인생의 동반자 로봇 이해하기

서울대학교 기계항공공학부

조 규 진

• 로봇의 역사

• 제조업의 큰 일꾼, 산업용 로봇

• 삶의 질 향상을 위한 재활/보조 로봇

• 무궁무진한 가능성을 가지는 유연한 소재의 로봇

이번 시간에는!

로봇의 역사

서울대학교 기계항공공학부

조 규 진

[ 학 습 목 차 ]

• 시대에 따른 로봇의 주요 패러다임

• 시대에 따른 로봇 패러다임의 확장 과정

• 시대 별 로봇 패러다임 특징 소개

• 1970년대 산업용 로봇

• 1980년대 모바일 로봇

• 1990년대 서비스/의료 로봇

• 2000년대 생체 모방 로봇

• 2010년대 소프트 로봇

1. 로봇 공학 연표 – 시대별 로봇 패러다임의 변화

#1

#2

#3

#4

#6

#5

2. 1960-1970년대 산업용 로봇

높은 정확도, 큰 힘으로 인간을 대체하는 산업용 로봇 패러다임

Kuka Industrial Robot Unimate

#8 #7

3. 1980년대 모바일 로봇

공장 밖을 나와 정해지지 않은(비정형) 환경을 탐사하는 로봇 패러다임

Packbot, Mobile robot

#9 #10

4. 1990년대 서비스/의료 로봇

로봇만으로 작업을 수행하는 것이 아닌 인간과 협업하는 패러다임

Roomba,Service robot / Davinci, Surgical robot

#11 #12

5. 2000년대 휴머노이드

인간을 닮은 인간과 공존하는 휴머노이드 로봇

Darwing OP / Hubo – Humanoid robot

#13 #14

6. 2000년대 생체 모사 로봇

자연에 존재하는 다양한 과학적 원리를 로봇에 응용하는 패러다임

Gecko robot, Bioinspired robot

#15 #16

7. 로봇의 역사에서 본 로봇의 미래 - 소프트 로봇

유연한 소재 및 구조를 기반으로 하는 적응성이 뛰어난 유연 소재 로봇

Bionic Handling Assistant Festo, 2010

PoseiDRONE SSSA, Italy, 2012

Multi-gate Soft Robot Harvard, 2011-2014

Universal Gripper U. Chicago, Cornell & iRobot, 2010

Mesh-worm Robot MIT, 2012

유연 소재의 적응성으로 인간과 조화를 이루는 로봇으로 발전될 전망

#17 #19 #21

#18 #20 #22

Flex Shape Gripper Festo, 2015

자료 출처

#1 AI, http://www.taringa.net/post/ciencia-educacion/19358116/Modulos-De-Memoria-Que-Te-Podras-Implantar-En-El-Cerebro.html, 2016.11.08

#2 Ultimate, http://timerime.com/es/evento/3255809/Primer+robot+comercial/, 2016.11.08

#3 Kuka, http://www.kuka-robotics.com/south_korea/ko/products/systems/occubot/start.htm, 2016.11.08

#4 Mobile robot, https://www.engadget.com/2006/08/24/underwater-robots-to-help-stem-oil-spill/, https://www.cs.cmu.edu/afs/cs.cmu.edu/academic/class/16311/www/s07/labs/lab07/, 2016.11.08

#5 Bioinspired robot, https://hondacarindia.com/AutoExpo2016/, https://ib.berkeley.edu/node/37, 2016.11.08

#6 Service/surgical robot, https://kr.pinterest.com/pin/569142471634332638/, http://www.missourilawyers.com/robotic-surgery-beware-learning-curve, http://vinssa.com/adept/, 2016.11.08

#7 Unimate, Largest Dams, https://www.youtube.com/watch?v=HVLbtrlL5_E, 2016.11.08

#8 KUKA Robot, KUKARobotGroup, https://www.youtube.com/watch?v=NJIgQjKDVUg, 2016. 11.06

#9 Pack bot, iROBOT, https://www.youtube.com/watch?v=yO3WUVxSpUM, 2016. 12.05

#10 Pack bot, iROBOT, https://www.youtube.com/watch?v=OjIC8Mo4a1g, 2016. 12.05

#11 Roomba Robot, iROBOT, https://www.youtube.com/watch?v=edSfq8ItAaI, 2016. 12. 05

자료 출처

#12 Davinci, Surgical robot, PennStateHershey, https://www.youtube.com/watch?v=EiVY-htgRUY, 2016.11.06

#13 DARwIn-OP, Humanoid, Virginia Tech, https://www.youtube.com/watch?v=1WEgNQjL66g, 2016.12.07

#14 HUBO, KAIST, https://www.youtube.com/watch?v=BGOUSvaQcBs&t=70s, 2016.12.07

#15 Gecko robot, Bioinspired robot, http://students.egfi-k12.org/newsletter/2010-September-01-090210.html, 2016.11.08

#16 Gecko robot, Bioinspired robot, Stanford, https://www.youtube.com/watch?v=o5lMJtQOKSY, 2016.11.06

#17 Universal gripper,The University of Chicago, https://www.youtube.com/watch?v=0d4f8fEysf8, 2016.11.08

#18 Bionic Handling Assistant, Festo Bionic, https://www.youtube.com/watch?v=SKJybDb1dz0, 2016.11.08

#19 Multi-gate Soft Robot, IEEE Spectrum, https://www.youtube.com/watch?v=2DsbS9cMOAE, 2016.11.08

#20 Flex Shape Gripper, Flex Bionics, https://www.youtube.com/watch?v=m7l-87r4oOYGripper , 2016.11.08

#21 PoseiDRONE, Press TV, https://www.youtube.com/watch?v=vSRgO6GShTo, 2016.11.08

#22 Mesh-worm Robot, Biomimetics MIT, https://www.youtube.com/watch?v=lEfg8BxmdHk, 2016.11.08

제조업의 큰 일꾼, 산업용 로봇

서울대학교 기계항공공학부

조 규 진

[ 학 습 목 차 ]

• 산업용 로봇의 현주소

• 다품종 소량생산에 적합하지 않은 현재 산업용 로봇의 구조

• 4차 산업혁명의 개념과 미래

1. 산업용 로봇의 현 주소

1) 인간이 수행하기에 어렵고 힘든 작업을 대신 해주는 산업용 로봇 Kuka Industrial Robot

#1

1. 산업용 로봇의 현 주소

2) 다양한 작업을 보조하여 인간의 작업 능률을 높이는 산업용 로봇 Kiva Systems

#2

• 아마존 물류 창고에서 사용되는 로봇 • 축구장 59배나 되는 크기의 창고에서

짐들을 옮겨 작업자의 편의성을 향상시켜줌.

• 기존에 90분 걸리던 주문을 15분 정도로 줄임.

• 145kg의 무게를 가지며 대략 350kg의 무게를 들어 옮길 수 있음.

1. 산업용 로봇의 현 주소

3) 다양한 작업을 보조하여 인간의 작업 능률을 높이는 산업용 로봇 Universal Robots

#3

Pick & Place CNC Dispensing & Welding & Packing

Assembly & Checking Injection Molding & Polishing Machine Tending & Lab testing

2. 산업용 로봇의 트렌드 – 4차 산업 혁명

1) 4차 산업 혁명의 등장

1차 산업혁명 (18세기)

2차 산업혁명 (20세기)

3차 산업혁명 (1970년대 이후)

4차 산업혁명 (2020년 이후)

증기기관 기반 기계화 혁명

전기 에너지 기반 대량생산 혁명

plc 기반 대량 생산

IOT/CPS/인공지능 기반 만물 초 지능 혁명

증기기관을 활용하여 영국의 섬유공업이

거대산업화

공장에 전력이 보급되어 벨트 컨베이어를

사용한 대량 생산 보급

전자 통신 혁명을 통한 대량 생산 보급

사람, 사물, 공간을 초연결, 초지능화하여 산업구조/사회 시스템

혁신

2. 산업용 로봇의 트렌드 – 4차 산업 혁명

2) 3차 산업과 4차 산업혁명에서의 산업용 로봇의 역할 변화

지능형 공장 (4차 산업혁명) 기존 공장 (3차 산업혁명)

• 제품 하나를 개발하기 위해 산업용 로봇 및 공장을 새롭게 개발 및 구성해야 하는 구조

• 대량생산을 통한 제품 가격 경쟁력을 높이는 구조의 공장

• 새로운 제품 혁신을 이루어 내기 어려우며 재고량이 많아 중국, 인도네시아 등에 공장을 설립

• 산업용 로봇과 모든 부품들이 IOT를 통해 서로 데이터를 읽고 교환하여 한 생산라인에서도 다양한 제품을 생산할 수 있음.

• 소품종 맞춤형 생산으로 주문 즉시 만들어지기 때문에 재고가 없으며 고객의 니즈를 충족시키기 쉬움

3. 산업용 로봇의 미래

1. 사이버 상에서 각 부품 이름과 주소를 전산으로 입력하면 실제 부품들은 고유한 ID를 가짐

2. 조립 기계가 실제 생산 라인에서 각 부품의 ID를 읽고 다양한 제품으로 조립

3. 조립기계와 모든 부품이 서로 데이터를 읽고 교환하기 때문에 한 생산라인에서 다양한 제품을 생산 가능

KBS, 명견만리, 4차 산업혁명, 소프트파워, 2016. 02. 26 URL: http://www.kbs.co.kr/1tv/sisa/goodinsight/vod/view.html?cid=PS-2016020659-01-000

#4

사물 인터넷을 통한 제조 공정의 혁신과 산업용 로봇의 진화

• 스마트 팩토리 설립을 통한 제조 공정 혁신

이미지, 영상 출처

#1 Kuka Industrial Robot, https://www.youtube.com/watch?v=NJIgQjKDVUg

#2 Kiva system https://www.youtube.com/watch?v=z_R8feyCu-M, 2016.11.22 https://www.youtube.com/watch?v=8gy5tYVR-28, 2016.11.22

#3 Universal Robot, https://www.youtube.com/watch?v=pIcxOGo7ieU, 2016.11.22

#2 KBS, 명견만리, 4차 산업혁명, http://www.kbs.co.kr/1tv/sisa/goodinsight/vod/view.html?cid=PS-2016020659-01-00

삶의 질 향상을 위한 재활/보조 로봇

: 재활 로봇 소개

서울대학교 기계항공공학부

조 규 진

[ 학 습 목 차 ]

1. 도입

1. 재활로봇의 필요성

2. 기존의 재활 훈련

3. 효과적인 재활 훈련이란?

2. 대표적인 재활 로봇

1. Lokomat

2. InMotion Robots

3. Exo-Glove Poly

3. 재활 로봇의 미래 – Home Care

1. 도입

(1) 재활로봇의 필요성

삶의 질 향상

고령화 인구 증가 장애 인구 증가

지속적인 재활 훈련, 운동

#1 #2

1. 도입

(2) 기존의 재활 훈련

걷기 재활 훈련

집중적이고 노동 집약적

재활 치료사의 부족

지속적이고 반복적인 훈련이 필요

재활 치료사가 계속 해 줄 수 없음

로봇이나, 기구를 통한 혼자 할 수 있는 재활 치료가 필요

#3

1. 도입

(3) 효과적인 재활 훈련이란?

상지의 기능 회복을 위한 가장 효과적인 방법

• 장애 부위의 반복적인 사용 • 많은 양의 재활 훈련 • 작업지향적인 재활 훈련 • Assist as needed

Heidi C. Fischer et al. 2007

• 최대의 일상 생활 보조 및 훈련 효과를 위해서는 장애인이 빈번하게 사용하도록 개발 되어야 함

B. H. Dobkin. 2004

2. 대표적인 재활 로봇

(1) Lokomat, Hocoma

• 하지 재활 운동 로봇

• 사고 후 초기부터 지속적인 훈련이

중요

• 걸음 패턴 분석 및 평가

• 다양한 게임을 통한 흥미 유발

#4

2. 대표적인 재활 로봇

(2) InMotion Robots

손 + 팔 운동 재활 손목 운동 재활

#5 #6

2. 대표적인 재활 로봇

(3) Exo-Glove Poly, 서울대

3. 재활 로봇의 미래 – Home Care

• 현재 재활 훈련의 문제점

• 재활 훈련을 위해 주기적으로 병원을 방문 - 여전히 부족한 재활훈련

• 작업치료사 부족 문제 해결

• 과도한 비용 및 시간 문제

• 미래의 재활 로봇

• Home Care 시스템 도입

• 일상생활 보조를 통한 지속적이고 동기가 부여된 재활 훈련

• Paro, 장난감 강아지 로봇처럼 생활에 일부분이 될 재활 로봇 개발

자료 출처

#1 UN World Population Prospect, Percentage of the World Population Over 65, 1950-2050, 2008

#2 보건복지부, 2009 보건복지통계연보, 2009

#3 Paraplegic Walking Therapy, Paralyzed Living, https://www.youtube.com/watch?v=TYK0exQ5emA, 2011.8.25

#4 Corsesto, Lokomat, https://www.youtube.com/watch?v=3vxnvIbTiNU, 2012.2.27

#5 InMotion Robots, https://www.youtube.com/watch?v=4Q9c0P5BIco, 2015.12.1

#6 InMotion Robots, https://www.youtube.com/watch?v=3bLSk_RD_jo, 2015.11. 30

#7 Metodo_bobath, ademobuelva, https://www.youtube.com/watch?v=39nce7QI_os&list=PL5194FAFAA088531A, 2010.4.7

삶의 질 향상을 위한 재활/보조 로봇

: 사람을 위한 보조 로봇

서울대학교 기계항공공학부

조 규 진

[ 학 습 목 차 ]

• 도입

• 보조로봇의 필요성

• 장애인의 삶의 질

• 대표적인 보조로봇 • Michelangelo

• REHO KNEE

• ReWalk

• 보조로봇의 미래

1. 도입

1) 보조기기의 필요성

삶의 질 향상 신체 기능 보조 및 대체

고령화 인구 증가 장애 인구 증가 #1 #2

1. 도입

2) 장애인의 삶의 질

#3 #4

2. 대표적인 보조로봇

1) Michelangelo (Ottobock사)

측면 잡기 손끝 집기

엄지 내/외전

잃어버린 손 기능 대체를 통한 일상생활 보조

#5

2. 대표적인 보조로봇

2) RHEO KNEE (Ossur 사) • 전동 의족

무릎 관절 모터 구동 유연한 소재의 발목 관절

인공지능을 활용한 보행 패턴 인식 균형 잡기, 다양한 지면에 적응

실제 다리처럼 다양한 상황에서 자연스러운 보행 가능

#7

2. 대표적인 보조로봇

3) ReWalk • 착용형 전동 하지 엑소스켈레톤

골반 및 무릎 관절의 움직임 보조

일어서기, 걷기, 돌아서기 계단 오르내리기

휠체어에서 벗어나 원할 때 어디든 이동 가능

#6

3. 보조로봇의 미래

• 다양한 일상생활 보조를 통한 인간의 삶의 질 향상

2016 CYBATHLON - Highlights

Powered Arm Prosthesis Race

FES Bike Race

Powered Exoskeleton Race

2016 CYBATHLON #10

#11 #9

#8

자료 출처

#1 고령화 인구 증가, 통계청 2011

#2 장애 인구 증가, 보건복지통계연보 2009

#3 BBC News, https://www.facebook.com/bbcnews/videos/10154191346570787/?pnref=story, 2016.10.30

#4 TED, https://www.youtube.com/watch?v=CDsNZJTWw0w, 2016.11.14

#5 Proklinik Center, https://www.youtube.com/watch?v=Z4f8wWKkFfQ, 2016.11.14

#6 ReWalk by ReWalk Robotics, https://www.youtube.com/watch?v=2Xd27c-pz4Y, 2016.11.14

#7 Ossur, https://www.youtube.com/watch?v=x51O7W3DHCI, 2016.11.14

#8 Cybathlon 2016, https://www.youtube.com/watch?v=TkqfetY4jjQ, 2016.11.22

#9 Cybathlon 2016, https://www.youtube.com/watch?v=6ifHDkdY-k0, 2016.11.22

#10 Cybathlon 2016, https://www.youtube.com/watch?v=plA443rvv6g, 2016.11.22

#11 Cybathlon 2016, https://www.youtube.com/watch?v=KAVcVfKoYwc, 2016.11.22

무궁무진한 가능성을 가지는 유연한 소재의 소프트 로봇

서울대학교 기계항공공학부

조 규 진

[ 학 습 목 차 ]

• 기계 구조와 생물 구조의 차이

• 소프트 로봇의 등장

• 소프트 로봇의 예

1. 기계 구조와 생물 구조의 차이

1) 자연에 존재하는 유연한 생물 구조

• 뼈대와 힘줄, 근육, 피부로 이루어진 복합 구조

• 유격을 허용하는 유연한 구조

• 다양한 환경과 동작 기능에 대응할 수 있는 구조

#1

#2 #3

#4

1. 기계 구조와 생물 구조의 차이

#5

1. 기계 구조와 생물 구조의 차이

2) 단단한 재료 기반의 기계 구조

• 여러 개의 전기 모터, 기구학적 강체 구조

• 고정 체결된 형상의 구조물

• 로봇만을 위해 정형화된 환경과 작업에 최적화된 구조

ATLAS, Boston Dynamics

#6

2. 유연한 재료를 사용한 소프트 로봇의 등장

1) 단단한 재료 기반의 로봇의 한계와 소프트 로봇

• 기존의 로봇이 잘 작동할 수 있는 환경은 로봇을 위해

주변이 완벽하게 정리되어 있는 환경

• 반면 생명체는 복잡하고 극단적인 상황 속에서도 자유자재로 움직이며

로봇이 하기 힘든 어려운 작업들을 수행

2. 유연한 재료를 사용한 소프트 로봇의 등장

2) 소프트 로봇

• 기존의 단단한 로봇은 몸체를 구성하는 구조와 움직임을 만들어내는 구동 요소들이

명확한 경계가 존재함

• 반면 생명체는 단단한 골격 겉은 근육, 피부 등은 말랑하고 유연하며

이런 구성 요소들이 유기적으로 융합되어 있음

기존에 로봇에 사용되지 않던 유연한 소재를 사용해

생명체의 움직임을 모사해 기존 로봇의 한계를 극복 하고,

한 단계 나아가 기존에 없던 새로운 메커니즘을 사용 하는 로봇

2. 유연한 재료를 사용한 소프트 로봇의 등장

3) 소프트 로봇의 등장

• 유연한 재료를 사용한 새로운 형태의 로봇

• 기존 산업에서는 사용되고 있었지만 로봇에는 사용되지 않았던 기법들

재료

고무, 실리콘, 우레탄 등

생산 공정

몰드 주조 성형 기법

설계

움직임에 대한 새로운

접근 방식의 설계

#7 #8 #9

3. 소프트 로봇의 활용

1) 복잡한 지형을 탐사하는 로봇

• 유연한 몸체를 이용해 복잡한 지형을 탐사하는 로봇

Octopus Robot, SSSA Soft Crawler, Harvard Univ.

#10 #11

#12

3. 소프트 로봇의 활용

2) 한계 극복을 위해 생명체를 모사한 기계 시스템

• 소금쟁이의 물 위에서의 도약 움직임을 모사한 소금쟁이 로봇

Water strider, Seoul National Univ. Flea, Seoul National Univ.

3. 소프트 로봇의 활용

3) 유연하고 부드럽게 물건을 잡는 소프트 로봇

• 다양한 물건을 손쉽게 잡을 수 있는 소프트 그리퍼

Universal Gripper, CMU Soft Gripper, FESTO Shadow Robot

#17 #18 #19

3. 소프트 로봇의 활용

4) 사람을 돕는 부드러운 소프트 로봇

• 손이 마비된 장애인을 위한 장갑형 로봇

Exo-glove Poly, Seoul National Univ.

3. 소프트 로봇의 활용

5) 사람을 돕는 부드러운 소프트 로봇

• 보행이 힘든 장애인, 노약자를 돕는 착용형 로봇

Soft Exosuit, Harvard Univ.

#20

#21

#20

3. 소프트 로봇의 활용

6) 연약한 몸 안에서 복잡한 작업을 수행하는 수술용 로봇

STIFF-FLOP Project, EU

#22

#23

#24

4. 소프트 로봇의 한계와 미래

• 낮은 구조 강성과 내구성

• 낮은 출력과 에너지 효율

• 느리고 부정확한 움직임

• 움직임 생성/제어의 어려움

• 단순한 구조 설계와 구동 방법

• 높은 유연함과 주변 환경과의 적응

• 인간친화적인 구조

한계 미래

자료 출처

#1 Cheetah, http://efdreams.com/cheetah.html, 2016.11.15

#2 Skeleton, http://worldandhuman.bloog.pl/kat,41313062,index.html, 2016.11.15

#3 Muscle, http://anatomybody-charts.us/muscular-system-picture-with-label/muscular-system-picture-without-labels-2/, 2016.11.15

#4 cockroach, http://abcwildlife.com/animals-insects/cockroach-control-removal-illinois, 2016.11.15

#5 Octopus escaping, https://www.youtube.com/watch?v=949eYdEz3Es, 2016.11.15

#6 ATLAS, https://en.wikipedia.org/wiki/Boston_Dynamics#/media/File:Atlas_frontview_2013.jpg, 2016.11.15

#7 Material, http://ec91093932.sell.everychina.com/p-101551790-compression-molded-rubber-parts-custom-molded-rubber-parts-rubber-material-rubber-product.html, 2016.11.15

#8 Molding, http://www.benam.co.uk/products/silicone/, 2016.11.15

#9 Multigait robot, http://www.pnas.org/content/108/51/20400/F1.expansion.html, 2016.11.15

#10 Multigait robot video, https://www.youtube.com/watch?v=lUyuBOtsDu4, 2016.11.15

자료 출처

#11 Octopus picture, http://sssa.bioroboticsinstitute.it/events/CheltenhamScienceFestival2013, 2016.11.15

#12 Octopus video, https://www.youtube.com/watch?v=L7FEJJsvHRQ, 2016.11.15

#13 Stickybot Picture, http://bdml.stanford.edu/twiki/bin/view/Rise/StickyBot.html, 2016. 11.15

#14 Stickybot video, https://www.youtube.com/watch?v=odAifbpDbhs, 2016.11.15

#15 DASH Picture, https://www.cnet.com/news/dash-robot-learns-cockroach-escape-trick/, 2016.11.15

#16 DASH Video, https://www.youtube.com/watch?v=UjGIJR5Mxjo, 2016.11.15

#17 Shadow robot, https://www.wired.com/2008/10/gallery-robothands/, 2016.11.15

#18 Universal gripper, http://www.news.cornell.edu/stories/2010/10/researchers-develop-universal-robotic-gripper, 2016.11.15

#19 FESTO gripper, https://www.youtube.com/watch?v=m7l-87r4oOY, 2016. 11.15

#20 Soft Exosuit picture, https://wyss.harvard.edu/darpa-contract-to-further-develop-soft-exosuit/, 2016.11.15

#21 Soft Exosuit video, https://www.youtube.com/watch?v=aeDm5yFYt10, 2016.11.15

자료 출처

#22 Stiff flop picture, http://www.stiff-flop.eu/index.php/en/, 2016.11.15

#23 Stiff flop video 1, https://www.youtube.com/watch?v=lwQygLHaydk, 2016.11.15

#24 Stiff flop video 2, https://vimeo.com/97913172/, 2016.11.15