keit pd(2013 10) issue 2-원격조종로봇 및 원격제어기술과 응용분야

SUMMARY

ｌ저자ｌ 허 영 PD / KEIT 의료기기 PD실

박지훈 책임 / KEIT 의료기기 PD실

박경환 선임 / KEIT 의료기기 PD실

류제청 박사 / 재활공학연구소

주요 국가별(미,일,독) 그린카 분야 R&D 지원 정책

원격조종로봇 및 원격제어기술과 응용분야

ｌ저자ｌ 박현섭 PD / KEIT 로봇 PD실

이호길 수석연구원 / 한국생산기술연구원 유지환 교수 / 한국기술교육대학교

SUMMARY

목적

원격조종로봇 및 원격제어기술에 관한 최신 동향 정리

해양, 원전 등 다양한 로봇분야에 적용하기 위한 공통기술 정리 및 연구 방향 제시

주요현황

원격조종로봇은 초기 위험한 작업 분야에 대한 적용에서, 최근 인간의 작업피로를 덜어주고 작업능력을 증대하는 용도로 적용분야가 확대되고 있다.

아울러, 고전적인 Direct Teleoperation 단계에서 Shared 혹은 Supervised Teleoperation으로 기술개발이 전 세계적으로 전개되고 있는 추세이며, 이를 통하여 응용분야의 확대를 모색하고 있다.

시사점 및 정책제안

로봇지능 향상을 통한 로봇시장 창출은 지속적으로 연구되어야 하나, 현 기술 수준에서는 사람의 지능과 로봇의 장점을 조합하는 것이 대안이 될 수 있으며 원격제어기술이 중추적인 역할을 할 것으로 예상됨

향후 로봇시장 성장이 예상되는 분야는 국방로봇, 원전해체로봇, 해양로봇, 농업로봇 등이 있으며, 공통적으로 요구되는 대표적인 기술이 원격제어기술임

원격제어기술은 오랫동안 연구되어 왔으며 상용화 적용을 위해 해결되어야 할 핵심기술로 시간 지연, 조종 용이성 및 임장감을 들 수 있으며 이들 기술에 대한 집중적인 R&D 투자가 요구된다.

PD ISSUE REPORT OCTOBER 2013 VOL 13-10KEIT PD Issue Report

한국산업기술평가관리원 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology030 031

1. 개요

대상기술의 정의

원격조종로봇이란 사람의 센싱과 작업능력을 사람이 존재하는 공간에서 멀리 떨어진 공간까지 확대시킬 수 있는 메카트로닉스 장치를 의미한다. [1,2]

작업환경 파악을 위한 센서, 작업자와의 정보교환을 위한 통신채널, 작업자 의도파악 및 작업자에게 환경지 정보를 디스플레이 하기 위한 마스터 시스템 및 원격지에서 물리적인 작업을 위한 슬레이브(팔/핸드) 메카니즘으로 이루어져 있다.

원격 현장감이란 작업자가 마치 물리적으로 원격지에서 자신이 환경을 직접 조작하는 것과 같이 충분한 정보를 자연스럽게 전달받을 수 있다는 것을 의미한다. [1,2]

| 그림 2-1 원격조종로봇의 개요 및 구성요소 |

기술의 필요성

이동성과 작업성이 뛰어난 로봇들이 많이 개발되고 있지만, 로봇지능의 부족으로 인하여 정형화되지 않은 환경에서 사람을 대신하여 작업을 수행하기에는 아직 한계가 많음.

로봇이 부족한 지능(인지/판단)을 인간이 원거리에서 보완하여 줄 수 있는 원격제어기술이 개발된다면, 현재 개발된 로봇들을 활용한 실질적인 작업이 가능할 것임.

이를 통해 다양한 분야에 로봇활용이 가능할 것으로 예상됨.

ISSUE 2원격조종로봇 및 원격제어기술과 응용분야


2. 응용분야 및 기술 동향

응용 분야

(위험작업 활용 ) 사람의 접근이 어려운 공간 (원전 , 우주공간 , 심해 , 전장 등 )에서 사람의 조종에 의한 원격조종 로봇이 활용 되고 있다. 주로 환경을 모니터링하기 위한 용도로 사용되며 , 물리적인 조작 및 작업 수행의 영역으로 확대하기 위한 기술개발이 지속적으로 진행되고 있다. 또한 해양플랜트, 소방, 극한대처 분야 등 그 활용분야가 확대 되고 있다.

(인간 작업능력 증대) 로봇의 적용을 통한 인간 작업능력 증대가 가능하다.

- 근력 증강 : 외골격 로봇을 통한 인간의 근력 증가

- 정밀도 증가 : 인간의 한계를 넘는 미세 동작, 조작 등의 분야

| 그림 2-2 위험작업 활용분야 |

| 그림 2-3 인간 작업능력 증대분야 |



언급된 분야 이외에도 인간의 작업능력을 공간의 제약 없이 이동시킬 필요가 있는 모든 분야에서 활용이 가능하다. 인력 부족 및 생산성 향상이 문제가 되는 농업분야에서 원격조종로봇은 이를 해결하기 위한 대안으로 많은 주목을 받고 있다.

연구개발 동향

Ray Goertz가 처음으로 기계적 링크로 구성된 원격조종로봇을 제안한 이후로 60년 넘게 원격조종로봇이 개발되었고 다양한 분야로 응용이 확대되어 왔다.

| 그림 2-4 원격조종로봇 기술의 과거 및 현재 |

최초의 우주작업 성공Predictive display

DLR, ROTEX

우주로봇 원격조종Shared control 등장NASA, JPL

최초의 모터구동 구조 Argon National Lab

1947 1954 1965 1987 1993

최초의 시간지연불안정성 발견

최초의 원격로봇기계적 링크구조Argon National LabRay Goertz

500msec delay, 드릴작업 및 스위치 조작 성공, 하지만 Dexterous 한 하드웨어 필수 Justin Telerobot, DLR

최초 대륙간 수술미국-프랑스 힘 반영 없음

Computer Motion

최초 FDA승인원격수출로봇

Intuitive

실제 쓰이고 있지만감시정찰 및 단순작업 한정iRobot, packbot

환경정보전달 부족실제물체조작 어려움수중, 우주로봇 등

2000 2001 2005 2012

원격 감시/정찰 등 원격지 모니터링 기능은 현재의 Direct Teleoperation 기술로도 활용 가능하지만, 원격지 물체 조작은 여러 가지 기술적 난제로 인해 적용이 미루어지고 있다.

- 시간지연에 의한 원격조종의 어려움

- 실제로 물체를 대상으로 작업하기에는 부족한 작업성

- 원격지 환경에 대한 정보전달 부족

원격조종로봇의 제어기술은 작업자와 슬레이브 로봇의 협업 정도 또는 슬레이브 로봇의 Autonomy 정도에 따라 [그림 2-5]와 [표 2-1] 과 같이 세단계로 구분된다.



| 표 2-1 원격조종로봇 제어기술의 발전단계 |

구 분 1단계 :

Direct Teleoperation2단계 :

Shared Teleoperation3단계 :

Supervised Teleoperation

정의• 임무 수행을 위해 원격지 로봇의

모션을 처음부터 끝까지 사람이 입력장치를 통하여 제어

• 원격지 로봇과 조작자가 역할을 분담하여 임무를 수행

• 사람은 로봇이 하기 어려운 인지 및 판단만을 하고, 로봇은 실제 작업을 수행하는 기술

예제

• 조작자가 입력장치를 통하여 직교 좌표의 명령을 보내고 , 조작자는 로봇의 입장에서 보고 힘을 느낌

• 원격지 로봇은 일정거리 유지 및 장애물 회피 등 리액티브한 역할을 담당하고, 조작자는 전역경로등의 글로벌한 명령을 조작기를 통하여 전달함. (beating heart surgery 에서 로봇이 심장의 모션과 동기화 되어 움직임으로써, 의사로 하여금 일반수술처럼 쉽게 할 수 있도록 도와줌)

• 조작자가 원격지 로봇이 집어야 하는 물체의 위치 및 posture 정보를 입력장치를 통하여 주면 , 원격지 로봇은 이를 local에서 계획하여 작업을 수행

장/단점

• 로봇의 지능이 전혀 필요없으나 , 작업자의 높은 숙련도가 요구되며, 작업자의 피로도가 크다 . 사람이 모든 것을 직접 조작하므로 조작자의 숙련도에 따라 작업성능 및 안전성이 달라짐

• 작업자의 피로도가 적으며, 숙련도가 적게 요구됨. 원격지 로봇과 작업자의 상호 역할분담이 적절하게 이루어질 수 있는 프레임워크가 완성된다면, 현재 로봇기술 수준에서 최적의 단계로 판단됨

• 로봇에게 가장 어려운 인지 및 판단 부분을 조작자가 담당하고, 모션을 로봇이 담당하는 구조로서 상호간에 최적의 조합으로 보이나, 인지 및 판단된 정보를 로봇에게 전달하여 오차없이 수행하게 하는 방법 및 작업자가 인지 및 판단을 올바르게 하기 위해 원격지 정보를 전달하여주는 방법 등에 대한 연구가 필요함

적용

가능

분야

• 한 사람 이상의 숙련된 조작자가 한 대의 원격로봇을 활용하여 작업을 수행할 때 전체 작업시간 동안 계속 로봇을 조종하는 것을 허용할 수 있는 분야

• 한 사람의 조작자가 한 대의 원격 로봇을 활용하여 작업을 수행할 때 전체 작업시간 동안 계속 로봇을 조종하는 것을 허용할 수 있는 분야

• 인력이 중요하여 한 사람의 조작자가 여러 대의 원격지 로봇을 동시 제어해야 되는 분야 또는 여러 사람이 여러 대를 동시접속하여 생산성을 높여야 되는 분야

| 그림 2-5 원격조종로봇 제어기술의 분류 |



Direct Teleoperation은 기술적으로 아직 부족함은 있지만, 그 부족함을 감수하고라도 꼭 사용해야 되는 분야 (우주, 심해) 또는 그 부족함이 기존작업에 비하여 크게 문제화 되지 않는 작업(복강경 수술)에만 한정되어 지금까지 사용되어 왔음.

| 표 2-2 발전 단계별 문제점 극복 기술 |

문제/단계 1단계 :

Direct Teleoperation2단계 :

Shared Teleoperation3단계 :

Supervised Teleoperation

시간지연 문제 시간지연극복 양방향 원격제어 Shared autonomy

Human Interface Shared

autonomy

Human Interface

작업성 부족 다수로봇, 다수조작자 Multi-modal

Feedback

Multi-modal

Feedback 임장감 부족 다시점 3D, 다수조작자 Human

InterfaceHuman

Interface

생산성을 높이고 원격작업자의 작업 부담을 최소화시키기 위하여 고전적인 Direct Teleoperation 단계에서 Shared or Supervised Teleoperation 으로 전 세계적으로 기술 개발이 전개되고 있음.

2, 3단계의 원격조종로봇 제어기술은 작업의 생산성을 높일 수 있으므로, 원격조종로봇 기술을 좀 더 다양한 응용분야(농업, 생산라인 등)로 확대 시키고 있는 추세임.

| 표 2-3 극복 기술 정의 |

기술 명 정 의

Shared Autonomy원격로봇과 작업자간 역할을 분담하여 작업을 수행하는 기술. 작업분배 및 로봇과 작업자의 협업에 대한 프레임 개발 필요. 로봇에게 필요로 하는 지능의 수준은 아주 미비하며, 사람이 어느 정도의 작업을 담당하느냐에 따라 달라짐. 사람이 담당하는 역할이 줄어들수록 3단계에 가까이 접근

Multi-modal Feedback

작업자에게 원격지 환경정보를 입체영상, 다시점 3D, 입체음향, 햅틱 등 다수의 감각채널을 통하여 이해하기 쉽도록 전달하는 기술. 단순히 실제에 가까운 정보를 전달하는 것이 좋은 것이 아니라 작업자가 작업을 용이하게 하기 위해 필요한 정보들이 무엇인지를 분석하고 이를 가공하여 전달하는 기술에 대한 개발이 필요. 응용하여 Telepresence 기술로도 확장 가능

Human interface사람의 명령을 원격지 로봇이 작업을 수행할 수 있는 형태로 전달하기 위한 기술. 단순히 위치 및 힘 정보를 전달하는 것이 아니라, 작업자의 의도를 파악하고 의도에 맞는 명령을 원격지 로봇에게 전달하기 위한 연구가 필요함.

Shared or Supervised Teleoperation 기술을 완성하기 위해서 Shared Autonomy, Multi-modal Feedback, Human Interface 기술들이 전 세계 연구자들에 의해서 활발히 개발되고 있음.



3. 시사점 및 정책 제안

시사점

로봇지능 향상을 통한 로봇시장 창출은 지속적으로 연구되어야 하나, 현 기술 수준에서는 사람의 지능과 로봇의 장점을 조합하는 것이 대안이 될 수 있으며 원격제어기술이 중추적인 역할을 할 것으로 예상됨

향후 로봇시장 성장이 예상되는 분야는 국방로봇, 원전해체로봇, 해양로봇, 농업로봇 등이 있으며, 공통적으로 요구되는 대표적인 기술이 원격제어기술임

정책제안

인공지능의 권위자 MIT의 M. Minsky교수는 “우리가 지금 계획을 잘 세우기만 한다면 , 21세기 내에 ‘원격제어기반경제(remote-controlled economy)’를 이룩할 수 있다.”라고 할 만큼 거대한 시장이 있고, 사회적 기여도가 높은 로봇기술이다.

공간이동과 시간적 제약을 극소화시킴으로써 인구이동 완화, 일자리 창출, 고령화사회 대비 등 사회적 제 문제를 해결하는 수단이 될 수 있다. 또한 원격농업, 원격생산, 원격진료, 재난대응, 환경감시, 국방 등 그 적용처는 다양하다.

미국은 무인정찰기 Predator, Smart Bomb 등 원격조작기술을 핵심으로 병사투입을 최소화하는 국방기술을 심화시키고 있다. 일본은 후쿠시마 원전사태를 계기로 원격로봇기술을 다시 주목하기 시작하였다. 이러한 상황 속에서 한국이 기술경쟁우위를 확보하기 위해서는 산업적 측면, 사회적 측면에서 시장진입이 가능한 Supervised Teleoperation기술을 확보함이 중요하다.

원격로봇을 한국의 대표적인 간판기술과 제품으로 집중ㆍ성장시키기 위해서는 (가칭) ‘원격제어기반산업화센터’ 구축도 고려할 필요가 있다. 단순한 연구개발사업만이 아닌, 사업아이템의 발굴과 설계, 핵심기술 연구개발, 실증사업 및 사업화에 이르는 패키지를 함께 진행해야 할 것이다.

4. 결론

로봇기술을 활용한 신규시장 창출에 중요한 역할이 예상되는 원격조종로봇 및 원격제어기술에 관한 최신 동향을 정리하고, 원격조종로봇 분야에 대한 연구 개발 방향을 제시하였다.

원격조종로봇은 초기 위험작업 활용 분야가 주를 이루었지만, 최근에는 인간의 작업피로를 덜어주고 작업능력을 증대하는 용도로도 많이 활용되고 있다.

또한, 생산성을 높이고 원격작업자의 작업 부담을 최소화시키기 위하여, 고전적인 direct teleoperation 단계에서 Shared or Supervised Teleoperation 으로 기술 개발이 전 세계적으로 전개되고 있는 추세이며, 이를 통하여 응용분야 확대를 모색하고 있다.


한국산업기술평가관리원 Korea Evaluation Institute of Industrial Technology036 PB

[참고문헌]

1. B. S. Thomas, Telerobotics, Automation, And Human Supervisory Control , MIT press, 1992.2. http://www.wikipedia.org/ Wikipedia encyclopedia

[국내외 주요 기술개발 현황]

연구기관명 프로젝트명 개요 연구기간

한국생산기술연구원

원격작업을 위한 원격조작 서비스 엔진 및 원격조종로봇 시스템 기술 개발

• 다수작업자/다수로봇의 협업 원격조작을 위한 원격조종 서비스엔진 개발

2011.6 - 2014.5

전세계 로봇협회 및 연구기관

Robotics Task Force for Anti-Disaster

• 후쿠시마 원전사고 재난극복을 위한 원격로봇기술 개발

2011.3 –

DLR, TUM 외 13개 유럽 내 연구기관

High-Fidelity Telepresence and Teleaction

• 원격제어 원천기술 및 임장감 향상기술 개발 1999 – 2011

DLR 외 23개 유럽 내 연구기관

ENACTIVE• 원격제어 위한 새로운 형태의 인간-로봇 상호작용

시스템 개발2008 –

DLR 외 다수 유럽 내 연구기관

SKILLS• Multi-modal interface 통한 인간-원격로봇 Skill

transfer 기술 개발2007 –2011

keit pd(2013 10) issue 2-원격조종로봇 및 원격제어기술과 응용분야

Documents