Update2024.05.02 (목)
인간 대신해 극한환경작업 수행
■ 해양탐사, 이젠 로봇이 스스로 척척
국내 유일의 로봇 전문연구소인 한국로봇융합연구원이 개발한 P-SURO(PIRO-Smart Underwater Robot) 자율무인잠수정이다. 이는 수중에서 다양한 패턴인식기반의 위치인식과 거리소나 배열을 이용한 장애물회피 및 자율주행이 가능한 수중로봇이다.
P-SURO AUV(자율무인잠수정)는 수중 위치인식, 자율주행, 수중 운동체 제어 등 다양한 핵심기술 개발 테스트베드 목적으로 (재)포항지능로봇연구소(現 한국로봇융합연구원)에서 2009년 4월에 자과제의 형식으로 연구개발을 시작했다. 주로 수조환경에서 운용되는 점을 고려한 호버링 타입의 소형 로봇으로, 수중 비선형 운동체 제어기술 개발을 목적으로 로봇 외형을 유선형 외형을 갖도록 설계됐다.
수중에서는 무선음향통신을 이용하고, 수면위에서는 RF통신을 이용해 선상제어유닛과 정보를 교환하도록 설계됐으며 일반 수중 카메라와 거리소나 조합의 저렴한 센서장비의 성능저하를 다양한 복잡한 알고리즘으로 보완하므로 상대적으로 높은 성능의 수중 위치인식, 장애물회피 등 기술들을 구축할 수 있었다. 2009년 말, 하드웨어 제작 및 수조테스트가 마무리 됐고 그 이후로 수중에서 운동제어, 수중 비전 등 기술개발과 시스템 수정보완을 거쳐 2010년 8월에 시스템 완정화가 완료됐다.
그 이후 자율주행 관련 다양한 기술개발이 수행됐으며 2011년 4월에 연구소 OpenLab 기간에 대외적으로 수중 장애물회피를 포함한 자율주행 기술을 현장 검증했다. 이 시스템은 현재 다양한 수중로봇 핵심기술 개발 플랫폼으로 활용되고 있다.
◇ 연구비용 문제로 바다 운용 제한적
연구소 자체가 보유하고 있는 독특한 구조의 수조와 이 수조에서 장시간에 걸친 반복된 수조실험을 통한 개발 기술의 수중보완 및 검증 과정이 P-SURO AUV가 현재 국내에서 유일하게 수조환경에서 완전 자율주행이 가능한 수중로봇으로 될 수 있었던 결정적 요인으로 작용했다.
연구비용의 제약으로 고가의 관성센서 및 다양한 소나장비 구매가 어려워 개발 기술의 성능향상에 제한적이다. 또한 주로 수조환경에서의 운용을 고려했기에 플랫폼이 강이나 바다에서 운용이 제한적인 상태다. 이러한 제약점들을 극복하고자 2011년 하반기부터 새로운 플랫폼을 개발하고 있으며, 다양한 센서장비 업그레이드를 통해 강이나 바다에서 수중 탐사 및 간단한 작업이 가능한 로봇기술 개발에 주력하고 있다.
◇ 해양선진국 격차 줄이기 위한 투자확대 필요 물속에 들어가지 않고도 탐사 가능
수중로봇 분야의 경우, 고가의 센서장비 등 상대적으로 많은 연구비용과 수중이라는 제약조건으로 장기적인 시간 투자가 필요하다. 그럼에도 제한된 연구비용과 2년 이하의 짧은 개발 기간 등 만족스러운 성능의 요소기술을 개발해내기엔 어려운 점들이 많았다.
이러한 문제점들을 극복하고자 사전에 로봇의 수조테스트 및 유지보수의 편리를 위한 플랫폼 구조 및 전기·시스템 및 SW설계에 초점을 맞춰 개발했다.
국내의 경우, 수중로봇 특히 자율무인잠수정(AUV) 기술은 아직까지 초급단계에 처해 있으며 시장규모도 작아 기업들의 투자가 미비한 실정이다. 해양이라는 거대한 잠재적 시장의 확보하고 미국, 일본, 유럽 등 해양선진국과의 기술격차를 줄이기 위해서 국가적 차원에서 지속적인 연구개발 지원이 필요할 것으로 보인다.
현재 산업통상자원부에서 지원하고 있는 로봇관련 연구개발 사업의 경우 기업 위주의 제품화에 초점을 두고 있다. 그러나 수중로봇의 경우, 여러 가지 여건상 단기간에 TRL 7단계 이상의 연구개발이 어려운 실정이므로 TRL이 낮은 수중로봇 기반 기술 개발에 대한 투자를 확대가 요구되고 있다.
현재 국내에서 수행되고 있는 수중로봇 연구개발은 장기적인 안목에서 단계별 기술축적이 아닌 단편적이고 간헐적인 연구개발로 진행되고 있다. 연구개발의 효율 및 성과를 최대화하기 위해서는 국가적인 차원에서 장기적인 마스터 플랜 정립과 이에 근거한 단계적이고 계획적인 기술축적이 필요하다는 것이 전문가들의 의견이다.
네트워크 통해 원격 건설기계 제어
◇ 주요 소재부품 및 기술
로봇에 사용된 주요 부품은 전방 주시 카메라, 거리 탐지 소나, 추진시스템, 수중 무선통신 모뎀, 수중 압력 센서, 자세 센서, 자이로, 가속도계, RF 모뎀 등이 있다.
전방 주시 카메라는 Tritech사(영국)의 Super SeaSpy 컬러 모델을 적용했고, Tritech사의 다양한 제품은 국내의 신양기술(주)에서 대리 제공하고 있다. 거리 탐지 소나도 수중에서 50m 이내에 위치한 물체로부터 반사파를 이용해 거리를 측정하는 Tritech사(영국)의 Micron Echo Sounder 모델을 적용했다. P-SURO AUV의 경우 전후방 및 하단에 총 3대가 부착돼 잠수정의 장애물회피를 포함한 자율주행에 필요한 다양한 정보를 제공하며 KIRO의 공학수조에서의 다양한 테스트를 통해 cm 레벨의 정확하고 안정된 거리 정보를 제공하는 것을 확인할 수 있었다.
추진기는 SeaBotix사(미국)의 SBT150 소형 모델을 적용했다. 본 모델의 경우 정격출력이 80W로 소형 수중로봇의 추진시스템으로 적합하며 Cosmo Connectors사(미국)의 한국지사에서 독점대리하고 있다.
수중 무선통신 모뎀(ATM: Acoustic Telemetry Modem)은 LinkQuest사(미국)의 UWM2000H 모델을 적용했다. 아직까지 수중 무선통신 모뎀의 경우 수조와 같은 환경에서는 multipath의 영향으로 정확하고 안정된 수중통신은 어렵고, 주로 넓은 해양에서 수중로봇과 수상 지원모선사이 간헐적인 통신에 적합하다. LinkQuest사의 상기 모뎀도 신양기술(주)에서 대리해 구매했다.
수중 압력 센서는 10bar 이내에서 0.1%FS의 정확한 압력 측정이 가능한 Keller사(스위스)의 36XW 모델을 사용했다. Keller사의 제품은 국내 (주)다호 트로닉(www.daho.co.kr)에서 취급한다. P-SURO AUV의 수중 항법 및 제어를 위해 AHRS(Attitude and Heading Reference System), 1축 Gyro(수평면), 1축 가속도계를 설치했으며, 각각 Innalabs사(미국, www. nnalabs.com)의 AHRS M2, CVG25 및 AL-15M2.5 모델을 적용했다.
수중로봇이 수면 위 및 공기 중에서 선상제어시스템과 무선통신을 위해 국내 Cellution사(www.cellution.co.kr)의 LinkWiserTM- HP400 모델을 적용했다. 현재 상기 모델은 단종됐으나 그 외 다양한 RF 제품들이 출시되고 있다.
수중로봇의 AL6061 재질의 프레임 및 내압용기는 포항에 위치한 (주)제철에프에이에 외주 제작했다.
주요 기수로는 수중에서 다양한 패턴 인식이 가능하고 패턴 인식을 통해 정확하게 자기 위치를 인식하며 자동으로 수중에서 장애물을 인지하고 회피하는 것이 있다. 거리소나 배열을 이용한 간단한 SLAM 기술을 가지고, WinCE 6.0을 OS로 채택해 가격대 성능비를 최대화할 수 있었으며 오픈 프레임과 유선형 외형제의 유기적인 결합을 통해 로봇의 유지보수 편리와 수중 동특성 향상을 동시에 만족시킨다.
■ 원격으로 편하고 안전하게 굴삭작업 한다
(주)두산인프라코어가 국토해양부(現 국토교통부)의 건설기술혁신사업으로 ‘지능형 굴삭 시스템’을 개발한 사례이다.
기존의 굴삭기를 (주)두산인프라코어에서 전자화를 해 굴삭기를 원격/자율 제어를 할 수 있도록 개조했다. 원격지에서 영상기반으로 사람이 직접 굴삭기를 조종할 수 있는 이동형 control system과 굴삭기 조종을 위한 시뮬레이터로 구성돼 있다. 또한, 작업환경을 인식해 작업계획을 세우고, 자율적으로 작업 수행이 가능한 센서 시스템 및 알고리즘이 포함돼 있다.
2006년부터 개발이 시작돼 2011년까지 총 60개월에 걸쳐 개발이 진행됐으며 다음과 같은 조직으로 구성돼 연인원 약 112명, 총 연구개발비 120억원이 투입돼 개발을 수행했다.
운전자의 안전을 보장하기 위해 원격지에서 굴삭기를 제어하거나 자율적으로 제어할 수 있도록 현장적용 테스에 적용·활용되고 있다.
특히 개발된 기술을 3G 및 LTE 등 기 구축된 통신망을 활용한 시뮬레이터에 적용해 굴삭기 미숙자 교육용 시뮬레이터 또는 원거리 굴삭기 조종 컨트롤 스테이션으로 활용할 수 있다.
◇ 産·硏 협력으로 탄생
굴삭기를 전세계적으로 전문적으로 생산하는 국내의 대기업인 두산인프라코어, 건설기술의 전문연구기관인 한국건설기술연구원과 전자제어기술을 개발을 담당한 전자부품연구원의 유기적인 네트워크를 통한 결합이 가능했다.
또한 기반 기술을 시작으로 연차별로 꾸준하게 개발목표를 달성할 수 있도록 목표를 설정하고, 현장 적용을 통해 꾸준하게 문제점을 파악하고 수정한 것이 핵심 성공 요인이다.
◇ 전자화 비용 감축이 관건
현재 굴삭기에 대한 ISO규격에서 원격조종은 유선을 사용하도록 돼 있기 때문에 무선으로 원격지에서 제어하기 위해서는 안전 문제와 함께 제도의 개선이 필요하다.
또한 기존의 기계적인 굴삭기를 전자화시키는 데에 많은 비용이 소요된다. 전체적인 비용을 낮추기 위해 안전 및 안정성을 위한 고가의 센서가 최적화돼야 할 것이다.
◇ 주요 소재부품 및 기술
이번 연구에서 핵심 기술은 △지능형 Task Planning System 개발 및 응용 △작업환경 인식기반 지능형 제어기술 개발 △작업특성을 고려한 지능형 굴삭시스템 개발 및 시스템 통합 등 크게 세 가지를 중심으로 연구개발을 수행했다.
