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문제 정의
- 본 논문에서는 소형 범용 휴머노이드 로봇과 스마트 안드로이드 기반 스마트 디바이스를 이용하여 구구단 학습을 진행할 수 있는 r-러닝 시스템을 개발하고, 이를 기반으로 인간과 로봇의 협업을 통해 다양한 선행기술에 대한 사용자 대상 실험을 진행할 수 있는 환경을 구축한다. 이를 통해 멀티모달 인식 기능을 비롯하여, 개선된 상호작용을 위해 로봇에게 필요할 것으로 기대되나 아직 기술적 어려움이 있는 요소들에 대하여 사용자들의 인식과 반응을 확인해보고자 먼저 그림 1에 설명한 개념의 혼합주도형 시스템을 설계한다.
- 학습 효과 향상을 위해 로봇을 활용하고자 하는 교육보조 분야는 개인 서비스 로봇의 연구나 상용화 관점에서 가장 다양하고 적극적인 시도가 진행되고 있는 영역 중 하나이다. 본 논문에서는 이러한 시도를 통해 개발된 다양한 로봇 기반 교육 시스템을 r-러닝 시스템으로 통칭하여 논의를 전개한다. 언어교육은 r-러닝 시스템이 가장 활발하게 사용되는 영역이라 할 수 있는데, 일본에서는 Robovie [7]를 사용하여 로봇과 인간과의 상호작용이 학습 효과를 향상 시킨다는 것을 증명하였다.
- 본 연구에서는 소형 휴머노이드 로봇과 스마트 디바이스를 이용하여 아동의 구구단 학습을 보조할 수 있는 r-러닝 시스템(r-learning system)을 구현하고, 이 시스템을 기반으로 로봇의 멀티모달 인식기능이 상호작용이나 서비스 수용성에 미치는 영향을 탐색하고자 한다. 전술하였듯이 현재 자연어 수준의 음성인식이나 제스처인식의 성능이 불완전 하여 멀티모달 인식이 순수하게 자율적(autonomous)으로 이루어지기 어려우므로, 인간 조작자와 로봇이 협업하는 혼합주도형(mixed-initiative) 시스템을 구현하여 로봇 시스템의 불완전한 인식 기능을 조작자가 보조해 주도록 설계한다.
- 본 연구에서는 범용 소형 휴머노이드 로봇과 스마트 디바이스에서 동작하는 멀티미디어 콘텐츠를 이용하여 구현된 r-러닝 시스템을 소개하고, 이를 활용하여 r-러닝 시스템의 사용의도에 대한 요인분석을 시도한다. 특히, 로봇 설계자에게 유익한 시사점을 도출하기 위해서 로봇의 주요 설계 요소라 할 수 있는 멀티 모달리티를 포함시켜 그 영향을 분석해 보고자 한다.
제안 방법
- 8%)으로 구성되어 있다. r-러닝 시스템의 멀티모달 입력의 효과를 분석하기 위해서 사용자들을 두 그룹으로 나누어 서로 다른 동영상을 시청하게 하였다. 하나는 터치 기반의 입력만 사용 하는 사례이며, 다른 하나는 터치 입력뿐만 아니라 음성 또는 제스처를 이용하는 경우이다.
- 로봇 행동의 경우, 준비자세, 하트모양하기, 고민하기, 글쎄, 긁적긁적, 끄덕끄덕, 도리도리, 삐지기, 파이팅하기, 주의 끌기, 실망하기, 설명하기, 춤추기, 리듬타기 등을 다양하게 준비하였으며, 학생을 격려하기 위해 스마트 디바이스를 들어 흔드는 등의 적극적 행동을 가능하게 하였다. 교육 콘텐츠는 본 연구실에서 개발 중인 Unity 3D 기반 로봇 콘텐츠 저작도구 SiCi(Smart ideas for Creative interplay) [19]에 퀴즈를 다루기 위한 엔티티를 추가 하여 구현하였다. 그림 4는 개발된 콘텐츠 화면 예시(좌) 및 어린이들과의 상호작용 장면(우)을 보여준다.
- 본 연구에서 개발한 구구단 콘텐츠는 개인별 수준에 맞는 학습 자료를 제공하기에 용이하다는 e-러닝의 장점과 함께 로봇의 인식 능력과 표현 능력을 활용한 차별화된 r-러닝만의 특성을 보일 수 있도록 아래와 같은 기능을 제공한다. 다만, HID에 의존한다고 해도 조작자의 음성을 변조하지 않는 한 로봇이 미리 정해진 대사 이외에 즉흥적인 언어 표현을 소화하기는 어려우므로, 활용 가능한 대사를 미리 준비하기에 용이한 퀴즈 중심의 시나리오를 개발한다.
- 본 논문에서는 퀴즈 중심으로 구구단 학습을 진행하는 r-러닝 시스템을 구현하고, 이에 부가하여 조작자와 로봇의 협업을 통해 기술적으로 완벽하지 않은 로봇의 기능을 구현하여 사용자들의 인식과 반응을 미리 실험해 볼 수 있는 혼합주도형 제어환경을 구축하였다. 선행연구들을 참고하여 로봇의 사용의도에 영향을 미치는 요인을 분석하면서, 자연스러운 상호작용의 시작이라 판단되는 멀티모달 인식기능의 효과를 먼저 포함시켜 비교하였다.
- 본 연구에서 개발한 구구단 콘텐츠는 개인별 수준에 맞는 학습 자료를 제공하기에 용이하다는 e-러닝의 장점과 함께 로봇의 인식 능력과 표현 능력을 활용한 차별화된 r-러닝만의 특성을 보일 수 있도록 아래와 같은 기능을 제공한다. 다만, HID에 의존한다고 해도 조작자의 음성을 변조하지 않는 한 로봇이 미리 정해진 대사 이외에 즉흥적인 언어 표현을 소화하기는 어려우므로, 활용 가능한 대사를 미리 준비하기에 용이한 퀴즈 중심의 시나리오를 개발한다.
- 본 연구에서는 범용 소형 휴머노이드 로봇과 스마트 디바이스에서 동작하는 멀티미디어 콘텐츠를 이용하여 구현된 r-러닝 시스템을 소개하고, 이를 활용하여 r-러닝 시스템의 사용의도에 대한 요인분석을 시도한다. 특히, 로봇 설계자에게 유익한 시사점을 도출하기 위해서 로봇의 주요 설계 요소라 할 수 있는 멀티 모달리티를 포함시켜 그 영향을 분석해 보고자 한다.
- 본 연구에서는 환경적 요소로서 시스템 질과 로봇과인간의 상호작용을 변수로 설정하였다. 우선 시스템 질은 정보 시스템 성공모형(Information System Success Model)에서 제안된 변수로 이는 정보의 질과 함께 정보시스템 사용과 사용자 만족에 영향을 미치는 것으로 나타났다[15].
- 본 논문에서는 퀴즈 중심으로 구구단 학습을 진행하는 r-러닝 시스템을 구현하고, 이에 부가하여 조작자와 로봇의 협업을 통해 기술적으로 완벽하지 않은 로봇의 기능을 구현하여 사용자들의 인식과 반응을 미리 실험해 볼 수 있는 혼합주도형 제어환경을 구축하였다. 선행연구들을 참고하여 로봇의 사용의도에 영향을 미치는 요인을 분석하면서, 자연스러운 상호작용의 시작이라 판단되는 멀티모달 인식기능의 효과를 먼저 포함시켜 비교하였다.
- 환경적 요소 측면에서 상호작용은 시스템의 질문 및 응답 성향과 학습 동기 부여 역할에 관련된 3개의 문항으로 구성되었으며 기능의 편리성 인터페이스의 구성 등에 대한 4개의 문항을 시스템 질 변수를 평가하기 위하여 구성하였다. 시스템 유용성, 사용자 만족, 학습효과, 사용 의도 변수들 또한 콘텐츠의 유용성, 집중력 및 흥미 향상, 학습 동기 및 효율성 증가 등에 대한 문항들로 구성하였다. 구성된 설문문항으로부터 연구모형 변수들의 측정값을 획득하기 위하여 베리멕스 회전법을 활용하여 요인분석을 실시하였다.
- 위와 같은 특징을 구비한 로봇 시스템을 기존 사용화된 로봇 시스템에 구현하는 것은 불가능하므로, 본 연구에서는 로보티즈사의 DARwIn OP를 활용하고, 로봇 제어 및 콘텐츠 디스플레이를 담당하는 스마트 디바이스, 그리고 HID용 스마트 디바이스로 안드로이드 기반의 갤럭시 노트 10.1을 사용하여 시스템을 구성하였다. 로봇 행동의 경우, 준비자세, 하트모양하기, 고민하기, 글쎄, 긁적긁적, 끄덕끄덕, 도리도리, 삐지기, 파이팅하기, 주의 끌기, 실망하기, 설명하기, 춤추기, 리듬타기 등을 다양하게 준비하였으며, 학생을 격려하기 위해 스마트 디바이스를 들어 흔드는 등의 적극적 행동을 가능하게 하였다.
- 국내에서도 iRobiQ를 사용하여 로봇의 아동 언어 학습 향상에 미치는 영향[9]을 연구하였다. 이 연구에서는 iRobiQ와 학습을 실시한 아동의 그룹과 랩탑 컴퓨터를 사용하여 학습한 아동의 그룹의 학습효과를 나누어 평가하였다. 평가결과 iRobiQ를 통해 학습한 아동 그룹의 학습 전후 언어 학습 효과가 랩탑을 통한 아동 그룹의 효과보다 더욱 큰 차이를 보인다는 것을 발견하였다.
- 이 장에서는 사용자들이 r-러닝 시스템을 사용하고자 하는 의도에 영향을 미치는 요소들과 그 안에서 멀티모달 인식기능의 영향을 분석한다.
- 본 논문에서는 소형 범용 휴머노이드 로봇과 스마트 안드로이드 기반 스마트 디바이스를 이용하여 구구단 학습을 진행할 수 있는 r-러닝 시스템을 개발하고, 이를 기반으로 인간과 로봇의 협업을 통해 다양한 선행기술에 대한 사용자 대상 실험을 진행할 수 있는 환경을 구축한다. 이를 통해 멀티모달 인식 기능을 비롯하여, 개선된 상호작용을 위해 로봇에게 필요할 것으로 기대되나 아직 기술적 어려움이 있는 요소들에 대하여 사용자들의 인식과 반응을 확인해보고자 먼저 그림 1에 설명한 개념의 혼합주도형 시스템을 설계한다. 사용자는 로봇과 상호작용 하는 것으로 인지하고 있으나, 로봇의 인식 및 판단이 한계에 있을 때, 인근에 있는 조작자(operator)가 전용단말인 HID (Human Intervention Device)를 이용하여 로봇 시스템에 적절한 보조 정보를 공급하는 역할을 하게 된다.
- 이러한 멀티모달 입력기능 및 상황인지기능은 자연스럽게 r-러닝 시스템의 상호작용역량과 교육 서비스의 질적 향상으로 연계될 수 있다. 자동 인식기능의 통합이 주요 이슈는 아니므로, 본 논문의 후반부에 진행한 실험에서는 영상인식 기능은 통합하지 않고 HID에 의존하여 서비스를 진행하였다.
- 본 연구에서는 소형 휴머노이드 로봇과 스마트 디바이스를 이용하여 아동의 구구단 학습을 보조할 수 있는 r-러닝 시스템(r-learning system)을 구현하고, 이 시스템을 기반으로 로봇의 멀티모달 인식기능이 상호작용이나 서비스 수용성에 미치는 영향을 탐색하고자 한다. 전술하였듯이 현재 자연어 수준의 음성인식이나 제스처인식의 성능이 불완전 하여 멀티모달 인식이 순수하게 자율적(autonomous)으로 이루어지기 어려우므로, 인간 조작자와 로봇이 협업하는 혼합주도형(mixed-initiative) 시스템을 구현하여 로봇 시스템의 불완전한 인식 기능을 조작자가 보조해 주도록 설계한다. 혼합주도형 시스템을 활용하여 일종의 WoZ (Wizard of Oz) 실험 환경[4]을 구축함으로써 현재 기술로 완벽하게 구현하기 어려운 선행기술들의 효용이나 가치를 실제 사용자들을 대상으로 미리 검증할 수 있다.
- 이와 함께 환경적 요인은 r-러닝 시스템의 학습효과를 통하여도 시스템 사용의도에 영향을 미친다. 정의된 연구모형을 기반으로 한 사용자 연구를 위해 설문을 통하여 표본을 수집하였다. 총 136개의 데이터를 수집하였으며 남성은 90명(66.
- 표 2와 같은 변수들을 구성하기 위하여 설문문항의 아이템들은 다음과 같이 정의되었다. 환경적 요소 측면에서 상호작용은 시스템의 질문 및 응답 성향과 학습 동기 부여 역할에 관련된 3개의 문항으로 구성되었으며 기능의 편리성 인터페이스의 구성 등에 대한 4개의 문항을 시스템 질 변수를 평가하기 위하여 구성하였다. 시스템 유용성, 사용자 만족, 학습효과, 사용 의도 변수들 또한 콘텐츠의 유용성, 집중력 및 흥미 향상, 학습 동기 및 효율성 증가 등에 대한 문항들로 구성하였다.
대상 데이터
- 하나는 터치 기반의 입력만 사용 하는 사례이며, 다른 하나는 터치 입력뿐만 아니라 음성 또는 제스처를 이용하는 경우이다. 수집된 데이터 중 터치 입력 영상을 사용한 표본은 82개(60.3%)이고 음성 또는 제스처를 통한 입력을 경험한 표본은 54개(39.7%)로 구성된다.
- 정의된 연구모형을 기반으로 한 사용자 연구를 위해 설문을 통하여 표본을 수집하였다. 총 136개의 데이터를 수집하였으며 남성은 90명(66.2%)이며 여성은 46명(33.8%)으로 구성되어 있다. r-러닝 시스템의 멀티모달 입력의 효과를 분석하기 위해서 사용자들을 두 그룹으로 나누어 서로 다른 동영상을 시청하게 하였다.
데이터처리
- 시스템 유용성, 사용자 만족, 학습효과, 사용 의도 변수들 또한 콘텐츠의 유용성, 집중력 및 흥미 향상, 학습 동기 및 효율성 증가 등에 대한 문항들로 구성하였다. 구성된 설문문항으로부터 연구모형 변수들의 측정값을 획득하기 위하여 베리멕스 회전법을 활용하여 요인분석을 실시하였다. 분석 결과 각 변수들은 요인적 재치와 KMO (Kaiser-Meyer-Olkin) 측도값이 모두 0.
이론/모형
- 혼합주도형 시스템을 활용하여 일종의 WoZ (Wizard of Oz) 실험 환경[4]을 구축함으로써 현재 기술로 완벽하게 구현하기 어려운 선행기술들의 효용이나 가치를 실제 사용자들을 대상으로 미리 검증할 수 있다. 개발된 r-러닝 시스템에 대한 사용자의 인지 연구 결과를 시스템 성능개선 및 새로운 시스템 개발에 참고하기 위하여 Davis의 기술수용모형(Technology Acceptance Model) [5,6]을 기반으로 한 사용자 연구를 수행한다.
- 본 논문의 r-러닝 사용자 연구에 적용된 연구모형은 1986년에 Davis에 의해 제안된 기술수용모형을 기반으로 한다. 이 모형은 정보시스템 사용에 영향을 미치는 변수를 인지된 용이성(perceived ease of use) 정도와 인지된 유용성(perceived usefulness)을 바탕으로 제시한 것이다[5,6].
- 또한 기술수용모형의 변수들 또는 모바일 디바이스의 사용자 경험 변수들을 사용하여 모바일 학습시스템의 사용 의도에 대하여 분석한 연구들도 수행되었다[12,13]. 본 논문의 사용자 연구는 Liaw 등이 [14]에서 기술수용모형을 참조하여 제시하여 e-learning 사용자 연구에 활용한 연구모형을 바탕으로 수행되었다. 이 모형은 시스템에 대한 자신감 등과 같은 사용자 특성과 시스템의 질과 같은 환경적 요소가 사용자의 만족과 유용성을 통해 e-learning 시스템의 사용의도에 영향을 미친다고 정의하고 있다.
성능/효과
- 시스템의 질과 사교성은 사용자만족, 인지된 유용성, 학습효과에 모두 긍정적으로 유의미한 영향을 미치는 것으로 나타났다.
- r-러닝 시스템의 환경적 요소 중 시스템의 질은 시스템의 사교성에 비하여 사용자만족(0.583, 0.234), 유용성(0.465, 0.208), 학습효과(0.482, 0.285)에 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이는 교육 콘텐츠 질적 수준 등과 같이 r-러닝 시스템의 본질적인 목적이 만족되는 것이 로봇과의 상호작용에 비하여 시스템에 대한 만족과 기대되는 학습효과에 더욱 중요한 요인임을 보여준다.
- 시스템의 질과 사교성은 사용자만족, 인지된 유용성, 학습효과에 모두 긍정적으로 유의미한 영향을 미치는 것으로 나타났다. 또한 인지된 유용성은 사용자만족에 유의미한 영향을 미치고 사용의도에 대한 영향력은 유의미하지 않으며 사용자만족은 r-러닝 시스템 사용의도에 유의미하게 영향을 미치는 것으로 나타났다. 이는 구구단 콘텐츠 기반 r-러닝 시스템의 환경적인 요소가 잘 갖춰졌다고 생각하는 사용자 일수록 시스템의 유용성을 높게 평가하며 이는 긍정적인 사용자 만족을 통하여 시스템을 사용하고자 하는 성향에 큰 영향을 미친다는 것을 보여준다.
- 마지막으로 성별과 입력방법의 조절효과를 분석한 결과, 성별은 사용자만족과 시스템 사용의도 사이에 조절효과를 보이고 있었다. 즉, 남성 사용자가 여성사용자에 비해 r-러닝 시스템에 대한 사용자 만족이 높을수록 시스템을 사용하고자 하는 의도가 높은 경향을 갖는 다는 것을 보여준다.
- 즉, 남성 사용자가 여성사용자에 비해 r-러닝 시스템에 대한 사용자 만족이 높을수록 시스템을 사용하고자 하는 의도가 높은 경향을 갖는 다는 것을 보여준다. 본 연구에서 관심을 두었던 입력방법의 차이, 즉 멀티모달한 입력 기능의 여부는 사용자만족과 사용의도와의 관계 및 r-러닝 시스템의 질과 학습효과 사이에서 조절효과를 보이는 것으로 나타났다. 이는 사용자들이 터치만을 이용하여 시스템을 사용할 때보다 음성 또는 제스처를 같이 이용할 때 r-러닝 시스템의 질과 학습효과와의 관계가 더 크다고 인식함을 뜻한다.
- 구성된 설문문항으로부터 연구모형 변수들의 측정값을 획득하기 위하여 베리멕스 회전법을 활용하여 요인분석을 실시하였다. 분석 결과 각 변수들은 요인적 재치와 KMO (Kaiser-Meyer-Olkin) 측도값이 모두 0.7 이상값으로 구분되었고, Bartlett 검정의 카이자승 값이 모두 통계 적으로 유의미하므로 본 연구의 측정변수들이 요인분석에 적합하다고 볼 수 있다. 각 변수들의 크론바하 알파값 또한 모두 0.
- 미국에서는 RUBI 프로젝트[8]의 일부로 로봇이 유아의 언어능력 향상에 미치는 영향을 연구하였다. 이 연구에서는 로봇과 유아의 상호작용이 유아의 단어 능력 향상에 큰 역할을 한다는 것을 보여주었다. 이 프로젝트에서 사용된 로봇의 프로토타입인 RUBI-4는 인간과의 상호작용을 위하여 입력은 터치스크린을 사용하며 목소리와 움직임으로 사용자에게 응답하는 기능을 한다.
- 언어교육은 r-러닝 시스템이 가장 활발하게 사용되는 영역이라 할 수 있는데, 일본에서는 Robovie [7]를 사용하여 로봇과 인간과의 상호작용이 학습 효과를 향상 시킨다는 것을 증명하였다. 이 연구에서는 로봇과 초등학생들의 상호작용이 학생들의 로봇에 대한 관심과 함께 영어 학습에 대한 흥미를 증가시키고 이는 학생들의 영어실력을 향상시키는데 큰 역할을 한다는 것을 실험적으로 보여주었다. 미국에서는 RUBI 프로젝트[8]의 일부로 로봇이 유아의 언어능력 향상에 미치는 영향을 연구하였다.
- 마지막으로 성별과 입력방법의 조절효과를 분석한 결과, 성별은 사용자만족과 시스템 사용의도 사이에 조절효과를 보이고 있었다. 즉, 남성 사용자가 여성사용자에 비해 r-러닝 시스템에 대한 사용자 만족이 높을수록 시스템을 사용하고자 하는 의도가 높은 경향을 갖는 다는 것을 보여준다. 본 연구에서 관심을 두었던 입력방법의 차이, 즉 멀티모달한 입력 기능의 여부는 사용자만족과 사용의도와의 관계 및 r-러닝 시스템의 질과 학습효과 사이에서 조절효과를 보이는 것으로 나타났다.
- 이 연구에서는 iRobiQ와 학습을 실시한 아동의 그룹과 랩탑 컴퓨터를 사용하여 학습한 아동의 그룹의 학습효과를 나누어 평가하였다. 평가결과 iRobiQ를 통해 학습한 아동 그룹의 학습 전후 언어 학습 효과가 랩탑을 통한 아동 그룹의 효과보다 더욱 큰 차이를 보인다는 것을 발견하였다. 그러나 위와 같이 로봇의 도입으로 인해 관찰된 학습효율 향상의 결과는 보통 짧은 사용 경험을 바탕으로 하고 있어, 장기 연구의 필요성을 후속 과제로 남기고 있다.
후속연구
- 평가결과 iRobiQ를 통해 학습한 아동 그룹의 학습 전후 언어 학습 효과가 랩탑을 통한 아동 그룹의 효과보다 더욱 큰 차이를 보인다는 것을 발견하였다. 그러나 위와 같이 로봇의 도입으로 인해 관찰된 학습효율 향상의 결과는 보통 짧은 사용 경험을 바탕으로 하고 있어, 장기 연구의 필요성을 후속 과제로 남기고 있다.
- 그러나 Davis의 기술 수용모형[5,6]을 근간으로 신기술의 수용요인을 분석하는 연구[10-18]가 이미 활발하게 진행되어 왔으므로 HRI 분야에서도 요인분석 연구가 확산될 것으로 예상된다. 다만 이러한 사용자연구 결과가 로봇 기업들의 제품 설계에 반영되기 위해서는 사용자들의 인식이나 반응에 대한 사후적 특성보다는 로봇시스템 설계 단계에서 활용할 수 있는 유익한 시사점을 제공해야 할 것으로 판단된다.
- 이는 r-러닝 사용자를 늘리기 위해서는 교육 서비스의 품질과 친근한 인터페이스를 우선적으로 고려해야 한다는 것을 보여준다. 또한 r-러닝 시스템의 멀티 모달 인식기능이 질 좋은 r-러닝 시스템에 대한 학습효과 기대를 향상시킨다는 점과, 그럼에도 불구하고 이미 익숙한 용도에 대해서는 새로운 사용 방식을 원하지 않는 성향도 동시에 지닌다는 점은 중요하고 흥미로운 시사점이므로 후속 연구를 통해 더욱 정교한 분석이 필요하다고 판단된다.
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