목차
- BONSYSTEMS · CYCLOIDAL TECHNOLOGY
- NO 93. 사족 보행 로봇의 관절 설계와 부품
- 사족 보행 로봇이 활용되는 환경
- 보행 과정에서 구동부가 받는 하중
- 다관절 구조와 액추에이터 설계
- 사족 로봇에 필요한 부품 조건
- 본시스템즈의 사족 보행 로봇 구동 솔루션
- 자주 묻는 질문 (FAQ)
사족 보행 로봇은 네 개의 다리를 움직이며 평지뿐 아니라 경사로와 계단, 정비되지 않은 지면 등을 이동하도록 설계된 로봇입니다. 각 다리에는 여러 관절이 적용되며, 로봇은 이 관절을 개별적으로 움직여 발의 위치와 몸체의 자세를 조절합니다.
보행 과정에서는 다리를 들어 올리고 지면을 디디는 동작이 반복됩니다. 한쪽 다리가 움직이는 동안 나머지 다리는 몸체를 지지해야 하며, 발이 지면에 닿을 때 발생한 충격도 관절로 전달됩니다. 따라서 사족 로봇의 관절을 설계할 때는 필요한 힘을 만드는 성능뿐 아니라 구동부의 크기와 무게, 반복되는 하중에 대응할 수 있는 구조를 함께 살펴봐야 합니다.
사족 보행 로봇이 활용되는 환경
핵심 요약 — 사족 보행 로봇은 바퀴형 이동 장비가 접근하기 어려운 장소에서도 이동할 수 있도록 개발되고 있으며, 다양한 지면 상태에 대응하기 위한 관절 구조가 필요합니다.
사족 로봇은 공장과 물류 시설을 비롯해 건설 현장, 농업 환경, 시설 점검 구역 등 여러 장소에서 활용 방안이 검토되고 있습니다. 이러한 장소에는 계단이나 경사로가 있을 수 있으며, 바닥이 고르지 않거나 이동 통로가 좁은 경우도 있습니다.
바퀴를 사용하는 이동 로봇은 비교적 평탄한 지면에서 안정적으로 이동하기에 적합합니다. 사족 보행 로봇은 각 다리의 위치를 조절하면서 이동하기 때문에 바닥 높이가 달라지거나 장애물이 있는 환경을 고려한 이동 구조를 만들 수 있습니다.
다만 지면 상태가 계속 달라지면 각 관절에 전달되는 하중도 일정하지 않습니다. 발이 지면에 닿는 순간에는 충격이 발생하고, 몸체의 무게와 적재물에 따라 관절에 필요한 힘도 달라질 수 있습니다. 이러한 운용 특성으로 인해 관절과 구동부에는 반복적인 부하를 고려한 설계가 필요합니다.
보행 과정에서 구동부가 받는 하중
핵심 요약 — 사족 로봇의 관절은 몸체를 지지하는 하중과 발이 지면에 닿을 때 발생하는 충격을 반복적으로 받습니다.
사족 보행 로봇이 걷는 동안 네 개의 다리가 항상 동일한 하중을 받는 것은 아닙니다. 한쪽 다리를 들어 올리면 지면에 닿아 있는 나머지 다리가 로봇의 무게를 나누어 지지합니다. 이동 속도와 자세, 적재 상태가 달라지면 각 관절에 필요한 힘도 계속 변합니다.
발이 지면에 닿는 순간에는 외부 충격이 다리와 관절로 전달됩니다. 바닥이 단단하거나 높낮이가 일정하지 않은 환경에서는 이러한 충격의 크기와 방향도 달라질 수 있습니다. 구동부는 반복되는 움직임 속에서도 필요한 힘을 전달하고 관절의 동작을 유지해야 합니다.
따라서 관절 부품을 선택할 때는 최대 출력만 확인하기보다 실제 보행 중 반복되는 하중과 충격, 운용 시간 등을 함께 살펴보는 것이 중요합니다. 외부에서 전달되는 힘에 관절이 어떻게 반응하는지도 보행 안정성과 관련된 설계 요소입니다.
다관절 구조와 액추에이터 설계
핵심 요약 — 사족 로봇은 여러 관절을 제한된 다리 공간 안에 배치해야 하므로, 액추에이터의 크기와 배치 방식이 전체 구조에 영향을 줍니다.
사족 보행 로봇의 다리는 일반적으로 몸체와 다리를 연결하는 관절, 다리의 방향을 바꾸는 관절, 무릎처럼 다리를 굽히고 펴는 관절로 구성됩니다. 로봇의 형태와 목적에 따라 세부 구조는 달라질 수 있지만, 여러 관절이 서로 연동되어 보행 동작을 만든다는 점은 같습니다.
각 관절에는 움직임을 만들어 내는 액추에이터가 적용됩니다. 액추에이터는 모터의 회전을 관절에 필요한 속도와 힘으로 바꾸고, 제어 신호에 따라 관절을 움직이는 구동부입니다.
관절 수가 많아지면 로봇 내부에 필요한 모터와 감속기, 센서, 제어 장치, 배선도 함께 늘어납니다. 구동부가 지나치게 크거나 두꺼우면 다리 외형이 커지고 관절 사이의 간격도 넓어질 수 있습니다. 반대로 구동부를 얇고 컴팩트하게 구성하면 제한된 공간 안에서 관절과 배선을 배치하기가 수월해지고, 전체 다리 구조를 보다 간결하게 설계할 수 있습니다.
이 때문에 사족 보행 로봇의 관절 설계에서는 액추에이터의 출력 성능과 함께 외형 크기, 무게, 배선 경로, 장착 방식 등을 함께 고려해야 합니다.
사족 로봇에 필요한 부품 조건
핵심 요약 — 관절 부품은 필요한 힘을 전달하면서도 다리 구조를 지나치게 무겁거나 크게 만들지 않아야 합니다.
로봇의 구동부에는 몸체를 지지하고 다리를 움직일 수 있는 충분한 힘이 필요합니다. 그러나 출력 성능만 높이기 위해 부품의 크기와 무게가 커지면 다리를 움직이는 데 필요한 에너지도 증가할 수 있습니다.
따라서 액추에이터와 감속기를 선택할 때는 출력과 크기, 무게 사이의 균형을 살펴봐야 합니다. 관절 내부에 센서와 배선이 함께 배치되는 만큼 중공 구조나 케이블 경로를 확보할 수 있는지도 전체 설계에 영향을 줍니다.
반복되는 보행과 착지 동작을 고려한 내구성도 중요합니다. 일정한 조건에서만 움직이는 장비와 달리 사족 보행 로봇은 지면 상태와 자세에 따라 관절 하중이 계속 달라질 수 있기 때문입니다. 실제 운용 환경과 예상 하중을 기준으로 구동부를 선정하고, 시제품 단계에서 반복 동작을 확인하는 과정이 필요합니다.
본시스템즈의 사족 보행 로봇 구동 솔루션
핵심 요약 — BCSA는 박형 구조와 높은 토크 출력, 다양한 감속비 구성을 바탕으로 사족 보행 로봇의 관절별 구동 조건에 대응할 수 있도록 설계된 액추에이터입니다.
본시스템즈의 BCSA는 사이클로이드 감속 기술을 기반으로 얇고 컴팩트하게 구성된 로봇 액추에이터입니다. 구동부의 두께를 줄이면서도 몸체를 지지하고 다리를 움직이는 데 필요한 힘을 전달할 수 있어, 여러 관절이 가까이 배치되는 사족 로봇의 다리 설계에 적용할 수 있습니다.
사족 보행 로봇은 관절의 위치에 따라 요구되는 움직임이 달라집니다. 몸체와 연결된 관절은 다리 전체의 방향을 조절하고 하중을 지지해야 하며, 무릎에 해당하는 관절은 다리를 굽히고 펴는 동작을 반복합니다. BCSA는 다양한 감속비 구성이 가능해 관절별로 달라지는 토크와 회전 조건을 반영한 구동부 설계에 활용할 수 있습니다.
보행과 착지가 반복되는 환경에서는 관절에 전달되는 하중과 충격도 함께 고려해야 합니다. BCSA에 적용된 사이클로이드 감속 구조는 다중 접촉 방식으로 힘을 분산해 전달하며, 반복적인 하중 변화 속에서도 안정적으로 힘을 전달할 수 있도록 설계되었습니다. 이는 일정하지 않은 지면을 이동하며 여러 관절을 반복적으로 사용하는 사족 로봇에서 필요한 내구성과도 연결됩니다.
BCSA에는 기존 핀 구성에서 필요했던 일부 결합 요소를 줄인 Pinless 설계가 적용되었습니다. 내부 부품 구성을 단순화해 제한된 공간에서 구동부를 배치하기 쉽도록 했으며, 조립 구조의 복잡성을 줄이는 방향도 함께 고려했습니다.
로봇에 적용할 액추에이터는 로봇의 크기와 무게뿐 아니라 관절의 위치, 다리 길이, 보행 방식에 따라 달라져야 합니다. BCSA는 박형 구조와 높은 토크, 다양한 감속비, 반복 하중을 고려한 내구성을 바탕으로 각 관절의 역할과 장착 조건에 맞는 구동부 설계를 지원합니다.
자주 묻는 질문 (FAQ)
Q1. 사족 보행 로봇의 관절을 얇게 설계해야 하는 이유는 무엇인가요?
A. 다리 내부에는 여러 관절과 센서, 배선이 함께 배치됩니다. 구동부의 두께를 줄이면 제한된 공간 안에서 부품을 배치하기가 수월해지고, 다리 외형도 보다 컴팩트하게 구성할 수 있습니다.
Q2. 보행 로봇에서 내구성이 중요한 이유는 무엇인가요?
A. 보행 과정에서 관절은 몸체를 지지하는 하중과 착지 충격을 반복적으로 받습니다. 장시간 운용을 고려한다면 이러한 반복 하중 속에서도 동작을 유지할 수 있는 내구성을 갖춘 구조인지 확인해야 합니다.
Q3. 로봇용 액추에이터를 선택할 때 무엇을 확인해야 하나요?
A. 로봇의 무게와 관절 위치, 필요한 힘, 회전 범위, 장착 공간 등을 함께 확인해야 합니다. 실제 보행 과정에서 발생하는 반복 하중과 운용 시간도 함께 고려하는 것이 좋습니다.
Q4. 보행 로봇의 모든 관절에 같은 액추에이터를 사용할 수 있나요?
A. 관절마다 담당하는 움직임과 받는 하중이 다르기 때문에 필요한 구동 조건도 달라질 수 있습니다. 각 관절의 역할과 공간 조건을 기준으로 적합한 모터와 감속기, 액추에이터를 구성해야 합니다.
참고 출처
[1] 본시스템즈 공식 홈페이지 — https://www.bonsystems.com
[2] International Federation of Robotics(IFR) — https://ifr.org
[3] 한국로봇산업진흥원(KIRIA) — https://www.kiria.org
[4] 한국로봇융합연구원(KIRO) — https://www.kiro.re.kr
본시스템즈 (Bonsystems)
Pinless 사이클로이드 감속기 · 액추에이터 전문 기업
🔗 솔루션 문의 → www.bonsystems.com