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이번 비교 분석에서는 3D 프린팅 사이클로이드 드라이브, 유성 기어박스, 벨트 드라이브 중 로봇 관절에 가장 적합한 감속기가 무엇인지 심층적으로 살펴봅니다. 효율과 토크 출력, 정밀도와 백래시, 내구성뿐만 아니라 비용, 크기, 무게, 제작 난이도까지 다각도로 비교하여 최적의 선택을 돕고자 합니다.
아래 영상을 시청하거나 이어지는 서면 튜토리얼을 읽어보세요.
이 비교의 주된 목적은 로봇 암 설계에 가장 적합한 드라이브 또는 감속기를 파악하는 것입니다. 향후 여러 로봇 팔을 설계하고 제작할 예정이기에, 이번 비교 결과를 바탕으로 독자 여러분도 각자의 로봇 암 설계에 최적인 드라이브를 선택할 수 있을 것입니다.
채널 내에 사이클로이드 드라이브와 유성 기어박스의 작동 원리 및 설계 방법을 자세히 다룬 영상이 이미 준비되어 있으니, 더 깊은 이해를 원하신다면 해당 영상들도 참고하시기 바랍니다. 본문에서는 각 드라이브의 설계를 좌우하는 핵심 입력 파라미터 위주로 다룹니다.
사이클로이드 드라이브 설계의 핵심 파라미터는 목표 감속비와 사용할 롤러(핀)의 종류 및 크기입니다. 이번 제작에는 내경 6mm, 외경 10mm의 부싱을 롤러로 채택했습니다.
이 부싱들은 이전 제작에 사용했던 외경 8mm 부싱보다 표면이 훨씬 매끄러워 사이클로이드 드라이브의 성능 향상을 기대했습니다. 다만, 롤러 크기가 사이클로이드 디스크와 드라이브 전체 크기를 직접 결정하므로 외경 10mm 부싱 사용은 전체적인 크기 증가를 수반합니다.
설계는 본 영상의 후원사인 Onshape를 활용했습니다. Onshape는 전문가급 CAD 및 PDM 시스템으로, 엔지니어와 기업에게 최대 6개월간 프로페셔널 버전을 무료로 제공하고 있습니다.
Onshape의 커스텀 FeatureScript 라이브러리인 'Cycloidal Drive'를 이용하면 사이클로이드 디스크를 매우 손쉽게 생성할 수 있습니다. 디스크 치수, 편심량, 롤러/핀 직경(외부 링 기어 롤러 및 출력축 롤러)만 입력하면 3D 모델이 실시간으로 업데이트되며, 디스크 원경 등 추적해야 할 파라미터들도 자동 계산됩니다. 디스크 원경은 고정된 입력 파라미터(핀 개수 및 치수)에 따라 가능한 한 작게 만드는 것이 목표입니다.
사이클로이드 디스크는 드라이브의 핵심 부품이며, 나머지 부품들은 이 디스크를 중심으로 설계됩니다. 이 외에도 모터 종류, 입력축 구동 방식, 사용 가능한 베어링, 기어박스 용도 등 다양한 파라미터가 전체 설계에 영향을 미칩니다.
유성 기어박스는 이전 영상에서 상세히 다룬 설계와 동일합니다. 4:1 감속비의 2단 유성 기어박스로, 총 16:1의 감속비를 가집니다.
성능 향상을 위해 유성 기어에 부싱 대신 볼 베어링을 적용했습니다. 각 유성 기어에는 두 개의 볼 베어링이 장착되어 기어를 단단히 고정하고, 헬리컬 기어 사용 시 발생하는 축방향 힘을 수용할 수 있게 했습니다.
벨트 드라이브 역시 16:1 감속비를 목표로 4:1 비율의 2단 구성으로 설계했습니다. 가장 대중적이고 구하기 쉬우며 백래시 성능이 뛰어난 GT2 벨트를 채택했습니다. 226mm 길이, 10mm 폭의 폐루프 GT2 벨트 2개를 사용했습니다.
GT2 풀리 제작에도 Onshape의 커스텀 FeatureScript 라이브러리를 활용했습니다. 벨트 타입(3M/2M, 즉 3mm/2mm 피치)과 풀리 치수만 지정하면 손쉽게 생성됩니다. 입력 풀리는 20치, 출력 풀리는 80치로 설정했습니다. 1단 출력 풀리(80치)는 2단 입력 풀리(20치)를 겸하며 두 개의 볼 베어링에 의해 지지됩니다. 이 축은 M4 볼트로 보강된 6mm 3D 프린팅 중공 축입니다. 2단 출력 풀리는 모터 입력축 측과 하우징 측에 각각 하나씩 볼 베어링으로 지지됩니다.
아래 링크에서 각 드라이브의 3D 모델을 확인하고 탐색할 수 있습니다.
※ 현재 STL 파일 준비 중입니다. 곧 제공될 예정입니다.
모든 부품 출력은 Creality K2 Plus 3D 프린터로 진행했습니다. 3D 프린팅 시 치수 정밀도를 확보하려면 슬라이서의 '수평 확장(Horizontal Expansion)' 기능, 최신 Creality Print 슬라이서 기준 'X-Y 외곽 보정'과 'X-Y 구멍 보정' 설정이 필수적입니다.
기본값 유지 시 필라멘트 팽창으로 인해 구멍은 작게, 외곽은 크게 출력되어 CAD 모델과 치수가 일치하지 않습니다. 이 두 설정값은 부품 용도에 따라 다르게 적용했으며, 이는 드라이브의 정밀도와 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.
예를 들어 사이클로이드 디스크 출력 시 X-Y 구멍 보정 +0.12mm, 외곽 보정 -0.15mm를 적용하여 출력 롤러 장착 구멍 치수를 맞추고 디스크 외곽을 링 기어 롤러 내부에 들어가게 했습니다.
| 부품 | 외곽 보정 | 구멍 보정 |
|---|---|---|
| 사이클로이드 드라이브 | ||
| 사이클로이드 디스크 | -0.15mm / 느슨한 결합 시 -0.20mm | 0.10mm / 느슨한 결합 시 0.15mm |
| 편심 베어링 | 0.07mm | 0.03mm |
| 축 커플러 | 0.07mm | 0mm |
| 유성 기어박스 | ||
| 링 기어/하우징 | 0mm / 느슨한 결합 시 -0.10mm | 0.05mm |
| 유성 기어 | 0mm / 느슨한 결합 시 -0.05mm | 0.05mm |
| 캐리어/출력 | 0.07mm (출력 베어링과의 결합 향상) | 0.05mm |
| 벨트 드라이브 | ||
| GT2 풀리 | -0.05mm | 0.05mm |
위 값은 참고용이며, 사용 중인 3D 프린터에 따라 최적값은 달라질 수 있습니다. 테스트 프린트를 통해 본인 환경에 맞는 값을 찾아야 합니다. 후속 비교 테스트에서 이 값들이 성능에 미치는 영향을 확인할 수 있습니다.
참고로, 이번 테스트에 사용된 Creality K2 Plus는 제가 써본 최고의 3D 프린터 중 하나입니다. 자세한 리뷰와 구매 정보는 Creality 공식 스토어에서 확인하세요.
세 가지 감속기 조립에 필요한 모든 3D 프린팅 부품과 구매 부품들입니다. 벨트 드라이브가 부품 수가 가장 적고, 사이클로이드 드라이브는 핀과 부싱 등 추가 부품이 상당히 많이 필요합니다. 유성 기어박스는 그 중간 정도입니다.
| 부품 | 수량 | 구매 링크 |
|---|---|---|
| 사이클로이드 드라이브 | ||
| 핀 D-6mm, L-30mm | 16 | Amazon | AliExpress |
| 핀 D-6mm, L-24/25mm | 6 | Amazon | AliExpress |
| 부싱 ID6mm OD10mm L16mm (또는 L8mm 2개) | 22 | Amazon | AliExpress |
| 볼 베어링 35x47x7 6807 | 1 | Amazon | AliExpress |
| 볼 베어링 17x26x5mm 6803 | 3 | Amazon | AliExpress |
| 볼 베어링 12x21x5mm 6801 | 1 | Amazon | AliExpress |
| M3x10mm 카운터싱크 / M3x10mm | 4 / 6 | Amazon | AliExpress |
| 유성 기어박스 | ||
| 핀 D-6mm, L-226 | 1 | Amazon | AliExpress |
| 볼 베어링 35x47x7 6807 | 1 | Amazon | AliExpress |
| 볼 베어링 15x24x5 6802 | 2 | Amazon | AliExpress |
| 볼 베어링 6x13x5mm 6861 | 2 | Amazon | AliExpress |
| M3x10mm / M3x10mm 카운터싱크 | 6 / 4 | Amazon | AliExpress |
| 벨트 드라이브 | ||
| GT2 벨트 226mm | 2 | Amazon | AliExpress |
| 볼 베어링 35x47x7 6807 | 1 | Amazon | AliExpress |
| 볼 베어링 15x24x5 6802 | 1 | Amazon | AliExpress |
| 볼 베어링 6x13x5mm 6862 | 2 | Amazon | AliExpress |
| M3x10mm / M3x8mm / M3x16mm 카운터싱크 / M3x25mm 카운터싱크 | 4 / 4 / 2 / 2 | Amazon | AliExpress |
| 공통 | ||
| M3 그럽 스크류, M3/M4 너트 | - | Amazon | AliExpress |
최종 출력 풀리를 하우징 베어링을 통해 장착하고, 1단 입력 풀리가 들어갈 베어링을 출력 풀리 내부에 설치합니다. 입력 풀리는 스테퍼 모터에 고정해야 하는데, M3 너트 삽입용 슬롯 2개와 M3 그럽 스크류로 단단히 고정하는 방식을 적용했습니다. 풀리는 모터 면에서 2mm 위에 위치시킵니다.
스테퍼 장착 전 벨트 2개를 먼저 넣고, 스테퍼를 M3 볼트로 하우징에 고정합니다. 최대한 콤팩트하게 만들다 보니 롱노즈 플라이어 없이는 볼트 체결이 불가능할 정도였지만, 최고의 성능을 위해 견고함을 우선했습니다.
이후 중간 풀리(두 베어링과 거리 링으로 구성)와 3D 프린팅 중공 축(M4 볼트 보강)을 장착합니다. M6 볼트 대신 3D 프린팅 축을 쓴 이유는 베어링 내경(약 6mm)에 정확히 맞춰 조임도를 확보하기 위함입니다. 하단에 거리 링을 끼우고 벨트를 당긴 뒤 축을 관통시켜 M4 볼트와 너트로 고정하면 기본 조립 완료입니다.
벨트가 상당히 팽팽하지만, 더 나은 제어와 성능을 위해 텐셔너를 추가했습니다. 13mm 외경 베어링을 브라켓에 고정해 벨트를 눌러 장력을 조절하는 간단한 구조입니다. 마지막으로 커버를 M3 볼트/너트로 고정하고 출력축에 쓰레드 인서트를 심어 부착물을 연결할 수 있게 했습니다. 손으로 출력축을 돌려보니 백래시가 거의 느껴지지 않을 정도였습니다.
사이클로이드 드라이브와 유성 기어박스 조립 과정은 기존 전용 영상에서 자세히 다뤘으므로 여기서는 핵심만 짚습니다.
조립 중 2번 디스크가 장착되지 않는 문제가 발생했습니다. 180도 위상 차 배치, 치수 재확인 등 모든 규칙을 따랐음에도 안 들어가서 원인을 분석해보니 감속비가 홀수여야 한다는 사실이었습니다. 이전 세 번의 설계가 우연히 홀수 비율이어서 이 조건을 인지 못 했었습니다. (이전 설계 영상들: 사이클로이드 드라이브란?, CNC vs 3D 프린팅 사이클로이드, 하모닉 vs 사이클로이드)
치수(디스크 15치, 링 기어 롤러 16개)로 변경 후 하우징과 디스크를 재출력하여 정상 조립 완료했습니다.
세 드라이브 모두 준비되었으니 비교 테스트를 진행합니다. 먼저 정밀도/백래시 테스트입니다.
반복 정밀도는 우수했습니다. 20cm 거리에서 1/100mm 이내로 복귀했습니다. 하지만 힘을 가하면 백래시가 뚜렷해져 수 mm의 유격이 발생하며, 손으로 돌릴 때 저항 없이 공회전하는 느낌이 들었습니다.
백래시를 표준 단위인 아크분(arcmin)으로 환산하기 위해, 공칭 토크의 1~2% 하중(약 2N, 20cm 거리)에서 양방향 변위를 측정했습니다. 최대 토크 테스트에서 10cm 거리 32N(320Ncm) 읽힘 → 2% 하중 약 0.5N, 편의상 2N(20cm) 적용. 변위: 한 방향 2.9mm, 반대 방향 0.75mm. 삼각법으로 각도 계산 시 약 1도 → 약 60 아크분.
측정 및 계산 방식이 100% 표준인지 댓글로 알려주시면 감사하겠습니다. 방식이 동일하다면 상대 비교는 유효합니다.
기어 맞물림 공차(수평 확장값)에 따른 변화도 확인했습니다.
설계 단계에서 FeatureScript로 기어 생성 시 0.1mm 백래시 오프셋을 준 덕분에 0mm 출력에서도 조립 가능했습니다. 이 오프셋을 더 줄이면 효율 저하 또는 조립 불가/잼 발생 가능성이 있어 추후 효율 테스트에서 확인 예정입니다.
반복 정밀도는 1/10mm 수준으로 유성 기어박스보다 낮았습니다. 백래시 계산값은 약 60 아크분으로 유성 기어박스 최악 케이스와 동일했으나, 손으로 돌릴 때 공회전감 없이 바로 저항이 느껴졌습니다.
테스트 디스크는 -0.15mm 수평 확장으로 출력되어 조립 시 꽤 타이트했습니다. -0.2mm 외곽/+0.2mm 구멍 보정(출력 구멍 정밀도도 영향)으로 느슨하게 출력하니 백래시가 약 150 아크분으로 급증했고 축 유격도 손으로 느껴졌습니다.
반복 정밀도는 1/100mm로 우수했으나 미세한 오버슈트(0.04mm → 0.03mm 복귀) 현상이 있었습니다. 백래시 계산값은 약 45 아크분으로 세 드라이브 중 가장 양호했습니다.
여기에 벨트 텐션 조절로 백래시를 약 25 아크분까지 추가 개선했습니다. 벨트 드라이브가 백래시 부문에서 최고 성능을 보였습니다.
10cm 거리에서 약 16N(160Ncm) 측정. 베어 모터 토크 약 18Ncm 대비 약 9배 증폭. 감속비 15:1 기준 이상적 15배 대비 약 60% 효율. 디스크 결합이 타이트해 마찰/저항이 큰 탓으로 보입니다.
느슨한 디스크(-0.2mm/+0.2mm)로는 18N(180Ncm) → 효율 약 66%로 10% 향상됐으나, 백래시가 150 아크분으로 정밀 작업엔 부적합했습니다.
10cm 거리 약 36N(350Ncm) 측정. 베어 모터 토크 약 23Ncm 대비 약 15배 증폭. 감속비 16:1 기준 약 90~95% 효율. 이 테스트는 기어 결합이 느슨한(약간의 축 유격 존재) 상태에서 진행됐습니다.
타이트한 결합 케이스들:
3D 프린팅 기어박스 치고 매우 훌륭한 효율입니다.
벨트 느슨한 상태: 260Ncm → 약 70% 효율. 단, 2단 소형 입력 풀리에서 벨트 스킵 발생(모터가 아닌 벨트가 미끄러짐).
벨트 텐션 강화 후: 360Ncm → 약 95~97% 효율.
벨트 드라이브가 효율과 백래시 모두에서 최고 성능을 기록했습니다. 하지만 결론 내리기 전 몇 가지 비교를 더 해보겠습니다.
DC 모터를 하중으로 걸고 급격한 정역회전을 반복하며 장시간 구동시켰습니다.
내구 테스트 후 백래시 재측정:
분해 검사 결과:
종합 시 벨트 드라이브가 최고 성능입니다. 무게, 비용, 제작 용이성에서도 타 드라이브를 압도합니다.
최종 결론: 사이클로이드 드라이브는 비추천합니다. 크기/콤팩트함 외에 모든 면에서 열세입니다.
유성 기어박스와 벨트 드라이브는 성능이 매우 유사했으나, 전 테스트 종합 1위는 벨트 드라이브입니다. 정밀도, 효율, 내구성 전 부문 1위에 제작 난이도 최하, 비용 최저.
다만 여기서 멈추지 않고, 유성 기어박스와 벨트 드라이브를 실제 로봇 암에 적용해 실전 시나리오에서 비교 테스트를 이어갈 예정입니다. 각각을 적용한 로봇 암 2대를 제작해 실성능을 검증하겠습니다.
산업기술
220억 달러 규모의 제조 강자인 자빌(Jabil)은 29개국 100개 이상의 시설을 운영하며 전 세계 19만 명을 고용하고 있습니다. 산업 디자인부터 엔드투엔드 공급망 물류까지, 포춘 500대 기업 고객에게 종합 제조 솔루션을 제공합니다. 3D 프린팅 분야에서 오랜 명성을 쌓아온 자빌은 최근 자빌 엔지니어드 머티리얼즈(Jabil Engineered Materials)를 출범하며, 적층 제조용 폴리머 카탈로그를 확대하고 산업 전반의 채택을 가속화하고 있습니다. AMFG는 자빌의 디지털 제조 수석 디렉터 러시 라셀(Rush LaSel
CNC 가공은 다양한 소재(일반적으로 금속이나 플라스틱)로부터 정밀 부품을 생산할 수 있는 인기 있고 효율적인 절삭 제조 방식입니다. 소재 선택이나 생산량에 관계없이 부품을 설계할 때 몇 가지 핵심 평가와 조정을 수행하면 CNC 가공 공정을 간소화해 비용을 줄이고 부품 품질을 최적화할 수 있습니다. 현대 CNC 머신 설계에 대한 일반적 조언 CNC 머신은 다재다능하고 높은 정확도의 부품을 생산할 수 있습니다. 그러나 현대 CNC 머신에 맞게 설계할 때 제조 공정을 최대한 효율적으로 만들기 위해 염두에 두어야 할 몇 가지 사항이 있