[쿠키과학] '필요에 따라 단단하다가 말랑해진다' 지형극복 바퀴 개발

액체방울 표면장력 원리 모사 모핑휠
스스로 강성 바꾸는 바퀴 모듈화 시스템
계단, 돌밭 등 장애물 맞춰 바퀴모양 변형

한국기계연구원 AI로봇연구소 첨단로봇연구센터가 개발한 지형적응형 모핑휠이 적용된 전동휠체어. 한국기계연구원

한국기계연구원(이하 기계연)은 바퀴 강성이 실시간 변하면서 계단, 바위 등 다양한 장애물을 극복할 수 있는 휠 및 이동로봇기술을 세계 최초로 개발했다고 30일 밝혔다.

기계연 AI로봇연구소 첨단로봇연구센터 연구팀은 액체방울의 표면장력 원리를 모사해 강성이 자유자재로 변하는 모핑휠을 세계 최초로 개발하고, 이를 실제 이동체에 적용하는 데 성공했다.

강성이 바뀌는 표면장력 모사 모핑휠을 살펴보는 첨단로봇연구센터 박동일 센터장(왼쪽)과 송성혁 책임연구원. 한국기계연구원

환경에 맞춰 단단해지고 말랑해지는 바퀴 

기존 유연한 구조체의 비공기압 타이어는 평지 주행 때도 횔에 지속적으로 큰 변형이 발생, 주행 효율과 안정성이 낮고 소음도 큰 문제가 있다.

연구팀이 복잡한 기계장치나 센서 없이 스마트체인블록의 표면장력만 변경시켜 강성을 쉽게 바꿀 수 있는 바퀴 및 모듈화 시스템 모핑휠을 개발했다. 

스마트체인블록에서 수축방향 힘과 액체방울에서 분자 간 인력으로 인한 표면장력 효과 비교. 한국기계연구원

이는 일반적인 주행환경에서는 단단한 원형 바퀴로 작동하다가 장애물을 넘을 때는 바퀴가 말랑해지며 장애물 높낮이나 모양에 따라 휠 형태를 변형시키는 특징을 갖는다.

연구팀이 개발한 휠은 강성을 원하는 대로 조절할 수 있어 평지를 고속 주행할 때로 강성을 유지하다가 장애물과 만나는 경우에만 지형에 맞춰 부드러워진다.

이를 위해 연구팀은 휠 바깥부분을 스마트체인블록으로 구성하고  표면장력을 제어하는 와이어 스포크를 휠 허브와 연결했다.

허브 구조물이 회전하거나 거리가 변하면 연결된 와이어 스포크 구조체가 강하게 당기거나 느슨해지면서 스마트체인블록 구조 표면장력이 변하는 구조다.

이 때 와이어 스포크를 이용해 블록을 안쪽으로 강하게 당기면 휠 외곽 스마트체인 구조가 서로 가까워지는 방향으로 힘이 증가한다.

이 과정에서 마치 액체방울에서 높은 표면장력을 갖는 경우 최 외곽 분자 간 인력이 큰 것과 같은 효과가 발생해 안정적인 원형을 유지하고, 반대로 와이어 스포크 구조가 느슨해지면 낮은 강성으로 변한다.

스마트체인블록과 액체방울 모두 표면장력 크기가 작아짐에 따라 접촉각이 작아지고 변형량이 커지는 유사한 특성이 나타나는 모습. 한국기계연구원

연구팀은 이 같은 가변강성 휠의 변화 메커니즘 검증을 완료한데 이어 최근 다양한 이동체에 손쉽게 적용할 수 있는 모듈화 기술도 개발했다. 

강성을 변화시키는 메커니즘을 소형·경량화해 휠 내부 공간에 삽입하고, 이를 모듈화해 휠체어 등 다양한 이동시스템에 적용했다.

이 가운데 두바퀴 휠체어에 적용할 때 휠의 강성을 실시간 변화시켜 안정적인 이동이 가능할뿐 아니라 제자리 방향 전환 등 좁은 공간에도 유리한 성능을 확보했고, 특히 높이 18㎝ 계단도 극복할 수 있음을 확있했다.

아울러 이를 4륜 이동체에도 적용해 장애물 극복 성능을 시험한 결과 휠 반경 1.3배 높이 장애물까지 안정적으로 극복할 수 있는 것도 검증했다.

표면장력 모사 모핑휠이 갑자기 말랑해지면서 계단을 오르는 모습, 평지에서는 고속주행을 위해 단단한 원형을 유지하다가 말랑하게 바뀌며 계단 형상대로 휠을 변형시킨다. 한국기계연구원

송성혁 첨단로봇센터 책임연구원은 “장애물을 극복하기 위한 4족 및 2족 보행 로봇이 평지 이동효율이 낮을뿐 아니라 필연적으로 흔들림이 발생한다는 문제가 있다”며 “이번에 개발한 모핑휠은 기존 휠의 장점인 높은 이동효율을 유지하면서 휠의 한계점인 장애물 극복까지 구현가능하다는 점에서 의의가 크다”고 설명했다.

바가동일 첨단로봇연구센터장은 “표면장력 모사 휠 기술은 기존 장애물 극복을 위한 족형 로봇이나 휠 클러스터 등 복잡한 기계 장치의 한계를 극복할 수 있는 기술”이라며 “향후 장애물 극복이 가능한 휠체어나 다양한 이동로봇, 탑승형 운송수단 등에 광범위하게 활용할 것으로 기대된다”고 말했다.

한편 이번 연구는 국제학술지 ‘사이언스 로보틱스(IF 26.1)’ 8월호의 표지논문으로 게재됐다.

첨단로봇연구센터 박동일 센터장, 송성혁 책임연구원과 사이언스로보틱스 8월호 표지. 한국기계연구원

이재형 기자 jh@kukinews.com