'바위 넘고 계단 오르는 바퀴' 기계연구원, 세계 최초 개발

도로 장애물에 따라 바퀴 모양이 바뀌어

액체방울 표면장력 원리 활용, 휠 단단함 실시간 변화

각종 이동체 적용 모듈화 기술 개발, 국제학술지 표지논문에

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 계단이나 바위같이 일상생활의 다양한 장애물을 극복할 수 있는 휠과 이동 로봇기술이 국내연구진에 의해 개발됐다.

한국기계연구원은 액체방울의 표면장력 원리를 모사해 강성이 자유자재로 변하는 모핑 휠을 세계 최초로 개발해 실제 이동체에 적용하는 데 성공했다고 2일 밝혔다.

기계연 첨단로봇연구센터 송성혁 책임연구원, 박동일 첨단로봇연구센터장 팀이 개발한 모핑 휠은 복잡한 기계장치나 센서없이도 스마트 체인 블록에 적용되는 표면장력을 변경시켜 강성을 쉽게 바꿀 수 있는 바퀴 및 모듈화 시스템이다.

일반 주행 때는 단단한 원형의 바퀴로 작동하다가 장애물을 넘을 때는 바퀴가 말랑해져 장애물의 높낮이나 모양에 따라 휠을 자유롭게 변형시킬 수 있다.

특히 이번에 개발한 휠은 강성을 원하는 대로 조절할 수 있어 고속의 평지 주행 시에는 일반적인 휠과 동일한 강성을 유지하다가 장애물이 있는 경우에만 실시간으로 휠을 말랑하게 바꿔 장애물을 극복할 수 있다

기존 기술은 평지 주행 시에도 휠에 지속적인 큰 변형이 발생해 주행 효율과 안정성이 낮고 소음도 커지는 한계가 있다.

이 모핑 휠은 스마트 체인 블록과 유연 구조체로 구성돼 있으며 휠의 최외곽은 스마트 체인 블록으로 이뤄져 있다.

 스마트 체인 블록의 표면장력을 제어하는 와이어 스포크(wire spoke) 구조가 휠의 허브 구조와 연결돼 허브 구조가 회전하거나 거리가 변하면 연결된 와이어 스포크 구조가 강하게 당겨지거나 느슨하게 바뀌면서 스마트 체인 블록 구조의 표면장력이 변하게 된다.
 
휠의 회전중심에 위치해 회전력을 발생시키는 휠 허브와 휠의 최외곽 구조를 연결하는 바퀴살인  와이어 스포크를 이용해 블록들을 안쪽으로 강하게 당기면 휠 최외곽의 스마트 체인 구조끼리 가까워지는 방향으로 힘이 증가하게 된다.

연구팀은 가변강성 휠의 변화 메커니즘에 대한 검증을 완료하고 최근 다양한 이동체에 손쉽게 적용할 수 있는 모듈화 기술을 개발했다. 강성을 변화시키는 메커니즘을 소형·경량화해 휠 내부 공간에 삽입하고 이를 모듈화시켜 투휠 휠체어 등 다양한 이동체 시스템에 적용했다.
 
투휠 기반 휠체어 시스템은 실시간으로 휠의 강성을 변화시켜 안정적인 이동이 가능하고 제자리 방향 전환 등 좁은 공간에서의 이동에 유리하다.

바위나 18㎝ 높이의 계단을 극복할 수 있는 것은 물론 4륜 기반 이동체에도 적용해 장애물 극복 성능을 시험한 결과, 휠 반경의 1.3배 높이의 장애물까지 안정적으로 극복할 수 있는 것이 확인됐다.

송성혁 책임연구원은 "장애물을 극복키 위한 4족 및 2족 보행 로봇들의 경우 평지에서의 이동 효율이 낮고 이동 시 필연적으로 흔들림이 발생한다는 문제가 있다"며 "이번에 개발한 모핑 휠은 기존 휠의 장점인 높은 이동 효율은 유지하면서 휠의 한계점이던 장애물 극복까지 구현했다는 점에서 의의가 있다”고 설명했다.

이번 연구는 '사이언스(Science)'의 자매지이며 로봇 분야 1위 저널인 '사이언스 로보틱스(Science Robotics)' 8월호의 표지논문으로 게재됐다.(논문명:Variable-stiffness–morphing wheel inspired by the surface tension of a liquid droplet)

첨단로봇연구센터 박동일 센터장은 "표면장력 모사 휠 기술은 기존 장애물 극복을 위한 족형로봇 및 휠 클러스터 등 복잡한 기계장치들의 한계를 극복할 수 있는 기술"이라며 "향후 장애물 극복이 가능한 휠체어 및 다양한 이동 로봇, 탑승형 운송 수단 등 광범위하게 활용할 것으로 기대된다"고 말했다.

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