자료 : 한국생산기술연구원 백문홍·백승호·박재한 / www.kitech.re.kr
2008년 1월 한국생산기술연구원이 정보과학회지에 정보화시대의 지능형로봇 연구동향에 대한 논문을 발표했다.
현재 로봇환경에서 정보화기술의 연구동향을 살펴보고, 스마트 환경기반에서 서비스 로봇의 연구 실례를 통해 내용을 소개한다. <편집자 주>
1. 서론
지식산업의 출현 및 고령화 사회의 도래로 21세기에는 청소, 경비, 의료, 복지, 가사지원과 같은 다양한 형태의 로봇이 실생활로 도입되고 인간과 생활공간을 공유하면서 인간을 위한 서비스를 제공할 것으로 기대되고 있다.
지금까지 다양한 종류의 고가격 센서, 복잡한 인식 알고리즘 그리고 방대한 데이터베이스를 탑재시켜 로봇을 지능화시키려는 연구가 오랜 기간 동안 수행되어 왔다.
그러나 아직도 인간을 만족시킬 만한 기술수준에는 이르지 못하였고 언제 기술적 완성이 이루어질지 예측하기도 힘든 것이 현실이다.
한편 기존의 연구방식과는 달리 IT 기술의 발전에 따라 RFID 태그 인식기술, 센서 네트워크 기술 및 인터넷 기술을 적극적으로 도입함으로써 로봇의 지능을 향상시키고자 하는 연구로 “스마트 로봇 환경”, “유비쿼터스 로봇기술” 또는 “인텔리전트 공간 기술” 등의 다양한 명명하에 국내외에서 다양한 연구가 시도되고 있다.
본 내용에서는 그러한 새로운 연구에 대한 개념, 국내외 사례, 그리고 적용실례를 통하여 정보화시대에서 지능형로봇의 기술개발 동향을 소개하고자 한다.
2. 로봇환경 정보화기술 연구 동향
2.1 도입 배경
지능형로봇이 인간의 생활환경처럼 복잡하고 다양한 공간을 인식하기 위해 카메라, 초음파, LRF(거리측정센서) 등의 센서를 사용하고 있으나, 센서 기능, 인식기술이 떨어져 로봇고유의 서비스 기능을 발휘하지 못하고 있다.
한편, 산업용 로봇은 물체를 신뢰성 있게 핸들링 할 수 있는데 이는 결정된 위치에 정해진 순서와 시간에 따라 로봇팔이 움직이도록 프로그램되어 있기 때문이다.
즉, 로봇의 작업공간을 미리 잘 정비하여 두었기 때문이다.
지능형로봇에도 그러한 개념을 도입하고자 하는 연구가 활발히 이루어지고 있다.
일본에서는 “로봇공간 구조화기술” 혹은 “로봇공간 정보화기술”로, 국내에서는 “스마트 로봇환경기술” 혹은 “유비쿼터스 로봇기술”이라고 불려지고 있으나 거의 동일한 뜻을 갖고 있다.
본 내용에서는 그런 기술을 대표하여 “스마트 로봇환경기술”이라고 기술한다.
2.2 개념
“스마트 로봇환경기술”이란 인간이 필요로 하는 각종 서비스를 로봇이 보다 지능적이고 신뢰성 있게 수행할 수 있도록 로봇의 작업환경 내에 정보제공을 위한 지식, 다양한 종류의 센서와 제어를 위한 각종 액추에이터를 분산하여 설치하고 이를 네트워크로 연결하여 보다 높은 수준의 서비스를 수행할 수 있도록 구축된 환경을 의미한다.
서비스 로봇의 필수적인 요구기능으로 자기위치 추정(Self-Localization), 지도제작(Map Building), 자율주행(Navigation), 물체 인식(Object Recognition) 및 물체 핸들링(Object Handling) 등이 있는데, 기존 로봇에서는 이러한 기능을 구현하기 위해 고속의 연산과 방대한 메모리 등 고도의 기능을 갖는 컴퓨팅 시스템이 요구된다.
그러나 최근, 센서기술, 무선통신 기술 등의 발달로 기존의 로봇에 모두 탑재되어 있던 환경인식을 위한 센싱 장치를 로봇의 주변 환경에 직접 설치할 수 있게 되었다.
이로 인하여 로봇의 환경인식에 대한 부하를 환경에 분산시킴으로써 로봇의 H/W구성과 S/W기능을 간소화시킬 수 있게 된다.
스마트 로봇환경은 환경을 인식하거나 제어할 수 있는 센서, RFID Reader, 액추에이터, 그리고 통신기능을 포함하고 있는 스마트 디바이스와 이들을 연결하는 센서네트워크로 구성되어 있으며, 스마트 디바이스들은 네트워크로 연결해 관리 및 통제되어 전체 시스템 형태로 운용된다.
스마트 로봇환경의 구성에 요구되는 핵심기술은 환경과 실제 접하는 스마트 디바이스에서의 ‘센서 및 액추에이터 기술’과 환경에 분산되어 설치된 각 디바이스들을 서로 연결할 수 있는 ‘통신기술’, 그리고 서버에서의 다양한 디바이스들을 관리하고 수집된 환경정보를 바탕으로 지능적인 판단을 내릴 수 있는 ‘운용기술’로 구분할 수 있다.
스마트 로봇환경에서는 로봇이 스마트 디바이스들과 통신을 이용하여 상호작용함으로써 환경에 분산되어 있는 스마트 디바이스의 센서에서 제공되는 환경정보를 활용할 수 있으며, 이들에 장착된 액추에이터를 통하여 환경자원을 제어할 수 있다.
예를 들면 로봇이 어떤 목적에 의해 전등을 켜야 할 상황이라면, 기존의 로봇은 스위치가 있는 곳으로 이동하여 전등의 스위치를 카메라로 인식하고 그 위치를 공간상에서 계산하여 로봇에 장착된 팔로 스위치와 접촉하여 작동시키는 작업을 수행해야 한다.
그러나 스마트 로봇환경에서는 전등의 스위치가 스마트 디바이스가 되어 통신으로써 전등을 작동시켜달라는 요청만 하면 된다.
이와 같이 전등을 작동시키는 작업만 본다면 스마트 로봇환경에서 로봇은 스위치를 인식할 카메라와 이를 컴퓨터 비전으로 인식하기 위한 특징점 데이터와 인식 알고리즘, 그리고 조작을 위한 팔이 필요 없게 되며 단지 스위치 디바이스의 네트워크 주소만 알고 있으면 가능하다.
또한 로봇이 특정 물건을 찾고 그것을 조작해야 하는 상황이 발생할 경우, 기존의 로봇은 탑재된 카메라와 고성능의 물체인식 알고리즘 및 하드웨어를 통하여 로봇이 이동하면서 계속적으로 특정 물건을 찾는 작업을 반복해야 한다.
그러나 스마트 로봇환경 하에서 로봇은 환경에 구축된 스마트 장치들에게 특정 물건이 검출되는지 요청하여 물건의 위치정보를 얻을 수도 있고, 또한 로봇 자체에 부착된 RFID Reader를 통해 이동 경로의 전방에 특정 물건이 존재하는지 여부를 알 수 있으며 미리 수신 받은 물건의 시각인식 정보와 획득한 카메라 영상정보를 매칭시킴으로써 신뢰성 있고 빠르게 물건을 찾아 조작할 수 있다.
2.3 국내외 연구동향
1) 와세다 대학 WABOT-HOUSE
와세다 대학은 2001년에 자연적 환경에 로봇과 사람이 공존해서 살아가는 공간을 제공하여 로봇 연구를 도모할 목적으로 WABOT-HOUSE를 건립하였다.
WABOT-HOUSE는 4개의 Building으로 건립되었는데 B1 빌딩은 실증적 실험을 위한 연구공간으로, 1층은 ‘Robot-House’, 2층은 Medical Treatment Robot과 Welfare Robot을 위한 실험실, 3층은 ‘Mechanics and Electronics Area’로 구성되어 있다.
B1 1층 Robot-House는 가정에서 인간과 로봇의 공존하는 방안에 대한 연구를 위해 주방, 식당, 화장실을 설치하였고, 핵심기술로써 로봇이 스스로 환경을 이해할 수 있는 수준의 지능 구현이 어렵기 때문에 로봇을 위해 구조화된 환경 개념을 도입한 “인간과 로봇들을 위한 구조화된 환경구축기술” 그리고 빌딩 내외부에서 끊김없이 위치정보를 제공하는 시스템을 실현하기 위해 외부에는 GPS, 내부에는 Pseudolite와 RFID 태그를 사용하는 “위치인식기술” 등이 연구되고 있다.
2) 일본 산업기술종합연구소 프로젝트
산업기술종합연구소(AIST) 지능시스템 연구부문에서는 인간 생활환경에 무선이나 네트워크를 활용하여 로봇 개개의 요소를 분산시킨 환경 매입형 로봇의 제어 기법의 연구를 수행하고 있다.
모의 환경에는 마루 밑에 부착한 많은 패시브 RFID 태그로부터 위치를 추정하면서 이동하는 이동로봇시스템, 책에 부착된 패시브 RFID 태그에 의해 어느 책이 책장에 들어가 있는지를 검출하는 책장 등이 설치되어 있다.
이와 같이 패시브 RFID 태그나 네트워크 기술을 활용하여 위치인식 및 물체인식 기능을 구조화함으로써 로봇의 기능을 향상시키는 연구가 시도되고 있다.
또한 AIST에서는 인공지능과 영상처리 기술만으로는 인간생활 환경에 놓여진 다양한 종류의 물체를 완전히 인식할 수 없기 때문에 분산형 지식 로봇제어 전략을 제안했는데, 이는 모든 물체에 제조사의 네트워크 어드레스가 담겨있는 RFID 태그가 부착되어 있고 로봇이 관심 물건을 다루는데 필요한 지식정보를 가지고 있는 시스템이다.
이러한 방식을 통해 로봇이 보다 쉽게 물체를 인식할 수 있으며 로봇 프로그램 부하를 줄일 수 있는 연구가 수행되었다.
3) 국내의 경우
전자통신연구원에서는 네트워크 인프라기술에 강점을 가지고 2005년부터 “USN(Ubiquitous Sensor Network) 기반 Ubiquitous Robotic Space” 과제를 통하여 RFID, UWB, ZigBee 등의 네트워크 환경을 적극 이용하는 지능형 서비스로봇을 개발하고 있다.
그러한 연구를 통해 로봇주행기술 및 물체조작 기능의 컴포넌트화 기술, 관련 인터페이스 및 표준화 기술 등의 연구가 진행되고 있다.
그리고 한국생산기술연구원에서는 지식 및 센싱 기능을 환경에 분산시킴으로써 저가의 지능형로봇 개발을 목적으로 “스마트환경기술개발” 연구가 수행되었다.
