기계연 “액체 원리 모사한 ‘휠·이동체’ 로봇기술 개발”

액체 방울의 표면 장력 원리를 모사해 계단이나 바위 등 장애물을 무리 없이 지나갈 수 있는 휠(바퀴)·이동체 로봇 기술이 개발됐다.

한국기계연구원(이하 기계연)은 이 같은 원리의 모핑 휠을 세계 최초로 개발해 이동체에 실제 적용하는 데 성공했다고 2일 밝혔다.

이 기술은 기계연 AI 로봇연구소 첨단로봇연구센터 송성혁 책임연구원과 박동일 첨단로봇연구센터장 팀이 개발했다.

장애물의 모양에 따라 강성을 조절해 물체를 지나갈 수 있다는 점에서 도로 위 장애물 극복이 중요한 모든 이동체에 폭넓게 적용될 수 있을 것으로 보인다.

모핑 휠이 적용된 휠체어가 장애물(계단)을 가뿐히 넘어서고 있다. 한국기계연구원 제공

연구팀이 개발한 모핑 휠은 복잡한 기계 장치나 센서 없이도 스마트 체인 블록에 적용된 표면 장력의 변화만으로도, 강성을 자유자재로 조절할 수 있다.

평상시 단단한 원형의 바퀴로 작동하다가 장애물을 넘을 때는 바퀴가 말랑해져서 장애물의 높낮이나 모양에 따라 휠을 자유롭게 변형시킬 수 있는 것이 특장점이다.

그간에도 비공기압 타이어처럼 휠 내부를 유연 구조체로 구성하는 기술은 있었다. 다만 기존 기술은 평지 주행 시에도 휠에 지속적인 큰 변형을 줘 주행 효율과 안정성을 떨어뜨렸다.

반면 연구팀이 개발한 모핑 휠은 강성을 원하는 대로 조절할 수 있어 평지를 고속으로 주행할 때는 일반적인 휠과 동일한 강성을 유지하고, 장애물을 만났을 때만 실시간으로 휠을 말랑하게 바꿔 장애물을 극복할 수 있다.

모핑 휠은 스마트 체인 블록과 유연 구조체로 구성됐다. 휠의 가장 외곽은 스마트 체인 블록, 스마트 체인 블록의 표면장력을 제어하는 와이어 스포크(wire spoke) 구조가 휠의 허브 구조와 연결됐다.

이를 통해 허브 구조가 회전하거나 거리가 변하게 되면, 와이어 스포크 구조가 강하게 당겨지거나 느슨하게 바뀌면서 스마트 체인 블록 구조의 표면장력이 변화하게 된다.

와이어 스포크는 휠의 회전중심에 위치해 회전력을 발생시키는 휠 허브와 휠의 최외곽 구조를 연결하는 바퀴살을 말한다.

박동일 센터장(왼쪽)과 송성혁 책임연구원(오른쪽). 한국기계연구원 제공

연구팀은 지난해 10월 가변 강성 휠의 변화 메커니즘 검증을 마쳤다. 최근에는 다양한 이동체에 손쉽게 적용할 수 있는 모듈화 기술도 개발했다. 강성을 변화시키는 메커니즘을 소형·경량화해 휠 내부 공간에 삽입하고, 이를 모듈화해 투 휠 기반 휠체어 등 이동체 시스템에 적용할 수 있는 토대를 마련한 것이다.

투 휠 기반 휠체어 시스템은 실시간으로 휠의 강성을 변화시켜 안정적 이동이 가능할 뿐 아니라, 제자리 방향 전환 등 좁은 공간에서의 이동에 유리하다. 바위나 18㎝ 높이의 계단 등 장애물도 손쉽게 이동할 수 있다.

연구팀은 4륜 기반의 이동체에 이 기술을 적용해 장애물 극복 성능을 시험한 결과, 휠 반경의 1.3배 높이의 장애물까지 안정적으로 넘나들 수 있는 것으로 확인했다.

송성혁 책임연구원은 “장애물을 극복하기 위한 4족 또는 2족 보행 로봇은 평지에서의 이동 효율이 낮고, 이동할 때 필연적으로 흔들림이 발생하는 문제가 발생했다”며 “하지만 연구팀이 개발한 모핑 휠은 기존 휠의 장점인 높은 이동 효율은 유지하면서 휠의 한계로 작용했던 장애물 극복까지 구현할 수 있다는 점에서 의미를 갖는다”고 말했다.

박동일 센터장은 “표면 장력 모사 휠 기술은 기존 장애물 극복을 위한 족형 로봇과 휠 클러스터 등 복잡한 기계 장치의 한계를 극복할 수 있는 기술”이라며 “연구팀이 개발한 기술이 향후 휠체어는 물론 이동 로봇과 탑승형 운송 수단 등에서도 광범위하게 활용될 것으로 기대한다”고 말했다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr