휴머노이드 로봇용 BLDC 모터: 토크와 속도, 크기를 맞추는 방법

휴머노이드 로봇은 몸체의 모든 구동 관절에 분산된 하나의 토크 문제이며, 각 관절을 설명하는 세 개의 숫자, 즉 관절이 지탱해야 하는 토크의 크기, 얼마나 빠르게 움직여야 하는지, 그리고 사지가 얼마만큼의 질량을 나를 수 있는지는 서로 독립적이지 않습니다. 하나를 바꾸면 나머지 둘이 따라옵니다. 따라서 휴머노이드 로봇용 BLDC 모터를 선정한다는 것은 각 관절마다 세 곡선이 교차하는 지점을 차례로 찾고, 그런 다음 선택한 지점을 공개 기록이 실제로 뒷받침하는지 확인하는 일입니다. 순서를 잘못 잡으면 기계는 서지도 못하거나 자기 발을 들지도 못합니다.

한 줄 결론

이 세 가지 양은 두 개의 변수로 연결됩니다. 즉 모터와 관절 사이의 감속비, 그리고 모터가 동작하는 버스 전압입니다. 6:1 같은 낮은 감속비는 관절을 빠르고 역구동 가능하게 유지하지만 유용한 토크를 내려면 큰 모터가 필요합니다. 64:1 같은 높은 감속비는 작은 모터로 큰 토크를 내지만 속도와, 외부 부하가 관절을 밀어 움직일 수 있는 능력의 상당 부분을 소비합니다. 감속비는 관절의 듀티에서 정해지고, 질량은 감속비와 토크에서 따라 나오며, 공개된 피크 토크는 작업 숫자로 사용해서는 안 되는 단시간 주장입니다.

ToBMS에서는 휴머노이드 로봇 응용 분야가 휴머노이드 관절에 쓰이는 CubeMars 일체형 액추에이터를 모아 두었으며, 10:1 단을 지닌 262 g 제품부터 공개 피크 토크 222 Nm인 1396 g 중공축 제품까지 아우릅니다. 이 가이드는 토크와 속도, 크기가 관절마다 어떻게 짝지어지는지 설명하고, 그중 여덟 제품을 하나의 사양 세트로 읽습니다.

휴머노이드 관절이 토크와 속도, 크기 사이의 트레이드오프인 이유

휴머노이드 플랫폼은 구조와 페이로드가 같은 대상이라는 점에서 여타 기계와 다릅니다. 산업용 암은 고정되어 있고, 그 링크는 자신의 관성과 툴만 지탱하면 되며, 베이스는 고객이 감수할 수 있는 만큼 무겁게 만들 수 있습니다. 휴머노이드 로봇은 액추에이터와 배터리, 전자장치를 일을 하는 바로 그 사지에 실어야 하며, 그 사지는 균형을 잡을 만큼 정확하게 움직여야 합니다. 무릎에 더해진 1 g은 고관절이 흔들어야 하는 1 g이고, 고관절에 더해진 1 g은 발목이 보정해야 하는 1 g입니다.

모델 번호보다 듀티가 먼저 온다

관절 사양의 첫 번째 숫자는 토크가 아닙니다. 그것은 한 주기 동안 관절이 무엇을 하는지에 대한 설명입니다. 즉 정적 하중을 얼마나 오래 지탱하는지, 중력에 맞서 얼마나 오래 움직이는지, 얼마나 자주 가속하는지, 그리고 그 시간 중 얼마를 저속에서 부하를 받으며 보내는지입니다. 서 있는 고관절은 거의 움직이지 않은 채 몇 분씩 체중의 일부를 지탱합니다. 걸을 때의 무릎은 수십 밀리초 만에 충격을 흡수한 뒤 자유롭게 흔들립니다. 조작 작업의 팔꿈치는 근무 시간의 대부분을 거의 일정한 각도로 툴을 든 채 보낼 수 있습니다. 이들은 서로 다른 세 가지 열적·전자기적 문제이며, 토크-속도 평면 위의 서로 다른 점에서 해결됩니다.

지지기와 유각기는 곡선의 양 끝을 요구한다

다리 관절은 두 가지 임무를 번갈아 수행합니다. 지지기에는 체중을 넘을 수도 있는 하중을 받은 채 거의 정지 상태에 가깝고, 이는 속도 성분이 거의 없는 토크 요구입니다. 유각기에는 같은 관절이 거의 부하 없이 큰 각도를 빠르게 통과해야 하며, 이는 토크 성분이 거의 없는 속도 요구입니다. 하나의 모터가 둘 모두를 만족해야 하고, 그 타협을 어떻게 나눌지는 감속비가 결정합니다. 높은 감속비는 지지기에 유리하고 유각기에 불리하며, 낮은 감속비는 그 반대입니다. 이 교대 동작이, 어떤 단일 수치보다도, 이족 보행 기계의 다리 관절을 고정식 산업용 암의 비슷한 축보다 사양 정하기 어렵게 만드는 요인이며, 새 플랫폼의 휴머노이드 로봇 관절을 액추에이터 등급별로 나눌 때 가장 먼저 살펴야 할 항목입니다.

제어 루프가 실제로 맞서는 것은 반사 관성이다

모터와 관절 출력 사이에는 기어박스가 자리하며, 기어박스는 출력으로 가는 길에 회전자의 관성을 감속비의 제곱으로 나눕니다. 따라서 높은 감속비는 컨트롤러에게 관절에서 매우 작은 겉보기 관성을 제시하며, 이는 위치 제어를 쉽게 하고 힘 제어를 어렵게 만드는데, 관절이 자신이 무엇을 밀고 있는지 더 이상 알 수 없기 때문입니다. 낮은 감속비는 회전자 관성의 더 많은 부분을 출력으로 반사시켜, 관절이 세상을 느끼고 예측 가능하게 역구동되도록 하며, 로봇이 미지의 물체나 사람과 접촉해야 하는 곳에 8:1이나 9:1 단을 지닌 준직구동 관절이 쓰이는 이유입니다. 토크와 속도를 정하는 바로 그 감속비가 이 거동도 정하므로, 이것은 나중에 소프트웨어로 고칠 수 있는 기계적 세부 사항이 아닙니다.

균형 회복은 정격 창이 감당해야 하는 과도 상태다

이족 보행의 균형은 외란 후 1초의 몇 분의 일 안에 가해지는 보정 토크로 유지되며, 그 보정의 크기는 가만히 서 있는 데 필요한 토크의 몇 배에 이를 수 있습니다. 이것이 관절의 공개 피크 토크가 감당해야 하는 과도 상태이며, 현재 ToBMS 액추에이터 세트에서 피크 대 정격 비율이 일부 모델에서 대략 세 배에 이르는 이유입니다. 정적 하중만 기준으로 사양을 정한 관절은 서 있는 자세를 유지하다가 밀림에서 회복하지 못하며, 휴머노이드 플랫폼에서 그것은 놓친 주기가 아니라 넘어짐입니다.

감속비가 속도를 토크로 바꾸는 방식

감속비는 휴머노이드 관절 사양에서 가장 유용한 단일 숫자인데, 모터 측의 모든 양을 고정된 방식으로 관절 측에 사상하기 때문입니다. 감속비를 알면 관절의 속도는 모터 속도를 감속비로 나눈 값이고, 관절의 토크는 모터 토크에 감속비를 곱한 값이며, 이 둘의 공개 값을 서로 대조할 수 있습니다.

관절 속도는 모터 속도를 감속비로 나눈 값이다

일체형 액추에이터에 제시된 모든 속도는 출력 속도, 즉 관절이 보는 숫자입니다. 6:1 단을 지닌 485 g AK80-6 KV100은 무부하에서 800 rpm을 공개하며, 64:1 단을 지닌 850 g AK80-64는 24 V 버스에서 37 rpm을 공개합니다. 이는 약 22배의 출력 속도 차이로, 모터 품질의 차이가 아니라 감속비의 차이에서 나온 것입니다. 관절에서 분당 회전수는 다루기 불편한 단위이므로 환산해 볼 가치가 있습니다. 1 rpm은 초당 6도이므로, 800 rpm 제품은 무부하에서 초당 4800도 관절이 되고 64:1 제품은 같은 지점에서 초당 222도 관절이 됩니다. 300 ms 동안 60도를 흔들어야 하는 고관절은 초당 200도의 지속 출력을 요구하며, 그 하나의 요구만으로도 모든 액추에이터 제품군의 고감속비 쪽 상당 부분이 배제됩니다.

토크는 같은 감속비만큼 곱해지되, 기어가 가져가는 몫을 뺀다

그 곱셈은 실제이지만 공짜가 아닙니다. 6:1 단은 모터의 6 Nm를 마찰과 기어 맞물림 손실을 뺀 대략 36 Nm로 관절에서 바꾸고, 64:1 단은 같은 산술로 0.75 Nm를 대략 48 Nm로 바꿉니다. 제품군에서 가장 무거운 제품이 자동으로 가장 강한 제품이 되는 것은 아닌 이유가 여기 있습니다. 750 g AK60-39 V3.0은 39:1 단을 통해 피크 토크 72 Nm를 공개하는 반면, 850 g AK80-64는 64:1 단을 통해 120 Nm를 공개하므로, 100 g의 질량 차이가 67 퍼센트의 토크 우위를 사들이는데, 감속비가 그 일을 하기 때문입니다. 감속비는 효율 페널티도 정하는데, 감속단이 하나 더 늘 때마다 그곳을 통과하는 전력의 작은 비율이 비용으로 들고 백래시에도 각자의 몫을 더하기 때문입니다.

KV에 버스 전압을 곱하면 모터 측 속도가 정해진다

KV는 모터 측 상수로, 감속기 이전에 인가된 버스 전압 1 V당 회전자가 도는 속도입니다. KV에 버스 전압을 곱하고 감속비로 나누면 출력 무부하 속도의 추정값이 나오며, 그 추정값을 공개 값과 대조하여 기록에 대한 산술 교차 검증으로 쓸 수 있습니다. 24 V에서 10:1을 지닌 AK45-10 V3.0 KV75의 경우, 75에 24를 곱하고 10으로 나누면 180 rpm이 나오며 공개 값도 180 rpm입니다. 24 V에서 6:1을 지닌 AK60-6 V1.1 KV140의 추정값은 560 rpm이고 공개 값도 560 rpm입니다. 48 V에서 6:1을 지닌 AK80-6 KV100은 800 rpm 대 800 rpm이고, 48 V에서 9:1을 지닌 AK70-9 V3.0 KV60과 AK10-9 V3.0 KV60은 두 경우 모두 320 rpm 대 320 rpm입니다. 이 대응이 보편적이지는 않은데, 48 V에서 48:1을 지닌 AKH70-48 V1.0 KV41은 추정값이 41 rpm인 반면 공개 값은 35 rpm입니다. 바로 이것이 설계 기준으로 삼아야 할 숫자가 KV에서 도출한 값이 아니라 공개 출력 속도인 이유입니다.

높은 감속비는 토크를 사고 역구동성을 소비한다

감속비가 높아질수록 두 가지 효과가 관절에 불리하게 작용합니다. 첫째는 출력에서의 반사 관성이 감속비의 제곱에 따라 줄어들어, 관절을 명령하기는 쉬워지고 느끼기는 어려워진다는 점입니다. 둘째는 마찰입니다. 다단 감속기는 출력 측에서 가해지는 토크에 저항하며, 높은 감속비에서는 그 저항이 커져 사람이나 표면이 밀어도 관절이 더 이상 움직이지 않을 만큼 커질 수 있습니다. 이 세트에서 낮은 감속비 제품들은 6:1, 9:1, 10:1의 감속비를 공개하는 반면, 하중을 지탱하는 제품들은 39:1, 48:1, 64:1로 동작하며, 두 그룹의 분리는 관절이 순응적 접촉을 해야 하는지 큰 하중을 조용히 지탱해야 하는지에 대한 질문을 따릅니다. 백래시는 이에 짝을 이루는 사양이며 반대 방향으로 움직입니다. 이 세트의 제품들은 0.18에서 0.55° 사이의 값을 공개하며, 낮은 감속비와 타이트한 백래시 값의 조합이 손으로 눌렀을 때는 강체처럼 느껴지면서도 여전히 밀리는 관절의 특성을 만들어 냅니다.

토크 맞추기: 정격과 피크, 그리고 각각의 이면에 있는 창

토크는 대부분의 휴머노이드 관절 결정이 처음 내려지는 축이며, 그 결정 대부분이 처음부터 잘못 내려지는 축이기도 합니다. 제조사의 기록에는 서로 다른 세 개의 숫자가 나타나며, 이들은 서로 다른 세 가지 질문에 답합니다.

피크 토크는 능력이 아니라 창이다

피크 토크는 액추에이터가 짧은 구간 동안 낼 수 있는 출력을 설명합니다. 보통 사지를 가속하거나 외란을 멈춰 세우는 데 걸리는 시간이며, 드라이브의 전류 한도를 넘지 않고 어떤 것도 감자시키지 않는 범위입니다. 균형 회복 이벤트나 들어 올림의 첫 순간에는 맞는 숫자이고, 반복해야 하는 어떤 것에도 틀린 숫자입니다. 이 세트에서 피크 대 정격 비율은 AK80-6의 2.0에서 AK70-9 V3.0의 3.4까지 이르므로, 같은 정격 토크를 지닌 두 액추에이터라도 낼 수 있는 과도 출력에서 절반 이상 차이날 수 있습니다. 피크 열만 읽으면 그 차이가 사라지고, 연속 운전에서 과열될 후보 목록이 만들어집니다.

정격 토크는 권선의 열 경로가 한계를 정한다

정격 토크는 열에 관한 진술입니다. 권선이 절연 등급 안에 머무는 상태에서 액추에이터가 무한히 유지할 수 있는 토크이며, 따라서 열이 고정자에서 어떻게 빠져나가는지, 즉 하우징을 지나 장착 구조로 들어가고 관절 자체의 인클로저를 벗어나는 방식에 달려 있습니다. 같은 모터라도 작은 밀폐 하우징에서 정격 값이 큰 하우징에서보다 낮은 이유이며, 암 끝단의 관절 정격 토크가 뒤에 큰 열 질량을 지닌 고관절 브래킷에 볼트로 고정된 같은 관절과 다른 문제인 이유입니다. 이 세트의 정격 값은 262 g 끝의 2.5 Nm에서 1396 g 끝의 74 Nm까지 이르며, 정격 숫자는 관절의 최악 조건이 아니라 평균 하중과 비교해야 하는 값입니다. 여기서 흔히 검증을 마무리하는 산술 점검은 정격 토크에 초당 라디안 단위의 정격 속도를 곱한 값과 공개 정격 출력을 대조하는 것입니다. AK60-6 V1.1은 420 rpm에서 3 Nm로 132 W를 내며 공개 값은 130 W이고, AK70-9 V3.0은 231 W 대 231 W, AK60-39 V3.0은 176 W 대 176 W, AK10-9 V3.0은 443 W 대 442 W입니다. 둘이 맞지 않는 경우 그 차이는 대개 속도를 인용한 버스 전압으로 거슬러 올라갑니다.

정지 상태의 유지 토크는 전류의 문제다

부하를 받은 채 정지해 있는 관절은 권선의 관점에서 일을 전혀 하지 않는 것이 아닙니다. 드라이브는 위치를 유지하기 위해 상에 전류를 밀어 넣어야 하며, 그로 인한 동손은 관절이 천천히 움직일 때와 같습니다. 따라서 서 있는 휴머노이드는 자세에 있는 부하가 걸린 모든 관절의 유지 토크에 비례하는 대기 전력을 소비하며, 중요한 값은 정격 운전점에서의 전류입니다. 이 세트에서 정격 전류는 24 V에서 AK45-10 V3.0의 1.9 A부터 48 V에서 AK10-9 V3.0의 10.7 A까지 이릅니다. 배터리 구동 플랫폼에서 그 소비는 지속 시간에서 지불되며, 기계적 스토퍼로 유지할 수 있는 자세를 설계할 가치가 있는 이유입니다.

관절이 지녀야 하는 질량에 비추어 읽는 토크 밀도

토크 밀도는 토크 축과 크기 축을 연결하는 숫자이며, 질량과 어느 토크를 사용했는지를 함께 밝힐 때에만 의미가 있습니다. 아래 여덟 제품에서 공개 피크 토크를 킬로그램으로 나눈 값은 368 g AK60-6 V1.1의 약 24.5 Nm/kg부터 1396 g AKH70-48 V1.0의 약 159 Nm/kg까지 이르고, 정격 토크를 킬로그램으로 나눈 값은 같은 두 제품에서 약 8.2 Nm/kg부터 약 53 Nm/kg까지입니다. 둘 다 기록된 수치로부터의 산술입니다. 이 넓은 편차는 제조 품질의 우연이 아니라 감속비가 하는 일입니다. 감속비가 높은 제품은 더 작은 모터를 더 빠르게 돌려 토크를 내며, 추가된 감속기 질량은 작은 모터가 절약한 질량에 비해 작기 때문입니다.

회전자가 아니라 관절에서 속도를 맞추기

휴머노이드 로봇의 속도 요구는 보통 주어진 시간 안에 넘어야 할 각도로 제시되며, 처음부터 올바르게 제시되는 경우는 드뭅니다. 관절 요구에서 액추에이터 사양으로의 환산은 감속비를 거치고, 감속비는 토크 때문에 선택되므로, 두 제약은 순차적으로가 아니라 함께 풀어야 합니다.

유각기가 다리의 속도 요구를 정한다

걷는 다리는 300에서 400 ms 안에 무릎 범위를 대략 60도에서 90도까지 앞으로 내밀어야 하며, 이는 유각기 동안 초당 150도에서 300도의 지속 관절 속도를 요구하고 보행 주기 전체로는 그보다 다소 적습니다. 아래 여덟 제품에서 그 대역은 6:1과 9:1의 485 g 및 540 g 등급이 담당하며, 이들의 공개 정격 속도 603 rpm과 260 rpm은 각각 약 초당 3618도와 1560도에 해당합니다. 이는 큰 여유이며, 관절의 속도 루프가 일정한 속도로 도는 대신 유각기 안에서 가속하고 감속할 수 있게 하는 요인입니다. 높은 감속비 제품이 다리에서 배제되는 것은 아니지만, 관절이 지면에 가깝고 하중 경로가 유각기보다 지지기에 의해 지배되는 곳에 쓰입니다.

추종과 도달이 팔의 속도 요구를 정한다

팔의 속도 요구는 단일 동작이 아니라 따라가야 하는 궤적으로 정해집니다. 조작 작업, 즉 한 점으로 도달하기, 표면을 따라가기, 던져진 물체 받기는 연속적인 위치와 속도 추종을 필요로 하며, 관련된 값은 끝단의 무부하 속도가 아니라 범위 중간 구간에 걸친 관절의 가속 능력입니다. 팔은 또한 다리보다 질량에 관대한데, 어깨가 팔꿈치와 손목을 지탱하기는 하지만 사슬 전체를 걸음마다 중력에 맞서 가속할 필요는 없기 때문입니다. 그 조합이 범위의 중간을 팔 사양의 합리적인 출발점으로 만듭니다. 이 세트에서 9:1의 540 g AK70-9 V3.0은 정격 260 rpm과 피크 토크 29.2 Nm를 제공하며, 이는 컴팩트한 프레임에서 팔꿈치나 어깨 피치를 감당합니다.

무부하 속도는 루프가 좀처럼 도달하지 않는 상한이다

공개된 무부하 속도는 부하도 컨트롤러 개입도 없는 상태에서 버스 전압에 대한 출력 속도입니다. 실제 관절은 그 지점에 도달하지 않는데, 무언가를 유지하거나 가속해야 하는 순간 운전점이 토크-속도 선을 따라 뒤로 이동하고, 속도 루프가 명령을 제한하기 때문입니다. 무부하 값의 실용적 용도는 요구 속도의 실현 가능성을 점검할 때의 상한입니다. 초당 200도의 관절 요구는 초당 4800도 상한 안에 여유 있게 들어가고 초당 222도 상한에는 불편할 만큼 가깝습니다. 요구가 상한에 가까이 있으면 관절은 높은 전류에서 수명을 보내게 되며, 그 열적 결과는 각주가 아니라 듀티 계산에 속합니다.

크기 맞추기: 외형, 보어, 그리고 말단 질량의 비용

크기는 휴머노이드 로봇 플랫폼의 기구학이 정하는 축이며, 타협의 여지가 가장 적은 축입니다. 두 링크 사이의 공간에 들어가지 않는 액추에이터는 어떤 조정으로도 맞출 수 없고, 사슬의 잘못된 위치에서 너무 무거운 액추에이터는 질량 예산만이 아니라 기계의 동역학을 바꿉니다.

말단 질량은 위쪽의 모든 관절에서 다시 비용이 부과된다

발에 있는 1 g은 걸음마다 발목과 무릎, 고관절에 의해 가속되므로 그 비용은 한 걸음에 세 번 지불됩니다. 고관절에 있는 같은 1 g은 한 번만 지불됩니다. 일을 해낼 수 있는 가장 작고 가벼운 제품을 말단에 두고, 가장 큰 토크를 내야 하는 관절에 질량을 남겨 두어야 한다는 논거가 여기 있으며, 이 세트의 배치에서도 보입니다. 262 g과 368 g 제품은 손목과 손, 발목 작업을 위한 정격 토크 2.5 Nm와 3 Nm를 담당하고, 940 g과 1396 g 제품은 고관절과 무릎을 위한 정격 18 Nm와 74 Nm를 담당합니다. 이 배치를 뒤집어 여유를 위해 말단 관절에 큰 액추에이터를 두면, 기계의 남은 수명 동안 근위부 관절이 더 힘들게 일하게 됩니다.

사지 내부의 케이블 보어와 하네스 수명

휴머노이드 관절은 회전하며, 그 회전을 가로질러야 하는 모든 것, 즉 전원, 센서 배선, 때로는 유체나 공기가 슬립 링을 통하거나, 수백만 번의 굽힘 주기를 견뎌야 하는 서비스 루프를 통하거나, 액추에이터 자체를 통과합니다. 1396 g AKH70-48 V1.0 KV41은 중공축 유성 액추에이터로, 케이블 경로가 관절 둘레가 아니라 관절 중심을 통과하여 서비스 루프를 관절의 외형에서 완전히 제거합니다. 보어를 쓸 수 없는 경우에는 루프를 굽힘 반경과 주기 수명에 맞춰 설계해야 하며, 이는 기계의 의도된 사용과 대조해 볼 가치가 있습니다. 따라서 아래 표의 외형 열은 단순히 맞춰야 할 직경이 아닙니다. 중공축 제품의 90 mm 직경과 81.5 mm 길이는 그것을 통과하는 보어와 함께일 때에만 의미가 있습니다.

직경 등급, 적층 길이, 그리고 프레임이 취할 수 있는 형상

일체형 액추에이터는 감속기와 모터가 같은 축을 공유하기 때문에 직경 등급으로 묶입니다. 이 세트에서 직경은 53 mm, 79 mm, 89 mm, 90 mm, 98 mm이고, 길이는 38.5 mm에서 81.5 mm까지입니다. 직경이 보통 더 어려운 제약인데, 링크의 단면은 하중을 지탱해야 하는 구조가 정하는 반면, 길이는 흔히 링크 자체의 길이에 흡수될 수 있기 때문입니다. 허벅지 안쪽에 들어가야 하는 관절은 얇고 넓은 패키지가 필요하고, 고관절 브래킷 바깥에 놓이는 관절은 더 긴 것을 감당할 수 있습니다. 장착 인터페이스는 크기만큼 중요합니다. 한쪽 끝에서 플레이트에 볼트로 고정되고 다른 쪽 끝에서 링크를 구동하는 액추에이터는 자체 하우징을 지나는 하중 경로를 만들며, 하우징의 강성은 관절 강성의 일부가 되고, 이는 다시 보행 충격 아래에서 기계가 어떻게 거동하는지를 정합니다.

휴머노이드 관절용 CubeMars 액추에이터 여덟 제품, 하나의 사양 세트

아래 표는 여덟 CubeMars 로봇 액추에이터를 하나의 사양 세트로 읽으며, 공개 질량 순으로 정렬했습니다. 질량이 휴머노이드 플랫폼을 설계해 나가는 축이고, 이 여덟 제품에 걸친 감속비 분포가 262 g 말단 모듈부터 1396 g 중공축 관절까지 전체 토크-속도 트레이드오프를 포괄하기 때문입니다. 모든 수치는 제조사가 공개한 값이며, 본문의 모든 도출 값은 산술이라고 표시했습니다.

제조사가 공개한 정격 및 피크 토크, 공급 전압, 감속비, 질량, 외형입니다. 정격 토크는 액추에이터의 열 한계 내 연속 값이고, 피크 토크는 단시간 값입니다. AKH70-48 V1.0은 중공축 제품이므로 외형은 축을 통과하는 케이블 보어와 함께 제시됩니다.

하나의 세트로 읽으면, 여덟 제품은 262 g에서 1396 g의 질량 범위에 걸쳐 공개 피크 토크 7 Nm에서 222 Nm까지의 토크 사다리를 이룹니다. 그 사다리는 질량 순서와 같은 모양이 아닙니다. 540 g 지점 위에서는 질량 순서가 더 이상 토크 순서를 따라가지 않습니다. 750 g AK60-39 V3.0의 72 Nm는 850 g AK80-64의 120 Nm에 자리를 내주고, 그다음에는 850 g 제품이 더 무거운 940 g AK10-9 V3.0보다 더 큰 토크를 냅니다. 850 g 제품의 64:1 단이 9:1에 맞서 속도를 내주기 때문입니다. 질량만으로 표를 읽으면 잘못된 제품을 고르게 됩니다. 감속비 열은 토크 열과 함께 읽어야 합니다.

토크 밀도는 같은 점을 하나의 숫자로 말해 줍니다. 기록된 두 열로부터의 산술인 공개 피크 토크를 킬로그램으로 나눈 값은 368 g 제품의 약 24.5 Nm/kg과 485 g 제품의 약 24.7 Nm/kg에서 850 g 제품의 약 141 Nm/kg과 1396 g 제품의 약 159 Nm/kg까지입니다. 약 여섯 배의 폭은 감속비가 하는 일입니다. 감속비가 높은 제품은 작고 빠른 모터에서 토크를 만들어 내고 출력 속도로 그 값을 치르는 반면, 감속비가 낮은 제품은 토크를 직접 만들어 내고 속도를 지킵니다. 킬로그램당 정격 토크는 더 좁은 범위에서 같은 이야기를 하며, 368 g 끝의 약 8.2 Nm/kg에서 중공축 끝의 약 53 Nm/kg까지입니다. 관절이 밀리초가 아니라 몇 분씩 하중을 유지할 때 더 유용한 값은 이쪽입니다.

감속비가 높아지면 속도는 떨어지며, 회전수보다 도로 말하는 편이 나은 방식으로 떨어집니다. rpm당 초당 6도로 공개된 무부하 및 정격 출력 속도를 환산하면, 여덟 제품은 6:1 끝의 무부하 출력 속도 약 초당 4800도에서 64:1 끝의 초당 222도까지 걸쳐 있고, 같은 제품의 정격 속도는 약 초당 3618도에서 약 초당 138도까지입니다. 300 ms 동안 60도를 흔들어야 하는 고관절은 초당 200도를 요구하며, 이는 표의 저감속비 절반 안에 들어가고 고감속비 절반의 상한에 가깝습니다. 모델을 고르기 전에 하는 이 비교가, 느린 다리를 해명해야 하는 처지에 설계가 빠지지 않게 해 줍니다.

발목에서 고관절까지 여덟 제품 읽기

휴머노이드 플랫폼의 관절은 손목과 발목의 말단 축에서 고관절과 무릎까지 사슬을 이루며, 요구는 그를 따라 단조롭게 이동합니다. 즉 토크는 오르고 속도는 떨어지며, 감당할 수 있는 질량은 지면에서의 관절 거리에 따라 커집니다. 아래 여덟 제품은 네 그룹으로 그 사슬에 대응합니다.

262 g과 368 g 끝: 손목, 손, 발목 축

이 세트에서 가장 작은 제품들이 낮은 토크와 중간 속도의 임무를 담당합니다. AK45-10 V3.0 KV75는 직경 53 mm, 길이 45.2 mm 하우징에 262 g이며, 24 V 버스에서 10:1 단으로 정격 2.5 Nm와 피크 토크 7 Nm를 내고, 백래시 0.3°과 함께 정격 120 rpm, 무부하 출력 속도 180 rpm을 공개합니다. 공개 정격 출력은 39 W이고 정격 전류는 1.9 A로, 작은 말단 링크로 들어가는 배선을 단순하게 유지합니다. AK60-6 V1.1 KV140은 직경 79 mm와 368 g으로 옮겨 가며, 6:1 단을 통해 정격 3 Nm와 피크 9 Nm를 내고, 24 V에서 KV140 모터가 정격 420 rpm과 무부하 560 rpm을 만들어 냅니다. 이는 무부하에서 약 초당 3360도로 이 그룹에서 가장 빠른 출력입니다. 낮은 감속비, 적당한 토크, 높은 출력 속도의 조합은 발밑에서 빠르게 위치를 바꿔야 하는 발목이나 작고 빠른 보정을 해야 하는 손목에 어울립니다. 백래시 값 0.55°은 이 그룹에서 공개된 가장 느슨한 값이며, 이는 빠른 모터를 지닌 낮은 감속비의 예상된 결과입니다.

485 g과 540 g 중간: 팔꿈치 추종과 빠른 무릎

세트의 중간은 팔과 더 빠른 다리 관절이 자리하는 곳입니다. AK80-6 KV100은 직경 98 mm, 길이 38.5 mm의 485 g 제품으로, 48 V 버스에서 6:1 감속비로 정격 6 Nm와 피크 토크 12 Nm를 내며, 정격 603 rpm과 무부하 800 rpm 출력, 공개 정격 출력 340 W를 지닙니다. 피크 대 정격 비율 2.0은 세트에서 가장 타이트하며, 듀티가 과도 상태보다 연속에 가까울 때 선택할 제품이 되게 합니다. AK70-9 V3.0 KV60은 같은 개념을 감속비 한 단계 위로 옮긴 것입니다. 직경 89 mm, 길이 49 mm 하우징에 540 g, 9:1 단, 48 V에서 정격 8.5 Nm와 피크 토크 29.2 Nm, 정격 260 rpm과 무부하 320 rpm, 정격 출력 231 W, 백래시 0.3°입니다. 피크 대 정격 배수 3.4는 세트에서 가장 넓어, 과도 상태가 설계 조건이고 연속 하중이 크지 않은 곳에 더 적합한 제품입니다. 두 제품 모두 문서화된 적용 사례가 있습니다. 제조사는 연구 플랫폼에서의 AK80-6 사례 연구를 공개했으며, 아래에 삽입했습니다.

750 g과 940 g 등급: 고관절, 무릎, 단일 지지 하중

이것은 기계를 지탱하는 등급입니다. AK60-39 V3.0 KV80은 직경 79 mm, 길이 67 mm 하우징의 750 g 제품으로, 48 V에서 39:1 단으로 정격 24 Nm와 피크 토크 72 Nm를 내며, 정격 70 rpm과 무부하 98 rpm 출력, 정격 출력 176 W, 백래시 0.25°입니다. AK10-9 V3.0 KV60은 직경 98 mm, 길이 61.7 mm 하우징에 940 g이며, 9:1 단과 이중 인코더 구성을 짝지어 48 V에서 정격 18 Nm와 피크 토크 53 Nm를 내고, 정격 235 rpm과 무부하 320 rpm 출력, 10.7 A 정격 전류에서 공개 정격 출력 442 W를 지닙니다. 두 제품은 반대 방향에서 같은 논거를 만듭니다. 39:1 제품은 감속비로 토크를 사들이고 출력 속도를 포기하며, 9:1 제품은 속도를 지키고 토크를 내기 위해 더 큰 모터가 필요합니다. 단일 지지 하중을 유지한 뒤 빠르게 신전해야 하는 고관절은 두 번째 배치에 유리하고, 지면에 가깝고 빠르게 움직일 일이 드문 무릎은 첫 번째에 유리합니다. 백래시는 39:1 제품에 대해 0.25°으로 공개되어 있고, 이 세트에서 9:1 제품의 기록에는 백래시 값이 실려 있지 않으며, 그 공백은 가정이 아니라 제조사에 물어볼 질문 목록에 속합니다.

48:1과 64:1의 무거운 끝: 속도를 의도적으로 소비하는 곳

표의 맨 위는 출력 속도가 설계자가 기꺼이 희생하려는 항목인 관절을 위한 것입니다. AK80-64 KV80은 직경 98 mm, 길이 61.9 mm 하우징에 850 g이며, 64:1 단을 통해 정격 48 Nm와 피크 토크 120 Nm를 내고 24 V와 48 V를 모두 받습니다. 공개 출력 속도는 24 V에서 정격 23 rpm과 무부하 37 rpm, 또는 48 V에서 정격 48 rpm과 무부하 75 rpm이며, 백래시는 이 세트에서 가장 타이트한 0.18°입니다. AKH70-48 V1.0 KV41은 직경 90 mm, 길이 81.5 mm 하우징에 1396 g인 가장 무거운 제품이며, 48 V 버스에서 48:1 단을 통해 정격 74 Nm와 피크 토크 222 Nm를 내고, 정격 28 rpm과 무부하 35 rpm 출력, 백래시 0.2°입니다. 중공축이 이 제품을 나머지와 구분하는 특징입니다. 케이블 경로가 축을 통과하며, 이것이 관절 둘레에 서비스 루프 없이 고관절이나 무거운 무릎을 만들 수 있게 합니다. 두 제품 모두 출력에서 초당 수백 도 수준에 머무르며, 이는 하중을 지지하는 무릎이나 지지된 고관절에 어울리고, 수백 밀리초 안에 유각기를 완료해야 하는 관절에서는 배제됩니다. 제조사는 중공축 제품의 부하 테스트를 공개했으며, 아래에 삽입했습니다. 이 제품의 전체 사양 기록은 제조사 제품 페이지에 있습니다.

이 관절 모터가 어울리는 휴머노이드 플랫폼

이 표의 모든 제품은 ToBMS에서 같은 응용 분야와 연결되어 있으며, 이는 듀티가 얼마나 좁은지를 반영합니다. 휴머노이드 로봇 응용 분야는 고정 구조의 부속품이 아니라 관절이 일차적인 설계 제약인 기계를 아우릅니다.

이족 보행 연구 및 전신 플랫폼

연구 플랫폼은 계측과 재구성을 전제로 만들어지므로, 관절 사양은 사용 수명보다 제어성과 반복성을 중심으로 작성됩니다. 여기서는 낮은 감속비와 중간 감속비가 지배적인데, 역구동이 가능한 관절은 손으로 연구할 수 있고 추가 센서 없이 모터 전류로 토크를 추정할 수 있는 관절이기 때문입니다. 이 표 중간의 공개 피크 대 정격 비율은 바로 그 사용 패턴에 맞습니다. 시제품은 수명의 대부분을 정격 토크의 일부에서, 이따금 그 배수에서 보냅니다.

족형 및 바퀴-족형 기계

걷는 기계, 그리고 관절식 다리에 장착된 바퀴로 구르는 기계는 이 응용 분야에서 가장 넓은 하중 조건 범위를 관절에 부과합니다. 지지기 동안 높은 토크에서 거의 0에 가까운 속도, 유각기 동안 낮은 토크에서 높은 속도, 그리고 양 끝에서의 충격 하중입니다. 관련된 질문은 공개 기록이 충격 조건을 아예 다루는지 여부이며, 이 세트에서는 피크 토크 값에 대해서는 다루고 구조를 통해 전달되는 충격 하중에 대해서는 다루지 않습니다. 그 공백은 데이터시트가 아니라 제조사와 함께 메웁니다.

보조 및 재활 하드웨어

기계가 사람의 사지를 움직이는 곳에서는 관절이 하중을 유지하면서 동시에 움직임을 따라가야 하며, 이 표의 두 제품에 대한 공개 사례 연구가 바로 그 상황에서 나왔습니다. 높은 감속비 제품이 유지를 담당하고, 낮은 감속비 또는 낮은 백래시 제품이 추종을 담당하며, 보조 기기가 사슬 전체에 하나의 제품을 지정하는 대신 같은 사지에 두 감속비 등급을 함께 쓰는 경우가 많은 이유입니다.

조작, 원격 조작 및 정교 작업 플랫폼

휴머노이드 플랫폼의 팔은 자신이 붙어 있는 몸체의 제약을 물려받습니다. 손목에서의 적당한 질량, 비정형 공간에서 작업해야 할 필요, 그리고 접촉을 견뎌야 하는 제어 루프입니다. 이 표의 중간, 즉 48 V 버스에서 6:1과 9:1인 485 g 및 540 g 제품은 하중 지지 끝의 질량 없이 그 제약을 만족하는 그룹이며, 하나의 모델이 팔의 여러 관절을 담당할 수 있는 그룹입니다.

휴머노이드 관절을 위한 선정 순서

이 세 단계의 순서는 각 단계 내부의 세부보다 더 중요합니다. 각 단계가 다음 단계가 고려해야 할 집합을 좁히기 때문입니다.

관절의 듀티와 최악 조건 하중을 먼저 확정한다

기계가 가장 많은 시간을 보내는 자세에서의 유지 토크, 균형 회복이나 들어 올림이 요구하는 과도 상태에서 필요한 토크, 그리고 각각에 소비되는 시간 비율을 정합니다. 첫 번째 숫자는 열적 조건을 정하고 따라서 정격 토크를 정합니다. 두 번째 숫자는 피크 주장을 정합니다. 그리고 둘 사이의 비율이 관절이 표의 낮은 끝에 속하는지 높은 끝에 속하는지를 결정합니다. 이 전에는 모델에 대해 아무것도 결정할 수 없는데, 같은 토크 요구가 높은 감속비의 작은 모터와 낮은 감속비의 큰 모터로 모두 충족되며, 그 두 답은 관절에서 다르게 거동하기 때문입니다.

버스와 보어, 장착 외형을 두 번째로 확정한다

버스 전압은 액추에이터가 아니라 기계의 전력 아키텍처를 따르므로 고정 제약으로 취급해야 합니다. 이 세트의 제품은 24 V, 48 V, 또는 둘 모두로 동작하며, 48 V 전용 제품은 토크가 아무리 잘 맞아도 24 V 플랫폼에서 쓸 수 없습니다. 외형은 링크를 따릅니다. 직경이 먼저, 길이가 다음이며, 관절이 케이블이 지나는 고관절이나 무릎인 경우에는 축을 통과하는 보어가 동시에 고려됩니다. 이 두 필터를 통과한 후보 목록은 보통 제대로 비교할 수 있을 만큼 작습니다.

기록이 남겨 둔 숫자를 확인한다

이 등급 액추에이터의 공개 기록은 토크, 속도, 감속비, 질량에 관해서는 충실하고, 관절이 어떻게 성능을 내는지보다 어떻게 거동하는지를 정하는 숫자에 관해서는 얇습니다. 제조사에 가져갈 질문 목록은 짧습니다.

• 특정 제품과 버전에 대해 출력에서 측정한 백래시, 그리고 그 값이 최대값인지 대표값인지 여부.
• 피크 토크 값에 딸린 듀티 창: 얼마나 오래, 얼마나 자주, 그리고 어떤 냉각 조건에서인지.
• 전체 감속단을 통과하는 효율, 그리고 높은 토크에서 낮은 출력 속도일 때 그것이 어디까지 떨어지는지.
• 기계 자체의 장착 배치에서의 연속 전류와 그에 따르는 하우징 온도 상승.
• 충격이나 임팩트 등급, 즉 이 응용 분야가 필요로 하면서 가장 자주 빠져 있는 값.

기록에 없는 값은 가정이 아니라 설계 여유에 속하며, 그 평가는 관절을 주문하기 전에 문서로 남겨야 합니다.

자주 묻는 질문

공식 자료

CubeMars는 플랫폼의 기술 자료 섹션에 모아 둔 액추에이터 제품군에 대한 제품 문서를 공개하며, 각 모델은 전체 사양과 성능 곡선, 장착 도면을 담은 공식 제품 페이지를 지니고 있습니다. 제조사 제품군이 진입점입니다. 제조사는 토크 곡선, 열 정격, 백래시 근거, 드라이브 구성의 진실 공급원으로 남으며, ToBMS는 검색과 비교가 가능한 발견 계층을 유지하고, 이 가이드에 사용된 수치는 플랫폼의 제품 기록에 담긴 공개 값입니다.

다음 단계

이 가이드의 카테고리 수준 대응물은 로봇용 액추에이터: 로봇 관절에 맞는 일체형 액추에이터 선택 방법으로, 이 일체형 제품 다섯 개를 부품으로서 서로 비교하며, 관절 모듈을 설계 단위로 삼는 관절 모듈 선택 가이드: 190 g에서 1.4 kg까지, CubeMars 액추에이터 5종도 있습니다. 이 가이드는 대신 로봇에서 출발합니다. 관절 사슬과 듀티 사이클, 질량 예산을 거쳐 같은 등급의 액추에이터에 도달하며, 이것이 어느 모델이 더 큰지가 아니라 휴머노이드 로봇에 무엇이 필요한지가 질문일 때 택할 경로입니다.

관절 등급이 바뀌는 곳에서는 인접한 두 경로를 따라갈 가치가 있습니다. 관절을 손으로 유도해야 하거나 프레임리스 키트와 밀봉 모듈 사이의 경계를 정해야 하는 경우에는 외골격용 BLDC 모터: 프레임리스 토크 모터 대 일체형 액추에이터가 그 비교를 직접 제시하며, 프레임리스 토크 모터 카테고리가 정교한 손 축을 보통 구성하는 스테이터·로터 키트를 다룹니다. 속도가 아니라 순응성을 위해 낮은 감속비를 택하는 경우에는 준직구동 액추에이터: 8:1 감속비가 주는 이점이 그 기준에서 준직구동 액추에이터 제품군을 다룹니다.

모터 등급들이 어떻게 관계되는지에 대한 더 넓은 맥락은 BLDC 모터: 브러시리스 DC 모터 유형, 사양, 선정 완전 가이드가 일체형 액추에이터를 다른 카테고리들 사이에 위치시킵니다. 연구가 아니라 후보 추리기를 원한다면 제품 선정에서 토크, 감속비, 전압, 질량, 외형으로 후보를 걸러 낸 뒤 제품 비교에서 서로 맞세우면 됩니다. 관련 관절 등급은 플랫폼의 관절 모듈, 외골격 로봇, 4족 보행 로봇, 재활 로봇 응용 분야에 묶여 있습니다. 로봇 액추에이터 카테고리에는 여기서 비교한 여덟 제품이 있습니다.