KR101272655B1 - 로봇의 서보 모듈 - Google Patents

로봇의 서보 모듈 Download PDF

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Abstract

허용하기 어려울 정도의 큰 외력이 인가되더라도 최종단 기어축의 제자리 원복이 가능하도록 한 로봇의 서보 모듈을 제시한다. 제시된 로봇의 서보 모듈은 출력축의 최종단 기어에 연결된 감속 기어군을 포함하는 로봇의 서보 모듈에서, 감속 기어군은 하우징의 내부에 설치된다. 감속 기어군은 최종단 기어와 모터로부터의 구동력이 입력되는 입력단 기어의 사이에 설치된 클러치 동작용 슬립 기어를 포함한다. 최종단 기어는 외부로의 힘이 출력축에 직접 인가됨에 따라 출력축과 함께 회전한다. 클러치 기능이 동작할 때 최종단 기어가 회동을 하기 때문에 최종단 기어에서의 위치 변화를 인식할 수 있다. 그에 따라, 외력이 사라질 때 최종단 기어의 제자리 원복 기능을 구현할 수 있게 된다.

Description

로봇의 서보 모듈{Servo module of robot}
본 발명은 로봇의 서보 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 로봇에서 클러치 기능을 구비한 서보 모듈에 관한 것이다.
통상적으로, 로봇은 마이컴 등에 기록한 데이터 또는 원격적으로 송신되어 온 명령에 기초하여 소정의 동작을 실시한다.
이러한 로봇은 모터를 구동원으로 하는 다수의 액츄에이터를 소정의 형태로 결합하여 소기의 목적이 달성되도록 서보 모듈(또는 서보 메카니즘, 서보 액츄에이터 등으로 불리움)을 갖추고 있다.
종래 RC 서보 모듈 또는 로봇의 서보 모듈은 서보 모듈의 토크와 속도를 최대한 유실없이 전달하기 위해서 노력해왔다. 외부에서 큰 힘이 인가될 경우 종단 기어 또는 종단 기어와 연결되는 힘전달 파트(혼 포함) 또는 내부 기어에서 파손이 발생된다.
어느 제품이든 높은 곳에서 떨어지거나 큰 힘이 인가될 때, 취약 부위가 파손되기 때문에 제품 보호 차원에서는 제품이 견딜 수 없는 큰 힘이 인가될 경우 적절하게 흘려주는 기능이 필요하다. 그리하지 않으면, 외부에서 큰 힘이 인가될 경우 서보 모듈의 종단 기어 또는 종단 기어와 연결되는 힘전달 파트(혼 포함) 또는 내부 기어가 파손된다.
도 1은 클러치 기능을 갖춘 종래 로봇용 연결부재의 결합 기구를 도시한 분해 사시도이다.
서보 장치의 출력축(11)의 표면에는 회전력을 전달하기 위해 요철로 새겨진 세레이션(serration)(11a)이 형성되고, 중심부에는 고정 나사가 압입되는 암나사 구멍(11b)이 뚫려 있다. 도면부호 '12'는 이 출력축(11)에 끼워 맞춰지는 결합부재이고, 통상 서보혼(이하, '서보혼(12)'이라고 함)이라고 불리우고 있다.
서보혼(12)은 출력축(11)과 액츄에이터가 되는 연결부재(13)를 결합하기 위해 설치된 것이며, 통상은 중심부의 개구(12a)에 상기 세레이션(11a)에 슬라이딩 접촉되는 홈이 형성된 원반형상의 합성수지재에 의해 성형된 것이지만, 서보 장치의 사용 양태에 따라서는 여러 가지 형태를 취할 수 있다. 서보혼(12)에는 중심부에 개구(12a)가 설치되고, 접합면이 되는 표면에는 도면에 도시되어 있는 바와 같이 머리부가 원형으로 되어 있는 볼록부(12b)가 원주형상으로 형성되어 있다. 볼록부(12b)는 연결부재(13)에 형성되어 있는 오목부(도시 생략)와 맞붙이는 위치에 원주형상으로 설치되어 있다. 볼록부(12b)와 그에 대응되게 위치한 오목부(도시 생략)에 의해 클러치 기능을 수행하게 된다.
연결부재(13)는 회전축이 되는 부분에 개구(13a)를 갖는다. 개구(13a)의 주변에 단차(13c)를 설치함으로써 와셔(14)가 압입된다. 연결부재(13)는 프레임 또는 아암이라고도 불리우는 경우도 있다. 그리고, 연결부재(13)의 도시되지 않은 선단 부분이 작동부가 되어 여러 가지 동작을 달성할 수 있도록 되어 있다.
종래의 로봇용 연결부재의 결합 기구는 상기에 예시한 바와 같은 구성을 갖고 있으므로, 출력축(11)에 대해 서보혼(12)를 삽입하고, 서보혼(12)에 대해 연결부재(13)를 중첩하여 와셔(14)를 통해 고정 나사(15)로 서보장치(10)의 출력축(11)에 조여 고정한다.
평상시 출력축(11)이 회동하면 그 회전력이 서보혼(12)과 연결부재(13)의 접합면에서 맞붙인 볼록부(12b)와 오목부(도시 생략)를 통해 연결부재(13)에 전달되고, 연결부재(13)가 팔 부분이 되는 경우는 팔을 전후 방향으로 흔드는 동작이 실시된다.
이와 같이 클러치 기능을 갖춘 종래의 서보 모듈은 위치 측정을 하는 부위(예컨대, 엔코더)가 서보 모듈내의 최종단 기어(즉, 출력축(11))와 연결되어 있다.
그런데, 허용할 수 없을 정도의 큰 힘이 연결부재(13)에게로 인가되면 서보혼(12)은 그대로 있고 연결부재(13)만 회전하게 된다.
즉, 최종단 기어축이 되는 출력축(11)은 회전하지 않고 연결부재(13)만 회전하기 때문에, 종단축의 위치가 변경되었음에 불구하고 최종단 기어축에 연결된 엔코더에서는 그러한 사실을 모르게 된다. 이에 의해, 최종단 기어의 제자리 원복 기능이 구현되지 않는다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 허용하기 어려울 정도의 큰 외력이 인가되더라도 최종단 기어축의 제자리 원복이 가능하도록 한 로봇의 서보 모듈을 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시양태에 따른 로봇의 서보 모듈은, 출력축의 최종단 기어에 연결된 감속 기어군을 포함하는 로봇의 서보 모듈에 있어서,
감속 기어군은 하우징의 내부에 설치되고, 감속 기어군은 최종단 기어와 모터로부터의 구동력이 입력되는 입력단 기어의 사이에 설치된 클러치 동작용 슬립 기어를 포함하고, 최종단 기어는 외부로의 힘이 출력축에 직접 인가됨에 따라 출력축과 함께 회전하는 것을 특징으로 한다.
슬립 기어는 최종단 기어에 직접 치합된다.
슬립 기어는 감속 기어군의 감속 기어와 치합된 제 1슬립 부재, 및 제 1슬립 부재와 함께 회전가능하게 제 1슬립 부재에 수납되고 최종단 기어와 치합된 제 2슬립 부재를 포함한다.
바람직하게, 소정치 이상의 외부의 힘이 인가되면 제 1슬립 부재를 제외하고 최종단 기어 및 제 2슬립 부재가 회전한다.
이러한 구성의 본 발명에 따르면, 클러치 기능이 동작할 때 최종단 기어가 회동을 하기 때문에 최종단 기어에서의 위치 변화를 인식할 수 있다. 그에 따라, 외력이 사라질 때 최종단 기어의 제자리 원복 기능을 구현할 수 있게 된다.
도 1은 종래 클러치 기능을 내장한 로봇용 연결부재의 결합 기구를 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 로봇의 서보 모듈의 구성을 나타내는 분해 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 기어들을 조립할 때의 단면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 슬립 기어의 구성을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 로봇의 서보 모듈에 대하여 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니된다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 로봇의 서보 모듈의 구성을 나타내는 분해 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 기어들을 조립할 때의 단면도이다. 이하의 설명에서 도 1의 구성요소와 동일한 구성요소에 대해서는 참조부호를 동일하게 부여하면서 그에 대한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예에 따른 로봇의 서보 모듈의 각 구성요소는 거의 직방체가 된 하우징(10)의 내부에 설치된다. 하우징(10)은 커버 역할을 하는 제 1하우징(40) 및 감속 기어군(46, 48)과 모터(52) 등을 수납하기 위한 제 2하우징(42)으로 구성된다.
본 발명의 실시예에 따른 로봇의 서보 모듈은 출력축(최종단 기어축이라고도 함)(41)의 최종단 기어(44)에 연결된 감속 기어군을 포함한다. 출력축(41)의 일측 선단부는 제 1하우징(40)의 외부로 돌출된다. 출력축(41)의 타측 선단부는 제 2하우징(42)에 연결된다. 도면에는 도시하지 않았지만, 엔코더(포텐셜미터라고도 함)가 출력축(41)의 회전 각도를 검출하기 위해 출력축(41)과 결합된다. 출력축(41)에는 베어링(45)이 끼워진다. 바람직하게는 베어링(45)은 최종단 기어(44)의 이빨(44a)을 사이에 두고 최종단 기어(44)의 양측면에 밀착되게 끼워진다.
감속 기어군은 최종단 기어(44)와 모터(52)로부터의 구동력이 입력되는 입력단 기어(50) 사이에 설치된 슬립 기어(46)를 포함한다. 슬립 기어(46)는 축(47)에 의해 지지된다. 여기서, 슬립 기어(46)는 제품에 허용할 수 없는 정도의 큰 힘이 인가될 경우에 외력을 흘려보내는 클러치 기능을 수행한다.
슬립 기어(46)의 제 1외주연에 형성된 톱니 모양의 이빨(46a)은 최종단 기어(44)의 외주연에 형성된 이빨(44a)에 직접적으로 치합된다. 즉, 슬립 기어(46)의 이빨(46a)과 최종단 기어(44)의 이빨(44a)은 서로 맞물려 있다. 그에 따라, 클러치 기능이 동작하더라도 최종단 기어(44)가 회동하게 된다. 이는 최종단 기어(44)에 연결된 엔코더(도시 생략)가 최종단 기어(44)의 위치 변화를 인식할 수 있게 해 준다. 이에, 엔코더(도시 생략)는 외력이 사라진 이후에 해당 최종단 기어(44)의 회전 각도를 구동계의 회로(도시 생략)에 피드백한다. 구동계의 회로에 의해 최종단 기어(44)는 제자리 원복이 이루어진다. 여기서, 엔코더 및 구동계의 회로는 동종업계에 종사하는 자라면 누구라도 쉽게 이해할 수 있는 통상적인 것이어서 도시하지 않았다.
슬립 기어(46)의 제 2외주연에 형성된 톱니 모양의 이빨(46b)은 감속 기어(48)의 이빨(48a)과 서로 맞물려 있다.
감속 기어(48)는 입력단 기어(50)와도 치합된다. 즉, 감속 기어(48)의 이빨(48b)은 입력단 기어(50)의 이빨(50a)과 서로 맞물려 있다. 다시 말해서, 감속 기어(48)는 모터(52)의 축에 연결된 입력단 기어(50)와 슬립 기어(46)의 사이에 설치된다. 감속 기어(48)는 축(49)에 의해 지지된다. 입력단 기어(50)는 축(51)에 의해 지지된다.
본 발명의 실시예 설명에서는 감속 기어군을 슬립 기어(46) 및 감속 기어(48)로 한정하였으나, 감속 기어(48) 이외의 또 다른 감속 기어를 감속 기어군에 추가로 배치하여도 된다. 한편, 필요에 따라서는 슬립 기어(46)와 감속 기어(48) 및 입력단 기어(50)를 감속 기어군으로 통칭할 수도 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 최종단 기어(44)의 바로 이전에 위치한 슬립 기어(46)에 의해 클러치 기능을 수행한다. 그리고, 클러치 기능이 동작할 때 최종단 기어(44)가 회전하므로 최종단 기어(44)에 연결된 엔코더(도시 생략)가 최종단 기어(44)의 위치 변화를 인식한다. 엔코더는 외력이 사라진 이후에 최종단 기어(44)의 회전 각도를 구동계의 회로(도시 생략)에 피드백시킴으로써 최종단 기어(44)에 대한 제자리 원복을 가능하게 한다.
도 4는 도 2에 도시된 슬립 기어의 구성을 나타낸 도면이다. 도 4의 슬립 기어(46)는 클러치 기능을 수행할 수 있는 구조중의 일 예이다. 도 4의 (a)는 분해도이고, 도 4의 (b)는 조립도인 것으로 이해하면 된다.
슬립 기어(46)는 제 1슬립 부재(60)와 제 2슬립 부재(62)를 포함한다.
제 1슬립 부재(60)는 소정 두께의 원 형상으로 이루어진다. 제 1슬립 부재(60)는 제 2슬립 부재(62)를 수납할 수 있는 수납공간을 갖춘다. 제 1슬립 부재(60)의 중앙부에는 축(47)이 삽입되는 구멍(60a)이 형성된다. 제 1슬립 부재(60)의 외주연(즉, 슬립 기어(46)의 제 2외주연)에는 톱니 모양의 다수의 이빨(46b)이 등간격으로 형성된다. 제 1슬립 부재(60)의 이빨(46b)은 감속 기어(48)의 이빨(48a)과 치합된다. 또한, 제 1슬립 부재(60)의 수납공간의 가장자리를 따라서는 다수의 오목부(60b)가 등간격으로 형성된다.
제 2슬립 부재(62)는 제 1슬립 부재(60)의 수납공간에서 회전가능하게 수납된다. 제 2슬립 부재(62)는 철(凸) 형상으로 이루어진다. 즉, 제 2슬립 부재(62)는 서로 상이한 2개의 직경을 갖는 것으로 이해하면 된다. 제 2슬립 부재(62)에서 보다 큰 직경을 갖는 부위의 외주연에는 소정 개수의 볼록부(62a)가 상호 대응되는 위치에 형성된다. 볼록부(62a)는 제 1슬립 부재(60)에 형성된 오목부(60b)와 접촉한다. 제 2슬립 부재(62)의 중앙에는 축(47)이 삽입되는 구멍(62b)이 형성된다. 제 2슬립 부재(62)에서 보다 작은 직경을 갖는 부위의 외주연(즉, 슬립 기어(46)의 제 1외주연)에는 톱니 모양의 다수의 이빨(46a)이 등간격으로 형성된다. 제 2슬립 부재(62)의 이빨(46a)은 최종단 기어(44)의 이빨(44a)과 치합된다.
바람직하게, 축(47)은 슬립 기어(46)를 양쪽에서 지지하기 위해 제 1슬립 부재(60)와 제 2슬립 부재(62)를 관통한다.
상술한 바와 같이 구성된 슬립 기어(46)는 허용가능한 정도의 힘이 외부로부터 가해질 경우에는 제 2슬립 부재(62)의 볼록부(62a)가 제 1슬립 부재(60)의 오목부(60b)에 끼워진 채로 함께 회전하게 된다. 반대로, 허용하기 어려울 정도의 큰 힘(소정치 이상의 힘)이 외부로부터 가해질 경우에는 제 2슬립 부재(62)만 회전하여 그 큰 힘이 후속의 감속 기어 등으로 전달되지 못하게 한다. 여기서, 소정치 이상의 힘은 기구적으로 미리 설정할 수 있다. 즉, 미리 설정된 소정치 이상의 힘이 인가되면 제 2슬립 부재(62)만 회전하고 소정치 이하의 힘이 인가되면 제 1슬립 부재(60)와 제 2슬립 부재(62)가 함께 회전하도록 슬립 기어(46)를 제작하면 된다.
다시 말해서, 허용할 수 없는 정도의 큰 힘이 외부로부터 인가될 경우 출력축(41)의 회전에 의해 최종단 기어(44)가 회전하게 된다. 그에 따라, 최종단 기어(44)에 직접적으로 치합된 슬립 기어(46)가 클러치 동작(클러치 기능)을 수행한다. 즉, 슬립 기어(46)의 제 1슬립 부재(60)는 회전하지 않고 제 2슬립 부재(62)만이 회전하여 그 큰 힘이 후속의 감속 기어 등으로 전달되지 못하게 한다. 이에 의해, 내부 기어 등의 파손을 방지하게 된다. 이와 더불어, 최종단 기어(44)에 연결된 엔코더(도시 생략)가 최종단 기어(44)의 위치 변화를 인식한다. 이에, 엔코더(도시 생략)는 외력이 사라진 이후에 해당 최종단 기어(44)의 회전 각도를 구동계의 회로(도시 생략)에 피드백한다. 구동계의 회로에 의해 최종단 기어(44)는 제자리 원복이 이루어진다.
한편, 본 발명은 상술한 실시예로만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있고, 그러한 수정 및 변형이 가해진 기술사상 역시 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.
40 : 제 1하우징 42 : 제 2하우징
44 : 최종단 기어 46 : 슬립 기어
48 : 감속 기어 50 : 입력단 기어
52 : 모터

Claims (4)

  1. 출력축의 최종단 기어에 연결된 감속 기어군을 포함하는 로봇의 서보 모듈에 있어서,
    하우징의 내부에 설치되는 감속기어군;
    상기 감속기어군에 포함되며, 상기 최종단 기어와 모터로부터의 구동력이 입력되는 입력단 기어의 사이에 설치되되 상기 최종단 기어에 직접 치합되도록 설치되는 클러치 동작용 슬립 기어;
    상기 출력축과 결합되며, 상기 출력축의 회전 각도를 검출하여 상기 최종단 기어의 위치변화를 인식하는 엔코더;를 포함하며,
    상기 최종단 기어는 외부 힘이 상기 출력축에 직접 인가됨에 따라 상기 출력축과 함께 회전하며, 상기 출력축의 회전 각도에 따른 상기 최종단 기어의 위치변화를 상기 엔코더가 인식하고, 상기 외부 힘이 사라진 이후에 최종단 기어의 회전 각도를 구동계의 회로에 피드백하여 최종단 기어를 원복되도록 하는 것을 특징으로 하는 로봇의 서보 모듈.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 슬립 기어는 상기 감속 기어군의 감속 기어와 치합된 제 1슬립 부재, 및 상기 제 1슬립 부재와 함께 회전가능하게 상기 제 1슬립 부재에 수납되되 상기 최종단 기어와 치합된 제 2슬립 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의 서보 모듈.
  4. 청구항 3에 있어서,
    소정치 이상의 외부의 힘이 인가되면 상기 제 1슬립 부재를 제외하고 상기 최종단 기어 및 상기 제 2슬립 부재가 회전하는 것을 특징으로 하는 로봇의 서보 모듈.
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