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로봇의 관절이 진화한다: 스마트 액추에이터

스마트 액추에이터라고 들어보셨나요? 최근 몇 년 사이, 인공지능(AI) 기술은 눈부신 속도로 발전하고 있습니다. 과거에는 단순한 알고리즘 수준에 머물렀던 AI가 이제는 자연어를 이해하고, 복잡한 상황을 판단하며, 자율적인 행동을 설계할 수 있는 수준에 이르렀습니다. 이러한 기술적 진보는 더 이상 소프트웨어 영역에만 머무르지 않고, 로봇 산업 전반에도 강력한 영향을 미치고 있습니다.

특히 주목해야 할 변화는 바로 ‘피지컬 AI(Physical AI)’, 물리적인 행동을 수행할 수 있는 인공지능 로봇의 등장이 가속화되고 있다는 점입니다. 기존의 AI가 데이터를 분석하고 의사결정을 내리는 데 초점을 맞췄다면, 피지컬 AI는 이 판단을 바탕으로 직접 물체를 조작하고, 이동하며, 작업을 수행하는 능력까지 갖추고 있습니다. 이는 단순한 자동화를 넘어, AI가 실제로 ‘몸을 갖고 움직이는 존재’로 확장되고 있음을 의미합니다.

이러한 변화는 로봇의 기능, 구조, 그리고 구동 기술 전반에 큰 전환점을 만들어내고 있습니다. 기존에는 단순한 반복 작업을 수행하던 산업용 로봇이 주를 이루었다면, 이제는 AI 기반의 판단 능력과 환경 인지 기능을 결합한 지능형 로봇이 다양한 분야로 확장되고 있습니다. 자율주행 물류로봇, 협동로봇, 심지어 가정용 서비스 로봇에 이르기까지, 로봇은 더 이상 공장만의 장비가 아니라 일상과 산업을 연결하는 핵심 기술로 자리잡고 있습니다.

이처럼 로봇이 사람과 협력하거나 스스로 판단해 움직이는 구조로 진화하면서, 단순히 동작을 반복 수행하는 수준을 넘어선, 정교하고 지능적인 구동 능력이 필수적으로 요구되고 있습니다. 복잡한 명령을 실시간으로 해석하고, 안전하게 움직이며, 높은 정밀도로 작업을 수행해야 하는 로봇에게 있어, 구동 장치의 성능은 곧 전체 시스템의 품질과 신뢰성을 결정짓는 핵심 요소로 작용합니다.

그 중심에 바로 스마트 액추에이터가 있습니다.

smart actuator

스마트 액추에이터란?

모터, 감속기, 제어기, 센서를 각각 따로 설계하고 연결하던 기존 방식에서 벗어나, 하나의 유닛에 이 모든 기능을 통합한 지능형 구동 시스템이 최근 각광받고 있습니다. 이러한 통합형 구조는 특히 피지컬 AI 시대에 최적화된 핵심 구동 솔루션으로 주목받고 있으며, 바로 그것이 스마트 액추에이터입니다. 모터와 감속기가 결합된 기존의 구동 장치를 넘어, 센서와 제어 기능이 함께 내장된 지능형 장치로, 단순히 힘을 전달하거나 위치를 이동시키는 수준을 넘어서, 스스로 상태를 판단하고 반응할 수 있는 ‘똑똑한 액추에이터’입니다.

전통적인 로봇 설계 방식에서는 모든 시스템을 별도로 구성하여 연결해야 했지만, 이 똑똑한 기계 장치는 모든 기능을 하나의 장치 안에 통합하여 제공합니다. 이렇게 통합된 구조는 공간 활용도를 높이는 동시에 설계의 복잡도를 줄여주고, 전체 시스템의 성능을 크게 향상시킵니다.

특히 센서와 제어기가 내장되어 있기 때문에 별도의 외부 제어 장치 없이도 각종 상태 정보를 실시간으로 모니터링할 수 있으며, 위치나 속도, 토크 제어를 효과적으로 수행할 수 있습니다. 복잡한 자동화 설비나 스마트 팩토리 환경에서도 원활한 통신과 제어를 가능하게 하며, 내장된 센서를 통해 다양한 데이터를 수집하고 분석할 수 있어서 이상 유무를 실시간으로 감지하는데 뛰어납니다.

smart actuator

구성 요소

1) 감속기

모터에서 발생하는 빠른 회전 속도를 줄이고, 그 대신 회전력을 증폭시키는 기계 부품입니다. 쉽게 말하면, 빠르게 도는 작은 힘을 느리지만 강한 힘으로 바꾸는 역할을 하는 것입니다. 감속기는 동력을 전달할 뿐만 아니라, 얼마나 정확하게 움직일 수 있는지를 결정짓는 요소이기도 합니다.

감속기의 성능은 내부에 사용된 기어의 형상, 구조, 그리고 가공 정밀도에 따라 좌우됩니다. 사이클로이드 감속기, 유성 감속기, 베벨 기어, 웜 기어 등 다양한 구조가 존재하며, 각각의 용도와 적용 분야가 다릅니다. 특히 사이클로이드 감속기는 높은 내구성과 토크 출력이 가능해서 피지컬 AI 분야에 적합한 기술이라고 볼 수 있습니다.

BSR gear reducer

2) 모터

전기를 회전 운동으로 바꾸는 장치입니다. 우리가 어릴 적 친구들과 갖고 놀던 미니카 안에도 작은 DC 모터가 들어 있었고, 지금 우리가 사용하는 세탁기, 선풍기, 로봇청소기 등에도 다양한 모터가 들어 있습니다. 이처럼 모터는 일상과 산업 전반에 걸쳐 필수적으로 사용되는 핵심 부품입니다. BLDC 모터 프레임 리스 로터, 스테핑 모터 등 다양한 종류가 있습니다.

‘프레임리스 로터’라는 용어가 다소 생소하게 느껴지실 수 있어, 간단히 설명을 드리겠습니다.
모터의 기본적인 동작 원리는 동일하지만, 프레임리스 로터는 말 그대로 외부 하우징이나 고정된 구조물(프레임)이 없는 형태의 모터를 말합니다. 구조적으로는 모터의 핵심 부품인 스테이터(코일)와 로터(자석)만 제공되며, 이를 사용자가 직접 시스템에 통합해 조립하는 방식입니다.

이 프레임리스 구조는 로터의 위치에 따라 두 가지 유형으로 나뉩니다. 아우터 로터(외회전자)와 이너 로터(내회전자)입니다.

아우터 로터 타입은 코일(스테이터)이 모터의 중심부에 고정되어 있고, 이를 바깥쪽에서 감싸는 자석(로터)이 회전하는 구조입니다. 즉, 속은 고정되고 겉이 회전하는 방식입니다.

반대로, 이너 로터 타입은 자석(로터)이 내부 중심축에 위치하고, 그 바깥을 둘러싼 코일(스테이터)이 고정되어 있어 안쪽의 로터가 회전하는 구조, 즉 속이 회전하고 겉은 고정되는 방식입니다. 이 두 구조는 동작 특성에도 차이를 보입니다.

아우터 로터 방식은 회전 반경이 크기 때문에 저속에서도 높은 토크(힘)를 만들어내는 데 유리합니다. 반면, 이너 로터는 회전 반경이 작아 더 빠른 회전 속도(RPM)를 구현할 수 있어, 속도가 중요한 구동 환경에 적합합니다.

이러한 프레임리스 구조는 제한된 공간에도 효율적으로 통합이 가능하고, 감속기와 직접 결합하여 더 얇고 유연한 설계를 구현할 수 있다는 점에서, 고급 로봇 시스템이나 정밀 구동을 요구하는 장비에 매우 적합한 기술입니다.

frameless rotor

3) 엔코더

로봇이나 장비가 얼마나, 어디까지, 어느 방향으로 움직였는지를 실시간으로 측정해주는 센서입니다. 예를 들어, 로봇 팔이 특정 위치까지 이동해야 할 때, 엔코더가 현재 위치를 계속 측정해서 제어장치에 알려주고, 제어장치는 이 정보를 바탕으로 ‘더 움직여야 하는지, 멈춰야 하는지’를 판단합니다.

이처럼 엔코더는 위치, 속도, 회전 방향 등의 데이터를 전기 신호로 전달하며, 이 데이터는 AI와 결합되어 로봇 스스로 학습하거나 구동 성능을 분석하는 데에도 사용됩니다. 감속기와 더불어 스마트 액추에이터에서 가장 핵심적인 기술로 손꼽히는 부품입니다.

4) 브레이크

브레이크는 스마트 액추에이터 내에서 작동 안전성과 직결되는 핵심 부품입니다. 일반적으로 로봇이 정상적으로 작동할 때는 큰 문제가 없지만, 갑작스러운 정전이나 비상 상황이 발생하면 모터의 회전을 즉시 멈추거나 위치를 고정하기 어렵습니다. 이럴 경우, 로봇 팔이 들고 있던 물체를 놓치거나, 무게 중심을 잃고 빠르게 쏠리면서 주변 작업자나 장비에 심각한 위험을 초래할 수 있습니다.

이러한 상황을 예방하기 위해 스마트 액추에이터에는 전원이 차단되면 자동으로 작동하는 브레이크가 내장되어 있습니다. 브레이크는 모터의 회전을 강제로 멈추거나 관절을 고정하여, 외부 충격이나 중력에 의한 추락을 방지합니다. 특히 수직 방향으로 하중을 지탱하는 로봇이나 고정된 자세를 유지해야 하는 시스템에서는 필수적으로 적용되는 장치입니다.

이를 보다 쉽게 이해하려면, 실생활에서 흔히 말하는 ‘블랙아웃’(Blackout)을 떠올려볼 수 있습니다. 예를 들어, 운동 중 과도한 힘을 쓰다 보면 산소 공급이 부족해져 의식을 잃고 쓰러지는 경우가 있습니다. 사람도 갑자기 쓰러지면 주변에서 그 무게를 버티기 어려운 것처럼, 금속 구조의 로봇이 무방비 상태로 쓰러질 경우, 예상치 못한 충격이나 2차 사고로 이어질 수 있습니다.

브레이크는 바로 이런 상황을 예방하기 위한 장치입니다. 전원이 차단되더라도 로봇이 안전하게 멈추고, 위치를 고정할 수 있도록 하여, 작업자의 안전과 장비 보호를 동시에 실현합니다.

BRAKE

5) 드라이버

스마트 액추에이터 내부에서 가장 ‘실질적인 실행자’ 역할을 맡고 있습니다. 드라이버는 제어장치에서 내려온 명령을 받아, 모터에 전기 신호를 보냅니다. 단순히 전기를 흘려보내는 것이 아니라, 모터가 언제 멈추고, 언제 회전하며, 어느 방향으로 얼마만큼의 속도로 움직일지를 정밀하게 조절합니다.

드라이버는 속도를 천천히 올리는 가속, 일정 속도를 유지하는 주행, 그리고 부드럽게 멈추는 감속까지 모두 관장합니다. 여기에 전류량을 조절해 회전력을 세밀하게 조정하는 토크 제어도 함께 수행합니다. 쉽게 말해, 드라이버는 모터가 ‘어떻게 움직일 것인지’를 결정하는 정밀한 전기 지휘자 역할을 수행합니다

이처럼 스마트 액추에이터는 각각의 구성 요소가 유기적으로 연결되어 있어야만, 전체 시스템이 안정적으로 동작할 수 있으며, 단순한 조립체가 아니라 기계 설계와 전자 제어 기술이 융합된 고도화된 구동 솔루션이라고 볼 수 있습니다.

Robot Dog

기술 도입의 장점은?

스마트 액추에이터 기술의 가장 큰 장점은, 모터, 감속기, 제어기, 센서 등 핵심 구성 요소들이 하나의 모듈로 통합되어 있다는 점입니다. 이 통합 구조는 로봇 및 자동화 장비 설계 시 여러 면에서 실질적인 이점을 제공합니다.

먼저, 제품 설계가 훨씬 용이해집니다. 개별 부품을 따로 배치하고 조립할 필요가 없기 때문에, 부품 간 간섭을 고려하거나 배선 경로를 복잡하게 설계할 필요가 줄어듭니다. 특히 설계 공간을 확보하는 데 유리해, 좁은 공간에서도 구동 시스템을 구현할 수 있다는 점은 매우 큰 장점입니다. 이는 설계의 자유도를 높이고, 소형 로봇이나 협동 로봇 같은 컴팩트한 구조의 장비에도 쉽게 적용할 수 있게 만듭니다.

또한 회로 연결과 배선이 단순화되면서, 유지보수 역시 훨씬 수월해집니다. 일반적으로 부품 수가 많아질수록 연결해야 하는 배선도 복잡해지고, 그에 따라 오류 발생 가능성도 높아집니다. 하지만 스마트 액추에이터는 주요 기능이 하나의 모듈로 통합되어 있어, 외부에서 연결해야 할 배선을 최소화할 수 있습니다. 이로 인해 시스템 구성이 한층 깔끔해지고, 고장 원인을 신속하게 파악하거나 수리 및 교체 작업을 간편하게 수행할 수 있습니다.

그리고 여기서, 저희는 한 걸음 더 나아가기로 했습니다.
보다 컴팩트한 크기와 동시에 더욱 강력한 성능을 구현할 수 있는 제품을 만들기로 말이죠.

smart actuator BCSA

Bonsystems Cycloidal Smart Actuator

BCSA는 본시스템즈가 독자적으로 개발한 사이클로이드 기어 구조를 적용한 스마트 액추에이터입니다.

사이클로이드 기어는 구름 운동 방식으로 작동되어 마모가 적고 내구성이 뛰어난 구조를 가지고 있습니다. 또한 넓은 감속비 범위를 구현할 수 있어, 제품의 외형이나 내부 부품을 변경하지 않고도 다양한 감속비 설정이 가능하다는 점에서 설계의 유연성을 획기적으로 높일 수 있는 기술입니다.

저희는 이 기술의 장점에 주목했습니다. 현재 시중에서 판매되고 있는 다양한 액추에이터 제품들 가운데, 박형 구조로 강력한 토크를 출력할 수 있는 제품은 매우 드뭅니다. 본시스템즈는 이러한 니즈를 해결하고, 고중량 작업을 수행할 수 있는 차세대 로봇 시스템을 위한 핵심 구동 기술을 선제적으로 확보하고자 했습니다.

이를 위해 한 가지 새로운 아이디어를 더했습니다. 저희가 착안한 해법은 프레임리스 아우터 로터 모터와 사이클로이드 감속기를 하나의 구조로 통합하는 것이었습니다. 이 결합은 기존보다 더 얇고, 더 강력하며, 더욱 설계에 유리한 구조를 만들어낼 수 있는 기반이 되었습니다.

그 결과, BCSA 시리즈는 얇은 두께에도 불구하고 고토크 출력을 실현할 수 있는 제품으로 탄생했습니다. 공간 제약이 있는 장비나 다축 설계가 필요한 복잡한 구조의 로봇에도 이상적으로 적용 가능하며, 강한 힘과 높은 출력이 요구되는 다양한 산업용 로봇 및 자동화 장비에 최적화된 솔루션으로 자리잡고 있습니다.

Bonsystems Smart Actuator

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