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수중 자율 로봇의 개발
박대길(Daegil Park)(선박해양플랜트연구소 해양시스템연구본부) / daegilpark at kriso.re.kr

1. 본인의 연구에 대해서 자세한 소개를 부탁드립니다.

- 해양 환경은 지구 면적의 71%를 차지하고 전체 생물의 90%가 서식하며 많은 해저 자원 및 수산물이 존재하는 우리에게 꼭 필요한 공간입니다. 하지만 해양(수중)은 인간뿐만 아니라 로봇에게도 극복하기 어려운 환경이기 때문에, 아직까지 많은 부분이 베일에 싸여 있는 미지의 공간이기도 합니다. 저는 이러한 해양 환경에서 사람을 대신하여 다양한 임무를 수행할 수 있도록 수중 위치 추정, 인식, 제어, 인간-로봇 상호작용(pHRI) 등의 해양로봇 기반기술 및 이를 이용한 자율 운용 기술을 연구하고 있습니다.



저는 학위기간 동안 전자기파 감쇠를 이용한 수중 해양로봇(이하 수중로봇)의 위치 추정 기술을 연구하였습니다. 해양 환경은 매질의 특성상 지상의 위성항법시스템(GNSS, Global Navigation Satellite System)이나 카메라, 라이다와 같은 센서를 사용하기 어렵습니다. 대신에 소나(SONAR, SOund Navigation And Ranging)로 대표되는 음향센서를 주로 사용합니다. 다만, 이 센서는 주변 물체에 의한 난반사 및 다중경로효과(Multi-path effect)가 일어나기 쉬워 장애물 또는 구조물이 있는 환경에서 사용하기 어렵습니다. 저는 물속에서 거리에 따른 전자기파의 감쇠가 급격하게 일어나는 특성(Fig. 1)을 역발상하여 구조화된 공간에서 정밀한 위치 추정이 가능한 전자기파 감쇠 기반 위치 센서를 제안하였고, 이를 위한 감쇄 매질(lossy medium)에서의 전자기파 감쇠 모델 및 수중무선 네트워크(UWSN) 기반 위치 추정 시스템을 개발하였습니다. 그 결과, 제안하는 위치 추정 시스템을 사용 시, 수중 장애물이 많은 환경에서 장시간 운용에도 자신의 위치를 정확하게 추정 가능함을 확인할 수 있었습니다.


영상 1: 전자기파 감쇠 기반 복합항법시스템과 관성항법시스템과의 위치추정 성능 비교(IROS 2018)


이후 한국로봇융합연구원에 3년간 재직하며, 박스형, 어뢰형 무인자율잠수정(AUV, autonomous underwater vehicle)의 환경인식 기술 및 이를 기반으로 한 자율주행기술에 대해서 연구를 진행하였습니다. 실제 해양 환경에서의 위치 추정, 경로 생성, 제어기술을 개발하고 이를 통합/운용하며 세계 최초로 해양로봇을 이용하여 해양구조물 내부를 자율적으로 탐색하고 돌아오는 미션을 성공적으로 수행하기도 하였습니다.


영상 2: 전자기파 감쇠를 이용한 도킹 유도 (UT 2017)


현재는 선박해양플랜트연구소에서 해양로봇-주변 환경 또는 해양로봇-인간 사이의 상호작용 기술 연구를 진행하고 있습니다. 특히 해양로봇 가상 물리 운용시스템 내 사용자의 로봇 환경인지를 위한 HILS(Human-In-the-Loop-Simulation)을 구축하고, 해양로봇의 운동성능 전달 및 햅틱기반 매니퓰레이터 작업을 지원함으로써, 보다 현실감 있고 효율적인 해양 작업을 진행할 수 있도록 도와주는 연구를 진행하고 있습니다.


영상 3: 수중 구조물 내부 자율탐사시스템 실험동영상(IROS 2018)




2. 주로 수중 해양로봇을 꾸준하게 연구하고 계신 거 같습니다. 일반 로봇 연구에 비해 해양 로봇의 연구에는 어떤 어려움이 있을까요?

- 해양(수중) 환경은 육상과 다르게 매질에 의한 신호(에너지)의 흡수 및 산란이 잘 일어나는 유체 환경입니다. 따라서 수중로봇은 지상의 로봇에 사용되는 센서, 구동기의 대부분을 사용할 수 없으며, 3차원(6자유도) 유체 환경에서 외란(조류, 와류)과 수압(방수)를 극복해야 하고, 제한된 전원 및 통신환경에서 운용되어야 하는 점이 일반 로봇과 차별화되는 가장 어려운 점입니다.


특히 통신 및 원격 지원이 어려운 해양(수중)의 특성상 하나의 로봇 플랫폼 안에 모든 필요 장비(센서, 구동기, 전원공급, 지능 등)가 구성되어야 합니다. 따라서 목적(탐색/작업)과 자율성, 환경(조류여부/장애물 여부)에 따라 플랫폼 형태, 탑재 센서, 내압용기, 배터리 등이 설계되어야 하고, 이렇게 제한된 사양을 바탕으로 로봇을 운용해야 합니다. 더욱이 수중환경은 로봇이 참고할 만한 인공 표식(Artificial randmark)이나 학습용 데이터가 턱없이 부족하고, 수중에서 한계성을 가지는 지상 센서(카메라, 라이다 등)를 대체하여 소나를 활용하기 때문에 지상의 로봇의 알고리즘을 그대로 구현하기에 어려움이 따릅니다.


3. 현재 수중 해양로봇의 연구는 어느 정도의 수준이며, 극복해야 하는 문제는 어떤 것이 있을까요?

- 위에서 언급하였던 어려움 때문에, 지금까지의 해양로봇은 개방된 환경에서의 수중 환경을 극복하기 위한 플랫폼 기술 및 활용 가능한 센서 기술의 향상 연구가 지속적으로 진행되었습니다. 해저 지형 획득, 심해저 탐사, 기뢰 탐지 등 사람이 도달하지 못하는 영역에서의 과학적, 군사적 활용을 위한 로봇 연구가 꾸준하게 진행되었고, 그 결과 다양한 로봇 플랫폼(e.g., 많은 장비의 탑재 및 정지된 환경에서 운용이 가능한 호버링(Hovering Type) 잠수정과 장거리 탐색에 적합한 어뢰형(Torpedo Type) 잠수정 등) 및 음향을 이용한 인식/인지 센서(e.g., 스캐닝 소나, 음향측심기 등)가 개발되었으며 이를 활용한 알고리즘도 지속적으로 연구되었습니다.

최근에는 수중로봇의 고도화와 수중 인프라 증가에 따라 복잡한 수중환경에서의 로봇 운용 기술, 다수의 플랫폼을 활용한 로봇운용기술, 그리고 제가 현재 연구하고 있는 로봇-환경, 로봇-인간 상호작용 연구가 주목 받고 있습니다. 하지만 복잡한 수중환경에서의 음향기반 센서의 성능 저하 문제 및 대안의 센서 개발, 수중 환경을 고려한 자연/인공 환경 인식/인지 기술 개발, 다수의 수중 플랫폼 간 통신/제어방법, 해양로봇의 외란 추정 및 극복 방법, 원격/자율 매니퓰레이션 기술 등 해결해야 할 문제들이 많습니다.


4. 현재 연구의 장단기적 목표나 계획이 있으시다면?

- 최근 저의 연구목표는 수중에서 사람이 수행하기에 위험하고 힘든 작업을 수중로봇을 이용하여 진행하는 것입니다. 이를 위해서 다중센서 기반 작업환경인지 기술 및 상호작용을 위한 힘제어 기술을 연구하고 있습니다. 보다 자세하게는 수중 환경 특성상 FT(force-torque) 센서나 로드셀을 이용하기 어렵기 때문에 전류나 유량을 이용하여 임피던스 제어를 수행하는 연구를 진행하고 있으며, 이 기술을 바탕으로 사용자(마스터 디바이스)에게 햅틱 힘 피드백을 수행하거나 수중 구조물 조작을 용이하게 하고자 합니다. 이러한 환경-로봇 상호작용 기술이 수중에서 활용될 수 있다면 기존의 수중 자율로봇 기술과 함께 사람을 대체할 수 있는 수중로봇 개발에 더욱더 다가설 수 있을 것이라 기대하고 있습니다.


5. 현재 소속된 선박해양플랜트연구소 해양시스템연구본부에 대해서 소개를 부탁드립니다.

- 선박해양플랜트연구소는 1973년 설립되어 약 50여 년 동안 우리나라 선박·​해양·​플랜트 기술을 이끌어온 정부 출연연구소입니다. 그중에서 저희 해양시스템연구본부는 해양장비 시스템 및 로봇기술의 원천기술 개발, 응용 및 실용화를 목표로 다양한 원격무인잠수정(ROV), 자율무인잠수정(AUV) 및 관련 기술들을 개발하였습니다.


대표적으로는 세계 4번째 6,000m 급 원격무인잠수정 해미래(2007), 세계 최초 심해 광물 채집로봇 미내로(2009), 세계 최초 6,000m 급 6족 보행 로봇 크랩스터(2016)을 개발하였습니다.

최근에는 이러한 로봇 원천기술 및 통신 기술을 바탕으로 스마트 해양장비·로봇 기술 및 ICT 기반 디지털 융복합 기술 개발을 진행하고 있으며, 저도 이러한 선도연구의 일원으로서 함께 연구를 진행하고 있습니다.



6. 해양 로봇을 연구하게 된 계기가 있나요? 영향을 받은 연구자가 있다면? 또한 어떠한 영향을 받으셨는지 궁금합니다.

- 제가 처음으로 수중로봇에 대한 관심을 가지게 된 계기는 영화 타이타닉이었습니다. 군 복무시절, 미래에 대한 고민 중에 보았던 영화에서 침몰한 타이타닉호를 탐사하는 ROV을 보고 사람이 접근하기 어려운 해양을 탐사하는 로봇을 개발하고 싶다는 꿈을 가지게 되었습니다. 이러한 저에게 있어 서울과학기술대학교 김진현 교수님과 포항공과대학교 정완균 교수님은 저에게 많은 연구적인 영감과 방향을 제시해 주셨습니다.



김진현 교수님은 지금까지 연구하셨던 수중로봇에 대한 경험을 바탕으로 때로는 연구 멘토로서, 때로는 연구 동료로서 많은 연구적 도움을 주셨습니다. 특히 저의 연구주제인 전자기파 감쇠를 이용한 위치 추정 시스템 개발 시, 아이디어 및 시스템 구축에 많은 도움을 주셨습니다. 저의 석박사 과정 지도교수이셨던 정완균 교수님은 위치 추정시스템을 바탕으로 한 수중 장시간 자율 유영 기술 개발 및 정밀 위치 기반 수중 매니퓰레이터 제어 등 저의 수중로봇 연구주제를 바탕으로 다양한 어플리케이션 및 기존의 로봇기술과의 융합에 대한 조언 및 방향을 제시해 주셨습니다. 이러한 멘토 분들의 도움 덕분에 수중로봇에 대한 연구기반 및 새로운 수중로봇 연구를 진행할 수 있었습니다.



7. 연구활동을 하시면서 평소 느끼신 점 또는 자부심, 보람

- 수중로봇 분야가 플랫폼 개발이 필수적으로 필요하고, 활용 분야 대부분이 연구목적이나 방산기술, 해양플랜트 쪽이라 논문 등의 공개된 정보가 한정적이기 때문에 진입장벽이 높습니다. 아울러 험난한 수중환경에서 테스트하기 위해 적게는 일주일, 길게는 몇 달 동안 배를 타며 실험을 진행한 경우도 많습니다. 이처럼 수중로봇을 연구하면서 많은 시행착오와 플랫폼 파손 등의 좌절을 겪으면서 괜히 고생길만 훤한 수중로봇을 연구하는 것 아닌가 하는 후회도 많이 하였습니다. 하지만 고생해서 만든 수중로봇 플랫폼이 바다 환경에서 잘 운용되고, 개발한 알고리즘이 잘 적용되어 주어진 임무를 완수하는 모습을 보면 고생한 것의 갑절만큼 성취감을 느낍니다. 이런 건 모든 로봇 연구자들이 느끼는 보람이 아닐까 싶네요.





8. 이 분야로 진학하려는 후배들에게 조언을 해 주신다면?

- 수중로봇 연구자가 되고 싶은 분이시라면, 수중로봇 관련 도서 및 수중로봇 플랫폼들(keyword: AUV, ROV, Marine robot)를 찾아보시면서, 수중로봇의 어느 분야를 연구하고 싶으신지 생각해 보시길 권해드립니다. 수중로봇 개발에는 플랫폼부터 시작하여, 설계, 위치 추정, 인지, 인식, 제어, 임무설계, 수중통신, M&S, 매니퓰레이션 등의 다양한 연구분야가 있으며, 하나의 로봇 설계를 위해 필요로 하는 기술들도 다양하기 때문에 수중로봇 연구에 있어 내가 하고 싶은 분야를 파악하는 게 가장 중요합니다. 연구하고 싶은 분야를 정하셨다면, 수중로봇을 연구하시는 교수님 및 대학 연구실을 찾아보시고, 그 연구실이 수중로봇 연구 인프라(플랫폼, 센서)가 얼마나 구축되어 있는지 확인해 보실 것을 권합니다. 앞서 말씀드린 것과 같이 수중로봇을 연구하기 위해서는 다양한 연구기술이 필요하며, 더욱이 연구하고 싶은 분야가 알고리즘이라면, 수중환경에서 운용이 가능한 플랫폼 또는 알고리즘을 구현하기 위한 값비싼 센서 장비가 필요합니다. 이러한 연구 인프라가 구성된 연구실에서 함께 일할 수 있어야 자신의 원하는 연구를 수행할 수 있을 것입니다. 마지막으로, 다른 로봇 분야도 마찬가지겠지만, 나의 연구방향을 지도해 주실 수 있고, 연구를 함께 진행할 수 있는 교수님을 찾는 것이 중요하다고 생각합니다.


9. 다른 하시고 싶은 이야기들.

- 제가 연구를 진행하면서 가장 뼈저리게 느끼는 점은, 로봇(특히 수중로봇)은 혼자 연구할 수 분야가 아니라는 점입니다. 하나의 임무를 수행하기 위해서는 임무에 적합한 하드웨어 구성(플랫폼, 센서, 통신장비 등) 및 개별 알고리즘 설계 및 통합이 이루어져야 하고, 이를 검증하기 위한 실해역 실험을 필요로 합니다. 저는 좋은 동료들과 협업과 분업을 적절하게 진행한 덕분에 이러한 과정들을 원만하게 해결할 수 있었고, 그 결과 좋은 결과를 얻을 수 있었다고 생각합니다. 여러분들도 주변의 동료 연구원들과의 소통과 토론, 협력을 통하여 공동의 연구목표를 세우시고, 함께 해결함으로써 연구적 시너지를 얻기를 기원합니다.



*박대길 박사의 최근(대표) 논문

- Daegil Park, Kyeongmin Kwak, W.K. Chung and Jinhyun Kim, “Development of underwater range sensor using electromagnetic wave attenuation”, Oceanic engineering, 41(2): 318-325, April 2016.

- Kyeongmin Kwak, Daegil Park, W.K. Chung and Jinhyun Kim, “Underwater 3D Spatial Attenuation Characteristics of Electromagnetic Waves with Omnidirectional Antenna”, IEEE/ASME Transactions on Mechatronics (T-ME), 21(3): 1409-1419, June 2016.

- Daegil Park, Wan Kyun Chung and Jinhyun Kim, “Analysis of Electromagnetic Waves Attenuation for Underwater Localization in Structured Environments”, International Journal of Control, Automation and Systems, 18(3), March, 2020.

- Gun Rae Cho, Ji-Hong Li, Dae-Gil Park, Je Hyung Jung, “Robust Trajectory Tracking of Autonomous Underwater Vehicles using Back-Stepping Control and Time Delay Estimation”, Ocean Engineering, 201, April, 2020.

- Daegil Park, Yeongjun Lee, Kwangyik Jung, Hyeong-Joo Kang, Hyeonseung Ki, Jeong-Woo Lee, Young-Ho Choi, Ji-Hong Li, Hyun Myung, Hyun-Taek Choi and Jin-Ho Suh, “Autonomous Underwater Vehicle Navigation in Structured Environment”, IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), Madrid, Spain, October 2018.

- Daegil Park, Jaehoon Jung, Kyeongmin Kwak, Jinhyun Kim and W.K. Chung, “Received Signal Strength of Electromagnetic Waves Aided Integrated Inertial Navigation System for Underwater Vehicle”, IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), Madrid, Spain, October 2018.

- Daegil Park, Kyeongmin Kwak, Jinhyun Kim and W.K. Chung, “3D Underwater Localization Scheme using EM Wave Attenuation with a Depth Sensor”, IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), Stockholm, Sweden, May 2016.

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|2022.03.04
관심있는 분야인데 좋은 연구 잘 보았습니다. 도움이 많이 되었습니다.

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