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건국대 박훈철 교수팀, 장수풍뎅이 모사 비행로봇 'KU비틀-S' 개발자연영상 촬영 및 비밀 군사작전 등 활용
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승인 2020.06.09  17:14:21
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▲ 비행 로봇 'KU비틀-S'(사진=테크엑스플로어)

건국대 박훈철 교수 연구팀이 최근 장수풍뎅이의 비행을 모방한 로봇인 ‘KU비틀-S(KUBeetle-S)’을 개발했다고 ‘테크엑스플로어’가 보도했다. 이 비행체는 향후 자연영상 촬영이나 비밀 군사작전 등에 사용될 전망이다.

장수풍뎅이는 무게가 약 5~10g이고 익면하중은 40N/m2인데, 이는 곤충이 평균 8N/m2이라는 점을 감안하면 매우 높은 편에 속한다. 연구팀은 이처럼 날개 면적 대비 많은 무게를 들어 올리는 장수풍뎅이의 특징을 착안해 해당 로봇을 고안해냈다. 이번 연구 성과는 출판전 논문을 수집하는 사이트인 아카이브(arXiv)에 게재됐다.

연구팀은 풍뎅이의 비행을 재현하기 위해 ‘플랩핑 윙(flapping-wing·상하 방향의 회전 운동 날개)’이라는 메커니즘을 개발했다. 이 메커니즘은 큰 날개 각도를 만드는 동시에 로봇의 무게를 감당할 만큼의 양력을 발생시킨다. 이 연구를 이끈 박훈철 교수는 “KU비틀-S는 기존 비행기와 달리 꼬리 날개가 없기 때문에 움직이는 중간에 이 로봇의 날개 운동학(wing kinematics)을 변화시켜야 플랩핑 윙이 제어 모멘트(control moments)를 만들어낼 수 있다”라고 설명했다.

연구팀은 해당 로봇 내부에 제어 모멘트 발생기를 설치했다. 이 발생기는 로봇의 날개 면을 좌우·앞뒤로 변경 가능하도록 해주는 것은 물론, 원하는 방향으로 로봇의 수직 상승을 전환하는 동시에 제어 모멘트를 발생시킬 수 있다. 기계적으로는 경량 서보모터가 통합돼 있으며, 조작은 연구팀이 개발한 알고리즘을 기반으로 한 피드백 제어 시스템(feedback control system) 및 제어기판(control board)을 통해 이뤄진다.

이전 연구에서 KU비틀-S는 장수풍뎅이와 똑 같이 180도 이상의 날개 짓 각도를 가지고 제자리 비행을 비롯해 다양한 운동으로 전환할 수 있었다. 이번 연구에선 저전압 전력을 사용해 비행시간을 크게 향상시켰다. 연구팀은 로봇 모터의 작동범위 내에서 단일 리튬폴리머(LiPo) 배터리를 사용해 저전압 전류로 이 비행체가 작동하도록 설계했다.

아울러, 이번 연구는 로봇의 비행시간 또는 항속시간을 늘리는 게 주요 목표였다. 연구팀은 공기역학적인 측면에서 효율적인 날개를 선택한 후 실제 풍뎅이의 익면하중에 맞춰 날개 너비를 확장함으로써 로봇의 항속시간을 높일 수 있었다. 특히 안쪽에 있는 날개 부분을 잘라냈다.

연구팀은 새로운 설계를 적용한 로봇의 성능과 비행시간을 평가하기 위해 일련의 테스트를 수행했다. 테스트 결과 저전압 동작이 구동 모터가 과열되는 일을 방지해 로봇의 비행시간을 향상시킨다는 점을 발견했다.

이번 연구에 참여한 ‘호앙부 판(Hoang Vu Phan)’은 "우리 로봇의 장점 중 하나는 무게가 가볍다는 것이다. 이전 논문에서 발표한 간단하면서도 효과적인 제어 메커니즘 덕분에 우리는 소형 서보기기들을 이용해 무게를 줄일 수 있었다. KU비틀-S는 모든 부품들을 탑재한 채 자유 관제 비행을 유지할 수 있는 날개 2개 달린 가장 가벼운 로봇이다"라고 말했다.

▲ KU비틀-S(사진=테크엑스플로어)

KU비틀-S의 첫 버전은 무게 16.4g에 2셀 리튬폴리머 7.4V 배터리로 움직였다. 로봇 날개를 바꾸어 너비를 확장한 뒤에야 로봇의 무게가 15.8g으로 줄고, 총 비행시간도 3분에서 9분으로 늘어났다.

박 교수는 "이번 연구 결과는 공기역학적인 측면에서 효율적인 날개가 비행 로봇의 항속시간을 높이는 데 매우 중요하다는 사실을 보여준다"며 "우리는 또 KU비틀-S의 익면하중이 실제 풍뎅이의 날개 하중과 비슷할 때 보다 오래 비행할 수 있다는 점을 발견했다. 이는 곤충이나 새를 모사할 경우에도 익면하중이 중요한 요소라는 점을 시사한다"라고 했다.

이번에 개발한 로봇은 파리에게서 종종 관찰되는 뱅크드 턴(banked turns)과 같은 곤충들의 움직임을 이해하는 데 사용될 수 있다. 크기가 작아 곤충이나 야생동물 영상을 수집하기 위해 자연 서식지에 배치되거나 비밀군사 임무를 수행하는 데 투입될 수도 있다.

연구팀은 앞으로 내비게이션 비행을 위한 온보드 비전 시스템을 설치할 계획을 갖고 있다. 또 빠른 전진 비행에서 호버링 모드로 전환하거나, 강한 바람이 부는 상황에서도 비행 전환 중 안정성을 향상시킬 수 있는지 확인할 예정이다. 최종 목표는 자율비행이다.

조상협  robot3@irobotnews.com
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