로보트 공학의 기본 개념

로보트공학 : 나카노에이지 저, 박민용 역, 대영사, 1990, Page 17~24

1. 로보트에 필요한 기능개요

2. 로보트 공학의 위치

  (1) 센서공학

  (2) 인공 지능

  (3) 의수, 의족등의 의지공학

  (4) 산업용 로보트 기술

  (5) 사이버네틱스 또는 생물공학

3. 로보트에 의한 간단한 작업과 필요기능

제 2 장에서는 로보트 공학의 기본적인 개념에 관하여 논한다. 로보트의 모델은 어디까지든지 인간이나 다른 포유류, 곤충등의 동물이며 이들의 기능을 공학기술적으로 실현함으로서 무엇인가 유용한 작업을 행하게 하는 것이 로보트 공학이 목적하는 바이다. 따라서 여기서는 로보트라는 말로 나타내는 기술개념을 가지는 기계에 있어서 필요한 기능이 무엇인가를 알아보기 위해 가장 복잡한 동물인 인간의 몸과 동작을 관찰하고 그것과 비교 하고자 한다. 그리고 현재 로보트 공학이라고 하는 학문영역이 컴퓨터 사이언스나 사이버네틱스 등의 다른 학문영역과 어떠한 관계가 있는가, 또 산업용 로보트와 지능 로보트의 차이 등에 대해서도 알아보고자 한다.

 

1. 로보트에 필요한 기능개요

전장에서 논한 바와 같이 로보트란 감각이나 지능을 가지고 작업이 가능하며 인간이나 동물에 닮은 외견과 기능을 가진 기계라고 정의되었다. 즉 로보트란 어떠한 작업을 하는 기계로서 이에 필요한 감각기능이나 지능은 어디까지든지 로보트를 도와주기 위한 것이다. 로보트 공학의 궁극적인 목표는 인간과 닮은 인공기계를 만드는 것이라 하더라도 인간이나 동물이 가지고 있는 가장 기본적이며 중요한 기능인 생식기능이 있거나 이에 따르는 연애감정, 섬세한 애정, 더우기 의욕이나 향상심, 증오등 고급동물 특유의 감정등은 목표로 하고 있지 않다. 다라서 당면한 로보트 공학의 연구목표로서는 사람이나 동물이 가지는 생물적인 기능으로 또한 작업을 하기 위해 필요한 기능을 개발하는 것이다.

그림 1  로보트 공학에서 목표로 하는 인간의 기능

그림 1 은 임의의 작업에 필요하다고 생각되는 인간의 몸의 각종 기능과 그것을 연구하는 학문영역 이름을 든 것이다.

전술한 정의에 있는 「감각」기능으로서는 눈에 상당하는 시각기능, 귀에 상당하는 음성인식기능, 코에 상당하는 냄새 판별기능, 손이나 피부 표면에 있는 촉, 압각기능, 팔이나 다리기능에 있는 힘 감각기능이 있다. 또, 정의에 있는 「지능」이란, 주로 인간의 두뇌에 의해 판별하거나 학습하거나하는 고급능력을 의미하지만, 시각능력이나 음성인식기능, 더우기 손을 움직이는 기능에 대해서도 꽤 고급 연산처리가 필요하게 되기 때문에 이들 정보처리, 제어에 대해서도 인공지능과 같은 방법을 쓰게 된다.

다음으로 역시 정의되어 있는 로보트의 「작업기능」이란 주로 작업하는 주체인 팔이나 손기능을 의미하지만 작업을 달성하기 위한 극히 중요한 기능인 보행기능이나 이동기능도 작업기능으로 불리우는 경우가 있다. 게다가 실제 인간의 몸에서는 작업하는 주체인 팔에 붙어있는 어깨나 상반신의 미묘한 움직임이 팔에 의한 작업을 크게 도와주는 것으로 생각된다. 그러나 현재의 로보트 기술에서는 오로지 팔이나 손의 제어 눈이나 귀에 의한 인식기능 등만이 연구되고 있고 아직 상체나 어깨의 움직임을 연구하고 있지는 않다.

본서에서는 이상과 같은 여러가지 기능중에서, ① 로보트의 손과 팔에 의한 작업기능, ② 이동기능, ③ 눈이나 귀, 촉각등의 감각기능, ④ 인공지능등에 관하여 그 기술을 개관한다.

2. 로보트 공학의 위치

「로보트 공학」이라 말에 상당하는 영어는, 「robotics 또는 robot engineering」이다. 그외 이들말에 가까운 것으로, 사이버네틱스 (cybernetics), 바이오메카니즘 (biomechanism), 바이오메카닉스 (biomechanics), 인공지능 (artificial intelligence) 등이 있다.

또, 로보트에 가까운 말로서 사이버그 (cyborg) 나 사이버트 (cybot) 라는 말이 있다. 더우기 SF 적이거나, 만화적이지만, 메카로보트 (mecharobot), 메카자오르스 (mechasaurs), 바이오닉맨 (bionicman) 등과 같은 말도 사용되고 있다. 이와 같은 말들은 어느것이나 생물적기계 또는 생물의 기능과 기계적 기능을 결합한 것등을 개념으로 가지고 있다.

따라서 로보트 공학이란, 인간 (동물을 포함함) 이 가지는 감각과 닮은 기능을 갖도록 하는 센서공학, 인간의 지능에 가까운 능력을 갖도록하기 위한 인공지능이나 컴퓨터 사이언스, 의수, 의족등의 의지공학, 더우기 인간의 작업주체인 팔과 손을 기계로 바꾸기 위해 발전해 온 산업용 로보트 기술등의 기술로부터 성립된 기술분야라고 말할 수 있을 것이다. 그리고 역시 기본 능력인 이동기능을 얻기위하여 차륜을 이용한 이동방법은 물론, 보행기계나, 뱀이나 전복의 이동기능을 모델로 한 것 같은 무족 이동기술이 연구되고 있으며 이들은 종래의 학문에 없는 로보트 특유의 새로운 연구 영역으로 되어 있다. (그림 2)

그림 2  로보트 공학의 연구영역 (의지->義肢)

(1) 센서공학

센서공학은 극히 광범위한 영역에 걸쳐 있지만 로보트 공학에 적용되는 센서로서는 시각에 상당하는 패턴인식기술, 삼차원 위치를 계측하는 삼차원 위치계측기술, 일반적인 외부정황을 시각적으로 인식하는 정경분석 (씬 어낼리시스), 음성을 인식하기 위한 자연언어 이해, 손끝의 감각으로서 촉감, 압각, 힘을 감지하기 위한 역각 (또는 역감속) 등이 있다.

(2) 인공 지능

인공지능을 위한 기술로서는 추론, 문제해결, 학습 등이 있고, 이제까지는 컴퓨터 사이언스 분야에 속하여 연구되어 왔다. 그러나 센서공학에서 말한 패턴 인식기술등도 인간을 비롯하여 고급 동물에서는 거의 뇌에 의존하고 있기 때문에 이것을 인공지능과 동일시하여 생각하는 사람이 많다. 또 복잡한 팔의 고도제어에도 많은 연산과 정보처리, 높은 판단기능이 필요하기 때문에 이것도 인공지능의 한부분으로 다루는 사람도 있다.

(3) 의수, 의족등의 의지공학

의수나 의족은 로보트공학과는 별도로 독자적으로 발달해왔지만, 어깨나 팔이 없는 사람을 대상으로한 전완의수와 같은 복잡한 기능을 가진 의수의 경우, 그 제어 기술은 지능 로보트의 팔 제어와 크게 다른점이 없다. 그뿐 아니라 의수에서는 경량화 및 소형화가 로보트에서보다도 더욱 필요한 조건이기 때문에, 액츄에이터의 소형화나 조작의 용이함등, 금후 고도의 로보트 기술에서 매우 중요한 요인이 되고 있다. 따라서 의지공학이 로보트 공학에 주는 영향은 금후 점점 크게 되리라고 예상된다.

(4) 산업용 로보트 기술

로보트의 각종기능중에서 가장 일찍부터 실용화된 것은 인간의 팔과 손끝에 상당하는 부분을 기계화한 산업용 로보트이다. 현재 산업용 로보트의 지능화는 많은 메이커에서 가장 큰 관심사로 되어있다. 산업용 로보트에서는 그 실용성이 제일 중요하기 때문에 때로는 로보트 본래의 기능과 너무 동떨어진 것이 될지도 모르지만 전체로서는 금후 (지능산업용 로보트) 에 사용되는 기술이 로보트 공학에 주는 영향은 그 실용성 문제로 아주 중요하게 될 것이다.

(5) 사이버네틱스 또는 생물공학

로보트가 최종 목표인 인간이나 동물에 가까운 기능을 달성하기 위해서는 인간을 포함한 동물의 기구나 기능을 살려서 그대로 연구할 필요가 있다. 그러한 의미에서 생물학자나 생리학자, 의학자등과 협력하여 인체나 동물의 몸의 기구나 기능을 로보트 공학의 견지에서 연구해 나갈 필요가 점점 증대되어 갈 것이다.

3. 로보트에 의한 간단한 작업과 필요기능

    - 인간 동작과 비교하여 -

그림 3 을 보자. 테이블 위에는 컵이나 책, 연필꽂이, 노트, 테이프 레코더 등이 놓여있다. 이제 책상 앞에 앉은 인간이 목이 마르기 때문에 컵 안의 물을 마시고 싶다는 욕망이 생겼을 때 그 욕망을 만족시키기 위해 취하는 동작을 알아보자. 이와 같은 동작은 인간의 경우 어린아이라도 간단히 할 수 있다. 또 원숭이는 물론이며 만약에 충분한 크기의 손이 있다면 개나 고양이 정도의 기능을 가진 동물조차도 가능할지도 모른다.

그림 3  테이블상의 컵에 있는 물을 마시는 동작

우선, 인간의 경우 ①, ② 컵을 본다, ③ 손을 컵에 접근시킨다, ④ 컵을 잡는다, ⑤ 컵을 들어 올려서 입으로 가져온다, ⑥ 컵을 입에 댄다, ⑦ 컵 안의 물을 입으로 넣는다, ⑧ 입으로부터 컵을 떼서 책상 위에 운반한다, ⑨ 컵을 책상위에 놓는다라고 하는 일련의 동작에 의해 그 행동을 종료한다. 이와 같은 간단한 동작을 로보트에 시킨다면 현재의 로보트 기술로는 아주 어려운 문제이다. 물론 그 동작만을 실현하는 것에 집중해서, 어느 특정 하드웨어를 만든다면 현재의 기술로도 어느정도 실현가능할 수 있을 것이다. 그러나 로보트의 특징인 범용성을 갖는 로보트의 하드웨어로 동작을 부드럽게 실행하기 위해서는 매우 곤란한 문제가 따른다. 이하에서는 이 동작을 로보트로 행할 때 필요한 요소기술을 고찰하여 볼 것이다. 여기서 ① ~ ⑨ 번의 번호는 상기 위에서 말한 인간의 동작의 그것과 대응하는 것이다.

① 시각장치로 컵을 찾는다.
이 경우 패턴인식 기술이 필요하게 된다. 만약에 책상 위에 컵밖에 없고 책상과의 명암차가 확실한 경우에는 이 작업은 아주 간단하다. 그러나 이 그림의 예에서와 같이 책상 위에 다른 여러 물건이 놓여있을 경우 컵과 다른 것을 구별하지 않으면 안된다. 특히 컵과 연필꽂이는 꽤 형상이 닮았기 때문에 이들 특징을 조사하여 양쪽을 구별한 후, 컵 쪽을 선택하지 않으면 안된다. 이와 같이 여러가지가 있는 중에서 컵이라고 지정하고 컵을 찾아내는 작업은 실제의 로보트를 사용한 산업 현장에서도 pin picking 이라고 불리우는 기술에 속하며 hand eye 시스템의 중요한 목표로 되어 있을 정도이다. 즉 범용적이며 여러 종류의 물건을 선별할 수 있는 지능적인 눈을 가지는 것은 매우 어려운 일이다. 또 그러한 경우 컵 안에 물이 들어 있는가 아닌가도 판정하지 않으면 안된다.

② 컵의 삼차원적 위치를 계측한다.
이것에는 삼차원 계측기술이 필요하다. 그 삼차원 위치 계측방법에 관해서는 몇몇 방법이 제안되어 있지만 ① 의 패턴 기술과 마찬가지로 실시간으로 단 시간내에 그 목적을 달할 수 있는 것은 현재의 기술로는 매우 어려운 것에 속한다. 그러나 컵의 위치가 정확히 삼차원적으로 계측되지 않는 한 매니퓰레이터로 그것을 잡도록 하는 지령을 내지 않는 경우가 많기 때문에 이것은 꼭 필요한 기술이기도 하다. 더우기 여러 가지 작업을 로보트에 시키려고 할 때 일반적으로 입체적인 인식이 필요하게 된다.

③ 손을 컵에 가져간다.
이 동작에는 매니퓰레이터의 제어기술이 필요하다. 지금 컵의 「삼차원적 위치」가 정확히 주어진다면, 그리고 컵에 접근해야 할 로보트 손끝 방향이 확실히 규정되어 있다고 가정한다면 (이 위치와 방향의 과정에는 매우 고도의 지능적 판단이 필요하게 된다). 매니퓰레이터를 제어하여 선단의 손을 컵 있는 곳으로 가져가는 동작이 가능하다. 그러나 후술하는 바와 같이 이 로보트 팔 (매니퓰레이터) 이 인간의 팔의 구조와 가까운 복잡한 것인 경우에 매우 많은 연산이 필요하기 때문에 여기에서도 실시간 제어성 즉 제어, 연산에 필요한 시간을 얼마만큼 짧게 할 수 있는가 하는 점이 문제가 된다. 또 목표물에 삼차원적 위치를 어떻게 지정하더라도 복잡한 기구의 매니퓰레이터로 접근 동작을 행한다면 필히 위치 오차가 발생하게 됨으로 실제로 컵을 정확히 잡는 동작에서는 로보트의 시각능력의 도움으로 얻어진 손 동작이 필요하게 된다. 이 분야는 hand eye 시스템 또는 eye hand 시스템이라고 불리우는 중요한 연구 영역으로 되어있다.

④ 컵을 깨지 않도록 잡는다.
이 동작에는 손끝에 촉압각기능이 필요하게 된다. 인간의 경우 어려서부터의 훈련 (학습) 에 의해 컵의 재질이 무엇인가를 순간적으로 판단한다. 그리고 안에 들어있는 물의 양과 컵의 크기로부터 대개의 무게를 예측하고 잡아올리는데 필요충분한 힘으로 컵을 잡는다. 또 컵안의 물을 엎지르지 않도록 손끝의 중앙으로 잡는다. 손끝에 인간만큼 민감한 촉각, 압각이 없는 로보트 hand 의 경우에는 이와 같은 섬세한 동작이 도저히 될 수 없다. 상대가 철이거나 유리거나, 예를 들면 보통의 산업용 종이컵이거나 달걀 등의 경우는 잡는 동안에 모두 부서지게 될 것이다. 물론 단순히 컵을 부시지 않도록 잡는다는 동작만을 취한다면 그것은 현재의 로보트 기술로도 그렇게 어려운 문제는 아니다. 그러나 실제로 여러작업을 로보트에 행하도록 할 때에 그 작업 주체인 로보트 손끝부분이 행하는 동작은 극히 여러가지가 될 수 있다. 어떠한 경우이든지 손끝에 민감한 촉압각이 필요하다는 것은 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

⑤ 컵을 들어올려서 입까지 가져온다.
④ 에서 말한바와 같이 컵을 들어올리는 경우 마찰력에 따른 최소의 힘으로 파지하는 것이 인간이 하고 있는 방법이다. 로보트의 경우도 이와 같이 대상물의 중량이나 재질에 따른 최적의 동작을 행하게 하려면 무엇인가 중량각이나 미끄럼각이 필요하게 된다. 이들 기능은 현재의 로보트 기술에서도 그렇게 어렵지는 않다. 또 입까지 가져간다고 하는 동작도 전술한 ③ 의 동작과 마찬가지로 입의 삼차원적인 위치가 정확히 주어진다면 그리 혼란한 작업은 아니다.

⑥ 컵을 입에 댄다.
이것에는 힘의 감각 (역각 또는 역감각) 이 필요하다. 입의 위치가 고정되어 있는 경우는 간단하지만, 일반적으로 머리의 위치는 상황에 따라 변하기 때문에 이때에 입의 위치까지 컵을 정확히 가져가지 않으면 안된다. 그리고 컵이 입에 닿는 것을 인간의 입술의 촉각이나 손끝의 힘의 감각으로 느끼기 때문에 컵을 세게 입에 대거나 입에 닿지 않는 위치에 멈추는 등의 일은 하지 않는다. 그러나 컵을 가볍게 입에 대는 것 같은 동작을 로보트 팔에 시키는 것은 팔이나 목 또는 손등에 민감한 힘 감각이 갖추어져 있을 필요가 있게 된다.

⑦ 입에 물을 넣는다.
이 동작은 매니퓰레이터의 제어영역에 속한다. 이 영역도 그렇게 어렵지는 않지만, 자세히 말한다면 인간의 경우는 컵 안의 물을 입안에 넣는 도중의 상태를 무슨 방법으로든지 검지하여 컵의 위치나 각도, 기울이는 속도 등을 미묘하게 조정하고 있다. 이와 같은 미묘한 동작이 가능한 로보트의 팔이나 손끝이라는 것은 매우 고도한 것이다.

⑧ 입으로부터 컵을 떼서 책상위로 운반한다.
이것도 매니퓰레이터 제어기술에 속하며 그리 어렵지는 않다.

⑨ 컵을 책상 위에 놓는다.
이 동작도 컵을 입에 대는 경우와 마찬가지로 컵을 책상 위에 강하게 부딪혀 깨거나 책상 표면에 대기전에 손을 놓아서 컵을 떨어뜨려 버리는 것과 같은 동작이 되지 않도록 컵이 (손끝자체에서가 아니고 손끝에 잡고 있는 컵이라는 대상물이) 책상에 닿았다고 하는 것을 민감하게 알기 위한 힘감각, 또는 중량각이 필요하게 된다.

이상 보통의 인간이라면 간단히 할 수 있는 동작을 로보트로 시키는 경우에 필요한 기술을 간단히 논하여 보았다. 이와 같이 인간이 행하고 있는 간단한 동작이라도 이것을 로보트에 실현시키려 한다면 현재의 경우는 매우 곤란이 뒤따르리라는 것을 알게 되었을 것이다.