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테슬라가 개발한 휴먼노이드 로봇 옵티머스(Tesla Optimus)는 단순히 외형이 인간을 닮은 수준을 넘어서, 정교한 움직임과 유연한 동작을 구현하기 위해 총 28개의 관절 제어 시스템을 갖추고 있습니다. 이번 글에서는 이 관절들이 어떻게 제어되고, 어떤 기술적 메커니즘으로 작동하는지를 상세히 분석해보겠습니다.
1. 옵티머스의 관절 분포 구조
옵티머스의 관절은 인간의 해부학적 움직임을 모사하기 위해 다음과 같은 방식으로 배치되어 있습니다:
- 양팔: 어깨, 팔꿈치, 손목 등 총 12개
- 양다리: 고관절, 무릎, 발목 등 총 12개
- 손가락 및 목: 약 4개 관절
이 구조는 인간의 주요 동작(걷기, 집기, 들어올리기, 회전 등)을 재현하는 데 최적화되어 있으며, 각 관절에는 전용 모터 + 센서 + 제어 보드가 결합되어 있습니다.
2. 관절 구동 시스템의 핵심 기술
① 액추에이터(Actuator)
옵티머스는 전기 모터 기반의 전기식 구동 시스템을 채택하고 있습니다. 모터는 회전력을 발생시키고, 기어 및 링크 메커니즘을 통해 관절을 회전 혹은 직선 운동으로 변환합니다.
- 브러시리스 DC 모터(Brushless DC Motor) 사용
- 모터 내 위치 피드백용 엔코더 내장
- 저소음, 고정밀 기어박스 적용
② 토크 제어(Force & Torque Control)
단순 위치 제어(PID)를 넘어서, 옵티머스는 토크 기반의 정밀 제어 방식을 적용합니다. 이를 통해 로봇은 외부 힘에 민감하게 반응하고, 유연한 상호작용이 가능합니다.
- 실시간 힘 감지 → 저항값 계산
- 장애물 감지 시 즉각적인 멈춤 또는 경로 변경
- 인간과의 물리적 상호작용에 안전성 제공
③ 임피던스 제어(Impedance Control)
임피던스 제어는 관절이 단단하게 고정된 상태와 유연하게 움직이는 상태 사이에서 동적인 물리 반응을 조절하는 기술입니다. 옵티머스는 이 방식을 통해 유연한 걷기, 균형 잡기, 물체 잡기 동작을 수행합니다.
3. 제어 시스템 구조
옵티머스의 관절 제어는 중앙 제어 유닛(FSD 컴퓨터)과 각 관절에 위치한 로컬 제어 모듈(MCU)이 함께 작동하는 분산 제어 방식으로 구성되어 있습니다.
- 중앙 제어: 고차원 행동 결정 및 경로 계획
- 로컬 제어: 모터 PWM 제어, 센서 피드백 수신 및 응답
- CAN 또는 EtherCAT 기반 통신 프로토콜 사용
4. 관절 움직임의 제어 알고리즘
관절의 움직임은 AI 기반 모션 플래너(Motion Planner)가 생성한 데이터를 기반으로 제어됩니다. 이 플래너는 강화학습으로 사전에 훈련된 모델이며, 실시간 상황에 따라 다음과 같은 방식으로 동작합니다:
- 위치 목표 → 속도 → 가속도 → 토크 → PWM 신호로 변환
- 실시간 센서 데이터로 PID 값 조정
- 넘어짐 방지 및 균형 유지 알고리즘 동시 작동
5. 인간형 동작 구현의 핵심: 동기화와 피드백
휴먼노이드 로봇에서 중요한 점은 여러 관절을 동기화해 자연스러운 움직임을 만들어내는 것입니다. 이를 위해 옵티머스는 다음과 같은 제어 전략을 사용합니다:
- 보행 시 상·하체 관절의 동기화 제어
- 손 동작은 시각 인식 기반 목표 좌표에 따라 조정
- 각 관절마다 실시간 위치·속도 피드백 수신 및 조정
맺음말
테슬라 옵티머스의 28개 관절 제어 시스템은 단순한 하드웨어 조합이 아닌, AI, 센서 융합, 실시간 제어, 메카트로닉스 기술이 복합적으로 적용된 정밀 구조입니다. 이 시스템 덕분에 옵티머스는 인간처럼 자연스럽게 걷고, 물건을 집고, 환경에 유연하게 반응할 수 있습니다. 향후에는 더 많은 자유도와 감각 피드백이 추가되어, 보다 정교하고 감성적인 로봇 상호작용이 가능해질 것으로 기대됩니다.