포스테키안

2021 봄호 / 포스텍 연구실 탐방기

2021-04-19 51

극한환경로봇 연구실

Hazardous & Extreme environment RObotics Lab – POSTECH

HERO Lab

 

나날이 발전하는 로봇 기술로 인해 로봇이 일상과 산업에 점차 자리 잡고 있다. 로봇은 인간의 삶을 보조하고 편리하게 하기 위하여 이용될 뿐만 아니라, 인간이 직접 작업하기에 위험하거나 어려운 지역에 투입되어 임무를 수행하기도 한다. 대표적으로 바다는 아직 관측되지 않은 지역이 80% 이상으로1, 지금껏 발견하지 못한 수많은 자원이 존재하는 곳이지만 수압과 어두운 시야, 미지의 지형, 조류로 인하여 기술의 도움 없이는 접근이 어려운 환경이다. 또한 원자력 발전소의 방사선 노출 지역에서 구조물을 유지 보수하거나, 화산 지대 및 재난 지역을 탐사하는 데에는 이를 위해 특수 제작된 로봇의 도움이 필요하다. 심해, 북극, 재난 지역과 같이 인간이 접근하기 어려운 극한 환경에서 활약할 수 있는 로봇을 극한환경로봇이라 하며, 이와 관련된 기술을 POSTECH의 극한환경로봇공학 연구실(이하 HERO Lab, Hazardous & Extreme environment RObotics Lab)에서 연구하고 있다. HERO Lab에서 수행하고 있는 연구의 주요 주제를 아래와 같이 소개한다.

HERO Lab 연구팀은 해저 탐사용 수중 로봇인 ‘Cyclops’와 같은 많은 로봇 시스템을 직접 개발하고 있으며, 실제 현장에서 로봇을 운용하며 취득한 센서 데이터를 통해 로봇의 항법 기술 연구를 진행하고 있다. Cyclops는 8개의 추진기를 통해 수중에서 3차원의 모든 방향으로 정밀하게 위치 제어할 수 있는 로봇이며, 광학 카메라, 초음파 카메라(Sonar), 레이저, 수질 다항목 측정기 등 다양한 센서를 탑재하고 있다. 이 로봇을 이용해 해저면을 촬영한 수많은 사진을 이어 붙여 수중 지도를 만드는 이미지 모자이킹(image mosaicking) 작업을 진행하였고, 이것을 다시 3차원으로 복원하여 포항 연안 바다의 3차원 해저 지형도 및 실사 모형 제작에 성공하였다.

그림 1. 실제 해역에서 운용 중인 수중 로봇 ‘Cyclops’

또한, 기존에 제작한 Cyclops로부터의 사출 및 회수가 가능한 소형 수중 로봇을 제작하였고, Cyclops와 협동하여 목표 물체의 회수 임무를 진행하는 데에 필요한 물체 인식 기술 및 정밀 작업 기술을 구현하였다. 그리고 앞선 두 수중 로봇을 포함한 대부분의 수중 로봇이 이동을 위해 프로펠러 형태의 추진기를 사용하는 것과는 다르게, 핀(물갈퀴)을 이용하여 수영하거나 해저면을 걸을 수 있는 수중 로봇 또한 개발하여 수중에서의 운동 및 제어 기술의 연구를 진행하고 있다. 이외에도 양식 어업에 활용될 수 있는 방수 시스템을 개발하여 어업 현장에서 그 효과를 검증하는 한편, 원자력 발전소에서 임무를 수행할 수 있는 로봇의 개발을 시도하고 있다.

이와 같은 극한환경로봇을 제작하기 위해서는 로봇이 운용되는 환경의 특수성을 고려해야 한다. 특히 수중 로봇의 선체를 설계할 때에는 일반적인 육지의 로봇에 비해 추가로 내압과 방수, 이동 방법 등의 추가적인 요소를 고려해야 한다. 

수중에서는 10m 더 깊이 잠수할수록 약 1기압만큼의 압력이 강해지므로, 로봇이 더 깊은 해역을 탐사해야 할수록 더 높은 수압을 충분히 견딜 수 있는 선체가 필요하다. 또한 침수로 인한 전기 및 전자 부품의 훼손을 방지하기 위해 선체의 방수 수단 역시 모색해야 한다. 물속에서의 추진을 위해서는 드론과 같이 프로펠러를 가진 추진기를 일반적으로 사용하며, 생체모방에 대한 학계의 관심이 늘어남에 따라 앞서 언급한 것과 같이 지느러미나 물갈퀴를 이용한 추진 방식도 활발히 연구되고 있다. 또한 3차원 수중에서의 균형 유지와 이동을 위해 선체의 무게와 부력을 조절하는 것 또한 중요하다.

수중에서의 통신 방면에서는 공기 중과는 달리 전파가 물에 흡수되기 때문에 전파를 이용한 통신을 사용할 수 없게 된다. 지상 로봇에서 일반적으로 사용하는 원격 통신의 신호나 GPS 신호가 수중에는 도달하지 않기 때문에, 로봇이 지상의 PC와 명령과 센서 데이터를 교신할 방법이나 로봇이 자신의 위치를 파악하는 방법을 고려해야 한다. 따라서 통신 케이블을 통해 정보를 주고받는 방법이나, 초음파나 시각적인 신호를 이용한 통신 방법, 또는 로봇이 완전 자율로 바닷속을 탐사하고 해수면으로 부상하는 방법 등을 이용한다.

그림 2. 소나(Sonar) 영상을 이용한 물체의 3차원 복원

그림 3. 인공지능을 활용한 어류 인식 알고리즘 

위와 같이 제작한 로봇은 자신의 위치나 방향을 계산하기 위해 사용되는 항법 센서와 주변 환경에 대한 정보를 얻기 위한 여러 종류의 관측 센서를 탑재하게 된다. 특수 환경에서 로봇이 이동하며 취득하는 센서 데이터를 활용하여 환경으로부터 새로운 정보를 추출하는 로봇의 센싱 기술은 활발히 연구되고 있는 분야이다. 수중에서는 전파의 흡수와 감쇠로 인해 레이더(RADAR)와 라이다(LiDAR), GPS를 사용할 수 없는 등 지상에 비해 사용할 수 있는 센서가 상당히 제한된다. 따라서 수중에서는 물체를 관측하기 위해 광학카메라나 초음파를 이용한 소나(Sonar)를 주로 사용한다. 광학 카메라는 해상도가 높고 물의 탁도와 광원 등의 영향을 많이 받는 반면, 소나 영상은 수중 조건의 영향으로부터 강인하지만, 해상도가 낮고 정보량이 적어 물체의 인식이 어렵다. HERO Lab에서는 이와 같은 장단점을 지닌 수중 센서의 데이터를 개선할 방법을 연구하고 있다.

극한환경로봇공학 연구실에서는 정보량이 적은 소나 영상의 해상도를 높이기 위해 인공지능을 활용하였으며, 기존 초음파 데이터로써는 파악할 수 없었던 물체의 높이 정보를 추정하는 방법, 또한 이를 활용하여 물체를 3차원 데이터로 복원하는 방법을 개발하고 검증하였다. 이로써 수중 환경의 제약 없이 로봇에 탑재된 소나를 이용하여 해저 지형의 지도를 제작할 수 있게 되었다. 또한, 어류의 형상을 학습한 인공지능을 활용하여 광학 카메라 영상을 통해 어류를 인식하는 연구를 진행하는 등 광학 비전 방면에서도 활발한 연구가 이루어지고 있다.

이처럼 HERO Lab은 통제가 가능한 실내에서 나와 특수 환경에 직접 투입될 수 있는 로봇을 개발하고 이와 관련된 항법 및 센싱 기술을 연구하고 있다. 앞서 살핀 것과 같이 심도 있는 로봇공학의 연구에는 기계공학뿐만이 아닌 전자공학, 컴퓨터공학 및 IT융합공학까지 넓은 분야의 지식과 경험이 필요하다. 이를 위해 연구실 구성원들이 서로를 보완하고 협동하고 있으며, 보다 완성된 로봇이 실제 현장에서 활약하는 미래를 위해 꾸준히 발걸음을 내딛고 있다. 미래의 포스테키안 또한 이 미래를 함께 꿈꾸고 도전하기를 기대해 본다.

 

[각주]

1 National Oceanic and Atmospheric Administ

<랩큐멘터리> 더 많은 이야기 만나보기 

 

글. IT융합공학과 통합과정 송석용