로봇 액추에이터는 왜 얇아야 할까?

이번 글에서는 ‘로봇 액추에이터는 왜 얇아야 할까?‘라는 주제로 이야기를 나눠보려 합니다. 최근 전 세계적으로 자동화 바람이 거세게 불고 있습니다. 제조업을 비롯해 의료, 물류, 항공우주 등 다양한 산업 분야에서 로봇 시스템이 빠르게 확산되고 있는데요. 이 흐름의 중심에는 ‘액추에이터‘라는 부품이 핵심적인 자리를 차지하고 있습니다. 로봇이 움직이고 작업을 수행할 수 있도록 만드는 이 부품은 우리 몸의 ‘근육과 관절’ 같은 역할을 담당합니다.

시장조사기관 Stratistics MRC에 따르면, 글로벌 로봇 및 자동화 액추에이터 시장은 2024년 약 244억 달러 규모로, 2030년에는 약 548억 달러에 이를 것으로 전망되고 있습니다. 연평균 14.4%에 달하는 높은 성장률은 산업 자동화가 빠르게 확산되고 있다는 사실을 보여줍니다.

액추에이터는 팔, 관절 등 주요 구동부를 움직이게 하며, 그 적용 범위는 산업 현장의 중장비와 기계 설비부터 병원 수술실의 로봇팔에 이르기까지 매우 다양합니다. 이러한 액추에이터는 ‘정확한 동작’을 구현하고 움직이는데 반드시 필요한 부품으로, 제품을 선택할 때는 정확성, 안전성, 구동성이라는 세 가지 측면을 고려해야 합니다.

1. 제품 선정 3가지 요소

로봇 액추에이터를 선택할 때는 단순히 크기나 모양만으로 판단할 수 없습니다. 어떤 환경에서 어떤 역할을 수행해야 하는지에 따라서 달라지기 때문인데요.

정확성은 ‘백래시(Backlash)’와 관련됩니다. 이는 감속기 내부의 기어 간 유격, 회전 방향을 바꿨을 때 생기는 미세한 틈새 (헛도는 구간)을 의미하는데요. 백래시가 작을수록 위치 오차가 줄어들기 때문에, 정밀한 작업을 요구하는 반도체 장비나 의료용 수술 로봇 등에서는 매우 중요한 사양입니다. 그래서 미세한 오차도 허용되지 않는 환경에서는, 정밀한 위치 제어가 가능한 초정밀 액추에이터가 필수적으로 요구됩니다.

하지만 모든 산업 분야에서 이처럼 높은 수준의 정밀도가 요구되는 것은 아닙니다. 예를 들어 물류 산업에서 사용하는 AGV나 건설 현장의 리프트와 같은 장비들은 백래시보다 안정성, 내구성, 토크와 같은 능력이 더 요구됩니다. 무거운 물체를 반복해서 들어 올리고 운반해야 하는 특성상, 액추에이터는 오랜 시간 동안 부하에 견디는 강한 구조와 충분한 토크를 제공해야 하기 때문이죠. 관련 내용에 관해서는 일전에 소개드린 ‘무인 운반 로봇(AGV), 왜 고중량 이송 수요가 증가하고 있을까?’에서도 다루고 있으니 관심 있으신 분들은 읽어봐주세요.

구동성 역시 마찬가지입니다. 동일한 모터 출력을 사용할 경우라도, 내부에서 손실되는 힘을 얼마나 줄일 수 있느냐에 따라 전체 시스템의 효율이 달라집니다. 불필요한 마찰이나 구조적 손실을 최소화해야 효율적인 구동이 가능하기 때문입니다.

그렇다면, 얇은 액추에이터가 지금까지 이야기한 내용들과 무슨 상관이 있을까요? 액추에이터가 얇아지면 로봇 전체의 크기를 줄이거나, 내부 공간을 효율적으로 활용할 수 있어 제품 디자인에 훨씬 유리합니다.

예를 들어, 관절이 여러개 연결된 다관절 로봇 팔을 생각해보면, 각 관절에는 보통 감속기와 모터, 그리고 제어부를 포함한 액추에이터가 함께 들어갑니다. 일반적으로 이 부품들은 직렬로 배열되는 구조를 갖기 때문에, 감속기와 모터가 차례로 붙으면서 전체적으로 ‘길쭉하고 두꺼운 관절‘이 만들어집니다. 이 구조의 한계는 명확합니다. 관절부가 커지면 커질수록, 로봇 팔 전체가 꺾여진 형태로 설계될 수밖에 없고, 인간의 팔과 같은 자연스러운 곡선을 디자인하기에 어려움이 있죠.

이런 구조는 특히 사람과 가까운 거리에서 협업하거나, 좁은 공간에서 정밀한 작업을 수행해야 하는 경우에 큰 제약이 됩니다. 협동 로봇이 작업자 옆에서 움직이는 상황에서 관절이 부피를 많이 차지하면, 물리적 충돌의 위험도 높아지고, 작업자가 심리적으로 느끼는 부담도 커집니다. 또, 외형이 복잡하게 꺾여 있다 보면 작업 범위가 제한되고, 팔이 원하는 위치에 도달하는 데 더 많은 궤적과 시간이 필요하게 됩니다.

반면, 감속기와 모터가 통합되어 있고, 그 전체 두께가 얇은 구조의 액추에이터를 사용한다면 어떨까요? 감속기와 액추에이터가 한 몸처럼 구성되면서, 전체 길이는 물론 두께까지 줄일 수 있게 되며, 보다 슬림하고 일체감 있는 로봇 팔 디자인이 가능해집니다. 각 관절이 덜 꺾이고 더 직선에 가깝게 설계될 수 있으므로, 전체적인 외형도 간결하게 만들 수 있기 때문이죠. 이처럼 액추에이터의 두께는 단순한 부피의 문제가 아니라, 로봇 팔 전체의 디자인 자유도와 동작 범위, 협업 안전성에까지 영향을 미치는 중요한 요소라고 볼 수 있습니다.

2. 얇고 강한 설계를 가능하게 하는 감속기의 비밀

로봇 액추에이터를 더 얇고 작게 만들려면, 그 안에 들어가는 감속기 설계 중요합니다. 감속기는 모터의 빠른 회전을 줄이고, 더 큰 힘(토크)을 만들어주는 역할을 하는 부품인데요. 이 감속기가 어떻게 설계되느냐에 따라서, 제품의 성능이나 설계 자유도 등에 큰 영향을 줍니다.

많이 사용되고 있는 유성기어 감속기를 예를 들어보겠습니다. 유성기어 감속기는 중심 기어를 기준으로 여러 개의 위성 기어가 회전하면서 출력축으로 동력을 전달하는 구조입니다. 높은 토크를 제공하지만, 높은 감속비로 갈수록 다단 구조로 기어 단을 겹겹이 쌓아야 하기 때문에, 전체 두께가 길어질 수밖에 없습니다. 작고 슬림한 액추에이터를 만들기에는 한계가 생기는 거죠.

사이클로이드 감속기는 입력축에 연결된 편심축이 회전하면, 사이클로이드 디스크가 외곽에 있는 롤러 핀을 따라 굴러가며 동력을 전달합니다. 이 방식은 접촉 부위가 구르는 형태로 작동하기 때문에 마찰이 적고, 동일한 외형 크기 안에서도 낮은 감속비부터 높은 감속비까지 1단 구조로 설계가 가능하기 때문에 높은 출력 토크를 확보하는 데 유리합니다. (사이클로이드 기어의 원리와 구조)

이러한 구조적 특성 덕분에 사이클로이드 감속기는 얇은 두께를 유지하면서도 필요한 출력 토크를 충분히 확보할 수 있는 설계가 가능합니다. 특히 동일한 외형 크기 안에서 1단 구조로 다양한 감속비를 구현할 수 있다는 점은 공간이 제한된 로봇 시스템에 큰 장점으로 작용합니다.

물론 감속비가 높아지면 회전 속도는 줄어들 수밖에 없지만, 속도보다 강한 출력 토크와 경량화가 더 중요한 환경에서는 오히려 이러한 특성이 유리하게 작용합니다. 예를 들어 건설 현장의 리프트 장비처럼 하중을 안정적으로 들어 올리는 데 초점이 맞춰진 시스템에서는, 작고 얇은 구조 안에서 높은 감속비와 토크를 동시에 확보할 수 있다는 점이 분명한 이점이 됩니다. 이처럼 슬림한 설계와 강력한 출력의 조합은 사이클로이드 감속기만이 제공할 수 있는 가장 큰 특징 중 하나입니다.

3. 로봇 액추에이터의 얇은 구조가 제공하는 이점

액추에이터가 얇아지면 로봇 설계 전반에 걸쳐 다양한 이점을 제공합니다. 가장 먼저 눈에 띄는 건 ‘디자인의 자유도’입니다. 액추에이터가 두꺼우면 관절부가 커지고, 로봇 전체의 외형이 제한적인 형태로 고정되기 쉽습니다. 반면 얇은 액추에이터를 사용하면 관절부가 슬림해지고, 전체 구조도 훨씬 유연하게 설계할 수 있어 복잡한 동작이나 인간과 유사한 형태 구현이 필요한 휴머노이드 로봇 설계에 특히 유리합니다. 사람의 팔, 다리, 손목처럼 좁고 복잡한 구조를 그대로 모사하려면 액추에이터가 얇을수록 좋습니다.

또한, 모멘트(관성 모멘트)가 줄어드는 효과도 중요합니다. 무게가 중심에서 멀어질수록 회전할 때 더 많은 에너지가 들고 반응 속도도 느려지게 됩니다. 하지만 액추에이터가 얇아지고 무게 중심이 안쪽으로 모이면 회전 반응이 훨씬 민첩해집니다. 이는 특히 다관절을 빠르고 자연스럽게 움직여야 하는 휴머노이드 로봇의 경우, 사람처럼 부드러운 동작을 구현하는 데 큰 도움이 됩니다.

동작 반경이 작아져 부품 간섭이 줄어든다는 점도 빼놓을 수 없습니다. 얇은 액추에이터는 관절 간의 간격을 좁게 유지할 수 있어서, 로봇이 팔이나 다리를 움직일 때 주변 부품과의 충돌이나 간섭이 덜 발생합니다. 이 점은 복잡한 궤적을 구현할 때 유리하고, 외형을 더 사람답게 다듬는 데도 도움이 됩니다.

경량화 측면에서의 이점도 분명합니다. 휴머노이드 로봇은 팔다리가 길고 관절이 많기 때문에, 부품 하나하나의 무게가 전체 로봇의 균형과 에너지 소모에 큰 영향을 미칩니다. 액추에이터가 얇고 가벼워질수록 로봇의 자체 하중이 줄어들고, 배터리 가용 공간도 추가로 확보할 수 있는 방안을 고려해볼 수도 있죠. 액추에이터의 두께가 얇아지 됨으로써, 전체적인 시스템 효율과 사용 시간, 안정성까지 모두 개선되는 결과를 가져올 수 있게 되는 것이죠.

이처럼 로봇 액추에이터의 얇은 두께는 단순히 부피를 줄이는 수준을 넘어 동작 성능 향상, 디자인 경쟁력 확보, 전체 시스템의 경량화 등 여러 가지 실질적인 이점을 가져올 수 있습니다. 특히 휴머노이드처럼 사람과 닮은 형태를 실제로 구현해야 하는 로봇에서는, 이러한 얇은 구조가 선택이 아닌 필수적인 설계 조건이죠.

실제로 테슬라의 휴머노이드 로봇 옵티머스에는 고출력 서보 액추에이터가 28개 이상 탑재되어 있으며, 여기에 손가락에 들어가는 소형 리니어 액추에이터까지 포함하면 그 수는 훨씬 더 많아집니다. 이렇게 관절 하나하나에 액추에이터가 들어가야 하는 휴머노이드 구조에서는, 액추에이터의 두께와 무게가 전체 설계에 미치는 영향이 절대적일 수밖에 없습니다.

최근 미국, 중국, 그리고 국내에서도 기술 경쟁이 치열하게 전개되고 있는 휴머노이드 로봇 개발 분야에서는, 한 대의 로봇에 평균 40~50개 정도의 액추에이터가 사용되는 것으로 파악되고 있습니다. 이처럼 수십 개의 액추에이터가 탑재되어야 하는 구조에서는, 액추에이터의 경량화와 소형화가 로봇의 전체 성능과 직결되는 핵심 요소 중 1가지입니다.

4. 적용 사례

그렇다면, 얇고 컴팩트한 로봇 액추에이터가 실제 시스템에서는 어떻게 활용될 수 있을까요? 아래 두 가지 분야의 사례를 통해, 이러한 구조가 어떤 설계상의 이점을 제공하는지 더욱 분명하게 확인할 수 있습니다.

4-1. 협동 로봇 분야

기존의 협동 로봇은 대부분 관절마다 감속기와 모터가 직렬로 배치되는 구조를 갖고 있었기 때문에, 제품의 디자인이 자연스럽게 꺾이는 형태로 설계될 수밖에 없었습니다. 하지만 액추에이터의 두께를 줄이고, 그 안에 양단형 지지 구조를 적용할 수 있게 되면서, 전체 로봇암을 보다 일자 형태에 가깝게 설계할 수 있는 조건이 마련됩니다.

이 구조는 단지 외형이 바뀌는 데서 그치지 않고, 전체적인 부피를 줄이고 로봇의 구성 방식을 단순화할 수 있는 설계적 여유를 제공합니다. 특히 꺾이는 형태가 아닌 일자 형태의 슬림한 구조가 가능해지면서, 전체 무게나 중심 배치, 그리고 부품 배치 방식에도 보다 다양한 선택지를 줄 수 있습니다.

4-2. 물류로봇 분야

AGV(자율 운반 로봇) 분야에서도 큰 이점을 제공합니다. 실제 저희에게 감속기 개발을 의뢰주신 고객 사례를 살펴보면, 기존에 사용하던 일반적인 기어드 모터 기반 액추에이터를 사이클로이드 감속기 기반으로 재설계를 진행했고, 이를 통해 액추에이터의 전체 길이를 약 70%까지 줄이는 데 성공했습니다.

이러한 개선 작업으로 액추에이터가 차지하는 공간을 획기적으로 줄일 수 있었고, 전체 시스템의 내부 설계가 보다 간결하게 구성될 수 있는 여지가 생겼습니다. 액추에이터가 짧고 컴팩트해지면, 기타 부품의 배치 유연성이 높아지고 설계 복잡도를 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다. 소형화와 모듈화가 중요한 물류 로봇 분야에서 다양한 이점들을 제공할 수 있습니다. (AGV 감속기 개선 사례에 대한 자세한 내용은 ‘우리가 맞춤형 감속기 설계 서비스를 제공하는 이유’에서 확인하실 수 있습니다.)

5. 두께를 줄이면 로봇은 달라진다

대부분의 로봇 액추에이터는 오랜 시간 동안 익숙한 구조를 따랐습니다. 모터와 감속기를 직렬로 배치하고, 그 구조 안에서 토크와 제어를 해결하는 방식은 단순하고 명확하지만, 공간 활용이라는 측면에서는 늘 한계가 존재했습니다.

본시스템즈는 이 지점에 집중했습니다. 같은 출력을 유지하면서 크기를 줄이고, 구조를 간결하게 만드는 일. 단순히 부품을 작게 만드는 것이 아니라, 로봇 전체의 설계 자유도, 배선 여유, 무게 균형, 배터리 용량 확보까지 고려하는 설계를 가능하게 하는 방향으로 나아가고 있습니다.

특히 사람과 유사한 형태를 지향하는 휴머노이드 로봇에서는 관절에 들어가는 액추에이터가 얇을수록 유리합니다. 더 많은 동작 자유도와 시스템 확장성으로 이어질 수 있기 때문이죠. 저희가 박형 구조의 사이클로이드 기반 액추에이터 설계에 집중하는 이유가 바로 여기에 있습니다.

물론, 액추에이터를 작게 만드는 일이 말처럼 쉽지는 않습니다. 여러 가지 문제를 하나씩 풀어가야 하는 과정이 있지만, 저희는 지금 이 순간에도 그 도전을 마주하고 해결해 나가고 있습니다.

제품에 대해 더 자세한 정보가 필요하시거나, 로봇 액추에이터 구성을 함께 검토하고 싶으시다면 언제든지 문의해 주세요. 보다 정확한 상담을 위해서는 적용 분야와 함께 요구되는 사양을 알려주시면 도움이 됩니다.

예를 들어 필요한 출력 토크나 정밀도, 모터의 회전수(RPM), 허용 가능한 장착 공간, 사용 환경에 따른 제약 조건 등이 포함되면 보다 빠르게 대응해 드릴 수 있습니다. 필요 수량이나 희망 납기 일정이 있다면 미리 공유해 주시면 실무적인 검토에도 큰 도움이 됩니다. 작은 구조 안에 담긴 큰 가능성, 본시스템즈와 함께 고민해보시기 바랍니다.

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6. 자주 묻는 질문 (FAQ)

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※ 참고 자료

• Global Information | Robotics and Automation Actuators Market Forecasts to 2030 – Global Analysis By Type, Actuation, Payload Capacity, Application, End User and By Geography (January 1, 2025)
• Bonsystems Global | There’s a reason we make actuators thinner (2025.05.24.)
• WIKIPEDIA | Epicyclic gearing (2025.04.7.)