하모닉드라이브의 역사

[오아시스(이종하)]

애증의 하모닉 드라이브 감속기!

하모닉 드라이브는 로봇에 있어서 최고의 감속기라고 인식되고 있다.

타원형으로 된 웨이브 제네레이터 뭉치가 돌아가면,
역시 타원형으로 쓸려 돌아가는 베어링에 의해 타원운동 부분만 플렉스플라인으로 전달되고,
플렉스플라인은 천천히 맨 바깥쪽의 링기어를 한칸씩 뛰어넘어 돌아가게 된다.
이렇게 딱 1단 만으로도 1/100 아니 1/300 정도의 감속비를 구현해 낸다.
이보다 더 심플한 구성으로 이정도의 성능을 내는 것은 사실 거의 없다고 봐도 될 것이다.

이렇게 훌륭한 하모닉 감속기는, 거의 일본의 '하모닉 드라이브 시스템즈'라는 회사에서 수입해서 쓴다.
이 일본 회사는 하모닉 감속기를 제대로 만드는 세계에서 거의 유일한 회사라고 봐도 되겠다.

↑ 하모닉 드라이브사의 하모닉 감속기 제품의 일례.

이 회사의 제품을 보면 정말 입이 떡 벌어진다.
감속기에 사용된 재료 자체는 정말 아무것도 아니다.
그냥 보통 S45C 철강을 쓴다.  비오면 이것도 녹이 슨다. 
kg당 1500원 정도 가격의 아주 평범한 재료인데, 이걸 가공하고 열처리해서 수십만원, 수백만원 받고 판다.

그래서 그런지, 많은 사람들은 이 하모닉 감속기의 원리를 이 일본 회사가 발명한 것으로 생각하기도 하고
그래서 특허가 걸려 있음에 틀림없다고 단정짓기도 한다.
한국에서는 꿈도 못꿀 기술이라고 지레 짐작하기도 한다.
사실 나도 그랬다.

하지만 1960년대에 출간된 기구학 서적에서, 하모닉 드라이브 감속기가 버젓이 올라와 있는 것을 보고,
이게 그렇게 오래된 물건인줄 처음 알게 되었던 것이다.
이렇게 오래된 물건인데, 한국에선 아직 만드는 데가 없다는 거다.
이거 좀 자존심 상하지 않느냐 라고 생각할 법 하다.

암튼 그래서,
이 하모닉 드라이브란 물건이 대체 언제 처음 만들어졌는지부터 궁금해 졌다.
인터넷이란 참 좋은 것 같다.  검색하니 다 나온다.

최초의 하모닉 감속기는, 미국에서 1955년도에 발명된 것 같다.
미국특허 출원번호 2906143번이다.  1959년 9월 29일에 특허가 승인되었다.

 

↑ 미국 특허 2906143호.  1959년.  클릭해서 큰 그림으로 보시기를...

http://www.uspto.gov 사이트에 들어가서 검색하면 나온다.

발명자는 월튼 뮤서(C. Walton Musser)라는 사람이라고 되어 있다.
뉴저지에 있는 '연합 신발 기계 회사(United Shoe Machinery Corperation)'이라는 회사로 이 특허권이 귀속되어 있다.
유추해서 생각하면, 이 월튼 아저씨가 신발 만드는 기계 제작소에 다니던 기술자였는데
하모닉 드라이브의 원리를 생각해서 발명한 것이 아닐까?  글쎄다....

(↑월튼 뮤서 바이오그래피를 보니 잘못된 추측이였음이 확인되었음)

암튼 이 월튼 아저씨는 상당히 유명하고 고명한 엔지니어 같다.

특허만 해도 1500여개를 보유한 소위 '슈퍼 엔지니어'인 것이다.

↑ 하모닉 드라이브의 원리를 최초로 발명한 슈퍼 엔지니어 '월튼 뮤서'.

이 월튼 아저씨를 추모하는 홈페이지가 있는데... ( http://www.waltmusser.org/ )

이 홈페이지에는 '하모닉 드라이브사에서 이 홈페이지를 스폰서해 왔다'라고 떠억하니 적혀있다.

그러고 보니, 일본 하모닉 드라이브사의 창업자는 뭔가 상당히 멋진 사람인 것 같다.

이때의 이름은 하모닉 드라이브는 아니고, '변형 파동 기어(Strain Wave Gearing)'이다.

특허 출원당시의 그림을 보면 알겠지만,
아직 이 도면상에서는 웨이브 제네레이터에 박혀있어야 할 변형가능한 볼베어링은 없고,
또 기어의 치형은 그냥 직선형의 삼각뿔 모양이다.
아직 완전한 성능을 이끌어내고 있지는 못한 상태인 것이다.

이 특허가 얼마나 유지되었는지는 모르겠지만, 현재는 분명 특허가 소멸되었다고 봐도 될 것이다.

      

      

↑ 월튼 뮤서 아저씨가 저술한 하모닉 드라이브 관련 도큐먼트.  총14매.  ( 출처 : http://www.waltmusser.org/ )

암튼 이때 월튼 아저씨에 의해 개발된 하모닉 드라이브 기어는, 제일먼저 항공우주 쪽의 최첨단 요소로 사용되었다고 되어있다.

로켓의 엔진 제어 장치 같은 곳에 말이다.

이후에 나온 하모닉 드라이브식의 특허들은 대부분 여기서 해결치 못한 치형관계라든가
생산방법 등에 관한 것이다.

예를들면 일본특허 소45-41171호의 경우에는 인볼류트 치형을 적용하여 특허를 내었다고 되어 있다.
(일본특허는 아직 확인해 보지 못했다)

이상 2가지의 미국과 일본 특허에서의 치형의 경우, 기어 치형상의 결함으로 인하여
기어들이 항상 연속적으로 맞물림 상태를 유지하지 못하여 힘의 전달이 불연속적인 부분이 있다.

그런데 일본특허 소63-115945호의 경우에는(일본 하모닉드라이브사),
웨이브 제네레이터의 형상에 의해 결정된 내부기어에 대한 외부기어의 톱니의 래크 근사값에 기초하여

운동의 중심에서 톱니 맞물림 제한점으로부터 소정범위에 걸쳐 1/2의 감속비로 운동 중심을 상사변환하여 얻어진

곡선의 톱니형상을 적용한 경우라고 하고...

↑ 일본특허 소63-115945호, 1991년, 하모닉 드라이브사

역시 일본특허 소45-41171호에서는(역시 일본 하모닉드라이브사),
부편차 파동기어 구동장치에 앞서 특허출원된 치형을 적용하여 톱니의 맞물림 범위를 확장하였다.

이상의 하모닉드라이브사의 특허 치형의 경우에는,
맞물림을 연속적으로 유지할 수 있다는 개선점이 있었다.
그러나 역시 플렉스플라인의 변형을 충실히 고려하고 있지 않아, 변형시 이빨간 간섭이 발생할 우려가 상존하고 있었다.

일본 하모닉드라이브사에서는 이를 개선하여
1991년도에 일본특허 91-035819호를 취득하였고, 역시 한국에서 1992년도에 출원하여 1999년에 특허를 땄다. (공고번호 10-0224512)
이 개선된 치형은, 최소 4개의 푸리에 전개항을 가진 접선 극좌표방정식에 의해 정의된
웨이브제네레이터의 외부 형상을 형성하기 위하여 사용된 형상을 가진 파동 기어 구동장치로 되어 있다고 한다.
푸리에 전개항을 사용한 방정식으로 형상을 만들어내는 이유는, 아마도 사인 웨이브(조화곡선)를 가장 자연스럽게 구현하기 위한 것으로 보인다.
그러면 웨이브 모션이 가장 자연스러울 테니깐 말이다.
그런데 여기에 더하여, 플렉스플라인의 변형량을 추가하여 고려하고 있다.

엄격히 말하자면, 일본 하모닉드라이브사에서 조화곡선(하모닉 플랏)의 프로파일을 개발해내었으므로
다른 것들은 하모닉 드라이브라고 부르기가 뭐 하다.
암튼 이 하모닉 드라이브사에서 출원한 특허들을 보면, 아주 치열한 연구에 의해 축적된 고유 기술을 볼 수 있다.
이 기어의 발명자는 '이시까와 쇼이찌'이다.

'하모닉 감속기(조화 감속기)'라는 명칭으로 된 특허는 1987년에 일본과 한국에서 동시에 출원하였고,
일본에서는 1987년에, 한국에서는 1988년에 취득되었다.
이때가 효시라고 볼 수 있을 것이다.  출원인은 일본 '미쯔비시 전기 주식회사'이고,
발명자는 '이와다 마사나리' 이다.

암튼 일본 하모닉드라이브사에서는 연구를 계속하는 것 같다.
1994~1996년도의 '패스형 치형의 굽힘 기어결합식 기어장치' 특허를 보면..
기어의 강도와 내마모성을 더욱 향상시키기 위하여, 플렛스플라인측의 기어 치형을 축방향으로 변형을 가하여
개량하고 있다.
또 '마이너스 편위 추월 치형의 윔 맞물림식 기어 장치' 특허의 경우에는 역시 기어의 치형을 더욱 세밀하게 다듬고 있다.

이상의 일본 하모닉 드라이브사의 치형들은 기본적으로 조화운동을 자연스럽게 만들어 주도록 하는
'원호치형'의 일종이다.  암튼 이 회사는 이외에도 특허가 많다.
연구를 거듭하여 치형의 세부를 다듬어 나가고 있는 것이다.

↑ 일본특허 91-35507, 1991년, 하모닉 드라이브사, "짧은 가요성 컵부재를 가진 컵형 조화 구동장치"의 참고 그림 일부.

   오랜 노하우와 연구에 의한 치밀한 세부 설계의 일단을 엿볼 수 있다.

독일에서 특허 출원한 것도 보인다. (1997~1999년, 발명자 히른헬무트/라우덴 박흐프란쯔, 출원인 아이엠에스 모라트 쇠네 게엠베하)
이 독일 특허는, 웨이브 제네레이터상에 변형되는 볼베어링대신 슬리브 타입의 베어링을 사용한다.
제조비용을 절감시키고 소형화에 유리하다는 장점을 내세운다.
또한 기구 자체가 셀프록킹 특성을 가지므로, 출력축 쪽에서는 아무리 돌려도 돌아가지 않아
자동적으로 브레이크 효과를 갖는다.

↑ 국제 특허 공개번호 WO 1998/08008, 공개 1998년, 출원인 아이엠에스 모라트 쇠네 게엠베하, "단계 감소 기어 시스템"

    실효성이 있는지는 모르겠지만, 창의성이 돋보이는 발명이다.

입력축에 의해 전달된 요동은, 박막형 컵 모양의 플렉스플라인 대신에, 마차바퀴 같은 스포크 형태의 로드들로
전달되어 변형이 발생하는 방식이다.
게다가, 타원형 형상으로 해서 접점을 2개 갖는 것이 아니라, 그것을 확장하여 3개의 접점을 갖도록 만들수도 있어
아주 미세한 치형으로 동력을 전달할 수 있는 방안도 제시하고 있다.
이런 구조를 통해 제작공정상의 오차를 없앨 수 있다고 주장한다.

이 특허를 낸 '아이엠에스 모라트 쇠네 ( IMS-Morat Söhne GmbH )'라는 회사는,

검색해 보니 홈페이지도 없고 이메일 주소도 없다.  팩스도 없다.  그냥 주소랑 전화번호만 덩그러니 나온다.

주소지를 보니 '도나우에싱겐 ( Donaueschingen )'이라는 도시인데, 이 도시 찾아보니 독일 남서부 바덴뷔르템베르크州에 있는

인구 2만명 정도의 소도시다.  맥주 양조장 있고 오래된 고성(古城)이 있는, 한가로운 시골이다.

이 도시에 역시 IMS GEAR GMBH라는 기어전문회사가 있는 걸로 봐선, 이거랑 관련 있는지 잘 모르겠다.

이 기어회사는 소형 유성기어를 제작하기도 하는데, 미국과 멕시코쪽에 지사까지 합쳐 1000명 가량의 직원수를 가진

상당한 기업인 것 같다.  ( http://www.imsgear.com )

아마 IMS-Morat Söhne라는 법인체는, IMS-GEAR사의 자회사격이 아닌가 한다.

아무튼 이런 타입의 하모닉 기어는 실물을 본 적이 없어 실제로 우수한지는 잘 모르겠다.

이런 기타등등 해서 많은 특허와 발명들이 있어온 것 같다.

점진적인 발전이란 이런 것을 말하는가 보다.

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그럼 우리나라에서는 하모닉 드라이브 개발에 도전한 기술자들이 없었을까???
없을리가 없다.

하지만 사업화에 성공한 경우는 아직 없는 것 같다.

포항공대 쪽에서 하모닉 드라이브 개발한 분이 있었다고 전해들은 바 있다.
로봇쪽 설계를 하던 분으로 알고 있는데, 더이상 자세한 정보는 나에게 없어 뭐라 말하기는 좀 그렇다.

또 다른 케이스로, 2001년도 즈음해서 중앙대학교 기계공학부의 오세훈 교수님이라는 분께서
하모닉 드라이브를 개발하신 것 같다.

오세훈 교수님에 대해서는 전혀 아는 바가 없지만,

감속기 해석 관련해서 전문적으로 전공하신 분 같다.

↑ 오세훈 교수님의 홈페이지에서 찾은 유성감속기 그림.  이런 것으로 학내 벤쳐를 시도하신 것도 같다.  하지만 잘 안된 것 같다.

특허를 보니, 기어치형을 완전한 원호 형상과 핀 배열을 해 준 사이클로이드 타입이 있고..

↑ 특허 공개번호 특1996-0008116, 특허 취득은 실패한 것 같음.  "사이클로이드형 하모닉 드라이브 감속기"

   발명자 오세훈, 출원인 한국기계연구원.  오세훈 교수님이 기계연구원에 있을때 고안한 것 같다.

이 사이클로이드 타입은, 핀을 박아넣어 주는 것으로 봐서
국내의 기계 가공 기술 수준을 감안한 설계라고 생각된다.

이것 말고, 대일공업 이라는 업체와 조인한 것 같은데, 플렉스플라인의 치형 부위만 별도 가공해서 변형 부위와 접착하는 방식도

발명하고 있다.  이것은 국내 가공 업체의 가공기술 수준을 감안한 고안으로 생각된다.

↑ 특허 공고번호 특1995-0001116, 1994년 공개, 발명자 김성문/오세훈/이대길, 출원인 대일공업 주식회사 김성문

    아마 기계연구원의 오세훈 박사님이 대일공업에 외주를 줘서 플렉스플라인 제작을 의뢰했을때,

    대일공업의 김성문 사장님이 '이거 가공이 어렵다'라면서 접착제로 붙이는 방법을 고안해 내신건 아닐까?

    그냥 추측해 보았다.

또, 플렉스플라인을 복합재료로 해서 제안한 경우도 있다.

바깥쪽은 금속 가공으로, 안쪽은 카본파이버 재료를 적층한 타입이다.

역시 박막형의 금속 가공물에 열처리에 자신이 없어 고안한 것이 아닐까 생각된다.

( 공개번호 특1998-082802, 발명자 오세훈/이대길/장승환/전한수/최동엽, 출원인 광신기공 이진수 )

2001년도 기사를 검색해 보면, '광신기공'이라는 이 기계업체에 기술을 전수하고 사업화를 모색하고 있다고 하는데...
아마 실패한 것 같다.
광신기공 홈페이지( http://www.drillhead.co.kr )에는 하모닉의 첫글자도 보이지가 않는다.

사업화 하려다가 도저히 안되어서 포기한 것일까.

한국에서 하모닉 드라이브를 만들려는 욕심을 가진 분은 상당히 많은 것 같다.
하지만 제작기술에서 일단 벽에 부딪힌다.

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* 하모닉 드라이브를 사업화하기 힘든 기술적 요인들.

변형 가능한 초정밀 볼베어링을 어디서 구할 것인가?  수입할 거 아니면 국내에서 만들어야 할텐데
만족스럽게 만들 수 있는 업체가 어디 있나?
어찌어찌 만들었다 해도 당장 일본제와 비교되어 욕만 들어먹을 것이다.

( 참고로, 한국에서는 아직 항공기 터빈등에 들어가는 초정밀 P5~P6 등급 베어링을 제조하지 못하고 있다.

  자동차용의 P4까지는 만든다.  아직 P5 등급 베어링 제조에 도전한 한국업체는 없고, ADD 등의 국책연구소에서 가끔

  박사님들이 개발에 도전하려고 하나 불행히도 관심을 가지는 업체가 거의 없는 것 같다.  한심스럽다.

   P3 등급 베어링 가격이 1만원이라고 하면, 같은 사이즈로 P5 등급은 몇십만원~몇백만원씩 한다.  

   이 둘 사이의 차이는 공차 수 미크론 정도에 불과하다. 그 차이가 몇십배~몇백배의 가격 차이를 만든다. )

기어 치형의 창성은 또 어찌할 것인가?
그냥 인볼루트 치형으로 만족할 건가?  아니면 사이클로이드로 갈 것인가?
초정밀한 수 미크론 단위의 형상 공차로 사이클로이드 치형 가공할 수 있나?

( 참고로, 중대형 사이클로이드 치형 창성 능력이 있는 국내 업체는 존재하나, 소형 치형 창성 능력이 있는 없체는 한국에 없다고

  봐도 될 것이다.  치형을 창성하는 호브 공구를 개발 가능한 국내 업체는 역시 존재하지 않는다.  전부 수입해서 쓴다. )

그거 어찌어찌 해결한다 치더라도, 열처리는 어떡할 건가?
메달만한 크기에, 아주 작은 기어 이빨들이 있는데 열처리 가지고 되겠나?
수미크론 정도의 아주 살짝 침탄하거나 할 수 있는 기술이 있는 후처리 공장이 국내에 과연 있나?
침탄 까딱 잘못하면 수백미크론 파먹어 들어가 버려 완전 다 버릴 거다.

( 유서깊고 장인정신이 있는 유수의 세계적인 기어전문업체들(규모는 작아도)은

   대체로 열처리 레시피를 수천가지 이상 축적해 놓고 있다. 일종의 기술적 데이타베이스인 것이다. 

   한국 기어 업체중에 이런거 꼼꼼하게 제대로 구축해 놓은 곳이 얼마나 있으려나? 

   경화, 템퍼링 공정을 반복하면서 미세한 금속 조직의 변화를 놓치지 않고 다룰 수 있는 기술자는

   한국에 거의 없다고 봐도 될 것이다.  그런 기술자가 없는 이유는 간단하다.

   현장에서 잔뼈가 굵으면서 공부를 많이 해야 하는데, 한국 현실에서 그건 어렵다.  가끔 입지전적인 슈퍼 엔지니어가 나오기도

   하지만, 그 분들은 대부분 은퇴하고 있다.  하나의 분야만 평생을 파고 들어야 하는데, 월급이 안 오르니 그럴 사람 없는거다.

   한국에서는 하나만 파고 있으면 '고지식하고 불쌍하고 못난 사람'이 되고, 재테크나 부동산 잘하면 칭찬한다.

   만일 이런 정도의 열처리 능력이 있는 기술자라면 연봉을 억단위로 줘도 아깝지 않다는 인식이 필요하다고 본다. )

그래, 열 걸음 후퇴해서 열처리 성공했다 치자.
그렇게 만들어서 가격 경쟁력이 생길까 과연?
일본 하모닉 드라이브사와 맞짱뜰 수 있느냐는 거다.
동급 제품을 만들어서 더 낮은 가격으로 과연 밀어붙일 수 있을까?
채산성이 없어 불가능하지 싶다.

( 이건 약간 희망이 있다고 본다.  이유는 눈 먼 정부 돈이 흘러넘쳐서이다.  복지부동 공무원 놈들이나 사기꾼들이 뜯어먹는 돈들을 모아

   연구개발에 투자하면 가격 경쟁력 확보 가능할 거라 본다. 눈 먼 돈을 온전히 연구개발에 투입하기 위해서는, 지금 정부 관료들이 하고

   있는 삽질들-쉽게 말해 업체 갈구기-로는 효과가 없을거다. 관료들 감사받는 템포에 맞춰 1년 짜리 단위 프로젝트 남발해 봤자

   이런 기초기술 개발은 요원하다. )

.....  결론은 '암울 그 자체'이다.

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암튼, 이 하모닉 드라이브란 놈은 발명된지는 매우 오래 되었으나

한국에서는 못 만들고 있다는 것.

한국 기계산업의 현주소다.

엔지니어들의 실력이 없어 그렇다고 생각하지는 않는다.

이런 아이템을 가지고 사업을 하려면, 수년간 매출 없이 계속 개발비를 투입하면서 버텨야 한다.

하지만 우리나라에 그런 사업가는 사실상 거의 존재하지 않는다.

대기업들 돈 많으면 뭐하나?

연구개발해서 핵심기술 축적하는것 보다는, 중소기업 잡아먹거나 하면서 '기술권리'를 사실상 강탈하는 곳인데.

그런 대기업 따위에게서 이런건 바라지도 않는다.

진정한 엔지니어링 투자자는 한국에 한 명도 없을까?

검색해 보면, http://www.hdinfonet.com/ 이라는 사이트가 있다.

이 곳도 역시 하모닉 드라이브를 제작해서 판매하는 곳이다.

일본의 하모닉 드라이브사 만큼의 경지(?)에 도달해 있지는 못한 것 같지만, 전문적으로 제작능력이 있는 건 확실하다.

이곳의 운영자는 캐나다에 거주하는 중국계인것 같다.

하모닉드라이브