우주서 방향 잃지 않는 로봇 나침반 나왔다

회전 오차 1.43도 불과

광주과학기술원(GIST) 기계로봇공학과 연구팀과 미국 항공우주국(NASA) 에임스연구센터 공동 연구팀이 워크숍 종료 후 기념촬영을 하고 있다. GIST 제공.

위·아래 구분이 없는 국제우주정거장(ISS)에서 방향을 잃지 않는 로봇 나침반 기술이 개발됐다. 우주뿐 아니라 공항, 병원, 창고 등의 공간에서도 활용 가능한 자율 로봇 기술이다. 

광주과학기술원(GIST)은 김표진 기계로봇공학과 교수 연구팀이 미국 항공우주국(NASA)과 공동연구를 통해 ISS에서 로봇이 방향을 잃지 않고 안정적으로 움직일 수 있도록 돕는 ‘디지털 트윈 기반 시각 나침반 기술’을 개발했다고 21일 밝혔다. 디지털 트윈은 현실 세계를 가상 공간에 복제·모사한 디지털 모델이다.

연구팀은 지난 3월 NASA와 함께 세계 최초로 ISS 실내 자율 항법용 데이터세트인 ‘애스트로비(Astrobeet)’를 구축했다. 애스트로비는 ISS 내부 전용 자율 비행 로봇으로 원격 조작이나 자율 주행을 통해 우주비행사들의 작업을 지원한다. 디지털 트윈 기술과 연계해 시뮬레이션도 할 수 있다.

이번 연구는 애스트로비를 활용한 후속 성과다. 연구팀은 애스트로비를 이용해 실제 우주 환경과 유사한 조건에서 나침반 기술의 정확성과 실효성을 입증했다.
  
ISS는 미세중력 환경으로 위·아래 구분이 없어 로봇이 방향을 인식하고 길을 찾기 어렵다. 미세중력 상태에서 운용되는 애스트로비는 제자리에서 전후좌우로 자유롭게 회전하는 움직임이 빈번해 기존 시각 기반 항법 기술로는 방향 인식에 실패할 확률이 높다. 

ISS(왼쪽 위)에서 감지된 모든 선, 그에 대응하는 3차원 CAD 디지털 트윈에서 렌더링된 이미지(오른쪽 위). 연구팀의 기술은 맨해튼 월드 프레임에 정렬된 특징들과 구분돼(왼쪽 아래) 카메라 방향을 드리프트 없이 정확하게 추정할 수 있게 해준다(오른쪽 아래). GIST 제공.

기존 항법 기술 문제를 보완하기 위해 최근에는 건물 구조가 수평·수직으로 정렬돼 있다는 가정에 기반한 ‘맨해튼 월드’와 같은 모델이 사용되고 있다. 하지만 ISS 내부는 설비와 부유 물체가 복잡하게 얽혀 있어 선이나 벽과 같은 구조적 특징이 가려지거나 흐려진다. 맨해튼 월드를 통해서도 정확한 인식이 어렵다.

연구팀은 디지털 트윈 기술로 실내 3차원 공간의 방향 지도를 구축하고 로봇이 누적 오차 없이 절대적인 자세(Drift-Free & Absolute Orientation)를 정확히 측위할 수 있는 새로운 기법을 개발했다. 절대적인 자세는 로봇이 시간이나 이동거리에 관계없이 자신의 방향을 정확하게 인식하고 유지하는 능력이다. 

디지털 트윈 기술을 이용하면 지능적으로 선과 평면을 선별해 로봇이 3차원 공간에서 안정적으로 방향을 추적할 수 있다. 복잡한 환경에서 정확하게 자율 비행이 가능한 핵심 기술이 확보된 것이다. 

연구팀은 개발한 기술을 적용하면 로봇의 회전 정확도를 평가하는 대표 지표인 ‘절대 회전 오차(ARE)’가 평균 1.43도에 불과하다는 점을 확인했다. 연산 속도는 프레임당 약 20ms(밀리초, 1ms=0.001s)로 실시간 적용이 가능한 수준을 보였다. 

김표진 교수는 “이번 연구는 우주정거장과 같은 극한 환경에서도 로봇이 방향을 잃지 않고 스스로 움직일 수 있도록 만든 기술”이라며 “앞으로 디지털 트윈 기반 기술이 공항, 병원, 창고 등 복잡한 실내 공간에서도 자율 로봇의 정확한 길찾기를 가능하게 할 것“이라고 말했다. 연구결과는 미국 로스앤젤레스에서 열린 ‘제2회 우주 로봇 워크숍’에서 지난달 29일 발표됐다.

[문세영 기자 moon09@donga.com]