KAIST 교원창업기업 라이온로보틱스는 사족보행 로봇 ‘라이보2(RAIBO2)’의 장거리 주행 기술과 풀코스 마라톤 완주 결과를 담은 논문이 네이처 본지에 게재됐다고 24일 밝혔다. 국내에서 수행된 로봇 연구가 네이처 본지에 게재된 것은 이번이 처음이다.
마라톤 완주 결승 지점 통과 시점 라이보2 및 참여 연구진 사진. 사진=KAIST
황보제민 라이온로보틱스 대표 겸 AIST 기계공학과 교수. 사진=KAIST
라이보2는 2024년 11월 경북 상주 곶감 마라톤 대회에서 배터리를 충전하거나 교체하지 않고 42.195㎞를 4시간19분52초 만에 완주했다. 실제 마라톤 대회의 풀코스를 배터리 교체 없이 완주한 세계 최초 기록이다.
평균 시속은 약 9.7㎞였다. 완주 후에도 배터리가 남았다. 실제 주행 데이터를 전체 탑재 가능 배터리 용량에 적용하면 한 번 충전으로 약 65㎞까지 이동할 수 있는 것으로 분석됐다. 같은 용량의 배터리를 사용할 경우 미국 고스트로보틱스의 비전60, 중국 유니트리의 B2·딥로보틱스 등 최대 20㎞ 수준을 이동하는 경쟁 로봇보다 3배 이상 긴 거리다.
비결은 배터리 용량을 키우는 데 있지 않았다. 라이온로보틱스는 기계 구조와 전기회로, 모터 구동장치, 인공지능(AI) 보행제어를 하나의 시스템으로 보고 에너지 손실을 줄였다.
4족보행 로봇은 서 있을 때도 관절 모터가 몸을 지탱해야 한다. 다리를 움직이는 과정에서는 관절과 감속기의 마찰이 발생하고, 발이 지면에 닿을 때는 충격과 미끄러짐으로 에너지가 손실된다. 특정 부품의 효율만 높여서는 장거리 주행이 어려운 이유다.
라이온로보틱스는 고속·고정밀 로봇 물리 시뮬레이션 플랫폼 ‘RAISIM’을 활용해 AI 보행제어 기술을 학습시켰다. 가상환경에서 다양한 보행과 지형 조건을 반복 학습하며 착지 충격과 미끄러짐, 불필요한 관절 움직임과 전력 소비를 줄였다.
다리 무게를 줄이고 전력 손실이 적은 모터와 구동회로를 적용했으며, 모터를 정밀하게 제어하는 드라이버도 자체 개발했다. 배터리에서 발끝까지 이어지는 에너지 흐름 전체를 최적화한 것이다.
이 같은 설계는 이동 효율 향상으로 이어졌다. 연구진은 사람과 동물, 로봇의 이동 효율을 비교하기 위해 ‘총수송비용(TCOT)’을 활용했다. 몸무게를 일정 거리 이동시키는 데 필요한 에너지를 나타내는 지표로, 수치가 낮을수록 효율이 높다.
연구 결과 라이보2는 같은 무게의 몸을 같은 거리만큼 이동할 때 인간보다 에너지 사용량이 32% 낮았다. 사족보행 로봇이 인간보다 적은 에너지로 이동한 사례다.
실제 마라톤은 기술을 실험실 밖에서 검증하는 무대가 됐다. 상주 곶감 마라톤 코스에는 오르막과 내리막, 굴곡과 노면 변화가 포함됐으며 전체 고도 변화는 286m, 최대 경사는 18.4도였다. 라이보2는 오르막에서 추가 에너지를 사용하고 내리막에서는 모터를 발전기처럼 작동시켜 에너지 일부를 배터리로 회수했다.
연구진은 마라톤 동안 전압·전류, 관절별 소비전력, 온도와 배터리 상태를 실시간으로 기록했다. GPS로 위치·속도·고도 정보도 확보했다. 라이보2를 실제 대회 참가자로 등록해 공식 구간 기록을 남기고 출발부터 결승까지 전 과정을 촬영했다.
이번 연구의 의미는 단순히 로봇이 마라톤을 완주했다는 데 그치지 않는다. 기계·전기·제어 시스템에서 발생하는 에너지 손실을 분석하고 실제 주행 데이터를 통해 장거리 보행 로봇의 설계 원리를 검증했다는 데 있다.
다음 목표는 연구실에서 구현한 성능을 산업 현장에서 반복 사용할 수 있는 제품으로 만드는 것이다. 라이온로보틱스는 산악·재난 지역 수색과 정찰, 대규모 산업시설 순찰·점검, 국방 임무 등 장시간 이동이 필요한 분야로 장거리 주행 기술을 확대할 계획이다.
상용화를 위해서는 생산비용을 낮추면서도 비와 먼지, 충격과 진동, 넓은 온도 범위 등 다양한 환경에서 성능을 유지해야 한다. 여러 대를 생산해도 동일한 성능을 내는 양산 기술 확보도 과제다.
황보제민 라이온로보틱스 대표 겸 KAIST 교수는 “라이보2는 더 큰 배터리를 얹어서 멀리 달린 로봇이 아니라, 배터리에 저장된 에너지를 실제 이동거리로 최대한 많이 바꾸도록 로봇 전체를 다시 설계한 결과”라며 “세계 최고 수준의 에너지 효율과 보행 성능을 실제 산업 현장에서 누구나 안정적으로 사용할 수 있는 제품으로 구현하는 것이 라이온로보틱스의 다음 목표”라고 말했다.
이번 연구에는 KAIST 기계공학과 이충인 박사와 염동훈·박정수 학생이 공동 제1저자로 참여했으며 황보제민 교수가 교신저자를 맡았다. 논문은 9월 23일(현지시간) 네이처에 게재됐다.
