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이빨로 긁고 앞발로 파는 '두더지 로봇'···행성 탐사 기대

명현 KAIST 연구팀, 두더지 착안해 길이 84cm 탐사 로봇 개발
드릴링·위치센서·360° 방향전환 등···지하서 3차원 자율주행 가능
개발된 두더지 로봇(몰봇). <사진=KAIST 제공>개발된 두더지 로봇(몰봇). <사진=KAIST 제공>

이빨로 토양을 긁어내고 앞발로 잔해를 제거하는 일명 '두더지 로봇'이 등장해 화제다. 국내 연구진이 두더지에 착안해 무인 지하 탐사나 극한지역, 우주 행성 탐사에 활용 가능한 두더지 로봇을 개발했다.

KAIST(총장 신성철)는 명현 전기및전자공학부 교수 연구팀(미래도시 로봇연구실)이 두더지의 생물학적 구조와 굴착 습성을 모방한 '몰봇(Mole-bot)'을 개발했다고 4일 밝혔다. 이를 계기로 기존의 거대하고 복잡한 장비 사용과 공정, 환경 오염 유발 등 많은 문제점이 해결될 것으로 기대된다.

몰봇은 지름 25cm, 길이 84cm, 무게 26kg으로 기존 굴착작업에 필요한 시추기와 파이프라인 등 각종 장비의 성능을 모두 지닌다. 몰봇은 크게 드릴링부, 잔해 제거부, 방향전환을 위한 허리부, 그리고 이동·고정부로 구성된다. 드릴링부는 이빨로 토양을 긁어내는 두더지 '치젤 투스(Chisel tooth mole)'를 모방했으며 기존 기술 대비 높은 확장성으로 안정적인 드릴링이 가능하다.

잔해 제거부는 크고 강력한 앞발을 이용해 잔해를 제거하는 두더지 '휴머럴 로테이션(Humeral rotation mole)'의 어깨구조에 착안됐다. 휴머럴 로테이션은 길쭉한 형태의 견갑골을 가져 견갑골의 직선운동을 상완골에서 강력한 회전력으로 변환한다. 연구팀은 이러한 생물학적 구조를 모방해 효율적인 잔해 제거가 가능하도록 앞발 메커니즘을 새로 개발했다.

허리부는 두더지의 허리를 모사, 지하 내에서 360° 자유로운 방향 전환이 가능하다. 몰봇은 굴착 메커니즘을 갖는 앞몸체와 이동·고정 역할을 하는 뒷몸체로 구성돼있으며, 두 몸체 사이를 선형 구동기 연결과 스트로크 조절을 통해 자유롭게 좌우회전 할 수 있다.

마지막으로 이동부는 동일한 3개의 유닛을 삼각형 형태(120° 간격)로 균등 배치했다. 이는 불규칙한 토양 환경, 암석 등 예측 불가능한 지하 내에서 안정적인 이동을 위해 무한궤도를 이용한 이동 방식을 적용했다.

연구팀은 추가적으로 로봇에 지하에서의 위치를 측정할 수 있는 센서시스템과 알고리즘을 탑재했다. 지하 환경은 무선통신 신호 활용이 어렵고 내부가 어둡기에 비전·레이저 센서 사용에 한계가 있다.

이를 위해 몰봇에 자기장 센서가 포함된 관성항법 센서를 탑재했다. 그 결과 지구 자기장 데이터의 변화를 측정해 로봇 위치를 인식할 수 있다. 즉 연구팀은 지구 자기장 시계열 데이터를 매칭시키는 그래프 기반의 SLAM(Simultaneous Localization and Mapping; 동시적 위치 인식 및 맵핑) 기술을 자체적으로 개발, 로봇 위치 측정 문제를 해결했으며 이는 지하공간에서의 3차원적 자율 주행을 가능케한다.

개발된 몰봇은 한국산업기술시험원(KTL)에서 총 4개의 항목으로 성능평가를 받았다. 최대 굴진각은 100피트당 38도, 위치 인식 평균 제곱근 오차 6.03cm, 굴진 속도 시속 1.46m, 방향각 추정 오차 0.4도로 기존 세계 최고 방식과 비교할 때 3배 이상의 굴진 속도와 6배 이상의 방향각 추정성능을 보였다.

한편 해당 연구는 2017~19년까지 진행됐으며 로봇 구조 해석·지반 실험은 홍정욱 건설 및 환경공학과 교수와 권태혁 교수 연구팀과 협업했다. 그동안의 연구성과물로는 해외 우수저널 논문 5건, 국제 학술대회 발표 12건, 국내 학술대회 발표 4건 등이 있다.

(왼쪽부터) 명현 교수, 이준석 박사과정, Christian(크리스티안) 연구원, 임현준 박사과정. <사진=KAIST 제공>(왼쪽부터) 명현 교수, 이준석 박사과정, Christian(크리스티안) 연구원, 임현준 박사과정. <사진=KAIST 제공>
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