로봇기술 매거진 월간 로봇뉴스 - 로봇기술

뇌 연구는 미래 산업의 새로운 패러다임을 제시할 수 있는 가장 유력한 분야이기에 21세기 첨단과학의 최전선이자 최후의 과학으로, 미국, 일본 등 주요 선진국에서는 정부주도에 의한 뇌 연구 추진을 위해 연구개발 사업에 막대한 예산을 투자하고 있을 뿐만 아니라 국가 차원에서 연구소를 설립, 체계적으로 지원하고 있다. 이 뇌 과학은 인간형 지능로봇으로 이용될 수 있어 시너지 효과를 극대화할 수 있어 로봇연구자들에게도 관심의 대상이 되고 있다.

 
지능로봇의 일환으로서 인간형 로봇

□ 인간형 로봇의 개요

인간형 로봇이란 대상물을 인식하고 움직일 수 있는 기능을 가지면서 프로그램 된 작업을 수행하는 자동기계이며, 또한 전기적 또한 자기적인 작용을 이용하여 인간의 동작과 닮은 운동을 수행하는 기계장치를 의미한다.
인간형 로봇의 새로운 응용으로서는 게임이나 엔터테인먼트 등 생활을 즐기는 것과 물리적인 동작이나 이동을 수반한 생활지원 서비스로 대분류된다. 후자에 대해서는 21세기에 있어서 저 출산 고령화 사회에의 대응과 풍부하고 내실이 있는 충실한 사회를 구축하기 위해 일상생활로부터 사회 산업 활동까지 폭넓게 지지하는 지능형 로봇에의 기대가 높아지고 있다.

 인간형 로봇의 구성요소 중 △구동부에서는 유압, 모터를 통한 신체 각 부위의 구동, 음성출력 등을 수행하며, △센서부에서는 시각, 청각, 후각, 장애물 식별, 열감지 등을 수행한다. △제어부에서는 연산, 메모리, 네트워크, 영상 및 신호처리, 통신 등을 수행하며, △전원부에서는 파워의 저장, 변환, 공급 등을 수행하고, △프로그램/알고리즘에서는 각종 프로그램을 수행한다.
머지않은 장래(약 10년 후)에 상용화가 예상되는 인간형 로봇의 경우 기술발전에 대한 상징성이 매우 커서 현재 사람들이 생활하고 있는 생활공간(문턱, 층계 및 경사면과 같은 복잡한 환경)에 직접 투입하여 활용할 수 있으며, 인간과 유사한 외형을 갖추고 있어 인간친화적인 서비스를 제공할 수 있다는 측면에서 개발을 위한 노력이 전 세계적으로 지속되고 있다.

□ 인간형 로봇 기술의 특징

 인간형 로봇은 외부환경을 스스로 탐지하고, 이를 바탕으로 판단하는 지능에 의해 인간과 상호작용하여 서비스 제공에 필요한 작업을 수행하는 로봇이다. 인간형 로봇 기술은 IT 기술과 메카트로닉스 기술이 융합된 디지털 퓨전(Digital Fusion)의 결정체로서 기계, 전기, 전자 등의 전통기술과 신소재, 반도체, 인공지능, IT·BT·NT 등 첨단기술의 적용과 융합이 요구된다.

- 센서감각 로봇 vs. 완전 자율 로봇
인간형 로봇은 동작의 자율성에 따라 센서에 의해 시각 및 청각 등을 갖춘 로봇과 외부정보가 없어도 자율적으로 환경을 인식하여 행동하는 완전 자율형 로봇으로 나눌 수 있다. 오늘날의 인간형 로봇은 대부분의 경우 명령이나 프로그램에 의해 동작하며, 만약 공간 속을 이동하는 로봇에게 인간이 지시나 명령을 전달하려면 통신을 이용해야 한다.
인간형 로봇은 생활공간 속에서 안전하고, 정확하게 동작되어야 하기 때문에 로봇이 이용하는 정보통신 네트워크에는 매우 고도의 네트워크 기술이 작용되어야 한다. 그리고 정보통신 네트워크를 활용하면 센서나 가동부분을 분산 배치하여 그것들을 조작자의 지시로 동작시키는 센서 네트워크나 인간 자신을 로봇과 같이 정보통신 네트워크와 일체화 시키는 웨어러블(Wearable) 컴퓨터 시스템 등이 구상될 수 있다.

인간형 로봇에서는 기술발전이 중심이 로봇 제어기술이나 센서 기술, 인공지능이나 가상현실기술의 고도화와 함께 정보통신 네트워크 기술과의 결합에 의해 새로운 기술전개 가능성이 확대되고 있다.
인간형 로봇 기술은 지능화와 시스템화 기술로서 다른 분야에 미치는 기술적 파급 효과가 크고, 신기술 분야의 산업화를 촉진하는 기술이다. 앞으로 IT·BT·NT 등 신기술 분야의 기술 융합에 따라 새로운 상품과 산업의 등장이 예상되며, 이 로봇 기술은 이러한 신기술 분야의 산업화를 촉진하는 기술로 활용될 것이다.

- 기술개발형의 새로운 산업 창출효과 기대
인간형 로봇은 21세기 복지사회 서비스 수요를 해결할 새로운 대안으로 부각되고 있으며, 21세기 주거환경 변화와 고령화 사회에 대응하기 위해 인간형 로봇을 바탕으로 복지기술혁신이 전개되고 있다.
인간형 로봇은 정보화 혁신에 따른 시간적인 여유와 풍요로운 사회생활과 더불어 부작용으로 나타날 인간의 고립화에 대해 친밀감을 제공하고 감성을 소유한 인간형 로봇의 출현을 촉진하는 등 삶의 질 향상에 따른 새로운 산업을 창출할 것으로 전망된다.

인간형 로봇 산업은 지속적인 고성장 산업, 높은 부가가치를 창출하는 산업이라는 특징을 가지고 있으며, 기계와 전자기술이 유기적으로 연관을 맺는 시스템 산업이다. 여러 분야의 기술, 즉 제어, 통신, 반도체, 음성·영상, 센서, 메커니즘, 액추에이터, 인공지능 시스템 통합 등 여러 분야의 복합기술이 필요할 뿐만 아니라 여러 분야의 복합적인 기술을 로봇을 위한 기술로 전화시키는 노력도 필요하고, 이를 체계적으로 조합하는 기술력도 중요하다.
인간형 로봇 산업은 미래 산업으로 공급자 측에서 하드웨어 중심의 연구와 이용자 측에서 소프트웨어 중심의 연구가 공동으로 요구되는 기술 개발형 산업이다. 즉, 로봇 생산을 위해서는 부품·소재산업 등의 기반 환경기술이 필요하고, 제품화를 위한 가전산업, IT 산업 등의 응용·생산기술도 필요하다.

인간형 로봇 기술은 융합형 기술혁신을 추구하는 기술로서 인공지능, 뇌 공학, 신소재, 생체공학, 정보기술, MEMS 등 첨단기술과 기계, 전기, 전자, 제어, 컴퓨터 등 전통기술이 융합되면서 창출된 기술이다.
인간형 로봇 기술은 국가전략의 핵심적 역할을 하는 기술로서 가령 고령화에 따른 노인드르이 사회복지문제와 노동인구감소에 따른 생산성의 문제가 사회문제로 대두될 대 이에 대응하는 기술로서 중요성이 강조된다.

- 인간형 로봇의 응용분야
인간형 로봇의 특징으로부터 적합한 응용분야는 다음의 3가지 카테고리로 분류된다. ▲ 인간을 위해 만들어진 기계가 그대로 사용된다. ▲ 인간을 위해 만들어진 환경이 그대로 사용된다. ▲ 인간의 형상을 하고 있는 것에 의미가 있다.

첫째, 기계의 예로서 인간의 의해 운전되는 기계, 인간이 사용하는 공구들을 들 수 있다. NASA가 개발 중에 있는 우주선 외 작업용의 인간형 로봇 ROBONAUT도 지금까지 개발해 온 다수의 선외 작업용 공구를 그대로 사용하는 것을 목적으로 하여 로봇의 형상을 인간에 맞추고 있다.

둘째, 환경의 예로서는 복도의 폭, 계단의 높이, 문의 크기 등이 환경이 모두 인간의 크기, 형상, 동작에 맞추어 만들어진다. 모든 환경은 배리어 프리(Barrier Free)하기 위해서 환경 인프라 쪽에 커다란 투자가 필요하지만 로봇을 인간에 맞추면 환경에의 재투자는 불필요하게 된다.

셋째, 인간의 형상에도 몇 가지 의미가 있다. 먼저 인간과 같이 움직이는 로봇은 보는 것만으로도 즐겁다. 즉, 인간과 로봇이 밀접하게 공간을 공유하고 있을 경우 로봇이 인간의 형상을 하고 있어 인간과 같이 손을 흔들면 움직임이 예측 가능하므로 안전성이 높아진다.

□ 인간-로봇 상호작용기술

 인간-로봇 상호작용기술이란 인간 동작신호와 로봇 시스템 사이에 환경정보/유도정보, 등을 손쉽게 전달할 수 있는 햅틱(Haptic)기술과 인간이 유도하는 대로 움직일 수 있는 컴플라이언스기능, 인간의 성능(힘, 정밀도, 속도 등)을 확대할 수 있는 기능, 인간의 운동을 인식할 수 있는 웨어러블 햅틱 디바이스(Wearable Haptic Device) 개발 등이 인간-로봇 상호작용기술의 주요 목표이다.

<표 1> 인간형로봇과 핵심기술과의 관련성

주) 핵심기술과의 관련정도(○ 높음, △ 중간,  □ 낮음) 자료: (주)조이메카 이정철대표이사. 2003.7

바이스로 데스크탑 마스터 암(Desktop Master Arm)은 책상 위에 고정 설치되어 있어 떨어져 있는 로봇을 직접 제어하는 마스터 암은 양방향성의 위치/힘을 제어할 수 있고, 가상현실(VR; Virtual Reality) 등의 도움을 받으면 더 현실감이 높아질 것이다.
컴퓨터가 모처와 기계를 구동하여 힘과 촉감을 느끼게 하는 햅틱스 기술이 새로운 정보기술혁신을 예고하고 있는데, 여기서 햅틱스란 ‘만진다’는 뜻으로 인공촉감기술을 의미한다. 인간은 시작이나 청각보다 촉감에 훨씬 빠르게 반응한다.

현재 컴퓨터의 출력장치는 모니터와 스피커뿐이지만 앞으로는 인공촉감을 출력하는 햅틱 디바이스가 거의 모든 컴퓨터에 달릴 전망이다. 또한, 햅틱스 기술은 정밀한 수술, 로봇원격제어, 엔터테인먼트, 연구개발 분야에도 사용되기 시작하고 있다.
인간-기계 상호작용의 일환으로서 인간-로봇 상호작용(Human-Robot Interaction)이 수행되고 있다. 현재의 로봇기술은 인간과 같은 행동능력을 로봇에게 부여할 수 없으므로 인간이 작업을 하듯이 환경을 인식하고 판단하며, 실행하는 일련의 작업을 로봇 스스로가 모두 실행할 수 없다. 그러므로 인간이 내재된 로봇 작업, 즉 인간-로봇 상호작용이 수행되고 있는 것이다.

인간-로봇 상호작용은 로봇 시스템 설계에 있어서 인간의 측면을 고려하는 것으로 여기서 강조되어야 할 것은 작업 성능에 대한 인간과 로봇에 관련된 변수들을 중심으로 한 시스템 설계에 있다. 따라서 로봇의 활약에 기대하려는 분야가 증대됨에 따라 이를 다루는 인간과는 상관관계가 중요한 문제로 대두되게 되었다.
특히 로봇에 대한 티칭방식, 인간과 로봇의 역할분담에 의한 협조 작업, 음성인식기술과 자연언어 시스템을 통한 인간과 로봇과의 대화기능, 지식이용과 문제해결 시스템 구축에 의한 로봇의 지능화, 인간에 대한 안전성 등은 앞으로 계속 추진해야 할 인간-로봇 상호작용 기술 중에서 중요한 과제들이다.

다시 말해서 로봇의 활동영역이 산업현장에서 우리의 안방으로까지 확대되면서 로봇과 인간의 상호작용은 필연적인 요소가 되었고, 로봇의 시작, 청각(음성), 인지, 감정, 제스처 등 로봇의 각종 지능을 향상시키는 일은 인간과의 상호작용을 위한 로봇 연구의 핵심과제가 되었다. 인간과 로봇의 상호작용은 기계, 전자, 컴퓨터, 통신, 의학, 인지 및 정서심리학 분야의 학제 간 통합연구로 이루어진다.
로봇이 인간의 감정까지 파악하여 상호작용을 하기 위해서는 시각(영상), 청각(음성), 후각(냄새), 촉각(촉감) 등 다양한 정보를 습득해 활용하는 기술, 즉 사용자 테스크 로봇 모달에 기반을 둔 인간 로봇 상호작용기술인 ‘멀티 모달 매개 인터페이스’ 시스템이 필수적이다.

인간형 로봇을 위한 융·복합 기술개발 동향
 
□ 휴먼 에러에 대한 올바른 인식

인간-로봇 시스템 중에서 로봇이 인간의 부적절한 행동에 대응하기 위해서는 인간의 동작을 검지하기 위한 패턴 인식과 휴먼 에러를 예측하는 능력 등이 로봇에게 필요하게 된다. 여기서 휴먼 에러란 휴먼 팩터 공학 중에서 인간이 가지는 한계와 시스템 등이 설계와를 비교하여 안전을 실현할 때에 이용되는 개념이다.
다시 말해서 휴먼 에러란 시스템에 의해 정의된 허용한계를 넘는 인간행동의 집합이며, 시스템이란 다수의 구성요소가 유기적인 질서를 유지하고 동일 목적을 향해 기능하는 것이라고 말할 수 있다. 휴먼 에러는 인간의 의식적인 사고의 결과로 의도하는 형성을 잘 못하는 인지과정의 에로와 형성된 의도는 올바르나 거동이 부적절하게 되는 운동 에러로 나뉜다.

<표 2> 인간형로봇분야의 요소기술별 국가 경쟁력 비교

*자료 : 전자부품연구원, 가정용 서비스로봇 2004.12

주) 경쟁력 관련정도 (○ 경쟁력있음, △ 평균레벨, X 경쟁력없음)

인간-로봇 시스템에 있어서 휴먼 팩터와 안전을 위해서는 인간의 운동 에러에 관련된 휴먼 팩터를 취급해야 한다. 휴먼 에러에 대해서는 인지심리학의 영역에서도 연구되고 있는데, 인지심리학에서는 인간의 과오를 그 발생 메커니즘에 따라 두 가지로 분류하고 있다. 그 하나는 동작의 실행단계에서의 실패로 ‘액션 슬립’ 혹은 ‘슬립’이라는 것이며, 다른 하나는 동작을 하기 전의 인식이나 판단단계, 그리고 동작의 계획단계에서의 실패로 ‘미스테이크’라고 부른다.

우리들이 일상동작은 패턴화되어 있어 어떤 계기가 부여되면 반자동적으로 실행되어진다는 것을 이해해 둘 필요가 있다. 이 반자동화된 동작패턴을 ‘액션 스키마’라고 하며, 그 프로세스를 늘 무의식적으로 모니터하고 있는 것이 주의이다. 그리고 이 주의의 작용이 잘 되지 않았을 때 에러가 일어나는 것이다.
휴먼 에러에 대한 이해는 안전을 생각할 때 중요하며, 인간은 과오를 범할 수 있다는 것을 전제로 에러가 일어나는 구조를 이해할 필요가 있다.

□ 인간형 로봇의 요소기술

로봇 기술의 진전과 용도에 따라 핵심기술 및 요소기술의 요구정도가 달라진다.
인간형 로봇 요소기술의 인지기술 중에서 청각(음성인식), 그리고 시각, 자립기술 등은 IT 기술 등 관련 산업기술을 접목하여 응용함이 바람직하며, 설계제작기술 중에서 요소부품기술은 당분간 투자대비 국제우위를 유지하기 곤란하다고 판단되므로 시장조건에 따라 적절히 대응하는 것이 필요하다.
인간형 로봇 분야의 요소기술에 대한 국가 경쟁력을 비교하면 우리나라는 이동기술(휠), 네트워크 기술, 멀티미디어 기술, 소프트웨어기술 등 IT 기반기술에서는 국가 경쟁력이 있으며, 이는 인간형 로봇의 요소기술에 대해 국가 경쟁력을 가지고 있음을 알 수 있다.

기술개발적 측면에서 볼 때 현대 국내 기술은 기초기술면에서 세계적인 IT 기반기술을 확보하였고, 1980년대부터 축적된 로봇 설계기술에 강점을 보이고 있다. 그러나 기초기술의 원천기술 보유가 미약하고 기초기술에 관련된 연구개발 (R&D)투자가 선진국에 비해 크게 미약하다. 아울러 신공법 창출능력이나 가정용 응용기술이 미약하고, 센서, 감속기, 모터, 진공용 부품 등 인간형 로봇의 정밀부품의 해외의존도가 높다는 단점을 가지고 있다.
현재 인간형 로봇 기술의 연구개발이 아직 중소기업 중심으로 이루어져 정책적인 지원이 미흡하여, 국내 이공계 기피현상에 의해 이공계 출신의 실적, 양적 저하로 인한 전문 인력의 부족현상도 국내 기술에서의 약점이 될 수 있다.

자료 : 교육과학기술부, 한국과학기술정보연구원