학부뉴스
[6월 연구실 인터뷰] 인터랙티브 & 네트워크 로보틱스 연구실 학생 인터뷰
작성자
MEch-SSENGER
작성일
2023-08-19
조회
1706
인터랙티브 & 네트워크 로보틱스 연구실
Q1. 연구실에 대해서 간략하게 소개해 주세요. (답변자: 강지석 연구원)저희 연구실은 주로 동역학과 수학에 기반한 로봇 연구를 진행하고 있습니다. 현재 연구가 진행 중인 세부 분야는 크게 1. 공중 조작, 2. 자율 로봇, 3. 로봇 조작, 4. 햅틱 및 VR이 되겠으며, 로봇 시스템의 제어 및 경로 계획, 최적 상태 추정, 동역학 시뮬레이션과 기계학습, 햅틱/원격제어 등 여러 방향에 걸친 다양한 주제로 연구를 하고 있습니다. 교수님께서 주로 선호하시는 연구 e방향은 “엄밀한 수학적/역학적 이론에 바탕을 둔 정교한 시스템 구현”로 요약할 수 있겠는데요. 이론과 하드웨어를 전부 다루는 만큼 도전적인 연구를 수행하는 연구실이라고 할 수 있겠습니다.
Q2. 앞서 말씀해 주신 네 가지 연구 분야와 진행되고 있는 연구 주제에 대해 말씀해 주실 수 있나요?
[공중 조작] (답변자: 이정섭 연구원)
최근 공중 작업을 위한 드론 시스템을 활용하는 연구가 활발하게 진행되고 있습니다. 이러한 연구에서는 드론에 로봇팔을 장착하거나 새로운 드론 시스템을 개발하는 등의 방법이 활용되고 있는데요, 이들은 배터리 용량 등의 기술적 문제로 공중작업에 충분한 비행시간 및 작업력을 내기 어려운 한계가 있습니다.
우리 연구실에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 다중분산로터기반로봇팔 (LASDRA) 시스템을 개발하였습니다. 이 시스템은 전방향 구동이 가능한 드론 시스템을 관절로 연결하여 구성했고, 이를 통해 긴 길이 (7m 이상), 높은 자유도 (15자유도 이상)를 가진 공중 작업용 거대 로봇팔 시스템을 구현하였습니다. 이 시스템은 모선에서 조인트-링크로 연결된 구조를 가지고 있어 배터리와 비행 시간의 문제, 센싱의 문제를 해결할 수 있으며, 각 링크는 독립적으로 동작할 수 있는 모듈러한 디자인과 제어가 가능합니다. 이러한 공중 작업 로봇에 관한 제어/추정/최적화 등의 이론 개발과 더불어 하드웨어 및 시스템 개발을 진행 중입니다.
구체적으로는 기존 로봇팔과는 다른 LASDRA 시스템의 로터 기반 구동 및 모듈러한 특성을 고려하여 각 링크 (드론 시스템)의 동작을 독립적으로 제어하고 인접한 링크 간의 제어 오차를 로터의 역구동성으로 컴플라이언트하게 흡수하는 분산 임피던스 기반 움직임 제어에 대한 연구를 수행했습니다. 이러한 움직임 제어 방식은 모듈러한 제어 디자인을 가능하게 하지만, 동시에 작업력이 첫 링크에 집중되며 끝단 작업력 추정이 어려운 한계점이 존재합니다. 이를 해결하기 위해 작업 시 원하는 자세에서 각 링크간 관절을 잠금으로서 시스템의 작업력을 향상시키는 관절 잠금 시스템의 개발에 대한 연구와 F/T 센서를 활용한 중앙 집중형 및 분산형 모멘텀 기반 작업력 추정 기법에 대한 연구를 진행하였습니다.
[자율 로봇] (답변자: 강지석 연구원)
로보틱스에서 전통적으로 다뤄온 중요한 주제인 이동 로봇 (mobile robot)을 위한 자율 주행 및 비행 기술을 개발하는 분야입니다. 이동 로봇의 자율 주행 및 비행을 위해서는 센서융합 및 경로/궤적 계획, 동역학적 움직임 제어 기술들이 필요한데요. 이러한 요소 기술 각각을 개발하거나 각각의 요소 기술을 결합해 완성된 시스템을 구현하는 연구를 진행하고 있습니다.
대표 연구로는 가격과 크기 측면에 이득이 있는 단안 카메라 (카메라를 하나만 사용)를 활용한 영상-관성 측위 및 매핑 연구가 있습니다. 이때 가장 어려운 부분은 축적 초기화 (scale initialization) 문제입니다. 단안 영상 시스템의 경우 영상 시스템의 축적을 알기 위해서는 처음에 로봇에 움직임을 임의로 줘야 하는데요. 이러면 로봇이 현재 자세와 주변 지형을 모르는 상태로 움직이는 도중에 어딘가에 부딪힐 수 있기 때문에 최대한 짧은 움직임만을 가지고 초기화를 해야 하고, 그러면서도 초기화 직후 추정기가 불안정한 거동을 보이지 않도록 정확성을 유지할 필요가 있습니다. 저희 연구실에서는 아주 빠르고 (0.5초 이내) 정확하게 (1000회 랜덤 시도에서 성공률 100%) 초기화를 하는 방법을 개발했습니다.
또한, 보행 로봇이 발을 땅에 딛으며 발생하는 센싱 외란으로 인해 측위가 부정확해지는 문제를 해결하기 위해, 동물의 목을 모방해서 카메라와 IMU가 달려있는 센싱부와 로봇의 몸을 스프링-댐퍼로 연결하여 동적 흡진기 (dynamic vibration absorber)를 구성하고, 구성된 흡진기의 흡수 주파수 (notch frequency)를 보행 패턴에 맞춰 조정하는 메커니즘을 개발하였습니다.
이외에도 다개체 로봇 시스템 간 협조 측위 및 매핑, 자율 배송 차량을 위한 극한 환경 움직임 제어 및 경로 계획, 수표면 쓰레기 수집을 위한 자율 수상정 로봇 개발 등을 연구하고 있습니다.
[로봇 조작] (답변자: 손부건 연구원)
복잡하고 다양한 물리적 거동을 모사하는 시뮬레이션 기술과 이를 기반으로 한 조작 제어에 관해 연구하는 분야입니다. 기존의 상용 시뮬레이터는 다양한 시나리오의 작업을 모사하는 것에 있어 정확도나 속도 측면에서 한계가 존재합니다. 저희 연구실에서는 이를 해결하고자 수학적 이론을 개발하거나 인공지능 기법을 활용하여 신속하고 정확하게 모사하는 시뮬레이션 기법과 이를 기반으로 한 인식 및 조작 알고리즘을 개발 중입니다.
구체적으로는 로프나 옷 같은 변형체나 높은 자유도의 강체를 표현할 수 있는 접촉 노드화/대각화 기법과 단위 시스템 기반 시뮬레이션을 개발하였습니다. 개발한 알고리즘을 기반으로 효율적인 병렬화를 활용할 수 있기 때문에 빠르고 정확한 시뮬레이션 결과를 도출할 수 있습니다.
또한 나사 체결과 같은 복잡한 작업은 접촉점이 많고 계속 바뀌기 때문에 기존의 상용 시뮬레이션에서 물체 간에 파고드는 현상이나 떨림이 발생하는데 이를 해결하기 위해 대표 접촉점과 접촉방향을 데이터기반 학습 방식으로 선정하는 나사체결 시뮬레이션을 개발하였습니다. 이를 기반으로 한 나사의 자세추정 알고리즘 및 학습 기반 체결 제어 알고리즘 역시 개발하였습니다.
마지막으로, 로봇 조작 시 식기 건조대 같은 얇은 물체들이 종종 등장하는데, 이런 얇은 물체들을 이미지를 이용해 3차원 선분으로 재구성하는 알고리즘을 개발하였습니다. 이 기술은 시간/메모리 측면에서 효율적이면서도 self-occlusion에 더 강건하며 물체를 충분한 정보량으로 표현할 수 있다는 장점이 있습니다. 또한, 식기 건조대에 식기 수납을 위해 미분가능 시뮬레이터를 개발하여, 이를 기반으로 한 최적화 기반 식기 자세 추정 및 경로 생성 연구도 진행하였습니다.
[햅틱 및 VR] (답변자: 허진욱 연구원)
저희 연구실은 메타버스와 함께 빠르게 성장하고 있는 햅틱 및 VR 연구 분야 중에서 ‘손’에 관련된 연구를 집중적으로 수행하고 있습니다. 좁은 공간에서 높은 자유도를 갖는 손동작을 활용한 조작 및 어플리케이션을 가상환경에서 구현하기 위해 저희는 정확하고 빠른 손동작 추적과 조작 인터페이스, 다양한 손 햅틱 장비, 그리고 인터렉티브 시뮬레이션에 대해 연구하고 있습니다.
21년도에 사이언스 로보틱스 저널에 저희 연구실이 발표한 VIST 기술은 관성센서와 카메라 센서의 상보적인 강결합 융합 기법으로 다양한 상황에서도 강건하고 안정적으로 세계 최고 수준의 정확한 손동작 추적이 가능한 기술입니다. 저희 VIST 기술은 IMU센서를 사용하되 compass를 전혀 쓰지 않으며, 비전 센서와 IMU 센서가 강결합 융합 방식으로 상보적으로 도움을 주기 때문에 여타 다른 손동작 추적 기술 (비전 기반, IMU 및 compass 기반, 소프트 센서 기반)에 비해 강건하고 정확하게 동작할 수 있습니다.
또한, 저희 연구실에서는 손 햅틱 피드백 장비도 연구 중인데요. 손끝에 섬세한 3자유도 촉감 피드백을 전달할 수 있는 장비인 CHD의 하드웨어를 디자인하고 고성능 제어기법을 연구하고 있습니다. 손끝 착용형 햅틱 장비인 CHD는 물체의 정밀 조작에 필수적인 접촉힘의 방향과 세기를 정확하게 렌더링 할 수 있어서 가상환경에서 더욱 정교한 작업을 가능케합니다. 뿐만 아니라 진동 햅틱을 통한 질감 표현 및 열감 햅틱 피드백도 연구 중입니다.
저희 연구실에서는 이렇게 개발한 손동작 추적 기술과 햅틱피드백 기술을 결합한 햅틱글러브를 사용하여 가상현실 게임/가상콘서트 시나리오 제작, 군집드론 조작 인터페이스 개발, 가상현실 물체조작 인터렉티브 시뮬레이션과 같은 다양한 연구에 활용하고 있습니다. 또한 VIST 기술을 일반화하여 착용형 소프트로봇의 피드백 제어에도 활용하고 있습니다.
Q3. 해당 연구를 진행하면서 가장 힘들었던 점과 이를 극복한 방법이 있나요? (답변자: 강지석 연구원)
먼저, 사람은 쉽게 하는 작업을 로봇으로 자동화하는데 있어 어려운 이유를 명확하게 파악하는 것이 어려웠습니다. 이러한 문제들은 수식적으로 명확한 근거가 존재한다기보다는 좀 더 인사이트를 가지고 문제를 살펴보는 과정이 필요합니다. 이러한 인사이트를 검증하는 단계를 여러 번 거치다 보면 비로소 문제를 극복할 수 있게 되는 것 같습니다.
진행하고 있는 연구가 실제 로봇 작업 수행에 도움되는 부분이 될 수 있을지, 충분한 기여가 있는 연구인지 의심이 들 때가 힘든 것 같습니다. 연구를 시작할 때부터 연구를 발표할 때까지도 그런 고민이 종종 계속되는데, 이런 고민에서부터 또 더 좋은 연구가 시작될 수 있다고 생각합니다.
Q4. 연구실에서 보유하고 있는 특별한 장치 또는 설비가 있나요? 없다면 외부에서 자주 사용하는 장비가 있나요?
(답변자: 강지석 연구원)
연구실에는 고성능 알고리즘을 구동할 수 있는 높은 사양의 서버 PC가 구축되어 있습니다. 또한, 로봇 조작 알고리즘을 검증하기 위한 다수의 로봇팔과 그리퍼 역시 보유하고 있습니다. 이동로봇(LASDRA, 드론 등)의 경우, 연구목적에 맞도록 설계 및 제작하여 연구를 진행하고 있으며, 로봇의 정확한 위치추정을 위한 모션캡쳐 장비를 구비하고 있습니다. VR 연구를 위한 Meta Quest 2, VIVE pro, MS HoloLens 등 다양한 VR/AR/MR용 HMD들을 보유하고 있고, 힘 햅틱 피드백을 줄 수 있는 Omega라는 장비를 보유 중입니다. 또한, 신체 트래킹에 쓰이는 VIVE tracking system도 보유 중입니다. 저희가 자체 개발한 햅틱/VR용 장비들은 강건하고 정확한 손동작 추적 기술을 활용한 핸드트래커 VIST와 손에 진동/손끝 촉감/열감 햅틱 피드백을 줄 수 있는 장비들이 있습니다.
(왼쪽부터 차례대로 강지석 연구원, 이정섭 연구원, 손부건 연구원, 허진욱 연구원)
MEch-SSENGER 정석철
