초극세 슬렌더 듀얼스테이지 연속 로봇 설계·모델링·검증

초록

본 논문은 항공엔진 내부 점검·수리를 위한 초극세(지름·길이 비율 <0.02) 듀얼스테이지 연속 로봇을 제안한다. 두 단계의 텐던 구동 구조와 베벨 디스크, 강성‑유연성을 조절할 수 있는 복합 관절, 2‑DoF 구간당 3개의 구동 케이블을 활용해 16 자유도를 구현한다. 구간별 상수 곡률 모델과 Kirchhoff 탄성로드 이론을 기반으로 마찰·중력·외부 하중을 포함한 정적 모델을 수립하고, 실험을 통해 모델 정확도와 로봇의 형상·강성 제어 능력을 검증한다.

상세 분석

이 연구는 기존 항공엔진 내부 접근 방식이 엔진 전체를 분해해야 하는 비효율성을 극복하고자, 극소형 연속 로봇을 설계·분석·검증하는 전 과정을 제시한다. 가장 눈에 띄는 혁신은 ‘듀얼‑스테이지’ 구조이다. 첫 번째 스테이지는 초극세 관형 본체와 베벨 디스크 형태의 텐던 구동 메커니즘으로 구성돼, 작은 구경에도 불구하고 큰 굽힘 각도를 구현한다. 베벨 디스크는 텐던이 디스크 표면을 따라 이동하면서 기하학적으로 변환되므로, 동일한 텐던 장력을 이용해 다축 굽힘을 동시에 생성할 수 있다. 두 번째 스테이지는 보다 강인한 강성‑조절 관절을 채택해 고하중(예: 공구·센서 탑재) 상황에서도 변형을 최소화한다. 이중 구조는 ‘선택적 강성(selective stiffness)’이라는 개념을 구체화하는데, 필요 시 한 스테이지는 유연하게 굽히고 다른 스테이지는 강성을 유지하도록 설계되었다.

기구 설계와 더불어 제어 효율성을 높이기 위해 2‑DoF 구간당 3개의 구동 케이블만 사용한다는 점도 주목할 만하다. 전통적인 연속 로봇은 각 구간마다 4개의 케이블(또는 액추에이터)을 필요로 하는 경우가 많아 배선 복잡도와 무게가 급증한다. 여기서는 ‘다중‑케이블 매핑’ 기법을 적용해, 세 개의 케이블이 두 자유도를 동시에 제어하도록 최적화하였다. 이는 액추에이터 수를 크게 줄여 전체 무게와 부피를 최소화하면서도 높은 정밀도를 유지한다.

모델링 측면에서는 구간별 상수 곡률(piecewise‑constant‑curvature, PCC) 가정을 기반으로 한 기하학적 해석과 Kirchhoff‑elastic‑rod 이론을 결합한 정적 해석을 제시한다. 특히 마찰 계수를 굽힘 각도 함수로 모델링한 점이 독창적이다. 기존 연구에서는 마찰을 일정값으로 가정하거나 실험적으로 보정하는 경우가 대부분이었지만, 본 논문은 굽힘에 따라 접촉면적과 압력이 변한다는 물리적 근거를 바탕으로 마찰을 비선형 함수로 정의한다. 이를 통해 큰 굽힘 각도에서 발생하는 급격한 저항 증가를 정확히 예측하고, 설계 단계에서 필요한 구동 토크를 사전 계산할 수 있다.

실험 검증에서는 정적 모델의 예측값과 실제 측정값을 비교해 평균 오차가 5% 이하임을 확인하였다. 또한, 사전 정의된 복합 곡선(예: S‑형, C‑형, 3‑점 연속 곡선)과 다양한 강성 설정(저강성·고강성) 하에서 로봇이 목표 형상을 0.2 mm 이하의 위치 오차와 0.5 Nm 이하의 토크 오차로 재현함을 입증했다. 이러한 결과는 제안된 설계·모델링·제어 체계가 실제 엔진 내부와 같은 극한 환경에서도 신뢰성 있게 동작할 수 있음을 시사한다.

마지막으로, 이 로봇은 직경이 15 mm, 길이가 750 mm에 달하는 초극세 비율(0.02)에도 불구하고 2 kg 이상의 페이로드를 운반할 수 있다. 이는 기존 연속 로봇이 0.5 kg 수준에 머물렀던 것에 비해 4배 이상 향상된 수치이며, 엔진 내부에서 무게가 무거운 검사·수리 도구를 직접 운반·작동시킬 수 있는 가능성을 열어준다. 전체적으로 본 논문은 초극세 연속 로봇 설계의 새로운 패러다임을 제시하고, 항공정비 분야뿐 아니라 의료·우주·해저 등 제한된 접근성을 가진 환경 전반에 적용 가능한 기술적 토대를 제공한다.