하드웨어

모터의 종류와 원리 3 - QDD모터 - 이론

QDD 모터: 로봇 반응성과 제어 성능을 혁신하는 기술

권민재

QDD 모터란

기본적으로 모터들은 고속/저토크 특성을 가집니다.
따라서토크를 증가시키기 위해 감속기를 추가는데, 작은힘으로 빠르게 돌면 감속기가 이에 대응하여 속도를 낮추고, 기어구조에 의해 토크가 증가하는 방식입니다.

QDD모터는 Quasi-Direct Drive, 즉 거의 다이렉트로 움직이는 모터라는 뜻으로, 기어비를 약 6:1정도로 낮춰 (자동차 7~12:1, 로봇 관절 50~150:1)
반응성을 높이고 모터에서 사용되는 전류를 기반으로 하여 토크를 직접 추정할 수 있게 만든 구조입니다.

아래 논문에서는 유니버설 로보틱스 UR5e기준으로기어비를 100:1로 사용한다는 것을 알 수 있습니다.

"Each joint of the robot includes an harmonic drive with a gear ratio equal to i = 100"

Garrido, S., et al. (2024). Electro-mechanical modeling and identification of the UR5e-series robot. Robotica. Cambridge University Press.

왜 기어비를 낮추는가?

AI학습에서 하드웨어에 대한 이슈로 언급되는 반응성에 대한 문제를 개선하는 방식이기 때문입니다.
기어비가 높아질수록 마찰, 백래시, 높은 임피던스 증가를 야기하고 시스템을 비선형적으로 만들며,
이는 제어입력에 대한 응답성이 낮추고 학습시간의 증가, 제어난이도가 증가하는 문제로 나타나기 때문입니다.

QDD모터는 MIT에서 다리형 로봇(Cheetah)의 동적 제어 성능 향상을 위해 제안된 구동 방식입니다.

MIT-Cheetah
MIT-Cheetah

QDD 모터의 특징과 장점

  1. 낮은 임피던스 & 역구동성 확보
    감속비가 낮기때문에 모터에 외력이 들어왔을 때, 관절이 감속기에 저항을 받지않아 모터가 쉽게 역으로 회전 할 수 있습니다.
    이로 인해 외력, 충격이 가해졌을 때 자연스럽게 밀리고, 환경과 상호작용하기에 좋습니다.

  2. 토크 추정
    기어비가 낮아 거의 직결방식으로 구성되어 있기 때문에 기구적인 유격으로 인해 발생하는 "백래시" 현상이 적어
    전류기반으로 토크를 기존 모터 대비 비교적 정확하게 예측할 수 있습니다.

  3. 빠른응답성
    감속기의 영향을 적게 받아 관성영향에서 기존 모터대비 자유롭고, 응답성이 빠릅니다.
    이를 통해 제어신호에 보다 빠르게 대응할 수 있습니다.

  4. 크기
    감속기의 크기가 줄어들어 모터의 크기가 작아집니다.

QDD 모터의 단점

  1. 설계 난이도증가
    BLDC 모터와 달리 기어비가 작기때문에 그만큼 충분한 힘을 내기위해서 권선, 자석, 용량등의 성능, 밀도의 증가 필연되고 설계 난이도가 증가합니다.

  2. 발열관리
    감속기의 크기가 줄어들지만, 각 부품간의 밀도가 높아지기 때문에 이에따른 방열대책이 필요합니다.

  3. 비용증가
    설계 난이도 증가, 발열관리, 더 많은 코일이 소요되어 비용이 증가합니다.

  4. 토크의 한계
    감속비가 낮아 동일 조건에서의 기타 모터 대비 토크의 절대값에 한계가 존재합니다.

QDD 모터의 적용 사례

  1. MIT Cheetah

  2. Unitree, Go1, 2

    Unitree-Go2
    Unitree-Go2