모듈형 다목적 운반 로봇 디자인 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With the rapid advancement of artificial intelligence, sensor fusion, and autonomous
driving technologies, transport robots have become increasingly prevalent across various
industrial and service domains, including manufacturing, agriculture, logistics, and urban
environmental management. Societal changes such as population aging, labor shortages, and
the growing demand for efficiency and safety in repetitive tasks have further amplified the
importance of transport robots. However, most commercially available transport robots are
designed for single, environment-specific purposes, which limits their adaptability, scalability,
and operational efficiency across diverse contexts. This situation highlights the need for a
modular, multi-purpose transport robot platform capable of responding flexibly to
heterogeneous operational environments.
This study aims to propose a design framework and structural principles for a Modular
Multipurpose Transport Robot (MMTR) capable of operating across factory, agricultural, and
urban cleaning environments within a single platform architecture. To achieve this, the study
first reviews the definition and technological evolution of transport robots and analyzes
representative industrial cases to identify environment-specific requirements related to task
flow, load characteristics, mobility constraints, and human robot interaction. The analysis
reveals that conventional single-purpose robots suffer from strong environmental dependency
and limited functional extensibility.
Based on a design-driven research methodology, the study systematically proceeds
through problem definition, environmental classification, requirement analysis, concept
development, structural design, and operational simulation. The proposed MMTR platform
consists of a standardized base mobility platform integrating autonomous navigation, sensor
systems, and drive mechanisms, combined with interchangeable upper functional modules
tailored to specific tasks. These modules include pallet lifting systems for factory logistics,
cargo beds for agricultural transport, and collection modules for urban cleaning operations.
Furthermore, the platform incorporates four independently driven wheels, enabling high
maneuverability through zero-turn rotation and Z-path maneuvering, which enhances
navigation performance in confined or complex environments.
The results demonstrate that the proposed modular platform offers clear advantages over
conventional single-purpose transport robots in terms of environmental adaptability,
functional scalability, and maintenance efficiency. Operational simulations confirm its
applicability across multiple environments through modular reconfiguration and
scenario-based task execution. By redefining transport robots as a multi-environment,
platform-based system rather than isolated task-specific devices, this study provides a
foundational design approach for future research on modular transport robots and scalable
service robot platforms, contributing both academically and industrially to the field of robot
design.

국문 초록 (Abstract)

최근 인공지능, 센서 융합, 자율주행 기술의 발전에 따라 운반 로봇을 포함한 서비스 로봇은 생산 공장, 농업 현장, 생활환경 관리 등 다양한 산업 및 공공 영역으로 빠르게 확산하고 있다. 특히 고령화로 인한 노동력 감소, 반복적·위험 작업의 자동화 요구, 생활환경 관리의 효율성 증대에 대한 사회적 요구는 운반 로봇의 활용 가능성을 더 확대하고 있다. 그러나 현재 상용화된 다수의 운반 로봇은 특정 산업 환경과 작업 목적에 특화된 단일 목적형 구조를 채택하고 있어, 서로 다른 환경 간 적용 전환이 어렵고 기능 확장성과 운용 효율성 측면에서 구조적 한계를 지닌다. 이러한 배경에서 다양한 운용 환경과 작업 조건을 단일 플랫폼으로 수용할 수 있는 모듈형 다목적 운반 로봇 디자인에 관한 연구 필요성이 제기된다.
본 연구는 물류 운반 환경, 농업 야외형, 골목길 쓰레기 운반 환경을 중심으로 운반 로봇의 운용 특성과 설계 요구를 분석하고, 이를 기반으로 모듈형 다목적 운반 로봇 플랫폼의 디자인 구조와 설계 원칙을 제시하는 것을 목적으로 한다. 이를 위해 운반 로봇의 개념과 기술 발전 동향을 고찰하고, 각 환경에 적용된 물류용, 농업용, 청소용 운반 로봇 사례를 분석하여 환경별 작업 흐름, 적재 특성, 주행 조건, 사용자 상호작용 요소를 도출하였다. 그 결과, 기존 단일 목적형 운반 로봇은 환경 종속성과 구조적 확장성 부족이라는 공통된 한계를 지니고 있음을 확인하였다.
연구 방법으로는 디자인 연구 프로세스를 기반으로 문제 정의, 운용 환경 분류 및 요구 분석, 디자인 콘셉트 도출, 플랫폼 구조 디자인 개발, 운용 시뮬레이션 단계를 체계적으로 수행하였다. 제안된 로봇 플랫폼은 자율주행과 구동 기능을 담당하는 범용 하부 주행 플랫폼과 작업 목적에 따라 교체 및 확장을 할 수 있는 상부 기능 모듈로 구성된다. 상부 모듈은 물류 환경을 위한 팔레트 리프트 모듈, 농업 환경을 위한 개방형 카고 베드 모듈, 도심 청소 환경을 위한 쓰레기 수거 모듈 등으로 확장할 수 있도록 설계되었으며, 4륜 독립 구동 기반의 제자리 회전(Zero-Turn) 및 Z자 구동(Z-Path Maneuver) 개념을 적용하여 협소 공간에서도 높은 기동성과 작업 유연성을 확보하도록 계획되었다.
연구 결과, 제안된 모듈형 다목적 운반 로봇 플랫폼은 기존 단일 목적형 운반 로봇과 비교하면 환경 전환성, 기능 확장성, 유지 관리 효율성 측면에서 디자인적 우위를 지니는 것으로 분석되었다. 또한 운용 시뮬레이션을 통해 물류 운반 환경, 농업 야외형, 골목길 쓰레기 운반 환경에서의 적용 가능성과 모듈 조합에 따른 다양한 작업 시나리오를 확인하였다. 본 연구는 운반 로봇을 개별 산업 중심의 전용 장비가 아닌 다환경 대응형 플랫폼으로 재정의함으로써, 향후 모듈형 운반 로봇 디자인 연구 및 서비스 로봇 플랫폼 개발을 위한 기초 자료를 제공한다는 점에서 학문적·산업적 의의를 지닌다.

목차 (Table of Contents)

• 그림목차 ⅲ
• 표목차 ⅴ
• 국문초록 ⅵ
• 제 1 장 서론 1
• 1. 연구 배경 및 목적 1
• 2. 연구 범위 및 방법 3
• 제 2 장 이론적 고찰 4
• 1. 운반 로봇 발전 동향 4
• 2. 운반 로봇 환경에 따른 유형 분류 및 특성 분석 8
• 2.1. 운반 로봇 환경에 따른 운용 분류 8
• 2.2. 운용 유형별 특성 분석 10
• 3. 국내 운반 로봇 유형별 사례 분석 13
• 3.1. 물류용 운반 로봇 사례 13
• 3.2. 농업용 운반 로봇 사례 15
• 3.3. 청소용 운반 로봇 사례 17
• 4. 해외 운반 로봇 유형별 사례 분석 20
• 4.1. 물류용 운반 로봇 사례 20
• 4.2. 농업용 운반 로봇 사례 22
• 4.3. 청소용 운반 로봇 사례 24
• 4. 운반 로봇 발전 한계점 27
• 제 3 장 모듈형 다목적 운반 로봇 디자인 요소 도출 29
• 1. 모듈형 다목적 운반 로봇의 이해 29
• 2. 운반 로봇 운영 유형별 특성 분석 30
• 3. 운반 로봇 구성요소 38
• 4. 디자인 방향 설정 39
• 4.1. 디자인 니즈 도출 39
• 4.2. 디자인 요소 도출 40
• 제 4 장 모듈형 다목적 운반 로봇 플랫폼 디자인 제안 43
• 1. 디자인 전개 43
• 1.1. 아이디어 스케치 43
• 1.2. 3D 렌더링 46
• 2. 시나리오별 운용 시뮬레이션 54
• 2.1. 물류 운반 현장 자재 운반 시뮬레이션 54
• 2.2. 과수원 수확물 취급 및 운반 시뮬레이션 56
• 2.3. 도심 골목길 쓰레기 회수 및 운반 시뮬레이션 58
• 제 5 장 결론 60
• 1. 연구 결론 및 기대 효과 60
• 1.1. 연구 결론 60
• 1.2. 기대 효과 및 연구 한계 61
• 2. 향후 연구 과제 62