사진으로 부품 살펴보기
관절을 돌리는 힘은 어떻게 전달될까요?
사진은 로터를 제거한 플로피 드라이브의 브러시리스 모터입니다. 로봇 관절용 서보모터의 사양을 보여 주는 사진은 아닙니다. 모터의 축은 회전을 전달하는 부분입니다. 팔을 통해 멀리 떨어진 물체를 들면 같은 무게라도 관절에 더 큰 돌림힘이 필요합니다.
플로피 디스크 드라이브의 모터입니다. 코일과 축의 생김새를 보여 주는 예시이며 로봇 관절용 서보모터는 아닙니다.
DnaX · 원본 사진 · CC BY-SA 3.0
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- 중앙 주위로 고리처럼 배열된 구리색 코일을 찾습니다.
- 코일이 놓인 부분과 중앙 회전축의 위치를 구분합니다.
- 사진의 모터에 아래 가상 토크·저항 수치를 적용하지 않습니다.
같은 무게도 멀리 들면 더 어렵습니다
수평 팔에서 토크는 무게의 힘과 수평 거리의 곱입니다. 팔 자체 무게와 가속을 제외한 정적 예입니다.
- 무게를 힘으로: 3 kg의 무게는 약 29.43 N입니다.
- 거리 곱하기: 0.4 m에서 필요한 토크는 약 11.77 N·m입니다.
- 멀어지면 증가: 1 m에서는 29.43 N·m로 늘어납니다.
실습을 처음 한다면, 이 순서대로 따라 해보세요
- 들어 올릴 하중 3 kg, 수평 모멘트 암 0.4 m로 둡니다.
화면에서 볼 것 필요 토크 11.772 N·m, 정격 여유 8.228 N·m입니다.
그 이유 물체의 무게가 비교적 짧은 거리에 작용합니다.
- 하중을 유지하고 수평 모멘트 암을 1 m로 바꿉니다.
화면에서 볼 것 필요 토크 29.43 N·m, 여유 −9.43 N·m입니다.
그 이유 같은 하중이어도 자세와 배치가 한계 초과를 만들 수 있습니다.
- 거리를 1 m로 둔 채 하중을 1 kg으로 바꿉니다.
화면에서 볼 것 필요 토크 9.81 N·m로 줄어듭니다.
그 이유 질량을 3분의 1로 줄이면 이 모델의 토크도 3분의 1입니다.
한 단계씩 이해하기
원리 01
kg과 N·m는 다른 양입니다
kg은 질량의 단위이고 N은 뉴턴이라는 힘의 단위입니다. 이 모델에서는 질량에 9.81 m/s²라는 중력가속도를 곱해 무게를 구합니다. 그 힘에 수평 거리를 곱한 토크의 단위가 N·m입니다. 질량과 힘과 토크를 섞지 않습니다.
3 kg 물체의 무게는 팔을 늘려도 29.43 N으로 같습니다. 바뀌는 것은 축에서 힘이 작용하는 거리입니다. 문을 열 때 문 자체가 가벼워진 것이 아니라 힘을 주는 위치가 달라지는 것과 비슷합니다. 다만 로봇팔에서는 팔 자체의 무게도 생기는데 이번 계산에서는 제외합니다.
원리 02
수평 거리를 읽는 이유
무게는 아래로 작용하므로 토크를 만드는 거리는 수평 거리입니다. 팔 길이를 무조건 곱하는 것이 아닙니다. 비스듬히 든 팔이라면 전체 길이와 수평 거리가 다를 수 있습니다. 조작 항목의 이름도 단순한 팔 길이가 아니라 수평 모멘트 암입니다.
들어 올릴 하중은 1–10 kg에서 1 kg씩, 수평 모멘트 암은 0.1–1 m에서 0.1 m씩 바뀝니다. 거리 두 배면 정적 토크도 두 배입니다. 정적이라는 말은 여기서 움직이며 가속하는 효과를 제외하고 버티는 상태를 본다는 뜻입니다.
원리 03
모터와 관절 전체를 구별하기
모터가 만든 회전은 기어 같은 전달 장치를 거쳐 관절로 나올 수 있습니다. 따라서 모터 축의 토크와 실제 관절에서 사용할 수 있는 토크는 같지 않을 수 있습니다. 액추에이터를 비교할 때에는 어느 축에서 측정한 출력인지 확인하는 습관이 필요합니다.
화면은 예시 한계 20 N·m와 필요한 토크를 비교합니다. 20 N·m는 실제 제품 사양이 아닙니다. 한계 안이라는 표시도 이 단순 정적 계산을 통과했다는 뜻입니다. 공구·팔 자체 무게와 가속을 넣으면 필요한 토크가 달라질 수 있습니다.
숫자로 천천히 따라가기
3 kg을 40 cm 앞에서 받치기
아래 숫자는 이 강의 실습의 교육용 예시입니다.
- 40 cm를 0.4 m로 바꿉니다.
- 무게는 3 × 9.81 = 29.43 N입니다.
- 필요 토크는 29.43 × 0.4 = 11.772 N·m입니다.
- 예시 한계에서 빼면 20 − 11.772 = 8.228 N·m가 남습니다.
남는 토크는 이 계산에 넣은 하중만의 여유입니다. 다른 무게나 움직임까지 포함한 실제 여유로 확대 해석하지 않습니다.
이렇게 오해하기 쉬워요
흔한 생각 모터가 같으니 어떤 팔에 붙여도 같은 무게를 든다.
전달 장치와 물체까지의 거리, 팔 자체의 무게가 달라질 수 있습니다.
흔한 생각 N·m 값은 물체 무게를 kg으로 읽으면 된다.
회전 효과와 질량은 다른 양입니다. 무게와 거리를 함께 알아야 변환 관계를 세울 수 있습니다.
오늘 가져갈 세 문장
이것만은 기억해 주세요
- 액추에이터는 에너지를 움직임이나 힘으로 바꾸는 장치입니다.
- 수평 모멘트 암은 축과 무게 작용선 사이의 거리입니다.
- 같은 하중의 자세 변경도 토크 요구를 바꿉니다.
강의 설명과 적용
액추에이터는 에너지를 움직임이나 힘으로 바꾸는 장치입니다. 전기모터와 감속기를 묶은 관절도 있고, 압축 공기로 움직이는 실린더도 있습니다. 입력 에너지와 출력 운동을 구분해 읽습니다.
회전 출력은 토크, 직선 출력은 힘과 이동거리로 표현합니다. 회전을 나사나 링크로 직선 운동에 바꾸면 힘뿐 아니라 속도와 이동 범위도 달라집니다.
물체가 관절에서 멀어질수록 중력에 맞설 토크가 커집니다. 같은 모터를 쓴 두 팔도 링크 길이와 자체 무게가 다르면 남는 하중 여유가 다릅니다.
액추에이터 비교에는 모터·감속기·센서·브레이크·드라이버를 어디까지 포함했는지 적어야 합니다. 모터 단품의 질량과 관절 모듈 전체 질량을 같은 항목에 놓지 않습니다.
3D 실습 과제
하중을 3 kg으로 두고 수평 모멘트 암 0.4 m와 1 m를 실행하세요. 필요한 토크를 예시 한계 20 N·m와 비교하세요.
강체와 단순 부하를 가정하며 공압·유압의 압축성이나 누설을 재현하지 않습니다.
관련 3D 실험 열기확인 문제
모터는 그대로인데 공구가 길어졌습니다. 다시 계산할 것은?
- 레버 길이와 부하 토크
- 화면 해상도
- 제품 이름
풀이 보기
축에서 무게중심까지의 거리가 토크에 영향을 줍니다.
출처와 확인 범위
Northwestern · Modern Robotics
저자 제공 강의 목차: 자유도·작업 공간·운동 계획·제어·이동로봇. 교육용 장면은 책의 수치 실험 재현이 아닙니다.
출처 확인일: 2026-10-14
Universal Robots · 하중과 무게중심
그리퍼와 물체의 질량, 무게중심, 관성을 함께 검토하는 사례. 특정 모델의 한도를 다른 로봇에 그대로 적용하지 않는다.
출처 확인일: 2026-10-14