이번 글에서는 사이클로이드 기어가 어떤 원리로 작동하는지, 설계 구조를 알아보고 그리고 그것이 실제 로봇에 어떻게 적용되는지를 소개해드리고자 합니다.
사이클로이드 기어의 구조와 구동 원리
사이클로이드 기어는 일반적인 기어와는 조금 다른 방식으로 힘을 전달합니다. 일반 기어는 톱니와 톱니가 서로 맞물리며 회전하지만, 사이클로이드 기어는 마치 자전거 바퀴가 굴러가는 듯한 ‘구름 운동’을 통해 회전력을 전달합니다. 이 구름 운동은 사이클로이드 곡선이라고 불리는 독특한 형태를 기반으로 만들어지며, 이 구조 덕분에 기어가 돌아갈 때 발생하는 마찰을 최소화할 수 있습니다.
사이클로이드 곡선은 원이 한 직선 위를 미끄러지지 않고 굴러갈 때, 원 위의 한 점이 그리는 궤적을 의미합니다. 예를 들어 자전거 바퀴의 옆면 어딘가에 점을 하나 찍고 바퀴를 굴린다고 가정했을 때, 그 점이 이동하는 경로를 떠올리면 사이클로이드 곡선을 쉽게 이해할 수 있습니다.
구조적인 면에서는 핀 타입이 가장 널리 쓰입니다. 이 방식은 기어 디스크 바깥쪽에 작은 핀들이 디스크와 맞물리면서 회전하는 구조입니다. 마치 디스크가 핀 사이를 굴러가듯이 움직이기 때문에 마찰을 최소화 할 수 있습니다.
사이클로이드 감속기에서 동력이 전달되는 방식은 일반적인 톱니 맞물림 방식의 기어 구조와는 다소 다른 특성을 가집니다. 먼저, 모터에서 발생한 회전력이 입력축을 통해 감속기로 전달됩니다.
입력축에는 편심축이 연결되어 있으며, 편심축과 디스크 사이에는 베어링이 설치되어 있습니다. 편심축은 이름 그대로 중심축에서 약간 벗어난 위치에 설치된 축을 의미합니다. 즉, 입력축이 회전할 때 이 회전력은 편심축을 통해 디스크로 전달되지만, 디스크는 중심을 정확히 따라 회전하는 것이 아니라 중심에서 약간 벗어난 경로를 따라 움직이게 됩니다. 이러한 움직임을 ‘편심 운동’이라고 부릅니다.
편심 운동이 발생하면 디스크는 마치 바닥 위를 구르듯 핀 위를 부드럽게 굴러가면서 움직이게 됩니다. 이 과정을 통해 디스크는 입력축으로부터 받은 빠른 회전력을 감속하여 출력축으로 안정적으로 전달합니다.
사이클로이드 감속기의 특징
그렇다면 수많은 감속기 구조 중에서 왜 사이클로이드 방식이 주목받고 있을까요? 사이클로이드 감속기(cycloid reducer)는 작은 부피에도 불구하고 큰 토크를 전달할 수 있는 구조를 가지고 있으며, 높은 감속비를 구현할 수 있다는 장점이 있습니다. 구름 접촉 방식을 활용하기 때문에 마찰을 최소화 할 수 있습니다. 이러한 이유로 사이클로이드 감속기는 산업 현장의 다양한 기계 장치에 적용되며, 로봇, 자동화 설비 등 고토크가 요구되는 분야에서 그 사용처가 점점 확대되고 있습니다.
최근 로봇과 자동화 산업 분야에서는 소형화와 고토크 출력을 동시에 갖춘 제품에 대한 수요가 빠르게 증가하고 있습니다. 이는 단순한 성능 향상을 넘어, 제품 설계 방향 자체가 근본적으로 변화하고 있기 때문입니다. 오늘날 다양한 산업 현장에서는 로봇이나 장비를 더욱 작고 효율적으로 제작하는 한편, 한정된 공간 안에서도 충분한 힘을 안정적으로 발휘할 수 있는 구동 시스템이 필수 요소로 자리잡고 있습니다.
생산라인, 물류 시스템, 협동 로봇, 이동형 플랫폼 등 다양한 응용 분야에서는 장비를 설치할 수 있는 물리적 공간이 제한적이며, 이러한 제약 속에서도 점점 더 컴팩트하고 고성능의 구조가 요구되고 있습니다. 이런 환경에서는 대형 감속기나 복잡한 부품 조합을 그대로 적용하는 것이 현실적으로 어렵기 때문에, 설계 초기 단계부터 구동 모듈의 소형화가 반드시 고려되어야 합니다.
로봇이나 자동화 장비를 설계할 때에는 작은 공간 안에서도 장비가 자유롭게 움직이고 다양한 작업을 수행할 수 있어야 합니다. 이를 위해서는 구동 장치, 즉 모터나 감속기와 같은 핵심 부품의 크기와 형태를 설계 목적에 맞추어 유연하게 조정할 수 있어야 하며, 제품 전체의 크기를 키우지 않고도 필요한 출력을 안정적으로 확보할 수 있어야 합니다. 장비 내부의 복잡한 구조를 고려해 구동 장치를 자유롭게 배치할 수 있어야 하며, 구동 장치가 너무 크거나 무거울 경우 설계에 제약이 생겨 원하는 기능을 모두 구현하는 데 어려움이 발생할 수 있습니다.
또한 구동 장치를 어디에 배치하고, 어떻게 연결하며, 여러 부품과 어떻게 조합할지를 자유롭게 설계할 수 있는 유연성 역시 매우 중요합니다. 특히 이동 로봇이나 협동 로봇처럼 다양한 자세와 복잡한 동작이 필요한 장비에서는, 설계의 자유도가 장비의 성능과 직결되기 때문에 더욱 중요한 요소로 작용합니다.
이러한 문제를 해결하고자 본시스템즈는 독자적인 사이클로이드 감속 기술을 개발하였습니다. 기존 핀 타입 감속기는 디스크와 롤러 핀 사이의 정밀한 맞물림이 필수적이었기 때문에, 각 부품에 매우 높은 가공 정밀도가 요구되었고, 조립 과정에서도 작은 오차가 전체 성능에 큰 영향을 미칠 수 있었습니다. 특히 반복 생산이나 다수 조립이 필요한 산업 현장에서는 이러한 정밀 가공과 조립 부담이 생산성과 비용 측면에서 큰 제약 요소로 작용해 왔습니다.
저희가 보유하고 있는 감속 기술의 가장 중요한 구조적 특징은, 기존 핀 타입 감속기에서 필수적이었던 고정 롤러 핀을 완전히 없앴다는 점입니다. 대신 디스크에는 사이클로이드 운동 경로를 따라 정밀하게 가공된 곡선형 홈(track)이 설계되어 있습니다. 이 홈을 따라 구름 운동이 자연스럽게 발생하게 되며, 별도의 롤러 핀 없이도 동일한 감속 원리를 구현할 수 있게 됩니다.
이러한 구조적 변화는 감속기의 전체 구조를 훨씬 단순하게 만들어줍니다. 핀 조립이나 정렬이 필요 없기 때문에 조립성이 크게 향상되었고, 생산 과정에서 요구되는 가공 정밀도에 대한 부담도 줄어들어 보다 넓은 공차 범위 내에서 안정적인 성능을 유지할 수 있게 되었습니다.
사이클로이드 기어 (디스크)가 두 장 들어가 함께 작동하는 구조로 되어 있어, 힘을 두 부분에서 나누어 받아내고, 이를 통해 더 강한 출력 토크를 안정적으로 전달할 수 있는 구조적 이점도 갖추고 있으며 고감속비를 구현하는데 유리한 구조를 갖고 있습니다.
실제로 어느 정도의 힘을 낼 수 있을까?
사이클로이드 감속기의 구조를 이해했다면 다음으로 실제로 적용했을 때 어떤 성능을 발휘하는지 확인해보겠습니다. 저희는 이를 검증하기 위해 49:1 감속비를 적용한 사이클로이드 액추에이터(BCSA)를 활용하여 4족 보행 로봇의 다리를 직접 제작하고 테스트를 진행해봤습니다.
※ 테스트 과정은 [4족 보행 로봇 만들기! 경남대 학생들과 함께한 특별한 하루]에서 자세히 다루고 있습니다.
처음에는 테스트를 목적으로 생각했기 때문에 조립이 간편한 타이밍 벨트 방식을 적용하였습니다. 벨트 구조는 손쉽게 조립할 수 있고, 설계 변경에도 유연하게 대응할 수 있는 장점이 있기 때문입니다. 그러나 테스트 과정에서 예상치 못한 문제가 발생했습니다.
강한 토크가 작용할 때 벨트가 미끄러지며 헛도는 현상이 나타났고, 이로 인해 로봇 다리의 움직임이 원하는 만큼 제어되지 않았습니다. 이로 인해 저희는 타이밍 벨트 구조가 고토크를 안정적으로 견디기에는 한계가 있다는 사실을 확인하고 보다 견고한 구동 방식을 적용하기로 결정했습니다.
그래서 고토크에 최적화된 링크 메커니즘을 새롭게 설계하여 적용하였습니다. 이번에 제작한 로봇 다리는 단순한 시제품이 아니라, 저희가 개발한 액추에이터의 성능을 한계까지 시험하기 위해 제작된 실험용 플랫폼이었기 때문에 여러번의 시행 착오를 겪을 수 밖에 없었습니다.
본격적인 테스트 결과, 링크 구조와 금속 기어를 적용한 새로운 로봇 다리는 한쪽 다리만으로 약 40kg 이상에 달하는 하중을 들어 올리는 데 성공했습니다. 오직 하나의 액추에이터가 이 모든 하중을 견디며 안정적으로 작동하였습니다. 특히 이번 테스트에서는 고정밀 제어보다는 순수한 힘의 전달 능력을 검증하는 것이 주요 목표였습니다. 이 과정에서 저희의 제품은 기대 이상으로 안정적이고 강력한 성능을 보여주었으며, 고하중 환경에서도 충분히 신뢰할 수 있는 구동 솔루션임을 다시 한번 확인할 수 있게 되었습니다.
사이클로이드 기어는 복잡하게 얽혀 있는 구동 원리와 독특한 설계 방식을 가지고 있기 때문에, 처음 접하는 분들께는 쉽게 이해하기 어려운 구조입니다. 이 때문에 감속기나 액추에이터를 선정할 때, 사이클로이드 감속 기술이 적용된 제품이 어떤 이점을 가지는지를 정확히 이해하는 것이 매우 중요합니다.
사이클로이드 감속 기술이 제공하는 특성은 제품의 성능을 한층 끌어올리는 핵심 요소가 됩니다. 이를 올바르게 이해하고 적용할 수 있다면, 단순한 부품 선택을 넘어, 자사 제품의 차별화된 경쟁력을 확보하는 중요한 기반이 될 수 있습니다.
Bonsystems Cycloid Smart Actuator
BCSA는 본시스템즈의 핵심 기술인 사이클로이드 기어 기반의 감속 구조를 중심으로, 모터, 감속기, 제어 시스템을 하나로 통합한 일체형 스마트 액추에이터입니다. 기존에는 감속기와 모터를 별도로 조립하고, 제어 장치도 따로 연결해야 했지만, BCSA는 이러한 모든 과정을 하나의 유닛에 집약함으로써 설계와 조립을 대폭 간소화하였습니다.
이 제품의 가장 큰 강점은 얇은 두께에도 불구하고 강한 토크를 안정적으로 출력할 수 있는 구조에 있습니다. 간결한 사이클로이드 구조(CDC 타입)를 적용함으로써, 생산성과 조립 편의성을 동시에 갖추고 있습니다.
또한 감속기, 모터, 제어기가 하나로 통합된 올인원 모듈이라는 점에서 차별화된 경쟁력을 지니고 있습니다. 별도의 부품 조립이나 복잡한 케이블 연결 없이 하나의 모듈만으로 동력 전달, 구동, 제어가 모두 가능하도록 설계되어 있어, 전체 시스템 구성이 간결해지고, 배선 작업이 편리하다는 장점이 있습니다.
하나의 유닛으로 모든 기능을 수행할 수 있기 때문에, 로봇이나 자동화 장비를 설계할 때 내부 공간을 효율적으로 사용할 수 있고, 전체 구조 역시 간단하고 깔끔하게 구성할 수 있습니다. 특히 복잡한 기구 설계가 요구되는 로봇 관절이나 공간 제약이 있는 장비에 적용할 경우, 설계 유연성을 확보할 수 있다는 점은 저희 제품이 제공하는 가장 큰 가치 중 하나입니다.
오늘 포스팅에서는 사이클로이드 기어의 운동 원리와 그 구조에 대해 소개해드렸습니다. 자세히 들어가면 다소 어려운 내용이 많지만, 최대한 이해하기 쉽도록 간략하게 설명드리기 위해 노력하였습니다. 이번 설명이 조금이나마 도움이 되셨기를 바랍니다.
㈜본시스템즈는 독자적으로 개발한 사이클로이드 감속 기술을 기반으로, 감속기 개발, 액추에이터 제작, 로봇 하드웨어 제작 등 다양한 전문 서비스를 제공하고 있습니다. 이번 포스팅을 통해 소개해드린 모델 외에도 다양한 제품군을 직접 생산하고 있으며, 고객의 다양한 요구에 발맞추어 최적화된 솔루션을 제공하고 있습니다.
앞으로도 (주)본시스템즈는 미래 로봇 산업을 이끌어 나갈 차세대 구동 모듈을 지속적으로 개발하고, 귀사의 든든한 기술 파트너가 될 것을 약속드립니다. 제품 구매 및 개발 문의는 (주)본시스템즈 홈페이지의 견적 문의란을 통해 접수해주시기 바랍니다. 문의하실 때에는 제품의 용도와 목적, 예상 생산 수량, 그리고 요구하시는 사양 등 가능한 많은 정보를 함께 남겨주시면, 귀사에 가장 적합한 사이클로이드 기어 및 감속기, 액추에이터를 신속하고 정확하게 제안드리겠습니다.
