NASA JPL Team CoSTAR

DARPA Subterranean Challenge는 로봇 공학 시스템의 자율성을 향상시켜 우주와 지구의 지하 환경을 빠르게 탐색하려 합니다. 군사, 상업 및 정부를 위한 최첨단 연구를 가속화하는 것을 목표로 합니다. 팀은 광산, 동굴 및 자연재해 후 수색 및 구조와 같은 행성 탐사와 지상 응용 분야에 중점을 두고 지표면 아래의 빈 공간을 탐색할 수 있는 완전 자율 시스템을 개발해야 합니다.

Team CoSTAR는 NASA 제트추진연구소(JPL), 매사추세츠 공과 대학(MIT), 캘리포니아 공과 대학(Caltech), 한국 과학 기술원(KAIST), 스웨덴 룰레오 공과 대학(LTR)이 공동으로 만든 단체입니다. 전 세계 60명의 엔지니어로 구성된 CoSTAR는 3년 4개 부문으로 구성된 DARPA(국방 첨단과학기술 연구소)의 Subterranean Challenge에 참여하는 10개 팀 중 하나입니다. 과제는 터널 서킷, 도심 서킷, 동굴 서킷의 세 개와 세 가지 환경을 모두 포함하는 최종 이벤트로 구성됩니다. 성공하게 되면 팀은 미래 연구 프로젝트에 쓰이는 자금을 지원하기 위한 2백만 달러를 받게 됩니다. Team CoSTAR는 터널 서킷에서 2위, 도심 서킷에서 1위를 차지했으며, 이 글을 쓰는 시점에 동굴 서킷 및 파이널 이벤트에서 경쟁하기 위해 노력하고 있습니다.

E각 서킷의 지형은 매우 다릅니다. 어떤 과제는 거친 지형에 설정되어 있고, 어두운 환경에서 진행되는 시나리오나 계단식 비행이 포함된 과제도 있습니다. 자율 로봇은 테스트 중에 종종 넘어지고 중요한 부품이 파손되는 열악한 조건에서도 탐색할 수 있어야 합니다. CoSTAR 팀은 충격에 강한 경량 자율 시스템을 미리 준비해야 할 뿐만 아니라, 대회에서 앞서기 위해 파손된 부품에 대한 신속한 현장 유지 관리를 수행하고 주행 중간에 설계를 신속하게 반복해야 했습니다. 현장에서 부품이 고장나면 CoSTAR로 서킷을 완료하지 못하게 될 수도 있습니다. 미지의 영역을 탐색하는 경우가 종종 있기 때문에 팀에는 신속하게 대응하기 위한 도구가 필요합니다.

팀은 Boston Dynamics와 협력하고 있으며 대회를 위해 여러 대의 Spot 로봇을 대여하고 있습니다. CoSTAR의 엔지니어와 설계자는 Spot이 서킷을 성공적으로 완료할 수 있도록 브래킷 및 인클로저와 같은 추가 파트를 신속하게 설계하고 제작해야 했습니다. 이전에는 목재, 기계 가공 또는 레이저 커터를 사용하여 파트들을 제작했습니다. 다른 팀보다 앞서기 위해 다른 옵션이 필요하다는 것을 알았고, 3D 프린팅은 필요할 때 부품을 수리하고 신속하게 반복할 수 있는 완벽한 솔루션이었습니다. 팀은 이러한 요구를 해결하고자 간단한 PLA 3D 프린터를 도입했습니다. 그러나 최종 생산이 아닌 시제품 제작에 유용한 파트만 프린팅할 수 있었습니다. 기본적으로 중요 파트가 손상될 수 있는 불확실한 지형에 있는 로봇의 파트가 현장에서 사용할 만큼 튼튼하지 않았습니다. 한 가지 중요한 예는 로봇 상단에 있는 고가의 라이더 센서로, 무슨 일이 있어도 보호해야 합니다. 센서 신호가 유효하고 사용 가능한 출력을 제공하려면 이를 보호하는 데 사용되는 재료의 강성 및 진동 감쇠 특성이 매우 뛰어나야 합니다. 또한 PLA 3D 프린터는 표면 마감이 좋지 않은 부정확한 파트를 생산하고 있었기 때문에 프린팅 후 파트들 샌딩하는 데 너무 많은 시간을 소비하고 있었습니다. 시간이 많이 걸리는 후처리의 번거로움 없이 현장에 투입되어 신속하게 프로토타입 설계를 한 다음 테스트 후 생산 부품을 프린팅할 수 있는 강력한 시스템이 필요했습니다.

다행히 팀은 Markforged 3D 프린터에 액세스할 수 있었습니다. 몇몇 CoSTAR 팀원들이 JPL에서 일하게 되면서 팀은 Markforged 3D 프린터와 강력한 클라우드 연결 Eiger 소프트웨어로 기하학적 제약 없이 가볍고 강력한 기능성 파트를 생산할 수 있는 지식을 보유하게 되었습니다. 팀은 Markforged가 모든 요구 사항을 충족하는 적합한 선택이라는 것을 깨달았습니다. 팀은 Markforged 플랫폼을 사용하여 프린팅한 브래킷과 마운트가 알루미늄 제품보다 성능이 뛰어나고 훨씬 가볍다는 것을 발견했습니다. 게다가 Markforged 프린터로 3D 프린팅한 부품에 충격을 가하여 재사용할 수 있었습니다. 팀의 여러 Markforged 3D 프린터와 연속 탄소 섬유 강화 재료를 사용하여 7,000달러의 라이더 센서용 3D 프린팅 케이지를 제작했습니다. 파트에 약간의 충격이 가해져도 라이더 센서는 전혀 파손되지 않습니다.

대회가 진행되는 동안 팀은 Markforged 파트너인 GovSmart의 도움으로 보유하고 있던 Markforged 프린터를 1대에서 3대로 늘렸습니다. Markforged는 2020년에 팀을 후원하고 네 번째 프린터를 제공했습니다. CoSTAR는 프린터를 처음 두 가지 과제에 적용하고 호텔 객실에 배치하여 다음날 현장에서 사용할 파트를 밤새도록 프린팅했습니다. 다음날 아침 파트를 테스트하고 통합하기 위해 밤새도록 파트를 설계하는 경우가 있기 때문에 3D 프린터에 대한 신뢰성은 팀에 매우 중요했습니다. 다행히도 Mark Two 3D 프린터는 고품질 제품만 제공했습니다.

프린터의 견고성, 생산 파트의 신뢰성과 반복성, 후처리가 필요 없는 아름답고 기능적인 파트를 만들어 내는 Digital Forge의 역량 때문에 Markforged는 이상적인 적층 제조 기술이 되었습니다.

DARPA Underground Challenge는 누군가에게는 그저 대회일 수 있지만, CoSTAR에게는 그 이상의 의미가 있습니다. 이들에게 과제는 달, 화성, 심지어 토성과 목성의 일부 위성의 지하 탐사를 가능하게 하는 출발점입니다. 팀은 대회를 위한 로봇 성능을 개선하고 미래의 NASA JPL 임무를 통해 지하 환경을 탐사하여 생명체의 발달, 다른 행성에 생명체가 존재하는지 여부와 미래에 사람이 살 수 있는 가능성에 대해 학습할 수 있기를 희망합니다. 적층 제조 기술은 새로운 기술이 이를 달성한다는 것을 증명하는 데 도움이 되고 있습니다.

Markforged는 Team CoSTAR의 공급업체이자 후원사임을 자랑스럽게 생각합니다.