로봇(Robot)을 활용한 게임시스템 기술 (上)

제1장. 연구 범위와 내용
오늘날은 지식 기반 사회의 단계로 시대적 패러다임이 크게 바뀌고 있으며, 앞으로의 시대는 지능 기반의 사회로 전이될 것이며, 감성 기반 시대의 패러다임에 맞추어 로봇도 발전해 나갈 것이다. 국내 로봇 산업분야와 관련 기반 기술 시장을 동반 성장시킬 수 있는 좋은 기회를 제공하고 있다고 할 수 있다.
본 내용에서는 로봇 테크놀로지 기술이 산업 활동에서 널리 사용되고 있는 상황에서 로봇을 활용한 게임시스템에 관한 기술의 동향분석을 연구의 주된 목표로 설정하고, 관련 시장의 특성과 국내?외 기술개발 현황 및 시스템의 핵심적인 모듈과 시스템에 관한 전반적인 상황들을 분석하고자 하였다.

제2장. 시스템의 정의

1. 로봇시스템의 활용
공공 및 홈서비스, 엔터테인먼트 및 매개치료, 개호 등의 다양한 분야에서 인간과 로봇 간의 상호작용을 통한 감성적인 교류에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 시각과 음성 인식을 통한 사용자 중심의 감성 인식에서 촉각 기반의 상호작용을 통한 다양한 형태로 감성을 표현하는 로봇들에 대한 연구개발이 크게 이루어지고 있다. 또한 로봇이 친구처럼 또는 재미(Fun & Game) 요소를 제공하는 매체로서 생활의 필수품으로 점차 자연스럽게 자리를 잡아가고 있으며, 삭막한 현대사회에서 로봇이 친구 역할을 수행하는 시대를 준비하는 중요한 감성적 접근을 필요로 한다. 더불어 로봇의 활용은 다양한 분야에서 다양한 기능으로 개발이 진행되고 있으며, 최근에는 서비스 로봇 분야에서 급속도로 진보된 기술 개발이 진행되면서, 매우 다양화되고 있다. 특히, 서비스 로봇 분야에서는 점차 감성적 요소를 매우 중요하게 다루고 있는 추세이다.

서비스 로봇 중에서도 엔터테인먼트 로봇 즉, 다양한 콘텐츠를 구현할 수 있는 미디어로서의 중요한 역할을 수행하는 로봇으로 네트워크 기반의 감성형 애니메이션을 지원하는 새로운 콘텐츠 매체로서의 로봇의 활용과 자연스러운 캐릭터와 연동하는 로봇과 친구처럼 대화하는 로봇의 적용이 시도되고 있다.

가. 로봇시스템의 응용
개인 생활이 늘어 가는 현대인에게 대화 상대방이 없어도 친구가 되어줄 수 있는 콘텐츠 로봇은 새로운 서비스 로봇의 한 분야로 자리매김하고 있다.
캐릭터 로봇, 애완용 로봇 분야의 「감지 기능」, 「얼굴인식기능」, 「언어 이해력」 등으로 인간과의 커뮤니케이션 능력을 극대화하는 관점에서 기술개발을 통한 제품화는 빠른 속도로 발전되고 있다.

교육용 및 청소 로봇과 안내 로봇 등 타깃 솔루션이 명확한 로봇들에 대하여는 기술개발과 연구가 활발히 진행되고 있으며, 콘텐츠가 부족한 로봇에게 감성형 콘텐츠를 제공하고 콘텐츠 기술을 통한 로봇 기술도 빠르게 발전하고 있다. 더불어, 로봇의 응용은 인간의 생활과 로봇을 융합하여 감성 콘텐츠를 제공하는 어플리케이션이 활용되고 있으며, 인간과의 상호작용을 향상시키는 로봇으로 일상생활에서 인간을 지원해주는 로봇들이 향후 본격적인 신규 서비스 로봇 시장에서 가장 크게 성장할 것으로 예측하고 있다.

나. 로봇시스템의 적용
애니메이션 캐릭터와 연동하여 구동되는 콘텐츠 로봇이라 칭하는 엔터테인먼트 로봇은 애니메이션 캐릭터로부터 추출된 표현 요소를 효과적으로 구현하기 위하여 5개 이상의 관절을 구비하고 50여 가지 이상의 모션을 플레이하기 위한 유연한 기구적인 구조와 제어부를 필요로 한다.
애니메이션 캐릭터와 콘텐츠 로봇을 동기화시켜 구동할 수 있는 엔터테인먼트 로봇은 유아용 교육 콘텐츠의 감성 표출과 자신과의 역할 전환을 통한 스트레스 풀기 및 독거노인과 혼자 사는 사람들과의 대화를 통한 친구 역할을 대행하는 응용 분야에서 다양한 캐릭터를 활용한 홍보 및 캐릭터 사업자들에게 수익을 창출할 수 있는 분야로 크게 확대될 예정이다.

파트너 로봇 중에서 라이프 케어용 로봇은 개호?복지 기능, 엔터테인먼트 기능과 생활 지원 및 감시와 건강관리 측면의 헬스케어 기능이 복합적으로 이루어진 애완동물 형태의 로봇을 의미할 수 있다.
일본의 경우에는 2005년도에 서비스 로봇 중에 인간의 생활을 도와주는 용도로 로봇을 파트너(Partner) 로봇이라 재 정의하고, 가정용과 업무용으로 구분하고 있다.
국내의 경우 감성 기반의 기술을 접목한 로봇은 초기 개발 단계에 있으며, 감성 및 콘텐츠 로봇(엔터테인먼트)의 상품화는 매우 미비한 상태이다. 이는 국내 시장 조성의 영향도 있지만 기존의 재래완구 산업이 수입에 의존한 수익구조를 가지기 있었기 때문에 엔터테인먼트 로봇을 직접 제품화한 경우가 많지 않았기 때문으로 풀이된다.

제3장. 기술 구성요소
1. 기반 기술

가. 인지기능 구현 및 환경 대응 기술
주어진 공간 혹은 임의의 공간에서 로봇이 해당 환경 내 자기위치를 인지하고, 상황에 따라 지능적으로 행동하도록 하기 위해 요구되는 지능 구현 관련 기술을 칭한다.
인공지능을 구성하는 요소는 지식표현(knowledge representation or world modeling), 자연어 이해(understanding natural language), 학습과 플래닝(planning), 추론, 탐색(search), 인지(perception) 등으로 구분할 수 있다.
기술의 범위는 로봇시스템의 서비스 제공 관점에서 모델링(혹은 지식표현), 플래닝과 제어 및 인지 기술로 구분할 수 있다. 로봇지능 기술은 세부적으로 ① 실내 로봇용 인지모델 기반의 전역 위치 인식 기술 ② 멀티모달 센서 통합 기술(센서 융합) ③ 멀티 모달 센서 집적 플랫폼 개발 기술로 나누어진다.

나. 로봇 S/W 플랫폼 기술

로봇의 지능과 기능이 구현될 H/W와 S/W 모듈을 효과적으로 통합시키는 시스템을 통칭하며, 주어진 목적 작업을 수행할 수 있도록 설계된 H/W 디바이스와 로봇의 기능을 구현한 S/W알고리즘을 포함하는 S/W 컴포넌트들이 효과적으로 통합 운용되도록 하는 기반 S/W 기술을 지칭한다.
또는 로봇 소프트웨어 컴포넌트의 재사용성과 상호호환성 및 다양한 정보기기와의 상호 운용성, 이종 통신망과의 상호접속성을 갖는 지능형 로봇의 S/W 기술로서 로봇 소프트웨어가 따라야 하는 최소한의 요구사항을 의미론적으로 기술하고 컴포넌트와 인터페이스 등의 규격을 기술한 로봇 소프트웨어 규격과 이를 만족하는 소프트웨어 모듈이다.

이는 로봇에 바로 적용할 수 있도록 기본적으로 제공되는 구현물 이외에 로봇 S/W 개발을 지원하는 통합 개발 도구를 포함하는 S/W 기술을 말한다. 또한, 로봇 S/W 기술의 범위에는 로봇의 기본적인 개발과 서비스를 위해 필요한 로봇 컴포넌트 모델 및 미들웨어, 로봇 S/W 고장 감지 및 복구, 로봇 태스크/콘텐츠, 통합 개발 환경 및 시뮬레이션, 가상현실 기반 로봇 및 환경 모델링, 다중 로봇 협조 제어, 로봇용 분산 통신 미들웨어, 실시간 O/S 기반 로봇 제어, 서버 기반 상호 작용형 로봇콘텐츠, 로봇과 서버 간 통신 프로토콜 등이 포함된다.

다. 시스템 자세, 속도 및 반응 제어 기술
인간과의 자연스러운 커뮤니케이션을 통하여, 작업 및 협업이 가능한 인간형 로봇의 플랫폼 개발 및 움직임 구현에 관한 기술을 지칭하며, 가정이나 사무실 등에서 사람을 대신하는 실제서비스(예, 심부름, 설거지, 요리보조, 청소, 놀이 등의 가사보조 서비스 및 보안, 안내 등의 공공지원 서비스) 수행이 가능한 시스템을 말한다.
인간 친화형 외관 설계, 작업/협업 가능한 기구부, 전장부 설계, 시스템 통합과 족형 또는 바퀴형 휴머노이드의 이동/작업 수행을 위한 이동제어 기술, 전신 협조 자세 제어/균형 유지 기술 및 전신을 이용한 작업 지능 구축과 작업계획 및 그에 따르는 상세한 동작생성 기술 등이 본 기반 기술의 범위에 속한다.

2. 주요 핵심  요소 기술

가. 동기화 기술
로봇 산업에서의 동기화 기술은 양자 간 역할 기반에서 다자간 역할 기반으로 로봇의 역할을 확장하여 적용 가능한 서비스 모델의 활용성을 제고하고, 사용자와 로봇 그리고 다른 사용자와 그 로봇이 각자의 상태를 알려 원하는 대상의 상태를 알고 그와의 통신을 시작할 수 있다.
또한 근거리 영역에서는 동일한 무선 AP에 연결되어 있을 경우 네트워크상에 자신의 상태를 Broadcasting 할 수 있는 UPnP 기술이나, 자동으로 근접 영역에 다른 매체의 접근을 감지하고, 등록(pairing) 하여 통신을 시작할 수 있는 블루투스 기술을 적용하여 온라인상의 같은 영역에 접근하는 매체에 서로 자신의 상태를 알려 사용자에게 해당 매체에 접근 가능 유무를 알려준다.

원거리 영역(Wide Area)에서는 통상 인터넷 연결이 가능한 유무선의 장치를 통하여, 인터넷상의 서버에 로그인하고 그 상태를 알려준다. 각각의 사용자를 비롯한 매체는 서로의 온라인 상태를 서버를 통하여 알 수 있으며, 단순히 메신저 기능만이 아니라 사용자와 로봇의 상태 정보 등을 제공한다. WLAN과 WPAN 네트워크와의 연동기술로 프록시 기반, DTN과 TCP/IP 기반의 연동 방식이 있다.

 ① 프록시 기반은 프록시 서버는 릴레이(relay)나 프론트-엔드(front-end) 형태로 동작하며,

② 저장 후 전달(store-and-forward) 메시지 교환 방식을 기반으로 하는 오버레이 구조를 사용

③ TCP/IP를 WPAN 노드들에 탑재하여 사용한다.
향후, 블루투스나 지그비(ZigBee)를 중심으로 형성되고 있는 PAN 영역 및 기존 WAN 영역과 연결 기술을 통해 그 효용성이 증가하고, 모든 영역을 커버하는 통합 무선 통신망 서비스의 제공이 가능하게 될 것이다.

나. 콘텐츠 로봇 기술
기존 하드웨어 중심인 로봇 산업의 사업 영역 확장을 위한 콘텐츠 로봇 기술이 개발되었으며, 네트워크 로봇(URC), 로봇 응용 어플리케이션 서비스(보안, 교육 등)에 적합한 형태로 기술이 변화하고 있다.
로봇 토이, 로봇 페트 등 장난감 형태의 소형 로봇 산업에서 대형 로봇 산업을 선도할 엔터테인먼트 로봇으로 변화고 있으며, 메신저, 뉴스 및 날씨 등의 정보제공과 교육, 육아 콘텐츠 제공, 걸어 다니는 영화관과 같은 오락 기능을 제공하는 홈서비스, 서비스 로봇 등으로 인간과의 상호작용을 향상시키는 방향으로 개발되고 있다.

인간의 생활과 로봇을 융합하여, 감성 콘텐츠를 제공하는 어플리케이션으로 활용되고, 가격을 낮추고 기능을 개선하여 시장활성화를 유도하는 방향으로 발전하고 있으며, 초기 비용을 낮추는 방법으로 네트워크 인프라 활용과 네트워크 기술을 활용한 URC 로봇 기술이 시장 창출에 큰 역할을 하고 있다.

다. 지능형 대화 구현 기술
대화 시스템은 사용자와 시스템이 자연어를 사용하여 의사소통을 하는 프로그램으로 사용자의 발화를 정확하게 이해하여, 그에 대응하는 적절한 응답을 생성해 내어야 한다.
화자의 의도는 시스템과 사용자의 의도로 나눌 수 있으며, 시스템의 의도의 관점에서 시스템은 사용자의 발화 의도에 부합하는 협조적인 응답을 생성할 수 있어야 한다.
지능형 대화 기술은 자연어를 통해서 해당 분양의 정보 및 서비스를 사용자에게 전달해주는 메신저 기반의 인공지능 기술이다. 지능형 대화 기술을 통하여 텍스트로 구성된 사용자 입력의 사용자 의도와 사용자 감성 상태를 추론하고, 사용자에게 상황에 적절한 응답을 전달할 수 있다.

퍼지 기술을 이용한 질의 처리 및 단어의 모호성 제거 기술 개발로 의도 인식의 정확성을 높이고 있다. 전처리 모듈에는 키워드 추출과 도메인 정보와 키워드의 동의어 정보를 태깅하는 대화 정보 태깅 프로세스를 필요로 한다.
사용자 의도 분석 모듈은 사용자 입력에 대한 대화 형태 분류작업을 통하여 화행을 파악함으로써 질의에 대한 답변을 매칭할 때 사용자의 의도에 적합한 답변을 제시할 수 있다. 대화형태 분석과 더불어 패턴매칭은 대화 처리 기술 중 가장 기초적인 기술로 사용자 입력과 예상 입력 간의 키워드 패턴을 비교하여, 사용자 입력을 인식하는 기술이다.

지식 관리 모듈에서는 사용자에게 상황에 맞는 서비스를 제공하기 위해서는 사용자의 입력으로부터 대화 수행에 필요한 정보를 추출하여야 한다. 또한 원활한 대화 수행을 위해서는 대화의 진행에 따라 추출된 정보 값을 유지 및 변경과 삭제를 할 필요가 있다. 지식관리는 시간과 대화 횟수에 다른 지식 쇠퇴함수를 설계하고, 이를 이용하여 추출된 정보의 유지, 변경과 삭제를 수행한다.

라. 감성형 애니메이션 구현 기술
감성이 컴퓨터 분야에 이용되면 인간과 컴퓨터의 차이를 줄일 수 있으며, 상당한 영향을 미칠 것이다. 감성 지능이란 감성을 인식하고 표현하며 감성을 가질 수 있는 능력을 뜻한다.
감성 지능형 컴퓨팅은 컴퓨터에게 인간의 감성을 인지하고, 학습과 적응을 통하여 인간의 감성을 처리할 수 있는 감성 지능 능력을 부여하는 것으로 인간과 컴퓨터의 효율적인 상호작용을 목적으로 한다.
감성 지능형 컴퓨팅 기술은 여러 감성들을 컴퓨터가 인식하고, 감성 신호의 피드백에 따라 각각의 상황에 맞는 적절한 행동을 수행할 수 있도록 하는 것으로 과거의 지식이나 현재의 감성상태를 기반으로 동적으로 대처할 수 있는 능력을 갖는 자율 행위 시스템인 인공생명체의 주요 기술 중의 하나이다.

감성형 애니메이션 구현기술의 주요 기술은 크게 감정 시스템과 행동 선택 시스템으로 나눌 수 있다. 캐릭터 감정 시스템은 캐릭터의 감정 합성을 위해 많은 감정 모델들 중에서 캐릭터의 감정 상태를 생성한다.
행동 선택 시스템에서는 감정 시스템에서 얻어진 사용자의 감정 상태와 캐릭터의 감정 상태를 근거로 상황 인지와 목표설정을 거쳐서 설정된 목표를 사용자의 감정 상태, 캐릭터의 감정상태와 외부 상황을 고려할 때 자연스럽다고 판단되는 캐릭터의 행동을 선택하며, 행동 선택의 방법으로 행동 선택 네트워크를 제안한다.

마. 콘텐츠 저작 도구
사용자의 감성 및 대화문에 따라 대화 상대 캐릭터 표현과 콘텐츠 로봇의 동작을 편집하며, 애니메이션에 따라 콘텐츠 로봇의 동작을 편집하고 시뮬레이션을 통해 결과를 확인할 수 있는 대화형 저작도구라 할 수 있다. 성장 수준별로 성장 수준에 따른 캐릭터들로 디자인하고, 대화 스크립트 및 지식 데이터베이스로부터 성장 수준을 설정하여 사용자가 제작한 캐릭터의 수준을 지식 D/B나 대화 스크립트를 개선하여 활용하고, 모션 데이터를 제어한다.

감성 엔진을 저작도구에 포함하여 콘텐츠를 저작할 수 있도록 하여야 하며, 3D 모델러나 렌더러는 기존의 애니메이터가 사용하는 툴을 반드시 활용하여, 로봇 전문가가 아닌 애니메이터 또는 콘텐츠 제작자가 마치 애니메이션 캐릭터를 조작하듯이 로봇의 동작과 감성을 제어할 수 있어야 한다.           한국과학기술정보연구원의 박수일 전문연구위원