"거꾸로 매달려서 초속 50㎝"…KAIST, 초고속 사족 보행 로봇 개발

KAIST는 박해원 기계공학과 교수 연구팀이 철로 이뤄진 벽면과 천장을 빠른 속도로 이동할 수 있는 사족 보행 로봇을 개발했다고 26일 밝혔다.

박 교수 연구팀은 이를 위해 전자기력을 온-오프(on-off)할 수 있는 영전자석과 고무와 같은 탄성체에 철가루와 같은 자기응답인자를 섞어 만든 탄성체인 자기유변탄성체를 이용해 자석의 접착력을 빠르게 끄거나 켤 수 있으면서도 평탄하지 않은 표면에서 높은 접착력을 지니는 발바닥을 제작해, 연구실에서 자체 제작한 소형 사족 보행 로봇에 장착했다.

이러한 보행 로봇은 배, 교량, 송전탑, 대형 저장고, 건설 현장 등 철로 이루어진 대형 구조물에 점검, 수리, 보수 임무를 수행하는 등 폭넓게 이용될 수 있을 것으로 기대된다.

기계공학과의 홍승우, 엄용 연구원이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 '사이언스 로보틱스' 12월호에 표지를 장식하는 논문으로 출판됐다.
연구팀은 영전자석과 자기유변탄성체를 보행 로봇의 발바닥 디자인에 최초로 이용했다. 영전자석은 짧은 시간의 전류 펄스로 전자기력을 온-오프할 수 있는 자석으로 일반적인 전자석과 달리 자기력의 유지를 위해 에너지가 들지 않는다는 장점이 있다. 연구팀은 사각형 구조 배열의 새로운 영전자석을 제안해, 기존 영전자석과 비교해 스위칭에 필요한 전압을 현저하게 낮추면서도 보다 빠른 스위칭이 가능하게 했다.

또 연구팀은 자기유변탄성체를 발바닥에 씌어, 발바닥의 자기력을 현저히 떨어트리지 않으면서도 마찰력을 높일 수 있었다. 이렇게 제안한 발바닥은 무게는 169g에 불과하지만, 약 535뉴턴(N)의 수직 흡착력, 445뉴턴(N)의 마찰력을 제공해 무게 8㎏의 사족보행로봇에 충분한 흡착력을 제공할 수 있음을 확인했다.

535N을 킬로그램으로 환산하면 54.5㎏, 445N을 환산하면 45.4㎏이다. 즉 수직 방향으로 최대 54.5㎏, 수평 방향으로는 최대 45.4㎏ 정도의 외력이 가해져도 발바닥이 철판에서 떨어지지 않는다.

연구팀이 제작한 사족 보행 로봇은 초속 70㎝의 속도로 직벽을 고속 등반했고 최대 초속 50㎝의 속도로 천장에 거꾸로 매달려 보행할 수 있었다. 이는 보행형 등반 로봇으로는 세계 최고의 속도다.

또 연구팀은 페인트가 칠해지고 먼지, 녹으로 더러워진 물탱크의 표면에서도 로봇이 최대 초속 35㎝의 속도로 올라갈 수 있음을 보여 실제 환경에서의 로봇의 성능을 입증했다. 로봇은 빠른 속도를 보여줄 뿐 아니라 바닥에서 벽으로, 벽에서 천장으로 전환이 가능하고 벽에서 돌출돼 있는 5㎝ 높이의 장애물도 무난히 극복할 수 있음을 실험적으로 보였다.
연구팀이 개발한 새로운 등반 사족 보행 로봇은 배, 교량, 송전탑, 송유관, 대형 저장고, 건설 현장 등 철로 이루어진 대형 구조물의 점검, 수리, 보수에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 특히 이러한 곳에서의 작업은 추락, 질식 등의 심각한 위험성이 존재하고 있어 자동화의 필요성이 시급한 곳이다.

공동 제1 저자인 KAIST 기계공학과 엄용 박사과정은 "영전자석과 자기유변탄성체으로 구성된 발바닥과 등반에 적합한 비선형 모델 예측제어기를 이용해, 지면뿐만 아니라 벽과 천장을 포함한 다양한 환경에서도 보행 로봇이 민첩하게 움직일 수 있음을 보였고 이는 보행 로봇의 이동성과 작업 공간을 2D에서 3D로 확장하는 초석이 될 것"이라며 "이러한 로봇은 조선소와 같은 철제 구조물에서 위험하고 힘든 작업을 수행하는 데 활발히 사용될 수 있을 것이다"라고 말했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단 개인기초연구사업(중견)과 한국조선해양의 지원을 받아 수행됐다.


여용준 글로벌이코노믹 기자 dd0930@g-enews.com