지난 「iREX 2007(일본 국제로봇전)」을 통해 일본은 명실상부한 로봇강국임을 증명했다. 제조업용 로봇은 물론이고, 다양하고 획기적인 서비스로봇을 선보였던 일본은 산학연이 하나가 되어 일본 특유의 서비스로봇을 계속해서 선보이고 있었다.
이러한 즈음해서 로아그룹이 ‘일본의 지능형 서비스로봇의 기술 동향’에 대한 보고서를 내놓아 눈길을 끌었는데, 이 내용을 통해 로봇 기술개발 정책과 로봇분야별 기술현황을 살펴보기로 하겠다.
자료 : ROA Group Korea Inc. Consulting Team
「Executive Summary」
지능형 서비스로봇의 기술적 특징
일본은 전 세계 로봇의 40% 이상의 수요와 공급을 담당하고 있고, 그 규모에 걸 맞는 기술수준을 갖춘 로봇강국으로서 미국, 독일 등 로봇기술 선진국과 함께 지능형로봇 기술의 연구를 선도하고 있다.
한편, 일본은 저출산 및 노동인구 감소, 초 고령화 사회진입 등 사회 환경의 급격한 변화에 직면하고 있으며, 이러한 사회적 변화가 로봇산업 및 로봇시장 환경의 변화를 유발하여 일본의 로봇기술 개발정책도 제조업 위주의 산업용 로봇 기술에서 다양한 분야의 지능형 서비스로봇 기술로 그 무게중심이 이동하는 전환기를 맞고 있다.
그런데 지능형 서비스로봇 기술의 개발정책은 근본적으로 산업용 로봇과는 다른 패러다임과 기술적 특성을 요구한다.
즉, 지능형 서비스로봇의 경우 산업용 로봇에 비하여 센서기술과 네트워크 통신기술, 음성 및 영상 인터페이스 기술 등 다양한 분야 및 기술의 융복합화가 필요하고 인간과의 상호작용 특성이 강화됨으로 인한 지능의 고도화를 요구하게 되며, 더 나아가서 변화하는 복수의 적용환경에서의 서비스를 위한 자율 이동능력을 필요로 하기도 한다.
이는 산업용 로봇이 구조화된 고정 환경에서의 생산성 향상을 목표로 도입되는데 비하여 지능형 서비스로봇의 경우 인간의 삶의 질 향상을 최고의 존재 가치로 삼기 때문이기도 하다.
즉, 지능형 서비스로봇 스스로 인간과 공존하는 환경에서 자율동작과 자유로운 상호작용을 할 수 있어야 할 뿐만 아니라, 인간의 일을 대신하거나 인간의 보조자로서 역할을 하기 위하여 다기능화 및 복합화를 추구하는 기술경향을 반영한 것이다.
이러한 패러다임의 변화를 반영하는 지능형 서비스로봇 기술의 융복합화는 <그림 2>와 같이 전통적으로 산업용 로봇의 요소기술로서 전자, 제어, 기계, 재료기술 외에 유무선 통신기술, 음성 및 화상처리 기술, 센서네트워크 기술 등 정보통신 기술의 결합과 시너지로 특징지어 진다.
<그림 3>은 산업용 로봇과는 달리 지능, 상호작용, 이동성 등 지능형 서비스로봇 기술의 특징으로 발현되는 기능특성을 나타낸다.
Part Ⅰ. Introduction
◆기술적 과제
1961년 Unimate社의 로봇이 GM에 도입된 이후 40년 이상의 발전사를 가진 산업용 로봇과 달리 지능형 서비스로봇은 전 세계적으로 시장도입기이다.
일본도 예외는 아니며, 일본의 로봇기술 수준이 앞서 있기는 하지만 지능형 서비스로봇, 네트워크 로봇 등이 본격적으로 도입되는 시기는 2010년 이후가 될 것으로 예상되고 있다.
그러나 이러한 지능형 로봇의 수요에 대한 일본 내 사회적 환경요인, 즉 저출산 및 고령화로 인한 노동인구 감소 등을 감안할 때 현재까지와 같은 단순한 연구개발 수준이 아닌 이용자의 잠재수요에 기초한 요소기술 개발 등 지속적인 연구가 필요하며 또한 실용화를 목적으로 한 실증시험 및 기술의 고도화가 필요하다.
이러한 인식을 바탕으로 하여 일본 경제산업성에서는 가까운 미래에 예상되는 서비스로봇의 사회적 수요에 맞춰 구체적인 기능 및 이를 실현하는데 필요한 요소기술을 도출하여 향후 10~20년 내 기술개발 정책의 기초자료로 삼고 있다.
우선 지능형 서비스로봇의 융·복합적 특징을 감안한 구체적인 기능으로서, 분야별로 다양한 로봇의 실현에 공통적으로 사용될 7대 기능을 다음과 같이 정의하고 있다.
- 이동기능
- 조작기능
- 상황인식 기능
- 전원 및 전원관리 기능
- 환경구조화 및 표준화 기능(기술)
- 안전기능
- 운용기능
또한 이러한 기능을 구현하는데 필요한 기술 분야를 8개 항목으로 분류함으로써 세부 요소기술을 도출할 수 있도록 하고 있다.
- 시스템화 기술
- 환경구조화 기술
- 인식처리기술
- 센싱기술
- 제어기술
- 기구기술
- 액추에이터 기술
- 표준화 기술
전체 요소기술은 연구 및 산업수준, 제품화, 시장 접근성 등의 관점에서 ‘경쟁력 우위기술, 공통기반기술, 브레이크 스루 기술, 시장임팩트 기술, 기반개발필요기술’ 등으로 분류하여 지능형 서비스로봇의 기술개발 로드맵 등에 적용하고 있다.
일본의 지능형 서비스로봇 관련 기술적 과제는 단기적으로는 한국과 마찬가지로 일반 사용자의 높은 기대치에 걸 맞는 로봇 제품화와 초기시장을 견인할 수 있는 돌파형 기술의 개발, 청소 및 경비로봇 등 시장실증 실험 대상 서비스로봇의 고기능화를 위한 기술적 완성도 제고 등이 필요하다.
또한 중장기적으로 예측되는 분야별 로봇의 수요에 대비하여 해당 기능과 성능을 만족시킬 수 있는 요소기술을 도출하고 준비하는 것과 인간과 공존하는 서비스로봇에 대한 안전과 표준화 체제 및 제도를 정비하여 로봇제품 개발단계에서부터 기술적 요소에 반영될 수 있도록 대비하는 것이다.
◆기술개발 정책
일본은 인구감소와 상대적인 노령인구 증가로 인하여 2030년까지 65세 이상의 고령자 인구규모 천만 명에 육박하는 초고령화 사회가 예측되고 있다.
따라서 로봇기술에 의하여 노동력을 대체하고 고령자의 사회활동을 지원할 뿐만 아니라 독거노인의 친구로서 원활한 커뮤니케이션을 지원하는 생활환경의 창출을 강력히 요구하게 되었다.
특히, 일본의 기술혁신 및 사회발전의 장기비전을 제시하는 이노베이션 25 전략회의는 2025년을 목표로 일본이 지향해야 할 미래사회상을 그리고 20개의 기술혁신 예측사례를 들고 있으며, 다수의 사례에서 지능형 서비스로봇의 도입을 예견하고 있다.
이러한 추세를 감안하여 예측할 수 있는 서비스로봇의 수요분야는 청소, 설거지 등 인간의 가사노동을 대체하는 로봇, 운반이나 시설점검 등 인간의 작업을 보조하는 로봇, 인간 사이 또는 인간과 로봇 사이의 대화 및 의사전달을 원활히 해주는 친구로서의 로봇 등이 있다.
따라서 일본은 이러한 수요에 맞춰 인간의 생활영역에서 특정한 임무를 수행할 목적으로 한 지능형 로봇을 위한 로봇기술 개발과제를 도출하여 추진하고 있다.
이와 같은 기술개발의 정책방향은 시스템화 기술(시스템 통합기술)과 요소기술 확립이라는 기존의 접근법 외에 최근에는 실용화 로봇기술 개발과 미션수행 기반 기술개발 과제의 정책방향이 더해진 로봇기술의 연구개발 정책이 추진되고 있다.
▷시스템화 기술 및 요소기술 과제
- 극한 작업 로봇개발(경제산업성)
- 마이크로 머신 프로젝트(경제산업성)
- 인간협조/공존형 로봇시스템 사업(경제산업성)
- 원자력 관련 재해방지 지원로봇 개발(경제산업성)
- 로봇개발을 위한 소프트웨어 기반정비 사업(경제산업성)
- 네트워크 로봇 기술개발(총무성)
▷서비스 중심의 실용화 로봇기술 개발과제
- 차세대 로봇 실용화 프로젝트(경제산업성)
- 인간 지원형 로봇실용화 프로젝트(경제산업성)
- 공통기반 개발 프로젝트(경제산업성)
- 전략 기반기술력 강화 로봇 부품개발 사업(경제산업성)
- 탐사/검지형 재해방지 대책용 로봇 개발(소방청)
- 지능형 컴퓨터/긴급구조로봇 개발(문부과학성)
- 과일/야채류 수확로봇 개발(농림수산성)
- IT 시공 시스템/해저작업 로봇 개발(국토교통성)
위에서 언급했듯이 일본의 기존 로봇기술 개발 정책은 요소기술을 개발하고 이를 통합하는 시스템화 기술개발을 중심으로 진행되었으며, 이를 발전시켜 보여주는 기술에서 실제 현장에 적용될 수 있도록 하는 실용화 로봇기술 개발이 중심 정책으로 진행되어 왔다.
또한 최근에는 로봇기술로서 해결하고자 하는 특정한 임무를 제시하고 이를 해결하기 위한(요소기술의 시너지로서) 미션 기반 로봇시스템을 경쟁적으로 개발하도록 하는 방향으로 추진되고 있다. 이는 다음과 같은 세 가지 논거를 갖는다.
첫째, 서비스로봇은 전자전기, 제어, 컴퓨터, 정보통신, 기계, 재료기술 등 다양하고 너른 스펙트럼의 기술을 융합한 시스템으로서 뛰어난 요소기술을 개발하여 단순히 통합함으로써 우수한 기능이 보장되는 것이 아니라 시스템 통합기술, 환경구조화 기술, 미들웨어 기술 등 로봇의 시스템화 기술이 효과적으로 적용되어야 목적하는 로봇의 기능을 달성할 수 있다.
둘째, 더 나아가서 기술개발의 실용화가 요소기술의 개발과 시스템화 기술의 1회성 결합으로 완성되는 것이 아니라 이론연구, 실증연구, 현장 응용연구 등의 기술개발 단계와 피드백에 의한 기술혁신이 끊임없이 반복되고 진행됨으로써 실용화가 완성된다.
따라서 최종적으로 도달하고자 하는 미션을 염두에 둔 필요기능의 정의와 요소기술 및 시스템화 기술의 개발, 즉 미션기반 기술개발이 필요하다.
셋째, 기술개발의 촉진과 돌파형 기술개발을 가속화하는 최적의 기술개발 프로세스는 동일한 미션을 위한 기술개발 과제에 경쟁원리를 도입하는 것이다.
이러한 미션기반 기술개발 과제의 성공적인 최근 모델로 미국방성이 지원하는 그랜드 챌린지 대회를 들 수 있다.
이는 사막을 횡단하는 자율주행 로봇자동차를 개발하는 프로젝트로서 두 번의 대회를 개최하는 것만으로도 경쟁원리에 의하여 미션을 달성하는 기술수준에 도달할 수 있음을 입증하고 있다.
최근 한국에서도 산업자원부 주도하에 실내용 로봇이 미션을 수행하는 그랜드 챌린지 대회가 조직되어 개최되고 있음은 돌파형 기술개발의 관점에서 시사하는 바가 크다고 하겠다.
따라서 일본의 로봇기술 개발정책을 주도하는 경제산업성이 기술개발 프로세스를 위하여 기술적 문제해결을 가능하게 하는 미션을 제시하고 이를 해결하기 위한 로봇시스템을 경쟁적으로 개발하도록 하는 체제를 도입한 것은 매우 시의 적절하다고 하겠다. 
이러한 취지에서 제시한 7대 핵심미션은 각 로봇분야를 망라하여 다음과 같이 제시된다.
▷제조업용 로봇분야의 미션
- 커넥터 등 유연물 핸들링 및 조립 로봇 생산시스템
- 인간과 협동 작업이 가능한 다품종 소량 셀 생산 로봇시스템
▷개인 서비스로봇 분야의 미션
- 정리 작업용 핸들링 및 조작 로봇시스템
- 독신/고령자를 위한 대화 로봇 시스템
- 인간 지원형 자율 운반 로봇 시스템
▷특수 환경의 전문 서비스로봇의 미션
- 건물 내 재난구조 이동로봇 시스템
- 건설/산업폐기물 처리로봇 시스템
이러한 미션지향형 로봇개발과 함께 공통기반 기술로서 장기적 수요에 대비한 요소기술 연구개발 과제를 다음과 같이 설정하고 있다.
▷요소기술 연구개발 과제
- 로봇시스템 통합연계 기술과제
- 로봇 모듈 고도화 기술과제
◆지능형 서비스로봇의 기술 분석
이 절에서는 지능형 서비스로봇의 필요기능과 이를 실현하는 요소기술을 기준으로 기술현황을 분석해 보기로 한다.
▷로봇의 기능에 따른 기술현황 분석
①이동기능 : 청소로봇, 정보지원, 교육지원, 심부름 등 개인서비스 로봇과 간호로봇, 재활로봇 등 의료복지 전문 서비스로봇은 물론이고, 건설, 농업, 방재로봇 등 필드형 전문 서비스로봇까지 이동능력을 필요로 하는 거의 모든 서비스로봇의 필수 기능이다.
이동기능을 구현하는 요소기술은 시스템통합 기술과 환경인식, 경로계획 미 자율이동제어, 액추에이터 및 구동기술, 다양한 지형에 적용하기 위한 차륜, 2족 및 다족 제어기술 등을 포함한다.
관련 요소기술로서 일본의 우위기술은 고속영상처리 알고리즘을 기반으로 한 비전 및 환경인식 기술, 휴머노이드형 2족 로봇 제어기술, 액추에이터 및 구동부품 기술 등을 들 수 있다.
②조작기능 : 생활지원로봇과 같은 개인서비스로봇 뿐만 아니라 의료복지 로봇과 같은 전문서비스 로봇에 필수적인 기능으로서, 구조화된 환경에서의 단순한 조작뿐만 아니라 비구조화 된실세계의 모든 대상을 다룰 수 있는 로봇 팔과 손을 제작할 수 있는 하드웨어 및 소프트웨어 기술을 필요로 한다.
관련 요소기술로서 로봇 팔과 손의 시스템 통합기술, 촉각/비전 센서 등의 센싱기술, 작업계획을 포함한 제어기술, 기구제작기술, 액추에이터 부품 및 구동기술을 들 수 있고, 일본은 소형 액추에이터 및 센서기술, 로봇 팔의 기구제작 기술 등에서 기술우위를 갖고 있다.
③상황인식 기능 : 로봇의 지능과 더불어 상호작용을 지원하기 위한 필수기능으로서 고급 서비스를 제공하는 개인 및 전문서비스 로봇이 갖추어야 하는 기능이다.
④전원 및 전원관리 기능 : 이동기능을 갖춘 모든 개인서비스 및 전문서비스 로봇의 필수 기능으로서 한정된 에너지원으로 유효한 시간동안 주어진 작업을 완료하기 위해서는 장시간 사용이 가능한 전력원이 필요할 뿐만 아니라 한정된 전력을 효율적으로 관리할 수 있어야 한다.
관련 요소기술은 크게 에너지 관리 제어기술과 에너지 소자부품 기술을 들 수 있다. 일본의 우위기술은 충/방전 및 회생제어 기술, 캐패시터 및 연료전지 부품소자 기술 등이다.
⑤환경 구조화/표준화 기능 : 센서 네트워크와 같은 각종 센서 및 통신수단, 구조설계, 분산지능 개념 등을 활용하여 로봇이 동작하는 작업환경을 지능화함으로써 서비스로봇과 작업환경의 상호 작용성을 높이기 위한 것이 구조화 기능이다.
또한 로봇 및 환경의 각종 인터페이스를 규격화함으로써 하드웨어 미 소프트웨어, 부품소자 등 각종 모듈의 확장성과 호환성, 재활용성을 극대화하는 것이 표준화 기능이다.
관련 요소기술로 로봇 디자인 및 시스템 통합기술, 로봇프로세서 및 미들웨어 기술, RFID 등 유비쿼터스 센서 및 네트워크 기술, 무선통신 인프라 기술, 로봇 컴포넌트 및 플랫폼의 표준화 기술 등이 있다. 일본의 Open-R, HRP 등과 같은 로봇 미들웨어 기술과 RFID 태그기술, 센서융합 등의 요소기술에서 세계적인 경쟁력을 갖고 있으며, 시스템 통합기술도 공통기반기술로서 틀을 다지고 있다.
⑥안전기능 : 서비스로봇은 운용특성상 인간과 공존하는 환경에서 사용되고 인간을 대신하거나 보조하는 역할을 함으로써 사용자인 인간과 접촉이 빈번하다.
따라서 로봇의 안전에 대한 법규를 포함한 제도적 장치가 필요하며, 국가기관-로봇 개발자-사용자로 이어지는 유기적인 안전 체제의 구축과 함께 로봇의 개발 및 운용을 위한 사전 및 사후 안전관리 체계도 필요하다.
이러한 안전기능을 위한 기술요소로 사전 안전관리를 위한 본질 안전설계 기술과 위험원 분류 및 위험도 평가, 사후위험도 회피 기술, 실증시험 등을 통한 안전성 평가 및 안전인증 기술 등이 있다. 또한 로봇의 설계과정에서 안전예측제어 및 접촉안전제어를 위한 컴플라이언스 제어, 계측 중첩제어, Fail Safe 설계기술, 안전성 평가 등을 위한 표준화 기술도 중요한 요소기술이다.
서비스로봇의 안전관련 기술 분야가 매우 중요함에도 불구하고 일본은 물론 전 세계적으로도 로봇 표준화 기술과 함께 가장 취약한 기술 분야의 하나이다.
⑦운용기능 : 기존의 산업용 로봇에 비하여 서비스로봇은 초기 시장단계인 까닭에 다양한 서비스로봇의 운용기능과 관련 기술이 축적이 많지 않은 상태이다.
일본도 예외는 아니며 2000년 이후에 활성화된 엔터테인먼트 로봇과 청소로봇, 교육용 로봇, 정보 서비스로봇 등 개인 서비스로봇과 소수의 의료복지 전문 서비스로봇 등 일부 영역에서 운용기술이 확립되었다 할 수 있다.
운용기능과 밀접한 요소기술로 시스템 통합 및 환경구조화 기술, 전원관리 및 성능평가, 표준화 기술 등을 들 수 있으며, 일부 요소기술을 제외하고는 대부분의 기술이 미개척 분야라 할 수 있다.
▷지능형 서비스로봇의 3대 유형별 기술 분석사례
①보행형 이동로봇 : 휴머노이드 로봇은 일본의 대표적 보행로봇이며, 30여년의 기술개발 역사를 지닌다.
휴머노이드 로봇의 구조는 하부의 두 다리와 상부의 머리와 팔, 손으로 구성되며 상부와 하부를 연결하는 가슴 부위에는 제어컴퓨터와 전원부가 장착된다.
이러한 휴머노이드 로봇의 기술은 디자인 및 패키징을 포함한 시스템통합 기술, 전원 및 전원관리 기술, ZMP 기반 보행기술, 정교한 조작 및 핸들링 기술 등이 뒷받침되어야 한다. 대표적인 휴머노이드 로봇으로 와세다 대학의 로봇, AIST의 HRP2 로봇, 혼다의 아시모로봇, 소니의 큐리오 로봇 등이 있다.
휴머노이드 로봇기술은 아직도 가장 활용도가 낮은 수준에 머물러 있으며, 로봇의 가격 및 운용의 안전성 문제도 해결되어야 할 과제이다. 반면에 장기적으로 휴머노이드 로봇기술이 완성되면 가장 활용도가 높은 기술 중의 하나로 예측되고 있다.
이는 휴머노이드가 지향하는 기술이 미래상이 인간이 매우 손쉽게 구사하는 다양한 형태의 비평탄 지역 이동능력과 정교한 물체조작 능력 등으로써 매우 활용도가 높은 영역의 기술이라 평가되기 때문이다.
②바퀴형 이동로봇 : 이동로봇의 가장 일반적인 형태가 바퀴형 이동로봇이다. 청소 및 경비, 엔터테인먼트, 정보 서비스, 교육용 로봇 등 개인서비스 외에도 다양한 전문서비스 로봇이 바퀴형이다.
보행형에 비하여 상대적으로 빠르고 민첩한 이동성을 보이지만, 작업공간 내에서 자기위치 인식, 지도작성, 장애물 회피 등 자율주행을 위한 요소기술의 개발이 필요하고 더 나아가서 Kidnapping 문제로 주요 해결과제 중 하나이다.
또한 개인 서비스로봇의 경우 특히 상호작용을 위한 요소기술이 중요한데 음성인식과 합성에 의한 대화시스템 기술, 물체인식 및 상황인지 기술 등이 혁신적인 기술개발로 극복해야 하는 주요 돌파형 기술이다.
일본의 대표적 이동로봇으로 화상 및 음성에 의한 인간과의 상호작용이 상대적으로 뛰어난 NEC의 파페로, 미쓰비시 전기의 I-ROBO, 미쓰비시중공업의 와카마루, 히타치의 에뮤, 세콤로봇 X, 종합보장의 가이드로봇 등이 있다.
③동물형 엔터테인먼트 로봇 : 동물형 엔터테인먼트 로봇은 인간과의 상호작용을 통하여 감성을 교류하는데 초점이 맞추어진 로봇이다.
따라서 인간이 좋아하는 강아지, 고양이 등 귀여운 동물의 형태와 행동양식을 모방한 경우가 많다.
소니의 아이보는 상황에 적응하고 학습해가는 능력을 가졌으며, 특히 최근 개발된 지능시스템社의 물개로봇인 파로는 치매환자의 심리치료에 사용될 정도로 기술 및 제품이 완성도가 높다.
대부분의 동물형 엔터테인먼트 로봇의 구현에 핵심이 되는 중요 요소기술은 소형 액추에이터 및 구동기술, 구동장치 및 센서 집적기술, 기구 및 외형 디자인 기술, 패키징 기술, 상호작용 및 감성인지 기술 등을 들 수 있다.
일본의 대표적인 로봇으로 지능시스템의 파로, 소니의 아이보, 세가의 푸치, 미쓰비시의 다마/구마, 반다이 원더보그, BN1, 다카라의 위키비츠, 토미 아이사이비 등을 들 수 있다.
Part Ⅱ : Commentary
향후 전망과 시사점
지능형 서비스로봇은 그 자체로 다양한 기술이 집적되어 시너지효과를 내는 융·복합형 시스템으로서 현재는 비록 초기 시장단계로서 인간을 지원하는 보조적인 수단으로서의 초보적인 역할 단계에 머물러 있지만, 가전제품이나 자동차처럼 기술혁신 단계를 거쳐 다양한 기능의 구현이 가능하게 될 것이며, 급격한 수요확대가 예상된다.
따라서 10~20년 이후의 예측데이터는 앞으로 지능형 서비스로봇이 인간의 활동 영역을 확대시키는 주요 제품으로 자리매김할 것이라 예상하고 있다.
또한 로봇기술과 자동차기술, 정보가전 및 정보통신 기술, 바이오 의료기술 등과의 융합이 활발히 추진됨에 따라 로봇기술의 적용영역도 확대되고 있다.
즉, 로봇의 자율주행기술과 차량의 자율항법 기술의 융합, 청소로봇 등 가정용 로봇의 가전제품기술 응용, 지능형 빌딩과 로봇기술을 융합한 경비로봇의 빌딩 통합제어 서비스, 비행체의 무인비행 로봇화, 의료수술용 마이크로 로봇 등 다양한 확장영역을 찾아볼 수 있다.
이러한 지능형 서비스로봇의 기술이 한 단계 도약하기 위해서는 기술혁신이 필요하며, 이러한 기술혁신은 요소기술의 개발과 시스템화 기술로의 통합, 현장실증 시험 및 검증결과의 피드백, 미션기반 프로젝트를 활용한 돌파형 기술개발 추진 등 구체적이고 실증적 기술개발 노력이 필요하다는 것을 일본의 기술개발 정책과 추진사례를 통하여 확인할 수 있다.
