15세 개발자의 사이클로이드 감속기, 파이썬으로 기어를 '생성'하다

해외 개발자 커뮤니티 해커뉴스에 자신을 '15세 엔지니어 지망생'이라고 소개한 학생이 직접 설계·제작한 사이클로이드 감속기(cycloidal gearbox) 프로젝트를 공개했다. 단순히 부품 하나를 3D 프린팅했다는 수준이 아니라, 감속기의 핵심 곡선을 파라미터에 따라 자동으로 그려주는 파이썬 스크립트를 만들고, 이를 검증하기 위해 세 차례에 걸쳐 실물을 반복 제작했다는 점에서 실무자 입장에서도 들여다볼 만한 사례다.

왜 하필 사이클로이드 감속기인가

사이클로이드 감속기는 편심 회전하는 디스크가 외곽의 핀들과 맞물리며 큰 감속비를 만들어내는 구조다. 일반적인 평기어 열에 비해 같은 부피에서 훨씬 높은 감속비를 얻을 수 있고, 백래시(맞물림 유격)가 작아 로봇 관절이나 정밀 구동부에 널리 쓰인다. 다만 형상이 단순한 원이나 인볼루트 곡선이 아니라 편심량과 핀 개수에 의해 결정되는 복잡한 곡선이라, 설계 자체가 진입장벽이 된다. 이 프로젝트가 곡선을 '손으로 그리는' 대신 스크립트로 '생성'하는 방향을 택한 이유가 여기에 있다.

제작자는 솔리드웍스 공식 문서인 'Building a Cycloidal Drive with SOLIDWORKS'를 참고해 스크립트를 작성했다고 밝혔다. 사용한 두 개의 핵심 매개변수 방정식은 로터 외곽선의 좌표(x, y)를 회전 각도 t의 함수로 정의하고, 보정각 ψ를 atan2 함수로 계산하는 형태다. 감속비는 1:(N−1)로 정의되며, 로터는 입력축과 반대 방향으로 회전한다. 즉 핀 개수 N을 바꾸면 곡선과 감속비가 함께 재계산되는 파라메트릭 설계로, 스크립트의 존재 이유가 명확하다.

세 번의 버전이 보여주는 반복 설계

흥미로운 것은 완성품 하나가 아니라 실패를 포함한 전 과정을 그대로 공개했다는 점이다. 버전 1은 손으로 크랭크를 돌리는 방식으로, 파이썬 생성기가 제대로 된 곡선을 뽑아내는지 검증하기 위한 1:9 감속비의 테스트 기기였다. 곧바로 실제 구동을 노린 것이 아니라, 코드의 유효성을 물리적으로 확인하는 단계를 먼저 둔 셈이다.

버전 2는 스테퍼 모터 규격인 NEMA 17과 같은 설치 면적 안에 1:9 감속기를 욱여넣으려는 초소형 설계였다. 그러나 이 버전은 작동하지 않았다. 제작자는 그 원인을 소형 사이클로이드 드라이브가 요구하는 빡빡한 공차와, 3D 프린팅이 그 정밀도를 따라주지 못하는 한계로 진단했다. 이는 취미 제작자들이 흔히 부딪히는 벽이기도 하다. 사이클로이드 구조는 편심 접촉으로 힘을 전달하기 때문에 미세한 치수 오차가 곧 물림 불량이나 걸림으로 이어진다.

버전 3은 NEMA 17에서 실제로 도는 첫 정상 작동 버전이다. 해법은 정밀도를 무리하게 끌어올리는 것이 아니라, 설치 면적을 버전 2보다 키워 공차 여유를 확보하는 쪽이었다. 작은 크기를 고집하다 실패한 뒤, 프린팅 공정의 한계를 인정하고 설계 목표를 현실에 맞춘 결정이다. CAD 파일은 저장소의 cad_models/version_3 경로에 정리돼 있다.

실무 관점에서 눈여겨볼 지점

제작자는 버전 3을 더 개선할 여지도 함께 제시했다. 하우징 핀을 MR128 베어링으로 교체하면 마찰을 줄여 효율을 높일 수 있고, 출력 핀을 금속 커버를 씌운 M2 나사로 바꾸면 강성과 최대 토크, 효율을 함께 끌어올릴 수 있다는 것이다. 3D 프린팅으로 뽑은 접촉면을 마찰·마모에 강한 금속 부품으로 대체하는 것은 프린팅 기반 기구 설계에서 정석에 가까운 보강 방식이며, 향후 개선 방향을 구체적으로 명시했다는 점에서 설계 완성도에 대한 이해가 엿보인다.

물론 한계도 분명하다. 검증은 손 크랭크와 NEMA 17 구동 확인 수준에 머물러 있고, 실제 부하 조건에서의 토크나 효율, 수명 같은 정량 데이터는 공개되지 않았다. 재료 역시 3D 프린팅 수지가 기본이라 산업용 감속기와 직접 비교할 성격은 아니다. 그럼에도 이 프로젝트가 주는 시사점은 결과물 자체보다 접근 방식에 있다. 형상 생성을 코드로 파라미터화해 반복 설계의 비용을 낮추고, 실패한 버전까지 남겨 원인을 문서화하며, 다음 개선안을 부품 단위로 제시하는 흐름은 나이나 도구와 무관하게 엔지니어링 문제를 다루는 좋은 태도다. 감속기 설계에 관심 있는 개발자라면 스크립트 구조와 버전별 변경 이유를 따라가는 것만으로도 참고할 대목이 적지 않다.