QDD 액추에이터 (Quasi Direct Drive Actuator)에 집중하는 이유는?

로봇 엔지니어링에 관심이 있다면, QDD 액추에이터(Quasi Direct Drive Actuator)에 대해서 한번쯤 들어 보셨을거라고 생각합니다. 2019년 MIT 생체모방연구소에서 공개된 ‘미니 치타(Mini Cheetah)’ 로봇은 세계 최초로 4족 보행 로봇이 뒤로 덤블링하는 장면을 선보이며 큰 화제를 모았습니다. 짧은 영상 속에서 많은 엔지니어들이 로봇 관절이 민첩하게 반응하고, 안정적으로 착지하는 모습게 큰 충격을 받았습니다. 이러한 놀라운 운동 능력을 가능하게 만든 핵심 부품이 있습니다. 바로 QDD 액추에이터입니다.

QDD 액추에이터는 기존에 드론에 주로 사용되던 BLDC 모터를 재설계함으로써 낮은 감속비의 유성 감속기를 적용해, 더 강한 출력 토크를 낼 수 있도록 만들어졌습니다. 이는 로봇이 민첩하게 움직이기 위해 필요한 빠른 응답 속도와 강한 힘을 확보하기 위함입니다. 로봇에 민첩성이 요구되는 이유는 명확합니다. 생산성 향상을 위해서입니다. 일상에서 로봇이 뒤로 덤블링을 해야되는 상황은 거의 없습니다. 그러나, 그 정도의 민첩성을 갖춘 로봇이라면 일상생활에서 우리가 요구하는 다양한 작업들을 무리 없이 수행할 수 있습니다.

휴머노이드 로봇도 마찬가지입니다. 생산 현장에서 사람을 대신해 높은 효율로 작업을 수행하려면 충분한 속도와 반응성이 필요합니다. 움직임이 느리면 생산 효율이 떨어질 수밖에 없기 때문입니다.

QDD(Quasi Direct Drive)

QDD는 중앙이 비어 있는 중공형 모터 내부에 소형 감속기를 장착한 구조를 사용합니다. 이러한 설계는 액추에이터의 부피를 줄이면서 토크 밀도를 높이는 데 효과적입니다. MIT의 ‘미니 치타(Mini Cheetah)’가 보여준 역동적인 움직임 역시 이 ‘준직접 구동(Quasi Direct Drive)’ 방식 덕분입니다.

DD 모터(Direct Drive)라고 불리는 다이렉트 드라이브 방식은 모터 자체만으로 높은 출력 토크를 구현하며, 하중물을 직접 장착할 수 있지만, 회전 속도(RPM)가 낮은 편에 속합니다. 최근 4족 보행 로봇이나 휴머노이드 로봇에서 요구되는 동작은 빠르고 민첩한 토크 전달과 강한 힘을 동시에 필요로 합니다. 그래서 DD 모터의 저속 RPM만으로는 이러한 성능을 구현하기 어렵고, 여기에 가격이라는 현실적인 제약까지 더해집니다.

예를 들어 휴머노이드 로봇의 어깨 관절에서 전·후방, 측면, 회전 운동을 모두 구현하려면 최소 3개의 액추에이터가 필요합니다. 여기에 팔꿈치, 손목, 대퇴부, 다리 관절까지 포함하면 한 대의 로봇에는 최소 20개 이상의 액추에이터가 들어갑니다. 4족 보행 로봇의 경우에도 보통 12개 이상이 필요합니다.

로봇의 상용화를 위해서는 원가 절감이 필수입니다. 동시에 더 민첩한 움직임과 산업 현장에서 요구되는 수준의 하중 지탱 능력을 확보해야 합니다. 이런 점에서 기존 다이렉트 드라이브 방식은 한계를 가지며, 그 대안으로 주목받고 있는 기술이 바로 QDD 액추에이터입니다.

중공형 모터란?

중공형 모터는 이름 그대로 중심 부분이 비어 있는 구조를 가진 모터입니다. 일반적인 모터와 달리 중앙 공간을 통해 전선이나 케이블을 통과시키거나, 감속기와 같은 부품을 직접 내장할 수 있도록 설계되어 있습니다. 이러한 구조는 시스템 내부의 공간 활용도를 높이고, 장비 전체의 크기와 무게를 줄이는 데 큰 도움이 됩니다.

회전자의 위치에 따라 중공형 모터는 두 가지로 나눌 수 있습니다. 회전자가 고정자의 안쪽에서 회전하는 내전형(프레임리스 이너 로터)과, 고정자의 바깥에서 회전하는 외전형(프레임리스 아우터 로터)입니다. 두 방식 모두 하우징이 없는 프레임리스 설계를 특징으로 하며, 다양한 기계 장치에 유연하게 적용될 수 있습니다.

특히 로봇 산업에서 중공형 로터의 활용 가치는 매우 높습니다. 하우징 없이 고정자와 회전자만으로 구성된 이 부품은 QDD(Quasi-Direct Drive) 액추에이터 개발에 핵심적으로 사용됩니다. 구동 모듈을 소형화·경량화하고, 제품 특성에 맞춘 컴팩트한 부품 설계를 지원한다는 점에서, 민첩성과 경량성이 중요한 현대 로봇 산업의 핵심 기술 트렌드로 자리 잡고 있습니다.

QDD 액추에이터의 특징

로봇 액추에이터에 요구되는 성능 요소는 다양하지만, 그중에서도 특히 중요한 기준은 무게, 토크 밀도, 백드라이브, 그리고 토크입니다. 백드라이브는 출력축을 역방향으로 구동했을 때 입력축이 함께 회전하는 정도를 나타내는 지표로, 로봇의 민첩성과 직결됩니다.

MIT의 ‘미니 치타(Mini Cheetah)’를 예로 들어보겠습니다. 뒤로 덤블링하는 과정에서 다리가 지면에 닿는 순간, 해당 관절부에는 큰 충격 하중이 전달됩니다. 사람의 경우 관절 연골이 이러한 충격을 완화하지만, 로봇은 그러한 구조가 없어 액추에이터가 직접 하중을 흡수해야 합니다. 이때 백드라이브 성능이 우수하면 충격을 분산시켜 손상이나 고장 가능성을 줄일 수 있습니다. 특정 상황에서 사람이 로봇 관절을 수동으로 조작해야 할 때에도 백드라이브 기능은 중요한 역할을 합니다.

토크 밀도 역시 핵심 지표입니다. 같은 부피에서 얼마나 효율적으로 토크를 낼 수 있는지를 판단하며, 이는 로봇 산업에서 중요한 트렌드인 경량화와 밀접하게 연결됩니다. 기술 발전 속도가 빨라짐에 따라 액추에이터 설계 역시 빠른 변화를 맞이하고 있으며, 이러한 요구를 만족시키는 방식 중 하나가 바로 QDD 액추에이터입니다.

Quasi Direct Drive는 중공형 모터 내부에 감속기를 직접 설치해 더 빠른 반응성을 제공합니다. 모터와 감속기를 직렬로 연결하는 일반 구조와 달리, 로터 내부에 감속기를 부착하기 때문에 전체 두께를 줄일 수 있습니다. 그 결과 더 높은 RPM에서도 충분한 출력 토크를 구현할 수 있습니다. 이 특성 덕분에 QDD 액추에이터는 4족 보행 로봇, 휴머노이드 로봇, 협동 로봇 등 민첩한 동작이 필요한 인공지능 로봇 분야에서 높은 기대를 받고 있습니다.

다만 QDD 액추에이터가 장점만 있는 것은 아닙니다. 중공형 모터 내부에 감속기를 내장하는 구조는 고감속비 구현에 한계가 있습니다. 현재 QDD에는 주로 유성 기어 감속기가 적용되는데, 이는 효율이 높지만 1단에서 감속비 10단 이상으로 구현하는데 어려움이 있으며, 더 높은 감속비를 얻기 위해서는 2단 이상의 설계가 필요하며, 이 경우 감속기 크기와 액추에이터 두께가 증가합니다. 이는 경량화와 토크 밀도 측면에서 불리하게 작용합니다.

QDD에 다른 기어를 적용할 수는 없을까?

MIT의 ‘미니 치타’에 적용된 QDD 액추에이터를 떠올리며 고민했습니다. 저단 감속에 경제적이면서도 효율적인 유성 기어 감속기는 분명 장점이 있지만, 기어 마모로 인한 내구성 문제와 소음 문제를 완전히 해결하기에는 한계가 있었습니다. 그렇다면 이 문제를 어떻게 극복할 수 있을까?

오랜 연구와 테스트 끝에 저희는 하나의 결론에 도달했습니다. 속도는 일부 양보하더라도 내구성과 토크 향상에 집중하자. 그렇게 탄생한 것이 바로 사이클로이드 기어를 적용한 중공형 액추에이터, BCSA 시리즈입니다.

최근 로봇 산업에서 고감속비의 필요성이 점차 줄어드는 흐름을 확인했고, 이에 맞춰 저희는 11:1과 15:1의 낮은 감속비를 제공하는 로봇 액추에이터 BCSA V4를 개발했습니다. BCSA V4는 사이클로이드 기어 구조를 적용한 중공형 액추에이터로, 낮은 감속비에서도 안정적인 토크 출력과 높은 내구성을 자랑합니다. 기어 치형이 충격 하중을 넓은 면적으로 분산시켜 마모와 소음을 크게 줄이기 때문에 장기간 사용에도 성능 저하가 최소화됩니다.

특징적인 점은 감속기와 모터를 분리한 구조를 채택했다는 것입니다. 이를 통해 부품별 최적화를 용이하게 하고, 유지보수와 교체를 보다 효율적으로 수행할 수 있습니다. 또한 설계 단계에서 경량화를 적극 반영해 불필요한 무게를 줄였으며, 로봇 설계자가 더 넓은 자유도를 확보할 수 있도록 했습니다. 로터 내부에 감속기를 배치하는 구조 덕분에 전체 두께가 얇아져 협소한 공간에도 손쉽게 적용할 수 있습니다.

BCSA V4는 11:1, 15:1 감속비 구성을 통해 고속 회전이 필요한 동작과 부드러운 토크 제어를 모두 지원합니다. 높은 역구동성을 제공해 외부 충격을 효과적으로 흡수하고, 사람과 안전하게 상호작용할 수 있는 로봇 환경 구현에도 적합합니다. 이러한 특성 덕분에 4족 보행 로봇, 휴머노이드, 협동 로봇 등 다양한 플랫폼에 유연하게 적용할 수 있습니다.

마치며,

로봇 산업은 지금도 빠르게 변화하고 있으며, 구동 기술은 그 변화를 이끄는 핵심 요소입니다. QDD 액추에이터는 민첩한 동작과 높은 효율을 동시에 구현할 수 있는 혁신적인 솔루션이지만, 모든 조건에서 완벽한 해답은 아닙니다. 저희는 그 한계를 보완하고, 더 넓은 적용 범위를 확보하기 위해 사이클로이드 기어 기반의 BCSA V4 시리즈를 개발했습니다.

BCSA V4는 낮은 감속비에서도 안정적인 토크, 뛰어난 내구성, 경량화된 설계, 그리고 유지보수 편의성까지 갖춘 차세대 로봇 액추에이터입니다. 이는 단순한 성능 향상을 넘어, 로봇 설계와 응용 범위를 넓히고 새로운 가능성을 여는 기술적 기반이 될 것입니다.

BCSA V4 시리즈는 2025년 8월 출시를 앞두고 있으며, 본시스템즈는 산업 현장과 연구 현장에서 요구하는 성능과 신뢰성을 만족시키는 구동 솔루션을 지속적으로 개발해 나갈 것입니다. 로봇 산업의 다음 도약, 그 중심에 BCSA V4가 설 것입니다. (25년 8월 29일 출시된, BCSA V4 시리즈를 지금 확인하세요)

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자주 묻는 질문 (FAQ)