갯벌 및 습지 조사를 위한 무방향성 성게형 로봇

목표 및 제작 동기

성게YAHO(Yielding All-terrain High-adaptability Omni-robot) 팀에서 제안하고자 하는 시스템은, 인간과 기존 모빌리티 기술의 접근이 사실상 불가능했던 갯벌 및 습지 환경을 탐사하기 위한 성게형 자율 탐사 로봇 시스템이다. 본 프로젝트는 가로 4m, 세로 3m 규모의 제한된 트랙 공간을 미세한 진흙, 불규칙한 자갈, 급경사의 지형이 혼재된 극한의 갯벌 환경으로 재현하고, 이러한 환경에서 안정적으로 이동·탐사·복귀가 가능한 새로운 형태의 탐사 플랫폼을 구현하는 것을 목표로 한다. 갯벌은 해양 생태계 보전과 블루카본 연구 측면에서 매우 중요한 공간이지만, 높은 점성과 유동적인 지형 특성으로 인해 인간은 물론 기존의 바퀴형, 무한궤도형 이동체가 쉽게 매몰되거나 구동계 손상을 일으켜 접근이 어렵다. 또한 다족 보행 로봇 역시 복잡한 관절 구조 사이로 미세 진흙이 침투해 장시간 운용이 어렵다는 한계를 가진다. 이를 해결하기 위해 성게의 생체 형태에서 영감을 얻은 무방향성 탐사 로봇을 제안한다. 본 플랫폼은 중심 코어를 둘러싼 방사형 구조를 활용해 점성이 높은 진흙과 불규칙한 장애물, 급경사의 지형을 안정적으로 돌파하도록 설계된다. 특히 상하 구분이 없는 대칭형 구조를 적용함으로써, 탐사 임무를 우수하게 수행할 수 있는 강인한 기동성을 확보하고자 한다. [기대효과] 본 연구를 통해 제한된 예산 내에서도 고가의 센서나 복잡한 다관절 메커니즘 없이 극한의 갯벌 환경을 안정적으로 주행할 수 있음을 입증할 수 있을 것으로 기대된다. 특히 성게 형태의 기구 설계와 모터 전류 기반 제어, 신호 추적 알고리즘을 융합함으로써 현실 환경에서 발생하는 미끄러짐, 과부하, 자세 변화와 같은 다양한 불확실성을 소프트웨어적으로 극복하는 피지컬 AI 기술의 가능성을 제시할 수 있다. 아울러 본 시스템은 가벼운 무게와 점접촉 기반 이동 방식을 사용하여 지면 교란을 최소화하므로, 지속 가능한 생태 조사 및 환경 모니터링 플랫폼으로 활용될 수 있다. 나아가 이러한 성게형 이동 메커니즘은 갯벌에만 국한되지 않고 모래, 눈, 자갈, 붕괴 위험지 등 다양한 비정형 지형에 적용할 수 있어, 향후 해상 기름 유출 및 유해 물질 오염 지역의 재난 구조, 극지 및 행성 탐사 등 사람이 접근하기 어려운 극한 환경용 로봇 플랫폼으로의 높은 확장성을 가질 것으로 기대된다.

프로젝트 컨셉

(1) 하드웨어 설계 본 연구에서는 갯벌과 같은 연약 지반에서도 안정적으로 이동할 수 있도록 성게를 모사한 무방향성 이동 구조를 적용한다. 로봇의 중심 코어에는 메인보드, 배터리, 무선 통신 모듈 등을 배치하고, 이를 보호하기 위해 중심부에서 방사형으로 8~12개의 직선 운동 가시를 배치한 성게형 구조를 설계한다. 각 가시는 소형 모터와 랙앤피니언 메커니즘을 결합한 리니어 구동계를 통해 직선 운동을 수행하며, 전체 구조는 상하 구분이 없는 완전한 무방향성을 갖는다. 따라서 로봇이 갯벌 경사면에서 구르거나 뒤집히더라도 별도의 자세 복원 과정 없이 지속적인 이동이 가능하다. 또한 각 가시의 끝단에는 반구 형태의 넓은 팁을 부착하여 갯벌 표면에서의 과도한 침하를 방지한다. 기존의 바퀴형 이동체가 미끄러운 진흙 표면에서 쉽게 공회전하는 것과 달리, 이 로봇의 가시는 진흙 내부를 지지점으로 활용하는 닻 역할을 수행한다. 이를 통해 로봇은 미끄러운 경사면에서도 지면을 단계적으로 밀어내며 안정적으로 이동할 수 있다. 더불어 별도의 로봇 팔을 장착하지 않고도 토양 샘플을 채취할 수 있도록 특정 가시 내부를 중공 구조로 설계하고 소형 모터 및 진공 흡입 장치를 내장한다. 로봇은 이동 과정에서 해당 가시를 진흙 내부에 삽입한 뒤 시료를 흡입함으로써 표면 오염의 영향을 최소화한 내부 토양 샘플을 정밀하게 채취할 수 있다. (2) 제어 및 소프트웨어 시스템 갯벌 환경은 지형 특징이 뚜렷하지 않고 GPS 신호 활용이 제한적이므로, 본 연구에서는 폐루프 신호 추적 기반 자동 복귀 알고리즘을 적용한다. 출발 지점에는 저가형 초음파 또는 적외선 비콘을 설치하고, 로봇은 복귀 모드에서 수신되는 신호의 세기를 실시간으로 분석하여 가장 강한 방향을 추종하도록 설계한다. 이를 통해 이동 중 발생하는 미끄러짐이나 자세 변화에 의한 방향 오차를 지속적으로 보정하며 안정적으로 출발 지점으로 복귀할 수 있다. 또한 각 가시를 구동하는 모터의 전류값을 실시간으로 모니터링하여 능동적인 충격 흡수 및 장애물 회피 기능을 구현한다. 높은 곳에서 추락하거나 지면 내부의 돌과 같은 장애물에 가시가 걸릴 경우 모터 전류가 급격히 증가하게 되는데, 시스템은 이를 즉시 감지하여 모터를 정지시키거나 역회전시킴으로써 구동부 손상을 방지한다. 이를 통해 별도의 기계식 완충장치 없이도 소프트웨어 기반의 능동형 충격 흡수 시스템을 구현할 수 있다. 마지막으로, 로봇은 이동 과정에서 지속적으로 회전하고 자세가 변화하기 때문에 고정된 기준축을 정의하기 어렵다. 이를 해결하기 위해 IMU의 자이로스코프 및 가속도 센서 데이터를 융합하여 로봇의 절대 자세를 실시간으로 추정한다. 추정된 자세 정보를 기반으로 현재 지면을 지지하고 있는 가시를 판별하고, 이를 주행 제어에 반영함으로써 안정적인 전방향 이동을 수행할 수 있도록 한다. [개발 역량] 저희 팀은 기계 설계, 하드웨어 제작, 전자 회로 구성, 제어 알고리즘 구현에 이르는 로봇 개발 전 과정을 자체적으로 수행하고 하나의 동작 시스템으로 통합할 수 있는 다학제 융합 역량을 갖추고 있습니다. 첫째로, 기계공학 전공자를 중심으로 파라메트릭 모델링과 기구학 해석 역량을 보유하고 있습니다. 팀 기반 기계요소설계 프로젝트에서 구동부 설계에 필요한 핵심 역학 지식을 실전에 적용했으며, 고체 로켓 등 극한 환경용 하드웨어를 직접 제작한 경험이 있습니다. 이를 바탕으로 3D 프린터와 가공 장비를 활용해 갯벌 지형에 맞는 부품을 빠르게 프로토타이핑하고, 특히 미세 진흙 침투를 막는 구동부 밀봉 설계까지 반복적으로 개선할 수 있습니다. 둘째로, 전기 및 전자공학 전공자들을 주축으로, MCU 기반의 하드웨어 제어 시스템과 전원 시스템을 독자적으로 구축할 수 있습니다. 각 가시의 구동 모터에서 발생하는 전류 피드백을 분석해 과부하를 감지하고 능동적으로 충격을 흡수하는 제어 로직을 자체 구현할 수 있습니다. 전원 분배를 위한 PCB설계가 가능하며, 더불어 IMU 센서 데이터를 융합한 실시간 자세 추정 기술과 비콘 기반의 폐루프 신호 추적 알고리즘을 설계하고 최적화할 수 있어, 비정형 환경에서 발생하는 다양한 불확실성을 소프트웨어적으로 보완할 수 있는 역량을 보유하고 있습니다. [지원 동기] 이번 콘테스트에서 저희가 직접 설계한 가혹한 갯벌 트랙을 무대로 저희 팀이 가진 플랫폼의 완성도를 증명해 보이겠습니다. 거친 필드 환경 특성상 주행 중 뒤집힘, 미끄러짐, 지면 매몰 등 다양한 돌발 변수와 시행착오가 발생하겠지만, 이를 현장에서 유연하게 제어하고 극복해 내는 것이 엔지니어의 역할이라고 생각합니다. 대회 기간 동안 현장의 물리적 한계와 오류들을 정밀한 알고리즘을 통해 실시간으로 보정하고 소프트웨어적으로 해결해 나가며, 지정 구역에서의 정밀한 시료 채취부터 안전한 자동 복귀 미션까지 끝까지 완수해 내겠습니다. 또한, 이 콘테스트는 저희 팀의 기술을 증명하는 자리인 동시에, 다양한 문제를 저마다의 창의적인 방식으로 풀어낸 다른 참가 팀들의 작품을 보며 커다란 자극을 받을 수 있는 기회라고 생각합니다. 현장에서 다른 학생들의 고유한 접근 방식과 하드웨어 설계, 제어 알고리즘을 직접 눈으로 보고 공유하며 엔지니어로서의 시야를 한 단계 더 넓히고 싶습니다. 이러한 값진 자극과 기술적 교류를 바탕으로 현업에서도 통용될 수 있는 완성도 높은 필드 로봇 제어 기술을 확보하는 데 저희의 모든 역량을 쏟아붓겠습니다.

팀원 기여도

• 양명현e4ds 회원
• 강승준e4ds 회원
• 유태경e4ds 회원
• 이진섭e4ds 회원
• 정채원e4ds 회원
• 최종현e4ds 회원