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[애플경제 엄정원 기자] 공장이나 작업 현장에서 인간과 로봇의 상호작용에 의한 협업(Cooperation)은 로봇자동화의 핵심이다. 물리적 인간-로봇 상호작용(pHRI) 등을 기반으로 한 협동 로봇과 인간의 협업(HRC) 기술이 그 핵심이다.

이 분야 권위자인 박진성 충남대학교 조교수는 “원활한 HRC를 위해선 물리적 접촉을 관리하고, 물체를 조작하며, 장애물을 회피하고 주변 환경을 파악하며, 작업스케줄을 관리, 적응하는 기술이 필요하다.”고 제시하는 한편 “로봇에게 인간의 의도를 파악하도록 하는 다양한 기법도 연구되고 있다.”고 소개했다.

월활한 HRC 위한 기술들

우선 인간-로봇 간의 물리적 접촉을 관리하기 위해 사람과 로봇이 접촉하는 방식을 처리하는게 중요하다. 예를 들어 부품을 함께 들어 올리거나 위치를 맞추는 작업이 그런 경우다. 또 대상 물체를 미리 조작하는 것도 중요하다. 즉 물체 파지와 이송, 조립 과정에서 작업자의 안전을 확보하는 것이다. 예를 들어 비전 센서를 활용한 이송이나, 무거운 물체를 로봇이 들고 있고, 사람은 정밀 위치를 맞추는 작업을 미리 하는 것이다.

장애물이나 작업에 방해되는 환경을 회피하고, 파악하는 것도 중요하다. 즉, 주변에 있는 사람이나 사물과 충돌하지 않도록 회피하는 기술이다. 이를 위해 충돌 회피 알고리즘이나, 사람의 동작을 예측하고, 이를 기반으로 경로 계획을 수립한다.

작업 스케줄 관리도 인간-로봇 협업을 위해 중요하다. 즉 작업을 인간-로봇 협업에 맞춰 최적으로 분배하는 문제다. 예를 들어 작업 흐름에서 인간과 로봇의 역할을 동적으로 배치하는 것이다. 작업 스케줄 적응도 필요하다. 이는 작업 흐름 변화에 로봇이 자동 적응하도록 하는 것이다. 예컨대, 환경이 변화할 경우 로봇이 작업 계획을 능동적으로 수정하는 방식이다.

사람의 의도, 로봇에 전달하는 기술

정보통신기획평가원에 이같은 내용의 리포트를 기고한 박 교수는 또 “HRC를 수행하기 위해서는 사람의 의도를 이해하는 것이 무엇보다 중요하다.”며 다양한 방법론을 소개했다.

이에 따르면 로봇에게 다양한 외부 센서를 활용, 사람의 의도를 파악하게 하는 방법이 대표적이다. 또 동역학적 정보를 활용, 변형체 운반 과제에서 사람의 의도를 추정하거나, 로봇 플랫폼에 사람과 대면하는 촉각 센서를 부착, 상호작용 힘을 계측하는 방법도 있다. 이를 위한 ‘팔로우-미’(follow-me) 제어기도 있다.

또한 표면 근전도(EMG) 신호를 활용, 사람의 상박 근육 활동을 계측하고 손 높이의 변화를 추정하는 방법도 있다. 이 밖에도 동적 환경에서 안전성을 보장하는 불변 제어(invariance

control) 기법이나, 공중 로봇을 이용해 케이블을 이용한 운반 과정에서 안전거리를 유지하는 기법 등도 있다.

그러나 이처럼 “외부 센서를 활용해 사람의 의도를 파악하는 방식들은 정확성과 안정성이 높다는 장점이 있으나, 추가로 센서가 필요하고, 사람에게 굳이 센서를 부착해야 하는게 문제”란 지적이다.

이 외에도 물체의 동적 파라미터를 온라인으로 추정하고, 이를 통해 로봇이 사람의 의도를 추정해낼 수 있게도 한다. 소위 ‘모멘텀 옵저버’(momentum observer)와 보정 기법을 이용한 온라인 하중 추정 기법 등이 그런 경우다.

그러나 물체의 무게만을 추정하기보단, 질량중심과 관성 모멘트와 같은 파라미터를 통해 실제로 동적 운동을 고려할 필요가 있다. 또한, 사람의 움직임을 방해하지 않으면서 추정 동작을 구현, 파지((把持 또는 把指) 자세와 물체 파라미터를 동시에 온라인으로 추정하는 방법도 있다.

그러나 물체의 파라미터 정보를 정확히 추정하기 위해서는 사람과 로봇의 파지 위치에서 발생하는 힘과 토크(물체를 회전시키는 힘)를 모두 알아야 한다. 즉, 물체의 파라미터 추정 역시 사람의 파지 지점의 힘과 토크를 알아내기 위해 외부 센서가 필요하게 되는 것이다.

하지만 최근엔 사람의 파지점에 별도의 센서를 장착하지 않고도 사람의 의도를 추정하기 위해 물체의 동적 파라미터가 아닌 ‘유효 파라미터’(effective parameter)만을 추정하는 접근법이 등장했다.

HRC의 기반이 되는 HRI 기술

한편 HRC는 인간과 로봇의 상호작용(HRI)을 기반으로 한다. 전문가에 따라 다소 차이가 있으나 현재 HRI는 사회적 상호작용(sHRI), 물리적 상호작용(pHRI), 그리고 원격조작 상호작용(Teleoperation) 등이 있다.

그 중 sHRI는 로봇이 인간과 ‘사회적’으로 교류하는 능력이다. 즉 인간과 로봇이 음성이나 시각 기능 등을 통해 상호작용을 하는 경우다.

인간과 로봇의 물리적 상호작용, 즉 pHRI는 인간과 로봇이 다양한 형태의 접촉을 통해 상호작용 하는 형태다. 이는 광범위한 응용 분야와 산업 환경에 이미 적용되고 있다. 이는 장애인이나 노인을 지원하는 ‘보조 기술(assistive technology)’의 핵심으로 활용되고 있다.

sHRI와 pHRI를 결합한 spHRI도 있다. 이는 사회적 단서와 물리적 단서를 함께 활용하는 통합 상호작용이다. 교육이나 서비스ㆍ접객(hospitality) 분야가 대표적이다.

인간이 로봇을 원격으로 조작하며 상호작용하는 ‘원격제어’(Teleoperation)도 있다. 햅틱(촉각, haptics) 기술이 결합하면 pHRI의 성격을 띠기도 한다. 또한 원격 조작을 매개로 사회적 소통을 할 경우 sHRI의 범주로도 해석할 수 있다.