Ⅰ. 쓰쿠바 챌린지
1. 쓰쿠바(筑波) 챌린지에 대응한 주행 로봇의 설계 방침 제안과 고찰
‘쓰쿠바 챌린지’는 실환경 로봇 도전(Real World Robot Challenge)을 의미한다. 쓰쿠바 시(市)에 있는 쓰쿠바 엑스포 센터 주변 공원과 주위를 무대로 미리 설정된 코스를 환경의 변화를 주지 않고 로봇이 자율 주행하는 것이 이 챌린지의 주요 과제이며, 참가하는 로봇은 사람이나 환경에 위험, 위화감을 주지 않도록 친화성을 갖춰야만 한다.
쓰쿠바 챌린지에 참가하기 위해서는 당연히 로봇의 자율주행을 위한 자기위치인식, 공간인식을 포함해 안전한 자율주행 및 공공장소에서의 활용성 등의 종합적인 외장 설계 등 다양한 부분을 고려해야 한다.
2. 쓰쿠바 챌린지에 대한 주행 로봇의 준수 사항과 설계 방침
쓰쿠바 챌린지는 동작 실험을 하기 위해 준수사항을 지키고 있는지를 확인하는 ‘차검 제도’를 두고 있으며 로봇의 길이 1.2m, 폭 0.75m 이하, 높이 0.6m 이상, 1.5m 이하, 무게 100kg, 속도 4km/hr 이하, 비상 정차 스위치 부착, 친환경성 등을 스펙으로 제안하고 있다.
쓰쿠바 챌린지는 친화성을 확보하기 위해 ‘사회가 받아들이고 이해를 얻기 위한 사항’을 다음과 같이 정했다. ▲로봇 넘버 부착 ▲실험 시 무선에 의한 조작 금지 ▲비상정지 및 일단 정지 후의 간단한 주행재개 지시 ▲로봇은 동작 중 소음이나 진동이 발생되지 않도록 할 것 ▲시가지에서 움직이는 로봇으로 환경에 조화되는 설계 및 디자인 ▲로봇은 환경에 친숙한 기계로서 이콜러지(Ecology), 에너지 효율을 고려한 설계 및 디자인일 것 등이 해당 사항이다.
쓰쿠바 챌린지의 준수사항으로서 ‘안전을 위한 사항’의 내용은 다음과 같다. ▲로봇의 치수 ▲동작 속도 ▲비상 정지 스위치의 설치 ▲로봇은 위험한 돌기 부분이 없는 형상일 것 ▲로봇은 고온의 노출부가 없을 것이 바로 그것이다.
스위치는 사람의 손이 쉽게 닿지 않는 곳에 위치해야 하며, 비상 정지 스위치는 반대로 사람 허리 부근 상단에 배치해 필요시 쉽게 조작할 수 있도록 해야 한다.
한편 로봇의 자율주행 기능의 중요 요소인 자기위치 추정 능력을 위한 내계, 외계의 센서를 적절히 배치하는 것은 불가피하다. 자기위치 추정에는 GPS, LRF 등에 의한 맵 매칭이 많이 사용되고 있으며, 외계 센서는 전파의 수신 감도를 높이고 주변의 사람에 의한 오동작을 방지하기 위해 로봇 높은 곳에 설치하는 경우가 많다.
쓰쿠바 챌린지는 첫 번째 주행 실험에서 최종 주행실험까지 약 4개월 정도의 기간 이내 실험 데이터, 개선점 등을 찾아 차체에 반영해야 한다. 이에 대응하기 위해 로봇의 구조 및 기능을 모듈화해 연결하고, 이로 인해 일부의 설계변경이 전체에 미치는 영향을 최소화할 수 있다.
3. 로봇의 설계·제작 사례
로봇 ‘MAUV’는 자율주행 기능, 친화성, 안전성, 그리고 서비스 기능의 실장을 실현하는 것을 고려했으며, 디자인 프레임워크를 이용해 ‘어린이가 타고 놀면서 즐기는 장난감’의 콘셉트를 구현했다. 차체는 소형화 및 승차성을 고려했으며 로봇 윗면은 앉을 수 있도록 면적을 확보했다.
발포 우레탄 소재의 섬유강화 플라스틱(FRP)으로 제작된 MAUV 보디는 3D CAD를 활용해 NC 가공기의 가공 데이터를 작성했고, 쓰쿠바 챌린지 규정에 따라 주행거리와 배터리 무게를 고려, 경량·견고한 구조를 구현했다. 프레임은 알루미늄을 활용하고, 6㎜ 볼트, 너트를 사용했다.
자율 주행제어는 자기위치인식과 경로추적을 위해 자기(磁氣)내비게이션 방법을 이용했고, 충돌 회피나 좁은 길에서의 공간인식은 레이저 거리 측정기(LRF)를 활용, 보조적 공간인식은 일안 카메라에 의한 옵티칼 플로우(Optical Flow : 광류)를 이용했다.
이러한 기능을 실현하기 위해서는 센서의 위치 선정이 중요하다.
자기 센서는 제어 방식에 따라 좌우 방향의 조정은 불필요하며, 오직 전후만 주행가능하면 된다. 전륜 중심위치에서 후방으로 550㎜범위에서 주행 가능하게 했고, 일안 카메라는 각도와 전후방향, LRF는 높이 방향을 조정 가능하도록 했으며, 실험을 통해 최적의 배치를 도출했다.
4. 평가
로봇 MAUV의 친화성은 일반인을 대상으로 한 실연(實演)과 앙케트 조사로 실시했으며, 대체적으로 높은 점수를 받았다.
또한 쓰쿠바 챌린지대회는 주행 전 로봇이 위험성 여부를 확인하는 차검 제도를 통해 안전을 확인하는 과정이 있기 때문에 MAUV는 설계 단계에서 위험성을 고려, 본질적 안전 설계를 실시했다. 보디에 의한 내부구조의 보호를 목적으로 설계했고, 외부 돌출의 각진 곳은 R처리 설계 방침에 의해 제거했다.
이러한 설계 관점으로 디자인, 설계, 제작을 수행해 안전한 로봇을 실현했다.
또한 이 로봇은 자기 내비게이션 모듈, 충돌회피 모듈, 시각에 의한 공간인식 모듈의 협조 제어에 의해서 자율 주행을 하게 된다. 자기 내비게이션 시스템에서는 처음은 주행 경로를 사람의 손에 의해 원격 조정으로 교시를 한다. 이때 자기 센서에 의한 환경 자장을 계측해 데이터베이스에 보존하고 자율주행 시 데이터베이스의 자기 데이터를 기준으로 주행제어를 하게 된다. 실험환경 하에서는 교시경로와 자율주행 경로의 차이 정도가 차량 성능 평가의 지표가 된다.
5. 고찰
MAUV는 기존에 자주 사용되던 GPS나 레이저거리측정기 대신 자기 내비게이션을 사용했다는 특색이 있다. 때문에 내부 센서를 탑재함으로써 보디에 사람이나 하물을 탑재할 수 있다. 따라서 자율주행 기능과 서비스 기능을 동시에 취할 수 있었다. 또한 FRP를 사용해 타깃 수요층의 호감을 사고, 제작비 문제를 해결한 것도 주목할 만한 점이다.
쓰쿠바 챌린지 대회장에서는 한정적 구간에서 자기 내비게이션 시스템이 효과적으로 작동했으나 우천 시의 대책은 과제로 남아있다. 또한 챌린지에서는 1km/h의 저속으로 운행했지만, 실제 적용을 위해 속도를 높일 경우 안전대책이 추가되어야 한다.
필자약력
마규하 전문연구위원
서울대학교 공과대학 공학사(기계공학)
서울대학교 경영대학원 이수(경영진단사)
기아자동차(주) 제조이사
(주)기아기공 기아기계연구소장(부사장)
서울산업대학교 기계설계자동화 공학부 겸임교수(산학명예교수)
현, 한국과학기술정보연구원 전문연구위원
출 처
井上一道, ‘つくばチャレンジにおける移動ロボットの設計方針の提案と考察’日本ロボット學會誌, 30(3), 2012, pp.234∼244
