휴머노이드 얼굴의 눈동자 움직임 구조 설계: 2축 김벌(Gimbal)과 30°~40° 회전 범위 기준

사람이 로봇 얼굴을 마주할 때, 눈동자의 움직임이 가장 먼저 신뢰와 감정을 결정합니다.
저희 팀은 수많은 프로토타입을 제작하면서, 눈동자가 매끄럽게 움직이고 멈출 때 미세한 떨림조차 없다면 상호작용의 몰입도가 극적으로 상승하는 것을 경험했습니다.

 

이 글은 휴머노이드 로봇의 눈동자(시선) 모듈을 2축 김벌 구조로 설계할 때, 실제 제작자가 필수적으로 알아야 할 수치 기준, 작동 프로파일, 그리고 실패를 방지하는 실전 체크리스트를 상세하게 정리한 가이드입니다.

휴머노이드 얼굴의 눈동자 움직임 구조 설계: 2축 김벌(Gimbal)과 30°~40° 회전 범위 기준

핵심 요약 및 설계 기준

• 가장 안정적이고 흔히 사용되는 눈동자 시선 구조는 2축(좌/우, 상/하) 김벌(Gimbal) 구조입니다.
• 자연스러운 시선을 구현하기 위한 회전 범위는 설계 목표로 좌/우 30°에서 40° 사이를 권장합니다.
• 자연스러움은 단순히 '몇 도 회전'이 아니라, 가감속(모션 프로파일)의 부드러움, 기구의 정렬 상태, 그리고 유격(백래시)의 최소화에서 판가름 납니다.

1) 눈동자 모듈에 요구되는 5가지 핵심 성능

휴머노이드 얼굴에서 눈동자 모듈은 일반적인 산업용 로봇과는 차원이 다른 정밀함과 감성적 성능을 요구합니다. 저희가 프로젝트 초기에 가장 중요하게 판단했던 5가지 성능 기준은 다음과 같습니다.

• 정지 안정성 (Zero-Jitter)
  시선이 목표 지점에서 멈춘 후에 미세한 떨림이 남지 않아야 합니다. 이 떨림은 사용자에게 '불안정하고 신경질적인 시선'으로 인식되기 쉽습니다.
• 극저소음 (Whisper-Quiet)
  로봇 얼굴은 사용자와 20~30cm의 초근접 거리에서 대화하는 경우가 많습니다. 작은 기어 맞물림 소리나 모터 구동음도 크게 체감되므로, 최대한 저소음 구동이 필수입니다.
• 부드러운 가감속 (Soft Motion Profile)
  '0에서 100'으로 속도가 뚝 끊기면 누가 봐도 기계적인 움직임으로 느껴집니다. 모션 시작과 정지 시에 완만한 곡선(S-커브 등) 형태의 가감속 프로파일을 적용해야 자연스러운 생명체처럼 보입니다.
• 유격 최소화 (Minimal Backlash)
  기어 박스 등의 유격(백래시)은 시선이 멈췄을 때 발생하는 '흔들리는 느낌'의 주요 원인입니다. 정지 시의 안정성을 위해 가장 집요하게 줄여야 하는 부분입니다.
• 정렬 반복성 (Alignment Repeatability)
  같은 지점(예: 사용자의 눈)을 바라보라고 명령했을 때, 매번 오차 없이 동일한 각도로 복귀해야 합니다. 정렬 반복성이 높을수록 로봇의 신뢰도가 올라갑니다.

2) 2축 김벌(Gimbal) 구조의 실전 설계 포인트

저희가 채택하고 가장 안정적이라고 판단한 2축 김벌 구조의 핵심과 설계 시 주의점입니다.

• 기본 구성
  • 1축 (Yaw): 주로 눈동자의 좌/우 회전을 담당합니다.
  • 2축 (Pitch): 주로 눈동자의 상/하 회전을 담당합니다.
  • 눈알 부품: 구형 또는 렌즈와 유사한 형태로, 두 회전 축의 교차점(Gimbal Center) 근처에 정확히 위치해야 합니다.
• 가장 중요한 설계 포인트
  • 회전 중심의 일치: 1축과 2축의 회전 중심이 서로 정확히 일치하지 않고 어긋나면, 시선이 이동할 때 '눈이 궤도를 벗어나 튀어나오는 느낌'을 주게 됩니다.
  • 눈알 중심과 회전 중심의 거리: 물리적으로 가능할 경우, 눈알 부품의 중심과 실제 기구의 회전 중심을 최대한 가깝게 맞추는 것이 시선 이동의 부자연스러움을 줄이는 핵심입니다.

3) 자연스러운 회전 범위 (30°~40°) 결정 기준

인간의 눈 움직임 패턴과 기구적 간섭을 고려하여, 저희가 수많은 테스트를 통해 얻은 안정적인 회전 범위 목표 예시는 다음과 같습니다.

• 권장 목표 범위
  • 좌/우 (Yaw): 약 30° ~ 40°
  • 상/하 (Pitch): 약 20° ~ 30°
• 왜 이 범위가 자주 쓰이나요 (실전적 이유)
  • 간섭 방지: 회전 각도가 너무 커지면 눈알과 눈꺼풀(Eye Lid) 또는 주변 하우징에 기구적인 간섭이 생기기 매우 쉽습니다.
  • 부자연스러움 방지: 너무 큰 각도는 로봇의 흰자(Sclera) 노출을 과도하게 만들어 부자연스럽고 심지어 무서운 인상을 줄 수 있습니다.
  • 상호작용의 균형: 범위를 욕심내기보다, 주어진 범위 내에서 품질을 높이는 것이 승리 전략입니다.

4) '사람처럼' 보이는 가감속(모션 프로파일) 3요소

실제 설계에서 시선의 자연스러움은 '목표 각도'보다 '어떻게 그 각도로 가는지'가 훨씬 중요합니다. 같은 30° 이동이라도 모션 프로파일에 따라 체감 품질이 하늘과 땅 차이입니다.

• 속도 (Velocity): 너무 빠르면 눈이 튕기는 듯한 느낌을 주고, 너무 느리면 무기력해 보입니다.
• 가속도 (Acceleration): 특히 모션의 시작(Start)이 급격하면 로봇 같아 보입니다. S-커브(S-curve) 형태와 같이 완만하게 시작하고 끝나는 가속도 프로파일이 생명력을 불어넣습니다.
• 정지 제동 (Deceleration & Stop): 멈출 때 목표 지점을 넘어갔다가 돌아오는 오버슈트(Overshoot) 현상이 있다면 시선이 불안정해 보입니다. 정교한 제동 제어를 통해 정확하고 깔끔하게 멈춰야 합니다.

5) 실패 사례 3가지와 개선 방향

수많은 시제품 제작 과정에서 저희가 겪었던 주요 문제와 그 해결책을 공유합니다.

실패 1) 멈춘 뒤 미세 떨림 (시선 불안정)

• 원인: 기구적 유격(백래시)이 예상보다 컸음. 축 정렬 불량. 제어 이득(Gain)의 과도한 설정.
• 실제 개선 방향: 유격을 웜 기어나 하모닉 드라이브 등 백래시 최소화 구조로 전환 + 기구 정렬 기준을 설계 단계부터 엄격히 고정 + 제어값을 튜닝하여 과한 보정을 줄여 떨림을 억제했습니다.

실패 2) 시선 이동이 “각진” 느낌 (기계적인 움직임)

• 원인: 급가속/급정지를 포함하는 서보 모터 제어 명령. 위치 명령이 '스텝 형태'로 주어짐.
• 실제 개선 방향: 모션 제어기에 S-커브(S-curve) 프로파일을 의무적으로 적용하도록 변경했습니다. 이는 궤적 계획(Trajectory Planning) 단계에서 속도/가속도의 변화를 부드럽게 만드는 가장 확실한 방법입니다.

실패 3) 끝 각도에서 간섭 발생 (눈꺼풀/하우징 충돌)

• 원인: 눈꺼풀(Eye Lid) 모듈과 눈동자 모듈의 동시 설계 미흡. 초기 회전 범위를 너무 크게 잡았으나 기구적 여유 공간이 부족했음.
• 실제 개선 방향: 회전 범위를 좌/우 30°~40°로 재설정하여 안전 마진을 확보 + 하우징 형상을 간섭이 예상되는 구간에서 곡선 형태로 수정하고, 해당 구간에 도달하기 전에 소프트웨어 리미트를 걸었습니다.

6) 실전 설계 체크리스트 (로봇 개발자용)

저희 팀이 매번 프로토타입을 점검할 때 사용하는 핵심 체크리스트입니다.

• [ ] 기하학적 정렬: 좌/우 축과 상/하 축의 회전 중심이 정확히 교차하도록 배치되었는지.
• [ ] 궤도 어색함 방지: 눈알 중심과 기구의 회전 중심이 너무 멀리 떨어져 있지 않은지.
• [ ] 범위 및 간섭: 좌/우 30°~40°, 상/하 20°~30° 목표 범위가 기구적으로 안정적이며, 끝 각도에서 눈꺼풀/하우징 간섭이 없는지 확인했는지.
• [ ] 정지 품질: 유격(백래시)으로 인한 정지 후 흔들림이 완벽히 제거되었는지.
• [ ] 모션 품질: S-커브와 같은 가감속 프로파일을 적용하여 급정지가 없는지.
• [ ] 환경 테스트: 근거리(20~30cm)에서 모터 소음이 체감되지 않는지.
• [ ] 전력 안정성: 동시 구동(눈동자+눈꺼풀) 시 전압 강하 또는 모터 떨림 현상이 없는지.

7) 관련 글 (전문성 확장)

• 휴머노이드 얼굴 구조의 기본 원리
• 휴머노이드 얼굴 구현용 서보모터·BLDC 모터 선택 기준
• 휴머노이드 얼굴의 눈꺼풀 모듈 설계 가이드
• 휴머노이드 얼굴의 눈 감정 표현 디자인
• 휴머노이드 얼굴의 반응 지연 UX 문제

8) 결론

휴머노이드 눈동자 모듈 설계는 단순히 움직이는 기능을 넘어 '생명력'을 불어넣는 작업입니다. 2축 김벌 구조로도 충분히 고품질의 시선을 구현할 수 있으며, 핵심은 각도의 크기보다는 품질 관리에 있습니다.

저희의 경험을 바탕으로, 초기 설계 단계에서는 좌/우 30°~40°를 안정적으로 구현하는 것을 목표로 잡고, 가감속 프로파일의 정교함, 축의 정렬, 유격(백래시)의 최소화에 집중하는 것이 가장 빠르고 확실하게 성공하는 길임을 강조합니다. 시선은 작은 오차도 사용자에게 큰 티로 다가오기 때문입니다.

Q&A

Q1) 왜 눈동자 시선 모듈은 2축이 가장 보편적인 기본 구조인가요?

• 좌/우(Yaw)와 상/하(Pitch) 두 축만으로도 사람의 시선 정보는 충분히 전달됩니다.
• 3축 구조를 도입하면 공간적 제약, 기구 복잡도, 유격 관리 난이도, 소음, 그리고 정비 난이도가 비용 대비 효용성이 낮게 급격히 상승하게 됩니다. 실용성과 안정성 면에서 2축이 가장 균형 잡힌 선택입니다.

Q2) 시선이 멈췄을 때 흔들리는 느낌은 주로 어디서 오는 것인가요?

• 이 문제는 거의 90% 이상이 기계적인 유격(백래시)과 축 정렬 문제에서 기인합니다.
• 또한, 제어 이득(Gain)이 과도하게 높게 설정되어 목표 지점 근처에서 과도한 보정을 시도할 때 전자적인 떨림(헌팅)이 증폭될 수도 있습니다.

Q3) 회전 범위를 크게(예: 50° 이상) 잡으면 더 풍부한 감정 표현이 가능하지 않나요?

• 이론적으로는 그렇지만, 실전에서는 부자연스러운 결과를 낳기 쉽습니다.
• 큰 각도는 눈꺼풀 간섭을 피하기 어렵고, 흰자가 과도하게 노출되어 놀라움, 불안함, 심지어 공포감을 유발하는 부자연스러운 인상을 줄 수 있습니다.
• 따라서 좌/우 30°~40° 내에서 정교하고 안정적으로 시선을 구현한 뒤, 눈꺼풀 모듈이나 머리 움직임(Neck Yaw)을 연동하여 보조적인 시선 확장을 꾀하는 것이 더 자연스럽습니다.

Q4) 기계적인 움직임(로봇 느낌)을 줄이려면 소프트웨어적으로 무엇이 가장 효과적인가요?

• 단연코 가감속 프로파일(S-curve)입니다.
• 가속도와 감속도를 0에서 시작하여 완만하게 증가/감소시키는 S-커브를 적용하면, 같은 각도 이동이라도 시작과 멈춤이 부드러워져 사용자가 체감하는 품질이 크게 개선됩니다.

Q5) 최소한의 테스트로 설계 품질을 검증하려면 어떤 항목을 추천하시나요?

• 가장 먼저 추천하는 테스트는 근거리(20~30cm)에서 '소음 + 정지 후 흔들림'을 복합적으로 확인하는 것입니다.
• 이 두 가지는 사용자 경험과 로봇의 신뢰도에 가장 즉각적이고 큰 영향을 미칩니다. 초기에는 범위를 욕심내기보다, 정렬과 정지 안정성을 확보하는 것이 유리합니다.