"휴머노이드 하체 새 기준"…국민대 연구진이 찾은 해법은

[서귀포(제주)=신영빈 기자] "최근 휴머노이드 로봇은 달리기, 춤, 점프, 복싱 같은 극한의 동작까지 구현할 만큼 빠르게 발전하고 있습니다. 하지만 이런 고난도 동작을 효율적으로 수행하려면 여전히 큰 과제가 남아 있습니다. 기존 하드웨어 구조에서는 내구성과 효율성 사이에서 타협할 수밖에 없는 한계가 존재하기 때문입니다."

박민호 국민대학교 로봇제어연구실(RcLab) 박사과정 연구원은 11일 부영호텔&리조트에서 열린 국방로봇학회 학술대회에서 동적 운동 구현 위한 휴머노이드 하체 기술 연구 성과를 소개했다. 조백규 교수팀이 최근 공개한 휴머노이드 '로크-4(ROK-4)'에 투입된 구체적인 기술 요소들이다.

휴머노이드 로봇이 극한의 동적 운동을 안정적으로 구현하기 위한 하드웨어 설계는 여전히 난제로 남아 있다. 관절 움직임이 복잡해질수록 높은 출력과 강성이 필요하고, 예측 불가능한 충격을 흡수할 수 있는 구조적 유연성까지 요구되기 때문이다. 기존 직렬 구동 방식은 구현은 쉽지만, 다리 말단이 무거워져 관성모멘트가 커지는 구조적 한계가 있어 고속·고출력 동작을 수행하는 데 불리했다.

박민호 국민대학교 로봇제어연구실(RcLab) 박사과정 연구원이 11일 부영호텔&리조트에서 열린 국방로봇학회 학술대회에서 발표하고 있다. (사진=지디넷코리아 신영빈 기자)

박 연구원은 이러한 문제를 해결하기 위한 새로운 하체 매커니즘을 설명했다. 연구 핵심은 차동기어 매커니즘과 병렬 전송 매커니즘을 결합한 새로운 다리 구조에 있다. 박 연구원는 "낮은 관성과 고속·고출력을 동시에 달성하는 것을 목표로 삼고, 기존 고감속기 기반 방식에 의존하지 않는 새로운 접근을 시도했다"고 설명했다.

이번 연구에서 가장 눈에 띄는 특징은 한쪽 다리의 6개 구동기(액추에이터)를 모두 골반 부근에 집중적으로 배치한 설계다. 이를 통해 종아리·발목 등 다리 말단의 무게는 약 2kg 수준으로 줄어 반송 모멘트를 감소시켰다. 다리 말단부 관성을 줄여 빠른 스윙 동작과 동적 운동에서 큰 이점을 확보했다.

박 연구원은 발목 모터를 가능한 한 고관절 쪽으로 끌어올리기 위해 기존 '2-RSU' 구조에 병렬 전송 매커니즘을 결합했으며, 그 결과 발끝 움직임에서 나타나는 관성 타원체가 기존 방식보다 현저히 작아졌다고 밝혔다. 이는 실제 움직임에서 더 빠르고 민첩한 다리 동작이 가능함을 의미한다.

그러나 병렬 전송 방식은 구조적으로 발목 관절의 속도와 토크가 무릎 움직임에 종속되는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 연구팀은 힙 피치와 무릎 관절을 차동기어로 연결하는 구조를 도입했다.

박 연구원은 인간의 보행 및 점프 데이터를 분석한 결과, 보행에서는 세 관절이 동시에 최대 토크를 사용하지 않지만, 점프나 달리기와 같은 동적 운동에서는 무릎과 발목이 동시에 높은 토크를 요구한다는 점을 확인했다고 설명했다. 차동기어는 이러한 요구를 충족시키며, 모터의 반사 관성 증가를 최소화하면서도 넓은 토크·속도 범위를 확보하는 데 도움을 준다.

실험 결과도 긍정적이었다. 연구팀은 점프 동작을 통해 약 200N·m의 무릎 토크가 필요한 상황을 재현했는데, 차동기어를 사용한 구조는 약 50~60N·m 수준의 액추에이터 출력만으로도 충분한 관절 토크를 만들 수 있었다. 박 연구원은 이를 통해 "제안한 매커니즘이 실제 동적 운동에 필요한 성능을 발휘한다는 것을 확인했다"고 말했다.