로봇 프레임리스 토크 모터가 휴머노이드 로봇에 전력을 공급하는 방법

실험실에서 공중제비를 하고, 자동차 공장에서 부품을 운반하고, 심지어 사람들과 자연스러운 대화를 나누는 휴머노이드 로봇에 대한 짧은 비디오를 이미 본 적이 있을 것입니다. 이러한 겉보기에 '인간과 유사한' 행동 뒤에는 핵심 조력자, 즉 관절 시스템이 있습니다. 알고리즘이 로봇의 두뇌이고 센서가 로봇의 감각이라면, 로봇 프레임리스 토크 모터는  얼마나 빨리 달릴 수 있는지, 얼마나 무거운 것을 들어 올릴 수 있는지, 얼마나 안정적으로 걸을 수 있는지를 결정하는 근육입니다. 오늘 우리는 여러 주류 휴머노이드 로봇 제품부터 시작하여 이 '근육' 기술이 어디에 뛰어난지, 그리고 산업 변혁을 어떻게 지원하는지 분석할 것입니다.

I. 휴머노이드 로봇이 로봇 프레임리스 토크 모터와 분리될 수 없는 이유는 무엇입니까?

우리의 주인공에 대해 알아봅시다. 프레임리스 토크 모터는 하우징, 샤프트, 베어링이 없는 독특한 존재입니다. '포장된' 주변 구성 요소를 모두 제거함으로써  고정자와 회전자 코어만 유지합니다. 로봇의 관절 구조에 직접 내장된 이점은 간단합니다:  더 작은 볼륨, 더 높은 토크 . 휴머노이드 로봇에서 엉덩이, 무릎, 어깨와 같은 큰 토크의 관절은 매우 높은 전력 밀도와 소형화를 요구합니다. 기존 모터는 종종 너무 많은 공간을 차지하는 반면, 프레임리스 토크 모터는 조인트 내부에 통합되어 '모터-조인트 일체화' 설계를 달성할 수 있어 전체 구조를 더욱 컴팩트하고 효율적으로 만듭니다.

데이터는 또한 그 중요성을 확인시켜줍니다. Tesla Optimus를 예로 들어보겠습니다.  28개 액추에이터 모두 프레임 없는 토크 모터를 사용하며 이는 공동 작동에서 이 제품의 핵심 역할을 강조합니다.

II. 주류 제품 구성 분석: 다양한 관절, 다양한 '근육'

모터를 근육에 비유하면 다양한 신체 부위에 대한 요구 사항이 크게 다릅니다. 어깨와 엉덩이와 같은 큰 관절에는 폭발적인 힘이 필요하고, 손목과 민첩한 손에는 정밀한 제어가 필요하며, 무릎은 안정성을 유지하면서 하중을 견뎌야 합니다. 제조업체는 제품 포지셔닝 및 비용 고려 사항을 기반으로 다양한 모터 조합 솔루션을 채택했습니다.

Tesla Optimus: 기술 벤치마크의 '풀스택 구성'

Tesla Optimus는 현재 업계에서 가장 완벽하고 기술적으로 투명한 액추에이터 솔루션을 보유하고 있습니다. 관절은 세 가지 범주로 나뉩니다.

·  로터리 액츄에이터(14개) : 주로 어깨, 엉덩이, 손목, 허리 등 대각 회전 관절에 사용됩니다. 솔루션은 '프레임리스 토크 모터 + 고조파 감속기 + 토크 센서 + 듀얼 엔코더'로,  20Nm, 110Nm, 180Nm의 세 가지 토크 사양을 제공합니다..

·  리니어 액츄에이터(14개) : 스윙 각도가 제한되어 있지만 높은 추력이 필요한 관절(예: 팔꿈치, 무릎, 발목)에 분산됩니다. 해결책은 추력 사양이  500N, 3900N, 8000N 인 '프레임리스 토크 모터 + 유성 롤러 나사'입니다..

·  민첩한 핸드 액츄에이터(12개/양손) : 중공컵 모터 + 소형 다단 유성기어박스 + 웜기어 조합을 사용합니다. 각 손의 자유도는 11도이며 9kg의 하중을 들어 올릴 수 있습니다.

전반적으로 Optimus는 엉덩이와 어깨와 같은 고부하 관절에는 180Nm 고토크 액추에이터를 사용하고 팔꿈치와 손목과 같은 중간 부하 부분에는 중간/저 토크 솔루션을 사용하여 합리적인 '근육 구배'를 형성합니다. 비용 측면에서  프레임리스 토크 모터는 전체 로봇 비용의 약 14.8%를 차지하며 유성 롤러 스크류 다음으로 두 번째로 중요한 구성 요소입니다.

Unitree H1/G1: 높은 비용 성능 '자체 개발 팩션'

Unitree의 접근 방식은 Tesla의 접근 방식과 크게 다릅니다. 그들은  높은 토크 밀도 모터와 낮은 비율의 유성 기어를 사용하는 준직접 구동 아키텍처를 선호하여 비용을 절감하면서 전력 출력을 보장합니다.

H1은 최대 토크  산업용 대형 휴머노이드 로봇으로 자리매김했다 .  360N·m  (고관절  220N·m , 발목 관절  45N·m )을 전달할 수 있는 자체 개발 M107 모터를 탑재해 경쟁사 대비 1.5배의 출력 밀도를 자랑하는 관절 분포: 하지 관절 14개(토크 범위 45~220N·m), 상지 관절 14개(토크 ~75N·m), 몸통 관절 2개.

G1은  키 1.32m, 무게 35kg의 가정 소비자 시나리오를 목표로 합니다. 표준 버전에는 23 DOF가 있고 EDU 버전에는 23-43 DOF가 있습니다. 하부 다리 관절은 '모터 + 2단 유성 감속기 + 엔코더 + 드라이버' 4-in-1 통합 모듈을 사용하며 최대 무릎 관절 토크는  90N·m  이고 최대 팔 하중은 2kg입니다. 특히, Unitree는 모터, 감속기, 컨트롤러, 인코더 및 기타 핵심 구성 요소를 모두 자체 개발하여 90% 이상의 국산화율을 달성하여 G1 기본 버전의 가격을 RMB 85,000까지 낮췄습니다.

Xiaomi CyberGear: 소형 통합 '액추어리'

Xiaomi의 CyberGear는 완전히 다른 경로를 택합니다. 서보 모터, 하모닉 감속기, 듀얼 인코더 및 드라이버를 무게가 에 불과한 작은 본체에 담아  317g '작은 크기, 큰 통합'을 달성합니다.

기술 매개변수: CyberGear 모터의 최대 토크는  3N·m 에 불과하지만  만큼 빠르게 반응할 수 있습니다  20밀리초 . 데스크탑 로봇 팔 및 소형 로봇 관절과 같은 경량 시나리오에 적합합니다. 모터는 더 나은 열 방출을 위해 검정색 양극 처리된 알루미늄 하우징을 사용하고 자체 개발한 온도 감지 시스템 및 보호 알고리즘을 통합하며 XT30 커넥터 및 퀵 릴리스 디자인이 표준으로 제공됩니다. 이 제품은 Xiaomi 온라인 상점에서  RMB 499 에 판매되며 보급형 로봇 관절 모듈의 '가격 문지기'입니다.

최대 토크 3N·m는 옵티머스와 유니트리의 라지 토크 솔루션에 비해 훨씬 낮지만, 317g에 불과한 무게와 '퀵 릴리스+통합' 디자인을 고려하면 소비자 시나리오(가정용 소형 로봇, 교육용 로봇)에 적합하다. 이는 '충분히 좋은' 전략을 따르므로 중소 제조업체도 로봇 공학 분야에서 활동할 수 있습니다.

Zhiyuan Robotics Expedition 시리즈: '궁극의 버스트 파워' 추구

Zhiyuan Expedition 시리즈는 특히 모터 성능이 공격적입니다. Expedition A2 Max 로봇은  450N·m 의 최대 관절 토크를 제공합니다. 현재 공개적으로 사용 가능한 가장 높은 관절 토크 수치 중 하나인 자체 개발한 PowerFlow 모터는 직접 구동과 기존 모터 사이의 준직접 구동 기술 경로를 채택하여 무게가 1.6kg에 불과하면서 350N·m를 초과하는 최대 토크를 제공하고 액체 냉각 시스템을 통합하여 힘 제어 감도와 연속 부하 용량의 균형을 유지합니다. 현재 Zhiyuan은 청두에 산업 기지를 설립했으며 Expedition A3, A2, Lingxi X2 등의 제품이 대량 생산을 달성했습니다.

직관적인 비교를 위해 위 주류 모델의 주요 매개변수가 아래 표에 요약되어 있습니다.

위의 표에서 로봇 프레임리스 토크 모터는 엉덩이, 무릎, 어깨 관절과 같은 고부하 시나리오에서 거의 표준이 된 반면, 보다 정밀한 중공 컵 모터는 손 끝에 사용된다는 것이 분명합니다. 유일한 차이점은  모터 유형과 성능 매개변수의 조합 에 있습니다 . 방향은 일관적이다.

III. 모터와 완성 로봇 간의 '매핑'

그렇다면 어느 업스트림 모터 제조업체가 이러한 잘 알려진 휴머노이드 로봇 제품을 지원하고 있습니까? 대량 생산이 증가함에 따라 다수의 국내외 공급업체가 핵심 위치를 차지하면서 완성형 로봇 제조업체에 긴밀히 결속되고 있습니다.

·  Tesla의 공급망 : Inovance Technology는 구동 제어 통합 조인트 분야에서 선도적인 위치를 차지하고 있으며 Leadshine의 모션 제어 제품도 Tesla의 공급망에 진입했습니다. 또한 Wolong Electric Drive의 프레임리스 토크 모터는 Unitree, Zhiyuan 등 국내 주류 로봇의 공급망에 성공적으로 진입하여 Tesla와 간접적으로 연결되어 국내 시장 점유율이 약 25%에 달합니다.

·  Unitree  는 현지화율이 매우 높은 플레이어입니다. 모터, 드라이브 보드 및 모션 제어 알고리즘은 대부분 자체 개발되었습니다. 공급망 관점에서 보면 특히 Leaderdrive의 고조파 감속기와 Haozhi Electromechanical의 프레임리스 토크 모터가 Unitree를 공급합니다.

·  Xiaomi의 CyberGear  모터는 외부 모터 공급업체에 의존하지 않지만 분해 결과 ams OSRAM의 자기 인코더와 GigaDevice의 메인 제어 MCU가 통합되어 있는 것으로 나타났습니다. 한편, Inovance Technology는 Xiaomi에도 공급합니다.

·  Zhiyuan은  긴밀하게 연결된 수많은 공급업체를 보유하고 있습니다. Wolong Electric Drive는 '산업 + 자본' 이중 바인딩을 통해 Zhiyuan의 공급망에 진입했을 뿐만 아니라 간접적으로 Zhiyuan의 지분을 보유하고 있습니다. 서보 시스템과 프레임리스 토크 모터를 공급하는 다른 국내 선두 업체로는 Inovance Technology, STEP Electric 및 Veichi Electric이 있습니다.

전반적으로  프레임리스 토크 모터 분야는 국산화가 가속화되고 있습니다 . 하이엔드 시장에서는 Kollmorgen, MOOG 등 해외 브랜드가 여전히 기술적 우위를 점유하고 있지만, 대량 생산, 원가 관리, 맞춤형 서비스 측면에서 Inovance, Wolong, STEP 등 국내 업체가 빠르게 상승하고 있습니다.

IV. 더 높은 수준의 '근육' 요구 사항: 인코더 및 고정밀 관절

모터는 전력 출력 문제를 해결하지만 충분히 정확한 관절 위치 지정, 미세한 힘 피드백 및 부드러운 모션 제어를 달성하려면 또 다른 핵심 구성 요소인  인코더가 필요합니다..

인코더는 위치, 속도 및 각도 정보에 대한 실시간 피드백을 담당하는 로봇의 '신경계' 역할을 합니다. 휴머노이드 로봇에서는  듀얼 엔코더  솔루션이 주류가 되었습니다. 하나의 엔코더는 모터 측에, 다른 하나는 출력 측에 설치되며, 이들 사이의 각도 차이를 비교하여 토크와 위치를 교정합니다. 고부하 관절(예: 엉덩이 및 무릎)에서 인코더는 로봇이 보행과 힘을 얼마나 정확하게 제어할 수 있는지 결정합니다. 정밀한 수동 작업에서 엔코더 정확도는 밀리미터 단위로 측정되는 중요한 변수입니다.

V. SDM: 국내 로봇 프레임리스 토크 모터 및 자기 인코더 분야의 신흥 스타

현지화 가속화를 배경으로 항저우의 회사인 SDM은 '로봇 프레임리스 토크 모터 + 자기 인코더'로 구성된 이중 휠 제품 매트릭스를 통해 점차 휴머노이드 로봇 산업 체인의 핵심으로 진출하고 있습니다.

프레임리스 토크 모터에서 SDM의 차별화된 장점은 주로 다음 세 가지 측면에 반영됩니다.

1. 자체 개발한 모터 설계 능력 . SDM의 프레임리스 토크 모터는 항공급 합금 소재와 높은 자기 에너지 제품 자석을 사용하여 고속 응답과 실시간 토크 폐쇄 루프 제어를 지원하여 토크 밀도와 충격 저항을 크게 향상시킵니다. SDM은 다양한 로봇 관절(엉덩이/무릎/어깨)의 차별화된 요구 사항을 충족하기 위해 50Nm에서 200Nm 이상의 최대 토크를 지원하는 여러 모터 제품 라인을 출시했으며 가벼운 상업 서비스부터 산업용 무거운 하중에 이르는 응용 분야에 유연하게 적응합니다.

2. 자기 엔코더의 핵심 기술 . SDM이 자체 개발한 다중 회전 절대 자기 인코더 및 단일 회전 자기 인코더는 정확성, 안정성 및 간섭 방지 기능 면에서 국제 주류 솔루션과 일치합니다. 고정밀 자기 저항 센서와 다극 자기 링 기술을 사용하는 SDM의 자기 인코더는 18비트보다 나은 위치 분해능을 달성하는 동시에 진동 방지 및 고온/저온 특성을 크게 최적화합니다. 이 '모터 + 엔코더' 통합 기능을 통해 전체 로봇 제조업체는 달성하여  원스톱 조인트 드라이브 솔루션 선택을 개발 효율성과 시스템 통합을 크게 향상시킬 수 있습니다.

3. '항저우 여섯 마리 용' 산업 클러스터에 뿌리를 두고 있습니다 . SDM은 항저우와 양쯔강 삼각주 지역에 위치하고 있으며, 이 지역에는 감속기, 베어링, 센서 및 기타 핵심 부품을 다루는 로봇 부품 자원이 중국에서 가장 밀집되어 있습니다. 저장성의 휴머노이드 로봇 산업 개발 정책의 지속적인 추진으로 SDM은 단일 부품 공급에서 완전한 공동 모듈 솔루션으로 점차 확장하고 있습니다.

휴머노이드 로봇이 실험실 단계에서  '대량 생산 시대' 로 이동함에 따라 업스트림 모터 및 인코더 공급업체 간의 경쟁은 '비용 효율성'에서 '성능 + 신뢰성'의 이중 트랙 전투로 업그레이드되고 있습니다. 현지 항저우 산업 체인의 장점과 자체 개발한 모터 및 자기 인코더 기능을 활용하는 SDM은 국내에서 생산되는 휴머노이드 로봇의 '전원'에서 없어서는 안 될 힘이 되고 있습니다.