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- 전기 모터식 6축 수중 로봇 팔의 개발
- 최형식 교수(한국해양대학교 기계에너지시스템공학부)
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hhu.ac.kr - : 한국해양대학교
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안녕하세요. 메트릭 회원 여러분!
심해의 석유 가스를 채굴하는 해양플랜트는 장기간 운영하는 만큼 유지, 보수에 많은 공을 들여야 합니다. 수중에서 용접과 시료 채취 등 무인 잠수정을 이용한 보수작업에 가장 심여를 기울여야 하는데요. 최근 해저 시료를 채취하는 핵심장비로 전기모터를 이용한 6축 다관절 수중 로봇 팔이 개발되어 화제가 되고 있습니다. 오늘 인터뷰에서 만나 보실 분은 6축 다관절 수중 로봇 팔을 개발하신 한국해양대학교 기계에너지시스템공학부 최형식 교수님이십니다. 교수님은 2004년도 저희 엠터뷰에서 취재를 한바가 있는데요. 당시 신발용 운동량 계측 시스템 및 발전 시스템 관한 내용이었습니다. 달라진 교수님의 연구 주제와 수중 로봇 팔에 대한 자세한 이야기 나눠보도록 하겠습니다.
1. 안녕하세요. 교수님 다시 찾아뵙게 되어 영광입니다. 지금 교수님께서 하고 계시는 “수중 로봇 팔” 연구에 대한 소개 부탁드립니다.
-수중 로봇 팔은 국토해양부의 과제로 2년간에 걸쳐 개발한 수중에서 작업하는 팔에 관한 연구이었습니다.
2. 수중로봇팔을 전기 모터 방식으로 만드신 것으로 압니다. 유압식에 비해 전기 모터 방식은 어떻게 이용되어 지는 건가요? 또 유압 방식과 전기모터 방식의 장단점을 말씀해주신다면..
- 일반적으로 로봇을 구동하는 방법은 크게 2가지가 있습니다. 유압을 이용해서 즉, 기름을 높은 압력을 가해서 거기서 나오는 힘을 이용하여 관절을 돌려 로봇 팔을 구동하는 방법을 유압구동식이라고 합니다. 그리고 현재 나와 있는 모터를 관절에 직접 적용하여 팔을 제어하는 방법을 전기 모터 방식이라고 합니다. 일반적으로 최근에는 모터 구동방식을 쓰고 있는데요. 유압방식이 큰 힘을 낼 수 있고 물속에서의 방수에 아주 용이해서 많이 사용했으나, 수중에서 로봇팔을 3km정도 끌고 내려가야 하는데 유압식은 전선을 통해 전기를 공급해야만 합니다. 그런데 효율이 아주 낮기 때문에 많은 전류를 흘려야만 가능하므로 전선이 매우 두꺼워져야 해서 이동하는 로봇에 상당한 부담을 주게 됩니다. 또한 장치도 크고 무겁기 때문에 큰 문제가 됩니다. 그래서 비용이 높아지게 되는 단점이 많습니다. 최근에는 이러한 유압식의 단점들을 보완하기 위해 전기 모터 방식을 많이 사용하고 있습니다.
3. 수중 로봇 팔의 경우, 현재 우리나라가 개발한 무인잠수정 해미래에도 쓰이고 있는데, 해미래의 로봇 팔과 비교하여 어떤 점이 차이가 있습니까?
- 해미래는 우리나라에서 처음 만든 ROV(Remotely Operated Vehicle)로 역사적 의의가 상당히 깊습니다. 그러나 거의 대부분의 장비를 수입해서 만들었고. 특히 로봇팔의 경우 미국의 "실린 사"라는 곳의 로봇팔이 장착이 되었습니다. 또한 일부 프로그램만 개조를 해서 쓰고 있습니다. 반면 저희 해양대 교수진이 만든 것은 대부분이 국내에서 개발한 기술을 가지고 만든 것이고 전기모터 방식입니다. 또한 차이점은 해미래에 사용된 것은 유압식이고 가반중량(물체를 들 수 있는 능력)이 70kg되는 큰 것인데 비해 저희 것은 물속에서 30kg정도 들 수 있는 좀 더 작은 중소형입니다.
4. 언론에 보도된 내용을 따르면 로봇 팔의 대부분은 수입에 의존하고 있는데, 만약 교수님의 수중 로봇 팔이 국내 시장에 어떠한 영향력을 미칠까요?
- 현재로서는 수중로봇이 국내에서 그렇게 많이 활성화 되어 있지 않습니다. 최근 심해터널이라든지 4대강 사업이라든지 대교량 이런 것들을 많이 지었기 때문에 앞으로 그런 것들의 유지 보수가 필요하다고 생각됩니다. 사람이 수중에 들어가서 작업할 수 있는 시간은 깊이 내려갈수록 늘어나고 힘든 것이 사실입니다. 그러므로 앞으로 무인잠수정에 대한 수요가 늘어날 상황입니다. 최근 국방쪽에서 무인화로 시스템을 구축하고 있기 때문에 국방의 수중 로봇팔이나 수중로봇을 도입하는 추세가 아주 빨라지고 있습니다. 얼마 지나지 않아 조만간 수중 로봇팔이나 수중로봇에 대한 수요가 상당히 많아질 것으로 예상하고 있습니다. 반면 국외에서는 수중 로봇팔들은 아주 보편적으로 많이 쓰고 있고, 유진( 레미콘 제조업체) 같은 곳에서는 필수적으로 쓰고 있기 때문에 (수중 로봇 팔은) 아주 중요한 수중작업에 필요한 도구입니다.
5. 로봇의 관절의 수가 늘어날수록 더 멀리, 더 정교하게 작업이 이루어지지만 단점이 무거운 물체를 다루기는 어려워진다고 들었습니다. 교수님이 개발하신 6축 관절이 가지는 장단점은 무엇인가요?
- 6축은 기본적으로 공간에서 위치와 방향을 결정할 수 있는 기본 요건입니다. 인간의 팔도 6축과 비슷한 7축으로 구성되어 있어 공간에 어떠한 물체를 잡는 것이 가능합니다. 저희도 6축으로 개발 했고 기본적으로는 그립(Grip)까지 포함하면 7축입니다. 반면 축이 많아지면 거기에 따른 모터의 수가 늘어납니다. 늘어난 모터는 다시 로봇팔에 부하로 작용하게 되고 제일 밑에 있는 모터축이 그 부하를 감당하게 됩니다. 점점 악순환이 되는 그런 구조가 되는 것입니다. 자유도가 낮으면 낮을수록 무거운 물건을 들기는 좋아집니다. 저희는 모터의 용량을 최적으로 설계를 하고 관절의 구성은 모터 뿐만이 아니라 큰 힘을 낼 수 있도록 감속기가 같이 연결했습니다. 모터와 감속기의 구조를 최적으로 설계하는 것이 저희들의 연구에 핵심 연구인 것이죠.
6. 수중용 다관절 로봇은 지난 2009년 프랑스 ECA가 개발해 상용화된 것과 비교하여 더 발전된 경향이 보이는데요. 어떠한 점이 발전이 된 건가요?
- ECA사는 군수물자를 생산하는 회사입니다. 아주 큰 회사인데 기본적으로 유압방식의 수중로봇팔을 생산하고 있구요. 한 3년전부터 두 종류의 모터구동방식의 수중 로봇 팔을 제품화해서 판매하고 있는 걸로 알고 있습니다. 수중로봇팔이 자유도가 4축짜리인데 그것도 그립(grip)을 포함해서입니다. 저희 것은 그립을 포함한 7축입니다. 두 개의 성능을 비교하자면 ECA것은 로봇의 성능을 비교하는 것 중에서 자기 무게에 비해 무게를 들 수 있는 가반하중이 저희들보다 굉장히 떨어집니다. 그것은 4자유도고 저희는 7자유도인데 무게도 비슷하고 가반하중도 비슷하기 때문에 상대적으로 보면 저희 것이 성능이 더 뛰어나다고 할 수 있습니다.
7. 국외에서 수중용 다관절 로봇의 상황과 국내 상황을 비교해 주신다면?
-우선 국외에서는 그 역사가 상당히 깁니다. 주로 선진국 미국, 영국, 프랑스, 독일, 일본 같은 선진국에서 20년 이상 연구를 해왔고, 그 연구를 수중 로봇 팔들이 거의 대부분 유압 구동 방식이었습니다. 수중 로봇의 역사는 해양유전(offshore oil field) 개발의 역사와 비슷하다고 볼 수 있습니다. 수중에서 유전을 캐기 위해서는 사람이 들어갈 수 없기 때문에 로봇 팔을 투입해야 하고 현재까지 개발된 것은 대부분이 유압방식입니다. 그에 비해 국내에서는 최근 수중 로봇 팔을 개발하기 시작했습니다. 특히 대부분의 수중 잠수정과 같은 것에 부착하기 위해 일부 기초 연구를 하고 작업용으로 제대로 개발한 것은 저희 해양 대학이 처음이며 그것도 전기 모터 방식으로 개발하게 된 것이죠.
8. 앞으로 수중용 다관절 로봇 개발을 통해 계획하고 있는 연구 진행 방향을 설명 부탁드립니다.
- 현재까지 저희가 개발한 것은 대형이 아닌 중소형입니다. 자유도는 그립을 포함하면 7자유도로 기본요건은 다 갖추고 있는데도 힘을 내는데 30kg정도 들 수 있는 중소형이며 길이도 1m가 조금 안되는 상황입니다. 문제는 이것을 어떻게 기존에 나와 있는 유압방식과도 같은 정도의 크기와 큰 힘을 내는 형태로 만드는 것이 상당히 중요한 요건인데요. 그간 연구를 해서 그곳에 필요한 핵심 기술을 현재 확보한 상태입니다. 향후 유압방식의 수중로봇팔과 거의 같은 성능의 전기 모터식 수중로봇팔을 개발하는 것이 저희의 향후 연구개발 연구방향이구요, 로봇팔만 가지고 어디에 사용되는 것도 매우 중요한데 이것 또한 수중에서 작업을 할 수 있도록 이송하는 수중로봇(ROV)의 연구개발도 진행을 하고 있습니다. 다시 말해 로봇팔은 작업을 할 수 있는 모체가 되는 것이고 이것을 수중에서 1, 2km수중 작업을 하기 때문에 그것을 오퍼레이터 하는 것이 필요합니다. 주로 선상에서 하는데 그것을 운영 하기 위한 표시장치도 같이 연구를 하고 있습니다.
9. 일반적으로 산업용 로봇 매니퓰레이터가 많은 것으로 알고 있는데, 인간형 매니퓰레이터에 대한 생각은 없으신지요?
- 저는 1989년부터 휴머노이드 로봇이라는 것을 연구했습니다. 10년 넘게 하고 있고, 그 중 로봇 팔의 경우 인간형 로봇에 가깝다고 볼 수 있는데요. 그 연구를 통해 무게는 20kg밖에 안되지만 20kg을 들고 걸을 수 있는 로봇을 국내 최초로 연구를 했었습니다. 아마 그건 세계 최초일지도 모르겠습니다. 저널에도 연구결과를 발표했었는데요. 상당히 중요한 연구였고 우리 산업용 로봇 팔에 해당되는 수중 로봇팔과 서로 인과관계가 충분히 있습니다. 또한 수중 로봇 팔을 개발하게 된 핵심 기술은 바로 휴머노이드에서 나온 인간형 로봇 팔 그 기술에 연유(緣由 ) 한다고 봐도 무방하다고 생각됩니다.
10. 현재 수중용 다관절 로봇이 특허 출원된 상태인 것으로 아는데요. 실험하여 결과가 도출되기까지 기억나는 에피소드가 있으시면 들려주시겠습니까?
-수중 로봇팔을 개발하면서 특허등록을 마친 상태이구요, 하나는 출원 상태이고 다른 하나는 국제 출원한 상태입니다. 내용은 수중로봇의 방수관련이고 다른 한건은 로봇팔 내부구조 및 배선이 지나가는 구조에 관한 것입니다. 두 건은 지식재산권이 형성 되어있는 상태입니다. 제가 수중 로봇팔을 개발하면서 혼자 한 것은 절대 아니죠, 우리 대학원생의 역할이 정말 중요합니다. 아마 모든 연구하시는 분들이 당연하게 생각하실 텐데 학생들이 얼마만큼 열의를 가지냐에 따라 그 결과가 좌우되는 것 같은데 수중 로봇팔에 참여한 대학원생들이 정말 열심히, 제가 말릴 정도로 "좀 쉬어가면서 하라"고 말할 정도로 열심히 하였고, 그 친구들이 하는 이야기가 자기들이 수중 로봇 팔 과제가 너무 재밌고 마무리가 될 때쯤 자신이 할 수 있는 최대한의 노력과 지식을 동원해서 했다고 말한 것들이 가장 기억이 납니다. 그 열의와 열성을 가지고 이 과제에 참여했기 때문에 좋은 결과가 나오지 않았나 생각하고 이 기회를 빌어서 참여한 대학원생에게 고맙다는 메시지를 전하고 싶습니다.
11. 마지막으로 교수님, 이 기술의 핵심을 무엇이며 앞으로 어떠한 연구를 더 집중적으로 하실 의향이신지 궁금합니다.
- 수중 로봇팔의 핵심은 기본적으로 산업용로봇팔과 달리 어떻게 방수를 하느냐가 가장 핵심 중에 하나입니다. 큰 토크(torque)성능을, 과반 하중을 가져오기 위해서 모터와 감속기를 최적으로 어떻게 설계를 해서 적용을 하는 것이 전기 모터식 수중로봇팔의 핵심 기술이라고 할 수 있습니다. 저희는 중소형으로 <수중로봇 팔>을 개발한 것이고 핵심 기술을 현재 확보한 상태입니다.
산업용 일반적으로 많이 쓰이고 있는 유압용으로 70kg정도를 드는 것에 비해 저희는 30kg 정도를 들수 있습니다. 그 다음에 유압식의 길이가 1.7m정도 되는 것을 저희는 1m정도 입니다. 즉 성능과 길이를 늘려야 합니다. 모터는 로봇팔의 관절 구동기 성능에 기인합니다. 즉 저희가 기초핵심기술은 다 가지고 있지만 앞으로 정부나 회사에서 지원금이나 연구비를 받으면 상업화나 좀 더 실용적인 형태, 유압구동방식의 수중 로봇팔을 대체할 수 있는 실용적인 로봇 팔을 개발하는 것에 집중하고 있습니다. 보통 사람이 위에서 카메라를 보고 하는 조이스틱(Joystick)을 쓰는데 저희는 사용하기 편한 메스 암(Mes Arm)이란 것을 만들어, 로봇팔을 잘 적용하기 쉽게 ROV 수중잠수정, 무인 수중잠수정에 같이 결합을 하여 하나의 일체화된 로봇을 개발하는 것도 향후 연구에 중요한 이정표가 될 것으로 보입니다.
12. 이 연구가 국토해양부의 연구비 지원과 부산시의 후원으로 이루어졌다고 들었습니다. 국내 기계공학을 포함한 공학의 발전을 위해서 국가에서 어떠한 노력을 좀 더 해야 한다고 생각하시는지요?
- 우선 이 과제가 상당히 성공적으로 끝날 수 있도록 도와주신 국토해양부, 부산시의 후원에 정말 감사를 드립니다. 적지 않은 연구비를 투입해주셔서 저희가 최선을 다해서 연구를 했고 그 결과도 상당히 성공적이라고 생각을 하고 있습니다. 정부의 적절한 후원을 통해 최선을 다해 좋은 결과를 이루어내는 과정이 앞으로도 계속 이루어졌으면 좋겠습니다. 유사한 과제들을 할 때 연구를 하는 사람과 연구비를 따는 사람의 격차가 줄어들었으면 좋겠다는 것이 연구에 집중을 하는 사람으로서의 바람입니다. 저희가 연구하는 것 외에도 연구비를 받기 위해 많은 노력을 해야 합니다. 특히 지방에 있는 연구자들은 수도권에 있는 사람보다 그런 면에서 특히 다른 과제에 비해 로봇과제가 더 어려운거 같습니다. 연구 과제를 받기 쉬운 제도나 관리하는 정부 관계자들도 조금 더 신경을 써주셨으면 감사하겠습니다.
13. METRIC회원들과 기계공학을 전공하는 학생들에게 “로봇개발은 이런 것이다” 한마디 부탁드립니다.
-로봇은 무형에서 유형을 만드는 것입니다. 아무도 없는 곳에서 어떤 형태를 만들고 그것이 자율적으로 움직이는 것은 마치 사람을 만들어 내는 것과 비슷합니다. 어머니가 아기를 가지는 과정처럼 참 힘들고 어려움도 있고 많은 노력도 해야 하고 실력도 쌓아야 합니다. 그 결과 창조물을 접했을 때 어머니가 힘들게 아기를 낳듯 사랑을 가지고 애정을 가지는 것처럼 로봇도 비슷한 것 같습니다. 로봇도 정말 어렵고 힘들게 만들어 지지만 그것을 만들어 거기에 생명을 불어넣는 것처럼 움직이도록 만들어 스스로 자율적으로 동작하게 만드는 과정을 마쳐졌을 때 그 성취감은 그 어떤 것보다도 큰 거 같습니다. 기계공학부 학생들이 로봇을 만들기 위해 기계, 전기, 전자, 컴퓨터가 복합적으로 어울러져야 가능한 일입니다. 기계공학의 과목뿐만 아니라 전기, 전자, 컴퓨터에 있는 과목들도 같이 공부를 하여 복합적으로 지식을 가져야만 보다 좋은 것을 만들어 낼 수 있고 그 결과도 좋아지겠죠, 그러한 것을 하기 위해서는 가장 먼저 로봇을 사랑하는 마음을 가져야하지 않겠나 싶습니다.
- 해미래(심해 무인 잠수정): 한국해양연구원과 대양전기 기술진이 2001년부터 120억원을 투입하여 설계와 다중선체 운동제어, 위치 추적, 수중통신, 운용 소프트웨어까지 모두 국내기술로 개발한 무인잠수정. 해미래는 로봇 팔과 각종 계측 장비, 수중 카메라 및 조명 장치 등이 부착되어 있으며 6개의 전동추진기를 통해 앞뒤, 좌우, 상하 운행이 가능, 목표물을 추적할 수 있는 위치추적장치(USBL)등이 장착되어 있다.
- ROV(remotely operated vehicle): 원격 조종 로봇 등을 뜻하나 주로 무인 해중 작업 장치를 총칭한다.
- 해양유전: 연안해역에 있는 유전의 총칭하는 말로 대륙붕에 있는 유전을 옛날에는 해저유전이라 하였으나, 해양 개발이라는 말이 일반화되었으므로 최근에는 해양 유전이라 하는 경우가 많다.
* 인터뷰 진행: 장지현 리포터
* 촬영 및 편집 : 박수진 ( sujin@metric.or.kr )
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