지능형 서비스 로봇의 개발 : 초등학교 교사 도우미 로봇
Development of Intelligent Service Robot : Teaching Assistance Robot for Elementary School
전 상 원, 황 병 훈, 김 병 수†
Sang-Won Jeon, Byung-Hun Hwang, Byung-Soo Kim
Abstract 지능형 서비스 로봇은 인공지능 및 센서인터페이스 등의 다양한 기능과 IT기술의 접목으로 우
리의 생활을 윤택하게 해줄 수 있는 인간 지향적인 성격으로 발전하고 있다. 또한 많은 분야에서 새로운 서비스 개발을 통해서 좀더 인간의 생활에 가까이 접근되어 지고 있다. 한편 국내 초등학교에서 초등교 사는 학생 수의 과다로 능동적이기 보다는 수동적인 수업을 하고 있어서 학습 효율성이나 능률성이 떨어 지고 있다. 이에 본 연구에서는 발전하고 있는 서비스 로봇 기술로 능동적인 수업형태와 자율적이고 창 의적인 학습 및 교육서비스를 제공할 수 있는 교사도우미 로봇을 개발하였다.
본 연구에서 개발된 로봇은 기존의 지능형 서비스 로봇과 ICT(Information & Communication Technology) 교육을 접목할 수 있는 로봇의 제반 환경의 구성과 더불어 교육 현장에 알맞도록 HRI 및 시나리오를 기반 으로 개발되었고, 로봇의 주요기능은 교사지원, 학습보조, 수업지원 등으로 사전 설문조사를 통하여 필 요성이 높은 기능을 중심으로 설정되었다.
개발된 초등학교 지원 로봇은 2006년 10월부터 대전지능로봇산업화센터에서 초등학교 학생을 대상으 로 시범수업을 준비하고 있고, 2007년도 중반에는 초등학교에서 시범사업을 추진할 예정이다.
Keywords:학습보조, 교사지원, 로봇, 사용자-로봇 역할모델
1. 서 론1)
최근 로봇의 적용 범위가 점점 확대되어 기존의 산업 현장에서의 로봇들이 지능형 로봇 기술과 접목되고, 인 간생활에 더 밀접하게 접근하고 있다. 이것은 로봇이 가 정, 공공시설 등으로 접근하여 인간의 삶의 질을 높이거 나 극한지역이나 험지 등으로 접근하여 인간의 능력을 극복하는 목적으로 다양하게 확산되고 있다.[1, 2]
이런 움직임은 로봇의 지능이 점점 고도화됨으로 가 능하게 되었다. 로봇이 스스로 환경을 인지하는 인지능 력, 정확한 움직임을 제어할 수 있는 메커니즘 기술, 정 해진 과업을 수행하기 위한 여러 가지 환경 및 상황을 판단하기 위한 지능의 발달 등이 이를 뒷받침하고 있다.
또한 다양한 서비스 알고리즘의 발달은 로봇과 인간의 상호작용에 깊숙하게 작용함으로써 인간과 더 가까운 로봇의 발달이 진행되고 있다.
이렇게 지능화된 로봇의 적용 및 확산은 대부분 인간 을 대신하는 일들이 많다. 이미 산업현장에서 극한작업
※ 본 논문은 지역산업기술개발사업(지역산업중점기술개발)의 지원에 의하여 연구되었음(10017527).
† (주)한울로보틱스 지능로봇연구소 ([email protected])
이나 3D업종에는 인간을 대신하는 로봇이 투입되고 있 고, 이제는 좀더 인간이 편리해 지기 위해 공공시설에서 안내, 보안이나, 가정에서 가사 보조의 형태로 로봇이 발전되고 있다.[1-4] 지능형 로봇은 그 용도와 지능 등의 정도에 따라서 일반적으로 [표 1]과 같이 분류된다.
[표 1] 로봇분류표
1.1. 교사 보조 및 지원용 로봇의 필요성
첨단기술의 급속한 발달로 조기교육이 중요시되는 요 즈음의 현실에서 초등학교 교육환경의 개선은 우리나라 의 미래를 좌우하는 인재를 키운다는 측면에서 말이 필 요 없을 정도로 시급하고 중요한 문제이다. 그러나 현재
국내의 교육현실은 앞서 언급한 중요성을 실현하기에 현실적으로 큰 어려움이 있다.
첫째, 국내 교육현실은 선진국에서 경우와는 달리 국 내 초등학교에서는 교사 1인당 학생수의 과다로 교사들 이 학생들에 대한 역할 부담이 매우 크기 때문에 효율 적인 교육이 어려운 상황이다. [표 2]는 전 세계의 교사 1인당 학생수를 표시한 것이다. 우리나라를 교육열이 높은 나라로 평가되고 있지만 초등 교육 현실만을 놓고 보면 심각한 정도라 할 수 있다. [표 2]를 기준으로 선 진국 수준의 교육현실로 개선하자면, 초등교사와 교실 을 2배정도 확충하여야 하는 현실적인 어려움에 부딪치 게 된다.
[표 2] 국가별교사 1인당 학생수 비교
대륙별 국가별 학생수 대륙별 국가별 학생수
범아 시아
대한민국 30 아메
리카
니카라과 35
대만 18 온두라스 34
일본 20 쿠바 11
홍콩 20
유럽
프랑스 19
중국 21 아일랜드 19
방글라데시 56 우크라이나 19
인도 41 헝가리 10
네팔 36 이탈리아 11
필리핀 35 룩셈부르크 11
미얀마 33 폴란드 11
사우디아라비아 13 포르투갈 11
쿠웨이트 13 스웨덴 11
이스라엘 15 독일 14
아메 리카
미국 15 영국 17
캐나다 17 오스트리아 13
멕시코 27 아프
리카
에티오피아 67
칠레 34 모잠비크 67
도미니카공화국 39 콩고 65
그림 1. ICT 교육 현장
둘째, ICT방식의 교육에 대한 단점이다. 현재 교육현 실에서 교사의 부족을 해결하고 교육 효율을 높이기 위 하여 도입되어 사용하고 있는 방법이 ICT방식의 교육이 다. 정부주도의 E-Learning 정책의 결과라고 할 수 있 다. 초등학교의 경우 특정과목을 전문화된 교사가 가르 치는 방식이 아니고, 교사 1인이 다수의 과목을 가르쳐 야 하므로 ICT방식의 수업이 적합하다고 판단할 수 있 다. 하지만 ICT가 학생들 보다는 교사들 입장에서 먼저 접근되다 보니까 ‘ICT 활용 수업’만 강조되어 인격 형 성기에 있는 초등학교 학생들에게 단일방향의 시청각 위주의 수업방식이 적용되고 있다. 이는 올바른 인격체 형성과 다양한 사고방식의 형성이 필요한 초등학생에게 적합한 교육방식이라고 보기는 어렵다.
따라서 초등교육에 적합한 다양하고, 폭넓은 수업방 식과, 학생들의 다양한 사고형성에 필요한 동적인 교육 환경의 실현이 절실한데, 이 부분은 지능형 서비스 로봇 의 적용으로 해결 될 수 있다. 교실환경에 로봇이 투입 되면 로봇이 가지는 모바일성과 학습에 활용할 수 있는 광범위한 데이터의 적용으로 학생들의 흥미 및 학습동 기 유발에 큰 도움이 될 것으로 본다.
2. 본 론
현재 지능형 로봇의 연구 방향은 가전제품 개념의 생 활 로봇이라기보다는 연구 로봇에 중점을 두고 있는 것 이 사실이다. 따라서 로봇이 인간의 생활 속에서 상호작 용하게 되었을 때 외관, 움직임, 소리 등 각종 감각적인 표출들이 사용자인 사람들에게 어떤 기대심리를 부여하 며 어떤 심리적, 문화적 영향을 주게 될지에 대한 문제 의 연구가 이슈화 된 것은 얼마 되지 않는다. 이것이 최 근 HRI(Human-Robot Interaction)라는 연구 분야의 활 성화로 나타나고 있다. 본 연구에서도 로봇이 HRI를 정 확하게 실현해야 하는 특성상 로봇의 기능 및 디자인의 설계를 위해서 많은 실험을 진행 하였다.
2.1. 설문 및 환경조사
먼저 설문조사를 통하여 로봇의 평균 기대 나이에 대 하여 조사하였다. 실험대상은 초등학교 4학년, 5학년 각 각 1반을 기준으로 조사한 결과, 4학년은 13.4살, 5학년 은 12.5살로 나타났다. 이는 아동들이 로봇을 자신보다 약간 높은 나이로 보고, 친근하지만 자신보다 우월하여 자신을 이끌어줄 수 있는 역할을 기대하는 것으로 볼 수 있다.
또한 기존 매체에 대하여 각 교과별로 로봇 및 로봇 활용 수업 흥미도가 다른가에 대한 다음의 모델에 대하
여 5점 척도로 조사하여 F-검정을 실시한 결과 아동과 교사 모두 로봇활용 수업에 대하여 높은 흥미를 가지는 것으로 나타났다.
그림 2. 환경조사
설문조사와 더불어 로봇의 사용 현장인 초등학교를 대 상으로 현장조사를 수행했다. 서울 및 충청권의 3개 초 등학교를 대상으로 관찰기법(Observation Technique)과 교사와 학생에 대한 심층 인터뷰를 바탕으로 각각 2회 에 걸쳐서 심도 있는 조사를 실시했다. 또한 초등학생들 과 함께 미술시간을 빌어 '로봇 그리기'를 통한 초등학 생들이 무의식속에 잠재되어 있는 로봇에 대한 이미지 의 추출을 시도하기도 했다. 그림 3은 학생들이 그린 로 봇들이다.
그림 3. 로봇 그리기를 통한 로봇 이미지 2.2. 시나리오 기반 디자인
본 연구에서 로봇의 컨셉 도출 과정에 있어서 '시나 리오기반 디자인 프로세스'의 적용 가능성을 시험하기 위해 일반 제품 디자인프로세스에서 적용하는 시나리오 기반 디자인 프로세스를 참조했다. 단계별 프로세스로 는 '기초조사' → '관찰을 기반으로 하는 필드스터디 (Field Study)' → '브레인스토밍(Brainstorming)' → '시
나리오 도출' → '프로토타이핑(Prototyping)'의 순서로 진행 되었다. 이러한 디자인 프로세스를 통하여 교육용 로봇이 기존 컴퓨터 기반 ICT 교육방식을 완전히 대체 하기보다는 로봇만이 가진 물리적 입체적 상호작용 구 현능력을 통해 기존 미디어의 효과를 증폭시키고 보완 하는 역할 모델이 도출되었다.
이를 바탕으로 다음과 같은 3개의 시나리오가 디자인 되었다.
- 교육이념 표현 중심 시나리오 : 교사의 입장에서 구 축한 시나리오에 가까운 것으로서 공공 학습용 로봇 의 활용에 대한 기본 가이드라인 성격이 강함.
- 초등학생 일과 중심 시나리오 : 초등학생의 하루 일 과를 바탕으로 시나리오를 구성했으며 학교의 일상 생활에서 발생할 수 있는 이벤트 속에서 로봇의 역 할을 표현
- 로봇의 역할 모델 중심 시나리오 : 학습보조 교사도 우미 로봇의 역할 모델에 따른 시나리오를 구성하였 으며 로봇의 가능한 역할을 Event maker, Supporter, Character 등 3가지로 나누어 기능을 수행함.
이 시나리오 들 중 “초등학생 일과 중심 시나리오”가 실제 교사들 의견을 들어 학교에서의 로봇에 가장 적합 한 시나리오로 선정되었고, 이에 따른 역할모델 및 형상 화를 통한 연구를 진행 하였다.
그림 4. 시나리오 프로세서를 거친 로봇외관 디자인
2.3. 안전성에 기초를 둔 메커니즘 구성
본 연구에서의 로봇은 초등학교 환경에서 실용되는 로봇이므로 특히 아이들의 안전이 개발 초기부터 고려 되었다. 따라서 로봇의 무게중심, 장애물 극복능력, 주 행 속도, 환경인지등 많은 기술적인 이슈와 로봇 외장의 재질에 대한 분야에 걸쳐 많은 조건을 만족하도록 설계 되었다.
먼저 기술적인 이슈에 대하여는 로봇 기구부의 시뮬 레이션을 통해서 로봇의 무게중심 변화, 장애물 극복능
력 등을 주행속도 및 장애물 조건에 따라서 실험하였다.
그림 5. 장애물 극복 시뮬레이션
시뮬레이션을 통해 검증된 기구부를 제작 및 테스트 한 결과 [표 3]과 같은 결과를 확인하였다. 이는 학교 환경 내에서 주행중 안전을 목표로 한 기대치를 만족하 는 것이다.
[표 3] 기구부 성능평가
평 가 항 목 단위 개발목표치 성능 테스트 1. 직진 주행 정도 각도 ± 2도 ± 1.5도 이내 2. 자율 주행 오차 cm 15 10 이내 3. 장애물 통과 cm 2cm 2.5cm 4. 최고 이동 속도 cm/s 50 50 5. 회전율 360도 자유
회전
360도 자유 회전 가능
그림 6. 색상 및 시각이미지 연구
그림 7. 초음파에 의해 검출된 장애물과 맵
로봇 외장에 대하여는 각종 소재 및 후가공의 적용 및 디자인을 위한 초등학생 라이프스타일 및 시각문화 에 대한 조사를 실시하였다. 또한 이런 재질이 디자인의 색상 등 시각 이미지를 실현하는데 적합한지에 대한 조 사도 같이 실시되었다.
또한 로봇이 학교 내의 환경을 인식하기 위해서 거리 감지 센서로서 우수한 성능을 가진 초음파를 이용, 안전 한 자율주행 및 장애물 회피의 기능을 구현하였다. 그림 7.은 초음파 센서를 이용하여 환경을 인식한 결과이다.
2.4. 네트워크 기반 교육 서비스
본 연구에서 개발된 로봇은 학습보조 기능이 있다.
이는 기존의 ICT교육을 바로 실행하는 작은 의미에서의 교육 서비스에서 HRI를 통한 로봇과 학생간의 유기적 인 교감을 통해 학습효과를 기대하는 넓은 의미의 교육 서비스를 동시에 내포하고 있다. 교사도우미 로봇은 네 크워크를 기반 지능형 서비스 로봇으로 인터넷의 무한 한 정보와 학습에 필요한 수많은 교육자료에 접근하여 학생들에게 지식을 전달할 수 있는 매개체로서 역할이 가능하고, 로봇 관제센터 및 상담센터를 구성하여 학생 들의 의사전달 수단으로써의 역할이 가능하다.
ICT의 확장을 위해 로봇자체 컨텐츠를 제작하고, 현 재는 국어, 영어, 음악에 한정하여 교과목을 개발하고 있다.
컨텐츠에는 로봇의 모션 및 표정에 대한 정보를 포함 하여 실제 로봇에서 컨텐츠를 실행하였을 때, 학습화면 과 로봇의 움직임이 동기화 되어 학습효과를 증폭하는 효과를 기대하고 있고, 현재까지 개발된 학습 컨텐츠는 3과목에 대하여 각각 30편씩 제작이 되었다.
그림 8. 네트워크 기반 교육서비스
그림 9. 수업컨텐츠
3. 결 론
본 연구에서는 네트워크 기반 지능형 서비스 로봇을 교육현장에 적용하였다. 지능형 서비스 로봇이 갖추어 야 하는 각각의 요소기술 들의 적용은 물론이고, 초등학 교라는 특수 현장에 적용하는 로봇으로써 필요한 추가 요소들을 도출하기 위해서 설문조사, 현장조사, 시나리 오 디자인 기법 등을 적용하여 로봇의 정확한 역할모델 및 시나리오를 정리하여 개발을 진행하였다.
또한 안정성에 기초한 메커니즘을 개발하기 위해 장 애물에 대한 시뮬레이션 및 외관 재질에 대한 조사를 통해서 아이들과 안전하게 공존하기 위한 요소들을 개 발에 적용하였다.
본연구의 로봇이 실용화에 이르면 현재 열악한 초등 교육환경이 개선됨은 물론이고, 지능로봇과 네트워크 환경을 이용한 신교육 개념이 실현된다. 또한 아직 국내 외로 접근되지 않은 산업분야로 초기시장에 진입함으로 써 국내외 시장 주도 및 선점이라는 의미도 가지게 될 것으로 전망된다.
참 고 문 헌
[1] 정만태 “산업용 로봇산업의 전망과 발전 방안”, 월 간KIET 산업경제 통권 49호 2002. 10.
[2] 김병선 “지능형로봇산업의 개요” 주간전자정보 2002.
3. 25.
[3] 김진오 “지능형로봇의 국내외 기술동향 및 전망” 월 간자동화기술 2004. 11.
[4] 김병수 “지능형 서비스 로봇 기술현황” 한국소음진 동공학회 Vol.14 No.3, 2004.
[5] 산업 자원부 지역산업기술개발사업, 학습보조 교사 도우미 로봇 개발 사업, 2005.
[6] 전상원, 김병수 “교사 보조 및 지원용 지능형 로봇 플랫폼의 개발”, 한국지능로봇 하계종합 학술대회
논문집, 2006.
[7] 김지훈, 김명석 “지능형로봇개발에 있어서 시나리오 기반 디자인의 역할”, 한국지능로봇 하계종합 학술 대회 논문집, 2006.
전 상 원
2000 군산대학교 제어계측공 학과 (학사)
2002 군산대학교 전기전자제 어공학과 (석사) 현 재(주)한울로보틱스 지능
로봇연구소 선임연구원 관심분야: 지능형 서비스로봇, 로봇전원관리
황 병 훈
2004 인하대학교 제어계측공 학과 (학사)
2006 인하대학교 전기공학과 (석사)
현 재 (주)한울로보틱스 지능 로봇연구소 전임연구원 관심분야: 지능형 서비스로봇, 로봇UI
김 병 수
1985 인하대학교 전자공학과 (학사)
1987 인하대학교 전자공학과 (석사)
1996 인하대학교 전자공학과 (박사)
2001.09 ~ 로보틱스연구조합 이사 2003.08 ~ 한국지능로봇산업협회 부회장 현 재(주)한울로보틱스 대표이사
관심분야: 지능형 서비스로봇, 청소로봇, 군사용로봇
