[로봇 하드웨어 03] - 하모닉 드라이브 감속기

Physical AI 관점에서 본 다관절 로봇 하드웨어 - 하모닉 드라이브

다양한 감속기 중에서도, Harmonic Drive, 기술적 명칭으로 Strain Wave Gearing은 협동 로봇과 정밀 로봇 팔에서 널리 사용되는 감속기입니다. 이번 포스트에서는 Harmonic Drive의 구조와 작동 원리, 그리고 장단점에 대해 자세히 알아보도록 하겠습니다.

작동 원리

Harmonic Drive 는 강체(Rigid body) 간의 치합이 아닌, 탄성 변형(Elastic Deformation)을 이용해 동력을 전달한다는 점에서 기존 기어와 구별됩니다.

주요 구성 요소는 다음 세 가지입니다.

Wave Generator (Input): 타원형 캠에 얇은 베어링이 결합된 형태입니다. 모터 축과 연결되어 회전하며 Flexspline을 타원형으로 변형시킵니다.
Flexspline (Output): 얇은 컵 모양의 금속 기어입니다. 탄성을 가지고 있어 반복적으로 변형되며, 출력축과 연결됩니다.
Circular Spline (Fixed): 강성이 높은 외곽 링 기어입니다. 내부에 이빨이 있으며, Flexspline보다 이빨 개수가 통상 2개 더 많습니다.

감속비 계산

Wave Generator가 회전하면 타원의 장축 부분에서 Flexspline과 Circular Spline이 맞물립니다. 이때 두 기어의 이빨 수(Tooth Count) 차이로 인해 상대 회전이 발생합니다.

예를 들어:

Flexspline: 200 teeth
Circular Spline: 202 teeth

입력축인 Wave Generator가 1회전 할 때, Flexspline은 Circular Spline의 전체 이빨 수(202개)를 다 돌지 못하고 차이만큼인 2 teeth 만큼 역방향으로 회전하게 됩니다.

이를 감속비로 계산하면 다음과 같습니다.

\[\text{Gear Ratio} = \frac{-N_{flex}}{N_{circular} - N_{flex}} = \frac{-200}{202 - 200} = -100:1\]

이러한 원리로 단일 스테이지에서 100:1 이상의 고감속비를 구현할 수 있습니다.

장점

1. 소형화 및 높은 토크 밀도

동급의 유성 기어(Planetary Gear) 대비 부피와 무게가 작습니다.

관절 모듈의 소형화 가능
로봇 링크의 관성(Inertia) 감소 이는 로봇 전체의 동역학(Dynamics) 성능 향상으로 이어집니다.

2. 백래시 제로 (Zero Backlash)

Harmonic Drive는 Flexspline이 Circular Spline에 예압(Pre-load) 된 상태로 구동되므로 기계적인 Backlash가 사실상 없습니다.

높은 반복 정밀도(High Repeatability): 로봇 팔 끝단의 위치 오차를 최소화할 수 있습니다.
다관절 로봇에서 각 관절의 Backlash가 누적되어 말단 오차가 증폭되는 문제를 해결하는 핵심 요소입니다.

기어 백래시

단점 및 한계

1. 피로 수명 (Fatigue Life)

Flexspline은 얇은 금속 박판으로, 구동 중 지속적인 타원 변형을 반복합니다. 구조적으로 저주기 피로(Low-cycle Fatigue) 환경에 노출되어 있으며, 이는 감속기의 전체 수명을 결정짓는 주요 인자입니다.

2. 충격에 취약함 (Ratcheting)

외부 충격(Shock Load)에 매우 취약합니다. 충돌 등으로 인해 순간 최대 토크(Momentary Peak Torque)를 초과하는 과도한 힘이 가해질 경우, Flexspline의 이빨이 탄성 한계를 넘어 Circular Spline의 이빨을 타고 넘는 Ratcheting 현상이 발생합니다. 이 경우 기어 이빨의 영구 변형이나 파손(Buckling)이 발생하여 감속기를 교체해야 합니다.

3. 낮은 강성 (Wind-up)

Backlash는 없지만, 기구적인 강성(Stiffness)은 상대적으로 낮습니다. Flexspline이 비틀림 하중(Torsional load)에 대해 스프링처럼 비틀리는 Wind-up 현상이 발생합니다. 이는 높은 게인(High Gain) 제어 시 공진(Resonance)을 유발하거나 제어 대역폭(Control Bandwidth)을 제한하는 요인이 됩니다.

보완 설계: SEA & Torque Sensor

Harmonic Drive의 낮은 내충격성과 강성 특성을 보완하기 위해, 로봇 관절 설계 시 출력축에 Torque Sensor를 배치하여 충돌을 감지하거나, 의도적인 탄성 요소를 추가한 Series Elastic Actuator (SEA) 구조를 사용하기도 합니다. SEA 는 나중에 자세히 다루도록 하겠습니다.

다음 포스트 : [로봇 하드웨어 04] - 엑추에이터(3): 유성 기어

References

이 포스트 하모닉 드라이브에 대한 내용은 [2]의 자료를 참고하여 작성되었습니다.

[1] https://www.harmonicdrive.net/_hd/content/documents/FBB_DifferentialGear.pdf

[2] https://www.cubemars.com/product/ak10-9-v2-0-kv60-robotic-actuator.html