지난 3월, 경남대학교에서 로봇공학을 공부하는 학생들이 본시스템즈를 찾아주셨습니다.
인공지능(AI)과 로봇 기술이 4차 산업혁명의 중심 키워드로 주목받고 있는 지금, 이론을 넘어 실제 하드웨어를 다뤄보고 싶은 학생들의 열정이 현장을 가득 채웠습니다.
AI 학습 과정에서 직접적인 로봇 제작 경험이 부족했던 이들을 위해, 본시스템즈는 4족 보행 로봇 만들기 실습을 함께 진행하며 로봇 제작의 핵심 과정을 생생하게 체험할 수 있는 자리를 마련했습니다.
액추에이터 알아보기
간단한 인사와 함께 본시스템즈의 주요 기술과 사업 내용을 소개한 뒤, 이번 프로젝트의 목적과 진행 방식에 대해 안내했습니다. 학생들은 제작 순서와 각 작업의 의미를 이해한 후, 바로 조립 작업에 착수했습니다.
4족 보행 로봇 만들기의 첫 단계는 액추에이터 조립입니다. 이 단계에서는 로봇의 다리에 동작을 부여하는 핵심 구성 요소인 액추에이터를 구조에 맞춰 조립하며, 전체적인 동작 메커니즘을 이해하는 데 중점을 두었습니다.
액추에이터는 감속기와 모터가 하나로 결합된 구동 장치입니다. 이 중 감속기는 모터에서 발생한 회전 속도를 줄이고, 대신 회전력을 증폭시켜 보다 큰 토크(힘)를 만들어내는 역할을 합니다.
자전거로 언덕을 오를 때 기어비를 낮추면 더 적은 힘으로도 오를 수 있는 원리와 유사하다고 이해하시면 됩니다. 이번 조립에 사용된 액추에이터는 BCSA110-029-H-FOR-V1 모델로, 직경 110mm 크기에 29:1의 감속비가 적용된 허용 정격 토크 37Nm 출력이 가능한 제품입니다.
본격적인 조립에 앞서 이번에 사용되는 액추에이터의 구성 요소를 간단히 소개합니다.
본시스템즈의 사이클로이드 액추에이터는 베어링, 사이클로이드 디스크, 편심축, 출력핀, 핀 롤러, 프레임리스 모터, 하우징으로 구성되어 있습니다. 향후에는 드라이버, 인버터, 브레이와 같은 제어 장치가 포함된 스마트 액추에이터 타입으로 출시가 예정되어 있으며, 현재까지 지속적인 연구 개발을 진행하고 있습니다.
프레임리스 모터는 이름 그대로 외부 하우징이 없는 구조이며, 스테이터인 코일과 로터인 자석이 노출된 형태입니다. 이러한 구조는 공간 활용에 유리하며 다양한 기구 구조에 유연하게 통합할 수 있는 장점이 있습니다.
이번 프로젝트에 사용된 BCSA 110 모델은 프레임 리스 모터 내부에 사이클로이드 감속기가 삽입된 형태로 설계되어 있습니다.
조립 시작
액추에이터 조립은 출력축과 베어링의 결합부터 시작됩니다. 먼저 출력축에 베어링을 끼운 뒤, 이를 하우징 내부에 삽입하고 출력 핀을 장착합니다.
다음으로 편심축에 베어링을 조립한 후, 사이클로이드 디스크를 장착합니다.
이어서 출력축에 편심축을 결합하는 단계로 넘어갑니다.
이때 출력 핀의 위치와 출력축의 방향을 정확히 맞춘 상태에서 삽입해야 하며, 각 부품의 정렬 상태를 꼼꼼하게 점검하는 것이 중요합니다. 조립 오차는 전체 구동 성능에 직접적인 영향을 줄 수 있기 때문입니다.
롤러핀을 삽입한 다음에는 내측 기어 (internal gear)를 조립합니다.
그전에 먼저 그리스를 칠합니다. 내측 기어와 맞닿는 디스크의 마찰로 인한 마모나 파손을 방지하기 위해서 이 작업은 매우 중요합니다.
조립 과정에서 베어링 등 부품이 잘 맞지 않을 경우에는 전용 지그와 압입기를 사용합니다.
BCSA 110 모델의 특징 중 하나인 프레임리스 아우터 모터를 장착한 뒤, 하우징을 조립하면 4족 보행 로봇 만들기의 첫 번째 과제인 액추에이터 조립이 완료됩니다.
드디어 4족 보행 로봇 만들기
드디어 본격적인 4족 보행 로봇 조립에 들어갑니다. 로봇 본체 프레임에는 총 4개의 다리가 필요하기 때문에, 학생들은 팀을 나누어 각 팀이 하나의 다리 조립을 맡아 진행했습니다. 사용된 주요 구성품은 다음과 같습니다.
사진에는 보이지 않지만, 4족 보행 로봇의 한쪽 다리를 조립하기 위해서는 총 3개의 액추에이터가 필요합니다.
현재 보이는 장면은 브라켓을 조립하는 과정입니다. 이 단계에서는 액추에이터 두 개를 서로 다른 방향의 축으로 결합하는 작업이 이루어집니다. 이렇게 조립하는 이유는 로봇이 다양한 방향으로 움직일 수 있도록 하기 위함입니다.
액추에이터가 하나만 장착되면 움직임은 단일 축, 즉 앞뒤나 좌우 중 한 방향으로만 제한됩니다. 그러나 수직축과 수평축처럼 서로 다른 방향의 축에 각각 두 개의 액추에이터를 장착하면, 하나는 좌우 또는 위아래 방향의 움직임을, 다른 하나는 회전 동작을 구현할 수 있습니다.
이러한 구조는 로봇이 보다 복합적인 동작을 수행할 수 있게 하며, 결과적으로 운동 자율성을 확보하는 데 중요한 역할을 합니다.
예를 들어 4족 보행 로봇의 다리를 떠올려 보면, 관절이 앞뒤로만 움직이는 구조에서는 직선 방향으로의 이동은 가능하지만, 이러한 단일 축의 움직임만으로는 정상적인 보행 동작을 구현하기 어렵습니다.
이러한 한계를 극복하기 위해, 각 다리에는 3개의 액추에이터를 장착하여 전후 이동뿐만 아니라 방향 전환과 균형 제어까지 수행할 수 있도록 설계합니다. 이와 같이 다자유도 기반의 구조를 적용하면, 로봇은 보다 유연하고 안정적인 보행이 가능해지며, 다양한 지면 조건에서도 효과적으로 대응할 수 있습니다.
조립 과정을 따라 집중해서 작업에 임하는 학생들의 열의를 보며, 저희 역시 설명하는 과정에서 보람을 느낄 수 있었습니다.
액추에이터 조립이 끝난 다음에는 다리를 장착합니다.
나사 홀의 위치를 정확히 맞춰 조립해야 했기 때문에, 프레임을 눕혀 놓은 상태에서는 작업이 다소 불편했고 약간의 어려움이 있었습니다.
이 장면은 타이밍 벨트를 설치하고 아이들러를 삽입하는 과정입니다. 아이들러는 타이밍 벨트의 장력을 조절해 일정한 텐션을 유지하도록 도와주는 부품입니다.
아래쪽 다리까지 모두 조립을 완료했습니다.
4족 보행 로봇의 다리 구동 방식은 타이밍 벨트를 활용하는 방법 외에도 체인 구동이나 링크 구조를 적용하는 등 여러 가지 방식이 존재합니다.
각 방식에는 고유의 장단점이 있기 때문에 무엇이 더 우수하다고 단정하기보다는, 로봇의 용도와 목적, 작동 환경 등을 종합적으로 고려해 가장 효율적인 방식을 선택하는 것이 중요합니다.
이제 완성된 다리들을 본체에 조립하면서 이번 실습은 마무리 단계에 들어갑니다. 로봇의 본체는 알루미늄 프로파일 20T를 사용해 제작했습니다.
긴 시간 동안 진행된 경남대학교 학생들과의 4족 보행 로봇 제작 프로젝트는 무사히 마무리되었습니다. 이번 실습에서는 하드웨어 조립에 집중했으며, 조립이 완료된 로봇은 향후 학생들이 직접 소프트웨어를 개발하고 구동할 수 있도록 제공했습니다. 완성된 제품은 학습용으로 활용될 예정이며, 학생들이 실무 감각을 키우는 데 도움이 되기를 기대합니다.
부록
부록에서는 4족 보행 로봇 만들기에서 소개 드리지 못한 주요 부품과 명칭에 대해서 간략하게 소개합니다.
타이밍 벨트에 아이들러를 설치해야 하는 이유는?
아이들러는 타이밍 벨트의 장력(텐션)을 조절하고, 벨트의 경로를 안정적으로 유지하는 역할을 합니다. 벨트 구동 시스템에서 장력이 일정하지 않으면 회전 중에 벨트가 느슨해지거나 미끄러지는 현상이 발생할 수 있으며, 이는 곧 구동력 전달의 불안정으로 이어집니다.
아이들러는 이러한 문제를 방지하고 벨트가 일정한 경로와 힘으로 회전할 수 있도록 도와주는 보조 부품입니다.
로봇 개의 핵심 구성품은?
4족 보행 로봇의 핵심 구성 요소는 로봇의 몸체와 다리에서 시작됩니다. 몸체는 모든 부품이 연결되는 중심 구조로, 제어 장치와 전원 공급 장치 등이 탑재됩니다. 다리는 일반적으로 복수의 관절 (액추에이터)로 이루어져 있으며, 다자유도 기반의 설계가 적용됩니다.
로봇이 외부 환경과 자신의 상태를 정확하게 인식하기 위해서는 다양한 센서가 함께 탑재됩니다. 예를 들어, 라이다 센서를 활용하면 주변 환경을 360도로 스캔하여 자율적인 경로 설정과 장애물 회피 기능을 수행할 수 있습니다. 자이로 센서는 로봇의 기울기를 실시간으로 측정하여 무게 중심을 일정하게 유지할 수 있도록 도와줍니다.
이러한 시스템이 안정적으로 작동하기 위해서는 충분하고 효율적인 전력 공급이 필수적입니다. 배터리는 로봇의 무게 중심에 직접적인 영향을 미치기 때문에, 전력 용량뿐 아니라 설치 위치 또한 매우 중요한 고려 요소입니다.
BCSA가 4족 보행 로봇 만들기에 사용된 이유는?
4족 보행 로봇은 다리의 각 관절이 독립적으로 움직이며 균형을 유지해야 하므로, 소형이면서도 강한 힘을 낼 수 있는 구동 장치가 필수적입니다. 이번 실습에 사용된 BCSA(Bon Cycloid Smart Actuator) 시리즈는 이러한 조건에 부합하는 구조와 성능을 갖추고 있습니다.
컴팩트한 크기에도 불구하고 높은 감속비를 구현할 수 있어 고토크 출력을 안정적으로 제공할 수 있으며, 뛰어난 내구성을 제공합니다. 또한 프레임리스 모터 설계를 적용한 박형 구조로 설계 자유도가 뛰어나며, 다양한 형태의 로봇 구조에 효과적으로 통합될 수 있다는 장점이 있습니다.
BCSA가 4족 보행 로봇 만들기에 사용된 이유는?
4족 보행 로봇은 다리의 각 관절이 독립적으로 움직이며 균형을 유지해야 하므로, 소형이면서도 강한 힘을 낼 수 있는 구동 장치가 필수적입니다. 이번 실습에 사용된 BCSA(Bon Cycloid Smart Actuator) 시리즈는 이러한 조건에 부합하는 구조와 성능을 갖추고 있습니다.
컴팩트한 크기에도 불구하고 높은 감속비를 구현할 수 있어 고토크 출력을 안정적으로 제공할 수 있으며, 뛰어난 내구성을 제공합니다. 또한 프레임리스 모터 설계를 적용한 박형 구조로 설계 자유도가 뛰어나며, 다양한 형태의 로봇 구조에 효과적으로 통합될 수 있다는 장점이 있습니다.
