인간형 로봇 시대, 힘/토크 센싱의 핵심 역할

인간형 로봇과 체화 지능(embodied intelligence¹) 기술의 산업 현장에서 본격 도입 단계로 빠르게 나아가면서, 고성능 힘/토크 센싱은 유연한 제어, 정밀한 조작, 복잡한 지형에서의 강건한 이동성을 가능하게 하는 핵심 역할을 합니다.

6축 힘 센서는 안전하고 적응적인 인간-로봇 상호작용을 위해 필수적인 구성 요소가 되었습니다.

2024년 이후, Haptron Scientific과 Bright Laser Technologies (BLT)는 종합적인 센서 제품군 개발을 위해 협력해왔습니다. BLT의 금속 3D 프린팅 기술을 활용함으로써, Haptron Scientific은 기존 제조 한계를 뛰어넘어 부품 수를 줄이고 조립을 단순화한 복잡한 소형화 설계를 가능하게 했습니다. 이러한 혁신은 확장 가능한 생산을 지원하면서 정밀하고, 내구성이 뛰어나며, 경량의 힘 센서를 차세대 인간형 로봇에 제공하여 더욱 안전하고, 손재주가 뛰어나며, 다재다능한 로봇 플랫폼을 구현합니다.

힘/토크 센서란?

로봇 손이 물체를 다룰 때는 얼마나 세게 누르고, 얼마나 비트는 힘이 걸리는지를 정확히 알아야 합니다.힘/토크 센서는 손가락과 손목에서 발생하는 미세한 힘과 회전력을 동시에 측정해 섬세한 제어를 가능하게 합니다. 예를 들어 달걀을 집을 때 센서가 힘 분포를 감지해, 깨지지 않도록 압력을 조절할 수 있습니다. 이 덕분에 로봇은 사람처럼 안전하고 정밀한 조작을 수행할 수 있습니다.

Photon Finger: 세계에서 가장 작은 6축 힘/토크 센서

인간형 로봇의 손가락 관절은 소형화와 고성능뿐만 아니라, 원활한 통합을 위해 정교하게 설계된 센서를 필요로 합니다. 전통적인 가공 방식은 고비용, 긴 리드타임, 낮은 수율과 같은 한계를 가지고 있습니다. 이를 해결하기 위해, Haptron Scientific은 자사 독자적인 광학 다중 모달 센싱 기술을 기반으로 세계에서 가장 작은 6축 힘 센서 Photon Finger를 개발했습니다.

BLT의 PBF-LB/M BLT-A100 장비와 고성능 18Ni350 머레이징 강 분말을 활용했습니다. Photon Finger는 일체형 금속 3D 프린팅으로 구조적 최적화를 달성했습니다. 이를 통해 손가락 관절 통합에 적합한 소형 설계를 구현했습니다. 그리고 15~30개의 센서를 20분 만에 동시 제작할 수 있는 배치 생산 주기²를 확보했습니다. 성능 면에서도 힘 측정 범위와 과부하 허용치가 50~250% 개선되었습니다. 또한, 향상된 신호 무결성, 낮은 전력 소모, 빠른 통신 성능을 제공하여 시스템 통합 및 반복 개발에 적합합니다.

현재 Photon Finger는 소형 힘/토크 센싱의 산업 표준으로 자리매김하며, 로봇의 정밀한 그립 제어, 재질 탄성 감지, 섬세한 조작 작업에 필요한 고급 기능을 제공합니다.

PhotonR40: 업계 최초의 중심 관통형 구조를 가진 손목 6축 센서

2024년 12월, Haptron Scientific은 인간형 로봇 손목부에 최적화된 중심 관통형 구조의 고성능 6축 힘 센서 PhotonR40을 출시했습니다.

BLT는 센서 핵심 구조의 대량 생산을 지원하면서 경량화 소재를 적용하여 무게를 20~30% 줄이고 성능을 향상시켰습니다. 이는 로봇의 안정성과 균형 유지에 기여합니다. 또한 BLT의 금속 3D 프린팅 기술로 복잡한 내부 형상을 일체형으로 제작함으로써 조립 난이도를 낮추고 생산 효율을 크게 향상시켰습니다.

로봇 발목 관절 센서: 고강도, 동적 응용을 위한 설계

발목 관절용 6축 힘 센서는 걷기, 서기, 인간과 유사한 동작 수행 시 힘과 모멘트를 측정하는 핵심 부품입니다. 이 센서는 뛰어난 강도, 높은 과부하 허용 능력, 장기 신뢰성이 요구됩니다. Haptron Scientific은 BLT의 첨단 금속 3D 프린팅 기술과 고강도, 경제적인 강철 소재를 활용하여 성능을 대폭 향상시켰습니다.

그 결과, 8000N / 500N·m의 하중 용량, 2400 MPa의 항복 강도, 300% 향상된 과부하 용량을 달성하여, 변형 저항성과 전체 신뢰성이 크게 강화되었습니다.

최신 성과 – Photon Finger Max: 산업용 확장을 위한 700N 하중 용량

차세대 광학 기반 다축 힘 센서는 직경 9.5 mm의 소형 폼팩터로 설계되어, 로봇 손끝이나 엔드이펙터에 원활하게 통합될 수 있습니다. BLT의 고해상도 BLT-A160 PBF-LB/M 장비와 18Ni300 마레이징 강 분말을 활용하여 탄성 구조를 위상 최적화(topology optimization)³한 결과, 기계적 성능이 향상되어 기존 대비 23배 증가한 최대 700N 하중 용량을 달성했습니다.

이 센서는 고주파·고하중 테스트를 통과했으며, 정밀화된 조립 인터페이스를 통해 시스템 통합을 단순화하고 반복 개발 속도를 높였습니다. 확장된 측정 범위는 더 다양한 산업 응용 시나리오에 대응할 수 있게 합니다.

결론: 금속 적층제조(AM)의 산업적 확장성

• 이번 협업 전반에서 금속 적층제조는 매우 유연하고 산업적으로 확장 가능한 기술임이 입증되었습니다.
• 내부 채널과 정밀한 디테일을 포함한 복잡한 형상 제작 가능
• 생산 주기 단축과 대량 생산 효율성 개선
• 일관된 성능과 반복 가능한 기계적 특성 확보
• 소재 낭비 절감과 가공 공정 단순화로 전반적인 비용 효율 향상

이러한 장점들은 AM을 로봇 산업의 시제품 제작부터 양산 단계까지 강력한 도구로 자리매김하게 합니다. 앞으로도 BLT와 Haptron Scientific은 로봇공학, 적층제조, 신소재 분야에서 최첨단 응용을 탐구하며 더 스마트하고 자율적인 제조로의 전환을 가속화할 것입니다.

원문 보기(xa-blt.com)

Footnote

1. Embodied Intelligence : 몸과 환경 속에서 구현되고 학습되는 지능 ↩︎
2. 배치 생산 주기 : 배치(batch)는 한 번에 묶어서 생산하는 단위(로트, Lot)를 말합니다. 배치 생산 주기(cycle)는 한 배치를 시작해서 끝내기까지 걸리는 시간, 즉 한 번의 생산 라운드를 마치는 데 소요되는 시간을 뜻합니다. ↩︎
3. 탄성 구조 위상최적화 : 힘을 받았을 때 잘 변형되면서도 견고한 구조를 만들기 위해, 수학적 최적화 기법을 적용해 재료 분포를 설계하는 과정입니다. ↩︎

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