휴머노이드 로봇에서 모터의 역할: 핵심 기술 및 응용 분야

코어리스 DC 모터

코어리스 DC 모터는 철심이 없는 회전자 설계를 특징으로 하며, 높은 효율, 고속, 긴 수명 및 낮은 마찰을 제공합니다. 와전류 손실과 히스테리시스 손실을 제거함으로써 이러한 특징을 갖습니다. 로봇공학에 사용되는 모터 더욱 원활하게 작동하고 탁월한 열 방출 성능을 제공합니다.

주요 특징:

무철심 회전자: 컵 모양의 권선 구조를 사용하여 와전류 및 히스테리시스 손실을 제거함으로써 80% 이상의 효율을 달성합니다.

고속 저관성: 분당 10,000회전(rpm) 이상의 속도를 낼 수 있으며, 기존 모터보다 3~5배 빠른 반응 속도를 자랑합니다.

높은 출력 밀도: 컴팩트한 크기(직경 6mm 정도로 작음)와 가벼운 설계로 공간 제약이 있는 환경에 이상적입니다.

응용 분야:

정교한 손놀림: 테슬라의 옵티머스 휴머노이드 로봇은 휴머노이드 로봇에 사용되는 코어리스 모터를 각 손가락 관절에 탑재하여, 여러 모터의 협동 제어를 통해 정밀한 파지 동작을 가능하게 합니다. 엄지손가락은 굽힘과 좌우 움직임을 위해 듀얼 모터 구동 방식을 채택했으며, 나머지 네 손가락은 각각 개별 모터를 사용하여 달걀처럼 깨지기 쉬운 물체도 섬세하게 다룰 수 있습니다.

프레임리스 토크 모터

프레임리스 토크 모터는 소형, 경량이며 관성이 낮아 제한된 공간에서 높은 토크가 필요한 용도에 이상적입니다. 로터는 로봇의 기계식 샤프트에 직접 장착되고, 스테이터는 로봇 구조에 통합됩니다.

주요 특징:

콤팩트한 구조: 프레임리스 설계로 모터 부피를 40%, 무게를 30% 줄였습니다.

높은 토크 출력: 최대 토크는 3,500 N·m에 달하며, 하모닉 감속기를 통해 1:1000 이상의 감속비를 달성할 수 있습니다.

고온 저항성: 고온 절연 재료를 사용하여 최대 180°C의 온도에서 연속 작동을 지원합니다.

응용 분야:

회전식 액추에이터: 테슬라의 옵티머스 로봇은 어깨와 손목에 14개의 프레임리스 토크 모터를 사용하며, 극한의 30kg·m 토크를 견딜 수 있도록 하모닉 감속기와 결합되어 있습니다.

서보 모터

서보 모터는 매우 정밀한 동작 제어를 제공하므로 어깨나 팔꿈치와 같은 역동적인 관절에 이상적입니다.

응용 분야:

보스턴 다이내믹스 아틀라스: 28개의 서보 모터와 유압 시스템을 결합하여 백플립과 같은 복잡한 기동을 가능하게 합니다.

UBTECH Walker X: 80N·m의 토크를 제공하는 최첨단 휴머노이드 로봇 서보 모터를 탑재하여 고르지 않은 지형에서도 안정적인 보행이 가능합니다.

스테퍼 모터

스테퍼 모터는 일반적으로 저부하, 저동력 응용 분야에 사용됩니다.

응용 분야:

머리 회전: 페퍼 로봇과 같은 경량 휴머노이드 로봇은 부드러운 수평 머리 회전을 위해 스테퍼 모터를 사용합니다.

비전 모듈 조정: 정밀한 미세 조정을 위해 실험용 카메라 짐벌에 사용됩니다.

BLDC 모터는 고속(10,000~20,000rpm)과 낮은 유지보수 요구 사항을 제공하지만 토크 밀도(30~50N·m/kg)가 제한적이고 속도 제어 정밀도가 낮습니다.

응용 분야:

바퀴형 로봇: 샤오미 사이버독은 바퀴 허브 구동에 BLDC 모터를 사용합니다.

보조 동력: 일부 휴머노이드 로봇은 허리 회전 및 팔 흔들기를 위해 BLDC 모터를 사용합니다.

선형 모터

선형 모터는 고속, 고가속 운동 기능을 제공하지만 정밀한 안내 메커니즘이 필요하며 가격이 비쌉니다.

응용 분야:

MIT 치타: 뒷다리에 선형 모터를 사용하여 시속 30km의 속도를 낼 수 있으며, 가속도는 2.5m/s²에 달하고 반응 지연 시간은 1ms 미만입니다.

축방향 자속 모터는 회전자 축과 평행한 자속 경로를 특징으로 하여 회전자 관성을 50% 감소시키면서 최대 150kW/kg의 출력 밀도를 달성합니다.

응용 분야:

취리히 연방 공과대학교(ETH Zurich): 200 N·m/kg의 토크 밀도를 가진 축방향 자속 모터로 구동되는 생체모방형 다리를 개발했습니다.

애질리티 로보틱스의 캐시: 역동적인 보행을 위해 축방향 자속 모터를 사용합니다.

휴머노이드 로봇에 대한 수요가 증가함에 따라 국내 제조업체들이 기술 개발에 박차를 가하고 있습니다. 휴머노이드 로봇 모터 글로벌 선두 기업들과 경쟁할 수 있는 기술.

그린 하모닉: 테슬라 옵티머스에 고조파 감속기를 공급하여 1 arc-minute의 정밀도와 20,000시간 이상의 수명을 제공합니다.

Moons' Electric은 Maxon의 제품과 유사한 토크 밀도를 가진 16mm 코어리스 모터를 대량 생산하며, 이 모터는 의료 로봇에 널리 사용됩니다.

Leadshine Technology: 캡슐화 기술을 적용한 3세대 프레임리스 토크 모터를 개발하여 IP67 등급의 방진 및 방수 기능을 구현했습니다.

모터 기술은 휴머노이드 로봇 개발에 있어 매우 중요한 요소이며, 로봇의 민첩성, 정밀도 및 기능에 직접적인 영향을 미칩니다. 고속 코어리스 모터부터 고토크 프레임리스 토크 모터에 이르기까지, 각 유형의 모터는 인간과 유사한 움직임을 구현하는 데 특화된 역할을 수행합니다. 기술 발전이 지속됨에 따라 국내 제조업체들은 글로벌 경쟁업체와의 격차를 좁히고 휴머노이드 로봇의 한계를 더욱 넓혀가고 있습니다.