2026 휴머노이드 및 사족보행 로봇을 위한 Quasi Direct Drive(QDD) 모터 개요

Quasi Direct Drive (QDD) 모터란 무엇인가?

로봇용 모터는 일반적으로 두 가지 극단적인 구조로 나뉩니다. 하나는 기어박스가 전혀 없는 완전한 직접 구동(Direct Drive) 시스템이며, 다른 하나는 기계적 증폭에 크게 의존하는 고감속 기어 모터입니다. Quasi Direct Drive(QDD) 모터는 이 두 구조 사이의 중간적 설계 방식으로 도입되었으며, 모터와 감속 단계 사이에서 토크 생성 역할을 재분배하는 구조적 접근입니다.

“Quasi(준)”라는 개념은 미묘하지만 매우 중요합니다. 이는 두 가지 설계 극단 사이에서 의도적인 절충을 의미하며, 액추에이터의 응답성을 유지하면서도 구조를 컴팩트하고 실용적으로 유지하는 것을 목표로 합니다.

“Quasi” Direct Drive의 개념

왜 순수한 Direct Drive 모터를 사용하지 않을까요? 기어박스를 완전히 제거하면 모든 토크를 모터가 전자기적으로 직접 생성해야 합니다. 이는 더 큰 모터 크기, 더 높은 전류 요구량, 그리고 더욱 복잡한 열 관리 시스템을 필요로 합니다.

반대로 왜 높은 감속비에 의존하지 않을까요? 극단적인 기어 감속은 관절의 기계적 특성을 변화시켜 응답성을 떨어뜨리고 외부 힘으로부터 시스템을 더욱 고립시키게 됩니다.

QDD는 이러한 두 가지 한계를 동시에 해결합니다. 적당한 감속 단계를 유지하면서 대부분의 토크를 모터가 직접 생성하도록 설계되었기 때문입니다. 그 결과, 구동 시스템은 Direct Drive에 가까운 동작 특성을 가지면서도 컴팩트한 구조와 기계적 실용성을 동시에 확보할 수 있습니다.

기존 기어드 모터와 QDD의 차이

기존의 고감속비 시스템에서는 토크가 주로 기계적 증폭을 통해 생성됩니다. 작은 모터가 고속으로 회전하고, 기어박스가 이를 크게 감속하면서 관절에 전달되기 전에 토크를 크게 증폭합니다.

반면 QDD(Quasi Direct Drive) 시스템에서는 이러한 관계가 반대로 작동합니다.

QDD에서는 모터 자체가 직접적으로 높은 토크를 생성하도록 설계됩니다. 기어박스는 더 이상 출력 특성을 지배하는 요소가 아니라, 토크 전달을 미세하게 조정하고 구조적 통합을 지원하는 역할을 합니다.

이러한 설계 변화는 다음 세 가지 핵심 특성을 바꿉니다:

• 관절에서의 반사 관성(Reflected inertia)

• 기계적 피드백 용이성(백드라이버빌리티, Backdrivability)

• 즉각적인 토크 응답성

즉, 기어박스는 더 이상 모터 성능을 규정하는 핵심 요소가 아니라 보조적인 역할을 하는 구성 요소가 됩니다.

QDD 시스템의 일반적인 감속비

QDD는 특정한 하나의 수치로 정의되는 것은 아니지만, 대부분의 설계는 6:1에서 10:1 사이의 감속비를 사용합니다.

이 범위는 임의로 정해진 것이 아니라 공학적 균형을 반영한 값입니다:

• 이보다 낮으면 모터 크기와 전기적 요구 사항이 급격히 증가합니다.

• 이보다 높으면 시스템이 응답 속도 저하와 낮은 백드라이버빌리티와 같은 고감속비 시스템의 한계를 다시 가지게 됩니다.

따라서 이러한 감속비 선택은 동적 성능을 유지하면서도 모터 크기와 전류 요구량을 현실적인 수준으로 유지하기 위한 균형점이라 할 수 있습니다.

QDD 모터의 작동 원리

1. 고속에서 사용 가능한 토크로 전환

모든 QDD 모터는 브러시리스 모터로 시작합니다. 모터는 본래 고속 회전하지만 토크는 상대적으로 낮습니다. 만약 이를 로봇 관절에 직접 연결하면 시스템은 빠르게 움직일 수 있으나 부하가 걸리면 제대로 힘을 발휘하지 못합니다.

속도를 사용 가능한 토크로 변환하기 위해 QDD 시스템은 저감속 기어박스를 도입하며, 일반적으로 5:1에서 10:1 정도입니다.

즉, 모터가 여러 번 회전할 때 관절은 한 번만 회전합니다. 속도는 적절히 감소하고 토크는 비례적으로 증가합니다.전통적인 모터처럼 매우 높은 감속비(50:1 이상)에 의존하지 않고, QDD는 이 균형을 약간만 조정합니다. 모터를 과도하게 관절에서 격리하지 않으면서 토크를 증폭시키며, 이러한 제한된 감속이 바로 “준직접(Quasi-Direct)” 개념을 정의합니다.

2. 기계적 피드백 유지

낮은 감속비는 양방향 힘 전달을 허용합니다:

• 정방향: 모터가 관절을 구동

• 역방향: 관절에 가해진 외부 힘이 기어박스를 통해 모터로 전달되어 감지

이 특성은 백드라이버빌리티(backdrivability)라고 불리며, QDD의 핵심 차별화 요소입니다. 고감속 시스템에서는 기어가 역방향 힘 전달을 차단해 관절을 기계적으로 단단하게 만들지만, QDD는 기계적 투명성을 유지합니다.

이로써 모터는 과도한 기어링 뒤에 격리되지 않고 관절과 기계적으로 연결된 상태를 유지합니다.

 3. 정밀하고 동적인 제어 가능

기계적 투명성을 확보하면 토크 제어가 훨씬 간단해집니다. 모터 토크와 관절 토크 간의 관계가 단순한 스케일링 후에도 예측 가능하기 때문에, 컨트롤러는 인코더 피드백과 전류 측정을 통해 출력 힘을 정확하게 추정할 수 있습니다.

시스템은 단순히 위치 명령("이 각도로 회전")만 내리는 것이 아니라, 직접 토크 명령("이 힘을 가해라")도 수행할 수 있습니다. 이 기능은 환경과 상호작용하거나 충격을 흡수하고, 동적 움직임을 수행해야 하는 로봇에 필수적입니다.

적절한 토크 증폭과 반응성 유지가 결합되어, QDD 모터는 힘과 제어의 균형을 달성하며, 다리 로봇, 휴머노이드, 협업 로봇, 웨어러블 로봇 등에 특히 적합합니다.

핵심 요약

QDD 모터는 모터 속도를 약간 줄여 토크를 증가시키면서도 기계적 피드백을 유지하여, 출력 힘과 동적 반응성을 동시에 실현합니다.

동적 로봇이 QDD 아키텍처를 요구하는 이유

1. 위치 제어에서 힘 제어로의 전환

• 동적 로봇은 단순히 위치 제어에만 의존할 수 없습니다. 고속 움직임에서는 관절이 외부 힘에 적응해야 합니다.

• QDD의 낮은 기어비와 기계적 투명성 덕분에 모터는 관절 토크를 직접 감지할 수 있어, 정밀한 힘 기반 제어가 가능합니다.

• 이 기능은 민첩하거나 예측 불가능한 동작을 수행하는 로봇에게 필수적입니다.

2. 고속 움직임에서 낮은 관성의 중요성

• 높은 감속비는 모터 관성을 증폭시켜 관절 반응을 늦추고 민첩성을 저하시킵니다.

• QDD는 낮은 반사 관성을 유지하여 관절이 빠르게 반응하도록 하고, 정확하고 빠른 동작을 가능하게 합니다.

3. 모바일 로봇의 에너지 효율성

• 고감속 기어박스는 마찰 손실과 에너지 소비를 증가시킵니다.

• QDD는 컴팩트하고 저마찰 설계를 통해 에너지 낭비를 줄이고, 배터리 수명과 운영 효율을 향상시킵니다.

4. 다자유도 시스템의 구조적 무게 제약

• 다관절 로봇은 관절 무게에 민감하며, 무거운 액추에이터는 동역학과 효율성을 저해합니다.

• QDD 액추에이터는 경량·컴팩트하여, 성능을 희생하지 않고 밀집 다자유도 시스템에 통합할 수 있습니다.

휴머노이드 및 사족 로봇을 위한 QDD 모터의 응용 수준 이점

QDD 모터의 아키텍처적 특성 — 낮은 기어비, 낮은 반사 관성, 토크 투명성 — 은 단순한 기계적 설계 선택이 아닙니다. 다리형 로봇에 적용될 경우, 성능상의 이점으로 직접 연결됩니다.

휴머노이드와 사족 로봇 플랫폼은 형태와 보행 전략이 다르지만, 모두 빠른 힘 제어, 동적 균형, 에너지 효율적 움직임에 의존합니다. 아래 표는 QDD 특성이 두 로봇 유형에서 실질적 이점으로 어떻게 변환되는지 요약한 것입니다. 두 플랫폼을 나란히 비교하면 차이가 더욱 뚜렷해집니다.

성능 및 이점 매핑

이점이 다르게 나타나는 이유

액추에이터 아키텍처는 동일하지만, 구조와 보행 방식의 차이로 인해 결과적인 이점은 다르게 나타납니다.

휴머노이드 로봇

휴머노이드의 안정성은 근본적으로 균형 문제입니다. 무게 중심이 높고 단일 다리 지지 단계가 반복되므로, 작은 외란에도 발목과 엉덩이 관절 주변에 큰 회전 모멘트가 발생할 수 있습니다.

이 맥락에서, 모터 반응성은 단순 성능 지표가 아니라 안정성 결정 요소가 됩니다.

QDD 아키텍처는 반사 관성을 줄여 균형 회복 시 빠른 보정 가속을 가능하게 합니다. 동력 전달계 강성으로 외란에 저항하기보다, 시스템은 동적으로 적응합니다. 또한 백드라이버빌리티는 능동적 순응을 가능하게 하여, 로봇이 필요할 때 힘을 양보할 수 있도록 합니다.

실제 적용 시 다음과 같이 나타납니다:

• 보행 중 빠른 밀기 회복

• 다리 간 무게 이동의 부드러움

• 보다 자연스러운 다관절 협응

휴머노이드는 강체 기계처럼 움직이는 대신, 제어된 유연성으로 동작하며, 이는 인간 근처에서 작동하는 로봇에게 중요한 특성입니다.

사족 로봇

사족 로봇의 보행은 주로 균형 문제가 아니라, 주기적 충격과 추진 문제입니다.

각 보행 단계는 다음을 포함합니다:

1.  빠른 스윙 단계

2.  충격력과 함께 지면 접촉

3.  몸 전체에 하중 전달

4.  다음 보행 준비

이러한 고주파 사이클 동안, 모터 관성 및 마찰은 보행 효율과 충격 허용성에 직접적인 영향을 미칩니다. QDD의 낮은 구동계 임피던스는 실시간 충격 감지와 보상을 가능하게 합니다. 동시에, 낮은 사지 관성은 고속 동작 중 다리의 빠른 수축 및 재배치를 가능하게 합니다.

결과는 단순히 부드러운 움직임이 아니라, 향상된 보행 동역학으로 이어집니다:

• 고속 트로트 및 달리기에서 안정성 향상

• 불규칙 지형에서의 적응력 향상

• 반복 충격 사이클에서 에너지 손실 감소

야외 환경에서 작동하는 모바일 로봇의 경우, 이러한 특성은 지속성 및 지형 적응성을 직접적으로 향상시킵니다.

기계 설계에서 성능 이점까지

QDD 아키텍처의 핵심 강점은 균형에 있습니다. 모터를 관절에서 완전히 분리하지 않으면서 토크를 증폭시키는 점이 특징입니다. 극단적인 기어링을 피하면서도 토크 밀도를 유지하기 때문에, 액추에이터는 강도와 민첩성을 동시에 보존할 수 있습니다.

• 휴머노이드 시스템에서는 이는 안정성 향상과 안전한 환경 상호작용으로 직결됩니다.

• 사족형 로봇 시스템에서는 속도, 적응성, 효율성으로 나타납니다.

두 경우 모두, QDD는 단순히 액추에이터 성능을 개선하는 것 이상으로, 더 높은 수준의 동적 로봇 동작을 가능하게 합니다.

QDD 모터 선택 시 설계 고려 사항

QDD가 제공하는 반응성, 투명성, 효율성과 같은 이점은 액추에이터가 관절의 기능적 역할에 맞춰질 때 비로소 의미가 있습니다.

따라서 선택 과정은 명확한 순서를 따릅니다: 힘 요구 정의 → 전달 특성 설정 → 지속 가능한 출력 확인.

1. 토크 및 동적 요구 사항 정의

선택은 관절이 실제로 제공해야 하는 성능에서 시작됩니다.

• 엉덩이와 무릎: 지지 및 추진을 위해 높은 연속 토크 필요

• 말단 관절: 가속과 낮은 관성 우선

주요 평가 항목:

• 최대 토크 (Peak torque)

• 사용 주기 동안 RMS 토크

• 필요한 가속 대역폭

QDD 시스템은 중간 정도의 기어 감속을 사용하므로, 토크 밀도는 주로 모터 자체에서 제공되어야 합니다. 적절한 크기 선택은 성능과 질량의 균형을 맞추는 과정입니다. 토크가 정의되면, 다음 단계는 그것이 어떻게 전달되는지를 결정하는 것입니다.

2. 적절한 감속 전략 선택

QDD 아키텍처에서 감속비는 토크 출력과 기계적 투명성을 동시에 제어합니다. 낮은 감속비는 관절 반응성을 높이고 반사 관성을 줄이는 반면, 약간 높은 감속비는 지속 하중 지원을 강화하고 모터 부담을 감소시킵니다. 적절한 감속비는 관절이 동적 움직임을 우선할지, 연속 하중을 우선할지에 따라 결정됩니다.

본질적으로 감속비는 모터 토크를 관절 행동으로 전달하는 기계적 지렛대 역할을 합니다. 다음 단계는 관절이 외부 힘에 어떻게 반응해야 하는지를 평가하는 것입니다.

3. 백드라이버빌리티 및 상호작용 요구 평가

역회전 가능성(Backdrivability)은 관절이 외부 환경의 힘에 얼마나 쉽게 반응하는지를 정의합니다. 충격을 받거나 인간과의 안전한 상호작용이 필요한 관절은 높은 투명성(기계적 유연성)을 갖출수록 성능이 우수하며, 주로 구조를 지지하는 관절은 더 단단한 특성을 허용할 수 있습니다.

관절이 외부 힘에 얼마나 민감하게 반응하는지는 모터 관성과 기어비 간의 상호 작용에 따라 달라지며, 이는 로봇의 목적에 맞게 조정될 수 있습니다. 원하는 상호작용 특성이 설정되면, 엔지니어는 열 성능과 연속 출력을 검증하여 장기간 안정적인 작동을 보장할 수 있습니다.

4. 열 및 연속 성능 검증

QDD는 모터 생성 토크에 크게 의존하므로 열 용량이 매우 중요합니다.

엔지니어는 다음을 우선시해야 합니다:

• 연속 토크 등급

• 실제 사용 주기에서 RMS 전류

• 기계적 인클로저 내 냉각 한계

열적 정렬은 동적 성능을 저하 없이 지속할 수 있도록 합니다.

구현으로의 전환

이러한 고려 사항을 모두 충족하면, QDD 모터는 휴머노이드와 사족 로봇 관절의 기능적 요구에 맞게 정밀하게 맞춤 설계될 수 있으며, 시스템 수준 요구 사항에 부합하는 동적 성능을 제공합니다.

CubeMars QDD 모터: 외골격용

동적 휴머노이드의 엉덩이 및 무릎 관절을 설계할 때, 엔지니어들은 명확한 과제에 직면합니다: 높은 연속 토크를 제공하면서도 빠른 보정 반응을 유지해야 한다는 점입니다.

고속 사족형 로봇에서는 우선순위가 달라집니다: 빠른 다리 스윙, 충격 내성, 효율적인 주기적 힘 제어가 핵심입니다.

CubeMars의 AKE 시리즈는 바로 이러한 실제 관절 요구 사항을 충족하기 위해 개발되었습니다.

AKE 시리즈의 QDD 아키텍처

단순히 저감속 기어를 사용하는 대신, AKE 시리즈는 구조적 수준에서 QDD 원칙을 통합합니다:

• 낮은 감속비(Low Reduction Ratio) – 반사 관성을 최소화하여 관절 반응을 빠르고 부드럽게 유지

• 높은 토크 밀도(High Torque Density) – 컴팩트한 폼팩터에서 충분한 토크를 제공하여 모터 효율 최적화

• 힘 피드백 기능(Force Feedback Capability) – 기계적 투명성을 유지하여 정밀한 토크 제어와 동적 상호작용 가능

이러한 설계 선택 덕분에, AKE 액추에이터는 QDD의 핵심 장점을 유지할 뿐만 아니라 통합, 열 관리, 구조적 제약 측면에서도 실용성을 확보할 수 있습니다.

관절 기능에 맞춘 모터 크기 매칭

휴머노이드 로봇에서:

• 엉덩이 및 무릎 관절: 연속 하중 지지 및 추진력 처리

• 말단(distal) 관절: 반응성 및 낮은 관성 우선

사족형 로봇에서:

• 근위(proximal) 관절: 몸체 질량 안정화

• 말단(distal) 관절: 고주파 스윙 주기 수행

AKE 시리즈는 이러한 기능적 역할에 맞춰 확장 가능한 액추에이터 크기를 제공합니다:

모든 관절에 동일한 모터를 적용하는 대신, 엔지니어들은 기계적 역할에 따라 성능 특성을 분배할 수 있습니다.

휴머노이드와 사족형 플랫폼용 설계

단일 관절 성능을 넘어, AKE 시리즈는 전체 시스템 통합을 지원합니다:

• Dynamic Control Ready – 낮은 반사 관성 및 높은 기계적 투명성으로 균형과 유연한 움직임 개선

• Torque Control Compatible – 정밀 토크 제어로 안전한 인간-로봇 상호작용 및 환경 대응 가능

• Modular Integration – 여러 모터 모델을 결합하여 전체 로봇 운동학 지원, 휴머노이드와 사족형 모두에 원활하게 적용

QDD 장점의 실용적 구현

앞서 언급한 QDD 특성—낮은 반사 관성, 높은 반응성, 토크 투명성—은 AKE 시리즈에서 완전히 구현됩니다:

• 휴머노이드 로봇: 단일 다리 지지 안정성 향상, 다관절 조정 개선, 안전한 물리적 상호작용

• 사족형 로봇: 고속 보행 안정성, 지형 적응성 향상, 에너지 소비 감소

이론적 QDD 장점을 구체적 액추에이터 설계로 전환함으로써, AKE 시리즈는 두 다리 기반 플랫폼 모두에서 더 높은 수준의 동적 성능을 구현할 수 있습니다.

결론

Quasi Direct Drive(QDD) 모터는 로봇 관절 설계에 있어 구조적으로 균형 잡힌 접근 방식을 나타냅니다.적절한 감속비와 높은 토크 밀도를 통합함으로써, 기계적 투명성을 유지하면서도 정밀한 제어 정확성을 확보합니다. 극단적인 감속비 추구나 기어 제거 대신, QDD 아키텍처는 관절 내 토크 생성과 전달의 균형 있는 분배를 확립합니다.

동적 환경에서 작동하는 휴머노이드 및 사족형 로봇의 경우, 이러한 구조적 균형은 향상된 반응성, 안정적 힘 상호작용, 신뢰할 수 있는 움직임 제어로 이어집니다.결론적으로, QDD 모터는 단순한 부품 수준의 결정이 아니라 로봇 전체 성능에 직접적인 영향을 미치는 핵심 요인입니다.