[다리 로봇 리뷰 ②] 3D 텔레스코픽 & 마이크로 로봇편 — 전방위 호핑부터 5cm 로봇까지

 

• 제목: Bridging the Gap to Bionic Motion: Challenges in Legged Robot Limb Unit Design, Modeling, and Control
• 저자: Junhui Zhang, Jinyuan Liu, Huaizhi Zong, Pengyuan Ji, Lizhou Fang, Yong Li, Huayong Yang, Bing Xu
• 소속: Zhejiang University (State Key Laboratory of Fluid Power and Mechatronic Systems)
• 저널: Cyborg and Bionic Systems, 2025;6:Article 0365
• 게재일: 2025년 8월 19일
• DOI: https://doi.org/10.34133/cbsystems.0365
• 논문 유형: Review Article (리뷰 논문)
• 오픈 액세스: CC BY 4.0 (누구나 자유롭게 열람 가능)

2) 3D telescopic SLRs

 2D telescopic SLR과 비교했을 때, 3D telescopic SLR의 고관절은 수직 방향의 자유도(앞/뒤)뿐 아니라 점프 방향과 나란한 방향(좌/우)으로도 흔들 수 있는 자유도를 추가로 제공한다. 이 추가된 능력 덕분에 로봇은 전후좌우 모든 방향으로 호핑할 수 있다.

Fig2. Telescopic SLRs

 3D telescopic SLR의 역사는 1984년 Raibert의 3D 호퍼(그림 2-2a)에서 시작한다. 알루미늄 몸체에 공압식 다리를 단 이 로봇은 고관절엔 유압을, 다리엔 공압을 쓰는 혼합 구동 방식으로 전진 속도 2.2 m/s, 측면 속도 1.8 m/s를 달성했다. 이후 등장한 3D bow-legged SLR(그림 2-2b)은 고관절 힌지를 자동차 구동축에도 쓰이는 유니버설 조인트로 교체해 좌우 이동까지 가능해졌지만, 그만큼 공기 저항의 영향을 크게 받아 제어가 더 까다로워지는 부작용도 함께 따라왔다.

 

 이후 연구는 "다리 힘만으로 버티지 말고, 다른 부품의 도움을 받자"는 방향으로 흘러간다. 2017년 등장한 LEAP(그림 2-2c)은 보이스 코일 액추에이터(스피커에도 쓰이는 전자기 구동 방식)를 적용해, 로봇 무게 일부를 스프링에 분산시킴으로써 액추에이터가 감당해야 할 힘과 동력 부담을 줄였다. 비슷한 시기의 Archer(그림 2-2d)는 좀 더 독특한 해법을 택했다. 몸통 안에 팽이처럼 빠르게 도는 플라이휠 3개를 넣어, 이 플라이휠들의 회전 속도를 서로 다르게 조절함으로써(차동 회전) 몸체를 똑바로 세운 자세로 유지하고 발의 위치까지 조정한다.

 

 정리하면, 3D telescopic SLR의 발전은 좌우로도 움직일 수 있는 자유도 확보 → 그 과정에서 늘어난 제어 부담을 스프링이나 플라이휠 같은 보조 장치로 분산하는 흐름으로 요약할 수 있다.

3) Micro telescopic SLRs

 마이크로 텔레스코픽 SLR은 질량 200g 미만의 초소형 로봇을 가리킨다. 크기가 작을수록 제조 비용이 낮고 에너지 효율이 좋으며, 휴대하거나 다른 장치(사람, 드론 등)에 실어 옮기기도 쉽다는 장점이 있어 특수 임무용으로 주목받는다.

 

 2000년 등장한 5cm 로봇(그림 2-3a)은 부피가 5cm³도 안 되는 크기로, 다리에 붙은 원판 2개를 굴려서 움직였다. 속도는 7.75cm/s를 냈지만 두 가지 문제가 있었다. 자유도가 부족해 방향을 능동적으로 제어할 수 없었고, 무게 중심이 회전축에서 벗어나 생기는 진동(편심 질량)으로 에너지를 불필요하게 낭비했다.

 이후 등장한 Yang 등의 소형 로봇(그림 2-3b)은 스프링을 두 곳에 나눠 배치해 이 문제를 개선했다. 사각 랙과 클러치로 정밀한 타이밍의 직선 운동을 구현했고, 상단 스프링은 이륙 시 추진력을 보태며, 다리 끝단 스프링은 착지 충격을 흡수해 재사용 가능한 에너지로 바꿔주는 역할을 한다.

 

 크기 제약이 심한 초소형 로봇에서 점프 성능을 더 끌어올리기 위해, 일부 연구자들은 벼룩이나 메뚜기 같은 곤충의 구조에서 영감을 얻었다. 이 곤충들은 가벼운 몸 구조를 활용해 점프와 짧은 체공을 결합한 방식으로 빠르게 이동한다.

대표 사례가 쿼드로터(4개의 프로펠러를 가진 드론)와 수동 점프 메커니즘을 결합한 PogoDrone이다. 점프를 수동적으로(추가 동력 없이) 구현함으로써 이동에 필요한 동력을 크게 줄이고, 에너지 효율을 높여 비행 지속 시간을 늘렸다.

 

 비슷한 접근으로 Hopcopter는 초소형 쿼드콥터에 수동 탄성 텔레스코픽 다리를 결합했다. 비행 중 프로펠러의 추진력을 활용해 점프 높이와 방향을 조절하며, 공중에서 순간적으로 폭발적인 도약을 하여 순간 가속력과 기동성을 높인다. 이런 사례들은 비행 역학을 초소형 SLR에 접목하는 것의 가능성을 보여준다.

 

 크기가 작아지면 동물이나 로봇이나 물리적으로 유리해지는 지점이 있다. 예를 들어 스틀벌레의 일종인 개구리매미충(froghopper)은 자기 몸무게의 400배가 넘는 힘을 낼 수 있는데, 이는 몸집이 큰 동물에서는 물리적으로 불가능한 수준이다.

 

 프루드 수(Froude number) 분석에 따르면, 몸집이 작을수록 호핑(hopping) 방식의 이동에 더 유리하다는 게 확인된다. 로봇의 물리적 크기가 줄어들수록 관성 모멘트가 크게 줄어들어, 더 큰 가속도와 더 높은 힘 대비 질량 비율을 얻을 수 있기 때문이다. 그 결과 마이크로 텔레스코픽 SLR은 더 높이, 더 멀리 뛸 수 있다. 또한 작고 컴팩트한 설계는 민첩성과 임무 효율을 높이는 동시에, 강한 충격이 가해지는 상황에서 기계적 손상 위험도 줄여준다.

 

 다만 소형화에는 새로운 과제도 따라온다. 크기가 작아질수록 공기 저항이 무시할 수 없는 요인이 되고, 제어 시스템은 더 빠른 동역학과 외란(disturbance)에 대한 더 높은 민감도를 다뤄야 한다.

4) Applications of telescopic SLRs

 텔레스코픽 구조는 특히 이족(두 다리) 로봇에서 가장 흔하게 채택됐다. 최초의 적용 사례는 1980년대 중반 Raibert 등이 제안한 이족·사족 로봇(그림 2-4a, 4b)으로, 트로팅(trotting), 호핑, 대각선 방향 달리기 등 다양한 보행 패턴을 구현할 수 있었다.

이후 등장한 대표 사례들은 다음과 같다:

• 모스크바 대학의 병렬 로봇(그림 2-4c) — 다리 하나가 허벅지와 종아리로 나뉘고, 종아리가 허벅지 안쪽 철제 레일을 따라 미끄러지며 다리 길이 전체를 바꾸는 구조
• Meltran V(그림 2-4d) — DC 서보모터와 볼스크류로 고관절-발목 사이 거리를 조절하며 이동하는 이족 로봇
• L04(그림 2-4h) — 모터 2개가 각각 슬라이더를 조절해 무릎을 굽히듯 다리 높이를 조정하는 휴머노이드 로봇

 사족·육족 로봇은 이족 로봇보다 훨씬 복잡한 움직임 패턴을 필요로 하는데, 텔레스코픽 구조는 자유도가 제한적이라 정교한 동작을 구현하기 어렵다. 그래서 이 구조를 채택한 사례는 상대적으로 적다. 대표적으로:

• Scout II(그림 2-4e) — 스프링으로 연결된 순응형(compliant) 프리즘 관절 구조의 고전적인 사족 로봇
• WalkingHex(그림 2-4f) — 케이블 3개로 제어되는 보행형 병렬 기구
• 육족 로봇(그림 2-4g) — 고관절에 피벗 조인트로 연결된 텔레스코픽 다리를 갖추고, 마찰력을 높이기 위해 얇은 고무층을 발에 덧댐

이런 로봇들의 물리적 스펙(치수, 무게, 이동 능력)은 아래 표에 정리되어 있다.

5) Summary of telescopic SLRs

 텔레스코픽 SLR은 구조가 상대적으로 작업 공간을 적게 차지하고 제어 전략도 비교적 단순해서, 이동 중 환경 장애물과 충돌할 위험을 효과적으로 줄여준다는 장점이 있다. 이런 장점 덕분에 다리 로봇 연구 초창기, 특히 동적 호핑 연구에서 널리 활용됐다.

 

 하지만 기본적인 이동 과업에서는 준수한 성능을 보이는 반면, 자유도가 제한적이고 발을 디딜 수 있는 위치의 폭이 좁다는 근본적인 한계도 함께 지닌다. 그 결과 텔레스코픽 SLR은 지형이 계속 바뀌거나 다양한 움직임 패턴이 필요한 더 복잡한 점프 과업에는 적응하기 어렵다. 이런 한계를 극복하려면 설계 자체를 개선하거나, 추가적인 기술을 접목하는 방향이 필요하다.