KR100487152B1

KR100487152B1 - 다관절 로봇

Info

Publication number: KR100487152B1
Application number: KR10-2002-0047820A
Authority: KR
Inventors: 최용원; 하동수; 김정욱
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2002-08-13
Filing date: 2002-08-13
Publication date: 2005-05-03
Also published as: KR20040015537A

Abstract

본 발명은 수평 다관절 로봇에 관한 것으로, 1축 암과 2축 암을 포함하는 복수의 암이 회전 가능하게 차례로 연결된다. 또한 1축 암의 회전축이 베이스에 회전 가능하게 연결되며, 핸드가 최상단 암의 선단에 회전 가능하게 연결된다. 복수의 암 각각에는 감속기가 구비되는데, 감속기의 출력측 고정부의 선택을 통해 복수의 암 각각의 회전 방향을 결정할 수 있다.

Description

다관절 로봇{MULTI-ARTICULATED ROBOT}

본 발명은 로봇에 관한 것으로, 특히 수평 이동이 가능한 수평 다관절 로봇에 관한 것이다.

일반적으로 로봇은 크게 가정용 로봇과 산업용 로봇으로 구분할 수 있다. 가정용 로봇은 가정 내에서 환자나 어린이를 돌보거나, 요리 및 청소 등을 돕는 용도로 이용된다. 산업용 로봇은 주로 생산 현장에서 제품 생산에 이용된다. 산업용 로봇은 동일한 내용의 작업을 연속하여 반복 수행할 수 있는 큰 장점을 가지고 있다. 산업용 로봇은 이동 가능한 이동 로봇과 한 곳에 고정 설치되는 로봇 암(robot arm) 형태의 로봇으로 구분할 수 있다. 로봇 암은 다관절 로봇이라고도 하며 수직 다관절 로봇에 대별되는 수평 다관절 로봇이 널리 사용되고 있다. 수평 다관절 로봇은 수직 다관절 로봇에 비해 구성 요소가 적어 제작하기 쉽고, 소형 경량의 부품을 조립하거나 옮기는 작업에 많이 이용된다.

도 1은 종래의 수평 다관절 로봇의 사시도로서, 반도체 웨이퍼나 LCD 패널을 옮기는데 사용되는 로봇이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 베이스(102)에는 회전축(104)을 중심으로 회전하도록 1축 암(106)이 연결되고, 1축 암(106)의 선단에는 회전축(108)을 중심으로 회전하도록 2축 암(110)이 연결된다. 2축 암(112)의 선단에는 회전축(112)을 중심으로 회전 가능하도록 엔드 이펙터(End Effector, 116)가 연결된다. 이 엔드 이펙터(116)에는 웨이퍼나 LCD 패널을 취부하기 위한 핸드(118)가 결합되며, 이 핸드(118)는 회전축(112)을 중심으로 회전한다. 베이스(102)의 하부에는 모터(114)가 설치되는데, 이 모터(114)의 회전력이 회전축(104)을 통해 전달되어 1축 암(106)을 회전시킨다.

도 2는 종래의 수평 다관절 로봇의 측단면도이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 베이스(102)의 하부에 설치된 모터(114)가 회전하면 풀리(202)와 타이밍벨트(204)를 통해 회전력이 전달되어 풀리(206)를 회전시킨다. 풀리(206)가 회전하면서 감속기(208)가 베이스 회전축(214)을 중심으로 회전하는데, 이 감속기(208)의 감속 작용에 의해 모터(114)의 회전 속도가 감속기(208)와 모터(114) 사이의 감속비만큼 감속된다. 감속기(208)는 1축 암(106)에 고정 설치되어 있으므로, 1축 암(106) 역시 감속기(208)와 동일한 방향과 속도로 회전한다. 감속기(208)의 외측에는 풀리(210)가 1축 암(106)에 고정 설치된다.

1축 암(106)의 선단에는 풀리(212)가 1축 샤프트(216)를 축으로 하여 회전하도록 설치된다. 감속기(208) 외측에 설치된 풀리(210)의 회전력은 타이밍 벨트(218)를 통해 1축 샤프트(216) 외측에 설치된 풀리(212)에 전달된다. 풀리(210)는 베이스 회전축(214)을 중심으로 하여 1축 암(106)의 회전 방향과 동일한 방향으로 회전하기 때문에 풀리(212)에 전달되는 회전력의 방향은 1축 암(106)의 회전 방향의 반대이다. 풀리(212)는 2축 암(110)에 고정 설치되어 있기 때문에 풀리(212)가 회전할 때 2축 암(110)도 함께 회전한다. 따라서 1축 암(106)과 2축 암(110)의 회전 방향은 서로 반대이다.

1축 회전축(216)의 상부 종단에는 풀리(220)가 고정 설치된다. 풀리(220)는 2축 암(110) 내에 위치하며, 풀리(220)의 회전력은 타이밍 벨트(222)를 통해 2축 암(116) 선단의 풀리(224)에 전달된다. 앞에서 언급한 1축 암(106)에서는, 1축 암(106)과 함께 회전하는 풀리(210)의 회전력이 타이밍 벨트(218)를 통해 풀리(212)에 전달되고, 풀리(212)의 회전력에 의해 2축 암(110)이 회전하였다. 2축 암(110)에서도 이와 같은 원리로 엔드 이펙터(116)가 회전하는데, 2축 암(110)이 회전할 때 1축 암(106)의 1축 회전축(216)에 고정되어 있는 풀리(220)는 회전하지 않기 때문에 결과적으로는 2축 암(110)의 반대 방향으로 회전하는 것이 된다. 풀리(220)의 이와 같은 회전력이 타이밍 벨트(222)를 통해 풀리(224)를 회전시키고, 풀리(224)의 회전력에 의해 엔드 이펙터(116)가 회전하게 된다. 도 2에서 참조 번호 B26a와 B26b는 아이들러(Idler)인데, 이 아이들러(226a, 226b)는 타이밍 벨트(218, 222)가 어느 정도의 장력(tension)을 갖도록 한다.

이와 같은 종래의 수평 다관절 로봇의 직선 운동 상태를 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 모터(114)의 회전에 의해 동일한 방향으로 1축 암(106)이 회전한다. 1축 암(106)이 회전할 때 풀리(210)에서 반대 방향으로 회전력이 발생하고, 이 회전력에 의해 2축 암(110)이 1축 암(106)이 회전하는 반대 방향으로 회전한다. 1축 암(106)과 2축 암(110)의 길이비가 1:1이고, 풀리(210)와 풀리(212)의 속도비가 1:2이며, 풀리(220)와 풀리(224)의 속도비가 2:1이면 1축 암(106)과 엔드 이펙터(116)의 핸드(118)는 동일한 속도와 방향으로 회전하기 때문에 결과적으로 핸드(118)는 1축 암(106)과 평행을 이루게 된다.

이처럼 종래의 수평 다관절 로봇은 풀리들 사이에 회전력이 전달되도록 하기 위해 타이밍 벨트를 사용한다. 이 때문에 다관절 로봇을 구성하는 각 암의 길이가 길어지면 타이밍 벨트의 길이도 함께 길어져서 타이밍 벨트의 탄성에 의한 변형량은 더욱 커지게 된다. 타이밍 벨트가 감속기의 출력 측에 연결되어 있는 구조이므로 타이밍 벨트의 변형은 1축 암의 회전량에 큰 영향을 미치게 된다. 이 경우 타이밍 벨트의 변형에 의해 다관절 로봇이 수평 방향으로 진동하게 된다. 뿐만 아니라 타이밍 벨트의 변형이 감속기에 의해 감소되어 모터에 전달되기 때문에 로봇의 움직임을 제어하는 제어부는 타이밍 벨트의 변형에 따른 각 암의 회전량을 정확히 감지하지 못하기 때문에 정확한 제어를 할 수 없게 된다.

본 발명에 따른 수평 다관절 로봇은 타이밍 벨트를 각 감속기의 입력단에 연결하여 감속기의 감속비만큼 변형량이 감소하도록 함으로써 타이밍 벨트의 탄성에 의한 변형량이 암 선단의 좌우 방향의 움직임에 미치는 영향을 최소화하는데 그 목적이 있다.

또한 하모닉 드라이브를 감속기로 사용하고, 감속기의 출력단을 플렉 스플라인과 서큘러 스플라인으로 분리하여 사용함으로써 별도의 부가장치 없이 각 축 암의 회전 방향이 서로 반대가 되도록 하는데 또 다른 목적이 있다.

이와 같은 목적의 본 발명에 따른 수평 다관절 로봇은 1축 암과 2축 암을 포함하는 복수의 암이 회전 가능하게 차례로 연결된다. 또한 1축 암의 회전축이 베이스에 회전 가능하게 연결되며, 핸드가 최상단 암의 선단에 회전 가능하게 연결된다. 복수의 암 각각에는 감속기가 구비되는데, 감속기의 출력측 고정부의 선택을 통해 복수의 암 각각의 회전 방향을 결정할 수 있다.

이와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 수평 다관절 로봇의 바람직한 실시예를 도 4와 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 먼저 도 4는 본 발명에 따른 수평 다관절 로봇의 측단면도이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 모터(402)의 회전력이 풀리(404)와 타이밍 벨트(406)를 통해 풀리(408)에 전달된다. 풀리(408)의 회전력은 베이스 회전축(440)을 통해 감속기(410)와 풀리(412)에 전달된다. 감속기(410)는 1축 암(434)에 고정 설치된다. 따라서 모터(402)의 회전 속도는 감속기(410)에 의해 감속되어 1축 암(434)에 전달되고, 1축 암(434)은 감속된 속도로 회전하게 된다.

베이스 회전축(440)을 통해 서로 연결되는 두 개의 풀리(408, 412)의 크기는 동일하다. 따라서 풀리(408)의 회전력이 타이밍 벨트(414)를 통해 다단 풀리(416)에 그대로 전달된다. 풀리(408)의 회전력은 다단 풀리(416)의 상부 쪽 풀리(416a)에 그대로 전달되지만, 하부 쪽 풀리(416b)와 타이밍 벨트(420)를 통해 풀리(422)에 전달되면서 속도가 증가한다.

풀리(422)의 회전력은 감속기(426)를 통해 전달되어 2축 암(436)을 회전시키는데, 이 때문에 2축 암(436)은 감속기(426)에 의해 감속된 속도로 회전하게 된다. 풀리(422)의 회전력은 풀리(424)와 타이밍 벨트(428)를 통해 2축 암(436)의 선단에 설치된 풀리(430)에 전달된다. 풀리(424)의 회전속도는 감속기(432)에 의해 감소되어 3축 암(438)에 전달된다.

본 발명에 따른 다관절 로봇에서, 3축 암(438)을 직선 운동시키기 위해서는 1축 암(434)과 2축 암(436), 3축 암(438)의 각각의 회전 속도비를 1:2:1가 되도록 하고, 2축 암(436)의 회전 방향을 1축 암(434) 및 3축 암(438)과 반대 방향이 되도록 한다. 1축 암(434)과 3축 암(438)에서, 감속기(426, 430)의 플렉 스플라인을 출력단으로 사용하고 2축 암(436)은 서큘러 스플라인을 출력단으로 사용하여 2축 암(436)의 회전 방향이 1축 암(434) 및 3축 암(438)의 회전 방향과 반대가 되도록 한다.

또한 1축 암(434) 내지 3축 암(438) 각각에 구비되는 감속기(412, 426, 430)의 입력축의 중앙에 형성되어 있는 빈 공간을 통해 전원선 및 신호선을 배치하면 회전운동 구조의 케이블링 구조를 보다 간편하고 신뢰성있게 구성할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 수평 다관절 로봇의 분해 사시도이다.

기존의 다관절 로봇에서는 각 암의 길이가 길어짐에 따라 벨트의 탄성에 의한 변형량이 암 선단의 좌우 방향의 움직임에 미치는 영향이 컸는데, 본 발명에 따른 다관절 로봇에서는 타이밍 벨트를 각 감속기의 입력단에 연결하여 감속기의 감속비만큼 변형량이 감소하도록 함으로써 타이밍 벨트의 탄성에 의한 변형량이 암 선단의 좌우 방향의 움직임에 미치는 영향이 최소화되도록 하였다.

뿐만 아니라 다관절 로봇의 직선 운동을 구현하기 위해서는 1축 암(434) 및 3축 암(438)의 회전 방향과 2축 암(436)의 회전 방향을 반대로 해주어야 하는데 하모닉 드라이브를 감속기로 사용하고, 감속기의 출력단을 플렉 스플라인과 서큘러 스플라인으로 분리하여 사용함으로써 별도의 부가장치 없이 2축 암(436)의 회전 방향을 1축 암(434) 및 3축 암(438)의 회전 방향과 반대가 되도록 할 수 있다.

본 발명에 따른 수평 다관절 로봇은 타이밍 벨트를 각 감속기의 입력단에 연결하여 감속기의 감속비만큼 변형량이 감소하도록 함으로써 타이밍 벨트의 탄성에 의한 변형량이 암 선단의 좌우 방향의 움직임에 미치는 영향을 최소화한다. 또한 하모닉 드라이브를 감속기로 사용하고, 감속기의 출력단을 플렉 스플라인과 서큘러 스플라인으로 분리하여 사용함으로써 별도의 부가장치 없이 각 축 암의 회전 방향이 서로 반대가 되도록 한다.

도 1은 종래의 수평 다관절 로봇의 사시도.

도 2는 종래의 수평 다관절 로봇의 측단면도.

도 3은 종래의 수평 다관절 로봇의 직선 운동 상태를 나타낸 도면.

도 4는 본 발명에 따른 수평 다관절 로봇의 측단면도.

도 5는 본 발명에 따른 수평 다관절 로봇의 분해 사시도.

Claims

적어도 세 개의 암이 회전 가능하게 차례로 연결되며, 상기 적어도 세 개의 암 가운데 최상단 암의 선단에 핸드가 회전 가능하게 연결되어 이루어지는 다관절 로봇에 있어서,

상기 적어도 세 개의 암 각각의 회전축마다 감속기가 구비되고;

상기 적어도 세 개의 암 가운데, 홀수 번째 암에서는 감속기의 플렉 스플라인을 출력단으로 사용하고 짝수 번째 암에서는 감속기의 서큘러 스플라인을 출력단으로 사용하여 상기 적어도 세 개의 암 각각의 회전 방향이 서로 엇갈려서 반대 방향으로 결정되어 상기 핸드의 직선 운동이 이루어지는 다관절 로봇.
제 1 항에 있어서,

상기 적어도 세 개의 암 각각의 회전비가 1:2:1인 다관절 로봇.
제 1 항에 있어서,

상기 복수의 암 가운데 어느 하나의 암에 다단 풀리를 사용하여 회전력이 전달되도록 이루어지는 다관절 로봇.
제 1 항에 있어서,

상기 복수의 암 각각에 구비되는 감속기의 입력축 중앙에 형성되는 빈 공간을 통해 전원선 및 신호선이 배치되어 이루어지는 다관절 로봇.
제 1 항에 있어서,

상기 암 및 핸드를 회전 구동하기 위한 회전 구동원이 상기 베이스부에 수납되는 것이 특징인 다관절 로봇.