로봇공학이란

로봇공학(robot engineering)이란 로봇에 관한 기술인 로봇의 설계, 구조, 제어, 지능, 운용 등에 대한 기술을 연구하는 공학(工學, engineering)의 한 분야이다. 로봇의 설계에는 기계공학(機械工學, mechanical engineering), 전기·전자공학(電氣·電子工學, electrical electronics), 컴퓨터공학(-工學, computer technology) 등의 기술들이 융합되어 활용되고 있다. 또한 생물이 가지고 있는 뛰어난 기능을 인공적으로 실현하여 활용하는 생체공학(生體工學, bioengineering)도 활용되고 있는 등 여러 공학분야가 융합되어 있는 종합적인 학문분야이다. 그리고 공장 등의 생산현장에 산업용 로봇을 도입하고 새로운 생산시스템을 구축하는 응용분야이기도 하다.

로봇은 산업에서 사람이 하기 힘든 일들을 대신 수행하는 용도로 개발된 산업용 로봇이 먼저 널리 사용되기 시작하였다. 산업용 로봇의 구조는 주어진 작업을 수행할 수 있도록 자유롭게 원하는 위치로 이동할 수 있도록 움직일 수 있는 기계구조와 이를 구동할 수 있는 액추에이터(actuator) 그리고 액추에이터를 원하는 위치에 정확하게 제어할 수 있는 제어기로 구성된다.

산업용 로봇의 기계구조는 사람의 팔과 같이 움직일 수 있도록 한 수직 다관절 로봇 형태와 로봇 팔의 기계구조가 평행 축인 회전 조인트들을 가지며, 축에 직교하는 평면 내에서 움직이는 영역을 가지는 스카라 로봇 형태가 주로 사용되고 있다. 수직 다관절 형태의 로봇은 주로 자동차 생산라인에서 용접 및 조립 작업을 하는데 많이 사용되고 있으며, 스카라 로봇은 반도체 생산라인에 많이 사용되고 있다. 이외에도 산업용 로봇의 기계구조는 목적하는 작업을 경제적이고 효율적으로 수행할 수 있는 다양한 형태를 가진다.

액추에이터는 로봇의 기계구조를 움직이도록 하는 동력장치로 주로 유압, 모터 등을 사용하고 있으며, 인공근육에 대한 개발도 진행되고 있다. 이러한 액추에이터를 어떠한 속도로 또는 어떠한 위치까지 구동해야 하는지는 제어기에서 기계구조에 대한 동역학 등을 계산하여 제어신호를 내보내주어 수행하게 된다.

산업용 로봇은 주로 위치가 고정되게 설치되어 한정된 공간에서 작업만 수행하는 반면, 주변의 환경을 사람과 같이 인식하여 판단하고 동작을 할 수 있는 로봇을 지능형 로봇이라 한다. 지능형 로봇의 가장 초보적인 형태로 로봇청소기를 들 수 있다. 로봇청소기는 주변의 장애물들을 센서로 인식하여 피하며 자율 주행을 하면서 청소를 하는 로봇이다.

또한 사람과 같이 걸을 수 있는 이족보행 로봇도 개발되어 있다. 이족보행 로봇은 궁극적으로 사람의 시각, 청각, 촉각과 같은 센서들을 통해 외부 환경 및 정보를 파악하고 스스로 판단하여 적절한 행동을 할 수 있는 인간과 같은 역할을 대신할 수 있도록 하는 것을 목표로 개발을 하고 있다. 이렇듯 로봇의 사용이 산업을 넘어서 우리의 주변의 다양한 힘든 일들을 대신 수행하는 용도로 응용분야를 넓혀 나가고 있다.

제조공정에 사용되는 산업용 수직 다관절 로봇

탁구를 치는 휴머노이드 로봇

 

 

2. 역사와 발전단계

로봇의 역사는 고대에 자동으로 작동하는 장치의 개발로부터 시작된 것이라 볼 수 있으나 현재의 로봇 개념은 20세기에 들어와서 산업이 발달하면서 정립되었다. 로봇이라는 용어는 체코슬로바키아의 작가 카렐 차페크(Karel Čapek)가 1920년에 발표한 Rossum’s Universal Robots에서 처음으로 사용되었다. 디지털 방식으로 프로그램이 가능한 최초의 현대적인 개념의 로봇은 유니메이트(unimate)로 1954년 조지 디볼(George Devol)에 의해서 고안되었다. 이 로봇은 궁극적으로 현대 로봇산업의 기초를 마련한 것으로 제너럴모터스의 공장 내에 설치되어 금속의 뜨거운 조각들을 다이캐스팅 기계에서 들어 올려서 적재하는 용도로 사용되었다.

1969년 미국 스탠퍼드 대학의 빅터 셰인만(Victor Scheinman)은 로봇의 구조로 6축의 관절을 가진 Stanford Arm을 제안하였다. 이 로봇 구조는 3차원 공간상에서 임의의 경로를 정확하게 따라 이동할 수 있게 한 구조로 용접 및 조립 작업과 같은 분야로 로봇의 활용을 더욱 넓히는 계기가 되었다. 이후 로봇은 1970년대에 산업체에 급속하게 보급되기 시작하여 1980년대에 들어서는 기술적으로 안정화를 이루게 되었다. 오늘날 산업용 로봇은 자동차 생산 공정과 전자제품 조립라인, 반도체 생산설비, LCD 제조라인 등 제조분야에서 널리 사용되고 있다.

한편 마이크로프로세서의 발달과 다양한 센서의 개발 및 소프트웨어분야의 기술의 발달로 지능형 로봇이 1990년대부터 발전하기 시작하였다. 1999년 일본의 혼다사에서 최초로 계단을 오르내릴 수 있는 기능을 가진 휴머노이드 로봇인 P2(Asimo의 전신)가 발표되었고, 1999년에는 일본 소니(SONY)사에서 최초의 애완로봇인 AIBO를 출시하였다. 2002년에는 미국 IROBOT사의 자율로봇청소기 Roomba가 발표되어 자율로봇청소기 시장을 열게 되었다. 자율로봇청소기는 오늘날 우리 주변에서 쉽게 접할 수 있는 지능형 로봇의 한 종류라 볼 수 있다. 2004년에는 미국 NASA에서 개발한 이동로봇인 SPRIT이 화성 탐사에 사용되었고, 2006년에는 미국의 다이내믹스사에서 국방분야에 활용하기 위한 목적으로 BigDog이 개발되었다.

주조공장에 설치된 산업용 로봇

얼굴 표정을 나타내는 로봇

 

 

3. 주요 연구영역 및 응용분야1) 주요 연구영역(1) 센서 및 액추에이터기술

로봇 손

로봇의 기본적인 성능을 향상시킬 수 있는 기반기술에 해당하는 것이 센서 및 액추에이터기술이다. 센서기술로는 카메라를 이용하여 인간의 시각기능을 구현하기 위한 해상도가 높은 이미지 센서의 개발에 대한 연구와 이미지를 고속으로 처리하여 필요한 정보를 얻어내는 프로그램에 해당하는 머신비전에 대한 연구가 있다.

또한 인간의 촉각에 해당하는 촉각센서 및 이를 응용한 인공피부에 대한 연구도 있다. 액추에이터기술로는 섬세한 작동을 위한 초소형 모터의 개발 및 사람의 근육과 유사하게 동작할 수 있는 인공근육에 대한 연구도 지능형 로봇의 주요 연구분야 중 하나이다.

(2) HRI기술

HRI(Human Robot Interaction)기술이란 인간과 로봇이 상호 인지하고 교감할 수 있는 기술로 노인이나 장애인을 돕는 지능형 도우미 로봇과 같은 분야에 필요한 기술이다. 사람의 음성 지시에 따라 물건을 집어오거나 테이블 위에 올려놓을 수 있고, 얼굴인식 및 동작에 대한 인식을 통하여 사람의 의도를 파악할 수 있으며, 외부 자극에 대하여 감정 표현 등을 할 수 있는 등의 기술에 대한 연구가 진행되고 있다.

(3) 조작 제어기술

조작 제어기술은 로봇이 인간과 같이 물건을 잡고 자유롭게 핸들링할 수 있는 기술이다. 인간의 손과 같이 5개의 손가락 모양으로 구성하여 작동하게 하는 스마트 핸드기술이 이에 해당한다. 이러한 기술이 구현되기 위해서는 인간의 피부에서 느끼는 촉각과 역각 등을 감지할 수 있는 센서기술이 필요하며, 손가락의 각 관절 부분을 구성하기 위한 소형의 액추에이터 개발 및 손가락의 각 관절의 협동 작업을 위한 다축 협조제어 등의 기술들에 대한 연구가 필요하다.

(4) 자율이동기술

4족형 로봇(군사용)

자율이동기술은 로봇이 자유롭게 이동할 수 있는 기술로서 고정되어 설치되거나, 제한된 영역 내에서만 이동할 수 있는 산업용 로봇과 달리 지능형 로봇에서 필요한 요소기술 중의 하나이다. 자율이동 방식은 크게는 바퀴형, 4족형, 2족형 등으로 분류된다.

가장 단순한 형태인 바퀴형의 경우에는 평지 위에서 자율주행을 위한 경로계획 및 장애물 회피기술 등에 대한 연구가 상당한 진전을 이루고 있다. 4족형은 자연적인 환경의 임야 또는 산지 등에서 균형을 이루면서 이동할 수 있는 기술에 대한 연구가 주요 연구분야이다. 2족형은 인간과 같이 보행하는 것을 목표로 건물 내에서와 같이 인공적인 환경에서 인간과 같이 걷는 동작 및 계단을 오르내리는 동작의 구현을 하고 있으며, 속보 정도의 달리기도 구현하고 있다. 이러한 동작들을 안정적으로 구현하는 것이 자율이동기술의 연구분야이다.

(5) 물체인식기술

물체인식기술은 미리 학습을 한 지식 정보를 바탕으로 물체의 이미지를 보고 물체의 종류, 크기, 방향 등의 정보를 알아내는 기술이다. 물체의 종류가 제한적인 산업현장에서는 제품의 불량 여부를 검사하는 검사 장비에 실용화되어 사용되고 있다. 그러나 인간과 같이 다양한 물체를 보고 판별하기 위해서는 미리 학습하는 지식 정보의 양도 광범위하기 때문에 어려움이 있다. 또한 물체가 다른 물체에 가려 일부만 보이는 경우에의 판별의 어려움, 비가 오거나 어두울 때처럼 주변 환경의 변화에 따른 영향 등은 물체인식에 어려운 장애요인들로 작용하고 있다. 인간과 같이 물체인식기술을 하기 위한 학습시스템 및 인공지능에 대한 연구가 물체인식기술의 주요 연구분야이다.

(6) 위치인식기술

위치인식기술은 로봇이 자체적으로 공간지각 능력을 가질 수 있도록 하는 기술로 로봇의 자율주행에 있어서 중요한 요소기술 중의 하나이다. 실내에서 바닥과 벽 및 경로 상의 장애물 등을 구분하여 주행할 수 있는 경로를 파악하고, 학습을 통하여 위치인식을 하는 기술 및 인공적으로 마킹된 마크를 이용하여 위치를 인식하는 기술을 사용하기도 한다. 카메라를 사용하면서 동시에 GPS를 사용하여 로봇의 위치를 판별하는 다양한 센서의 융합에 따라 위치인식을 하는 기술 등도 위치인식기술의 연구분야 중 하나이다.

2) 응용분야

산업용 로봇이 자동차 및 제조업 생산라인에 사용되기 시작하였으나, 센서기술의 발전과 IT기술의 발달로 로봇은 가정용, 안내용, 국방용, 의료용, 탐사용, 오락용, 교육용 로봇 등으로 그 활용 범위가 점차 확대되고 있다.

가정용 로봇으로는 청소로봇, 물건을 나르는 심부름 로봇 등 집안일을 하는 로봇을 들 수 있다. 이미 청소로봇은 대중적으로 많이 사용되고 있으나, 설거지, 물건 정리 등의 사람이 하기 귀찮은 일들을 대신해 줄 수 있는 로봇이 저가의 가격에 등장한다면 가전제품처럼 각 가정에 1대의 로봇을 보유하는 시대가 오게 될 것이고, 로봇 시장은 현재의 가전제품 시장처럼 커지면서 빠르게 기술도 발달할 것이다.

실버 로봇은 스스로 거동이 불편한 노인들을 위해서 간병인들이 하는 업무를 대행하여 수행할 수 있도록 고안된 로봇이다. 그러나 실용화되려면 기술적으로 풀어야 할 과제가 많으므로 간단한 일부 기능만 수행할 수 있는 로봇으로부터 발전해 나갈 것으로 보인다.

교육용 로봇은 어린이들에게 흥미를 유발하여 교육을 수행하는 데 도움을 주는 로봇으로 교육용 콘텐츠의 보급과 더불어 수용가 점진적으로 확대되어 나가고 있다. 의료용 로봇은 수술, 재활, 진단, 간호 등의 업무를 수행하도록 개발된 로봇으로 수술 로봇은 이미 상용화되어 사용되고 있다. 정교한 수술을 필요로 하는 경우에 인간의 손에 의한 것보다 더 정밀하게 수술을 할 수 있기도 하여 수술 로봇은 향후 의료장비로서의 중요한 역할을 수행해 나갈 것이다.

군사용 로봇은 지뢰 및 폭탄 제거 로봇 등이 이미 사용되고 있으며, 적진에 진입하여 적진의 상황을 탐지하는 기능의 로봇들도 개발되고 있다. 인간이 하기 힘든 일을 대행하는 것이 로봇이라면 군사용 로봇이야말로 가장 인간이 하기 힘든 일들을 수행하는 것으로 수요 또한 가장 클 것이라 본다. 따라서 군사용 로봇 시장은 빠르게 성장해 나갈 것으로 예측한다.

4. 주요 용어 및 관련 직업군1) 주요 용어

• 액추에이터: 입력된 신호에 대응하여 작동을 수행하는 장치이다.

• 조인트: 기계에서 2개의 축의 결합으로, 한쪽 축에서 다른 축으로 회전력을 전달하는 부분이다.

• 동역학(動力學, dynamics): 물체 사이에 작용하는 힘과 물체의 운동과의 관계를 연구하는 역학의 한 분야이다.

• 산업용 로봇: 산업체에서 생산공정의 자동화를 위해 사용하는 로봇의 한 종류로서 사람을 대신하여 작업 현장에서 작업을 수행하는 기계다.

• 지능형 로봇: 외부 환경을 스스로 탐지하고 판단해 필요한 작업을 자율적으로 실행하는 로봇이다.

• 로봇공학: 로봇에 관한 기술인 로봇의 설계, 구조, 제어, 지능, 운용 등에 대한 기술을 연구하는 공학의 한 분야이다.

• 센서: 온도, 압력, 습도 등의 물리량을 검출하거나 판별, 계측하는 기능을 갖는 소자를 말한다.

• 다이캐스팅: 필요한 주조 형상에 완전히 일치하도록 정확하게 기계가공된 금형에 용해 금속을 주입하여 금형과 똑같은 주물을 얻는 정밀주조법이다.

• 역각센서: 힘 혹은 토크를 측정하는 센서로 사람의 촉각 기능을 구현하기 위해 로봇에 사용한다.

• 인공지능: 인간의 학습, 지각, 추론, 자연언어의 이해 능력 등을 컴퓨터 프로그램으로 실현한 기술이다.

• GPS: 인공위성을 활용해 현 위치를 알 수 있는 시스템이다.

2) 관련 직업군

• 로봇공학 기술자, 메카트로닉스공학 기술자, 지능형 로봇 기술자, 자동화 설비 개발 기술자, 반도체 장비 개발 기술자, 자동화 설비 유지 보수 기술자, 산업용 로봇 조작원
• 로봇 관련 기업체(지능형 로봇 제조업체, 산업용 로봇 제조업체 등)
• 로봇 관련 연구소(한국과학기술연구원, 한국로봇융합연구원 등)
• 일반 대기업 제조업체 기술자(전자 업체, 자동차 업체, IT 업체의 메카트로닉스 관련 분야 및 생산 자동화 설비 개발 및 유지 보수 업무)

[네이버 지식백과] 로봇공학 [Robot Engineering] (학문명백과 : 공학, 형설출판사)