기능적 외골격 로봇을 구축하는 방법

설계 아이디어가 있는 엔지니어의 경우 대부분의 아이디어가 실패하는 원인은 컨셉과 실행 사이의 괴리 때문입니다. 정식 교육을 받지 않은 독립 빌더나 제작자라면 그 괴리는 더욱 커집니다. 설계 단계의 결정은 즉각적인 결과로 이어지며, 무게, 힘, 동작 및 제어 기능은 모두 체계적인 설계 프로세스가 없으면 예측하기 어려운 방식으로 상호 작용합니다.

Tyler Csatari는 바로 이 격차를 다루는 데서 재미를 느낍니다. 400만 명 이상의 팔로워를 보유한 콘텐츠 크리에이터인 Csatari는 TikTok(3M+), Instagram(900K+), Facebook(250K+)에서 활동하며, 이전에 시도해 본 적 없는 시스템을 설계하고 도전적인 기계 장치를 빌드하는 데 집중합니다. 그의 목표는 단순히 외형을 모방하는 것을 넘어 기계 장치가 의도한 대로 작동하는 기능적 시스템, 자칭 실용적 코스프레를 구현하는 것입니다.

Csatari는 이렇게 말합니다. "저는 어려운 프로젝트를 좋아합니다. 정말 많이 배워요." 모든 지식을 완벽하게 갖추지 못한 상태에서도 일단 부딪혀 문제를 해결해 나가려는 마음가짐은 가장 복잡한 빌드 프로젝트였던 외골격 로봇의 기반이 되었습니다.

Csatari의 외골격 로봇 설계에는 구조적 무결성을 유지하면서 유동적으로 움직이고 독립적으로 제어되는 4개의 팔이 필요했습니다. 각 팔은 바깥쪽으로 뻗어 나가며 자체 무게를 지탱해야 했고, 하중을 버텨내며 입력 정보에 대응해야 했습니다. Csatari는 이렇게 말합니다. "문제는 토크였습니다. 팔을 멀리 뻗을수록, 지탱하기 위해 베이스에 더 많은 힘이 필요했거든요."

외골격 로봇 개발 시에는 착용 가능성도 고려해야 했지만, 관절마다 모터를 장착하면 무게와 복잡성이 늘고 새로운 고장 지점이 생길 수 있다는 점도 생각해야 했습니다. 따라서 힘 전달, 중량 분배 및 제어 기능의 균형을 맞추기 위해 제한된 폼 팩터 내에서 설계가 필요했습니다.

Csatari는 SOLIDWORKS Design®에서 완전히 모델링된 케이블 구동 시스템을 통해 이러한 제약 조건을 해결했습니다. 관절마다 모터를 배치하는 대신, 백플레이트에 장착된 모터와 연결된 3D 인쇄 척추 구조물 사이로 케블라 케이블을 배선했습니다.

각 팔은 3개의 제어 케이블을 따라 작동하므로, 최소한의 무게로도 다축 움직임이 가능해졌습니다. 풀리 기반 아키텍처는 힘을 보다 효율적으로 분산시켜 가동 범위를 유지하면서 베이스에 가해지는 부하를 줄여줍니다. 이 웨어러블 기기와 그 부품을 설계할 때는 굴곡, 운동학, 내구성을 고려해야 했습니다.

Csatari는 힌지 형상, 베어링 인터페이스 및 장착 구조 등 각 부품을 프린팅 전에 디지털로 모델링했습니다. 이렇게 한 덕분에 제조 전에 모션 거동과 구조적 관계를 구체화할 수 있었습니다.

Csatari가 SOLIDWORKS를 선호하는 이유는 다양합니다. "접근성이 높습니다. 오프라인으로도, 온라인으로도 작업할 수 있죠. 도구가 많고 다양해서, 이 작업에 제격인 것 같았습니다."

그는 감탄하며 이렇게 덧붙입니다. "상상한 그대로의 형태를 만들어낼 수 있는 [SOLIDWORKS의] 기능은 구상한 아이디어로 원하는 결과물을 가장 빠르게 구현하는 수단입니다."

컨셉에서 작동하는 시스템까지

Csatari는 SOLIDWORKS를 사용하여 외골격 개발의 설계 결정이 물리적인 방식이 아닌 디지털 방식으로 해석되는 체계적인 워크플로를 유지할 수 있었습니다. Csatari는 수많은 프로토타입을 반복 제작하는 대신 CAD 모델에서 구조적 컨셉, 움직임 경로, 구성 요소 간의 관계를 검증한 후 실제 제작에 착수했습니다.

Csatari는 이렇게 덧붙입니다. "SOLIDWORKS를 능숙하게 다루게 되었을 때 [외골격 로봇 프로젝트를] 시작했습니다. 10배 더 빠르고 10배 더 쉽게 설계할 수 있는 많은 기능을 발견했죠."

설계 프로세스 전반에 걸친 이러한 접근 방식 덕분에 재작업이 줄고 상호 작용하는 여러 메커니즘과 하위 시스템에서 시스템 복잡성을 관리할 수 있었습니다. 이 케이블 구동식 설계는 최종 기계 구조에 하드웨어를 과도하게 추가하지 않고도 제어된 움직임을 달성하는 과정에서 모델링을 통해 어떻게 의외의 해결책을 도출했는지를 특히 잘 보여줍니다.

워크플로 또한 개발 시간을 단축했습니다. Csatari는 SOLIDWORKS 덕분에 모델링하고 나면 전에는 부담스러웠던 설계를 빠르게 실행할 수 있다고 말합니다. 모델 자체는 실제 파트 생산 전에 지오메트리, 동작, 어셈블리 논리를 정의하는 프로젝트의 기반이 되었습니다.

디지털 설계의 기반

Csatari의 프로젝트는 설계 문제를 디지털 방식으로 미리 해결하면 실행 과정이 훨씬 예측 가능해진다는 사실을 보여줍니다. SOLIDWORKS는 제작이 시작되기 전에 제작자와 메이커들이 복잡한 기계 시스템을 정의하고 테스트해서 개선할 수 있도록 지원합니다.

SOLIDWORKS의 가상 프로토타입은 설계 대안을 빠르게 살펴보고, 좋은 아이디어와 나쁜 아이디어를 더 빨리 인식하여 혁신을 촉진할 수 있도록 지원합니다. 간섭 검사 및 충돌을 피하기 위한 모션 시뮬레이션과 같은 기능 덕분에 Csatari는 아이디어를 더 빠르고 효율적으로 실현할 수 있었습니다.

SOLIDWORKS는 첫 빌드 단계에서부터 아이디어를 실용적이고 매력적인 하드웨어로 구현할 가능성을 높여줄 수 있습니다.