최근 테슬라의 옵티머스(Optimus)와 같은 휴머노이드 로봇이 주목받고 있습니다. 인공지능(AI) 및 자동화 기술이 발전하면서, 제조업뿐만 아니라 서비스업, 물류, 의료 분야에서도 로봇의 활용이 확대되고 있습니다. 특히, 휴머노이드 로봇은 인간과 유사한 동작을 수행하며 복잡한 환경에서 작업할 수 있도록 설계됩니다.
이 글에서는 휴머노이드 로봇을 구성하는 핵심 부품 중 고동용 부품(엑추에이터)인 서보모터와 감속기의 원리와 구조를 공학적으로 설명하고, 현재 시장에서 선도적인 기업들이 어떤 기술을 개발하고 있는지 살펴보겠습니다.
서보모터(Servo Motor): 휴머노이드 로봇의 근육
서보모터란?
서보모터는 휴머노이드 로봇의 관절을 구동하는 핵심 부품으로, 정밀한 속도와 위치 제어가 가능합니다. 이 부품은 로봇의 팔, 다리, 손가락 등의 움직임을 부드럽고 자연스럽게 구현하는 데 필수적입니다.
서보모터는 여러 가지 유형으로 구분됩니다:
- AC 서보모터: 교류(AC) 전원을 사용하며, 고출력과 긴 수명을 자랑합니다.
- DC 서보모터: 직류(DC) 전원을 사용하며, 응답 속도가 빠르고 정밀한 제어가 가능하지만 유지보수가 필요합니다.
- 스테퍼모터(Stepper Motor): 개방 루프 시스템에서 정밀한 위치 제어가 가능하지만 속도가 제한됩니다.
- 브러시리스 서보모터(Brushless Servo Motor): 브러시가 없어 마찰과 유지보수 부담이 적으며, 산업용 및 정밀 작업에 적합합니다.
| 구분 | AC 서보모터 | DC 서보모터 |
| 출력 | 높은 출력과 강한 토크 제공 | 비교적 낮은 출력 |
| 수명 및 유지보수 | 브러시가 없어 내구성이 높고 유지보수가 적음 | 브러시 마모로 인해 주기적인 유지보수가 필요 |
| 속도 및 위치 제어 | 피드백 시스템을 통해 높은 정밀도 유지 | 즉각적인 응답 가능하지만 부하 증가 시 성능 저하 가능 |
| 고속 동작 가능 여부 | 높은 주파수에서도 안정적인 작동 가능 | 속도가 상대적으로 제한됨 |
AC 서보모터는 높은 출력과 정밀한 제어가 가능하며, 유지보수 부담이 적어 장기적으로 비용 효율적인 선택입니다. 특히, 휴머노이드 로봇과 같은 정밀하고 반복적인 동작이 필요한 분야에서 안정적인 성능을 제공하는 점이 큰 강점입니다.
서보모터의 원리
서보모터의 주요 내부 부품과 동작 원리
- 스테이터(Stator): 고정된 코일이 위치하여 전류를 공급하며, 자기장을 생성하여 로터의 회전을 유도합니다.
- 로터(Rotor): 자기장과 상호 작용하여 회전하는 핵심 부품으로, 회전 운동을 담당합니다.
- 엔코더(Encoder): 모터의 회전각과 속도를 감지하여 피드백을 제공하는 센서로, 정밀한 제어를 가능하게 합니다.
- 드라이버(Driver): 제어 신호를 기반으로 전압과 전류를 조절하여 원하는 속도와 위치로 모터를 구동합니다.
- 기어 감속기(Reducer): 높은 토크를 생성하고 정밀한 위치 제어를 가능하게 하기 위해 사용됩니다.
서보모터의 정밀 제어 과정
- 제어 신호 입력: 로봇 컨트롤러가 서보모터에 원하는 속도와 위치 데이터를 전송합니다.
- 전기에너지를 기계적 에너지로 변환: 스테이터에 전류가 흐르면 자기장이 형성되며, 이 자기장이 로터를 회전시킵니다.
- 엔코더 피드백 측정: 엔코더가 현재의 회전각과 속도를 측정하여 피드백 신호를 생성합니다.
- 오차 보정 및 드라이버 조정: 컨트롤러가 피드백 신호를 분석하여 목표 값과의 차이를 계산하고, 드라이버가 전압과 전류를 조절하여 정밀한 위치와 속도를 유지합니다.
- 기어 감속기 보정: 감속기를 통해 출력 토크를 조절하며, 부드럽고 안정적인 동작을 보장합니다.
- 최종 위치 도달: 모터가 설정된 목표 위치에 도달하고, 지속적인 피드백 제어를 통해 안정적인 동작을 유지합니다.
선도 기업
- 글로벌 서보모터 시장은 화낙, 야스카와전기, 지멘스, 미쓰비시전기가 전체 시장의 70% 이상을 차지하고 있습니다. 일본 기업이 확실히 기술적 우위를 보이고 있습니다.
- 야스카와 전기(Yaskawa Electric, 일본)는 대표 제품으로 Sigma 시리즈 서보모터가 있으며, AI 기반 모션 컨트롤 기능과 고정밀 피드백 기술이 강점입니다.
- 화낙(FANUC, 일본): FANUC αi 서보모터 시리즈를 통해 초고속 응답성과 에너지 효율성이 뛰어난 제품을 제공하고 있습니다. 특히, 컴퓨터 수치 제어(Computer Numerical Control, CNC) 기반 정밀 가공 로봇과 공작기계 제어에 특화된 솔루션을 제공하고 있습니다. 화낙은 최신의 서보·스핀들 HRV 제어 기술을 적용하여 고속·고정밀·고효율의 나노 제어를 실현하며, 다양한 산업군에 최적화된 제품을 공급하고 있습니다.
감속기(Reducer): 로봇의 힘을 조절하는 핵심 부품
감속기란?
감속기는 모터의 회전 속도를 낮추고, 토크(회전력)를 증대시키는 역할을 합니다. 휴머노이드 로봇에서는 관절의 부드러운 움직임과 높은 정밀도를 유지하기 위해 필수적인 부품입니다. 감속기는 또한 로봇의 무게 중심을 조절하고, 불필요한 진동을 억제하여 안정적인 동작을 보장하는 역할을 합니다. 감속기는 로봇 원가 비중에서 30% 이상을 차지할 정도로 중요성이 높습니다.
감속기의 주요 종류는 다음과 같습니다:
- 하모닉 감속기(Harmonic Drive): 고정밀이 요구되는 소형 로봇과 협동 로봇에 주로 사용됨. 백래쉬(Backlash, 기어 간 유격)가 거의 없어 정밀한 제어가 가능.
- RV 감속기(RV Reducer): 중·대형 로봇에 적합하며, 강한 토크와 높은 내구성을 가짐.
- 유성 기어 감속기(Planetary Gear Reducer): 높은 토크 전달 능력을 갖추고 있으며, 서보모터와 함께 사용되어 정밀한 제어 가능.
- 사이클로이드 감속기(Cycloidal Reducer): 내구성이 뛰어나며 높은 토크를 제공하는 감속기로, 산업용 로봇에 주로 사용됨.
감속기의 원리
감속기는 기계적 에너지 변환을 통해 회전 속도를 조절하며, 입력된 고속 회전력을 감속하여 더 높은 토크로 변환하는 역할을 합니다.
감속기의 주요 내부 부품과 기능
- 입력 샤프트(Input Shaft): 모터에서 생성된 회전력을 감속기로 전달하는 역할을 합니다.
- 기어 트레인(Gear Train): 다양한 기어들이 조합되어 감속 및 토크 증폭을 수행하는 핵심 부품입니다.
- 웨이브 제너레이터(Wave Generator, 하모닉 감속기 전용): 유연한 금속 링을 통해 입력 회전을 변형시켜 정밀한 감속을 구현합니다.
- 출력 샤프트(Output Shaft): 감속된 회전력을 최종적으로 출력하여 로봇 관절을 구동합니다.
- 베어링(Bearing) 및 하우징(Housing): 내부 부품의 안정적인 작동을 보장하며, 충격과 진동을 완화하는 역할을 합니다.
감속기의 에너지 증폭 과정
- 회전력 전달: 모터에서 발생한 고속 회전력이 입력 샤프트를 통해 감속기로 전달됩니다.
- 기어 감속 및 토크 증폭:
- 하모닉 감속기의 경우, 웨이브 제너레이터가 플렉스 스플라인(Flexspline)을 변형시켜 감속을 수행합니다.
- RV 감속기의 경우, 다단 기어 구조를 통해 속도를 감소시키고 토크를 증대시킵니다.
- 유성 기어 감속기의 경우, 중심 기어와 다수의 유성 기어 간의 상호 작용을 통해 감속 및 토크 증폭을 구현합니다.
- 출력 샤프트 전달: 감속된 회전력이 출력 샤프트로 전달되어 로봇 관절이 보다 강한 힘으로 움직이도록 합니다.
- 정밀한 동작 구현: 감속기는 백래쉬를 최소화하고, 부드러운 동작을 가능하게 하여 정밀한 로봇 모션을 구현합니다.
이 과정에서 고속 저토크 입력 → 기어 감속 → 저속 고토크 출력의 원리가 적용되며, 로봇의 관절이 더욱 강한 힘을 내면서도 부드럽고 정밀하게 동작할 수 있도록 지원합니다.
선도 기업
- 감속기 시장 역시 원천 기술을 보유하고 있는 일본에서 압도적인 점유율을 보이고 있습니다. 하모닉 감속기는 80% 이상, RV 감속기는 70%대 수준이고, 중국의 리더드라이브가 3위이나 10%대의 점유율에 불과합니다.
- 하모닉 드라이브 시스템즈(Harmonic Drive Systems, 일본): 하모닉 감속기 시장의 60% 이상을 점유하고 있으며, 협동 로봇과 정밀 기계에 사용됩니다. 해당 기업의 감속기는 초고정밀 제어가 가능하며, 가벼운 무게와 소형화된 디자인이 특징입니다. 감속기 성능에 따라 로봇 구동 정밀도가 좌우되는 만큼 고도의 기술력을 필요로 하며, 원천 기술을 확보한 일본 기업이 지난 50년간 시장을 독과점해왔습니다.
- 나브테스코(Nabtesco, 일본): RV 감속기 시장을 선도하며, 산업용 로봇 및 자동화 기계에서 널리 사용됩니다. 나브테스코의 감속기는 강한 내구성을 바탕으로 오랜 수명과 높은 토크 성능을 자랑합니다.