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로봇은 어떻게 장애 아동의 삶을 바꿀 수 있나매스웍스코리아 기술 담당 이영준 이사
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승인 2018.08.20  11:19:27
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▲ 매스웍스코리아 기술 담당 이영준 이사
무언가를 함께 하지 않는 아이의 생각의 틀에는 주고받기라는 개념이 없다. 이러한 아이의 참여를 유도하던 행동 치료 연구 그룹은 소형 휴머노이드 로봇을 활용했다. 그러자 거의 동시에 아이가 로봇과 상호 작용을 하기 시작했다.

조지아 공과 대학의 인터랙티브 컴퓨팅 학과장이자 로봇 공학자인 아야나 하워드(Ayanna Howard) 박사는 로봇을 활용하여 행동 장애 또는 운동 장애가 있는 아이를 돕는 방법을 찾고 있다. 그는 “일반적으로 취약한 집단을 대상으로 하기 때문에, 실질적인 도움을 주는 방향으로 변화를 만들 수 있다. 500억 명이 사용할 차세대 장비는 아니지만, 이것을 사용할 1000명 정도의 아이들의 삶은 크게 바뀔 수 있다.”고 말한다.

하워드 박사는 어렸을 때부터 로봇에 관심을 가졌다. 덕분에 인간과 로봇의 상호 작용이라는 분야를 연구할 수 있었다. 이 분야에서 로봇은 인간의 삶에 있어 중요한 부분을 담당한다. 하워드 박사는 “인간과 로봇은 이 세상에 공존하고 있다. 이는 내 모든 연구의 핵심이다”고 말했다.

   
▲ 아야나 하워드 박사와 대학원생 진 수(Jin Xu)가 나오(NAO) 로봇을 설치하고 있다.
NASA 근무 시 하워드 박사는 과학자의 사고 패턴을 모방할 수 있는 지능형 우주 탐사선을 만드는 데 관심이 있었다. 박사의 연구 분야가 의료 로봇 공학으로 진화하면서, 이제 신뢰와 투명성과 같은 개념을 알고리즘에 통합하는 방법에 중점을 두고 있다. 하워드 박사에게 이는 “서비스 로봇”이라 칭하는 로봇을 설계하는 데 있어 핵심 개념이며, 이런 서비스 로봇은 자율 주행 차량에 쓰이거나 혹은 장애 아동의 치료 코치 역할로 쓰일 수 있다.

   
▲ 하워드 박사의 연구는 소프트뱅크 로보틱스(SoftBank Robotics)의 나오(NAO) 로봇을 활용하여 물리 치료 세션 동안 아이가 프로그램에 계속 참여할 수 있도록 한다.
참여하고 독려하는 로봇

물리 치료는 힘든 과정이다. 환자의 능력을 끌어내야 하기 때문이다. 그리고 환자가 동일한 움직임을 반복해야한다. 뇌성 마비와 같은 발달 장애를 가진 아이는 몇 시간의 치료를 견뎌내야 하기 때문에 치료 중 아이를 계속 참여시키는 것은 매우 중요하다.

로봇이라는 멋진 요소가 “놀이”에 참여할 수 있는 경우가 바로 이 경우다. 많은 아이들이 비디오 게임을 해본 적은 있어도 로봇과 함께 놀아 본 경험은 많지 않다. 현재 하워드 박사 팀은 소프트뱅크 로보틱스(SoftBank Robotics)의 소형 휴머노이드 로봇 나오를 활용하고 있다. 이 로봇은 약 60~90cm 크기로 풍부한 표현력을 가지고 있다. 하워드 박사 팀은 이 로봇이 아이의 관심과 참여를 유지할 수 있음을 깨달았다.

“연구에 따르면 뇌성 마비와 같은 발달 장애를 가진 아이가 호전되려면 가정에서도 운동 프로그램을 진행해야 한다”고 조지아 주립 대학 물리 치료학 교수이자 하워드 박사의 임상 부교수인 유-핑 첸(Yu-Ping Chen) 박사는 전했다.

   
▲ 조지아 공과 대학 연구실에서 대학원생 진 수가 나오 로봇을 설정하고 있다.

“부모들은 가정 내 치료의 중요성을 이해하지만, 이를 감독할 만한 시간과 지식이 부족한 경우가 대부분이다. 로봇은 학습 지도와 동기 부여, 피드백을 제공할 수 있으며, 로봇을 사용하는 아이와의 유대 관계도 형성할 수 있다.”

하워드 박사는 “아이들은 기술에 익숙하고 쉽게 받아들인다. 로봇 역시 이런 기술에 포함된다. 따라서 새로운 기술이지만 아이들은 로봇을 좋아하고 쉽게 받아들이는 것이다”고 전했다.

하워드 박사는 로봇 외에도, TV 화면에서 재생되는 가상 현실 게임으로 아이가 팔을 움직여 거품을 일으킬 수 있도록 하는 시스템을 테스트 중이다. 키넥트 카메라를 사용하여 아이가 게임을 하면서 자신의 모습도 볼 수 있다. 로봇 나오는 아이가 게임을 하는 동안 제대로 된 동작을 했는지에 관한 피드백을 주면서 아이의 참여를 유도한다. 3D가 2D보다 아이에게 더 와 닿을 수 있기 때문에 충분히 체화된 로봇은 올바르게 움직이는 방법을 보여줄 수도 있다.

로봇을 교육하는 머신 러닝

로봇 지원 치료의 핵심 요소 중 하나는 로봇이 아이가 운동을 계속하도록 동기를 부여해야 한다는 것이다. 이를 달성하려면 로봇은 치료사가 치료 세션 도중 아이에게 어떻게 동기를 부여하고 지도하는지를 학습해야 한다. 이를 위해 하워드 박사 팀은 치료 세션에서 영상 데이터(이미지 및 비디오)를 수집한다. 컴퓨터 비전을 사용하여 세션 도중 아이가 무엇을 하는지 추출한다. 또한, 시각적 데이터 세트는 아이가 운동을 올바르게 또는 잘못 끝냈을 때 치료사가 어떻게 상호 작용하는지를 보여준다.

이러한 데이터 세트를 사용하여 로봇이 아이와 상호 작용할 때 적절한 행동을 하도록 교육한다. 아이와 치료사 사이의 상호 작용을 구분하기 위해 시각적 데이터 세트에 머신 러닝을 활용한다. 이를 통해 로봇은 다양한 치료 시나리오에서 어떻게 반응하는지 학습하고, 아이가 반복할 수 있도록 동기를 부여하는 데 필요한 반응을 프로그래밍할 수 있다.

연구팀은 현재 놀이 도중 나올 수 있는 정서적 인식을 나오에게 교육하고 있다. 실시간으로 얼굴 표정을 분석하고, 아이가 지루하고, 피곤하거나 산만해졌는지를 판단하여 그에 따라 놀이를 조정할 수 있다. 이는 심리학에 대한 이해와 머신 러닝의 결합이다.

어려운 하드웨어

하워드 박사는 “하드웨어는 어렵다. 우리는 소프트웨어 시뮬레이션을 사용하여 하드웨어 플랫폼인 로봇에 구현 전에 알고리즘을 테스트한다. 알고리즘과 개발 단계에 따라 매트랩(MATLAB), 가제보(Gazebo) 및 나오 인터페이스(NAO Interface)와의 결합을 통해 시뮬레이션을 한다.”고 말한다.

시뮬레이션은 ‘로봇이 행복한 제스처를 하도록 만드는 데 필요한 관절 운동은 무엇인가?’와 같은 질문에 답변하는데 사용된다. 하워드 박사의 팀은 중력, 마찰력 및 환경 요소를 통합한 고효율 프로토타입 소프트웨어를 개발하고 있다. 팀은 시뮬레이션을 통해 무언가 제대로 작동하지 않는 경우 빠르게 확인할 수 있다. “하드웨어에는 많은 시간과 개발 노력이 필요하다. 그리고 고장 날 수도 있기 때문에 많은 실수는 허용되지 않는다.” 고 하워드 박사는 말한다.

   
▲ 컴퓨터 비전을 사용하여 아이의 움직임을 분석하고 있다.
시뮬레이션을 통해 팀은 알고리즘에 대한 개선 사항을 빠르게 확인할 수 있다. 하워드 박사는 “이 기술의 장점은 더 정확하게, 더 빨리 작업을 수행할 수 있다는 것이다. 왜냐하면 한 번에 합리적 비용으로 제대로 움직이는 로봇을 만든다는 보장이 없기 때문이다”고 말했다.

   
▲ 하워드 박사 팀은 알고리즘을 로봇 하드웨어에 구현하기 전에 시뮬레이션을 통해 테스트한다.
모든 아이를 위한 로봇

최종 목표는 시스템을 개발하여 가정에서 치료시에 사용할 수 있도록 하는 것이다. 하워드 박사는 “아직 완벽하지는 않다. 모든 아이 하나하나가 다르고 특별하기 때문이다. 모두가 다르게 상호 작용하고 반응도 제 각각이다. 아이들의 움직임 프로파일은 약간씩 다르다. 그래서 로봇을 도입할 때 로봇이 제시간에 아이의 능력에 맞춰서 변할 수 있을 정도로 뛰어난 적응력을 갖도록 하는 것이 큰 과제다. 정해진 기준 없이 특별한 요구 사항이 있는 아이가 있을 때 모든 부모 또는 임상의가 가정에서 사용할 수 있도록 인터페이스 측면에서 간단한 저비용 시스템을 만들 수 있을 지가 중요하다”고 말했다. 이영준ㆍ매스웍스코리아 기술 담당 이사

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