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[미래의 기계⑤] 협동로봇, 인간과 로봇의 공진화

2019-10-03 00:04:00

[퓨처이코노미 김우상 기자] 로봇이 인간 일자리를 위협하는 대상으로 등장하면서, 하나의 대안으로 주목받는 것이 협동로봇(Collaborative Robot)이다. 코봇(Cobot)이라고도 불리며 인간과 로봇이 같은 공간에서 함께 작업하기 위한 협동운용(Collaborative Operation) 조건을 만족시키는 로봇으로 정의할 수 있다.

헙력운용이란 정의된 작업장 내에서 인간과 함께 작업하기 위해 설계된 로봇의 작업을 의미한다. 인간을 대체하기 위한 로봇이 아닌 인간과 함께 일하면서 작업효율과 생산성을 극대화시킬 수 있는 로봇과 인간의 협력 모델이다.

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협동로봇은 동일한 작업공간에서 로봇과 인간이 함께 작업하기 때문에 로봇의 안전성을 높였을 뿐만 아니라, 공정 재배치와 유연성이 높은 것이 특징이다. 로봇 기술의 활용도를 높이면서 저렴한 가격으로 이용 가능해야 한다는 전제 사항도 있다.

협동로봇은 로봇이 작동하는 동안 작업자의 안전을 고려해 안전펜스 등을 설치해 로봇의 작업영역에 인간 작업자의 접근을 철저하게 통제하는 산업용 로봇과 차이가 있다. 즉 협동로봇은 차세대 로봇 시스템이 다양한 상황에서 안전하게 인간과 공존할 뿐 아니라, 작업 혹은 임무 기획 및 수행 시 파트너로서 공생(Symbiotic) 관계를 형성하는 것이 목적이다.

협동로봇은 동작 방식에 따라 4가지로 구분할 수 있다.

먼저, 작업영역에 작업자가 없을 경우에만 일반 산업용 로봇 처럼 작동하는 'Safety-Related Monitoring Stop', 작업자가 직접 로봇 이동을 조작하는 인터페이스를 의미하는 'Hand-Guiding Operation', 안전거리 확보를 위해 로봇과 작업자 사이 거리를 지속적으로 모니터링하며 장애물이 감지되면 로봇 작동 속도가 감소하는 'Speed & Separation Monitoring', 일정 크기의 동력 혹은 힘이 감지되면 즉각 동작을 멈춰 작업자에게 위해를 가하지 않는 'Power & Force Limiting'이다.

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협동로봇 종류와 적용 분야, 자료: 정용복, 협동로봇의 현황과 전망, Global Smart Factory Conference 발표자료, 2017. 12.

최근 협동로봇의 상용화가 활발하게 진행되고 있다. 무엇보다 협동로봇은 산업용로봇과 비교해 보다 설치와 운영이 쉽다는 장점이 있고, 단순 조립, 이송(Pick & Place), 머신텐딩(Machine Tending), 품질테스트 등의 작업에 많이 사용되고 있다. 활용 산업도 우주, 자동차, 금속가공, 전기전자, 플라스틱 사출, 식품, 의약품, 의료, 단순 조립 등 거의 모든 산업으로 매우 광범위하다.

지난 2016년 3월 일본 산업경쟁력간담회(産業競爭力懇談會)는 ‘인공지능·로봇·사람의 공진화에 의한 산업력 향상 실현(AI·ロボット·人の 共進化による産業力向上の実)’이란 보고서를 발표했다. 산업경쟁력간담회는 산관학정책 자문기관으로 일본의 산업경쟁력을 제고하기 위해 과학기술 및 산업정책 등 다양한 정부 시책이나 민간 역할을 검토하고 전략을 제언하는 조직이다.

보고서 발간 목적은 세계 최고 수준의 고령화와 저출산에 따른 인구 감소로 야기된 제조와 서비스 분야의 노동력 확보 등 일본의 사회적 문제를 인공지능과 로봇 기술로 해결해 산업경쟁력을 향상시키려는 대책의 일환이다.

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협동로봇 진화에 따른 휴먼-로봇 상호작용의 변화, 자료: Mike Beaupre, Collaborative Robot Technology and Applications, International Collaborative Robotics Workshop, 2016.

공진화란 사이버 물리 시스템(Cyber-Physical System)에서 인공지능과 로봇, 사람이 각각 최적화되고 진화함으로써 시스템 전체 품질이 개선되고 발전하는 사이클을 의미한다. 인간은 심신을 강화하고 개선하여 활동범위가 넓어지며, 행동양식이 변화하여 새로운 목적의식을 얻고 활동 기회가 늘어날 것으로 예상된다. 인간에게 활력을 주어 인공지능과 로봇의 단순한 활용을 넘어 사람을 중심으로 산업경쟁력을 향상시킨다는 의미다.

공진화 시스템에서 인공지능의 역할은 인간의 심신 상태, 행동과 다양한 상황 등을 수집해 학습하고 그 지식들을 이용해 인간이나 로봇에 전달할 지시를 최적화하는 것이다. 또한 시스템과 관련된 빅데이터를 축적하고 분석하여 인간이 새로운 목표나 새로운 가설을 수립하는 과정을 지원한다.

이러한 기능을 통해 인공지능은 사이버-물리 시스템에서 데이터와 지식의 보관을 위한 데이터베이스 및 이들의 분석과 최적화를 위한 브레인 역할을 담당한다. 시스템에 내장된 데이터베이스나 검색, 분석, 제어, 계획 최적화 등의 소프트웨어 플랫폼 등이 이에 해당한다.

로봇의 역할은 사이버 물리 시스템에서 사이버공간과 물리적 공간을 연결하는 중요한 인터페이스 매개체로서 인공지능과 인간이 필요로 하는 작업을 실제 물리적 공간에서 수행하고 다양한 데이터를 인공지능과 인간에게 피드백하는 것이다.

인간의 역할은 크게 3가지다.

최적화된 인공지능과 로봇의 사용자, 인공지능과 로봇에게 작업지시 등 목표를 부여하는 관리자, 로봇과 인공지능 개발자 로 구분할 수 있다. 물론 인공지능, 로봇과 함께 지속적으로 공진화가 계속 발생하도록 유도하기 위한 시스템 목표나 새로운 가설을 지속적으로 발굴하고 시스템에 반영시키는 중요한 역할도 담당한다. 최적화 → 학습 → 업그레이드 3단계로 구분할 수 있는 일반적인 시스템 진화단계를 세분화해 공진화 단계는 크게 7단계로 나눌 수 있다.

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인간, 로봇과 인공지능 공진화 시나리오, 자료: AI·ロボット·人の 共進化による産業力向上の実現, 産業競争力懇談会 2015年度 プロジェクト 最終報告, 2016. 3. 3.

먼저, 인공지능과 로봇을 활용하기 위한 시스템 개선 요구사항이 수집되면(STEP 0), 인간과 인공지능, 로봇으로 구성된 전체 시스템은 요구사항에 적합하게 수정 혹은 업그레이드 하고(STEP 1), 시스템 변화에따라 시스템 작동과 인간 행동도 업그레이드된다(STEP 2).

업그레이드된 시스템에서 인공지능은 시스템 최적화를 위해 시스템 데이터를 학습하고 인간도 새로운 시스템 행동양식을 학습하고 진화한다(STEP 3,4).

이러한 과정을 거쳐 인간은 최적화된 인공지능과 로봇을 활용한 행동양식과 기술을 습득하는 등 진화과정을 거친다. 인공지능도 현재 단계까지의 데이터 등을 분석하여 새로운 목표를 설정하며(STEP 5), 로봇도 그간의 요구사항과 인공지능의 데이터 분석을 기반으로 진화하는 등 시스템 구성요소인 인간, 인공지능, 로봇이 지속적으로 공진화하는 단계를 반복하게 된다.

이러한 과정에서 사용자로서 인간은 시스템 구성요소의 하나로서 주로 현장에서 로봇을 활용해 작업을 수행하며, 이에 따른 학습을 수행한다(STEP 2, 3).

사용자와 관리자로서의 인간은 시스템 수정(STEP 1)을 주로 담당한다. 사용자와 개발자, 관리자 등 3가지 역할 모두 새로운 시스템 요구사항을 도출하는 단계(STEP 0)에 참여해 시스템이 인간 중심으로 개발되고 유지할 수 있는 역할을 담당한다.

미국도 지난 2011년 6월 국가 로봇 이니셔티브(National Robotics Initiative)를 출범해 모든 분야에서 로봇과 공존하는 협동로봇 개발을 위해 매년 300만~500만 달러를 투자하고 있다. 연구의 핵심은 인간의 역량을 확장하거나 강화하면서 인간과 함께 일할 수 있는 협업형 로봇을 개발하고 활용하는 것이다.

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국가 로봇 이니셔티브 적용 분야, 자료: National Robotics Initiative (NRI)-The realization of co-robots acting in

협동로봇은 다양한 위험 상황에서 차세대 로봇 시스템이 안전하게 인간과 공존할 뿐 아니라, 작업 혹은 임무 기획 및 수행 시 파트너로의 공생관계를 형성하는 것이 목적이다.

이를 통해 인구 고령화 및 문화적 다양성 확대에 따른 국민의 건강, 교육과 학습, 개인과 공공의 안전, 안보 등의 삶과 경제 전반의 개선에 기여하는 것을 목표로 하고 있다. 특히 미국과학재단의 지원 분야는 협동로봇 개발을 위한 기술공학적 문제와 인간 활동과 관계된 장기적 사회·행태·경제적 문제를 포괄하며, 로보틱스를 교육과정에 도입하기 위한 방안도 포함하고 있다.

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협동로봇의 글로벌, 국내 시장 규모 전망, 자료: 이남우, 협동로봇 산업동향, 융합 Weekly Tip, 융합연구정책센터, 2018. 4. 16.

협동로봇은 로봇과 인공지능 등이 앞으로 미래 성장과 혁신의 견인차가 될 것이라는 희망적인 기술이자, 저출산 고령화에 따른 작업자 부족과 생산성 저하의 대안, 무엇보다 사람의 일자리를 빼앗을 것이라는 우려에 대한 대안으로 많은 관심을 받고 있다.

협동로봇의 세계 시장 규모는 2006년 2,146억 원에서 2022년에 3.3조 원까지 성장할 것으로 전망된다. 같은 해 국내 시장도 102억 원에서 1,773억 원 규모로 빠른 성장이 기대된다.

김우상 기자 kus@futureconomy.co.kr
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