김은영
(Eun-Young Kim)
1iD
정경화
(Kyoung-Hwa Jung)
2iD
황계호
(Gye-Ho Hwang)
†iD
-
(Assistant Professor, Dept. of 3D Product Design, Gwangmyeong Convergence Technology
Education Center, Korea Polytechnics College, Gwangmyeong, Korea)
-
(Assistant Professor, Dept. of Bio pharmaceutical system, Gwangmyeong Convergence Technology
Education Center, Korea Polytechnics College, Gwangmyeong, Korea)
Copyright © The Korean Institute of Illuminating and Electrical Engineers(KIIEE)
Key words
Fitting robot system, Rack&pinion structure, Standardized drive module
1. 서 론
우리 생활에서 사용자의 신체를 보호하기 위해서는 “의식주”가 필수이다. 이에 신체에 간접적 부분인 “주”에 의한 부분으로 주택은 외부 환경으로부터
신체의 보온을 위한 난방[1] 및 외부에서의 침입 등으로부터 사용자의 신체를 1차적으로 보호하는 역할을 한다. 또한, 신체에 직접적으로 해당되는 부분인 “의”에 대한 부분으로
외부 환경에서 인체를 보호하기 위한 의복인 의류는 신체 보호 및 신체 보온 등을 기본 기능 뿐만 아니라 디자인 측면, 기능적인 측면, 성능적인 측면
등에서도 연구가 지속되고 있다[2-4]. Fig. 1은 의류 디스플레이의 패러다임을 보여 주고 있다[2-5]. Fig. 1에서 보듯이 초기에는 Fig. 1(a)처럼 옷걸이에 상/하의 의류를 걸어 상/하의 의류에 대한 색깔 등의 디자인에 대한 시각에 중점을 두었으나, 현재에는 Fig. 1(b)처럼 사람의 신체와 유사한 마네킹을 사용하여 사람이 직접 입어 보지 않고 간접적으로 유형을 파악할 수 있으나, 마네킹의 사이즈가 고정되어 있어 실제
여러 사람의 신체를 대표하기에는 적합하지는 않다. 이에 본 논문에서는 Fig. 1(c)[5, 6]에 제시하였듯이 여러 사람에 대한 신체 구조 및 신체 사이즈에 맞게 변경 가능한 피팅 로봇 시스템을 제안하고, 구현, 설계하고, 제작하여 시제품이
다양한 신체 치수에 대한 응용 가능하도록 하는 개인 맞춤 피팅 로봇 시스템을 제시하고자 한다.
Fig. 1. Paradigm of clothing display
2. 제안한 스마트 피팅 로봇 시스템
2.1 표준화 구동 모듈 분석 설계 및 제작
일반적으로 사용자는 의복을 입고 생활하기 때문에 의복을 구입시 디자인 및 색상을 확인하고 사용자가 마음에 들면 의류를 사용자가 입어보고 신체 구조
및 사이즈가 적합하면 의류를 선택하여 구입하게 된다. 이때 고정된 마네킹은 의류를 디스플레이는 가능하지만, 의류 사용자의 신체 구조와 동일하지 않는
것이 대부분이다[3-6]. 이에 본 논문에서는 고정된 마네킹을 대신해서 다양한 신체 사이즈와 신체 구조로 자동 조절할 수 있고, 다양한 사용자의 신체 구조와 신체 사이즈를
입력하여 스마트하게 사용자의 신체와 유사하게 제안한 피팅 로봇 시스템을 조정하여 구입하고자 하는 의류를 대신 입혀 보고 의류를 선택하기 위한 것이다.
또한 판매 대상의 의류에 적합하게 제안한 로봇 시스템을 조정하여 판매 대상 의류를 최적의 상태로 디스플레이하는 디스플레이 피팅 로봇으로 사용 가능하거나,
판매 대상 의류에 대해 구입하고자 하는 사용자가 직접 의류를 입어 보지 않고 피팅 로봇 시스템에 의류 구입자의 신체 사이즈 등을 입력하여 대신 입혀보고
구입하고자 하는 의류를 선택하기 편리하도록 아이디어를 제안하여 스마트하게 구현 가능하도록 설계, 제작, 시험을 진행하였다. Fig. 2는 제안한 피팅 로봇 시스템의 내/외부 모델링 및 시제품을 보여 주고 있다. Fig. 2(a),(b)에서 보듯이 인체 치수들에 적합하도록 기성복에 따른 신체 부위별 인체 치수를 가변 할 수 있게 내/외부 피팅 모델링을구현하고, Fig. 2(c)처럼 이에 적합한 시제품을 제작한 부분을 보여 주고 있다. 제안한 스마트 피팅 로봇 시스템은 제작에 편의성 및 용이성을 고려하여 단위(기본) 표준화
구동 모듈을 제안하여 제작하였다. Fig. 2(a)처럼 6개 층의 표준화 구동 모듈을 기둥 모양의 기구적인 구조물로 적층하여 피팅 로봇 시스템의 내부 구조를 형상하고, Fig. 2(b)처럼 이에 신체 형상을 만들기 위해 1개의 표준화 구동 모듈에 외부 신체 형상은 2개로 대응하게 피팅 로봇 시스템의 외부 구조로 12개의 조각을 이용하여
사람의 신체 형상을 가지는 피팅 로봇 시스템을 제시하였다. Fig. 3은 각 층의 표준화 구동 모듈 내부 구조의 일부이며, 신체 치수에 대응하여 구동하기 위한 기구적 구동 구조를 보여주고 있다[7-11]. Fig. 3(a),(b)에서 보듯이 랙 & 피니언을 모터와 직결하여 회전운동을 직선운동으로 구현되도록 제안하여 제작하였으며, Fig. 3(c)처럼 이를 이용하여 1개의 표준화 구동 모듈에 랙은 1개의 모터에 직결되고 2개의 피니언이 쌍으로 좌/우로 구동되는 구조를 갖게 제안하여 설계, 제작하여
적용하였다. Fig. 4는 제안한 스마트 피팅 로봇 시스템의 내부 구조인 내부 모델링을 상세하게 보여 주고 있다. Fig. 4에서 보듯이 제안한 피팅 로봇 시스템의 내부 구조는 Fig. 4(a)의 랙&피니언 구동 기구를 기본으로 하여 Fig. 4(b)의 구동 모듈 구조를 모듈화 한 형태로 적용 가능한 구조로 제안하여 표준화 구동 모듈을 기본으로 하여 Fig. 4(c)처럼 6개 층으로 표준화 구동 모듈을 적층하여 쌓은 구조로 전체 시스템을 구성하였다. 만약 고장, 수리 등이 발생하는 경우, 해당 표준화 구동 모듈만
교체가 가능하도록 하는 표준화 구동 모듈 단위로 전체 시스템이 구동되도록 표준화 구동 모듈을 제안하여 구현하였고, 실제 양산 제작 시 유용하게 적용
가능하도록 제작하였다. Fig. 5는 제안한 표준화 구동 모듈을 보여 주고 있다. Fig. 5(a)에서 보듯이 크게 기구 부품과 전기적 부품으로 구성하여 배치하였으며, 전기적 부품으로는 하드웨어적 안전을 위한 포토 센서와 제어를 위한 제어기(아두이노),
구동을 위한 모터와 모터를 구동하기 위한 모터 드라이버로 구성하여 설계하였고, Fig. 5(b)에서처럼 기구적으로는 1개의 랙과 2개의 피니언으로 구성되게 배치, 설계하여 표준화 구동 모듈을 모델링하였다. Fig. 6은 제안한 피팅 로봇 시스템의 안전장치를 보여 주고 있다. 안전장치는 이중 안전시스템으로 구현하였으며, 첫째, 소프트웨어적 최대치와 최소치를 지정하고
둘째 하드웨어적 최대치, 최소치를 설치하여 안전을 확보하였다. Fig. 6은 두 번째의 안전을 위한 최대치와 최소치에 대한 하드웨어 셋팅으로 포토센서를 양 끝에 쌍으로 2개를 배치하는 기구적인 구조를 제시하여 안전을 2중으로
확보하였다. Fig. 7은 제안한 표준화 구동 모듈의 모델링 및 시제품을 보여 주고 있다. Fig. 6의 안전장치와 Fig. 5(b)의 모델링에 대한 제안, 설계, 실제 제작한 시제품을 보여 주고 있으며, 이에 대한 표준화 구동 모듈 6개를 적층하여 쌓는 구조로 배치하면 Fig. 2의 제안한 피팅 로봇 시스템의 내부 구조와 같은 형상으로 제작 가능하도록 실제 설계, 제작되게 구현하였다. Fig. 8은 제안한 피팅 로봇 시스템의 제어 시스템의 블록도와 제어기 구성도를 보여 주고 있다. Fig. 8(a)에서 보듯이 신체 치수 등의 입력을 위한 핸드폰 및 APP, 제어를 위한 제어기인 마스터 제어기, 슬레이브 제어기, 구동을 위한 각 모듈별 구동 드라이브
및 모터로 구성하여, 무선통신을 이용한 핸드폰으로 신체 치수 입력을 넣으면 제안한 피팅 로봇 시스템에 명령이 내려지고, Fig. 8(b)처럼 이에 맞게 마스터 제어기에서 슬레이브 제어기를 통해 각각의 구동 모터에 입력값에 의해 동작되는 구조로 제어하도록 구성하였다. 이는 제안한 표준화
구동 모듈이 6개로 구성되어 있기 때문에 슬레이브 제어기를 6개로 구성하였으며, 향후, 신체 구조를 섬세하게 표현되기 위해 피팅 구조를 세분화하기
위해서는 증설도 용이하게 가능하도록 구성하였다. Fig. 9는 제안한 피팅 로봇 시스템의 시스템 구성 블록도를 보여 주고 있다. 이는 사용자가 원하는 신체 사이즈 값을 직접 입력하여 제안한 피팅 로봇이 신체
각 부분이 신체 입력 사이즈 값에 따라 동작되거나, 입력되어진 신체 데이터 값을 불러와서 동작되는 구조 등으로 사용 가능하도록 하여 다양한 신체 구조에
대한 신체 데이터 값들의 데이터를 수집하여 기성복 등을 만드는데 사용 가능하게 하거나, 또는 이러한 표준화 수치를 많이 확보하여 기성복 표준화에 신체
구조의 변화에 빠르게 대응 가능하도록 하였다. 실제 제안한 피팅 로봇 시스템은 크게 4단계를 거치면서 구동되어진다. 1단계, 유/무선 연결은 블루투스를
통해 제어기(아두이노)와 사용자 PC를 무선으로 연결되고, 2단계 치수 입력으로 사용자의 신체 치수를 입력하고, 3단계 모터 작동으로 입력된 치수
데이터를 기반으로 모터를 해당 값만큼 동작하여 치수 조절하고, 4단계로 초기화로 포토센서로 랙의 끝 값을 검출하는 과정을 통해 제품을 초기화하여 다음
치수를 입력을 위한 대기 상태가 되도록 동작되어 지게 구현하였다.
Fig. 2. The modeling(internal/external) and prototyping of the proposed robot system
Fig. 3. Drive mechanism(rack&pinion structure) of the proposed robot system
Fig. 4. Internal modeling of the proposed robot system (a) Mechanical drive unit (b)
Standardized drive module (c) Internal body
Fig. 5. Configuration and modeling of the proposed standardized drive module
Fig. 6. Hardware safety mechanisms of the proposed robot system
Fig. 7. Modeling and prototyping of the proposed standardized drive module
Fig. 8. The control block diagram and configuration(control system) of the proposed
fitting robot system
Fig. 9. The system configuration block diagram of the proposed fitting robot system
2.2 제안한 로봇 시스템 시제품 및 시험
Fig. 10은 제안한 피팅 로봇 시스템을 구동하기 위한 핸드폰 제어 화면과 피팅 로봇 시스템의 시제품을 보여 주고 있으며, Fig. 10(a)인 핸드폰에 사용자가 해당 수치를 입력하게 되면 Fig. 10(b)인 제안 피팅 로봇시스템의 시제품이 이에 맞게 구동되게 구현, 제작하였다. Fig. 10(b)은 크게 신체 앞 / 뒤 / 옆면 / 어깨로 구분하였으며, 세부적으로 앞면 4개(좌측 상부/.하부, 우측 상부/하부), 뒷면 4개(좌측 상부/하부,
우측 상부/하부), 옆면 2개 (오른쪽, 왼쪽), 어깨 2개(오른쪽, 왼쪽)로 구분하여 총 12조각으로 구현되도록 설계, 제작하였다. Fig. 11은 제안한 표준화 구동 모듈과 제안한 피팅 로봇 시스템의 최소, 최대 구동을 위한 시험 모습을 보여주고 있다. Fig. 11(a),(b)는 제안한 표준화 구동 모듈의 최대치와 최소치로 구동되어진 모습을 보여주고 있으며 이를 이용하여 Fig. 11(c),(d)는 12개 신체 조각의 최대치와 최소치로 피팅 로봇시스템이 구동되어진 모습을 보여주고 있다. Fig. 11에서 보듯이 표준화 구동 모듈 및 피팅 로봇 시스템이 입력값에 따라 최대치와 최소치로 정확하게 구동되어지는 것을 알 수 있다. Table 1은 제안한
피팅 로봇 시스템의 시제품에 각각의 신체 모듈별 입력에 대한 출력으로 제안한 로봇 시스템이 동작되는 동작 시험을 나타내고 있으며, 이는 각각의 신체
모듈별 다른 입력값을 입력하더라도 각각 신체 모듈별로 독립적으로 구동되는 것을 보여주고 있다. Table 1은 크게 3개의 시나리오로 동작되게 운전하였으며,
이에 대한 제안한 피팅 로봇 시스템의 구동 결과는 Fig. 12에 보여주고 있다. Fig. 12는 제안 피팅 로봇 시스템의 특정 신체 부위의 모듈에 특정 신체 치수를 입력하는 경우, 피팅 로봇시스템의 구동 시험을 보여주고 있다. Fig. 12에서 보듯이 Fig. 12(a)는 신체 앞부분 좌측 하부 모듈인 모듈 b만 800 값으로 입력시 로봇 시스템의 모듈 b만 입력값만큼 구동되어짐을 볼 수 있으며, Fig. 12(b)는 신체 앞부분 우측 상부 모듈인 모듈 d만 1000 값을 입력 시 로봇 시스템의 모듈 d만 입력 값만큼 구동, Fig. 12(c)는 신체 어깨 모듈인 모듈 f만 800 값을 입력시 로봇 시스템의 모듈 f만 입력 값만큼 구동되어짐을 알 수 있어 특정 신체를 가진 사용자에 맞게
치수를 피팅 로봇 시스템에 구현해 볼 수 있음을 알 수 있다. 이는 신체가 좌/우 치수가 다른 경우에도 구현 가능하고 배가 나온 경우 등의 다양한
신체 조건에 맞게 구현 가능함을 알 수 있어 사용자가 직접 의류를 입어 보지 않고 사용자가 가상으로 피팅 로봇 시스템에 착용해 봄으로써 실제 사용자가
의류를 착장한 효과를 적용해 볼 수 있어 사용자가 직접 의류를 입어 보지 않고 의류를 구입 가능하고, 의류 판매 매장에서는 의류를 착장하는 공간을
매장에서 제거할 수 있어 비용 절감 및 깨끗한 의류 등을 제공할 수 있고 사용자도 깨끗한 의류의 구입 등이 가능함을 알 수 있다.
Fig. 10. The control Interface(phone) and prototype of the proposed fitting robot
system
Fig. 11. Testing of the proposed fitting robot system and standardized drive module
Table 1. Individual module operation test of the proposed fitting robot system
Fig. 12. Individual module operation tests of the proposed fitting robot system
3. 결 론
우리 생활에서 “의식주” 중에 “의”에 해당하는 부분으로 사용자의 표준 및 체형에 맞게 제작된 마네킹은 표준화된 사이즈로 제작, 배포되어 의류 매장
등에서 사용되어지고 있다. 일반적으로 우리가 사용하는 의류는 특정 체형에 맞게 제작된 마네킹에 디스플레이된 모습을 보고 사용자가 의류를 택하여 직접
사용자가 입어보고 의류를 선택하여 구입하게 된다. 이는 사용자 입장에는 의류가 마네킹과 사용자의 신체 사이즈가 다르기 때문에 무조건 의류를 입어 보는
절차를 가지게 되는 부분으로 사용자의 시간적, 공간적 제약을 가지게 된다. 이를 보완하기 위해 본 논문에서는 고정된 마네킹을 사용자의 신체 사이즈에
맞게 자동으로 구동되는 피팅 로봇 시스템을 제안하고, 주요 부분을 실현 가능하게 구현, 설계하여 제작한 시제품을 제시하여 다양한 사용자의 신체 치수에
대응하여 응용 가능함을 알 수 있었다. 향후 제안한 피팅 로봇 시스템을 사용자가 실제 의류를 직접 입어 보지 않고 구입자의 신체 사이즈로 로봇 시스템을
구동하여 원하는 의류를 입혀 보고 간접적으로 의류를 선택할 수 있게 정밀하게 신체 조건을 가지도록 연구를 진행할 예정이다.
Acknowledgement
이 논문은 한국조명․전기설비학회 2023년도 춘계학술대회에서 발표하고 우수추천논문으로 선정된 논문임.
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Biography
She received her doctorate in mechanical engineering from Incheon National University
in 2023. From 2002 to 2008, she was responsible for designing about 10 types of mobile
phone devices for LG, SK, etc., and she lectured at several universities. Since 2019,
she has been serving as Head of the Department of 3D Product Design, Gwangmyeong Convergence
Technology Education Institute, Korea Polytechnic University. She is currently a regular
member of KIIEE. Her area of interest is research on product-related mechanism design.
She received B.S. degrees in Biology from Kongju National University (1997). She
received M.S degree (2000) and Ph.D. degree (2006), respectively in Biochemistry from
Hanyang University. She is currently an assistant professor at the Dept. of Bio pharmaceutical
system, Gwangmyeong Convergence Technology Education Center, Korea Polytechnics College.
He received M.S. and Ph.D. degrees in electrical engineering from Yeungnam University,
Gyeongsan, South Korea, in 1999 and 2007 Respectively. From 2003 to 2012, he had been
with the team of system power development, Institute of Technology, R&D Center, Shinsung
solar Energy Co, Ltd, as a principal research engineer. From 2012 to 2020, he has
been with system control & electric machine team, Renewable energy system Institute,
R&D Center, KyungDong navien Co. Ltd., as a principal research engineer(project leader
and team leader). Since 2020, he has been Assistant Professor with the Dept. of Electrical
and Energy Systems, gwangmyeong convergence technology education center, Korea polytechnics,
Gwangmyeong, South Korea. he is currently a general member and board member of KIIEE.
His research interests include the areas of AC/DC, DC/DC, and DC/AC power conversion
system(topology), power topology of Inverter and Converter, CPS(Contactless Power
system) and wireless power transfer. he is currently a editorial director of KIIEE
in 2022∼2023.