4학년 졸업 논문/연구 내용 소개 | 일본 이공계 학부 이야기

 오늘은 내가 학부 4학년 때에 1년 동안(실질 6개월 동안) 열심히 연구를 했던 테마와 그 연구 내용에 대해서 소개해보려고 한다. 사실 그렇다 할 성과가 있는 건 아니지만, 그래도 가만히 나두기에는 조금 아깝기도 해서 소개해보게 되었다. 연구 테마를 결정하는 이야기와 4학년 동안의 연구실 생활과 관련해서는 해당 링크의 게시글을 참고해주기 바란다.

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 졸업논문은 A4로 56장 정도의 분량으로, LaTeX를 이용하여 작성하였다. 기본적인 구성은 다음과 같다.

• 서론
• 시스템 개요
• 시스템 개발 환경
• 시스템 구현
• 결론
• 감사의 말
• 참고문헌

이번 게시글도 위의 순서에 따라서 간단하게 내용을 소개해보도록 하겠다.

 참고로 졸업 논문의 경우, 기본적으로 학교 내부에서만 열람이 가능하며, 학회에 발표되거나, 공개되는 일은 없다. 애초에 그 정도 수준이 안되기도 하고, 학과에 따라서는 실험 리포트보다 쉽게 써서 내는 사람들도 있다.

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 먼저 졸업 논문의 제목은 "スマートグラスを用いたロボット教示支援システムの実装"이었다.

 번역해보자면, "스마트 글라스를 이용한 로봇 프로그래밍(로봇 교시) 지원 시스템의 실현(implementation)"정도가 되겠다. 한국어와 1대1대응이 되지 않는 단어가 2개나 들어가 있어서 이 어감을 어떻게 표현해야 할지 조금 난감하다. 상용화와 이론의 중간 정도에 있는 실증 정도의 느낌이라고 생각해보도록 하자.

대략 이런 느낌의 연구이다.

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서론

서론에서는 배경, 종래 연구, 연구 목적에 대해서 다루고 있다.

 연구 배경으로는 다품종 소량생산이 확대되고 있기에, 산업용 로봇에 의한 자동화가 필요. 중소기업들은 프로그래밍에 드는 비용과 시간, 인력이 부족해서 자동화가 부족하다. [Pan 2010] 그러한 부족한 점을 최근 보급되기 시작한 AR기술을 활용해서 직관성을 지원해보는 것은 어떨까?

종래 연구들

• AR을 이용한 인터페이스에 관한 연구들: 보통 제스처를 이용하며, 정밀성이 떨어짐. 시뮬레이션 결과를 보여주는 경우도 있음.
• AR을 이용한 프로그래밍 지원 정보 표시에 관한 연구들: 얼마 없음. 우리 연구실 종래 연구도 포함시켜서 보여줌.

연구 목적은 다음과 같다.

 조작을 위한 인터페이스를 수정할 경우, 정밀성이 떨어지는 문제가 있을 수 있기 때문에, 그 부분은 그대로 나두고, 프로그래밍에 도움이 될 만한 정보들을 AR을 통해서 추가로 표시함으로써 직관성 등을 높여주는 로봇 지원 시스템을 구현하는 것을 목적으로 함.

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시스템 개요

 우리 연구실의 기존 연구에서는 P점의 가동 범위 가시화, 로봇 손목의 가동 범위 가시화, 두 자세 간의 거리 가시화를 행했다. 이번 연구에서는 새로운 환경에서 추가로 각 관절의 한계각과의 거리를 가시화한다.

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시스템 개발 환경

(좌) 시스템 개발 환경 개략도 (중) UWP 앱 개발 (우) 로봇 제어

하드웨어 부분

엡손의 스마트 글라스 MOVERIO BT-30E 사용. 로봇의 경우, DensoWave의 COBOTTA라는 사람과 협력할 수 있는 로봇 사용. OSS판이라는 오픈 소스 판을 이용. 직접 조작 인터페이스를 만들게 됨.

실제 사용한 장비들의 모습. 각각 6만엔, 200만엔 정도의 가격을 자랑한다.

소프트웨어 부분 (맨 위의 그림 참조)

지원 시스템
Unity + Vuforia 이용해서 UWP 앱 개발.
SolidWorks를 이용해 작성한 3D 모델 이용.
Visual Studio를 통해서 디버그, 앱 형식으로 만들기.

 

로봇 조작
ROS와 Moveit이용

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시스템 구현

로봇과 Windows 10 PC 간의 통신은 LAN으로 인터넷 접속 후 TCP/IP 통신을 이용했다.
현실과 가상공간의 연계는 직접 만든 마커를 이용해서 구현했다.

가동범위의 가시화는 설명서에 있는 범위를 캐드로 그린 뒤, Unity에 임포트 해서 표현하는 방식으로 표시했다.

 손목의 자세를 유지한 상태의 손목 가동범위 가시화. 나사를 조이거나 물건을 집을 때와 같이 특정 자세를 유지할 필요가 있는 경우를 상정했다. 이것저것 계산을 하고 역 운동학을 이용했다. 막판에, 4,5,6축이 일치하는 것이 아닌, 5,6축만 일치해서 인용한 식과는 다르다는 걸 깨달음. 사실 첨부터 나는 알고 있었는 데, 교수님이 이 식대로 하면 될 거라고 하시길래 내가 그냥 그렇구나 하고 그냥 넘겨짚었던 게 문제였다. 결과적으로 표시가 완전히 이상하게, 일치하지 않게 되었다.

보라색 부분.

두 자세 간의 거리 가시화.
연구실 내 전전 사람의 연구 인용해서 거의 수정 없이 그대로 이용했다. 속도 제어 방식을 사다리꼴이라고 가정한 이후에, 가속도, 움직이는 거리, 가속하는 시간, 감속하는 시간 등등을 가정해서 간단한 식을 통해서 계산한다. 숫자로 표시했다.

관절의 한계각과의 거리를 색과 원기둥을 이용해서 표현. 하지만 수치상의 +-방향 구분은 실제 조작할 때 어느 방향인지 알기 어려워서 도움이 안 될 수도 있다는 의견이 있었다.

잘보면 가운데에 빨간 색이 보일 것이다.

 또 하나의 결정적인 문제가 있었다. Vuforia를 쓰니까 윈도에 추가된 웹캠으로 인식되는 Moverio의 경우에는 카메라가 연동이 안된다는 문제가 발생했다. 따라서 제대로 이용할 수 없다는 결론이 나왔다. 아마 안드로이드 어플이나, 홀로렌즈나, 윈도 태블릿의 내장 카메라를 사용한다면 제대로 연동되었을 것으로 예상된다. 물론 홀로렌즈 2를 구입했기에 이제는 해결됐을 문제이다. 내가 졸업논문을 마무리할 때에 도착했다는 게 문제지만...

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결론

기본적으로 표시하기로 한 사항들이 이것저것들이 있었고 전부 표시하는 데에는 성공했지만, 다음의 미비점들이 이후의 과제로 남았다.

• 조작 인터페이스를 완성시켜야 함. (애초에 OSS판이라 직접 만드느냐 너무 힘들었다..)
• 시인성을 개선해야 함.
• 시스템의 평가를 수행해야 함.

또한 다음과 같은 추가 기능이 필요할 것으로 예상된다.

• 복수 마커 이용하기. 한두 개의 마커가 시야에서 벗어나도 표시를 유지하기 위해서.
• 자기 간섭 체크. 기본적으로 되어 있어야 하는 기능.
• 두 자세 간 거리 파라미터 조절. 가속도나 최대속도와 같은 파라미터를 거의 조절하지 않았다.
• 로봇의 외형 캐드 데이터를 이용해서 모델 수정. 실제로 부피감을 넣어주는 게 보기도 좋고, 부딪히는지 안 부딪히는지 직관적으로 알 기 쉬울 것이다.
• 엔드 이펙터의 자세 표시, 최단 경로 안내 등등의 추가 정보 표시 필요. 아직 충분한 지원이 되었다고 보장되지 않기 때문에 추가해야 된다.

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감사 인사

교수님 고마워요 선배님들 고마워요 동기 고마워요 가족 고마워요 

참고문헌

혹시라도 AR을 이용해서 로봇 프로그래밍과 관련된 연구나 공부를 하고 있는 사람을 위해서 이 부분은 일단 전부 실어 두도록 하겠다. 혹시 내용이 궁금한 사람은 구글 학술 검색 서비스를 이용해보도록 하자. 다만 일본어 문헌의 경우에는 제대로 나오지 않을 수도 있다.

[Pan 2010] Zengxi Pan, Joseph Polden, Nathan Larkin, Stephen Van Duin and John Norrish: “Recent Progress On Programming Methods for Industrial Robots,”ISR 2010 (41st Interna- tional Symposium on Robotics) and ROBOTIK 2010 (6th German Conference on Robotics),
pp. 1–8, VDE, 2010.
[森田 2018] 森田浩介:“スマートグラスを用いたロボット教示支援システムの開発”, 横浜国立大学大学院工学府システム統合工学専攻機械システム工学コース，修士論文, 2018.
[Li 2017] Sarah Li, Cole Shing, Yvonne Coady, HF Machiel Van der Loos and Elizabeth Croft: “CAD-AR: An Intuitive Robotic Teaching Pendant for Skill-based Industrial Robot Programming,”IEEE/RSJ IROS 2017 Workshop on Human-Robot Interaction in Collaborative Manufacturing Environments (HRI-CME), 2017.
[Yitzhak 2018] Gadre Samir Yitzhak, Eric Rosen, Gary Chien, Elizabeth Phillips, Stefanie Tellex and George Konidaris: “End-user Robot Programming Using Mixed Reality,”Pro- ceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 2707–2713, 2019.
[Jan 2017] Guhl Jan, Son Tung and Jörg Kruger: “Concept and Architecture for Programming Industrial Robots Using Augmented Reality with Mobile Devices like Microsoft HoloLens,” 2017 22nd IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation (ETFA), pp. 1–4, IEEE, 2017.
[Lambrecht2012] JensLambrechtandJorgKruger:“SpatialProgrammingforIndustrialRobots based on Gestures and Augmented Reality,”IEEE International Conference on Robotics and Automation, pp. 466–472, 2012.
[Ong 2010] S. K. Ong, J. W. S. Chong and A. Y. C. Nee: “A Novel AR-based Robot Program- ming and Path Planning Methodology,”Robotics and Computer-Integrated Manufacturing , vol. 26, no. 3, pp. 240–249, 2010.
[Blankemeyer 2018] Sebastian Blankemeyer, Rolf Wiemann, Lukas Posniak, Christoph Pre-gizer and Annika Raatz: “Intuitive Robot Programming Using Augmented Reality,”Procedia CIRP, vol. 76, pp. 155–160, 2018.
[Quintero 2018] Camilo Perez Quintero, Sarah Li, Matthew KXJ Pan, Wesley P. Chan, HF Machiel Van der Loos and Elizabeth Croft: “Robot Programming through Augmented Trajec- tories in Augmented Reality,”2018 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), pp. 1838–1844, 2018.
[Kawai 2002] Takashi Kawai: “3D Displays and Applications,” Displays, vol. 23, no. 1–2, pp. 49–56, 2002.
[Lee 2013] Hoo Man Lee and Joong Bae Kim: “A Survey on Robot Teaching: Categorization and Brief Review,”Applied Mechanics and Materials, vol. 330, pp. 648–656, 2013.
[皿井 2016] 皿井 泰光:“空間掃引を用いたロボット教示のための Augmented Reality 利 用”, 横浜国立大学理工学部機械工学・材料系学科機械工学 EP，卒業論文, 2016.
[Craig 1991] J. J. Craig: “ロボティクス”, 共立出版, 1991.

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 오늘은 언젠가 한번쯤 정리해보고 싶었던 나의 졸업 연구의 테마/ 졸업 논문에 관해서 정리해보았다. 사실 치명적인 2가지 문제(식이 잘못됨 + Vuforia의 문제)가 발생했기도 하고, 내가 대학원 입시를 준비한다고 1년 중 반년을 쉬어버리고, 남은 반년 중 적어도 1달은 여행을 다닌 덕분인지 그냥저냥 평범한 졸업 논문이 되었다. 요코하마국립대학의 기계과의 경우, 졸업연구의 평가는 연구실 내의 모든 동기들의 연구 결과를 고려해서 같은 점수를 주는데, 나머지 애들 중 한 명은 확실히 잘했고 나머지 2명도 뭐 나쁘지는 않게 잘했는지 수우양가+불가 중에서 우를 받았다(이는 사실 나중에 학생 긴급지원 급부금을 받을 때 매우 유용한 성적이 되었다, 감사해요 교수님). 아마 나 혼자였다면 양을 받지 않았을까 싶다. 학과와 연구실에 따라 다르긴 하지만, 일본의 학부생의 연구 내용은 이처럼 응용적인 부분이 많다. 그리고 학부 졸업 논문을 작성하는 이유도 사실 이런 형식으로 글을 써봤다, 이런 실험을 진행한 경험이 있다는 것에 더욱 취지가 있으며, 연구가 잘 흘러갔을 경우에는 별도로 학회에 논문을 게재하기도 한다. 사실 석사도 열역학/양자역학/유체역학 등등처럼 아직 완성되지 않은 학문이거나 수학, 물리학과 같은 순수과학 쪽이 아닌 이상은 크게 다르지는 않다. 물론 박사는 다르겠지만. 일본에 유학 올 생각이 있다면 한번쯤 참고해봐도 좋을 듯하다. 

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