극한작업 로봇 중의 하나인 원자력 시설 로봇을 편하고 실효성 있게 조작하기 위해서 텔레오퍼레이션, 텔레이그지스턴스, 텔레프리전스 등 원격조작 시스템에 대한 연구개발의 필요성이 높아지고 있다. 원격조작은 극한작업용의 인간-로봇 시스템에서 로봇의 환경적응능력을 최대한으로 살리면서 안전한 원격지점으로부터 인간 조작자의 거시적인 판단과 조작에 따라 능률적으로 작업을 실시하는 것이다. 본지에서는 원자력 시설 로봇을 위한 원격조작 시스템의 기술동향을 알아보고, 더불어 국내외 원격조작 로봇 시스템의 개발전략 등을 연재를 통해 다뤄보고자 한다.
▲ 사진. iREX 2011
목 차
1. 원격조작 시스템의 개요
2. 원자력 시설 로봇을 위한 원격조작 로봇 시스템의 기술동향
3. 해외 원격조작 로봇 시스템의 개발전략
4. 국내 원격조작 로봇 시스템의 개발전략
5. 결론
1. 원격조작 시스템의 개요
가혹한 환경 하에 인간이 극한작업을 실시하기란 매우 곤란하여 이를 로봇의 활약에 기대하고자 하는 응용분야가 점차 확대되어가고 있다. 이에 따라 인간과 로봇과의 관계가 더욱 중요시되고 있으며, 우주와 심해, 그리고 원자력 시설 등 최근에 증대해 가고 있는 위험, 즉 인간이 접근하기 곤란한 작업 환경 하에서 로봇이 제반 작업을 수행할 경우 고도의 지식이나 경험을 가진 인간 조작자의 상황판단과 오더(Order)가 없으면 그 작업은 수행하기 어려워진다.
이러한 극한작업용의 인간-로봇 시스템에서 로봇의 환경적응능력을 최대한으로 살리면서 안전한 원격지점으로부터 인간 조작자의 거시적인 판단과 조작에 따라 인간과 로봇이 단독으로는 할 수 없는 작업을 협력하여 능률적으로 실시하는 원격조작기술이 제안되었다. 그 후에 극한작업용의 인간-로봇 시스템을 실현하기 위한 휴먼 인터페이스 기술이 제안되었는데, 이를 지적 원격조작(Advanced Teleoperator)이라고 한다.
원격조작 시스템에 의해 우주, 심해, 원자력 시설 등의 극한작업을 수행할 때 에러가 발생하면 자동 모드(Automatic Mode)에서 수동 모드(Manual Mode)로 전환하여 프로그램에 의한 커맨드 조작(Command Operation)과 인간에 의한 직접조작으로 그 에러를 회복한 후 다시 자동 모드로 복귀하여 부여된 작업을 계속하게 된다. 앞에서 언급한 지적 원격조작 시스템의 자동 모드를 위해 전문가 시스템을 적용한 교시 및 실행 전문가 시스템(TOES; Teaching and Operating Expert System)이 연구되어 왔다. 특히 다른 연구에서 일반적으로 사용되어온 로봇 관절운동 분석에 의한 직교좌표계 대신에 로봇 관절기능 분석에 의한 기능좌표계(WCS; World Coordinate System)를 사용했다.
우주, 심해, 원자력 시설 등 인간이 들어가기 어렵고, 또한 정비되지 않은 작업환경 하에서의 작업에는 마스터슬레이브 매니퓰레이터(Master Slave Manipulator)가 중요하지만 그 작업의 관리를 비롯한 마스터슬레이브 조종까지도 조작자가 모두 수행하지 않으면 안 된다. 이를 대처하기 위해 마스터슬레이브에 자율 기능을 부여하고 조작자의 지원을 가능케 한 텔레오퍼레이터(Teleoperator)의 연구가 진행되어 왔다. 원격조작 시스템은 기본적으로 센서, 원격조작 도구, 표시장치, 제어장치, 통신수단의 5가지 요소를 갖추어야 한다. 센서는 원격조작 로봇의 눈에, 원격조작 도구는 이 로봇의 손과 발에 해당되며, 표시장치 및 제어장치는 이 로봇을 조작하는 사람의 눈과 머리인 셈이다. 이때 로봇과 조작자는 통신수단을 이용하여 상황을 보고하고 활동지시를 내리는 등 정보를 교환한다.
2. 원자력 시설 로봇을 위한 원격조작 로봇 시스템의 기술동향
가. 텔레오퍼레이션 시스템의 기술동향
텔레오퍼레이션이란 제2차 세계대전 후에 방사성 물질을 멀리 떨어진 곳에서 안전하게 취급하기 위해 미국의 아르곤 국립연구소(ANL; Argonne National Laboratory)의 연구에서 시작된 기술 분야이다. 여기에는 텔레오퍼레이션 기술을 고도화하는 방향에서 1980년대 초에 일본의 Tachi 등에 의해 제창된 텔레이그지스턴스(Telexistence)와 텔레오퍼레이션 기술을 고도화하는 다른 방향에서 1980년대 초에 미국 MIT의 Marvin Minsky에 의해 제창된 텔레프리전스(Telepresence)가 내포되어 있다.
텔레오퍼레이션은 인간이 멀리 떨어진 장소로부터 감시하면서 로봇에게 반복적인 작업을 시키거나 사전에 프로그램된 행동을 시키는 일종의 원격조작이다. 극한(위험)작업을 수행하기 위한 원격조작 로봇을 이해하려면 텔레오퍼레이션 기술과 가상현실 및 증강현실 기술을 이해해야 한다. 다시 말해서 로봇 기술과 가상현실 및 증강현실 기술이 융합된 것이 텔레오퍼레이션 기술이며, 이를 더욱 다양화하고 고도화시키기 위해 촉역각(觸力覺) 장치를 비롯한 각종 연구가 다양하게 추진되고 있다.
가상현실이란 컴퓨터를 이용하여 구축한 가상공간 속에서 인간 감각계(Sensory System)와의 상호작용을 통해 공간적, 물리적 제약에 의해 현실세계에서는 직접 경험하지 못하는 상황을 간접 체험할 수 있도록 만든 정보활동 분야의 새로운 패러다임 중 하나이다.
가상현실 기술은 컴퓨터를 이용해 현실적으로는 존재하지 않음에도 불구하고 실제로 그 곳에 존재하거나 접촉하고 있는 것과 같은 감각을 부여하는 기술이다. 즉, 가상현실 기술이란 시각, 청각, 촉각 등 인간의 감각기관에 대하여 컴퓨터 등을 통해 형성된 정보를 제시하고, 그 정보를 직감적으로 이해하거나 실감할 수 있는 형태로 체험할 수 있도록 하는 기술이다.
증강현실은 가상현실의 한 분야로 실제 환경에 가상 사물을 합성하여 원래의 환경에 존재하는 사물처럼 보이도록 하는 컴퓨터 그래픽 기법을 뜻하는 말로서 1992년 Tom Caudell에 의해 처음 사용되었다. 증강현실은 가상의 이미지만을 보여주는 가상현실과는 달리 실제 사물과 가상 이미지를 합성하여 현실세계 또는 가상현실만으로는 표현하기 어려운 정보들을 구현할 수 있다는 장점을 가지고 있다.
기존의 가상현실은 가상의 공간과 사물만을 대상으로 했었으나 증강현실은 현실세계의 기반 위에 가상의 사물을 합성하여 현실세계만으로는 얻기 어려운 부가적인 정보들을 보강해 제공할 수 있다. 또한, 증강현실은 완전한 가상세계를 전제로 하는 가상현실과는 달리 현실세계의 환경 위에 가상의 대상물을 결합시켜 현실의 효과를 더욱 증대시키는 것이다.
로봇기술과 가상현실(증강현실) 기술의 양 기술은 인간과 기계의 인터페이스를 어떻게 안전하고 친화성이 높은 것으로 할 것인가를 하나의 주요한 과제로 하고 있는 점에서도 공통점을 가지고 있다. 지금까지 양 기술이 학술적으로도 별개의 분야로서 확립되어 발전해 가고 있으나 오늘날에는 관계가 깊다. 이 양 기술이 함께 관련된 텔레오퍼레이션시스템, 촉역각 장치 등의 융합기술 발전이 크게 기대된다.
최근 들어 눈부시게 발전한 로보틱스(Robotics) 분야에서 보다 높은 기능의 실현과 안전성 향상을 위해 촉역각은 없어서는 안 될 감각이다. 여기서 역각은 인간이 여러 미디어를 통해 외계와의 상호작용 중에서 중요한 역할을 수행하며, 촉각의 감각기는 신체의 각 부분에 분산되어 존재하고 촉각에 의해 얻어지는 정보의 대부분은 능동적인 행동과 같이 연계되어 있다. 촉각 디스플레이는 햅틱(Haptic) 장비를 통해 사용자에게 촉감을 제시하고, 이를 통해 가상 환경 내에서 사용자의 실재감과 몰입감을 높이는 것을 목적으로 하고 있다. 그런데 대부분의 상용 햅틱 장비들은 고정된 장치이며, 제한된 작업 공간을 가지고 있으므로 사용자는 햅틱 장비의 작업 공간보다 작은 물체에 대해서만 촉감으로 느낄 수 있다. 이를 극복하기 위해 대형 매니퓰레이터형이거나 외골격형(Exoskeleton) 등의 대형 환경용 햅틱 장비가 개발되고 있다.
텔레오퍼레이션 기술은 극한작업 환경에서도 로봇을 이용하여 작업할 수 있는 시스템 기술이다. 텔레오퍼레이션 기술은 우주, 해저, 원자로, 의료 및 미세조작 등에 활용되어 그 유용성이 인정되고 있으며, 최근 들어 이 기술이 화재나 지진 등으로 인간이 접근하기 곤란한 피해 지역에서도 구조 로봇의 역할을 통해 매우 유익한 기술로 인식되어 가고 있다. 또한, 고령자나 장애인들의 활동을 보조함에 있어서도 유효한 기술로서 전개되어 나갈 전망이다.
텔레오퍼레이션 기술을 고도화하는 하나의 방향으로서 텔레프리전스, 또는 텔레이그지스턴스라고 하는 개념이 1980년대 초에 미국과 일본에서 거의 독립적으로 제창되면서 몇 가지 시스템이 개발되어 왔다. 이것은 슬레이브 로봇의 시청각이나 촉역각 정보를 마스터 장치 조작자들에게 제시함으로써 슬레이브 로봇이 있는 장소에 마치 조작자 자신이 있는 것과 같은 감각을 부여하는 것이다.
▲ 일본 게이오대학 연구팀은 TELESAR V를 통해 촉각정보를 포함하는 텔레이그지스턴스 실현을 목표로 지속적인 연구개발을 진행하고 있다. 사진=KISTI 미리안 글로벌동향브리핑
나. 텔레이그지스턴스 시스템의 기술동향
텔레이그지스턴스는 실제적으로 로봇을 원격에서 제어하고 있으나 실은 외골격형 인력증폭기(Exoskeleton Human Amplifier)와 같이 로봇 안에 내재하여 스스로 그 곳에 있는 것과 같은 감각으로 로봇을 제어한다. 이를 ‘원격임장 제어’라고 하며, 달리 표현하면 가상적인 외골격형 인력증폭기의 실현이라고도 한다.
텔레이그지스턴스는 로봇이 곤경에 빠졌을 때나 혹은 감시를 하면서 직접 지시할 때, 로봇을 대신하여 인간이 조작할 때 인간은 안전한 조종석에 있으면서 가상적인 의미에서는 인간이 로봇 속에 실질적으로 내재하는 것과 같은 상태를 가능하게 한다. 만약 이러한 것이 이루어진다면 외골격형 인력증폭기의 이점인 인간이 현장에 존재함으로써만 할 수 있는 대국적인 판단이 활용되어 로봇의 자율성이 최대한 활성화되게 된다.
텔레이그지스턴스를 이용하는 로봇의 제어에서는 인간의 운동이나 힘 등이 실시간으로 계측되어 내부 상태가 추정된다. 그 내부 상태가 로봇에 전달되어 직접 로봇의 운동제어 시스템이 제어된다. 다시 말해서 인간의 움직임을 충실하게 재현하도록 로봇의 인공 눈, 목, 손, 발 등을 제어하는데, 그 때 로봇의 인공 감각기로부터의 정보는 역으로 모두 인간의 감각에 각각 직접 제시하게 된다. 로봇이 물체에 접촉한 감각은 인간의 손에 촉각 자극으로 제시되고, 인간은 자기 스스로 직접 접촉한 것과 유사한 감각을 가지고 작업할 수 있게 된다.
원격 실공간을 체험하는 텔레이그지스턴스도 가상현실의 한 형태라고 할 수 있으며, 역으로 좁은 의미의 가상현실을 가상공간에서의 텔레이그지스턴스라고 하기도 한다. 이들은 밀접한 관계가 있어서 좁은 의미의 가상현실과 텔레이그지스턴스는 이용자 편에서 보았을 때 몰입하는 쪽의 공간 성질이 다를 뿐 감각제시 기술로서는 공통적인 것을 사용할 수 있다.
한편으로 텔레이그지스턴스의 경우 대상으로 하는 공간이 컴퓨터가 관리하는 인공공간이 아니라 원격 실 공간이기 때문에 기술적인 과제도 존재한다. 텔레이그지스턴스 시각계에 있어서는 초기의 시스템 이래 로봇 두부에 장착한 스테레오 카메라와 두 부탑재형 시각 디스플레이(HMD; Head-Mounted Display)의 조합이 적정한 구성으로 사용되어 왔다. 그러나 최근 들어 이 구성 이외의 시스템이 연구·개발되었다.
로봇을 매개로 원격의 현실 공간에 몰입하여 감각을 얻어 행동하기 위한 텔레이그지스턴스가 원격의 세계를 느낄 수 있다는 것은 우리들이 현실 세계에서 가지고 있는 물리적 신체 외에 정보적 신체를 가지는 것을 의미하며, 이를 아바타(Avatar)라고 부른다. 이 아바타란 CG 등으로 표현된 캐릭터이며, 순수한 정보세계를 체험하기 위한 신체이지만 그 개념이 로봇과 합체함으로써 원격의 현실세계에서의 신체가 되는 셈이다.
텔레이그지스턴스는 원격에 존재하는 로봇을 마치 자기의 분신과 같이 고도의 현장감을 가지면서 자유자재로 제어할 수 있는 마스터-슬레이브(Master-slave) 기술이다. 또한, 확장형 텔레이그지스턴스(Augmented Telexistence) 시스템은 인간-기계 시스템의 일환으로, 그리고 인간과 로봇의 장점을 살릴 수 있는 시스템으로서 종래의 텔레이그지스턴스에 시간 스케일 변환을 부가함으로써 사용자의 지각을 확장시킨 시스템이다.
텔레이그지스턴스 시각계에서는 초기의 시스템 이래 로봇 두부에 장착한 카메라와 두부 탑재형 시각 디스플레이의 조합이 정상적인 구성으로서 이용되고 있다. 그러나 최근 들어 이 구성 이외의 시스템이 연구개발 되어 새로운 전개를 보여주고 있다.
아울러 텔레이그지스턴스를 이용함으로써 지금까지 시청각 중심이었던 원격통신에 있어서의 의사소통에 신체의 동작이나 촉각에 관한 정보가 부가되어 보다 현실에 가까운 원격 의사소통을 실현가능하게 하고 있다.
▲ 분신 로봇의 연출. 자료=遠隔操縱ロボット技術テレイグジスタンス, Telexsistance FST, 窮極映像硏究所, 2011.11
다. 텔레프리전스 시스템의 기술동향
텔레프리전스란 컴퓨터를 사용하여 현실세계를 완벽하게 다른 방식으로 시각화하는 기술로서 실제세계의 정보를 원격감지기로 조작자에게 전달하는 방식을 말한다. 즉, 원격조작기는 로봇 또는 다른 곳에 설치되어 있어 조작자는 자신의 위치에서 센서가 있는 곳의 정보를 감지하고 조작할 수 있으며, 위험하거나 아주 세밀한 작업 등 손으로 하기 어려운 작업을 이 기술을 통해 작업하게 된다.
텔레프리전스는 사용자가 멀리 떨어진 공간의 정보를 취득할 수 있게 하는 기술로서 원격 로봇을 제어하는데 유용하며, 떨어져 있는 공간의 시각정보를 활용하는 것은 텔레프리전스 시스템의 핵심요소이다. 만약 로봇이 사람과 같은 시각구동 구조를 가진다면 사람들은 매우 편안하고 자연스럽게 로봇을 구동하여 원격의 시각정보를 취득할 수 있을 것이지만 아직 텔레프리전스의 많은 로봇들은 사람을 대신한 시야확보 등의 단순한 동작만을 제공하는데 지나지 않는다.
사용자를 공간의 제약에서 해방시키는 이 시스템은 그 특성 상 원격 회의에 적극적으로 사용되고 있다. 그 외에 원자로 점검, 보전 및 해체, 원격 수술, 원격 비행조종 등 여러 분야에서 텔레프리전스 시스템 적용의 다양한 시도가 이루어지고 있다.
텔레프리전스에서는 사람의 움직임을 로봇에게 모두 전하여 실제 환경으로부터의 상호작용을 모두 느끼려고 하면 할수록 여러 가지 디바이스를 몸에 두르게 된다. 이것은 역으로 조작자에게 부담이 된다. 초기의 외골격형의 텔레프리전스 인터페이스는 액추에이터, 센서와 함께 크게 실용에 공헌하는 것이었다. 그러나 최근의 미세화 기술의 발달은 텔레프리전스를 실용적인 방향으로 향하게 하고 있다.
앞으로도 이러한 시스템에서 그 이용목적에 따라 실세계에의 부가적 정보 첨부나 실세계정보과 가상세계정보의 결합과 합성이 이루어지게 되어 가상현실적인 측면이 증대해 나갈 것으로 생각된다. 다시 말해서 이 방면에서 유명한 학술지인 Presence(MT Press)의 부제가 Teleoperators and Virtual Environment인데, 이것 또한 텔레오퍼레이션과 가상현실이 매우 밀접한 관계에 있다는 것을 말해주고 있다.
텔레프리전스 시스템의 구현은 매우 어렵고 비용이 많이 들기 때문에 인간-로봇 상호작용에 적용되기까지는 한계가 있으며, 대중적으로 널리 쓰이는 데 장애로 작용한다. 따라서 인간-로봇 상호작용에 있어서 시각적인 텔레프리전스를 구현하기 위해 자연스럽고 직관적이며, 정확성을 해치지 않는 범위 내에서의 가볍고 단순한 장비를 사용한 사용자 인터페이스 시스템의 개발이 요구된다.
*본 분석물은 교육과학기술부 과학기술진흥기금을 지원받아 작성되었습니다.
한국과학기술정보연구원 www.kisti.re.kr
<필자약력>
이순요 전문연구위원
영남대학교 공과대학 기계공학과 공학사
미국 시카고대학 대학원 경영학 석사(MBA)
일본 히로시마대학 대학원 공학박사
고려대학교 공과대학 산업공학과 교수
대한인간공학회 회장
고려대학교 산업경영공학부 명예교수(현)
한국과학기술정보연구원 전문연구위원(현)