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계측과 제어_Vol.60 No.4 총론 (p248-249)

무인시스템에 요구되는 ‘강건함’
키워드: 무인시스템, 내환경, 내고장, 강건함(Robustness)
도쿄공업대학 공학원 나카니시 히로키(中西 洋喜) 교수

1. 머리말
최근에 사람을 대신해 다양한 필드에서 작업을 수행하는 무인시스템의 약진이 눈부시다. 우주∙심해∙화산과 같은 혹독한 자연환경을 비롯해 재해지역이나 각종 플랜트와 같은 위험 환경 등 기계시스템에 가혹한 필드까지 그 활약의 영역을 넓히고 있다. 이러한 배경에는 혹독한 환경에 견디고, 오동작을 방지하기 위한 시스템의 ‘강건함’을 향상시키는 기술의 발전이 큰 역할을 담당하고 있다.

여기서 말하는 ‘강건함’이란 제어의 ‘강건성(Robustness)’뿐 아니라 기구나 운용법까지 포함한 ‘살아남아 목적을 달성하는 능력’을 목표한다. 본 특집에서는 ‘강건한’ 시스템을 실현하기 위한 신뢰성 확보 기술, 설계 전략, 운용법, 요소 기술에 관해, 각 방면의 개발 최전선에서 활약하고 있는 분들의 의견을 들었다.

2. 무인시스템의 ‘강건함’이란?
제어공학 세계에서는 예전부터 ‘강건성’(Robustness)이라는 개념이 있었다. 일반적으로는 ‘제어 대상의 모델화 오차나 미지의 외란(Unknown Disturbance) 등의 불확정 요소의 존재에 맞서 희망하는 제어 성능을 유지할 수 있는 것’이라고 정의한다. 이를 무인시스템으로 대체해 보면 ‘시스템이 놓인 환경에서의 방해에 맞서서 부과된 동작 목적(미션)을 확실하게 달성할 수 있는 것’이라고 표현할 수 있을 것이다.

바꿔 말하면 ‘모든 상황에서 제어계, 구조계, 전기계, 통신계, 시스템을 구성하는 모든 요소가 각각 깨지는 일 없이, 또한 그 연동이 깨지지 않는 것’이다. 이를 필자는 시스템의 ‘강건함’이라고 표현하고 싶다. 시스템을 블록 다이아그램으로 표시한다면, 제어 강건성은 방해 요소나 모델 오차의 블록에서 초래되는 입력에 대해 제어가 깨지지 않는 것이다. ‘강건함’은 각 블록 및 그것들을 접속하는 신호선 그 자체가 깨지지 않는 것도 포함하고 있다.

3. 무인시스템의 활동 필드와 ‘강건함’에 대한 요구
지금까지도 무인시스템은 산업용 로봇으로 대표되는 것처럼 다양한 장면에서 실용화되고, 사람의 부담 경감, 작업 효율 향상에 도움이 되고 있다. 물론 이들 시스템에 대해서도 상기의 ‘강건함’이 요구되지만, 이것은 시스템이 활동하는 환경 자체도 같이 구축함으로써 충족됐었다.

산업용 로봇이라면 환경 관리된 공장 안의 정해진 장소에 고정되어, 정해진 범위 내에 있는 정해진 대상에 작업을 시행함으로써 시스템 블록의 파탄 요인을 최소한으로 억제했다. 그리고 정기적인 메인터넌스에 의해 내구성도 보장되고 있다. 또한 고장이 발생했을 때도 바로 동작을 정지시키고 수리함으로써 보다 안전하게 복귀시키는 것이 가능해졌다.

그러나 무인시스템의 목적은 사람을 대신해서 ‘사람이 하고 싶지 않는 일’ ‘사람이 할 수 없는 일’을 하는 것인 이상, 기대되는 활동 필드에 상기와 같은 주위 환경이나 수리 서비스 구축이 가능하다고만은 할 수 없다. 이 경우에 무인시스템은 ‘강건함’에 대한 요구를 자체 시스템 내에서 담보할 필요가 있다.

본 특집에서 다루는 필드는 모두 기계시스템에 대해 혹독한 환경이다. 우주의 경우, 발사할 때의 심한 진동이나 고진공, 고온, 저온, 방사선과 같은 다양한 요인이 기체의 구조나 재료, 반도체에 피해를 끼친다. 또한 한번 발사한 후에는 고장이 발생해도 기본적으로 수리는 불가능하다. 해양의 경우, 해상에서는 심한 파도나 바람에 의한 전복이나 구조 파괴를 방지할 필요가 있다. 심해에서는 극히 높은 수압에 의한 구조 파괴 방지 외에 빛이나 전파가 닿지 않는 속에서의 통신이나 감시가 요구된다.

화재 현장의 경우는 화염에 의한 고열로부터 구조∙센서류를 보호할 필요가 있다. 화학 플랜트 등 인화성 가스 환경에서는 무인시스템의 전기 부품이 발화원이 되기 때문에 방폭 설계가 필수가 된다. 원자력발전소 사고 현장이나 원자로 내부 탐사에서는 매우 높은 레벨의 방사선이 반도체의 파손이나 오동작을 일으킨다.

또한 모든 필드의 무인시스템에서 공통 과제는 ‘전원’ ‘통신’ ‘액추에이터’의 건전성이다. 현대의 무인시스템에서 전기가 사용되지 않는 것은 전무하다고 할 수 있다. 즉 전원의 상실은 시스템의 상실과 직결된다. 마찬가지로 무인시스템은 ‘무인’이기 때문에 조작∙감시에는 원격 통신이 필수다. 또한 이동 및 물리작업을 실시할 경우, 그 동작은 액추에이터가 발생시키는 것이다. 이 3개의 요소 기술은 ‘강건함’의 근간 기술이라고 할 수 있다.

4. ‘강건함’에 대한 어프로치
상기의 혹독한 환경에 대해 ‘강건함’을 담보하기 위해 다양한 어프로치가 이루어지고 있다. 상세한 내용에 대해서는 본 특집의 각 기사를 참조하면 된다. 본 특집은 크게 몇 개의 타입으로 나눌 수 있다. 우선, 환경으로부터 영향을 받지 않는 것을 목표하는 물리적인 강화다. 예로서는 구조의 강성 향상이나 전기∙전자회로를 보호하는 방호재의 추가 등을 들 수 있다.

다음으로 리던던시(Redundancy)에 의한 신뢰성의 향상이다. 이것은 크리티컬한 시스템 요소를 과다하게 갖춰서, 만약 하나의 요소가 고장 나도 계속 동작시킬 수 있는 어프로치로, 물리적인 강화가 어려운 요소나 강화에 따른 중량 증가 등을 피하고 싶은 경우 등에 이용된다. 또한 운용법을 연구함으로써 시스템에 대한 환경의 영향을 완화하는 등의 어프로치도 유효하다. 본 특집에서 다루고 있는 모든 시스템에서도 이들을 교묘하게 융합해 ‘강건함’을 확보하고 있다.

5. 본 특집에 대해
본 특집은 2부로 구성되어 있다. 필드 별 무인시스템 기술과 그것들의 공통 기반이 되는 요소 기술이라는 2개의 섹션으로 구성되어 있다.

▶ 제1부 다양한 필드의 ‘강건한’ 무인시스템
「무인시스템으로서의 인공위성」에서는 우주항공연구개발기구(JAXA)의 노다(野田) 씨가, 우주 공간에서 장기간 운용되는 인공위성에 대해 지금까지의 많은 지식에 근거해서 설계 개발이나 시험의 필로소피에 대해 해석했다.

마찬가지로 우주의 무인시스템으로서 도쿄대학의 나카스카(中須賀) 교수는 「’적당한 신뢰성’을 베이스로 한 생존 가능성을 높이는 초소형 위성 설계의 실제」에서, 현재 급속하게 보급되고 있는 초소형 위성의 이점인 저비용∙단기간 개발을 최대한으로 살리는 최적의 ‘강건함’을 담보하는 설계 방법에 대해 해설했다.

「Marine Robotics」에서는 Yanmar Holdings의 스기우라(杉浦) 씨가, 파도∙풍우 환경이 크게 변동하는 해상에서, 특히 그 영향을 받기 쉬운 소형 무인운행선의 안전하고 안정적인 장시간 항행 기술에 대해 해설했다.

「혹독한 해양 환경에 도전하는 모선 없는 해저관측 로봇시스템」에서는 해양연구개발기구(JAMSTEC)의 오오키(大木) 씨가, 지원하는 모선을 필요로 하지 않는 무인 해저 맵핑을 실현하는 ‘모선 없는 해저관측 시스템’에 대해, 혹독한 실제 해역 환경에서 운용할 때의 지식도 고려해 해설했다.

「소방대원이 대응하지 못하는 활동을 위한 소방 로봇 시스템」에서는 미쓰비시중공업의 다무라(田村) 씨가, 현재 실증 준비 중인 소방 로봇 시스템에 대해, 석유 탱크 화재 등의 심한 화재에서 안전한 방화 활동을 실현하기 위한 설계 사상, 내환경 기술, 운용 방법 등에 대해 해석했다.

「인화성 가스 환경에서 사람을 대신해 정보 수집이나 작업을 하는 무인 모빌리티의 방폭 설계」에서는 미쓰비시중공업의 오니시(大西) 씨가, 인화성 가스 환경에서 활동하는 무인 모빌리티에 대해 ‘방폭’을 달성하기 위한 다양한 방법이나 소형 경량의 시스템에서 달성하기 위한 설계 전략 등에 대해 실례를 섞어 해설했다.

「가혹 환경 대응 로봇 기술 개발과 실기 적용」에서는 Hitachi-GE Nuclear Energy의 오카다(岡田) 씨가, 원자로 격납 용기 내부 조사나 연료 데브리를 추출하는 로봇에 대해, 방사선을 비롯한 원자로의 환경에 대응하기 위한 각종 기술 및 운용 실적에 대해 해설했다.

▶ 제2부 ‘강건함’을 만들어내는 요소 기술
「드론용 전원시스템의 개발∙제품화와 향후 전망」에서는 맥셀(Maxell)의 히구치(樋口) 씨가, 배터리의 발화 위험을 억제하면서 고성능화를 실현하기 위한 사고방식이나 충전기나 기체와의 연계도 포함한 전원시스템의 설계∙운용 방법에 대해 해설했다.

「시각 외 비행을 하는 드론을 운용하기 위한 자영형 Command∙Telemetry 통신기술의 개발」에서는 정보통신연구기구(NICT)의 미우라(三浦) 씨가, 드론이나 로봇의 시각 외 Command∙Telemetry 통신을 실현하기 위한 멀티홉 중계를 이용한 저비용으로 재해에 강한 장거리 통신기술에 대해 해석했다.

「’강한 로봇’을 실현하는 유압 기술」에서는 도쿄공업대학의 스즈모리(鈴森) 교수가, 유압을 베이스로 해서 대출력, 내충격성, 내환경성을 갖는 액추에이터에 대해, 그 기술 동향에서 최신 유압 파워 소프트 로봇의 연구개발까지 다양한 시점에서 해설했다.

6. 맺음말
본 특집에서는 혹독한 환경을 극복하고, 그 능력을 계속 발휘하기 위한 시스템의 ‘강건함’에 대한 지식을 결집했다. 독자 여러분의 향후 제조에 조금이라도 도움이 된다면 다행이다. 마지막으로 집필을 맡아 주신 모든 분들께 감사드린다.

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