파이썬 로보틱스

파이썬, ROS, OpenCV를 사용해 자율 주행 로봇 만들기

렌틴 조셉 저자(글) · 오현석 번역

에이콘출판 · 2016년 05월 20일

책 소개

더 이상 우리의 일상에서 로봇이 없는 삶을 생각할 수 없다. 로봇을 만드는 일은 하드웨어 부분이건 소프트웨어 부분이건 생각만큼 단순하지 않다. 하지만 파이썬을 활용하면 다양한 기능을 제공하는 로봇을 비교적 쉽게 만들 수 있다. 이 책은 파이썬, 로봇 OS(ROS), OpenCV 등을 활용해서 시각 알고리즘으로 주변을 인식하고, 자율적으로 주행하면서 사용자와 음성으로 대화할 수 있는 인공지능 로봇을 만드는 과정을 보여주는 소개서다. 하드웨어 설계, 시뮬레이션, 부품 선택 및 펌웨어 코딩, 주행에 필요한 기본적인 물리 지식, 로봇 운영체제 활용, 음성 인식과 합성을 통한 사용자 상호작용, OpenCV를 활용한 영상 처리 등에 대해 배우면서 로봇 제작 기초를 단단하게 다질 수 있을 것이다.

작가정보

저자(글) 렌틴 조셉

저자 렌틴 조셉(Lentin Joseph)은 전자 공학자이자 로봇 광이며 기계 비전 전문가면서, 임베디드 시스템 프로그래머고, 인도 큐보틱스 랩스(Qbotics Labs)의 CEO다(http://www.qboticslabs.com). 케랄라(Kerala)의 Science and Technology(FISAT)에서 전자공학 및 통신 엔지니어링 석사를 취득했다. 졸업 엔지니어링 프로젝트에서 사람과 상호작용할 수 있는 소셜 로봇을 만들었다. 프로젝트는 성공적이었으며, 영상 및 인쇄 매체에서도 언급됐다. 로봇의 주 기능은 인간과 의사소통하면서 지능적으로 대답하는 것이었다. 이미지 처리 기능도 들어있어서 안면, 움직임, 색 등을 감지할 수 있었다. 전체 프로젝트는 파이썬 프로그래밍 언어로 구현됐다. 이 프로젝트를 하면서 로보틱스, 이미지 처리, 파이썬에 대한 관심을 가지기 시작했다.
졸업 후, 로보틱스와 이미지 처리 관련 스타트업에서 3년간 근무했다. 그동안, 로봇 운영체제(ROS, Robot Operating system), V-REP, 액틴(Actin)(로봇 시뮬레이션 도구) 등의 유명한 로봇 소프트웨어 플랫폼과 OpenCV, OpenNI, PCL 등의 이미지 처리 라이브러리에 대해 배웠다. 또한 로봇 3D 설계, 아두이노(Arduino)나 스텔라리스(Stellaris) 런치패드상의 임베디드 프로그래밍에 대해서도 익혔다.
3년의 직장 생활 이후, 큐보틱스 랩스 회사를 창업했다. 주로 웨어러블 기술, 로보틱스, 기계 비전, 녹색 기술, 온라인 교육 등의 분야에서 훌륭한 제품을 만들기 위한 연구에 집중했으며, 개인 웹사이트(http://www.lentinjoseph.com)와 테크노랩스즈(technolabsz) 기술 블로그(http://www.technolabsz.com)를 운영 중이며, 자신의 성과를 기술 블로그에 올려왔다. 또한, 인도 파이콘(PyCon) 2013에서 파이썬을 사용한 로봇 학습에 대해 발표했다.

번역 오현석

역자 오현석은 KAIST에서 전산학 학사와 석사 학위(프로그래밍 언어 연구실)를 취득했다. 삼성메디슨, 비트앤펄스 등에서 UI 개발자와 개발 팀장을 지냈고, 호주에서 C++/풀스택 개발자로 일하고 있다.
웹이나 모바일 등의 분야에서 값 중심의 프로그래밍을 통해 오류 발생 가능성이 더 적고 유지보수가 편한 프로그램을 작성하는 방법과 이를 지원하는 여러 도구를 만드는 일에 관심이 많다. 최근에는 스칼라와 파이썬을 사용한 대규모 병렬처리나 액터를 활용한 분산 처리 등을 공부하는 중이다.
『파이썬 인 프랙티스』(2014), 『시스템 분석과 성능최적화』(2015)와 에이콘출판사에서 펴낸 『Programming in Scala (Second Edition) 한국어판』(2014), 『유쾌한 파이썬』(2015), 『스칼라 동시성 프로그래밍』(2016)을 번역했다.

작가의 말

이 책은 주로 자율 이동 로봇을 아무런 준비 없이 처음부터 만드는 방법과 그 로봇을 파이썬으로 프로그래밍하는 것에 초점을 맞춘 12개의 장으로 구성되어 있다. 이 책에서 언급한 로봇은 서비스 로봇으로, 집, 호텔, 식당 등에서 음식을 서비스하는 데 쓰일 수 있다. 처음부터 끝까지 이 책은 이 로봇을 만드는 법을 단계별로 설명한다. 로보틱스의 기본 개념부터 시작해 로봇에 대한 3D 모델링과 시뮬레이션까지 살펴본다. 로봇을 시뮬레이션하는 데 성공하고 나면, 제대로 자율 주행할 수 있는 로봇 프로토타입을 만들 때 필요한 여러 가지 하드웨어 구성요소에 대해 알아본다.
이 로봇의 소프트웨어 부분은 주로 파이썬 프로그래밍 언어와 로봇 운영체제(ROS, Robot Operating System), OpenCV 등의 프레임워크로 이뤄졌다. 여러분이 로봇의 설계 관점부터 로봇의 UI에 이르기까지, 파이썬을 활용하는 것을 모두 이해할 수 있도록 노력했다. 가제보(Gazebo) 시뮬레이터는 로봇과 OpenCV, OpenNI 등의 기계 비전 라이브러리를 시뮬레이션하기 위해 사용한다. PCL을 사용해 로봇의 2D와 3D 데이터를 처리한다. 각 장에는 이러한 내용을 응용하기 위해 필요한 만큼의 이론도 함께 구성했다. 이 책은 로봇에 대해 열정이 넘치는 로봇 분야의 여러 전문가들의 감수를 거쳤다. - 저자

1990년 초, DC 모터를 사용한 마이크로 마우스가 스무드 턴(smooth turn)을 하면서 미로를 찾아가는 모습을 지켜보면서 환호성과 탄성을 질렀던 기억이 난다. 오늘날에는 반제품의 마이크로 마우스에 코딩만 하면 얼마든지 로봇 프로그래밍을 즐길 수 있고, 레고 마인드스톰 등 다양한 제품을 사용해 여러 가지 로봇을 만들고 실험해 볼 수 있다.
그렇지만, 역시 로봇이 가지는 매력은 내 손으로 움직이는 어떤 존재를 만들고, 그 존재에 내가 작성한 코드를 집어 넣어서 생명을 불어 넣고, 그 존재가 실제 현실에서 움직이는 것을 본다는 점에 있다. 게다가 로봇 제어는 전자, 통신, 기계, 전산 등이 모두 집약된 종합 예술이다.
로봇을 만드는 전 과정을 배우기 위해서는 직접 로봇을 만들어보는 것이 가장 좋을 것이다. 이 책은 계획, 설계, 도면 작성부터 기계/전자적인 부품의 선택 및 로봇 제작까지 하드웨어 부분과, 그 위에 올라가는 운영체제(ROS)와 제어를 위한 컨트롤러에 들어갈 펌웨어, 실제 제어를 담당하는 로직에 이르기까지 로봇의 모든 부분을 직접 만들면서 내부를 들여다볼 수 있게 만든 책이다. 또한, 사용자 경험을 향상시키기 위한 음성 인식이나 합성, 자율 주행 알고리즘, 시각 알고리즘 등에 이르기까지 재미있는 로봇을 만들 때 필요한 여러 가지 기술을 로봇을 직접 만들면서 배울 수 있다.
이 책이 로봇에 관심이 많은 여러 독자들에게 좋은 출발점이 될 수 있기를 바라며, 여러분도 재미있는 로봇의 세계에 깊이 빠져들게 되길 빈다. - 역자

목차

• 1장. 로보틱스 소개
  __로봇이란 무엇인가?
  ____‘로봇’ 단어의 역사
  ____로봇의 현대적 정의
  __로봇은 어디에서 왔는가?
  __로봇의 내부에는 어떤 것이 들어 있나?
  ____물리적 본체
  ____센서
  ____이펙터
  ____컨트롤러
  __로봇을 어떻게 만들 수 있나?
  ____반응형 제어
  ____계층형(심의) 제어
  ____하이브리드 제어
  __요약
  
  2장. 서비스 로봇의 기계적 설계
  __서비스 로봇의 요구사항
  __로봇의 운동 메커니즘
  ____모터와 바퀴의 선택
  ____설계 요약
  ____로봇 샤시 설계
  __LibreCAD, 블렌더, 메시랩 설치
  ____LibreCAD 설치
  ____블렌더 설치
  ____메시랩 설치
  __LibreCAD를 사용해 로봇에 대한 2차원 CAD 그리기
  ____밑판 설계
  ____밑판 기둥 설계
  ____바퀴, 모터, 모터 클램프 설계
  ____캐스터 바퀴 설계
  ____중간판 설계
  ____윗판 설계
  __블렌더를 사용해 로봇에 대한 3차원 모델 작업
  ____블렌더에서 파이썬 스크립트 사용
  ____블렌더 파이썬 API 소개
  ____로봇 모델의 파이썬 스크립트
  __연습문제
  __요약
  
  3장. ROS와 가제보를 사용한 로봇 시뮬레이션
  __로봇 시뮬레이션의 이해
  ____로봇의 수학적 모델
  ____ROS와 가제보 소개
  ____우분투 14.04.2에 ROS 인디고 설치
  ____호텔 환경에서 세프봇과 터틀봇 시뮬레이션
  __연습문제
  __요약
  
  4장. 세프봇 하드웨어
  __세프봇 하드웨어의 사양
  __로봇의 블록 다이어그램
  ____모터와 인코더
  ____모터 드라이버
  ____내장 컨트롤러 보드
  ____초음파 센서
  ____관성 측정 유닛
  ____키넥트
  ____중앙 처리 장치
  ____스피커/마이크
  ____파워 서플라이/배터리
  __세프봇 하드웨어의 동작
  __연습문제
  __요약
  
  5장. 로보틱 액추에이터와 바퀴 인코더 사용
  __DC 기어 모터와 티바 C 런치패드의 연결
  ____차동 바퀴 로봇
  ____에너지아 IDE 설치
  ____인터페이싱 코드
  __직교 인코더와 티바 C 런치패드의 연결
  ____인코더 데이터 처리
  ____직교 인코더 인터페이싱 코드
  __다이나믹셀 액추에이터 사용
  __연습문제
  __요약
  
  6장. 로봇 센서 사용
  __초음파 거리 센서 사용
  ____HC-SR04를 티바 C 런치패드와 연결
  __IR 근접 센서 사용
  __관성 측정 유닛 사용
  ____관성을 사용한 내비게이션
  ____MPU 6050과 티바 C 런치패드 연결
  ____에너지아의 처리 코드
  __에너지아의 DMP 지원을 사용해서 MPU 6050을 런치패드에 연결
  __연습문제
  __요약
  
  7장. 파이썬과 ROS를 사용한 비전 센서 프로그래밍
  __로보틱 비전 센서와 이미지 처리 라이브러리 목록
  __OpenCV, OpenNI, PCL 소개
  ____OpenCV란 무엇인가?
  ____OpenNI란 무엇인가?
  ____PCL이란 무엇인가?
  __ROS. OpenCV, OpenNI로 키넥트 프로그래밍
  ____OpenNI 드라이버를 시작하는 방법
  ____OpenCV에 대한 ROS 인터페이스
  __ROS. OpenCV, OpenNI로 포인트 클라우드 다루기
  ____장치를 열고 포인트 클라우드 생성
  __포인터 클라우드를 레이저 스캔 데이터로 변환
  __ROS와 키넥트로 SLAM 활용
  __연습문제
  __요약
  
  8장. 파이썬과 ROS를 사용한 음성 인식과 합성
  __음성 인식의 이해
  ____음성 인식 시스템 블록 다이어그램
  ____음성 인식 라이브러리
  ____윈도우 스피치 SDK
  ____음성 합성
  ____음성 합성 라이브러리
  __우분투 14.04.2에서 파이썬을 사용해 음성 인식과 합성
  ____포켓 스핑크스 설정 및 우분투 14.04.2에 파이썬 바인딩 설치
  ____우분투 14.0.2에서 포켓 스핑크스 파이썬 바인딩 사용
  ____출력
  __우분투 14.04.2에서 포켓 스핑크스, G스트리머, 파이썬을 사용한 실시간 음성 인식
  __우분투 14.04.2에서 파이썬과 줄리우스를 사용한 음성 인식
  ____줄리우스 음성 인식기와 파이썬 모듈 설치
  ____파이썬 줄리우스 클라이언트 코드
  ____포켓 스핑크스와 줄리우스를 활용해 음성 인식 정확도 향상시키기
  ____우분투 14.04.2에 e스피크와 페스티발 설정
  __윈도우에서 파이썬을 사용한 음성 인식과 합성
  ____스피치 SDK 설치
  __ROS 인디고와 파이썬을 사용해 음성 인식
  ____ROS 인디고에 pocketsphinx 패키지 설치
  __ROS 인디고와 파이썬을 사용해 음성 합성
  __연습문제
  __요약
  
  9장. 파이썬으로 세프봇에 인공지능 적용
  __세프봇 의사소통 시스템의 블록 다이어그램
  __AIML 소개
  ____AIML 태그 소개
  __PyAIML 소개
  ____우분투 14.04.2에 PyAIML 설치
  ____소스 코드로부터 PyAIML 설치
  __AIML과 파이썬으로 작업
  ____명령행 인자로부터 AIML 파일 적재
  __A.L.I.C.E. AIML 파일로 작업
  ____AIML 파일을 메모리에 적재
  ____AIML 파일을 적재하고 브레인 파일에 저장
  ____AIML과 브레인 파일을 적재하고 bootstrap 메소드 사용
  __PyAIML과 ROS 통합
  ____aiml_server.py
  ____aiml_client.py
  ____aiml_tts_client.py
  ____aiml_speech_recog_client.py
  ____start_chat.launch
  ____start_tts_chat.launch
  ____start_speech_chat.launch
  __연습문제
  __요약
  
  10장. 세프봇 하드웨어 통합 및 파이썬을 사용해 ROS와 연결
  __세프봇 하드웨어 조립
  __세프봇 PC 설정 및 세프봇 ROS 패키지 설정
  __세프봇 센서를 티바 C 런치패드와 연결
  ____세프봇의 임베디드 코드
  __세프봇을 위한 ROS 파이썬 드라이버 작성
  __세프봇 ROS 시작 파일 이해
  __세프봇 파이썬 노드와 시작 파일 사용
  ____방의 지도를 작성하기 위해 ROS에서 SLAM 사용
  ____ROS 지역화와 내비게이션 사용
  __연습문제
  __요약
  
  11장 Qt와 파이썬을 사용한 로봇의 GUI 설계
  __우분투 14.04.2 LTS에 Qt 설치
  __Qt의 파이썬 바인딩으로 작업
  ____PyQt
  ____PySide
  __PyQt와 PySide로 작업
  ____Qt 디자이너 소개
  ____Qt 시그널과 슬롯
  ____UI 파일을 파이썬 코드로 변환
  ____PyQt 코드에 슬롯 정의 추가
  ____Hello World GUI 애플리케이션 실행
  __세프봇 제어 GUI로 작업
  ____우분투 14.04.2 LTS에 rqt 설치와 작업
  __연습문제
  __요약
  
  12장 세프봇 교정 및 테스트
  __ROS를 사용한 Xbox 키넥트 교정
  ____키넥트 RGB 카메라 교정
  ____키넥트 IR 카메라 교정
  __바퀴 이동 거리 교정
  ____바퀴 이동 거리의 오류 분석
  ____오류 수정
  __MPU 6050 교정
  __GUI를 사용해 로봇 테스트
  ____ROS 내비게이션의 장점과 단점
  __연습문제
  __요약

출판사 서평

★ 이 책에서 다루는 내용 ★

■ 로보틱스의 핵심 개념과 용어
■ LibreCAD나 블렌더(Blender) 등의 프리웨어를 활용해 로봇의 2차원과 3차원 도면 제작
■ ROS와 가제보(Gazebo)를 사용한 로봇 시뮬레이션
■ 요구사항에 맞춰 로봇 하드웨어를 만드는 방법
■ 액추에이터(actuator)의 종류 및 액추에이터를 로봇에 연결하는 방법
■ 다양한 로봇 센서를 로봇에 연결하는 방법
■ OpenCV, OpenNI, PCL 등의 프로그램 설치 및, 2차원/3차원 비주얼 데이터 처리 방법
■ 파이썬을 활용한 음성 인식과 합성
■ 파이썬을 활용해 인공지능을 로봇에 적용
■ Qt와 파이썬을 이용한 로봇 제어 GUI 제작
■ 로봇의 교정과 테스트

★ 이 책의 대상 독자 ★

서비스 로보틱스 영역을 탐구해 보려는 기업가, 로봇에 더 많은 기능을 추가하고 싶은 전문가, 로보틱스에 대해 더 많이 탐구하고 싶은 연구자, 로보틱스를 배우고 싶어하는 학생이나 로보틱스에 흥미가 있는 사람에게 좋은 동반자가 될 것이다. 이 책은 누구나 쉽게 이해할 수 있도록 한 단계씩 차례대로 설명한다.

★ 이 책의 구성 ★

1장, ‘로보틱스 소개’에서는 로보틱스의 기본 개념과 용어를 소개한다. 이 장은 로보틱스를 처음 시작하는 초보자를 위한 내용이다.

2장, ‘서비스 로봇의 기계적 설계’에서는 LibreCAD와 블렌더(Blender)(무료 소프트웨어)를 사용해 로봇을 2D와 3D로 설계하는 방법을 알아본다. 또한 3D 모델을 구축하기 위해 파이썬에서 블렌더 파이썬 API를 사용하는 방법도 살펴본다.

3장, ‘ROS와 가제보를 사용한 로봇 시뮬레이션’에서는 가제보와 ROS를 사용해 서비스 로봇을 시뮬레이션하는 과정을 알아본다.

4장, ‘세프봇 하드웨어 설계’에서는 블록 다이어그램과 세프봇을 만드는 데 필요한 하드웨어 부품 등 로봇의 하드웨어 설계에 대해 설명한다.

5장, ‘로보틱 액추에이터와 바퀴 인코더 사용’에서는 로봇 액추에이터(actuator)와 바퀴 인코더를 티바 C 런치패드(Tiva C Launchpad)를 사용해 연결하는 방법을 알아본다. 또한 다이나믹셀(dynamixel)과 같은 고성능 스마트 액추에이터도 설명한다.

6장, ‘로봇 센서 사용’에서는 초음파 센서, IR 근접 센서, IMU를 티바 C 런치패드와 연결하는 방법을 설명한다.

7장, ‘파이썬과 ROS를 사용한 비전 센서 프로그래밍’에서는 OpenCV, OpenNI, PCL 라이브러리를 소개하고, ROS와 이들을 연결하는 방법과 파이썬을 사용해 프로그래밍하는 방법을 설명한다.

8장, ‘파이썬과 ROS를 사용한 음성 인식과 합성’에서는 다양한 라이브러리를 사용한 음성 인식과 합성, 파이썬을 통해 이러한 라이브러리를 ROS와 연결하는 방법에 대해 알아본다.

9장, ‘파이썬으로 세프봇에 인공지능 적용’에서는 채터봇(ChatterBot)을 만드는 방법을 소개한다. 이를 활용해 로봇의 상호작용 수준을 더 높일 수 있다.

10장, ‘세프봇 하드웨어 통합 및 파이썬을 사용해 ROS와 연결’에서는 완전한 하드웨어를 조립하는 방법과 필수적인 소프트웨어 부분에 대해 설명한다. 이 장은 주로 서비스 로봇의 자율 내비게이션과 ROS와 파이썬을 사용해 자율 주행을 프로그래밍하는 방법에 대해 알아본다.

11장, ‘Qt와 파이썬을 사용한 로봇의 GUI 설계’에서는 전형적인 식당에서 로봇을 운용하는 일반 사용자를 대상으로 하는 GUI 제작 방법을 살펴본다. Qt와 PyQt 파이썬 래퍼를 사용해 GUI를 만든다.

12장, ‘세프봇 교정 및 테스트’는 마지막 부분으로, 로봇을 교정하고 테스트하는 방법을 소개한다.

기본정보

ISBN	9788960778610
발행(출시)일자	2016년 05월 20일
쪽수	344쪽
크기	188 * 235 * 22 mm / 808 g
총권수	1권
시리즈명	acorn+PACKT 시리즈
원서(번역서)명/저자명	Learning Robotics using Python/Lentin Joseph