목차
1. 인간형 로봇 구동 기술의 진화
2. 프레임리스 토크 모터와 코어리스 모터의 기술 원리
3. 관절 시스템 최적화를 위한 모터 조합 전략
4. 주요 적용 사례와 성능 평가
5. 기술적 한계와 미래 발전 방향
6. 인간-기계 협업 시대를 위한 기술 로드맵
< 테슬라 옵티머스 Gen 2 >
1. 인간형 로봇 구동 기술의 진화
인간형 로봇(Humanoid Robot)의 관절 자유도(DoF, Degrees of Freedom) 구현은 생체역학적 움직임 재현의 핵심 과제입니다. 2025년 현재, 전 세계적으로 50개 이상의 휴머노이드 플랫폼이 개발되었으나, 대부분이 20-30DoF 수준에 머물고 있습니다. 이는 인간 상체의 34DoF(손가락 27DoF 포함)를 완전히 모사하기에는 부족한 수치입니다.
최근 프레임리스 토크 모터(Frameless Torque Motor)와 코어리스 모터(Coreless Motor)의 조합이 관절 시스템 혁신의 돌파구로 주목받고 있습니다. 테슬라 옵티머스(Optimus)는 28개 액추에이터(14개 프레임리스 + 14개 코어리스)로 50DoF를 구현했으며, 중국 UBTech 워커 X는 41 DoF 달성에 성공했습니다. 그러나 이러한 기술 접근법은 여전히 토크 밀도 대비 무게 비율(현재 20:1 vs 인간 근육 50:1)과 에너지 효율(평균 85% vs 생체 95%) 측면에서 한계를 노출시키고 있습니다.
2. 프레임리스 토크 모터와 코어리스 모터의 기술 원리
프레임리스 토크 모터의 작동 메커니즘
프레임리스 토크 모터는 외부 하우징을 제거한 BLDC(Brushless DC) 모터로, 고정자(Stator)와 회전자(Rotor)만으로 구성됩니다. Kollmorgen TBM 시리즈는 네오디뮴-철-붕소(NdFeB) 영구자석 배열을 활용해 40Nm/kg의 토크 밀도를 달성했습니다. 이는 기존 서보 모터 대비 3배 이상의 수치입니다.
직접 구동(Direct Drive) 방식으로 기어박스가 없어 백래시(Backlash)가 0.001° 이하로 제어되며, 0-3,000RPM 범위에서 92% 이상의 효율을 유지합니다. 특히 THOR 휴머노이드의 고관절 설계에서는 3개의 프레임리스 모터가 직교 배치되어 150° 피치(Pitch) 동작을 구현했습니다.
<프레임리스 토크 모터 구성>
코어리스 모터의 정밀 제어 특성
코어리스 모터는 철심 없는 권선 구조로, 직경 10mm 미만에서 0.005° 위치 정확도를 제공합니다. Lammotor의 MP-25T 모델은 500g 이하의 하중을 0.5Nm 토크로 정밀 조작 가능하며, 5ms 이내의 응답 속도를 보입니다. 손가락 관절에는 3개의 모터가 스택(Stack) 구성되어 각 지골(Phalanx)의 3 DoF를 독립적으로 제어합니다.
핵심 기술은 할바흐 배열(Halbach Array)을 적용한 자기장 최적화로, 기존 대비 30% 이상의 출력 밀도 향상을 이뤘습니다. 또한 중공형 설계로 축을 관통시켜 광학 인코더(Optical Encoder)와의 통합이 용이해졌습니다.
<코어리스 DC모터 구성>
3. 관절 시스템 최적화를 위한 모터 조합 전략
동적 하중 분배 아키텍처
대형 관절(어깨, 엉덩이)에는 프레임리스 모터를, 소형 관절(손가락, 발목)에는 코어리스 모터를 배치합니다.
테슬라 옵티머스의 경우:
· 어깨 관절: 3개의 LS-85 모터(ThinGap)가 120° 간격으로 배열되어 360° 회전 구현
· 손 관절: 27 DoF를 위해 9개의 MP-25T 모터(Lammotor) 사용
동작 시 프레임리스 모터가 전체 하중의 70%를 담당하고, 코어리스 모터가 30%의 미세 조정을 수행합니다. 칼만 필터(Kalman Filter) 기반 토크 퓨전 알고리즘[3]으로 두 모터 유형 간의 협업을 최적화합니다.
열 관리 및 에너지 회생 시스템
프레임리스 모터에는 PEEK(Polyether Ether Ketone) 소재의 방열판을 적용해 150°C까지 안정성을 확보했습니다. 코어리스 모터는 브러시리스 구동 시 발생하는 역기전력을 활용, 배터리 소모량을 15% 절감합니다.
모듈형 설계 표준화
CubeMars U38 시리즈는 38mm 외경에 18mm 중공 샤프트를 갖추고, 플러그 앤 플레이(Plug-and-Play) 방식으로 관절 모듈 교체가 가능합니다. 이로써 정비 시간을 50% 이상 단축했습니다.
4. 주요 적용 사례와 성능 평가
테슬라 옵티머스 Gen-2
· 구동 계층화: 14개 프레임리스(어깨/엉덩이) + 14개 코어리스(손/발)
· 성능 지표: 50DoF, 1.2kW 전력 소모, 5km/h 보행 속도
· 한계점: 20kg 이상 적재 시 관절 효율이 30% 저하
UBTech 워커X
· 혼합 구동: 22개 프레임리스 + 19개 코어리스
· 특징: AI 기반 동적 보행 알고리즘으로 15° 경사면 등반 가능
· 문제점: 연속 작동 2시간 후 토크 리플(Torque Ripple)이 5% 증가
HECTOR 프로젝트
· 개방형 플랫폼: QDD 액추에이터(Quasi-Direct Drive) 적용
· 성과: 2.5kg 적재 상태에서 0.6m/s 속도로 불규칙 지형 주행
· 한계: 모터-감속기 결합부에서 0.02mm 이상의 마모 발생
5. 기술적 한계와 미래 발전 방향
현재의 주요 장벽
· 재료 과학적 제약: NdFeB 자석의 최대 에너지 곡선 52 MGOe가 물리적 한계
· 제어 알고리즘 복잡도: 50 DoF 시스템에서 MPC(Model Predictive Control) 계산량이 1 TFLOPS 초과
· 열적 안정성: 고부하 시 관절 온도가 1°C/s 이상 상승
2030년 기술 로드맵
1. GaN 기반 전력 모듈: 스위칭 손실 45% 감소로 효율 95% 달성
2. 초경량 마그네슘 합금: 모터 무게 30% 경량화
3. 신경형 제어 칩: 스파이크 신경망(SNN)으로 계산 효율 10배 향상
표준화 촉진 방안
· ISO/TC 299 WG6에서 휴머노이드 모터 인터페이스 표준 마련 추진
· 모듈 간 통신 프로토콜 ROS2-MotorSpec 개발 진행 중
6. 인간-기계 협업 시대를 위한 기술 로드맵
프레임리스 토크 모터와 코어리스 모터의 조합은 현재 휴머노이드 로봇의 자유도 확장에 가장 실용적인 솔루션이지만 2025년 5월 기준으로는 여전히 생체 모방 수준의 유연성과 효율을 달성하지 못했다. 향후 5년 내에 텐서프로세서 내장형 관절 모듈과 자가 치유 소재의 개발이 병행될 경우, 50 DoF 이상의 완전한 인간 모사가 가능할 것으로 전망되며, 이는 단순한 기계적 움직임을 넘어 예술적 창작 활동까지 수행 가능한 휴머노이드로의 진화를 의미할 것이다.