로봇이 가장 ‘로봇’다울 수 있는 기술 ‘이동(移動)’

‘아직도 갈 길이 멀었다’는, ‘형태만 있을 뿐 알맹이가 없다’는 로봇기술이지만 지난 시간 우리가 만났던 로봇들은 조금은 실망스러웠어도 상상하는 만큼의 움직임을 보여주었고, 그만큼 로봇 플랫폼은 다양한 분야에서 관심의 대상이 되었다.

그나마 우리에게 로봇이라는 인식을 갖게 한 기술인 ‘이동(移動)’은 일반적으로 떠올리는 로봇의 가장 큰 특징으로, 로봇이 로봇다울 수 있는 기능 중 단연 첫 번째로 꼽힌다.

또한 이 같은 ‘이동로봇’은 눈과 같은 감지 기능과 컴퓨터 따위의 판단 기능을 가지고 있어서 스스로 돌아다닐 수 있는 로봇을 일컫는데, 현재는 주로 무인수송 차량으로 적용하고 있고, 유도 케이블을 깔아 그 전류를 감지하는 방식과 반사 테이프의 반사광을 감지하는 방식 등이 사용되고 있다.
그러나 초기 산업용 로봇은 중량이 무거웠던 만큼 로봇 자체적으로 이동시스템이 구축되어 움직이기 보다는 레일 위를 이동하는 형태였으며, 이러한 방법은 지금의 공장 현장에서도 찾아볼 수 있다.

그 후 로봇 자체에 이동성을 부여하기 위해 여러 가지 방안이 모색되어 지금과 같은 플랫폼이 나오게 되었고, 기술의 발전으로 더욱 다양한 형태의 로봇이동 시스템이 소개되고 있다.

·Mobile Mechanism

로봇의 이동을 위한 방법으로는 주로 바퀴, 트랙 등이 사용되었는데, 이것은 평지에서는 효과적인 방법이나 계단처럼 불안정한 지역에서는 불편한 점이 많다.
 
또, 이러한 점을 보완하는 보행로봇의 경우는 인간의 생활환경에서는 유용한 면이 많지만 기술과 경제적인 이유로 연구가 제한적이다.

이처럼 이동 메카니즘은 그 사용목적과 환경에 따라 큰 차이를 보이고 있는데, 현재 차륜형과 궤도형, 각형 등의 다양한 방법들이 연구 개발되고 있다.

먼저 차륜형(車輪形, Wheel)은 로봇 및 일상생활에서 가장 많이 만날 수 있는 바퀴로 설명될 수 있다.

전방향의 이동이 자유롭다는 장점을 가지고 있고, 이미 자동차 산업에서도 많은 부분 연구 개발되어 친숙하고 저렴하게 청소로봇 등에 사용되고 있다.

또, 트랙을 기본으로 하는 궤도형(軌道形, Track)은 롭해즈를 통해 낯설지 않은 로봇의 이동 메카니즘이고, 각형(脚形)은 휴머노이드 로봇에서 볼 수 있는 2족부터 거미형 6족에 이르기까지 다양한 형태의 이동 메카니즘으로 발전하고 있다.

·Mobile Localization

로봇의 이동에 있어 로봇 스스로가그 위치를 판단할 수 있는 ‘자기위치인식’은 매우 중요하다. 이를 위해 로봇은 내비게이션 기능이나, 특수한 센서 등을 이용해 실현하고 있다.

미국방위고등연구계획국(DARPA)의 무인차량 랠리인 ‘그랜드 챌린지’가 로봇 관계자들의 주목을 받고 있고, 국내에서는 국민대와 고려대에서 연구를 진행하고 있다.

저렴한 ‘가격’이 차륜형 로봇 플랫폼의 가능성 높인다

2족 보행로봇에 대한 연구 성과가 수시로 발표되는 지금 일반인들에게는 이제 차륜형은 잊혀진 이동 시스템으로 보일 것이다.

하지만 적어도 10년 동안은 2족 보행로봇보다 차륜형의 로봇이 주를 이룰 것이라는 것이 전문가들의 견해이다. 따라서 만약 로봇이 상용화가 된다면 이에 대한 인기는 더욱 상승할 것으로 보인다.

로봇의 상용화에 있어 차륜형 로봇이 2족 보행보다 각광받는 이유는 바로 ‘가격’ 때문이다.

사실 실용적인 면을 생각했을 때 모바일 플랫폼의 사용이 서비스 측면에서 떨어지는 부분이 없기 때문에 가격절감의 측면에서 고려대상이 될 수밖에 없다.
 
최근에 출시되고 있는 로봇인 청소로봇이나 그 외 노인복지로봇 등에 모바일 플랫폼 형태의 이동 시스템이 사용되는 것이 이를 증명한다. 아직까지 2족 보행로봇은 실용성 측면보다는 이벤트 요소가 많은 것이 사실이다.

그러나 이 같은 차륜형 로봇 플랫폼이 실용적인 면에서는 우수하다고 하지만 지형에 따른 적응력은 매우 떨어지는 편이다.

예를 들면 이 기술을 가정용 서비스로봇에 적용한다면 그 집안의 바닥은 모두 평지여야만 한다는 것이다. 계단은 물론, 굴곡에도 이동성에는 치명적인 영향을 초래한다.

즉, 차륜형이 가격적인 면이나 실용성 측면에서는 지금껏 나와 있는 이동시스템 중 가장 뛰어나지만, 이는 지형이 평평하다는 가정이 있을 때의 이야기로 복잡한 지형 및 다양한 요구가 있을 미래 가정용 시장에는 부적절할 것으로 예상된다.

로봇 이동기술의 ‘핵심은 센서’

이동로봇을 구성면에서 살펴보면 컴퓨터부, 구동부, 센서부 등 크게 3가지로 나눌 수 있다.
 
먼저 컴퓨터부는 센서의 신호를 분석하고 구동부에 적절한 명령을 내리고, 구동부는 로봇의 동력을 바퀴에 전달해 로봇을 움직이며, 센서부는 거리, 정보 등을 측정해 이동에 방해가 되는 장애물을 인식하는 역할을 한다.

이 같은 이동기술은 로봇 개발에서 반드시 필요한 기반기술로 오랜 시간동안 전 세계적인 연구의 대상이 되어 활발한 연구를 진행하고 있다.

그럼에도 불구하고 서비스 로봇의 상용화를 실현할 만큼 안정적이고 가격 대비 우수한 기술들은 여전히 부족한 실정인데, 그 이유는 바로 센서 때문이다.

정교한 센서는 로봇 이동기술의 핵심이라 일컬어질 만큼 중요한 구성품인 이들은 다음기술을 바탕으로 발전하고 있다.

- 적외선 센서 : 반사되는 적외선 빔을 받아서 거리 등을 측정하는 적외선 센서는 일 방향, 일직선에만 측정이 가능하며 가격이 저렴하다는 장점이 있다.

- 레이저 센서 : 레이저빔을 사용하는 레이저 센서는 빔을 매우 빠르게 회전시켜서 넓은 범위의 영역 측정이 가능해 매우 우수하지만 가격이 비싸다.

- 초음파 센서 : 초음파는 가격이 싸지만 부채꼴로 퍼져나가는 초음파 빔의 특성상 옆의 초음파와의 중복을 피할 수 없어 성능이 떨어진다.

그러나 현 기술로는 사람과 같은 정도의 감각을 갖는 센서를 만들기가 어렵고, 또 실용을 위해 저가의 센서를 사용함에 따라 지능적으로 정확히 이동할 수 있는 기술은 더욱 멀어진 상태다.

저가의 장비일수록 정확성이 떨어지고, 사용하기가 까다롭기 때문이다.

이러한 상황에서 현재 가장 빠르게 이동기술을 접목하고 있는 로봇분야가 바로 청소로봇이다. 하지만 앞서 언급한 이유로 아직 소비자들의 요구를 충족시키지 못하고 있다.

국내외에서의 이동로봇의 사용

이동로봇은 동작환경에 따라서 그 구조와 제어방법 등이 크게 달라질 수 있으므로 동작환경에 대한 충분한 검토가 필요하다.

다음에서는 다양한 환경에 맞춰 개발된 이동로봇과 그 기술에 대해 살펴보도록 한다.

·국내 : 원자력 내방사선 이동로봇

국내 원자력 발전소 대부분은 가압 경수로형 원자력발전소의 구조를 갖고 있다.

원자로를 포함하고 있는 원자로 격납건물은 핵연료로부터 높은 방사선이 방출되며, 방사능 오염물질이 비교적 많이 존재하므로 방사선 피폭위험으로 인해 사람의 출입이 철저히 통제되고 있다.
 
하지만 발전기 등을 포함하는 터빈건물은 방사선 영향이 비교적 적기 때문에 상대적으로 출입이 자유롭다.
 
이와 같은 원자력발전소의 건물의 바닥도처에는 단차가 있으며, 좁은 통로나 파이프 등이 지나가기도 한다.

따라서 바퀴를 이용한 이동로봇으로는 접근할 수 없는 부분이 다수 존재하므로 비평탄 지형에서 안정된 주행이 가능해야 하며, 좁은 지형에서의 이동이 자유로워야 한다.

또한 원자력 시설은 평지는 아니지만 비교적 정형화된 지형이므로 이미 개발된 이동로봇을 이용하여 원자로 등 주요 설비의 감시 및 점검이 가능하다.

하지만 원자력 시설의 상당부분은 배관으로 이루어져 있고, 배관내부의 부식여부 등을 정기적으로 작업자가 비파괴 검사를 하고 있다.
 
검사정밀도를 높이고 신뢰성을 확보하기 위해서는 배관의 내/외부에서 검사를 수행할 수 있는 로봇이 향후 필요할 것으로 전망된다.

이 배관검사를 하기 위해서는 배관의 직경 변화에 적응할 수 있고, 주변 장애물을 극복할 수 있는 이동기술이 요구되며, 특히 높은 수직배관을 따라 상승 또는 하강할 수 있는 이동기술이 필요하다.

또한 비파괴 검사를 실시간으로 수행하기 위해서는 로봇이 카메라 이외에도 초음파 센서나 와전류 탐상기 등을 탑재하고 이동해야 한다면 이와 같은 센서로부터 나오는 신호들을 원격 조작 장치까지 연결하는 굵고 긴 케이블은 로봇의 이동을 방해한다.
 
이러한 문제점을 해결하기 위해서 협소한 공간 내에서 이동이 자유로운 다관절형의 스네이크 형태의 로봇에 대한 연구가 필요하다.
 
뿐만 아니라 기존의 이동기구의 형태는 모터와 같은 구동장치의 수를 최소화하기 때문에 그 기능이 매우 제한적이었지만 향후에는 모터의 수를 증대시켜 자유도를 늘림으로써 로봇의 기능 및 환경 적응성을 높일 필요가 있다.

이를 위해서는 소형이면서 높은 토오크를 낼 수 있는 구동기구에 대한 연구가 필요하다.

이외에도 방사능 누출사고 등 만약의 비상사태에 신속히 대처하기 위해서는 지금보다 더 높은 이동성이 요구되고, 폭이 좁은 급경사 계단이나 파이프 위를 이동하기 위해서는 무한궤도 방식이 아닌 보행방식의 이동기법도 연구되어야 한다.

·일본 : 2007 일본기계공업연합회 회장상 수상, 마츠시타 전공의 무궤도 자율 주행 로봇

지난해 일본로봇상을 수상한 로봇으로, 로봇의 이동을 위한 가이드라인이 필요치 않은 ‘무궤도 자율이동기술’을 생체임상검사의 반송작업에 적용한 로봇시스템이다.

혈액 검사대상 물체를 스토카로부터 받아 복수의 혈액검사 장치에 분배하고, 검사 후에는 다시 회수 스토커에 옮기는 일련의 작업을, 여러 대의 자율 로봇들이 실시하는 것이다.

이들은 자동충전시스템에 의해 전지잔량을 파악하여 각 로봇에게 적당한 충전이 행해져 로봇 전체적으로는 24시간 검사가 가능하다.

상식에서 벗어난 로봇집단의 전체제어, 정밀한 도킹시스템, 자동충전시스템을 실용화한 이 로봇시스템은 병원이나 임상검사 기업에서 17대가 도입되어 사용되고 있다.

한층 더 요구가 높아지는 의료·건강산업을 지지하는 임상검사 작업은 정확함과 함께 납기 엄수로 야간작업이 이뤄지기 때문에 로봇도입에 의한 신뢰성향상과 효율화의 효과는 크다고 본다.

이 로봇시스템은 유저의 요구에 맞춘 실용화로 로봇산업 진흥에 공헌하고 있는 점이 높게 평가되고있다.

·미국 : 로봇의 대중화를 앞당기는 노스스타

이동로봇이 작업을 수행하려면 무엇보다도 자신의 위치를 파악해야 하는데, 이를 위해서는 정확한 지도를 작성하는 것이 급선무이다.

로봇이 정확한 지도를 만들기 위해서는 GPS수신기, 레이저 스캐너, 주행거리계 등과 같은 센서와 이러한 센서로부터 얻은 데이터를 처리하는 알고리즘을 가져야 한다.

그러나 센서와 알고리즘의 구현은 일반적으로 고가이기 때문에 가격이 큰 영향을 미치는 소비자 시장에는 적합하지 않은 면이 있었다.

그런데 미국 캘리포니아주 패서디나(Pasadena)에 기반을 둔 Evolution Robotics는 2008년 지난 1월 7일, 소비자 시장을 염두에 둔 슈퍼 스마트 로봇(Super Smart Robot)이라는 기술을 발표하면서, 로봇이 자신의 주변환경을 실제로 인식하고 완벽한 자율성으로 일상의 작업을 수행할 수 있는 노스스타(NorthStar) 2.0을 공개했다.

노스스타는 GPS, 레이더, 자동조종시스템이 하나로 통합된 것처럼 동작한다.

이것은 실내 위성위치확인시스템(Indoor GPS)이라는 주행 시스템을 사용하며, 천장에서 투사되는 인체에 무해한 적외선 광선을 로봇 상부의 센서로 탐지하여 좌표와 방향을 정확하게 측정할 수 있다.

이것은 가정이나 사무실과 같은 일상 장소에서 동작하도록 설계되었으며, 가격은 연구나 산업용으로 사용되는 동등한 시스템에 비해 1/100~1/1000 정도에 불과하다.

이것은 고가의 항공우주 기술이 소비자 가격으로 낮아진 것이고, 2008년에는 신제품이 시장에 출시되며 2009년에는 급속하게 확대되어 로봇 시장에 매우 큰 영향을 미칠 것이라고 이볼루션로보틱스의 CEO인 파올로 피르자니언(Paolo Pirjanian)은 전했다.

노스스타를 사용하는 최초의 완제품은 와우위(WowWee)가 제작한 로비오(Rovio)로 원격지를 감시할 수 있는 일종의 원격감시 로봇이다.
 
와우위는 혁신적인 하이테크 소비자 로봇과 오락 제품을 설계, 개발 및 판매하는 회사이며 이볼루션 로보틱스와는 전략적 파트너 관계를 맺고 있다.

올해 초에 라스베이거스에서 개최한 CES에서 와우위의 부스 방문자는 215마일(약 346km) 떨어진 로비오에 접속하여 마우스 클릭으로 어디로 갈지 명령하는 것을 체험하였다.

노스스타가 자율적으로 로비오를 다른 위치로 안내하는 동안 내장된 카메라는 영상정보를 그대로 전송하였다.

이외에도 국내 로봇기업 다사로봇이 지난해부터 꾸준히 이동로봇 충전스테이션관련 특허와 이동로봇 도킹유도방법 특허를 취득하며 시장 선점에 나서고 있고, 국방 및 보안로봇을 개발하는 디유하이텍도 이동로봇기술에 대한 연구를 지속하고 있다.



* 자료참고 : 과학기술정보포탈서비스