로봇 모터 선정: 적합한 모터를 선택하는 방법

올바른 로봇 모터를 선택하는 것은 단순히 가장 높은 토크나 가장 빠른 모터를 찾는 것이 아니라, 모터를 로봇의 부하, 동작, 전력, 기계 구조, 제어 및 열적 요구 사항에 맞추는 과정입니다.

로봇 시스템에서 모터 선택은 로봇이 움직일 수 있는지 여부에만 영향을 미치는 것이 아닙니다. 선택한 모터는 관절 속도, 페이로드 용량, 위치 정확도, 에너지 효율, 열적 안정성, 기계적 통합 및 장기적인 신뢰성에 영향을 미칩니다.

가장 신뢰할 수 있는 접근 방식은 먼저 로봇의 실제 작동 요구 사항을 파악한 다음, 카탈로그에서 모터를 먼저 선택하는 것이 아니라 체계적으로 필요한 모터 사양을 도출하는 것입니다.

이 가이드에서는 적용 분야 정의와 토크 계산부터 속도, 출력, 감속비, 모터 구조, 피드백, 열 성능 및 제어 인터페이스 선택까지 로봇 모터를 단계별로 선택하는 방법을 설명합니다.

모터를 선택하기 전에 로봇 요구 사항 정의하기

로봇 모터를 선택하는 첫 번째 단계는 로봇이 정확히 무엇을 움직여야 하는지, 얼마나 빠르게 움직여야 하는지, 그리고 어떤 작동 조건에서 성능을 발휘해야 하는지를 명확하게 정의하는 것입니다.

모터를 비교하기 전에 로봇 유형, 페이로드, 이동 질량, 관절 또는 휠 구성, 필요한 동작 범위, 가속도, 작동 시간, 사용 가능한 설치 공간, 전원 공급 장치 및 제어 요구 사항을 결정해야 합니다.

로봇의 구조에 따라 모터 요구 사항은 크게 달라질 수 있으므로, 첫 번째 결정은 모터 자체가 아니라 적용 분야를 기준으로 이루어져야 합니다.

예를 들어, 바퀴형 모바일 로봇은 연속적인 속도와 효율을 우선시할 수 있는 반면, 사족보행 로봇은 높은 피크 토크, 빠른 응답 및 정밀한 토크 제어가 필요할 수 있습니다. 휴머노이드 관절에서는 토크 밀도, 컴팩트한 통합, 열 성능 및 백드라이버빌리티가 추가로 중요할 수 있습니다.

로봇 구조가 모터 요구 사항에 미치는 영향을 보다 폭넓게 비교하려면 Legged Robots vs Wheeled Robots: Design, Performance, and Motor Requirements Comparison을 참고하십시오.

로봇 모터 선택 시 고려해야 할 핵심 요소

부하와 필요한 토크 계산

필요한 모터 토크는 로봇의 부하, 레버 암, 가속도, 마찰 및 기계적 손실에 의해 결정됩니다.

토크는 일반적으로 가장 먼저 계산해야 하는 주요 사양입니다. 충분한 토크를 생성할 수 없는 모터는 더 높은 속도나 더 우수한 제어 성능으로도 토크 부족을 보완할 수 없기 때문입니다.

단순한 정적 부하의 경우 토크는 다음과 같이 추정할 수 있습니다:

T = F × r

여기서:

T = N·m 단위의 토크

F = N 단위의 작용력

r = 회전축에서 수직으로 측정한 거리(m)

예를 들어, 관절에 0.2 m의 레버 암을 통해 300 N의 하중이 작용하는 경우:

T = 300 × 0.2 = 60 N·m

이는 실제 로봇 관절에는 추가적인 동적 및 기계적 부하가 발생하기 때문에 단순화된 시작점에 불과합니다.

• 정적 토크 계산

정적 토크는 메커니즘이 정지해 있거나 일정한 속도로 움직일 때 하중을 지지하는 데 필요한 토크를 의미합니다.

중력은 수직 방향으로 배치된 관절에서 특히 중요합니다. 필요한 토크가 관절 각도와 로봇 무게중심의 위치에 따라 달라지기 때문입니다.

예를 들어 휴머노이드 로봇에서는 자세와 페이로드에 따라 고관절, 무릎 관절 및 어깨 관절에 상당한 중력 유발 토크가 발생할 수 있습니다.

• 동적 토크 계산

로봇이 자체 이동 질량이나 외부 페이로드를 가속 또는 감속해야 하는 경우에는 동적 토크를 추가해야 합니다.

동적 토크는 다음과 같이 근사할 수 있습니다:

T = J × α

여기서:

J = 회전 관성

α = 각가속도

동적 동작은 사족보행 로봇, 휴머노이드 로봇, 로봇 팔 및 빈번하게 가속, 감속, 점프, 등반 또는 방향 전환을 수행하는 기타 시스템에서 특히 중요합니다.

사족보행 로봇에서는 토크, 피크 토크, 응답 속도, 감속비 및 토크 밀도가 모두 동적 동작 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 자세한 내용은 Which Parameters Matter for Quadruped Robot Motors? From “Able to Move” to “High-Performance Motion”에서 확인할 수 있습니다.

• 마찰 및 기계적 손실 고려

최종 토크 계산에는 이론적인 부하만 사용하는 것이 아니라 마찰, 동력 전달 손실, 베어링 저항 및 기타 기계적 손실을 포함해야 합니다.

단순화된 모델은 다음과 같이 표현할 수 있습니다:

T_total = T_static + T_dynamic + T_friction + T_loss

실제 방정식은 로봇의 기계 구조와 동력 전달 시스템에 따라 달라지지만 기본 원리는 동일합니다. 모터는 외부 페이로드뿐만 아니라 전체 메커니즘에 필요한 토크를 제공해야 합니다.

• 적절한 안전 계수 적용

계산된 토크에는 부하 변동, 모델링 불확실성, 충격 및 과도 작동 조건을 고려하기 위해 적용 분야에 적합한 안전 계수를 곱해야 합니다.

예를 들어:

T_required = T_calculated × Safety Factor

적절한 안전 계수는 적용 분야, 부하의 불확실성, 제어 전략, 기계 설계 및 예상되는 충격 하중에 따라 달라지므로 모든 경우에 적용되는 고정된 값으로 간주해서는 안 됩니다.

로봇 관절의 연속 토크와 피크 토크 요구 사항에 대한 자세한 내용은 How to Choose the Right Robot Joint Motor: Torque, Speed & Integration Explained를 참고하십시오. 이 가이드에서는 연속 토크와 피크 토크가 서로 다른 작동 요구 사항을 나타내며, 모터 선택 시 두 가지를 모두 고려해야 한다는 점을 강조합니다.

필요한 출력 속도 결정

필요한 모터 속도는 모터의 최대 무부하 RPM이 아니라 로봇의 실제 출력 동작을 기준으로 결정해야 합니다.

회전 관절의 경우 핵심 값은 관절, 휠 또는 메커니즘에서 요구되는 출력 속도입니다.

모터가 기어박스에 연결되어 있다면:

Output Speed = Motor Speed ÷ Gear Ratio

예를 들어 모터가 6,000 RPM으로 작동하고 필요한 관절 속도가 120 RPM인 경우:

Gear Ratio = 6,000 ÷ 120 = 50:1

이는 단순화된 관계식에 따라 동력 전달 시스템에 약 50:1의 감속비가 필요하다는 것을 의미합니다.

• 모터 속도와 출력 속도는 서로 다른 사양입니다

높은 RPM의 모터가 항상 고속 로봇에 적합한 것은 아닙니다. 최종 출력 속도는 동력 전달 시스템의 감속비와 실제 작동점에 따라 결정되기 때문입니다.

모터는 높은 무부하 속도를 가질 수 있지만 상당한 토크를 생성할 때는 더 낮은 속도로 작동할 수 있습니다.

따라서 모터 선택 시에는 최대 RPM만 비교하는 것이 아니라 모터의 실제 토크-속도 작동 영역을 고려해야 합니다.

• 가속도와 응답 성능 고려

로봇은 원하는 가속 시간 내에 필요한 속도에 도달할 수 있도록 충분한 모터 및 액추에이터 응답 성능을 갖추어야 합니다.

이는 동적 로봇에서 특히 중요합니다. 빠르게 속도를 변경하는 능력이 균형 유지, 보행 제어, 장애물 회피 및 동작 품질에 영향을 미칠 수 있기 때문입니다.

필요한 모터 출력 계산

모터 출력은 토크와 회전 속도에 모두 영향을 받으므로 모터의 크기를 결정할 때 토크와 속도를 함께 평가해야 합니다.

기계적 출력은 다음과 같이 계산할 수 있습니다:

P = T × ω

여기서:

P = 와트(W) 단위의 기계적 출력

T = N·m 단위의 토크

ω = rad/s 단위의 각속도

RPM으로 회전 속도를 나타내는 경우:

ω = 2πn / 60

여기서 n은 RPM 단위의 회전 속도입니다.

이 관계식은 매우 낮은 속도에서 높은 토크를 내는 모터가 반드시 높은 기계적 출력을 갖는 것은 아니라는 점을 보여줍니다.

출력 요구 사항은 로봇이 반복적으로 고속 동작을 수행하거나, 등반하거나, 빠르게 가속하거나, 부하가 걸린 상태에서 연속적으로 작동할 때 특히 중요합니다.

또한 배터리 또는 전원 공급 장치에서 필요한 전기 출력은 기계적 출력보다 높습니다. 모터, 드라이버, 기어박스 및 기타 구성 요소에서 효율 손실이 발생하기 때문입니다.

적절한 감속비 선택

적절한 감속비는 단순히 토크를 최대화하는 것이 아니라 출력 토크, 출력 속도, 효율, 관성 및 백드라이버빌리티 사이의 균형을 고려하여 결정해야 합니다.

기본 관계식은 다음과 같습니다:

Gear Ratio = Motor Speed ÷ Required Output Speed

일반적으로 감속비를 높이면 사용 가능한 출력 토크가 증가하는 반면 출력 속도는 감소합니다.

그러나 실제 출력 토크는 동력 전달 효율에도 영향을 받습니다:

T_output ≈ T_motor × Gear Ratio × η

여기서 η는 동력 전달 효율을 나타냅니다.

• 높은 감속비

높은 감속비는 상대적으로 고속으로 회전하는 모터에서 더 높은 출력 토크가 필요한 경우 유용합니다.

이러한 구성은 높은 출력 속도보다 높은 토크가 더 중요한 적용 분야에서 일반적으로 사용됩니다.

그러나 높은 감속비는 동력 전달 구조에 따라 동력 전달 손실, 환산 관성 및 백드라이빙 저항을 증가시킬 수도 있습니다.

• 낮은 감속비

낮은 감속비는 더 높은 출력 속도를 제공할 수 있으며, 동력 전달 시스템의 설계에 따라 응답성과 백드라이버빌리티를 향상시킬 수 있습니다.

이는 관절이 외부 힘에 빠르게 반응하고 지속적으로 동작을 조정해야 하는 동적 로봇에서 특히 중요합니다.

적절한 모터 구조 선택

토크, 속도, 출력 및 동력 전달 요구 사항을 정의한 후에는 로봇의 기계 및 제어 요구 사항에 가장 적합한 모터 구조를 선택해야 합니다.

이 단계의 목표는 가장 높은 사양의 모터를 선택하는 것이 아니라 성능, 통합, 제어 및 시스템 복잡성 사이에서 적절한 균형을 제공하는 구조를 결정하는 것입니다.

• BLDC 모터

BLDC 모터는 높은 효율, 높은 속도, 긴 수명 및 전자식 정류와 폐루프 제어와의 우수한 호환성을 제공하기 때문에 로봇 분야에서 널리 사용됩니다.

모바일 로봇과 로봇 팔부터 짐벌, 액추에이터 및 기타 모션 시스템에 이르기까지 다양한 애플리케이션에 적합합니다.

작동 원리와 특성에 대한 소개는 What is a BLDC Motor?를 참고하십시오.

• QDD 모터

QDD 모터는 높은 토크 모터와 낮은 감속비의 감속 메커니즘을 결합하여 높은 토크 밀도와 비교적 높은 백드라이버빌리티를 제공하도록 설계되었습니다.

이러한 구조는 토크 제어, 응답성 및 기계적 순응성이 중요한 동적 휴머노이드 및 사족보행 로봇에 특히 적합합니다.

선택 기준은 How to Choose QDD Actuators? Key Metrics and Application Considerations를 참고하십시오.

• 프레임리스 토크 모터

프레임리스 토크 모터는 기존의 패키지형 모터를 설치하는 대신 컴팩트한 맞춤형 관절에 모터를 직접 통합해야 하는 경우 유용합니다.

일반적으로 프레임리스 모터는 기존의 하우징, 샤프트 또는 베어링 시스템 없이 전자기 구성 요소를 제공하므로 엔지니어가 모터를 중심으로 주변 기계 구조를 설계할 수 있습니다.

이러한 구조는 공간 활용, 토크 밀도, 중공축 통합 또는 맞춤형 관절 형상이 중요한 경우 매력적인 선택이 될 수 있습니다.

보다 자세한 선택 방법은 2026 Frameless Torque Motors for Robotics Selection Guide for a more detailed selection framework를 참고하십시오.

• 통합형 로봇 액추에이터

통합형 액추에이터는 여러 모션 시스템 구성 요소를 하나의 장치에 결합하여 통합 복잡성을 줄이고 로봇 개발을 단순화합니다.

설계에 따라 통합형 액추에이터는 모터, 기어박스, 엔코더, 드라이버 및 기타 제어 전자 장치를 하나의 장치에 포함할 수 있습니다.

이러한 방식은 배선, 기계적 통합 작업 및 개발 복잡성을 줄일 수 있지만, 각 구성 요소를 독립적으로 최적화할 수 있는 엔지니어의 자유도가 낮아질 수 있다는 단점이 있습니다.

보다 폭넓은 비교는 Integrated Robotic Actuators vs. Conventional Motors: The Future of Motion in Robotics를 참고하십시오.

모터 크기, 무게 및 토크 밀도 확인

선택한 모터는 필요한 성능을 제공하면서 로봇의 사용 가능한 크기 및 무게 예산을 충족해야 합니다.

토크 및 속도 요구 사항을 충족하더라도 너무 크거나 무거운 모터는 최종 로봇에 적합하지 않을 수 있습니다.

이는 휴머노이드 로봇, 사족보행 로봇, 드론, 외골격 및 액추에이터 질량이 전체 시스템 동역학에 직접적인 영향을 미치는 기타 시스템에서 특히 중요합니다.

• 토크 밀도 평가

토크 밀도는 액추에이터가 질량 또는 부피에 비해 얼마나 많은 토크를 제공할 수 있는지를 나타내며, 경량 로봇 시스템에서 가장 중요한 지표 중 하나입니다.

단순화된 질량 기반 지표는 다음과 같습니다:

Torque Density = Torque ÷ Motor Mass

높은 토크 밀도는 필요한 관절 성능을 유지하면서 액추에이터 질량을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.

그러나 토크 밀도만으로 평가해서는 안 됩니다. 열 성능, 효율, 내구성 및 제어 품질 역시 실제 성능에 영향을 미치기 때문입니다.

• 기계적 통합 확인

모터 직경, 길이, 장착 패턴, 샤프트 형상, 케이블 배선, 기어박스 치수 및 냉각 경로가 모두 로봇의 기계 구조에 적합해야 합니다.

모터를 올바르게 장착할 수 없거나 관절 내부에서 열을 효과적으로 방출할 수 없다면 전기적 사양이 매력적으로 보이더라도 해당 모터는 제외해야 합니다.

엔코더 및 피드백 시스템 선택

엔코더는 로봇에 필요한 위치 정확도, 속도 피드백, 토크 제어 및 전체 제어 구조에 따라 선택해야 합니다.

엔코더는 폐루프 모션 제어에 필요한 피드백을 제공하여 컨트롤러가 모터 또는 관절의 위치를 파악하고 그에 따라 출력을 조정할 수 있도록 합니다.

엔코더에 필요한 성능은 적용 분야에 따라 달라집니다.

단순한 위치 제어 시스템은 동적 토크 제어를 수행하는 휴머노이드 관절과 동일한 수준의 피드백 성능을 필요로 하지 않을 수 있습니다.

• 위치 피드백

위치 피드백은 제어 시스템이 모터 또는 관절의 위치를 얼마나 정확하게 측정할 수 있는지를 결정합니다.

높은 해상도는 작은 위치 변화를 감지하는 능력을 향상시킬 수 있지만, 기계적 백래시, 순응성, 센서 장착, 제어 대역폭 및 신호 품질 역시 중요하기 때문에 높은 해상도만으로 시스템 정확도가 향상되는 것은 아닙니다.

• 단일 및 듀얼 엔코더 구조

엔코더 구조는 제어 시스템이 모터 측 피드백, 출력 측 피드백 또는 두 가지 모두를 필요로 하는지에 따라 선택해야 합니다.

모터 측 센싱은 모터 위치에 대한 정보를 제공할 수 있으며, 출력 측 센싱은 모터와 최종 관절 출력 사이의 동력 전달 동작을 고려하는 데 도움이 될 수 있습니다.

보다 자세한 내용은 How Encoder Architecture Shapes Robot Joint Performance: Single vs Dual Encoder Systems를 참고하십시오.

• 백드라이버빌리티 평가

로봇이 외부 힘에 자연스럽게 반응하거나 순응적이고 힘에 민감한 동작을 수행해야 하는 경우 백드라이버빌리티가 특히 중요합니다.

백드라이버빌리티가 높은 관절은 출력에 가해진 외력이 모터를 더 쉽게 움직이게 할 수 있으며, 이는 휴머노이드 로봇, 사족보행 로봇, 외골격, 협동 로봇 및 힘 제어 시스템에서 유용할 수 있습니다.

그러나 백드라이버빌리티가 높다고 항상 더 좋은 것은 아닙니다.

백드라이버빌리티가 높은 동력 전달 시스템은 힘 상호작용 성능을 향상시킬 수 있지만, 능동 제어 없이 외부 하중에 대해 위치를 유지하기는 더 어려워질 수 있습니다.

따라서 백드라이버빌리티는 다음 요소와 함께 평가해야 합니다:

• 감속비

• 동력 전달 효율

• 마찰

• 관성

• 토크 제어 성능

• 적용 분야의 요구 사항

올바른 목표는 최대의 백드라이버빌리티가 아니라 해당 적용 분야에 적합한 수준의 기계적 응답성을 확보하는 것입니다.

열 성능 및 듀티 사이클 확인

모터는 실제 로봇의 작동 부하를 지속적으로 처리하면서도 열적 한계를 초과하지 않아야 합니다.

모터 선택에서 가장 흔한 실수 중 하나는 최대 토크 또는 피크 토크만을 기준으로 모터를 선택하는 것입니다.

모터는 짧은 시간 동안 높은 피크 토크를 낼 수 있지만, 해당 토크를 지속적으로 유지하지 못할 수도 있습니다.

• 정격 토크와 피크 토크

정격 토크는 지속 가능한 작동 능력을 나타내는 반면, 피크 토크는 짧은 시간 동안 제공할 수 있는 출력 능력을 나타냅니다.

정격 토크는 장시간 유지해야 하는 부하에서 중요하며, 피크 토크는 가속, 점프, 충격 복구, 등반 또는 기타 동적 동작에서 중요합니다.

따라서 두 값은 별도로 평가해야 하며, 피크 토크를 일반적인 연속 작동 능력으로 간주해서는 안 됩니다.

• 듀티 사이클 고려

모터 크기를 결정할 때는 최대 부하만 평가하는 것이 아니라 각 토크 수준에서 모터가 얼마나 오래 작동하는지를 고려해야 합니다.

중간 수준의 토크로 지속적으로 작동하는 모터는 1초도 안 되는 짧은 시간 동안 훨씬 높은 토크를 발생시키는 모터보다 더 큰 열적 스트레스를 받을 수 있습니다.

주요 열 관련 고려 사항은 다음과 같습니다:

• 연속 토크

• 연속 전류

• 피크 전류

• 작동 시간

• 휴지 시간

• 주변 온도

• 냉각 방식

• 설치 환경

• 기어박스 효율

따라서 열적 검증은 모터를 선택한 후 추가로 수행하는 선택적인 점검이 아니라 최종 모터 선정 과정의 필수적인 부분입니다.

모터, 드라이버 및 컨트롤러 호환성 확인

모터가 적합한지 판단하기 전에 모터, 드라이버, 엔코더, 전원 공급 장치 및 컨트롤러가 전기적 및 논리적으로 호환되는지 확인해야 합니다.

주요 매개변수는 다음과 같습니다:

• 공급 전압

• 연속 전류

• 피크 전류

• 모터 상 구성

• 엔코더 인터페이스

• 통신 인터페이스

• 제어 모드

• 피드백 프로토콜

• 드라이버 정격 출력

• 컨트롤러 호환성

기계적 성능이 충분한 모터라도 드라이버가 필요한 전류를 공급하지 못하거나 통신 인터페이스가 로봇 컨트롤러와 일치하지 않으면 시스템 수준에서는 정상적으로 작동하지 않을 수 있습니다.

드라이버는 전기 에너지를 제어된 모터 동작으로 변환하는 방식을 결정하기 때문에 모션 시스템의 중요한 구성 요소이기도 합니다.

자세한 내용은 How Does the Driver Board Affect Robot Motor Performance and Efficiency?를 참고하십시오.

모터, 드라이버, 컨트롤러 및 전원 공급 장치가 서로 어떻게 작동하는지에 대한 보다 폭넓은 내용은 Robotics Power System: How Does It Work?를 참고하십시오.

전체 로봇 시스템을 기준으로 모터 검증

최종 모터는 토크, 속도, 출력, 크기, 무게, 열 성능, 피드백, 제어 및 기계적 통합을 하나의 완전한 시스템으로 종합하여 검증해야 합니다.

이 단계에서 엔지니어는 후보 모터를 선정하고 동일한 작동 조건에서 각 모터의 사양을 비교해야 합니다.

유용한 비교 항목은 다음과 같습니다:

이러한 시스템 수준의 비교를 통해 엔지니어는 하나의 매력적인 사양만을 기준으로 모터를 선택하고 실제 로봇 성능을 제한할 수 있는 다른 중요한 매개변수를 간과하는 것을 방지할 수 있습니다.

실제 사례: 휴머노이드 로봇 어깨 관절용 모터 선정

휴머노이드 로봇 어깨 관절용 모터를 선정할 때는 전체 팔 질량, 페이로드, 레버 암, 필요한 관절 속도 및 동적 동작 요구 사항부터 시작해야 합니다. 이러한 요소를 바탕으로 역산하여 필요한 액추에이터 토크와 출력 속도를 결정할 수 있습니다.

단순화된 휴머노이드 상지 시스템에서 Joint 1이라고 하는 주요 어깨 피치 관절은 다른 관절 액추에이터, 구조 링크 및 말단장치 페이로드를 포함하여 하류에 연결된 전체 팔을 구동합니다. 따라서 팔이 완전히 펼쳐졌을 때 Joint 1에는 상당한 중력 토크가 발생할 수 있습니다.

다음과 같은 시스템 매개변수를 가정합니다:

• 하류 팔 전체 질량: 2.8 kg

• 팔의 무게중심에서 Joint 1 축까지의 거리: 0.32 m

• 말단장치 페이로드: 2.0 kg

• 페이로드에서 Joint 1 축까지의 거리: 0.65 m

• 필요한 관절 속도: 120 RPM

• 시스템 전압: 48 V DC

• 안전 계수: 1.35

1단계: 정적 중력 토크 계산

Joint 1에서 최대 중력 토크는 팔이 수평으로 완전히 펼쳐졌을 때 발생합니다.

팔 자체에 의해 발생하는 중력 토크는 다음과 같습니다:

T_arm = m_arm × g × r_arm

주어진 값을 대입하면:

T_arm = 2.8 × 9.81 × 0.32 ≈ 8.79 N·m

말단장치 페이로드에 의해 발생하는 중력 토크는 다음과 같습니다:

T_load = m_load × g × r_load

값을 대입하면:

T_load = 2.0 × 9.81 × 0.65 ≈ 12.75 N·m

따라서 Joint 1의 단순화된 정적 토크 요구 사항은 다음과 같습니다:

T_static = 8.79 + 12.75 = 21.54 N·m

즉, 동적 가속이나 기계적 손실을 고려하지 않을 경우 어깨 관절은 팔을 수평으로 완전히 펼친 상태로 유지하기 위해 약 21.5 N·m의 정적 유지 토크를 제공해야 합니다.

2단계: 동적 동작 요구 사항 고려

휴머노이드 로봇은 정상 작동 중 정지해 있지 않습니다. 어깨 관절은 반복적으로 가속, 감속 및 방향 전환을 수행하므로 실제 토크 요구 사항은 중력 토크만 고려한 값보다 높아집니다.

동적 토크는 팔의 회전 관성과 각가속도를 이용하여 다음과 같이 추정할 수 있습니다:

T_dynamic = J × α

여기서 J는 Joint 1 축을 기준으로 한 팔과 페이로드의 회전 관성이며, α는 관절의 각가속도입니다.

실제 로봇 설계에서는 동력 전달 효율, 베어링 마찰, 기어 손실 및 빠른 동작 중 발생하는 과도 하중도 고려해야 합니다.

따라서 21.54 N·m는 최종 모터 선정값이 아니라 기본 정적 요구 사항으로 취급해야 합니다.

고성능 휴머노이드 팔의 경우 실제 피크 토크는 필요한 가속 및 감속을 포함한 전체 동작 프로파일을 기반으로 결정해야 합니다.

3단계: 안전 계수 적용

하중 변화, 과도 조건 및 단순화된 계산의 불확실성을 고려하기 위해 정적 토크 요구 사항에 안전 계수를 적용할 수 있습니다.

안전 계수를 1.35로 가정하면:

T_required = T_static × SF

따라서:

T_required = 21.54 × 1.35 ≈ 29.08 N·m

이는 약 29.1 N·m의 단순화된 설계 토크를 제공합니다.

이 값은 본 예제를 위한 것이며 실제 휴머노이드 로봇 설계에서 전체 동적 해석을 대체해서는 안 됩니다. 팔을 빠르게 가속해야 하는 경우에는 실제 회전 관성과 각가속도를 기반으로 피크 토크를 계산해야 합니다.

모터 선정 시에는 연속 토크와 피크 토크도 별도로 평가해야 합니다. 피크 토크가 29.1 N·m를 초과하는 모터라도 열적 한계를 초과하지 않고 정적 부하를 지속적으로 지지할 수 없다면 반드시 적합한 것은 아닙니다.

4단계: 필요한 출력 속도와 감속비 결정

Joint 1의 목표 출력 속도가 120 RPM이라고 가정합니다.

모터가 약 1,080 RPM으로 작동한다면 이론적인 감속비는 다음과 같습니다:

Gear Ratio = Motor Speed ÷ Output Speed

따라서:

Gear Ratio = 1,080 ÷ 120 = 9:1

준직결 구동(QDD) 액추에이터의 경우 비교적 낮은 감속비를 사용하면 높은 출력 토크를 확보하면서 우수한 응답성과 백드라이버빌리티를 유지할 수 있습니다.

그러나 실제 감속비는 모터 속도, 출력 토크, 동력 전달 효율, 환산 관성, 기계적 백래시 및 백드라이버빌리티를 함께 고려하여 평가해야 합니다.

5단계: 후보 액추에이터 비교

위의 계산을 바탕으로 Joint 1은 약 21.5 N·m의 정적 유지 토크와 단순화된 설계 조건에서 29.1 N·m를 초과하는 동적 토크 여유를 필요로 합니다.

휴머노이드 어깨 관절용 후보 액추에이터는 연속 토크, 피크 토크, 출력 속도, 감속비, 무게, 치수, 엔코더 구성 및 제어 구조를 기준으로 비교해야 합니다.

예를 들어 CubeMars AK10-9 V3.0은 9:1 QDD 구조를 사용하며 최대 53 N·m의 피크 토크를 제공합니다. 이는 이 단순화된 예제에서 계산된 약 29.1 N·m의 피크 설계 요구 사항을 초과합니다.

그러나 정격 토크는 18 N·m로 계산된 21.54 N·m의 정적 유지 토크 요구 사항보다 낮습니다. 따라서 피크 토크가 요구 사항을 충족한다는 이유만으로 해당 제품을 선택해서는 안 됩니다.

실제 적용에서는 연속 듀티 사이클, 열 성능, 로봇 자세, 동적 토크 프로파일 및 냉각 조건을 추가로 평가해야 합니다.

이는 로봇 모터 선정에서 중요한 원칙을 보여줍니다. 피크 토크는 단기적인 동적 성능을 나타내는 반면, 정격 또는 연속 토크는 액추에이터가 시간에 걸쳐 부하를 지속적으로 유지할 수 있는지를 결정합니다. 두 가지 모두 별도로 평가해야 합니다.

6단계: 크기, 무게 및 피드백 요구 사항 확인

휴머노이드 어깨 관절에서는 모터가 필요한 토크와 속도를 충족하는 것뿐만 아니라 사용 가능한 기계적 공간과 무게 예산에도 적합해야 합니다.

액추에이터의 질량이 증가하면 어깨 관절과 상위 관절이 지지해야 하는 하중도 증가하여 기계 설계에 피드백 루프가 발생할 수 있습니다. 더 무거운 액추에이터는 다른 관절에 더 높은 토크를 요구할 수 있으며, 이는 다시 해당 관절에 필요한 액추에이터의 크기와 무게를 증가시킬 수 있습니다.

따라서 후보 액추에이터는 다음과 같은 여러 매개변수를 기준으로 비교해야 합니다:

• 토크 밀도

• 액추에이터 무게

• 전체 치수

• 출력 샤프트 구성

• 감속비

• 엔코더 구성

• 백드라이버빌리티

• 열 성능

• 통신 인터페이스

• 드라이버 호환성

특히 휴머노이드 로봇에서는 높은 토크 밀도가 필요한 관절 성능을 유지하면서 액추에이터 무게를 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다. 더 가벼운 팔은 상지의 회전 관성도 줄여 동적 응답성을 향상시키고 가속 중 필요한 토크를 줄일 수 있습니다.

요약

가장 좋은 로봇 모터는 가장 높은 토크, 가장 높은 속도 또는 가장 큰 출력 정격을 가진 모터가 아니라 전체 로봇 시스템에 필요한 성능, 통합, 효율, 제어 및 신뢰성의 적절한 조합을 제공하는 모터입니다.

신뢰할 수 있는 모터 선정 과정은 제품 카탈로그가 아니라 실제 적용 분야에서 시작됩니다.

핵심 순서는 다음과 같습니다:

로봇 요구 사항 → 하중 → 토크 → 속도 → 출력 → 감속비 → 모터 구조 → 크기 및 무게 → 피드백 → 백드라이버빌리티 → 열 성능 → 드라이버 호환성 → 시스템 검증

이 순서를 따르면 엔지니어는 모터 사양을 불필요하게 높게 설정하거나, 열적 한계를 간과하거나, 적합하지 않은 감속비를 선택하거나, 개발 후반에 기계적 통합 문제를 발견하는 것을 방지할 수 있습니다.

고성능 로봇 액추에이터를 비교하는 엔지니어라면 다음 단계로 로봇의 구체적인 요구 사항을 기준으로 프레임리스 모터, QDD 액추에이터, 통합형 액추에이터 및 기타 모터 구조 사이의 장단점을 평가할 수 있습니다.

따라서 모터는 독립적인 단일 부품으로 선택하기보다는 전체 로봇 모션 시스템의 일부로서 선정해야 합니다.