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생물체의 거동을 모방한 생체 모방 로봇의 세계
박훈철 교수(건국대학교 스마트운행체공학과) / hcpark at konkuk.ac.kr

생체 모방로봇은 오랜 진화를 거쳐 환경에 적응하며 생존한 동물이나 곤충을 모방해 로봇 제작 기술에 적용한 것을 말합니다. 최근 활발해진 연구를 통해 산업, 환경, 군사 등 여러 분야에서 다채롭게 활용되고 있는데요.

이번 서면 인터뷰에서 만나 보실 박훈철 교수(건국대학교 스마트운행체공학과)는 15년간 곤충형 비행체 기술 개발연구를 하고 계십니다. 이와 더불어서 날갯짓 비행이 가능한 메뚜기 모방 점핑 로봇 연구도 수행하셨고, 수중-공중 복합 기동을 위한 날치 모방 로봇 연구도 수행 중이신데요, 연구에 대한 자세한 이야기해보도록 하겠습니다.


 



1. 현재 교수님께서 하고 계시는 주요 연구에 대한 간단한 소개 부탁드립니다.

중심적인 연구는 장수풍뎅이의 비행을 모방한 꼬리날개 없는 곤충모방 날갯짓 비행로봇, KUBeetle의 개발에 관련된 연구입니다. KUBeetle은 꼬리날개 없이 두 날개의 날갯짓만으로도 비행에 필요한 힘과 자세를 조절하기 위한 힘을 모두 발생시킬 수 있습니다. 2016년도에 처음 제어 비행에 성공한 이후 질량 20g 내외의 다양한 KUBeetle을 개발해왔습니다. 2020년에는 8.8 분의 비행시간을 기록하여서, 세계 대학교에서 개발한 곤충모방 날갯짓 비행로봇 중에서 가장 긴 비행시간을 기록하였습니다.

2020년 국제학술지 사이언스(Science)에 실린 논문에서 사용한 KUBeetle에는 특수한 날개가 장착되었는데, 비행 중에 날개 끝쪽이 장애물과 충돌해도 날개가 바로 접힌 후 즉시 펼쳐져서 자세를 유지한 채 안정된 비행이 가능했습니다.그 외에도 도약하면서 날갯짓을하는 메뚜기 모방 도약로봇을 개발하였었고, 현재에는 수중에서 공중으로 도약하는 수중 도약 물고기 로봇에 대한 연구도 수행 중입니다.


2. 장수풍뎅이의 날갯짓을 모방한 비행로봇에 대한 핵심 기술에 대해 궁금합니다.

연구 초기에는 장수풍뎅이의 날갯짓 운동을 2~3대의 초고속 카메라로 촬영하여, 날갯짓 각도, 주파수, 날개 회전 및 비틀림 등을 관찰하여 자료화 하였습니다. 이 장수풍뎅이 날갯짓 운동과 유사한 날갯짓이 발생하도록 인공적인 날개와 날갯짓 장치를 개발하는 것이 첫 번째 어려움이었고, 중요한 핵심기술입니다.





장수풍뎅이의 날개는 180도에 가까운 날갯짓을 하면서 비틀림을 발생하는데, 날개 바깥쪽은 날개 회전 크기가 크고, 안쪽은 작아서 비틀림이 발생합니다. 이를 모방하여, Fig 2의 우측과 같이 180도 이상의 날갯짓을 대칭적으로 발생할 수 있는 모터 구동형 날갯짓 장치를 개발하고, 여기에 인공 날개를 부착하여 Fig 2의 좌측과 같이 날개의 안쪽과 바깥쪽의 날개 회전 크기를 서로 다르게 하여 비틀림이 발생하게 하였습니다. 이와 같은 수동적인 날개 비틀림으로 인해서 약 10%의 양력 향상 효과를 보았습니다. 즉, 일단 비행에 필요한 양력을 발생할 수 있게 하는 날갯짓 장치와 날개가 가장 중요한 핵심기술입니다.


3. 많은 곤충들 중 왜 장수풍뎅이를 선택하셨는지 궁금합니다.

장수풍뎅이는 우리가 아는 곤충 중에서 손쉽게 구입할 수 있고, 크기도 커서 관찰하기가 용이합니다. 장수풍뎅이이 익면하중비(wing loading=무게/날개 면적)가 40N/m2에 달해서, 곤충의 평균 익면하중비인 8N/m2에 비해 큽니다. 즉, 이를 잘 모방하면, 작은 날개로도 큰 무게의 몸체를 공중에 뜨게 할 수 있는 가능성이 있기 때문입니다.


4. 비행 로봇 제작 과정 및 원리에 대해 설명 부탁드립니다.

간단히 말하면, 일단 큰 각도를 발생할 수 있는 날갯짓 장치를 만듭니다. 일반 DC 모터는 계속 한 방향으로 회전하고, 모터의 회전을 날갯짓으로 변경하는 4절 링크와 커플러를 설치합니다. 다만, 이 부분은 다양한 방법으로 변형할 수 있습니다. Science에 게재한 논문의 KUBeetle에는 Fig 3의​ 좌측과 같은 링크-풀리 방식을 사용하였고, 최근에는 Fig 3의​ 좌측과 같이 제작의 편의성을 향상한 링크와 래크-피니언 방식을 사용하여 날갯짓 장치를 제작합니다.


날갯짓 장치를 구성하는 부품은 CAD를 이용한 3차원 모델링으로 제작한 후에 조립을 해서 원활한 작동이 가능한지 확인합니다. 대부분의 부품들은 특정 두께를 가지는 탄소 섬유 또는 유리 섬유 복합재 평판을 정밀 밀링 머신으로 잘라서 제작하고, 감속기어 등은 구입해서 조립하고, 최종적으로 모터와 결합합니다. 아래 그림의 검정색 긴 봉에는 위의 우측 그림에서와 같이 날개를 장착하는 앞전 구조물로 활용됩니다.





일반적인 항공기가 꼬리날개에 부착된 조종면을 이용하여 제어모멘트를 발생하는 것과는 달리, 꼬리날개가 없는 곤충모방 날갯짓 비행로봇은 날개가 날갯짓하는 동안에 날갯짓 궤적을 변경하여 제어모멘트를 발생합니다. 곤충모방 날갯짓 비행로봇은 제어모멘트를 발생하는 방식에는 크게 날갯짓 각도의 범위를 조절하는 방식과, Fig 4의​ 좌측 그림과 같이 날개 안쪽 끝단 부분의 위치를 변경하여 모멘트를 발생하는 방식, Fig 4의​ 우측 그림과 같이 모터를 포함하는 날갯짓 장치 내부 전체를 힌지 중심으로 회전하여 날갯짓 평면 각도를 변경하는 방식이 있습니다. 현재에는 마지막 방식을 이용하여 제어모멘트를 발생합니다.






이후에는 자세 제어를 위하여, 서보모터와 되먹임 전자제어 장치를 탑재합니다. Fig 5의​ 좌측 사진은 세계 대학교에서 개발한 곤충모방 날갯짓 비행로봇 중에서 가장 오랜 비행 시간인 8.8분을 기록한 약 16g KUBeetle-S2의 모습으로서, 피치, 롤, 요 자세를 제어하는 서보모터와 전자제어를 위한 자이로센서와 마이크로프로세서 등으로 구성된 제어 컴퓨터를 탑재하고 있습니다. 여기에 탑재된 제어보드는 자동제어를 전공으로하는 건국대학교 강태삼 교수님 연구실에서 제작한 것입니다. Fig 5의​ 우측 사진은 2020년도 Science지에 게재된 논문에서 소개한 KUBeetle로서, 날개 끝단이 외부 장애물과 충돌하여도 접혔다가 펼쳐져서 계속 안정된 비행이 가능한 날갯짓 비행로봇입니다.






Fig 6의​ 좌측과 같이 장수풍뎅이는 비행 중에 날개 끝단이 장애물과 충돌한 후에도 안정되게 비행함을 알 수 있습니다. 이는 장수풍뎅이 뒷날개에 존재하는 충돌에너지 흡수 메커니즘 때문인데요, 이를 처음으로 발견하였고, 이 메커니즘을 모방한 날개를 부착한 KUBeetle이 Fig 6의​ 우측에서처럼, 날개 끝단이 장애물과 충돌한 후에도 큰 자세 변화 없이 안정되게 비행함을 알 수 있습니다.






5. 날갯짓 비행이 가능한 메뚜기 모방 점핑 로봇에 대한 연구 설명 부탁드립니다.

이 연구는 한 개의 구동기(모터)로 두 가지 기동을 할 수는 이동로봇을 개발하기 위한 연구의 일환입니다. 우리 연구실에서 전문적으로 연구하는 날갯짓 비행로봇과 도약로봇을 합친 형태인데, 구동기 하나로 빠른 속도로 지면에서 도약하고, 도약 후에는 날갯짓 비행이 가능하게 하는 연구입니다. 이 로봇의 이름을 Jump-flapper라고 지었는데요, 도약 후에 날갯짓으로 양력을 발생하여 도약 높이를 향상하고, 안정적으로 착지하게 하는 것이 목표입니다.

Fig 7에서 A가 Jump-flapper의 CAD 모델이고, B는 약 400:1의 감속기어를 통해서 모터의 토크를 증폭하여 도약을 위해서 다리에 설치된 스프링을 인장함으로써(DEF), 도약에 필요한 탄성에너지를 저장하는 구동 메커니즘을 설명하는 그림입니다. 도약 직후에는 자동으로 기어 일부가 분리되어(C) 기어비를 16:1로 대폭 낮춤으로써 빠른 날갯짓이 가능하게 합니다.






Fig 8은 날개가 없는 경우의 Jump-flapper(A), 날개가 15Hz로 구동되는 경우(B), 날개가 19Hz로 구동되는 경우(C)에 도약하는 Jump-flapper를 초고속 카메라로 촬영하고, 사진을 겹쳐서 도시하여 비교한 것입니다. 무게가 22.9 g인 날개 없는 로봇의 도약 높이는 약 0.67m이었는데, 날개를 15Hz로 구동하는 로봇은 무게 23.5g으로 무게가 약 2.6% 증가하였지만, 이 로봇의 도약 높이는 약 0.77m로 약 18.2% 향상되었습니다. 날개를 19Hz로 구동하는 로봇은 무게가 24.5g으로 무게가 약 7% 증가했지만, 도약 높이는 약 86m로 약 30.3% 향상되었고요. 이로써 로봇의 무게 증가에도 불구하고, 날갯짓으로 발생한 추력이 도약 높이를 향상한 것임을 알 수 있습니다.





6. 수중-공중 복합기동을 위한 날치 모방 로봇의 꼬리치기 구동장치, 수중에서 공중으로의 도약, 공중 활강비행에 대한 연구 설명 부탁드립니다.

이 연구도 두 가지 방식으로 기동하는 이동로봇을 개발하기 위한 연구로서, 연구비가 크지 않지만 난이도가 매우 높은 연구이고 현재 3차년도가 진행 중입니다. 2차년도까지는 빠른 속도로 수중을 수영하여 수면에 도달한 후, 수면 밖의 공중으로 도약하는 물고기 로봇을 개발하였습니다. 이 로봇의 설계 방향은 수동적으로만 자세를 유지할 수 있도록 하고 최대한 작고 가볍게 하여, 항력을 줄이고 빠르게 속도를 높여서 짧은 거리에서 수중 도약이 가능하게 하는 것입니다.

Fig 9은 KU-Fish로 이름 지어진 물고기 로봇의 CAD 모델로, 무게 중심이 부력 중심보다 약간 아래 및 뒤쪽에 위치하여, 수영 중에 수동적으로 롤 안정성을 유지하고 수면 방향으로 피칭 모멘트를 발생하여 재빨리 수면쪽으로 수영하도록 하였습니다. 구동 장치는 DC 모터, 모터의 제한된 토크를 증폭하는 감속기어와 모터의 회전 운동을 꼬리치기 운동으로 변환하는 링크 구조로 구성되어 있습니다.





Fig 10은 KU-Fish가 물풀의 0~1.5m 구간을 수영하는 모습을 실험실 천장에 설치된 디지털 초고속 카메라로 촬영한 사진 중 일부로서, 각 사진에서 화살표가 로봇의 위치입니다. 여기서 측정된 수영 속도는 약 1.44m/s(=6.5 body length/s)로 빠른 속도를 보이는 물고기 로봇 영역에 들어갑니다. KU-Fish가 처음에는 수평 수영을 하다가(a-b), 약 0.5m를 지나면서 로봇의 전방이 급속히 수면을 향하고(b-c), 수영 거리 1m 부근에서 로봇의 몸체의 전방이 수면 밖으로 도약한 후(d-f), 재입수하여 1.5m 구간까지 수영함(f-h)을 알 수 있습니다.





Fig 11은 KU-Fish의 수중 도약 모습을 일반 카메라(Nikon D7000, Japan)를 이용하여 1 FPS의 속도로 측면에서 촬영한 연속 사진입니다. 공간적 제약으로 인하여 측면 도약 영상을 촬영하기 위한 시야(FOV, field of view)가 좁아서, 수면 도약과 재입수 하는 모습이 포착된 사진만을 넣은 것입니다. 이 경우에도, 처음에는 수평 수영을 하다가(a), 약 0.5m를 지나면서 로봇의 전방이 수면으로 향하고(b-c), 큰 각도로 수면을 돌파하여 공중으로 도약한 후(d-e), 로봇이 다시 입수(f)함을 알 수 있습니다.





7. 왜 로봇 연구자들이 이렇게까지 동물이나 곤충을 모방하는 걸까요?

일반적인 이동로봇 시스템은 바퀴나 무한궤도를 이용하여 기동합니다. 자연에서는 볼 수 없는 이동 방식으로 오히려 어색해야 하는데, 우리는 너무나 오랜 기간 바퀴에 익숙해져 있습니다. 이러한 이동 로봇은 통상적인 이동 통로를 통해서만 이동할 수 있습니다. 하지만, 인간을 포함한 동물과 곤충 들은 어느 지형에서도 이동할 수 있습니다. 이처럼 자연 생물체와 같이 이동할 수 있는 로봇이 개발된다면, 지금과는 전혀 다른 용도의 로봇으로 활용할 수 있습니다. 따라서 자연 생물체를 모방하여 이동 로봇을 개발하려는 움직임이 오히려 자연스러운 현상입니다.


8. 생체 모방 로봇의 기술력은 어디까지 발전되어 있는지 궁금합니다.

최근 국내 한 대기업이 인수한 Boston Dynamics의 로봇들을 보면, 2족, 4족 보행하는 로봇들이 자연 생물체의 이동 특성을 잘 모방하고 있음을 알 수 있습니다. 다만, 정형화되고 프로그램할 수 있는 범위에서 이동하는 로봇들이지만, 빠른 시일 안에 일반 지형에서도 자율적으로 판단하여 이동이 가능한 로봇들로 발전할 것입니다. 아울러, 하나의 방식이 아닌 둘 이상의 방식으로 이동이 가능한 생체모방 이동 로봇에 대한 연구가 진행되고 있으므로, 관련 기술 발전 가능성은 무궁무진하다고 하겠습니다. 결국 “필요는 발명의 어머니”입니다. 이러한 로봇이 필요로 하는 데까지 기술 발전이 이루어질 것으로 예상됩니다.


9. 전 세계적으로 생체 모방 로봇이 많이 활용되고 있는데요. 눈여겨보신 모방 로봇이나 참 잘 만들어진 모방로봇이 있을까요?

앞서 언급한 Boston Dynamics의 2족 및 4족 보행 로봇이 가장 우수해 보입니다. 또한, 날갯짓 비행로봇으로는 Aerovinronment에서 개발한 꼬리날개 없는 Nano-hummingbird입니다. Nano-hummingbird는 형상은 벌새를 모방했지만, 꼬리날개가 없이 날갯짓만으로 비행력과 제어력을 모두 발생하여 비행하므로 곤충을 모방했다고도 할 수 있습니다. MIT의 김상배 교수팀에서 개발한 치타 로봇도 우수한 로봇입니다. 이들이 최고의 생체모방 이동로봇으로 생각됩니다.


10. 생체 모방 로봇은 상용화되기 어려운 것 같습니다. 어떠신가요?

주변에서 상용화에 성공한 사례로 보면, 자동차, TV, PC, 노트북, 핸드폰, 전화기 등등 대부분 대량 생산, 대량 소비가 이루어지는 품목들입니다. 생체모방 로봇이 상용화된다고 하더라고, 21세기에는 대량으로 소비될 정도로는 상용화되기 어려워 보입니다. 다만, 생체모방 로봇은 먼저 군사용으로 활용될 가능성이 커 보입니다. 그러기 위해서는 기존의 무기체계 비해서 월등한 성능과 편이성으로 “game changer”의 가능성이 커야 합니다. 하지만, 이 경우에도 총, 포, 미사일, 탱크, 전투기처럼 대량으로 필요하다기보다는 소규모로 상용화될 가능성이 더 큰 것 같습니다.


11. 생체 모방 로봇에 대한 국내상황과 국외상황을 구체적으로 비교해주신다면 어떤 실정인가요.

미국을 중심으로 한 선진국에서는 21세기 초반에 생체모방 로봇에 대한 연구가 급격히 많아졌었습니다. 국내에서도 지난 10여 년 동안 생체 모방 로봇에 대한 연구가 활발했습니다. 현재 시점에서 보면, 국내에서도 2족 보행 로봇인 휴머노이드는 세계를 선도하는 수준이고, 4족 보행 분야에서도 큰 발전이 있었으며, 수영로봇도 기술적 진전이 있었습니다. 곤충 또는 새의 비행을 모방한 날갯짓 로봇 분야에서도 세계적 수준의 연구 성과가 보고되었습니다. 국내외 상황을 보면, 이제 한 개의 방식으로 이동하는 로봇 기술은 완성단계인 것 같습니다. 즉, 이동 로봇이 사회에서 활용될 수 있는 영역만 있다면, 상용화도 가능한 기술적 수준에 도달한 것 같습니다. 다만, 2개 이상의 방식으로 이동하는 로봇에 대한 연구는 아직 진행 중입니다.


12. 연구 진행 중 어려운 점이 있었다면 어떤 점이었으며, 어떻게 해결해 오셨는지 알려주세요.

생체모방 로봇에 관한 연구를 처음 시작할 때에는 연구성과를 보고할 국제학술지가 많지 않았습니다. 그래서 연구 초반에는 새로 발간되는 학술지에 논문을 발표하기도 있습니다. 거꾸로 얘기하면, 국제학술지 논문 중에서 참고할 수 있는 자료들이 거의 없었어요. 더구나 나 자신의 박사학위 연구는 유한요소법이라는 수치해석 기법과 관련된 것이었고, 로봇공학을 전공한 것도 아니어서, 생체모방 로봇 연구는 어려웠습니다. 교수가 된 후 첫 연구년이었던 2003년에는 1년 동안 곤충과 새의 비행에 관한 책과 논문만을 읽었습니다. 그게 지금까지의 생체모방 로봇 연구를 할 수 있게 한 힘이었던 것 같습니다. 그 후에는 학생들과 함께 곤충과 새의 날갯짓을 모방할 수 있는 메커니즘을 고안하고 구현하는데 시간을 많이 썼습니다.


13. 이런 연구에 힘입어 앞으로 연구 계획 중인 연구나 또 다른 목표가 있으신지 궁금합니다.

이제 은퇴를 5년 남기고 있는데요, 이 기간에 새로운 연구를 시작하기는 어려울 것 같습니다. 다만, 지금까지 연구해온 경험을 바탕으로, 곤충모방 날갯짓 비행로봇이 화성 대기와 같은 매우 낮은 밀도의 대기에도 비행할 수 있도록 연구하는 것이 다음 계획입니다.


14. 앞으로 관련 분야를 공부하는 후학(대학원생들)에게 이 분야의 연구에 대한 비전을 제시해 주신다면.

생체모방 로봇 분야를 선택했다면, 아마도 호기심이 강한 학생들일 겁니다. 남들이 전혀 손대지 않은 대상에 대한 연구를 하고 있고, 또 먼 미래에 활용될 수 있는 생체모방 이동로봇의 선구자라는 자부심을 가지고 연구에 임했으면 합니다. 생체모방 로봇의 연구에는 남다른 창의적 아이디어를 도출해야 하는 힘든 점이 있는데, 이를 극복하면 창의성과 상상력이 풍부한 연구자로 성장할 겁니다.






 

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