▲ 국제우주정거장(ISS)은 맨해튼 월드(MW) 가정을 만족하는 대표적인 사례 중 하나로 세 가지 주요한 수직 방향(직교 방향)이 빨강, 초록, 파랑으로 시각화돼 있다. 광주과학기술원 김표진 연구팀은 이번 기술을 통해 이러한 구조적 특징을 디지털트윈과 결합해 로봇이 방향 인식 오차를 최소화하도록 하는 자율항법 기법을 구현했다(사진=광주과학기술원).  © 최한민 기자

(커넥트 데일리=최한민 기자) 광주과학기술원 연구팀이 국제우주정거장처럼 복잡한 환경에서도 로봇이 길을 잃지 않도록 디지털트윈과 실제 영상을 결합해 방향 인식 오차를 줄이는 새로운 자율항법 기법을 개발했다.

광주과학기술원(GIST) 기계로봇공학과 김표진 교수 연구팀은 미국 항공우주국(NASA)과 협력해 우주 로봇의 자율 이동 정확성을 크게 높이는 ‘디지털 트윈 기반 시각 나침반 기술’을 개발했다고 21일 발표했다.

이번 연구는 올해 3월 세계 최초로 공개된 국제우주정거장(ISS) 실내 자율 항법용 데이터셋 ‘애스트로비(Astrobee)’를 활용해 성과를 고도화한 것이다.

애스트로비는 무중력 상태에서 자유롭게 이동하며 임무를 수행하는 NASA의 전용 자율비행 로봇으로 이번 기술은 이 로봇의 안정적 이동을 뒷받침하기 위해 추진됐다.

ISS 내부는 위아래 구분이 없고 복잡한 설비와 부유 물체가 얽혀 있어 로봇이 방향을 인식하기 어려운 특수 환경이다.

기존 방식은 건물 구조가 수평ㆍ수직으로 정렬돼 있다는 ‘맨해튼 월드’ 모델을 가정했지만 ISS에서는 선이나 벽 같은 구조적 특징이 가려지거나 흐려져 정확도가 떨어지는 문제가 있었다.

연구팀은 이를 극복하기 위해 ISS 내부를 디지털 트윈으로 구현하고 실제 영상에서 감지된 구조적 선을 가상 모델과 대조해 불필요한 정보를 제거하고 신뢰할 수 있는 요소만 선별하는 기법을 개발했다.

그 결과 로봇은 시간이나 이동 거리에 상관없이 방향을 잃지 않고 절대적인 자세를 유지할 수 있게 됐다.

실험에서 확인된 ‘절대 회전 오차(ARE)’는 평균 1.43°에 불과했으며 연산 속도도 프레임당 0.02초로 실시간 적용이 가능했다.

▲ ISS 이미지(왼쪽 위)에서 감지된 모든 선들과 그에 대응하는 3D CAD 디지털 트윈에서 렌더링된 이미지(오른쪽 위)는 매우 복잡하게 어지러운(cluttered) 장면을 보여준다. 혼잡한 환경으로 인해 생긴 신뢰할 수 없는 특징들은 ISS의 맨해튼 프레임에 정렬된 구조적 특징들과 구분돼(왼쪽 아래) 카메라의 방향을 드리프트 없이 정확하게 추정할 수 있게 해준다(오른쪽 아래)(사진=광주과학기술원).  © 최한민 기자

이 성과는 로봇이 복잡한 환경에서 누적 오차 없이 안정적으로 자율 비행할 수 있는 토대를 마련한 것이다.

김표진 교수는 “우주정거장처럼 극한 환경에서 로봇이 길을 잃지 않도록 한 기술을 확보했다”며 “향후 공항, 병원, 물류창고 등 복잡한 실내 공간에서도 정밀한 길찾기를 가능하게 할 것”이라고 말했다.

아울러 “앞으로 조도 변화 등 특수한 우주 환경에서도 로봇이 안정적으로 활용될 수 있도록 연구를 이어갈 계획”이라고 덧붙였다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단, GIST 해외 공동연구 장학 프로그램(IREF)의 지원을 받아 NASA 에임스 연구센터와 공동으로 수행됐다.

연구 성과는 지난달 미국 로스앤젤레스에서 열린 ‘제2회 우주 로봇 워크숍’에서 발표돼 국제 학계의 관심을 모으기도 했다.

▲ 광주과학기술원 기계로봇공학과 김표진 교수 연구팀과 미국 항공우주국(NASA) 에임스 연구센터(Ames Research Center) 공동 연구진이 워크숍 종료 후 기념촬영을 하고 있다(사진=광주과학기술원).  © 최한민 기자