비전문가의 로봇 창작을 지원하는 스마트 기기 기반의 통합 개발 및 제어 환경 설계

Abstract

본 논문에서는 저가 로봇키트(robot kit)의 기능성 및 활용성과 연관 콘텐츠를 획기적으로 향상시키기 위한 방안으로, 스마트 기기 기반의 로봇용 통합 개발 및 제어 환경을 제안한다. 먼저 로봇의 기능을 향상시키기 위해 스마트 기기를 로봇 제어기로 확장시켜 터치스크린을 로봇의 개발 및 제어를 위한 인터페이스 장치로 활용하고 음성인식, TTS(text to speech) 등과 같은 스마트 기기의 고급기능을 로봇의 입출력 장치로 활용할 수 있도록 지원한다. 또한, 저가 로봇키트 사용자의 대다수가 프로그래밍을 배우지 않은 어린이지만 스마트 기기 사용에 익숙한 디지털 네이티브(digital natives)라는 점, 콘텐츠의 공유와 확산을 위해서 하드웨어 의존성을 최소화하여야 한다는 점을 고려하여 다음의 요구사항을 만족하는 개발환경을 설계한다. 첫째, 프로그래밍 및 디버깅, 실행의 과정을 매우 직관적이고 단순하게 한다. 둘째, 다양한 OS 기반의 스마트 기기를 지원한다. 셋째, 특정 로봇 제어기에 제한되지 않고 다양한 로봇 제품을 용이하게 수용할 수 있는 기반을 마련한다. 이를 위해, 본 논문에서는 먼저, 로봇의 제어구조에 관한 선행연구들과 비전문가들을 대상으로 한 기존의 로봇 프로그래밍 인터페이스들을 분석하여 초보자에게 적합한 프로그래밍 방법과 직관적인 사용자 인터페이스를 고안한다. 다음으로는 스마트 기기가 로봇의 실시간 모니터링 및 제어에 활용될 수 있도록 로봇 제어기를 제로 클라이언트(zero-client)로 연동하는 제어 및 통신 프로토콜을 설계하는데, 특히, 현재 상품화되어 있는 다양한 로봇 제어기를 수용할 수 있는 방안을 연구하여 제안한다. 마지막으로, 스마트 기기 상에서 로봇 프로그래밍 및 디버깅환경과 실시간 제어 환경이 안정적으로 동작될 수 있도록 전체 시스템의 아키텍처를 설계하고 구현한다. 제안된 통합 개발∙제어 환경을 통해 저가 로봇키트들의 기능이 향상되고 쉽게 제어될 수 있음에 따라, 교육 현장에서 수학, 과학 및 기술 교육 목적에 충실하게 활용됨은 물론, 일반인들이 창의적인 아이디어를 표현하고 공유하는 창작의 도구로도 활용될 수 있을 것으로 기대된다.| In order to efficiently enhance the functionality and the utilizability of cost-effective educational robot kits and their related contents, this thesis suggests a smart device-based integrated development and control environment for robots. First, in order to empower useful and advanced functions to robots, smart devices are employed as an expanded robot controller. Then the touchscreen can be used as an interface unit and advanced features of smart devices, such as voice recognition and TTS, can be available as if they were a part of robot’s embedded functions. In an aspect of utilizability, followings are considered: The largest population of robot users are young children who cannot deal with programming languages but are digital natives enjoying smart devices. Hardware dependancy must be minimized for ease of contents sharing and spreading. Consequently, the following requirements on the system can be derived: First, the programming, debugging and execution process must be very intuitive and simple. Second, the system must support for smart devices with different OS platforms. Third, the system must be able to be connected with various robot products not restricted to a specific robot controller. To meet the requirements from above two aspects, first, this thesis suggests an intuitive user interface and an appropriate programming method for non-experts based on the analysis of previous works on robot control architectures and already existing robot programming interfaces. Next, a type of zero-client communication and control protocol is designed so that the smart device can monitor and control the robot in real-time. Especially, the author focuses on how to employ various commercialized robot controllers without major modification on their firmwares. Finally, this thesis presents the integrated overall system architecture which enables unified operation of the robot programming and debugging environment and the real-time control environment together within a single application. As cost-effective robot kits become advanced and easier to use owing to the suggested system, it is expected that they can be a creation tool for people who want to realize and share their creative ideas, not to mention their usefulness as tools for educational programs in mathematics, science and technology.