The needs for the commercialization of robots are increasing with the robot market growing rapidly. Considering the properties of robot goods, visual perception is a very important design factor like any other general products. But, it is hard to apply the traditional styling method in a robot design, because the kinematic engineering requirements for robot performance have to be satisfied as well. Also, appearance design for robots should correspond to customer’s variable tastes and their needs. So, the common stable robot base platform for satisfying engineering and styling requirements is needed. Through the prior styling work, favorable design conditions for form application and expansion in this platform are constructed.
For an effective robot development, product design should take place in the early stage of process. But, till now, robot styling works were presented in the final stages of hardware platform construction process, resulting in less effectiveness. The reason being the friction caused between the mechanical engineering factors related to physical form and the additional styling factors. Trade-offs, which is the traditional problem solving method between an engineer and a designer, produces mutual contradiction making the application of designer's early styling concept difficult and at the same time worsening engineering conditions like the increase of weight and interference. Concurrent work for styling and mechanic design is necessary to overcome this contradiction for design guidelines are needed not just for assembling and manufacturing but also for styling.
In this thesis, the framework that is to be applied in styling in a real robot platform construction and the guidelines for form design are suggested. Prototyping tool is a suitable media for the integration of heterogeneous two departments like engineering design and styling. But, prototyping for morphological development like sketching, computer modeling, foam modeling and mechanical kits for structural development are dispersed over the whole process. And each prototyping differs in property and lacks relations between them, so we cannot expect any work efficiency in a continuous development process. Kinematic Cardboard Prototyping System implicated engineering function is introduced in this thesis. Through the concurrent design of styling and mechanism in a robot platform, this prototyping system solves the mutual contradiction in a Trade-offs and makes it possible to have an ideal design.
For the improvement in the efficiency of design work, the styling prototyping framework is constructed in a way for it to be a system that which can be commonly applied in the whole process by supplementing the various traditional robot design prototyping tools. The cardboard prototyping in this thesis is especially suitable for the development of exoskeletal structure - the most widely used hardware type in modern robots. Based on the prototyping framework in the robot development process, robot developers improve the stiffness and accuracy of the cardboard prototyping by controlling the variables in materials and tools, and increase the robustness of final model for manufacturing by the application of standard components.
And, in this thesis, the styling principles for styling guide of the modern robot platform-moving by module control type-are introduced. These styling rules become the guidelines to connect mechanical structure and styling factors in a robot platform. And, by minimizing the effect to the minimum on neighboring modules or the whole form when the robots are in motion, their appearance looks natural when in performance. The application of such styling rules satisfies the aesthetic design and engineering requirements concurrently by using the mechanical structure as a visual factor without any other additional design works.
In the latter chapter, application results on humanoid robot using the prototyping system and styling rules constructed in this research are introduced.
The object of styling for robot platform is not the only solution for aesthetic requirements in mechanical machine but also for the improvement of engineering condition by the optimization of physical form. In this thesis, prototyping framework for an effective robot platform design and guidelines for styling are proposed. These methods and tools improve inefficiencies in the process due to the physical contradiction between styling factors and mechanical engineering requirements in a robot platform design. As a result, Decoupled System for an ideal design is produced from the mechanical styling in a robot platform, and can save time and cost in a robot development process. In the future, a common approach method which can be applied to all the areas that are related to engineering problems and aesthetic design is needed.
새로운 디자인 문제들이 등장함에 따라 형태를 도출하기 위해 접근하는 방법과 도구들도 그 조건에 효과적인 방식으로 변화하거나 창조되었다. 특히 로봇 디자인은 20세기 후반에 등장한 새로운 디자인 영역이지만, 산업에서 발전 속도는 기하급수적으로 증가하고 있는 추세이다. 그럼에도 불구하고 제품이나 자동화 기계와는 구별되는 모빌리티와 지능 그리고 캐릭터의 복합적인 특성으로 인해 로봇은 기존의 디자인 도구와 방법으로는 효과적인 스타일링 작업이 이루어지지 못하고 있다.
로봇의 스타일링은 그 기능에 따라 플랫폼을 위한 스타일링과 제품을 위한 스타일링의 두 가지로 구분할 수 있다. 제품을 위한 스타일링은 로봇의 상품적 측면에서 소비자의 시각적 니즈를 만족시키기 위해 최종적으로 표현되는 외관을 디자인하는 작업이고, 상품으로써 로봇의 외관을 디자인하는 데 있어 다양한 시도가 가능하도록 엔지니어링 결과물을 최적의 조건으로 형상화하는 작업이 플랫폼을 위한 스타일링이다. 제품 스타일링이 인간과의 감성적 인터페이스와 미적 표현에 중점을 두고 디자인되는 반면 플랫폼 스타일링은 메카닉 특성 및 구조와 보다 긴밀하게 연결되어 있다. 이러한 이유로 로봇의 상품성을 높이기 위한 스타일링은 플랫폼 디자인이 전제되어야 한다. 플랫폼을 위한 스타일링은 단지 미학적인 요구조건에 대한 대응뿐 아니라 나아가 형태라는 물리적-물질적 조건의 최적화를 통한 기능의 향상을 도모하고 있다.
일반적으로 로봇이라고 부르는 대상은 개발 프로세스 상에서 도출되는 다양한 플랫폼의 중간 혹은 최종 결과물을 포함하고 있다. 디자인 프로세스 전반에 걸쳐 개발되는 모든 종류의 플랫폼은 목적에 따라 상품을 위한 최종 모델이 되기도 하며, 이때 각각의 조건에 적절한 스타일링을 필요로 한다. 하지만, 그 동안 로봇 스타일링 작업은 대게 디자인 프로세스 내에서 플랫폼 구축의 최종 단계에 투입되었다. 초기 개발 단계에서 고려되지 않은 스타일링 요소는 엔지니어링 요소와 충돌하여 문제를 발생시키고, 이 과정에서 엔지니어와 디자이너는 각자의 요구조건들에 대해 타협이라는 고전적인 문제 해결 방법을 통해 상대의 요구 조건들을 적절한 수준에서 조절하면서 최종 모델을 도출하고 있다. 그러나 이러한 타협적 문제 해결 방법은 로봇 디자인에서 스타일링의 적용에 대한 근본적인 해결책을 제시하지 못하였다. 따라서 타협적 문제 해결 방법은 디자인 프로세스를 통해 모순 요소를 지속시키는 결과를 초래했다.
타협을 통한 기존 로봇 플랫폼 스타일링 과정에서는 무게, 간섭과 관련한 엔지니어링 요소 및 형태와 관련한 심미적 요소 간에 모순이 발생한다. 이러한 모순의 배경에는 개발 과정에 사용되는 디자인 방법과 프로세스, 그리고 개발 도구 측면에서 엔지니어와 디자이너의 방식이 커다란 차이가 존재하고 있기 때문이다. 두 작업 영역은 최종적으로 동일한 목적을 추구하지만, 상이한 대상을 다룸으로써 다른 대상에 대해서는 상황을 악화시키는 결과를 가져왔다. 이러한 모순에 대해 본 논문에서는 디자이너와 엔지니어가 통합적인 프로세스를 통해 동일한 대상을 다룰 수 있도록 하는 디자인 개념을 구축하였다. 즉, 플랫폼이라는 실체가 엔지니어링 디자인과 형태 적용을 연결하는 매체가 됨으로써 두 작업 간에 발생하던 물리적 모순을 효과적으로 제어할 수 있다. 본 논문에서는 로봇 플랫폼의 실체적 구축을 위한 방법 및 도구적 측면에서의 프로토타이핑을 활용한 프레임워크와 로봇의 형태 디자인에 따른 가이드라인으로 스타일링 룰을 제시하고 있다.
프로토타이핑은 아이디어를 실체화시키고 실제적인 검증이나 테스트에도 사용될 뿐 아니라 학습의 역할도 수행함으로써 서로 다른 영역의 통합적인 디자인 개발에 매우 효과적인 커뮤니케이션 도구이기도 하다. 로봇 개발 과정에서도 실체적 문제에 대한 도구로 많은 프로토타입이 사용하고 있다. 그러나, 형태 개발을 목적으로 한 프로토타이핑 도구들과 구조 개발을 위한 각종 메카닉 키트들의 로봇 개발 프로세스 전반 걸친 분산 배치와 각 프로토타이핑의 상이한 특성은 디자인 과정 속에서 지속적인 개발에 대해 효율성을 저하시키는 요인이 된다.
본 논문에서 제시한 스타일링을 위한 프로토타이핑 프레임워크는 디자인 작업의 효율성을 향상시키기 위해 로봇 스타일링과 관련한 기존의 여러 프로토타이핑 중 일련의 프로세스에 공통적으로 활용 가능한 방법을 선정하여 주어진 조건에 적합하도록 수정하여 로봇 개발 프로세스의 각 단계에 적용할 수 있는 프로토타이핑들을 하나의 시스템으로 구축하였다. 이 논문에서 사용한 카드보드 프로토타이핑은 초기 컨셉 개발 단계에서부터 최종 구현 단계까지 적용 가능하며, 특히 최근 로봇에서 가장 널리 사용되는 외골격 구조의 로봇 개발에 적합하다. 프로토타이핑 프레임워크는 로봇 개발 프로세스의 진행 단계에 따라 카드보드 프로토타이핑 프레임에 소재와 도구라는 변수를 조정하여 강성과 정밀도를 개선시키고, 표준화된 부품의 적용을 통해 제조를 위한 최종 모델로써의 신뢰도를 향상시킨다. 이를 통해 프로토타입은 플랫폼으로써 요구되는 조건을 만족시킴으로써 프로세스에서 지속적인 도구로 사용할 수 있다. 스타일링 룰은 플랫폼의 메카닉 구조에 조형적 요소를 결합하는 과정에서 가이드라인을 제시함으로써 로봇 개발 프로세스의 초기 단계부터 최종단계에 이르기까지 스타일링 작업이 효과적으로 이루어질 수 있도록 한다.
오늘날의 로봇은 과거 메커니즘에 의존하던 오토마타들과는 달리 주로 엑츄에이터 모듈의 조합과 제어기술을 통해 구현한다. 이에 따라 스타일링 룰은 로봇 플랫폼을 구성하는 모듈과 모듈간의 연결 부위에 대한 조형 활동에 관여한다. 기존의 제품 디자인과 같이 일반적인 형태의 미학적 기준을 제시하기 보다는, 모듈의 연결 조건과 운동 특성을 기반으로 자연스러운 퍼포먼스를 구현하기 위한 동적인 요소의 스타일링 기준을 제시하고 있다. 본 논문에서는 게슈탈트 이론을 바탕으로, 퍼포먼스 구현 시 운동 부위에서 발생되는 부분적인 변형이 전체 형태에 영향을 주지 않도록, 연결부위에서 발생하는 운동의 기하학적인 속성을 분석하고, 가장 이상적인 표준 기하형태의 제시를 통해 운동시 발생하는 모듈간의 간섭 문제에 대한 최적의 조건을 갖춤으로써 자연스러운 동작의 구현이 가능한 가장 안정적인 형태를 도출할 수 있는 가이드라인을 제시하였다.
본 연구에서는 스타일링 프레임워크의 실제적인 활용을 위해 이지오토마타(EZ-Automata)와 키네틱프레임(Kinetic Frame)을 소개하였다. 이 두 프로그램은 기초적인 메커니즘을 활용하여 오토마타를 디자인하는 방법으로 메커니즘에 대한 학습과 조형적 경험에 중점을 두고 있다. 이 방법들은 로봇 플랫폼 개발 프로세스의 컨셉 단계와 디자인 단계에서 간단한 도구와 경량의 소재를 사용하여 쉽게 제작할 수 있다. 논문의 후반부에서는 본 연구에서 제시한 프로토타이핑 시스템과 스타일링 룰이 적용된 실제 사례들과 휴머노이드 로봇에 적용된 결과들을 소개하였다.
결과적으로 로봇 플랫폼 상에서 메카닉 스타일링 방식을 통해 비연성 시스템을 구축하였다. 또한 이 논문에서는 제시한 프로토타이핑 프레임워크와 스타일링 룰은 로봇 디자인 프로세스를 단순화시키고, 개발 단계에서 정보량을 최소화시킴으로써 이상적인 디자인을 가능케 하며, 로봇 개발 프로세스에서 비용과 시간을 절약할 수 있다. 그러나 로봇 플랫폼의 스타일링을 위한 통합적인 접근은 특정 도구나 방법적 제안만으로 개선되지는 않는다. 다각적인 관점에서 창의적 문제 해결을 위한 엔지니어링과 디자인의 총체적인 접근이 체계적으로 구축되어야 한다. 이 논문에서는 로봇의 스타일링이라는 부분적인 문제에 대한 연구를 수행하였다. 향후 엔지니어링과 조형적 문제 전반에 걸쳐 활용 가능한 보편적인 접근 방법에 대한 연구가 필요하다고 본다.
