Advancing Accessible Underwater Robotics: The Mini-Girona I-AUV at RAMI 2025
본 논문은 열적 및 접근성 문제를 겪었음에도 불구하고 수중 로봇 공학 연구 및 교육을 위한 접근 가능한 플랫폼으로서의 잠재력을 입증하며 RAMI 2025 학생 경진대회에서 2위를 차지한 저렴한 Mini-Girona I-AUV의 설계, 개발 및 경쟁력 있는 성능을 제시한다.
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해양은 인류 탐험의 마지막 거대한 개척지 중 하나로 남아 있지만, 그곳에서 작업할 기계를 보내는 일은 매우 어렵고 비용이 많이 듭니다. 수십 년 동안, 부서진 파이프를 고치거나 섬세한 구조물을 점검하는 것과 같은 복잡한 작업을 수행할 수 있는 로봇들은, 인간이 끊임없이 조종해야 하는 단순한 원격 제어 장치이거나, 수십만 달러의 비용이 들어 대부분의 대학과 연구자들이 접근하기 어려운 거대하고 자율적인 기계 중 하나였습니다. 이러한 재정적 장벽은 첨단 수중 로봇 공학을 소수의 부유한 기관들의 손에 머물게 하여, 발견과 혁신의 속도를 늦추어 왔습니다. 이제 이 분야는 중간 지점을 찾고 있습니다. 즉, 널리 사용될 수 있을 만큼 저렴하면서도, 인간의 손이 조이스틱을 잡지 않고도 스스로 항해하며 탁한 심해를 탐사할 수 있을 만큼 똑똑한 기계입니다.
연구팀은 접근 가능하면서도 역량을 갖춘 자율 수중 이동체인 '미니-지로나(Mini-Grona)'를 제작함으로써 이 목표를 향한 중요한 발걸음을 내디뎠습니다. 속도와 장거리 이동을 위해 제작된 전통적인 어뢰 모양의 로봇들과 달리, 이 새로운 기계는 민첩성과 제자리에서 정지 비행(hovering)할 수 있는 능력을 우선시하여, 수중 구조물 근처에서 섬세한 작업을 수행할 수 있도록 설계되었습니다. 연구팀은 비용을 낮추는 데 집중하여 제작하였으며, 비슷한 연구용 차량 비용의 극히 일부인 약 5만 달러의 가격대를 목표로 했습니다. 이를 위해 물체를 잡을 수 있는 로봇 팔, 인간의 눈처럼 3차원으로 볼 수 있는 스테레오 카메라, 그리고 로봇이 스스로 결정을 내릴 수 있도록 돕는 인공지능을 실행할 수 있는 강력한 컴퓨터와 같은 첨단 부품들을 통합했습니다. 목표는 단순히 더 저렴한 로봇을 만드는 것이 아니라, 기본적인 원격 제어와 지나치게 비싼 연구용 플랫폼 사이의 간극을 메울 수 있는 도구를 만들어, 더 많은 학생과 과학자들이 수중 자동화 실험을 할 수 있도록 문을 여는 것이었습니다.
이 설계의 진정한 시험대는 연구팀이 이탈리아 라 스페치아(La Spezia)의 마리나에서 열린 고난도의 대회인 RAMI 2025에 미니-지로나를 출전시켰을 때였습니다. 대회는 핵심적인 수중 인프라가 손상된 실제 상황을 시뮬레이션했으며, 팀들에게는 로봇을 배치하여 상황을 평가하고, 부서진 파이프를 찾아내어 수리를 수행하는 과제가 주어졌습니다. 도전 과제는 가혹했습니다. 물은 탁하여 가시거리가 단 1~3미터에 불과했으며, 로봇은 인간의 개입 없이 50 x 25미터 구역을 항해해야 했습니다. 과업에는 색깔이 있는 부표를 찾고, 파이프라인을 따라가며, 손상 표식을 식별하고, 누출을 막기 위해 물리적으로 밸브를 돌리는 작업이 포함되었습니다. 이는 실험실의 안전한 환경에서 벗어나, 자율 기계가 실제 세상에서 무엇을 할 수 있는지 한계를 시험하도록 설계된 엄격한 환경이었습니다.
미니-지로나는 시작부터 상당한 난관에 봉착했습니다. 대회 첫날, 높은 온도로 인해 로봇의 내부 전자 부품이 과열되었고, 이로 인해 처음 이틀 동안 자율적인 통신과 항해가 중단되었습니다. 또한, 경기장의 엄격한 보안 규칙으로 인해 8명의 팀원 중 단 3명만이 경기 구역에 들어갈 수 있었기에, 소수의 인원이 엄청난 압박감 속에서 복잡한 운영을 관리해야 했습니다. 이러한 차질에도 불구하고, 로봇의 기본 설계는 회복 탄력성을 입증했습니다. 연구팀은 로봇을 충분히 작동시켜 대회 전체 2위를 확보했습니다. 특히 시각 및 물리적 상호작용이 필요한 과업에서 뛰어난 성과를 거두며, 현장 점검 및 개입 수행 부문에서 최고 점수를 받았습니다.
로봇의 성공은 그것이 수중 세계를 어떻게 "보고" 이해하느냐에 크게 달려 있었습니다. 미니-지로나는 단일 카메라에 의존하는 대신, 인간의 양안 시력처럼 주변 환경을 3차원으로 볼 수 있도록 나란히 장착된 두 개의 카메라를 사용했습니다. 이 시스템을 통해 로봇은 해저의 상세한 지도를 구축하고, 낮은 가시성 속에서도 파이프, 밸브, 부표와 같은 물체를 식별할 수 있었습니다. 로봇의 소프트웨어는 인공지능을 사용하여 이러한 물체를 인식하고 거리를 계산하여, 장애물을 피해 안전하게 이동하도록 안내했습니다. 수리를 수행할 때, 로봇은 5개의 관절이 있는 로봇 팔을 사용하여 밸브를 잡고 돌렸습니다. 앞선 기술적 문제로 인해 최종 회전은 인간의 도움을 받아 완료되었지만, 로봇은 회수용 폴을 성공적으로 잡고 수면 위로 떠올랐으며, 이는 기계가 정밀하게 환경과 물리적으로 상호작용할 수 있음을 보여주었습니다.
대회의 결과는 저가형 수중 로봇 공학의 잠재력과 현재의 한계를 동시에 보여주었습니다. 미니-지로나는 저비용 플랫폼이 복잡한 실제 시나리오에서 훨씬 더 비싼 기계들과 경쟁할 수 있음을 증명했으며, 항해 및 물체 탐지에서 높은 수준의 자율성을 달al성했습니다. 특히 시각 기반 과업에서의 성과는 매우 강력했으며, 이는 첨단 컴퓨터 비전이 개활지의 도전적인 조건에서도 효과적으로 작동할 수 있음을 보여주었습니다. 그러나 이번 경험은 개선이 필요한 영역도 드러냈습니다. 과열 문제와 소규모 팀이 겪은 어려움은 향후 임무를 위해 더 나은 열 관리와 더 견고한 비상 계획이 필요함을 강조했습니다.
앞으로 연구진은 로봇의 신뢰성을 높이기 위해 기능을 개선할 계획입니다. 향후 작업은 딥러닝을 사용하여 수중 환경의 3D 이미지를 재구성하는 로봇의 능력을 향상시키는 데 집중할 것이며, 이는 인간의 도움 없는 완전 자율 개입 과업으로 이어질 수 있습니다. 또한 연구팀은 단일 카메라와 소나 시스템을 결려 결합하는 등 다양한 센서 조합을 테스트하여, 데이터 융합을 위한 더욱 진보된 방법을 개발할 예정입니다. 저렴한 기술으로 가능한 것의 경계를 계속해서 넓힘으로써, 미니-지로나 프로젝트는 수중 로봇 공학을 대중화하고, 우리 해양을 탐사하고 보호하는 데 필요한 도구들이 훨씬 더 넓은 과학자 및 엔지니어 커뮤니티에 제공될 수 있도록 돕고 있습니다.
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