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문제 정의
- 부상시작 후 네 시간만에 수면에 도달한 CR6000과 셔틀은 온누리호 갑판 위로 무사히 인양되었다. 본 논문에서는 CR6000 태평양 시험의 4차 잠수 시험동안 취득된 각종 데이터와 운용 및 기능 시험 결과를 요약하여 제시한다. 보행로봇으로는 세계에서도 처음으로 이루어진 심해 잠수시험에서 보행로봇의 심해 운용방법과 탐사기능이 기존 ROV와는 차별화되는 친환경 근접 정밀 탐사에 활용될 수 있음을 확인하였다.
- 본 논문에서는 심해용 다관절 해저로봇 크랩스터 CR6000의 실해역 실험에서 얻어진 결과와 경험을 요약하여 제시하였다. 필리핀해에서 이루어진 실험에서 CR6000은 4,743m 해저에서 보행하며 탐사기능에 대한 시험을 수행하였다.
가설 설정
- 이상점을 제거했을 경우 위치데이터가 가우시안 분포를 가진다고 가정하고 σ/5를 벗어나는 점을 제거한 후 얻은 평균값으로 셔틀과 CR6000의 초기위치를 가정하였다.
제안 방법
- 크랩스터 CR6000은 해양수산부 국가연구개발사업으로 수행된 “다관절 복합이동 해저로봇 개발” 연구의 일부분으로 개발되었다. 2013년 동과제에서 개발한 천해용 해저 보행로봇 크랩스터 CR200 [9, 10] 기술을 심해로 확장하고 심해환경의 특성을 고려하여 심해용 보행로봇 CR6000을 세계 최초로 개발하였다 [11]. CR6000은 2016년 7월 제작되었고 같은 해 9월에 수조시험을 거쳐 12월에 동해와 태평양에서 실해역 시험을 수행하였다.
- 태평양 실험기간 총 7일중 실험 해역까지 왕복 5일을 소요했고, 현지 실험은 2일간 수행했다. 2일간의 현지실험 중 총 4회 잠수했고 이중 2회는 해저착지 시험을 수행하였다. 총 수중 체류시간은 26시간 22분, 해저면 체류시간은 3시간 54분 최대 잠수수심은 4,743m였다.
- CR6000 다리 관절의 소요토크는 CR200의 전산유체역학해석 결과를 활용한 정적 토크 해석을 바탕으로 약 1.3의 안전율을 고려하여 구동 모터와 감속기를 선정하였다. 특히, 3번 관절은 내부 배선을 고려하여 중공축으로 설계하였고 CR200과 동일한 모터와 감속기를 선정하였다 [14].
- 전기 및 통신, 전원 분배 시스템은 6개의 유리구 내압용기에 나누어 탑재되고, 각 내압용기에서 전원과 신호선이 다리, 센서, 카메라, 조명 팬/틸트장치 등의 장비들과 연결된다. CR6000은 몸체 내부의 유리구 내압용기를 보호하기 위해 몸체 프레임 및 외장을 카본섬유강화플라스틱 (CFRP)으로 제작하였으며, 해저 보행 시 장애물로부터 다리를 보호하기 위해 다리의 외장 또한 CFRP로 제작하였다. CR6000의 몸체 하단에는 수중무게를 조절할 수 있도록 무게추투하장치 (Weight drop device)와 셔틀과의 결합을 위한 고정장치를 배치하였다.
- CR6000은 인터페이스를 CR200 [15]과 표준화하여 원격제어실을 CR200과 공유하고 장비들도 상호 호환되도록 하였다. CR6000의 내부 장비들은 그림 4와 같이 이더넷 인터페이스를 통해 고속/고용량 데이터 통신이 가능하도록 하였으며, 선상제어실과는 이더넷/광 변환기를 통해 광케이블로 연결하여 광대역의 데이터 통신이 가능하도록 설계하였다. 각 센서 장비들은 시리얼 서버를 이용하여 이더넷 인터페이스에 연결되도록 하였다.
- CR6000의 내부 장비들은 그림 4와 같이 이더넷 인터페이스를 통해 고속/고용량 데이터 통신이 가능하도록 하였으며, 선상제어실과는 이더넷/광 변환기를 통해 광케이블로 연결하여 광대역의 데이터 통신이 가능하도록 설계하였다. 각 센서 장비들은 시리얼 서버를 이용하여 이더넷 인터페이스에 연결되도록 하였다. 전압 강하와 전원 손실을 최소화하기 위해 그림 5와 같이 선상 440VAC 3상 전원을 2800VAC 3상으로 승압하여 셔틀에 전송하고 셔틀에서는 이 전원을 다시 150VDC로 강압 및정류하여 셔틀 자체 전원으로 활용하는 한편, 2차 케이블을 통해 CR6000에 공급하도록 하였다.
- 특히, 3번 관절은 내부 배선을 고려하여 중공축으로 설계하였고 CR200과 동일한 모터와 감속기를 선정하였다 [14]. 다리 관절은 기본적으로 프레임리스 BLDC 모터와 하모닉드라이브 감속기의 직결 구조로 설계하였으며, 절대 엔코더와 상대 엔코더 없이 모터의 홀센서만으로 위치 제어하도록 하여 관절 내부 구조를 간결하게 하였다. 600bar 내압수밀을 위하여 관절 하우징 및 링크 배선 통로에 절연유를 충진하였고, 이에 따른 벤트홀, 멤브레인 구조, 압력 보상기 등이 그림 3과 같이 추가되었다.
- 당초 계획된 실험 해역은 필리핀 동쪽 5,000∼ 6,000m 수심 지역이었으나 실험기간 동안 해당지역의 파고가 높은 관계로 일본 남쪽 4,700m 수심지역으로 변경하여 실험을 수행하였다.
- 3%인 Posidonia USBL 시스템의 성능사양과 잘부합하지만 CR6000의 해저보행 궤적을 추적하기에는 부족한 성능이다. 따라서, CR6000이 셔틀로부터 분리하여 초기위치로부터 이동한 보행이동 궤적은 세 가지 추가적인 방법으로 추정하여 비교하였다.
- 그림 9에는 실험구간에서 얻어진 AHRS의 3축 자세 각과 DVL의 3축 속도, 그리고 각 구간별 이동 방법을 표시하였고 추측항법에서 이용하였다. 세 번째 방법은 CR6000이 이동시에 사용한 보행패턴의 보행주기와 보폭을 이용하여 추정하였다. 세 가지 방법으로 추정한 위치 궤적은 그림 10에 나타내었다.
- 태평양에서 수행된 4차 잠수시험에서 셔틀에 결합한 채로 온누리호에서 진수된 CR6000은 두 시간 후에 필리핀해 4,743m 해저에 안착하였다. 셔틀과 CR6000 사이의 잠금장치를 해제한 후 CR6000은 셔틀로부터 분리되어 태평양 해저로 걸어 나가 심해 탐사 기능을 시험하였고, 해저착지 세 시간 후 부상을 시작하였다. 부상시작 후 네 시간만에 수면에 도달한 CR6000과 셔틀은 온누리호 갑판 위로 무사히 인양되었다.
- CR6000의 몸체 하단에는 수중무게를 조절할 수 있도록 무게추투하장치 (Weight drop device)와 셔틀과의 결합을 위한 고정장치를 배치하였다. 셔틀에는 CR6000을 모니터링하기 위한 HD 광학 카메라 및 팬틸트 장치, AHRS, USBL, 고도계, 심도계, 모선에서 공급되는 고전압의 교류 전원을 직류로 바꾸어 주는 변압기를 탑재하였다.
- 해저는 전형적인 심해의 퇴적토양층이었다. 수중중량이 약 50kg인 상태에서 그림 1과 같은 CR6000의 기본 발끝 형상으로 발끝에서 약 20cm 가량 침하하였고 무게 추를 떨어뜨려 수중중량을 줄일 경우 침하량은 더 줄어들었으며 여덟 개의 무게 추를 모두 투하한 후 약 10kg의 양성부력으로 자력 부상하였다 (그림 14).
- 당초 계획된 실험 해역은 필리핀 동쪽 5,000∼ 6,000m 수심 지역이었으나 실험기간 동안 해당지역의 파고가 높은 관계로 일본 남쪽 4,700m 수심지역으로 변경하여 실험을 수행하였다. 실해역 실험에서는 심해에서 CR6000의 수밀, 보행, 카메라, 센서들의 기능시험과 CR6000의 심해운용 및 탐사 성능 시험을 수행하였다. 실험 위치는 필리핀해 일본 남쪽 해역으로서, 29° 42.
- 심해시험 동안 셔틀과 CR6000의 카메라 영상과 스캐닝소나 영상 그리고 CTD 및 고도 정보를 취득하였다. 광학 카메라는 셔틀에 두 대, CR6000에 일곱 대가 장착되어 있고 모든 영상을 녹화하였다.
- 심해저에서 모든 실험을 종료한 후 CR6000에 장착된 무게 추를 투하하여 CR6000을 해저면으로부터 부상시켰다. 그림 14는 무게 추를 투하한 후 부상하고 있는 CR6000의 모습을 셔틀에 장착된 HD카메라로 촬영한 것이다.
- 600bar 내압수밀을 위하여 관절 하우징 및 링크 배선 통로에 절연유를 충진하였고, 이에 따른 벤트홀, 멤브레인 구조, 압력 보상기 등이 그림 3과 같이 추가되었다. 앞 두 다리는 다리 끝에 그리퍼를 추가하여 다리 겸용 로봇팔로 설계하여 필요시 로봇팔로서 기능을 할 수 있도록 하였다.
- 온누리호에서 CR6000 시스템을 진수한 후 4,743m 수심에서 실험을 진행하는 동안 온누리호는 정선하였고, 실험 종료 후 인양하는 동안 온누리호는 약 0.5∼1노트의 속도로 예인하였다.
- 필리핀해에서 이루어진 실험에서 CR6000은 4,743m 해저에서 보행하며 탐사기능에 대한 시험을 수행하였다. 이는 보행로봇의 심해 응용 사례로는 최초이고 가장 깊은 수심에서 이루어진 실험이었으며, 수심 4,743m에서 셔틀과 CR6000사이의 도킹과 언도킹, 해저보행과 자세변경, 광학영상과 초음파 영상의 촬영, CTD 데이터 취득, 수중위치추적 등 일련의 시험을 수행했고 그 결과를 제시했다. 실험 과정에서 얻어진 경험과 데이터들로부터 CR6000이 기존의 프로펠러형 ROV와는 차별화된 기능으로 심해탐사를 수행할 수 있음을 확인하였다.
- 그림 14의 우측 그래프는 셔틀과 CR6000이 부상하는 순간의 수심과 고도 정보를 도시한 것이다. 이로써 총 여덟 개의 무게 추를 이용하여 수중 무게를 조절하고 최종 부상하는 기능까지 확인하며 심해 운용 개념을 검증하였다.
- 각 센서 장비들은 시리얼 서버를 이용하여 이더넷 인터페이스에 연결되도록 하였다. 전압 강하와 전원 손실을 최소화하기 위해 그림 5와 같이 선상 440VAC 3상 전원을 2800VAC 3상으로 승압하여 셔틀에 전송하고 셔틀에서는 이 전원을 다시 150VDC로 강압 및정류하여 셔틀 자체 전원으로 활용하는 한편, 2차 케이블을 통해 CR6000에 공급하도록 하였다.
- 첫 번째 방법은 순수 USBL 위치 데이터만을 이용하여 200 데이터 이동평균 방법으로 추정하였다. 두 번째 방법은 도플러 속도계 (DVL)를 이용한 추측항법 (dead reckoning)으로 추정하였다.
- 총 수중 체류시간은 26시간 22분, 해저면 체류시간은 3시간 54분 최대 잠수수심은 4,743m였다. 태평양 시험의 네 번째 잠수에서는 4,743m 수심의 해저에서 CR6000을 셔틀로부터 성공적으로 분리하여 수중보행 이동하며, 해저 생물체들을 HD영상과 CCD 영상으로 촬영하는 등 일련의 탐사 시험을 수행하였다. 12월 20일 회항하기 시작하여 12월 22일 오전에 거제도 장목항으로 입항하였다.
- 온누리호는 전장64m, 선폭 12m, 배수량 1370톤, 최대 13노트로 10,000마일의 항해가 가능하고, 연구원 25명을 포함해 41명의 승조원이 탑승 가능한 연구선이다. 태평양 실험기간 총 7일중 실험 해역까지 왕복 5일을 소요했고, 현지 실험은 2일간 수행했다. 2일간의 현지실험 중 총 4회 잠수했고 이중 2회는 해저착지 시험을 수행하였다.
- 3의 안전율을 고려하여 구동 모터와 감속기를 선정하였다. 특히, 3번 관절은 내부 배선을 고려하여 중공축으로 설계하였고 CR200과 동일한 모터와 감속기를 선정하였다 [14]. 다리 관절은 기본적으로 프레임리스 BLDC 모터와 하모닉드라이브 감속기의 직결 구조로 설계하였으며, 절대 엔코더와 상대 엔코더 없이 모터의 홀센서만으로 위치 제어하도록 하여 관절 내부 구조를 간결하게 하였다.
- 프로펠러로 추진하는 심해용 ROV와 차별화되는 CR6000의 특징은 친환경 정밀탐사로 요약될 수 있다. 프로펠러에 의한 소음과 해수유동, 그리고 부유물의 발생을 최소화하면서 해저면에 근접하여 촬영을 수행하는 것이 주된 목적이며 이를 달성하기 위해 프로펠러 대신 여섯 개의 다리를 이용하여 이동하도록 설계됐다. CR6000 시스템의 주요사양은 표 1과 같고, 다음과 같이 ROV와 차별화된 특징을 가진다 [12].
- 해미래를 이용하여 심해탐사를 수행하던 우리나라 탐사팀은 심해 관측과 샘플을 수행하는 과정에서 프로펠러에 의한 소음과 해수의 유동이 심해 생명환경을 관찰하는데 적잖이 영향을 미친다는 사실을 경험하였다. 프로펠러의 소음으로 생물체들은 ROV를 경계하였고, 프로펠러에 의한 해수 유동은 해저 퇴적토양층의 표면을 교란시키고 토양을 부유시켜 주위를 혼탁하게 만들었다. 부유물은 로봇의 시야를 가리고, 표면이 교란된 해저토양은 샘플로서의 가치가 떨어졌다.
- 본 논문에서는 심해용 다관절 해저로봇 크랩스터 CR6000의 실해역 실험에서 얻어진 결과와 경험을 요약하여 제시하였다. 필리핀해에서 이루어진 실험에서 CR6000은 4,743m 해저에서 보행하며 탐사기능에 대한 시험을 수행하였다. 이는 보행로봇의 심해 응용 사례로는 최초이고 가장 깊은 수심에서 이루어진 실험이었으며, 수심 4,743m에서 셔틀과 CR6000사이의 도킹과 언도킹, 해저보행과 자세변경, 광학영상과 초음파 영상의 촬영, CTD 데이터 취득, 수중위치추적 등 일련의 시험을 수행했고 그 결과를 제시했다.
- CR6000은 셔틀에 결합한 채로 조사선의 A프레임을 이용하여 진수하고 자중으로 하강한다. 해저에 착지 후 CR6000은 셔틀에서 분리 이탈하여 보행이동하면서 탐사한다. 셔틀과 CR6000 사이를 연결하는 2차 케이블은 길이가 고정되어 있어 케이블 길이 반경을 넘어서 보행 이동하거나 부상하여 유영할 경우에는 지원 모선이 셔틀을 들고 CR6000을 따라 이동한다.
대상 데이터
- CR6000 시스템은 수상모선-셔틀-CR6000으로 구성되며, 각각은 케이블로 연결되어 전원과 통신을 공급받는다. 셔틀은 모선의 운동과 케이블의 하중이 CR6000에 미치는 영향을 줄이고, CR6000을 안전하고 용이하게 진수, 이동, 착저 및 탐사할 수 있도록 지원하는 역할을 한다.
- 2013년 동과제에서 개발한 천해용 해저 보행로봇 크랩스터 CR200 [9, 10] 기술을 심해로 확장하고 심해환경의 특성을 고려하여 심해용 보행로봇 CR6000을 세계 최초로 개발하였다 [11]. CR6000은 2016년 7월 제작되었고 같은 해 9월에 수조시험을 거쳐 12월에 동해와 태평양에서 실해역 시험을 수행하였다. 태평양에서 수행된 4차 잠수시험에서 셔틀에 결합한 채로 온누리호에서 진수된 CR6000은 두 시간 후에 필리핀해 4,743m 해저에 안착하였다.
- CR6000의 지원모선은 한국과학기술원의 과학조사선 온누리호를 이용하였다. 온누리호는 전장64m, 선폭 12m, 배수량 1370톤, 최대 13노트로 10,000마일의 항해가 가능하고, 연구원 25명을 포함해 41명의 승조원이 탑승 가능한 연구선이다.
- CR6000의 태평양 실험은 필리핀해에서 12월16일부터 12월 22일까지 총 7일 동안 수행하였다. 당초 계획된 실험 해역은 필리핀 동쪽 5,000∼ 6,000m 수심 지역이었으나 실험기간 동안 해당지역의 파고가 높은 관계로 일본 남쪽 4,700m 수심지역으로 변경하여 실험을 수행하였다.
- 심해시험 동안 셔틀과 CR6000의 카메라 영상과 스캐닝소나 영상 그리고 CTD 및 고도 정보를 취득하였다. 광학 카메라는 셔틀에 두 대, CR6000에 일곱 대가 장착되어 있고 모든 영상을 녹화하였다. 그림 13은 카메라에서 촬영된 영상의 일부로 4,700m 해저에 서식하는 생명체들을 확인할 수 있다.
- 실험 위치는 필리핀해 일본 남쪽 해역으로서, 29° 42.045'N 135° 15.975'E 에 위치하고 수심은 4,700∼4,800m 정도이다.
- 5∼1노트의 속도로 예인하였다. 온누리의 위치궤적은 GPS로부터, 셔틀과 CR6000은 USBL Posidonia 시스템으로부터 얻은 데이터이다. CR6000 시스템은 진수 후 2시간여 만에 4,734m 해저에 안착했다.
- CR6000의 지원모선은 한국과학기술원의 과학조사선 온누리호를 이용하였다. 온누리호는 전장64m, 선폭 12m, 배수량 1370톤, 최대 13노트로 10,000마일의 항해가 가능하고, 연구원 25명을 포함해 41명의 승조원이 탑승 가능한 연구선이다. 태평양 실험기간 총 7일중 실험 해역까지 왕복 5일을 소요했고, 현지 실험은 2일간 수행했다.
이론/모형
- 첫 번째 방법은 순수 USBL 위치 데이터만을 이용하여 200 데이터 이동평균 방법으로 추정하였다. 두 번째 방법은 도플러 속도계 (DVL)를 이용한 추측항법 (dead reckoning)으로 추정하였다. 그림 9에는 실험구간에서 얻어진 AHRS의 3축 자세 각과 DVL의 3축 속도, 그리고 각 구간별 이동 방법을 표시하였고 추측항법에서 이용하였다.
성능/효과
- 그림 12는 해저에 착지한 상태로 몸체의 자세를 변화시키는 자세제어 시험 중인 CR6000의 모습 (셔틀의 카메라로 촬영)과 이 때의 관절 각도를 나타낸 것이다. 몸체의 종회전 (pitch) 명령과 상하높이 (heave) 변경 명령에 잘 추종하였고 그 결과를 확인할 수 있다. 이는 착지한 상태에서는 몸체의 자유도를 얻을 수 없는 기존 ROV와 차별화된 CR6000의 기능 중 하나이며, 소나와 카메라 등의 관찰 장비의 관찰 범위를 증대시킬 수 있다.
- 본 논문에서는 CR6000 태평양 시험의 4차 잠수 시험동안 취득된 각종 데이터와 운용 및 기능 시험 결과를 요약하여 제시한다. 보행로봇으로는 세계에서도 처음으로 이루어진 심해 잠수시험에서 보행로봇의 심해 운용방법과 탐사기능이 기존 ROV와는 차별화되는 친환경 근접 정밀 탐사에 활용될 수 있음을 확인하였다. 본 논문의 Ⅱ장에서는 CR6000 시스템의 구성과 특징에 대해 서술하고, Ⅲ장에서는 실해역 시험에서 얻어진 데이터와 이에 대한 고찰을 제시하며, Ⅳ장은 본 논문의 결론으로 시험결과의 의의와 향후 계획을 제시한다.
- 언도킹시에는 보행 안정성이 가장 높은 5점지지 불연속 보행으로, 셔틀에서 분리된 이후에는 5점지지 연속보행으로 전진하였다. 보행주기와 보폭의 변화 명령에 따라 관절 경로가 변경되어 원하는 걸음새를 구현하고 있음을 확인할 수 있다.
- 프로펠러의 소음으로 생물체들은 ROV를 경계하였고, 프로펠러에 의한 해수 유동은 해저 퇴적토양층의 표면을 교란시키고 토양을 부유시켜 주위를 혼탁하게 만들었다. 부유물은 로봇의 시야를 가리고, 표면이 교란된 해저토양은 샘플로서의 가치가 떨어졌다. 교란되지 않은 샘플을 채취하는 것과 관찰 대상과의 상호 간섭을 최소화하면서 접근 관찰하는 것은 과학적 조사에서 아주 중요한 부분이다.
- USBL의 위치 데이터는 선박과 해양의 소음에 의해 간헐적으로 발생하는 이상점 (outlier point)을 보인다. 셔틀과 CR6000이 초기 해저에서 정지하고 있었던 약 1시간 동안의 위치데이터는 이상점의 영향으로 200m 이상의 표준편차를 보였다. 이상점을 제거했을 경우 위치데이터가 가우시안 분포를 가진다고 가정하고 σ/5를 벗어나는 점을 제거한 후 얻은 평균값으로 셔틀과 CR6000의 초기위치를 가정하였다.
- 이는 보행로봇의 심해 응용 사례로는 최초이고 가장 깊은 수심에서 이루어진 실험이었으며, 수심 4,743m에서 셔틀과 CR6000사이의 도킹과 언도킹, 해저보행과 자세변경, 광학영상과 초음파 영상의 촬영, CTD 데이터 취득, 수중위치추적 등 일련의 시험을 수행했고 그 결과를 제시했다. 실험 과정에서 얻어진 경험과 데이터들로부터 CR6000이 기존의 프로펠러형 ROV와는 차별화된 기능으로 심해탐사를 수행할 수 있음을 확인하였다. 이번 시험은 수중보행로봇으로 시도한 첫 심해 시험 사례로서 향후, 보행형 수중로봇의 개발과 활용 등 유사분야 연구에 좋은 참고자료가 될 수 있을 것이다.
- 4m로 나타났고, 셔틀로부터의 거리는 약 8m 떨어진 것으로 나타났다. 실험 위치가 USBL 위치추적 오차가 큰 심해이고 해저면과 발끝의 미끄럼이 상대적으로 큰 퇴적토양이었으므로 200 데이터 이동평균 결과나 보행패턴을 이용한 위치 추정 결과에 비해 추측항법 결과가 실제 이동 궤적을 잘 추정하고 있는 것으로 보이며 이는 CR6000의 스캐닝 소나를 이용하여 계측한 셔틀과의 상대 위치에서도 확인할 수 있었다.
- CR6000시스템은 셔틀과 쌍으로 이루어져 있어 상호 촬영이 가능하다. 프로펠러 유동에 의한 부유물이 없어 CR6000의 탐사 모습을 선명하게 촬영할 수 있었고, 프로펠러에 의한 소음과 유동이 없어 친환경적으로 해저 생명체를 근접 관찰할 수 있었다. CR6000시스템이 해저에 체류하는 동안 촬영된 심해 생물들은 로봇을 경계하지 않고 멀리 달아나지 않아 관찰이 용이했다.
후속연구
- 실험 과정에서 얻어진 경험과 데이터들로부터 CR6000이 기존의 프로펠러형 ROV와는 차별화된 기능으로 심해탐사를 수행할 수 있음을 확인하였다. 이번 시험은 수중보행로봇으로 시도한 첫 심해 시험 사례로서 향후, 보행형 수중로봇의 개발과 활용 등 유사분야 연구에 좋은 참고자료가 될 수 있을 것이다. 이번 실험에 이어 실전 시범탐사가 수행될 수 있는 기회가 있기를 기대한다.
- 이번 시험은 수중보행로봇으로 시도한 첫 심해 시험 사례로서 향후, 보행형 수중로봇의 개발과 활용 등 유사분야 연구에 좋은 참고자료가 될 수 있을 것이다. 이번 실험에 이어 실전 시범탐사가 수행될 수 있는 기회가 있기를 기대한다.
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