로봇의 발이 되는 모터! 종류와 작동 방식 심층 분석 > 추천 로봇 공학 입문 자료

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로봇의 발이 되는 모터! 종류와 작동 방식 심층 분석

모터는 전기 에너지를 기계적인 움직임(회전력)으로 바꾸는 장치입니다. 로봇에서는 이 회전력을 통해 바퀴를 굴리거나, 팔을 움직이거나, 센서의 방향을 바꾸는 등의 다양한 동작을 수행하게 됩니다.

1. DC 모터 (Direct Current Motor): 로봇의 가장 기본적인 '발'

1.1. 작동 방식 (원리)

DC 모터는 전기에너지로 코일에 흐르는 전류가 자기장과 상호작용하여 회전력을 발생시키는 원리를 이용합니다.

코일과 자석: 모터 내부에는 전류가 흐르는 코일(회전자)과 고정된 자석(고정자)이 있습니다.

자기력: 코일에 전류가 흐르면 코일 주위에 자기장이 생기고, 이 자기장이 고정된 자석의 자기장과 서로 밀고 당기는 힘(자기력)을 만듭니다.

회전: 이 자기력이 코일을 계속 한 방향으로 회전하게 합니다.

정류자/브러시: 코일이 한 방향으로 계속 돌 수 있도록 전류의 방향을 주기적으로 바꿔주는 정류자와 브러시라는 부품이 있습니다.

1.2. 특징 및 용도

간단한 제어: 전압을 높이면 빨리 돌고, 전압을 낮추면 느리게 돕니다. 전압의 극성을 바꾸면 회전 방향도 바꿀 수 있습니다.

연속 회전: 전원을 인가하면 계속 한 방향으로 회전합니다.

고토크: 감속기(기어박스)를 함께 사용하면 회전 속도를 줄이고 회전력(토크)을 크게 증가시켜 로봇의 바퀴를 움직이거나 무거운 물건을 들어 올리는 데 유리합니다. 사용자님은 <User_Context: mechanicalComponentsInterest>에 감속기 관심이 있으시죠!

용도: 로봇 자동차의 바퀴 구동, 팬, 컨베이어 벨트 등. 초보자용 로봇 프로젝트의 바퀴에는 주로 이 DC 기어드 모터(DC 모터 + 감속기)가 사용됩니다.

2. 서보 모터 (Servo Motor): 정교한 '관절'과 '방향'

2.1. 작동 방식 (원리)

서보 모터는 DC 모터와는 다르게 정확한 각도 제어에 특화되어 있습니다. 내부에 DC 모터, 감속기, 포텐쇼미터(회전각 센서), 그리고 제어 회로를 모두 내장하고 있습니다.

명령 수신: 아두이노 같은 컨트롤러에서 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 받습니다. 이 신호의 펄스 폭(신호가 HIGH 상태로 유지되는 시간)이 '몇 도로 움직여라'는 명령이 됩니다.

현재 각도 감지: 포텐쇼미터가 현재 서보 모터의 회전 각도를 계속 감지합니다.

오차 확인 및 제어: 내장된 제어 회로가 '원하는 각도'와 '현재 각도'를 비교하여 오차가 발생하면 DC 모터를 작동시켜 오차를 줄입니다.

위치 유지: 원하는 각도에 도달하면 모터를 멈추고, 외부에서 힘이 가해져도 그 각도를 유지하려고 버팁니다. 사용자님이 이전에 "서보 모터의 정확한 위치 제어"에 대해 문의하셨던 것과 같은 원리입니다.

2.2. 특징 및 용도

정확한 각도 제어: 특정 각도(예: 0~180도)로 정밀하게 위치를 제어할 수 있습니다.

위치 유지: 외부 충격에도 설정된 각도를 유지하는 힘(유지 토크)이 있습니다.

용도: 로봇 팔의 관절 제어, RC카의 조향(스티어링), 카메라 짐벌, 센서 방향 제어 등. 특히 로봇 팔 게임 프로젝트처럼 정확한 위치에 물건을 옮겨야 할 때 필수적입니다.

3. 스테퍼 모터 (Stepper Motor): 정밀한 '걸음'

3.1. 작동 방식 (원리)

스테퍼 모터는 연속적으로 회전하는 대신, 아주 작은 각도 단위(스텝)로 끊어서 움직입니다.

다극 코일: 모터 내부에 여러 개의 코일 뭉치(극)가 있습니다.

순차적인 자화: 컨트롤러가 이 코일들을 정해진 순서대로 하나씩 자화(전류 인가)시킵니다.

단계별 회전: 코일이 자화될 때마다 모터의 회전자가 정확히 일정한 각도(스텝 각)만큼 움직입니다.

개방 루프 제어: 대부분 피드백 없이도 정확하게 움직일 수 있어, 별도의 센서 없이도 위치 제어가 가능한 경우가 많습니다.

3.2. 특징 및 용도

초정밀 위치 제어: 센서 없이도 정확한 위치 제어가 가능하며, 아주 미세한 각도로 움직일 수 있습니다.

높은 유지 토크: 전원이 인가되면 정지 상태에서도 설정된 위치를 강력하게 유지합니다.

느린 속도/소음: 일반적으로 DC 모터나 서보 모터에 비해 최고 속도가 느리고, 스텝 단위로 움직일 때 소음이 발생할 수 있습니다.

용도: 3D 프린터의 축 구동, CNC 가공기계, 카메라 슬라이더, 레이저 커터 등 정밀한 위치 이동이 중요한 곳에 사용됩니다.

4. BLDC 모터 (Brushless DC Motor): 강력하고 효율적인 '비행'과 '고성능'

4.1. 작동 방식 (원리)

기존 DC 모터의 브러시와 정류자 부분을 전자 회로(ESC, Electronic Speed Controller)로 대체한 모터입니다.

전자식 정류: 브러시 없이 전자 회로(ESC)가 코일에 흐르는 전류의 방향을 제어하여 회전자를 회전시킵니다.

연속 자화: 고정된 코일과 회전하는 영구 자석으로 구성되어, 전자식으로 코일을 순차적으로 자화시킵니다.

4.2. 특징 및 용도

고효율/고출력: 브러시 마찰이 없어 효율이 매우 높고, 같은 크기 대비 더 강력한 힘을 낼 수 있습니다.

긴 수명/저소음: 브러시 마모가 없어 수명이 길고 소음이 적습니다.

복잡한 제어: ESC라는 전용 컨트롤러가 필수적이며, 제어가 DC 모터보다 복잡합니다.

용도: 드론의 프로펠러 구동, 전동 킥보드, 전기 자동차, 고성능 로봇의 구동부 등 높은 효율과 출력이 요구되는 곳에 사용됩니다. 사용자님이 이전에 드론 로봇 만들기에 관심이 있으셨는데, 드론에 바로 이 BLDC 모터가 쓰입니다.

5. 로봇 프로젝트에 맞는 모터 선택 가이드

로봇의 '발'이 될 모터를 선택할 때는 다음과 같은 점들을 고려해야 합니다.

프로젝트 목표:

간단한 이동: DC 기어드 모터

정확한 각도 제어: 서보 모터

초정밀 위치 제어: 스테퍼 모터

고출력/고효율 비행: BLDC 모터

요구되는 토크 (회전력): 로봇이 얼마나 무거운 것을 움직여야 하는지, 혹은 언덕을 올라야 하는지 등에 따라 모터의 토크가 결정됩니다. 필요한 경우 감속기를 추가합니다.

요구되는 속도: 로봇이 얼마나 빠르게 움직여야 하는지에 따라 모터의 회전 속도를 고려합니다.

제어의 복잡성: 초보자에게는 DC 모터나 서보 모터가 제어가 가장 쉽습니다.

예산 및 크기: 모터 종류에 따라 가격과 크기가 천차만별이므로 프로젝트의 제약을 고려합니다.

로봇의 발이 되는 모터들을 제대로 이해하는 것은 당신의 로봇이 원하는 대로 움직이도록 만드는 중요한 열쇠입니다. 각 모터의 특성을 파악하고 적재적소에 활용한다면, 당신의 로봇은 훨씬 더 멋지고 다양한 동작을 수행할 수 있을 거예요!