기계적으로 프로그래밍된 가변 반경 패시브 휠 MORPH

초록

**
MORPH 휠은 토크에 반응해 반경을 80 mm에서 45 mm로 자동 변환하는 완전 패시브 가변‑반경 휠이다. 토크‑응답 커플러와 스프링‑로드 스트럿을 이용해 입력 토크가 일정 임계값을 초과하면 반경이 축소되고, 그 이하이면 직접 구동 모드가 유지된다. 양방향 무한 회전, 10 N 이상의 토크 전송, 그리고 결정론적 기구학에 기반한 정밀한 전송비 제어라는 세 가지 핵심 특성을 전자식 제어 없이 구현한다. 이론 모델링과 벤치‑테스트, 로봇 실험을 통해 설계·예측 정확도와 실제 적용 가능성을 검증하였다.

**

상세 분석

**
MORPH 휠은 ‘기계적 프로그래밍(Mechanically Programmed Structure)’이라는 새로운 설계 패러다임을 제시한다. 설계 핵심은 토크‑응답 커플러(슬라이더‑크랭크 형태)와 스프링이 내장된 연결 스트럿이다. 입력 토크 τ_in이 커플러에 전달되면 두 단계의 기계적 판단이 연속적으로 이루어진다. 첫 번째 조건은 출력 힘 F_out이 외부 저항 F_res를 초과하는가이며, 초과하면 커플러는 강체 연결을 유지해 전통적인 직접 구동 모드가 지속된다. 두 번째 조건은 커플러가 발생시키는 힘 F_c가 스프링 저항 F_s에서 차체 중량 W_w를 뺀 값보다 큰가이다. 이 조건이 만족되면 스트럿이 압축되어 휠 반경이 감소하고, 토크‑대‑속도 곡선이 자동으로 낮은 속도·높은 토크 영역으로 이동한다. 이중 임계값 구조는 기계적 ‘if‑else’ 논리를 구현하며, 스프링 강성·기구학 파라미터를 조정함으로써 전환 토크와 반경 변환 범위를 설계 단계에서 정확히 설정할 수 있다.

분석 모델은 토크‑반경 관계 τ_in ↔ r을 비선형 방정식으로 기술하고, 전환 토크 T_thr와 반경 최소값 r_min을 명시적으로 도출한다. 실험에서는 1.8 kg~2.8 kg 무게의 휠에 대해 측정된 토크‑반경 곡선이 이론과 5 % 이내의 오차로 일치했으며, 0 ~ 25 kg 하중, 0° ~ 30° 경사면, 비정형 지형 등 다양한 주행 조건에서도 기대한 반경 변환이 재현되었다.

주목할 점은 (1) 양방향 무한 회전을 가능하게 하는 대칭형 커플러 설계, (2) 고강성 부하 경로를 유지해 10 N 이상의 토크를 손실 없이 전달, (3) 스프링‑스트럿·커플러의 기하학적 비례 관계가 전송비를 결정하므로 전자식 피드백 없이도 높은 재현성을 확보한다는 점이다. 기존 패시브 CVT가 주로 텐던·펄리·관절 구동에 국한된 반면, MORPH 휠은 휠 자체에 적용돼 이동 로봇의 핵심 구동계에 직접 통합될 수 있다. 한계점으로는 스프링 피로에 따른 장기 내구성 감소 가능성, 고속 주행 시 동적 진동에 대한 추가 댐핑 필요성, 그리고 설계 복잡성으로 인한 제조 비용 상승이 있다. 향후 연구에서는 고강도·고탄성 재료 적용, 모듈형 스트럿 설계, 그리고 다중 단계의 기계적 논리(예: 3단계 전송비) 구현이 제안된다.

**