배터리 교체 없이 42.195km 완주한 세계 최초 기록, 국내 로봇 연구 최초로 네이처 본지에 실려
사람도 완주하기 쉽지 않은 마라톤 풀코스 42.195km를 사족보행로봇이 배터리 교체 없이 달렸다. KAIST는 기계공학과 황보제민 교수 연구팀이 개발한 사족보행로봇 ‘라이보2(RAIBO2)’의 장거리 주행 기술과 실제 마라톤 완주 결과가 국제학술지 ‘네이처(Nature)’ 본지에 게재됐다고 24일 밝혔다.
국내에서 수행된 로봇 연구가 네이처 본지에 게재된 것은 이번이 처음이다. 세계적으로도 로봇 분야 연구가 네이처 본지에 실린 사례가 드물어, 이번 성과는 국내 로봇 연구의 기술력과 학술적 수준을 동시에 보여주는 결과로 평가된다.
라이보2는 2024년 11월 열린 상주 곶감 마라톤 대회에서 배터리를 충전하거나 교체하지 않고 풀코스 42.195km를 4시간 19분 52초 만에 완주했다. 사족보행로봇이 실제 마라톤 대회의 풀코스를 완주한 세계 최초 사례다.
이번 논문의 핵심은 기록 자체보다 그 기록을 가능하게 한 설계 원리에 있다. 최근 세계 로봇업계에서는 사족보행로봇과 휴머노이드의 달리기 속도와 장애물 극복 능력을 겨루는 경쟁이 치열해지고 있지만, 실제 산업 현장에서 로봇을 장시간 운용하려면 순간적인 운동 성능뿐 아니라 에너지 효율과 발열, 배터리, 구동장치의 안정성을 함께 확보해야 한다. 연구팀은 장거리 주행을 배터리나 모터 등 개별 부품의 성능 문제가 아니라 기계 구조와 전기 시스템, 보행 제어가 긴밀하게 연결된 로봇 전체의 시스템 문제로 접근했다.
사족보행로봇은 다리를 반복적으로 움직이는 과정에서 구동장치뿐 아니라 전장과 기구부 등 여러 부분에서 에너지를 잃는다. 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. 다리를 가볍게 만들어 기계적 손실을 줄이고, 모터와 구동회로의 전기적 손실을 낮췄으며, 강화학습을 이용한 보행 제어로 착지 충격과 미끄러짐, 불필요한 관절 전류를 줄였다. 이를 통해 사족보행로봇이 장시간 안정적으로 움직이기 위해 어떤 요소를 함께 고려해야 하는지 구체적인 설계 원리를 제시했다.
연구팀은 실험실의 짧은 주행 시험이나 계산으로 추정한 최대 주행거리에 머물지 않고 실제 마라톤 풀코스에서 기술을 검증했다. 마라톤이 진행되는 동안 로봇 내부의 전압과 전류, 온도, 배터리 상태를 실시간으로 기록하고 이를 GPS로 측정한 위치·속도·고도 정보와 동기화했다. 라이보2를 실제 대회 참가자로 등록해 공식 구간 기록도 남겼으며, 연구진은 로봇과 함께 달리며 출발부터 결승선까지 4시간이 넘는 주행 전 과정을 영상으로 기록했다. 센서 데이터와 GPS, 대회 기록, 영상을 서로 다른 증거로 남겨 하나의 완주를 여러 방법으로 검증할 수 있도록 한 것이다.
실측 데이터에 따르면 라이보2는 42.195km를 완주하는 동안 약 1,280Wh의 에너지를 사용했다. 완주 데이터를 바탕으로 분석하면 탑재 가능한 전체 배터리 에너지를 사용할 경우 약 65km까지 주행할 수 있는 것으로 나타났다. 상주 곶감 마라톤 코스에는 오르막과 내리막, 미끄러운 노면 등 실제 야외 환경의 변화가 포함돼 있었는데, 오르막에서는 추가 에너지가 필요했지만 내리막에서는 모터가 발전기처럼 작동하며 에너지 일부를 배터리로 회수했다. 라이보2는 초속 약 3m 부근에서 가장 낮은 이동 에너지 비용을 보였다.
연구팀의 다음 과제는 한 대의 연구용 로봇에서 구현한 성능을 산업 현장에서 반복적으로 사용할 수 있는 제품으로 옮기는 것이다. 라이보2는 연구진이 직접 설계하고 수작업으로 제작한 연구용 로봇으로, 실제 제품으로 발전하기 위해서는 여러 대의 로봇에서 동일한 성능을 안정적으로 구현하면서 생산비용도 낮춰야 한다. 방수·방진과 넓은 사용 온도 범위, 충격·진동에 대한 내구성, 전자파 간섭·적합성(EMI·EMC) 등 산업 현장이 요구하는 신뢰성도 함께 확보해야 한다.
황보 교수 연구실에서 출발한 KAIST 교원창업기업 라이온로보틱스가 연구 성과를 실제 제품으로 연결하는 역할을 맡고 있다. 연구팀과 라이온로보틱스는 기구와 전장, 소프트웨어, 인공지능뿐 아니라 로봇의 모터를 정밀하게 제어하는 모터 드라이버까지 자체 개발해 시스템 전체를 최적화했다. 현재 라이온로보틱스는 이러한 시스템 설계 역량을 바탕으로 연구용 시제품을 넘어 실제 현장에서 장시간 운용할 수 있는 사족보행로봇의 제품화와 양산 기술을 개발하고 있다.
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 “연구실에서 구현한 세계 최고 수준의 성능을 산업 현장에서 누구나 안정적으로 사용할 수 있는 제품으로 연결하겠다”고 말했다.
이번 연구에는 KAIST 기계공학과 이충인 박사와 염동훈, 박정수 학생이 공동 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 네이처에 9월 23일(현지시간) ‘A quadruped robot designed to complete a marathon on a single battery charge'(한 번의 배터리 충전으로 마라톤을 완주하도록 설계된 사족보행로봇)라는 제목으로 게재됐으며, 라이보2의 마라톤 완주 전 과정은 유튜브 영상으로도 확인할 수 있다.
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