Fig.1에서 보는바와 같이 붕괴사고는 비평탄 지형을 만들어낸다. 이러한 환경을 극복하고 구조현장까지 빠르게 이동하기 위한 능력은 재난대응로봇에서 매우 중요한 성능이다. 우리가 비평탄 지형을 이동한다고 생각하면 일반적으로 크롤러를 사용하는 굴착기 전차를 떠올리게 된다. 굴착기 운전자는 굴착기의 팔을 이용하여 트럭에 오르고 내리며, 끊긴 길도 이동한다. 옆에서 지켜보면 경이롭기 이를 데 없다. 이러한 험지 이동 능력에도 불구하고 재난상황의 붕괴지역의 경우, 곳곳에 위험이 산재해 있어 신속하게 이동하기란 쉽지 않을 것이다. 기존 굴착기의 제어방식으로 액추에이터 하나하나의 속도명령을 운전자가 계산하면서 전체 동작을 만들어내는 것은 능숙한 운전자에게도 쉽지 않은 작업일 것이다. 또한 조종을 위해 모든 신경을 집중하면 쉽게 피로감을 느끼게 될 것이다.

본 칼럼에서는 재난대응로봇들의 비정형 환경 이동을 위한 방법들에 대한 기술동향을 살펴보고, 한양대학교 한창수 교수 실험실에서 개발한 재난대응특수목적기계의 주행체 대해 소개하고자 한다.

가장 일반적으로 사용되는 주행체는 자동차와 같은 바퀴구동 타입이다. 바퀴는 평지나 도로에서 비교적 높은 효율로 빠르게 이동할 수 있는 장점을 가지기 때문에 도심지나 도로주변에서 작업하는 굴착기에서 주로 사용한다. 그러나 바퀴는 비평탄 지형과 연약한 지면에서의 이동성능이 급격히 떨어진다. 이를 극복하기 위해 굴착기를 포함한 국방, 건설, 농업용 장비 등 험지이동용 플랫폼은 크롤러(또는 무한궤도, 트랙)를 사용한다. 바퀴 구동에 비해 이동속도는 느리지만, 넓은 접지면을 가져 비평탄 지형에서의 이동이 용이하여 현재 개발되고 있는 재난대응장비의 주행체로 주로 사용된다.




도쿄소방서에 배치된 HITACHI ASTACO는 일반 굴착기의 주행체에 양팔을 부착한 형태로 철과 고무로 이루어진 크롤러를 사용하며, 앞부분의 로더가 부착되어 있어 작업 시 지지대 역할하기도 한다. ASTACO-SoRa의 경우도 거의 똑같은 형태를 가진다. SARCOS의 Guardian GT의 주행체는 Ditch-Witch사의 농업, 건설용 이동플랫폼을 사용하였다. 한국원자력연구원의 암스트롱도 일반적인 방식의 2개의 크롤러를 사용한다. 그러나 다른 플랫폼과 달리 허리관절을 통하여 팔의 작업범위를 넓히거나 비평탄 지형에서 자세를 유지하는데 활용한다.




이러한 크롤러 방식은 Fig. 4에서 보는바와 같이 접지력이 상실되거나, 측면이 닿는 등의 접지 과다 상태를 가지는 불연속 지형에서는 이동성의 한계를 가지게 된다. 특히 비평탄 지형에서는 측면에 장애물이 있을 경우 마음대로 방향전환이 이루어지지 않는다.


 

크롤러 방식의 굴착기가 다양한 지형을 이동할 수 있는 데에는 팔의 역할이 매우 크다. 크롤러 구동은 옆에 약간의 장애물만 있어도 방향전환 어려워 많은 동력을 필요로 하며, 크롤러가 벗겨지거나 파손될 수 있다. 이에 대부분 굴착기 운전자들은 팔을 이용하여 몸체를 들고 하나의 크롤러와 스윙 관절을 이용하여 회전하는 방식으로 방향을 전환한다. 이는 크롤러 사이에 끼인 이물질을 제거할 때도 사용하는 방법이다. 그리고 단차를 극복할 때에도 팔이 없이는 쉽게 이동하지 못한다.

이처럼 크롤러 방식은 비평탄 지형에서는 방향전환이 용이하지 않고, 그리고, 앞에 놓인 장애물은 주행체로 극복하기보다 팔로 치우면서 진행하고, 산악지형에서도 길을 개척하면서 진행한다. 단순히 주행체로만 재난 현장을 이동하기에는 시간이 매우 오래 걸리거나 극복하지 못할 수 도 있다. 이처럼 크롤러만으로 주행체를 설계할 경우, 재난대응로봇도 팔을 사용하면서 지형을 극복하는 알고리즘이 필수적일 것이다.




자동차나 전차와 같은 주행체의 한계를 벗어나 험지극복과 빠른 이동이라는 두 가지 능력을 모두 갖기 위해 다리 끝에 바퀴를 장착하는 휠레그(Wheel-leg)로 구성된 굴착기도 있다. 산악이나 비탈면, 하천에서 작업하기 위한 굴착기로 Menzi Muck이나 KAISER가 대표적이다. 스위스 Menzi Muck社의 굴착기는 4개의 다리와 4개 또는 2개의 휠을 장착하고 독립적으로 구동할 수 있다. 4개의 다리를 제어하여 경사나 단차가 심한 곳에서도 조종석의 자세를 수평으로 유지할 수 있으며, 높이 제어도 가능하다. 급경사에서는 바퀴를 제거하고 아웃트리거만 장착하여 이동하기도 한다. 리히텐슈타인 KAISER社의 굴착기는 Menzi Muck과 같은 형태의 다리와 바퀴로 이루어진 모델과 함께 4개의 크롤러가 부착된 모델을 제시한바가 있다.




이 같은 산악용 굴착기도 팔을 사용하지 않고는 산악을 올라가지 못한다. 텔레스코픽 기능이 있는 팔을 이용하여 험지를 극복한다. 즉, 팔과 3다리로 중심을 잡고 1개의 다리를 옮기는 방식으로, 운전자가 팔과 다리를 동시에 조종하여 동기를 맞추어야 제대로 된 이동이 가능하므로 조종이 복잡하여 느리게 이동할 수밖에 없다. 스위스 ETH에서는 운전자의 부담을 줄이기 위해 자동적으로 자세를 유지하는 연구를 수행 중에 있다.

족형로봇의 발에 바퀴를 장착한 로봇들도 개발되고 있다. 그러나 발 끝에 높은 출력의 구동부를 설치하기 어렵고, 험지극복을 위한 긴 다리는 주행 시 발생하는 충격 등의 외력을 견딜 수 있도록 까다롭게 설계해야 한다. 바퀴가 크면 보행에 방해가 되고, 바퀴가 작을 경우, 비평탄 지형에서의 주행이 어렵게 된다. 다양한 형태의 로봇들이 제안되고 연구되고 있으나, 실재 효용성에 대해서는 의문이다. NASA에서 개발하는 탐사로봇들의 경우는 에너지 소비를 고려하여 매우 느리게 이동하는 것을 감안하여 설계한 모델로 신속한 동작이 요구되는 재난현장에 적용하기에는 한계가 있다.




일본 TADANO에서 개발한 Robotops는 일반적인 크롤러 타입의 주행체에 3자유도 아웃트리거 형태의 다리를 통해 보행이 가능하도록 개발하였다. 그러나 보행속도가 매우 느리고 실재 비평탄에서의 보행은 찾아보기 어렵다. 미국 John Deere에서 개발한 Walking Harvester는 6개의 다리를 이용하여 산악에서 보행으로 이동하면서 벌목작업을 하는 장비로 개발되었으나 현재는 단종 된 상태이다. 6족 보행로봇은 4족에 비하여 안정성은 높지만, 6개의 다리를 제어하여 비평탄 지형에서 자세를 유지하고 이동하는 것이 생각보다 어려운 기술이다. 접지되어 있는 다리와 내려놓는 다리사이에 컴플라이언스가 없으면 다리 관절에 무리가 가거나 심지어 부러질 수도 있기 때문이다.




보스턴다이나믹스의 LS3, 한국생산기술연구원의 진풍, 이탈리아 IIT의 HyQ등 유압구동방식의 4족 로봇은 출력이 높은 4족 보행로봇에 속하며, 높은 험지이동성능을 보인다. 특히 LS3의 경우는 사막, 산악 등에서 안정적인 보행을 보여준다. 그러나 다리를 이용하면 험지이동성능을 극대화할 수 있으나, 자체무게를 다리가 버티면서 이동해야한다는 문제가 있으며, 보행 안정성을 위한 복잡하고도 어려운 제어가 필요하다.

실재 재난현장에서 작업할 때 안정적인 작업을 위해서는 아직 극복해야할 과제가 많은 것이 현실이지만, 소형타입으로 전기모터로 구동되는 4족 로봇 SPOT은 매우 안정적인 자세제어와 높은 보행성능을 보여주며, 팔을 장착하고 실내공간에서 다양한 작업을 수행하는 것을 보면, 향후 4족 로봇에 대한 기대감이 높아지고 있는 것이 사실이다.




본 연구팀에서는 비정형 환경을 이동하기 위해 개발된 주행체들을 분석하고, 붕괴 상황의 재난 지형 조건들을 고려하여 지난 칼럼에서 기술하였던 재난대응 시나리오를 바탕으로 하부체를 설계하였다.

우선 재난 현장의 비정형 환경에서 접지력을 유지하면서 주행하기 위해 4개의 크롤러가 독립적으로 구동하도록 구성하였다. 50cm 높이의 장애물은 양팔이나 다른 메커니즘의 도움을 받지 않고 크롤러 자체만으로 타고 넘어갈 수 있도록 장애물이나 복잡한 지형에서도 상부 작업기의 도움과 크롤러를 개별적으로 들어 올려 장애물을 넘어 갈 수 있는 험지 장애물 극복 4족 보행 다리 메커니즘을 적용하였다.

종,횡 경사면을 이동하거나 작업을 수행하기 위해 작업자의 안정성과 장비의 전복을 방지하도록 작업자가 탑승한 케빈을 기준으로 Roll, Pitch, Yaw에 대한 자세제어가 자동으로 된다. 크레인과 같은 중장비의 경우 아웃트리거를 장착하여 작업 중 작업의 안전성을 높이는 것과 달리, 안전과 장비의 전복을 방지하기 위한 별도의 아웃트리거 없이 크롤러의 좌우 간격을 넓혀 줄 수 있는 메커니즘을 적용하여 재난 대응 및 복구 작업 시 지면의 불규칙성에 대해 최대한 작업자의 안전성을 보장하도록 자세제어를 할 수 있다. 이동 중에도 자동적으로 케빈의 수평을 유지할 수 있다.




이러한 기능을 위해 재난 대응특수목적기계의 하부체는 Fig 10와 같이 구성된다.
4개의 다리로 구성되며, 각 다리는 2개의 실린더를 통해 상하, 좌우로 움직일 수 있다. 각 다리의 첫 번째 실린더를 구동하여 장비가 지면으로부터 수직으로 최대 1.2m까지 높이를 제어할 수 있고, 개별적으로 다리를 제어하여 지면 상황에 따라 메인 프레임의 자세를 제어할 수 있다. 또한 다리의 2번 실린더를 구동하여 크롤러 좌우 간격을 넓혀 줄 수 있기 때문에 별도의 아웃트리거 장착 없이 작업 중 또는 불안정한 지형 이동시 보다 안정적인 자세로 주행할 수 있다. 이 두 관절을 이용하여 Roll 축으로 35도, Pitch 축으로 25도 각도까지의 자세 제어를 할 수 있다.




Fig. 11에서 보는 바와 같이 0.5m 단차극복실험, 30도 이상의 종경사에서 자세를 제어하면서 등반하는 실험, 25도 이상의 횡경사에서의 자세제어실험을 통해 개발된 재난대응특수목적기계의 주행성능을 확인하였으며, Fig. 12는 포항에 위치한 재난로봇실증센터의 주행코스를 모두 이동 가능함을 확인하였다.




본 칼럼에서는 재난대응로봇들의 비정형 환경 이동을 위한 방법들에 대한 기술동향을 살펴보고, 개발된 재난대응특수목적기계의 주행체 대한 소개와 진행된 실험을 소개하였다. 현재 전세계적으로 다양한 형태의 험지극복용 주행체들이 연구되고 있다. 그러나 개발된 어떤 장비도 재난환경에서 완벽한 이동성능을 보여주지 못하는 것도 사실이다.

로봇이 재난현장에서 임무를 수행할 수 있는 현장까지 이동해야하는 것은 그 어떤 기능 중에서도 중요한 능력임에도 현재의 기술로는 구현이 어려운 것이 사실이다. 험지 이동에 대한 연구개발이 꾸준하게 되어야하는 이유이기도 하다.