마커와 형광등 인식을 통한 실내 배달 로봇의 연구_안준우 연구원

1) 연구 개요

인터넷으로 산 물건을 수령할 때에는 택배 시스템을 이용하여 물건을 수령하는 시스템을 일반적으로 사용한다. 택배 시스템은 인터넷에서 산 물건을 사용자의 집 앞까지 택배기사가 배송하여 주어 편리하지만 경비실에 맡긴 택배들이 사라지거나, 택배 기사가 원하는 배달 지점까지 찾기 쉽지 않아 많은 인적, 시간적 손해를 입는 경우가 생겨나고 있다.

따라서 본 연구에서는 실내 배달 로봇을 제작하여, 실내에서 이루어지는 운송을 자동으로 로봇이 대신 수행하도록 구현한다. 예를 들어 택배기사가 로봇에 택배 물품을 싣고 원하는 방 번호를 입력하면 로봇이 사람을 대신해 배달하는 것이다.

이를 실현하기 위해서는, 로봇이 원하는 지점까지 주행하는 환경 정보를 이용하여 이동할 수 있는 기술이 필요하다. 예를 들어 로봇은 주위의 장애물들을 스스로 파악하여 회피하여야 하며, 원하는 목표 지점이 어떤 방향으로, 어느 정도의 거리에 위치해 있는지 파악 할 수 있어야 한다.

본 연구에서는 직접 개발한 모바일 메니퓰레이터를 이용하여, 형광등 및 각 방마다 부착된 마커를 인식하여 물건을 배송하는 모바일 메니퓰레이션 시스템을 제안한다. 이는 형광등이 실내 복도와 평행하게 위치하기 때문에 실내의 전체 맵을 스캔하는 방법보다 경로 추종이 용이하고 계산 시간이 짧아질 수 있다는 장점을 이용하기 위함이다.

2) 연구 내용

 2-1.  로봇 시스템
  사용한 로봇은 [그림 1]과 같이 3축 로봇팔과 2개의 BLDC 모터로 이루어진 바퀴로 이루어진 모바일 메니퓰레이터 로봇이다. 모바일 하단에는 8개의 초음파 센서를 통하여 외부 장애물과 로봇 사이의 거리를 측정할 수 있으며, 모바일 상단에는 카메라를 부착하여 형광등이나 실내 위치 파악을 위한 마커를 부착하였다.

[그림 1] 실내 배달을 위해 제작된 모바일 로봇

2-2.  형광등 및 마커 인식
  모바일 상단에 있는 카메라가 형광등이나 마커를 인식하기 위하여 천장을 바라보기 위해서는 카메라가 [그림 2]과 같이 정면이 아닌 대각선 방향으로 위치하여야 한다. 이러한 각도 오차는 [그림 2]의 좌측 그림과 같이 거리에 대한 픽셀 오차를 유발시켜 로봇과 형광등 사이의 거리 왜곡을 발생시킨다.

[그림 2] (좌) 원본 카메라 이미지, (우) Top-veiw로 변환된 이미지

 따라서, [그림 2]의 좌측 그림을 Top-veiw 변환을 통하여 [그림 2]의 우측 그림과 같이 변환시킨다. [그림 2]의 우측그림처럼 로봇의 시야를 실내 천장과 평행하게 둠으로써 마커나 형광등을 인식하는 성공률을 높일 수 있으며 로봇과 실내 천장 사이의 거리 오차를 최소화할 수 있다.

 또한 형광등을 인식하기 위하여 형광등과 주변 사이의 공간들 사이의 명암차이를 이용한다. 앞서 변환된 [그림 2]의 명암비를 조절하여 [그림 3]와 같이 형광등을 추출 할 수 있다.

[그림 3] 명암비로 조절된 형광등 이미지

  2-3.  지도 생성
   2-2에서 인식된 형광등 및 마커를 통하여, 노드 방식의 지도를 실시간으로 제작하는 인터페이스를 구축하였다.  [그림 4]와 같이 교차로나 도착지 중요 지점을 마커를 통해 인식한 로봇이 노드 지도를 그리게 된다. 이 때 마커를 지날때마다 좌회전, 우회전, 직진 등과 같은 명령어들을 전달 할 수 있다.

[그림 4] 개발된 인터페이스

  2-4.  장애물 인식 및 회피 경로 생성
   모바일 하단에 있는 초음파 센서를 이용하여 전방의 물체를 회피하는 알고리즘을 제안하였다. 초음파 센서의 특징인 장애물을 만나면 센서 값이 작아진다는 점을 이용하여, 8방향에 부착된 초음파 센서의 벡터 합을 구한다. 이 벡터 합과 ([그림 5]의 갈색)과 미리 입력된 기준 경로 ([그림 5]의 녹색)을 합쳐 새로운 기준 경로 ([그림 5]의 빨간색)가 생성된다.

 결과적으로 로봇은 새로운 기준 경로 방향으로 이동하게 되기 때문에 실시간으로 장애물을 피하면서 목표하고자 하는 경로를 추종할 수 있다.

[그림 5] 회피 경로 생성 모식도

3) 결과 및 향후 계획
 2장에서 소개한 알고리즘을 바탕으로 구현한 결과는 [동영상 1]과 같다. 실내의 전체 맵을 이용하지 않고도 카메라 하나, 그리고 다수의 초음파 센서를 통하여 실내 경로 추종이 가능하며, 장애물 회피가 가능하였다. 따라서 이는 기존의 레이저 스캐닝, RFID등의 방법들보다 직관적이면서도 저렴한 실내 측위 방식이라 할 수 있다.

본 연구를 바탕으로 앞으로는 여러 센서 융합을 통하여 보다 외부 환경에 강인하고 정확한 위치 인식 알고리즘을 개발하고자 하며, 로봇 팔을 이용한 외부 물체 전달 알고리즘을 개발할 계획이다.

[동영상 1] 시연 테스트

본 연구는 "마커와 형광등 인식을 통한 실내 배달 로봇"으로 제 12회 한국로봇학술대회에 발표되었으며, 우수 논문에 선정되었다.


4) 글쓴이 소개
글쓴이: 안준우 석박통합과정 (joonwooahn@snu.ac.kr)
전공: 지능형융합전공
관심분야: 모바일 로봇 경로 생성, 회피 제어, 무인 자율주행