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구동부 백래시 개념은 서로 맞물려 힘을 주고받는 기계 요소 사이에 존재하는 미세한 유격을 가리키는 용어입니다. 로봇의 동작 정확도를 이야기할 때 이 말이 빠지지 않는 이유는, 유격의 크기와 성격이 관절이 명령받은 위치에 도달하는 과정에 그대로 반영되기 때문입니다. 백래시는 특정 방식의 결함을 뜻하는 말이 아니라, 회전 요소를 백래시는 서로 연결된 기어의 치면 사이에 존재하는 회전 방향의 유격을 의미합니다. 기어가 한 방향으로 회전하다 반대 방향으로 바뀌면, 치면 사이의 간격만큼 입력 측이 먼저 움직인 뒤 반대쪽 치면의 접촉이 형성되면서 출력 측으로 회전이 전달됩니다.
감속기는 여러 기어 요소를 이용해 모터의 빠른 회전을 줄이고 필요한 토크를 출력하는 장치입니다. 따라서 감속기의 백래시는 로봇 관절처럼 방향 전환이 반복되는 구동부에서 함께 살펴봐야 하는 요소입니다.
다만 백래시가 있다는 이유만으로 감속기의 성능을 단순하게 판단하기는 어렵습니다. 기어의 구조와 설계 방식이 서로 다르고, 실제 로봇에서는 필요한 동작 조건도 달라지기 때문입니다. 백래시의 개념을 이해할 때는 수치 자체보다 기어의 회전 방향이 바뀌는 과정에서 어떤 움직임이 발생하는지를 먼저 이해하는 것이 중요합니다.
백래시는 기어에서 어떻게 나타날까요?
기어는 치면의 접촉을 통해 회전을 전달합니다. 한 방향으로 계속 회전하는 동안에는 접촉하는 치면을 통해 회전이 이어지지만, 회전 방향이 반대로 바뀌면 기존에 힘을 전달하던 치면의 접촉 상태도 달라집니다.
이때 반대쪽 치면이 회전을 전달하기 시작하기 전까지 존재하는 회전 방향의 여유가 백래시입니다.
예를 들어 입력 기어가 시계 방향으로 회전하고 있는 상태에서 반시계 방향으로 바뀌었다고 가정할 수 있습니다. 입력 기어의 회전 방향은 즉시 바뀌지만, 기어 치면 사이에 존재하는 간격 때문에 출력 측의 회전 방향이 같은 순간에 바로 바뀌지 않을 수 있습니다. 입력 측의 움직임이 해당 간격을 지나 반대쪽 치면에 전달되면서 출력 측의 회전도 새로운 방향으로 이어집니다.
이러한 특성 때문에 백래시는 한 방향으로 계속 움직이는 상황보다 방향이 자주 바뀌는 동작에서 이해하기 쉽습니다.
감속기에서는 이러한 기어의 움직임이 출력축의 회전으로 이어집니다. 따라서 로봇 관절이 반복적으로 왕복하거나 특정 위치를 오가는 구조라면 감속기의 백래시는 동작 특성을 살펴볼 때 함께 고려해야 하는 요소가 됩니다.
백래시와 로봇 동작 정확도의 관계
로봇 관절은 모터에서 발생한 회전을 감속기를 거쳐 필요한 움직임으로 바꿉니다. 이 과정에서 감속기의 입력과 출력 사이에 회전 방향의 차이가 발생하면 최종 관절 움직임에도 영향을 줄 수 있습니다.
특히 로봇이 한 방향으로 움직이다 반대로 움직이는 과정에서는 백래시의 특성이 드러날 수 있습니다. 기어의 회전 방향이 바뀌고 반대쪽 치면을 통해 다시 회전이 전달되기까지 일정한 회전 구간이 존재하기 때문입니다.
이 때문에 백래시는 로봇의 동작 정확도와 함께 이야기되는 경우가 많습니다. 다만 백래시 하나만으로 로봇 전체의 동작 정확도를 설명할 수는 없습니다. 로봇의 움직임은 모터와 감속기뿐 아니라 관절 구조와 제어 방식 등 여러 요소가 함께 만들어 내기 때문입니다.
따라서 감속기의 백래시는 로봇 동작에 영향을 줄 수 있는 하나의 기계적 특성으로 이해하는 것이 적절합니다.
백래시가 작다는 표현 역시 반드시 모든 로봇에서 같은 의미를 갖는 것은 아닙니다. 어떤 로봇은 반복적인 방향 전환이 많고, 어떤 로봇은 비교적 한 방향의 연속적인 움직임을 많이 사용합니다. 결국 감속기를 선택할 때는 백래시라는 하나의 항목만 보기보다 실제 관절에서 필요한 토크와 크기, 감속비, 구조 등을 함께 고려해야 합니다.
사이클로이드 감속기와 로봇 구동부 설계
로봇 관절의 구동부를 설계할 때는 필요한 토크뿐 아니라 감속기의 크기와 두께, 백래시와 같은 동작 특성을 함께 고려해야 합니다. 특히 여러 관절이 연속적으로 움직이는 로봇에서는 각 관절의 움직임이 전체 동작으로 이어지기 때문에, 제한된 공간 안에서 충분한 힘을 전달하면서 정확한 동작을 구현할 수 있는 구동부 구성이 중요합니다.
본시스템즈의 BCSA는 사이클로이드 감속 기술을 기반으로 프레임리스 모터와 감속기를 얇고 컴팩트한 구조로 결합한 로봇 액추에이터입니다. 사이클로이드 감속 구조를 활용해 작은 크기에서도 높은 토크를 구현할 수 있도록 설계했으며, 로봇 관절 내부의 제한된 공간을 고려한 박형 구조를 적용하고 있습니다.
또한 BCSA는 낮은 백래시를 갖추고 있어 관절의 위치와 움직임을 정확하게 구현해야 하는 로봇 제작에 적용하기 좋습니다. 반복적으로 자세를 바꾸거나 여러 관절을 함께 움직여야 하는 로봇에서는 구동부의 움직임이 실제 관절 동작으로 이어지는 과정이 중요합니다. 이러한 점에서 낮은 백래시는 정확한 관절 동작을 구현하는 데 유리한 특성입니다.
로봇 관절 내부에는 액추에이터만 배치되는 것이 아니라 센서와 배선, 프레임과 같은 여러 구성 요소가 함께 들어갑니다. 액추에이터가 두꺼워지면 관절 자체의 크기도 커질 수 있기 때문에 구동부의 외형은 로봇 전체 설계에도 영향을 줍니다. BCSA는 감속기와 모터를 하나의 박형 구동 모듈로 구성해 이러한 공간 제약에 대응하면서 필요한 토크를 확보할 수 있도록 개발했습니다.
결과적으로 BCSA는 높은 토크와 낮은 백래시, 얇고 컴팩트한 구조를 함께 고려한 로봇 구동 솔루션입니다. 정확한 동작과 강한 힘이 동시에 필요한 휴머노이드, 협동로봇, 사족보행 로봇 등 다양한 로봇 관절 설계에 활용할 수 있습니다.
본시스템즈는 단순히 감속기 사양 하나에 초점을 맞추기보다 실제 로봇 관절 안에서 구동부가 어떻게 배치되고 필요한 힘을 어떻게 만들어야 하는지를 고려해 BCSA를 개발하고 있습니다. 얇은 두께와 컴팩트한 외형, 사이클로이드 감속 기술을 기반으로 한 고토크 구동 구조를 통해 휴머노이드와 협동로봇, 사족보행 로봇을 비롯해 다양한 로봇 관절 구조에 활용할 수 있는 액추에이터를 지향합니다.
F.A.Q
Q. 로봇 관절에서 백래시가 중요한 이유는 무엇인가요?
백래시는 기어의 회전 방향이 바뀔 때 나타나는 유격과 관련된 특성입니다. 관절이 반복적으로 방향을 전환하는 로봇에서는 백래시가 낮을수록 입력된 움직임을 보다 정확하게 구현하는 데 유리합니다.
Q. 백래시가 낮은 액추에이터는 어떤 로봇에 활용하기 좋은가요?
관절의 위치와 움직임을 정확하게 구현해야 하는 로봇에 활용하기 좋습니다. 여러 관절을 함께 움직이는 휴머노이드나 협동로봇, 사족보행 로봇과 같이 반복적인 자세 변화가 필요한 로봇에서도 중요한 구동 특성으로 볼 수 있습니다.
Q. 액추에이터의 두께가 로봇 설계에 영향을 주나요?
로봇 관절 안에는 액추에이터뿐 아니라 센서와 배선, 프레임 등 여러 구성 요소가 배치됩니다. 얇고 컴팩트한 액추에이터는 제한된 공간에서 관절 구조를 구성할 때 설계 공간을 확보하는 데 도움이 될 수 있습니다.
Q. 로봇 관절용 액추에이터를 선택할 때 어떤 요소를 함께 살펴봐야 하나요?
필요한 토크와 액추에이터의 크기, 두께, 백래시 등 실제 관절 동작과 구조에 영향을 주는 요소를 함께 살펴보는 것이 중요합니다. 로봇의 형태와 관절이 담당하는 역할에 따라 필요한 구동 조건이 달라질 수 있으므로 전체 설계 조건을 기준으로 선정해야 합니다.
참고자료
1. 한국로봇산업협회(KAR) – https://www.korearobot.or.kr
2. 한국로봇산업진흥원(KIRIA) – https://www.kiria.org
3. 한국로봇융합연구원(KIRO) – https://www.kiro.re.kr
4. 한국기계연구원 – https://www.kimm.re.kr
5. 국제표준화기구(ISO) – https://www.iso.org
6. 한국표준협회 – https://www.ksa.or.kr
7. 국가기술표준원 – https://www.kats.go.kr
8. 한국산업기술시험원(KTL) – https://www.ktl.re.kr
9. 특허청 – https://www.kipo.go.kr