사카구치 케이·엔도 겐·하타나카 타케시, 도쿄공업대학 / 이 환방, 정보통신연구기구

카와시마 켄지, 도쿄대학 / 하야시 카즈노리, 교토대학

 

최근 1년 반 정도의 코로나 위기 속에서 회의나 강의 등 여러 가지를 원격으로 하는 습관이 급속하게 사회 전체로 확산됐다. 반대로 말하면 이것은 어떤 일정한 목적을 위해서는 정보통신 기술의 발전이나 사회에 대한 침투가 이미 충분한 정도로 이루어져 있다는 증좌이기도 하고, 코로나 위기가 20년 전 혹은 10년 전에 확산됐다면 동일한 대응이 가능했을지의 여부는 확실하지 않다.

 

한편, 코로나 위기가 확산된 지 1년 정도 지났지만 긴급사태 선언이 나온 지역이라도 실제로 사무실에 출근해 일하는 사람의 수는 거의 변함이 없는 상황으로, 아직 대면 업무가 요구되는 일이 많이 존재한다는 것을 엿볼 수 있다. 언제 어떠한 때에나 사회적 거리를 확보하는 것이 인류의 행복이라고는 물론 생각하지 않지만, 필요에 따라 그러한 대응이 가능하게 하는 것은 정말로 위드 코로나/포스트 코로나 시대의 사회적 요청이며, 그것에 대응하는 것은 이 분야에 종사하는 엔지니어의 책무라고 생각된다.

 

이번 주제 ‘모빌리티·로보틱스·IoT’는 그 핵심 요소라고 할 수 있을 것이다. 이 글에서는 우선 하야시(林)에 이어서 정보통신의 입장에서 지금까지 통신에서는 거의 이용되지 않았던 밀리파를 활용한 자동 운전의 화제(阪口)와 기지국 등의 인프라에 의존하지 않는 단말 간 통신의 최적 화제(李)를, 제어의 입장에서는 포스트 코로나 사회에서 큰 기대가 되는 원격수술 로봇의 화제(川嶋)와 재택근무를 실현하는 원격작업용 로봇의 화제(遠藤) 및 사람을 구성 요소로서 모델에 포함하는 사람·로봇 협조 제어계의 화제(畑中)에 대해서 각각 설명하기로 한다.

 

 

5G가 실현하는 자동 운전의 세계

 

1. 5G/6G의 동향과 V2X의 진화

2020년 제5세대 셀룰러 시스템(5G)이 일본에서 드디어 상용화됐다. 5G의 특징은 밀리파를 활용해 4G에 비해 약 100배의 초고속 전파, 약 10분의 1의 저지연 통신, 그리고 약 100배의 동시 다수 접속을 실현하는 것이다. 3G와 4G로 스마트폰이라는 큰 서비스 플랫폼이 창출됐지만, 5G 그리고 그 후계인 6G에서는 스마트폰만을 목표로 하지 않고 사이버 공간과 피지컬 공간을 5G/6G로 융합하는 초스마트 사회(Super Smart Society)를 목표로 하고 있다. 이 초스마트 사회의 전형적인 예로서 자동 운전차가 활약하는 스마트 모빌리티를 들 수 있다.

 

스마트 모빌리티에 대해 5G가 제공하는 서비스로서는 안전성 향상과 인터넷 접속의 2종류가 있다. 특히 안전성 향상에 대해서는 5G가 가진 초고속·저지연의 차량/사물 간 통신(V2X)이 필수이다. 예를 들면 그림 1에 나타낸 추월 시나리오를 생각해 보자. 여기서는 자차(녹색)의 시계는 전방차(청색)에 의해 완전히 블록되어 있지만, 전방차는 시계가 좋아 대향차(적색)를 검지할 수 있다. 이때 전방차의 센서 데이터를 실시간으로 자차로 전송할 수 있다면, 자차의 센서와 전방차의 센서를 양방 이용한 협조 인지에 의해 자차에서 대향차를 검출할 수 있기 때문에 안전한 추월이 가능해진다.

 

여기서 중요한 것은 이 협조 인지에 필요한 V2X의 요구 조건인데, 문헌 ‘Towards mmWave V2X in 5G and Beyond to Support Automated Driving’에 의하면 1Gbps 이상의 데이터레이트가 필요하고, 또한 지연을 3ms 이하로 억제할 필요가 있다. 이와 같은 요구 조건은 기존 기술로는 달성할 수 없기 때문에 5G가 필수가 되는 것이다. 특히 시가지에서 레벨 4/5의 완전 자동 운전을 실현하기 위해서는 교차점에 설치된 노측기도 포함한 협조 인지가 필수라고 알려져 있다.

 

2. 밀리파 5G를 이용한 스마트 모빌리티 교육연구 필드

현재 5G를 활용한 자동 운전이나 차세대 ITS(고속도로 교통 시스템)의 실증실험이 여러 기관이나 프로젝트에서 실시되고 있다. 여기서는 도쿄공업대학 내에 구축되어 있는 스마트 모빌리티 교육연구 필드를 소개한다. 이 필드는 도쿄공업대학이 중심이 되어 2018년에 설립된 초스마트 사회 추진 컨소시엄이, 2020년에 오오카야마 캠퍼스에 구축한 스마트 모빌리티에 관한 오픈 이노베이션 플랫폼이다.

 

이 필드는 그림 2에 나타낸 여러 대의 자동 운전차와 밀리파 5G를 포함하는 차세대 ITS로 구성되어 있다. 자동 운전차에는 LiDAR나 카메라 등의 센서와 밀리파의 OBU(On-Board Unit)이 접속되어 있으며, 이들의 센서 데이터와 다이내믹 맵에 의해 자동 운전이 제어된다.

 

 

한편 오오카야마 캠퍼스에는 4개의 노측기가 차세대 ITS의 실증장치로서 설치되어 있다. 노측기에는 LiDAR나 카메라 등의 센서와 밀리파 RSU(Road Side Unit)가 접속되어 있으며, 노측기의 센서 데이터를 자동 운전차에 실시간으로 전송해 교차점 등에서 협조 인지를 가능하게 한다. 또한, 이들 모든 센서 데이터를 디지털 트윈으로 집약함으로써 안심 안전한 스마트 캠퍼스의 실현이 가능해진다. 이 필드에 흥미가 있는 분은 초스마트 사회 추진 컨소시엄의 WEB을 참조하기 바란다.

 

단말 간 통신과 그 이활용

 

5G로 대표되는 이동 무선 네트워크의 진화가 계속되는 한편, IEEE 802.11이나 IEEE 802.15 및 LPWA(Low Power Wide Area) 등의 무선 시스템도 침투하고 있듯이, SDGs(Sustainable Development Goals) 사회 실현을 위해 무선통신 기술의 이용은 다양성에 기초한 적재적소가 중요하다.

 

여기서 말하는 단말 간 통신은 기존의 무선통신에서 필요했던 중앙제어장치를 이용하지 않고, 단말끼리 자율적으로 직접 통신하는 것을 가리킨다. 3GPP Release 16에 포함되어 있는 LTE-V2X PC5 Mode-4 및 국제표준규격 IEEE Std 802.15.8의 Peer Aware Communications가 이것에 해당된다. 단말끼리 직접 통신하기 때문에 설치 및 유지 코스트가 억제될 뿐만 아니라, 통신 범위 내의 단말끼리 통신에 즉시성이 있다.

 

 

또한, 단말이 자율분산제어를 하기 때문에 애드혹(Ad-hoc)한 토폴로지를 형성하기 쉽고, 개별 단말의 고장으로 인한 네트워크 장해에 대해 레질리언스성(Resilience)을 갖는 특징이 있다. 이러한 특징을 살려 이동통신용 무선 주파수 이용 효율의 향상이나 재해 시에 단말 간의 애드혹 네트워크의 신속한 확립 등에 도움이 될 수 있다.

 

단말 간 통신의 레질리언스성을 이용해 필자 등은 마을버스를 이용한 지역 정보 공유 시스템이나 과소 지역의 고령자 보호용 라이프로그 수집 시스템 등의 개발과 실증실험을 해왔다. 예로서 라이프로그 수집 이미지도를 그림 3에 나타냈다.

 

과소 지역의 고령자가 지역 내에 분산되어 있고, 세대 수가 한정적이기 때문에 중앙제어형 네트워크로 모두 커버하는 데는 채산이 맞지 않는다. 단말 간 통신에 의한 솔루션에서는 우선 고령자 자택에 센서가 있는 단말기를 설치하고, 고령자의 움직임을 감지한 센서 데이터를 라이프로그로서 기록한다. 기록한 라이프로그를 데이터 패킷으로 분할, 센서가 있는 단말기 내에 보관한다. 그리고 우편바이크 등의 이동 차량에 실려 있는 라이프로그 수집 단말기는 차량이 도로를 주행하는 중에 단말 간 통신에 의해 통신 범위로 들어오는 센서 단말기에서 라이프로그를 받는다. 그리고 관청 등에 설치되어 있는 라이프로그 관리 단말기가 통신 범위에 들어올 때에 단말 간 통신에 의해 수집된 라이프로그를 라이프로그 관리 단말기에 송신한다. 매일의 라이프로그를 수집해 평상시와 다른 움직임이 있는 경우, 그것을 검지해 자치체의 담당자 등에 통지함으로써 고령자의 상황을 확인하는 등의 이용을 가정하고 있다.

 

단말 간 통신의 즉시성 이용 예로서 LTE-V2X PC5 Mode-4의 cooperative awareness service나 필자 등이 개발한 드론 맵퍼라고 하는 드론 위치 정보 공유 시스템 및 선박 상호 검지 시스템 등을 들 수 있다. 이들의 이용은 차량, 드론 또는 선박 등의 이동체에 단말기를 1대씩 설치, 각 단말기는 운행 안전에 관련된 자기 정보(시간, 위치, 이동 속도, 이동 방향 등)를 주기적으로 브로드캐스트하고, 통신 범위 내에 있는 단말기끼리 서로 정보를 공유함으로써 운행 안전 향상에 도움이 될 수 있다.

 

 

그림 4에 나타냈듯이 많은 이동체가 왔다 갔다 하는 장면에서 각 이동기를 둘러싼 점선원은 운행 안전상 필요한 최소 거리를 나타내며, 이 거리와 이동 속도 및 이동 방향 등으로부터 필요한 브로드캐스트 주기가 결정된다. 각 단말기의 브로드캐스트가 도달하는 거리가 일반적으로 점선원의 몇 배∼몇십 배이고, 접근하는 많은 이동체 간에 정보를 공유할 수 있다.

 

보다 간편한 단말 간 통신의 이용 방법도 생각할 수 있다. 예를 들면 상업시설의 상품 소개 및 점내 안내, 병원이나 보건소의 검진표 기입 등에 응용할 수 있고, 코로나 위기 속에 대면 접촉을 줄이는 효과도 기대할 수 있다. 한편, 단말 간 통신의 이용을 확대시키기 위해 해결해야 할 과제가 있다. 근접하는 통신단말 수의 증가에 의한 통신 폭주 발생에 대한 개선책이 그 하나이다. 또한, 단말이 하는 자율분산제어에 대해 단말끼리 연계하는 것이 필요하며, 수렴성과 안정성이 좋은 단말 간 프레임 동기 방식이 요구된다.

 

원격수술 로봇

 

감염증 대책으로서 원격 조작 시스템에 대한 기대가 높아지고 있다. 지금까지 원격 상담, 원격 병리진단이나 원격 화상진단 등이 이루어지고 있었는데, 앞으로는 진단에 머물지 않고 치료의 원격 조작 시스템 활용이 기대되고 있다.

 

 

1. 수술 지원 로봇

최근 수술을 지원하는 여러 가지 로봇이 실용화되고 있다. 그 대표 예로서 저침습의 외과 수술을 지원하는 로봇을 들 수 있다. 이 로봇은 수술자가 조작하는 마스터 콘솔과 그 조작에 따라 환자의 체내에서 동작하는 팔로어 로봇으로 구성된다. 2001년에는 전용의 광회선을 시설해 뉴욕의 집도의가 프랑스의 환자에 대해 원격수술을 실시한 사례가 보고되어 있는데, 통신의 안전성 확보와 법적 정비의 문제 등으로 현재는 원격수술은 실시되지 않고 있다.

 

그러나 통신 기술의 발전과 현재의 감염증 대책으로 원격치료에 대한 기대가 높아지고 있다. 일본 국내에서는 일본의료개발연구기구(AMED)의 고도 원격 의료 네트워크 연구사업에서 원격수술의 실증실험 연구가 작년 7월부터 시작됐다. 이 사업은 일본외과학회가 주도하고 있으며, 원격수술 실증 연구와 가이드라인 책정이 목적이다. 필자 등은 대학 벤처에서 원격 조작이 가능한 수술 지원 로봇을 연구 개발하고 있으며, 동 사업에 참여하고 있다.

 

우선 가상적인 통신 지연이 일어난 경우의 조작성에 대해서, 여러 명의 외과의에 협력을 받아 모의 장기로 실험을 진행했다. 모의 장기로서 호흡이나 심장의 움직임을 모방한 것을 이용했다. 일반적으로 통신 지연이 0.2초를 넘으면 원격 조작성이 악화된다고 알려져 있는데, 거의 동일한 결과를 얻었다. 또한, 히로사키 대학과 약 150km 떨어진 6개의 종합병원 간의 원격 실험에서(그림 5) 통신 지연의 영향을 거의 인식하지 않고 원격 조작할 수 있다는 것을 확인했다.

 

원격 조작에서는 내시경 화상의 시각 정보뿐만 아니라, 팔로어의 로봇 겸자가 장기에 닿았을 때의 역각이 전달되는 것이 안전 향상을 위해 중요하다. 현재 실용화되고 있는 수술 지원 로봇은 시각만으로 조작한다. 이것은 세균을 줄이고, 세정이나 전기 메스의 실장을 위해서는 로봇 겸자에 힘 센서를 탑재하기 곤란하기 때문이다. 그래서 필자 등은 감속기가 필요한 전동 모터가 아니라, 직접 구동이 가능한 고기압 실린더로 로봇 겸자의 관절을 와이어 구동하고, 겸자 밑의 공기압 실린더 압력과 변위로부터 겸자 끝의 외력을 추정하는 방법을 제안 실장하고 있다. 일반적으로 공기압 실린더는 정밀 위치결정에 부적합하지만, 고응답의 공기압 서보 밸브를 이용해 배관의 지연을 고려한 시스템 전체의 제어계 설계에 의해 정밀 위치결정을 실현하고 있다.

 

2. 수술의 부분 자동화를 위한 AI 활용

최근의 연구개발 동향으로서 일부 손기술의 자동화를 들 수 있다. 자동차에서 자동 운전이 화제가 되는 경우가 많은데, 수술 지원 로봇에서도 동일한 움직임이 있다. 단, 체내는 개인차가 크기 때문에 완전한 자동화는 쉽지 않다. 현실적인 시나리오로 수술 중의 일부 단순한 손기술의 자동화를 생각할 수 있다. 필자 등은 원격으로 조작하는 로봇과 자율적으로 동작하는 로봇의 연계에 의한 봉합작업의 부분 자동화 연구를 실시하고 있다. 부분 자동화에서는 태스크의 행정을 실시간으로 식별할 필요가 있다. 봉합 바늘의 검출에 물체 검출 알고리즘을 이용, 봉합 태스크의 부분 자동화에 필요한 비관통, 관통 및 인발의 3가지 상태 추정에 심층학습을 이용했다.

 

시스템은 마스터의 동작을 따르는 팔로어 로봇 겸자와 자율 동작하는 로봇 겸자로 구성했다. 봉합실을 바늘에 꿰어 모의 장기에 꽂아 넣고 바늘이 모의 장기를 관통하면 인공지능으로 그것을 판단, 자율적으로 동작하는 로봇 겸자에 지령이 보내져 자동적으로 바늘을 잡고 뽑아내는 동작을 실시한다. 그 후 조작자가 마스터를 조작해 바늘을 다시 잡는다. 이 과정의 동작을 반복해 연속 봉합을 실현할 수 있다. 보통은 바늘이 관통한 후 왼손으로 로봇 겸자를 조작해 뽑아내기를 하는데, 3D 화상을 보고 있어도 안길이를 알기 어려워 잘못 잡는 경우가 있다. 제안하는 반자율적인 제어 방법에 의해 인발에 필요한 시간을 약 15% 단축할 수 있다는 것을 확인했다.

 

외과 수술은 현재 수술자가 동일한 수술실에서 로봇을 조작하는 서저리(surgery) 3.0의 단계에 있다. 서저리 1.0은 기존의 외과 수술, 2.0은 저침습의 외과 수술을 말한다. 앞으로는 서저리 4.0의 시대라고 일컬어지고 있다. 이것은 물리 공간의 수술 로봇에서 얻은 정보를 사이버 공간에서 집적, 인공지능 등을 활용해 트레이닝에서 활용하거나, 안전성 평가의 이용이나 일부 손기술의 자동화 등에 이활용하는 것이다. 앞으로는 디지털 서저리가 더욱 심화가 예상된다.

 

원격작업용 로봇

 

우주나 재해 현장으로 대표되는 위험을 동반하는 극한 환경에서 사람을 대신해 작업을 하는 원격작업용 로봇의 연구 개발이 이루어져 왔는데, 특히 포스트 코로나 사회에서 보다 광범위한 작업에 활용이 기대되고 있다. 여기서는 후쿠시마 제1 원전폭발의 폐로작업을 가정해 개발한 초장척 다관절 매니퓰레이터, 식품용 핸드 암 시스템의 사례를 소개하는 동시에 미래 전망을 예측해 본다.

 

1. 폐로용 초장척 다관절 매니퓰레이터

후쿠시마 제1 원전폭발의 폐로작업에서는 연료 쓰레기의 제거가 큰 과제였는데, 그 분포나 성상도 명확하지 않아 원자로 격납용기(PCV) 내부의 조사가 급선무였다. PCV는 직경 20m의 구형을 이루고 있으며, 내부에 접근하는 구멍의 직경은 0.5m 정도로 되어 있다. 이 좁은 구멍으로 진입해 최대 10kg의 조사기기를 운반하는 것을 목적으로, 용과 같이 가늘고 긴 굴곡이 가능한 초장척 다관절 매니퓰레이터 ‘Super Dragon’을 개발했다(그림 6).

 

 

외팔보 구조는 기초부의 회전 관절에 중력에 의한 큰 자중 토크가 작용한다. 이 매니퓰레이터에서는 관절을 고강도 화학섬유 로프로 길항 구동하는 구성으로 하고, 이 자중 토크를 여러 개의 로프로 분담해 지지하는 간섭 구동기구를 채용했다. 이것에 의해 중량물인 액추에이터를 기반부에 집중적으로 배치하는 것이 가능하고, 자중 토크를 줄일 수 있다. 또한, 방사선에 약한 액추에이터나 그 제어계를 PCV 외부에 설치할 수 있기 때문에 내방사선성을 높일 수 있는 장점도 있다.

 

구성한 시험제작기는 직경 0.2m, 전체 길이 10m로 좁은 지름의 긴 길이이면서 손끝에서 10kg을 수평 유지할 수 있다는 것을 실험적으로 증명했다. 또한, 전체 질량도 300kg 정도가 되어, 각 관절에 액추에이터를 배치하는 기존 기법의 10분의 1 정도로 현저한 경량화를 달성했다. 또한, 각 관절 각도를 원격 조작함으로써 손끝 부분에 장비한 소형 카메라로 0.2m 정도의 목표물을 촬영하는 데도 성공했다.

 

이 시험제작기는 폐로작업뿐만 아니라, 벽면이나 교량, 대규모 구조물 등의 점검작업에 활용하는 것도 검토하고 있다.

 

2. 식품용 핸드 암 시스템

식품가공의 현장은 노동집약형으로 사람에 의한 작업이 아직 많이 남아 있다. 그림 7은 도시락 담는 작업을 가정한 식품용 핸드 암 시스템이다. 츤모리 핸드라고 부르는 파지부는 무말랭이나 톳 등의 선 모양의 식품을 파지하는 것이 가능하다. 6개의 손가락이 동기해 개폐하고, 식품을 중앙부에 모이도록 파지를 하는 동시에, 상하 방향으로 직동하는 누름판으로 파지한 식품을 담을 수 있다. 단순한 기구이면서 기존의 두 손가락 핸드나 흡착 패드로는 파지하기 어려운 식품을 파지할 수 있으며, 담은 후의 형상이 대체로 원뿔 모양이 되므로 외관상 보기 좋게 ‘산처럼 수북이‘ 담을 수 있는 특징이 있다. 비원형 벨트풀리와 스프링에 의한 자중 보상기구를 도입한 암부는 사람과 동등한 리치이면서 20W/축의 액추에이터로 구동할 수 있고, 사람 측에 설치할 수 있다.

 

 

3. 미래 전망

편의점의 도시락 등은 대소비지의 근교에서 생산할 필요가 있는데, 서서 하는 단순작업이고 작업 환경이 춥거나 반대로 덥거나 해서 쾌적하지 않기 때문에 만성적인 인력 부족에 빠져 있다. 만약 로봇을 원격 조작해서 작업할 수 있다면, 예를 들면 한 방 건너서 떨어져 있는 것만으로 충분한 가치가 있다. 왜냐면 사람은 의자에 앉은 자세로 쾌적한 공간에서 작업하는 것이 가능해지기 때문이다. 그리고 VR 기술에 의한 시각·역각 정보의 전송이나 로봇의 원격 제어를 고속 통신으로 실현할 수 있다면, 사는 장소에 구애받지 않고 지방이나 해외에서도 로봇에 로그인해 일하는 것이 가능해질지도 모른다.

 

코로나 위기로 인해 이른바 화이트칼라의 재택근무는 급속하게 보급된 한편, 물리적인 노동 그 자체가 가치인 에센셜 워커(필수노동자)는 그것이 어렵다는 것이 분명해졌다. 물리적 작업이 가능한 실용적인 원격제어용 로봇의 중요성은 나날이 높아지고 있다.

 

CPHS와 루프 속의 사람

 

이번 코로나 위기로 인해 여러 가지 ’텔레(tele)’가 일반 사회에 인지되고 있다. 가장 유명해진 것은 ‘텔레워크’(재택근무)일 것이다.

 

재택근무를 지원하는 기술은 텔레프레전스(telepresence), 텔레오퍼레이션(teleoperation), 텔레포테이션(teleportation) 등으로 기능에 따라 세분되어 있다. 여기서 주목해야 할 것은 이들은 모두 사람을 내부에 포함하는 시스템이라는 점이다. 그러므로 텔레○○의 설계에서는 ‘사람을 어떠한 수리 모델로서 취급하는가’하는 문제에 직면할 수밖에 없다.

 

1. Cyber-Physical ＆ Human Systems (CPHS)

사람을 포함하는 시스템에 대해서 비교적 새로운 개념으로서 Cyber-Physical ＆ Human Systems(CPHS)가 제창되고 있다. Human을 제외한 CPS에 대해서는 공학과 정보 분야의 복합 연구 영역으로서 연구 개발이 추진되어 왔다. CPHS에서는 이것에 인지과학, 행동경제학, 인간공학, 사회학, 인류학 등의 문과계를 포함하는 분야도 통합해, 사람과 CPS의 인터랙션(interaction)을 생각한다.

 

CPHS가 대상으로 하는 시스템은 끝없이 넓고, 인간이 해야 할 역할도 여러 가지이다. 헬스케어·재활 분야에서는 인간을 공학 시스템과 공생하는 주체로 간주하고, 로보틱스나 자동차·항공기 제어, 화학플랜트에서는 인간이 공학 시스템의 슈퍼바이저나 오퍼레이터의 역할을 담당한다. 또한, 디맨드 리스폰스나 교통 시스템에서는 사람의 집단이 제어해야 할 대상이 될 수도 있고, 빌딩이나 가정의 에너지 관리에서는 인간이 시스템에 목적을 준다. 이렇게 매우 다양한 역할을 하는 인간의 수리 모델은 물론 존재하지 않는다. 기계학습은 그 가능성을 개척한 것이지만, 데이터에 만물이 깃든다는 것도 신앙의 일종일지도 모른다. 문과계 분야와 협동해서 지향하는 가치는 바로 인간의 수리 모델 구축에 있다고 할 수 있다.

 

유니버설한 인간 모델의 구축은 미래의 과제인데, 그것을 지향하기 위해서도 과거에 제안된 인간 모델을 개관하는 것은 중요할 것이다. 실제로 사람을 포함하는 시스템에 관한 연구의 역사는 길다. 다음에 소개하는 로보틱스 분야에서도 문헌은 40년 이상 거슬러 올라갈 수 있으며, 항공기나 자동차에서는 그 탄생에서부터 사람은 시스템의 결정적인 구성 요소였을 것이다. 그러므로 다음으로는 사람·로봇 협조 제어계에서 제안된 대표적인 인간 모델을 소개하기로 한다.

 

2. 사람·로봇 협조 제어계의 인간 모델

우선 한마디로 ‘인간의 모델’이라고 해도 그것은 목적이나 환경에 따라 전혀 다르다. 이 점을 정리하는 데 있어 문헌 ‘Human and Computer Control of Undersea Teleoperators’이 제안한 level of autonomy의 개념은 아주 유용하다. 이것은 완전 수동 제어에서 완전 자율 제어까지 자율성의 수준을 분류한 것이다. 각각의 자율성 수준의 인간 모델을 살펴보자.

 

우선 완전 수동 제어에 대해서 필자가 아는 한 가장 오래된 모델은 문헌 ‘Human Dynamics in Man-machine Systems’에서 제안된 게인 크로스 오버 모델이다. 이것은 제어해야 할 대상이 P(s)로 주어졌을 때, 인간은 대상 P(s)와 인간 H(s)로 이루어지는 오픈 루프 전달함수 P(s)H(s)가 ωce-Ls/s가 되도록 행동하는 것을 전제로 한 모델이다. 여기서 ωc는 게인 교차 주파수를 주는 파라미터로 대상의 응답 속도를 기초로 인간이 결정하고, L은 인간의 반응에 걸리는 지연이다. 이 모델은 인간이 대상의 역 모델 P-1(s)의 역 모델을 학습, 동특성 P(s)를 없애도록 행동하는 것을 주장한다. 이것을 기초로 하는 발전에 대해서는 문헌 ‘Manual Control Cybernetics: State-of-the-art and Current Trends’를 참조하기 바란다.

 

 

수동 제어와 자율 제어가 공존하는 제어 문제로서 쌍방향 텔레오퍼레이션이 있다. 여기서는 인간이 수동성을 만족하는 시스템인 것을 가정하는 것이 일반적이다. 이상의 가정에 의거해, 예를 들면 원격 제어이기 때문에 생기는 통신 지연의 존재 하에서 안정성을 보증하는 제어 구조 등 여러 가지 제어 기술이 구축되어 왔다. 최근에는 단체 로봇과의 인터랙션을 넘어, 인간과 로보틱 네트워크의 협조 제어(그림 8) 및 네트워크 구조가 인간의 특성에 미치는 영향에 대해서 해석이 추진되고 있다.

 

보다 상위의 자율성 수준에 속하는 문제로서 로봇의 운동 제어나 로봇군의 협조 제어를 자율화한 후에, 인간은 소수의 선택지 중에서 실시해야 할 미션을 선택하는 상황을 고려한 연구도 많이 보고되어 있다. 여기서는 앞에서 말한 운동 제어를 생각하는 경우와는 전혀 다른 인간 모델이 이용되어 왔다. 그 대표 예가 Drift-diffusion Model로, 이것은 의사결정을 요구받는 인간 심리의 움직임을 확률 미분방정식으로 표현한 수리 모델이다. 또한, 이 모델의 도중 경과를 고려하지 않고, 최종적인 선택 확률만을 나타낸 모델은 Soft-max Choice Model이라고 부른다. 문헌 ‘Towards Human-robot Teams: Model-based Analysis of Human Decision Making in Two-alternative Choice Tasks with Social Feedback’은 이것에 신경과학의 지견을 융합한 동적 의사결정 모델을 가정해 고찰을 하고 있다.

 

마지막으로 최신 동향도 살펴본다. 최근에는 뉴럴 네트워크나 가우스 과정 회귀 등의 기계학습에 기초한 인간 모델을 구축, 제어계 설계에 포함시킨 연구가 많이 보고되어 있다. 또한, Markov Decision Process에 기초한 인간 모델을 가정한 연구도 활발하다. 그리고 자신 과잉이나 핫 핸드 현상 등 행동경제학의 지견을 융합하려는 연구도 보고되기 시작하고 있으며, 앞으로의 전개가 주목된다.

 

이번 코로나 위기로 인해 보다 높은 자율성 수준의 실현이 요구되는 것은 틀림없을 것으로 생각된다. 사람 손으로 해온 작업에 자율 제어가 들어오거나, 혹은 기존보다 높은 수준의 역할을 인간에게 기대할 때, 연구자·기술자에게는 새로운 인간 모델의 구축이 요구될 것이다. 사실 이 과제는 생산 연령 인구 감소의 문제를 안고 있는 나라에서는 코로나 위기의 유무에 관계없이 중요한 문제이다. 연구의 동기에는 부족함이 없다. 더구나 사람을 포함하는 시스템의 연구는 재미있다. 꼭 많은 독자가 이 주제에 참여하길 바란다.