로봇 손 구동 방식 비교: 텐던·관절 직접 구동·연동 링크 방식의 자유도·무게·유지보수

휴머노이드가 실제 작업에 쓰이려면 결국 손이 물건을 다뤄야 합니다. 그런데 로봇 손의 사양표는 자유도, 무게, 힘 정도만 적혀 있어 같은 숫자로 보이는 손들이 사실은 전혀 다른 구조인 경우가 많습니다. 이 글은 구동 방식이 서로 다른 세 제품, 즉 텐던 구동의 Shadow Dexterous Hand, 관절 직접 구동의 Unitree Dex3-1, 관절 연동의 Inspire RH56DFX를 공식 사양으로 비교하고, 사양 값에서 구동 방식의 차이를 읽어 내는 계산 세 가지를 정리합니다.

세 가지 구동 방식의 구조

• 텐던(힘줄) 방식: 모터를 손 밖(대개 전완)에 두고, 줄로 손가락 관절을 당깁니다. 손 자체는 가볍고 작게 만들 수 있지만 줄의 장력과 마찰을 관리해야 합니다.
• 관절 직접 구동 방식: 각 관절 안이나 바로 옆에 모터를 넣습니다. 관절마다 힘과 위치를 따로 제어하기 쉽지만 모터가 손가락 크기와 무게를 정합니다.
• 연동(커플링) 방식: 구동기 하나가 링크 기구로 여러 관절을 함께 움직입니다. 구동기 수가 줄어 가볍고 단순하지만, 연동된 관절은 따로 움직일 수 없습니다.

실제 제품은 이 세 가지를 섞기도 합니다. 아래 표의 분류는 각 제조사가 공개한 구동 정보를 기준으로 했습니다.

공식 사양 비교

출처: Shadow Dexterous Hand, Unitree Dex3-1, Inspire RH56DFX. Shadow 페이지는 모터 위치를 명시하지 않고 텐던 구동이라고만 밝히며, Inspire 페이지는 구동기 종류를 적지 않았습니다. RH56DFX를 연동 방식으로 분류한 것은 자유도 6으로 관절 12개를 움직인다는 공개 값에서 추론한 것입니다.

계산 1: 관절 대 구동기 비율로 연동 정도를 본다

관절 수를 독립 구동기 수로 나누면 손이 얼마나 연동돼 있는지 대략 알 수 있습니다.

Shadow는 관절 24개를 모터 20개로 움직이므로 $c = 1.2$, Dex3-1은 7개 관절을 7개 모터로 움직이므로 $c = 1.0$, RH56DFX는 관절 12개를 6자유도로 움직이므로 $c = 2.0$입니다. 값이 1에 가까울수록 관절을 따로 제어할 수 있고, 2에 가까울수록 손가락 하나의 마디들이 함께 접히는 구조에 가깝습니다. 물건을 감싸 쥐는 작업은 연동 구조로도 충분한 경우가 많지만, 손가락 끝으로 물체를 돌리는 작업에는 독립 관절이 더 필요합니다.

계산 2: 구동 자유도당 무게

손 무게를 구동 자유도 수로 나누면 구동 자유도 하나에 드는 무게를 비교할 수 있습니다. Shadow는 4.3kg ÷ 20 ≈ 215g, Dex3-1은 710g ÷ 7 ≈ 101g, RH56DFX는 540g ÷ 6 = 90g입니다.

이 값만 보면 RH56DFX가 가장 효율적으로 보이지만, 해석할 때 두 가지를 함께 봐야 합니다. 첫째, Shadow는 센서를 100개 이상 넣은 연구용 손으로, 무게의 상당 부분이 센서와 배선에서 나옵니다. 둘째, 텐던 방식은 모터가 손 밖에 있을 수 있어 손 무게만으로는 팔 끝에 걸리는 실제 하중을 알 수 없습니다. 팔 가반하중을 계산할 때는 손 무게를 물체 무게에 더해야 하며, 그 방법은 휴머노이드 사양서 읽는 법의 어깨 토크 계산을 그대로 쓰면 됩니다.

계산 3: 관절 토크를 손끝 힘으로 바꾼다

손끝 힘이 공개되지 않은 손은 관절 토크와 손가락 길이로 어림할 수 있습니다. 관절 토크를 $\tau$, 관절에서 손끝까지 거리를 $L$이라 하면 손끝 힘은 다음과 같습니다.

Dex3-1이 공개한 회전 방향 실측 최대 토크 0.86N·m에 손가락 길이를 6cm로 가정하면 약 14N입니다. 손가락 길이는 설명을 위한 가정이며, 여러 관절이 함께 힘을 내는 실제 쥐기에서는 값이 달라집니다. 같은 페이지는 쥐기 하중을 지름 5cm의 단단한 둥근 물체 기준 500g으로 따로 밝히므로, 작업 설계에는 이렇게 조건이 붙은 공식 값을 우선 쓰는 편이 안전합니다.

유지보수에서 갈리는 지점

구동 방식은 운용 중 무엇을 점검해야 하는지도 바꿉니다. 아래는 구조에서 나오는 점검 항목이며, 제품별 교체 주기는 공개된 값이 없으므로 제조사에 확인해야 합니다.

1. 텐던 방식: 줄이 늘어나거나 마모되면 같은 모터 회전에도 손가락 위치가 달라집니다. Shadow가 텐던 하중 센서 40개를 넣은 것도 줄 장력을 계속 확인하기 위한 구조로 볼 수 있습니다. 장력 보정 절차와 줄 교체 방법을 도입 전에 확인합니다.
2. 관절 직접 구동 방식: 모터가 손가락 안에 있어 발열과 충격이 모터로 바로 전달됩니다. 손가락 단위 교체가 가능한지, 교체 후 보정이 필요한지 확인합니다.
3. 연동 방식: 구동기 수가 적어 고장 지점은 줄지만 링크 기구의 마모가 여러 관절에 함께 영향을 줍니다. RH56DFX처럼 전원 차단 시 자세를 유지하는 손은 정전 시 물체를 떨어뜨리지 않는 대신, 걸린 물체를 빼낼 때의 절차가 필요할 수 있습니다.

학습 정책 관점에서 본 구동 방식

손의 구조는 학습 정책이 내야 할 행동 공간의 크기도 정합니다. 독립 구동기 하나는 정책이 매 제어 주기마다 예측해야 할 출력 차원 하나이므로, 6자유도 연동 손은 구동 자유도 20개인 텐던 손보다 행동 공간이 훨씬 작습니다. 행동 공간이 작으면 보통 쥐기 동작을 배우는 데 시연 데이터가 덜 들고, 크면 연동 손으로는 할 수 없는 손안 조작까지 시도할 여지가 생깁니다. 센서도 같은 방식으로 따져야 합니다. Figure Helix 구조 정리에서 본 손바닥 카메라와 손끝 촉각 입력은 손이 그 신호를 정책이 쓸 수 있는 주기로 내보낼 때만 의미가 있습니다. 학습 프로젝트용 손을 고를 때는 무게와 힘 옆에 행동 차원 수와 센서 채널 수를 함께 적어 두는 것이 좋습니다.

작업별로 먼저 검토할 방식

구동기와 감속기 자체의 차이는 휴머노이드 액추에이터 비교에서 이어서 볼 수 있습니다.