1,000달러 이하 4족 로봇 CARA 2.0 제작기, 싸게 만들수록 디버깅은 비싸진다

목표는 ‘연구실 장비’보다 ‘만들 수 있는 로봇’에 가까움

• CARA 2.0은 저자가 대학 졸업 설계 프로젝트로 만든 4족 로봇임

  • 목표는 취미 개발자와 연구자가 접근할 수 있는 저비용, 저중량, 내구성 있는 쿼드러펫
  • 구체적인 타깃은 1,000달러 미만, 20파운드 미만
  • 저자는 고등학교 때부터 4족 로봇에 꽂혀 있었고, 이전 버전 CARA를 만든 뒤 다시 업그레이드한 케이스

• 이 프로젝트의 출발점 중 하나는 캡스턴 드라이브였음

  • 저자는 2024년 5월 31일 로프를 이용한 고정밀 감속기 영상을 올렸고, 그 영상이 바이럴되면서 “캡스턴 guy”가 됐다고 함
  • 이후 CARA 1.0에 캡스턴 드라이브를 적용했고, CARA 2.0은 그 경험을 더 밀어붙인 버전

드론용 모터를 로봇 관절용으로 다시 만들다시피 함

• 사용한 TYI 모터의 문제는 KV가 너무 높다는 점이었음

  • KV가 높다는 건 대체로 속도는 잘 나오지만, 암페어당 토크를 뜻하는 Kt가 낮다는 얘기
  • 로봇 관절에는 높은 토크가 필요하지만, QDD 액추에이터는 큰 감속비를 쓰기 어렵기 때문에 모터 자체를 바꾸기로 함

• 해결책은 모터 리와인딩이었음. 말 그대로 권선을 다시 감음

  • 기존 모터는 델타 결선에 22 AWG 자석선 1가닥, 슬롯당 22턴 구조였음
  • 목표는 335KV를 약 100KV 수준으로 낮춰 고토크 액추에이터에 맞추는 것
  • 델타 결선은 같은 권선의 스타 결선보다 KV가 √3배 높기 때문에, 더 낮은 속도와 높은 토크를 위해 스타 결선을 선택함
  • 여러 선 굵기와 가닥 수를 모의 스테이터에서 테스트한 끝에 24 AWG 단일 가닥이 가장 적절하다고 판단함

싼 모터 컨트롤러는 싸게 끝나지 않았음

• XDrive Mini는 저렴하고 강력한 FOC 컨트롤러지만, 지원과 문서에서 비용을 내는 구조였음

  • ODrive S1에 150달러를 내는 건 하드웨어뿐 아니라 UI, 문서, 지속 지원에도 돈을 내는 거라고 저자는 말함
  • XDrive Mini는 ODrive 3.6을 닮은 단일 축 클론 보드에 가까움

• 가장 큰 문제는 통신이었음

  • UART는 잘 동작했지만 CAN bus가 제대로 안 됨
  • Teensy 4.1에는 UART 포트가 8개뿐이라 12개 모터를 제어해야 하는 4족 로봇에는 부족함
  • CAN bus는 로봇처럼 자유도가 높은 시스템에서 훨씬 적합한 통신 방식임

• 기본 제조사 펌웨어 0.5.1은 명령은 보낼 수 있었지만 엔코더와 전류 피드백을 제대로 주지 못했음

  • 이 피드백은 빠르고 동적인 로봇에 필수임
  • ODrive 오픈소스 펌웨어는 피드백은 줬지만 통신이 불안정했음
  • 어떤 때는 1분, 어떤 때는 1시간, 어떤 때는 30초 만에 모터 연결이 끊기는 식이라 디버깅이 더 괴로웠다고 함

• 결국 다른 개발자의 커스텀 펌웨어가 돌파구가 됨

  • Mohammad Marshid가 만든 XDrive 0.5.1 기반 펌웨어는 엔코더 피드백을 보낼 수 있었음
  • 저자가 전류 피드백도 추가해달라고 요청했고, Mohammad가 구현해줌
  • 최종적으로 안정적인 통신과 모터 피드백을 확보했지만, 결론은 이 보드가 사실상 네이티브 펌웨어에 묶여 있다는 것

단일 관절 테스트에서 숫자가 꽤 잘 나옴

• 모터 리와인딩과 컨트롤러 통신을 해결한 뒤 단일 캡스턴 드라이브 관절을 만들었음

  • 작은 드럼이 장력 걸린 로프를 통해 큰 드럼을 돌리는 구조
  • 무게는 470g, 감속비는 9.6:1
  • 피크 토크는 12Nm, 가동 범위는 120도
  • 단일 조인트 제작 비용은 약 80달러

• 캡스턴 드라이브에서 정확한 감속비를 설계식만으로 맞추려는 건 별로 의미 없다고 함

  • 목표 감속비를 정하고, 대략적인 유효 드럼 지름을 계산한 뒤 실제로 측정해서 조정하는 방식이 낫다는 결론
  • 로프는 Dyneema DM20을 사용했고, 구체적으로 1mm Mastrant-M Rope를 썼음
  • 이 로프는 이중 브레이드, 내마모성, 100kg 강도, 30kg 작업 하중을 가짐
  • 설치 전 로프를 미리 늘려 슬랙을 줄이는 공정도 추가함

다리 설계는 기구학과 조립성의 타협임

• CARA 2.0의 다리는 동축 5-bar 링크 구조를 사용함

  • 일반적인 4족 로봇 다리보다 링크에 걸리는 부하를 줄일 수 있다고 봄
  • 캡스턴 드라이브와 잘 맞고, 3자유도 다리를 가장 컴팩트하게 만들 수 있는 방식이라고 판단함

• CARA 1.0에서 불편했던 조립성을 줄이려 했음

  • 미러링 부품이 많으면 조립할 때 헷갈려서, 이번에는 각 다리를 동일하게 만들려 했음
  • 나사 수와 불필요한 보강도 줄임
  • 나사는 비용, 무게, 조립 시간을 모두 늘리는 요소라 “4개 필요한가, 2개면 되나”를 계속 따졌다고 함
  • 더 얇은 베어링을 써서 무게도 줄였고, 단일 다리 무게는 1.47kg이 됨

• 링크 비율도 감으로 정하지 않고 MATLAB 시뮬레이션으로 봄

  • CARA 1.0은 1:2 비율을 그냥 사용했지만, 이번에는 팀원이 이상적인 비율을 분석함
  • 1:1 비율이 가장 큰 가동 범위를 줬지만 모양이 어색해서, 최종적으로 2:3 비율을 선택함
  • 발은 TPU 대신 더블 옐로 도트 스쿼시공을 사용함
  • 스쿼시공은 MIT Mini Cheetah와 Stanley 같은 고성능 4족 로봇에도 쓰였고, 컴플라이언스와 접지력이 좋음

전체 로봇은 훨씬 가벼워졌고 배선도 단순해짐

• CARA 1.0의 전자부품은 앞뒤로 나뉘어 있어 배선이 길고 복잡했음

  • CARA 2.0은 전자 박스를 로봇 위쪽에 올려 배선을 훨씬 쉽게 만듦
  • 배터리도 중앙에 둘 수 있어 무게 균형이 좋아짐

• 프레임은 탄소섬유 튜브 대신 3D 프린팅 구조로 바꿈

  • CARA 1.0의 탄소섬유 튜브는 잘 동작했지만 비쌌음
  • 비용 제약 때문에 PLA 출력 구조를 설계했고, Bambu Lab A1과 X1C로 출력함
  • CARA 1.0은 31.41파운드, 630.55 × 456.81 × 427.51mm였음
  • CARA 2.0은 18.2파운드, 521 × 353 × 425mm로 줄어듦

• CAN bus 배선도 프로젝트 중 제대로 배웠다고 함

  • CAN 장치는 이름 그대로 버스 구조로 연결해야 함
  • 양 끝에는 CAN H와 CAN L 사이에 120Ω 저항을 넣어야 하고, 전체적으로 60Ω이 만들어짐
  • 이전 프로젝트에서는 버스 구조도, 종단 저항도 제대로 안 했지만 문제를 못 봤다고 함
  • 그래도 로봇은 알 수 없는 문제가 많은 분야라 실패 지점을 줄이는 게 중요하다고 정리함

보행은 됐지만, 대칭성을 얕보면 바로 티가 남

• CARA 2.0은 대각선 다리가 동시에 움직이는 트로팅 보행을 사용함

  • 항상 최소 2개 다리가 바닥에 닿아 안정성을 유지하는 방식
  • 보행은 pre-loop, loop, continuous loop, post-loop 구간으로 나뉨
  • 발 궤적은 CARA 1.0 실험에서 가장 자연스러웠던 cycloid를 선택함

• 초기 보행 테스트에서 로봇이 직진하려고 하면 계속 왼쪽으로 틀어지는 문제가 생김

  • 양쪽 다리의 보폭을 다르게 해도 해결되지 않았음
  • 원인은 조립 편의를 위해 모든 다리를 동일하게 만든 결정이었음
  • 동일한 다리를 좌우에 쓰면 실제로는 좌우 대칭이 아니라, 발이 약간 기울어진 방향이 양쪽에서 불균형을 만듦

• 최종 해결책은 앞뒤, 좌우 다리를 대칭 구조로 다시 설계하는 것이었음

  • 강화학습으로 비대칭 다리를 가진 로봇도 직진하게 훈련할 수는 있음
  • 디즈니의 올라프 로봇이 그런 사례라고 언급됨
  • 하지만 저자는 공간 제약 같은 이유가 없다면 처음부터 균형 잡힌 기구 설계를 하는 게 낫다고 봄

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기술 맥락

• CARA 2.0의 핵심 선택은 비싼 상용 액추에이터를 사는 대신 모터, 감속기, 컨트롤러를 직접 맞춰 저비용 관절을 만드는 거예요. 이유는 전체 로봇을 1,000달러 미만과 20파운드 미만으로 맞추려면 관절 하나하나의 비용과 무게가 바로 전체 설계를 압박하기 때문이에요.

• 모터를 다시 감은 것도 같은 맥락이에요. 드론용 고KV 모터는 빠르게 도는 데 유리하지만, 4족 로봇 관절은 낮은 속도에서 강한 토크가 필요하거든요. 그래서 스타 결선과 더 많은 권선으로 KV를 낮추고 토크 특성을 바꾼 거예요.

• CAN bus 문제는 로봇에서 통신 설계가 왜 중요한지 잘 보여줘요. 12개 모터를 UART로 각각 물리면 포트 수부터 막히지만, CAN bus는 여러 장치를 하나의 버스에 묶을 수 있어요. 대신 종단 저항, 피드백 메시지, 펌웨어 안정성이 제대로 맞아야 실제 보행 제어가 가능해요.

• 기구 설계에서는 조립 편의와 좌우 대칭성이 충돌했어요. 모든 다리를 동일하게 만들면 제작은 쉬워지지만, 발 방향의 작은 비대칭이 보행 편향으로 바로 나타났거든요. 로봇에서는 소프트웨어로 보정할 수 있는 문제라도, 기구적으로 균형 있게 만드는 게 디버깅 비용을 크게 줄여요.