This paper presents mechanical and electrical design of humanoid robot Mybot-KSR for HRI research. Mechanical design of integrated joint module with torque control ability is proposed. The integrated joint module is utilized to develop the arm of the humanoid robot. The humanoid robot is also equipped with main control PC for stand-alone execution of posture control and HRI algorithm. Four kinds of subcontroller boards are developed for joint motor control, hand control, foot pressure sensor control, and communication control, respectively. They are developed with MCU abstraction layer concept which modularizes MCU firmware and hardware and increases reusability of the design. Joint controller board is custom-designed for torque controllable integrated joint module.
This paper also proposes a novel layered confabulation architecture for hierarchical behavior planning. The confabulation based planning architecture yields a sequence of behaviors which achieves the goal of given task while considering past experiences in the memory. To achieve this, confabulation process, based on the memory replicating human thought process was merged into a goal-directed tree searching algorithm. Confabulation based behavior planner is composed of semantic memory, confabulation memory and process, and STRIPS style tree search based planning algorithm. An ontology based semantic memory using situated affordance concept is proposed. Situated objects and behaviors in the semantic memory are quantified and each transformed into assumed fact symbols and conclusion symbol of confabulation module and used in the confabulation based reasoning process. In STRIPS style planner, a set of situated objects is expressed with nodes of search tree as states representing environmental status. The tree searching algorithm of the planner draws appropriate behavior order using cogency information of behaviors obtained from confabulation processes as well as behavior costs and heuristic estimation values.
This method is applied to the task intelligence for two arms operation of the humanoid robot. In order to plan the behaviors of two arms hierarchically, three confabulation based behavior planning layers are constructed. Abstract behavior planning layer, manipulation behavior planning layer, and primitive behavior planning layer are constructed so that the appropriate sequence of behavior to achieve the goals can be drawn. With demonstrations of two scenarios, beverage serving, and cereal and milk serving with a real humanoid robot, the proposed architecture showed its effectiveness.
본 논문은 인간 로봇 상호작용을 위한 휴머노이드 로봇 Mybot-KSR의 기계부와 회로부 설계를 보인다. 먼저 토크 제어 가능한 일체형 관절 모듈의 기계부 설계를 제안한다. 일체형 관절 모듈은 휴머노이드 로봇의 팔을 개발하는데 사용되었다. 개발한 휴머노이드 로봇은 자세 제어와 인간 로봇 상호작용 알고리듬을 독립적으로 수행할 수 있도록 주 제어 PC를 장착하도록 설계하였다. 관절 모터 제어, 손 모듈 제어, 발바닥 압력 센서 그리고 통신을 위한 네 종류의 분산제어 보드도 개발하였다. 분산제어보드는 마이크로 컨트롤러의 하드웨어와 펌웨어를 모듈화 하는 추상화 계층을 이용하여 설계되어 설계의 독립성과 재사용성을 갖추었다. 관절 제어보드는 토크 제어 가능한 일체형 관절모듈을 위해 맞춤형으로 제작되었다.
본 논문은 또한 계층적 행동 계획을 위한 다중 confabulation 구조를 제안한다. Confabulation 기반 행동 계획 구조는 과거 경험을 고려하여 주어진 작업의 목표를 달성할 수 있는 행동 순서를 도출한다.
이를 위하여 사람의 사고 과정을 모사한 confabulation 과정과 목표 지향적 계획 방법인 트리 탐색 알고리듬을 융합하였다. Confabulation 기반 행동 계획은 의미기억, confabulation 메모리 및 추론과정, STRIPS 유형의 트리 탐색 기반 계획 알고리듬으로 구성된다. 이를 위해 상황 기반 어포던스 개념을 적용한 온톨로지 기반 의미기억 구조를 제안한다. 의미기억의 ‘상황에 처한 물체’와 행동은 주어진 환경 상황의 실제 사례에 맞게 수량화되어 confabulation 모듈의 가정된 사실 심볼과 결론 심볼로 변환되어 추론에 활용된다. STRIPS 유형의 행동 계획에서는 ‘상황에 처한 물체 집합을 환경상황의 상태로서 탐색 트리의 노드로 표현한다. 행동 계획의 트리 탐색 알고리듬은 행동의 비용과 휴리스틱 추정값 외에도 confabulation 과정으로부터 얻은 행동별 타당성 정보를 이용하여 적당한 행동 순서를 도출한다.
이러한 방법론은 휴머노이드 로봇의 양팔 작업을 위한 작업지능에 적용되었다. 양팔 작업 행동을 계층적으로 계획하기 위해서 3개의 confabulation 기반 행동 계획 계층을 구성하였다. 추상적 행동 계획층, 손 조작 행동 계획층, 기본 행동 계획층으로 구성하여 각 팔의 작업 반경과 장애물 여부를 고려하여 원하는 작업 목표를 달성할 수 있는 행동 순서를 계층적으로 도출하였다. 그리하여 컵에 음료수를 서빙하는 시나리오와 그릇에 시리얼과 우유를 서빙하는 시나리오를 실제 하드웨어 로봇을 통해 시연함으로써 제안하는 구조의 효용성을 보인다.
