1. 휴먼노이드 로봇의 고속 동작에서 발생하는 물리적 충격
인간형 로봇이 걷고, 달리고, 뛰고, 착지하는 모든 동작에는 반복적인 충격 하중과 진동이 수반됩니다. 예컨대 로봇이 단 1초에 한 걸음을 내디딘다고 해도, 발과 지면 사이에 작용하는 임팩트 힘은 수백 N에서 최대 수 kN에 달할 수 있습니다.
이와 같은 하중은 로봇의 구조물뿐 아니라 모터, 감속기, 센서, 제어계 전체에 비선형적인 진동 응답을 유도합니다. 이를 제어하지 않으면 제어 루프의 불안정성, 부품 파손, 반복 정밀도 저하로 이어질 수 있습니다.
따라서 우리는 물리적으로 진동을 제어할 수 있는 메커니컬 댐핑 구조 설계를 반드시 병행해야 합니다.
2. 메커니컬 댐핑 구조란 무엇인가?
Mechanical Damping Structure는 구조체 내부 또는 외부에서 진동 에너지를 흡수하거나 소산시키는 장치를 의미합니다. 이는 크게 세 가지 형태로 구분됩니다.
- 재료 내재 댐핑 (Material Damping): 고무, 폴리우레탄 등 자체적으로 진동 흡수 능력을 가진 소재 사용
- 수동 댐핑 장치 (Passive Dampers): 스프링-댐퍼 시스템, 점성 유체 댐퍼 등 별도 구조물
- 구조적 설계 기반 댐핑: 링크/프레임의 기하학적 배치로 충격을 분산시키는 설계
휴먼노이드 로봇의 경우, 구조 내부에 내장된 복합 댐핑 시스템이 일반적으로 채택되며, 이는 고정밀 제어계와 통합되어야 최상의 효과를 발휘합니다.
3. 테슬라 옵티머스에 적용된 댐핑 전략
2024년 기준 공개된 테슬라 옵티머스 Gen 2 모델은 무릎, 발목, 어깨 부위에 고탄성 소재 기반 댐핑 구조를 적용했습니다. 이는 3D 프린팅된 내부 격자 구조에 고무-탄소섬유 복합소재를 입힌 형태로, 10Hz 이상의 진동 대역에서 평균 약 60%의 감쇠율을 기록합니다.
특히 테슬라는 모션 시뮬레이션과 FEA를 사전에 결합해 발 밑 충격을 고관절까지 분산시키는 다단 구조적 감쇠 설계를 도입하였습니다. 이는 단순 댐퍼의 삽입이 아니라, 로봇 설계의 시작 단계에서부터 댐핑을 고려하는 프리임베디드 감쇠 설계(Embedded Damping Design) 전략의 일환입니다.
4. 비선형 댐핑: 선형 시스템의 한계를 넘어
실제 로봇 동작 중 발생하는 충격은 비선형적인 시간-가속도-하중 관계를 보입니다. 이때 선형 스프링-댐퍼 모델만으로는 예측과 제어가 불가능하며, 비선형 댐핑 시스템이 요구됩니다.
예컨대 고무계 복합재는 압축 속도에 따라 감쇠 계수가 달라지는 속도 의존형 댐핑 비선형성을 보이며, 점성유 기반 댐퍼는 내부 채널 구조에 따라 다중 응답 특성을 보입니다.
이러한 구조는 낮은 하중에서는 유연하게, 높은 충격에서는 급속하게 에너지를 흡수하는 특성을 가지며, 로봇 보행 중 발과 지면 사이의 미세한 텀블링을 줄이는 데 핵심 역할을 합니다.
5. 댐핑 구조 설계 시 고려할 주요 설계 변수
설계자로서 다음과 같은 변수들을 정량적으로 고려해야 합니다.
- 자연진동수(f₀): 시스템 고유 진동수와 댐핑 간 간섭 여부 확인
- 댐핑 비(ζ): 제어계와 결합 시, 과도 응답과 안정성 간 균형 필요
- 재료 히스테리시스: 반복 하중 시 열화 여부 분석 필요
- 구조 적층 방식: 층간 전단력을 통한 에너지 분산 고려
- 공간 제약: 관절부 내부에 내장 가능한지 여부
저는 이 중에서도 “제어계와의 공진 회피”를 가장 중요한 설계 기준으로 봅니다. 실제 로봇 제어 루프의 주파수 응답 곡선과 구조 고유 주파수 간 공진(Resonance)이 발생하면, 작은 충격도 반복적으로 증폭되어 시스템을 불안정하게 만들 수 있습니다.
6. 실제 현장 적용 예: 협동로봇 vs 휴먼노이드
협동로봇(Cobot)은 일반적으로 저속 동작, 고정 위치에서 사용되며, 간단한 우레탄 패드나 고무 스페이서로도 충분한 댐핑이 가능합니다.
그러나 휴먼노이드 로봇은 불규칙한 지형, 동적 자세 제어, 고속 점프/착지 등을 수행해야 하므로, 다음과 같은 댐핑 구조가 필요합니다:
- 복합재 적층 구조 (탄소섬유 + 고무 Layer)
- 구조적 격자 삽입형 탄성 모듈
- 점성유 점탄성 댐퍼 + 제어기 반응 지연 필터링
7. 개인적인 제언과 설계 철학
저는 메커니컬 댐핑을 단순히 '진동을 줄이는 장치'로 보지 않습니다. 그것은 구조적 제어의 연장선이며, 로봇의 수명을 결정짓는 핵심 요소입니다.
지금까지 몇몇 기술자가 설계한 로봇 중 가장 뛰어난 성능을 보인 시스템은, 관절 내부에 3중 구조의 댐핑 모듈을 내장하고, 제어계와 100Hz 이상 속도로 동기화된 상태 예측 필터(Predictive Damping Filter)를 적용한 모델이었습니다. 이 시스템은 실제 피로 시험에서 일반 구조보다 4.6배 더 긴 작동 수명을 기록했습니다.
따라서 모든 로봇 설계자는 단순한 강성 설계만이 아닌, "동적 생존성(Dynamic Survivability)"이라는 관점에서 댐핑 구조를 통합적으로 고려해야 합니다.