[로봇 하드웨어 03] - 사이클로이드 감속기
Physical AI 관점에서 본 다관절 로봇 하드웨어 - 사이클로이드 감속기
이번 포스트에서는 뛰어난 내충격성과 높은 토크 밀도로 최근 보행 로봇과 소형 액추에이터 분야에서 다시 주목받고 있는 Cycloidal Drive에 대해 알아보겠습니다.
Cycloidal Drive는 특유의 Eccentric (편심) 입력과 그에 따른 사이클로이드 궤적을 이용하여 감속과 토크 증폭을 달성하는 기계 장치입니다. Cycloid Teeth Geometry에 따라 감속비가 결정되며, 매우 컴팩트한 크기에서 높은 토크를 낼 수 있고 무엇보다 충격에 매우 강한 구조적 특성을 가집니다.
작동 원리와 감속비
Cycloidal Drive의 작동 원리는 크게 세 단계의 메커니즘으로 이루어집니다.
- Eccentric Input: 모터와 연결된 입력축(Input shaft)에 편심 베어링이 결합되어 있어, 입력축이 회전하면 중심축을 벗어난 Eccentric motion을 만들어냅니다.
- Cycloid Motion: 이 편심 베어링에 끼워진 Cycloid Disk는 하우징의 바깥쪽 핀(Ring pins)들과 맞물리며 사이클로이드 궤적을 따라 구르듯 흔들리며 회전합니다.
- Output Extraction: Disk에 뚫린 구멍들을 통해 Output shaft의 핀들이 연결되어, Disk의 느린 자전 운동만을 출력축으로 전달합니다.
고정 축에 따른 감속비 (Gear Ratio)
Cycloidal Drive는 어떤 요소를 고정하느냐에 따라 감속비와 회전 방향이 달라집니다. 하우징의 핀 개수를 N, Cycloid Disk의 톱니(Lobe) 개수를 N-1이라고 할 때:
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하우징(Outer Ring) 고정 / Disk 출력: 입력축이 1회전할 때, Disk는 톱니 1개 분량만큼 입력축과 역방향으로 회전합니다. Gear Ratio = (N - 1) / 1
Cycloidal Drive — Fixed Ring (short) -
Disk 고정 / 하우징(Outer Ring) 출력: 입력축이 1회전할 때, 하우징이 핀 1개 분량만큼 입력축과 정방향으로 회전합니다. Gear Ratio = N / 1
Cycloidal Drive — Fixed Shaft (short)
2. 접촉 메커니즘 설계: Rolling vs. Sliding Contact
기어 이빨의 마찰로 동력을 전달하는 일반적인 기어와 달리, Cycloidal Drive는 기구학적인 구속 조건(Kinematic Constraint)에 의해 궤적이 완전히 결정됩니다. 따라서 설계 목적에 따라 Rolling Contact과 Sliding Contact 두 가지 방식을 모두 적용할 수 있습니다.
Rolling Contact (구름 접촉)
하우징 핀이나 출력 핀 위치에 베어링이나 원통형 롤러를 추가하여 마찰을 최소화하는 방식입니다.
- 특징: 마찰 손실이 극히 적어 전달 효율이 매우 높고 발열이 적습니다.
- 한계: 소형화가 어렵습니다. 높은 감속비를 얻으려면 롤러의 개수가 늘어나야 하는데, 이는 곧 부품 수 증가와 감속기 전체 무게의 급격한 상승으로 이어집니다.
Sliding Contact (미끄럼 접촉)
별도의 롤러 없이 Cycloid Disk의 형상 자체가 하우징이나 출력 핀과 직접 맞닿아 미끄러지며 구동하는 방식입니다.
- 특징: 롤러가 생략되므로 구조가 매우 단순해지고 극한의 소형화 및 경량화가 가능합니다.
- 한계: Sliding Friction(미끄럼 마찰)이 크게 발생하여 동력 전달 효율이 현저히 떨어지고 마모에 취약합니다.
실제 액추에이터 설계에서는 하중이 가장 크게 걸리는 중앙의 Eccentric shaft 부위에는 베어링을 삽입하여 Rolling Contact을 구현하고, 상대적으로 선속도가 낮은 감속기 외부의 Disk와 하우징 사이에는 Sliding Contact을 적용합니다.
이때 Sliding Contact의 높은 마찰과 마모 문제를 해결하기 위해, Cycloid Disk 자체를 금속 대신 Delrin (POM)이나 Nylon 같은 저마찰 특성의 엔지니어링 플라스틱으로 가공하여 마찰 손실을 줄이기도 합니다.
3. 장점 (Advantages)
1. 높은 토크 밀도
Harmonic Drive와 유사하게 매우 작은 체적으로도 큰 토크를 생성할 수 있어, 관절의 패키징을 컴팩트하게 구성할 수 있습니다.
2. 높은 내충격성
Spur gear가 1~2개의 치형으로 토크를 감당하는 반면, Cycloidal Drive는 구조적으로 전체 치형의 약 30~50%가 동시에 하중을 분담합니다 (Load Distribution). 따라서 외부 충격 부하(Shock Load)가 분산되어 기어가 파손되지 않으며, 보행 로봇의 발구름이나 조작 로봇의 충돌 상황 등 반복적인 충격이 가해지는 시스템에 매우 적합합니다.
3. 단일 스테이지 고감속비
단일 스테이지 구조만으로 50:1에서 100:1 이상의 높은 감속비를 달성할 수 있어, 다단 감속기로 인한 부피 증가와 시스템 복잡성을 줄일 수 있습니다.
4. 단점 및 설계 고려사항
1. 가공 난이도
부품 수가 적어 보이지만, 구조가 작동하기 위한 가공 난이도는 매우 높습니다. 정밀한 사이클로이드 곡선을 오차 없이 구현해야 하므로 고정밀 CNC 가공이 필수적이며, 조립 과정에서도 높은 숙련도가 요구됩니다.
2. 공차 민감도
공차(Tolerance)나 조립 불량도 전체 시스템의 성능 저하로 직결됩니다. 공차가 좁으면 Jamming(물림) 현상이 발생하여 구동이 불가능해지고, 공차가 넓으면 Backlash가 발생하여 위치 정밀도가 떨어집니다.
3. Profile Modification
편심량(Eccentricity)은 Cycloid Profile의 곡률과 Kinematic Constraint를 결정하는 핵심 변수입니다. 이론적인 사이클로이드 곡선을 그대로 가공하면 조립 공차나 열팽창에 의해 물림 현상이 발생하기 쉽습니다. 따라서 곡선의 크기를 미세하게 줄이거나 수정하는 Profile Modification 과정이 반드시 필요하며, 이는 설계의 복잡도를 급격히 높이는 원인이 됩니다.
4. 질량 불균형과 진동
Eccentric motion을 하는 Disk의 질량 중심이 계속 이동하므로 고속 회전 시 심각한 진동이 발생합니다. 이를 상쇄하기 위해 일반적으로 위상이 180도 차이 나는 두 개의 Cycloid Disk(Dual-disk)를 겹쳐서 사용하는데, 이 경우 무게와 부피가 추가로 증가하게 됩니다.
다음 포스트 : [로봇 하드웨어 06] - 엑추에이터(5): QDD 엑추에이터
References
[1] https://mevirtuoso.com/become-a-member-cycloidal/
[2] https://www.youtube.com/watch?v=KX9Mx8ghtio
[3] https://www.youtube.com/watch?v=yBckAoqNQx4