인공 지능 (artificial intelligence)

 지난 2011년 미국의 유명한 TV 퀴즈쇼 '제퍼디'에서 컴퓨터인 '왓슨'이 인간을 이기고 우승하는 이변이 일어났다. IBM의 인공지능 컴퓨터인 왓슨은 당시 인터넷에 연결되지 않은 상태에서 주어진 질문에 3초 내로 답하며 이 퀴즈쇼의 '톱(Top)2' 출신인 경쟁자 2명을 압도적인 차이로 이겼다.


[그림 1] 인공지능과 사람의 퀴즈 대결


왓슨은 IBM의 창업자 토머스 J. 왓슨의 이름을 딴 미국 뉴욕주 요크타운의 'IBM 토머스 J. 왓슨 연구센터'에서 탄생했다. 애플·구글 등 다른 다국적 IT 기업들도 질문에 대한 답을 찾는 인공지능 기술을 개발하고 있으며 초보적인 단계의 사용품을 선보이고 있다. (시리, 구글나우, 코타나 등) 하지만 인간이 말하는 그대로의 언어인 '자연어'를 이해하고, 사람과 대화할 수 있는 기술에서 왓슨이 단연 독보적이다. 왓슨은 복잡한 질문을 의역해 찾아야 할 답을 파악하고, 수학·과학·인문학 등 다양한 분야에 걸친 방대한 정보를 유기적으로 연결해 답을 찾는다. 이 과정에서 빅데이터 기술로 분석, 추론, 예측까지 한다. 즉, 왓슨은 축적된 정보의 관계를 분석하며 정답에 다가가며 이것을 '생각한다’라고 할 수는 없겠지만 거대한 '학습 시스템'이라고 할 수 있다


 왓슨은 2013년 3월부터 미국 텍사스 의과 대학 MD 앤더슨 암센터에서 의사의 환자 진료를 돕고 있다. 의사는 담당 분야에 대한 최신 논문과 새로운 약과 치료법 등을 모두 학습하기 어렵고, 방대한 자료 속에서 복잡한 결정을 해야 한다. 왓슨은 다양한 자료 속에서 최적의 치료법을 찾아 제안해 의사의 판단을 돕는다. 왓슨은 진료 기록을 보고 환자의 상태를 파악하고, 다양한 의료 정보 속에서 점검 목록을 분석해 치료법을 찾는다. 진료 대상이 폐암 환자라면, 기록에 나와있지 않은 정보를 알려고 '객혈을 했는가?', '청력에는 이상이 없는가?' 등 추가 질문을 던지고, 환자가 우려하는 부작용을 피하는 치료법을 찾아주기도 한다. 이 밖에도 왓슨은 미국 월가(街)에서 증권맨으로 활동하기도 하고, 콜센터에서 고객의 문의에 응대하는 역할도 하고 있다. 나아가 수많은 판례와 자료를 분석해 법조인의 판단에 도움을 주고, 우주왕복선 등 시스템이 복잡한 산업 분야에 이용될 것으로 전망된다.


 왓슨을 진화시키는 작업에는 알고리즘, 빅데이터, 분석 등 분야의 컴퓨터 공학자는 물론 언어학자 등이 참여하고 있다. 퀴즈쇼 출연 당시 컨테이너박스 크기였던 몸집은 가정집의 이삿짐을 나르는 상자 크기로 줄어들었고 기능은 2.4배 발전했다. 데이비드 페루치 박사가 시작한 왓슨 연구 초기에는 25명 정도가 참여했지만, 지금은 '왓슨그룹'이라는 IBM 내 별도 조직이 생겨났다. IBM은 왓슨그룹에 총 10억달러를 투자, 인지컴퓨터를 상용화할 계획이다.


[그림 2] 왓슨 연구 센터


이렇게 주어진 방대한 정보를 검색하여 필요한 지식을 찾아낼 수는 있지만 사람과 같이 창의성을 발휘한다거나 예술적인 감각을 가지거나  감정을 느끼는 시스템의 개발은 요원하다고 할 수 있다.


 또 다른 예로 울프럼 알파(Wolfram Alpha)라는 검색 엔진이 있다. 이것은 수학 연산 프로그램인 매스매티카의 개발자인 물리학자 스티븐 울프럼이 만든 검색엔진으로서 수퍼컴퓨터를 통한 인공지능을 통해 웹상의 지식을 재구성하여 사용자에게 제공하며 간단한 연산을 직접 수행한다. 2009년 5월 15일 오후 7시에 정식으로 출시되었다.


[그림 3] 울프램 알파

음성 인식 및 음성 발생 장치

 인간의 음성 명령을 인식하고 음성을 발생시키는 장치이다.

감정 이해와 표현

 인간의 얼굴 표정이 음성의 톤으로 감정을 이해하거나 로봇 자신의 감정을 표정이나 음성으로 표현하는 기술을 의미한다.


[그림 4] 얼굴 표정으로 감정을 표현하는 로봇




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 지능형 로봇을 제어하는데 있어서 마이크로프로세서(microprocessor)나 소형 컴퓨터가 핵심적인 역할을 한다.

마이크로 프로세서

 로봇을 제어하는데 있어서 핵심적인 부품은 마이크로프로세서(microprocessor, 이후 uP로 표기함)이다. 마이크로(micro, 10^-6)라는 말은 매우 작다는 의미를 내포하며 프로세서는 ‘어떠한 일을 처리하는 장치‘라는 뜻으로서 이 두 단어의 합성이인 마이크로프로세서는 단어의 뜻으로만 보면 ’극소형의 처리장치‘정도로 해석될 수 있을 것이다. 좀 더 기술적인 설명은 작은 면적의 실리콘에 복잡한 전자회로를 집적시킨 것으로, 이 전자회로는 미세한 도선으로 연결된 수천 혹은 수백만 개의 콘덴서나 트랜지스터(transistor) 등으로 구성되어 있다.

 인텔이 발표한 최초의 uP는 1971년에 소개된 4004로 2300개의 트랜지스터를 가지고 있었으며 클럭속도는 108KHz이고 4bit 프로세서이다. 이 μP는 간단한 계산을 수행하는 계산기를 만드는데 사용이 되었으나 그 이후에 발전에 발전을 거듭하여 개인용 컴퓨터를 탄생시키는 등 우리의 생활을 광범위하게 바꾸는 계기가 되었다. 참고로 다음 그림에 내부 회로가 도시된 펜티엄4는 4천만 개 이상의 트랜지스터를 집적하였음을 보면 마이크로프로세서의 발전 속도를 짐작할 수 있다.

<참고 : 마이크로프로세서의 트랜지스터 집적 개수 >


<인텔의 4004>

<인텔 4004의 내부회로>

<인텔 펜티엄4의 내부 회로>


 로봇의 제어 장치에서 사용되는 프로세서는 환경 인식이나 상황을 판단하는 알고리듬을 구현하는 소프트웨어를 실행시켜서 센서의 신호를 읽어들이고 구동기로 구동 신호를 보내는 역할을 수행한다.

임베디드 시스템과 원보드 컴퓨터

 임베디드 시스템(embedded system)은 특정 기능을 수행하는 규모가 있는 전자적 시스템으로 구성되는 컴퓨터 시스템이다. 전자 하드웨어와 기계 부분을 포함하는 전체 장치의 일부로 내장되는 의미의 임베디드이며 오늘날 일상 생활에 쓰이는 많은 장치들을 제어하고 있다. 반면에 개인용 컴퓨터(PC)와 같은 범용 컴퓨터는 유연하게 설계되어 넓은 범위의 최종 사용자들의 요구 사항을 만족시킬 수 있다.

 임베디드 시스템에는 마이크로컨트롤러(microcontroller)나 DSP (digital signal processor) 등의 프로세서 코어가 장착될 수 있다. 마이크로컨트롤러는 규모가 작은 시스템에 사용하므로 보통 운영체제을 포함하지 않는 경향이 있다면, 임베디드는 좀 더 규모가 크기 때문에 운영 체제(윈도CE, 또는 리눅스)가 시스템에 포함된다. 이 운영체제 위에 특수한 기능만을 수행하도록 응용프로그램이 장착되어 동작하는 경향이있다. 예를 들어 같은 ARM이라도 마이크로컨트롤러는 한 칩에 메모리(플래쉬, RAM) 을 포함하고 기타 하드웨어(타이머, UART, SPI, ADC 등 필요에 따라 장착)를 포함한다. 여기서 메모리는 용량이 크지 않기 때문에 운영체제를 포함하기에는 한계가 있다. 그러나 임베디드 시스템에서는 하드웨어는 한 칩 내에 장착하지만, 칩 밖에 많은 용량의 메모리를 장착하고 PCB에서 연결하는 것이 일반적이다. 이것은 시스템이 크기 때문에 용량이 큰 메모리를 시스템에 장착할 필요성이 있기 때문이다.

라즈베리파이 (raspberry pi)

 라즈베리 파이(Raspberry Pi)는 영국의 라즈베리 파이 재단이 학교에서 기초 컴퓨터 과학 교육을 증진시키기 위해 만든 싱글 보드 컴퓨터이다. 라즈베리 파이는 그래픽 성능이 뛰어나면서도 가격은 저렴하다는(세금을 포함하지 않은 모델 A의 경우 25달러, 모델 B의 경우 35달러) 특징을 갖고 있다.


 라즈베리 파이는 브로드컴사의 BCM2835 단일칩시스템(SoC, System on Chip)을 사용하며, 이 칩에는 ARM1176JZF-S700 MHz 프로세서, 비디오코어 IV GPU와 256 메가바이트 램이 들어 있다. 라즈베리 파이는 HDD나 SDD를 내장하고 있지 않으며, SD카드를 외부 기억장치로 사용한다. 라즈베리 재단은 컴퓨터 교육 증진을 위해 2가지 모델을 내놨으며, 각각 25달러와 35달러로 책정되었다. 2012년 2월 29일 재단은 35달러짜리 모델의 주문을 받기 시작하였다. 또한 라즈베리 파이 재단측에서는 라즈베리 파이에 포팅한 데비안과 아키리눅스, QtonPi등의 리눅스 배포판을 제공하고 있다. 또한 재단측에서는 라즈베리 파이의 주 프로그래밍 언어인 파이썬(python)에 BBC 베이직, C언어, 펄등을 지원할 수 있는 툴들을 제공하고 있다.

<라즈베리파이의 구조>

아두이노 (arduino)

 아두이노(Arduino)는 오픈소스를 기반으로 한 단일 보드 마이크로 컨트롤러이다. AVR을 기반으로 한 보드로 이루어져 있고 좀 더 최근에는 Cortex-M3를 이용한 제품(Arduino Due)과 인텔 Quark프로세서 기반의 갈릴레오보드도 시판되고 있다. 소프트웨어 개발을 위한 통합 환경(IDE)이 제공되며 사용자가 프로그램하기 쉽게 라이브러리가 잘 마련되어 있다. 아두이노는 다수의 스위치나 센서로부터 값을 받아들여, LED나 모터와 같은 외부 전자 장치들을 통제함으로써 환경과 상호작용이 가능한 물건을 만들어낼 수 있다. 또한 플래시, 프로세싱, Max/MSP와 같은 소프트웨어를 연동할 수 있다.

 아두이노의 가장 큰 장점은 마이크로컨트롤러를 쉽게 동작시킬 수 있다는 것이다. 일반적으로 AVR 프로그래밍이 WinAVR로 컴파일하여, ISP장치를 통해 업로드를 해야하는 등 번거로운 과정을 거쳐야하는데 비해, 아두이노는 컴파일된 펌웨어를 USB를 통해 업로드를 쉽게 할 수 있다. 또한 아두이노는 다른 모듈에 비해 비교적 저렴하고, 윈도를 비롯해 맥OS X, 리눅스와 같은 여러 OS를 모두 지원한다. 아두이노 보드의 회로도가 CCL에 따라 공개되어 있으므로, 누구나 직접 보드를 직접 만들고 수정할 수 있다.


 아두이노가 인기를 끌면서 이를 비즈니스에 활용하는 기업들도 늘어나고 있다. 장난감 회사 레고는 자사의 로봇 장난감과 아두이노를 활용한 로봇 교육 프로그램을 학생과 성인을 대상으로 북미 지역에서 운영하고 있다. 자동차회사 포드는 아두이노를 이용해 차량용 하드웨어와 소프트웨어를 만들어 차량과 상호작용을 할 수 있는 오픈XC라는 프로그램을 선보이기도 했다. 또한 비교적 구조가 간단한 로봇시스템의 제어 보드로도 사용할 수 있다.

<아두이노 보드들>


지능형 로봇의 예 - 다윈OP, 오픈 휴머노이드 시스템

 근래에는 소프트웨어 뿐만 아니라 하드웨어도 그 구조가 개방되어 일반인들이 쉽게 수정, 제작할 수 있는 추세가 형성되고 있는데 아두이노가 대표적인 예라 할 수 있다.  휴머노이드 분야에서도 그러한 추세를 타고 기계 구조와 사용 소프트웨어가 개방된 플랫폼이 있는데 바로 다윈OP이다. 로보티즈사와 버지니아텍의 홍원서 교수팀이 공동으로 개발하였다. 로보티즈사의 고성능 서보모터가 사용되었으며 PC와 제어보드가 각 관절을 구성하는 모터와 비전시스템을 제어하도록 설계되어 있다. 2족 보행 기능을 물론이고 공을 쫓아간다든지 특정한 모양을 인식하여 정해진 동작을 수행하는 기능을 가지고 있다. 이 로봇의 설계도면이나 구동 소프트웨어는 개방되어 있으며 다른 사람들이 수정/보완할 수 있도록 하고 있다.

<오픈소스 로봇 플랫폼인 다윈OP의 구조: 가슴 부분에 컴퓨터가 내장되어 있다.>

< 비젼 시스템이 내장되어 공을 쫓아 가거나 특정한 모양을 인식하는 기능이 내장되었다>


학습(learning) 과 자율 제어

 로봇에게 여러 번의 교육을 통해 행동을 학습시킨 후 기록된 행동 순서를 따라하도록 하는 기술을 의미한다. 반면에 자율 제어란 비젼시스템이나 센서를 통해서 주변의 환경을 인식한 후 스스로 반응 행동을 결정해 나가도록 하는 기술을 말한다.



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 지능형 로봇은 주변의 환경을 인식할 수 있어야 한다. 이것을 위해서 인간의 오감을 흉내낸 센서나 장치들이 사용된다.

1 시각을 위한 비젼 시스템 (vision system)

 로봇이 물체 또는 주변 환경에 대한 영상 정보를 실시간으로 획득하는 시스템이다. 카메라를 한 개 사용할 수도 있으며 두 개를 사용하여 (스테레오 비젼 시스템) 입체적인 정보를 취득하기도 한다. 또는 화재 현장이나 야간에 주변의 열분포를 인식할 수 있는 열화상 인식 시스템도 있다.


[그림 1] 비전 시스템의 예


특히 휴머노이드의 경우 공간 인식과 입체 시각 같은 기능이 필수 능력 중의 하나이다. 로봇이 이동해야 할 위치는 평지 뿐만 아니라 높낮이와 경사면 등 다양하고 불규칙한 공간이 될 수 있다. 또한, 주변의 움직이는 장애물을 인지하며, 요철이 있는 지면이나 계단과 같은 환경에서 안정적으로 보행을 유지하기 위해서는 고도의 영상처리 알고리듬이 필요하기 때문이다.


 요즘에는 학생들도 손쉽게 사용할 수 있는  저가의 비젼 시스템이 개발되고 있다. 예를 들어보면 다음과 같은 것들이 있다.

PIXY (CMUcam5) : a fast, easy-to-use vision system

Pi Camera : a cheap camera for Raspberry Pi


2 힘/토크 감지 시스템

 로봇이 접촉하는 대상 물체에 대해서 인간의 근감각과 유사하게 반작용 힘, 압력, 마찰력 정도 등을 감지하여 적절하게 반응할 수 있도록 하는 장치이다. 이것을 이용하면 손으로 쥐는 힘을 감지하고 적절하게 제어하는 것이 가능하다. 예를 들면 원격 악수 로봇이나 계란을 깨뜨리지 않고 쥐는 등의 조작이 가능하다.


[그림 2] 손가락 끝에 가해지는 힘을 감지하여 계란을 부드럽게 쥘 수 있는 로봇팔


3 인공피부 센서 시스템

 접촉 부위의 압력, 온도, 물성 등을 감지하여 인간의 피부와 같이 촉각을 판별할 수 있도록 해주는 시스템이다.

[그림 3] 인공 피부의 예

4 기타 센서

  • 레이저 레인지 파인더 : (비교적 원거리 까지의) 장애물을 감지한다.

  • 초음파 센서 : (근거리) 장애물 까지의 거리를 측정한다.

  • 적외선 센서 : (초단거리)  장애물이 있는 지를 감지한다.

  • 기울기 센서 : 기울어진 정도를 측정한다.

  • 가속도 센서 ; 가속도가 발생하는지를 체크한다.

  • 광량 센서        : 빛의 양을 측정한다.

  • 온도 센서        : 주변의 온도를 측정한다.

  • 음향 센서        ; 소리를 감지한다.

[그림 4] 다양한 센서의 예들



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 로봇이 움직이기 위해서 사용되는 장치를 작동기(actuator)라고 한다. 바퀴를 움직이는데 DC모터가 사용되기도 하고 관절을 움직이는데 서보 모터(servo motor)가 사용되기도 한다. 큰 힘을 필요로 하는 경우 유압/공압 작동기 등이 사용되기도 하지만 모터가 주로 채용되어 사용된다.

1 바퀴 주행

 로봇을 주행시키는데 사용되는 고전적인 방식은 역시 바퀴 주행이다. 주행 로봇(mobile robot), 즉 바퀴의 회전에 의해 이동하면서 위치 정확성이나 주변 환경 인식을 하는 등 주행 성능을 향상시키는 연구가 활발히 수행되어 왔다. 바퀴의 숫자에 따라 이륜, 사륜, 육륜 등 다양한 방식이 있다.


[그림 1] 이륜 로봇의 예


[그림 2] 사륜과 육륜 로봇의 예


[그림 3] 화성탐사로봇 소저너(sojourners


 단순한 바퀴를 이용한 주행은 불규칙하고 험한 환경에서 주행하기에 불리하므로 다수의 바퀴를 연결한 무환궤도(caterpillar) 주행 방식도 많이 사용된다.


[그림 4] 무환궤도 로봇의 예


 특수한 예로 하나의 볼(ball) 위에서 균형을 잡으며 이동하는 형태의 로봇도 있다. 이 경우 볼을 전방향으로 굴리기 위해서 2~3개의 모터가 이용된다.

[그림 5] ballbot의 예


2 다리를 이용한 보행

 인간의 걸음걸이를 모방한 2족 보행 방식은 평면뿐만 아니라 계단, 사다리 등 장애물이 있는 환경에서 모두 주행이 가능하다. 하지만 다리를 이용하는  방식은 바퀴를 이용하는 경우에 비해서 기술적으로 훨씬 더 복잡하고 난해한 문제가 많다.


 근래에 로봇 분야 특히, 휴머노이드(humanoid)로봇의 출현으로 로봇에 대한  대중적인 관심도 매우 높은 편이다. 휴머노이드는 인간의 외양, 모습, 행태 등을 닮아서 인간의 행동을 할 수 있는 기능을 갖춘 로봇으로, 사람에 의해 이루어져 왔던 노동, 서비스 등을 대체할 수 있는 가능성을 가진다는 점에서 무한한 발전 가능성을 가진 산업 분야이다.


[그림 6] 이족 보행로봇(휴머노이드)의 예


 휴머노이드의 연구는 2000년대 초반 대중에게 공개되어 잘 알려진 일본 혼다사의 아시모(asimo)와 소니사의 큐리오(qrio)를 비롯하여 동경공대의 HRP, 와세다대학교의 와비안(wabian) 시리즈 등 대학교와 연구 기관에서 그 성능과 안정성을 높이는 연구가 이루어지고 있다. 미국과 북유럽의 독일, 프랑스, 네델란드 등에서도 보행이 가능한 단순 구조 로봇의 실험을 기반으로 환경에의 적응성과 보행 안정성을 높이고다 하는 연구가 진행되고 있다. 우리나라도 카이스트의 휴보(hubo)와 키스트의 마루(mahru)등의 연구를 기반으로 세계 수준에 발맞춰 나가고 있다. 특히 휴보의 경우 2015년도에 치러진 DARPA 로보틱스 챌린지에서 우승을 차지하며 세계적으로 주목을 받았다.


[그림 7] 이족 보행 로봇들 (왼쪽부터 HRP, 와비안, 마루, 휴보)


 동물의 보행을 흉내낸 4족 로봇도 활발하게 개발되고 있으며 험난한 지형에서 이족 보행보다 더 안정적인 주행을 할 수 있다는 특징이 있다.


[그림 8] 4족 보행 로봇


또는 곤충의 보행을 모방한 6족 이상의 로봇도 있다.


[그림 9] (a) 6족 로봇 (Intel Hexapod) (b) 오락용 8족 거미 로봇


3 드론(drone)

 드론은 무인 비행체인데 보통 세 개 이상의 프로펠러를 이용하여 공중을 날아서 이동할 수 있는 소형 로봇일 지칭한다.


[그림 10] 다양한 드론들


이미 공중 촬영용으로 널리 사용되고 있으며 세계적인 전자상거래 회사인 아마존에서 드론을 이용하여 주문 제품을 한 시간 안에 배달해 주는 서비스를 발표하여 주목을 받기도 했다. 그 이외에도 오락용, 농업용(농약 공중 살포)라든지 사람이 탈고 다닐 수 있는 드론 등 그 활용 폭을 넓히기 위한 연구와 제품 개발이 활발히 진행되고 있다.



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 산업용 로봇은 공장에서 인간을 대신하거나 보조하기 위해서 제조 라인에 설치되어 노동력을 제공하는 로봇을 의미한다. 주로 제조업 현장에서 여러가지 작업을 하는 기계로서 구조적으로 사람의 팔이나 손의 기능을 모방하여 만들어진 것이 많다. 주요 용도는 조립, 기계 가공, 입출하, 검사, 측정, 프레스, 수지 가공, 용접 등이다.


[그림 1] 산업용 로봇의 예


 산업용 로봇의 역사를 간략히 살펴보면 다음과 같다. 1954년에 Georg Devol은  최초의 프로그램 가능한 로봇을 고안하였고, "Universal Automation (범용 자동제어)"라는 신조어를 만들었다. 이후 G. Devol은 Joseph F. Engelberger과 협력하여 1956년에 "유니메이션(Unimation)" 이라는 회사를 설립하였고 최초의 성공적인 로봇 제조 회사가 되었다. 그리고 1959년 최초의 산업용 로봇이 만들어졌다. 이 로봇은 유압 구동기 (hydralic actuator)가 사용되었으며 학습 모드에서 여러 관절의 각도를 지정해 주면 그 정보가 자기 드럼(magnetic drum)에 프로그램으로 기록되어 동작을 재생해 주는 방식으로 운영되었다. 무게가 2톤에 달하고 정밀도는 0.1 밀리인치였다고 한다.


 1962년에 제너럴 모터스(General Motors)사는 이것을 구입하여 생산라인에 설치하였다.


[그림 2] Unimation 사에 의해서 제작된 최초의 산업용 로봇


이후 제너럴모터스사의 지원 하에, 유니메이션(Unimation)은 Vicarm Inc.의 기술을 이용하여 PUMA(Programmable Universal Machine for Assembly)  로봇을 개발하였다. PUMA는 현재까지도 많은 산업 현장에서 찾아볼 수 있다.


[그림 3] Unimation 사의 PUMA 로봇


 1979년에 SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) 형태의 로봇이  일본의 야마나시(Yamanashi)대학에서 조립공정을 위해 개발되었다. 이후 1981년 즈음에 다수의 상업적인 SCARA 로봇이 선보였다. 이때부터 일본은 세계에서 로봇을 가장 많이 사용하는 나라가 되었다.


[그림 4] SCARA 로봇


이러한 제조용 로봇은 말단에 어떤 장치가 붙어 있느냐에 따라 수행하는 기능이 달라지게 된다. 몇몇 예를 들어보면 다음과 같다.


  • 용접 로봇

  • 도장 로봇

  • 핸들링 로봇


[그림 5] 용접 로봇의 예


[그림 6] 도장 로봇의 예


산업용 로봇도 최근에는 단순한 반복 작업을 하는 기능에서 벗어나 센서를 기반으로 하는 인식 기능이 추가되어 지능형 로봇으로 발전되고 있는 추세이다.



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개인 서비스 로봇

 개인 서비스 로봇은 일반인의 일상 속에 들어와 다양한 일을 하는 로봇을 말한다. 예를 들면 다음과 같은 것들이 있다.


  • 가사 로봇 : 청소, 세탁, 조리를 도와주는 로봇

  • 애완용 로봇 : 강아지 로봇, 공룡 로봇 등

  • 교육용 로봇 : 학교나 가정 등에서 교육의 보조 수단을 제공하는 로봇

  • 도우미 로봇 : 병원, 요양소 등에서 재활 훈련을 돕거나 일상 생활의 보조를 해주는 로봇

[그림 1] 개인 서비스 로봇의 예


전문 서비스 로봇

 의사, 소방수, 군인 등과 같은 전문가를 보조하여 그 영역에서 인간이 하기 어려운 위험한 작업이나 극도로 정밀하거나 많은 힘을 필요로 하는 일 등을 수행하는 로봇을 의미한다. 몇몇 예를 들어보면 다음과 같다.


  • 안내 로봇 : 공공 기관, 미술관, 박물관 등에서 방문객을 안내하는 로봇

  • 의료용 로봇 : 수술 등에서 집도의를 도와 수술을 보조해 주는 로봇

  • 군사용 로봇 : 정찰 로봇, 무인 폭격기, 보병 보조 로봇, 경계 로봇 등

  • 소방 로봇, 재난 구조 로봇 : 인간이 접근하기 위험한 지역에 투입되어 정보 수집이나 구조를 수행하는 로봇

  • 농업용 로봇

  • 건설용 로봇


[그림 2] 의료용 로봇과 군사용 로봇의 예


 특히 재난 구조 분야의 경우 2011년에 발생한 후쿠시마 원전 사고 이후 관심이 고조되어 연구가 활발히 진행되고 있으며 이러한 용도의 로봇을 개발하여 서로 경쟁하는 대회도 수행되고 있다.


※ DARPA 로보틱스 챌린지

 2011년 후쿠시마 원전 사고에서 재난 구조 로봇이 제 기능을 하지 못해서 많은 인명이 희생되었다. 이것을 계기로 원전 사고 현장과 비슷한 환경을 만들어 로봇이 조정 없이 자율적으로 재난 상황을 해결하는 미션으로 구성된 최대 규모의 로봇 대회가 구성되었다. 초대 대회가 2012년에 예선을 거쳐 2013년에 치러졌다. 각국의 최고의 로봇 회사 및 연구팀이 참가하였으며 한국도 두 팀이 본선에 참가했다.


 이 대회의 미션은 아래와 같다.


[그림 3] DARPA 로보틱스 챌린지의 미션


[그림 4] DARPA bototics challenge 에 참가한 재난 구조 로봇들>


2013년도 대회에서는 일본의 SHAFT라는 로봇이 가장 높은 점수를 받았다. (이 로봇의 제조사는 이후 구글에 합병되었다.) 2015년도 6월에 열린 대회에서는 우리나라의 Hubo 로봇팀(KAIST)이 우승하였다.



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Posted by 살레시오

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 단순히 로봇이 인간의 동작이나 기능만을 흉내내는 단계를 넘어서서 인간과 유사하게 사고하여 스스로 판단을 내리는 단계에 도달하기 위해서 현재에도 전세계적으로 연구가 활발히 진행되고 있다. 즉, 단순하게 정해진 알고리듬에 따라서 작업을 수행할 수 있는 로봇이 아니라 주어진 상황에서 스스로 독자적으로 판단하여 목적을 달성할 수 있는 로봇을 지능형 로봇 (intelligent robot)이라고 할 수 있다.


 지능형 로봇의 세 가지 핵심적인 기능은 다음과 같다.


    ❶ 외부 환경을  인식한다.

    ❷ 스스로 상황을 판단한다.

    ❸ 자율적으로 동작한다.


이러한 기능을 갖춘 지능형 로봇은 가정용 로봇, 재난 구조용 로봇, 자율 주행 자동차 등과 같은 형태로 실생활에 들어오고 있다.


 대학생들이 쉽게 접할 수 있는 고전적인 지능형 로봇의 예로 마이크로마우스(micro mouse)라는 로봇이 있다. 전기/전자 분야의 국제 학회인 IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engineering)의 Computer Society 에서 1977년 5월 제안하여 1979년 첫 대회를 개최하였으며, 주목적은 전기/전자 공학도들로 하여금 컴퓨터의 응용력과 개발 능력을 향상시키는 것이었다.  그 후 이 경기는 유럽, 일본, 동남아, 한국 등으로 전파되어 많은 국제 경기와 국내 경기가 매년 개최되었다.


[그림 1] 마이크로마우스


마이크로마우스는 미로라는 외부 환경을 인식해야 하고 스스로 미로의 구조와 골인 지점까지의 경로를 탐색(판단)해야 한다. 그리고 탐색된 경로를 주파하여 골인 지점까지 움직여야 하며 인간이 외부에서 조정하는 것이 허락되지 않는다. 앞에서 기술한  지능형 로봇의 세 가지 요소를 모두 가지고 있는 것이다.


 지능형 로봇은 국제 로봇 연맹  (International Federation of Robotics, IFR) 에서 다음과 같이 분류하고 있다.


[표 1] 지능형 로봇의 분류



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Posted by 살레시오

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‘로봇(robot)’ 이라는 용어는 1920년 체코슬로바키아의 극작가 카렐 차페크(Karel Capek)가 발표한 희곡 ‘로섬의 만능 로봇’ (R.U.R:Rossum’s Universal Robots)에서 처음 등장하였다. 어원은 체코어의 노동을 의미하는 단어 robots로부터 나왔다고 알려져 있다.


[그림 1] 체코의 카렐 차펙과 그의 소설 R.U.R


 ‘로보틱스(robotics)’라는 용어는 1942년 3월에 첫 출판된 아이작 아시모프(Isaac Asimov)의 공상과학소설에서 새로 만들어졌다. 여기서 작가는 로봇이 부정적인 측면만 가지고 있는 것이 아니라 인간을 돕기 위한 긍정적인 측면도 함께 가지고 있다고 묘사하였다. 또한 아시모프는 소설에서 로봇의 기본적인 세 가지 법칙을 설정하였다.


    ❶ 로봇은 인간을 해칠 수 없으며 인간이 해를 입도록 방치해서도 안 된다.

    ❷ 로봇은 첫 번째 법칙에 어긋나는 않는다면 인간이 내린 명령에 복종해야 한다.

    ❸ 로봇은 첫 번째와 두 번째 법칙에 어긋나지 않는다면 자신을 보호해야 한다.


 이렇게 ‘로봇’이라는 용어와 개념이 작가들의 상상력에 의해서 만들어졌다는 것은 흥미로운 사실이다. 상상력에서 탄생한 로봇의 개념이 세상에 소개된 이후 근대의 첨단  기술을 적용하여 이를 실제로 구현한 산업용 로봇이 출현하기까지 또 수십 년이 소요되었다.


<Metropolis. 1927, German>             <스타워즈>

[그림 2] 영화 속의 다양한 로봇들


 일반인들은 로봇에 대해서 사람과 같은 모습과 기능을 가지고 인간과 유사하게 행동하는 기계인 휴머노이드(humanoid)를 먼저 떠올리지만 초창기의 산업용 로봇은 이와는 상당히 거리가 있다. 산업용 로봇은 인간 팔의 모양과 기능을 보방하여 설계되었으며 그 말단에 다양한 장치를 달아서 여러가지 기능을 수행하도록 제작된 것들이 많다.


 최근에는 기계 기술, 반도체 기술, 소프트웨어 공학, 인공 지능 등의 발달로 인하여 이를 집약한 다양한 분야의 로봇들이 출현하고 있다. 산업용 로봇이 포화 상태에 이르고 현대의 첨단 기술이 로봇에 적용되면서 이제 로봇이 인간의 일상 속으로 들어오고 있다. 청소 로봇 이나 애완용 강아지 로봇 등이 그 예라고 할 수 있다.

  

[그림 3] 산업용 로봇과 자동차 제조 공장에서 운용 중인 예



[그림 4] 일본 혼다사의 아시모등 서비스 로봇의 예


오늘날의 로봇은 이와 같이 크게 ‘산업용 로봇’과 ‘서비스 로봇’으로 양분할 수 있다.



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Posted by 살레시오

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아두이노 수업에서 실습용으로 사용할 로봇으로 makeblock 의 robot kit v2 을 선택해서 두 학기동안 운영해 보았다. 여기서 그 후기를 간단히 기록하고자 한다.


무환궤도 방식으로 조립한 로봇


  장점부터 설명하면 프레임이 깔금하게 마감되어 있고 바퀴로봇과 무한궤도 방식의 로봇 둘다 만들 수 있다는 점이다. 레고의 치수에 맞추어진 깔끔한 알루미늄 기구부가 일단 인상적이다. 표면 처리도 잘 되어있고 무엇보다 원하는 형태로 자유자재로 결합되도록 설계가 되어있다. 조립 난이도도 그리 높지 않다. 모터 드라이브가 내장된 커스텀 아두이노 보드를 제어기로 사용하므로 아두이노 IDE를 사용하여 제어 프로그램을 작성할 수 있다. 아두이노 라이브러리도 제공한다. 적외선 리모콘 세트와 초음파 센서도 포함되어 있다.



전용 제어기


  단점은 전용 제어보드의 인터페이스가 특이해서 뭔가를 더 붙여서 확장하는 것이 불가능하다는 것이다. 그리고 전용 라이브러리도 제공되는 기능 외에 더 추가한다든가 하는 것이 힘들다. 모터와 전선의 연결부가 헐거워서 빠지기 쉬워서 결국 납땜을 하였다. 무환궤도도 그냥 일자철심을 끼워서 연결하는 방식인데 로봇이 가다가 이게 잘 빠진다.


  그래서 실수업에서는 전용 제어기를 빼고 아두이노 우노와 모터쉴드(R3)를 조합하여 모터를 구동하는 식으로 진행하였다. 이 로봇에 포함된 모터가 6V/2A 의 모터라 BA6208이나 LM1630 같은 IC등은 구동 전류를 충분히 내지 못해서 모터의 토크가 약해진다. 모터 한 개당 BA6208 두 개를 병렬로 연결하여 제어해 보았으나 크게 성능이 향상되지는 않았다.


  개인적인 결론은 혼자서 가지고 놀기에는 적당하지만 아두이노 수업 교재용으로는 적절하지 않다는 생각이다.

[#00077]


Posted by 살레시오

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  이전 포스트에서 말한 바와 같이 일반적인 아두이노 우노와 모터쉴드(R3)를 사용하여 모터를 구동해 보기로 하였다. 이 로봇에 포함된 모터가 6V/2A 의 모터라 BA6208이나 LM1630 같은 IC등은 구동 전류를 충분히 내지 못해서 모터의 토크가 약해진다. 모터 한 개당 BA6208 두 개를 병렬로 연결하여 제어해 보았으나 크게 성능이 향상되지는 않았다. 모터쉴드에 대한 설명은 아래 포스트를 참조하면 된다.


    - 아두이노 모터 쉴드 R3


다음 사진은 모터 쉴드에 DC모터 전원선을 연결한 것이다. 밑에 아두이노 우노가 있고 모터 쉴드를 얹어서 모터에 연결하였고 전원은 1.5V AA건전지 6개(9V)를 사용한다.



첫 번째 실험으로 2초 동안 전진하고 2초 동안 후진하기를 무한 반복하는 간단한 예제이다. 프로그램 소스는 다음과 같다. 실험할 때 한가지 주의할 점은 반드시 외부전원(건전지나 변압기)를 보드에 연결하여야 한다는 것이다 USB만으로 모터를 구동시키려다가 PC보드가 손상될 수도 있다.




소스 코드:

───────────────────────────────

    #define PWM_RIGHT 3

    #define DIR_RIGHT 12

    #define BRAKE_RIGHT 9

    #define PWM_LEFT 11

    #define DIR_LEFT 13

    #define BRAKE_LEFT 8


    void setup() {

        pinMode(PWM_LEFT, OUTPUT);

        pinMode(DIR_LEFT, OUTPUT);

        pinMode(BRAKE_LEFT, OUTPUT);

        pinMode(PWM_RIGHT, OUTPUT);

        pinMode(DIR_RIGHT, OUTPUT);

        pinMode(BRAKE_RIGHT, OUTPUT);

        analogWrite(PWM_LEFT,0);

        analogWrite(PWM_RIGHT,0);

    }


    void loop() {

        digitalWrite(DIR_LEFT, LOW);

        digitalWrite(DIR_RIGHT,LOW);

        analogWrite(PWM_LEFT, 255);

        analogWrite(PWM_RIGHT, 255);

        delay(2000);


        digitalWrite(DIR_LEFT, HIGH);

        digitalWrite(DIR_RIGHT, HIGH);

        analogWrite(PWM_LEFT, 255);

        analogWrite(PWM_RIGHT, 255);

        delay(2000);

    }

───────────────────────────────

[#00079]


Posted by 살레시오

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