대전 KAIST, 지하 공간 탐사를 위한 생체모방형 두더지 로봇 개발
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대전 KAIST, 지하 공간 탐사를 위한 생체모방형 두더지 로봇 개발
  • 김태종 기자
  • 승인 2020.06.05 07:58
  • 조회수 44
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- 탐사 효율 상승 및 비용 절감 기대, 극한지역 및 우주 무인 탐사 등에 활용

(대전=세종충청뉴스) 김태종 기자 = 국내 연구진이 두더지의 생물학적 구조와 굴착 습성을 모방해 무인 지하 탐사나 극한지역 또는 우주행성 탐사에 효율적으로 활용가능한 생체모방형 두더지 로봇을 개발해 화제다.  

KAIST(총장 신성철)는 전기및전자공학부 명현 교수 연구팀(미래도시 로봇연구실)이 일명 두더지 로봇인 `몰봇(Mole-bot)'을 개발했다고 4일 밝혔다. 

몰봇은 석유, 석탄 등 기존 에너지원을 대체해 신 에너지원으로 사용 가능한 탄층 메탄가스(Coalbed Methane)나 전자기기에 이용되는 희토류 등이 매설된 지역의 탐사, 더 나아가 우주 행성의 표본 채취를 목표로 KAIST 연구팀에 의해 개발됐다.  

기존 천부 굴착작업은 시추기와 파이프라인, 펌프 등 각종 장비를 조합해 작업을 진행해야 하지만 이제 `몰봇' 로봇 하나면 모든 작업을 원활히 수행할 수 있다. 이를 임베디드 방식이라고 표현하는데, 특히 `몰봇' 개발을 계기로 기존의 거대하고 복잡한 드릴링 장비 사용과 이로 인한 복잡한 공정, 환경 오염 유발 등 많은 문제점이 해결될 것으로 기대된다. 

몰봇은 크게 드릴링부, 잔해 제거부, 방향전환을 위한 허리부, 그리고 이동 및 고정부로 구성된다. 크기는 지름 25cm, 길이 84cm이며, 무게는 26kg이다. 우선 드릴링 메커니즘은 이빨로 토양을 긁어내는 두더지 종 중의 하나인 `치젤 투스(Chisel tooth mole)'를 생체모방해 새로운 확장형 메커니즘을 개발했는데 기존 기술 대비 높은 확장성을 가지며 안정적인 드릴링이 가능하다.

잔해 제거 메커니즘은 크고 강력한 앞발을 이용해 굴착 및 잔해를 제거하는 또 다른 두더지 종인 `휴머럴 로테이션(Humeral rotation mole)'의 특별한 어깨구조를 모사해 설계했다. 휴머럴 로테이션은 길쭉한 형태의 견갑골을 가져 견갑골의 직선운동을 상완골에서 강력한 회전력으로 변환할 수 있다. 연구팀은 이러한 생물학적 구조를 모방해 효율적인 잔해 제거가 가능하도록 앞발 메커니즘을 새로 개발했다.

허리부는 두더지의 허리를 모사한 메커니즘을 통해 지하 내에서 360°자유롭게 방향 전환이 가능하다. 몰봇은 굴착 메커니즘을 가지는 앞몸체와 이동 및 고정 역할을 하는 뒷몸체로 각각 구성돼있으며, 두 몸체 사이를 선형 구동기로 연결하고 스트로크 조절을 통해 자유롭게 좌우회전을 할 수 있다. 

마지막으로 이동부는 동일한 3개의 유닛을 삼각형 형태(120°간격)로 균등 배치해 지하 내에서 안정적인 지지 및 이동을 할 수 있도록 설계됐다. 불규칙한 토양 환경, 암석 등 예측 불가능한 지하 내에서 안정적인 이동을 위해 무한궤도를 이용한 이동 방식을 적용한 것이다. 

연구팀은 이 밖에 개발된 로봇에 지하에서 로봇의 위치를 측정할 수 있는 센서시스템과 알고리즘을 탑재했다. 지하 환경은 주변이 암석과 흙으로 이뤄져있어 무선통신 신호를 활용하기 어렵고 또 내부가 협소하고 어둡기  때문에 비전 및 레이저 센서를 사용하기 어렵다. 

이를 해결하기 위해 몰봇에 자기장 센서가 포함된 관성항법 센서를 탑재했는데 이 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 개발해 로봇 위치를 측정하는 문제를 해결했으며, 이는 지하공간에서의 3차원적인 자율 주행을 가능케한다. 
개발된 몰봇은 한국산업기술시험원(KTL)의 공인인증 평가를 통해 성능을 검증했으며, 총 4개의 항목에서 평가를 받았다. 최대 굴진각은 100피트당 38도, 위치 인식 평균 제곱근 오차는 6.03cm, 굴진 속도는 시속 1.46m, 방향각 추정 오차는 0.4도로, 기존 세계 최고 방식과 비교할 때 굴진 속도는 3배 이상, 방향각 추정성능은 6배 이상 향상된 성능을 보였다.

명 교수 연구팀은 몰봇이 기존 로봇들에 반해 훨씬 효율적인 방법으로 지하자원 탐사가 가능할뿐만 아니라 경제성도 뛰어나고, 최근 스페이스X에 의해 촉발된 우주 개발 등 다양한 분야에 적용이 가능하기 때문에 세계시장 진출도 가능할 것으로 기대하고 있다. 

이 연구는 2017년부터 2019년까지 진행됐으며, 로봇 구조 해석 및 지반 실험은 건설 및 환경공학과 홍정욱 교수 및 권태혁 교수 연구팀과 협업했다. 그동안의 연구성과물로는 해외 우수저널 논문 5건 게재, 국제 학술대회 발표 12건, 국내 학술대회 발표 4건, 특허 출원 및 등록은 각각 3건과 1건의 실적을 기록했고 특히 국제 학술대회 우수발표상 및 국내학술대회 우수논문상을 각 1건씩 수상했다. 

개발된 두더지 로봇인 `몰봇'의 구동 및 굴진 영상은 아래 주소에서 확인할 수 있다.

1. 연구 배경
석유, 석탄 등 기존 에너지원으로 이용되는 자원의 고갈이 가까워진 시점에서 새로운 에너지원으로 이용될 수 있는 자원의 탐사를 위한 연구 및 기술 개발이 필요하다. 자원 탐사는 산업 및 기술의 발전에 기여할 뿐만 아니라 새로운 드릴링 시스템의 개발을 요구하고 있다. 여러 정교한 회전식 드릴 비트와 안정적인 방향성 드릴링 메커니즘이 제안되었으며, 목표로 하는 드릴링 심도는 점점 증가하고 있다. 반면에 이러한 목표를 달성하기 위해 시스템의 크기 및 중량이 증가하고 있으며, 복잡한 환경 및 극한지역에서는 사용이 제한된다. 신 에너지원으로 각광 받는 탄층메탄가스(coalbed methane), 전자 기기의 발달로 인해 지속적으로 수요가 증가하고 있는 희토류 (Rare Earth Elements, REE) 매장 지역을 탐사하는데 새로운 시추 기술을 적용하여 시추 시간과 비용을 줄이는 것이 바람직하다. 최근 몇 년 사이에 극한 환경의 행성 탐사를 위한 소형 시스템의 개발이 이슈가 되고 있다. 추가적으로, 굴착된 토양의 처리는 각종 화합물이 섞인 이수 사용으로, 환경 오염 유발, 추가 시스템을 필요로 하는 등 여러 가지 제한점을 가지고 있다. 본 연구는 앞서 언급한 기존 시스템의 한계점을 극복하기 위해 자연에서 굴착 습성을 가지는 동물을 모사한 새로운 지하 공간 탐사 로봇 시스템을 개발하였다.

2. 연구 내용
천부시추 영역에서의 효율적인 시추 및 탐사를 위해 생물체의 굴착 습성과 생물학적 구조를 모사한 두더지 로봇(mole-bot)을 개발하였다. 치젤 투스 종의 생물학적 구조 및 굴착 메커니즘을 모사한 확장형 드릴비트 메커니즘을 개발하였으며, 휴머럴 로테이션 종의 해부학을 모사한 앞발 메커니즘을 이용한 효율적인 잔해 제거가 가능하다. 두더지의 허리 자유도를 모사한 메커니즘을 통해 공 내에서 방향을 전환하는 방향성 시추가 가능하다. 굴착 시스템 외에도 일반적인 위치 추정에 사용되는 GPS(Global Positioning System), WiFi, RF(Radio Frequency), UWB(Ultra Wide Band), 비전, 라이더 센서 등을 사용하기 어려운 지하 내 환경에서의 로봇의 위치 추정이 가능한 센서 시스템 및 알고리즘을 개발하였다. 이러한 새로운 개념의 생체모방형 굴진 메커니즘 및 위치 인식 시스템을 개발하고 로봇의 성능을 공인인증 평가를 통해 검증함으로써, 기존 개발되었던 기술보다 우수함을 입증하였다.

3. 기대 효과
생체모방형 두더지 로봇 개발을 통해 기존 지하 시추 및 탐사 기술의 한계점을 극복할 수 있을 것으로 기대된다. 개발된 로봇은 지반 내에서 자유로운 움직임을 통해 다양한 지역을 제한 없이 탐사 가능하다. 시추 시 여러 화합물이 포함된 이수(mud)를 사용하지 않음으로써 환경 파괴의 요인을 제거하고, 추가적인 파이프 라인 및 부수적인 장비 이용을 하지 않음으로써 자원 및 인력을 절감할 수 있다. Market & Market 사의 조사에 따르면 2016년 방향성 시추 시장은 83.3억 USD 규모로 판단되며, 2021년에는 103억 USD까지 성장할 것으로 전망하고 있다. 셰일혁명으로 시작된 시추 시장의 성장은 향후 우주 자원과 극지 자원 개발로 확장될 것으로 예상되어, 본 기술을 바탕으로 새로운 시장을 개척할 수 있으며, 기존의 탐사 시장에서도 경쟁력을 갖출 수 있을 것으로 기대한다. 


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