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우주비행 로봇 조수 CIMON에게 배우는 회로 설계에 필요한 교훈


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글/트레이시 브라우니(Traci Browne), 폴 골라타(Paul Golata), 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)


지난 20년간 225명 이상이 국제우주정거장(ISS)을 방문한 가운데 2018년 6월에는 자유롭게 날 수 있는 자율 서비스 로봇이 최초로 이곳을 방문했다. Crew Interactive MObile CompanioN(승무원과 상호작용하는 이동형 동료)으로 알려진 CIMON은 직경 320mm, 무게 5kg의 로봇 뇌로, 사람의 언어로 이야기하고 듣고 보고 이해할 수 있다. CIMON은 인공지능(AI) 조수로, 몸체는 없는 플라스틱 소재의 구형 머리만 갖췄다.
CIMON은 1978년 방영된 만화 영화 시리즈 캡틴 퓨처(Captain Future)에 등장하는 사이먼 라이트(Simon Wright) 교수가 맡았던, 날 수 있는 뇌에서 영감을 받아 설계된 것으로 알려져 있다. 허구의 세계에서 캡틴 퓨처를 돕는 라이트 교수처럼 CIMON은 ISS의 콜럼버스 실험 모듈에서 우주비행사 알렉산더 거스트(Alexander Gerst, 1976~)를 지원하는 임무가 부여되었다.
독일 항공우주센터(DLR)를 대신해 에어버스 사가 개발한 CIMON은 거스트가 3가지 업무를 수행할 수 있도록 지원하는 협업 로봇으로도 작동한다. CIMON은 루빅(Rubik) 큐브 맞추기, 결정체 실험, 의학 실험을 진행하면서 과정을 영상으로 촬영했다. CIMON은 또한 ISS 내 실험과 장비의 운영 및 보수에 관련된 모든 정보를 저장하는 복잡한 데이터베이스의 역할도 수행했다. 덕분에 우주비행사들은 업무에 더욱 집중할 수 있었다. 기록을 문서로 남기기 위해 영상을 캡처할 필요가 있으면 CIMON이 처리하기도 했다.

극미 중력에 부합하는 설계

공상과학 소설에서 영감을 받아 설계되었지만 CIMON 의 구형 디자인은 극미 중력 환경에서 보다 실용적인 의미를 갖는다(그림 1). Airbus Friedrichshafen의 프로젝트 매니저인 틸 아이젠베르크(Till Eisenberg)는 우주비행사들이 수락할 수 있는 로봇을 만드는 것이 첫 번째 난관이었다고 이야기했다.
아이젠베르크는 “우주정거장에 있는 모든 것들은 직각 형태이며, 이것은 매우 기술적인 환경이다. 우리는 얌전한 초점을 갖고 싶었다."라고 말했다.

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[그림 ]: 독일 쾰른에 소재한 유럽우주인센터(EAC)에서 본 CIMON(출처: DLR/T. Bourry/ESA)

CIMON은 얌전한 초점의 역할뿐만 아니라 우주비행사들의 업무를 더욱 잘 관리할 수 있도록 지원하는 주소로서 중요하다. 독일 뮌헨에 소재한 루트비히 막시밀리안 대학병원(Ludwig-Maximilian University Hospital)의 주디스-이리나 부흐하임(Judith-Irina Buchheim) 연구원은 CIMON이 우주비행사들을 지원함으로써 우주비행사들이 스트레스에 덜 노출되고, 이는 사람의 면역 체계에 영향을 끼친다고 생각한다. 단순한 구형의 디자인은 ISS의 상자형, 기술적 환경과 대조가 되지만 장점도 제공한다.
CIMON은 ISS에서 최초로 자유롭게 날아다니며 작동하기 때문에 안전성에 대한 우려가 많았다. 일반적으로 극미 중력이 작용하는 환경에서는 물건이 떠돌아다니면서 다른 물건에 부딪히지 않도록 끈으로 묶어둬야 한다. 아이젠베르크는 가장자리나 모서리가 날카로운 물건이 날아다니면서 ISS 내부의 벽, 장비, 또는 우주비행사에 부딪힐 수 있으므로 위험하다고 말했다.
CIMON이 구형으로 설계되어 사람이 다치지 않는다 하더라도 이미 좁은 우주정거장 내부에서 근무하는 우주비행사에게는 짜증 나는 상황을 유발할 것이다. 이러한 상황을 방지하기 위해 CIMON에는 초음파 센서 12개가 부착되어 장애물을 감지하고 접근하는 사물을 인지할 수 있다. 이러한 센서들이 CIMON과 장애물 또는 우주비행사 간 거리를 측정하기 때문이다.
CIMON 내부에는 팬이 14개 설치되어 CIMON은 모든 방향으로 움직이고 회전할 수 있다. CIMON이 이동하면 듀얼 3D 카메라 센서가 주변에 위치한 사물의 깊이와 관계에 대한 정보를 수집하고 SLAM(동시적 위치추정 및 지도작성) 알고리즘을 기반으로 지도를 제작한다. 정면에 설치된 비디오 카메라와 안면 인식 소프트웨어가 거스트의 눈에 초점을 맞추면 CIMON은 스스로 방향을 이동해 시선을 맞추는 동작을 취한다.
거스트가 관심을 끌려고 해도 CIMON이 창밖을 보며 경치를 감상하는 등 다른 업무를 수행 중이라면, CIMON 쪽으로 이야기하면 된다. 일련의 마이크로폰들이 거스트가 만드는 음성의 방향을 감지할 수 있으며, CIMON은 발화자가 카메라의 시야에 들어올 때까지 방향을 변경한다. 이 지점에서 발화자와 시선을 맞출 수 있다.
최종 점검차 아이젠베르크와 CIMON은 Airbus A300 Zero-G에 탑승해서 포물선 형태로 하강하는 상태에서 비행 실험을 실시했다. 아이젠베르크는 당시 비행이 '대단한 경험'이었으며, '(우주비행사라면) 누구나 해야 하는 훈련'이라고 설명했다. 실험 중 비행기는 45도 각도로 상승 및 하강한다. 실험에 적합한, 극미 중력이 발생하는 순간은 약 20초간 지속된다. 일반적으로 포물선 형태의 비행 실험에서 비행당 극미 중력은 약 30회 발생한다.

얼굴과 음성 설계

눈을 마주하고 통신하는 성능은 로봇 조수가 반드시 갖춰야 하는 기술이다. 따라서 서비스 로봇에도 얼굴이 필요했다. CIMON의 경우 정면을 향한 스크린에 단순하게 선을 그렸다(그림 2). 앞서 설명했듯이 우주비행사들이 CIMON을 받아들이도록 설계하는 것이 가장 중요한 요소였다. 그래서 엔지니어들은 CIMON이 우주비행사와 함께 일할 수 있도록 설계 단계에서부터 거스트를 초청했다. 결과에 만족할 수 있도록 거스트는 여러 음성과 얼굴 중에서 선택할 수 있는 기회가 제공되었다. ISS에서 CIMON을 최종적으로 만났을 때 주인의식과 친숙함을 더하기 위한 방법이었다.

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[그림 2] CIMON이 ISS에 탑승한 장면을 상상한 합성 사진(출처: DLR/T.Bourry/ESA)

CIMON이 우주비행사를 지원하는 데 필수 요소는 핵심적인 음성 이해 요소를 제공하는 IBM의 왓슨(Watson) AI 시스템이다. 누군가 AI 시스템을 갖춘 CIMON 같은 로봇에게 말을 걸면, 로봇은 의도를 파악한다. 오디오 스트리밍을 통해 메시지가 전달되면 로봇은 문자 언어로 메시지를 번역하고, 시스템은 의도를 이해할 수 있다. 의도 파악 과정이 완료되면 AI 시스템은 몇 가지 키워드로 문장 1개를 만들어 대답한다.
아이젠베르크는 AI 시스템이 훈련과 연관된 단어들을 항상 이해할 것이라고 말했다. 이러한 이유 때문에 소규모 프로젝트 그룹에서 잘 작동하는 시스템이 새로운 사람과 상호작용할 때 예상하지 못한 방식으로 반응할 수 있다. 연구팀은 이러한 잠재적인 문제점을 인식해서 거스트가 2개 세션 동안 AI 시스템과 상호작용하도록 요청했다. 덕분에 AI 시스템은 거스트와 친밀감을 느끼게 되었고, 거스트는 AI와 함께 업무를 진행하는 데 익숙해졌다. 우주비행사들이 무선으로 이야기하듯이 ISS 승무원들은 자기들만의 대화 방식을 고안해 냈고, 의도가 분명하게 정의되는 키워드들을 사용한다. 덕분에 미래에는 CIMON이 다른 승무원들과 상호작용할 때 문제가 발생하지 않을 것이다.

상호연결장치 설계

CIMON은 상당 부분 우주항공용 커넥터와 케이블 기술에 의존해 극한의 환경에서 신뢰도 높은 성능을 발휘한다. 우주항공용 상호연결 기술을 구현하려면 관리 당국이 마련한 고성능 부품에 관한 표준을 충족해야 한다. 표준을 충족하지 않으면 재앙에 가까운 피해나 손실이 발생할 수 있기 때문이다. 우주비행선에서 임무를 완수하려면 제품의 신뢰도가 가장 중요한 요소이다. 따라서 성능을 보증하기 위해 특수 재료를 사용하는 일이 잦다. 우주 자체는 온도가 극도로 낮지만 전자부품 내부의 발열 현상 때문에 일상적인 냉각 성능이 제한될 수 있다. 그러면 커넥터와 케이블이 잠재적으로 극도로 광범위하고 동역학적으로 변화가 심한 온도에 노출되는 것이다. 구성 요소들이 제한된 공간 속에 자리잡을 수 있도록 크기가 작고 중량이 적도록 설계하는 것이 중요하다. 그래야 일반적인 페이로드 크기와 공간에 필요한 임무의 목표가 유지되기 때문이다. 커넥터와 케이블의 보유력과 연결 상태가 유지되어야 극도의 작동 조건에서도 연결 상태가 해제되지 않을 것이다.

Amphenol Aerospace는 군대, 민간 항공, 산업용 제품 시장에서 고성능 상호연결장치를 설계, 제조, 공급하는 세계적인 제조사이다. Amphenol Aerospace의 2M 마이크로-미니어처 커넥터는 고성능을 요구하는 상호연결 애플리케이션에 맞게 설계되었다. 타사의 동급 커넥터와 비교해서 71% 가볍고, 52% 작으며, 60% 이상 접점 밀도가 높다. 미군 규격에 맞게 설계되어 검사를 마쳤으며 MIL-DTL-38999 커넥터와 호환된다. 2M 계열 커넥터는 기존 마이크로-미니어처 항공우주/국방용 커넥터와 상호 결합 및 상호 실장이 가능하다. 이들 경량, 고밀도 커넥터는 신뢰도가 높아야 하는 거친 환경에서 크기, 중량 및 출력(SWaP)을 최대화한다.
우주에서는 소재 내에 용해, 냉동, 흡수되었던 가스가 방출되는 아웃개싱 현상이 걱정거리이다. 전자부품은 지구와 다른 대기 압력에 노출된 환경에서 방출된 가스 및 내부 물방울 등에 취약할 수 있기 때문이다. 이에 더해 극도의 충격, 진동, 물리적인 고통과 응력 등 가혹한 환경에서 시스템의 성능이 온전히 유지되도록 추가로 노력이 이루어진다.
Harwin은 극심한 진동, 충격, 온도 등 극한 환경에서도 작동하는, 신뢰도 높은 상호연결장치를 생산하는 제조사이다. Harwin의 Datamate 제품군 커넥터에는 신뢰도 높은 4 손가락 베릴륨동 접점 기술이 적용되었다. Datamate 계열 커넥터는 100G 충격, 40G 범프, 10G 내진동의 특성을 갖춰 가장 극심한 작동 조건에서도 데이터 손실 없이 연결 성능을 제공하며, -55~+125ºC의 극한 온도 범위에서도 작동한다.

결론

과학자들은 달과 화성에 대한 장기 임무 등 소규모 팀 연구에서도 CIMON을 이용해서 장기간 그룹 효과를 관찰할 수 있기를 바란다. 과학자들은 인간과 기계 간 사회적 상호작용에 대해 더욱 많이 이해할 수 있기를 바란다. 아이젠베르크가 말했듯이 이러한 상호작용은 중요하다. 언젠가 로봇이 항공 승무원의 역할을 수행하면서 우주항공 임무에서 필수 역할을 잠재적으로 수행할 수 있기 때문이다.
결국, CIMON은 3D 프린터로 생산된 로봇으로, 상업적으로 제공되며, 규격 센서, 우주항공 등급의 커넥터와 케이블 기술이 적용된 인상적인 제품이다. 더욱이 2년 미만의 짧은 기간 동안 개발되었다. 이러한 개발 속도는 어떠한 애플리케이션에서도 빠른 편이지만 우주항공 산업에서는 신화에 가깝다.
협업 로봇과 서비스 로봇에 대한 자세한 정보는 마우저 일렉트로닉스의 제너레이션 로봇 페이지에서 확인할 수 있다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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