고성능 휴머노이드 로봇의 가격을 낮추는 것이 왜 이렇게 어려울까요?And 고조파 관절 모듈은 왜 여전히 대체 불가능할까요?

휴머노이드 로봇은 언제 상용화될 것이며, 왜 그 가격은 낮추기 어려운가?

막대한 자본이 휴머노이드 로보틱스 산업에 유입되면서, 휴머노이드 로봇은 분명 대규모 양산을 향해 나아가고 있습니다. 그러나 한 가지 근본적인 질문이 남아 있습니다: 왜 그 가격은 여전히 낮추기 그렇게 어려운가?
심지어 종종 세계의 공장이라고 불리는 중국조차도 진정으로 저비용의 휴머노이드 로봇을 생산하지 못했습니다.

예를 들어, Unitree H1의 가격은 약 RMB 650,000이며, 고가의 정교한 손을 제거하고 (따라서 엄밀히 말해 완전한 휴머노이드 로봇으로 간주될 수 없으며) 자유도를 크게 줄인 Unitree G1도 여전히 RMB 99,000입니다.

핵심 이유는 피할 수 없는 한 가지 요구사항에 있습니다: 높은 자유도.
높은 DOF는 휴머노이드 로봇에 필수적이며, 이는 직접적으로 관절 모듈이 전체 시스템 가치에서 지속적으로 높은 비중을 차지하게 만듭니다.

무엇이 휴머노이드 로봇을 이렇게 비싸게 만드는가?

휴머노이드 로봇에서 관절은 전체 비용의 약 60%–70%를 차지합니다.

대표적인 예로 Tesla Optimus를 들면:
일반적인 휴머노이드 로봇은 28개의 액추에이터를 갖추고 있으며, 선형 액추에이터와 회전 액추에이터로 균등하게 나뉩니다.

회전 액추에이터는 주로 다음으로 구성됩니다:
프레임리스 서보 모터 + 하모닉 감속기 + 모터 드라이버 + 클러치 + 힘 센서 + 엔코더

인간의 근육과 유사한 선형 액추에이터는 주로 다음으로 구성됩니다:
프레임리스 서보 모터 + 유성 롤러 스크루 / 사다리꼴 스크루 + 모터 드라이버 + 힘 센서 + 엔코더

Tesla Optimus의 28개 모든 관절은 주 동력원으로 프레임리스 토크 모터를 사용합니다.

그중:

14개의 회전 관절은 프레임리스 토크 모터 + 하모닉 감속기를 채택합니다

14개의 선형 관절은 프레임리스 토크 모터 + 유성 롤러 스크루를 채택합니다

Unitree G1 기본 버전에는 23개의 프레임리스 모터가 장착되어 있으며, 각 모터의 가격은 약 USD 190–285로, 총 관절 모터 비용은 약 USD 4,300–6,900에 달합니다.

왜 관절은 휴머노이드 로봇에서 그렇게 중요한가?

로봇 관절은 휴머노이드 동작을 가능하게 하는 핵심 요소입니다.
초고감속비, 극도로 높은 토크 밀도, 그리고 거의 0에 가까운 백래시를 갖춘 관절 모듈, 즉 하모닉 관절 모듈만이 진정으로 인간형에 가까운 자연스러운 움직임을 가능하게 할 수 있습니다.

관절 모듈은 전체 비용에서 상당한 비중을 차지하지만, 현재의 기술 단계에서는 하모닉 관절 모듈이 크기, 무게, 정밀도, 토크 사이에서 최적의 균형을 달성하는 유일한 솔루션으로 남아 있습니다. 이것이 이들을 대체할 수 없게 만듭니다.

왜 프레임리스 토크 모터는 휴머노이드 로봇 관절에서 그렇게 중요한가?

휴머노이드 로보틱스 산업은 거의 예외 없이 관절에 프레임리스 모터를 사용합니다.
프레임리스 토크 모터는 전통적인 모터의 토크 및 속도 생성 핵심부만 남긴 영구 자석 동기 모터의 한 유형으로, 축, 베어링, 하우징 또는 엔드 캡이 없습니다.

프레임리스 모터는 단 두 부분으로만 구성됩니다:

로터: 영구 자석이 있는 내부 회전 강철 링으로, 기계 축에 직접 장착됩니다

스테이터: 적층 강철과 구리 권선을 갖춘 외부 구성요소로, 전자기력을 생성하기 위해 기계 하우징 내부에 단단히 장착됩니다

출력 전력으로 주로 평가되는 기존 서보 모터와 달리, 프레임리스 토크 모터는 출력 토크로 평가됩니다.

구동 유닛에 의해 전원이 공급되면, 드라이버는 UVW 3상 전류를 제어하여 영구자석 로터를 구동하는 자기장을 생성합니다. 피드백은 홀 센서 또는 외부 엔코더를 통해 제공될 수 있으며, 이를 통해 드라이브는 실제 피드백과 목표값을 비교하고 로터 위치를 정밀하게 조정하여 서보 제어를 달성할 수 있습니다.

프레임리스 모터의 핵심 장점은 높은 토크 및 전력 밀도와 뛰어난 부피 및 중량 효율성에 있습니다.
스테이터 슬롯 충진율을 높이고 (더 많은 구리 권선을 삽입) 구조 설계(경량화, 얇은 프로파일)를 최적화함으로써, 프레임리스 모터는 제한된 공간 안에서 강력한 토크를 제공하며, 이는 크기, 무게, 동적 성능이 중요한 휴머노이드 로봇에 이상적입니다.

이들의 고밀도 특성에는 다음이 포함됩니다: 동일한 부피에서 더 높은 출력, 동일한 출력 수준에서 더 작은 크기, 더 낮은 온도 상승

통합 설계와 최적화된 포팅 공정 덕분에 에너지 효율과 신뢰성도 크게 향상됩니다.

왜 기어 감속기는 휴머노이드 로봇 관절에서 그렇게 중요한가?

하모닉 감속기, RV 감속기, 유성 감속기를 비교할 때, 하모닉 감속기는 현재 휴머노이드 로봇 상지 관절에 가장 적합한 솔루션입니다.

하모닉 드라이브에서는:전체 치형의 30%–50%가 동시에 맞물리고,오차는 여러 개의 치에 걸쳐 평균화되어 상호 보정되며,전달 정밀도는 매우 높고 백래시는 1 arc-minute 이내로 제어 가능하며,동일한 기어 정밀도 등급에서 전달 오차는 기존 원통 기어 시스템의 약 1/4 수준입니다.

웨이브 제너레이터의 반경을 약간 조정하여 플렉스스플라인의 변형을 증가시키면, 백래시를 거의 0에 가깝게 줄이거나 완전히 제거할 수도 있어, 하모닉 드라이브는 빈번한 역전 운동에 특히 적합합니다.

하모닉 드라이브 감속기는 어떻게 작동하는가?

하모닉 전동은 웨이브 제너레이터와 플렉시블 기어 사이의 상호작용에 기반합니다.
웨이브 제너레이터가 회전하면, 그 타원형 프로파일이 플렉스스플라인의 주기적인 탄성 변형을 유발합니다. 플렉스스플라인과 서큘러 스플라인은 톱니 수가 다르기 때문에 (일반적으로 2개의 톱니 차이), 맞물림 위치는 지속적으로 이동합니다.

웨이브 제너레이터가 180 degrees 회전할 때마다, 플렉스스플라인의 맞물림 위치는 원주를 따라 한 피치만큼 이동합니다. 이 누적된 상대 변위는 플렉스스플라인과 서큘러 스플라인 사이에 속도 차이를 만듭니다.

그 결과, 웨이브 제너레이터가 한 바퀴 완전히 회전하면, 플렉스스플라인은 오직
(tooth difference / circular spline teeth) × 360 degrees만 회전하여,
매우 높은 감속비를 달성합니다.

하모닉 감속기는 하모닉 관절 모듈의 핵심 구성요소입니다.
모터와 하모닉 감속기는 적절하게 동력 매칭되어야 하며, 너무 작아서도 안 되고 너무 커서도 안 됩니다. 관절 설계에서는 먼저 감속기의 파라미터 (토크, 속도)를 결정한 다음, 그에 따라 모터를 선택해야 합니다.

휴머노이드 로봇의 높은 가격은 브랜드 프리미엄 때문이 아니라, 엔지니어링 복잡성과 정밀 제조의 어려움 때문입니다.

휴머노이드 로봇의 각 관절은 동시에 다음을 달성해야 합니다:높은 정밀도,경량 설계,높은 토크 출력,장기 신뢰성.

모든 관절이 이러한 엄격한 요구사항을 충족할 때에만, 로봇 전체가 부드럽고 안전하며 자연스럽게 작동할 수 있습니다.이것이 바로 고성능 휴머노이드 로봇의 비용을 여전히 낮추기 어려운 근본적인 이유입니다.