ROCR: 긴팔원숭이처럼 벽을 타는 경량 고효율 로봇

갈고리 모양의 발톱 한 쌍, 할아버지 시계의 추처럼 흔들리는 모터 구동 꼬리, 경량 프레임을 갖춘 ROCR('로커') 로봇이 8피트(약 2.4m) 카펫 벽을 15초 만에 올라갑니다. 인간 등반가와 수목성 유인원의 동작을 모방하면서 효율적으로 등반하도록 설계된 최초의 로봇인 ROCR은 점검, 유지보수, 감시 작업에 유망한 플랫폼을 제공합니다.

"ROCR의 궁극적 용도는 점검, 유지보수, 감시겠지만, 가장 즉각적인 영향력은 교육 도구이자 로봇공학의 매력적인 시연으로서의 가치에 있습니다"라고 유타 대학교 기계공학과 윌리엄 프로벤처(William Provancher) 조교수이자 프로젝트 수석 개발자는 말합니다.

연구팀의 논문은 이번 달 Transactions on Mechatronics(IEEE와 ASME 공동 저널) 온라인판에 게재될 예정입니다. 'ROCR 진동 등반 로봇'이라는 제목의 이 논문은 등반 로봇 효율성의 첫 벤치마크를 수립하여 향후 설계의 기준점을 제공합니다.

효율이 중요한 이유

지금까지 대부분의 등반 로봇은 효율보다 안정성을 우선시하여 떨어지지 않으면서 속도나 부착력을 추구했습니다. 그러나 ROCR은 에너지 효율에 초점을 맞춘 최초의 로봇으로, 자동차 내연기관의 약 25% 효율과 비교해 주목할 만한 20%의 등반 효율을 달성했습니다.

여기서 효율은 등반 중 수행된 기계적 일과 로봇 배터리에서 끌어온 전기 에너지의 비율로 정의됩니다. 꼬리 흔들림의 타이밍과 진폭을 최적화함으로써 ROCR은 전력 소비와 등반 속도의 균형을 맞춥니다.

설계 하이라이트

• 크기: 폭 12.2인치 × 길이 18인치(상단부터 하단까지)
• 무게: 1.2파운드(약 0.54kg)
• 발톱 간격: 4.9인치
• 꼬리 흔들림 진폭: 120°(수직 기준 양쪽으로 60°)
• 최적 흔들림 주파수: 1.125Hz(초당 1.125회)
• 등반 속도: 6.2인치/초(카펫 합판 위)

로봇의 꼬리는 작은 모터가 기어를 구동하여 진동 운동을 만듭니다. 꼬리 바닥에 장착된 배터리는 추 같은 운동에 필요한 질량을 제공합니다. 두 개의 강철 갈고리 발톱이 번갈아 벽을 잡으며 무게중심을 이동해 자유 발톱을 다음 잡을 위치로 올립니다.

테스트와 결과

시제품 제작 전 컴퓨터 시뮬레이션으로 가장 에너지 효율적인 등반 전략을 파악했습니다. 실험 시험으로 이를 검증한 결과, 로봇은 고유 공진 주파수 근처에서 작동할 때 가장 우수한 성능을 보였습니다. 이는 할아버지 시계의 추가 고유 주파수에서 가장 효율적으로 흔들리는 것과 유사합니다.

꼬리가 너무 빨리 흔들리면(초당 2회) 로봇이 벽과 접촉을 잃고 안전줄에 걸렸습니다. 최적인 1.125Hz에서 ROCR은 20% 효율을 달성하며 추락 없이 안정적으로 상승했습니다.

미래 방향

프로벤처 교수와 협력자들은 벽돌, 사암 등 더 다양한 표면을 다룰 수 있는 정교한 그립 메커니즘 추가와 효율성 및 작업 다목적성을 더욱 높이는 고급 제어 알고리즘 개발을 계획 중입니다.

더 높은 효율로 배터리 수명을 연장함으로써 ROCR은 자율적이고 독립적인 작동으로 더 긴 임무를 수행할 수 있게 되어 실제 점검, 유지보수, 감시 작업에서의 활용성이 확대될 것입니다.

ROCR 개발은 미국 국립과학재단(NSF)과 유타 대학교의 지원을 받았습니다. 연구팀에는 기계공학 박사과정 마크 펠버그(Mark Fehlberg)와 전 유타 석사 졸업생으로 현재 뉴햄프셔에서 엔지니어로 일하는 사무엘 젠슨-시걸(Samuel Jensen-Segal)이 포함됩니다.

유타 대학교 윌리엄 프로벤처 교수팀이 개발한 ROCR 진동 등반 로봇. 두 개의 갈고리 발톱, 모터, 추 스타일 꼬리를 이용해 효율적으로 벽을 오릅니다. 무게 1.2파운드, 크기 12.2×18인치로 감시, 점검, 유지보수, 공학교육, 매력적인 장난감 등으로 잠재적 응용 가능성이 있습니다.