KR101352388B1

KR101352388B1 - 분리형 엑츄에이터

Info

Publication number: KR101352388B1
Application number: KR1020110110070A
Authority: KR
Inventors: 김병수; 이정호
Original assignee: (주)로보티즈
Priority date: 2011-10-26
Filing date: 2011-10-26
Publication date: 2014-01-16
Also published as: WO2013062376A2; WO2013062376A3; US9581220B2; JP5856686B2; US20140298939A1; JP2015504010A; KR20130045693A

Abstract

본 발명은 분리형 엑츄에이터에 관한 것으로, 로봇의 관절 운동을 제어하는 엑츄에이터에 있어서; 상기 엑츄에이터는 모듈로 조합구성되되, 상기 모듈은 동력원인 구동모터, 구동모터를 제어하고 2차 출력축의 위치를 피드백받아 제어정보로 활용하도록 PCB 형태로 구비된 회로부, 기어결합 방식으로 구성되어 구동모터의 출력을 1차 감속하는 1차 감속기를 구비한 1차 감속모듈; 1차 감속모듈의 감속 출력을 전달받아 2차 감속시키도록 2차 감속기를 포함하되, 상기 2차 감속기는 인볼루트 치형의 기어식 감속기, 전동식(轉動式) 감속기, 하모닉 드라이브 감속기, 싸이클로이드 감속기 중 어느 하나로 이루어지고, 2차 출력축의 위치를 검출하여 피드백시키도록 마그네틱 절대 엔코더, 포텐셔미터, 광학식 회전 절대 엔코더 중 어느 하나의 위치검출수단을 구비하며, 1차 감속모듈에 기어 결합되는 2차 감속모듈;로 이루어지고, 1차 감속모듈과 2차 감속모듈 각각의 적어도 일측면에는 일정간격을 갖는 볼트공이 사각형상을 이루어 단위격자를 구성하고, 이들 볼트공은 단위격자의 배수로 다수 구비되어 1,2차 감속모듈의 확장성을 높인 것을 특징으로 하는 분리형 엑츄에이터를 제공한다.
본 발명에 따르면, 엑츄에이터를 구성하는 1차 감속기와 2차 감속기를 각각 모듈화시킴으로써 기어 타입 및 기어비에 따라 시리즈화가 가능하고, 사용자의 요구 조건에 유연하게 대응할 수 있어 확장성 및 호환성이 뛰어나며, 높은 자유도와 감속비 가변이 가능한 효과를 얻을 수 있다.

Description

분리형 엑츄에이터{SEPARABLE ACTUATOR}

본 발명은 분리형 엑츄에이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 로봇의 관절에 적용되어 동작을 원활하게 유도하는 엑추에이터 모듈로서, 2차 감속부를 다양한 형태로 규격화하여 분리형으로 제작함으로써 관절의 형태에 따라 다양한 조합으로 효율적이고 고정밀도로 제어할 수 있도록 개선된 분리형 엑츄에이터에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, 산업용 로봇에서부터 휴머노이드 로봇에 이르기까지 다양한 분야에서 사용되는 로봇에는 관절의 유연한 운동을 위하여 감속기능을 갖는 엑츄에이터를 사용하고 있다.

특히, 최근 급격히 발전하고 있는 로봇공학 기술은 기존에 산업용으로만 활용되던 로봇공학 메커니즘들이 타 산업분야로까지 접목되어 기술의 융복합이 진행되고 있는데, 이를 테면 가정용 청소로봇, 프로그래밍 교육용 로봇, 완구용 로봇, 엔터테이먼트용 로봇 등의 개발과 생산을 들 수 있다.

이러한 로봇 기술에서 구동과 관계된 엑츄에이터는 매우 중요한 핵심 부품이며, 더 나아가 엑츄에이터를 구성하는 주된 구성으로 감속기를 들 수 있다.

이와 같은 감속기와 관련된 선행기술로는 등록실용 제0325018호 '인벌류트 기어를 이용한 싸이클로이드 감속기', 공개특허 제2010-0038146호 '로터리 감속기', 공개특허 제2011-0068500호 '다축 싸이클로이드 감속기' 등이 개시되어 있다.

그런데, 개시된 선행 기술들 뿐만 아니라 당해 분야에 속한 감속기의 경우, 대부분 1차 감속기와 2차 감속기가 하나의 몸체 안에 구성된 구조이기 때문에 감속기의 사이즈가 커질 수 밖에 없고, 사용자가 조절할 수 있는 자유도가 떨어지는 단점이 있다.

뿐만 아니라, 감속비의 경우도 정해진 것(고정형)을 사용할 수 밖에 없어 사용자의 요구조건(중심거리, 기어타입, 기어비 등)을 유연하게 바꿀 수 없는 한계를 가지고 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 엑츄에이터를 1차 감속기와 2차 감속기를 모듈화시켜 유연한 결합이 가능하게 함으로써 높은 자유도, 확장성, 호환성을 갖추고, 이를 통해 사용자의 목적에 맞도록 각종 어플리케이션을 보다 자유롭게 구성, 변화시킬 수 있도록 한 분리형 엑츄에이터를 제공함에 그 주된 목적이 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 로봇의 관절 운동을 제어하는 엑츄에이터에 있어서; 상기 엑츄에이터는 모듈로 조합구성되되, 상기 모듈은 동력원인 구동모터, 구동모터를 제어하고 2차 출력축의 위치를 피드백받아 제어정보로 활용하도록 PCB 형태로 구비된 회로부, 기어결합 방식으로 구성되어 구동모터의 출력을 1차 감속하는 1차 감속기를 구비한 1차 감속모듈; 1차 감속모듈의 감속 출력을 전달받아 2차 감속시키도록 2차 감속기를 포함하되, 상기 2차 감속기는 인볼루트 치형의 기어식 감속기, 전동식(轉動式) 감속기, 하모닉 드라이브 감속기, 싸이클로이드 감속기 중 어느 하나로 이루어지고, 2차 출력축의 위치를 검출하여 피드백시키도록 마그네틱 절대 엔코더, 포텐셔미터, 광학식 회전 절대 엔코더 중 어느 하나의 위치검출수단을 구비하며, 1차 감속모듈에 기어 결합되는 2차 감속모듈;로 이루어지고, 1차 감속모듈과 2차 감속모듈 각각의 적어도 일측면에는 일정간격을 갖는 볼트공이 사각형상을 이루어 단위격자를 구성하고, 이들 볼트공은 단위격자의 배수로 다수 구비되어 1,2차 감속모듈의 확장성을 높인 것을 특징으로 하는 분리형 엑츄에이터를 제공한다.

이때, 상기 1차 감속모듈과 2차 감속모듈이 결합되는 결합면에는 초기 결합을 원활하게 안내하는 위치결정핀이 더 구비된 것에도 그 특징이 있다.

또한, 상기 1차 감속모듈의 출력축과 2차 감속모듈의 입력축은 서로 평기어 결합되어 중간감속이 한번 더 일어나게 결합되고, 상기 2차 감속모듈에 구비된 출력부재는 반경방향으로 다수의 볼트공이 형성된 원형 플랜지 형태인 것에도 그 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 엑츄에이터를 구성하는 1차 감속기와 2차 감속기를 각각 모듈화시킴으로써 기어 타입 및 기어비에 따라 시리즈화가 가능하고, 사용자의 요구 조건에 유연하게 대응할 수 있어 확장성 및 호환성이 뛰어나며, 높은 자유도와 감속비 가변이 가능한 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 분리형 엑츄에이터의 예시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 분리형 엑츄에이터중 1차 감속모듈을 보인 예시도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 분리형 엑츄에이터의 조합예를 보인 예시도이다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명 일 실시예에 따른 엑츄에이터는 1차 감속기와 2차 감속기를 각각 모듈화시켜 이들의 조합을 통해 다양한 감속비 및 자유도를 구현할 수 있도록 각각 1차 감속모듈과 2차 감속모듈로 구성한 것에 특징이 있으며, 이들의 조합을 용이하게 하도록 규격화된 격자형으로 구현한 것에도 그 특징이 있다.

즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 분리형 엑츄에이터는 1차 감속모듈(100)과 2차 감속모듈(200)로 구성된다.

여기에서, 본 발명에 따른 가장 바람직한 실시예는 1차 감속모듈(100)은 공통으로 활용하고, 2차 감속모듈(200)을 다양한 감속비를 갖도록 다수로 구성하여 다양한 감속비와 자유도를 구현할 수 있도록 구성하는 것이고, 더 나아가서는 상기 1차 감속모듈(100)도 다수개로 구현하게 되면 기하급수적으로 늘어나는 조합수를 갖게 되어 감속비와 자유도를 매우 다양하게 가변시킬 수 있게 된다.

다만, 본 발명에서는 가장 바람직한 실시예인 1차 감속모듈(100)을 공통으로 활용하는 경우만 예시적으로 설명하기로 한다.

아울러, 2차 감속모듈(200)은 당해 분야에서 통상적으로 가장 많이 사용하고 있는 기어식 감속기, 주로 인볼루트 치형(Involute Tooth Form)을 사용하는 감속기와; 에피싸이클로이드 곡선(Epicycloid Curve)과 하이포 싸이클로이드 곡선(Hypocycloid Curve)이 마주보는 형상의 안내홈 내를 볼이 전동(轉動)하여 감속회전을 실행시키도록 한 전동식 감속기와; 타원형으로 된 웨이브 제네레이터 뭉치가 회전하면 타원형으로 쓸려 돌아가는 베어링에 의해 타원운동 부분만 플렉스플라인으로 전달되고 플렉스플라인은 천천히 맨 바깥쪽 링기어를 한칸씩 건너 뛰면서 회전하여 감속을 유도하는 하모닉 드라이브 감속기와; 핀기어 고정하고 유성기어로서 에피트로코이드 치형을 갖는 판기어를 편심회전시켜 감속비를 얻는 싸이클로이드 감속기 등이 사용될 수 있으며, 그 이외에도 이들의 조합으로 이루어진 변형된 감속기도 사용될 수 있음은 물론이다.

특히, 1차 감속모듈(100)은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 1차 감속모듈(100) 자체에서 입력인 구동모터(120)의 동력을 기어비를 통해 1차 감속할 수 있도록 구성된다.

이를 위해, 1차 감속모듈(100)은 모듈하우징(110)과, 상기 모듈하우징(110)에 내장되는 구동모터(120)와, 1차 감속모듈(100)의 전원공급 및 차단, 통신과 관련된 제어를 수행하는 메인PCB(130)와, 출력축의 위치를 피드백 받아 구동모터(120)의 구동을 제어하는 서브PCB(140)와, 구동모터(120)의 회전축에 고정된 구동기어(150)와, 구동기어(150)에 치결합되어 1차 감속을 유도하는 종동기어(160)와, 종동기어(160)에 일체로 형성되고 2차 감속모듈(200)로 동력을 전달하는 전달기어(170)로 구성된다.

이 경우, 감속부를 구현하는 상기 구동기어(150)와 종동기어(160)는 스퍼기어 타입 혹은 하모닉기어 타입 및 이들을 조합한 형태 모두 사용할 수 있다.

이때, 스퍼기어 타입은 통상적인 평기어 타입으로 이해하면 되고, 하모닉기어 타입은 다른 기어 타입과 다르게 백래쉬(Backlash)가 거의 없는 공지된 기어 타입으로서 정밀 제어가 요구되는 로봇에 적용함이 바람직하다.

덧붙여, 본 발명에서는 1차 감속모듈(100)의 출력축과 2차 감속모듈(200)의 입력축이 기어 결합, 바람직하기로는 평기어 결합되는 형태로 연결접속되기 때문에 1차 감속모듈(100)에 구비된 1차 감속기(구동기어+종동기어)에 의한 1차 감속기능과, 2차 감속모듈(200)에 구비된 2차 감속기에 의한 2차 감속기능 외에, 1차 감속모듈(100)과 2차 감속모듈(200)의 연결부에서의 감속기능(평기어 결합), 즉 중간감속이 더 수행되므로 감속효율이 더욱 더 증진되게 된다.

뿐만 아니라, 2차 감속모듈(200)에는 도시하지 않았지만 2차 출력축의 위치를 검출하여 상기 PCB로 피드백시키도록 마그네틱 절대 엔코더, 포텐셔미터, 광학식 회전 절대 엔코더 등과 같은 위치검출수단이 더 구비된다.

한편, 도 1에서와 같이, 본 발명에 따른 엑츄에이터 감속모듈은 1차 감속모듈(100)과 2차 감속모듈(200)의 결합을 위해 각각 1차 감속모듈(100)의 결합면에는 탭(Tab)이 형성된 다수, 바람직하게는 사각을 이루는 4개의 결합공(180)이 형성되고, 2차 감속모듈(200)의 결함면에도 탭이 형성된 다수개의 결합구멍(210)이 형성된다.

뿐만 아니라, 확장성을 높이도록 상기 1,2차 감속모듈(100,200)의 적어도 일측면에는 단위격자의 배수로 형성되는 다수의 단위격자형 볼트공(182)이 형성된다.

상기 단위격자형 볼트공(182)은 적어도 4개의 볼트공이 일정간격을 두고 대략 사각형상을 이루도록 배치되어 기본격자인 단위격자를 이루고, 이 단위격자를 기본으로 그 배수만큼씩 다수의 다른 볼트공들이 형성되는 구조를 갖는다.

바꾸어 말하자면, 단위격자가 다수 반복형성된 구조를 갖게 되며, 이를 통해 크기가 다른 1차 감속모듈 다수개를 서로 연결하여 볼륨을 키우기 쉽도록, 다시 말해 확장성을 높일 수 있게 된다.

따라서, 사용자가 용도에 따라 엑츄에이터 모듈의 크기(볼륨)을 단위격자에 비례하여 키우거나 줄일 수 있다.

결국, 본 발명은 이러한 모듈들이 단위격자의 배수로 모듈화되어 있기 때문에 다양한 볼륨을 갖도록 사용자가 임의로 가변시킬 수 있는 장점을 가진다.

특히, 도 1의 예시와 같이 1,2차 모듈(100,200)의 결합면 중 임의의 위치에 위치결정핀(190)을 더 구비하게 되면 조립시 신속하면서 원활하고 더 정확한 조립을 아주 짧은 시간내에 달성할 수 있으므로 매우 유리하다 하겠다.

뿐만 아니라, 2차 감속모듈(200)에 구비되는 출력부재(220)는 감속된 동력을 출력하는 부재로서, 기존에는 보통 샤프트(Shaft) 형태로 이루어져 있었기 때문에 감속된 동력을 사용하기 위해서는 샤프트에 커플링을 연결하거나 혹은 키결합하는 형태로 조립해야 했기 때문에 매우 불편하였지만, 본 발명에서는 이를 원형 플랜지 타입으로 바꾸고, 플랜지면에 다수의 볼트공(도면번호 생략)을 형성하여 필요 위치에 단순히 볼트만 조이면 감속된 동력을 사용할 수 있게 하여 주므로 사용상 편의성이 더욱 더 증진된다.

이와 같은 개념을 토대로 도 3과 같은 엑츄에이터 모듈을 구현할 수 있다.

예컨대, 도 3의 경우는 일반형으로 1차 감속모듈(100)과 2차 감속모듈(200)이 조립되었을 때 동력을 주는 입력축과 출력축이 평행하게 유지되는 형태를 보여 준다.

다른 예로, 도 4와 같은 엑츄에이터 모듈도 구현할 수 있다.

도 4의 경우는 직교형으로 1차 감속모듈(100)과 2차 감속모듈(200)이 조립되었을 때 동력을 주는 입력축과 출력축이 서로 직교되게 유지되는 형태를 보여 준다.

이상에서와 같이, 본 발명에 따른 엑츄에이터 모듈은 1차 감속모듈(100)을 통해 1차 감속기능을 수행하면서 또한 2차 감속모듈(200)을 통해 2차 감속도 연속적으로 수행할 수 있어 보다 정교하고 정밀한 제어를 요하는 분야에 활용될 수 있으며, 나아가 규격을 갖는 모듈로 이루어져 있기 때문에 엑츄에이터의 확장과 축소가 자유롭고, 사용자의 환경에 따라 원하는 감속비를 갖도록 교체 조합이 가능하여 사용자의 자유도를 극대화시키는 장점을 갖는다.

100 : 1차 감속모듈 110 : 모듈하우징
120 : 구동모터 130 : 메인PCB
140 : 서브PCB 150 : 구동기어
160 : 종동기어 170 : 전달기어
180 : 결합공 190 : 위치결정핀
200 : 2차 감속모듈 210 : 결합구멍
220 : 출력부재

Claims

로봇의 관절 운동을 제어하며, 1차 감속모듈 및 상기 1차 감속모듈과 맞물려 동력을 전달받아 출력하는 2차 감속모듈을 구비하는 액츄에이터에 있어서,
상기 1차 감속모듈은 동력원인 구동모터, 상기 2차 감속모듈의 출력을 피드백하여 상기 구동모터를 제어하는 인쇄회로기판, 상기 구동모터에 의해 회전하는 복수의 1차 감속기어들, 그리고 상기 구동모터 및 상기 인쇄회로기판, 그리고 상기 1차 감속기어들이 실장되고 개방된 출력측을 가지는 모듈하우징을 구비하며,
상기 2차 감속모듈은 상기 1차 감속기어들 중 어느 하나에 맞물려 회전하는 복수의 2차 감속기어들, 상기 2차 감속기어들이 실장되어 상기 모듈하우징에 체결되어 상기 모듈하우징으로부터 착탈가능하고 개방된 입력측을 가지는 케이스, 상기 케이스의 일측에 설치되어 상기 2차 감속기어에 의해 상기 출력을 발생하는 출력부재, 그리고 상기 출력을 감지하는 위치검출기를 구비하되,
상기 1차 감속기어들은 상기 구동모터의 회전축에 고정된 구동기어 및 상기 구동기어에 맞물리는 종동기어, 그리고 상기 종동기어와 동일한 축 상에 설치되어 상기 종동기어와 함께 회전하며 상기 출력측을 통해 노출되는 전달기어를 구비하고,
상기 2차 감속기어들은 상기 입력측에 위치하여 상기 입력측을 통해 노출되고 상기 전달기어에 맞물려 회전하는 입력기어를 구비하며,
상기 모듈하우징의 출력측 및 상기 케이스의 입력측은 서로 대향되어 동일한 테두리를 가지고 체결되고, 체결시 위치결정핀의 일측 및 타측이 각각 삽입되는 위치결정홈을 가지며,
상기 출력부재는 상기 케이스의 입력측과 나란하거나 수직한 상기 케이스의 일면에 설치되고 상기 출력부재의 출력축은 상기 일면의 중심에 배치되는, 분리형 액츄에이터.
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삭제
제1항에 있어서,
상기 모듈하우징 및 상기 케이스는 동일 평면 상에 위치하는 일면에 형성되어 기설정된 간격을 따라 상기 모듈하우징의 길이방향 및 상기 길이방향과 수직한 방향으로 배치되어 단위격자를 이루는 복수의 볼트공들을 각각 가지는, 분리형 액츄에이터.