※ 사진자료 : 21C 프론티어 사업 지능로봇사업단
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오늘날 우리 사회는 삶의 질은 향상되는 반면, 저 출산과 고령화 문제로 장차 노동력 부족과 복지시설 등의 문제가 야기될 것으로 예상되고 있다. 이러한 문제에 대한 대응책의 하나로 주목받고 있는 것이 바로 로봇으로, 이미 가정에서는 지능형 로봇이 청소를 하는 경향이 점차 늘어나고 있다. 또한 최근 기술의 발달이 급속하게 이루어져 정보, 통신기술 및 나노, 바이오 기술 등이 우리 생활을 더욱 편리하게 해 주고 있다. 이러한 환경에서 기존의 로봇의 개념에 새로운 기술 즉, IT, NT, BT 등의 기술을 융합하여 보다 윤택한 생활을 하는데 도움이 되도록 하기 위해 ‘지능형 로봇의 INT 융합기술’에 대해 소개하도록 한다. |
- 목 차 -
Ⅰ. 지능형 로봇의 INT 융합기술
1. HRI(인간, 로봇 상호 관계기술)
가. HRI
나. RFID & USN과 온톨로지
다. 이동 지능형 RT 미들웨어
라. 지능형 로봇과 시스템 LSI
마. WIBRO
2. 지능기술 (학습과 추론)
가. 지능기술
나. 사례(ITS)
1. HRI
다. 이동지능형 RT 미들웨어
사람의 왕래와 장애물이 혼재하고 복잡하게 변화가 많은 환경 하에서 로봇 자신이 환경을 계측하고 환경의 지도를 자동적으로 획득하여 이를 이용하여 장애물이나 사람과의 충돌 없이 확실하게 목적지에 도달 하는 것을 목표로 하여 지능형 로봇을 개발하고 있는 실정이다.
자율이동 로봇은 환경계측이나 자기위치인식, 사람·장애물 탐지, 지도정보 생성, 이동행동계획, 주행제어 등의 기능을 가지고 이러한 자율이동 로봇의 기능을 모듈화 하여 이동 지능형 로봇의 모듈을 다른 개발자도 함께 사용함으로써 개발효율을 높이고 있다.
지금 RT 미들웨어는 로봇의 환경요소를 RTC(Robot Technology Component)라 불리는 단위로 분할하여 네트워크 하에서 자유로이 조합하여 시스템 구축이 될 수 있도록 하기 위한 소프트웨어 플랫폼이다.
제조용 로봇의 경우, 균일한 품질, 그리고 단순 반복 작업의 자동화로 작업의 효율을 높이면 되었으나 서비스용 로봇의 경우는 고객의 다종다양한 요구에 적시(適時)에 대응하여야 하기 때문에 다양한 로봇을 효율성 있게 개발 할 수 있는 로봇 시스템의 소프트웨어 기반이 중요시된다.
자율이동 로봇에 국한하지 않고 로봇 시스템을 구축하기 위해서 시스템 전체의 기동·종료, 시스템의 상항감시, 동기제어 등 로봇 시스템을 제어, 관리하기 위한 기본기능이 필요한 것이다.
이러한 기본기능은 현재 로봇 시스템마다 시스템에 맞게 개발하고 있으나 이러한 것은 로봇 시스템마다 고유화(固有化)할 필요가 없기 때문에 공통기능을 범용화 하여 시스템을 실장(實裝)하여 로봇 개발자에 제공하게 되면 로봇 시스템의 개발효율과 생산성효율을 높일 수 있게 되는 것이다.
이동지능형 RT 미들웨어는 시스템 내의 RTC에 대하여 기본 기능을 활용하기 위한 인터페이스를 제공하게 된다. 또한, 이동지능형 RT 미들웨어는 RTC로 실장하게 되는데 이것은 로봇 개발자를 위해 폭넓게 제공하기 위하여 재이용성을 확보하는데 많은 점을 제공하고 있다.
소프트웨어 구성을 둘로 나누어 보면 ‘시스템계 RTC’ 와 ‘라이브러리’ 실장형식으로 구분된다.
시스템계 RTC란 RTC형태로 이동지능형 RT 미들웨어의 기능을 제공하는 것이고 ‘라이브러리’는 RTC가 아닌 클러스 라이브러리로써 이동지능형 RT 미들웨어의 기능을 제공한다.
동 지능형 RT 미들웨어의 기능은 원칙적으로 시스템계 RTC의 형식으로 제공하고 있다. 그러나 RTC 리프런스를 취득하는 기능이나 RTC 포트를 접속하는 기능을 RTC의 서비스로 제공하는 것은 적절하지 않다. 이와 같이 RTC 형식으로 제공하는 것이 적절하지 않는 기능은 라이브러리 실장 형식으로 제공한다. 이동지능 모듈 범용 프레임워크에서 먼저 생각하는 것은 이동지능 모듈의 분류이다.
먼저 이동지능 시스템에서는 시스템 전체의 흐름을 보고 이를 기초로 하여 RTC의 동작방식의 관점과 기능의 관점으로 나누어 생각한다.
동작방식에 따른 분류를 보면 자율 실행계와 파이프라인계, 그리고 이동지능 라이브러리계로 나누어지고 기능방식으로 분류하면, 센서계, 구동계, 이동지능처리계, 데이터베이스 관리계로 구분된다.
라. 지능형 로봇과 시스템 LSI
1) 시스템 LSI
핸드아이(Hand-eye; 스테레오와 로봇사이)시스템, 휴머노이드, 이동로봇할 것 없이 현실세계의 정보를 실시간으로 취득하고 다자유도(多自由度)의 운동을 실시간으로 제어하는데 공통점이 있다.
가상현실이나 인간·기계 인터페이스에 있어서도 현실세계의 정보를 실시간으로 얻어 가상세계나 현실세계의 정보를 실시간으로 인간에게 제공하는 점, 감각과 컴퓨터 내에 운동을 지적 결합으로 간주할 수 있다.
감각과 운동의 지적 결합을 할 때는 많은 정보를 실시간으로 처리하고 다자유도의 운동을 제어할 필요가 있다. RT에서는 시각, 촉각 등 대량의 신호를 처리함에 따라 얻어진 정보가 중요하게 된다. 이에 따라 신호처리와 운동제어의 기능을 시스템 LSI화함으로써 실시간화를 실현 할 수 있다. 따라서 LSI 기술은 지능형 로봇 개념을 크게 변화 시키는 요소이다.
가) 운동제어 칩
로봇은 통상 복수 이상의 조인트에 의해 결합되어 여러 링크 구조로 이루어지고 있다. 로봇 제어란 결국 조인트 제어에 귀착하게 된다. 여러 링크 기구에서 대표가 되는 기계 시스템에서 표본 주파수 1000Hz 즉, 표본시간 1ms 정도가 안전에 적당한 시간이 된다.
열 링크 기구의 운동이 고속화됨에 따라 동특성의 영향이 나타나는 경과로 링크에 작용하는 관성력, 윈심력 때문에 운동에 오차가 발생하게 된다. 동적 제어란 동특성의 영향을 보상하고 여러 링크기구의 운동을 제어하는 방안을 제시한다.
여러 링크 기구의 동특성을 계산하여 동특성에 기인하는 관성력이나 원심력을 보상하는 방법으로 계산 토크 방식이 제안되어 있다.
링크 기구의 조인트 각도, 각속도, 각가속도, 동특성에 기인하는 힘과 중력 때문에 각 조인트에 작용하는 토크 관계식을 구하여 두고 각 조인트의 각도, 가속도, 각가속도로부터 동특성에 기인하는 힘과 중력에 의한 각 조인트에 발생하는 토크를 계산한다. 이러한 방식은 역동력학(inverse dynamics)라고 한다.
최근 휴머노이드나 페트 로봇 등 운동자유도가 많은 로봇이 주목받고 있다. 로봇의 메커니즘에 있어서 운동하는 부분에 액추에이터를 첨부하는 경우가 많기 때문에 액추에이터와 드라이버, 컨트롤러는 가급적 소형, 경량이라야 한다. VLSI 기술을 이용하여 소형드라이버, 컨트롤러를 개발하고 있으나 액추에이터와 드라이버와 컨트롤러가 한 몸체가 되도록 연구가 필요하다.
나) 비전 칩
시각신호는 2차원의 시계열 신호이며, 정보량은 매우 크기 때문에 화상처리에는 많은 연산이 필요하게 된다. 대표적으로 상관연산 칩, 스테레오 비전 칩, 고속 비전 칩, 변환 칩 등이 있다.
다) 상관연산 칩
대상물을 발견하여 추적하는 것은 로봇에 있어서 아주기본적인 기능에 불과하다. 타깃 트래킹을 실현하는 한 방법은 미리 주어진 참조 화상과 유사도가 높은 영역을 입력 화상 내에서 탐색하는 방법이다. 입력화상 내에서 참조윈도와 같은 사이즈를 갖는 영역을 보조 윈도우라고 부른다.
라) 스테레오 비전
스테레오 비전의 원리는 3각측량이나 3차원 정보를 얻기 위해서는 복수의 화상 간에 대응점을 구할 필요가 있다. 대응점을 구하기 위해서는 한 쪽 하상에 참조 윈도우를 설정하고 이에 대응하는 영역을 상대방의 화상 내에서 탐색한다.
3차원 공간 내의 점과 2대의 카메라 촬영 중심에 의해 정해진 면을 에피포라 면이라 하고 에피포라 면과 화상평면과의 접촉선을 에피포라선이라고 한다.
화상 간의 대응점을 구하기 위해 에피포라선 상의 대응점을 탐색하면 된다. 대응점을 탐색하는데 계산양이 많고 실시간에 실행하는 것은 매우 어렵다. 대응점의 고속으로 정확하게 실행하기 위해 스테레오 비전 VLSI가 제작되고 있다. 이들의 용량개선이 요망된다.
마. WIBRO
와이브로(WiBro)는 Wireless Broadband Internet(무선광대역인터넷)을 줄인 말로 휴대 인터넷, 무선초고속 인터넷, 무선광대역 인터넷 등으로도 부른다. 기존의 무선 인터넷인 시디엠에이(CDMA)와 무선 랜의 장점만을 골라 새로 만들어 낸 서비스이다. 이동하면서도 초고속 인터넷을 이용할 수 있는 무선 휴대 인터넷이다.
현재 서울과 수도권에서 서비스하고 있는데, 시속 100㎞ 이내로 이동하면서 초고속 인터넷을 이용할 수 있다. HSDPA(High Speed Downlink Packet Access; 고속하향 패킷 접속)는 현재 가장 빠른 이동통신기술(WCDMA)에 비해 다운로드 속도가 최대 7배나 빠른 차세대 기술로 이동통신 기술 상 3.5세대에 속하며, 영상통화도 가능하다.
2. 지능기술(추론 및 학습)
가. 지능기술
1) 추론 기능
지능형 로봇은 이미 다양한 환경에 적응하여 스스로 문제를 해결하고, 주어진 업무를 이행하여야 하는 능력이 요구되어졌다.
문제를 미리 예측하고 그에 맞는 방안을 미리 준비한다는 것은 결코 쉬운 일이 아니며 완벽하지도 못하다. 이러한 때 추론과 학습이 요구되어진다.
추론은 과거에 일어났던 행위규칙을 적용하여 현실의 다양한 문제를 해결해 나가는 기능이다. 확률적 사건을 바탕으로 추론 기술을 보유하고 과거에 일어났던 사건을 바탕으로 제일 가까운 결과로 추론 기능을 갖는데 Fuzzy /Bayesian 추정기법이 사용된다.
2) 학습 기능
학습 기능이란 가지고 있는 지식을 증가시키는 기능으로서 외부의 교정을 통하는 방법과 외부의 교정정보가 없어도 스스로 학습하는 기능도 있는데 학습 기능이 로봇에 응용하여 상용화 된 것은 아직 없다.
반복되는 실험에 대하여 외부의 교정을 통해 스스로 학습이 가능한 기능과 외부의 교정정보 없이 스스로 학습하여 분류하는 기능이 있다.
3) 여러 가지 기술
동작기술은 로봇의 팔, 다리 등이 목적지에 도달하기까지 충돌을 피하거나 물건을 잡는 등의 움직이는 경로와 시간 상의경로를 결정하는 기술이며, 조직계획 기술은 물건을 잡아 이동시키거나 물체에 힘을 가해서 변형시키기 위한 동작에 대한 계획을 수립하는 기술이다.
작업계획 기술은 로봇이 주어진 업무를 수행하기 위해 필요한 작업의 절차를 로봇의 행동과 연결하여 계획하는 것이다.
환경에 대한 추론 기술은 스스로 주어진 환경을 이해하는 목적으로 주위물체의 기하학적 관계와 물리적계 등을 추론하는 기술이고, 문제해결 기술은 환경에 적응하여 업무를 수행하는 과정에서 발생할 수 있는 문제를 이해하고 이를 해결하기 위한 행동을 추론하는 기술이다.
또한 자가 학습 기술은 문제해결 능력, 상황을 이해하는 능력, 환경에 대한 지식을 스스로의 경험을 통하여 축적·개발함으로써 점차 기술을 늘려가는 기술이다.
나. ITS(사례)
1) ITS
지능형교통 시스템은 실제로 많은 자동차에서 유익하게 활용되고 있는 통신기반의 편리한 장치이다.
최근에 와서 급격하게 활용되고 있는 내비게이션은 찾고자하는 곳을 미리 입력하여 두면 간단하게 목적지를 찾을 수 있다. WIBRO에 의해서 이동 중 인터넷을 활용할 수 있어 업무처리가 그만큼 시간을 단축되는 시대가 된 것이다.
이러한 것들은 이동을 하는 지능형 로봇에도 적용할 수 있는 매우 흡사한 기능이 것이기 때문에 관심을 가지고 지켜보아야 할 부분이다.
ITS 교통 시스템은 텔레매틱스 사업자가 인공위성에서 얻은 정보를 자사 기지국을 통하여 실제 자동차를 운전하는 사람에게 유익하고 필요한 지도정보, 도로정보, 교통정보, 여러 종류의 콘텐츠를 이용 하여 안전운전과 경로안내를 할 수 있도록 하는 것이다.
지금은 자동차가 IT 분야를 활용하는 범위가 다양하고 활용속도도 빨라 운전자가 많은 공부를 하여 이해하도록 노력하여야 한다.
ITS가 구성하는 시스템 내용을 실제로 5개 부분과 세부적으로 구분하면 전체적으로 14개 항목으로 구성하고 있다.
첫째, ATMS는 실시간 교통제어를 하는 ATC, 돌발교통사고 AIM, 자율교통단속 ATE, 자동요금징수 ETC, 중차량 관리 HVM, 둘째, CVO는 위험물 차량관리 HMM, 화물, 화물차량 관리 FMM, 셋째, ATIS는 교통정보제공 TRIS, 종합여행안내 TIS, 최적경로 안내 RGS, 넷째, APTS는 대중교통관리 PTM, 대중교통정보제공 PTIS, 다섯째 AVHS는 첨단 차량 시스템 AVS, 첨단 도로시스템 AHS로 구성된다.
이들 개별정보 시스템은 그 대상이 시스템 통합에 해당되고, 향후 새로운 소프트웨어가 개발되는 경우 즉시 수용할 수 있도록 계속해서 업데이트 해나간다.
그간의 발전단계를 보면, 2005년까지는 CDMA로 주행 기능에 치중하여 단순경로 안내를 하였으나 2007년은 DMB로 전방안전 시스템에 치중하였으며, 2008년부터는 WIBRO USN 무선랜 등으로 융합화 하여 통신기반 안전 시스템을 운영하고 있다.
ITS에서 제공되고 있는 각종 서비스 내용을 살펴보면, 가장 많이 활용되고 있는 내비게이션을 비롯하여 최종적으로 오락에 이르기까지 필요한 것들을 포함하고 결국 생활에 필요한 정보를 제공함으로써 인간을 보다 즐겁게 해주는 것이다.
제공되는 정보는 내비게이션, 실시간 교통정보, 차량안전 및 보안, 관광 및 레저정보, 생활권의 정보, V-Commerce, 엔터테인먼트 서비스로 구성되어 있다.
자료: 한국과학기술정보연구원 전문연구위원 마규하, 이순요
