2010/10/24 08:13

로봇 공학 개론 - 수중 로봇 개발이 어려운 이유 과학이야기



안녕하세요 커티군입니다.

이번 포스팅은 기계과의 꽃, 로봇 공학입니다. 그러나 일반인들이 상상하는 로봇과 기계과에서 다루는 로봇은 꽤나

큰 차이가 있기에... 로봇에 대한 간단한 소개를 한 후, 수중 로봇에 관한 이야기로 한정지으려고 합니다.


 1. 로봇은 무엇인가

로봇이 노동을 뜻하는 체코어 robota에서 a가 빠진 단어로 체코 작가 카렐 차페크의 희곡에서 처음 쓰였다는 이야기는

꽤나 유명합니다. 그런데 무엇을 로봇으로 불러야 하는지에 대한 명확한 정의는 아직 내려지지 않았습니다만 현재까지 

내려진 로봇에 대한 각기 다른 정의는 다음과 같습니다.



A robot is a system which exist in the physical world and autonomously senses its environment and act in it

-USC


A robot is re-programmable, multi-functional, manipulator designed to move material, parts, or special devices

through variable programmed motions  for the performance of a task.

-Robotic Industry Association


 둘다 로봇이 가지는 기능적인 측면을 중시간 정의입니다. 하지만 피부에 와닫는 정의는 바로 다음 정의입니다.


I can't define a robot, but I know one when I see one
(난 로봇을 정의할 수 없지만 보면 안다)

-Joseph Engelberger


꽤나 마음에 드는 정의입니다. 사실 영화 아이로봇의 써니같은 로봇이 나오지 않는 한에야 로봇에 대한 엄밀한 정의는 

필요하지 않겠죠.



 2. 로봇의 역사

 로봇이란 말은 체코의 극작가가 자신의 작품에 쓰인 것이 시초입니다. 그 때가 1920년이니 아직 100년이 채 되지 않은

단어입니다. 그 유명한 아시모프의 3원칙이 등장한 것은 1942년이고요. 그러나 에니악의 발명이 1946년이며, 1952년에 

프랑스에서 첫 번째 로봇 팔이 개발되었습니다.


 로봇이 산업에 현장에 등장한 것은 1962년의 일입니다. 미국의 제네럴 모터스(GE)에서 세계 최초로 생산라인에 로봇을 

사용했지요. 그리고 1970년대에 본격적으로 로봇이 산업현장에 투입되면서 로봇 연구는 급속도로 성장하기 시작합니다.


 로봇 하면 인간처럼 생긴 아톰이나 태권브이, 건담을 연상하게 됩니다. 하지만 현재 로봇은 특정한 기능에 특화된 

단순한 모습을 하고 있습니다. 절대 넘어지지 않는 미군의 4족 보행 로봇 빅독이 한때 동영상으로 퍼진 적이 있었죠.

폐허는 물론 눈 덮인 산, 얼어붙은 강 위에서도 기괴하게 잘 걸어가죠. 옆에서 발로 밀어도 절대 넘어지지 않습니다.

이 로봇을 보신 분은 알겠지만, 다리 4개에 몸통밖에 존재하지 않습니다. 굳이 말처럼 목에 얼굴까지 만들 필요가 없는

것이지요.

 Da Vinci를 비롯한 수술용 로봇은 마이크로 단위의 센서와 구동구를 갖추고 있습니다. 가격이 억을 손쉽게 뛰어넘는 

녀석들이죠. 사용자의 미세한 손 떨림까지 방지해서 마이크로미터 단위로 움직임을 조절하는 능력은 세계 최강입니다. 

이 로봇 또한 수술에 필요한 여러 개의 팔과 카메라만이 달려 있습니다.


 그러나 개인용 로봇은 조금 사정이 다릅니다. 인간과 친해져야 하므로 인간에게 익숙한 모습을 해야 하지요. 그래서 

일부러라도 인간과 똑같은 모습을 할 필요가 있습니다만, 현재 기술로는 인간형 로봇을 만다는 것 자체가 상당히 

어렵습니다. 대신 현재 존재하는 최강의 개인용 로봇은 Willow Garage사에서 만든 PR2 입니다. 

이름부터 Personal Robot 의 약자인 이 로봇은 전 세계에 실험용으로 단 11대만이 생산되어있습니다. 메인 컴퓨터의 

CPU가 무려 16개나 달려있는 이 괴물은 현재 수건 50장을 연속으로 갤 수 있다고 합니다.





  그러나 이 PR2 로봇의 가장 큰 가치는 누구나 프로그램을 개발할 수 있도록 오픈소스로 운영된다는 점입니다.

수건을 개는 작업도 버클리대의 한 학생이 개발한 프로그램이죠. 물론 아직 갈 길이 멀지만 로봇 자체는 프로그램에

따라 다양한 기능을 수행할 수 있도록 설계되었습니다. 우리나라에도 냉장고에서 맥주 가져다주는 로봇으로 소개된

적이 있네요.

요녀석이 한 대당 가격이 4억원이 조금 넘는 PR2입니다


 인간형 로봇, 휴머노이드 로봇은 일본이 현 최강자입니다. 걷고 뛰는 것도 부족해서 이번엔 백댄서 로봇까지 나왔다고

합니다. 우리나라는 휴보화랑(Hwarang)이라는 휴머노이드가 존재합니다만 후속 연구에 대해서는 아는 바가 없네요;;






 이제 수중 로봇에 관한 이야기로 넘어가 보겠습니다. 수중 로봇의 종류도 다양하고 종류에 따라 요구되는 능력 또한 

가지각색이지만 특히 수중 모니터링 로봇에 초점을 맞추겠습니다.

 수중 모니터링 로봇은 바다나 강, 호수의 상태를 관측하는 로봇을 뜻합니다. 지정된 공간에 장기간 머무르며 특정한

현상에 대한 감시를 수행하지요. 4대강에 풀어놓겠다는 로봇 물고기가 대표적인 예입니다.


 그러나 로봇이 수중에서 움직인다는 것은 단순히 '어렵다'고 표현하기 무색할 정도입니다. 여러가지 문제점 중에 

대표적인 5가지 분야를 살펴보겠습니다.




1. 지속성

 수중 모니터링 로봇은 물 속을 움직이며 장시간 작전을 수행해야합니다. 따라서 독립적인 전원 장치가 있어야 합니다. 즉

건전지를 가지고 다녀야 한다는 것이죠. 그러나 물 속처럼 끊임없이 움직이지 않으면 조류에 휩쓸려나가는 환경에서는

로봇의 에너지 소모율이 상당합니다. 결국 자력으로 충전을 해야 하지요. 현재는 조류를 이용한 충전이나 수면에서

태양광 발전을 하는 방법 등이 고려되고 있습니다만 최적화된 방법은 아직 없습니다.



2. 위치 특정

 물 속에서는 자신의 위치를 3차원적으로 알고 있어야 합니다. 가로 세로 뿐만 아니라 수심까지 고려를 해야 하는것이죠.

그러나 깊은 물 속에서는 전파가 흩어지므로 GPS를 적절히 사용할 수 없습니다. 게다가 수심까지 측정할 수 있는 별도의

장치가 필요합니다. 거기에 더해서 자신의 위치를 고수해야하는 어려움도 있고요.

 또한 물은 계속해서 움직입니다. 따라서 수중에서 자신의 위치를 알아낸다는 것은 매 초마다 실시간으로 자신의 위치를 

재산출해야한다는 것입니다. 1초마다 자신의 위치가 변하는데다가, 물이 어떻게 흐를지 예측조차 제대로 할 수 없기 

때문이지요.



3. 기체 제어

 위에서 언급한 대로 수중이라는 환경 자체가 매우 역동적인 환경입니다. 끊임없이 물이 흐르고 물고기가 돌아다니는

환경입니다. 이런 상황에서 로봇을 움직여야하는 추진체를 개발하는 것 자체가 상당히 어렵습니다. 잠수함같이 크기가 

매우 큰 물체라면 모르겠지만 고작 감시용 로봇을 그런 사이즈로 만들 수는 없겠지요. 그러나 작은 로봇일수록 추진체에 

제한이 있고, 작은 힘에도 로봇이 크게 움직이므로 끊임없이 위치를 바로잡아주어야 합니다. 그런 주제에 전파를 제대로 

닿지 않아 거의 100% 자율적으로 움직어야 하고 동력도 제한되어있다면 최악의 상황이라 부를 만 합니다.



4. 통신

 수중 모니터링 로봇이 이상사태를 감지하고 본부에 이를 알리는 방법도 기존 로봇과는 다릅니다. 물이 전파와는 상성이 

좋지 않은 매질이기 때문이지요. 전파는 물 속에서 흩어집니다. 따라서 정확한 정보를 전달하는 것이 문제가 아니라 

정보를 전달하는 것 자체가 문제가 될 수 있습니다. 전파의 에너지를 높이는 방법도 있겠지만 현실적으로 어렵습니다. 

가장 효과적인 방법은 수면으로 올라와서 전파를 쏘는 방식이지요.



5. 센서

 물 속에서는 빛도 제대로 비춰지지 않습니다. 따라서 의지할 수 있는 유일한 정보원은 음파입니다. 음파를 감지하는 

소나가 얼마나 소형화될 수 있고, 소형화되면 얼마나 좋은 능력을 갖추는지는 미지수입니다. 그러나 수중 모니터링 

로봇은 크기가 불과 수십 센티미터에 불과한데다가 물 속을 떠도는 커다란 물체들을 효과적으로 피할 능력이 제로에 

가깝습니다. 자칫하다가는 수 천만원짜리 로봇이 쓰레기에 피탄되어 격침되는 최악의 상황이 발생할 수도 있는 것이죠.




 위 내용은 각 문제점들에 대한 엄밀한 평가는 제외되었습니다. 따라서 쉽사리 해결될 수 있는 문제점들도 포함되어있고

최적화된 방법은 아니지만 이미 해결된 문제점들도 포함되어 있습니다. 그러나 수중이라는 환경 자체가 갖고 있는 벽은

그다지 만만한 것이 아닙니다. 시간과 예산을 적당히 투입해서 될 문제가 아니라는 것이지요.

 최근 국내에서도 여러 가지 수중 로봇이 개발되다네요. 아무쪼록 예산줄이 끊기지 않기를 바랄 뿐입니다...




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덧글

  • ..... 2010/10/24 10:23 # 삭제 답글

    거기에 수중에서 데이터 링크를 구현해야 하지요 :)

    예산줄은 걱정되지 않습니다. 걱정할 건 따로있어서리 (.....)
  • 커티군 2010/10/24 13:16 #

    엣, 공돌이에게 예산줄보다 더 걱정인게 있나요? 설마 시간?
  • 잠본이 2010/10/24 11:20 # 답글

    자연의 벽은 정말 험난하군요 T.T
  • 커티군 2010/10/24 13:17 #

    근성으로 어떻게 될 수 있는 문제도 아니고요...
  • Niveus 2010/10/24 12:15 # 답글

    하나 더 들어가자면 편대 항행을 해야한다는데 이건 뭐 우주에서 편대 궤도 잡는것보다 힘듭니다 -_-;;;
  • 커티군 2010/10/24 13:20 #

    하나의 개채조차 위치고정이 힘든데 말입니다...개발 완료했다는 뉴스도 있던데 강물에서 시연 동영상을 꼭 보고싶습니다...
  • ArchDuke 2010/10/24 12:26 # 답글

    그리고 MB께선 무리로 만드시라 하셨죠
  • 커티군 2010/10/24 13:21 #

    개발 완료했다는 기사가 있던데 진짜라면 저 개발팀은 엄청난 분들일 듯 하네요...
  • ArchDuke 2010/10/24 13:27 #

    그걸 결국 만들었나요 ㄷㄷㄷ. 이상적이긴 한데;
  • 커티군 2010/10/24 13:39 #

    타당성 의문이 꼬리에 꼬리를 물고 있기는 하네요 -_-ㅋ 위험해지면 로봇을 회수한다는데 그럴바에야 차라리 로봇 말고 부표를 설치하는게 더 낫겠습니다...
  • 기전 2010/10/24 15:35 # 삭제 답글

    기계과의 꽃은 사실 엔진이죠.

    로봇은 원래 제어계측, 기전, 전기, 전자과 거고요.

    수중 로봇 개발 어려운 이유는 쓸 일이 거의 없어서... 4대강 감시? 풉
  • 커티군 2010/10/24 16:35 #

    로봇은 기계 + 전자이지만 제어가 힘들어서 전자과가 더 많기도 하고요ㅋ 사실 진정한 기계과의 꽃은 자동차...
  • jane 2010/10/24 18:24 # 답글

    잘 읽었습니다. 수중은 로봇에게 이상적인 최악의 환경이군요?(...)
  • 커티군 2010/10/24 19:02 #

    마찰력이 없는 진공 상태라면 참 좋을텐데 말입니다 -_-ㅋㅋㅋ
  • unknownone 2010/10/25 14:41 # 답글

    포항 로봇동 지금은 잘 돌아가나 모르겠네요... 로봇 관련되서는 포항 뿐 아니라 왠간한 학교들 다 용두 사미가 된 케이스가 많죠...
  • 커티군 2010/10/25 14:47 #

    이번에 지능로봇연구소에서 수중 청소 로봇을 개발했다고 하더라고요. 뭔가 하고 있기는 하나보네요 -_-ㅋ
  • 狂工크랜 2010/10/25 15:36 # 답글

    강 정도의 수심에서도 전파가 도저히 못쓸 정도로 안통하는지는 잘 모르겠습니다만,
    전파가 안통할 경우 소나의 음파를 통신용으로 쓸 수 있습니다. 잠수함에서 그렇게 한다더군요.
    통신속도는 극악이고 군사용일 경우 위치가 드러난다는 단점이 있지만요. 역으로 로봇은 사용자나 다른 로봇에게 위치를 알리는 효과를 볼 수 있다는 이야기이기도 하죠.

    대신 장애물 인식과 통신, 로봇간 위치인식을 위해 음파나 초음파를 엄청나게 쏘아대야 하는데.. 그게 물고기나 생태계에 어떤 영향을 줄 지에 대한 고려를 하는 사람은 아직 못본 것 같네요.
  • 커티군 2010/10/25 15:56 #

    우리나라의 강 정도라면 전파로 통신하는데 큰 무리는 없습니다. 오히려 음파를 사용한다면 수신기를 별도로 구간마다 설치해야 하므로 추가비용이 들지도 모르겠네요. ㅇㅅㅇ

    음파로 인한 영향은 대차게 까는데도 별 다른 글이 없는걸 보면 그쪽에서도 손 놓았는지로 모르죠...아니면 음파를 안쓰거나 쓰레기에 격침...
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