휴머노이드 얼굴의 초저소음 구동 설계 기술: “조용한 표정”이 신뢰를 만듭니다

휴머노이드 얼굴 시스템은 사용자와의 상호작용 거리가 매우 가깝기 때문에, 몸통 전체의 구동 소음보다 얼굴 내부 모터 및 기어의 미세 소음이 사용자에게 훨씬 크게 전달되고 인지됩니다. 특히 서비스 로봇이나 안내 환경에서는 “윙—,” “지지직,” “덜컥” 같은 예측치 못한 소리가 로봇 표정의 신뢰도와 사용자 경험을 즉시 무너뜨릴 수 있습니다. 저는 다년간의 연구 및 실무 경험을 통해 이 문제의 심각성을 인지하고, 초저소음 목표를 20dB 이하(A-weighted 기준, 1m)로 설정하여 이를 달성하기 위한 구조, 부품, 제어 및 측정 전략을 체계적으로 수립했습니다.

 

본 글에서는 얼굴 구동 소음의 10가지 핵심 원인을 분석하고, 이를 근본적으로 해결하기 위한 숫자 중심의 실무적 접근법을 상세히 정리하여 공유합니다.

휴머노이드 얼굴의 초저소음 구동 설계 기술

1. 핵심 문제 정의 및 목표 수치 설정

소음을 효과적으로 제거하기 위해서는 복합적인 소음 원인을 기계 소음, 마찰 소음, 진동/공진, 전기/제어 소음의 네 가지 축으로 명확히 분해하는 것이 필수적입니다.

• 소음 목표: 20dB 이하 (A-weighted 기준) 또는 현장 배경 소음 대비 +3dB 이하와 같은 상대 기준으로 설정하여 운용 환경 변화에 유연하게 대응합니다.
• 측정 기준: 얼굴 정면 1m 거리에서 측정하는 것을 기준으로 합니다.
• 제어 목표:
  • 표정 전환 시간: 0.3초에서 0.8초 사이로 설정하되, 너무 빠른 급가속으로 인한 충격음을 방지합니다.
  • 미세 떨림(헌팅): 표정의 정지 위치에서 0.5mm 이하 구간의 미세 떨림이나 지터가 완전히 없어야 합니다.

2. 얼굴 구동 소음이 근거리 상호작용에서 치명적인 이유

• 사용자 거리와 체감 증폭
  • 얼굴은 보통 0.5m~1.5m의 근거리에서 대화가 이루어지므로, 같은 데시벨(dB)의 소리도 일반적인 환경보다 훨씬 크고 거슬리게 체감됩니다.
• 소음이 곧 “신뢰도의 붕괴”로 번역됩니다
  • 표정이 아무리 자연스럽게 디자인되었더라도, 기계적인 소리가 나면 사용자는 즉시 로봇을 “가짜”, “기계”로 인식하며 신뢰도가 떨어집니다.
• 소음은 안전 및 불안감 이슈로 이어집니다
  • “덜컥”거리는 충격음은 시스템의 오작동이나 충돌을 연상시켜 안전에 대한 불안감을 키울 수 있습니다.

3. 소음 원인 분석: 10가지 주요 발생 지점

저희 연구팀의 분석 결과, 얼굴 구동 소음은 아래 10가지 지점에서 주로 발생하며, 복합적인 개선이 필요했습니다.

• 1 기어 백래시로 인한 동작 시작/정지 시의 “딸깍” 충격음.
• 2 베어링 마모 또는 축 정렬 불량으로 인한 “윙—” 또는 높은 주파수의 마찰음.
• 3 케이블/풀리 마찰 계수가 높을 때 발생하는 “삑삑/사각”거리는 소리.
• 4 Bowden 경로 문제: 케이블의 굴곡 반경이 너무 작거나 경로가 불안정하여 마찰이 증가.
• 5 프레임 공진: 특정 주파수가 얼굴 프레임의 고유 진동수와 일치하여 소리가 증폭되는 현상.
• 6 체결 풀림으로 인한 미세 충돌음.
• 7 서보 헌팅(제어 불안정)으로 인해 목표 위치 주변을 미세하게 떨리는 “지지직” 소리.
• 8 PWM 가청대역(수백 Hz~수 kHz)에서의 전기음.
• 9 급가속/급정지(저크)로 인한 충격음.
• 10 케이블 장력 불균형으로 한쪽이 끌리며 나는 소리.

4. 초저소음 부품 선택 및 구조 설계 전략

4-1. 부품 선택의 정숙성 우선 원칙

• 서보 vs BLDC: 얼굴 시스템은 정숙성을 최우선으로 고려해야 하며, BLDC 모터는 제어 및 감속기 조합에 대한 심도 깊은 튜닝 경험이 요구됩니다.
• 감속기(기어)의 품질: 백래시가 최소화된 고정밀 기어를 사용하며, 마모 후 소음 증가 폭이 적은 재질이나 코팅/윤활 구조를 확보해야 합니다.
• 케이블 시스템 설계: 마찰 계수 목표를 0.1 이하로 설정하고, PTFE 코팅된 와이어나 적절한 윤활제를 사용하여 마찰 소음을 차단하는 것이 중요합니다.

4-2. 진동 경로 차단을 위한 구조 설계

• 아이솔레이션(진동 차단): 모터/감속기 마운트 지점에 댐핑 재료를 삽입하여 진동 전달 경로를 물리적으로 끊어줍니다.
• 공진 회피 설계: 질량 분포, 리브 보강, 체결 위치 등을 조정하여 프레임의 고유 진동수를 모터의 주요 구동 주파수 대역 밖으로 옮겨줍니다.
• 충돌 방지: 기계적 하드스톱 전에 제어 알고리즘을 통한 소프트 리미트와 더불어, 미세한 잔류 충격을 흡수할 물리적 완충 구조를 함께 적용하는 이중 안전장치가 효과적입니다.

5. 저크 제한 및 헌팅 억제를 통한 제어 최적화

5-1. 가속도 변화율(저크) 제한

• 저크(가속도의 변화율)를 제한하여 움직임의 가속 곡선을 부드럽게 만들어야 합니다. 저크를 제한하면 관성으로 인한 충격음 발생이 현저히 줄어듭니다.

5-2. 헌팅(미세 떨림) 억제

• 해결책: 비례 게인($K_p$) 최적화, 기계적 백래시 및 마찰을 상쇄하기 위한 데드밴드(Deadband) 또는 정지 시 저역 통과 필터(Low-Pass Filter) 적용을 검토합니다.

5-3. PWM 주파수 회피

• 모터 구동 드라이버의 스위칭 주파수(PWM)를 사람이 들을 수 없는 가청대역(20kHz 이상) 밖으로 이동시키거나, 전력 스펙트럼을 분산시키는 기술을 적용하여 전기음의 체감을 최소화합니다.

6. 정량적 소음 측정을 위한 실무 기준

6-1. 권장 측정 세팅

• 기준: 인체 청각 특성을 반영하는 A-weighted(dBA) 기준을 사용합니다.
• 거리 및 위치: 마이크는 얼굴 정면 1m 거리에 위치시킵니다.
• 환경: 측정 환경의 배경 소음은 최소한 측정 대상 로봇 소음보다 10dB 이상 낮은 곳이 이상적입니다.

6-2. 동작별 측정

• 눈 깜빡임(150~300ms 동작 구간), 입꼬리 미소, 턱 개구(20~35° 범위) 등 소음이 크게 발생하는 동작을 분리하여 측정합니다.
• 각 동작에서 피크 dB와 평균 dB를 모두 기록합니다.

6-3. 주파수 분석(선택)

• 소음이 “윙—”처럼 특정 톤(Tone)으로 강하게 들리는 경우, FFT(고속 푸리에 변환) 분석을 통해 해당 톤의 주파수 봉우리(Tone Noise)를 찾아냅니다.

7. 실전 문제 해결을 위한 적용 사례

• 예시 1) 눈꺼풀에서 ‘딸깍’이 들리는 경우
  • 원인 후보: 기어 백래시, 하드스톱 충돌, 급가속
  • 개선: 소프트 리미트 + 저크 제한 + 완충 구조 설계 보강
• 예시 2) 미소에서 ‘지지직’이 계속 나는 경우
  • 원인 후보: 서보 헌팅(PID K_p 과대), 케이블 마찰로 인한 스틱-슬립
  • 개선: 데드밴드/필터 적용으로 헌팅 억제 + 케이블 경로 변경 및 윤활 최적화
• 예시 3) 특정 속도에서만 소음이 커지는 경우
  • 원인 후보: 프레임 공진 현상 발생
  • 개선: 마운트 아이솔레이션 강화 + 리브 보강 + 해당 속도 대역을 회피하도록 제어 프로파일 조정

8. 다년간의 경험에서 도출된 소음 설계 실패 사례 7가지

• 사례 1: 소음 목표(dB) 없이 “느낌”으로 튜닝해, 현장 설치 환경이 바뀌자 체감 소음이 통제 불가능할 정도로 폭증했습니다.
• 사례 2: 모터/기어 소음은 줄였지만, 프레임 공진을 방치해 특정 주파수에서 더 크게 울려 퍼지는 결과를 낳았습니다.
• 사례 3: 헌팅 억제를 위해 제어 게인을 너무 약하게 설정하여, 소음은 줄였으나 표정의 정밀한 정확도(mm)가 무너졌습니다.
• 사례 4: 장기간 운용 및 온도 변화 후 윤활제가 제 기능을 잃어 마찰 소음이 빠르게 재발했습니다.
• 사례 5: 기계적 하드스톱 충돌을 제어 영역에서 완전히 제거하지 못해, 사용자에게 “고장 난 느낌”을 주는 충격음을 남겼습니다.
• 사례 6: 조용한 실내 환경에서 PWM 전기음이 남아서 사용자에게 불쾌한 고주파 소음으로 들렸습니다.
• 사례 7: 소음은 낮췄으나 표정 전환 시간이 0.8초를 넘어 지나치게 느려져, 사용자와의 상호작용이 답답하게 느껴지는 결과를 초래했습니다.

관련 글 (연구실 내부 프로젝트)

• 휴머노이드 얼굴 구조에서 마찰 감소 설계 전략
• 휴머노이드 얼굴의 표정 속도 최적화 알고리즘 설계
• 휴머노이드 얼굴의 표정 일관성 유지 기술
• 휴머노이드 얼굴 모듈의 장기 피로 실험 및 품질 기준
• 휴머노이드 얼굴의 소프트 리부트 전략

최종 결론

• 초저소음 구현은 “조용한 모터”가 아니라 “소음 경로를 끊고, 충격을 줄이고, 제어를 매끈하게 만드는” 통합적인 엔지니어링 전략이 필요합니다.
• 측정 기준(dBA, 1m)과 목표 범위를 정량적으로 고정하면, 개선이 감(感)이 아니라 데이터 기반으로 진행됩니다.
• 특히 근거리 상호작용에서 가장 치명적인 미세 떨림(0.5mm 이하)과 덜컥 충돌음을 최우선으로 제거하는 데 집중하는 것이 가장 효과적입니다.

Q&A 

Q1) “20dB 이하” 같은 절대 목표는 꼭 필요합니까

• 절대값이든 “배경 대비 +3dB 이하” 같은 상대값이든 정량적인 목표는 필요합니다. 목표가 없으면 통제 가능한 개선이 불가능합니다.

Q2) 소음이 가장 먼저 줄어드는 지점은 어디입니까

• 하드스톱 충돌 제거(완충 + 소프트 리미트)와 저크 제한이 체감 개선이 가장 큰 편이며, 그 다음이 마찰(케이블/풀리)과 공진(프레임)입니다.

Q3) 헌팅을 줄이면 표정 정확도가 떨어지지 않습니까

• 가능합니다. 그래서 정확도(mm) 목표와 소음(dB) 목표를 동시에 두고, 데드밴드·필터·가속 프로파일을 통해 두 목표 사이의 균형을 잡는 것이 안전합니다.

Q4) 특정 속도에서만 소음이 커지는 경우는 무엇을 의심해야 합니까

• 프레임 공진 가능성이 큽니다. 마운트 아이솔레이션, 리브 보강, 또는 해당 속도 대역을 회피하는 제어 프로파일 변경으로 접근하는 편이 효율적입니다.

Q5) 소음 측정은 어떻게 간단히 시작할 수 있습니까

• 동일 거리(1m), 동일 동작(눈깜빡임/미소/턱 개구), 동일 환경(배경 소음 기록)의 반복 가능한 조건만 고정해도 비교가 가능합니다. 처음부터 완벽한 장비보다 일관된 조건 설정이 더 중요합니다.

최종 제품 적용 시에는 설치 환경(배경 소음, 실내 반사)과 운영 시나리오(근거리 대화, 야간 모드)에 따라 체감이 크게 달라질 수 있습니다. 따라서 출시 전에는 최소 2~3개 대표 환경에서 같은 동작 세트를 반복 측정하여 기준선을 잡는 편이 안전합니다.