영전자석·자기유변탄성체 활용
직벽 70㎝/s·천장 50㎝/s 보행
교량·건설현장 점검·수리 수행
한국과학기술원(KAIST·총장 이광형)은 박해원 기계공학과 교수팀이 철로 이뤄진 벽면과 천장을 빠른 속도로 이동할 수 있는 사족 보행 로봇을 개발했다고 26일 밝혔다.
기존 벽면을 오르는 등반 로봇은 바퀴나 무한궤도를 이용해 단차나 요철이 있는 표면에서는 이동이 제한된다. 등반용 보행 로봇은 장애물 지형에서 이동성이 향상되나 속도가 현저히 느리고 움직임이 다양하지 않다.
연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 영전자석, 탄성체 자기유변탄성체를 이용했다. 영전자석은 단시간 전류 펄스로 전자기력을 온-오프할 수 있는 자석으로, 자기력 유지에 에너지가 들지 않는다. 연구팀은 사각형 구조 배열의 새로운 영전자석을 제안했다. 기존 영전자석과 비교해 스위칭에 필요한 전압을 현저하게 낮추면서 보다 빠른 스위칭이 가능하게 했다.
또 연구팀은 자기유변탄성체를 도입, 발바닥 자기력을 현저히 떨어트리지 않으면서도 마찰력을 높일 수 있게 했다. 이 발바닥은 무게는 169g에 불과하지만 약 535뉴턴(N) 수직 흡착력, 445N 마찰력을 제공한다. 무게 8㎏ 사족보행 로봇에 충분한 흡착력을 제공할 수 있다. 수직 방향으로 최대 54.5㎏, 수평 방향으로는 최대 45.4㎏ 외력이 가해져도 발바닥이 철판에서 떨어지지 않는다.
초속 70㎝ 속도로 직벽을 고속 등반하고, 최대 초속 50㎝ 속도로 천장에 거꾸로 매달려 보행할 수 있다. 이는 보행형 등반 로봇 세계 최고 속도다. 페인트가 칠해지고, 먼지, 녹으로 더러워진 물탱크 표면에서도 로봇이 최대 35㎝ 속도로 올라갈 수 있음을 보였다. 바닥에서 벽으로, 벽에서 천장으로 이동이 가능하고, 벽에서 돌출된 5㎝ 높이 장애물도 무난히 극복할 수 있다.
연구팀은 이를 지닌 보행 로봇이 배, 교량, 송전탑, 대형 저장고, 건설 현장 등 철로 이뤄진 대형 구조물에서 점검·수리·보수 임무를 수행할 수 있다고 밝혔다.
논문 공동 1저자 엄용 KAIST 기계공학과 박사과정은 “지면뿐만 아니라 벽과 천장을 포함한 다양한 환경에서도 보행 로봇이 민첩하게 움직일 수 있음을 보였고 이는 보행 로봇 이동성과 작업 공간을 2D에서 3D로 확장하는 초석이 될 것”이라면서 “로봇은 조선소와 같은 철제 구조물에서 위험하고 힘든 작업을 수행하는 데 활발히 사용될 수 있을 것”이라고 말했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단 개인기초연구사업(중견)과 한국조선해양 지원을 받아 수행됐다.
홍승우, 엄용 기계공학과 연구원이 공동 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 '사이언스 로보틱스' 12월호에 표지 논문으로 출판됐다.
김영준기자 kyj85@etnews.com
