하드웨어

기어의 종류 4 - 특수기어

특수 기어의 세계: 유성, 하모닉, 사이클로이드 기어 파헤치기

권민재

기어의 종류 중 마지막인 특수 기어에 대해서 알아보겠습니다.

분류

기어종류

특수기어

유성기어, 하모닉드라이브, 사이클로이드기어

유성기어

유성기어 구조도
유성기어 구조도

유성기어는 중심에 있는 선기어와 바깥쪽 링기어 사이에 여러 개의 유성기어가 배치되고, 이 유성기어들이 캐리어에 의해 연결된 구조의 기어 시스템입니다.
태양 주위를 행성이 도는 모습과 닮아 "유성(planet)" 이라는 이름이 붙었습니다.

세 요소(선기어, 캐리어, 링기어) 중 어느 하나를 고정하고 어느 하나를 입력으로 두느냐에 따라 감속비와 회전 방향이 달라지는 것이 가장 큰 특징입니다.
동일한 구조로 감속·증속·역전이 모두 구현 가능하며, 자동변속기로 사용되기도 합니다.

장점은 하중이 여러 개의 유성기어로 분산되어 같은 크기에서 일반 평기어 대비 훨씬 큰 토크를 전달할 수 있습니다.
입력축과 출력축이 동심으로 배치되어 축 정렬이 단순하고 공간 효율이 높으며, 단을 직렬로 연결해 고감속비(1:1000 이상)도 작게 구현할 수 있습니다.

단점은 구조가 복잡해 부품 수가 많고 제작·조립 난이도가 높습니다.
각 유성기어 간 하중 균등 분배가 제대로 이루어지지 않으면 일부 기어에 응력이 집중되어 수명이 짧아질 수 있습니다.

로봇 관절 감속기 고하중·고감속·동축 입출력이 필요한 거의 모든 분야에서 사용되는 가장 보편적인 고성능 기어 시스템입니다.

하모닉드라이브

하모닉 드라이브 구조도
하모닉 드라이브 구조도

하모닉 드라이브는 금속의 탄성 변형을 이용해 동력을 전달하는 특수한 감속기입니다.
일반적인 기어가 단단한 부품 간의 맞물림으로 동작하는 것과 달리, 하모닉 드라이브는 탄성 부품을 변형시켜 맞물림을 만든다는 점이 다릅니다.

부품

역할

웨이브 제너레이터

타원형 캠 + 베어링. 회전하면서 플렉스 스플라인을 타원으로 변형시킴

플렉스 스플라인

얇은 링 모양의 탄성 외치 부품. 타원으로 변형되며 회전

서큘러 스플라인

강체 링 모양의 내치부품. 일반적으로 고정되어져 있음

작동 원리

플렉스 스플라인의 잇수는 서큘러 스플라인보다 2개 적게 설계됩니다.
웨이브 제너레이터가 플렉스 스플라인을 타원으로 변형시키면, 타원의 장축 양 끝에서만 두 스플라인의 이가 맞물리고, 단축 부근에서는 이가 떨어집니다.

웨이브 제너레이터가 한 바퀴 돌면 맞물림 지점이 한 바퀴 이동하고, 그 결과 플렉스 스플라인은 잇수 차이(2개)만큼만 반대 방향으로 회전합니다.
즉 입력이 한 바퀴 도는 동안 출력은 2/202 -> 1% 만 회전 — 단일 단으로 1:50 ~ 1:320의 높은 감속비가 구현됩니다.

장점

  1. 제로 백래시(zero backlash) — 타원 변형으로 항상 다수의 잇이 접촉 상태이고, 탄성 예압이 백래시를 흡수함. 정밀 위치 제어가 필수인 로봇 관절에서 결정적 장점.

  2. 고감속비 + 컴팩트 — 단일 단으로 1:100 수준을 얇은 디스크 형태로 구현. 동일 감속비의 유성기어 다단 구조보다 훨씬 가볍고 얇음.

  3. 동축 입출력 — 입출력이 같은 축 위에 있어 로봇 관절 구조에 그대로 들어감.

  4. 높은 토크 밀도 — 다수의 잇이 동시 접촉 상태이므로 단위 부피당 토크가 매우 큼.

단점

  1. 탄성 변형 의존 → 비틀림 강성(torsional stiffness)이 낮음 — 고하중에서 미세한 위치 오차(windup)가 발생. 정밀 제어 시 토크-각도 보상이 필요.

  2. 플렉스 스플라인의 피로 한계 — 매 회전마다 탄성 변형이 반복되므로 수명이 사이클 수에 의해 제한됨.

  3. 고가 — 정밀 가공이 필수이고 시장이 사실상 독점 구조(일본 Harmonic Drive Systems Inc.)라 가격이 매우 높음.

주 사용처

산업용·협동로봇의 관절 감속기로 사실상 표준입니다. Universal Robots, KUKA iiwa, 두산 로보틱스 등 대부분의 협동로봇이 관절마다 하모닉 드라이브를 사용합니다.
그 외에도 고정밀·저백래시가 요구되는 분야에 폭넓게 사용됩니다.

협동로봇 관절을 분해하면 약 80-90%가 하모닉 드라이브를 쓰고 있을 정도로 로봇공학의 표준 부품입니다.
이 부품의 특성(저강성·고감속·제로백래시)은 모델링 단계에서 반드시 고려해야 하는 트레이드오프라 알고 있으면 좋을 것 같습니다.
특히 flexible joint model이 하모닉 드라이브로 인해 생긴 솔루션인데, 짧게 설명하자면

사이클로이드기어

사이클로이드 기어 동작영상
사이클로이드 기어 동작영상
사이클로이드 기어 구조도
사이클로이드 기어 구조도

사이클로이드 감속기는 잇면 형상이 사이클로이드 곡선으로 가공된 디스크가 편심 회전하면서 동력을 전달하는 감속기입니다.
에피사이클로이드(epicycloid) 또는 하이포사이클로이드(hypocycloid) 형상을 활용하며, 산업용 로봇과 정밀 감속기의 핵심 부품으로 사용됩니다.

사이클로이드 곡선
사이클로이드 곡선

부품

역할

입력축 (편심캠)

모터에 연결, 편심 회전을 만듦 (입력)

사이클로이드 디스크

사이클로이드 잇면을 가진 디스크. 편심캠 위에서 흔들리듯 회전

고리핀 (Ring Pin)

하우징 안쪽에 배치된 핀들. 디스크 외주와 맞물려 회전을 구속

출력 핀/롤러

디스크의 회전을 출력축으로 전달 (출력)

입력축의 편심캠이 회전하면 사이클로이드 디스크가 편심 운동을 하면서 고리핀과 맞물립니다.
디스크의 잇수는 고리핀 개수보다 정확히 1개 적게 설계되며, 편심캠이 한 바퀴 도는 동안 디스크는 반대 방향으로 1개 잇만큼만 회전합니다.
일반적으로 단일 단에서 1:10 ~ 1:200 수준의 감속비가 구현됩니다.

장점

  1. 다수의 이가 동시 접촉 (60~70%) — 사이클로이드 디스크는 어느 순간에도 전체 고리핀의 절반 이상과 동시에 접촉합니다.
    일반 평기어가 한두 개의 이로 하중을 받는 것과 대비되며, 이로 인해 토크 밀도가 매우 높고 충격 하중에 강함.

  2. 백래시가 거의 없음 — 다수 잇 동시 접촉 + 정밀 가공으로 백래시가 1 arcmin 이하 수준까지 가능.

  3. 높은 비틀림 강성 — 하모닉 드라이브와 달리 탄성 변형 요소가 없어 강체에 가까운 거동. 급가속 시에도 진동이 적고 위상 지연이 작음.

  4. 높은 효율 (~95%) — 잇면 접촉이 주로 구름 접촉(rolling contact) 이라 미끄럼 손실이 적음.

  5. 충격에 강함 — 다수 잇이 하중을 분담하므로 순간적인 과부하에도 잇이 부러지지 않고 견딤. 산업 환경에서 중요한 특성.

단점

  1. 편심 회전으로 인한 진동 발생 — 입력축이 편심 회전을 만들기 때문에 불균형 관성력(unbalance) 이 생김.
    이를 줄이기 위해 보통 두 개의 사이클로이드 디스크를 180° 위상차로 배치하지만, 완전히 제거되지는 않음.

  2. 구조가 복잡하고 부품 수가 많음 — 정밀 가공이 필요한 부품(편심캠, 디스크, 고리핀, 출력 핀)이 많아 제작 비용이 높음.

  3. 무게와 부피 — 하모닉 드라이브에 비해 두껍고 무거움. 휴머노이드처럼 분산 질량이 중요한 응용에는 불리.

  4. 고속 회전에 부적합 — 편심 운동의 관성력이 속도 제곱에 비례해 커지므로 고RPM 입력에는 진동·소음이 증가. 보통 입력 3000RPM 이하에서 사용.

가볍고 얇아야 한다 → 하모닉 (협동로봇 관절)

충격을 견디고 강성이 높아야 한다 → 사이클로이드 (산업용 로봇 베이스 관절)

주 사용처

산업용 6축 로봇의 어깨·허리 관절에 사실상 표준입니다. ABB, FANUC, KUKA, 야스카와 등 주요 산업용 로봇 제조사가 큰 관절(J1, J2, J3)에는
사이클로이드 감속기를 사용합니다. 손목 부분(J4, J5, J6)은 무게가 중요해서 하모닉을 쓰기도 합니다. 고하중·고강성·충격 부하가 요구되는 분야에 사용됩니다.