제 목

로봇과 인간

특집

IROS 2015_IROS 참가보고: 수중로봇 연구동향

홍길동 · 이몽룡

문화대학교

1. 서  론

수중 환경은 지상과 상이한 특성을 가지고 있어 기존의 로봇기술을 적용하기에는 많은 어려움이 있었다. 이로 인해 그 동안 수중로봇분야는 극복해야 할 많은 과제를 가진 잠재적인 연구 분야로서 여겨져 왔다. 그러나 최근 하드웨어 및 알고리즘의 발전으로 수중환경에서 로봇기술을 활용한 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 특히 무인잠수정(Unmanned Underwater Vehicle)을 이용하여 수중 시설을 관리하는 등 수중로봇을 현장에서 활용하기 시작함으로써 특정 어플리케이션에 적합한 수중로봇 연구가 활발하게 진행되고 있다.

이러한 연구 추세는 로봇분야의 다양한 학회에서도 확인할 수 있다. 예를 들어 IROS 2015 에 발표된 수중로봇 관련 논문들은 기존에 주를 이루던 수중 항법시스템 및 제어 논문과 더불어 특정한 어플리케이션(e.g., 수중 케이블 장력 제어, 해저 굴삭 로봇, 해양구조물을 이용한 수중로봇 시스템)에 대한 로봇기술 연구 논문이 적용한 경우가 많았으며, 이러한 논문들은 실해역 환경에서의 실험결과를 함께 발표하는 경우가 많았다.

본 기고문에서는 이번 독일 함부르크에서 열린 IROS 2015 에 게재된 수중로봇 관련 논문들을 소개하고 꾸준히 발표되었던 연구주제와 더불어 최신 연구 동향을 살펴보고자 한다.

2. Marine robotics

[그림 1]은 최근 6년간 IROS 학회에서 발표된 수중로봇 논문을 키워드 기준으로 정리한 그래프이다. 지난 6년간의 IROS 에서 수중로봇분야는 3% 이내의 꾸준한 논문 게재 비율을 가졌으며, 이번 2015년도에는 총 3개의 정규 세션과 총 31편의 수중로봇(Marine robotics) 키워드를 가진 논문이 발표되었다.

발표된 수중로봇 관련 논문들의 발표주제를 정리하면 아래 [표 1]과 같다. 대부분의 논문들이 여러 분야와 연결되어 있는 경우가 많기 때문에, 저자의 판단아래 보다 밀접한 연관이 있는 분야끼리 묶었다. 이번 학회에서는 생체모방기술

(Biomimetic)을 이용한 메커니즘 논문들이 많이 발표되었으며, 뒤를 이어 SLAM & navigation 논문 및 제어 관련 논문들이 많이 발표되었다. 이에 각 분야별로 인상 깊었던 논문들을 골라 소개해보고자 한다.

[그림 1] 최근 6년간 발표된 수중로봇논문 현황(IROS)
[표 1] 발표된 수중로봇 분야별 논문 수
카테고리	논문 수
Mechanism	9
SLAM & Navigation	8
Control	6
Task planning & architecture	4
Micro & Swarm robot	4

2.1 Mechanism

메커니즘 관련 수중로봇 논문들은 주로 수중환경에 맞는 새로운 메커니즘을 제안하거나 수중 생물들의 유영 메커니즘을 모방하여 수중 로봇 및 수중작업환경에 적용한 경우가 많았다.

이스라엘 공과대학(Israel Institute of Technology)에서는 하나의 구동기와 두 개의 날개를 가진 원통형 로봇을 제안하였다[1]. 이 로봇은 동심원이 같은 안쪽 기기 부와 바깥쪽 기기 부로 나뉘어 있으며, 안쪽과 회전할 때 바깥쪽이 반대 방향으로 회전하여, 회전력만으로 이동이 가능하도록 설계되었다(이 논문은 JTCF Novel Technology Paper Award for Amusement Culture 의 최종 후보에 선정되었다).

크레타 기술교육 대학(Tech. Educational Inst. of Crete) 에서는

[그림 2] (a) Two-Ray Fin Robot, (b) Suction manipulation, (c) Single-Actuated Swimming Robot.

갑 오징어 및 나이프 피시(Knife fish) 의 수중 유영방법을 모방하여 두 개의 연결된 지느러미를 가지는 수중유영 메커니즘을 제안하였다[2]. 이 연구에서는 서로 독립된 구동부를 유연한 membrane sheet로 연결하고 구동부 간의 각도 차이 및 반복속도에 따라 발생되는 힘을 분석하였다. (이 논문은 Best Paper Award 의 최종 후보에 선정되었다).

미국 Stanford 대학교에서는 수중 매니퓰레이션시 물체의 미끄러짐(slip)을 방지하고자 로봇 핸드의 끝 단에 흡입구멍(suction hole)을 설치한 four-finger 로봇 핸드 연구를 제안하였다[3]. 위 연구에서는 물체의 종류와 핸드 손가락간의 각도 및 흡입력을 변경하며 이에 따른 움켜지는 힘(grasping force)를 분석하였다.

2.2 SLAM & Navigation

SLAM 및 네비게이션 논문들은 기존의 수중항법시스템의 성능 향상을 위한 수중영상 이미지처리 기법, 필터링 알고리즘 등의 논문들에 발표되었으며, 전자기파 감쇠를 이용한 위치 추정 시스템도 제안되었다.

미국 Carnegie Mellon 대학교의 Tiffany A. Huang은 다중 2D 소나 이미지를 이용한 수중 3차원 구조물을 재현하기 위한 방법을 제안하였다[4]. 이 논문에서는 (중략)

3. 결  론

본 [IROS 2015] 학회를 통하여 수중 로봇에 대한 다양한 연구들이 진행되고 있는 것을 확인할 수 있었다. 특히 수중생물을 모방하고 수상로봇을 활용하거나 수중 구조물을 이용하는 등 수중이라는 어려운 환경을 극복하기 위해 다양한 분야의 기술들이 활용되고, 실제로 실 해역에서 검증되거나 상용화된 시스템에 적용된 경우도 종종 볼 수 있었다. 하지만 본 학회에서 발표된 논문들이 이전부터 꾸준하게 진행된 연구가 아닌 특정 환경에 대한 단발성 연구가 많았던 점은 아쉬움이 남는다. 앞으로 수중로봇에 대한 지속적인 관심과 더불어 꾸준한 연구가 계속된다면 로봇은 바다와 인간을 이어주는 훌륭한 매개체가 되지 않을까 기대한다.

참고문헌

[1] Gilad Refael and Amir Degani, “Momentum-Driven Single-Actuated Swimming Robot,” in Intelligent Robots and Systems (IROS), 2015 IEEE/RSJ Inter-national Conference on, pp. 2285-2290, September 2015.

[2] Michael Sfakiotakis, John Fasoulas, and Roza Gliva, “Dynamic Modeling and Experimental Analysis of a Two-Ray Undulatory Fin Robot,” in Intelligent Robots and Systems (IROS), 2015 IEEE/RSJ Inter-national Conference on, pp. 339-346, September 2015.

[3] Hannah S. Stuart, Matteo Bagheri, Shiquan Wang, Heather Barnard, Audrey L. Sheng, Merritt Jenkins, Mark R. Cutkosky, “Suction Helps in a Pinch: Im-proving Underwater Manipulation with Gentle Suction Flow,” in Intelligent Robots and Systems (IROS), 2015 IEEE/RSJ International Conference on, pp. 2279-2284, September 2015.

[4] Tiffany A. Huang and Michael Kaess, “Towards Acoustic Structure from Motion for Imaging Sonar,” in Intelli-gent Robots and Systems (IROS), 2015 IEEE/RSJ Inter-national Conference on, pp. 758-765, September 2015.

[5] Pranay Agrawal and John M. Dolan, “COLREGS- Compliant Target Following for an Unmanned Surface Vehicle in Dynamic Environments,” in Intelli-gent Robots and Systems (IROS), 2015 IEEE/RSJ Inter-national Conference on, pp. 1065-1070, September 2015.

[6] Gamal El-Ghazaly, Marc Gouttefarde, and Vincent Creuze, “Hybrid Cable-Thruster Actuated Under-water Vehicle-Manipulator Systems:A Study on Force Capa-bilities,” in Intelligent Robots and Sys-tems (IROS), 2015 IEEE/RSJ International Conference on, pp. 1672-1678, September 2015.

[7] Qi Chen, Wei Li, Xiaohui Wang, Yan Li, Shuo Li, and Bin Xian, “Maintaining Constant Towing Tension between Cable Ship and Burying System under Sea Waves by Hybrid FUZZY P + ID Controller,” in Intelligent Robots and Systems (IROS), 2015 IEEE/ RSJ International Con-ference on, pp. 1652-1657, September 2015.

	(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 :