서비스 로봇을 위한 센서 네트워크 기반 스마트 환경 구축
Construction of a Sensor Network-based Smart Environment for Service Robots
백 승 호1, 박 재 한2, 고 재 한3, 백 문 홍4
Seung-Ho Baeg1, Jae-Han Park2, Jaehan Koh3, Moon-Hong Baeg4
Abstract This paper introduces a prototype smart home environment that is built in the research building to demonstrate the feasibility of a robot-assisted future home environment. Localization, navigation, object recognition and handling are core functionalities that an intelligent service robot should provide. A huge amount of research effort has been made to make the service robot perform these functions with its own sensors, actuators and a knowledge base. With all complicated configuration of sensors, actuators and a database, the robot could only perform the given tasks in a predefined environment or show the limited capabilities in a natural environment. We started a smart home environment for service robots for simple service robots to provide reliable services by communicating with the environment through the wireless sensor networks. In this paper, we introduce various types of smart devices that are developed for assisting the robot in the environment by providing sensor and actuator capabilities. In addition, we present how the devices are integrated to constitute the smart home environment for service robots.
Keywords : Smart Environment, Sensor Networks, Smart Objects, Service Robot
1. 서 론
지식산업의 출현 및 고령화 사회의 도래로 인한 삶의 질 향상의 욕구와 함께 현재 청소, 경비, 의료, 복지, 가 사지원과 같은 다양한 서비스 로봇의 실생활 도입에 대 한 시도가 활발히 이루어지고 있다[1, 2]. 이러한 서비스 로봇은 그 특성상 인간과 생활환경을 공유해야 하므로 인간에게 안전해야 하고, 인간행동을 이해할 수 있어야 하며 인간요구에 부합하는 서비스를 제공할 수 있는 성 능과 함께 로봇의 구매비용 또한 사용자가 감당할 만한 수준이어야 한다. 이러한 요구조건을 만족시키기 위해 지능화 연구, 부품 및 통합 연구 등 많은 연구개발이 수
행되어 왔으나, 만족할 만한 서비스를 로봇이 제공하기 에는 기능적으로 부족한 부분이 많으며 고가의 가격으 로 인해 아직도 인간의 실생활 속으로 진입하기에는 많 은 어려움들이 남겨져 있다.
기존의 로봇에 대한 연구방향은 로봇 스스로 환경을 인지하고 습득한 지식정보를 자체 기억장치에 저장하고 저장된 지식을 바탕으로 기능을 수행하는 방식이다. 이 를 위하여 로봇에 다양한 고가의 센서와 복잡한 인식 알고리즘 그리고 방대한 데이터베이스를 탑재시켜 지능 화시키는 연구를 오랜 기간 동안 수행해 왔지만, 아직 도 만족할 만한 성과가 없으며 앞으로도 언제 기술적 완성이 이루어질지 예측할 수 없는 것이 현 상황이다.
이는 인간의 생활환경과 같이 복잡하고 다양한 환경을 인식하고 이해하기에는 센서들의 기능이 현저히 낮은 점, 또한 로봇의 정보처리 및 의사결정 능력이 인간의 인지능력과 대용량의 정보처리능력에 비해 많이 떨어지 는 점 등을 원인으로 들 수 있다.
※ 본 연구는 산업자원부 청소 로봇을 위한 스마트 환경 시스템 기술개발 과제 지원으로 수행되었음.
1 한국생산기술연구원 로봇기술본부 수석연구원
2 한국생산기술연구원 로봇기술본부 연구원
3 UB/The State University at New York, Computer Science 박사과정
4 한국생산기술연구원 로봇기술본부 수석연구원
히 일본에서는 2000년대 이후부터 ‘로봇 스마트 환경 연구’를 통하여 로봇 주변 환경의 구조화를 연구하여 왔으며, 2006년부터는 ‘로봇타운의 실증적 연구’를 통 하여 로봇을 위한 구조화된 환경의 실제적인 구축을 수행하고 있다[4, 5].
본 연구팀에서는 앞서 언급한 로봇의 기술적 한계 를 극복하고 로봇에 의한 서비스를 현실화하려는 목 적으로 스마트 로봇환경 관련 연구를 수행해 오고 있 다. 이를 위하여 스마트 로봇환경 구축의 기반인 센서 네트워크 및 RFID 시스템 등의 기반기술을 확보하였 으며, 이러한 기반기술을 바탕으로 로봇의 자기위치 인식 및 자율주행기술, 로봇의 물체 인식 및 자세추정 과 같은 서비스 로봇을 위한 주요 기술들을 개발하였 다. 이와 더불어 아파트 모델하우스 및 오피스에 스마 트 로봇환경을 구축하고 이 환경에서의 다양한 로봇 서비스 시나리오를 구현하고 있다. 본 논문은 이러한 연구를 위해 개발된 주요 기술들과 그 기술들이 스마 트 로봇 환경 내에서 어떻게 통합되어 서비스를 제공 하는지 보이고자 한다.
2. 스마트 로봇 환경을 위한 기반기술 개발
2.1 스마트 로봇 환경을 위한 기반기술 개요
스마트 로봇 환경이란 인간 중심의 인간의 편리성 을 지향하는 다양한 분야의 기술을 통합하여 로봇의 지능적인 서비스를 구현하는데 초점을 맞추어 환경 기술을 재정립하고 강화하여 구축한 환경을 의미한 다. 이러한 스마트 로봇 환경 기술 하에서 로봇은 필 요로 하는 많은 정보를 로봇 자체에 탑재되어 있는 내부 센서 뿐만 아니라 외부 환경에 설치된 다양한 종류의 센서로부터 정보를 획득할 수 있으며 로봇이 서비스를 수행하는데 필요한 각종 환경 제어 등의 기능을 통신을 통하여 환경에서 실시간으로 제어될 수 있도록 도움을 받음으로써 로봇은 보다 신뢰성 있고 안정성 확보된 서비스를 수행 할 수 있다. 이러 한 신뢰성 있는 로봇서비스 기술의 구현의 목적은 전적으로 인간의 삶의 편리성을 보다 증대시키는데 있다.
본 연구팀에서 ‘스마트 로봇 환경 기반 물체인식 및 핸들링 기술’, ‘스마트 로봇 환경 기반 위치인식 및 자율
모듈에 대한 내용을 제시한다.
2.2 스마트 로봇환경 시스템 설계
일반적으로 가정에 적용되기 위한 서비스 로봇의 필수적인 요구기능은 자기위치 추정(Self-Localization), 지도제작(Map Building), 자율주행(Navigation), 물체 인 식(Object Recognition) 및 물체 핸들링(Object Handling) 등이다. 기존 로봇에서는 이러한 기능을 구현하기 위 해 초음파 센서, 적외선 센서, 레이저 레인지 파인더, 카메라 등의 센서를 장착하였으며 또한 이러한 센서 정보를 처리하기 위해서는 고속의 연산과 방대한 메 모리 등 고도의 기능을 갖는 컴퓨팅 시스템이 요구 되었다.
그러나 최근, 센서의 고집적화 기술, 무선 통신 기 술 및 무선모듈의 고밀도 집적화 기술 등의 발달로 기존의 로봇에 모두 탑재 되어있던 환경인식을 위한 센싱 기술을 로봇의 외부 환경에 직접 설치할 수 있 게 되었다. 이러한 기술적 변화는 로봇의 환경인식에 대한 부하를 환경에 설치된 스마트 객체로 분산시키 는 것을 가능케 하며 이로 인해 로봇의 구성과 기능 이 간소화 될 수 있다. 그림 1은 스마트 환경기반 로 봇의 특징을 보여준다. 로봇 자체에 모든 데이터베이 스와 알고리즘을 탑재하여 무겁고 복잡한 (a)의 로봇 에 반해, (b)의 스마트 환경기반 로봇은 다양한 정보 와 제어 자원을 지능화 된 환경과 인터넷 공간을 통 하여 제공받으므로 간소화된 로봇으로도 고기능의 서비스를 수행할 수 있다.
(a) 기존의 로봇 (b) 스마트 환경의 로봇
그림 1. 스마트 환경기반 로봇의 특징
그림 2. 스마트 환경의 계층적 구성
스마트 로봇환경의 구성은 크게 실제 환경 계층과 환 경과 상호작용을 하는 센서/액츄에이터 계층, 이들을 제 어하는 스마트 디바이스 계층, 스마트 디바이스들을 연 결하는 네트워크 계층 그리고 이들을 관리하고 운용하 는 서버 계층으로 구분할 수 있으며 그림 2에 각 계층 의 연관관계에 대한 구성을 나타내었다. 본 연구에서는 실제 환경 계층에 존재하는 요소 중에서 로봇의 관심대 상 물체인 스마트 아이템(Smart Item)에는 RFID 태그가 부착되어 있다고 가정함으로써 스마트 디바이스가 물체 를 인식할 수 있도록 구성하였다[6, 7, 8].
2.3 물체인식을 위한 RFID 모듈 제어기 개발
로봇을 위한 RFID 응용 기술은 크게 두 부분으로 구 분할 수 있는데 하나는 로봇이 이동하면서 주위의 RFID 태그가 붙어 있는 물체를 인식하는 기술이고 다 른 하나는 환경이 물체의 존재 유무를 감지하고 필요시 로봇에게 이의 정보를 제공하는 것이다. 전자는 로봇에 RFID 리더와 안테나를 부착하고 RFID 리더 제어기에서 지속적으로 전방의 RFID 태그를 감지하여 이를 로봇 상위제어기로 알려주며 로봇 상위제어기는 해당 RFID 태그에 대한 물체정보와 카메라 영상을 바탕으로 특정 물체를 인식하는 기술이고, 후자는 가정이나 오피스에 있는 식탁, 테이블, 선반, 책장, 출입문 등과 같은 비품 들이 위에 놓여 있는 물체의 RFID 태그를 스스로 감지 하고 이의 정보를 로봇이나 홈서버 등에 알려주어 로봇 이 물체의 위치를 빠르게 파악하고 접근할 수 있도록 하는 기술이다.
이러한 RFID 응용을 위해 본 연구팀은 RFID 태그를 실시간으로 검출하고 이를 상위단계로 전송하는 RFID 리더 모듈과 상위 응용프로그램간의 인터페이스를 담당 하는 RFID 모듈 제어기를 설계·제작하였다. RFID 모듈 제어기는 32비트 RISC 프로세서를 탑재하여 RFID 리더 모듈과 CMOS 직렬 방식으로 인터페이스 된다. 또한
(a) 개발된 RFID 모듈 제어기
(b) RFID 모듈 제어기의 블록 다이어그램 그림 3. RFID 모듈 제어기
상위 제어기와는 CAN 2.0B 방식으로 연결되도록 하여 검출되는 RFID 태그정보를 실시간으로 전송할 수 있도 록 구성하였다. 읽기 가능한 RFID 태그 타입은 요즘 가 장 활발이 보급되고 있는 EPCglobal Class 1 Generation 2 표준 방식을 채택하였다. 그림 3에 개발된 RFID 모듈 제어기를 나타내었는데 (a)는 제작 완료된 제어기의 사 진을 (b)는 블록 다이어그램을 보여준다.
2.4 무선 센서 네트워크 모듈 개발
로봇이나 홈서버가 환경내의 스마트 장치들로부터 환 경정보를 획득하고 환경자원을 제어하는데 있어서 이들 을 연결하는 핵심 기술이 무선 센서네트워크(Wireless Sensor Network) 기술이다. 특히 본 연구팀은 스마트 로 봇환경 기반구축을 위해 ZigBee 센서 네트워크와 Bluetooth 센서 네트워크가 함께 동작될 수 있도록 환경 을 구축하였으며 이의 핵심이 되는 ZigBee 핵심 모듈과 ZigBee 게이트웨이를 개발하였다.
구축된 센서네트워크상의 모든 객체들은 ZigBee 게이 트웨이 또는 Bluetooth 액세스 포인트를 통하여 센서네 트워크 서버, 홈서버 및 외부 원격서버로부터 모니터링 되거나 제어될 수 있도록 하였으며 로봇과는 센서네트 워크 노드간 통신방식 또는 홈서버를 통한 통신방식으 로 모니터링 되거나 제어될 수 있도록 하였다[9].
스마트 로봇환경을 구성하는 스마트 장치들은 SOC (System-On-Chip)로 구성된 하나의 칩에 의해 ZigBee 무 선 통신과 고유기능의 센서 및 엑츄에이터 제어 알고리 즘을 동시에 수행함으로써 전력소모와 크기를
ZigBee 모듈 (CC2430)
그림 4. ZigBee 통신 모듈
최소화하였다. 그림 4는 Chipcon사의 CC2430으로 구현 된 ZigBee센서 네트워크 모듈과 탑재된 표준 Stack을 나 타낸다. 표준 Stack에 따라 다양한 응용분야에 적합한 프로파일을 설계하고 이를 내장한 제어모듈을 각각 개 발하였는데 ZigBee 방식은 주로 통신 부하가 작은 전등, 센서, 도어락, 가스밸브 등에 적용하였다.
또한 Bluetooth 센서 네트워크는 Sena Technologies사 의 온-보드 안테나 탑재 내장형 블루투스 모듈 Promi- ESD200과 Bluetooth/IP 게이트웨이 Promi-MSP100을 이 용하여 구성하였다. Bluetooth는 주로 통신 부하가 많거 나 실시간성이 요구되는 곳에 활용했는데, 다수개의 RFID 정보를 전송해야 하는 테이블 및 선반이나 실시 간 위치정보를 제공하는 위치센서 등에 적용하였다.
3. 스마트 로봇환경 구축
3.1 스마트 장치의 구현 및 실환경 설치
본 연구팀은 앞서 언급된 기반 기술을 이용하여 스마트 로봇환경을 구축하였는데 그림 5는 환경 구 축을 위하여 개발된 다양한 스마트 장치를 나타낸다.
(a)의 스마트 테이블은 두 개의 RFID 모듈과 안테나 가 테이블 내부에 내장되어 RFID가 부착된 물건들이 테이블 위에 올려지면 그 물건들을 인식하게 된다.
(b)의 스마트 선반은 각 층마다 RFID 모듈과 안테나 가 내장되어 RFID가 부착된 물건이 올려지면 그것을 인식해서 정보를 서버로 전송한다. 스마트 테이블과 선반은 물체의 위치정보를 제공함으로써 물체인식과 핸들링에 활용된다.
(c)는 스마트 위치인식 센서로서 위치인식 및 자 율주행에 활용된다. 개발된 센서는 소형으로서 일반 적인 천장 높이인 2.5m에 설치되어 직경 최대 5m 의 범위에서 로봇에 장착된 IR 광원의 검출을 통하 여 로봇의 위치를 계산하고 이 정보를 로봇에게 제 공한다[10].
마지막으로 무선 센서네트워크를 통한 환경 제어 기 술을 위한 장치로서 스마트 전등, 스마트 스위치, 스마
는 지능적 센서이다.
이와 같이 개발된 스마트 장치들은 그림 6과 같이 스 마트 로봇환경에 설치되었다. 설치된 공간은 안산 경기 테크노파크에 구축된 모델하우스로서 스마트 로봇 홈 환경을 위하여 일반 가정환경과 유사하게 구성된 테스 트베드이다. 스마트 로봇환경 구축 후 이곳에서의 시험 운영을 통하여 스마트 로봇환경 기술에 대한 가능성과 로봇 서비스의 유효성 등을 검증한다.
(a) 스마트 테이블
(b) 스마트 선반
(c) 스마트 위치센서
(d) 스마트 전등
(e) 스마트 방범센서
그림 5. 개발된 다양한 스마트 장치들
(a) 스마트 환경으로 구축된 모델하우스의 도면
(b) 환경에 설치된 스마트 장치들 그림 6. 스마트 환경으로 구축된 모델하우스
3.2 스마트 환경에서의 로봇 서비스 시험운영
스마트 로봇환경을 활용하였을 시 로봇이 제공할 수 있는 유용한 서비스의 하나로서 심부름 기능을 선정하였으며, 본 연구에서는 환경을 활용할 수 있도 록 다음의 조건에서 시험적으로 운영하였다.
그림 7과 같이 주인은 거실 소파(B 지점)에 앉아 있으며 스마트 테이블은 주방 앞(A 지점)에 위치시 켰으며 주방 앞 천장과 거실의 소파 위치의 천장에 는 스마트 전등을 설치하였다. 주인은 로봇에게 ‘녹 차를 가져오라’는 명령을 로봇에게 지시하면 로봇은 녹차가 있는 장소를 서버에게 요청하고 이때 홈 서 버는 녹차가 있는 위치(작은 테이블)를 로봇에게 알 려준다. 이후 로봇은 작은 테이블이 있는 ‘A’ 지점으 로 이동하여 카메라로 녹차를 인식하고 녹차를 잡아 서 주인이 있는 ‘B’ 지점으로 돌아온 후 녹차를 내려 놓는다. 이때 어두워서 로봇이 물체를 인식할 수 없 는 상황에서는 홈 서버에게 조명제어를 요청하여 밝 은 상태로 만든 후 카메라로 인식을 수행하고 물건 을 가져온다.
그림 7. 로봇 서비스 시나리오 조건
그림 8은 로봇의 심부름 서비스의 실제 과정을 보여 주는데 이는 다음의 절차에 따라 수행된다.
1) 대상 물체 확인 및 위치 요청
(a)는 주인이 로봇을 호출하는 장면이고 (b)에서 로 봇은 ‘녹차를 가져오라’는 주인의 요청을 받은 후 서 버에 녹차가 있는 위치를 질의한다.
2) 대상 물체 위치로 이동
로봇은 서버로부터 녹차가 주방 앞에 있는 ‘작은 테이블’ 위에 있다는 정보를 수신하고 (c), (d)와 같이 녹차가 있는 테이블 위치로 이동한다.
3) 조명제어 요청
(d)에서 대상 물체가 있는 위치로 이동한 로봇은 어두운 환경으로 인해 물체를 인식할 수 없으므로 서버에 주방 앞의 조명을 켜달라고 요청하고 (e)는 조명이 커진 장면을 나타낸다.
4) 대상 물체 인식 및 잡기
조명이 켜진 후 (f), (g)와 같이 로봇은 카메라로 녹 차를 인식하여 공간상의 위치를 계산하고 이를 잡은 후 들어 올리는 작업을 수행한다.
5) 주인에게 전달
그림 (h), (i)와 같이 로봇은 다시 주인이 있는 위치로 돌아오는데 주인이 있는 장소도 조명이 꺼진 상태이므 로 서버에 거실의 조명제어를 요청한다. 다음으로 (j)와 같이 조명이 켜지면 (k), (l)에서 보듯이 로봇은 물건을 테이블 위에 내려놓으며 심부름 작업을 완료한다.
위와 같은 심부름 시나리오를 통하여 스마트 환경 에서 로봇이 주인이 원하는 서비스를 빠르고 쉽게 수행할 수 있음이 확인된다. 심부름에서 대상 물건이 어디에 있는지는 선반, 테이블과 같은 객체들이 보내 는 정보에 의하여 서버에서 바로 파악할 수 있으며,
어두운 조건에서 카메라로 물건을 인식해야 할 때, 환경에 요청함으로써 간단히 조명을 제어하고 인식을 수행할 수 있다.
이러한 기능들을 기존의 로봇에서 실현한다는 것은 큰 도전이며 매우 어려운 일이지만 스마트 환경에서는 쉽게 이루어질 수 있다. 이뿐만 아니라 또 다른 유용한 서비스들 역시 스마트 환경 내에서 로봇이 다양한 스마 트 객체들과 상호 협력하고 환경 자원을 적극적으로 활 용함으로써 쉽게 실현될 수 있을 것이다.
4. 결 론
본 논문에서는 서비스 로봇을 위한 스마트 로봇환 경 기반 구축에 대한 연구내용을 소개하였다. 이에 대하여 서비스 로봇을 위한 스마트 환경의 개념 설 계와 환경 구축을 위한 기반 기술과 스마트 객체의 개발 그리고 실제 환경 구축과 로봇 서비스 운영에 관한 연구, 개발 내용들을 제시하였다.
스마트 로봇환경 기술은 환경에 내장된 수많은 종 류의 센서를 쉽게 연결하여 제어할 수 있는 센서 네 트워크 기술, 대량의 데이터 통신 및 외부 기기와의
인터페이스를 가능하게 하는 무선 인터넷 기술, 로봇 이 다루고자 하는 물체를 쉽게 판별할 수 있는 RFID 기술로 기술적 기반을 형성하고 이 기반 위에 각종 센서, 장치, 제어기, 데이터베이스, 로봇 등이 상호 데이터를 주고 받으면서 각각의 기능을 수행하도록 구성되어 있다.
이러한 센서 네트워크 기술과 RFID 시스템 기술 을 토대로 테이블과 선반과 같은 스마트 가구와 전 등, 스위치, 방범센서, 온습도 센서와 같은 스마트 홈 제어용 모듈을 제작하여 환경에 설치하고 이들 의 운용 프로그램을 개발함으로써 스마트 로봇환경 을 구축하였다. 또한 구축된 환경에서 로봇에 의한 심부름 서비스를 스마트 환경을 활용하여 실현함으 로써 스마트 환경기술의 유용성을 한 예로써 제시 하였다.
이와 같이 구축된 스마트 로봇환경은 로봇의 지능 적 서비스를 위한 자율주행과 물체인식 및 핸들링 기술 그리고 환경 자원제어 기술의 중요한 기반을 제공하므로 우리의 삶에 유용한 로봇 서비스 구현을 가능케 하며 로봇 보급의 진입장벽을 낮출 수 있을 기술로 기대된다.
(a) (b) (c) (d)
(e) (f) (g) (h)
(i) (j) (k) (l) 그림 8. 심부름 서비스 수행과정
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백 문 홍 1982 서울대학교 제어공학과
(공학사)
1984 서울대학교 제어공학과 (공학석사)
1995 동경대학교 전기전공 (공학박사)
1996~현재 한국생산기술연구원 로봇기술본부 수석연 구원
관심분야 : 3차원 물체인식, 3차원 공간인지 고 재 한 1999 충남대학교 컴퓨터공학
과(공학사)
2004 University of Southern California, Computer Science (공학석사)
2007 한국생산기술연구원 로봇기술본부 연구원 현재 UB/The State Univ. at N.Y, Computer Science 박사
과정
관심분야 : 컴퓨터 비전, 물체인식
박 재 한 1998 동아대학교 전자공학과
(공학사)
2000 부산대학교 전자공학과 (공학석사)
2004~현재 한국생산기술연구 원 로봇기술본부 연구원 관심분야 : 로봇비전, 비주얼서보잉, 스마트 환경
백 승 호 1991 고려대학교 금속공학과
(공학사)
1993 고려대학교 금속공학과 (공학석사)
1993~현재 한국생산기술연구원 로봇기술본부 수석연 구원
관심분야 : 머신비전, 스마트 환경, 센서네트워크
