피에조 액추에이터로눈보다 빠른눈 움직임을 재현


카메라 시스템은 어떠한 방향으로도 응시할 수 있고 사람 눈의 가장 빠른 움직임 속도 (최대 1초에 500도 회전)만큼 움직일 수 있다. 그런데 개발된 카메라는 사람의 눈의 속도보다 더 빠르게 움직일 수 있는데, 최대 초당 2500도 가량을 회전할 수 있다. 이것은 로봇에게 매우 빠른 시야를 제공할 것이다.

Technische Universitat Munchen의 Institute of Applied Mechanics의 Heinz Ulbrich 교수가 이끄는 연구원들은 사람의 눈 응시를 재생할 수 있는 초고속의 카메라 시스템을 개발하는데 열중하고 있다.

심리학이나 인간-컴퓨터 상호작용 등과 같은 분야의 많은 실험에서 연구원들은 실험자가 무엇을 응시하는지를 정확히 관찰하고 싶어한다. 눈 응시는 사람이 어디를 집중해서 보고 있는지에 대한 정보뿐 아니라 마음이나 의도에 대한 정보도 제공하기 때문이다.

응시를 관찰하는 휴대 장치에는 눈동자 추종 소프트웨어와 머리 장착형 카메라 등이 있다. 그러나 그것들은 완벽하지 않다. 때때로 그것들은 사람의 빠른 눈동자 움직임을 따라가지 못하고 부정확한 응시 정보를 종종 제공한다. 이러한 한계를 극복하기 위해 Ludwig-Maximilians Universitat Munchen의 Clinical Neuroscience의 대표인 Erich Schneider 박사와 Munich팀의 Thomas Brand 교수는 협력해서 연구하고 있다.

사람의 머리에 장착된 이 시스템은 사람의 눈 움직임을 관찰하기 위해 개인별로 특화된 눈동자 추종기를 이용한다. 사람의 눈과 같은 이동, 회전, 편향을 모두 구현할 수 있는 초고속의 구동 시스템을 이용해서 사람 눈 움직임을 정밀하게 재구현한다. 실제 눈이 움직이면 로봇의 눈도 그대로 따라간다.

Institute of Applied Mechanics의 기술자들은 지난 수년간 카메라 방향 시스템에 대해 연구해오고 있다. 기존 설계에서는 2개의 자유도(DOF)가 있었다. 연구자인 Tomas Villgrattner는 2개가 아닌 3개의 자유도를 가진 진보된 시스템을 선보이고 있다. 현재 3개 자유도의 카메라-방향 시스템은 비행체 서보 액추에이터를 기반으로 빠르고 가볍게 설계되었다고 Villgrattner는 설명한다. 이러한 액추에이터의 큰 단점은 기어 박스가 필요하고 지연을 일으킬 수 있다는 것이다.

그래서 Villgrattner는 다른 접근 방법을 찾았다. 왜냐하면 이 시스템은 머리에 장착되어야 하므로, 잘 보이지 않으면서도 가벼워야 하기 때문이다. - 아무도 두피 위에서 카메라가 덜덜 거리며 흔들리는 것을 원하지 않기 때문이다. 그럼 어떤 액추에이터를 사용해야 할 것인가?

그 해결책은 초음파 피에조 액추에터를 이용한 멋진 평행 시스템으로 구성되어 있다. 피에조는 자체의 움직임을 직선운동 조인트에 전달한다. 직선운동 조인트는 카메라 프레임에 붙어 있는 작은 지지대를 밀게 된다. 작은 지지대 반대편에 회전 조인트가 있는데, 이것은 PSS 혹은 직선/회전/구형 체인으로 알려져 있다.

"이것은 꽤 훌륭한 구조"라고 일본 Tohoku Gakuin University의 기계공학과 조교수인 Masski Kumagai는 말한다. 그는 이 프로젝트에 소속되어 있지는 않다. "그들이 피에조 액추에이터로 이렇게 고속도/고가속도의 기구 구조를 만들었다는 것이 믿기지 않는다"고 그는 덧붙였다.

작은 액추에이터로 높은 속도와 가속도를 낼 수 있다는 것이 가장 큰 장점이다. 액추에이터는 고정된 장치에 있어서 동적 요소의 관성 질량을 추가하지 않는다. 그리고 피에조는 낮은 속력에서는 높은 힘을 제공해서 별도의 기어 박스가 필요하지 않는다.

Villgrattner는 지난달 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems에서 "Optimization and Dynamic Simulation of a Parallel Three Degree-of-Freedom Camera Orientation System" 논문을 통해 이 시스템의 기구학적, 운동학적 구조와 동역학 분석을 소개하고 있다.

현재 개발된 시스템은 약 100g의 무게이며, 눈의 단속성 운동(saccade)으로 알려진 고속의 눈 움직임을 재현할 수 있다. 물론 우리 눈이 움직일 수 있는 속도보다 더 빠르게 움직일 수도 있다.

이 시스템은 "머리 장착형 눈 응시 추종 시스템"에 적용하기 위해 설계되었다고 Villgrattner는 말한다. 그러나 그는 이 시스템이 `오즈의 마법사`와 관련 있는 원격 눈 추종장치나 휴머노이드 로봇의 인공 눈과 같은 시스템으로 응용될 수 있다고 말한다.

특히 휴머노이드 로봇의 눈으로 활용될 수 있다는 것은 꽤 가능성이 있어 보이고, Munich 팀은 이미 그 작업을 진행 중에 있다. 현재 휴머노이드 눈은 오히려 간단하고 고정된 카메라 처럼 보이지만 이러한 시스템의 복잡성이 적용될 만하다. 사람과 같은 -혹은 더 뛰어난 - 응시력을 가진 로봇을 본다는 것은 꽤 흥미로운 일이다.

첨부된 영상물은 카메라-방향 시스템을 보여주고 있다(머리 장착형 시스템은 아니다.). 먼저 세 방향(수직, 수평, 종방향)으로 약 30도 각도로 카메라가 움직인다. 다음에는 약 19도 각도로 세 방향이 융합된 운동을 보여준다. 그리고 나서 초당 1000도의 속도로 수직축을 중심으로 고속의 움직임을 보여주고, 각 축에 대해 고속의 동적인 움직임을 보여준다. 마지막으로 사람의 눈 움직임 정보를 기반으로 사람의 눈과 같은 추종 시스템을 재구현한다.

구현된 시스템의 실제 모습

시스템의 기구적 구조

UPDATE:Corrected maximum speeds for saccades and added collaborators involved in the project.

URL : http://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/industrial-robots/superfast-robotic-camera-mimics-human-eye

<출처>해외과학 기술 동향, 2010-11-04

Posted by TopARA
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