1 스마트코리아 2011 스마트로봇핵심부품동향및전망 2011.10.13 김진오, 광운대학교로봇학부 2011 Kwangwoon University Jin-Oh KIM, Ph.D. in Robotics (jokim@kw.ac.kr)
Contents 2 (1) 로봇과구성요소 (2) 로봇의핵심부품 (3) 로봇과부품의관련성 (4) 로봇산업과부품산업의동향 (5) 결론
Joseph Engelberger: Father of Robotics 3 I can't define a robot, but I know one when I see one. Unimation 사의 Unimate
개발중인서비스로봇들? 4
로봇청소기와청소로봇 5 Waste Allocation Load Lifter Earth-Class 지구폐기물수거 - 처리용로봇
Core Technology of Robotics 6 Perception (Sensing) Cognition (Intelligence) Action (Motion) IS Robotics(USA) 의 irobot
Robot Components 7 Human Interface (3) C Control (2) M Mechanism Task Performance (1) P Sensing Environment Exploration Five Elements of Robot Inside Energy Three Elements of Robot Outside Three Aspects of Robot Intelligence: (1) Environment Correspondence (2) Task Performing Dexterity (3) Human Robot Interaction
로봇과자동차 8 Human Interface C Control A Mechanism Task Performance Six elements of Vehicle Inside Five Elements of Robot Inside Three Elements of Robot Outside P Sensing Energy Environment Exploration Three Aspects of Robot Intelligence: (1) Environment Response (2) Task Performing Dexterity (3) Human Robot Interaction Three Aspects of Vehicle Intelligence: (1) Environment Response (2) Safety Assurance (3) Human Vehicle Interaction
로봇의종류 ( 용도별분류 ) 9 대분류중분류종류 자동차, 반도체, 디스플레이, 산업용로봇 공장제조업용로봇 필드생산용로봇 선박등의제조에사용되는로봇들 - 핸들링, 조립, 디스펜싱, 팔레타이징, 페인팅, 용접등의작업농업, 어업, 축산업, 임업, 광업, 건설용로봇 서비스로봇 전문가용로봇 개인용로봇 의료로봇, 필드로봇 ( 우주, 해저, 위험한곳 ), 검사 / 유지관리용로봇가정용로봇, 장애인용로봇, 엔터테인먼트용로봇, 교육용로봇 군용로봇 육, 해, 공군용로봇 다양한방어와공격을목적으로하는로봇들, 군대의유지관리에필요한로봇들 지능형로봇은무엇인가?
Manipulability 10
Mobility 11 Wheeled Legged Climbing Crawling Unmanned Aerial Vehicle Unmanned Underwater Robot
Before and After Robot Application 12 BEFORE AFTER Human - Task human ROBOT - task Impossible Task Amplification/ Extension human Robot task Collaboration task: 로봇이할수있는작업 human: 로봇을조작할수있는인간 ROBOT: 인간이조작할수있고작업을수행할수있는로봇
로봇부품이 Mechatronics 부품인가? 로봇학의정의와발전방향 13 Human, Task Robotics= to design this change Robot = Mechatronic interface connecting Human and Task human ROBOT task Mechatronics Motion human Generator, ROBOT, task Fixed Automation Robotics 로봇학은인간의기능을나누고증대시키는역할을하는로봇을중심으로인간과작업을포함하는시스템학문이다.
Why difficult? - 세가지기술장벽 14 그세가지기술의한계는무엇이며 그것을어떻게극복할것인가? 기술적한계의예 : (1) Actuator의한계 (2) Energy의한계 (3) Intelligence의한계 전략 1: 한계를뛰어넘는기술개발 ( 비전중심 ) 전략 2: 한계를인정하는기술개발 ( 실용중심 ) 전략 3: 어중간한개발 ( 비전과한계를동시에추구 ) 핵심부품의로봇발전에의영향을매우크다.
Robot 의핵심부품 15 Human Interface (3) C Control (2) M Mechanism Task Performance (1) P Sensing Environment Exploration Five Elements of Robot Inside Energy Three Elements of Robot Outside Robot 의핵심부품 : 1. Mechatronics 관련부품 2. Task 관련부품 3. Environment (Perception) 관련부품 4. Interface 관련부품 5. Energy 관련부품
(1) Mechatronics 관련부품 Components in a typical positioning system PROGRAMMABLE MOTION CONTROLLER DRIVE MOTOR POSITIONING Mechanism Stand alone PC based PLC Full/half Step Microstep Analog Interface Servo Digital Interface Servo Stepping Brushed Servo Brushless Servo Resolver Encoder Tachometer Rotary Linear
직선축과회전축 17 Prismatic Revolute/ Rotational Cartesian 3 0 Popular Cylindrical 2 1 Not Popular Spherical 1 2 Not used Articulated (Horizontal) Articulated (Vertical) 1 2 Less Popular 0 3 Popular
Bearing 자유도 5 개를구속한다. (Rotary and Linear)
Actuators 19
Motors for robots 20 Hybrid Step Brushed Servo Brushless Servo
공압기반인공근육 21
Electroactive Polymer(EAP) 22 Artificial Muscle Inc.
Motor Encoders and F/T Sensor 23 Potentiometer Strain Gauge Encoder Strain Gauge 활용방법
Inertial Navigation System 24
Power Transmission 25 Circular Spline Wave Generator Flexible Spline Harmonic Drive Ball Screw
(2) Task 관련부품 : End-effectors 26 Hand and Tool
(3) Perception Environment 관련부품 27 Analog Digital 센서 ADC 0, 1, 10, 1011 ( 전압 / 전류 )
로봇의센서들 (1) 28 적외선 적외선 전류 Vout Vout A: 수광없음 B: 수광됨 < 적외선발광센서 > < 적외선수광센서 > 시간 A B A 검정 흰색 발광 수광 발광 수광 < 반사식 > < 투과식 > 빛감지용광전센서 (CdS 황화카드뮴센서 ) 적외선센서 초음파센서 물체와의거리 = 측정시간 x 음파속도 /2 ( 음파속도 = 340m/s)
로봇의센서들 (2) 29 마이크로스위치광전센서 ( 발광수광모두포함 )
로봇의센서들 (3) 30 Vision sensor: Camera
Indoor Position Sensing 31 하기소닉
Scanning Laser Rangefinder 32 Hokuyo s URG-04LX detectable range is 20mm to 4000mm 100msec/scan 5V operating voltage 240 area scanning range with 0.36 angular resolution USB and Serial (RS-232) interfaces for maximum flexibility
Cognition 33 제 2 차세계대전중에암호해독등으로두각을나타냈으며컴퓨터과학의아버지로불리는앨런튜링 (Alan Turing, 1912-1954) 은지능을정의하기위해 튜링머신 을개발하였다. 그가고안한튜링테스트 (Turing Test) 란다음과같다.
로봇의 3 가지지능 34 Human Interface (3) C Control (2) A Mechanism Task Performance (1) P Sensing Environment Exploration Five Elements of Robot Inside Energy Three Elements of Robot Outside Three Aspects of Robot Intelligence: (1) Environment Correspondence (2) Task Performing Dexterity (3) Human Robot Interaction
(4) Human Robot Interface 35 Computer 의주변기기 Input Device: Keyboard, Direct Teaching, Touch Screen, Microphone Output Device: Display, Sound Speaker Robot Terminal:
Human Robot Interface 36 Master Arm (Force Dimension)
Human Robot Interface 37 MIT, Kismet
(5) Energy ( 전지 ) 38
Energy ( 연료전지 ) 39 Source: KIST 연료전지연구센터
로봇 vs. 부품 40 두가지상반된주장 : 부품이없어서로봇이안된다. 로봇시장이크지않아부품이따라가지않는다. 로봇만을위한부품이있을까? S/W 는로봇만을위한것이있다. H/W 는로봇만을위한것은없다. 부품이발전하면로봇기술은발전하는가? Yes. But 80% is correct. ( 수많은고기능, 고성능의로봇들의탄생이쉬워진다 ) 부품은로봇기술발전의 Bottleneck? Yes or no. About 30% is correct. ( 전기모터가없었어도로봇은발전한다 ) 로봇시장이확대되면부품은발전하는가? Yes. 100% is correct. ( 예 : 로봇청소기에서의부품 ) 부품이국산화되면한국로봇산업이발전하는가? No. But 20% is correct. ( 로봇기업은로봇기업끼리경쟁 ) 대부분의결정은경제원칙에따라이루어짂다. 부품과로봇은같이움직이지만산업적동일성은낮다.
전통적인 Supply Chain 41 로봇부품들 로봇완성품 로봇 SI 또는 Service End-user 부품기업이로봇사업을성공한예는거의없다. 왜? (1) 로봇은 Product/Commodity Biz 가아니라 System/Solution Biz 이다. (2) 고객과멀어질수록성공가능성은적다. (3) 부품기업들은로봇의구성기술을이해못한다. (4) 부품기업들은그들의고객과경쟁하는문제가발생한다. (5) 일반적으로부품기업들은로봇산업에관심낮다. 로봇부품기업의예 : Harmonic Drive 사 ( 일본 ) vs. Artificial Muscle ( 미국 )
IT 부품기업의로봇 42 서비스로봇 핵심요소 시장 IT 산업, 가전부품산업, 정밀산업 생산기술 시장 첨단제조업용로봇 이래서삼성전자가로봇을한다.
IT 서비스기업의로봇 43 IT 서비스 ( 통신 ) New IT+ 로봇서비스 로봇기술 여기서는로봇이부품기술이다. KT 와 SKT 가이런사업을한다.
KT 의 KIBOT 44
Telepresence (Electronic Times, 6/25/2007) 45
10 대차세대성장동력산업 ( 참여정부 ) 46
로봇청소기가격 로봇청소기와부품 47 현상 : 가격 : 30 만원 ~ 80 만원대 청소 + 건강 + 경비 / 안전 아이로봇 : 600 만대판매 IT 기술융합 로봇청소기확산 로봇청소기부품출현 복합화 : 건강, 경비 / 안전 로봇청소기부품의타분야활용 -> 로봇발전 1990 2000 2010 년도 최초의가정용로봇청소기 1991 년의삼성전자의 Scout-About
공용부품의수 자동차와로봇 48 현상 : 전기자동차의발전과자동차의지능화요구에따라자동차와로봇기술이통합적방향으로가고있다. 부품기업은자동차와로봇에동시에부품공급 : 시장확대 로봇기업은염가의부품사용가능성증대. Toyota Segway Segway 로봇기술융합 자동차부품 -> 로봇부품 전기자동차확산 로봇의동반성장 경제적인에너지시스템 현재 2020? 년도
Three Trends in Robot Ecosystem (1) Robot Fusion: 2001 ~ 퍼스널로봇과제, 기획위원장 (2001) 차세대성장동력 10개중하나로로봇산업선정됨 (2003) 차세대성장동력, 기획단장 (2003~2004) (2) Robot Plus: 2005~ 로봇종합발전계획 (2005) 차세대성장동력실무위원장 (2004 ~2008) (3) Robot Rush: 2008~ 로봇특별법 (2008) 로봇산업정책포럼의장 (2006 ~ 2008)
(1) Robot Fusion 50 Technology fused into (integrated into) robots for better performance or new performance Motor Technology (1970 - ) Computer Technology (1980 - ) Sensor (Digital Camera) Technology (1990 - ) Information Technology (1995 - ) Mobile Communication Technology (2005 - ) Understanding Human (2012 - ) 3D Recognition Technology (2015 - ) Battery Technology (2015 - ) New Actuators (2015 - ) Intelligence Technology (2020 - ) Bio Technology (2040 - ) Robot Fusion 의핵심은로봇부품이다. 현재는 IT 부품이중요
(2) Robot Plus 51 Robot+Anything: Combining two domains to create new applications (benefits/values). Robot+Education: to teach creative problem solving Robot+Culture/Art: to have better effect Robot+Illumination: to have dynamic illumination Robot+Sports: to have better improvement Robot+Home Network: to have better home environment Robot+Automobile: to have more comfortable and reliable riding This trend brings robotists into many new different applications. That is, robotists are interested in applying their technology to other fields. 로봇부품기업이그응용을자동차로확대하는것
(3) Robot Rush 52 Relying on robots to solve current issues and/or problems to make better world; Problem domains invite robots to themselves. Issues of energy, environment, and disasters Issues from super-aged society Issues from empty agricultural town Issues from defense/security This trend is motivated by non-robotists (potential user groups). All companies (manufacturing products and Providing services) All government ministries All local governments All universities and schools All persons from young to old This trend is different from Digital Convergence as in Cellular Phone 핸드폰기업이핸드폰을부품으로사용하는로봇을하는것 : 예 KT, SKT 로봇기술을 Embedded 형태로가져다사용하는기업들이늘어나고있다.
Three Trends in Robot Industry 53 Market: Lots of New ROBOTs Application Fields: Robot Plus Design of New Order/Standard Robot Rush Technology: Robot Fusion
Killer app? 54 등장하자마자경쟁상품을몰아내고시장을완전히재편하는제품이나서비스를말한다. 미국노스웨스텐대래리다운스교수가금속활자, 도르래, 증기기관, 백열전구, 엘리베이터, 원자탄등을 킬러애플리케이션 (killer application) 이라고명명하면서시작됐다. 킬러앱은시장을완전히지배하면서초기투자비용의수십배를단기간에회수하는폭발력을지닌다. 이기술들은한결같이처음개발한사람이의도한것보다훨씬큰충격을사회정치경제시스템에미쳤다. (naver 용어사전 ) Killer app의예 탈것 : Vehicle -> Motor Vehicle 통신 : 유선전화기 -> 무선전화기 통신 + 통신 : 인터넷 + 무선전화기 -> Smart Phone 복사 : Blue Print -> Xerox복사기 -> Canon복사기 청소 : 청소기 -> 로봇청소기? 소방 : 소방수 -> 소방로봇? 비행 : 조종사 -> 무인비행? 로봇에서는 Killer app 이라는용어가적당하지않다. 왜? 로봇은 Human 의역할을 human 과 ROBOT 으로나누는것이므로작업 (Application) 의영역이아니다. 로봇은기술을바탕으로사회곳곳에스며들어가사회구조 ( 시스템 ) 의변화를일으킬것 로봇의기술을발달하여로봇의경쟁상품이존재한다면그것은인간이다.
결론 55 (1) 로봇사업을비관적으로보는자 - 로봇사업으로돈을번기업이있나? - 로봇 Maker 와로봇 User (2) 로봇은 Mega Trend 로발전 : 로봇은불가피한선택이다. (3) 로봇산업이발전하면부품산업은반드시발전한다. (4) 로봇부품의발전방향 : 1. Smart 시스템화, 2. 염가화, 3. Just Enough (Minimalism) 4. 대량생산되는로봇청소기와함께발전, 이어서자동차산업의로봇화를기대