[스터디] 실현된 꿈… 반려동물 드래곤 만들기

여러분의 상상과
현실 사이에는…

…아무 장애물도 없습니다

공급 업체 그리고 소비자들과 함께 일하면서, 애로우 일렉트로닉스에서는 비영리단체 Make-A-Wish 콜로라도를 도와 반려 드래곤 그리고 중요한 새 친구와 관련된 한 아이의 소원을 들어주었습니다.

반려 동물 만들기

많은 십대 청소년들과 마찬가지로, 14살인 벨은 반려 동물을 갖고 싶었습니다. 하지만 벨은 암 투병 중이어서, 살아있는 동물을 키우는 것은 건강 상의 위험을 초래할 수 있습니다. 이러한 꿈의 실현을 너무 미루고 싶지 않아, 벨은 혹시 애완용 드래곤으로 불가능을 가능으로 변화시킬 수 있을지 Make-A-Wish 콜로라도에 문의해 왔습니다. 애로우는 벨의 소원을 들어주기 위해 비영리단체와 협업을 진행하여, 공급 업체들과 벤더들과 함께 역동적이고 반자동인 소셜 로봇을 만들었는데, 벨이 상상했던 신화 속의 생명체의 모습으로 제작되었습니다.

아이의 꿈을 이루기 위해 디자인된 정교한 로봇 드래곤

벨은 반려 동물을 늘 갖고 싶었습니다. 대부분의 십대들이 강아지나 고양이를 갖고 싶어하지요. 하지만 벨은 암 진단을 받았고, 건강 상태를 고려할 때 벨의 가족들이 살아 있는 반려 동물을 키우는 것은 권장되지 않았습니다. 그래서 벨은 좋아하는 소설이나 영화에서 묘사된 신화 속의 생명체로 주의를 돌렸습니다.

벨은 드래곤을 직접 길들이고 싶다는 꿈을 꿨습니다

비영리단체인 Make-A-Wish 콜로라도에서는 세계적인 기술 솔루션 제공 업체인 애로우 일렉트로닉스에 연락했습니다. 애로우는 엔지니어링 관련 전문 지식과 전세계 기업들과의 관계를 보유하고 있기 때문에, 기업의 사회적 책임 프로젝트로 이와 같은 독특한 반려 로봇을 제작할 수 있었습니다.

꿈을 이루기 위한 팀 프로젝트로 거듭나다

애로우는 여러 공급 업체와 협력했습니다. Analog Devices Inc. (ADI)에서는 주요 전자 장치와 참고 디자인들을 제공했습니다. 로봇 개발자 케일럽 청과 그의 팀은 드래곤을 디자인하고 조립했습니다. Autodesk에서는 디자인 소프트웨어를 제공했고, ServoCity에서는 드래곤이 움직일 수 있게 하는 작동 서보를 제공했습니다.

최신 기술로 만들어진 드래곤

우리에게는 아주 명확한 방향성이 있었습니다. 벨의 드래곤은 장난감이 되어서는 안된다는 것입니다. 이 드래곤은 상호 교류가 가능하도록 디자인되었습니다. 벨이 이 힘든 시기에 더 힘을 내고, 위로와 격려를 받을 수 있도록 움직임이나 반응을 나타낼 수 있도록 해야 했지요.

드래곤에는 벨이 만지는 것을 느낄 수 있도록 센서가 설치되어 있고, 벨이 가장 좋아하는 드래곤 이야기들에 나오는 캐릭터들처럼 유연한 움직임으로 반응할 수 있습니다. 피부는 파충류 같은 느낌이고, 표정도 바뀌며, 간식을 감지하면 반응도 할 수 있지요. 벨은 드래곤의 모양, 촉감, 행동에 대해서 애로우가 이끄는 팀에게 자문을 해주기도 했습니다.

애로우 엔지니어들은 벨의 드래곤의 외모, 촉감, 소리, 움직임 그리고 행동 방식에 대해 벨과 함께 브레인 스토밍을 진행했습니다. 로봇 개발자 케일럽 청과 그의 팀이 프로토타입을 제작하는 동안, 애로우에서는 그에 필요한 전자 장치와 기타 부품들을 공급할 수 있도록 방대한 공급망, 특히 Analog Devices Inc.와 협의를 진행했습니다. 그 결과로 살아 있는 반려동물을 모방하여 의미 있는 관계와 감정 교류가 가능한 로봇을 만들어낼 수 있었습니다.

벨의 드래곤을 만드는 데 사용된 기술에 대해 더 알아보기

정교한 외모와 감촉을 만들어내기 위해 드래곤의 기능에는 최신 기술이 통합되었습니다. ADI에서는 서보, 컨트롤러와 파워 보드, 내부 통신을 위한 송수신기, 마이크로폰 어레이, 센서 그리고 기타 필수 부품들을 포함한 핵심 전자 장치들을 제공했습니다.

Emerge Studios에서 제공한 가상 현실 프로그램을 통해, 벨은 새로운 반려 동물에 대해 알아 보고, 드래곤의 시점에서 신화의 세계를 날아다니며 탐험할 수 있어서, 벨의 체험이 더 풍부해 지고 스토리가 생겨날 수 있었습니다.

“저희는 벨이 감정적 관계를 맺을 수 있도록 기술을 만들었습니다.” 제작자 팀과 함께 드래곤의 프로토타입을 제작한 로봇 개발자 케일럽 청의 말입니다. “사람은 더 인간적이 되기 위해 공감을 느낄 대상이 필요합니다. 우리는 사람들이 사랑에 빠질 수 있는 존재를 갖도록 함으로써 이 면에서 사람들을 도울 수 있습니다. 우리가 이 길을 계속 간다면, 아이들의 베스트 프렌드를 디자인하게 되는 것입니다. 여기에는 많은 사회적 책임이 연관되어 있지요.”

벨을 위한 특별한 경험, 차세대 반려 기기를 위한 프로토타입

벨의 드래곤에는 하나의 오더를 해결하는 것 이상이 관여되어 있었습니다. 이러한 협력을 거친 결과물은 장난감에 불과한 것이 아니라, 벨을 비롯한 미래의 더 많은 사람들을 위해 기술이 어떻게 삶을 개선할 수 있을지 보여주는 특별한 반려 기술이었습니다.

비늘로 가득한 파충류의 “피부”로 덮여 있는 벨의 드래곤은 대략 소형견의 크기이고 유연하게 움직일 수 있습니다. 몸체 전체에 설치되어 있는 센서들 덕분에 벨의 손길에 따라 소리를 낼 수도 있고, 다양한 색채로 빛나는 날개를 펄럭일 수도 있습니다. 드래곤은 표정도 바꿀 수 있습니다. 과도한 자극이 가해지면 피곤해 하기도 하고, 특정 음식에 대해서는 불만을 나타내기도 하지요.

벨의 드래곤은 중병을 앓고 있는 아이들이 보편적으로 겪게 되는 고립과 외로움을 해결해 줍니다. 특히 COVID-19 팬데믹으로 인해 이 문제는 더욱 확대되었죠. 드래곤은 상호 작용 능력에 힘입어 벨에게 중요한 감정적인 지원을 베풀 수 있습니다. 이를 통해 기술이 어떻게 우리의 삶을 풍부하게 할 수 있는 지 보여줍니다. 이러한 플랫폼은 다른 형태로 수정되거나 기상 알람, 일정 알림, 커뮤니케이션 등 다른 임무를 수행하도록 프로그램 될 수 있어, 적용 범위와 사용 대상을 확대할 수 있습니다.

꿈을 이루기 위한 팀 프로젝트로 거듭나다

최신 기술로 만들어진 드래곤

벨의 드래곤을 만드는 데 사용된 기술에 대해 더 알아보기

벨을 위한 특별한 경험, 차세대 반려 기기를 위한 프로토타입

당신을 위한 드래곤 만들기:

Make-A-Wish 소원을 이뤄주기 위해 애로우에서 창조해 낸 다이내믹 소셜 로봇

애로우에서는 벨의 친구가 될 드래곤 형태의 소셜 로봇 프로토타입을 제작하기 위해 엔지니어, 기술 공급자, 에니마트로닉스 개발자들로 이루어진 팀을 조직했습니다. 이들은 벨에게서 자문을 구하고, 벨의 스케치북을 살펴 보면서 드래곤의 사이즈, 모양, 외모, 움직임 그리고 성격에 대해 정보를 얻었습니다.

이 팀에는 로봇 개발자 케일럽 청, 반도체 공급자 Analog Devices, Inc.(ADI), 디자인 소프트웨어 공급자 Autodesk, 그리고 벨이 건강 상의 위험 없이 드래곤 왕국 전체를 탐험하고 벨의 드래곤과 만날 수 있도록 멋진 VR 여행을 제작한 Emerge Studios가 포함되어 있습니다.

드래곤-디자인 개요

벨의 드래곤에는 몇 가지 엔지니어링 원칙이 적용되었습니다. 드래곤의 전자 장치들은 컨트롤러 기판, 두 개의 모터 기판, 파워 보드, 카메라 보드, RFID 기판 등 다섯 개의 기능 기판으로 각각 나뉘었습니다.

각 기판에는 별도의 독립된 컨트롤러가 있지만, 컨트롤러 기판이 다른 기판에 우선하는 권한을 갖고 있습니다. 이렇게 벨의 드래곤에는 집중식과 분산식 설계가 혼용되었습니다. 모든 기판 사이의 커뮤니케이션은 ADI LTC2875 트랜스시버 덕분에 CAN 버스를 통해 이루어졌고, 전원은 충전이 가능한 니켈 수소 전지입니다. 드래곤의 휴대 시 안전성과 복잡한 움직임을 위한 다중 서보 모터의 사용을 고려했을 때 가장 이상적인 배터리 선택이라고 할 수 있습니다.

모터 드라이버 기판

드래곤의 움직임과 동작을 표현하기 위해 25개의 서보와 3개의 LED 채널(RGB)이 사용되었는데, 컨트롤러 기판에서 어떤 종류의 움직임이 필요한 지 모터 기판에 전달하고 나면, 이 모든 것이 모터 기판에서 모니터링되고 제어됩니다. 전원이 켜지면, 모터 기판은 파워, 서보, 컨트롤러 기판을 한데 이어주는 CAN 버스를 통해 메인 컨트롤러 기판과 통신합니다. 탑재된 MCU가 CAN 버스와 잘 작동할 수 있도록, 특별한 트랜스시버가 필요합니다. (논리 레벨과 조건 신호의 전환을 위해) 이 경우에는 ADI의 LTC2875가 사용되었습니다.

드래곤의 안전성과 내구성을 보장하기 위해 25개의 모터들은 모두 주의 깊이 모니터링되고 있어서, 그 중 모터 하나가 고장 난다고 해도, 드래곤의 나머지 부분에 영구적인 손상이 발생하지 않도록 시스템에서 예방할 수 있습니다. 각 서보에는 내장 온도 센서가 있어서, 모터가 과열되지 않도록 할 수 있고, 각각 전류 센서(ZXCT1009FTA)도 장착되어 있어, 예상 범위 이내의 전류를 인출하도록 보장할 수 있습니다.

CY8C4247AZI-M485는 프로그래밍이 가능한 디지털과 아날로그 회로를 갖춘 복합 신호 마이크로 컨트롤러로, 모든 모터에 대한 제어를 책임지고 있습니다. CY8C4247AZI-M485의 핵심은 32비트 Arm Cortex M0 CPU로, 128KB의 플래시와 16KB의 SRAM도 장착되어 있습니다. MCU는 직렬 통신, PWM, 55 GPIO, 정전식 감응 센서, 그리고 LCD 드라이브 등의 일련의 주변 장치를 지원합니다. 프로그래밍이 가능한 아날로그 시스템에는 다양한 모드를 갖추고 있는 4개의 증폭기가 포함되어 있고, 프로그래밍이 가능한 디지털 시스템에는 4개의 논리 블록이 포함되어 있는데, 각 블록에는 8개의 매크로 셀이 들어 있습니다.

파워 보드

드래곤의 파워 보드는 배터리에 대한 적정 모니터링을 진행함과 더불어, 초저전력 모드를 통해 사용하지 않을 때 물리적인 온/오프 슬라이드 스위치로 전력을 차단할 필요가 없도록 하였습니다. 파워 보드의 메인 컨트롤러는 또다른 CY8C4247AZI-M485입니다.

온/오프 버튼 메커니즘에는 온/오프 파워 버튼 컨트롤러인 ADI LTC2950를 사용했습니다. 이 장치는 넓은 범위의 입력 전압에 사용되며 전류 소모량이 6 µA로 매우 낮습니다. 버튼이 눌리게 되면, 장치는 신호에 대한 디바운싱을 진행할 뿐 아니라 외부 전력 회로(DC/DC 변환기 등)을 위한 인에이블 신호를 생성합니다. 이를 통해 드래곤에 슬라이드 스위치 대신 버튼 하나만 있으면 전원을 켜고 끌 수 있게 됩니다.

컨트롤러 기판

컨트롤러 기판은 드래곤의 두뇌로서, 센서 정보를 읽고, 드래곤의 에너지 레벨을 결정하고, 드래곤의 행동을 변경하는 알고리즘 실행을 담당합니다. 컨트롤러 기판의 중앙에는 CY8CPROTO-062-4343W가 자리잡고 있는데, 이는 PSoC 62 MCU와 함께 작동하는 개발 시스템입니다. PSoC 62 MCU는 메인 프로세서로 150-MHz Arm® Cortex® M4, 보조 프로세서로 100-MHz Arm Cortex M0+가 통합된 듀얼 코어 아키텍쳐입니다. 또한 PSoC 62 MCU에 통합되어 있는 것에는 288-KB SRAM, 1-MB 플래시, RTC, 크립토그래픽 하드웨어 가속기, 그리고 GPIO, I2S, I2C, USB, SMIF 등 다양한 주변 장치들이 있습니다.

컨트롤러 기판은 주변 환경 인지, 정전식 터치(MCU 내장), 다중 접점 폐쇄 입력 그리고 IMU(BNO055 사용)를 위한 많은 센서들과도 연결되어 있습니다. 고품질 스피커(ADI SSM3582)가 장착된 두 채널의 디지털 오디오와 사전에 프로그래밍된 행동 방식을 통해, 드래곤의 움직임과 소리로 행복감, 에너지 레벨, 필요를 나타내어 사용자에게 피드백을 제공할 수 있습니다.

카메라 보드

카메라 보드의 중심은 NXP i.MX RT106F로, 시각 시스템으로 작용합니다.(SLN-VIZN-IOT) MCU 기반 시스템 덕분에 600 MHz, 32KB 캐시, 32KB 데이터 캐시 사양의 Arm Cortex-M7를 활용하면 안면 인식 시스템을 쉽게 개발할 수 있습니다.

RFID 기판

드래곤이 제공된 음식과 장난감을 구분할 수 있도록 하기 위해, 드래곤의 머리 안에 있는 RFID 기판에 Murata LSRFZZHAAA-026가 사용되었습니다. 이 이벨류에이션 키트는 HF RFID 리더/라이터로, 펌웨어를 비롯해 13.56 MHz 비접촉 통신을 위해 최적화 디자인된 안테나가 장착되어 있습니다. 드래곤과 함께 제공되는 액세서리들에는 RFID 태그가 장착되어 있어, 이러한 RFID 솔루션을 통해 드래곤이 다양한 음식과 장난감을 인식할 수 있게 될 것입니다.

벨의 드래곤 소프트웨어

프로그래밍이 가능한 많은 시스템이 그러하듯, 하드웨어는 벨의 드래곤을 구성하는 절반에 불과합니다. 메인 컨트롤러에서 작동되는 소프트웨어가 동등하게 중요하며, 드래곤에게 생명을 불어넣게 되지요. 드래곤을 묘사하는 플로우차트는 복잡하고 방대합니다만, 개념 자체는 간단합니다. 드래곤이 활동을 보이도록 하는 에너지 시스템을 사용하는데, 드래곤이 상호작용을 더 많이 경험할 수록 이 에너지가 증가합니다. 에너지가 너무 낮아질 경우 드래곤은 피곤하게 되고 천천히 움직이며, 주저 앉거나 누워버리는 동작을 취하게 됩니다. 에너지 레벨이 0가 되면 드래곤은 잠이 들게 되고, 정전식 센서나 IMU에 자극이 포착되기를 기다리게 되지요.

드래곤이 깨어 있는 동안 우리가 취하는 동작에 따라 드래곤의 행동이 변화하게 됩니다. 예를 들어, 발에 위치한 센서들이 활성화되면, 드래곤은 간지럽다는 행동을 표현하고, 안면 인식 시스템이 어떤 얼굴을 감지하면, 드래곤은 “안녕” 행동을 취합니다. 드래곤에게는 일련의 RFID 액세서리들이 있어서, 선물로 받은 것이 무엇인지 RFID를 통해 알 수 있습니다. 예를 들어 음식 아이템들은 드래곤이 씹는 동작을 하도록 만들 수 있습니다. 터그 장난감의 경우에는 “터그 전쟁” 행동과 연계되어 있어서 벨과 함께 놀 수 있고, 벌집은 치유 관련 행동과 연계되어 있습니다. 드래곤이 감기에 걸리면 필요하지요.

벨의 드래곤 개발 사이클

벨의 드래곤의 개발 과정에서 여러 단계의 개발과 프로토타입 제작을 거쳤습니다. 프로토타입에는 여러 이밸류에이션 보드(PSoC 62에서 사용된 것과 같은)가 사용되어, 엔지니어들이 완전히 조립된 PCB 없이도 다양한 하드웨어를 시도해볼 수 있었습니다. 이러한 방법을 통해 다양한 부품들이 어떻게 움직이는지, 여러 서브 회로들이 호환되는지 알 수 있습니다.

이에 더해, EVAL-SSM3582 와 같은 ADI 이밸류에이션 보드를 사용하면 마이크로폰 어레이와 오디오 DSP와 같은 여러 ADI 하드웨어들을 테스트해 볼 수 있어, 개발 사이클을 단축할 수 있었습니다. 또한 ADI와 Cypress와 같은 회사들에서 생산 및 제조된 많은 컨트롤러, 센서, 프로세서들이 다양한 이밸류에이션 보드에서 적용이 가능했기 때문에 드래곤의 개발 사이클 측면에서 많은 도움을 받았습니다.

ADI EVAL-SSM3582

일련의 이밸류에이션 보드들을 통해 해당 디자인이 작동 가능하다는 것을 알게 되고 나면, 엔지니어들은 보드에 사용된 수많은 부품과 IC를 PCB로 옮겨 불필요한 부품을 제거하고, 디자인을 간결하게 해서, 기계 엔지니어들이 최종 기기에 더 집중해서 작업할 수 있도록 합니다. 이와 동시에 기계, 소프트웨어 구조와 같은 여러 분야의 엔지니어들이 드래곤의 다양한 부분에 대해 작업하게 됩니다. 벨의 드래곤에는 Autodesk, Eagle, Fusion360, Z-Brush를 포함한 여러 소프트웨어 플랫폼이 사용되었습니다.

벨의 드래곤 프로젝트를 통해 어떻게 짧은 시간 내에 제품의 프로토타입이 진행될 수 있고, 이밸류에이션 보드를 사용하면 엔지니어들이 시스템의 적합성에 대해 얼마나 신속하게 결정할 수 있는지를 알 수 있었습니다. CAN 버스를 사용했기 때문에 각각의 기능 유닛들이 분리되어 있는 디자인도 가능해서, 각 유닛이 메인 컨트롤러로부터 독립적으로 실행할 수 있는 태스크를 오프로드할 수 있게 되었습니다. 드래곤에 다양한 센서와 아웃풋이 적용되었기 때문에 상호 작용이 가능한 장난감을 만들어 낼 수 있었고, RFID를 통해 액세서리들이 자체 정보를 담을 수 있도록 하여, 복잡한 상호 작용 시스템을 구성했습니다. [끝]