로봇이 자율적으로 상품(도시락, 음료, 주먹밥)을 컨테이너로 옮겨 선반에 진열하는 진열 태스크와 선반에 진열된 샌드위치 중에서 폐기 대상인 것을 회수하고 남은 것은 재진열하는 태스크로 구성된다.

그림 1. 진열·폐기 태스크용 로봇 Jela-C1

진열·폐기 태스크를 실행하기 위해 제작한 로봇 Jela-C1의 전체 외관을 그림 1에, 기본 사양을 표 1에 나타냈다. 이 로봇은 전방향 이동체에 각 상품을 안정적으로 파지하기 위한 핸드기구를 가진 5자유도 암을 탑재한 구조를 갖는다. 제어장치 및 전원계는 이동체와 암 사이의 공간에 내장되어 있으며, 이동체의 전면부에는 로봇의 내부 정보를 표시하는 디스플레이가 탑재되어 있다. 이동체는 스토어 내의 좁은 통로에서 주행하는 것을 고려해, 옴니휠을 이용한 3륜 구조의 전방향 이동기구를 이동기구로서 채용했다.

이번 콘테스트에서는 최소한의 이동 능력으로도 태스크를 클리어할 수 있다고 생각됐기 때문에 자기 위치 추정이나 패스 계획 등을 실장하지 않고, 이동체의 하부에 센서를 장착해 스토어 바닥면에 쳐진 라인을 추적하는 방법을 도입했다.

핸드를 탑재한 암의 외관을 그림 2 (a)에 나타냈다. 암은 손끝 위치 제어의 용이성과 동작을 예상하기 쉬운 직동 관절기구를 기본으로, 제0 직동 관절과 제2 직동 관절 사이에 Yaw축 회전 관절을 설정했다. 또한, 상품에 맞춰 파지하는 엔드 이펙터를 변경하기 위해 제3 직동 관절의 끝단에 Roll 축 회전 관절을 설정하고 있다.

상품을 파지하기 위한 핸드의 외관과 그리퍼의 움직임을 그림 2 (b)에 나타냈다. 주먹밥, 음료, 샌드위치는 캠 홈을 따라 직선 운동하는 3개의 손가락을 가진 그리퍼에 의해 파지한다. 캠 홈이 있는 원반을 시계(반시계) 방향으로 회전함으로써 3개의 손가락을 접는(펴는) 동작을 실현할 수 있다. 그리퍼의 중심 위치에는 각 상품에 핸드를 접근시키기 위한 Visual Servo용 핸드 카메라가 장착되어 있다. 윗면이 넓어 그리퍼로는 잡기 어려운 도시락은 손목을 180도 회전해 공기식 흡착기구로 파지한다. 도시락을 안정적으로 파지하기 위해 4개의 흡착기를 도시락의 윗면 넓이에 맞춰 배치하고, 1개의 콤프레서로 흡착할 수 있게 했다.

2. 제어 시스템의 구성

그림 3에 Jela-C1의 제어 시스템 구성도를 나타냈다. 로봇의 각 관절을 제어하는 호스트 컨트롤러는 실시간 OS인 ART Linux를 채용, 각 액추에이터(이동체 3개, 암 5개, 핸드 2개)는 FPGA를 통해 제어한다.

대상물 인식 및 Visual servo 제어를 위한 핸드에 내장된 USB 카메라로 촬영한 영상은 로봇 본체에 별도 탑재되어 있는 화상처리용 PC에 보내 처리된다. 처리 결과는 호스트 컨트롤러와 시리얼 통신을 통해 공유된다. 호스트 컨트롤러와 화상처리용 PC는 외부와 Wi-Fi로 연결되어 있으며, 로봇의 상황이나 처리 결과를 외부의 PC에서 확인할 수 있다.

3. 각 상품의 인식 및 접근

각 상품의 인식 판별은 사전에 인프라로서 각 상품에 붙인 실을 마커로 해서 핸드 카메라로 촬영·처리하는 것으로 한다. 실은 각 상품을 식별할 수 있는 것과 상품의 외관이 손상되지 않는다고 하는 규칙을 고려, 각 상품마다 다른 색깔의 원형 종이에 하얀 도형을 인쇄한 것을 제작했다.

핸드 카메라로 촬영한 영상에서 색깔과 도형 형상 정보를 이용해 실만을 추출, 각 상품 종류의 식별과 실 중심의 화면 상 픽셀 위치 정보를 취득한다. 각 상품의 식별 실험 결과를 그림 4에 나타냈다. 상품에 대한 핸드의 접근은 각 상품의 대략적인 위치 정보를 베이스로 핸드를 이동시킨 후, 핸드 카메라로 실 중심 위치 정보를 기초로 Visual servo로 위치의 어긋남을 수정하면서 한다. 

태스크 실행 시나리오

로봇의 진열·폐기 태스크 동작 시나리오에 대해 설명한다.

(1) 백야드에서 진열 선반까지 이동 

· 라인 추적으로 진열대 A(진열용)으로 이동. 

· 차체의 자세 조정. 

(2) 진열 선반에 상품을 배치 

· 핸드 카메라로 주먹밥의 실을 발견. 

· Visual servo로 일정한 높이까지 접근. 

· 더 하강해서 파지.

· 주먹밥(도시락, 음료)의 바닥을 선반의 깊은 곳까지 들어올리고, 암을 선반을 향해 yaw 회전. 

· 지정 장소로 이동해 배치. 

· 핸드를 초기 위치로 복귀. 

· 차체를 도시락의 배치 장소까지 이동. 

· 핸드 카메라로 도시락의 실을 탐색.

· 핸드를 회전해 흡판으로 도시락을 흡착. 

· 4, 5, 6을 실행.

· 차체를 음료 배치 장소까지 이동. 

· 핸드 카메라로 음료의 실을 발견.

· 2, 3, 4, 5, 6을 실행. 

(3) 샌드위치 폐기 태스크용 선반으로 이동

· 라인 추적으로 선반까지 이동. 

· 선반 앞에서 차체의 자세 조정. 

(4) 폐기용 샌드위치 상품 폐기 

· 핸드를 샌드위치 장소까지 이동. 

· 폐기물용 실을 탐색 후, 폐기 상품이 있으면 LED로 표시. 

· 폐기 샌드위치를 파지 후, 컨테이너에 격납. 

· 1, 2, 3을 반복. 

(5) 다시 진열

· 폐기용 샌드위치를 꺼낸 위치(가까운 순으로) 부근까지 이동. 

· 핸드 카메라로 샌드위치를 탐색＆파지.

· 샌드위치를 앞으로 이동 후, 배치.

· 선반의 안쪽 방향으로 2, 3을 반복.

(6) 백야드로 되돌아간다

대회에서 시간 부족으로 샌드위치의 폐기 태스크 프로그램을 실장할 수 없어, 진열 태스크 동작만 실시할 수 있었다.

대회의 태스크 동작 결과

센다이에서 열린 사전 대회의 로봇 동작을 그림 5에 나타냈다. 로봇은 라인 추적하면서 제1 진열 상품인 주먹밥의 진열 장소까지 이동(①), 핸드를 주먹밥 바로 위까지 이동시킨다(②, ③). 다음으로 핸드를 일정 위치까지 내리고(④), 주먹밥을 3개의 그리퍼로 잡은 후(⑤), 들어올린다(⑥). 대회에서는 주먹밥을 들어 올리는 데는 성공했지만, 그리퍼의 파지력 부족으로 떨어뜨려 득점으로는 이어지지 않았다.

다음으로 로봇은 도시락을 진열하기 위한 장소로 이동(⑦)하고 핸드를 도시락 위까지 이동(⑧), 손목을 반회전시켜 흡착기를 아래쪽으로 향하게 한다(⑨, ⑩). 그 후, 흡착기를 내려서 도시락 윗면에 눌러 붙이는 동시에 콤프레서로 공기를 빨아들임으로써 도시락을 흡착해 들어올린다(⑪, ⑫). 도시락을 들어 올린 후에는 암의 제0 관절(요축)을 90도 회전해 핸드를 진열대를 향하도록 하고(⑬, ⑭, ⑮), 천천히 내린 후(⑯, ⑰) 임의의 높이에서 도시락을 흡착기에서 떼어내 진열한다. 협의 결과로서는 백야드에서의 상품 운반과 도시락 1개의 진열에 대한 포인트를 획득했다.

맺음말

이 글에서는 FCSC 2017년 사전 대회 참가용으로 개발한 진열·폐기 태스크용 로봇 Jela-C1의 하드웨어 및 제어 시스템, 사전 대회의 동작 결과에 대해 서술했다.

이번에 제작한 로봇은 짧은 개발 시간 안에 최소한의 태스크 실행 기능을 실장한 것으로, 고도의 상품 인식이나 환경 정보를 이용한 지적 동작 플래닝은 탑재되어 있지 않다.

앞으로 ROS를 베이스로 한 동작 제어 시스템으로 이행, 각 상품 진열의 효율적인 동작 계획, 마커를 이용한 샌드위치의 자세 인식 및 파지 계획의 실장을 추진할 예정이다.

鄭聖熹, 오사카전기통신대학