美 로보틱스 로드맵 보고서 삶의 질 향상, 그리고 인간의 역량강화를 위한 로봇(上)
이성운 2017-02-27 11:37:00

 

지난 몇 년간 제조업과 보건의료에서부터 자율주행자동차와 무인 항공기에 이르기까지 로봇기술은 비약적 성장을 거듭해 왔다. 이뿐만 아니라 통신시스템, 디스플레이 및 영상시스템에서도 놀라운 성과를 이룩했다 . 이러한 변화양상을 소개하기 위해 미국 내 150여명의 로봇 과학자들이 참여해 ‘로봇공학 로드맵 2016’을 기획했다. 이에 본지에서는 최신 기술동향이 소개된 로봇공학 로드맵 2016을 살펴본다.

 

Ⅰ. 서론
Ⅱ. 주요 로봇연구 분야별 분석
1. 제조/유통
2. 차세대 가정용로봇/전문서비스로봇
3. 보건의료 재활 및 복지
4. 국방/재난안전
5. 우주
Ⅲ. 결론

 

Ⅰ. 서 론

로봇산업이 반세기를 맞이하면서 로봇은 우리 곁에서 힘들고, 더럽고, 위험한 일을 대신 해주었다. 오랫동안 단순한 동작을 반복하는데 그쳤던 로봇이 이제는 스스로 차량을 운전하고 환경오염을 감시하며, 우주를 탐험하고 있다.

또한 첨단 IT 기술과 만나 로봇은 우리의 일상을 더욱 편리하게 만들어 주고 있으며, 우리의 삶 곳곳에서 변화를 일으키고 있다. 이러한 변화 양상을 소개하기 위해 미국에서 기획된 ‘로봇공학 로드맵 2016’은 로봇 및 자동화기술이 가져올 사회적 변화, 최신기술 도입촉진, 기술 활용을 위한 정책 프레임워크 등을 바탕으로 미국이 로봇기술과 로봇혁신분야에서 주도권을 유지하기 위해 나아가야 할 방향을 제시한다.

 

Ⅱ. 주요 로봇연구 분야별 분석 

1. 제조/유통


1) 제조업의 미래
제조업에 대한 연구와 교육투자는 미국의 제조업을 부흥시킬 것이다. 과학기술연구와 제조업은 투자대비 높은 효용을 창출하기 때문에, 미국이 보유한 가용자원의 극히 일부를 투자하는 것만으로도 제조업에 종사하는 노동자와 일반 소비자에게 긍정적인 효과를 불러올 수 있다.

또한 이와 같은 연구개발 프로그램은 보건의료, 농업 및 운수산업 발전에 기여할 뿐만 아니라, 미국의 방위산업, 에너지산업 및 국가안보 강화 효과를 가져 올 것이다. 연구개발은 이른바 ‘Made in USA’ 정책을 강화하고, 향후 반세기동안 미국의 제조업 부흥시대를 이끌어 갈 것이다. 그러나 연구 성과가 경제성장으로 이어지려면 반드시 기초연구가 뒷받침 되어야만 한다.
이러한 로봇과 자동화 기술이 제조업 전반에 확산되면 ▲지적재산의 국외유출 방지 ▲기업의 시장경쟁력 유지 ▲로봇유지보수 및 교육훈련과 관련된 일자리 창출 ▲인간과 로봇이 상호간에 단점을 보완하는 협업시스템 도입 ▲보건의료비 지출절감 ▲소매시장 수요변화에 신속한 대처 등의 변화를 불러올 것이다.

 

2) 제조업의 핵심역량 개발계획


◆가변 및 재구성 방식 조립라인

오늘날 미국의 제조업은 신제품 개념설계와 실제 생산과정 사이에 커다란 간극이 존재한다. 예컨대 신차 개발에 소요되는 리드타임은 무려 24개월에 달한다. 따라서 기존 생산설비를 다품종 소량생산이 가능한 ‘위크셀(Work Cell)’ 형태로 재구성할 필요가 있다. 이와 관련해 미국 제조업이 향후 15년 이내에 달성해야 할 목표는 다음과 같다.

 

·5년 : 24시간 이내에 산업용 로봇 팔, 각종 기구, 부자재 취급용 장치를 이용해, 신제품 생산에 필요한 기초 조립라인을 설치, 구성 및 프로그래밍
·10년 : 8시간 이내에 기초 조립라인을 설치, 구성 및 프로그래밍
·15년 : 1시간 이내에 기초 조립라인을 설치, 구성 및 프로그래밍

 

◆자율주행

자율주행 시스템은 자동화 광산 ·건설장비, 원료가공설비 공급시스템, 조립라인 자재취급용 무인차량 시스템, 검사 ·시험라인 자동이송시스템, 재고관리 및 유통과 같은 물류 지원시스템에 영향을 줄 수 있다. 고정 장애물, 유인운전차량, 보행자 또는 동물 등의 비정형화된 주변환경 속에서 안전하게 자율주행 할 수 있는 기술을 확보하려면, 연구개발에 상당한 투자가 필요하다. 이러한 자율주행 시스템의 로드맵은 다음과 같다.

 

·5년 : 조명과 표식이 설치된 도심 포장도로에서 인간 운전자와 동일한 안전운전을 보장하는 자율주행 기술 확보
·10년 : 모든 형태의 도심 포장도로 및 비포장도로에서 주행능력 확보와 주변 차량이 예상치 못한 고장 및 오작동의 경우에도 사고회피 가능
·15년 : 인간과 동일한 주행능력 확보와 과거에 경험하지 못했던 악천후, 센서고장 등의 조건에서도 어떻게 주행할 것인지 스스로 학습 가능

 

◆친환경 제조업

친환경 제조업의 로드맵은 원료채굴 및 처리과정에서부터 제조, 완제품 유통 및 폐품 재활용에 이르기까지 제조업 전반에 걸쳐 발생하는 모든 형태의 폐기물을 재활용하는데 초점을 두고 있다. 폐기물 처리방식에 전면적 변화를 유도하려면, 친환경 제조기법을 개발하고 그것에 따라 제품을 설계해야한다. 따라서 제조업 인프라 재사용, 원자재 재활용, 연료 및 전기소비량 감축 그리고 기존 생산시스템 용도변경 등에 관심을 기울여야 한다. 이러한 친환경 제조업의 로드맵은 다음과 같다.

 

·5년 : 원자재 15% 재활용, 장비 50% 재사용, 에너지 소비량 2010년도 대비 90% 수준으로 감축
·10년 : 원자재 25% 재활용, 장비 70% 재사용, 에너지 소비량 2010년도 대비 50% 수준으로 감축
·15년 : 원자재 75% 재활용, 장비 90% 재사용, 에너지 소비량 2010년도 대비 10% 수준으로 감축

 

◆덱스트러스 매니퓰레이터

로봇 팔과 손은 결국 인간의 능력을 넘어서게 될 것이다. 로봇은 이미 힘과 속도에서 인간을 압도하고 있다. 그러나 현존하는 로봇은 아직 인간처럼 정교한 손동작은 할 수 없다. 아직도 로봇기술은 인식능력, 견고한 감지능력, 계획 및 제어능력에서 인간에게 뒤쳐져 있기 때문이다. 이러한 덱스트러스 매니플레이터의 로드맵은 다음과 같다.

 

·5년 : 10개 미만의 독립관절이 부착된 로봇 손, 사물을 힘껏 움켜쥘 수 있음
·10년 : 10개 이상의 독립관절이 부착됐으며, 자체 메커니즘과 작동장치를 구비한 로봇 손, 제한적인 손가락동작 재현
·15년 : 인간의 손동작을 모사할 수 있는 병렬 처리형 촉각센서가 부착된 로봇 손, 생산라인 근로자가 취하는 손가락동작 재현

 

◆모델기반 통합 및 공급사슬 설계

컴퓨터와 정보과학이 발달함에 따라, 물리적 제조공정을 모델링하고 추론하는 것이 가능해 졌다. 제조업과 데이터베이스 ·컴퓨터 기술이 결합된다면 품질과 신뢰성이 향상된 제품을 저렴하고 빠르게 시장에 공급할 수 있을 것이다.

 

·5년 : 이형부품 제조 및 조립과정 분야에서 안정성과 정확도가 검증된 설계 개발, 제조설비 건축 과정에서 버그(Bug) 없음
·10년 : 대규모 반복적 공급사슬 전반에 걸쳐 안전성과 정확도가 검증된 설계 개발, 전체 공급사슬 설계과정에서 버그 없음
·15년 : 차세대 제품 생산 마이크로나노 과학기술 발달과 새로운 가공공정 개발에 따라, 모든 제품라인에서 안전성과 정확도가 검증된 설계 개발

 

◆나노 제조업

나노컴퓨터는 기존 CMOS기반 통합회로기판과 산술패러다임이 갖고 있는 한계점을 보완할 수 있다. 또한 미세전자제어기술, 저전력 VLSI 및 나노기술은 밀리미터급 자가추진 로봇을 탄생시켰다. 나노 기술은 기존 제조업 패러다임을 변화시킬 것이다. 이러한 나노 제조업의 로드맵은 다음과 같다.

 

·5년 : 유기체 기반 자가조립을 통한 병렬어셈블리 기술, 유기물을 이용한 새로운 제조기법 개발
·10년 : 기존 CMOS를 탈피한 차세대 분자 일렉트로닉스 및 유기 컴퓨터 개발
·15년 : 약물전달, 치료 및 진단용 나노로봇 시스템 생산

 

◆비정형적 환경인식 기술

소량생산을 위한 자동화 설비는 보다 지능적이고 유연하며 비정형화된 공장 환경에서도 안전하게 작동할 수 있어야 한다. 유동형 레이아웃이라면 각 로봇과 기타 장비는 제품의 곳곳을 누비며 주어진 임무를 수행해야 한다. 반면 기능형 레이아웃이라면, 제품이 로봇과 장비를 거쳐 이동하게 된다. 따라서 특화된 제품일수록 비정형적 제조공정을 갖게 된다. 이러한 비정형적 환경인식 기술의 로드맵은 다음과 같다.

 

·5년 : 배치 제조방식과 같은 비정형적 생산라인을 자동화할 수 있는 3차원 인식기술
·10년 : 특수의료기기, 휠체어 프레임, 착용식 보조기기 등의 소량생산 제품에 적합한 인식 기술
·15년 : 맞춤형 보조기기, 맞춤형 가구, 행성탐사를 위한 우주선 등의 특화된 제품에 적합한 고도의 인식기술

 

◆인간과 로봇의 협업

무엇보다도 사용자의 안정을 고려해야 하겠지만 동시에 사용자의 필요를 충족시킬 수 있는 로봇의 기능, 한계점, 불가피한 위험성 등을 반영하는 통합솔루션을 지속적으로 개발해 나가야 한다. 즉 다양한 기술혁신에 대한 요구는 그만큼의 다양한 위험과 책임을 수용하는 것이다. 인간과 로봇의 협업에 대한 사회적 공감대 또는 문화는 로봇의 대중화를 이끌어낼 것 이다.
또한 장기간에 걸쳐 로봇을 구매하는 고객층이 확대되어 감에 따라, 이러한 공감대 또는 문화가 형성될 수 있다. 자연어 기반 프로그래밍, 제어기술, 그리고 신소재기술 등은 이러한 변화 과정을 가속화할 것이다. 인간과 로봇의 협업의 로드맵은 다음과 같다.

 

·5년 : 프로그래밍과 적용이 쉽고, 안전기준을 충족하는 고정형 또는 이동형 조립로봇
·10년 : 명령 받은 작업을 지속적으로 수행하는 동안, 인간 작업자의 행동을 감지하고 적절한 반응을 취하는 시스템
·15년 : 건설현장, 새로운 형태의 환경 등의 비정형적 환경에서 인간 작업자의 행동 또는 다른 로봇의 동작을 인식하고 협업 및 적응 할 수 있는 시스템

 

2. 차세대 가정용로봇/전문서비스로봇

 

1) 서비스로봇의 미래

자율시스템이 우리사회 전반에 걸쳐 광범위하게 사용되려면 앞으로 10~15년가량이 소요될 것이다. 실용적이고, 경제적이며 실제 가치를 창출할 수 있는 자율 또는 반자율 솔루션 구축에 필요한 기술력은 이미 확보되어 있다. 그리고 더 많은 기업과 투자자가 이미 개발된 로봇기술을 상용화하는데 높은 관심을 기울이고 있다.
이러한 배경에는 인구 노령화라는 중요 요인이 자리 잡고 있으며 서비스로봇 산업에 막대한 영향을 미치고 있다. 로봇이 노동력 감소와 보건의료 수요증가에 대응할 수 있는 해결책이기 때문이다. 미국은 향후 20년간 커다란 인구구조 변화를 겪게 될 것이다. 정년퇴직자가 거의 2배로 증가하면서, 현재 근로자 10명당 2명인 연금 수급자가, 오는 2030년경에는 근로자 10명당 4명으로 증가한다.

일본은 더 심각한 상황에 직면하고 있으며, 일본정부는 급격한 고령화 시대에 대비하기 위해 각종 로봇기술 개발계획을 추진하고 있다. 일반적으로 전문서비스로봇은 경제적 효과를 증대하기 위한 목적으로 인간의 노동력을 대체하지만, 가정용 로봇은 인간에게 여가 시간과 자율적 삶을 보장 해준다.

 

 

2) 서비스로봇의 핵심역량 개발계획
로봇기술 상용화와 그에 따른 경제적 파급효과는 기술수준, 관련 법규 및 정책, 그리고 관련분야 종사자의 교육훈련 수준에 의해 지대한 영향을 받는다. 20세기 컴퓨터과학과 오늘날 로봇기술이 세계경제에 미치는 파급효과는 매우 유사하다. 컴퓨터 하드웨어와 마찬가지로, 로봇 하드웨어 개발과 생산은 막대한 비용이 소요된다. 로봇에 탑재할 소프트웨어는 컴퓨터의 운영시스템과 같은 것이다.

따라서 컴퓨터 OS처럼 로봇운영체제(ROS)도 매우 빠르게 발달할 것이다. 또한 다양한 응용분야에서 시장성을 확보함에 따라, 생산규모는 더욱 빠르게 확대 될 것이다. 최근, 자율성 공유기술이 적용된 자율운행자동차 시장은 규모의 경제를 이룩했다. 한 때, 자율주행자동차용 레이저 스캐너는 매우 크고, 무겁고, 가격은 수천 달러에 달했다. 그러나 시장성이 검증되고 대량생산이 시작되자 레이저 스캐너는 불과 몇 인치 수준으로 소형화되었고, 가격은 수백 달러로 하락했다. 그 결과 저렴하고 품질 좋은 센서를 더 많은 로봇에 적용할 수 있게 되었다. 이러한 연구개발을 전제로 5년, 10년, 15년 단위 로드맵은 아래와 같다.

 

·5년 : 로봇이 자체 탐색, 물리적 접촉 및 인간으로부터 받은 지침에 따라, 자신의 주변 환경에 관한 의미 구조도(Semantic Map) 작성.
연구실 환경에서 자유롭고 안전하게 다양한 이동 매커니즘을 구현하고, 간단한 임무 수행.
·10년 : 로봇이 주변 환경의 정적 요소를 일부 또는 임시 모델링하고, 주어진 임무수행에 필요한 이동 또는 매니퓰레이션 계획을 수립 및 시행.
인식, 물리적 접촉 및 인간이 제공한 지침 등을 바탕으로 주변 환경을 구체적으로 파악하며, 계단을 오르내릴 수 있음.
임무성공률을 높이기 위해 방해요소 제거, 장애물 극복, 전등 켜기 등의 주변 환경에 변화를 줄 수 있으며, 고장을 감지하고 자체 해결 가능.
·15년 : 다리, 트랙, 바퀴와 같은 복합이동 메커니즘과 매니퓰레이터를 장착한 서비스로봇은 기존에 경험하지 못했던, 비정형적, 역동적 환경 속에서도 충돌을 회피하면서 빠르게 임무수행.
외부에서 밀거나 당기는 등, 예측하지 못했던 간섭 등의 역동적으로 변화하는 환경에 유연하게 대응 .
임무 수행에 필요한 경우, 탐색동작을 취할 수 있으며, 주변 환경에 능동적으로 대처하고 지능적 방법으로 환경을 개조함으로써 임무완수 가능성을 높임.

 


한국로봇산업진흥원 www.kiria.org

 

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