휴머노이드 액추에이터 설계에 Backdrivability를 강조하는 이유

이 글에서는 휴머노이드 액추에이터의 핵심 성능 지표 중 하나인 Backdrivability에 대해 이야기해 보겠습니다.

그동안 산업용 로봇은 정확도와 반복성이라는 두 축을 중심으로 발전해 왔습니다. 자동차 차체를 용접하고, 반도체 웨이퍼를 이송하고, 팔레트를 일정한 위치에 적재하는 작업처럼 정해진 공정을 안정적으로 수행하는 것이 핵심이었습니다. 이런 환경에서는 설계 방향도 분명했습니다. 반복되는 작업을 오차 없이, 안정적으로 정확하게 수행하는 것이죠.

산업용 로봇이 설치되는 공간은 대부분 구조화되어 있습니다. 로봇이 움직일 수 있는 범위는 설계단계에서 계획되어 있고, 어떤 위치에서 어떤 동작을 할지도 사전에 프로그램됩니다. 작업 환경이 일정하게 유지되기 때문에 사람이 갑자기 작업 구역 안으로 들어와 부딪히거나, 예상하지 못한 외부 힘이 가해지는 상황은 기본적으로 발생하지 않도록 설계됩니다. 사람과 로봇이 같은 공간에서 섞여 일하는 구조가 아니기 때문에, 안전 펜스나 구획을 통해 공간 자체를 분리하는 방식이 일반적입니다.

그렇다고 해서 안전을 고려하지 않는다는 의미는 아닙니다. ‘애초에 부딪히지 않게 분리하는 것’입니다. 충돌 상황은 정상적인 사용 조건으로 가정되지 않기 때문에, 설계 과정에서 외부 힘에 대한 순응성이나 역구동 (Backdrivability) 특성이 핵심 지표로 강조되지는 않는 경우가 많습니다. 예를 들어 용접 포인트가 몇 밀리미터만 어긋나도 품질 문제가 발생할 수 있고, 웨이퍼 이송 중 미세한 진동이 공정 수율에 직접적인 영향을 줄 수 있기 때문이죠.

1. 인간을 닮은 로봇, 휴머노이드

그렇다면 휴머노이드는 어떨까요? 인간의 신체 구조를 모방해 설계된 이 로봇은 반복 작업에 특화된 기존 산업용 로봇과는 뚜렷하게 다른 특성을 가집니다.

기존 산업용 로봇은 생산 라인의 특정 셀 안에서 고정된 반경으로 동작합니다. 설치 위치도 쉽게 바뀌지 않습니다. 다른 공정에 투입하려면 설비 이동과 재설치가 필요하고, 이는 비용과 시간 문제로 이어집니다.

반면 휴머노이드는 구조적으로 이동을 전제로 설계됩니다. 두 다리로 보행하고, 계단을 오르며, 작업 공간을 스스로 이동하는 것을 목표합니다. 환경이 바뀌더라도 하드웨어를 다시 배치할 필요가 없다는 장점이 있습니다. 물론 학습과 제어라는 또 다른 과제가 뒤따르지만, 기존의 산업용 로봇들과는 설계의 출발점 자체가 다르다는 것을 알 수 있습니다

산업용 로봇이 특정 환경에서 최고의 성능을 내도록 최적화하는 것을 목표로 한다면, 휴머노이드는 다양한 환경에서 적응하며 작업하는 것을 목표로 합니다. 이동을 전제로 한다는 것은 외부 환경과 지속적으로 물리적 상호작용을 한다는 뜻입니다.

바닥의 경사, 예상하지 못한 장애물, 사람과의 접촉 가능성, 순간적인 외부 충격 등이 모두 설계 전제 안에 포함되어야 합니다. 이러한 특성 때문에 휴머노이드 로봇에 요구되는 설계 조건과 산업용 로봇에 요구되는 설계 조건은 달라질 수밖에 없습니다.

2. 화려한 운동 능력, 그런데 착지 시 충격은 어디로 전달되는가

최근 휴머노이드 로봇은 백덤블링이나 고난이도 체조 동작을 수행할 만큼 빠르게 발전하고 있습니다. 이런 동작에는 순간적으로 큰 충격 하중이 관절에 전달됩니다. 높은 위치에서 착지하는 순간, 인간의 무릎은 연골과 근육, 인대가 복합적으로 작용해 충격을 흡수하고 분산합니다.

그러나 로봇의 관절은 기어, 베어링, 하우징, 모터로 구성된 기계 구조입니다. 착지 순간 발생한 충격은 결국 이 부품들을 통해 전달됩니다. 문제는 그 에너지가 어디에서 흡수되고, 어떻게 분산되는가입니다.

충격 하중이 내부 기어 치면과 베어링 접촉면에 반복적으로 집중될 경우, 장기 수명에 영향을 줄 수 있습니다. 그래서 관절이 외부 토크에 어떻게 반응하는지는 단순한 성능 문제가 아니라 구조적 수명과도 직결됩니다. 그리고 그 반응 특성에 직접적인 영향을 미치는 요소 중 하나가 바로 액추에이터의 역구동성, Backdrivability입니다.

3. 역구동성 (Backdrivability) 관절 차이 비교

그렇다면 실제로 역구동성이 동작 과정에서 어떻게 나타나는지, 영상을 통해 살펴보겠습니다.

영상에서 보시는 것처럼 전원이 인가되지 않은 정지 상태에서도 사람이 관절을 직접 밀거나 당기면 관절부가 유연럽게 움직이는 것을 확인하실 수 있습니다. 일반적으로 고감속 산업용 로봇의 경우 이러한 구동이 어렵습니다.

일반적으로 역구동성 (Backdrivability)은 감속비가 높을수록 낮아지는 경향이 있습니다. 감속비가 커질수록 출력축에서 입력축으로 힘을 되돌리기 위해 더 큰 토크가 필요하기 때문입니다.

높은 감속비는 작은 모터 토크로도 큰 출력 토크를 만들어낼 수 있다는 장점이 있습니다. 그리고 출력축의 움직임이 더 느려지는 만큼 제어가 안정적으로 이루어지고, 위치 정밀도 확보에도 유리합니다.

하지만 그만큼 외부에서 입력축에서 가해지는 힘이 출력축으로 전달되는 과정은 더 어려워집니다. 즉, 단단하고 잘 버티는 구조가 되는 대신, 외력에 대해 자연스럽게 물러나거나 순응하는 특성은 약해질 수 있습니다.

그러나 반대의 경우에는 외부에서 가해지는 힘에 의해 출력축이 움직이고, 그 힘이 감속기 내부를 거쳐 입력축 방향으로 전달되면서 모터가 함께 회전합니다. 이것이 바로 역구동이 일어나는 상황입니다.

이와 같은 동작이 가능한 이유는 입력축에서 발생하는 외력이 감속기 내부 기어를 통해 비교적 원활하게 전달될 수 있도록 구조로 설계되어 있기 때문입니다. 즉, 외부 토크가 내부 마찰이나 기어 저항에 의해 거의 차단되지 않고, 기구적으로 되돌아갈 수 있는 조건을 갖추고 있다는 의미입니다.

이 지점에서 백래시와의 관계를 생각해 볼 수 있습니다. 백래시는 기어 맞물림 사이의 유격을 의미하며, 일반적으로 줄일수록 위치 정확도와 응답성이 향상됩니다. 반면 역구동성은 외부 힘에 의해 출력축이 입력축을 되돌릴 수 있는 특성을 의미합니다. 감속비가 높고 내부 마찰이 큰 구조는 보통 백래시를 줄이고 강성을 높이는 데는 유리하지만, 동시에 역구동성은 낮아지는 경향을 보입니다.

결국 높은 감속비 구조는 “느리지만 강하고 안정적인 동작”에는 적합하지만, 외부 충격이나 접촉 상황에서 유연하게 반응해야 하는 휴머노이드 관절에서는 또 다른 고민을 필요로 합니다. 바로 이 부분이 휴머노이드 액추에이터의 설계와 산업용 로봇이 갖는 가장 큰 차이점입니다.

<본시스템즈 휴머노이드 액추에이터, BCSA V4 시리즈 이미지>

4. 인간형 구조가 요구하는 관절 특성

휴머노이드의 핵심 가치는 단순히 두 다리로 걷는 외형에 있지 않습니다. 인간과 같은 공간에서, 인간을 위해 설계된 환경을 그대로 활용할 수 있다는 점에 있습니다.

문 손잡이를 돌리고, 계단을 오르고, 박스를 들고, 도구를 사용하는 모든 행동은 인간의 신체 구조를 기준으로 설계된 환경에서 이루어집니다. 결국 휴머노이드 액추에이터 설계는 인간 관절의 특성을 얼마나 기계적으로 재현할 수 있는가의 문제로 이어집니다.

인간의 관절은 단순히 힘을 전달하는 구조가 아닙니다. 외력이 가해졌을 때 즉각적으로 버티기만 하는 구조도 아닙니다. 밀리면 물러나고, 충격을 받으면 흡수하고, 필요할 때는 강하게 지지합니다. 이 특성은 근육, 힘줄, 인대가 만들어내는 복합적인 순응성에서 비롯됩니다.

인류학자 네이피어는 인간의 손이 정밀한 파지와 강력한 파지를 동시에 수행할 수 있도록 진화하면서 뇌 발달에 영향을 주었다고 설명했습니다. <The Hand. (Revised by R. H. Tuttle). Princeton University Press.>여기서 중요한 것은 “정밀함과 강성”만이 아니라, 상황에 따라 힘을 조절하고 외력에 반응할 수 있는 능력입니다. 이것이 휴머노이드 액추에이터 설계에서 역구동성 (Backdrivability)이 중요한 이유입니다.

5. 역구동+토크, 기술과 경험의 집약

휴머노이드 액추에이터를 설계하다 보면 결국 하나의 질문으로 수렴합니다.

“역구동성을 확보하면서도, 필요한 토크를 어떻게 유지할 수 있을까?“

감속비를 낮추면 역구동성은 좋아질 수 있습니다. 하지만 동시에 출력 토크 확보는 어려워집니다. 반대로 감속비를 높이면 작은 모터로도 큰 토크를 만들 수 있지만, 외력이 내부를 되돌아가기 어려운 구조가 됩니다. 강성은 높아지지만 순응성은 낮아집니다.

이 문제를 해결하기 위해서는 감속비, 기어의 형태, 모터와 감속기의 설계 구조, 부품의 가공 정밀도 등 다양한 요소들이 고려됩니다. 휴머노이드 액추에이터는 단순히 높은 토크 밀도, 가격 경쟁력, 내구성만 충족한다고 완성되는 제품이 아닙니다. 물리 환경과 지속적으로 상호작용하는 동적 시스템이라는 전제에서 접근해야 합니다.

보행과 착지, 물체 파지, 사람과의 접촉이 동시에 요구되는 휴머노이드 구조에서는 “얼마나 강한가”보다 “외력에 어떻게 반응하는가”도 중요한 설계 지표입니다. 그리고 서로 다른 이 2가지 조건을 적용하여 균형 있는 제품을 만들어내는 것이 앞으로 다가올 미래 로봇 시대를 이끌어나갈 핵심 기술이라고 저희는 생각합니다.

BCSA V4 SERIES SPEC SHEET
모델	외경 (mm)	두께 (mm)	입력회전수 (RPM)	출력 회전수 (RPM)	최대 토크 (Nm)	중량 (kg)	제품 정보
BCSA 070-019-I	70	50	3,190	168	20	0.68	BCSV V4RI SERIES
BCSA 070-029-I	70	50	3,190	110	29	0.68
BCSA 070-039-I	70	50	3,190	82	38	0.68
BCSA 070-049-I	70	50	3,190	65	38	0.68
BCSA 087-019-I	87	55	2,710	143	32	1.14
BCSA 087-029-I	87	55	2,710	93	47	1.14
BCSA 087-039-I	87	55	2,710	69	62	1.14
BCSA 087-049-I	87	55	2,710	55	62	1.14
BCSA 096-019-I	96	59.5	2,430	128	49	1.59
BCSA 096-029-I	96	59.5	2,430	84	73	1.59
BCSA 096-039-I	96	59.5	2,430	62	94	1.59
BCSA 096-049-I	96	59.5	2,430	50	94	1.59
BCSA 107-011-O	107	53	4,000	327	31	1.36	BCSV V4RO SERIES
BCSA 107-015-O	107	53	4,000	240	40	1.36
BCSA 107-019-O	107	53	4,000	189	48	1.36
BCSA 107-029-O	107	53	4,000	124	71	1.36
BCSA 107-039-O	107	53	4,000	92	92	1.36
BCSA 107-049-O	107	53	4,000	73	92	1.36
BCSA 127-011-O	127	54.5	2,000	182	92	1.93
BCSA 127-015-O	127	54.5	2,000	133	119	1.93
BCSA 127-019-O	127	54.5	2,000	105	144	1.93
BCSA 127-029-O	127	54.5	2,000	69	212	1.93
BCSA 127-039-O	127	54.5	2,000	51	276	1.93
BCSA 127-049-O	127	54.5	2,000	41	276	1.93

BCSA SERIES는 이러한 설계 철학을 바탕으로 개발된 휴머노이드 액추에이터입니다. 단순히 높은 감속비로 토크를 확보하는 방식이 아니라, 감속비 구성과 내부 기어 구조 설계 단계에서부터 휴머노이드 관절의 외력 반응 특성을 고려하여 개발되었습니다.

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6. 자주 묻는 질문