기계/조선

계측과 제어_Vol.60 2021.9 특집 (647~652)

특집
포스트 코로나의 미래 사회를 향한 과학 기술
사회적 거리와 모빌리티∙로보틱스∙IoT

1. 머리말

최근 1년간의 코로나19 사태에서는 회의 및 강의 등 다양한 것을 원격으로 시행하는 습관이 사회 전체에 급속도로 확산되었다. 반대로 말하면, 이는 어느 일정한 목적을 위해서는 충분할 정도로 정보통신 기술의 발전 및 사회적 침투가 이미 이뤄지고 있다는 증거이기도 하며, 코로나 사태가 20년 전이나, 10년 전에 확산되었을 경우, 동일한 대응이 가능했을 지는 확실하지 않다. 한편, 코로나 사태가 확산된 지 1년이 지난 지금, 긴급사태 선언이 발령되었던 지역에서도 실제로 사무실에 출근해 근무하는 인원 수는 거의 달라지지 않은 상황이며, 대면 업무가 요구되는 일이 아직도 많이 존재한다는 것을 알 수 있다. 언제 어떠한 경우에도 사회적 거리를 확보하는 것이 인류의 행복과 직결된다고 생각하지는 않지만, 필요에 따라서는 그러한 대응을 가능하게 하는 것이야말로 위드 코로나/포스트 코로나 시대의 사회가 요구하는 것이며, 이에 부응하는 것이 이 분야 엔지니어들의 책무라고 생각한다.

이번 테마인 ‘모빌리티·로보틱스·IoT’는 그 핵심 요소(Key enabler)라고 할 수 있다. 이 글에서는 머리글(하야시(林) 씨)에 이어, 정보통신의 입장에서 지금까지 통신에서 거의 이용되지 않았던 밀리파를 활용한 자율주행에 대한 내용(사카구치(坂口) 씨)과, 기지국 등의 인프라에 의존하지 않는 단말기 간의 통신에 관한 최신 정보(이(李) 씨), 제어하는 입장에서 포스트 코로나 사회에 큰 기대가 모아지고 있는 원격 수술 로봇에 관한 내용(가와시마(川嶋))과, 더 많은 업종의 텔레워크를 가능하게 하는 원격 작업용 로봇에 관한 내용(엔도(遠藤) 및 사람을 구성 요소로서 모델에 포함시킨 사람·로봇 협조 제어계(系)에 관한 내용(하타나카(畑中))을 각각 설명하겠다.

2. 5G가 실현하는 자율주행의 세계

2.1 5G/6G의 동향과 V2X의 진화
제5세대 셀룰러 시스템(5G)이 2020년에 마침내 일본에서 상용화되었다. 5G의 특징은 밀리파를 활용함으로써 4G에 비해 약 100배의 초고속 전송, 약 10분의 1의 저지연 통신, 그리고 약 100배의 동시 다수 접속을 실현하는 것이다. 3G와 4G로 스마트폰이라는 거대한 서비스 플랫폼이 창출되었으나, 5G, 그리고 그 후속인 6G에서는 스마트폰만을 타깃으로 삼는 것이 아니라, 사이버 공간과 피지컬 공간을 5G/6G로 융합하는 초스마트 사회(Super Smart Society)를 타깃으로 하고 있다. 이 초스마트 사회의 전형적인 사례로서 자율주행차가 활약하는 스마트 모빌리티를 들 수 있다.

스마트 모빌리티에 대해 5G가 제공하는 서비스는 안전성 향상과 인터넷 접속이라는 2 종류가 있다. 특히 안전성 향상에 대해서는 5G의 초고속·저지연의 차량/사물 간의 통신(V2X, Vehicle to everything))이 필수이다.

2.2 밀리파 5G를 이용한 스마트 모빌리티 교육 연구 분야
현재, 5G를 활용한 자율주행 및 차세대 ITS(지능형 교통시스템)의 실증실혐이 다양한 기관 및 프로젝트에서 실시되고 있다. 이 글에서는 도쿄공업대학 내에 구축된 스마트 모빌리티 교육연구 분야를 소개하겠다. 본 분야는 도쿄공업대학이 중심이 되어 2018년에 설립된 초(超) 스마트사회 추진 컨소시엄이 2020년에 오오카야마(大岡山)캠퍼스에 구축한 스마트 모빌리티에 관한 오픈 이노베이션 플랫폼이다.

3. 단말기 간의 통신과 그 이용 및 활용

5G로 대표되는 무선 이동 네트워크의 진화가 거듭되고 있는 반면, IEEE 8002.11 및 IEEE 802.15, 그리고 LPWA(Low Power Wide Area) 등의 무선 시스템도 보급되고 있는 것처럼, SDGs (Sustainable Development Goals) 사회의 실현을 향해, 무선통신 기술의 이용은 다양성에 기반을 둔 적재 적소가 중요하다.

여기서 말하는 단말기 간의 통신은 기존의 무선통신에서 필요로 하는 중앙 제어 장치를 이용하지 않고 단말기 간에 자율적으로 직접 통신하는 것을 가리킨다. 3GPP Release 16에 포함되어 있는 LTE-V2X PC5 Model-4 및 국제표준규격 IEEE Std 802.15.8의 Peer Aware Communications가 이에 해당된다. 단말기 간에 직접 통신하기 때문에 설치 및 유지 비용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 통신 범위 안의 단말기 간에 바로 통신이 가능하다. 또한 단말기가 자율분산 제어를 시행하기 때문에 에드혹 네트워크의 토폴로지(Topology)를 형성하기 쉬우며, 개별 단말기의 고장에 기인하는 네트워크의 장해에 대해 레질리언스(회복탄력성)를 갖는 특성이 있다. 이와 같은 특성을 활용하여 이동통신용 무선 주파수 이용 효율의 향상 및 재해 시의 단말기 간의 에드혹 네트워크의 신속한 확립 등에 기여할 수 있다.

4. 원격 수술 로봇

감염병 대책으로서 원격 조작 시스템에 대한 기대가 높아지고 있다. 지금까지 원격 상담, 원격 병리 진단 및 원격 화상 진단 등이 시행되고 있으나, 앞으로는 진단뿐만 아니라 치료에서의 원격 조작 시스템의 활용이 기대되고 있다.

4.1 수술 지원 로봇
최근, 수술을 지원하는 다양한 로봇이 실용화되고 있다. 그 대표적인 예로, 저침습의 외과 수술을 지원하는 로봇을 들 수 있다. 해당 로봇은 수술자가 조작하는 마스터 콘솔과 그 조작에 따라 환자의 체내에서 동작하는 보조 로봇으로 구성된다. 2001년에는 전용 광 회선을 설치해 뉴욕의 집도의가 프랑스의 환자에게 원격 수술을 실시한 사례가 보고되고 있으나, 통신의 안전성 확보 및 법적 정비의 문제 등으로 현재는 원격 수술이 시행되지 않고 있다.

그러나, 통신 기술의 발전과 최근의 감염병 대책으로 원격 치료에 대한 기대가 높아지고 있다. 국내에서는 일본의료개발연구기구(AMED)의 고도 원격 의료 네트워크의 연구사업에 있어서 원격 수술의 실증실험 연구가 작년 7월부터 시작되고 있다. 해당 사업은 일본외과학회가 주도하여 원격 수술 실증연구와 가이드라인 책정이 주된 목적이다. 필자는 대학발 벤처에 있어서 원격 조작이 가능한 수술 지원 로봇을 연구 개발 하고 있으며, 해당 사업을 기획하고 있다.

4.2 수술의 부분 자동화를 위한 AI 활용
최근 연구 개발의 동향으로 일부 수술의 자동화를 들 수 있다. 자동차에 있어서 자율주행이 화제가 되는 경우가 많으나, 수술 지원 로봇에서도 이와 같은 흐름이 있다. 그러나, 사람 몸은 개인별로 차이가 크기 때문에 완전한 자동화는 쉽지 않다. 현실적인 시나리오로서 수술 중의 일부 단순한 수술의 자동화를 생각할 수 있다. 필자는 원격 조작하는 로봇과 자율적으로 동작하는 로봇의 연계를 통한 봉합 작업의 부분 자동화 연구를 실시하고 있다. 부분 자동화에 있어서는 작업 일정을 실시간으로 식별할 필요가 있다. 봉합 바늘의 검출에 물체 검출 알고리즘을 이용해 봉합 작업의 부분 자동화에 필요한 비관통, 관통 및 인발(引拔)이라는 3가지 상태 추정에 심층학습을 이용했다.

시스템은 마스터의 동작에 따르는 펠로우의 로봇 수술용집게(겸자)와 자율 동작하는 로봇 겸자로 구성되었다. 봉합 실을 장기 모형에 바늘 꽂기를 하여 바늘이 장기 모형을 관통하면 인공지능이 그것을 판단하여 자율로 동작하는 로봇 겸자에 명령이 전송되어, 자동적으로 바늘을 빼내는 동작을 실시한다. 그 후에 조작자가 마스터를 조작해 바늘을 다시 한번 잡는다. 그 일련의 동작을 반복함으로써 연속 봉합이 실현된다. 통상적으로는 바늘이 관통 후에 왼손으로 로봇 겸자를 조작하여 빼내지만, 3D 화상을 보고 있어도 깊이를 알기 힘들어 바늘을 놓치는 경우가 있다. 제안하는 반자율적인 제어 방법을 통해 바늘을 빼는데 필요한 시간을 무려 15%나 단축시킬 수 있다는 것을 확인했다.

5. 원격 작업용 로봇

우주 및 재해 현장과 같은 위험을 동반한 극한 환경에 있어서 사람을 대신해 작업을 시행하는 원격 작업용 로봇의 연구 개발이 시행되어 왔으나, 특히 포스트 코로나 사회에서 보다 광범위한 작업으로의 활용에 대한 기대가 높아지고 있다. 여기서는 후쿠시마(福島) 제1 원자력 발전소의 폐로 작업을 상정하여 개발한 초(超)장척(長尺) 다관절 매니퓨레이터(조작자), 식품용 로봇암 핸드 시스템의 사례를 소개하면서 앞으로의 전망에 대해 설명하겠다.

5.1 폐로용 초장척 다관절 매니퓨레이터
후쿠시마 제1 원자력발전소(제1원전)의 폐로 작업에서는 연료 데브리(잔해)의 추출이 커다란 과제가 되고 있으나, 그 분포와 성상 또한 불분명해, 원자로 격납 용기(PCV)의 내부 조사가 시급하다. PCV는 직경 20m의 공 모양을 하고 있으며 내부로의 접속 구멍의 직경은 0.5m 정도이다. 이 작은 구멍으로 진입해 최대 10kg의 조사기기를 가능하게 하는 것을 목적으로 용처럼 가늘고 길며 휘어질 수 있는 초장척 다관절 매니퓨레이터인 ‘Super Dragon’을 개발했다. 외팔보의 구조는 기부(基部)의 회전 관절에 중력에 의한 방대한 자중(自重) 토크(회전력)가 작용한다. 본 매니퓨레이터로는 관절을 고강도 화학 섬유 로프로 길항(拮抗) 작용하는 구성으로 하여, 이 자중 회전을 복수의 로프로 분담하여 지지해 주는 간섭 작동 기구를 채택했다. 이것으로 중량물인 액추에이터를 기부(基部)에 집중적으로 배치하는 것이 가능해 져, 자중 회전을 저감할 수 있다. 또한 방사선에 약한 액추에이터나 그 제어계를 PCV 이외에 설치 가능하기 때문에 내(耐)방사선성을 높일 수 있다는 이점이 있다.

5.2 식품용 로봇암 핸드 시스템
식품 가공의 현장은 노동 집약형으로, 많은 사람들의 수작업이 필요하다. 도시락을 담는 작업을 상정한 식품용 로봇암 핸드 시스템이 있으며, ‘쓴모리(ツンモリ) 핸드’라고 이름을 붙인 파지부(把持部)는 무말랭이나 톳 등 선처럼 생긴 모양의 식품 파지(손으로 쥠)가 가능하다. 여섯 개의 손가락을 같이 개폐하여 식품이 중앙부로 모이도록 파지 동작을 하면서, 상하 수직으로 움직이는 누름판으로 파지한 식품을 담을 수 있다. 단순한 기구이지만, 기존의 손가락 2개를 장착한 로봇 핸드나 흡착 패드로는 파지가 어려운 식품을 집어 올릴 수 있을 뿐만 아니라, 원뿔 모양처럼 보기 좋게 담을 수 있다는 특징이 있다.  

5.3 향후 전망
편의점의 도시락 등은 대소비 지역의 근교에서 생산할 필요가 있으나, 단순하고 서서 하는 작업인 것과, 작업 환경이 덥거나 춥거나 하는 등 쾌적하지 못하다는 이유로 만성적인 일손 부족에 시달리고 있다. 만약 방 하나를 사이에 두고서라도 로봇을 원격 조작하여 작업할 수 있다면 충분한 가치가 있다. 그 이유는 사람이 의자에 않은 자세로 쾌적한 공간에서 작업을 할 수 있기 때문이다. 뿐만 아니라, VR 기술에 의한 시각·역학 정보의 전송 및 로봇의 원격 제어가 고속 통신으로 실현될 경우, 주거 장소와 상관없이 지방이나 해외에서도 로봇에 로그인하여 작업할 수 있을 지도 모른다.

코로나19 사태로 화이트 컬러(사무직)의 재택근무는 급속하게 보급된 반면, 물리적인 노동 자체가 가치가 있는 엣센셜 워커(필수 노동자)에게는 그것이 어렵다는 것이 밝혀졌다. 따라서, 물리적인 작업이 가능한 실용적인 원격 제어용 로봇의 중요성이 나날이 높아지고 있다.

6. CPHS와 루프 속의 인간

이번 코로나 사태로 인해 다양한 ‘텔레(tele)’가 일반 사회에 알려지게 되었다. 가장 유명해 진 것이 ‘텔레’워크일 것이다.

텔레워크를 뒷받침하는 기술은 텔레프레전스, 텔레오퍼레이션, 텔레포테이션 등, 기능에 따라 세부적으로 나눠져 있다. 여기서 주목해야 할 것은 이들 모두 사람이 그 안에 포함된 시스템이라는 점이다.

6.1 Cyber-Physical & Human System (CPHS)
CPHS가 대상으로 하는 시스템은 상당히 포괄적이며, 인간이 맡은 역할도 다양하다. 헬스케어·재활 분야에서는 인간을 공학 시스템과 공생하는 주체로 보고 있으며, 로보틱스 및 자동차·항공기 제어, 화학 브랜드에서는 인간이 공학 시스템의 수퍼바이저나 오퍼레이터의 역할을 담당한다. 또한 수요반응(Demand response)이나 교통 시스템에서는 인간 집단이 제어해야 하는 대상이 되기도 하며, 빌딩이나 가정의 에너지 관리에서는 인간이 시스템에 목적을 제공한다. 이처럼 다양한 역할을 하는 인간의 수리 모델은 물론 존재하지 않는다. 문과계 분야와의 협동을 통해 인간의 수리 모델 구축을 목표로 하는 것이 필요하다고 본다.

보편적인 인간 모델의 구축은 향후의 과제이기도 하지만, 그것을 구축하기 위해서는 과거에 제안되었던 인간 모델을 살펴 볼 필요가 있다.

6.2 인간·로봇의 협조 제어계(系)에 있어서의 인간 모델
최근에는 뉴럴 네트워크 및 가우스 과정 회귀라는 기계학습을 기반으로 하는 인간 모델을 구축해, 제어계 설계에 도입한 연구가 다수 보고되고 있다. 그리고 Markov Decision Process를 기반으로 하여 인간 모델을 가정한 연구도 활발하다. 또한 자신 과잉 및 핫 핸드 현상(hot hand phenomenon) 등 행동 경제학의 지견을 융합하려는 연구도 보고되기 시작해 앞으로의 귀추가 주목된다.

지금의 코로나 사태로 인해 보다 높은 자율성 차원의 실현이 요구될 것은 당연하다. 인력으로 실시해 온 작업에 자율 제어가 도입되거나, 과거보다 높은 레벨의 역할을 인간에게 기대할 때 연구자와 기술자에게는 새로운 인간 모델의 구축이 요구될 것이다.

 -- 끝 --