카이스트 기계공학과 황보제민 교수팀은 2024년 11월 상주 곶감 마라톤 대회에서 배터리 충전이나 교체 없이 42.195㎞를 완주한 사족보행로봇 ‘라이보2’의 장거리 주행 기술을 분석해 발표했다. 이는 과학 저널 ‘네이처’ 9월 24일 자에 실렸다. 이런 세계적 과학 저널은 로봇공학 자매지를 별도로 갖고 있어 로보틱스 논문이 본지에 실리는 것은 매우 드물다. 특히 국내 로봇 연구가 네이처 본지에 게재된 것은 처음이다. 연구팀은 장거리 주행을 배터리나 모터 등 개별 부품의 성능 문제가 아니라 기계 구조, 전기 시스템, 보행 제어가 긴밀하게 연결된 로봇 전체의 시스템 문제로 접근했다. 사족보행로봇은 다리를 반복적으로 움직이는 과정에서 구동장치를 비롯해 여러 부분에서 에너지를 잃기 때문에 어느 한 부품의 효율만 높여서는 빠르고 안정적인 보행 성능과 긴 주행거리를 동시에 확보하기 어렵다는 것이다. 연구팀은 로봇 전체에서 발생하는 에너지 손실을 체계적으로 분석하고 높은 보행 성능을 유지하면서도 에너지 소비를 줄일 수 있도록 기구와 전장, 구동 및 제어 시스템을 통합적으로 설계했다. 이를 통해 사족보행로봇이 장시간 안정적으로 움직이기 위한 구체적인 설계 원리를 제시했다. 산업 현장에서도 로봇을 장시간 운용하려면 순간적 운동 성능뿐 아니라 에너지 효율, 발열, 배터리, 구동장치의 안정성 확보가 필요하다는 의미다. 황보 교수는 “이번 연구는 사족보행로봇이 얼마나 멀리 달릴 수 있는지를 넘어 높은 운동 성능과 에너지 효율을 동시에 확보하기 위해 로봇 전체를 어떻게 설계해야 하는지를 실제 마라톤 데이터로 입증한 결과”라고 말했다.

사람도 완주하기 쉽지 않은 마라톤 풀코스를 배터리 교체 없이 달린 세계 최초 사족보행로봇의 비밀이 세계적인 과학 저널에 실렸다. 카이스트 기계공학과 황보제민 교수팀은 2024년 11월 상주 곶감 마라톤 대회에서 배터리 충전이나 교체 없이 42.195㎞를 완주한 사족보행로봇 ‘라이보2’의 장거리 주행 기술과 실제 마라톤 완주 결과를 분석해 발표했다. 이 연구 결과는 과학 저널 ‘네이처’ 9월 24일 자에 실렸다. 네이처와 같은 세계적 과학 저널은 로봇공학 관련 자매지를 따로 갖고 있어 로보틱스 논문이 본지에 실리는 사례는 매우 드물다. 더군다나 국내에서 수행된 로봇 연구가 네이처 본지에 게재된 것은 이번이 처음이다. 이에 연구팀은 장거리 주행을 배터리나 모터 등 개별 부품의 성능 문제가 아니라 기계 구조, 전기 시스템, 보행 제어가 긴밀하게 연결된 로봇 전체의 시스템 문제로 접근했다. 사족보행로봇은 다리를 반복적으로 움직이는 과정에서 구동 장치를 비롯해 여러 부분에서 에너지를 잃기 때문에 어느 한 부품의 효율만 높여서는 빠르고 안정적인 보행 성능과 긴 주행 거리를 동시에 확보하기 어렵다. 연구팀은 로봇 전체에서 발생하는 에너지 손실을 체계적으로 분석하고 높은 보행 성능을 유지하면서도 에너지 소비를 줄일 수 있도록 기구와 전장, 구동 및 제어 시스템을 통합적으로 설계했다. 이를 통해 사족보행로봇이 장시간 안정적으로 움직이기 위한 구체적인 설계 원리를 제시했다. 연구팀은 라이보2를 실제 참가자로 등록해 공식 구간 기록도 남겼으며, 연구진은 로봇과 함께 달리며 출발부터 결승선까지 4시간이 넘는 주행 전 과정을 영상으로 기록했다. 특히 마라톤이 진행되는 동안 로봇 내부의 전압과 전류, 온도, 배터리 상태를 실시간으로 기록하고 이를 GPS로 측정한 위치·속도·고도 정보와 동기화했다. 황보제민 교수는 “이번 연구는 사족보행로봇이 얼마나 멀리 달릴 수 있는지를 넘어 높은 운동 성능과 에너지 효율을 동시에 확보하기 위해 로봇 전체를 어떻게 설계해야 하는지를 실제 마라톤 데이터로 입증한 결과”라며 “추가 연구를 통해 연구실에서 구현한 세계 최고 수준의 성능을 산업 현장에서 반복적이고 안정적으로 사용할 수 있는 제품으로 연결할 것”이라고 말했다. 한편 황보 교수 연구실에서 출발한 카이스트 교원창업기업 라이온로보틱스는 이번 연구 성과를 실제 제품으로 연결하는 역할을 맡고 있다. 라이보2 개발 과정에서도 라이온로보틱스의 제조 기술은 연구실에서 확보한 높은 에너지 효율과 보행 성능을 실제 마라톤에서 4시간 이상 안정적으로 유지하는 데 기여했다.

한국과학기술원(KAIST)이 개발한 4족 보행 로봇이 세계 최초로 마라톤 풀코스 완주에 성공했다. 17일 카이스트에 따르면 기계공학과 황보제민 교수 연구팀이 개발한 라이보2가 이날 오전 경북 상주시 상주시민운동장에서 열린 2024 상주곶감마라톤 풀코스(42.195㎞)를 완주했다. 기록은 4시간 19분 52초다. 보행 로봇 제작은 지면 접촉 시 발생하는 충격으로 인한 주기적 진동을 견뎌야 한다. 모터에 바퀴를 달아 굴리는 주행 로봇과는 차원이 다른 고난도 작업이다. 더구나 상주 곶감 마라톤은 14㎞ 지점과 28㎞ 지점에 고도 50ｍ에 달하는 언덕이 있는 어려운 코스다. 그동안 4족보행 로봇은 얼음, 모래, 산악 지형 등 험지에서도 안정적 보행이 가능하다는 장점이 있지만 짧은 주행거리(최장 20㎞)와 운용 시간이 한계로 지적됐다. 마라톤 풀코스 완주는 두 번째 도전 만에 이뤄낸 성과다. 연구팀은 지난 9월 금산인삼축제 마라톤대회에서 첫 도전에 나섰지만 37㎞ 지점에서 배터리 방전으로 완주에 실패했다. 실제 마라톤 코스에서 다른 주자들과 함께 달리다 보니 감속과 가속을 반복해야 했고 이 과정에 예상보다 빨리 배터리가 방전됐다. 이후 연구팀은 완주를 위해 기술적 보완을 했다. PC에서 수행하던 관절 강성 제어를 모터 구동기에 직접 달았고, 내부 구조를 개선해 배터리 용량을 33%나 늘렸다. 덕분에 라이보2는 직선 구간 기준 최대 67㎞까지 주행할 수 있는 능력을 갖췄다. 카이스트 관계자는 “이번 성공은 도심 환경에서 라이보2가 안정적으로 배달과 순찰 등을 수행할 수 있다는 걸 보여줬다”라면서 “산악이나 재난 등 보다 험한 환경에서도 세계 최고의 성능을 달성하도록 노력하겠다”고 말했다.