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Nikkei Robotics_2017.1 Cool Topic (p28~29)

수심 100m에서 가동하는 인간형 수중 로봇
미국 스탠퍼드 대학이 개발, 햅틱스 디바이스로 조작

미국 스탠퍼드 대학의 로봇 공학 연구실(Robotics Lab)이 개발한 인간형 수중 로봇「오션 원(Ocean One)」. 이 로봇은 2016년 4월 15일, 프랑스 툴롱(Toulon)시에서 20마일(약 32km) 떨어진 앞바다, 수심 100m의 해저에 있는 17세기의 침몰함의 잔해에서, 유물인 둔기의 회수에 성공했다.

오션 원의 개발을 지휘한 것은, 스탠퍼드 대학 교수로 로봇 공학 연구실의 책임자인 카티브(Oussama Khakib) 씨이다. 로봇 암(팔)의 힘을 제어하는 것에 관한 이론「Operational Space Control」의 고안한 것으로 알려진 카티브 씨는, “기존의 로봇은 공장의 생산라인에서 가동하는 것에 한정되었지만, 앞으로의 로봇은 그것 이외의 다양한 환경, 특히 사람이 들어갈 수 없는 위험한 환경에서 활약할 수 있게 된다. 100m의 해저는 그에 대한 첫걸음이다.” 라고 말한다. 카티브 씨와의 취재를 토대로, 오션 원의 실태와 개발경위를 알아본다.

카티브 씨의 연구팀이 2012년부터 개발해 온 오션 원은, 2개의 로봇 암을 갖춘 전장 5피트(약 1.5m)의 인간형 수중 로봇이다. 로봇의 진행방향과 로봇 암의 움직임은, 오퍼레이터가 선상에서 원격 조작한다. 사람의 잠수부가 맨몸으로 잠수하는 것이 어렵고, 수심 100m를 넘는 심해에서의 가동을 상정하고 있다.

“잠수부가 수심 100m까지 잠수하는 경우, 수압에 견디는 구조를 갖춘 잠수 수트를 착용할 필요가 있다. 하지만 잠수 수트를 입은 상태로는, 자유로이 팔을 움직이는 것이 불가능하다. 사람이 활동할 수 없는 심해에서, 사람과 같이 팔을 사용하여 물체를 옮기거나, 해중의 파이프 등을 수리하거나 하는 것이 오션 원의 목적이다.” (카티브 씨)

-- 메카 로보틱스의 암(팔) 탑재 --
오션 원이 탑재하는 7자유도의 多관절 로봇 암은, 모든 축에 토크 센서를 탑재한다. 개발사는 구글이 2013년에 인수한 미국의 메카 로보틱스(Meka Robotics)이다. 메카 로보틱스는 MIT의 연구자였던 Aaron Edsinger씨와 Jeff Weber씨가 2006년에 창업한 스타트업 기업으로, 오션 원의 개발을 개시한 시점에는, 연구 기관용의 로봇 암을 판매하고 있었다.

로봇 암의 끝 부분에는 각각 힘줄에 의한 열구동형 로봇 핸드가 있고, 4개의 손가락에 의해, 다양한 형상의 물체를 쥘 수 있다. 열구동형이란, 자유도보다 구동장치의 수가 적은 것을 말한다.

오션 원의 머리 부분에는 로봇 주위의 3차원형상을 파악하는 스테레오 카메라를 탑재한다. 머리 부분의 장치는 2자유도를 가지고 있고, 카메라의 촬영 방향을 조정할 수 있다. 오퍼레이터는 머리 부분의 카메라가 촬영한 화면을 보면서 오션 원을 조작한다.

수중에서의 항행에는, 8개의 추진기를 사용한다. 초음파를 활용하여 자기의 속도를 측정한다.「도플러 로그(Doppler log)」를 본체 부분에 탑재하고 있고, 로봇 암을 안정적으로 가동하는 자세를 계속 유지한다. 조작용의 PC와 전지 등은, 본체 등 부분에 있는 통 모양의 케이스 안에 내장하고 있다.

-- 촉각 디바이스로 조작 --
오션 원의 로봇 암은, Operational Space Control를 채용하고 있다. 카티브 씨가 고안한 것은, 로봇 암의 끝 부분에 가해지는 힘과, 로봇 암의 물리적인 제약을 근거로, 각 관절의 토크를 도출하는 야코비 행렬식(Jacobian matrix)이다. 이것을 사용하면, 로봇 암의 끝 부분에 가해지는 힘을 결정하는 것 만으로, 로봇 암 전체를 컨트롤 할 수 있게 된다.

오퍼레이터는 카티브 씨의 팀이 개발한「햅틱스(촉각, Haptics) 디바이스」를 사용하고, 로봇 암 끝 부분에 가해지는 힘을 입력한다. 햅틱스 디바이스는, 오션 원의 로봇 암이 탑재한 토크 센서가 계측한 힘을, 디바이스가 탑재한 모터와 스프링, 브레이크 등을 통해 유저에게 알려준다. 유저는 로봇 암에 가해지는 힘을 느끼면서, 햅틱스 디바이스의 암에 힘을 더한다. 그리 하는 것으로 로봇 암을, 오퍼레이터의 생각대로 컨트롤 할 수 있다.
햅틱스 디바이스의 끝 부분에는, 로봇 핸드(손)를 컨트롤하는 그립도 갖추고 있다. 오퍼레이터는 로봇 핸드에 의한 쥐는 힘을, 이 그립을 통해 컨트롤 한다.

“로봇 암의 프로그래밍에는, 상당히 많은 공수가 들어간다. 하지만 햅틱스 디바이스를 사용하여 사람이 로봇 암을 원격 조작한다면, 프로그래밍 할 필요는 없다. 햅틱스 디바이스는, 사람이 로봇을 도와주는 도구이기도 하다.” 라고 카티브 씨는 지적한다. 오션 원은, 해류 등의 영향으로 인해 본체의 대상물이 가동하고 있는 상황에서도, 용이하게 물체를 잡을 수 있다. 본체와 대상물의 움직임에 반응하고, 사람의 오퍼레이터가 햅틱스 디바이스의 암을 미세하게 조정하면 되기 때문이다.

오션 원은 원래, 스탠퍼드 대학과 사우디아라비아의 King Abdullab University of Science and Technology(KAUST)과의 공동 연구에서, 홍해의 깊은 수역에 있는 산호초 조사에 사용할 예정이었다. 하지만, KAUST와의 공동 연구 기간이 끝나고, 프랑스 문화통신성의 DRASSM(Le Departement des recherches archeologiques subaquatiques et sous-marines, 수중고고학과 잠수반의 연구부문)와 제휴를 맺었다. 조사 대상도 홍해의 산호초에서, 툴롱시 앞바다의 1664년에 침몰한 루이 14세의 기함「La Lune」로 변경했다.

카티브 씨는, “햅틱스 디바이스로 조작하는 로봇은, 광산의 터널과 고도가 높은 장소에 있는 기상관측소, 사고를 일으킨 원자력 발전소 등, 사람이 들어가기에는 위험한 장소에서 활약이 예상된다.”라고 주장하고 있다.

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