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연구성과

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기계공학부 조규진 교수 연구팀

세상에 없던 트랜스포머 바퀴 탄생

2021.04.09

- 고하중 지지 가능한 형상 변하는 바퀴, 우주 탐사 로버 등 적용 기대
- 종이접기에서 영감, 로봇 분야 권위지 ‘사이언스 로보틱스’ 표지 선정

▲(왼쪽부터) 하버드대학교 이대영 박사 후 연구원, 서울대 김재경 박사과정,한국타이어 손창영 수석, 한국타이어 허정무 책임, 서울대 조규진 교수
▲(왼쪽부터) 하버드대학교 이대영 박사 후 연구원, 서울대 김재경 박사과정,한국타이어 손창영 수석, 한국타이어 허정무 책임, 서울대 조규진 교수

종이접기에서 차용한 설계 기술로 필요에 따라 모양이 변하며 1톤 급 하중을 견디는 트랜스포머 바퀴가 세계 최초로 개발됐다.

기계공학부 조규진(인간중심 소프트 로봇기술 연구센터장) 교수 연구팀은 1톤 급 차량에 적용 가능한 트랜스포머 바퀴를 개발했다고 밝혔다.

서울대학교 연구팀의 설계 기술과 한국타이어 연구팀의 재료/제작 기술의 합작으로 이루어진 이 성과는 가변형 구조물의 새로운 가능성을 제시한 연구로 인정받아 저명한 국제 저널인 ‘사이언스 로보틱스(Science Robotics)’에 4월 8일 자로 게재되었으며 4월 호 표지 논문으로 선정되었다.

개발된 트랜스포머 바퀴는 포장도로에서는 작은 바퀴 형태로 변하여 안정적이고 민첩한 주행이 가능하도록, 비포장 험로에서는 돌기가 있는 큰 지름의 바퀴 형태로 변하여 높은 기동성을 확보하도록 설계되었다. 바퀴는 1톤 이상의 하중을 견딜 수 있으며, 지름을 450mm에서 800mm까지 변화시킬 수 있다. 이 기술은 실내 서비스 로봇, 배달 로봇, 우주 탐사 로버 등 예측 불가능한 환경에서 높은 기동성이 필요한 분야에 활용될 것으로 기대된다.

접는 행위를 통하여 물체의 형상을 변화시키는 단순하면서도 독특한 방법은 일상생활이나 취미 활동뿐만 아니라 예술, 교육, 수학 등 다양한 분야에서 주목을 받아왔다. 더 나아가 초소형 로봇에서 우주 구조물에 이르기까지 다양한 첨단 기술 분야로 그 활용 범위를 점차 넓혀가고 있다. 특히 이번 연구에서 사용한 방식인 직물이나 박막 형태의 재료에 단단한 판 조각을 붙여 종이접기 구조를 구현하는 방식은 경첩과 같은 기계요소를 사용하는 전통적인 설계 방식에 비하여 제작이 월등히 쉬워 그 잠재력이 높으나, 내하중의 한계로 인하여 그 적용 범위가 크게 제한되어 왔다.

▲트랜스포머 바퀴가 형태를 바꾸는 과정
▲트랜스포머 바퀴가 형태를 바꾸는 과정

연구진은 이번 논문을 통해 종이접기 구조가 고하중을 지지할 수 있도록 하는 설계/제조 방법을 제안했다. 종이접기 구조 중 접히지 않는 면 부분(Facet)에는 항공기 소재로 사용되는 알루미늄 60계열을 사용하여 얇고 가벼우면서도 높은 강성을 가질 수 있도록 하였다. 접히는 부분(Foldline)에는, 타이어의 골격부를 이루는 카카스(Carcass, Textile cord)에 사용되는 나일론 및 PET 소재를 풀어지거나 손상이 확대되지 않도록 특수 처리 후 제조한 직물을 이용하여 큰 하중에도 전체 구조를 강인하게 연결할 수 있도록 하였다.

고강성의 재료를 사용하더라도 높은 내하중을 확보하기 위해선 재료의 두께 증가 또한 필수다. 하지만 기존의 종이접기 설계 방법은 대부분 이상적인 상황(재료의 두께와 탄성을 무시)을 가정하기 때문에 기존 방법을 그대로 적용할 수 없다. 이에 이번 연구에서는 재료의 두께와 탄성을 고려한 새로운 종이접기 디자인룰을 제안하고, 이를 통하여 목표한 형상 변화를 달성하였다.

제안한 종이접기 구조는 전통적인 기계 관절 방식에 비해 제작, 조립에서 큰 이점이 있을 뿐만 아니라, 직물로 이루어진 유연한 관절로 외부 충격과 진동에 대해 높은 내성을 가진다. 또한 복잡한 기계 메커니즘을 포함하고 있음에도 무게는 기존 승용차 바퀴 수준이다. 마찰이나 먼지 오염에 강하다는 것도 종이접기 방법의 장점 중 하나다. 부품 간 상대 운동을 하는 것이 아니라 천이 접히면서 움직이기 때문에 부품 간 마찰이 존재하지 않으며, 바퀴에는 치명적일 수 있는 부품 사이 먼지 등 오염물질이 끼어 구조가 망가지는 문제에 대해서도 자유롭다.

한국타이어앤테크놀로지 구본희 연구개발혁신총괄은 “본 프로젝트는 학교의 새로운 아이디어와 기업이 가지고 있는 기술력의 좋은 시너지를 보여주는 사례다. 타이어는 항상 형태가 일정해야 한다는 고정관념을 깨기 위한 시도였으며, 변화에 대한 의지를 보여주고자 하는 시도였다. 개발된 기술은 타이어 분야 뿐만 아니라, 모빌리티 서비스 분야 전반에 활용도가 높을 것으로 기대된다. 한국타이어앤테크놀로지는 타이어 분야에만 멈춰 있지 않고 변화를 위한 시도를 계속할 것이다”라고 본 프로젝트의 의의를 밝혔다.

서울대 조규진 교수는 “2013년에 종이를 접어서 만든 작은 바퀴로 시작된 연구가 타이어 제작 기술을 가진 기업을 만나 큰 도약을 할 수 있었다. 이 연구는 가변형 바퀴 기술에 대한 가능성을 증명한 것으로서, 향후 일반 모빌리티에 적용하기에는 추가적인 연구개발이 필요하다. 작은 씨앗은 오랜 기술 축적 끝에 좋은 기회를 만났고, 마침내 싹을 틔웠다. 열매를 맺기까지는 인고의 시간이 더 필요하겠지만, 씨앗 없이는 열매도 있을 수 없다. 우리는 이 성과가 현재 보이는 바퀴의 성능이 아닌, 혁신이 만들어지는 과정으로서 그 가치를 평가받을 수 있기를 바란다”라고 전했다.

본 연구는 2019년 한국타이어 TNDL(The Next Driving Lab) 4차 프로젝트에서 콘셉트가 공개된 후 기술적, 이론적 보완을 거쳐 완성되었으며, 트랜스포머 바퀴를 위한 차량 설계 및 제작은 EMVcon 소속 장래혁 KAIST 교수와 OXK 김흥섭 대표가 담당하여 진행하였다.

▲ ‘사이언스 로보틱스’ 4월호의 표지 논문으로 선정됐다.
▲ ‘사이언스 로보틱스’ 4월호의 표지 논문으로 선정됐다.

[공동 연구팀 및 논문 저자 소개]
1저자: 이대영(하버드대)
공동 저자: 김재경(서울대), 손창영(한국타이어), 허정무(한국타이어)
교신저자: 조규진 교수(서울대))

[논문 및 관련 자료]
Lee et al, High-load capacity origami transformable wheel. Sci.Robot. 6, eabe0201 (2021)
https://doi.org/10.1126/scirobotics.abe0201
https://youtu.be/gcNKSPCdkU4

[문의사항]
서울대학교 공과대학 기계공학부 조규진 교수 / kjcho@snu.ac.kr