플랩핑으로 물속을 누비는 바이오모방 만타레이 로봇

초록

본 논문은 서핑형 플랩핑 동작을 이용해 추진하는 바이오모방 만타레이 로봇을 설계·제작하고, 수면 및 수중에서의 직선 주행과 다이빙 성능을 실험적으로 검증한다. 라즈베리파이 기반 제어보드와 IMU·압력센서를 활용한 PD 제어가 자세 안정성을 크게 향상시켰으며, 평균 속도는 20 cm/s 수준이다. 충돌 발생 등 제어 한계도 확인돼 향후 고급 제어 알고리즘 적용이 필요함을 제시한다.

상세 분석

이 연구는 기존의 나사식 추진기가 물바닥을 교란시켜 탁도를 높이는 문제점을 해결하고자, 물고기·해양 포유류가 사용하는 ‘중간·또는 빗날 지느러미(MPF) 추진’ 방식을 모방한 만타레이 로봇을 개발하였다. 하드웨어는 두 개의 서보모터(RS303MR)를 각각 X축 플랩핑과 Y축 페더링에 할당해 좌·우 지느러미를 독립적으로 제어하도록 설계했으며, 지느러미와 제어함체는 NA CA 0020 에어포일 형상을 3D 프린팅(RGD720 경질·탄고무 레진)으로 구현해 유체 저항을 최소화하였다. 전체 길이 360 mm, 무게 2.15 kg인 로봇은 라즈베리파이 3B, Arduino Nano, MPU‑9050 IMU, LPS33HW 압력센서, 배터리(약 50 min 운용)로 구성된 분산형 제어 시스템을 갖는다.

제어 알고리즘은 IMU로부터 얻은 요(yaw) 각 오차를 기반으로 PD 제어식을 적용해 좌·우 플랩 각도를 실시간 보정한다(θ_err = θ_yaw − θ_d, θ_flR/L = θ_fl0 ± k_p·θ_err ± k_d·Δθ_err). 실험은 15 m × 2 m × 0.485 m 규모의 풀에서 수행했으며, 플랩핑·페더링 각도(θ_flmax = 30°, θ_femax = 45°)와 주파수(0.75 Hz)를 변조해 수면 위와 수중에서 직선 주행 및 다이빙을 시험하였다.

수면 위 실험에서는 PD 제어 적용 시 평균 직선 오차가 2.8 cm에서 10.1 cm로 감소하고, 표준편차도 1.2 cm에서 5.0 cm로 크게 개선되었다. 요각 변동은 IMU 기준 −6°~+4° 범위에 머물렀으며, 속도는 5 s 이후 20 cm/s 수준으로 안정화되었다. 수중 다이빙 실험에서는 200 cm 지점에서 바닥 충돌이 발생해 궤적이 급변했지만, 충돌 전까지는 PD 제어가 직선성을 유지했다. 이는 현재 제어가 외란(충돌·수압 변화) 대응에 한계가 있음을 보여준다.

본 논문의 주요 공헌은 (1) 실제 만타레이의 공기역학적 형상을 로봇에 적용해 저항을 감소시킨 설계, (2) 저비용 라즈베리파이·IMU 기반 실시간 PD 제어를 통해 플랩핑 추진 로봇의 자세 안정성을 확보한 점, (3) 수면·수중 두 환경에서의 실험적 검증을 통해 추진 효율(≈20 cm/s)과 제어 성능을 정량화한 점이다. 한계로는 배터리 지속시간, 서보 모터의 토크·속도 제한, 그리고 충돌·수압 급변에 대한 비선형 제어 부재가 있다. 향후 연구에서는 모델 기반 예측 제어(MPC)나 강화학습 기반 적응 제어를 도입해 외란에 강인한 궤적 추적을 구현하고, 에너지 회수형 글라이딩 모드와 연계해 장시간 자율 운용을 목표로 할 수 있다.