휴머노이드의 관절 하나를 움직이는 부품 묶음을 액추에이터라고 부릅니다. 크게 관절을 직접 돌리는 회전형과, 링크를 밀고 당기는 선형으로 나뉩니다. 두 방식은 구조가 달라 출력 계산법, 역구동성, 원가가 모두 다릅니다. 이 글은 공개 자료로 두 방식의 구조를 확인하고, 출력을 직접 계산하는 식과 관절별 선택 기준을 정리합니다.
회전형과 선형, 무엇이 다른가
회전형 액추에이터는 모터 뒤에 감속기를 붙여 관절 축을 직접 돌립니다. 감속기 종류에 따라 크기, 정밀도, 충격 내성이 달라지며, 감속기 3종의 원리는 하모닉·사이클로이드·유성기어 비교에서 다뤘습니다.
선형 액추에이터는 모터 회전을 나사 기구로 직선 운동으로 바꿉니다. 사람 팔다리의 근육처럼 링크 사이에서 길이를 바꾸며 관절을 움직이는 방식입니다. 큰 힘을 내는 나사 기구로 롤러 스크루가 자주 쓰입니다.
실제 제품은 두 방식을 섞습니다. IEEE Spectrum의 Tesla AI Day 2022 보도에 따르면 Tesla는 Optimus에 회전형 3종과 선형 3종, 총 6종의 액추에이터를 쓴다고 밝혔습니다. 같은 보도는 손마다 케이블 구동 액추에이터 6개로 손가락과 엄지를 움직이고, 손당 11자유도로 9kg 가방을 드는 것을 목표로 했다고 전합니다.
롤러 스크루: 선형 액추에이터의 핵심 부품
롤러 스크루는 나사와 너트 사이에서 볼 대신 롤러가 하중을 전달합니다. 롤러는 유성기어처럼 나사 주위를 돌면서 나사와 너트 양쪽에 접촉하고, 너트를 돌리면 나사가 축 방향으로 움직입니다.
같은 자료에 따르면 롤러 스크루는 같은 부피에서 볼 스크루보다 접촉점이 많아 하중 정격, 강성, 수명, 가속 성능이 유리하고, 저·중속 효율은 약 75~90%입니다. 단점은 가격으로, 구조가 복잡해 볼 스크루의 최대 10배 수준까지 비쌀 수 있다고 설명합니다. 선형 액추에이터 원가에서 나사 기구의 비중이 큰 이유입니다.
출력을 직접 계산하는 식
회전형 액추에이터의 관절 토크는 모터 토크에 감속비와 효율을 곱한 값입니다.
선형 액추에이터의 추력은 나사 한 바퀴에 전진하는 거리(리드) 로 계산합니다.
import math
def rotary_output_torque(motor_torque_nm, ratio, efficiency):
return motor_torque_nm * ratio * efficiency
def linear_output_force(motor_torque_nm, lead_m, efficiency):
return 2 * math.pi * efficiency * motor_torque_nm / lead_m
print(rotary_output_torque(1.0, 100, 0.7)) # 70.0 N·m
print(linear_output_force(1.0, 0.002, 0.8)) # 약 2513 N
예시 값은 계산 방법을 보여 주기 위한 가정이며, 실제 효율은 감속기·스크루 데이터시트를 따릅니다. 선형 액추에이터의 힘은 관절 토크로 바뀔 때 모멘트 팔(관절 축에서 힘이 작용하는 선까지의 거리)을 곱해야 하고, 이 거리는 관절 각도에 따라 달라진다는 점도 함께 계산해야 합니다.
역구동성과 힘 감지: 감속비가 낮을 때의 이점
감속비가 높으면 작은 모터로 큰 토크를 낼 수 있지만, 출력 쪽에서 미는 힘이 모터까지 잘 전달되지 않습니다. 이 성질을 역구동성이라고 부르며, 모터 전류만으로 외력을 추정하는 고유수용 감각(proprioceptive) 구동에 중요합니다. Walker3 휴머노이드 연구는 감속기 내부의 관절 마찰이 고유수용 구동의 토크 추종 성능을 떨어뜨린다고 보고 이를 모델링해 외부 충격에도 균형을 유지했다고 보고합니다.
저가형 고성능 구동기 연구도 같은 방향입니다. MIT의 Katz(2018) 석사 논문은 동적 로봇용 저가 모듈형 액추에이터를 개발해 12자유도 4족 로봇을 만들었고, 이 로봇이 평지에서 제자리 360° 백플립을 수행했다고 보고합니다. 고토크 모터에 낮은 감속비를 조합해 충격을 견디고 힘을 감지하는 방식은 다리 관절 설계에서 자주 검토됩니다.
연속 토크와 피크 토크: 발열이 정하는 한계
액추에이터 사양에는 보통 연속 토크와 피크 토크가 따로 적혀 있습니다. 모터는 전류가 클수록 발열이 커지므로, 오래 유지할 수 있는 토크(연속)와 짧은 시간만 낼 수 있는 토크(피크)가 다릅니다. 휴머노이드가 한 자세로 오래 서 있거나 물건을 들고 있는 동작은 연속 토크로, 점프·착지·빠른 가속은 피크 토크로 확인해야 합니다.
- 작업 주기를 먼저 정한다: 피크 토크를 몇 초 동안, 얼마나 자주 쓰는지 정해야 발열을 계산할 수 있다.
- 방열 경로를 확인한다: 관절 안쪽에 들어간 모터는 열이 빠져나갈 길이 좁아 연속 토크가 데이터시트보다 낮아질 수 있다.
- 배터리 전류 한계와 함께 본다: 여러 관절이 동시에 피크 토크를 내면 전원부가 먼저 한계에 닿을 수 있다.
두 방식 비교
| 기준 | 회전형 (모터 + 감속기) | 선형 (모터 + 롤러 스크루) |
|---|---|---|
| 출력 | 관절 토크 (N·m) | 추력 (N), 관절 토크는 모멘트 팔에 따라 변함 |
| 장점 | 구조 단순, 넓은 회전 범위, 저감속 시 역구동성 | 큰 힘, 높은 강성, 링크 안에 배치 가능 |
| 약점 | 고감속 시 역구동성·충격 내성 저하 | 회전 범위 제한, 스크루 원가 |
| 주요 부품 비용 요인 | 정밀 감속기 | 롤러 스크루 |
| 어울리는 관절 | 어깨·손목·허리 회전, 역구동형 다리 관절 | 팔꿈치·무릎·발목처럼 큰 힘이 필요한 굽힘 관절 |
관절별로 먼저 검토할 방식
- 넓은 회전 범위가 필요한 관절(어깨, 허리, 손목 회전): 회전형부터 검토한다.
- 큰 힘과 강성이 필요한 굽힘 관절(무릎, 팔꿈치, 발목): 선형 액추에이터의 추력과 관절 각도별 모멘트 팔을 함께 계산한다.
- 외력을 감지하고 부드럽게 받아야 하는 관절: 낮은 감속비 회전형을 검토한다.
설계가 정해진 뒤에는 공개된 실제 제품이 어떤 구성을 택했는지 휴머노이드 플랫폼 비교에서 확인해 보는 것이 좋습니다.