[논문 리뷰] MAVI: A Research Platform for Telepresence and Teleoperation

Mojtaba Karimi, Tamay Aykut외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 23.

Teleoperation and Haptic Systems참고 문헌 14인용 수 8

한 줄 요약

MAVI는 전방위 동작가능한 휠러형 로봇 플랫폼으로, 7-DoF 원통형 액추에이터와 평행 클램프, 360° 입체 시각을 위한 구동형 스테레오 틸트롤 유닛(PTRU)을 탑재한 저비용 오픈소스 원격제어 로봇 플랫폼이다. ROS 기반 소프트웨어 아키텍처를 기반으로 하여 실시간 감지 피드백(힘, 자이로스코프, 스테레오 비전 포함)을 제공하며, 복잡한 환경에서의 안정적인 원격 조작 및 주행을 가능하게 한다.

ABSTRACT

One of the goals in telepresence is to be able to perform daily tasks remotely. A key requirement for this is a robust and reliable mobile robotic platform. Ideally, such a platform should support 360-degree stereoscopic vision and semi-autonomous telemanipulation ability. In this technical report, we present our latest work on designing the telepresence mobile robot platform called MAVI. MAVI is a low-cost and robust but extendable platform for research and educational purpose, especially for machine vision and human interaction in telepresence setups. The MAVI platform offers a balance between modularity, capabilities, accessibility, cost and an open source software framework. With a range of different sensors such as Inertial Measurement Unit (IMU), 360-degree laser rangefinder, ultrasonic proximity sensors, and force sensors along with smart actuation in omnidirectional holonomic locomotion, high load cylindrical manipulator, and actuated stereoscopic Pan-Tilt-Roll Unit (PTRU), not only MAVI can provide the basic feedbacks from its surroundings, but also can interact within the remote environment in multiple ways. The software architecture of MAVI is based on the Robot Operating System (ROS) which allows for the easy integration of the state-of-the-art software packages.

연구 동기 및 목표

• 기계시각 및 인간-로봇 상호작용 분야의 연구 및 교육을 위한 저비용, 내구성 있고 확장 가능한 원격제어 로봇 플랫폼 개발.
• 사용자 머리 움직임을 모방하는 구동형 PTRU를 활용한 360° 스테레오 비전을 통한 몰입감 있는 원격 존재 구현.
• 고하중 원통형 액추에이터와 힘 피드백 센서를 통해 환경과의 다중 모odal 상호작용 지원.
• 비용, 모듈성, 성능의 균형을 고려한 모듈식 오픈소스 하드웨어 및 소프트웨어 플랫폼 제공.
• 신뢰성 있는 실내 주행 및 조작을 위한 고급 센서(자이로스코프, 레이저, 초음파, 힘) 통합 및 실시간 제어 통합.

제안 방법

• 개선된 안정성과 하중 처리 능력을 확보하기 위해 고유의 선형 수직 서스펜션을 탑재한 메카늄 휠을 사용한 전방위 동작가능한 휠러형 이동 시스템 설계.
• 정밀한 원격 조작 작업을 위한 평행 클램프와 통합된 힘 센서를 탑재한 7-DoF 원통형 액추에이터 구현.
• 두 개의 피시아이 렌즈 카메라를 탑재한 구동형 스테레오 틸트롤 유닛(PTRU) 개발으로 360° 스테레오 비전과 머리 움직임 동기화 제공.
• 환경 인식 및 상태 추정을 위한 다중 센서 통합(자이로스코프, 레이저 레인지파인더, 초음파 센서, 힘 센서).
• 계층적 노드 설계를 갖춘 ROS 기반 소프트웨어 아키텍처 채택: 드라이버 계층(100Hz 실시간 센서 읽기), 제어 계층(이동, 액추에이터, PTRU, SLAM에 대한 100Hz 제어 루프), 고수준 명령을 위한 응용 계층.
• 머리 움직임 예측 기반 지연 보정을 통한 PTRU 제어 루프 구현으로 시각 지연 감소 및 사용자 몰입도 향상.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저비용 모듈식 원격제어 로봇 플랫폼은 실내 환경에서 어떻게 안정적인 360° 스테레오 비전과 준자율적 조작을 지원할 수 있는가?
• RQ2 어떤 하드웨어 및 소프트웨어 아키텍처가 최소 지연과 함께 다중 피드백(시각, 촉각, 청각)을 제공하는 신뢰성 있는 실시간 원격제어를 가능하게 하는가?
• RQ3 서스펜션을 갖춘 전방위 동작가능한 휠러형 이동 시스템은 실내 원격제어 로봇의 안정성과 성능을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 분산 처리(로봇 및 클라이언트 측 노드)를 지원하는 ROS 기반 프레임워크는 확장성과 유연성을 갖춘 원격제어 시스템을 얼마나 잘 지원할 수 있는가?
• RQ5 PTRU에 힘 피드백과 예측 제어를 통합함으로써 사용자 몰입도와 원격제어 경험은 어떻게 향상되는가?

주요 결과

• MAVI 플랫폼은 전방위 동작가능한 휠러형 이동 시스템, 7-DoF 원통형 액추에이터, 360° 스테레오 비전을 제공하는 PTRU를 통합하여 전신 원격 존재 및 조작 기능을 성공적으로 실현하였다.
• 이동, 액추에이터, PTRU에 대한 100Hz 실시간 제어 루프 운영으로 반응성과 정확도를 확보하였으며, PTRU의 지연 보정 기법으로 시각 지연을 감소시켜 몰입도를 향상시켰다.
• ROS 기반 소프트웨어 프레임워크를 통해 최신 패키지의 원활한 통합이 가능했으며, 핵심 실시간 노드는 로봇 측에서, 비실시간 노드는 클라이언트 측에서 운영되었다.
• 레이저 레인지파인더, 온도계, 초음파 센서, 자이로스코프 데이터를 기반으로 Gmapping SLAM 패키지를 활용해 10Hz에서 안정적인 실내 주행 및 맵핑을 달성하였다.
• 신체와 PTRU에 각각 이중 BNO055 9축 자이로스코프 센서를 탑재하여 100Hz에서 정확하고 필터링된 자세 및 운동 데이터를 제공함으로써 운동 추적 및 피드백 성능을 향상시켰다.
• Thalmic Labs의 아ーム밴드를 활용한 제스처 기반 제어를 지원하여 팔 자세와 EMG 신호를 통해 직관적인 이동 및 조작 명령을 구현하였다.