[용어 해설] 휴머노이드 액추에이터란? 모터·감속기·토크·자유도와 Atlas·Figure·Optimus 비교

액추에이터(actuator)는 전기 등의 에너지를 실제 움직임으로 바꾸는 장치입니다. 전동 휴머노이드의 관절 모듈에는 보통 모터, 감속기 또는 스크루 같은 전달장치, 하중을 받는 베어링, 위치를 읽는 엔코더, 전류를 조절하는 드라이버가 결합됩니다. 토크 센서·브레이크·냉각 구조가 추가되기도 합니다. 모든 부품이 반드시 한 통 안에 들어가는 것은 아닙니다.

비유하면 모터는 힘을 만드는 근육, 전달장치는 힘을 보내는 힘줄과 지렛대, 엔코더는 현재 자세를 알려주는 감각에 가깝습니다. 실제 인체와 구조가 같다는 뜻은 아닙니다. 모터만 바꾸고 나머지를 그대로 두면 원하는 관절 성능이 나오지 않을 수 있다는 뜻입니다.

구성	쉽게 말하면	사양에서 확인할 것
모터	전기로 회전력을 만듭니다	모터축 연속·최대 토크, 속도, 전류, 발열
감속기·스크루·케이블	힘의 크기와 방향을 바꿉니다	감속비·효율·유격·마찰·수명
베어링·구조체	무게와 외력을 버팁니다	축방향·반경방향 하중, 굽힘 모멘트
엔코더·토크 센서	얼마나 움직였고 힘이 얼마나 걸렸는지 읽습니다	위치 정확도·토크 측정 범위
드라이버·제어기	필요한 순간에 필요한 전류를 줍니다	전압·연속/최대 전류·제어 주기·통신

이 구성은 Tesla의 공개 액추에이터 특허에서도 확인할 수 있습니다. 다만 특허에 나온 구성은 설계 실시예이며 최신 판매 제품의 확정 부품표는 아닙니다. Tesla · WO2024072984A1, §0112–0115 (2024-04-04)

모터 1 N·m에 감속비 50과 효율 80%를 적용하면 관절 출력은 40 N·m가 되는 계산 도식 — 모터와 관절 사이에서 감속기가 속도와 토크를 바꿉니다. 감속비 50:1·효율 80%를 가정한 계산 예시입니다.

2. BLDC와 DC모터는 무엇이 다를까요?

정확한 비교는 BLDC 대 브러시 DC모터입니다. BLDC는 Brushless Direct Current의 약자로 “브러시리스 직류 모터”라고 읽습니다. BLDC에도 DC라는 말이 들어 있으므로 “BLDC는 DC모터가 아니다”라고 구분하면 혼란이 생깁니다.

브러시 DC모터는 작은 접점인 브러시와 정류자가 회전하면서 전류가 흐르는 코일을 바꿉니다. BLDC는 이 일을 전자회로가 수행합니다. 브러시 마모가 없다는 장점이 있지만, 모터를 돌리기 위한 전자식 구동기가 필요합니다. 브러시가 없다고 베어링과 기어까지 마모되지 않는 것은 아닙니다.

구분	브러시 DC	BLDC
전류 전환	브러시·정류자의 기계 접촉	전자회로로 전환
장점	구동을 단순하게 만들기 쉬움	브러시 마모 없음, 고속·정밀 제어에 유리한 설계 가능
고려점	브러시 마모·전기적 잡음	드라이버와 제어 설계 필요
손에 쓸 수 있나요?	가능. 크기·수명·가격에 따라 선택	가능. 공간·열·제어 성능에 따라 선택

모터 업계에서는 영구자석 동기모터인 PMSM이라는 표현도 자주 씁니다. BLDC와 PMSM은 영구자석 회전자와 전자식 구동이라는 공통 기반이 있지만, 통상 역기전력 파형과 구동 방식에서 구분합니다. 명칭만으로 우열을 정하지 말고 실제 전류 제어와 성능을 확인해야 합니다. MPS · Brushless vs Brushed DC Motors

“프레임리스”는 모터 외함을 별도로 두지 않고 로봇 관절 구조 안에 고정자·회전자를 통합하는 형태를 말합니다. “코어리스”는 권선의 철심 구조에 관한 말입니다. 프레임리스·코어리스·BLDC는 같은 기준의 분류가 아니며, 코어리스라는 이유만으로 브러시리스라고 단정할 수 없습니다.

3. 회전형, 직선형, 힘줄형은 어떻게 다를까요?

회전형은 모터와 감속기의 출력으로 관절을 직접 돌립니다. 직선형은 모터의 회전을 스크루로 앞뒤 움직임으로 바꾼 뒤 링크를 밀고 당겨 관절을 굽힙니다. 주사기 손잡이를 밀어 피스톤을 움직이는 장면을 생각하면 이해하기 쉽지만, 실제 전동 직선 액추에이터는 나사와 모터로 힘을 만듭니다.

텐던(tendon) 구동은 케이블을 힘줄처럼 당겨 손가락 등을 움직입니다. 모터를 손바닥이나 팔뚝 쪽에 둘 수 있어 손끝을 가볍게 설계할 수 있지만, 케이블 마찰·늘어남·장력 관리가 필요합니다. 모터를 손가락 안에 직접 배치하는 방식과 비교해 무엇이 유리한지는 작업과 크기에 달려 있습니다.

특히 유성감속기와 유성 롤러 스크루는 다릅니다. 유성감속기는 회전을 회전으로 전달하고, 롤러 스크루는 회전을 직선 이동으로 바꾸는 장치입니다. 이름에 “유성”이 들어간다는 이유로 같은 부품으로 세면 안 됩니다.

4. 하모닉과 유성감속기는 각각 어디에 쓰일까요?

감속기는 모터를 빨리 돌리고 관절은 천천히, 더 큰 토크로 움직이게 해줍니다. 하모닉으로 흔히 부르는 스트레인 웨이브 감속기는 얇은 금속 부품을 타원으로 변형시키며 맞물리는 위치를 옮깁니다. 유성감속기는 중앙의 태양기어 주변에서 여러 유성기어가 힘을 나누어 전달합니다.

방식	설계상 강점	검토할 부위·조건	주의할 점
하모닉 계열	작은 공간에서 큰 감속비, 작은 유격	정밀 위치와 공간 제약이 큰 팔·손목 등	마찰·탄성 변형·열·허용 충격과 수명
유성기어	여러 기어로 하중 분담, 저감속부터 다단 설계	다리·팔의 동적 구동, 소형 손 구동 모듈 등	기어 유격과 단계별 손실, 정밀 등급
스크루 직선형	큰 밀기·당기기 힘, 링크 배치의 자유	무릎·고관절·팔꿈치 등 링크 구동	스트로크·효율·외력 대응, 자세별 지렛팔 변화

이 표는 부위별 채택을 보장하는 목록이 아니라 설계 선택의 방향입니다. “팔은 무조건 하모닉, 다리는 무조건 유성”이라는 법칙은 없습니다. 하모닉 제조사도 유성감속기를 함께 판매합니다. Harmonic Drive · Strain Wave / Planetary Principles

감속비를 크게 하면 작은 모터로 큰 출력 토크를 만들기 쉽습니다. 대신 관절 속도가 줄고, 모터의 관성이 출력 쪽에서 크게 느껴질 수 있습니다. 낮은 감속비를 쓰는 준직접구동(QDD)은 외력에 반응하는 구동을 설계하기 유리할 수 있지만, 같은 출력 토크를 내려면 모터와 전류 부담이 커집니다. 감속비가 낮다는 이유만으로 안전이 보장되지는 않습니다.

타원 변형을 이용하는 하모닉과 중앙·주변 기어가 맞물리는 유성감속기 원리 비교 — 감속기 원리 개념도입니다. 실제 치형·치수·부품 배치를 재현한 제품 단면도는 아닙니다.

5. N·m는 무엇이며, 모터 토크는 보통 얼마일까요?

N·m는 “뉴턴미터”로 읽으며 물체를 돌리려는 힘, 즉 토크의 단위입니다. 회전축에서 1m 떨어진 곳에 수직으로 1N의 힘을 가하면 1 N·m입니다. 1kg 물체의 무게는 지구에서 약 9.8N이므로, 이를 수평거리 1m에 정지 상태로 버티면 약 9.8 N·m가 필요합니다.

관절 출력 토크 ≈ 모터축 토크 × 감속비 × 전달 효율입니다. 예를 들어 모터축 1 N·m, 감속비 50:1, 효율 80%라면 관절에서는 약 40 N·m가 됩니다. 에너지가 생기는 것은 아닙니다. 출력 속도는 약 1/50이 되고 일부 에너지는 열로 빠져나갑니다.

따라서 “휴머노이드에는 보통 몇 N·m 모터가 들어가나요?”에는 감속비와 부위를 먼저 물어야 합니다. 아래는 업계 평균이나 특정 로봇의 사양이 아닌 크기 감각을 위한 계산 예시입니다. 같은 출력 100 N·m라도 필요한 모터축 토크가 약 10배 달라질 수 있습니다.

가정한 출력	감속비·효율 가정	필요한 모터축 토크
손가락 작은 관절 0.5 N·m	50:1 · 70%	약 0.014 N·m = 14 mN·m
몸 관절 40 N·m	50:1 · 80%	1 N·m
몸 관절 100 N·m	100:1 · 80%	1.25 N·m
몸 관절 100 N·m	10:1 · 80%	12.5 N·m

손가락 예시는 모터가 해당 관절을 단순 감속기로 구동한다고 가정했습니다. 실제 텐던 손에서는 풀리 반지름·케이블 장력·여러 관절의 연결 관계를 계산해야 합니다. 1 N·m는 1,000 mN·m입니다. 손가락 부품의 mN·m를 몸 관절의 N·m와 같은 숫자로 읽으면 1,000배 오류가 생깁니다.

손끝에서 10N을 내고, 그 힘이 관절에서 수직거리 3cm 지점에 작용한다면 해당 관절 토크는 10×0.03=0.3 N·m입니다. 이는 손가락 하나의 특정 자세를 가정한 계산으로 손 전체의 악력이나 집을 수 있는 물체 무게와 같지 않습니다.

직선형의 출력은 보통 N으로 읽습니다. 직선 힘 2,000N이 관절에 수직인 지렛팔 5cm로 작용한다면 토크는 100 N·m입니다. 관절이 굽혀지며 이 거리가 변하므로, 같은 직선 액추에이터도 자세에 따라 관절 토크가 달라집니다.

10kg 물체를 수평거리 0.25m와 0.50m에 들 때 토크가 24.5와 49 N·m로 달라지는 정지 상태 예시 — 같은 10kg도 관절에서 멀어지면 더 큰 토크가 필요합니다. 팔 자체 무게와 가속·충격을 제외한 정적 계산입니다.

6. 실제 공개 사양에서는 어느 정도 토크가 보일까요?

세 회사의 관절별 상세 토크를 억지로 채우기보다, 공개된 다른 휴머노이드의 수치로 단위를 익히는 것이 정확합니다. 아래는 제조사가 발표한 관절 출력 최대·피크 토크 사례입니다. 모터 단품의 연속 정격 토크가 아니며 같은 조건의 비교 시험도 아닙니다.

공개 제품·부위	제조사 표기 토크	읽는 방법
Unitree G1 / G1 EDU 무릎	최대 90 / 120 N·m	모델별 최대값
Unitree H1-2 손목	피크 약 30 N·m	손가락 토크가 아님
Unitree H1-2 어깨·팔꿈치	각 피크 약 120 N·m	모든 팔 관절이 같은 값은 아님
Unitree H1-2 고관절·무릎	약 220 / 360 N·m	제조사 ultimate / maximum 계열 표기

공개 사례에서는 손목의 수십 N·m와 하체 큰 관절의 수백 N·m를 볼 수 있습니다. 이를 모든 휴머노이드의 표준 범위로 일반화할 수는 없습니다. G1과 H1-2는 크기·구조·하중 조건이 다릅니다. Unitree G1 · Specifications · Unitree H1 / H1-2 · Specifications

실제 모터 선정에는 토크 외에도 최소 여섯 가지가 따라옵니다. ① 목표 토크에서의 속도 ② 연속 운전 시 온도 ③ 최대 토크의 허용 시간 ④ 관절 전체 무게 ⑤ 기어와 베어링의 수명 ⑥ 필요한 전압·전류입니다. 제어 주기가 빠르다고 모터의 기계 응답도 같은 속도가 되는 것은 아닙니다.

정지해서 버티는 순간에는 기계 출력 P=토크×각속도가 0이어도 모터에 전류가 흘러 열이 날 수 있습니다. 반대로 100 N·m로 초당 2라디안 움직이면 기계 출력만 200W이며 전기 입력은 손실만큼 더 필요합니다. “최대 토크가 높다”와 “한 교대 내내 들고 일한다”는 별개의 성능입니다.

7. 몸과 손의 자유도는 보통 몇 개일까요?

자유도(DoF, Degree of Freedom)는 움직임을 설명하는 독립적인 좌표의 수입니다. 문이 경첩을 따라 열리고 닫히면 1자유도입니다. 로봇 어깨가 앞뒤·좌우·비틀기를 각각 할 수 있다면 보통 3축으로 셉니다. 자유도는 관절의 이름 개수나 손가락 개수와 같지 않습니다.

몸체는 구성에 따라 달라집니다. 실제 공개 사례로 G1 기본형은 다리 6×2, 팔 5×2, 허리 1을 합쳐 23 DoF입니다. H1-2는 한 팔 7, 한 다리 6을 제시하고 전체 27 DoF를 표기합니다. 손 옵션은 별도로 확인해야 합니다. Unitree G1 · Specifications · Unitree H1 / H1-2 · Specifications

몸체 구성 예시	축 수
양팔: 어깨3 + 팔꿈치1 + 손목3	7 × 2 = 14
양다리: 고관절3 + 무릎1 + 발목2	6 × 2 = 12
허리 3 + 목 2	5
합계: 손가락 제외	31 DoF

위 31은 이해를 위한 설계 예시이며 Atlas·Figure·Optimus의 분해표가 아닙니다. 공개 소형·성인형 사례에서 몸체의 20여~30여 축을 만날 수 있지만 이 범위를 규격처럼 외우면 안 됩니다. 손을 포함하면 숫자가 크게 늘어납니다.

손도 집게형과 다지형이 다릅니다. Unitree G1의 선택형 3지 손 Dex3-1은 엄지 3, 나머지 두 손가락 각각 2로 한 손 7개의 능동 자유도를 제시합니다. 연구용 Tactile SoftHand-A처럼 다섯 손가락을 두 액추에이터로 움직이는 구조도 있습니다. 손가락 마디 수, 독립 제어 축 수, 모터 수를 별도 항목으로 확인해야 하는 이유입니다. Unitree G1 · Specifications · Li et al. · Tactile SoftHand-A (2024)

한 모터가 케이블로 연결된 세 마디를 함께 당기는 구조: 마디 수와 독립 구동 수는 다름 — 마디 세 개가 움직여도 모터 세 개가 있다는 뜻은 아닙니다. 연결 방식에 따라 독립적으로 제어할 수 있는 움직임이 달라집니다.

8. Atlas·Figure·Optimus, 공개 자료로 어디까지 비교할 수 있을까요?

확인 기준일은 2026년 9월 20일입니다. 현재 제품 사양, 과거 제어 논문·발표, 특허 설계예를 분리했습니다. “자료에서 확인하지 못함”은 해당 기능이나 부품이 없다는 뜻이 아닙니다.

항목	Atlas 전동 제품형	Figure 03	Optimus
구동에 관한 근거	공식 전동 플랫폼	전동, 자체 설계 액추에이터	Tesla 자체 액추에이터·센서 소개; 공개 특허의 회전형·직선형
전체 DoF	공식 사양 56	검토한 공식 제품·출시 자료에 수치 미기재	현재 제품 전체 DoF의 동등 조건 공식 사양표 미확인
손 제외 몸 / 한 손 DoF	56의 몸·손 세부 분해는 해당 사양표에 없음	Figure 03 몸·손 분해 수치 미확인	현 세대 몸·손 분해 수치 미확인
혼동하기 쉬운 숫자	56을 몸통 값으로 보고 손을 더하면 중복 가능	Helix의 35는 2025년 상체 행동 공간	Tesla 특허의 28은 실시예의 액추에이터 개수
감속기·전달계	관절별 공개 부품표 미확인	관절별 공개 부품표 미확인	특허 실시예: 스트레인 웨이브 + 롤러 스크루
관절별 연속·최대 토크	검토 사양표에 없음	검토 제품·출시 자료에 없음	현 세대 확정 관절별 토크표 미확인

Atlas: 공식 사양표는 56 DoF를 제시하지만 어느 손에 몇 축이 들어가는지 분해하지 않습니다. 따라서 “몸 30+손 13×2”처럼 합이 맞는 식을 만들 수 있어도 공식 사양으로 쓰면 안 됩니다. Boston Dynamics · Atlas specification sheet · Boston Dynamics · Atlas

Figure: 2025년 Helix 자료의 35 DoF는 손가락·손목·머리·상체를 제어하는 행동 공간입니다. 다리를 포함한 전체 자유도가 아닙니다. Figure 03 발표는 액추에이터 속도 2배와 토크 밀도 개선을 주장하지만, 관절별 N·m·회전속도·연속 조건은 제시하지 않습니다. 이를 “토크 2배”로 바꾸면 틀립니다. Figure · Helix (2025-02-20) · Figure · Introducing Figure 03 (2025-10-09)

이전 세대의 손은 확인 가능한 숫자가 있습니다. Figure는 2024년 8월 Figure 02의 4세대 손을 16 DoF로 소개했습니다. 이는 당시 손의 사양이며 Figure 03의 현재 손에 그대로 적용할 수 없습니다. Figure · Figure 02 announcement (2024-08-06)

Optimus: Tesla의 2024년 공개 특허 §0112는 28개 액추에이터 실시예를, §0114~0115는 스트레인 웨이브 회전형과 롤러 스크루 직선형을 설명합니다. 이는 설계 방향을 읽는 근거입니다. 특허의 28개에 다른 시점 손 사양을 더해 2026년 최신 로봇의 총 DoF라고 확정할 근거는 아닙니다. Gen 2 공식 영상 설명도 자체 설계 액추에이터·센서를 소개하지만, 이 글에서는 직접 대조할 수 없었던 손 세부 수치를 확정값으로 넣지 않았습니다. Tesla · WO2024072984A1, §0112–0115 (2024-04-04) · Tesla · Optimus Gen 2 (2023-12-13)

세 회사 모두 모터·감속기 조달처나 특정 관절의 BLDC/PMSM 세부 설계를 모두 공개한 것은 아닙니다. 외형 사진만 보고 “이 무릎은 하모닉” 또는 “이 손은 코어리스 DC”라고 확정하는 표는 피해야 합니다. 손 자유도 비교도 제품 세대·손목 포함 여부·능동/수동 구분이 맞아야 의미가 있습니다.

9. 좋은 액추에이터는 가장 센 모터일까요?

상자를 선반에 올리는 작업이라면 중요한 질문은 “순간에 몇 N·m를 낼 수 있나요?” 다음에 이어집니다. 팔을 뻗은 자세에서도 가능한가요? 몇 초마다 반복할 수 있나요? 몇 시간 뒤에도 과열되지 않나요? 물건이 걸렸을 때 감지하고 멈추거나 양보할 수 있나요?

ITTimes가 보는 핵심은 필요한 자세에서, 필요한 속도로, 필요한 시간 동안 작업을 반복하는 능력입니다. 몸체는 하중과 균형을, 손은 섬세함과 접촉 적응을 해결해야 합니다. 이 둘을 같은 “모터 개수”나 “최대 토크” 한 숫자로 평가하면 실제 작업성을 놓치게 됩니다.

예를 들어 같은 10kg 상자도 몸에서 25cm에 두면 정적 토크 약 24.5 N·m, 50cm로 뻗으면 약 49 N·m가 됩니다. 여기에 팔 자체 무게와 가속을 더해야 합니다. 이 계산을 이해하면 로봇의 화려한 최대 사양보다, 실제 작업 자세·연속 정격·온도 조건을 먼저 묻게 됩니다.