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2022년 6월 19일 (일) 21:55 판
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 훈련용 얼굴추적 탁구공 발사로봇 개발
영문 : Face-Tracking pingpong robot for training
과제 팀명
ㅋㅋ루핑퐁
지도교수
신동헌 교수님
개발기간
2022년 3월 ~ 2022년 6월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 기계정보공학과 20154300** 남**수(팀장)
서울시립대학교 기계정보공학과 20164300** 현*윤
서울시립대학교 기계정보공학과 20194300** 워**전
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
전 세계적으로 AI 산업이 도래하고 있다. 그 중에서도 AI 사물인식 기술은 로봇이 주변상황을 인식하고 제어하는데 매우 중요하게 활용된다. 로봇 관련산업의 성패는 AI 사물인식 기술에 달려있다고 해도 과언이 아니다. 본 과제에서는 사물인식 기술 중에서도 사람 얼굴을 인식하는 인공지능모델을 이용하여, 사용자의 얼굴을 따라가며, 탁구공을 발사하는 로봇을 개발하는 것이 목적이다.
개발 과제의 배경
지난 50년간 로봇기술은 비약적인 발전을 지속해 왔으며 최근 인공지능 및 ICT기술의 발전과 고령화, 삶의 질 향상을 요구하는 사회적 수요에 대응하여 제조 및 서비스 전 분야에서 활용이 폭발적으로 확대되기 시작하고 있다.
로봇의 활동 범위와 영향력은 매우 확대되고 있다. 실제로 인간의 곁에서 힘들고, 더럽고, 위험한 일을 대신하거나 단순하고 반복적인 동작을 수행해왔던 로봇이, 이제는 스스로 차량을 운전하고, 주식을 매수하며, 환자를 진단하는 등 인간의 일상적인 생활에 깊숙이 들어와 있다. 이와 더불어 로봇은 경제, 제조기술, 직업, 교육, 비즈니스, 복지 등에 이르기까지 사회 전반적인 분야에서 패러다임을 변화시키고 있으며, 이의 결과는 곧 우리들 앞에 나타나게 될 것이다.
이러한 로봇산업의 최근 동향은 인공지능의 발전과 매우 연관 되어있다. 2015년부터 최근에 이르기까지, 딥러닝으로 대두되는 인공지능의 성능이 인간의 수준에 가깝거나, 뛰어넘어버렸다. 사진을 보고 이것이 어떤 물체인지를 인식하는 인공지능은 이제 사람보다 더 잘 판단할 수 있다. 인공지능의 발달로 로봇을 작동시키는 알고리즘의 성능이 발전하면서, 로봇산업은 새로운 국면을 맞이하게 되었다.
시중에 판매되고 있는 탁구공 발사 로봇은 불편한 점이 많다. 탁구공 도달 위치를 정하기 위해서 버튼으로 위치값을 입력해줘야 한다. 그리고 위치를 바꿔가며 발사하는 경우에는, 위치를 바꾸는 주기도 일일이 버튼으로 값을 입력해줘야 한다. 이런 경우에, 사용자는 탁구공 도달 위치를 변경해야 할 때마다, 로봇이 있는 곳으로 갔다와야 한다. 기존의 탁구공 발사 로봇을 사용할 때, 이러한 시간적인 비용이 발생할 수 밖에 없다.
그리고 이러한 탁구공 발사 로봇을 개인적으로 제작한 인터넷 동영상들을 살펴보면, 모두 시중에 판매되고 있는 탁구공 발사 로봇의 불편함을 그대로 가지고 있다. 탁구공 도달 위치가 고정되어 있고, 이를 변경하기 위해서는 수동으로 각도를 조절하거나, 버튼으로 조절하는 형태로 제작되었다. 시중에 판매되고 있는 탁구공 발사로봇과 개인이 제작한 탁구공 발사 로봇 모두, 기본적으로 사용자의 위치를 고려하지 않고, 정해진 방식으로 반복적인 동작만을 수행한다. 이러한 방식에서 탈피해서, 사용자 위치를 추적하여, 환경에 능동적으로 반응하는 탁구공 발사 로봇이 필요하다. 그리고 이는 틈새시장으로서 새롭게 노려볼만한 제품이 될 수 있다고 생각한다.
또한, 현재 기술적으로 카메라를 이용하여 사람의 얼굴을 실시간 추적하는 기술은 완성되어 있다. 그리고 이를 구현하는 것은 큰 비용이 필요하지도 않을 것으로 예상된다. 이를 활용하면, 사람의 반복적인 로봇 조작도 줄일 수 있고, 시간적인 비용도 아낄 수 있을 것이다. 본 과제에서는 로봇산업의 동향에 맞춰, 인공지능 기술을 이용하여, 값비싼 라이다나 초음파센서 대신, 대중적으로 널리 사용되는 2D 카메라만을 이용하여, 발사로봇이 사람의 얼굴을 인식하고, 이를 추적하게 할 것이다. 그리고 이 기능을 활용하여, 탁구 플레이어를 실시간 추적하며 탁구공을 발사하는 로봇공학적 목적을 달성해보고자 한다.
개발 과제의 목표 및 내용
- (1) 개발 과제의 목표
사용자가 직접 설정하여 정해진 방식으로만 수행할 수 있던 기존의 수동적인 제품과는 차별화된 사용자 얼굴 추적 탁구공 발사 로봇을 개발한다. 이를 위해 딥러닝 기술인 AI 얼굴 인식을 오픈 소스 라이브러리인 OpenCV 모듈과 Raspberry Pi 카메라 모듈을 통해 얼굴 탐지 알고리즘을 구현하고 Raspberry Pi 개발 환경에서 서보모터를 제어하여 탁구공 발사 로봇이 사용자의 위치로 따라갈 수 있도록 한다.
- (2) 개발 과제의 내용
- 1) 카메라와 OpenCV를 이용한 실시간 사용자 얼굴 추적
본 과제는 얼굴 탐지 알고리즘 Cascading classifiers를 구현하고 적용하기 위해 Raspberry Pi 개발 환경에서 수행한다. 사용자의 얼굴을 실시간 영상으로 데이터를 받고 식별하기 위해 Raspberry Pi 용 카메라인 Raspberry Pi Camera Module을 사용한다.
- 그림 1. Raspberry Pi Camera Module
OpenCV를 이용한 얼굴 탐지 알고리즘 Cascading classifiers를 python 환경에서 구현한다. 우선 알고리즘 프로그래밍에 필요한 Numpy, OpenCV, Matplotlib 라이브러리들을 import 한다. 이후 OpenCV의 haarcascades 파일에 있는 haarcascade_frontalface_default.xml 파일을 이용하여 카메라에서 받은 정보로 사용자의 얼굴을 탐지한다. 위의 과정을 통해 얻은 데이터로 cv2.VideoCapture와 반복문을 통해 실시간으로 카메라가 얼굴을 탐지할 수 있도록 프로그래밍한다.
- 2) 탁구공 발사대 설계
탁구공 발사대는 Catia V5 모델링을 통해 3D 프린팅으로 제작한다. 탁구공 발사대의 구조는 모터가 들어가는 파트 3가지로 나눌 수 있다. 탁구공 바스켓, 탁구공 발사대, 탁구 로봇 방향 제어 부분이다. 먼저 탁구공 바스켓은 탁구공 바스켓 내부의 판이 회전하면서 탁구공을 일정한 주기로 발사대로 전달하는 역할을 한다. 다음 파트인 탁구공 발사대는 한 개의 모터를 이용하여 탁구공과의 마찰력을 이용하여 발사하고 모터의 토크를 제어하여 탁구공의 궤적을 설정한다. 마지막으로 탁구 로봇 방향 제어부는 서보모터를 Raspberry Pi 환경에서 제어하여 사용자의 위치로 공의 발사대가 향할 수 있도록 설계한다. 전체적인 형상은 실제 제품인 METCO BY KTR Table Tennis Robot의 형태를 모티브로 제작한다.
그림 2. METCO BY KTR Table Tennis Robot
- 3) 탁구공 발사 방향조절을 위한 펜-틸트 시스템
그림 3. Pimoroni, 라즈베리파이용 pan-tilt hat 키트 (예시)
그림 4. Kinematics of Pan-Tilt system
탁구공을 발사할때, 발사방향을 결정하는 모듈이다. 이때 서보모터를 이용하는데, 서보모터의 회전각에 따라 탁구공의 발사방향이 결정된다. 서보모터는 총 2개를 사용한다. 서보모터 하나는 발사방향의 수평방향을 결정하고, 나머지 하나는 발사발향의 수직방향을 결정한다. 발사방향을 어디로 향하게 할지 판단하는 것은 일차적으로 카메라 얼굴추적을 기반으로 한다. 카메라 화면의 중앙좌표와 탐지된 사람얼굴의 중앙좌표와의 변위를 이용해서, 이 값이 0에 수렴하도록 서보모터를 제어한다. 구체적으로는 라즈베리파이의 GPIO 핀을 이용하여 서보모터를 작동시킨다. 제어코드는 파이썬언어를 기반으로 하고, 서보모터 제어는 PID제어 중 P제어만을 사용한다.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
내용
- 특허조사 및 특허 전략 분석
내용
- 기술 로드맵
내용
시장상황에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
내용
- 마케팅 전략 제시
내용
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
내용
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
내용
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
내용
구성원 및 추진체계
내용
설계
설계사양
제품의 요구사항
내용
설계 사양
내용
개념설계안
내용
상세설계 내용
내용
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
내용
포스터
관련사업비 내역서
내용
완료작품의 평가
향후계획
본 프로젝트를 통해 제작한 프로토타입의 경우, 몇가지 부족한 점이 발견되었다. 펜틸트 구조를 가진서보모터가 발사대와 고속모터 등의 하중을 지속적으로 받아 그 결합 강도가 약해지는 문제가 있다. 따라서 추후에 서보모터가 하중을 덜 받게하는 형상 디자인이 필요할 것이라 생각한다.
향후 발사각 조절부의 서보모터의 내구도를 더 향상시키고, 객체탐지 성능을 더 향상시킨다면, 본 프로젝트 결과물을 상용화할 수도 있을 것이라 생각한다. 또한, 본 프로젝트에서는 탁구공을 발사시키는 고속 모터의 속도를 일정하게 했지만, 추후에는 이 고속 모터의 속도를 다양하게 조절하여, 발사 거리를 바꾸는 기능을 추가할 수 있을 것으로 기대한다.
사용자의 얼굴을 인식하는 객체 탐지 알고리즘의 성능을 더 향상시키면, 탐지되는 사용자의 얼굴 크기에 따라 현재 탁구공 발사기와 사용자 사이의 거리를 추정하는 것도 가능할 것이다. 한편, 탁구공 공급부의 원판의 속도를 다양하게 변화시켜, 탁구공 발사주기를 바꾸는 기능도 추가할 수 있을 것이다. 이러한 개선들을 통해 궁극적으로 자동추적 탁구공 발사 로봇이 상용화 될 수도 있을 것으로 기대한다.
특허 출원 내용
