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대진 승
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1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 16, No. 12 pp , ISSN / eissn 효율적인전시공연을위한멀티소형휴머노이드로봇제어 장준영 1, 인치호 1* 1 세명대학교컴퓨터학부 A Multi Small Robot Control for Efficient Robot Performance Jun-Young Jang 1, Chi-Ho Lin 1* 1 School of Computer, Semyung University 요약본논문에서는효율성및사용자편리성을극대화할수있는전시공연을위한멀티소형휴머노이드로봇제어방법을설계및구현하였다. 근래에는공연과전시분야에도로봇을활용하는사례가늘고있으며, 연극, 뮤지컬, 오케스트라공연등장르또한다양하다. 기존의소형휴머노이드를이용한전시공연에서는컴퓨터및 MP3 플레이어등을이용하여외부에서음원을재생과, 동시에로봇의공연시작을위한통신장비의시작버튼을눌러줌으로공연을시작하였다. 이처럼이원화된음원과로봇동작과의동기화로인하여음원시작시점과로봇의공연시작시점의동기화가잘이루어지지않아로봇의동작과음원이따로재생되어공연을재시작해야하는경우가빈번히발생하였다. 또한공연도중로봇이무게중심을잃거나했을때사람이공연에개입하거나공연을재시작해야하는등의문제점이존재하였다. 이를개선하기위해서, 본논문에서는멀티소형휴머노이드로봇제어의효율성향상및사용자의편리성을극대화할수있는 GUI 기반의휴먼인터페이스 S/W를설계하였으며, 다수의소형휴머노이드에데이터를전송하기위하여지그비통신을사용하였다. 또한, 다수의소형휴머노이드로봇을대상으로실제구현함으로써효율성및사용자의편리성에대한타당성을입증하였다. Abstract In this paper, we designed a multi humanoid robot control method for performing an exhibition that will maximize the efficiency and user convenience and implementation. In recent years, an increasing number of case and to take advantage of the robots in the field performances and exhibitions, plays, musicals, orchestra performances are also various genres. In concert with the existing small humanoid exhibition to source from outside by using a computer and MP3 player and play, while pressing the start button of communication equipment for the show to start the robot began performing with the zoom. Thus, due to the dual source and robot operation and synchronization does not work well is the synchronization of the start of the concert sound starting point of the robot and robot motion and sound are reproduced separately were frequently occurs when you need to restart the show. In addition, when the center of gravity or lose the robots who were present during the performance problems such as performance or intervene to restart the show. In order to overcome this, in this paper, Multi-small humanoid robot was designed to control the efficiency and the user of the GUI-based human interface S/W to maximize convenience, Zigbee communication to transmit a plurality of data in al small humanoid It was used. In addition, targeting a number of the small humanoid robot demonstrated the effectiveness and validity of the user's convenience by gender actual implementation. Keywords : Exhibition Performance, GUI, Robot, Multi Robot, Zigbee 1. 서론 를비롯한다양한목적의서비스로봇개발에촉매가되고있다. 휴머노이드로봇은인간을닮고, 인간과유로봇산업의비약적인확장과발전은엔터테인먼트 * Corresponding Author : Chi-Ho Lin(Semyung University) Tel: ich410@semyung.ac.kr Received September 3, 2015 Revised October 6, 2015 Accepted December 4, 2015 Published December 31,

2 한국산학기술학회논문지제 16 권제 12 호, 2015 사한움직임이가능하다. 때문에사람을대신할수있는다양한분야에활용되고있다. 그예로구조용로봇, 서비스로봇, 군사로봇등이있으며, 회사의홍보또는연극에사용되기도한다 [1-2]. 인간과흡사한모습을하고인간과유사한동작을하는휴머노이드로봇은사람들에게관심과흥미를유발할수있기때문에로봇산업의새로운성장분야로각종이벤트와문화행사에로봇을이용한다채로운공연이각광받고있다. 로봇을이용한공연에서중요한요소중하나는공연콘텐츠다. 공연콘텐츠는가수로봇인경우, 음악에맞춰서노래와춤이구성되어야하며, 연기로봇인경우에는시나리오에맞춰서대사와몸짓, 표정, 배경음악등을구성해야한다 [1]. 로봇의자연스러운동작은인간과의친밀감을높이는것뿐아니라감정적표현을풍부하게하는데매우중요하다. 국내 외에서는휴머노이드로봇을활용한다양한공연및연구가진행되고있다. 그예로로봇타타와뮤직로봇, 로봇데스피안, 로봇랜드의전설, 전통문화재현공연및이벤트와문화행사등에휴머노이드를이용한전시공연이진행되고있다 [4-10]. 본논문에서는소형휴머노이드를이용한전시공연시음악의시작과로봇동작의시작동기화에따른문제점및휴머노이드오동작의문제점을개선하기위해서, 멀티소형휴머노이드로봇제어의효율성향상및사용자의편리성을극대화할수있는 GUI 기반의휴먼인터페이스 S/W를설계하였으며, 다수의소형휴머노이드에데이터를전송하기위하여지그비통신을사용하였다. 또한, 다수의소형휴머노이드로봇을대상으로실제구현함으로써타당성을입증하였다. 2. 휴머노이드로봇서보모터제어휴머노이드로봇의동작은로봇을구성하고있는서보모터를제어하는것으로가능하다. 일반적으로전시공연용소형휴머노이드로봇은 17개 (17관절) 의서보모터를이용하여움직임을제어하는데서보모터는설치된위치와방향에따라 x, y, z축방향으로 10 ~190 로움직인다. Fig. 1. Small Robot(17 Joints) 본논문에서사용하는소형휴머노이드로봇 ( 메탈파이터 ) 은 17관절로서보모터의위치에따라 4개그룹으로나누어져있고, 구성은그림 1과같다. 다리를구성하고있는부분은그룹 A, D로각각 5개의서보모터가있고팔은그룹 B, C로각각 4개 ( 목모터포함 ), 3개의서보모터로구성되어있다. 필요에따라휴머노이드로봇목에서보모터를설치하여머리의좌우또는상하로움직일수있도록할수있으며, 허리에서보모터를설치하여좌우로움직일수있도록구성할수있다. 최대 24개의서보모터를구성할수있어서다양한형태및움직임을구현할수있도록구성되어있다. 미니로봇에서제공하는로보베이직은전시공연시나리오프로그램을번역하고로봇을구동하기위해고안된컴파일러다 [10]. 특히로보베이직에서는일반적인베이직언어에는없는모터구동명령어나센서신호관련명령어를제공한다. 휴머노이드로봇을움직이기위하여로보베이직에서여러개의 OTD(One time Moving Distance) 를만드는데, OTD란모터가하나의모션을위해한번에움직이는이동거리를나타낸다. 즉, 휴머노이드로봇의움직임은여러개의 OTD를의미있는동작이나올수있도록조작하는것으로가능하다 [3]. 8934

효율적인전시공연을위한멀티소형휴머노이드로봇제어 Fig. 3. Main Controller(MR-C3024FX) Fig. 2. Robobasic Motion Source Code OTD는분절화라하며, 하나의 OTD에 4개의그룹을모두움직이는경우도있지만, 상황에따라하나의그룹, 또는 2개, 3개의그룹으로움직임이가능하다.

4의 MAC(Media Acess Control) 계측상에구현된프로토콜로서전송속도는 40~250kbps로저속이나블루투스크기의 10분의 1 수준으로구조가간단하며, 저전력, 저가격, 사용의용이성특징을갖는다. Zigbee 무선환경은무선 LAN 으로구성된환경보다전력소모량이매우적어다양한환경에적용이가능하다 [11-12].

3 효율적인전시공연을위한멀티소형휴머노이드로봇제어 Fig. 3. Main Controller(MR-C3024FX) Fig. 2. Robobasic Motion Source Code OTD는분절화라하며, 하나의 OTD에 4개의그룹을모두움직이는경우도있지만, 상황에따라하나의그룹, 또는 2개, 3개의그룹으로움직임이가능하다. 따라서로봇의움직임은여러개의 OTD의집합으로설명할수있으며, 인간의행동을분절된동작의연속적인전이의과정으로이해할수있다. 그림 2는로봇제어에사용된로보베이직모션소스코드를나타내고있다. 2.2 Zigbee 무선통신본논문에서는다수의소형휴머노이드로봇과근거리무선통신을하기위하여 Zigbee 무선통신방식을사용하였다. Zigbee는 IEEE 의 MAC(Media Acess Control) 계측상에구현된프로토콜로서전송속도는 40~250kbps로저속이나블루투스크기의 10분의 1 수준으로구조가간단하며, 저전력, 저가격, 사용의용이성특징을갖는다. Zigbee 무선환경은무선 LAN 으로구성된환경보다전력소모량이매우적어다양한환경에적용이가능하다 [11-12]. 그림 4는본논문에서사용된 Zibee 모듈을나타내고있다. 2.1 분석결과소형휴머노이드로봇의메인컨트롤러는 MR- C3024FX를사용하였으며, 서보및 DC 모터, 사운드제어, 조명제어등을수행한다. 최대 24개의디지털 I/O, 8개의아날로그입력및자이로 ( 가속도 ) 센서, 초음파센서입력등다양한기능을갖추고있다. 즉 MR-C3024FX는서보모터제어신호를휴머노이드로봇의제어에필요한제어각을 MRS-S2009SP로보내어로봇을제어하며무선통신을이용하여, 다수의휴머노이드로봇등기타무대장치에정보를전달한다. 그림 3은 Main Controller인 MR-C3024FX 제어기의구성도로 G6A( 왼쪽다리 ), G6B( 왼쪽팔 ), G6C( 오른쪽다리 ), G6D( 오른쪽팔 ) 는디지털서보모터를동시에제어하기위한포트이고, 전원관련단자들로구성되어있다. Fig. 4. Zigbee Module 3. 멀티소형휴머노이드로봇제어설계및구현본논문에서는멀티소형휴머노이드로봇제어의효율성및사용자의편리성을극대화할수있는 GUI 기반의휴먼인터페이스 S/W와다수의소형휴머노이드로봇 ( 메탈파이터 5대 ), 지그비통신모듈송 수신기로구성되어있다. 그림 5는전시공연을위한멀티소형휴머노이드로봇제어구성도를나타내고있다. 8935

한국산학기술학회논문지제 16 권제 12 호, 2015 Fig. 5. Block Diagram 3.

기존방식은노트북이나 MP3 player등을이용하여외부에서음원을작동시키고, 동시에로봇의공연시작을위한통신장치의버튼을눌러줌으로공연을시작하였다.

즉, 음악의시작과로봇동작의시작동기를잘맞추어야했지만그림 6 에제안한방식은 Main PC(notebook)S/W

4 한국산학기술학회논문지제 16 권제 12 호, 2015 Fig. 5. Block Diagram 3.1 소형휴머노이드전시공연구성그림 6은다수의소형휴머노이드로봇을이용한기존공연및제안한전시공연구성및진행절차를나타내고있다. 그림 6 는기존의전시공연진행절차를비교하여나타내고있다. 기존방식은노트북이나 MP3 player등을이용하여외부에서음원을작동시키고, 동시에로봇의공연시작을위한통신장치의버튼을눌러줌으로공연을시작하였다. 이로인해음악시작시점과로봇의공연시작시점의동기가틀릴경우음악과춤동작이따로동작하여공연을재시작해야하는경우가많았다. 즉, 음악의시작과로봇동작의시작동기를잘맞추어야했지만그림 6 에제안한방식은 Main PC(notebook)S/W GUI에서하나의버튼으로음악의시작과동시에로봇의시작이함께이루어지기때문에동기를맞추기위한노력이필요없다. 또한공연중로봇이무게중심을잃거나했을때기존에는사람이공연에개입하여로봇이공연을재개할수있게하였으나제안한방식은로봇의움직임을여러개로나누어보내면서중간에로봇의상태를인지하여로봇이직접자세를교정할수있게하여로봇공연중사람의개입을최소화할수있게되었다. Traditional Operating Method Proposed Operating Method Fig. 6. Progress Procedures of Exhibition performance 3.2 Main Control(GUI) 그림 7는전시공연을위한멀티소형휴머노이드로봇제어를위한 Main Control(PC) S/W GUI를나타내고있다. 그림 7 는 Main program sound setting 화면을나타내고있으며, sound setting 화면은사용하고자하는음원을선택하여총공연시간을보여줄수있으며, 음원을플레이및정지할수있는기능을가지고있다. 그림 7 은 Main program order setting 화면을나타내고있으며, order setting 화면에서는무선통신을위한포트셋팅과음원의총재생시간중에사용자가임의의시간대에원하는제어신호를전송할수있는기능을가지고있다. Main program sound setting Main program order setting Fig. 7. Main Control S/W(PC) GUI 그림 8는전시공연을위한멀티소형휴머노이드로봇제어플로어차트를나타내고있다. 그림 8 는 Main 8936

효율적인전시공연을위한멀티소형휴머노이드로봇제어 Control S/W(PC) GUI의플로어차트를나타내고있으며, 그림 8 는멀티휴머노이드로봇의동작순서플로어차트를나타내고있다. 의다수의휴머노이드동작을보여주고있으며그림 9(c) 는 Order Num 6의기본자세를나타내고있다.

Zigbee Order Number Receive Inner Order Number Memory Program 1 2 3 4 5 6 7 Key1 Key6 ON OFF OFF OFF OFF ON ON Key2 Key6 OFF ON OFF OFF OFF ON ON Key3 Key6 OFF OFF ON

Small Robot Control Flowchart of Exhibition performance 3.3 소형휴머노이드구현표 1는 Zigbee Order Num Receive 상태에따른휴머노이드로봇의동작상태를나타내고있다. 그림 9는다수의소형휴머노이드로봇을실제구현하기위한실험환경을나태나고있다.

5 효율적인전시공연을위한멀티소형휴머노이드로봇제어 Control S/W(PC) GUI의플로어차트를나타내고있으며, 그림 8 는멀티휴머노이드로봇의동작순서플로어차트를나타내고있다. 의다수의휴머노이드동작을보여주고있으며그림 9(c) 는 Order Num 6의기본자세를나타내고있다. 또한, 그림 9(d) 는 Order Num 7의명령인제어명령을받은후의특정동작을보여주고있다. Table 1. Zigbee Order Number Receive Inner Order Number Memory Program Key1 Key6 ON OFF OFF OFF OFF ON ON Key2 Key6 OFF ON OFF OFF OFF ON ON Key3 Key6 OFF OFF ON OFF OFF ON ON Robot1 Robot2 Robot3 Robot4 Robot5 Key4 Key6 Key5 Key6 OFF OFF OFF ON OFF ON ON OFF OFF OFF OFF ON ON ON Main Control S/W(PC) GUI Multi Robot Fig. 8. Small Robot Control Flowchart of Exhibition performance 3.3 소형휴머노이드구현표 1는 Zigbee Order Num Receive 상태에따른휴머노이드로봇의동작상태를나타내고있다. 그림 9는다수의소형휴머노이드로봇을실제구현하기위한실험환경을나태나고있다. 그림 9 는전체구성인메인 PC S/W GUI와지그비송 수신부모듈, 소형휴머노이드 5대로구성되어있다. 그림 9 는소형휴머노이드 5대가표1에서제시한 Order Num에따라 Order Num 0에서 5까지명령을순차적으로받은후 (c) (d) Experiment Diagram Order Num Receive 1~5 (c) Orer Num Receive 6 (d) Order Num Receive 7 Fig. 9. Experiment of Multi Robot 4. 결론본논문에서는지그비기반의멀티소형휴머노이드로봇제어의효율성향상및사용자의편리성을극대화 8937

6 한국산학기술학회논문지제 16 권제 12 호, 2015 할수있는 GUI 기반의휴먼인터페이스 S/W를설계하였으며, 다수의소형휴머노이드로봇을대상으로실제구현함으로써기존의전시공연진행절차시의문제점인음악과로봇동작의시작동기화를위한문제점을개선하였다. 또한, 메인 PC S/W GUI에서의 order setting 화면에서는무선통신을위한포트셋팅과음원의총재생시간중에사용자가임의의시간대에원하는제어신호를전송할수있는기능을가지고있어서, 전시공연중로봇이무게중심을잃거나했을때기존에는사람이공연에개입하여만로봇이공연을재개할수있었으나제안한방식은로봇의움직임을여러개로신호로나누어보내면서중간에로봇의상태를인지하여로봇이직접자세를교정할수있게하여로봇공연중로봇의오동작을최소화할수있게되었다. 표 2는기존방법과본논문에서제안한방법과의기능을비교한것이다. 향후연구과제로는전시공연을위한다수의소형휴머노이드는제조사별크기및사이즈가달라서공간상의위치제약을많이받는다. 따라서전시공연에제공할수있는휴머노이드동작에제약이따른다. 이를해결하기위해서다양한센서를사용하여공간정보등을메인컨트롤러에전송및장애물회피알고리즘을이용하여다양한동작들을구현하는것이향후과제로남아있다. [3] Y. S. An, U. T. Kim, D. U. Lee, H. G. Lee and T. G. Lee, "Segmentation and Transition of Motion Data for Performance Robot", th ICROS Annual Conference, pp , Chuncheon, Korea, May [4] John J. Craig, "Introduction to Robotics : Mechanics & Control", Addision-Wesley, [5] HoSeok An, DongUk Lee, DongUn Choi, DunkHyun Lee, ManHong Hue, HoGil Lee, "Behavior Composition Program for Performance Robots", th ICROS Annual Conference, pp , Seoul, Korea, April [6] B. K. An, D. H. Choi, M. H. Heu, D. U. Lee and T. Y Kuh, "Development of Robot Platform for Traditional Performance", KSPE 2013 Spring Conference, pp , Jeju Island, Korea, May [7] W. T. Kim, Y. S. An, H. G. Lee and T. H. Lee, "UML-based Motion Planning for Natural Behavior of Performance Robots", th ICROS Annual Conference, pp , Chuncheon, Korea, May [8] Koian, [9] Isans, [10] minirobot, [11] Bernnard Kai-Ping Koh and Peng-Yong Kong, "Performance Study on Zigbee-Based Wireless Personal Area networks for Real-Time Health Monitoring", ETRI Journal, vol. 28, No. 4, August [12] Xiangsheng Kong, Dong Li, "A design for wireless access control system based on Zigbee", consumer Electronics, Communications and Networks(CECNet), nd International Conference on, pp.24-27, Table 2. Feature Comparison Item Sound and performances begin synchronization External communication device Traditional method (Manually) In this paper method (Automatic) Robot mafunction Remarks Main PC(GUI) At the same time the start button operation Remote control External devices, and people operation status 장준영 (Jun-Young Jang) [ 준회원 ] 2003년 2월 : 한라대학교 ( 공학 사 ) 2010년 2월 : 한라대학교 ( 공학석 사 ) 2014년 9월 현재 : 세명대학교 대학원박사과정 References [1] Brian R. Duffy, "Anthropomorphism and The Social Robot", Robotic and Autonomous System, Vol. 42, pp , < 관심분야 > SOC CAD, ASIC Design, CAD Algorithms, SOC DEsign, RTOS and Embedded Systems, Power Electronic, Robot Control [2] M. C. Roh, B. W. Hwang, S. Kim, H. K. Shin, A. Y. Park and S. W. Lee, "Design and Construction of 3D Gesture Database for Analyzing Human Behaviors", Korea Information Science Society, Vol. 32, No. 2, pp , November

7 효율적인전시공연을위한멀티소형휴머노이드로봇제어 인치호 (Chi-Ho Lin) [ 정회원 ] 1985 년 2 월 : 한양대학교 ( 공학사 ) 1987 년 2 월 : 한양대학교 ( 공학석사 ) 1996 년 8 월 : 한양대학교 ( 공학박사 ) 1992 년 3 월 현재 : 세명대학교컴퓨터학부교수 < 관심분야 > SOC CAD, ASIC Design, CAD Algorithms, SOC DEsign, RTOS and Embedded Systems, Lighting Control Systems 8939

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DBPIA-NURIMEDIA 박건수 *, 서태영 **, 김종욱 *** ". 요약 Abstract The induction melting furnace using electric generator has been introduced since 1920s, and it began to be widely applied to industrial applications due to increasing