디지털 피아노 연주를 위한 인간 동작 모방형 연주 로봇

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 피아노를 연주하기 위한 인간 손동작 모방형 로봇 시스템 설계 및 제어 알고리즘을 제안한다. 제안한 로봇은 인간의 손과 같이 10개의 연주용 손가락을 가지며, 좌우로 이동하여 곡을 연주한다. 이를 구현하는데 있어서, 로봇의 구조적 특성으로 인해 갖는 넓은 범위의 좌우 병진 이동성 고려와 세밀한 음악 연주를 위한 음의 정확한 표현이 주요 문제로 고려된다. 넓은 범위의 좌우병진 이동을 구현하기 위해 빠른 이동과 정확한 위치 도달이 가능하도록 DC모터를 사용하여 병진이동 기구 구조를 설계하고, 3차원 곡선 경로 생성법 기반의 DC모터 PI 제어를 통해 빠른 이동과 부드러운 움직임이 가능하도록 한다. 음의 정확한 표현 구현에 있어서는 손가락 모양의 로봇구조를 설계하고, 음표, 박자, 쉼표로 이루어진 악보 정보를 디지털 정보로 나타내어 이를 기반으로 로봇의 연주 타이밍, 움직임, 위치를 결정하는 로봇 제어 알고리즘을 설계한다. 이와 같이 제안하는 인간 동작 모방형 피아노 연주로봇은 기존의 로봇의 단점인 화음 연주의 제한성과 좌우 병진이동시 발생하는 소음 문제를 해결한다. 마지막으로, 본 논문에서 제안한 로봇 시스템을 구현함으로써 제어기 및 로봇의 성능을 검증한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this paper, a human hand-mimetic robot for the digital piano performance is designed and its control algorithm is proposed. The proposed robot has 10 fingers like a human hand and the lateral movement to play piano. Due to the structural characteristics of the designed robot, two important control issues are considered; one is the lateral movement of the designed robot, and the other is the accurate expression of a note. In order to achieve these two issues, the lateral movement mechanism with a DC motor and the cubic polynomials for the path based DC motor controller are designed first. This approach not only solves the lateral movement but also provides fast and smooth movements. Secondly, a finger shaped robot and its control algorithm are designed, and the music information such as notes, times and rests is digitized. The proposed human mimetic robot for the piano performance overcomes the drawbacks of conventional piano playing robots, which are the chord playing contrtraint and moving noise. Consequently, the proposed system is implemented and its performance is verified in practice.

목차 (Table of Contents)

• 요약
• Abstract
• 1. 서론
• 2. 로봇의 구조
• 3. 로봇의 알고리즘
• 4. 3차원 곡선 경로 생성 기반 제어기 설계
• 5. 결론
• References

참고문헌 (Reference)

• 1 황우현, "matlab을 이용한 자동제어" 북두출판사 2014
• 2 G. Antonelli, "Smooth 3-Dimensional Path Generation with Guaranteed Maximum Distance from Via-Points" 43 (43): 300-305, 2010
• 3 J. J. Craig, "Introduction to Robotics Mechanics and Control" Pearson Prentice Hall 2005
• 4 J. T. Lim, "Global Social Robot Market Status and Prospect"
• 5 D. Zhang, "Design and Analysis of a Piano Plying Robot" 2009
• 6 윤덕용, "BLDC 모터 제어 기술" OHM사 2015
• 7 B. C. Kuo, "Automatic Control Systems" Wiley 2010
• 8 Instructables, "A piano playing robot"