비접촉 음성인식 자판기

 

 

비접촉 음성인식 자판기  

 

어느덧 코로나-19의 첫 감염 사례 보고가 이뤄진 지 2년이 흘러, 우리는 코로나-19와 공존하는 삶을 살아가고 있다. 지금 이 순간에도 코로나-19는 끊임없는 진화를 거듭하여 일상으로의 복귀에 대항하고 있으며, 이는 ‘언택트’란 새로운 시대로의 변화를 초래했다. 사람과 사람 간의 간격을 멀리 띄우고, 대부분의 업무는 비대면으로 전환되었으며, 접촉을 최소화하는 ‘언택트’는 사회적 거리두기 정책과 맞물려 우리 삶에 녹아들기 시작했다.

 

언택트 시대와 맞물려 배달의 수요가 기하급수적으로 증가하고 온라인 화상 플랫폼의 이용이 급증했으며 메타버스라는 새로운 가상공간이 펼쳐지는 환경 속에서, 우리 일상생활 곳곳에서 언택트를 가장 잘 활용할 수 있는 사물들이 등장하기 시작했다. 예를 들면, 기존과 다르게 요즘에는 비대면 손소독제 분사 체온계나 열화상 카메라를 이용한 체온계 등이 등장하고 있다. 사물의 “결합 및 개선”이 사회의 곳곳에서 드러나고 있는 것이다.

 

우리는 이럴 때 어떠한 전략을 취해야 할까? 과연 빠르게 변화하는 세계의 분위기 속에서 가만히 구경하는 양 지켜만 보아야 할까? 나는 우리가 단순히 이러한 환경을 지켜보는 것뿐 아니라, 기존에 존재하던 사물이나 아이디어를 사소한 것부터 더하거나 빼는 것에서 출발하여 새로운 발견과 발명을 이루어 낼 수 있다고 생각한다.

 

이러한 생각 아래에서 우리 조는 세상에 없던 새로운 기능이나 새로운 사물을 창조하는 것을 목표로 둔 것이 아니라 기존의 제품을 더하거나 빼서 개선하는 것을 목표로 사고를 할 수 있었고 그렇게 우리의 비대면 음성인식 자판기에 대한 생각이 탄생하게 되었다.  

 

주제 선정 이유

 

우리는 어떻게 감염병 예방 음성인식 자판기라는 여러 아이디어를 추가하였을까? 이 질문에 대한 경위를 살펴보기 이전, 각각의 카테고리를 감염병 예방 / 음성인식 / 자판기로 한번 나누어 생각해보자. 우리는 앞서 서문에서 ‘코로나-19’란 신종 바이러스를 예방하기 위해 ‘사회적 거리두기’ 정책을 실시하면서 ‘언택트’로의 변화가 이루어졌음을 확인하였다. 감염병 예방이라는 키워드를 이해하기 위해, 언택트의 중요성을 일깨울 수 있는 연구사례를 살펴보자.

 

<코로나19 사회적 거리두기 기준 설정을 위한 공기 중 기침 입자의 확산에 대한 연구>에 따르면, 기류 이동이 없는 정지 상태에서 입자는 공기 중으로 확산하며, 기침 5초 후 1 m 이상 이동한다. 5 μm 이하의 에어로졸이 공기 중에 부유하여 공기감염을 초래한다고 알려져 있지만, 50 μm 미만의 입자가 vapor plume 내에 농도가 높은 상태로 오랫동안 공기 중에 부유할 수 있는 것으로 나타났다. 따라서 공기 중에 부유하고 있는 비말로 인한 공기감염 또한 발생할 수 있을 것으로 생각된다.

 

16 μm 이하의 입자는 5 μm 이하의 비말핵으로 증발하고, 5 μm 비말핵이 되는데 소요되는 최대 시간은 여름의 경우 약 0.78초, 겨울의 경우 1.95초이다. (3) 겨울의 경우 토출 공기와 주변 공기의 온도차에 의해 입자의 증발이 느리게 일어남에 따라 여름보다 입자가 더 빨리 땅으로 하강하였다. 50 μm 미만의 입자는 기침 공기가 위로 상승함에 따라 같이 상승하는 양상을 보였다.

 

바람이 부는 경우 여름과 겨울 모두 100 μm 미만의 입자는 기류에 따라 1.8초 이내에 2 m 떨어진 피 감염자 쪽으로 빠르게 확산되며, 피 감염자의 얼굴과 몸에 침적되었다. 기류에 의해 이동하는 입자를 흡입하거나, 직접적으로 흡입하지 않아도 입자가 얼굴이나 몸, 옷 등에 침적되어 접촉 감염이 일어날 가능성이 있다. 따라서 사회적 거리두기 기준인 2m는 충분하지 않을 수 있으며, 사회적 거리두기를 이행하더라도 마스크를 착용하는 것이 중요하다.

 

다른 키워드는 음성인식에 관한 것이다. <음성인식을 적용한 아두이노 기반 음료 혼합기 설계 및 구현>이란 논문을 보면, 본 논문에서는 센서 제어가 쉽고 좋고 확장성이 뛰어난 아두이노 기반의 쉽고 편리하게 음료를 혼합할 수 있는 음성인식을 적용한 음료 혼합 시스템을 설계 및 구현하였다. 아두이노를 이용해 음식점에서 쓰이는 자판기와 같은 음료 혼합기를 가정에서 쓸 수 있도록 작고 편리하고 많은 이들이 즐길 수 있는 음료 혼합기를 사용할 수 있는 제어 애플리케이션을 구현하였다. 아두이노 본체에서 로터리 스위치를 이용하여 메뉴를 골라 버튼을 선택하면, 디지털 신호를 받아 4개의 모터를 각각 제어하여 음료를 출력한다. 웹에서는 서버로 값을 보내고 서버에서는 소켓(Socket) 통신을 통해 C# 클라이언트로 값을 보낸다. C# 클라이언트에서는 시리얼(Serial) 통신을 이용하여 아두이노에 값을 보내게 된다. 웹 폼에는 추가 기능으로, 원하는 비율로 출력이 가능한 사용자 메뉴와 음성을 받아 메뉴를 출력하는 음성인식 기능이 있다는 내용이 있는데, 나는 여기서 음성인식을 비대면에 접목할 수 있겠다는 아이디어를 획득하였고, 또한 다루기 쉽다는 장점을 이용하면 개발에 소요되는 시간을 줄일 수 있겠다는 판단을 했다.

 

마지막으로, 자판기에 관한 내용이다. 자판기는 길을 가다가도, 혹은 도서관에서도 볼 수 있을 정도로 우리 주변에 많이 위치하는 사물이다. 하지만, 자판기는 아직까지 사람이 직접 접촉하여 버튼을 눌러야 한다는 단점이 있으며, 이 과정에서 공중에 부유하다 버튼에 달라붙은 미세 에어로졸 입자가 사람에게 영향을 줄 수 있음을 인지하였다. 자판기는 음료를 구매할 때에는 사람과의 면대면 접촉이 필요 없다는 장점을 가지고 있지만, 기존의 위생상 문제가 일어나기 때문에 이러한 매력을 반감시킨다는 판단을 했다. 따라서 나는 음성인식 + 비대면을 자판기라는 사물에 추가하면 더 매력적인 물건이 되지 않을까?라고 생각했다.

 

음성인식 자판기

 

어드벤처 디자인 1 10조에서 개발한 “음성인식 자판기”는 주위에서 흔히 접할 수 있는 자판기에 음성인식 기능을 더하여 ‘사회적 거리두기’ 정책 방침과 ‘위드 코로나’ 정책 방침의 핵심인 ‘언택트(Untact)’ 구현에 초점을 두었다. 길가나 실내 건물 안 등 자판기를 설치하기 적합한 환경에서 활용할 수 있도록 설계하였으며, 사용자가 돈을 자판기에 투입한 이후 원하는 음료수 이름을 말하면 자판기에서 음료수 이름을 인식하여 음료수를 꺼내어 사용자에게 건네준다. 사용자가 돈을 투입한 직후부터 음료수를 받기까지 자판기와의 접촉 자체가 불필요한 것이다.

 

비대면 음성인식 자판기는 음성을 저장하고 인식하는 “아두보이스 아두이노 보드(arduvoice)”, 음료수의 종류와 투입된 돈을 나타내 주는 모니터 역할을 하는 “레노버 P11” 태블릿 PC, 아두보이스 보드와 태블릿 PC를 연결시켜 주는 블루투스 통신 모듈, 동전이 들어왔음을 인식하는 IR센서, 음료수를 배출시켜 줄 수 있도록 회전하는 서보모터 등으로 구성된다. 자세한 기능은 다음 표와 같다.

 

본 개발 보고서는 음성인식 자판기의 설계와 구현, 개발과정을 상세히 설명한 개발 완료보고서로 자판기의 익스테리어와 인테리어 요소를 모두 포함하고 있으며 구현 코드 및 구현 부품을 모두 서술하여 개발 보고서를 읽는 독자 누구나 동일한 부품과 동일한 코드로 제작이 가능하도록 작성하였다. 우리의 아이디어가 조금이나마 코로나-19를 극복하는 데 조금이나마 도움이 될 수 있으면 한다.  

 

작품 제작 계획

 

코로나 바이러스 발생 이후, 언택트 사회로의 변화가 진행됨에 따라 우리 주변에서 볼 수 있는 하지만 코로나 이전과 같은 방식으로 작동하는 것들 중 자판기가 있었고, 이를 언택트 시대에 맞게 변화시켜 보고자 하였다.

 

자판기에서 가장 접촉이 많이 이루어지고, 감염경로가 되기 쉬운 부분으로 음료수를 뽑을 때 누르는 버튼이라고 생각되었고, 이를 대체하기 위한 방안으로 음성인식 기능을 사용하기로 하였다. 음성인식 구현을 위해 아두보이스를 사용하기로 하였다.

 

아두보이스의 음성인식을 이용하여 이용자의 목소리를 통해 메뉴 이름을 받고 이를 처리하여 음료수를 배출한다.

 

음료수를 배출하는 메커니즘은 쌓여있는 음료수를 한 개씩 분리하여 떨어뜨려 레일에 올리는 방식을 채용하였다. 이 방식을 사용하여 적당한 높이에서 떨어뜨려 충격으로 인한 파손이 없도록 하였다. 한 개씩 분리하는 과정에서는 뒤에서 나올 3D 프린터를 이용한 부속을 활용하였다. 이를 서보모터와 연마봉에 연결시켜 원하는 각도만큼 회전시켜 한번에 음료수 한 개만 배출될 수 있도록 하였다.

 

비접촉 자판기를 구현하기 위해 카드만을 사용한 자판기를 만드려 하였으나, 자판기의 주 고객층과 자판기를 이용할 때 남는 동전을 이용한다는 점을 고려하여 동전도 받기로 하였다.

 

이때 동전 인식은 동전이 들어오면 3D 프린터로 제작한 부속을 따라 이동하다 동전 크기별로 분류되도록 하였다. 분리된 동전은 레이저 커터를 이용하여 제작한 부속을 따라 이동하다 적외선 센서에 감지되도록 하였다.

 

편리한 인터페이스 구축을 위하여 태블릿에 App Inventor를 사용하여 대형 디스플레이에 현재 상태를 나타내어주는 UI를 제작하였다.

 

음료수가 나오는 메커니즘은 팀원들과 상의하여 직접 구상하고 제작하였다. 동전 분류에는 기존에 사용하던 메커니즘을 사용하되 인식 부분을 직접 제작하였다.

 

실제로 제작하기에 앞서 구상한 내용을 토대로 3D 모델을 제작해 보았다.

 

다음 그림과 같이 3D 모델을 제작하여 실제 제작하기 전에 시제품에서 일어날 수 있는 오류들을 잡고 전체적인 틀을 기획할 수 있었다.  

 

 

비접촉 음성인식 자판기 3D 모델링

 

비접촉 음성인식 자판기 3D 모델링

 

작품 설명

 

계획했던 대로 제어계에는 아두보이스를 중심으로 이를 도와줄 태블릿이 들어갔다.

라이다 센서를 이용하여 일정 시간 자판기 앞에 물체가 있으면 자판기가 작동된다. 음료 전시대에 불이 들어오고, 태블릿에 이미지가 나타난다. 이 기능으로 불필요한 에너지 낭비를 줄일 수 있다.

작동을 시작한 자판기는 돈을 받을 준비와 음성인식을 준비한다. 이용자가 동전을 투입하면 투입된 동전은 3D 프린터로 뽑은 동전 분류기를 통해 동전 크기에 따라 동전이 나누어지고, 이후 MDF로 적층 하여 만든 길을 따라 동전이 내려가며 적외선 센서에 인식되게 되어 해당하는 가격을 저장된 변수에 추가한다. 전체 금액이 저장된 변수를 태블릿과 블루투스로 연결하여 시리얼 통신을 통해 현재 저장된 전체 금액을 전달해준다. 태블릿을 블루투스를 통해 전달받을 전체 금액을 화면에 표시해 준다.

이용자가 말을 하면 아두이노가 이를 인식하여 선택된 음료와 투입된 금액을 비교한다. 투입된 금액이 충분하여 음료의 가격보다 높으면 아두이노가 서보모터에 명령을 전달하여 서보모터가 구동된다. 서보모터가 180도 회전하여 음료수를 레일에 떨어뜨리고 음료수는 레일을 따라 이동하여 배출된다. 또 사용한 금액만큼 전체 금액에서 차감하여 블루투스 통신을 통해 태블릿에 전송해 준다.

만약 투입된 금액보다 주문하려는 제품의 가격이 더 높으면 돈이 모자라다고 표시하고 음료를 배출하지 않는다.

수행이 완료된 후 일정 시간 동안 앞에 물체가 존재하지 않으면 절전모드로 들어간다.  

 

활용방안

 

최근 확산속도가 빠른 코로나바이러스 오미크론 변이가 발생하여 전 세계적으로 비상이 걸렸고, 국내 코로나바이러스 일일 확진자도 어느덧 7 천명대를 기록하면서 단계적 일상 회복을 방해하고 있다. 어느 때보다 더욱더 코로나 바이러스를 막기 위한 예방책이 더욱 절실할 때다.

 

우리가 제작한 비대면 음성인식 자판기는 자판기 자체와 구매자 간 접촉이 이뤄지지 않는다는 점에서 손의 청결을 유지할 수 있다는 의의를 가진다. 신체 부위 중 ‘손’은 그 특성상 오염에 노출될 확률이 아주 높은데, 국내 질병관리청이 2018, 2019년에 조사한 결과 사람이 이렇게 오염에 취약한 손으로 얼굴이나 눈, 코 등을 무의식적으로 만지는 횟수가 고령층은 시간당 22회, 어린이는 시간당 46회로 드러났다. 손의 청결이 차지하는 중요도가 상당히 높다는 것이다.

 

또한, 비대면 음성인식이라는 키워드는 다른 제품군에도 접목할 수 있다는 의의가 있다. 예시로 보급률이 급격하게 증가하고 있는 “키오스크”를 들 수 있는데, 키오스크 시장은 전 세계적으로 연평균 6% 이상의 성장세를 보여 2027년에는 무려 51조의 시장 규모를 형성할 것으로 예측되고 있다.  

 

키오스크에 관심을 보이는 것은 비단 스타트업만이 아니다. 삼성과 LG도 키오스크 시장에 진출할 것을 공식 발표하였고, LG전자는 AI와 접목하여 제품을 개발한다는 기사가 연이어 쏟아져 나온다. AI와 자연어 처리 기술을 접목하면 비대면 음성인식이라는 목표를 이룰 수 있다는 점에서, LG전자의 이러한 행보는 상당히 주목할 만하다.

 

음성인식을 활용하여 얻을 수 있는 장점은 이뿐만이 아니다. 키오스크는 현재 각광을 받으며 시장에서 급격한 보급률 증가를 나타내고 있지만, 고령층 및 디지털 문명에 익숙지 못한 이들에게는 상당한 장벽으로 다가오고 있다. 음성 인식을 활용하여 말하는 것을 키오스크가 인식하여 작업을 처리할 수 있다면, 디지털 문명에서 소외된 이들에게도 한층 심리적 부담을 낮출 수 있다.

 

우리가 만든 비대면 음성인식 자판기에서 그치지 않고, 비대면 음성인식이란 키워드가 사회 전반적으로 널리 활용되길 기대해본다.  

 

음성인식 + 언택트를 자판기라는 사물에 추가하면 더 매력적인 물건이 되지 않을까?