로봇과 인간

칼럼 ∙ 수중 로봇 설계를 위한 실용적인 제언

제 목

홍길동	이몽룡

(문화대학교)                                           (문화대학교)

1. 서 론

로봇과 인간

워터파크나 아름다운 해변에서의 물놀이는 즐겁고 편안한 느낌을 주지만, 수중 작업은 힘들고 어려운 일, 위험한 일, 심지어 인간의 능력으로 시도조차 할 수 없는 일로 인식되어 왔다. 이러한 이유로 대부분의 수중 작업은 군사 작전, 과학 탐사, 석유 시추 작업과 같은 매우 특수한 분야에서 이루어 졌다. 최근 로봇 기술의 발달로 다양한 형태의 수중 작업용 로봇이 개발되어 수중 로봇을 사용하는 것이 조금 더 대중화 되고 있다. 또한 이러한 요구가 다시 새로운 동기가 되어 많은 연구자들이 수중 로봇을 위한 다양한 기술을 개발하고 있다.

오래 전부터 무인 잠수정(Unmanned Underwater Vehicle, UUV)은 원격 조정 무인 잠수정(Remotely Operated Vehicle, ROV)과 자율 무인 잠수정(Autonomous Underwater Vehicle, AUV)으로 구분하여왔다. 최근에는 수중 로봇을 극한 환경용 서비스 로봇의 일종으로 보는 시각이 많아지고 있으며, 어쩌면 많은 로봇 연구자들의 입장에서는 이것이 더 자연스럽다고 볼 수 있다.

이러한 흐름을 반영하듯이 최근에 로봇 연구자가 직접 수중 로봇을 개발하려는 시도가 늘어가고 있다. 그러나 안타까운 시행착오도 종종 목격된다. 이는 대부분 수중 로봇의 개발을 너무 쉽게 생각하거나 반대로 너무 어렵게 생각하여 발생하는 것에 기인한다고 볼 수 있다. 물론 이러한 과정이 연구와 교육의 일부일 수 있으나 불필요한 실수, 치명적인 실수를 줄이는 것은 매우 중요하다고 생각된다.

수중 로봇을 설계하고 제작하는 것은 지상 로봇에 비해 까다롭고 더 많은 분야의 지식을 필요로 하며, 작은 실수도 용납하지 않는다. 개발 기간도 더 많이 필요하고 비용도 더 많이 요구된다. 특히, 유체에서 동작하는 특성을 반영하여 하드웨어와 소프트웨어의 목표를 설정하는 것은 이론적인 지식뿐만 아니라 경험적인 지식이 필요하기 때문에 일반적인 로봇 개발자에게 많은 부담을 준다.

본고에서는 지상의 로봇 개발자가 수중 로봇을 개발할 때 도움이 될만한 실용적인 경험 지식을 전달하고자 한다. 설계 전반에 걸친 주요 개념만 놓치지 않아도 시간, 비용, 노력을 보다 효과적으로 사용할 수 있을 것으로 생각한다.

참고로 본고의 내용은 저자가 출판을 준비 중인 Springer의 Handbook of Robotics 2ed의 25장. Design of underwater robot의 내용을 기초로 하고 있다. 여기에서는 Handbook에 기술한 내용을 중복하여 설명하지 않고 대신 지면 제한으로 생략했던 경험 지식을 중심으로 설명하였다. 따라서 수중 로봇 설계의 각 분야에 대한 이론적인 내용과 조금 더 일반적인 지식은 Handbook과 거기에 포함된 다수의 참고 문헌을 참고할 것을 권장한다. 경험 지식만으로 수중 로봇을 개발할 수는 없다.

2. 수중 로봇의 기계 설계

수중 로봇이 다른 로봇과 가장 많은 차이를 보이는 부분이 기계 설계이다. 흔히 가장 걱정을 많이 하는 방수와 내압 설계뿐만 아니라 상당히 많은 부분을 고민해야 한다. 이를 위해 수중 로봇의 구조를 프레임(frame), 내압 용기(pressure vessel), 외형 덮개(fairing)로 구분하여 설명하고자 한다.

2.1 프레임의 구조 설계

다른 로봇과 마찬가지로 프레임은 로봇의 골격을 만들고, 여러 부속 장치를 장착하며, 로봇이 동작 중에 받는 힘을 지탱하고, 외부 원인에 기인한 손상으로부터 로봇을 보호한다. 여기서 수중 로봇의 프레임 구조 설계는 크게 3가지 상황을 구분하여 고려해야 한다. (1) 지상에 있는 경우, (2) 수중에서 있는 경우, (3) 진수와 인양을 위해 크레인에 매달린 경우이다. 조금 구체적으로 보자면 (1)의 경우, 프레임 자체와 지면 접촉부에 작용한 중력에 의한 힘을 견딜 수 있도록 설계를 하여야 한다. (2)는 같은 중력이 다른 방향으로 작용하는 경우이다. 수중 로봇은 수중에서 중성 부력에 가깝도록 만들기 위해 음성 부력을 가지는 하부 구조물을 상부 부력재에 매달리는 형태로 만든다. 따라서 구조물과 부력재가 접합되는 부분이 큰 힘에 견딜 수 있도록 설계가 되어야 한다. 또 수중에서 운동 할 때 추진기가 장착된 구조물에도 상당히 큰 힘이 작용하기 때문에 정교한 설계가 필요하다. 마지막으로 수중 로봇을 진수/인양 할 때 (1)에서 작용하는 중력에 의한 모든 힘은 인양 고리부분에 집중된다. 특히 선박이 상하 운동을 하는 경우 인양 고리에 걸리는 동적인 힘은 매우 크다고 할 수 있는데 이를 충분히 감안하여 설계를 하여야 한다. 따라서 수중 로봇 프레임은 언급한 3가지 상황을 모두 만족하는 구조 강성을 얻을 수 있도록 설계되어야 한다. 그림 1은 이러한 조건을 설계 해석으로 검토한 예를 보인다.

[그림 1] 수중 로봇 프레임의 구조 해석 결과 예(지상(왼쪽), 수중(가운데), 진수/인양(오른쪽)의 경우)

2.2 내압 용기의 방수 및 내압 설계

수중 로봇 개발을 처음 생각할 때 가장 고민하는 부분은 아마 방수 처리와 내압 설계라고 생각한다. 물론 깊이가 10m 증가할 때 마다 1 기압씩 증가하는 압력 조건은 생각보다 훨씬 열악하다. 수심 20~30m 정도의 압력을 보통 상자형태의 금속 용기로 견딜 수 있을 거라는 것은 오산이다. 다행스러운 것은 이미 잘 알려진 기술을 적절하게 적용하는 것만으로 충분히 극복이 가능하다는 것이다. 다만, 기본형태가 아닌 변형된 형태를 설계하거나 설계를 제약하는 요소가 많이 내포되어 있는 경우에는 보다 많은 실전 경험이 필요하다.  (중략)

7. 결 론

본고에서는 Handbook Robotics 2ed의 25장 Design of Underwater Robot의 내용을 기초로 수중 로봇을 개발할 때 필요한 실용적인 경험을 설명하였다. 사실 수중 로봇의 개발은 매우 도전적인 주제이며 많은 시행착오와 실패를 동반한다. 안타깝게도 처음 수중 로봇을 개발하는 시기에 이러한 어려움을 경험하면 본격적인 수중 로봇 연구로 진입하기가 어려워진다. 제어 및 로봇 분야에서 연구를 시작하여 수중 로봇 연구를 수행해온 경험을 통해서 볼 때, 누구든 조금 더 치밀하게 준비를 하면 수중 로봇의 개발과 실험에서 시행착오와 위험 요소를 피할 수 있고,로봇 분야의 강점을 수중 로봇으로 적용하는 연구에 보다 많은 시간과 노력을 투입할 수 있을 것으로 기대한다.

아래의 참고 문헌 중 [1-4]은 기초에서 부터 일반적인 내용을 담고 있어 오랜 기간 동안 참고할 만한 문헌이며, [5-15]는 기술의 흐름과 결과를 담은 것으로 현재 수준을 파악하는 것에 유용하다.

참고문헌

[1] Hyun-Taek Choi, J. Yuh, 2016. Design of Underwater Robot, Handbook of Robotics, 2nd ed, Springer.

[2] Yuh, J. and Choi, Hyun-Taek 2015. Unmanned Underwater Vehicles. Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering. 1–12.

[3] Robert D. Christ, Robert L. Wernli Sr., “The ROV Manual (2nd edition): A User Guide for Remotely Operated Vehicles,” Elsevier Science, Burlington, Elsevier, 2014.

[4] Steven W. Moore, Harry Bohm, Underwater Robotics: Science, Design and Fabrication, Marine Advanced Technology Education (MATE) Center, 2010.

[5] J. Yuh, “Design and Control of Autonomous Underwater Robots: A Survey,” Autonomous Robots, Vol. 8, Issue 1, pp. 7-24, January 2000.

[6] L.L. Whitcomb, “Underwater Robotics: Out of the Research Laboratory and Into the Field,” in Proc. of the IEEE International Conference on robotics and Automation (ICRA), 2000, pp.709-716.

	(사진)	홍길동 1996 문화대학교 컴퓨터공학과(공학사) 2001 문화대학교 교육대학원 컴퓨터교육전공(교육학석사) 2003~현재 문화대학교 정보통신공학과 박사과정 관심분야 : e-learning 시스템 E-mail :
	(사진)	이몽룡 2003 문화대학교 컴퓨터교육과(이학사) 2003~현재 문화대학교 정보통신공학과 석사과정 관심분야 : Underwater robots, Hovering robots, E-mail :