특별기획 02 - 인간 작업자를 도와주는 Human-Robot Cooperation System
▲ 한창수 교수 한양대학교 로봇공학과 cshan@hanyang.ac.kr
스마트폰을 사용하는 것처럼 로봇을 쉽게 사용할 수 있지 않을까?
특히 정형화되어 있지 않은 복잡한 환경에서 사람의 감각과 판단력을 이용하여 로봇을 쉽게 사용할 수 있지 않을까?
이러한 물음에 대한 해결책으로 인간로봇협업시스템(HRC, Human-Robot Cooperation System)이 개발되었다.
다양하고 급박하게 변화하는 현재의 산업에서 인간과 로봇이 협동하여 업무를 수행하는 로봇 시스템에 대한 간단한 소개와 전망을 이야기 하고자 한다.
들어가며
인류의 과학기술이 발달함에 따라 산업현장에서 생산성 향상이 요구되었고 급기야 증기기관이 발명되면서 산업혁명이라 불리는 생산성 향상의 혁명을 가져오게 되었다.
기존에는 사람 혹은 동물의 노동력만을 의지하여 생산 활동을 수행해 왔지만 동력을 공급할 수 있는 장치와 다양한 메커니즘들이 결합되어 제조, 생산, 물류에 걸쳐 사람이 해야 할 일들을 기계 장치들이 대신하게 되었다.
이후 전기기기의 발달로 인해 기계장치로만 이루어졌던 산업 현장에서 전기기기를 기반으로 하는 컨베이어 벨트 시스템, 크레인 등이 개발되었고 전자공학이 발달하면서 전기기계시스템을 원하는 목적에 따라 동작하게 하는 제어공학이 발달하였다.
또한 컴퓨터공학이 발달하면서 인간이 하기 어려운 빠르고 복잡한 계산이 가능하게 되었다.
이러한 기술의 발달과 융합은 결국 공학의 결정체라 할 수 있는 로봇공학을 탄생시켰으며 로봇은 산업현장에서 인간을 돕거나 인간을 대체하여 생산성 향상, 산업재해 예방 등의 긍정적인 효과를 가져왔다.
산업현장에 로봇이 적용되는 것을 또 하나의 산업혁명이라고 부르기도 한다( 그림 1 참조).
사실 로봇(Robot)이라는 말의 시작과 로봇의 출현은 1920년대 체코 출신의 한 극작가에 의해 시작되었으며 사람의 모습과 사람의 생각, 심지어는 사람처럼 감정을 느낄 수 있는 존재로 설명이 되었다.
이후 이것을 모티브로 하여 많은 영화나 만화가 만들어졌고, 영화나 만화에서 표현되는 로봇의 모습은 현재의 미래학자와 공학자들의 전망처럼 인간과 소통이 가능하고, 사고와 판단을 할 수 있으며, 인간의 노동력을 대체하거나 보완하는 것으로 그려져 왔다.
앞으로 미래에는 많은 사람들의 상상과 같은 모습으로 발전할 것으로 예상된다.
하지만 과거와 현재에서는 인간과 같은 판단능력보다는 단순 반복적인 작업, 간단한 조건에 반응하여 정해진 프로그램대로 임무를 수행하는 로봇이 산업현장과 일상생활에서 사용되고 있다.
이러한 이유는 로봇이라는 학문 자체가 공학적, 수학적으로 난이도가 높아서 복잡하고 다양한 작업을 수행하기에는 조작자에게 요구되는 지식의 수준이 높다는 점과, 인공지능 기술이 발전을 거듭하고 있지만 알고리즘 개발의 어려움, 복잡한 연산과 판단에 대한 계산비용이 아직까지는 상당히 높다는 점 때문이다.
이러한 어려움을 극복하기 위해 로봇을 연구하는 사람들이 좀 더 산업현장과 일상생활에서 쉽게 인간과 작업할 수 있는 로봇에 대한 연구를 진행해 왔다.
또한 완벽한 인공지능의 단계에 진입하기 중간단계인 인간의 감각과 판단능력과 로봇의 강력한 힘을 활용할 수 있는 인간-로봇협업(HRC, Human-Robot Cooperation)기술에 대한 연구 성과를 내고 있다( 그림 2 참조).
직관 그리고 HRC(Human-Robot Cooperation)
스티브 잡스, 에디슨, 아인슈타인의 공통점은 무엇일까? 이들은 세계를 놀라게 할 만한 독창적인 아이디어로 세상을 변화시킨 사람들이다.
이 셋은 공통적으로 사람이 보고 느끼는 그대로 생각할 수 있는 직관의 중요성에 대해 이야기하였다.
직관의 대표적인 예는 스마트폰 기술인데 스마트폰을 사용하는 사람은 스마트폰의 사용법에 대한 설명서를 읽지 않아도 보고, 느끼고, 생각하는 대로 스마트폰을 사용한다.
이와 비슷하게 ‘로봇을 직관적으로 사용할 수 있지 않을까?’라는 질문에서 HRC기술이 연구되기 시작하였다.
지금까지 로봇을 동작시켜 작업을 수행하기 위해서는 Teach Pendant라는 인터페이스를 이용하여 로봇의 동작을 프로그래밍 해야 했다.
로봇의 동작을 한 번 프로그래밍하기 위해서는 상당히 많은 시간이 필요하고 프로그램이 완료되었다 할지라도 여러 번의 테스트를 거쳐 오차를 수정해야 정상적으로 로봇을 사용할 수 있었다.
또한 로봇을 프로그래밍 하는 사람은 로봇에 대한 전문적인 교육이 필요하고 현장에서 많은 경험이 있어야 원활히 로봇을 다룰 수 있었다.
이러한 이유로 로봇은 산업현장에서 복잡한 이동경로를 갖지 않는 단순 반복 작업에 적합하였고 대규모 생산능력을 가진중, 대형 공장에서 주로 사용되었다( 그림 3 참조).
HRC기술의 목표는 로봇을 사용하는 사람이 작업하고자 하는 목표를 설정한 뒤 작업자가 보고, 느끼고 생각하는 대로 로봇을 움직이게 하는 것이 목표라고 할 수 있다.
목표를 달성하기 위해서 HREI(Human-Robot-Environment Interaction)라 부르는 사람의 의도를 파악하거나 로봇의 특성과 작업 환경을 인식하기 위한 센싱 기술, 인터페이스 기술, 제어 기술이 필요하다.
이런 기술의 융합으로 로봇과 사람이 접촉하여 움직이면 로봇이 사람을 잘 따라오게 하면서 이동하는 궤적을 로봇이 기억하여 독립적으로 구동하는 기법이나 독립적으로 구동할 때 환경과 일정한 접촉력을 갖게 하는 기법, 무거운 물체를 로봇이 잡고 사람은 로봇을 적은 힘만으로 움직여 원하는 위치에 물체를 놓는 기법, 많이 알려진 수술용 로봇 다빈치와 같은 사용자 직감형 햅틱 디바이스도 HRC기술을 이용한 것이라 할 수 있다.
결국 사람의 장점인 우수한 시각적, 촉각적 감각과 판단, 사고능력을 활용하면서 로봇의 장점인 강력한 힘이나 정밀한 위치결정 능력을 결합한 것이라 할 수 있다.
기존의 프로그램으로 구현하기 어려웠던 복잡한 경로를 갖는 곡선 동작, 직감적이고 신속한 프로그래밍, 환경과 물리적으로 접촉하며 작업을 수행할 수 있는 능력으로 최근에 중소 제조 현장이나 건설현장에 HRC 기술을 적용하려는 시도가 진행되었다( 그림 4 참조).
제조현장의 Human-Robot Cooperation
제조현장의 HRC 로봇 개념의 시작은 다품종 소량생산 방식을 채택하고 있는 중소기업의 역량 강화 및 고용의 질 향상을 위한 프로그램으로 유럽에서 처음 시작되었다.
SME(Small and Medium-sized Enterprises) Robot 프로젝트가 그것이며, 유럽연합 내 22만 여개 중소기업의 지식기반 제조업을 목표로 생산자동화 시설 및 장비의 수명 연장과 탄력적인 운영 및 유지보수 등과 관련한 연구를 수행하였다.
과거 Teach Pendant나 PC 기반 및 기타 프로그래밍 환경 내에서 로봇 자동화 장비를 초기화하였던 과정들을 최소화하고, 숙련된 작업자의 경험과 지식을 기반으로 다양한 생산·제조 품목에 대응할 수 있는 방안을 연구하였다.
예컨대 작업자의 목소리, 제스처 혹은 실제 작업 시연(Demonstration) 등과 같은 직관적인 방법을 자동화 프로세스에 접목할 수 있는 방법론을 제시하였다.
이러한 직관적인 프로그래밍 방식을 로봇의 직접 교시 및 재현 방법론(Robot Direct Teaching and Playback Method)이라 하는데, 이를 통해 취득한 작업 정보를 로봇 및 자동화 장비에 인지시키고, 그것을 로봇과 작업물 사이의 상호작용력(반발력), 시스템의 프로세스 진행 속도 및 공정 흐름 등과 같이 시시각각 변하는 작업 현장의 상황에 맞추어 재현해 내는 기술을 의미한다.
현재 대표적 산업용 로봇 제작업체인 KUKA, ABB, FANUC 등에서 이와 관련된 어플리케이션을 선보이고 있으며 LWR, YuMiⓇ, CR-35iA Collaborative Robot, Rethink Robotics의 벡스터, Universal Robots의 UR 시리즈 등이 이에 해당한다.
최근에는 해당 기술력을 바탕으로 ICT 기술(IoT, IoE)과 접목하여 인간과 로봇뿐만 아니라 로봇과 로봇, 혹은 다수의 로봇과 작업자가 협업할 수 있는 생산 체계를 구축해 나가고 있으며, 유럽에서 진행되고 있는 Industry 4.0 계획은 이를 뒷받침해 주고 있다.
국내에서도 최근 뿌리산업 육성을 위한 HRC 어플리케이션을 개발하고 있는데, 비교적 가까운 미래에는 더 이상 인간과 기계장비 및 로봇·자동화 시스템이 분리된 작업영역을 갖는 것이 아닌 그것을 공유하는 형태로 발전될 전망이다.
또한 이러한 기술들은 생산·제조 산업뿐만 아니라 건설, 국방, 해양, 방제 산업 등과 같이 다양한 분야로 확장될 것으로 판단된다( 그림 5 참조).
▲ 로봇을 쉽게 사용할 수 없을까? 다품종 소량생산을 하거나 중소기업에서는 로봇을 사용할 수 없을까? 내가 하기 어려운 작업을 로봇과 함께할 수 있을까? 이러한 질문에서 HRC 기술이 발달하였다.
건설현장과 Human-Robot Cooperation
건축물을 준공하는 작업에서 대부분의 작업 공정은 다양한 건설 자재들을 운반 및 설치하는 방식으로 이루어진다.
건설 산업에서는 대부분의 건설 자재들을 작업자가 직접 운반하여 설치하였으나 크레인, 포크리프터, 윈치와 같은 다양한 형태의 건설기계 도입으로 인해 대형의 건설 자재를 적용하는 것이 가능해졌고, 그로 인해 건축물을 빠른 시간에 준공하는 것이 가능해졌다.
하지만 기존의 건설기계들은 단순히 건설자재를 들어 올리는 역할만을 수행하기 때문에 건설자재 설치 작업시 작업자의 노동력은 여전히 필요한 실정이다.
이러한 부분에서 작업자의 노동력을 보조하기 위해 HRC 건설로봇이 연구되었다.
HRC 건설로봇은 인간의 작업방법과 노하우를 활용하여 대형의 건설자재를 운반 및 설치 가능한 로봇으로 정의한다.
HRC 건설로봇은 현재의 기술 수준과 건설로봇이 꼭 필요한 작업을 고려하여 기업과 학교에서 다양하게 개발되고 있다.
일본의 KAJIMA社에서는 다양한 조인트로 구성된 ‘Mighty Hand’를 개발하여 건물 내·외부에서 콘크리트와 유리를 설치하는 데 사용하였고, 시미츠社에서는 건물 내부 천장에 건설자재를 설치하는 로봇 시스템을 개발하였다.
오스트레일리아의 Materials Handling Corp.에서는 OKTOPUS GL-V Glazing Robot을 개발하였고, 미국의 Arlington Equipment Corp.에서는 Mobile Ergonomic Handler를 개발하여 상용화하고 있다.
영국의 GGR Corp.와 Peter Hird&Sons Ltd.에서는 Geko Pv+와 Spider Crane을 개발하여 상용화하고 있으며, 독일의 Bavarianlift社에서는 Glassliht, KS Robot Series들을 개발하여 상용화하고 있다.
국내에서는 삼성물산과 한양대를 중심으로 건설현장에 적합한 건설로봇을 개발하여 왔으며 커튼월 설치 로봇을 개발하여 현장에 적용하였다.
또한 건설자재 설치시 직감적인 작업을 위한 힘 제어에 관한 연구를 수행하여 천장유리 설치 로봇 시스템을 개발하였다.
HRC 건설로봇은 대형 건설자재를 운반할 수 있을 뿐만 아니라 작업자가 손쉽게 조작하여 설치 작업이 가능하도록 하는 시스템으로 하중을 고려한 기계 설계 기술, 로봇 제어 기술, 작업방법 기반 인간-로봇 협업제어 알고리즘 기술, 다양한 자재를 핸들링하기 위한 로봇 그리퍼 기술이 포함된 로봇 시스템이다.
이러한 기술들은 건설 산업에서 뿐만 아니라 자재를 운반 및 설치하는 자동차 제조공장, 패널유리 생산업체 등에서 적용할 수 있을 것으로 기대된다( 그림 6 참조).
▲ 작업자의 노동강도가 높은 산업 현장은 건설현장일 것이다. 반면 로봇은 이러한 환경에 적용하기 어렵다. 하지만 HRC 기술의 발달로 로봇과 인간이 건설현장에서 작업을 할 수 있게 되었다.
미래산업의 Human-Robot Cooperation - 착용형 로봇
미래산업에 적용될 HRC의 발전 방향은 착용형 로봇이다.
착용형 로봇(Werable Robot)은 말 그대로 사람이 입는 로봇이며, 외골격 로봇(Exoskeleton Robot)이라고도 한다.
착용형 로봇이라는 명칭보다는 영화 및 애니메이션 등의 매체를 통해 한 번쯤은 영상으로 접해 봤을 것이다.
대표적 영화로 에일리언(Aliens)에서 시고니 위버가 사용했던 로봇과 최근 로버트 다우니 주니어가 주인공인 아이어맨(Iron Man), 톰 크루즈가 나온 엣지 오브 투모로우(Edge of Tomorrow), 맷 데이먼의 엘리시움(Elysium) 등 착용형 로봇 기술을 소재로 한 영화가 많이 개봉되었다.
이렇듯 착용형 로봇은 현재 또는 가까운 미래에 차근차근 다가오고 있는 로봇 기술이다.
착용형 로봇은 착용자인 인간의 몸에 물리적 한계를 보조 또는 극복하기 위해서 개발된 로봇으로 로봇의 인공지능 부분인 자세 제어, 상황 인식, 동작 신호 생성을 사람이 담당하면서 인체 외부에 기계적 구조인 메커니즘에 의해 착용자의 근력을 향상할 수 있도록 개발된 로봇이다.
이와 같은 착용형 로봇을 구현하기 위해서는 인체공학적 설계 기술, 동작 의도 파악 기술, 로봇동작 제어 기술, 로봇 설계 기술 등 다양한 연구 기술이 결합된다.
착용형 로봇은 근력지원 목적에 따라 크게 근력보조(Power Assistance) 또는 근력증강(Power Augmentation) 시스템으로 구분할 수 있다.
근력보조 시스템은 로봇이 착용자의 인체에 직접적으로 힘을 보조해 주는 외골격 로봇으로 착용자는 로봇에 의해 힘을 보조 받아 보다 큰 힘을 낼 수 있도록 지원받는다.
이러한 외골격 로봇들은 주로 노약자에게는 일상생활이 가능하도록 보조 용도로 개발되고 있으며, 장애인에게는 재활치료 목적과 보행 및 생활지원 목적으로 개발되고 있다.
반면, 근력증강 시스템은 로봇을 사용하여 착용자의 힘을 증폭함으로써 사람이 수행하기 힘든 작업을 로봇으로 수행이 가능하도록 지원한다.
이러한 외골격 로봇은 무거운 중량물을 운반하거나 조작하는 산업현장 및 군사 환경에 적용을 목적으로 개발되고 있다.
착용형 로봇은 1890년 러시아인 Nicholas Yagn으로부터 나와 콘셉트에 대해 언급이 시작되었다.
그 후로 여러 연구소에서 연구가 진행되다가 1990년대에 들어서 구동기, 센서, 제어기 등의 발달에 의해서 미국, 일본, 유럽 등 다양한 국가들에서 활발한 연구가 시작되었다.
대표적인 착용형 로봇 연구 사례로 개발 목적에 따라 크게 산업·군사용과 재활용으로 분류하여 소개할 수 있다.
먼저 해외 사례인 군사용으로 ‘Lockheed Martin社 HULC (Human Universal Load Carrier)’는 미국 버클리(Berkeley) 대학교의 Bionics 연구실에서 개발한 착용 로봇으로 군사용 목적을 가지고 개발되었으며 지금은 록히드마틴사에서 독점생산 지위를 갖고 계속적인 연구가 진행되고 있다.
이 로봇은 90kg의 짐을 지고 무려 시속 16㎞로 행군할 수 있도록 개발되었다.
의료 재활용 목적으로 개발한 대표적인 이스라엘의 ARGO의 Rewalk은 하지마비 장애인이 보행이 가능하도록 착용형 로봇으로 개발하였으며 현재 상용화에 성공하여 판매가 이루어지고 있다.
국내 사례로는 대표적으로 HEXAR(Hanyang EXoskeletal Assistive Robot) System이 있으며, 산업·군사용 목적으로 중량물 30kg을 싣고도 사람에 부하가 가해지지 않도록 착용형 로봇을 개발하였다.
또한 편마비 환자 또는 하지마비 환자에게 재활 및 보행보조 할 수 있는 착용형 로봇을 개발하여 하지마비 장애인 적용에 성공하였으며, 상용화를 목표로 진행 중에 있다.
그리고 현대그룹인 현대자동차와 현대로템은 전기로 구동하는 모터 방식과 유압으로 구동하는 방식의 두 가지 타입으로 산업노동에서 작업자의 근력을 증강시키기 위한 착용형 로봇을 개발하였다.
이와 같이 착용형 로봇은 사람의 보조 수단으로 국내외에서 활발하게 연구가 진행 중에 있다.
앞으로 착용형 로봇은 근력지원 방식뿐만 아니라 가상공간에서의 감각을 복원 또는 재구현할 수 있는 실감 구현 장치나, 재난지역 같은 위험한 환경에서 인간의 작업을 위한 로봇의 원격 조정 장치, 훈련용 장치 등 다양하게 연구가 진행될 것으로 보이며 더 많은 산업에 활용이 기대된다( 그림 7 참조).
▲ 영화에서만 보던 착용형 로봇들이 현실화가 되어가고 현실화가 된 착용형 로봇은 영화 제작자들에게 더 큰 영감을 불어넣고 있다. 착용형 로봇은 HRC 기술의 대표적인 사례이다.
글을 마치며 – 더 나은 인간의 삶을 위한 로봇 기술
인간이 지구상에 언제부터 존재했는지는 알 수 없으나 태고의 인간부터 현재를 살아가는 인간의 역사는 노동의 역사라고 말할 수 있다.
선사시대부터 노동 생산성의 발달은 인간의 정치, 경제, 사회, 문화구조를 변화시켰으며 이러한 변화는 인간의 삶의 질을 꾸준히 향상시키는 방향으로 진행되어 왔다.
과감하게 먼 미래를 예측해 본다면 완벽한 인공지능 로봇의 발달로 인간 노동의 역사는 마감될 것이다.
이것만으로도 인간의 삶의 질 향상의 혁신이라 할 수 있지만, 모든 일을 로봇이 스스로 할 수 있다 하더라도 인간과 직접 접촉하여 인간과 교감하며 인간에게 밀접하게 사용될 로봇 기술은 HRC 기술이라 할 수 있다.
현재의 HRC 기술은 아직 기술의 태동기라 할 수 있을 정도로 발전 가능성이 무궁무진하다.
또한 산업적인 측면을 떠나 인간이 존재하고 활동하는 모든 영역에 적용될 수 있는 기술이다.
HRC 기술은 현재와 미래에 더 나은 인간의 삶을 위한 로봇 기술임을 확신한다.