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나의 '퍼지' 공부와 보조 로보틱스변증남 KAIST 명예교수
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승인 2015.06.25  00:52:16
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지난 번 글에서 언급한 바 있는 '지능로봇 방정식(R + x = iR)'을 풀려고 꽤 오랜 시간 씨름하고 헤맨 끝에, 나에게 현시된 해답은 x = FUZZY라는 것이었다. 여기서 FUZZY는 “fuzzy sets and systems”를 뭉뚱그린 표기이며 우리말로 “퍼지”라 쓴다. 돌이켜보니, 이 분야를 뒤늦게나마 배우고 활용하게 된 것은 광산업자가 고생 끝에 금광맥을 찾은 것과 일맥상통하다는 생각이 든다.

로봇을 기반으로 하는 여러 갈래 세부 연구 주제 중에서, “보조 로보틱스”라는 분야에 '퍼지'를 가교로 관심을 갖게 되고, 결국 다수의 보조 로봇을 포함하는 스마트 홈에 관한 연구로 발전시켜 HWRS-ERC라는 우수연구센터 연구사업까지 할 수 있게 된 것은 큰 행운이 아닐 수 없다. 공학도에게는 10년 20년의 오랜 세월, 성과를 기대하면서 몰두할 수 있는 연구 주제를 찾기가 쉽지 않다. 사실, 내가 지능문제로 씨름하던 그 당시, 나에게는 신나는 일이 별로 없는 여건이었다. 수탁 연구과제로 한국전력(주) 기술연구소와 함께 “발전소 제어용 디지털 계장 제어시스템 개발”이라는 대형 프로젝트를 하고 있었으나, 아날로그 콘트롤러를 디지털 콘트롤러로 변환 시키는 정도로서, 첨단 연구와는 거리가 있었다. 대학원 시절부터 열심히 배워 갈고 닦은 고급 제어이론이 그 엄격한 수학적 현란함에 비해 실제 공학적 상황에 적용되기 쉽지 않다는 사실에 다소 좌절하던 중이었다. 그러나, '퍼지'는 로봇시스템뿐 아니라 오버헤드크레인 제어와 같이 다양한 새로운 영역에 계속하여 여러 가지 자동화/자동제어 성과를 안겨다 준 기술이 된다.

평소 “fuzzy”라는 단어에 대해 “애매/모호한”-이라는 뜻 정도로 알고 지냈던 나에게, 동창 모임에서 만난 K대학 화공과 교수 친구가 '퍼지 제어'에 대하여 물었다. 공정자동화분야에서 어려운 과제로 알려진 시멘트 제조공정 자동화 문제를 네덜란드의 한 회사가 자동제어에 성공했는데, '퍼지기술'이 수훈갑의 역할을 했다는 것이다. 그 때가 나로서는 퍼지를 처음 들어 본 경우로 1988년 연구연가를 마치고 귀국한 초가을 즈음이다. '퍼지제어'에 대하여 당연히 알고 있을 것으로 기대했을 친구에게, 나는 주저함 없이, “모르겠는데-“라고 하였다. 속으로 ‘자동화는 엄밀한 수학이론-기반 제어로도 성공하기가 힘든데, 퍼지한(애매모호한) 제어로 뭘 할 수 있단 말인가?’-하는 생각이 스쳤으며 '퍼지'를 모른다는 사실이 별로 부끄럽게 생각되질 않았다. 그런 일이 있은 지 얼마 후, 신문에 '퍼지' 기술에 대한 기사가 여기저기서 눈에 띄기 시작한다. 일본에서 세탁기와 냉장고 같은 가전제품에 '퍼지'가 쓰이면서, 사용하기가 대단히 편리해졌으며 성능도 상당히 향상된 제품이 나오고 있다는 것이다. 그런 기사를 몇 번 접하고 나자, 슬며시 '퍼지제어'라는 최신 기술이 어떤 것인지 알아 둬야겠다는 생각이 든다. 혹시 신문/잡지 기자라도 물어온다면, 친구에게처럼 아무렇지도 않은 듯 모른다고 할 수는 없지 않느냐, 깊이 있는 설명은 못 할지언정, 그게 대체적으로 무엇인가는 알아 두어야 한다. 그러고 보면, 내가 '퍼지'에 관심을 보이기 시작한 것은, 학문적 호기심에서라기보다, 엉뚱하게도, 제어 전공자로서의 체면을 의식한 때문이었다.

그런데, 그 때는 아직 “정보화 시대”가 도래하기 전이어서, 새로운 기술에 대하여 알아보는 일에는 시간이 걸리거나 비용이 들었다. 요즈음처럼 위키피디아나 구글 검색 수단도 없었고 학교 도서관에 비치된 기술 정보 문헌들은 종류가 빈약하여 원하는 정보를 찾기가 만만치 않았다. 혹시, 꼭 필요하다면 과학기술 문헌정보센터에 의뢰하여 상당한 금액을 지불하고 관련 논문을 구해 볼 수는 있었지만, 그 때 나에게는 '퍼지'가 그럴 정도로 심각한 주제는 아니었다. 마음 속에 '퍼지'에 대한 물음표를 지닌 채 겨울이 지나고 다시 봄과 여름도 지났다. 그러던 중 1989년 가을, '퍼지'에 대한 세미나 강의를 들을 수 있는 기회가 생겼다. 일본에서 박사학위를 받고 귀국한 Y대 P교수가 주선하여 두 명의 '퍼지'관련 일본 전문가들을 초청하는 일에 동참할 제안을 받았던 것이다. 나는 기꺼이 찬성하였고, 그 해 10월 20일 홍능 과기원에서, ”자동제어를 위한 퍼지 추론 엔진의 이론과 응용“(1. Theory and applications of fuzzy inference engine for automatic control, 2. Applications of Fuzzy inference processor for Automation)이란 제목의 세미나 강의를 듣게 되었다. 강사진들이 일본 말로 강의를 하겠다하여 다소 못 마땅하게 생각했지만, 목마른 사람이 우물 판다고, 우선 무슨 얘기인지 들어보자는 심산으로 그렇게 하자-하고 진행하였다.

초청된 교수는 주로 퍼지 이론 부분을 소개하였고, 가전 기업체 회사 연구원은 퍼지 세탁기를 중심으로 설명하였다. 한 문장 한 문장마다 일본 말이 들리고 곧 이어 통역을 듣는 형식이라 처음엔 다소 불편했으나, 스크린에 보이는 수식을 두 배의 시간으로 찬찬히 생각할 수 있어서 오히려 도움도 된 셈이다. '퍼지'가 선입견과 달리 매우 생소한 개념이었지만 나름대로 상당 부분 기본 흐름을 이해할 수 있었다. 나중에 안 사실이지만 일본인 교수는 영어도 곧잘 하고 외국에 자주 나다니는 인물인데, 그날 회식자리에서까지 일본어로 대화에 응하였던 그의 마음가짐을 오랫동안 이해하지 못했으며, 회사원의 경우, 용모는 양순해 보였는데, 세탁기에 쓰인 퍼지규칙을 어떻게 만들었느냐-와 같은 질문마다 단호하게 “회사기밀(company secret)”이라면서 답을 피하던 모습에 분발심 같은 기분을 느꼈던 것이 기억난다. 그러한 부정적 감정에도 불구하고 아무튼 나는 그 때 그 세미나를 통해 '퍼지'가 무엇이며 어떻게 응용되고 있는지에 대하여, 대략적이고 기본적인 개념을 파악하게 되었다. 그리고 '퍼지'에 매료되었다.

'퍼지(FUZZY)'는 애매모호한 현상을 애매모호(fuzzy)하게 다루는 방법이 아니었다. 그것은 그런 현상을 (인간이 인지/처리하여 표현하는 방식과 비슷하도록) 수학적으로 다루는 기술이다. 내가 '퍼지'에 대한 두 시간짜리 세미나 강의를 듣고 크게 끌린 것은 “지식 표현과 추론을 가급적이면 명쾌하고 논리적으로 하여야 한다.”는 나의 평소 소신과 관련이 있어 보인다. 대학에 들어갔을 때, 1학년 물리학 교과서 1장에 나와 있던 W. Thomson(Lord Kelvin)의 다음 문장을 읽고 무량한 감탄과 고마운 마음을 느낀 적이 있다: “말하는 바를 측정하여 숫자로 표현 할 수 있다면 뭔가 안다고 할 수 있지만, 그렇지 못한 경우의 지식은 빈약하고 불만스런 것일 경우가 많다”(I often say that when you can measure what you are speaking about and express it in numbers, you know something about it; when you cannot measure it, when you cannot express it in numbers, your knowledge is of a meager and unsatisfactory kind.) 그런데, 가르침에 있어 막힘없이 분명한 어조로 강의를 하셨던 고등학교 선생님들과 달리, 학부시절의 적잖은 교수님들은 알아듣기조차 쉽지 않은 목소리로 우물우물 말하듯 강의를 하시는가 하면, 친절한 설명보다 권위적으로 결과만 소개한다든지, 학기 내내 불명확한 스케줄로 강의를 진행하셨던 일들에 무척이나 속으로 불만스럽게 생각하였었다.

미국 유학을 가서 강의를 들으니, 사뭇 대조적이다. 그곳 교수분들은 대부분 논리적으로 설명하려 하고 가능하면 정량적인 예를 들어가며 이해시키려는 수업을 하는 걸 경험하였다. 나는 특히 수학과의 강의를 좋아하여 대학원 수학과목만 42학점을 들은 것도 그 때문이다. 30~40대 한참 나이 때는 낭만적 소설을 포함하여 막연한 내용의 글 읽기를 거부하며 지냈던 시절도 있다. 그런 식으로 지내온 나에게, 우리가 평소에 정보라고 쓰는 표현들, 예컨대, “(바깥 날씨가) 덥다”와 같은 말을 수학적인 퍼지 집합으로 표현하고 그런 표현들이 들어간 문장들을 묶어 결론을 추론할 때 그 논리적 과정이 인간의 인지/처리와 유사하도록 할 수 있다는 것은 내게 놀라운 반전이었다. 어감으로 비춰보아 막연히 별 것 아닐 것이라 생각했던 '퍼지'가 사람이 쓰는 애매모호한 표현과 추론 과정을 보다 수학적이고 명쾌하게 기술하도록 돕는다는 것은 정말 매력적이다.

그 강의를 들은 이후 나는 곧바로 교과 자료를 구해, 1990년부터 '지능제어이론'이란 대학원 과목을 개설하고, '퍼지'를 기초부터 공부하면서 강의를 시작하였다. 그 과목에 인공신경망회로기법(ANN)과 유전자알고리즘(GA) 같은 내용도 포함하여, 소위 소프트 컴퓨팅(Soft Computing)기술들을 여럿 익히면서 소개하고, 로보틱스와 자동제어 문제들에 응용하는 일을 찾아나갔다. 한편으로 1991년에 한국퍼지학회(KFMS)를 창립하고, 1993년에는 세계퍼지시스템학회 세계대회(IFSA WC)를 서울에 유치하여 '퍼지'의 창시자인 L. A. Zadeh교수를 비롯한 세계적 학자들과 만나 교류를 시작하면서 최신 연구들의 동향과 결과를 배우는 일에 열정적으로 임했다. 랩 학생들 중에 퍼지에 관심있는 학생도 하나 둘씩 늘어, 지능제어기법 연구 소그룹이 생겼고 이들과 함께 연구 결과 6건(퍼지관련 논문 3편, ANN관련 3편)을 1992년에 국내외 학회에서 발표하였다.

그중에서 특별히 언급하고 싶은 것은, 서비스로봇과 관련하여 사람의 행동 패턴 모션을 이해하는 연구에 관한 것이다. HRI(인간-로봇 상호작용) 연구의 첫 시도 신호탄으로, 교향악단 지휘자의 지휘모션을 대상으로 삼았다. 고전음악을 좋아했던 나는, 수년을 걸쳐서라도 각종악기를 연주하는 로봇들을 제작하고 싶었고, 이들 로봇들로 구성된 오케스트라를 결성하면 가끔 유명 지휘자를 초청하여 좋은 교향곡 연주도 들을 수 있겠다는 상상을 하였다. 우리 랩에서 이 연구에 관한 초기 결과가 나와, 1992년 샌디에고에서 열린 IEEE Int'l Conf. on Fuzzy Systems 학술발표장에서 '지휘자 모션의 온-라인 해석에 관한 연구(On-line Analysis of Music Conductor's Two-dimensional Motion)'라는 제목으로 발표하였다. 해당 세션의 마지막 순서여서, 발표가 끝나고 여유있게 발표장 테이블을 정리하고 있을 때, 말쑥한 차림을 한 중년 나이의 교수 같은 분이 테이블에 다가 와서 내게 말한다. ”당신 발표를 흥미있게 잘 들었다. 그런데 그 방법을 수화(Sign Language)인식에 활용해 보면 좋겠다는 생각이 든다.“-대강 그런 내용이었다.

그 때, 나는 발표자료 및 주변 장치를 정리하고 있던 중이었기에 눈보다는 귀로 그와 대화에 응하고 있던 형국이었는데, ”수화“라는 말이 번쩍 크게 귀에 인식되는 것이었다. ‘아, 그거, 훌륭한 연구 제목이다.’라는 생각이 섬광처럼 지나갔고, 나는 기쁘고 고마운 마음으로 그에게 ”좋은 제안이십니다.(That's a good suggestion.)"라 응대하면서 좀 더 구체적인 조언을 받기 위하여 움직이던 손을 멈추고 몇 마디 묻는 말을 이어서 하였다. 그러나 그 제안을 전해준 분은 벌써 내 말을 들을 수 없는 위치로 멀어져 가는 것이었다. 잠간 사이에 그를 놓친 것이 아쉬웠으나, 나에게 해준 “수화(手話)”라는 그의 말은 뇌리에 확실하게 각인 되었다. 실제로 귀국하여서는 곧 바로 '음악지휘자 모션인식과 로봇 오케스트라 연구'를 접고 새로이 수화인식시스템에 관한 연구를 시작하게 된다. 몇 년 후에, ”무슨 계기로 보조로봇연구를 하게 됐느냐?“는 질문을 여러 번 받았는데, 나는 “천사가 나에게 그렇게 하라고 일러줬다”고 하였다. 이 사건이 일어난 1992년이 내가 보조 로보틱스에 발을 들여놓기 시작한 첫 해이다.

우리 랩에서 청각장애인을 위한 수화인식시스템연구를 시작하면서, 자연스럽게 여러 종류의 보조로보틱스(assistive robotics)관련 연구 활동으로 이어졌다. 1997년부터 보건 복지부의 지원으로 장애자를 위한 재활공학 시스템(6자유도 로봇 팔이 부착된 휠체어시스템:KARES I)) 개발과제도 하였고, 과기부(당시)의 지원으로 시각장애인을 위한 안내시스템의 개발 프로젝트도 3년간 수행했으며, 국가 중점 연구 과제로 로봇과 사용자의 다양한 상호작용을 위하여 여러 가지 명령 입력방법이 구현된 '로봇-동반 휠체어시스템'(KARES II)의 개발 연구도 진행하였다. KARES II는 MBC 뉴스에서 소개된 적이 있다. 수화인식시스템의 경우, 초기에 입력수단으로 채택한 데이터글러브와 주변 장치구입에 상당한 비용이 들기에, 그 당시 삼성전자 생산기술연구소 소장 K박사에게 도움을 요청하였으며, 고맙게도 다양한 시스템개발을 위한 수화인식프로젝트를 10년간 지원해 주었다. 이런 연구들을 배경으로, 1999년에 샌프란시스코에서 열린 국제재활로봇학술대회(ICORR)에 참석하여 우리 연구결과들을 발표하였고, 이를 계기로 국제적 보조로봇연구자 네트워크의 일원이 되면서 일반 로봇연구 활동과는 사뭇 다른 귀한 경험들을 많이 하게 된다.

자기 안방에서 학회를 개최하는 일이 여러 가지로 매우 힘든 과업인 만큼 소프트적으로 얻는 것도 많다는 것을 1993년 IFSA WC를 통해 잘 알게된 나는 동료들을 설득하여 2003년에 ICORR학술대회를 대전에 유치하고 성공리에 개최-진행하였다. 그 때 우리나라 보조로보틱스 환경이 열악한 편에 속하여, 외국인들에게 자랑할 만한 것이 별로 없었으나, 국내 연구자들과 학생들에게는 여러 선진국의 앞선 연구내용과 구현 방법, 그리고 사용자 위주로 움직이는 관련 인력들의 활동 현황들에 대하여 함께 많이 배울 수 있는 좋은 기회가 되었다.

1999년은 나에게 또 하나의 특별한 계기가 되는 해이다. 그동안 주변 교수들 중 보조로보틱스에 관심을 가진 분들이 여럿 생겨, 이 분들과 함께 카이스트를 중심 연구기관으로 하는 인간친화로봇연구센터(HWRS-ERC)를 조직하고, 그 해에 과학재단에 응모하여 우수연구센터로 지정받던 일, 그리고 노약자 및 장애인을 위하여 인간친화적인 로봇시스템이 어떻게 구현되고 어떤 의미를 갖는지에 대하여 다음 글에서 소개하기로 한다. 변증남ㆍ KAIST 전기 및 전자공학과 명예교수

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