제0부 개관·역사·연구 준비

0.12 역사 IX: 필드·우주·수중·국방 로봇 — 루노호트·Canadarm·ROV에서 EOD 로봇까지

0.12.1 이 장에서 배우는 것 / 선수 지식 / 특히 중요한 독자

이 장은 사람이 직접 들어가기 어려운 환경 — 우주, 수중, 폭발물과 전장 — 에서 로봇이 원격 조종 기계에서 반자율 체계로 발전한 과정을 다룬다. 다룰 질문은 세 가지다. 각 환경의 초기 사례는 어떤 문헌에 근거하는가, 통신 지연은 운용 방식을 어떻게 바꾸었는가, 어떤 서술이 1차 자료로 확인되고 어떤 서술이 2차로만 확인되는가. 농업·건설·광업·원자력·재난 등 다른 필드 로봇은 이 장이 1차 문헌을 읽지 못해 제34부(34.1~34.34)에 맡기며, 우주 로봇은 34.23~34.25·36.8, 수중 로봇은 34.19, 폭발물 처리와 국방 지상 로봇은 35.2·35.5, 원격조작의 안정성은 23.17에서 다룬다.

배우는 것:

• 우주 로봇 — 달 탐사차(Lunokhod 1), 우주왕복선의 원격 조작 팔(Canadarm), 화성 로버(Mars Pathfinder, MER)의 서술과 제원.
• 수중 로봇 — ROV의 초기 사례(CURV, Jason Jr.)와 서술의 불일치.
• 국방·지상 로봇 — 폭발물 처리 로봇 Wheelbarrow(1972)와 PackBot(2002)의 1차·2차 서술.
• 풀이 예제 — 통신 지연이 이동-대기 방식 원격 조종의 실효 속도에 미치는 영향.

선수 지식: 0.4.6(원격조작의 마스터-슬레이브), 0.6.4.1(Stanford Cart와 지연 모사), 빛의 속도와 직선 거리의 지연 계산.

특히 중요한 독자: 엔지니어(지연과 자율성의 관계), 연구자(2차 서술과 기관 자료의 구분), 정책·국방 독자(초기 사례의 서술 신뢰도).

기준 시점과 출처 방침. 이 장의 서술은 2026년 11월 기준이다. 앞 장들에 이어 원문을 먼저 읽었다. 직접 읽은 자료는 다음과 같다. ① NASA 우주과학자료센터(NSSDCA)의 Mars Pathfinder(1996-068A)와 Opportunity(MER-B, 2003-032A) 페이지. ② iRobot의 증권신고서 S-1(2005, 0.6에서 읽음)의 PackBot 서술. ③ Moravec(1980)의 Stanford Cart 연혁(0.6). 요약 도구를 거쳐 확인한 자료는 캐나다 우주청(CSA)의 Canadarm 비행 이력 페이지와 Lisle(2020, Security Dialogue 51(2–3), 174~193)의 초록이다. Lunokhod 1, CURV, Jason Jr.·Jason은 백과 계열과 박물관·잡지 요약에서만 확인했으며 2차로 표시한다. NSSDCA의 Luna 17 페이지는 오류 응답이어서 읽지 못했다.

출처의 성격은 기관의 임무 페이지(NSSDCA, CSA — 기관 서술), 기업의 증권 당국 제출 문서(S-1), 학술지 초록(Lisle), 2차 서술로 구분한다.

0.12.2 네 시기와 연표

시기 구분은 이 책의 서술 틀이다. 이 장이 읽은 문헌이 없는 시기(2010년 이후의 수중·국방 로봇과 우주 로봇의 최근 사례, 한국의 사례)는 연표의 칸을 비워 두었다.

0.12.3 우주 로봇

0.12.3.1 달 탐사차 Lunokhod 1(2차)

2차 서술(백과 계열)에 따르면 Luna 17은 1970-11-10에 Baikonur에서 발사되어 1970-11-17에 달에 착륙했고, 탐사차 Lunokhod 1은 같은 날 착륙선의 경사로를 내려갔다. 계획은 달의 낮 3회(약 3개월)였으나 실제로 11회 작동했고 이동 거리는 10.54 km로 서술된다. 작동 종료일은 서술이 갈린다(마지막 통신 1971-09-14, 옛 서술의 공식 종료 1971-10-04). 이 장은 NSSDCA의 해당 페이지를 읽지 못했다 (확인 필요).

지구에서 달까지의 통신 지연은 이 시기 원격 조종의 주된 제약이었다. Moravec(1980)은 Stanford Cart가 NASA 계약으로 제작되었고 달 탐사차의 지구 원격조종 문제를 연구하기 위해 조작 신호를 테이프 루프로 2.5초 지연시켜 지구-달 왕복 지연을 모사했다고 서술한다(0.6.4.1). 이 책의 계산(0.12.6)에서 평균 지구-달 거리의 왕복 지연은 2.56초로, 이 서술과 일치한다.

0.12.3.2 Canadarm(CSA 페이지, 요약 경유)

CSA의 비행 이력 페이지는 Canadarm이 1981-11-12에 우주왕복선 Columbia(STS-2)에 실려 처음 발사되었고, 첫 전개는 11월 13일이었으며, 2011년 7월 STS-135(Atlantis)에서 90번째이자 마지막 비행을 했다고 서술한다. 페이지는 이 팔을 "캐나다가 제작한 원격 조작 체계(Remote Manipulator System)"로 부르고 5대가 제작되어 NASA에 인도되었다고 적는다. 페이지는 Canadarm 자체의 길이·질량·하중 용량을 서술하지 않는다(15 m와 17 m는 궤도선 붐 연장과 후속인 Canadarm2의 수치). 검색 요약은 길이 약 15 m, 질량 410~431 kg, 전개·회수 하중 332.5 kg 등 서로 다른 값을 제시해 이 장은 수치를 단정하지 않는다 (확인 필요). 궤도 매니퓰레이터는 34.23에서 다룬다.

0.12.3.3 Mars Pathfinder와 Mars Exploration Rover

NSSDCA 페이지가 서술하는 두 임무는 다음과 같다.

두 임무의 진입·하강·착륙 절차에 대한 NSSDCA의 서술을 비교하면 다음과 같다. 행성 로버의 설계에서 착륙 충격과 하강 중의 자동 순서가 지표 이동 못지않게 큰 부분임을 보여 준다.

Pathfinder의 로버가 Sojourner라는 이름으로 알려져 있다는 사실은 이 장이 읽은 페이지에 없다 (확인 필요). MER의 평균 속도가 최고 속도의 3분의 1 이하라는 서술은 지표 이동이 위험 회피 판단과 정지를 포함하는 구조임을 보여 준다(0.12.6). 행성 로버의 장기 운용은 36.8, 구조와 현황은 34.24에서 다룬다.

0.12.4 수중 로봇

수중 사례는 박물관·잡지·백과의 요약으로만 확인했다. CURV(Cable-controlled Undersea Recovery Vehicle)는 1960년대 초 미 해군의 Naval Ordnance Test Station Pasadena Annex에서 개발되었다고 서술되며, 해군 박물관의 서술은 CURV I이 1966-04에 지중해에서 분실된 수소폭탄을 회수했다고 적는다. 다른 서술은 CURV-III가 폭탄의 낙하산 줄에 엉켰다고 적어 어느 차량인지 갈린다. 폭탄의 수심은 서술마다 약 2,500·2,800·2,900피트로 다르다. Woods Hole 해양연구소의 Jason Jr.는 소형 시제 ROV로서 1986년 Titanic 조사에서 Alvin에 실려 약 300피트의 광섬유 케이블로 조종되었고, 더 큰 Jason의 최종 해상 시험은 1988년 말로 서술된다. 이 장은 개별 사양과 일자를 단정하지 않으며 서술의 불일치를 0.12.8에 정리했다. ROV·AUV의 현황과 기술은 34.19에서 다룬다.

0.12.5 국방·지상 로봇

Wheelbarrow(1972). Lisle(2020)의 초록은 영국군이 1972년 북아일랜드에서 이 폭발물 처리 로봇을 개발했고 321 폭발물 처리 대대의 장교들이 IRA가 설치한 차량 폭탄의 처리에 사용했다고 서술한다. 논문은 이 로봇을 "판도를 바꾼" 대반란 혁신으로 보는 군의 서술에 이의를 제기하며, 조작자와 기계 사이의 불안정한 행위 주체 이동, 해체 과정에서의 실패와 부수적 피해를 분석한다. 초록은 성능 지표(성공률·처리 건수)를 제시하지 않는다. 설계자(퇴역 장교 Peter Miller)와 병기 장교의 손실이라는 배경, 수류 분사 장치 Pigstick과의 결합, 2019년 퇴역은 검색 요약(2차)에서만 확인했다 (확인 필요).

PackBot(2002). 0.6에서 읽은 iRobot의 S-1(2005)은 PackBot이 2002년 말 군용 시장에 도입되었고 최근 3년간 미군에 200대 이상 판매되어 대부분 아프가니스탄과 이라크에 배치되었다고 서술한다(기업 서술 (공개 주장치)). 같은 문서는 플랫폼이 계단을 오르고 관절식 플리퍼로 스스로 자세를 바로잡을 수 있다고 적고, 정찰 임무로 이동 경로 정찰·시설 외곽 정찰·도시 가로 정찰(지도와 영상 반환)을 든다. 폭발물 처리·CBRN 로봇은 35.5, 국방 UGV는 35.2, 제품은 45.77에서 다룬다. 무기 체계의 효과를 높이는 기법은 이 책의 범위 밖이다(BK-04).

0.12.6 풀이 예제 — 통신 지연과 원격 조종의 실효 속도

결론. 이동-대기 방식의 원격 조종에서 실효 속도는 걸음 길이가 짧고 왕복 지연이 길수록 급격히 떨어진다. 평균 지구-달 거리(왕복 2.56초)에서는 1 m 걸음의 실효 속도가 최고 속도 3.75 cm/s의 91%이지만, 화성 최근접(왕복 364초)에서는 2.56 mm/s, 최원(왕복 2,675초)에서는 0.37 mm/s이다. 8시간 동안 1 m 걸음으로는 화성 최근접에서 74 m, 최원에서 11 m를 이동한다. NSSDCA가 서술한 하루 100 m의 설계 주행은 걸음 길이를 늘려 수 m 이상을 자율적으로 이동하는 운용을 전제한다(이 책의 해석).

한 걸음 $s$ [m]를 속도 $v$로 이동하는 데 $s/v$초가 걸리고, 이동 뒤 영상을 받고 다음 지령이 도달하기까지 왕복 지연 $T_{rt} = 2d/c$ [s]를 기다린다. 실효 속도는

$$v_{\mathrm{eff}} = \frac{s}{\,s/v + T_{rt}\,}$$

이다. 조작자의 판단 시간은 0으로 두어 상한을 구한다. 가정은 다음과 같다.

C = 299792.458                       # 광속 [km/s]
V = 0.0375                           # 로버 최고 속도 [m/s] (NSSDC)
DIST = {'달': 384400.0,              # 평균 거리 [km] (가정)
        '화성 최근접': 54.6e6,       # [km] (가정)
        '화성 최원': 401.0e6}        # [km] (가정)

def one_way(d_km):
    """편도 전파 지연 [s]"""
    return d_km / C

def v_eff(step_m, t_rt, v=V):
    """이동-대기 방식의 실효 속도 [m/s]"""
    return step_m / (step_m / v + t_rt)

계산 결과는 다음과 같다.

한계. 조작자의 판단 시간, 영상 전송 용량, 하루의 통신 가능 시간, 지구 자전과 중계 위성에 의한 가시 시간, 에너지와 열 제약을 포함하지 않았다. 화성 로버의 실제 운용은 하루 단위로 계획을 올리는 구조(36.8)이며 이 모형의 걸음-대기 반복과 다르다. 거리 값은 표준 값이며 NASA 페이지의 값이 아니다. 계산은 이 책의 모형이며 NSSDCA·CSA의 운용 서술을 재현한 것이 아니다.

견해: 이 계산이 보여 주는 것은 통신 지연이 클수록 로봇이 한 번의 지령으로 넘겨받아야 하는 자율 이동의 길이가 길어진다는 구조적 관계이다. 근거는 같은 지연에서 걸음 길이를 5 m에서 20 m로 늘리면 화성 최원의 8시간 이동 거리가 51 m에서 180 m로 늘어난다는 계산이다. 어떤 운용 방식을 택했는지는 임무 문서로 확인해야 하며 이 장은 읽지 않았다. MER의 위험 회피 프로토콜이 평균 속도를 낮춘다는 NSSDCA의 서술은 자율 판단의 비용을 보여 주는 기록이다.

0.12.7 쟁점 — 극한 환경에서 원격 조종과 자율을 어떻게 배분하는가

자료에서 확인되는 접근은 세 가지다.

• ① 실시간 원격 조종. 지연이 작으면 조작자가 직접 조종한다. 지구-달 거리의 왕복 지연 2.56초는 Stanford Cart의 모사 실험(2.5초 지연, Moravec)과 같은 규모이다.
• ② 이동-대기. 지연이 길면 걸음마다 영상을 받고 지령을 보낸다. 실효 속도가 수 mm/s로 떨어진다(0.12.6).
• ③ 로봇의 자율 판단. MER은 위험 회피 프로토콜로 평균 속도가 1 cm/s 이하가 되고 45° 기울기를 견디되 30°를 넘지 않도록 프로그램되었다(NSSDCA). Pathfinder 착륙선은 32비트 컴퓨터와 4 MB의 메모리를 사용했다.

견해: 이 책은 세 접근을 지연에 따른 설계 변수로 다룬다. 근거는 같은 환경(지표 로버)에서도 지연 시간에 따라 이동-대기에서 자율 이동으로 걸음 길이가 달라지는 정량 관계가 0.12.6에서 확인된다는 점이다. 실제 임무가 어느 접근을 어떤 비율로 사용했는지는 이 장이 읽은 문서에 없다. 원격조작의 안정성(지연이 있는 양방향 제어)은 23.17, 감독 자율성은 36.3(DARPA 로보틱스 챌린지)가 다룬다.

0.12.8 사료의 한계와 유의점

읽지 못한 자료는 다음과 같다. Lunokhod의 소련 측 기록, NSSDCA의 Luna 17 페이지, CURV·Jason의 1차 기록, Canadarm의 제원 문서, Wheelbarrow의 영국군·박물관 기록, 2010년 이후의 우주·수중·국방 로봇. 이 항목들은 서술하지 않았거나 (확인 필요)로 표시했다.

0.12.9 관련 규격·프로토콜과 후속 장

이 장의 대상 환경은 규격이 환경·용도별로 갈린다. 이 장은 규격의 본문을 읽지 않았다.

0.12.10 체크포인트·연구 질문

체크포인트:

1. 우주·수중·국방 로봇의 초기 사례(CURV, Lunokhod 1, Wheelbarrow, Canadarm, Jason Jr.)를 시기순으로 제시하고 각 서술의 출처 성격(1차·기관·2차)을 구분할 수 있는가.
2. NSSDCA가 서술한 MER의 이동 제원(최고 속도 3.75 cm/s, 평균 1 cm/s 이하, 하루 100 m)과 위험 회피 프로토콜의 관계를 설명할 수 있는가.
3. Mars Pathfinder의 임무 목적, 착륙 방식, 개발 비용, 통신 두절 시점을 제시할 수 있는가.
4. 이동-대기 방식의 실효 속도 식 $v_{\mathrm{eff}} = s/(s/v + T_{rt})$를 유도하고 왕복 지연 값(달 2.56초, 화성 364~2,675초)에서 계산할 수 있는가.
5. PackBot의 S-1 서술(2002 말 도입, 200대 이상, 정찰 임무)과 Wheelbarrow에 대한 Lisle(2020)의 비판적 서술을 구분할 수 있는가.

연구 질문(47.12에 수록한다):

• Lunokhod 1의 작동 기간·이동 거리·조종 방식은 소련·NASA의 1차 기록에서 어떻게 확인되는가.
• Canadarm의 제원(길이·질량·하중)은 어느 문서로 확정되는가.
• CURV의 1966년 회수에 사용된 차량(CURV I 대 III)과 수심은 해군 기록에서 어떻게 정리되는가.
• Wheelbarrow의 개발 경위와 초기 성능에 관한 영국군·박물관 1차 기록은 무엇인가.
• 화성 로버의 실제 운용에서 이동-대기와 자율 이동의 비율은 임무 문서에서 어떻게 서술되는가.

1차 출처

• NASA NSSDCA, Mars Pathfinder(1996-068A)와 Opportunity(MER-B, 2003-032A) 임무 페이지(nssdc.gsfc.nasa.gov).
• 캐나다 우주청(CSA), 「Flight history of Canadarm」 페이지(요약 도구 경유).
• iRobot Corporation, Form S-1(SEC, 기준일 2005-07-02)의 PackBot 서술.
• Moravec, H. P., CMU-RI-TR-80-03, 1980의 Stanford Cart 연혁.
• Lisle, D., 「Making Safe: the dirty history of a bomb disposal robot」, Security Dialogue 51(2–3), 2020, 174~193, DOI 10.1177/0967010619887849(초록, 요약 도구 경유).
• 서지만 확인하고 본문은 읽지 않은 것: Golombek, M. P., J. Geophys. Res. 102(E2), 1997, 3953~3965(NSSDCA의 참고문헌 목록); Squyres, S. W. 외, Science 306, 2004, 1698~1703(NSSDCA의 참고문헌 목록) (확인 필요).

다음 장. 0.13은 로봇 시스템의 구성을 다룬다. 지금까지의 역사 장이 시대별 사건을 서술했다면, 다음 장은 기계·구동·감지·전자·소프트웨어·지능의 서브시스템이 하나의 로봇으로 통합되는 구조를 시스템 관점에서 정리한다.