하모닉 vs 사이클로이드 드라이브: 토크·정밀도·내구성 3D 프린팅 실전 비교

작동 원리 개요

하모닉 드라이브와 사이클로이드 드라이브는 모두 초소형·고강성으로 초고감속비를 구현하는 특수 감속기입니다. 작동 원리는 유사하게, 입력축이 비정형 부품(하모닉: 웨이브 제너레이터, 사이클로이드: 편심 베어링)을 구동하고, 각자 고유 부품들을 통해 극소 공간에서 대폭 감속된 출력을 만듭니다.

• 하모닉 감속비: 플렉스 스플라인 치수 절반. 25:1 → 플렉스 50치, 서큘러 52치 필요.
• 사이클로이드 감속비: 링 기어 핀 개수 - 1. 25:1 → 링 기어 26핀 필요.

상세 원리는 전용 영상(하모닉 드라이브, 사이클로이드 드라이브) 참고.

설계

목표: 동일 크기, 동일 감속비(25:1), 최대한 소형화.

사이클로이드 드라이브 설계

기준: 보유 중인 6mm 핀 + 8mm 부싱(부드러운 동작용). 26개 롤러/부싱 스케치 → 링 기어 피치 서클 직경 최소화 → 하우징 직경 95mm(26개 부싱 + M4 볼트 체결용 벽두께 확보).

사이클로이드 디스크 형상 생성을 위한 4대 입력 파라미터: 롤러 개수(N), 롤러 반경(Rr), 피치 서클 반경(R), 편심량(E < 롤러 반경). 오마르 유니스(Omar Younis)의 SOLIDWORKS 교육 블로그 문서 매개변수 방정식(Epitrochoid 곡선) 활용.

SOLIDWORKS Equation Driven Curve로 디스크 형상 생성 (3DEXPERIENCE SOLIDWORKS for Makers 연 $99/월 $9.99, 프로페셔널 로컬 실행, 클라우드 스토리지, xDesign/xShape/Visualize/NC 프로그래머 포함, 20% 할인 링크).

N=26, Rr=3, R=36, E=0.75
x = (R*cos(t))-(Rr*cos(t+arctan(sin((1-N)*t)/((R/(E*N))-cos((1-N)*t)))))-(E*cos(N*t))
y = (-R*sin(t))+(Rr*sin(t+arctan(sin((1-N)*t)/((R/(E*N))-cos((1-N)*t)))))+(E*sin(N*t))
t: 0 ~ 2π (미만 값으로 갭 생성 후 스플라인 연결)

출력 핀 구멍 직경 = 롤러 직경 + 2×편심량 = 8 + 1.5 = 9.5mm. 디스크, 편심 베어링, 링 기어 롤러가 핵심, 나머지 부품은 이 주변 설계.

하모닉 드라이브 설계

동일 직경 목표이나 플렉스 스플라인 수용 위해 길이 약간 증가. 핵심 3부품:

• 플렉스 스플라인: 개방단 유연, 바닥(출력부) 강성 필요. PLA 특성상 컵 너무 짧으면 벽 얇아 파손/변형. SOLIDWORKS Toolbox로 50치 스퍼 기어(모듈 1.5) 생성 → 별도 파트 저장 → 컵 벽두께 1.25mm, 길이 30mm로 수정.
• 서큘러 스플라인: 동일 방식으로 52치 내부 기어 생성 → 0.1mm 클리어런스 추가(3D 프린팅 치수 오차 대비).
• 웨이브 제너레이터: 플렉스 스플라인 내벽 직경 기준 장축 +3.2mm, 단축 -3.2mm 타원. 장축 양단에 베어링 3개씩 배치(상용품은 전용 플렉시블 베어링이나 고가/구매난).

나머지 부품은 이 3대 핵심 부품 기준 설계.

3D 모델 및 STL 다운로드

• SOLIDWORKS 파일: 링크
• STL 파일: 링크

3D 프린팅 설정

슬라이서 수평 확장/구멍 수평 확장으로 치수 정밀도 확보. 기본값 시 작게 출력됨. 기본: 수평 확장 +0.02mm, 구멍 +0.04mm. 단, 플렉스 스플라인/사이클로이드 디스크는 클리어런스 핏 필수로 수평 확장 -0.01~-0.02mm 적용(확실히 작게 출력).

조립

사이클로이드 드라이브 조립

핵심: 두 사이클로이드 디스크 180도 위상 차 배치. 디스크 위 구멍으로 정렬(한쪽 뒤집어 구멍 맞춤).

부품 리스트: 6mm 핀(30mm×26, 22mm×6), 8mm 부싱(20mm×26, 15mm×6), 베어링 6807×2, 6803×2, 6802×2, M4 쓰레드 인서트, M3/M4 볼트·너트 다수.

편심축에 입력축 커플러 고정(3개 M3 볼트, 구멍 작아 탭핑되며 백래시 방지). 서브 어셈블리 하우징 장착 → 사이클로이드 디스크 편심 운동 확인(입력축 역방향 1/25 속도). 뚜껑 장착 시 부싱/핀/고정 구멍 정렬 필수. NEMA 17 마운팅 브라켓으로 모터 장착 완료. 매우 부드러운 동작.

하모닉 드라이브 조립

부품 수 적어 조립 빠름. 부품: 베어링 6807×1, 6802×2, M4 쓰레드 인서트, M3/M4 볼트·너트.

출력축-플렉스 스플라인 결합 → 서큘러 스플라인 삽입. 웨이브 제너레이터 2분할 4볼트 결합(양측 베어링 지지용). 변형용 베어링 6mm 내경/13mm 외경, M3 카운터싱크+M4 와셔로 공간 절약 고정. 웨이브 제너레이터를 플렉스 스플라인에 끼워 서큘러 스플라인에 삽입. 수동 작동 시 저킹(덜컹거림) 발생. 윤활제 도포로 약간 개선. 뚜껑 6개 M4 볼트 고정, NEMA 17 장착 완료. 사이클로이드 대비 동작 덜 부드러움.

트러블슈팅 (하모닉 드라이브 문제점)

1. 플렉스 스플라인 파손: 벽 너무 얇아 변형량 못 견딤. 컵 크기 작아 탄성 변형 한계. (이전 영상 설계는 컵 더 커서 양호). 다른 필라멘트/벽두께 3라인(0.6mm)로 재출력해도 즉시 파손.
2. 웨이브 제너레이터 접촉 불량: 상단 베어링 플렉스 스플라인 비접촉, 2개만 접촉. → 베어링 1개로 수정해 개선.
3. 플렉스 스플라인 내부 면 거칠음: 얇은 벽 + 3D 프린팅 시 치형 뒤 1개 월 라인만 지나 표면 거침. → 벽두께 4라인(1.6mm)로 늘려 추가 월 라인 확보 → 표면 매끄러워지며 동작 개선.
4. Z-심(Seam) 돌기: 슬라이서 Z-Seam Alignment 'User Specified'로 고정돼 매 레이어 동일 위치 돌기 발생. → 'Random' 변경으로 표면 매끄러워지고 동작 추가 개선.

하모닉 vs 사이클로이드 비교

백래시

• 반복 정밀도: 둘 다 양호.
• 하중 가한 백래시 (15cm 거리): 사이클로이드 6.5mm, 하모닉 8mm → 사이클로이드 우위.
• 미세 하중/정지 상태: 하모닉이 더 우수하게 느낌(미세 터치에도 즉시 저항). 사이클로이드 약 2mm 완전 프리플레이 존재.
• 큰 하중: 사이클로이드 5.5mm, 하모닉 7mm → 사이클로이드 우위.

토크

• NEMA 17 테스트: 사이클로이드 첫 테스트 중 출력축 파손(32N, 15cm, 4.8Nm). 고인필/고온 재출력 후 32N(4.8Nm) 달성. 베어 모터 0.3Nm 대비 16배 → 효율 약 65% (이론 25배). 하모닉도 동일 32N(4.8Nm, 65%)로 놀람(하모닉이 더 낮을 줄 예상).
• NEMA 23(3Nm) 업그레이드: 사이클로이드 15cm 스틱 80N(12Nm)서 파손 → 합판 50cm 30N(15Nm, 5배) 측정. 모터 한계 아닌 사이클로이드 스킵 발생. 디스크 편심 베어링 접촉부 파손 확인. → 디스크 벽 4라인/고인필 재출력 후 50cm 43N(21.5Nm, 7배) 도달. 다시 스킵/대량 백래시 → 디스크 형상 변형 확인. 이게 한계 토크.
• 하모닉: NEMA 23 즉시 고장. 플렉스 스플라인 벽 얇고 PLA 약해 고토크 불가.

내구성도 사이클로이드 압승. (단, 3D 프린팅 기준)

결론

최종 결론: "상황에 따라 다르다"는 가장 인기 없는 답. 하지만 이번 테스트 기준으로는 사이클로이드 드라이브 승. 더 큰 토크, 높은 신뢰성, 내구성. 백래시도 디스크 정밀도 향상으로 개선 여지 있음.

하모닉은 백래시 잠재력 우수하나 플렉스 스플라인 내구성이 발목. 내구성 확보하려면 더 크고 긴 플렉스 스플라인 필요 → 콤팩트함 손실. 소재 변경(예: TPU 등 유연 필라멘트)도 도움. 마지막 PLA 플렉스 스플라인은 하룻밤 새 한 자세로 놓여 플라스틱 변형(크리프) 발생해 다음 날 저킹 더 심해짐.

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