A compact multi-legged mobile robot with leg-mounted adhesion mechanisms for climbing walls in narrow spaces

도시가 노후화됨에 따라, 도시를 지탱하는 건물과 교량들도 그 세월을 드러내기 시작합니다. 일본에서는 이러한 인프라의 평균 연령이 빠르게 높아지고 있으며, 이는 정기적인 점검과 보수의 절실한 필요성을 낳고 있습니다. 하지만 높은 벽, 좁은 터널, 또는 중장비 주변의 좁은 공간을 점검하기 위해 인간 작업자를 보내는 것은 위험하며, 노동 인구가 줄어듦에 따라 점점 더 어려워지고 있습니다. 이를 해결하기 위해 엔지니어들은 로봇으로 눈을 돌리고 있습니다. 어떤 로봇들은 바퀴로 구르거나 드론처럼 비행하지만, 이러한 방식은 거칠고 울퉁불퉁한 표면이나 장애물이 길을 가로막는 좁은 구석에서는 어려움을 겪습니다. 더 적응력이 뛰어난 해결책은 수직 표면을 움켜쥘 수 있는 보행 기계의 설계에 있습니다. 하지만 벽을 타고 올라갈 수 있는 로봇을 만드는 것은 움직임과 접착력 사이의 섬세한 균형을 필요로 합니다. 과제는 단순히 벽에 붙어 있는 것이 아니라, 끈적한 부분을 끌어서 떨어지게 하거나 남겨두지 않고 벽 위를 이동하는 것입니다.

무로란 공과대학교의 연구진은 이러한 까다로운 점검 작업을 전문적으로 수행하기 위해 설계된 소형 4족 보행 로봇을 개발했습니다. 그들의 접근 방식은 다양한 재료, 즉 매끄러운 금속부터 거친 콘크리트에 이르기까지 여러 종류의 재료에서 작동하는 흡착 기반의 접착 메커니즘과 보행 메커니즘을 결합한 것입니다. 부피가 크고 움직임이 제한적이었던 기존의 6족 설계와 달리, 이 새로운 로봇은 각 다리에 4개의 움직이는 관절이 있는 더 단순한 4족 프레임을 사용합니다. 이러한 추가적인 유연성 덕분에 로봇은 흡착판을 표면 위로 끌지 않고도 다리를 자유롭게 휘둘러 새로운 위치에 발을 놓을 수 있습니다. 연구팀은 로봇의 '발'에 집중하여, 가장 많은 무게를 견딜 수 있는 형상과 재료를 찾기 위해 다양한 형태와 재질을 테스트했습니다. 그들은 직경 30mm의 우레탄 고무로 된 평평한 원형 패드가 가장 강하고 신뢰할 수 있는 접착력을 제공한다는 것을 발견했습니다. 이들은 이 흡착력을 세심하게 측정함으로써, 로봇이 움직이는 동안에도 안전하게 매달려 있을 수 있도록 했습니다.

로봇이 실제로 등반할 수 있는지 확인하기 위해, 연구팀은 시제품을 제작하여 평평한 바닥과 수직 벽 양쪽 모두에서 이동할 수 있는 능력을 테스트했습니다. 연구팀은 기계가 대각선 보행 패턴을 사용하도록 프로그래밍했습니다. 즉, 두 다리는 몸체를 안정적으로 유지하기 위해 벽에 붙어 있고, 나머지 두 다리는 새로운 손잡이를 찾기 위해 앞이나 뒤로 휘둘러집니다. 이 방식 덕분에 로봇은 균형을 잃지 않고 무게 중심을 옮기며 앞으로 나아갈 수 있었습니다. 설계의 핵심적인 부분은 다리가 복잡한 각도로 움직이는 동안에도 각 다리 끝의 흡착 패드가 벽에 완벽하게 평평하게 밀착되도록 보장하는 것이었습니다. 연구진은 단일 다리 유닛을 사용하여 기계적 연결 장치가 이러한 움직임 중에도 패드를 표면과 평행하게 유지할 수 있음을 검증했으며, 이는 강력한 밀봉을 유지하는 데 필수적입니다. 테스트 결과, 로봇이 벽 위에서 앞뒤로 이동하며 협응된 리듬에 맞춰 접착력을 바꾸고 다리를 휘두를 수 있음이 확인되었습니다.

또한 이번 연구는 이전의 설계들이 왜 미흡했는지 이해하기 위해 과거의 모델들을 되돌아보았습니다. 이전의 6족 로봇들은 벽에 충분히 압력을 가하지 못하는 수동형 흡착컵에 의존했기 때문에, 접착력이 약하고 움직임이 불안정했습니다. 또한 이러한 구형 모델들은 단순한 흔들기 동작에 국한되어 복잡한 환경을 탐색하기 어려웠습니다. 새로운 4족 설계는 강력하고 일관된 흡착력을 만들기 위해 능동형 진공 펌프를 사용하고 각 다리에 더 많은 움직임의 자유를 부여함으로써 이러한 문제들을 극복합니다. 초기 테스트는 매끄러운 아크릴 패널에서 수행되었지만, 연구진은 실제 인프라에서 흔히 볼 수 있는 거친 콘크리트 벽은 다른 차원의 도전 과제를 제시한다는 점을 인정합니다. 그들은 다음 단계로 로봇을 콘크리트 표면에서 테스트하여, 실제 기반 시설에서 발견되는 요철에 대해 흡착력이 어떻게 유지되는지 확인할 계획입니다. 현재로서는, 정교하게 선택된 흡착 패드를 갖춘 소형 4족 로봇이 접근하기 어려운 곳을 점검하는 실행 가능한 방법이며, 인간 작업자를 대신할 더 안전하고 적응력 있는 대안임을 보여주는 결과를 얻었습니다.