3줄 요약
① 하모닉 감속기는 고감속·낮은 백래시, 유성 기반 QDD는 역구동성과 빠른 힘 제어가 강점이다.
② QDD는 유성감속기와 동일어가 아니다. 고토크 모터·낮은 감속비·제어를 함께 설계하는 구동 접근이다.
③ 반사 관성·발열·연속 토크·센서·브레이크·원가를 함께 비교해야 한다. 하모닉 역구동 불가, QDD 센서 불필요 같은 단정은 피해야 한다.
로봇 팔을 정확히 멈추는 일과 계단에서 미끄러진 다리를 부드럽게 내주는 일은 서로 다르다. 그래서 어떤 감속기가 가장 좋은지보다 어느 관절에서 무엇을 요구하는지가 먼저다. 하모닉에서 유성으로의 단순 교체가 아니라, 정밀 위치 제어와 동적 힘 제어의 무게중심 변화를 살펴본다.
하모닉: 모터 → 탄성체 변형·톱니 수 차이 → 고감속 출력
유성: 모터 → 선기어·복수 유성기어·링기어 → 하중 분담
QDD: 고토크 모터 + 저감속 전달계 + 빠른 힘 제어
J_reflected = J_motor × N²
같은 모터에서 100² ÷ 10² = 100배. 실제 서로 다른 모터 비교에는 관성 차이도 반영해야 한다.
최근 국내외 휴머노이드 로봇 및 4족보행 로봇 개발 현장에서 활발히 논의되는 엔지니어링 화두는 “하모닉 감속기가 비싸고 충격에 약해 유성 감속기(특히 QDD 액추에이터) 채택이 늘고 있다”는 현상이다(피지컬 AI Lab, CubeMars). 이는 단순한 부품 가격을 넘어, 로봇의 활동 영역이 고정된 공장 바닥(위치 제어 중심)에서 인간의 생활·작업 공간 및 비정형 험지 보행(동적 충격 흡수 및 힘·토크 제어 중심)으로 이동하면서 발생한 근본적인 구동 메커니즘의 변화에 기인한다.
① 구조적 가공 난이도와 단가(BOM 원가) 격차
하모닉 감속기(Strain Wave Gear)는 타원형 베어링 조립체인 웨이브 제너레이터(Wave Generator), 얇은 컵 형태의 금속 탄성 부품인 플렉스스플라인(Flexspline), 강체 외륜 기어인 서큘러 스플라인(Circular Spline)의 3대 요소로 구성된다(CubeMars). 웨이브 제너레이터가 회전하며 플렉스스플라인을 끊임없이 탄성 변형시켜 서큘러 스플라인과 톱니 수 차이(통상 2개)만큼 상대 회전을 일으키기 때문에 단일 단으로도 50:1~160:1의 고감속비와 1 arcmin(1도의 60분의 1) 이하의 사실상 ‘제로 백래시(Zero Backlash)’를 구현한다(로봇신문).
그러나 수만 번의 탄성 변형 피로를 견뎌야 하는 플렉스스플라인용 특수강 소재와 초박형 베어링, 미크론 단위의 독자 치형 설계 및 열처리 공정은 가공·품질 관리 난도가 높다(IBK투자증권). 반면 유성 감속기(Planetary Gear)는 중앙의 선기어(Sun Gear)를 둘러싼 복수의 유성기어(Planet Gears)와 외부 링기어(Ring Gear)가 강체 상태로 맞물려 토크를 전달하는 구조로, 전통적인 기어 절삭· 연마 공정과 폭넓은 소재 공급망을 활용할 수 있어 일반적으로 제조비 측면에서 유리할 수 있다.
다만 동일 토크·정밀도·수명·물량 조건에서 견적을 맞추지 않고 가격을 절반 이하로 고정하거나 수율이 항상 우월하다고 단정할 수 없다(CubeMars).
② 반사 관성(Reflected Inertia)과 역구동성(Backdrivability)의 물리적 한계
보행 로봇(이족보행 휴머노이드 및 4족보행 로봇)에서 저감속 구동을 검토하는 중요한 공학적 이유는 반사 관성 (Reflected Inertia)과 충격 하중 취약성이다(관련 공학 근거: MIT Cheetah 연구). 로봇 관절 출력축(외부 환경과 접촉하는 다리나 팔 끝단) 에서 느끼는 모터 회전자의 등가 관성(J_reflected)은 감속비(N)의 제곱에 비례한다(J_reflected = J_motor × N²).
같은 모터 회전자 관성을 가정하면, 감속비 100:1인 하모닉 감속기를 쓰면 감속비 10:1인 유성 감속기를 쓸 때보다 출력축으로 환산한 모터 관성은 100배가 된다. 실제 QDD와 고감속 제품은 모터 크기·관성이 다를 수 있으므로 완성 관절 간 100배 차이를 보장하는 것은 아니다(관련 공학 근거: MIT Cheetah 연구).
로봇이 계단을 내려오거나 점프 후 착지할 때, 혹은 작업 중 외부 물체와 강하게 부딪힐 때 출력축에서 모터 쪽으로 힘이 역전달되어 기어가 부드럽게 거꾸로 돌아줘야(역구동성, Backdrivability) 충격을 흡수할 수 있다. 그러나 100:1 고감속 하모닉 감속기는 높은 반사 관성과 내부 치합 마찰 때문에 역구동을 위해 더 큰 외력이 필요할 수 있고 과부하·충격 조건에서 탄성체와 치합부의 수명을 확인해야 한다.
하모닉이 원리적으로 역구동 불가능한 것은 아니다. Harmonic Drive 공식 제품표에도 Backdriving Torque 항목이 있다(Harmonic Drive). 반면 5.8:1~15:1 수준의 저감속 1~2단 유성 기어를 적용한 준직접구동(QDD, Quasi-Direct Drive) 액추에이터는 강체 유성기어 여러 개가 충격 하중을 다중 분산하여 충격 하중을 나누며, 낮은 출력측 반사 관성과 마찰을 목표로 설계할 수 있다. 다만 역구동성과 충격 허용값은 모터·기어·제어·브레이크 및 하중 조건에 따라 달라진다(로봇신문, 피지컬 AI Lab).
③ 고유감각 힘 제어(Proprioceptive Force Control)를 통한 고가 토크 센서 제거 효과
유성기어 기반 QDD는 요구 정확도와 안전 조건에 따라 별도의 관절 토크 센서(Torque Sensor)를 생략하는 설계가 가능하다(관련 공학 근거: MIT Cheetah 연구). 고감속 하모닉 감속기는 기어 마찰 손실과 플렉스스플라인의 비선형 탄성 변형 때문에 모터 전류에서 출력 토크를 추정할 때 마찰·탄성·관성 보정이 필요하다. 정밀한 힘 제어나 안전 요구에 따라 별도의 토크 센서를 사용하기도 한다. 하모닉이면 반드시 고가 센서를 써야 한다는 법칙은 아니다.
반면 저감속 유성 감속기를 결합한 QDD 액추에이터는 전달 마찰을 줄여 전류 기반 토크 추정에 유리하게 설계할 수 있어, 모터 드라이버가 측정하는 상전류 (I)에 모터 토크 상수(Kt)와 감속비(N)를 곱하는 것(τ_out ≈ N × Kt × I)만으로도 출력 토크를 근사할 수 있다. 실제 접촉력·지면 반력 추정에는 관절 기구학과 중력·가속도·마찰·효율 보정이 추가로 필요하다(관련 공학 근거: MIT Cheetah 연구). 즉, 감속기 자체 단가가 하모닉보다 저렴할 뿐 아니라 고가의 토크 센서와 복잡한 신호 배선까지 제거할 수 있어 전체 모듈 원가를 줄일 여지가 있다. 다만 원가 절감률은 같은 성능·수명 조건의 실제 견적에 따라 달라진다.
④ 유성 QDD의 기술적 난제(발열·백래시)와 관절별 하이브리드(혼용) 설계 선택
물론 유성 감속기와 QDD 방식에도 명확한 공학적 트레이드오프가 존재한다. 같은 출력 토크와 비슷한 효율 조건에서 감속비를 100:1에서 10:1로 낮추면 동일한 관절 출력 토크를 내기 위해 모터 자체가 생성해야 하는 토크가 10배 커져야 하므로, 공극 반경(Air-gap Radius)이 큰 대구경 아웃러너 또는 프레임리스 토크 모터에 대규모 전류를 흘려야 한다(관련 공학 근거: MIT Cheetah 연구).
줄열 법칙(P_loss = I²R)에 의해 전류가 커지면 모터 코일의 구리 손실(동손)과 발열이 급격히 증가하며, 열 한계를 넘으면 모터 보호를 위해 출력 제한이 필요하다. 동일 부하·주변 온도·냉각 조건에서 연속 운전 성능을 확인해야 한다.
또한 유성 감속기는 강체 기어 맞물림 특성상 제품별로 백래시(기계적 유격)가 다르며 3~5 arcmin은 일부 사양 예시에 해당한다.
또한 무전원 상태에서 중력 하중을 버티는 자체 잠김(Self-locking) 기능이 없다(로봇신문, 피지컬 AI Lab). 결론적으로 현대 로봇공학에서는 어느 한 감속기가 다른 방식을 완전히 대체하는 것이 아니라, 로봇 폼팩터와 관절 위치별 요구 특성에 맞춘 하이브리드(혼용) 배치가 유용한 설계 선택지가 된다.
모든 제품의 채택 비중을 확인한 보편 표준이라고 단정하지는 않는다(CubeMars). 구체적으로 ① 지면 충격이 반복되고 빠른 보행·점프 응답과 역구동성이 필수적인 4족보행 로봇 전 관절(대당 12~16개) 및 휴머노이드 하체(고관절· 무릎·발목)에는 유성 감속기 기반 QDD 액추에이터(또는 고하중 인버티드 롤러 스크류 리니어 액추에이터)가 활용될 수 있으며, ② 좁은 공간에서 1 arcmin 이내의 초정밀 위치 제어와 높은 감속비, 자세 유지가 필요한 협동로봇 및 일부 휴머노이드 상체(어깨·팔꿈치·손목)에는 하모닉 감속기가 활용되며, ③ 20kg~1,000kg 이상의 극한 하중과 비틀림 강성이 요구되는 대형 산업용 로봇 베이스(1~3축) 및 중공업 로봇에는 RV(사이클로이드) 감속기가 적용된다(IBK투자증권, 로봇신문).
하모닉·유성 QDD·RV 비교표
숫자는 제품별 사양이 다른 만큼 범위의 예시로 읽어야 한다. 백래시·반복정밀도·위치정확도·로스트모션은 서로 다른 지표다. 출력측 엔코더는 위치 오차를 줄일 수 있지만 기계적 유격 자체를 없애지는 않는다.
하모닉 (Strain Wave)
구조
웨이브 제너레이터·플렉스스플라인·서큘러 스플라인의 탄성 변형·톱니 수 차이.
백래시
매우 낮은 백래시가 강점. 제로 백래시 명칭과 실제 위치정확도는 구분.
감속비·관성
50~160 등 고감속 예시. 공식 현행 제품표는 30~160도 포함. 같은 모터의 출력 환산 관성은 N²에 비례. 역구동 불가로 단정하지 않음.
충격·힘 제어
탄성체 수명과 허용 반복·순간 피크 토크 확인. 센서는 정확도·안전 요구에 따라 선택.
원가·병목
박육 탄성체 가공·열처리·치형·초박형 베어링과 공차 관리.
적용 예
협동로봇·정밀 팔과 손목·반도체 진공 이송. 모든 관절의 필수 선택은 아님.
대표 업체·제품
Harmonic Drive Systems·Leaderdrive·에스비비테크·에스피지 SH·삼현 IH 계열.
유성감속기 / 저감속 QDD
구조
선기어·복수 유성기어·링기어의 강체 치합과 하중 분담. 저감속 모터·제어 결합은 QDD 구현의 한 방식.
백래시
3~5 arcmin은 일부 사양 예시. 모델별 확인 필요. 듀얼 엔코더 제어와 기계적 유격 제거는 다름.
감속비·관성
QDD 설명에 5~20 등 저감속 예시. 유성도 다단 고감속 가능하므로 동일어가 아님.
충격·힘 제어
낮은 임피던스·역구동성과 전류 기반 토크 추정에 유리하게 설계 가능. 센서 생략은 조건부.
원가·병목
기어 제조비 측면 장점. 대구경 모터의 연속 구동 발열·전류·냉각·브레이크·제어 비용도 포함.
적용 예
4족보행·휴머노이드 동적 관절·외골격·그리퍼. 하체에 한정되지 않음.
대표 업체·제품
에스피지 유성·SDD, 로보티즈 Q, 삼현 IP·O, 하이젠알앤엠, 에스비비테크. 개발·양산 단계 구분.
RV / 사이클로이드
구조
편심축·사이클로이드 디스크·핀의 다중 접촉. RV는 기어 입력단과 사이클로이드 감속단 결합 구조.
백래시
50 arcsec~1 arcmin 등은 개별 모델 조건 예시. 로스트모션·정밀도 지표를 맞춰 비교.
감속비·관성
30~200 이상 등 다양한 고감속 구성. 강성·토크와 모터 관성을 함께 판단.
충격·힘 제어
넓은 접촉과 하중 분담이 장점. 허용 과부하는 반복·순간 피크 사양별 확인.
원가·병목
정밀 연삭·가공 설비, 조립 공차, 베어링·하중 설계.
적용 예
중대형 산업용 로봇 베이스 1~3축, 공작기계, 방산·조선 중장비.
대표 업체·제품
나브테스코·우림피티에스·에스피지 SR·로보티즈 DYD·해성 계열 등. 개별 현행 제품 확인 필요.
최대 토크보다 연속 출력과 안전을 보자
설계 검토에서는 정격 연속 토크, 피크 허용 시간, 부하·주변온도·냉각, 백래시와 강성, 무전원 하중 유지, 통신·제어 지연, 수명을 같은 조건으로 비교해야 한다. QDD의 역구동성은 전원 차단 때 하중을 스스로 유지한다는 뜻이 아니다. 하모닉도 마찰이 크다고 인증된 자체 잠김이나 정전 안전을 보장하지는 않는다.
가격 역시 감속기 단품이 아니라 모터·드라이버·엔코더·토크 센서·브레이크·냉각·조립·서비스를 포함한 총비용으로 비교해야 한다. 정밀한 위치, 빠른 힘 응답, 큰 하중 중 무엇이 우선인지 정한 뒤 모터와 전달계를 함께 선택하는 것이 맞다.
1편: 로봇 구동계 [1/5] 피지컬 AI 시대, 로봇 구동계가 왜 핵심인가: 휴머노이드 원가와 국내 7대 기업
2편: 하모닉·유성 QDD 기술 비교 (현재 글)
3편: 로봇 구동계 [3/5] 에스피지·에스비비테크 비교: 정밀감속기 제품·고객·CAPA·실적 분석
4편: 로봇 구동계 [4/5] 로보티즈·삼현·레인보우로보틱스 분석: 액추에이터 양산과 완성 로봇의 실적
5편: 하이젠알앤엠·우림피티에스·종합 비교 (준비 중)
자료와 참고 링크
- CubeMars, Planetary Gearbox vs Harmonic Reducer – 구조·원가·효율·충격의 조건별 비교.
- CubeMars, 2026 Robot Actuator Guide – QDD와 통합 구동 설계.
- Harmonic Drive, 기술 특성 / 공식 제품 비교표 – 감속비·Backdriving Torque·허용 피크 토크.
- Wensing 외, Proprioceptive Actuator Design in the MIT Cheetah (IEEE T-RO, 2017) – 충격 대응·고유감각 제어.
- The MIT Cheetah, an Electrically-Powered Quadrupedal Robot for High-speed Running – 저감속·저임피던스 전달계.
- 나브테스코 RV-E 공식 제품 / 정밀감속기 공식 가이드.
제품과 연구 결과는 각 모델과 시험 조건에 한정된다. 기준일: 2026년 10월 18일. 특정 종목의 매수·매도를 권유하는 글이 아니다.