거대 전투 로봇 설계

거대 전투 로봇에 관한 PTC Academic의 최근 트윗이 제 눈을 사로잡았습니다.

어렸을 때부터, 저는 거대 전투 로봇(줄여서 GFR)을 좋아했습니다. 5살 때 저는 수트를 입은 사람들이 우주 거인이나 메카고질라 같은 미니어처 세트를 놓고 싸우는 실사 촬영을 처음으로 접했죠. 여기 미국에도 볼트론과 트랜스포머 같은 만화가 있었지만, 개인적으로는 기동전사 건담과 초시공 요새 마크로스(미국에서는 로보텍으로 알려짐) 같은 메카 애니메이션을 더 좋아했습니다. 그리고 지금 일본의 한 설계 팀이 실물 크기의 기동전사 건담을 제작 중에 있다는 반가운 소식을 들었습니다.

GFR 설계 고려 사항

제가 만약 거대 전투 로봇을 설계한다면 아마도 예전에 군대에서 담당했던 M1A1 에이브람스 탱크의 세 가지 주요 요건을 중심으로 설계할 것 같습니다. 이 탱크는 기동성, 화력, 생존성이라는 세 가지 측면에서 탁월한 성능을 발휘해야 했습니다. 이러한 요구사항을 고려하여 다음과 같은 방식으로 GFR 설계를 해나갈 것 같습니다.

1. 제품 구조 정의. 이 거대 전투 로봇의 임무를 감안하면 하향식보다는 미들 아웃 설계 방식이 나을 것입니다. GFR의 기능과 특징을 결정하고 각 부품의 배치 위치를 파악한 후에 이러한 제약 조건을 중심으로 설계를 합니다. 이때 중점을 둘 부분은 다음과 같습니다.
   • 무기 체계. 이것은 미 공군이 A-10 썬더볼트에 대해 취한 접근 방식과 유사합니다. 이 항공기는 7배럴의 개틀링 기관포를 중심으로 설계되었습니다. GFR에 탑재할 총, 미사일, 레이저, 검을 정하고 발사체로 주먹을 날리는 기능을 적용할 수도 있습니다. 이제 이렇게 결정된 무기의 배치를 염두에 두고 설계를 진행합니다.
   • 동작 방식. GFR을 보행식 로봇과 비행식 로봇 중 어떤 스타일로 설계할 것인지를 결정합니다. 파워 공격을 위해 짧은 도약이 가능할 수도 있겠고, 또는 보행 모드와 비행 모드 사이를 전환할 수도 있습니다. 이렇게 결정되는 동작 방식은 설계에도 분명 영향을 미칩니다.
   • 동력원. GFR의 에너지원과 해당 부품을 로봇에 장착할 지점을 파악합니다.
2. 엔지니어링 수첩 개발. 구조 분석은 매우 많은 부분에 영향을 미칩니다. 내장된 PTC Mathcad 워크시트를 만든 다음 엔지니어링 계산을 수행하면 초기 외피 치수는 물론이고 강도, 힘, 방어력 요구사항을 결정하는 데에도 도움이 됩니다.
3. 골격 구성. 위에서 언급했던 미들 아웃 방식을 사용하여 초기 형상을 만듭니다. 그 방식은 다음과 같습니다.
   • 기본 부품의 초기 위치를 정의합니다. 그리고 설계할 주요 시스템을 위한 외피를 생성합니다.
   • 커브, 기준 및 서피스를 사용하여 다리, 몸통, 팔, 머리 및 메커니즘 인터페이스를 설계합니다.
   • OML(외형형상선)이라고도 하는 외부 서피스를 생성합니다.
4. 메커니즘 연결 구성. 이동성은 GFR 설계의 기본 요소 중 하나로, 메커니즘 연결을 구성하는 데에는 다음과 같은 작업을 수행해야 합니다.
   • 무릎, 팔꿈치, 허리와 같은 하나의 회전 자유도(DOF) 관절을 위한 핀 연결
   • 발목, 어깨, 골반, 머리와 같은 세 개의 DOF 관절을 위한 볼 연결
   • 확장되고 수축되는 근섬유처럼 동작하는 액추에이터의 단일 변환 DOF를 위한 슬라이더 연결
   • 공격 및 방어를 위해 팔과 다리에 더 큰 힘을 분배하는 기어 연결

만일 GFR이 보행 모드와 비행 모드 사이를 전환해야 하는 경우 더 많은 메커니즘 동작이 필요합니다. 

이러한 단계를 모두 완료한 후에는 상위 레벨부터 부품 레벨까지 형상을 공유하고 세부 설계 작업을 수행합니다. 이 단계에서는 다음과 같은 추가 요소를 워크플로에 통합해야 합니다.

• 실시간 시뮬레이션. 무게, 속도, 무기와 같은 수많은 경쟁 요소가 반영되어 있는 복잡한 설계에서 설계 변경이 구조, 열, 모달 및 유체 분석에 미치는 영향을 확인합니다.
• 설계 탐색. 파일을 일일이 복사하고 관리할 필요 없이 머릿속에 떠오르는 여러 가지 설계 대안을 즉시 확인할 수 있다면 큰 도움이 될 것입니다.
• 제너레이티브 설계. 건담은 고강도 경량 특성을 충족하도록 최적화되어야 합니다. 중량이 감소할수록 이동성과 연비가 향상됩니다. 제너레이티브 설계는 머신 러닝을 활용하여 강도가 탁월하면서 가벼운 구조를 생성하는 데 도움이 됩니다.
• 증강 현실. 이 정도 크기라면 실제 환경에서 어떻게 보이는지 확인하는 것이 좋습니다. 실제 스케일의 모델은 컴퓨터 화면으로 보는 것과 상당히 차이가 날 수 있기 때문입니다. 설계를 증강 현실에 게시하면 실제 환경에서 건담이 어떻게 보일지 직접 확인할 수 있습니다.

이제 완전한 기능을 갖춘 거대 전투 로봇이 침략자들로부터 지구를 수호할 준비가 되었습니다!

글을 마치며

지금까지 재미있는 설계 예제를 다뤄봤습니다. 제너레이티브 설계, 적층 가공을 비롯한 첨단 기술이 다양하게 등장하고 있는 오늘날, 여러분이 회사의 제품을 처음부터 개발해야 한다면 어떤 방법을 사용하시겠습니까?

제품 개발 시 프로세스와 워크플로를 때때로 재평가하면 Creo Parametric 7.0의 도입 기술과 같은 최신 기술을 활용하고 있는지를 파악하는 데 도움이 됩니다.