선형 액추에이터 vs 회전 액추에이터: 휴머노이드 로봇 관절을 위한 핵심 선택

로봇 관절 모듈은 휴머노이드 로봇의 핵심 하드웨어이며, 현재 주로 회전형과 선형의 두 가지 주요 범주로 나뉩니다. 휴머노이드 로봇 설계에서는 선택 시 적용 시나리오와 제조 비용에 따른 절충이 수반되는 경우가 많습니다.

선형 액추에이터와 회전 액추에이터의 근본적인 차이

회전 액추에이터: 다양한 감속기 솔루션으로 휴머노이드 신체 기능 요구 사항 충족

• 회전 액추에이터는 모터 (프레임리스 토크 모터), 감속기 (하모닉 드라이브, 유성 기어 감속기, 사이클로이드 핀휠 감속기), 센서 (토크 센서), 엔코더, 베어링 (크로스 롤러 베어링, 앵귤러 콘택트 볼 베어링)으로 구성됩니다.

• 정밀 유성 기어 감속기: 높은 하중과 강한 충격이 있는 신체 부위에 적합하며, 제조 공정은 비교적 성숙되어 있습니다. 가공 기술 및 장비 측면에서는 고정밀 CNC 공작기계 솔루션으로 업그레이드할 수 있습니다.

• 사이클로이드 핀휠 감속기: 1차 유성 단계와 2차 사이클로이드 핀휠 단계를 결합한 구조가 특징이며, 다양한 신체 부위의 요구 사항을 충족하도록 유연하게 조정할 수 있습니다. 일부 제조업체가 맞춤형 경량화 공정을 개발하면서 신모델 설계 및 반복 개선이 가속화되는 추세가 있습니다.

• 하모닉 드라이브 감속기: 휴머노이드의 상지와 같은 위치에 적합한 고정밀, 경량 감속기입니다. 제조 공정 혁신에는 감속기 핵심 부품에 대한 파인 블랭킹 적용과 마이크로 감속기 부품 제조가 포함됩니다.

선형 액추에이터: 모터 + 선형 구성 요소 - 밀기/당기기가 어떻게 로봇의 움직임 + 하중을 가능하게 하는가?

선형 액추에이터는 모터 (프레임리스 토크 모터), 스크루 (유성 롤러 스크루, 볼 스크루), 센서 (토크 센서)로 구성됩니다.

기존 가공 난이도로 인해, 정교한 손용 마이크로 감속기는 주로 리드 스크루 또는 볼 스크루를 사용합니다. 더 큰 크기의 액추에이터는 유성 롤러 스크루 솔루션을 사용할 수 있습니다.

볼 스크루 기술은 비교적 성숙되어 있으며, 가공의 난점은 너트 내부 레이스웨이 가공에 있고, 특히 리드가 큰 너트에서 연삭 휠 간섭을 피하는 것이 중요합니다.

유성 롤러 스크루는 표준형, 역형 등으로 분류됩니다. 가공 공정에는 연삭과 연삭 대체용 선삭이 포함됩니다.

선형 액추에이터와 회전 액추에이터의 적용 시나리오 차이

• 회전 액추에이터는 단일 축을 중심으로 회전하여 회전 운동을 출력하므로 휴머노이드 로봇이 다양한 각도의 회전 동작을 수행할 수 있게 합니다. 일반적으로 어깨 관절, 허리, 고관절과 같이 높은 토크가 필요한 관절에 사용됩니다.

• 비용 관점: 회전 액추에이터 내에서 하모닉 드라이브, 토크 센서, 프레임리스 토크 모터는 각각 약 36.0%, 30.0%, 13.5%로 비교적 높은 비용 비중을 차지하며, 합산하면 회전 액추에이터 비용의 약 79.5%를 구성합니다.

• 선형 액추에이터는 모터의 회전 운동을 선형 운동 출력으로 변환하며, 우수한 지지 성능과 하중 지지 능력을 제공합니다. 주로 무릎, 팔꿈치, 발목과 같이 하중이 크고 회전 운동 각도가 작은 시나리오에 사용됩니다.

• 비용 관점: 선형 액추에이터에서는 유성 롤러 스크루, 힘 센서, 프레임리스 토크 모터가 각각 약 64.2%, 16.1%, 7.2%로 비교적 높은 비용 비중을 차지하며, 합산하면 선형 액추에이터 비용의 약 87.5%를 구성합니다.

선형 액추에이터와 회전 액추에이터의 장단점

회전 액추에이터: 회전 액추에이터의 생산과 적용은 비교적 성숙되어 있으며 글로벌 시장에서 검증되었습니다. 어깨와 고관절 같은 대각도 회전 관절에 적합합니다. 높은 전달 효율을 제공하며, 그 전달 정밀도는 대부분의 휴머노이드 로봇 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 선형 액추에이터와 비교할 때, 회전 액추에이터는 더 강한 동특성과 높은 통합도를 갖추고 있습니다.

선형 액추에이터: 선형 액추에이터의 유성 롤러 스크루는 예압 너트를 통해 유지 강성과 백래시 없는 전달을 쉽게 구현할 수 있습니다. 선/면 접촉으로 인해, 유성 롤러 스크루는 우수한 강성을 유지하며, 이는 상지의 섬세하고 안정적인 작업에 더욱 유리합니다.

그러나 선형 액추에이터는 동특성이 더 약합니다: 높은 감속비로 인해 동일한 전력 밀도에서 출력 속도가 비교적 낮고, 패스밴드가 좁아 고동적 움직임을 구현하는 데 불리합니다 (유성 감속기 관절 또는 유압 구동과 비교).

또한 시스템 통합도는 비교적 낮고 비용은 높습니다. 관절 말단은 전류 루프 방식을 통해 외력을 감지할 수 없으며, 힘 제어는 관절 말단에 추가로 설치된 힘 센서에 의존해야 하므로 시스템 통합도는 낮아지고 비용은 높아집니다.현재 Tesla가 사용하는 RVI (역유성 롤러 스크루) 구성은 가공 기술 측면에서 상당한 도전을 제시합니다.

선형 액추에이터와 회전 액추에이터는 모두 운동 형태, 구조적 특성, 성능 매개변수, 적용 시나리오 측면에서 각자의 장점을 가지고 있습니다. 현재 회전 액추에이터, 특히 하모닉 드라이브 회전 액추에이터는 여전히 시장의 주류 선택입니다. 올바른 액추에이터를 선택하는 것은 휴머노이드 로봇 연구개발에서 핵심적인 결정입니다.