'젊은 로봇 공학자(Young Robot Engineer)' 코너는 한국로봇학회와 로봇신문이 공동으로 기획한 시리즈물로 미래 한국 로봇산업을 이끌어 갈 젊은 로봇 공학자를 발굴해 소개하는데 있다.

49번째 인터뷰는 서울시립대 황면중 교수다. 황 교수는 1980년생으로 경기과학고등학교를 2년만에 조기 졸업하고, 1997년 한국과학기술원(KAIST) 기계공학과에 입학해서 졸업 후, 동 대학원에 진학해 기계공학으로 석사, 2007년 8월 박사 학위를 받았다. 박사 졸업 후 2007년 12월까지 KAIST 기계기술연구소 연수연구원, 2008년 1월부터 2009 12월까지 미국 케이스 웨스턴 리저브대에서 박사후연구원으로 재직했다. 귀국 후 2010년 2월부터 2013년 2월까지 3년간 삼성전자 생산기술연구소 로봇시스템그룹에서 책임연구원으로 근무하다, 2013년 3월부터 2015년 2월까지 한라대 기계자동차공학부 조교수, 2015년 3월부터 2021년 2월까지 한국교통대학교 기계공학전공 조교수, 부교수를 거쳐 올해 3월부터 서울시립대 기계정보공학과 부교수로 재직중에 있다.

주요 관심 분야는 로봇 모션/제어/매니퓰레이션/비전, 양팔 로봇 협조 제어, 자율주행, 산업용/필드 로봇 등이다. IEEE(국제전기전자학회) 멤버이며, 제어로봇시스템학회 이사, 한국로봇학회 정회원, 대한기계학회 이사, 한국정밀공학회 이사 등 학회 활동도 활발히 하고 있다. 2018~2021 대한전기학회 미니드론 자율비행 경진대회 은상ㆍ동상, 2019 R-Biz 챌린지 제우스 산업용 로봇 미션챌린지 동상, IEEE/RSJ IROS 2019 매쓰웍스 미니드론 경진대회 3위, 2017년 한국로봇종합학술대회 우수학부논문상, 2019년 ICROS 학술대회 우수논문상, 2019년 제어로봇시스템학회 특집호 공로상, 2019년 권욱현 젊은연구자 논문상 등을 수상했다.

▲서울시립대 황면중 교수

Q. 최근 하고 계신 연구가 있다면 소개 부탁드립니다.

2021년 3월에 서울시립대학교 기계정보공학과로 이직 후 로보틱스 연구실을 운영하고 있습니다. 현재는 4명의 석사과정 학생, 2명의 학부 인턴들과 함께 두 가지 방향으로 연구를 진행 중입니다.

▲ 연구실 보유 로봇

첫 번째는 제가 오랫동안 진행한 매니퓰레이터 모션 제어를 기반으로 모바일 매니퓰레이션에 대한 연구입니다. 주변 환경 인식, 비전, 경로 계획, 캘리브레이션 등에 대한 세부 연구를 진행 중이고 여러 대의 로봇이 협업하는 부분에 대한 협업 알고리즘, 작업 계획 등에 대해서도 연구를 진행하고 있습니다. 두 번째는 농업용 로봇 응용과 관련하여 과수 수확용 적응형 그리퍼 연구를 진행하고 있습니다. 매니퓰레이션 연구와 관련이 있으며, 특히 유연 소재, 설계, 제작 부분에 주안점을 두고 다양한 형태의 그리퍼를 연구하고 있습니다. 새로운 연구 환경 구축에 시간이 소요되었으나 현재는 다양한 종류의 매니퓰레이터, 모바일 로봇 등을 보유하게 되어 실내외에서 검증 실험을 진행하고 있습니다. 활발한 연구 진행을 위해 한국로봇융합연구원(KIRO), 전남대학교, 한국교통대학교 등과 지속적으로 협업하고 있습니다.

▲ 유연 그리퍼 연구

Q. KAIST에서 “Motion Planning of Bimanual Robotic Assembly”로 박사 학위를 받으셨는데 어떤 내용인지 소개 부탁 드립니다.

양팔을 이용하는 조립작업의 로봇 운동 계획법에 대한 것으로 로봇 부품의 기하학적인 정보로부터 조립 작업을 부품 상태들의 조합으로 모델링하고 각 상태의 변화과정을 부품의 운동 과정으로 계획하여 이를 로봇의 명령으로 변환하는 과정에 대한 논문입니다. 당시 로봇을 이용한 조립 작업에 대해서는 부품의 이동 경로만을 고려하거나 로봇의 제어 관점에서만 고려한 연구들이 대부분이었고, 양팔 로봇이 협업하는 부분에 대해서는 운동 계획이 복잡하다는 문제가 있었습니다. 부품의 기하학적인 정보로부터 실제 로봇의 움직임이 가능한 운동 명령을 구하는 방법을 제시하였고, 두 대의 6축 로봇을 이용하여 협업 제어구조를 가지는 시스템을 구축 후 이를 실험적으로 입증하였습니다. 동일 조립 작업에 대해 하나의 로봇을 사용하는 것 대비 양팔을 사용하는 경우에 대한 로봇의 효율성을 정량적으로 보이는 연구도 포함하여 진행하였습니다.

▲ KAIST RSLAB 양팔 로봇 시스템. 사진 왼쪽 2000년 개별연구 당시 실험사진, 오른쪽 2006년 박사과정 당시 실험사진

Q. 로봇을 연구하시면서 가장 어려운 점은 무엇입니까?

로봇의 형태도 다양하고 그에 따른 관련 세부 연구 주제도 다양하다 보니 다양한 협업 연구자가 필요하다는 것이 쉽지 않은 부분입니다. 반면에 필요한 기술에 대한 협업이 진행되었을 때 제 연구그룹에서 접하기 힘든 로봇 플랫폼이나 연구 내용을 활용할 수 있다는 것이 장점이기도 합니다. 새로운 연구자들과 협업을 시작하기 위해서는 많은 협의 과정이 필요하고 진행과정에서도 서로 일정, 의견 등을 조율할 필요가 많습니다. 소속 그룹들의 이해관계도 있기 때문에 때로는 희생과 양보도 필요하게 되는데 이 과정을 잘 진행하는 것이 어렵기도 하고 중요한 부분입니다. 저는 다행히 좋은 분들을 만나서 국내외 다양한 학교, 연구소, 기업들과 협업할 기회가 많아 연구 진행에 큰 도움이 되고 있습니다.

▲ 싱가포르 난양공대(NTU) 팜 쿠옹(Pham Cuong) 교수와 공동 연구(2019.01~02) 당시 모습

Q. 교수님의 주요 관심 분야가 로봇 모션/제어/매니퓰레이션/비전, 양팔 로봇 협조 제어, 자율주행, 산업용/필드 로봇 등으로 알고 있습니다. 로봇 모션/제어 분야의 최신 동향이나 특이사항이 있다면 무엇인지 궁금합니다.

로봇 모션은 작업 레벨, 직교좌표 경로 레벨, 관절좌표 경로 레벨, 액추에이터 제어 레벨까지를 광범위하게 포함하는 것으로 각 과정에서 역기구학 해석, 경로계획보간, 최적화 등의 세부 연구가 필요한 부분입니다. 최근에는 다수의 로봇들이 협업하는 군집 제어에 대한 연구가 진행되면서 로봇 모션 관점에서도 작업 할당, 작업 계획 등에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있습니다. 또한 3D 비전 등에 대한 연구가 활발히 진행되면서 비구성 환경에서의 로봇 및 작업물 위치 인식, 포인트 클라우드를 이용한 환경 인식 및 경로 계획 등을 통해 로봇 모션 및 매니퓰레이션에 활용하는 연구도 활발히 진행되고 있습니다. 로봇 모션 및 제어 부분에서도 강화학습, PbD(Programming by Demonstration) 등을 작업 지능 관점으로 접근하여 로봇 활용성을 높이는 연구도 최근 활발히 진행 중입니다.

Q. 로봇을 연구하시게 된 동기가 있다면?

어릴적부터 움직이는 기구 메커니즘에 대한 호기심이 많았습니다. 제 또래들이라면 초등학교 시절 과학상자를 접한 추억이 많을 듯 한데 저 또한 과학상자를 한번 펼치면 시간 가는 줄 모르고 모터를 조립해서 다양한 형태의 움직임을 구현하는 것을 좋아했습니다. 제 기억이 맞다면 당시 경진대회에 출전하면 평가 항목 중 하나가 정해진 개수의 모터로 얼마나 많은 부분을 동시에 움직이게 할 수 있는지에 대한 항목이었는데 정해진 개수의 부품 중 벨트, 풀리, 체인, 기어 등을 총 동원하여 구상하고 고민했던 기억이 있습니다. 자연스럽게 대학에서의 전공 선택 시점에서도 기계공학과를 선택했습니다.

실제 로봇을 접하게 된 것은 대학 4학년 때입니다. 지도교수이신 이두용 교수님 연구실에서 개별 연구를 진행하면서 로봇이 조립 작업을 수행하는 것을 보았을 때입니다. 센서 신호를 이용하여 부품 상태를 판별하고 조립이 순차적으로 진행되는 것이 너무 신기했고 로봇에 대한 공부를 하고 싶었습니다. 이후 기계공학과와 전기 및 전자공학부의 관련 수업들을 수강하게 되었고 그러다보니 조형석, 장평훈, 오준호, 변증남, 김종환 교수님 등 훌륭하신 교수님들의 로봇 관련 수업을 수강하게 되면서 더 큰 동기 부여를 받게 되었습니다. 그 이후로 로봇 제어와 응용에 큰 관심을 두게 되었고 대학원에 진학하여 본격적인 연구를 수행하게 되었습니다.

Q. 박사 학위 취득 후 2008년 1월부터 2009년 말까지 2년간 미국 케이스 웨스턴 리저브 대학교에서 연구원으로 계셨는데 당시 주로 어떤 연구를 하셨나요?

박사 학위 취득 후 진로를 고민하면서 지도교수님과 상의 중에 학위 과정동안 진행한 양팔 로봇 연구를 계속 진행하는 것도 좋지만 다른 분야의 로봇에 대한 연구를 진행하는 것도 좋다는 생각을 하였습니다. 의료 로봇으로의 연구 확장을 위해 미국 클리브랜드에 위치한 케이스 웨스턴 리저브 대학교(Case Western Reserve University)의 셍크 카뷰소글루(M. Cenk Cavusoglu) 교수의 MerCIS(Medical Robotics and Computer Integrated Surgery) 연구실에 박사후연구원으로 합류하였습니다.

▲ 박사후연구원 당시 개발한 SABiR(Small Animal Biopsy Robot)

2년간 이미지 가이던스(Image-guidance) 방식의 바늘 삽입(needle insertion) 로봇 연구와 심장 거동 측정을 위한 센서 시스템 연구를 주로 수행하였습니다. 이 과정에서 저는 로봇 설계, 기구학 해석, 제어, 캘리브레이션, 신호처리 등을 담당하였습니다. 클리브랜드는 클리브랜드 클리닉(Cleveland Clinic)이라는 미국 내에서도 손꼽히는 병원이 위치하여 학교 주변에도 의학 관련 연구소들이 많이 있어 학교와 다양한 분야에서 협업이 잘 이루어지고 있었습니다. 저 또한 외과, 영상의학과 등의 다양한 의료진과 협업을 하면서 의료용 로봇에 대한 필요성을 인지하고 연구를 수행할 수 있었습니다.

▲ Case Western Reserve University 의 연구성과 발표회인 Research ShowCASE 당시 황면중 교수 모습

Q. 삼성전자 생산기술연구소 로봇시스템그룹에서 책임연구원으로도 3년간 계셨는데 어떤 연구를 주로 하셨는지요?

2년간 박사후연구원으로 근무하면서 당시에는 의료용 로봇이 실제 치료 및 수술 등의 작업에 투입되기 까지는 많은 시행착오가 필요할 것이라는 생각이 들었고 산업현장에서의 로봇에 대한 경험을 쌓고 싶어 삼성전자 생산기술연구소에 입사하면서 귀국하게 되었습니다. 삼성전자 생산기술연구소는 당시 전자 내 사업장의 생산 장비 등과 관련된 선행연구소였습니다. 저는 산업용 로봇 제어 파트에서 모션 알고리즘 개발을 담당했었고, 주로 디스플레이 공정의 대형 글래스 반송 로봇과 반도체 공정의 웨이퍼 반송 로봇 개발에 참여하였습니다. 대형 로봇의 생산성 향상을 위한 고속화와 그에 따른 진동 제어, 강인 제어 등이 포함된 안정된 제어 알고리즘에 대한 연구를 진행하였습니다. 제어 소프트웨어를 담당하다 보니 제어 하드웨어, 기구 설계 연구원들과 협업할 수 있었고, 로봇이 양산에 이르는 과정까지를 경험하고 실제 현장에서의 문제 해결 과정도 대응하면서 학교나 연구소에서는 할 수 없는 소중한 경험들을 쌓게 되었습니다. 모션 알고리즘을 전문적으로 다루다보니 로봇 뿐 만 아니라 연구소 내의 OHT(Overhead Hoist Transport), 정밀 스테이지 제어 부분에도 지원할 수 있는 기회들이 있어 전자 내의 다양한 시스템을 접할 수 있는 소중한 경험이었습니다.

Q. 삼성이라는 대기업에서 학교로 이직하셨는데 특별한 이유가 있으신지요?

제가 근무한 생산기술연구소는 연구원들의 만족도도 높고 실제 이직율도 낮은 조직 중 하나였습니다. 하지만 시간이 지나면서 다양한 프로젝트를 수행하게 될수록 산업 현장에서 중요한 공정을 담당하는 로봇들에 필요한 기술들과 학교에서 책으로 배우거나 연구실 내에서 연구로 접하는 로봇 기술들과는 접근 방법에서 큰 차이가 있다는 것을 느끼게 되었습니다. 이러한 부분을 학생들에게 공유하고 싶다는 생각과 또한 장기적인 연구를 진행하고 싶다는 생각에 대학으로 이직하게 되었습니다.

Q. 로봇 연구자로서 앞으로의 꿈과 목표가 있다면?

메커니즘 설계보다는 모션 제어 알고리즘을 주로 연구하다보니 눈에 직접 보이는 결과물은 없고 시스템 완성 단계 부분과 디버깅 과정에서 많은 고생을 하는 것을 아쉬워했던 적이 있었습니다. 대학에서 근무하는 동안 산학 과제를 통해 당시 협동로봇을 새로 개발하는 대기업의 개발 과정에 참여할 기회가 있었는데 제가 작성한 알고리즘을 베이스로 한 제품이 출시되는 과정을 지켜보고 그 결과물이 현장에서 적용되는 것을 보면서 꼭 필요한 부분을 연구하고 있다는 생각을 하게 되었습니다. 로봇 제어 부분에 집중하다보면 비슷한 고민을 하는 학생들도 만날 수 있었는데 매우 중요한 부분을 담당하고 있다는 부분을 꼭 조언해주고 있습니다. 향후에도 제 연구 결과물들이 제조라인이나 실제 현장에 많이 적용되어 많은 사람들에게 도움을 주는 것이 제 꿈이고, 저와 함께 연구를 진행했던 학생들이 다양한 곳에서 본인의 능력을 마음껏 펼치고 전문가로 인정받는 것이 제 목표입니다. 지금까지 3명의 석사를 배출하였는데 LS메카피온, 한국로봇융합연구원, 자동차안전연구원에서 본인들의 능력을 발휘하고 있습니다. 그 모습을 보면서 보람을 느끼고, 저 또한 열심히 노력해야겠다는 생각을 하고 있습니다.

▲ 2019 IROS 학술대회 MathWorks Minidrone Competition에서 학생들과 함께 3위 수상 모습

Q. 로봇 연구를 하고자 하는 후배들에게 선배로서 어떤 준비와 노력이 필요한지 조언해 주신다면?

학생들이 비교적 손쉽게 로봇을 접할 수 있고, 로봇에 관심 있는 학생들이라면 ROS(Robot Operating System) 등을 접하게 되면서 SLAM 등 자율주행이나 딥러닝 등에도 관심이 많고 공개된 오픈소스, 라이브러리 등을 통해 직접 해보는 학생들도 늘고 있습니다. 저와 만나는 학생들에게 꼭 해주는 조언이 있는데 잘하려고 하지 말고 제대로 해보라는 것입니다. 로봇 개발 해보신 연구자 분들은 잘 아시겠지만 움직이는 메커니즘은 디버깅이 쉽지 않습니다. 설계 문제 인지, 제작 과정에서의 문제 인지, 회로 문제 인지, 소스코드 버그인지, 알고리즘의 논리적 오류 인지 등 많은 원인들이 있을 수 있어 판단이 쉽지 않습니다. 로봇은 많은 과정이 포함된 결과물이라 눈에 보이는 결과에만 집중해서 잘 되는 쪽으로만 진행하기보다는 시행착오를 거치면서 오류를 줄이고 원리를 이해하는데 많은 노력을 하라고 조언하고 싶습니다.

또한 오픈소스, 라이브러리 등을 통해 개발 과정이 수월해진 부분도 있지만 해당 라이브러리가 어떤 목적으로 어떤 알고리즘을 사용하고 있고, 이 라이브러리를 사용함으로써 어떤 점이 효율적인지 등에 대한 이론적 이해도 필요하다고 봅니다. 또한 혼자 진행할 수 있는 연구가 아니기 때문에 기본적으로 팀으로 활동할 것을 조언합니다. 이를 위해서 대학원 진학을 원하는 학생들의 경우 로봇 관련 외부 경진대회 참여를 독려하여 단기간에 팀 프로젝트를 수행하며 실제 문제 해결과정을 경험하도록 지도하고 있습니다.

▲ 학생들의 다양한 경진대회 수상 결과

Q. 연구자로서 한국 로봇산업이 한 단계 더 발전하기 위해 조언을 해 주신다면..

정부출연연구소, 전문생산기술연구소 등을 중심으로 굵직한 연구개발 과제들이 진행되면서 다양한 부분에 대한 로봇 연구가 지속적으로 진행되고 있습니다. 또한 대기업을 비롯해 많은 국내기업들이 로봇 사업에 진출하고 있다는 것은 긍정적으로 생각하고 있습니다. 실제 연구소에서 개발된 로봇 기술이 상용화를 거쳐 양산에 이르기까지는 오랜 기간이 걸리고 기업에서 양산된 로봇이 실제 제조현장에 설치되어 운용되기까지는 SI 기업 등을 포함한 다양한 조직의 작업자들의 손을 거치게 됩니다. 로봇을 크게 기구, 제어하드웨어, 제어소프트웨어로 구분하였을 때 어느 부분 하나 수월한 부분이 없이 매우 높은 기술적 수준을 요구하는 분야입니다. 그에 반해 로봇 수요자들의 눈높이를 맞추기 쉽지 않다는 것이 로봇산업의 또 다른 발전을 위해 꼭 넘어야 할 부분인 것 같습니다. 정부의 연구개발 사업으로 극복해야 할 기술적인 부분과 각 분야의 수요자들과 접점에 있는 기업이 기술적 및 마케팅적으로 극복해야 할 부분에 대한 재정립이 필요하고 이를 서로 협업할 수 있는 방안에 대한 제시가 필요하다고 생각합니다.

Q. 연구에 주로 영향을 받은 교수님이나 연구자가 계시다면...

학교, 회사 등에서 훌륭하신 분들의 많은 도움을 받고 좋은 가르침을 받았습니다. 그중에서도 석박사 학위과정 지도교수이신 KAIST 기계공학과 이두용 교수님께서 제 연구에 많은 영향을 주신 분입니다. 체계적으로 연구를 수행하는 방법에 대해 지도를 해주셨고, 특히 넓은 연구 시야를 가지면서 앞으로 전진할 수 있도록 방향성에 대한 많은 조언을 해주셨습니다. 의료용 로봇, 산업용 로봇 등 다양한 분야에서 활동하게 된 것도 지도교수님의 가르침이 컸고 독립적인 연구자가 되어가는 과정에서 학위 과정 중 해주신 말씀들이 많이 기억이 납니다. 그때의 기억을 되살리며 제가 지도하는 학생들에게도 연구의 방향성에 대한 지도에 신경을 쓰고 있고 다양한 경험을 나누어 주기 위해 노력하고 있습니다. 교수님께서는 현재 제어로봇시스템학회 회장님으로 활동하고 계시면서 후배 연구자들이 활동하는데 부족함이 없도록 이끌어주고 계십니다.