2014.07.04 로봇기술의개요및개발현황 - 서비스로봇중심으로 - 오용환 실감교류로보틱스연구센터 (IRRC) 한국과학기술연구원 (KIST)
목차 로봇 (Robot) 의개념 로봇산업의시장동향및정책 로봇핵심기술및개발현황 KIST 실감교류로보틱스연구센터현황 로봇기술의 Dilemma? Interaction & Robotics Research Center 1
로봇의개념 Interaction & Robotics Research Center 2
로봇 (Robot)? Interaction & Robotics Research Center 3
로봇 (Robot) 의정의 Oxford 사전 A machine capable of carrying out a complex series of actions automatically, especially one programmable by a computer. A machine resembling a human being and able to replicate certain human movements and functions automatically. Merriam-Webster 사전 A real or imaginary machine that is controlled by a computer and is often made to look like a human or animal. A machine that can do the work of a person and that works automatically or is controlled by a computer Machine that looks like a human being and performs various complex acts (as walking or talking) of a human being. Encyclopedia Britannica Automatic Programmable Any automatically operated machine that replaces human effort, though it may not resemble human beings in appearance or perform functions in a humanlike manner. Int. Federation of Robotics An actuated mechanism programmable in two or more axes with a degree of autonomy, moving within its environment, to perform intended tasks. Interaction & Robotics Research Center 4
어원과유래 Robot 1920 년체코의극작가 Karel Čapek 의희곡 R.U.R.(Rossum's Universal Robots) 에서처음사용. 체코어의노동 (Forced Labor) 을의미하는단어 Robota' 에서유래. Robotics 1942 년 Isaac Asimov 의 SF 소설 Runaround Branch of technology that deals with the design, construction, operation, structural disposition, manufacture and application of robots. 전기 / 전자 기계 Robots Software Interaction & Robotics Research Center 5
Three Laws of Robotics (Asimov s Laws) 1. A robot may not injure a human being or, through inaction, allow a human being to come to harm. 2. A robot must obey the orders given to it by human beings, except where such orders would conflict with the First Law. 3. A robot must protect its own existence as long as such protection does not conflict with the First or Second Law 0. A robot may not harm humanity, or, by inaction, allow humanity to come to harm. Interaction & Robotics Research Center 6
공상과학속의로봇기술 완전자율형원격조종형착용형 / 탑승형 Cyborg 형 < 철완아톰 (1963) > < 철인 28 호 (1963) > < 마징가 Z (1972) > < 600 만불의사나이 (1972) > < 바이센테니얼맨 (1999) > < 히노키오 (2005) > < Alien (1979) > < 로보캅 (1987) > < 스타워즈 (1977) > < 리얼스틸 (2011) > < 아이언맨 (2008) > < 공각기동대 (1995) > 일본과미국의로봇에대한견해차이? Interaction & Robotics Research Center 7
로봇의용도별분류 한국 서비스로봇개인서비스용전문서비스용 제조업용로봇 정의 인간의생활범주에서제반서비스를제공하는인간공생형대인지원로봇 불특정다수를위한서비스제공및전문화된작업을수행하는로봇 제조현장에서제품생산에서출하까지공정내작업을수행하기위한로봇 가사및생활지원, 청소, 오락, 교육등 공공안내, 의료복지, 건설, 군사, 우주, 해양, 원자력등 용접, 도장, 조립, 물류검사, 가공, 공정검사등 활용분야 일본 비산업용로봇 ( 개인용로봇 ) 비제조업용 산업용로봇 제조업용 IFR Service Robot for Personal Use Service Robot for Professional Use Industrial Robot Interaction & Robotics Research Center 8
로봇의용도별정의 Industrial robot [IFR] An automatically controlled, reprogrammable, multipurpose manipulator programmable in three or more axes, which may be either fixed in place or mobile for use in industrial automation applications Service Robot [IFR] A robot which operates semi- or fully autonomously to perform services useful to the well-being of humans and equipment, excluding manufacturing operations Personal Service Robot A service robot used for a non-commercial task, usually by lay persons. Professional Service Robot A service robot used for a commercial task, usually operated by a properly trained operator. Intelligent Robot [ 한국 ] 외부환경을인식 (Perception) 하고스스로상황을판단 (Cognition) 하여자율적으로동작 (Mobility & Manipulation) 하는로봇 Interaction & Robotics Research Center 9
산업용로봇 vs. 서비스로봇 제조용 ( 산업용 ) 로봇 서비스로봇 사용목적 사용환경 원천기술 격리된공간 고정성, 구조화된환경 단순반복작업 작업공간 가반중량 (Payload) 작업속도 위치정밀도 사람과공존 이동성, 비구조화된환경 복잡다양한작업 기존산업용로봇의기술 대인 / 대물안전성 (Safety) 제어의강인성 (Robustness) 작업의유연성 (Flexibility) Interaction & Robotics Research Center 10
각분야의기술적키워드 제조용 ( 산업용 ) 로봇 단순반복작업수행 주로고정형 고속, 고정밀도, 고출력 전문서비스용로봇 개인서비스용로봇 특정작업수행 자율이동 원격제어 복잡다양한작업수행 인간공존 자율적학습및판단 Interaction & Robotics Research Center 11
( 서비스 ) 로봇의발전방향 정보제공형 서비스로봇 작업수행형 서비스로봇 제조용 ( 산업용 ) 로봇 전문서비스용로봇 개인서비스용로봇 수요자의높은필요성이존재 ( 사용목적및실용성 ) 개인서비스로봇에비해기술과고객면에서모두시장진입이용이 산업용로봇과개인서비스로봇사이를이어주는가교역할을수행 반복작업 / 노동대체 / 생산성향상 자율동작 / 인간공존 / 삶의질향상 Interaction & Robotics Research Center 12
로봇산업의시장동향및정책 Interaction & Robotics Research Center 13
로봇시장현황 세계로봇시장현황 세계로봇시장규모는 2011 년기준전년대비 35.1% 증가한약 127 억달러로추정 제조용로봇의시장점유현황은일본 (17.5%) > 미국 (17.47%) > 독일 (12.7%) > 한국 (5.8%) 서비스용로봇은연평균 25.7% 의매우높은성장세 국내로봇시장현황 2012 년생산액기준으로제조업용로봇 (76%) > 서비스용로봇 (16%) > 로봇부품 (8%) 2003-2012 동안우리나라로봇산업의생산액은연평균성장률 32.6% 로 2003 년 1,680 억원 2012 년 2 조 1,327 억원의규모를달성 제조업용로봇이최근다소성장이둔화된반면, 서비스용로봇이가파르게성장. Interaction & Robotics Research Center 14
로봇시장의발전단계 제 1 세대 : Playback 로봇 단순반복작업에사용되는자동화로봇시대 제 2 세대 : 센서 ( 감각 ) 피드백에의해작업할수있는로봇 저가의청소로봇, 장난감로봇 고가의군사용, 의료용및 R&D 로봇 제 3 세대 : 지식을바탕으로작업을실행할수있는로봇 사람과자연스러운상호작용이가능한 Humanoid 로봇의상용화시대 현재의로봇시장은제 2 세대에해당함! Interaction & Robotics Research Center 15
해외로봇산업정책동향 2011 년첨단제조파트너십 (AMP) 추진의일환으로로봇산업육성을위한국가로봇계획 (National Robotics Initiative, NRI) 을발표하고제조로봇 (Co-Robot) 개발추진 인공지능, 이동, 센서 / 센싱원천기술분야의강점을바탕으로스마트 클라우드융합시대도래에따라, 클라우드기술을활용한로봇공통운용 SW 및플랫폼개발추진 ( 최근 Google 이 10 개의로봇회사를인수 ) 2014 년부터연구 혁신프로그램 Horizon 2020 을통해국민의지속가능복지를위한 로봇동반자 (RoboCom) 프로젝트 추진 덜조직화되고불확실성이높은중소기업의산업환경 수요에적합한인간 - 로봇공동작업체계 (SMErobotics Work System) 연구 개발 산업용로봇세계 1 위의경쟁력및부품분야최고기술력을바탕으로, 실버 의료부문서비스용로봇에투자확대 로봇안전성이이슈로대두할것에대비하여, 생활지원로봇안전검증센터 를구축 (2000.12) 하고, 안전성국제표준 인증체계선점에주력 첨단제조로봇으로부터우주 극지개발에이르기까지기초 원천및응용기술을폭넓게지원 과학기술 5 개년계획 (12 차, 11~ 15) 을통해기초연구기술 주도기술 혁신응용기술등로봇개발 3 단계목표를설정하여투자지원 Interaction & Robotics Research Center 16
국내로봇산업 SWOT 분석 Strength Weakness 최근 10 년간국가차원의집중적인 R&D 투자를통한경험축적 반도체, 디스플레이, 휴대폰등 IT 기반기술의경쟁우위 빠른추진력및상용화경험 높은로봇수용도 ( 익숙한로봇문화 ) 글로벌경제위상 경제규모의열세 ( 인구기준일본의 1/3, 미국의 1/6) 로인한작은내수시장규모 부품등핵심요소기술취약 장기적비전과실천부족및단기성과중심 SW 및콘텐츠인력이빈약 중견기업의인프라부족 ( 중소기업위주 ) 연구개발의부처간갈등 Opportunity 안전사회 / 복지사회구현등사회적추세변화에따른로봇필요성증대 중소기업을중심으로한로봇중요성인식확대, 중소기업강화정책활성화 중국의로봇시장폭발성장 제조업중심의개도국수요증가 Threat 강력한해외경쟁자 : 수술로봇, Google 등미국의로봇기술강세및시장선점 중국의본격적인로봇기술개발투자 R&D 투자에대한성과미흡및중복성시비 유럽, 일본중심의인증주도및국가간정부의투자강화 기술적장애요인및시장미성숙 Interaction & Robotics Research Center 17
로봇핵심기술및개발현황 Interaction & Robotics Research Center 18
로봇의핵심기술및범위 로봇핵심기술군 세부기술예시 이동지능작업지능 HRI 및지능부품및부분품 평지이동, 험지이동 센서기반위치인식, 비전기반위치인식 정리정돈을위한경량물조작 지능기반물체인식 학습기술및지능체계, 상황인식및추론, DB기반대화기능, 생체신호인터페이스등 센서모듈, 로봇용 SoC, 신소재액추에이터등 플랫폼 H/W 플랫폼, S/W 플랫폼, 네트워크기술 Interaction & Robotics Research Center 19
로봇의구성요소 센서 (Sensor) 제어기 (Controller) 위치센서 자세센서 촉감및역감센서 시각센서 구동기 (Actuator) 기구 (Mechanism) 조작부 (End-effector, Manipulator) 이동부 (Wheel, Leg) Electric Servo Motor Hydraulic Actuator Pneumatic Actuator Interaction & Robotics Research Center 20
로봇의동작메커니즘 < 판단 > 지능및제어기 구동기 메커니즘 ( 기구 ) < 행동 > 외부환경 ( 작업대상 ) 센서 < 감지 > Interaction & Robotics Research Center 21
요소기술및로봇시스템 End-effector Manipulator Mobility Interaction & Robotics Research Center 22
Robot Hand 발전경향 < Artificial Hand > 기능 < Dexterous Hand > < Simple Gripper > < Under-actuated Hand > Actuator Mechanism Sensor 자유도 / 시간 Interaction & Robotics Research Center 23
Robot Hand 개발현황 Interaction & Robotics Research Center 24
Manipulator 분류 < Cartesian/Gantry Robot > < Cylindrical Robot > < Spherical/Polar Robot > < SCARA Robot > < Articulated Robot > < Parallel Robot > Interaction & Robotics Research Center 25
Manipulator 발전방향 Position Interaction Single arm Dual arm 구동기의모듈화 기능 < 6-DOF Arm > < Dual Arm > < 7-DOF Arm > 자유도 Interaction & Robotics Research Center 26
Manipulation 기술개발현황 Interaction & Robotics Research Center 27
이동성 (Mobility) 발전방향 Guided Plane Indoor Terrain Outdoor Terrain Natural Environment Wheeled Robots < AGV System > < Indoor Mobile Robot > < Rough Terrain Mobile Robot > Legged / Legged-Wheeled Robots Biomimetic Robots Interaction & Robotics Research Center 28
Wheeled Mobility 현황 Interaction & Robotics Research Center 29
Biomimetic Mobility 현황 Interaction & Robotics Research Center 30
작업형서비스로봇의분류 상반신형서비스로봇바퀴형서비스로봇휴머노이드 이동성이없음 바퀴에의한이동 이족보행에의한이동 흔히이두형태를지칭함 Interaction & Robotics Research Center 31
작업형서비스로봇개발동향 연도 2006 ~ 2009 2006 ~ 2009 2007~ 이름 Main Contributio n 접근방식 ( 타이틀 ) SmartPal V Research Platform PR2 (Personal Robot 2) Open Research Platform - Redundant Actuation System Rollin Justin Joint torque sensor based control Closed-loop Joint Torque Control Home Assistant Robot Research Platform TWENDY-ONE Sensor Fusion - Passive Joint Impedance Tactile sensor 외관 성능및시연수준 한손 - 한팔로바닥에있는물체집어옮겨놓기 전기콘센트넣기 문열기 수건접기 뚜껑열기 양팔 - 양손으로바닥물체집어옮겨놓기 바닥에물건집기 의자밀기 물체재방향제어 간접파지제어 Interaction & Robotics Research Center 32
작업형서비스로봇의현황 Interaction & Robotics Research Center 33
휴머노이드로봇의현황 Interaction & Robotics Research Center 34
인간형로봇형태의분류 Humanoid Android / Gynoid Cyborg A robot that is based on the general structure of a human A humanoid robot does not necessarily look convincingly like a real person A humanoid robot designed to look as much like a real person as possible. Cybernetic Organism A person whose physiological functioning is aided by or dependent upon a mechanical or electronic device. Robotics Robot Application Interaction & Robotics Research Center 35
실감교류로보틱스연구센터현황 Interaction & Robotics Research Center 36
KIST IRRC R&D History 1994 Motion 1999 Wheel-based Mobility Network Robots 2001 2002 2004 2005 2006 Model-based Robot Coexistent Robots & Interaction Learning & Autonomy 2007 2009 2010 Human-like Head-Eye Robot HECTER Biomimetic Robot MIMOT Manekin Robot, SejongRobot Co. Home Maid Humanoid MAHRU-Z & MAHRU-M Home Service Robot ISSAC WooriTech. Co. Network-based Humanoid MAHRU Babybot 1 Guide Robot BUTLER Babybot 2 Interaction & Robotics Research Center Network- Based Humanoid MAHRU-3 Restaurant Guide Robot ARO ED Co. Multi-Touch User Interface (Display) Tele(Remote) English Teacher VANI Samil CTS Co. 37
Real-time Motion Imitation Real-time Human Motion Imitation of a humanoid robot < Robot Dance (Tell Me) > < Upper-body Motion Imitation > < Complex Path Autonomous Walking > < Whole-body Motion Imitation > Interaction & Robotics Research Center 38
Robotic Arm - Compliance Control Objective : Compliance Control of a Redundant Manipulator for Safety of Service Robots < Compliance Control > < Balancing Ball-on-Plate > Interaction & Robotics Research Center 39
Robotic Hand Object Grasping Objective : Object Grasping and Manipulation with a Four-fingered Robotic Hand Object Extrinsic Parameters Thumb 12 DOF Hand Finger-Thumb Opposition Controller External Force/Torque Signal Index Finger Middle Finger Third Finger Object < Envelop Grasping > < Lid Opening > Interaction & Robotics Research Center 40
Power Assistance - Control Human and Task Adaptive Control for Power Assistance Robot EMG Signals Task Error F/T Sensor Minimum Effort Task Performance Muscular Strength Comfort Human Torque Augmentation Torque Sensor Value < With wrist torque augmentation > < Without wrist torque augmentation > Interaction & Robotics Research Center 41
Robot Arm-Hand Coordination Interaction & Robotics Research Center 42
로봇기술의 Dilemma? 공익성및사회적문제해결 국방, 우주 재난재해구조 일상생활 ADL 보조 Interaction & Robotics Research Center 43
로봇의미래전망 Interaction & Robotics Research Center 44
National Geography, 2011.08 감사합니다! oyh@kist.re.kr Interaction & Robotics Research Center 45