본 연구에서는 부드럽게 움직이는 공압식 오리가미 챔버와, 회전축이 고정된 단단한 프레임을 결합해 새로운 형태의 하이브리드 공압 관절을 개발했다. 이 하이브리드 관절은 기존의 팽창식 공압 관절이 지나치게 유연해 제어가 어렵던 문제를 개선해, 적절한 강성과 넓은 움직임 범위, 그리고 높은 토크와 제어 정확도를 동시에 확보할 수 있었다. 개발된 기술은 실제로 미터(m) 단위 크기의 로봇 매니퓰레이터로 확장되어, 무게가 있는 과일과 같은 물체를 안정적으로 들어 옮기는 작업도 성공적으로 수행했다.

이번 연구의 핵심은, 기존 공압 관절의 단점인 **과도한 컴플라이언스(쉽게 휘는 특성)**와 제어의 어려움을 해결한 것이다. 이를 위해 연구팀은 오리가미 구조의 공압 챔버를 사용했다. 오리가미 구조는 움직임을 예측하기 쉬우며, 챔버가 압력에 의해 쉽게 찌그러지지 않도록 **면 보강 구조(facet reinforcement)**를 넣었고, 내부에는 **과도한 팽창을 막는 장치(internal constraint)**도 함께 적용했다. 덕분에 이 챔버는 **양압(공기 주입)**과 음압(공기 흡입) 어느 쪽에서도 형태가 무너지지 않고 안정적으로 작동할 수 있다.

또한 오리가미 챔버는 단단한 프레임과 결합되기 때문에, 일반적으로 사용하는 **회전 센서(로터리 엔코더, 포텐시오미터 등)**도 함께 사용할 수 있는 장점이 있다. 챔버는 타포린이라는 기능성 직물로 만들어졌으며, 3D 프린터로 제작한 프레임과 결합해 하나의 하이브리드 관절을 완성했다.

이 관절은 하나의 챔버에 양압과 음압을 번갈아 가며 넣을 수 있어, 한 쪽 방향뿐 아니라 양방향으로도 움직일 수 있는 점이 특징이다. 더 나아가, 두 개의 오리가미 챔버를 서로 마주보게 설치하면, **서로 반대 방향으로 작용하는 힘(antagonistic driving)**을 만들어 낼 수 있다. 이 방식은 두 챔버에 서로 반대되는 압력을 주는 것으로, 같은 압력 조건에서도 기존보다 2배 더 큰 토크를 만들어낼 수 있다.

마지막으로, 이렇게 개발된 하이브리드 관절을 이용해 **3개의 자유도를 가진 하이브리드 매니퓰레이터(로봇 팔)**를 구성했다. 이 매니퓰레이터는 무게가 실린 상태에서도 넓게 움직일 수 있었고, 외부에서 충격이 가해져도 정상적으로 작동했다. 부드러우면서도 강한, 소프트 로봇과 하드 로봇의 장점이 잘 융합된 결과였다. 실제로도 1kg 이상의 과일을 사람에게서 받아 바구니에 놓는 작업을 반복적으로 수행할 수 있었으며, 이는 이 기술이 일상생활에도 충분히 활용될 수 있음을 보여주는 사례였다.

※ 논문명: Hybrid Hard-Soft Robotic Joint and Robotic Arm Based on Pneumatic Origami Chambers

※ 학술지: IEEE/ASME Transactions on Mechatronics

※ 논문링크: https://doi.org/10.1109/TMECH.2024.3411629

※ 연구포털(Pure): https://pure.skku.edu/en/persons/hugo-rodrigue