로봇 핵심 부품, 액추에이터 역할과 기능은?

이 글은 로봇 핵심 부품인 액추에이터의 역할과 기능이 궁금한 분들을 위해, 다소 어렵게 느껴질 수 있는 개념들을 누구나 쉽게 이해할 수 있도록 정리했습니다. 본시스템즈 공식 유튜브 채널 [BONSYSTEMS GLOBAL]을 구독하시면, 로봇 산업의 최신 트렌드와 핵심 기술을 이해하는 데 도움이 되는 다양한 콘텐츠를 만나보실 수 있습니다.

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사람처럼 걷고, 달리고, 때로는 곡예에 가까운 동작까지 수행하는 로봇들. 이러한 복잡하고 정교한 움직임을 가능하게 만드는 핵심 요소가 있습니다. 바로 액추에이터입니다. 로봇 핵심 부품 중 하나로 액추에이터는 구동부의 움직임을 만들어내는 역할을 수행합니다.

1. 액추에이터란 무엇인가요?

액추에이터는 로봇에만 사용되는 부품이 아닙니다. 자동화 설비, 공장 생산 라인, 건설 현장에서 사용되는 중장비 등 다양한 산업 분야에서 폭넓게 활용되고 있습니다. 로봇 핵심 부품 중 하나로 사용 목적과 요구 성능에 따라서 다양한 형태와 종류로 구분됩니다.

2. 용도 및 형태에 따른 구분

1) 리니어 액추에이터

리니어 액추에이터는 모터와 감속기의 회전 운동 에너지를 직선 운동으로 변환하는 구동 장치입니다. 직선 방향으로 큰 힘을 안정적으로 전달할 수 있어 고하중·고출력이 요구되는 응용에 유리한 특성을 가집니다. 이러한 장점으로 인해 리프트 시스템과 같이 큰 힘이 필요한 설비는 물론, 휴머노이드 로봇의 하체처럼 가반 하중 부담이 큰 부위에서 효과적으로 활용될 수 있습니다.

2) 로터리 액추에이터

로터리 액추에이터는 회전 운동을 생성하는 방식의 액추에이터로, 모터의 회전력을 직접 사용하거나 감속기를 통해 토크를 증폭하여 구동합니다. 로봇의 관절부, 회전 테이블, 암(Arm) 구동부 등 회전 동작이 요구되는 다양한 산업 및 로봇 응용 분야에서 핵심적인 액추에이터 역할을 수행합니다. 휴머노이드 로봇을 예로 들면, 어깨나 팔꿈치와 같이 넓은 회전 범위와 유연한 움직임이 요구되는 관절 부위에서 특히 높은 활용도를 가집니다.

<로봇 액추에이터 BCSA V4 SERIES (로터리 타입)>

3. 동력원에 따른 액추에이터의 구분 방법

1) 유압식

유압식 액추에이터는 유체(유압유)의 압력과 유량을 이용해 구동되며, 매우 큰 힘(토크)을 생성하는 데 유리하다는 장점이 있습니다. 이러한 특성으로 인해 산업용 프레스, 건설 현장의 중장비, 대형 제조 설비 등 고토크 출력이 요구되는 산업 현장에서 액추에이터의 핵심 역할로 널리 사용되고 있습니다. 다만, 유압유와 같은 액체 상태의 물질을 사용하기 때문에 누수나 오염이 발생할 경우 성능 저하로 이어질 수 있으며, 이를 방지하기 위해 주기적인 점검과 유지 보수가 필수적입니다.

2) 전동식

전동식 액추에이터는 전기 모터를 동력원으로 사용해 구동되는 방식입니다. 유압 시스템과 달리 유압유와 같은 소모성 유체가 필요하지 않아 폐기물 처리 과정이 없으며, 이러한 점에서 환경 오염 문제를 줄일 수 있는 대안으로 최근 다양한 산업 현장에서 전동화가 빠르게 확산되고 있습니다.

전동식의 가장 큰 장점은 유지 보수가 비교적 간편하고, 높은 정밀도를 바탕으로 실시간 데이터 수집과 피드백 제어가 가능한 시스템을 구현하기에 유리하다는 점입니다. 일반적으로는 유압 방식에 비해 출력 토크가 낮은 편이었으나, 최근 감속 기술과 모터 기술의 발전으로 이러한 한계를 극복하기 위한 다양한 기술과 제품들이 지속적으로 개발·출시되고 있습니다.

전동식 액추에이터는 로봇 핵심 부품으로 주목받고 있으며, 특히 휴머노이드 로봇의 관절부에서 요구되는 기능과 성능을 구현하는 데 있어 핵심적인 액추에이터 역할을 수행하고 있습니다.

3) 공압식

실린더 내부에서 압축된 공기압을 이용해서 기계적 운동 에너지로 변환하는 방식입니다. 20세기 초에 등장한 이 동력 전달 방식은 다양한 엔지니어링 분야에서 사용되고 있습니다. 고토크 출력보다는 고속 운동에 유리한 방식이기 때문에 자동화 장비, 로봇 팔, 그리퍼 같은 분야에서 많이 활용되고 있습니다.

4. 로봇 핵심 부품의 히든 카드, ‘감속기’

최근 로봇 산업에서는 액추에이터 기술을 내재화하려는 움직임이 활발하게 이루어지고 있습니다. 이는 액추에이터가 로봇 핵심 부품으로서 그 중요성이 점점 커지고 있다는 의미이기도 합니다. 하지만 액추에이터 기술을 자체적으로 확보하는 것은 결코 쉬운 일은 아닙니다. 이유는 액추에이터 성능을 결정하는 핵심 기술인 ‘감속기’ 제작의 어려움 때문입니다.

감속기란, 이름처럼 속도를 줄여주는 기계 장치입니다. 모터의 빠른 회전 속도를 감속하여 힘(토크)으로 변환해 주는 역할을 수행합니다. 감속 비율이 높을수록 더 큰 힘을 만들 수 있지만 회전 속도는 더 느려지게 됩니다. 반대의 경우에는 토크는 낮지만 더 빠르게 회전하죠. 그래서 감속기의 종류와 감속비를 선정할 때는 적용하고자 하는 제품의 용도, 요구 성능 및 사양과 기능 등을 고려하여 결정해야 됩니다.

5. 로봇 액추에이터에 사용되는 감속기 종류

로봇 구동에 반드시 필요한 액추에이터 역할에 핵심 기술 중 하나인 감속기는 일반적으로 다음과 같은 종류들이 많이 사용됩니다.

1) 유성 기어 감속기

유성 기어 감속기는 중심의 태양기어(Sun Gear)와 이를 둘러싼 유성 기어(Planet Gear), 그리고 링기어(Ring Gear)로 구성된 구조를 가집니다. 구조가 단순하고 효율이 높아 산업용 로봇, 자동화 설비, 서보 시스템 등 다양한 분야에서 널리 사용됩니다.

2) 탄성 변형 기어 감속기

얇은 탄성 기어를 변형시켜 구동하는 구조로, 매우 높은 감속비와 우수한 위치 정밀도를 구현할 수 있는 것이 특징입니다. 백래시가 거의 없어 정밀 제어가 중요한 산업 분야(ex 의료 분야, 반도체 장비 등)에서 많이 활용되고 있습니다.

3) 2단 감속 구조 (유성+사이클로이드)

유성 기어와 사이클로이드 감속기를 결합한 2단 감속 구조입니다. 출력 토크와 내구성을 동시에 확보할 수 있다는 장점으로 자동화 로봇 분야에서 많이 사용되고 있는 구조로 탄성 변형 기어 감속기와 함께 감속기 시장을 선점하고 있는 대표적인 감속 기술 중 하나입니다.

4) 사이클로이드 감속기

사이클로이드 곡선 형태의 디스크와 핀 구조를 이용해 동력을 전달하는 방식으로, 다수의 치형이 동시에 맞물려 하중을 분산시키는 구조를 가집니다. 이로 인해 높은 토크 밀도와 우수한 내구성을 확보할 수 있으며, 비교적 작은 크기에서도 다양한 감속비를 구현할 수 있어 로봇 액추에이터와 고하중 구동 시스템에 적합합니다. 감속기를 선정할 때는 제품의 구조와 구동 원리에 따라서 성능과 사양에서 차이가 있기 때문에 이를 고려하여 부품을 선택해야 합니다.

6. 인사이트

지금까지 내용을 정리해보겠습니다. 액추에이터의 역할은 로봇, 기계 등에 적용되어 에너지를 운동 에너지로 변환하여 기능을 수행하기 위해서 필요한 부품입니다. 그리고 로봇 핵심 부품으로 주목받고 있는 이 기술 개발에 핵심을 담당하고 있는 것이 ‘감속기’ 입니다. 여기까지 이해하셨다면 ‘감속기–액추에이터–로봇’ 이라는 하드웨어 중심의 구동 원리에 대해서 충분히 이해 하셨을 거라고 생각됩니다.

여기서부터는 최근 로봇 산업의 트렌드를 이해하는데 도움이 될만한 추가적인 개념에 대해서 간략하게 소개드리도록 하겠습니다. 일종의 부록편이라고 생각하시면 됩니다. 소개드리는 항목에 대해서 자세한 내용은 링크를 남겨드릴테니 확인하세요.

1) 토크 밀도

토크 밀도는 액추에이터가 자신의 크기나 무게 대비 얼마나 큰 토크를 생성할 수 있는지를 나타내는 지표입니다. 즉, 작고 가벼운 액추에이터가 얼마나 강한 힘을 낼 수 있는가를 정량적으로 평가하는 기준입니다. 일반적으로 토크 밀도는 다음과 같이 계산됩니다.

– 무게 기반 토크 밀도 = 최대 토크 ÷ 무게
– 부피 기반 토크 밀도 = 최대 토크 ÷ 부피

토크 밀도가 높을수록 로봇은 더 가볍고 민첩한 구조를 구현할 수 있으며, 이는 휴머노이드 로봇이나 다관절 로봇에서 동작 성능, 에너지 효율, 배터리 수명 향상으로 이어집니다. 토크 밀도는 최근 로봇 액추에이터 설계에서 가장 중요한 성능 지표 중 하나로 주목받고 있습니다.

[더 알아보기: 토크 밀도가 로봇 설계에서 중요한 이유]

2) 백래시

백래시(Backlash)는 기어 사이의 미세한 유격 또는 여유 공간을 말합니다. 기어가 회전 방향을 바꿀 때 이 유격 때문에 출력이 바로 반응하지 않고 약간의 “헛도는” 움직임이 생깁니다. 이 현상은 감속기나 기어 시스템 어디서든 발생할 수 있으며, 정밀 위치 제어나 반복 정밀도가 요구되는 경우에는 최소화하는 것이 중요합니다. 그러나 모든 상황에서 백래시가 나쁜 것은 아니며, 경우에 따라 시스템에 여유를 주어 부드러운 동작을 가능하게 하기도 합니다.

3) 백드라이브

백드라이브(Backdrive)는 감속기나 액추에이터의 출력 쪽에서 입력 쪽으로 힘이 역전해 전달되는 현상을 의미합니다. 즉, 외부 힘이 가해지면 출력축이 모터 측으로 힘을 전달하여 기계가 역방향으로 움직일 수 있게 되는 것입니다.

예를 들어 전원이 꺼진 휠체어를 사람이 뒤에서 밀었을 때 그대로 움직이는 것이 백드라이브가 가능한 경우이며, 그렇지 않으면 움직이지 않습니다. 백드라이브는 일부 응용에서는 유연성을 제공하지만, 고정된 위치 유지가 중요한 장비에서는 오히려 위험 요소가 될 수 있어 설계 시 허용 여부를 결정해야 합니다.

[더 알아보기: 기어 설계, 정밀하면 다 좋은가? 백래시·백드라이브의 역할]

4) Quasi Direct Drive

QDD(Quasi Direct Drive)는 중앙이 비어 있는 중공형 모터 내부에 소형 감속기를 통합한 구조를 적용한 액추에이터입니다. 이러한 설계는 액추에이터의 전체 부피를 줄이면서도 높은 토크 밀도를 확보하는 데 효과적입니다. MIT의 미니 치타(Mini Cheetah)가 보여준 역동적이고 민첩한 움직임 역시 이러한 준직접 구동 방식(QDD) 덕분이라고 할 수 있습니다.

[더 알아보기: QDD 액추에이터 (Quasi Direct Drive Actuator)에 집중하는 이유는?]

5) 엔코더

엔코더는 모터 또는 기계의 위치, 속도, 방향 등의 운동 상태를 전기 신호로 변환해 제어 시스템에 피드백을 제공하는 핵심 센서입니다. 로봇 제어에서 명령된 동작이 실제로 정확하게 수행되고 있는지를 실시간으로 확인하고 오차를 보정하는 데 중요한 역할을 합니다.

– Single Encoder: 출력 측에만 장착되어 모터가 최종적으로 어느 위치까지 움직였는지를 피드백합니다. 단순 구조로 기본적인 위치·속도 제어에 적합합니다.

– Dual Encoder: 입력축(모터)과 출력축(엔드 이펙터) 양쪽에 센서를 설치해 모터 회전과 실제 출력 움직임을 동시에 비교할 수 있습니다. 이를 통해 오차의 원인을 더 정확히 파악하고 정밀한 보정이 가능해지며, 고정밀 작업이나 반복 성능이 중요한 로봇 응용에 유리합니다.

[더 알아보기: 엔코더란? Single Encoder와 Dual Encoder의 차이점]

6) 토크 계산법

감속기는 모터의 회전 속도를 낮추는 동시에 토크를 증폭하는 역할을 합니다. 이때 출력 토크는 모터의 정격 토크에 감속비와 감속기 효율을 곱한 값으로 계산할 수 있습니다. 예를 들어, 모터의 정격 토크가 1.3 N·m이고 감속비가 29:1이며 감속기 효율이 75%라면, 출력 토크는 아래와 같이 계산됩니다.

출력 토크 = 모터 정격 토크 × 감속비 × 감속기 효율
→ 1.3 × 29 × 0.75 ≈ 28.3 N·m

이처럼 감속비가 클수록 속도는 낮아지지만 토크는 비례해서 증가하며, 실제 출력 토크를 정확히 예측하기 위해서는 감속기 효율(보통 70~90 %)을 함께 고려해야 합니다.

[더 알아보기: 모터 감속기의 토크는 어떻게 계산하나요?]

7) 사이클로이드 감속기 원리

사이클로이드 감속기는 일반 기어의 맞물림 방식과 달리 ‘구름 운동’(rolling motion)을 이용해 회전력을 전달하는 감속기입니다. 이 원리는 사이클로이드 곡선이라는 독특한 형상을 기반으로 하며, 입력축의 회전이 편심축을 통해 사이클로이드 디스크에 전달되면 디스크가 마치 바닥 위를 굴러가듯 고정된 핀을 따라 움직이면서 감속과 토크 증폭이 동시에 일어납니다. 이 구조 덕분에 마찰과 마모가 줄어들고, 작은 부피에서도 높은 감속비와 토크를 구현할 수 있습니다.

[더 알아보기: 사이클로이드 기어의 원리와 구조를 알아보고 테스트 결과 확인하기]

7. 자주 묻는 질문 (FAQ)

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※ 참고 자료

1. Why Electric Actuators are Replacing Hydraulics | POWER&MOTION (2024.05.13.)
2. What are Pneumatic Actuators? Principles, Types, and Applications | WEVOLVER (2024.6.17.)
3. Tesla Bot | Actuators Team | Tesla (2023.1.21.)