Giters

ai-robotics-kr / AI-Robotics-Weekly-Update

Archive news on AI and Robotics every week

Geek Repo:Geek Repo

Github PK Tool:Github PK Tool

[주간 AI+Robotics 소식 공유 - Week13] 우주에서의 탐사 로봇에 대해 파헤쳐봅시다!

SeunghyunLim opened this issue · comments

commented

우주에서의 탐사 로봇에 대해 파헤쳐봅시다!

안녕하세요 로드밸런스 대표이자 AI ROBOTICS KR의 운영진인 김수영입니다.

여러분들은 올해 로봇의 상용화가 어떤 분야에서 먼저 이루어 질 것 같으신가요? 저는 올해 항공우주분야, 특히 우주 물류 분야에서 다시 한 번 로보틱스의 수요가 높아지지 않을까 싶습니다.
SpaceX Falcon 9 발사체를 사용할 시, 1kg당 약 350만원 정도의 발사 비용이 소요되며, 달까지 1kg의 페이로드를 이송하는데 최종 약 60억 가량의 비용이 발생한다고 합니다. 실제 유명 유투버인 Mr. Beast는 구독자들의 사진이 담긴 하드디스크를 달까지 전송할 예정이라고도 하지요.
이러한 민간 우주 물류 프로젝트 중 하나인 NASA의 상업용 달 탑재 서비스 (Commercial Lunar Payload Services 이하 CLPS) 중 하나로 2023년 우주로 보내지는 로봇이 있어 소개드리고자 하며, 더불어 우주 탐사 로봇의 주된 목적과, 달에서 동작하는 로봇은 어떠한 조건을 만족해야 하는지 함께 살펴보고자 합니다.

MOONRANGER

미국 카네기 멜론 대학의 MoonRanger 팀은 학생들이 중심이 된 달 탐사 로봇 개발팀입니다. 이들의 목적은 Lunar Polar Ice, 달의 극지방 존재할 수 있는 얼음을 찾는 것입니다. 비용 절감을 위해 지구와의 통신은 불가, Lander와의 통신만 가능하며, 달의 중력은 지구 중력의 약 1/6 (1.62m/s^2), 각종 방사선과 -223.15°C에 이르는 극한 온도를 극복해야 합니다.
예산과 조건들을 고려하여 MoonRanger팀이 선택한 로봇 스펙은 다음과 같습니다.
무게중심이 낮고, 최적의 토크를 낼 수 있으며, 간단한 기구학을 가진 4 Wheel Type (이후에 로버의 바퀴에 대해 다시 언급하겠습니다.)
Pose Estimation을 위한 직선 광원 2줄과 (calibration을 위해 2줄을 사용합니다.) Monocular Camera, IMU (필요에 따라 Sun Sensor가 언급됩니다.)
실시간으로 이루어지는 Visual Odometry, Kalman Filter Pose Estimatoin, Point Cloud to Mesh 변환과 Planning을 감당할 수 있는 프로세서, NVIDIA TX 2
경량화를 위해 베터리 무게를 최소화하고 태양광을 최대로 받기 위해 패널을 스티어링 타입으로 설계하였습니다.
단열을 위해 다층 절연 시스템을 갖추고, 모든 결합부는 내부에서 체결됩니다.
이 모든 스펙을 갖춘 MoonRanger는 서류가방 정도 크기에 13kg의 무게를 갖습니다.
MoonRanger와 같이 우주에서 활동하는 로봇은 최대한 모든 프로세싱을 자체적으로 끝내야 하며, 수집된 데이터를 지구로 보내고자 할 시에는 데이터를 최대한 압축해야 합니다. 이를 위해 자주 사용되는 방법은 Triangle Mesh Compression입니다.

TRIANGLE MESH COMPRESSION

우주에서 수집되는 Point Cloud Data를 통해 SLAM, 3D Reconstruction을 거친 결과물을 Coarse한 삼각형으로 분해하고, 무의미한 삼각형들은 제어하여 전체 데이터 사이즈를 최소화합니다.
데이터의 손실을 우려하실 수 있지만 라이다의 Ground Truth와 약 95% 일치하는 오차율을 가질 수 있으며, 압축 전 8GB 정도의 데이터를 530MB까지 줄일 수 있습니다. 우주에서 데이터 전송 Bandwidth가 약 100kpbs임을 고려할 때 8일 => 11.5시간으로 단축시킨 정도이지요.
더불어 환경을 Triangle Mesh로 간소화하면 자율주행의 Planning 시에도 높은 효율을 보일 수 있습니다. 행성 환경은 매우 울퉁불퉁하고 거칠다는 점을 고려할 때 최적의 방법이라 생각됩니다.

ASTROBOTIC

현재 MoonRanger와 같은 로버 개발, 우주 물류 분야에서 성과를 보이고 있는 기업은 피츠버그에 위치한 Astrobotic로, 이 회사의 설립자인 Red Whittaker가 바로 카네기 멜론 대학의 교수입니다. 민간으로 로버를 달에 착륙시키는 프로젝트인 구글의 Lunar X Prize에서 비롯된 기업으로 24년 VIPER 프로젝트를 주관하는 기업이 바로 이곳입니다.
우주 물류 비즈니스가 성립하는 구조는 발사체 제작 회사와 물건을 보내려는 고객이 모두 NASA와 계약을 맺는 형태입니다. 하지만 특수한 상황이니만큼 고객과 발사체 회사 사이 직접적인 상호작용이 이루어진다고도 합니다.

우주 환경을 극복하는 로봇

달에서 로버를 정차시키고 있으면 로버는 서서히 가라앉게 됩니다. (달의 지반을 이루는 입자는 regolith라고 불리는데요, 화약 냄새가 나는 밀가루라고 생각하면 쉽다네요.) 크고 작은 입자들이 불균형하게 퍼져있기 때문에 압력이 가해지면 작은 입자들이 큰 입자 사이로 들어가면서 해당 부분이 가라앉게 됩니다.

그리고 이 작은 입자는 사람의 폐 속 깊이 침투할 수 있기 때문에 매우 유해합니다. (우주복에 끼어들어오기 때문에 무조건 마시게 됩니다.) 이와 더불어 방사선, 높은 열과 같은 극한의 환경은 인간이 직접 활동하기 힘들게 만듭니다. 대신 로봇이 활용되기에는 매우 좋은 분야가 되지요.

앞서 말한 이유들로 대부분의 로버들은 바퀴에 튀어나온 부분 (Grouser)를 가지며 힘과 모멘트를 분리하는 이중 구조를 갖습니다. 더불어 가벼운 무게와 입자의 통과를 위해 많은 구멍을 가지게 됩니다.
우주 환경을 시뮬레이션하기 위해 Astrobotic는 특수한 입자를 사용하여 환경을 구성하고, 적은 무게의 로봇을 별도로 제작하여 달 중력을 가장한 실험을 진행한다고 합니다.
더불어 행성 표면에 존재하는 수많은 크레이터, 구멍들도 로봇에게 큰 난관이 됩니다.

탐사 로버의 경우 구멍을 피해 목적지에 도달해야 하겠지만, 반대로 이 구멍을 조사해야 하는 것도 로버의 목적입니다. 깊은 구멍일수록 행성의 역사에 대해 알 수 있는 단서, 새로운 물질이 존재할 수 있고, 미래 인류가 새로운 행성에 적응한다면 방사선과 햇빛을 피하기 위해 이 구멍에서 터전을 잡아야 하기 때문이지요.
따라서 구멍 탐사 로버의 경우 강한 광원과 스캔 카메라를 장착하고, 구멍 주위를 반복 촬영하면서 3D Reconstruction을 진행합니다. (Triangle Mesh도 사용하겠지요)

다가오는 우주 로봇 시대를 준비하는 우리의 자세

포스팅 초반 이야기한 것처럼 23년의 상업용 달 탑재 서비스 프로젝트의 성공 여부에 따라 다가오는 24년, 25년에는 우주 로보틱스의 시대가 올지도 모릅니다. 이러한 미래에 대비하여 우리 로보티스트들 모두에게 작은 지식을 공유하고 싶었고, 이번 글에서 언급한 MoonRanger를 비롯하여 Astrobotic에서 진행중인 탐사 로버 프로젝트 IRIS 또한 학생들 기반의 프로젝트입니다.
우리나라에서도 우주 로버를 제작하는 기업과 학생들 간 협업이 적극적으로 이루어지고, 다가오는 우주 시대에서 강국으로 부흥하게 되기를 기원하겠습니다.