인간형 로봇은 어떻게 사람처럼 유연하게 관절을 움직이나요?

Question

휴머노이드 로봇이 사람 관절과 비슷하게 여러 방향으로 움직인다고 배우는데, 이런 다자유도 관절을 기계적으로 어떻게 구현하는지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요. 서종현 전문가입니다.

인간형 로봇이 사람처럼 유연하게 관절을 움직일수있는 이유는 다자유도(DOF,Degrees of Freedom)를 가진 관절 설계에 있습니다. 사람의 관절은 여러 방향으로 움직일수있는데, 휴머노이드 로봇도 각 관절에 여러 축의 회전을 가능하게 하는 모터와 연결 부품을 활용합니다. 예를 들어 어깨 관절은 앞뒤, 좌우, 회전 등 3축 이상의 자유도를 가지며, 이를모방해 여러 개의 소형 모터와 기어, 링크가 복합적으로 연결됩니다. 이 모터들은 센서와 제어기와 함께 작동하여 정밀하게 위치와 힘을 조절하고, 관절의 움직임을 사람처럼 부드럽고 자연스럽게 만듭니다.

기계적 구조로는 로봇 관절 내부에 회전하는 축과 이를 연결하는 링크, 그리고 모터에서 발생한 구동력을 전달하는 감속기어 등이 포함되어 있습니다. 또한, 관절 각도를 정확히 감지하는 센서가 있어 실시간으로 움직임을 판단하고 조절합니다. 이러한 다자유도 관절 설계와 정밀 제어 덕분에 인간형 로봇은 복잡하고 자유로운 움직임이 가능해집니다.

Answer 2

휴머노이드의 유연한 움직임은 여러 개의 액추에이터와 감속기 그리고 관절 센서를 조합해 사람의 근육과 관절을 기계적으로 흉내 내기 때문에 가능합니다.

사람의 어깨처럼 여러 방향으로 움직여야 하는 부위는 여러 모터가 서로 다른 축을 담당하도록 다자유도 움직임을 만드는 식이죠. 무릎이나 팔꿈치처럼 한 방향 움직임이 중심인 관절들은 고출력 모터와 감속기를 이용해 강한 힘과 정밀한 위치 제어를 합니다. 여기에 엔코더와 토크센서가 관절의 각도와 힘을 실시간으로 측정해 모터가 필요한 만큼만 움직이도로 제어하게 되죠.

최근에 보면 탄성체를 넣어서 충격을 흡수하고 사람과 접촉했을 때 부드럽게 힘을 조절하는 액추에이터도 사용되고 있다고 하네요.

Answer 3

안녕하세요. 감병주 전문가입니다.

사람의 어깨를 보면 팔을 앞뒤로 움직이는 것뿐 아니라 옆으로 들거나 비틀 수도 있습니다. 휴머노이드 로봇도 이런 움직임을 여러 개의 회전축을 조합해서 구현하는 거랍니다.

한가지 예시를 들자면 어깨에 서로 다른 방향으로 움직이는 모터를 2~3개 배치했을 때 각각의 움직임이 합쳐지면서 사람의 어깨와 비슷한 다자유도 관절이 됩니다. 모터의 빠른 회전은 감속기를 거쳐 관절을 움직일 만큼 큰 힘으로 바뀌는데, 물론 그렇다고 모터만 움직이는 것은 아닙니다. 엔코더가 관절 각도를 확인하고 토크센서가 외부에서 받는 힘을 측정하면서 제어기가 여러 모터를 아주 짧은 시간 간격으로 계속 조절하게 됩니다. 한마디로 사람의 근육과 신경이 하는 일을 로봇에서는 모터와 감속기, 센서, 그리고 제어 소프트웨어가 나눠서 담당하는 셈입니다.

최근 휴머노이드가 자연스럽게 움직이는 것도 기계 관절뿐 아니라 이런 정밀한 제어기술이 함께 발전했기 때문이라고 보시면 될것 같습니다.