로봇 공학에서 액추에이터 성능을 평가할 때, 전력 밀도와 토크 밀도라는 두 가지 중요한 지표가 자주 언급됩니다. 하지만 이 두 개념이 실제 로봇 설계에 어떤 영향을 미치는지 제대로 이해하지 못하면, 적절한 액추에이터 선택에 어려움을 겪을 수 있습니다. 오늘은 이 두 개념을 쉽게 풀어서 설명해 보겠습니다.
1. 전력 밀도란 무엇인가?
전력 밀도는 간단히 말해 질량당 전력을 의미합니다. 즉, 얼마나 많은 전력을 얼마나 가벼운 장치에서 뽑아낼 수 있는지를 나타내는 수치입니다. 전력 밀도가 높으면 작은 모터에서도 많은 힘을 낼 수 있기 때문에 로봇 설계에서 중요한 요소로 여겨집니다.
그런데 여기서 중요한 점은, 전력 밀도가 높다고 해서 무조건 좋은 건 아니라는 것입니다. EM(전자기) 모터의 출력은 주로 제조업체에서 제공하는 권장 전압에 따라 달라지는데, 이 전압은 보통 코일 온도를 고려해 설정됩니다. 문제는 이 권장 전압이 전류 제어 시스템에서는 크게 유용하지 않다는 것입니다. 전류 제어 시스템에서는 전류를 연속 토크 한도 내에서 조절할 수 있기 때문에, 실제로는 제조업체가 제공한 스펙보다 훨씬 더 높은 출력을 낼 수 있습니다.
2. 속도가 중요한 이유
속도도 전력에 영향을 미칩니다. 전류는 토크와 직접적으로 연결되기 때문에 속도를 높이면 더 큰 출력을 낼 수 있습니다. 하지만 속도는 다양한 요소에 의해 제한될 수 있습니다. 예를 들어, 베어링의 점성 감쇠, 공기 저항, 전기적 정류 주파수 한계 등이 속도를 제한하는 주요 요인입니다.
3. 토크 밀도는 왜 중요한가?
토크 밀도는 질량당 토크를 의미합니다. 전력 밀도가 주로 모터의 속도와 관련이 있는 반면, 토크 밀도는 힘의 크기와 관련이 있습니다. 로봇 공학에서는 많은 경우 짧은 시간 동안 매우 큰 힘을 내야 할 때가 많습니다. 특히 다족 로봇처럼 지면과의 물리적 상호작용이 빈번한 경우, 순간적으로 높은 토크가 필요합니다.
하지만 높은 토크를 얻으려면 기어비를 높여야 하는데, 기어비가 높아지면 임피던스(관성, 마찰, 감쇠)가 커져 효율이 떨어집니다. 이 때문에 토크 밀도를 높이는 것이 매우 중요합니다. 토크 밀도가 높으면 낮은 기어비로도 충분한 힘을 낼 수 있어, 기계적 임피던스를 낮추고 효율을 높일 수 있습니다.
4. 전력 밀도보다 토크 밀도가 중요한 이유
전력 밀도는 모터가 얼마나 빠르게 돌아가는지를 나타내지만, 실제 로봇에서 중요한 것은 얼마나 큰 힘을 안정적으로 낼 수 있느냐입니다. 로봇은 짧은 시간 동안 매우 높은 토크를 내야 하는 상황이 자주 발생하므로, 토크 밀도가 더 중요한 지표가 됩니다.
따라서, 로봇 액추에이터를 설계할 때는 단순히 전력 밀도만을 고려할 것이 아니라 토크 밀도를 최대화하는 것이 더 중요한 목표라고 할 수 있습니다.
결론
로봇 액추에이터 설계에서 전력 밀도와 토크 밀도는 각각 중요한 역할을 하지만, 토크 밀도가 더 명확하고 실용적인 설계 지표입니다. 높은 전력 밀도를 가진 모터는 속도는 빠를지 몰라도, 로봇이 필요한 순간적인 큰 힘을 내기 위해서는 토크 밀도를 높이고 기계적 임피던스를 줄이는 것이 더 효율적입니다.
이러한 관점에서, 로봇 설계자는 액추에이터를 선택할 때 토크 밀도를 최적화하는 데 집중해야 할 것입니다.
참고문헌
Sangok Seok et al., “Actuator design for high force proprioceptive control in fast legged locomotion,” 2012 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp. 1970–1975, Dec. 2012, doi: 10.1109/iros.2012.6386252.