철제 벽면 타고 오르는 보행 로봇 나왔다

KAIST, "선박, 교량 등 대형 건조물 점검·수리 안전하게 수행 가능"

KAIST(총장 이광형)는 철로 된 벽면이나 천장을 빠른 속도로 이동할 수 있는 사족 보행 로봇을 개발했다고 26일 밝혔다. 선박이나 교량, 송전탑 등 철로 만들어진 대형 구조물의 점검, 수리 등에 활용이 기대된다.

KAIST 연구진이 개발한 보행로봇이 철로 된 벽면을 오르고 있다. (사진=KAIST)

이 학교 기계공학과 박해원 교수 연구팀은 자석의 접착력을 빠르게 켜고 끌 수 있으면서 평탄하지 않은 표면에서 높은 접착력을 갖는 발바닥을 만들어, 자체 제작한 사족로봇에 적용했다. 이 연구 결과는 학술지 '사이언스 로보틱스(Science Robotics)' 12월호 표지논문으로 실렸다. 

지금까지 벽면을 오르는 로봇은 보통 바퀴나 무한궤도를 사용, 단차나 요철이 있는 표면에서는 이동에 제약이 있다. 등반 가능한 보행 로봇은 장애물 지형에서도 비교적 자유롭게 이동할 수 있지만 속도가 느리고 다양한 움직임을 할 수 없다는 약점이 있다. 보행 로봇의 이동 속도를 높이려면 발바닥의 흡착력이 강하면서도 흡착력을 빠르게 온-오프 스위칭할 수 있어야 한다. 또 거칠거나 요철이 있는 표면에서도 흡착력을 유지해야 한다.  

연구팀은 보행 로봇 발바닥 디자인에 영전자석과 자기유변탄성체를 적용해 이같은 문제를 해결했다. 영전자석은 짧은 시간의 전류 펄스로 전자기력을 켜고 끌 수 있는 자석으로, 일반 전자석과 달리 자기력 유지를 위해 에너지가 들지 않는다는 장점이 있다. 연구팀은 사각형 구조 배열의 새로운 영전자석을 제안, 기존 영전자석보다 전자기력을 껐다 켜는 스위칭에 필요한 전압을 낮추면서 빠른 스위칭이 가능하게 했다. 

자기유변탄성체는 고무와 같은 탄성체에 철가루 같은 자기응답인자를 섞어 만든 탄성체이다. 이 자기유변탄성체를 발바닥에 씌어 자기력을 많이 떨어뜨리지 않으면서도 마찰력을 높였다. 

이렇게 만든 발바닥은 무게가 169g이지만 535뉴턴(N)의 수직흡착력과 445N의 마찰력을 제공했다. 이는 수직 방향으로 54.5㎏, 수평 방향으로 45.4㎏의 힘이 가해져도 발바닥이 철판에서 떨어지지 않는다는 의미다. 

KAIST 연구진이 개발한 발바닥 개요 (자료=KAIST)

연구팀이 제작한 사족 보행 로봇은 초속 70㎝의 속도로 직벽을 고속 등반했고, 최대 초속 50㎝의 속도로 천장에 거꾸로 매달려 보행했다. 이는 보행형 등반 로봇으로는 세계 최고 속도라고 연구진은 밝혔다. 

또 연구팀은 페인트가 칠해져 있고 먼지나 녹으로 더러워진 물탱크 표면에서도 로봇이 최대 초속 35㎝의 속도로 올라갈 수 있음을 보여, 실제 환경에서의 성능을 입증했다. 로봇은 바닥에서 벽으로, 또는 벽에서 천장으로 전환이 가능하고, 벽에 돌출돼 있는 5㎝ 높이의 장애물도 무난히 극복했다. 

이 로봇은 배, 교량, 송전탑, 송유관, 대형 저장고, 건설 현장 등 철로 이루어진 대형 구조물의 점검과 수리, 보수에 폭넓게 활용될 수 있으리란 기대다. 이런 곳은 추락이나 질식 위험성이 높아 자동화 필요성이 높다. 

공동 제1저자인 KAIST 기계공학과 엄용 박사과정은 "영전자석과 자기유변탄성체으로 구성된 발바닥과 등반에 적합한 비선형 모델 예측제어기를 이용, 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 것"이라고 말했다.

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