KR101359959B1

KR101359959B1 - 치형 브레이크를 갖는 브레이크 장치 및 그를 이용한 모터 조립체

Info

Publication number: KR101359959B1
Application number: KR1020120049863A
Authority: KR
Inventors: 김봉석; 황정훈; 박창우; 김태근
Original assignee: 전자부품연구원
Priority date: 2012-05-10
Filing date: 2012-05-10
Publication date: 2014-02-12
Also published as: KR20130126081A

Abstract

본 발명은 치형 브레이크를 갖는 브레이크 장치 및 그를 이용한 모터 조립체에 관한 것으로, 치형의 브레이크를 이용하여 비교적 정확하게 정지력을 조절하고, 브레이크 장치를 포함하는 모터 조립체를 컴팩트하게 제조하기 위한 것이다. 본 발명에 따른 브레이크 장치는 제1 브레이크와 제2 브레이크를 포함한다. 제1 브레이크는 모터의 출력축 방향으로 이동 가능하게 모터의 외측에 설치되며, 모터의 일단부를 향하는 면의 둘레에 제1 치형이 형성되어 있다. 제2 브레이크는 제1 브레이크의 제1 치형이 형성된 면과 마주보게 설치되며, 제1 브레이크의 제1 치형이 형성된 면과 마주보는 면에 제1 치형에 맞물릴 수 있는 제2 치형이 형성되어 있고, 모터의 일단부로 돌출된 모터의 출력축에 고정 설치된다. 이때 제1 브레이크가 제2 브레이크쪽으로 이동하여 제1 치형이 제2 치형에 맞물리게 결합되면 모터의 출력축에 대한 브레이킹을 수행하고, 제1 브레이크가 제2 브레이크에서 분리되면 모터의 출력축에 대한 브레이킹을 해제한다.

Description

치형 브레이크를 갖는 브레이크 장치 및 그를 이용한 모터 조립체{Break apparatus comprising toothed break plate and motor assembly using the same}

본 발명은 브레이크 장치 및 그를 이용한 모터 조립체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 치형의 브레이크를 이용하여 비교적 정확하게 정지력을 조절할 수 있는 치형 브레이크를 갖는 브레이크 장치 및 그를 이용한 모터 조립체에 관한 것이다.

브레이크 장치는 이동하는 물체의 가감속을 제어하거나, 정지 물체 또는 순간 동작하는 물체를 정지시키는 용도로 사용되고 있다.

이러한 대부분의 브레이크 장치는 마찰 방식의 브레이크 패드를 이용하여 물체에 대한 브레이킹 동작을 수행한다. 즉 브레이킹 동작이 필요한 물체에 브레이크 패드를 기계적으로 접촉시키고, 이때 발생하는 마찰력을 이용하여 물체에 대한 브레이킹 동작을 수행한다.

그런데 종래의 마찰 방식의 브레이크 장치는 브레이킹을 수행하는 과정에서 미끄러지는 슬립 현상이 발생되기 때문에, 비교적 정확하게 정지력 조절이 필요한 부분, 예컨대 로봇의 1자유도 관절 등에 사용하는 데는 한계가 있다. 이로 인해 기존의 마찰 방식의 브레이크 장치로는 비교적 정확하게 정지력 조절이 필요한 물체에 사용할 수 없는 문제점을 안고 있다.

또한 이러한 종래의 마찰 방식의 브레이크 장치는 브레이킹이 필요한 물체 부분의 외측에 설치되고, 브레이크 장치에 구동 전원을 공급하거나 브레이크 장치를 구성하는 부품을 전기적으로 연결하기 위한 배선 공간이 별도로 필요하기 때문에, 물체를 소형화하는 데 장애 요인으로 작용하고 있다.

더욱이 이러한 종래의 마찰 방식의 브레이크 장치는 브레이킹이 필요한 물체 부분의 외측에 설치되고, 브레이크 패드가 브레이킹 동작을 수행하기 위한 이동 공간이 필요하기 때문에, 물체에서 브레이크 장치가 설치 및 이동 공간을 많이 차지하게 된다. 이로 인해 물체를 소형화하는 데 장애 요인으로 작용하고 있다.

이와 같이 기존의 마찰 방식의 브레이크 패드로는 비교적 정확하게 정지력 조절이 필요한 물체에서 사용할 수 없고 설치 공간도 많이 차지하고, 1축 방향의 토크를 정확히 측정할 수 없기 때문에, 이러한 문제를 해소할 수 있는 브레이크 장치 및 1축 토크 센서의 개발이 요구되고 있다.

따라서 본 발명의 목적은 기존의 마찰 방식의 브레이킹 방식에서 탈피하여 비교적 정확하게 정지력을 조절할 수 있는 치형 브레이크를 갖는 브레이크 장치 및 그를 이용한 모터 조립체를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 배선과 공간 활용을 극대화할 수 있는 중공홀 구조를 갖는 치형 브레이크를 갖는 브레이크 장치 및 그를 이용한 모터 조립체를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 브레이크 장치가 차지하는 공간을 최소화할 수 있는 컴팩트한 구조의 치형 브레이크를 갖는 브레이크 장치 및 그를 이용한 모터 조립체를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 브레이크 장치는 제1 브레이크와 제2 브레이크를 포함한다. 상기 제1 브레이큰 모터의 출력축 방향으로 이동 가능하게 상기 모터의 외측에 설치되며, 상기 모터의 일단부를 향하는 면의 둘레에 제1 치형이 형성되어 있다. 상기 제2 브레이크는 상기 제1 브레이크의 제1 치형이 형성된 면과 마주보게 설치되며, 상기 제1 브레이크의 제1 치형이 형성된 면과 마주보는 면에 상기 제1 치형에 맞물릴 수 있는 제2 치형이 형성되어 있고, 상기 모터의 일단부로 돌출된 상기 모터의 출력축에 고정 설치되어 있다. 이때 상기 제1 브레이크가 상기 제2 브레이크쪽으로 이동하여 상기 제1 치형이 상기 제2 치형에 맞물리게 결합되면 상기 모터의 출력축에 대한 브레이킹을 수행하고, 상기 제1 브레이크가 상기 제2 브레이크에서 분리되면 상기 모터의 출력축에 대한 브레이킹을 해제한다.

본 발명에 따른 치형 브레이크를 갖는 브레이크 장치는 홀딩 링과 복수의 솔레노이드를 더 포함할 수 있다. 상기 홀딩 링은 상기 제2 브레이크를 사이에 두고 상기 제1 브레이크와 마주보게 위치하며 상기 모터의 외측에 연결되어 고정되며, 가장자리 둘레에 설치되는 복수의 자석이 발생시키는 자석으로 상기 제1 브레이크를 당겨 상기 제1 치형을 상기 제2 치형에 맞물리게 결합시켜 상기 제1 브레이크를 상기 제2 브레이크에 홀딩한다. 그리고 상기 복수의 솔레노이드는 상기 복수의 자석에 대응하는 상기 제1 브레이크의 위치에 설치되어 상기 복수의 자석에 반대되는 자력을 발생시켜 상기 제2 브레이크에서 상기 제1 브레이크를 이격시킨다.

본 발명에 따른 치형 브레이크를 갖는 브레이크 장치는 복수의 리니어 부시를 더 포함할 수 있다. 상기 복수의 리니어 부시는 상기 모터와 상기 제1 브레이크를 연결하며, 상기 모터의 외측에서 상기 제1 브레이크를 모터의 출력축 방향으로 이동을 안내한다.

본 발명에 따른 치형 브레이크를 갖는 브레이크 장치에 있어서, 상기 제1 브레이크는 제1 브레이크 몸체와 덮개링을 포함할 수 있다. 상기 제1 브레이크 몸체는 링 형상으로 복수의 솔레노이드 및 복수의 리니어 부시가 각각 내설되는 복수의 내설 홈이 형성되어 있다. 그리고 상기 덮개링은 상기 내설 홈이 개방된 쪽의 상기 제1 브레이크 몸체에 결합되어 상기 내설 홈에 설치된 상기 솔레노이드 및 리니어 부시를 상기 제1 브레이크 몸체에 구속한다.

본 발명에 따른 치형 브레이크를 갖는 브레이크 장치에 있어서, 상기 제2 브레이크는 외주면의 가장자리 둘레에 상기 제2 치형이 형성되고, 중심 부분에 상기 모터의 출력축이 스플라인 구조로 결합되게 중공홀이 형성되어 있다.

본 발명에 따른 치형 브레이크를 갖는 브레이크 장치에 있어서, 상기 홀딩 링은 상기 복수의 솔레노이드에 대응되게 상기 복수의 자석이 각각 설치되는 자석 설치홈이 형성되고, 중심에 엔코더가 설치되는 엔코더 설치구멍이 형성되어 있다.

본 발명은 또한, 양쪽으로 중공형의 출력축이 돌출되게 설치된 모터와, 상기 모터의 출력축 방향으로 상기 모터에 직렬로 결합되어 상기 출력축의 구동을 브레이킹하는 브레이크 장치를 포함하는 모터 조립체를 포함한다. 이때 상기 브레이크 장치는 제1 브레이크, 제2 브레이크, 홀딩 링 및 복수의 솔레노이드를 포함한다. 상기 제1 브레이크는 상기 모터의 출력축 방향으로 이동 가능하게 상기 모터의 외측에 설치되며, 상기 모터의 일단부를 향하는 면의 둘레에 제1 치형이 형성되어 있다. 상기 제2 브레이크는 상기 제1 브레이크의 제1 치형이 형성된 면과 마주보게 설치되며, 상기 제1 브레이크의 제1 치형이 형성된 면과 마주보는 면에 상기 제1 치형에 맞물릴 수 있는 제2 치형이 형성되어 있고, 상기 모터의 일단부로 돌출된 상기 모터의 출력축에 고정 설치된다. 상기 홀딩 링은 상기 제2 브레이크를 사이에 두고 상기 제1 브레이크와 마주보게 위치하며 상기 모터의 외측에 연결되어 고정되며, 가장자리 둘레에 설치되는 복수의 자석이 발생시키는 자석으로 상기 제1 브레이크를 당겨 상기 제1 치형을 상기 제2 치형에 맞물리게 결합시켜 상기 제1 브레이크를 상기 제2 브레이크에 홀딩한다. 그리고 상기 복수의 솔레노이드는 상기 복수의 자석에 대응하는 상기 브레이크의 위치에 설치되어 상기 복수의 자석에 반대되는 자력을 발생시켜 상기 제2 브레이크에서 상기 제2 브레이크를 이격시킨다.

그리고 본 발명에 따른 브레이크 장치를 이용한 모터 조립체에 있어서, 상기 출력축은 상기 모터의 회전자 및 상기 제2 브레이크에 스플라인 구조로 결합된다.

본 발명에 따른 브레이크 장치는 한 쌍의 치형의 브레이크가 맞물려 브레이킹 동작을 수행하기 때문에, 슬립 현상이 거의 발생하지 않아 기존의 마찰 방식과 비교하여 비교적 정확하게 정지력을 조절할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 브레이크 장치는 중공형의 출력축을 갖는 모터의 외측에 이동 가능하게 제1 브레이크가 설치되고, 제1 브레이크에 맞물리는 제2 브레이크가 출력축에 결합될 수 있는 중공홀이 형성된 구조를 갖기 때문에, 중공홀을 배선을 위한 공간 뿐만 아니라 다른 공간으로 활용할 수 있는 이점이 있다.

또한 본 발명에 따른 브레이크 장치는 출력축을 갖는 모터의 외측에 이동 가능하게 제1 브레이크가 설치되고, 제1 브레이크에 맞물리는 제2 브레이크가 출력축에 결합되어 직렬로 설치된 구조를 갖기 때문에, 브레이크 장치가 차지하는 공간을 최소화하여 모터를 포함한 브레이크 장치를 컴팩트하게 제조할 수 있다. 이로 인해 모터를 포함한 브레이크 장치의 설치 공간이 협소한 부분, 예컨대 로봇의 1자유도 관절 부분에 용이하게 적용할 수 있는 이점이 있다.

또한 본 발명에 따른 브레이크 장치는 모터의 출력축과 결합되는 제2 브레이크는 스플라인 구조를 갖기 때문에, 모터의 출력축을 제2 브레이크에 안정적이면서 쉽게 설치할 수 있다. 또한 출력축은 제2 브레이크 이외에도, 모터의 회전자 및 상대 엔코더에도 스플라인 구조로 결합되기 때문에, 출력축을 모터 및 상대 엔코더에 안정적이면서 쉽게 설치할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 브레이크 장치는 자력을 이용하여 제1 및 제2 브레이크를 맞물리게 하여 브레이킹 동작을 수행하고, 브레이킹 동작에 필요한 자력에 반대되는 자력을 솔레노이드를 통하여 제공하여 제2 브레이크에서 제1 브레이크를 분리하여 브레이킹을 해제하는 동작을 수행하고, 제1 브레이크는 리니어 부시와 같은 가이드를 따라서 부드럽게 이동하기 때문에, 브레이킹 및 브레이킹 해제를 신속하면서 정확하게 수행할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 1축 토크 센서는 출력축이 결합되는 면과 마주보는 쪽이 개방된 관형으로, 외주면에 서로 반대로 경사진 한 쌍의 빔이 연속적으로 형성되고, 축 방향에 대해서 서로 마주보는 쪽에 각각 위치하는 한 쌍의 경사진 빔에 각각 설치된 스트레인 게이지를 이용하여 보상회로를 구성함으로써, 출력축이 회전하는 1축 방향의 토크 이외의 다른 외력에 의한 토크를 구조적으로 상쇄시켜 해당 방향에서 발생되는 토크를 정밀하게 측정할 수 있다. 즉 도 20에서 확인할 수 있는 바와 같이, 출력축이 회전하는 1축 방향 이외의 다른 방향으로 작용하는 외력에 따른 토크가 상쇄되는 것을 확인할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 브레이크 장치를 구비하는 1축 관절 모듈을 보여주는 사시도이다.
도 2는 도 1의 1축 관절 모듈을 보여주는 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 모터에 설치된 브레이크 장치를 보여주는 사시도이다.
도 4는 도 3의 모터에 설치된 브레이크 장치를 보여주는 부분 절개 사시도이다.
도 5는 도 3의 모터에 설치된 브레이크 장치를 보여주는 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 브레이크 장치를 보여주는 사시도이다.
도 7은 도 6의 브레이크 장치를 보여주는 분해 사시도이다.
도 8은 도 6의 브레이크 장치의 제1 및 제2 브레이크를 보여주는 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 브레이크 장치가 브레이킹 동작을 수행하는 상태를 보여주는 도면이다.
도 11 및 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 브레이크 장치가 브레이킹을 해제한 상태를 보여주는 도면이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 1축 관절 모듈이 적용된 로봇 관절을 보여주는 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 1축 토크 센서를 보여주는 사시도이다.
도 16 및 도 17은 도 15의 1축 토크 센서를 보여주는 단면도이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 1축 토크 센서를 매개로 설치된 로봇 관절을 보여주는 도면이다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따른 1축 토크 센서를 매개로 설치된 로봇 관절을 보여주는 부분 단면도이다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 1축 토크 센서에 6축 방향으로 발생하는 힘에 따른 4개의 스트레인 게이지에서 측정된 토크 값을 보여주는 표이다.

하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 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.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 브레이크 장치를 구비하는 1축 관절 모듈을 보여주는 사시도이다. 도 2는 도 1의 1축 관절 모듈을 보여주는 분해 사시도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 1축 관절 모듈(10)은 출력축(20)을 갖는 모터(19), 감속기(17), 절대 엔코더(15), 1축 토크 센서(13) 및 브레이크 장치(21)를 포함하며, 그 외 토크센서 엠프(11), 상대 엔코더(23)와 모터 제어기(25)를 더 포함한다. 여기서 모터(19)는 양쪽으로 중공형의 출력축(20)이 돌출되게 설치된 구조를 갖는다. 감속기(17)는 모터(19)의 일측으로 돌출된 출력축(20) 부분에 결합된다. 절대 엔코더(15)는 감속기(17) 앞쪽으로 돌출된 출력축(20) 부분에 결합된다. 1축 토크 센서(13)는 절대 엔코더(15) 앞으로 돌출된 출력축(20) 부분에 결합되어 출력축(20) 방향으로 발생되는 토크를 측정한다. 브레이크 장치(21)는 모터(19)의 출력축(20) 방향으로 모터(19)의 타측 부분에 직렬로 결합되어 출력축(20)의 구동을 브레이킹한다. 상대 엔코더(23)는 브레이크 장치(21)의 홀딩 링(60) 쪽으로 돌출된 모터(19)의 출력축(20) 부분에 결합된다. 그리고 모터 제어기(25)는 홀딩 링(60)에 결합되어 상대 엔코더(23)의 외측에 위치하며, 모터(19)의 구동을 제어한다.

이때 1축 토크 센서(13)의 위쪽에 토크 센서 엠프(11)가 설치된다. 토크 센서 엠프(11)는 1축 토크 센서(13)에 설치된 스트레인 게이지에서 출력되는 신호를 증폭하는 기능을 수행한다. 즉 스트레인 게이지에서 출력되는 신호는 미약하기 때문에, 토크 센서 엠프(11)를 통하여 해당 신호를 증폭한다. 토크 센서 엠프(11)를 1축 토크 센서(13)의 위에 근접하게 설치하는 것이 바람직하다. 이유는 스트레인 게이지에서 출력되는 신호는 미약하기 때문에, 1축 토크 센서(13)에서 토크 센서 엠프(11)를 멀게 설치할 경우 신호 왜곡에 따른 정확한 토크를 산출할 수 없기 때문이다. 따라서 가능한 토크 센서 엠프(11)는 1축 토크 센서(13)에 근접하게 설치하는 것이 바람직하다.

1축 토크 센서(13)는 제1 센서 고정핀(12a)을 매개로 절대 엔코더(15)에 고정 설치된다. 1축 토크 센서(13)의 외측은 제2 센서 고정핀(12b)을 매개로 감속기(17)의 외측에 결합되는 크로스롤러 베어링(14)에 결합된다. 1축 토크 센서(13)의 안쪽에 절대 엔코더(15)가 삽입되어 설치된다. 1축 토크 센서(13)는 외측에 결합되는 물체와 모터(19)의 구동에 따라 발생되는 토크를 측정하여 출력한다. 1축 토크 센서(13)에 작용하는 축 방향 이외의 하중은 출력축(20)과 연결된 크로스롤러 베어링(14)에서 잡아준다. 도시하진 않았지만, 1축 토크 센서(13)에는 복수의 스트레인 게이지가 설치된다.

모터(19)는 1축 토크 센서(13)에 연결되는 물체를 출력축(20)을 축으로 회전시키는 데 필요한 회전력을 제공한다.

절대 엔코더(15)는 모터(19)에서 1축 토크 센서(13) 쪽으로 돌출된 출력축(20) 부분의 회전량을 감지하여 출력한다. 절대 엔코더(15)는 1축 토크 센서(13)의 내부에 설치되어 물체의 회전에 따른 실제 위치값을 제공하기 위한 회전량을 제공한다.

상대 엔코더(23)는 모터(19)에서 모터 제어기(25) 쪽으로 돌출된 출력축(20) 부분의 회전량을 검지하여 출력한다. 상대 엔코더(23)는 모터(19)에 근접한 쪽에 설치되어 모터(19)의 회전에 따른 실제 위치값을 제공하기 위한 회전량을 제공한다.

이와 같이 하나의 출력축(20)의 양단부에 절대 엔코더(15)와 상대 엔코더(23)를 각각 설치하는 이유는 다음과 같다. 즉 절대 엔코더(15)와 상대 엔코더(23)에서 감지한 출력축(20)의 회전량은 토크가 발생하지 않는 경우 동일하지만, 절대 엔코더(15) 쪽의 물체에 토크가 발생하는 경우 차이가 발생할 수 있기 때문이다. 따라서 절대 엔코더(15)는 회전하는 물체의 실제 위치값을 제공하기 위해서 사용되고, 상대 엔코더(23)는 모터(19)의 회전에 따른 실제 위치값을 제공하기 위해서 사용된다.

모터(19)의 동력은 출력축(20)에 연결된 감속기(15) 및 1축 토크 센서(13)를 통하여 토크 센서에 연결된 물체, 예컨대 도 13의 경우 제2 관절(102)로 전달된다. 이때 1축 토크 센서(13)와 출력축(20)은 크로스롤러 베어링(14)에 지지되어 연결되어 있기 때문에, 출력축(20)은 1축 토크 센서(13)로 축 방향의 토크만을 전달한다. 즉 1축 토크 센서(13)에 작용하는 축 방향 이외의 하중은 출력축(20)과 연결된 크로스롤러 베어링(14)에서 잡아준다. 이로 인해 1축 토크 센서(13)에서 발생할 수 있는 상호간섭오차(crosstalk-error)를 잡아줄 수 있다.

본 실시예에 따른 1축 관절 모듈(10)의 브레이크 장치(21)는 한 쌍의 치형의 브레이크(40,50)가 맞물려 브레이킹 동작을 수행하기 때문에, 슬립 현상은 거의 발생하지 않는다. 이로 인해 브레이크 장치(21)는 기존의 마찰 방식과 비교하여 비교적 정확하게 정지력을 조절할 수 있다. 이때 모터(19)와, 모터(19)에 결합된 브레이크 장치(21)를 포함하여 모터 조립체(29)라 한다.

또한 본 실시예에 따른 1축 관절 모듈(10)의 1축 토크 센서(13)는 1축 방향, 즉 출력축(20)의 축 방향의 토크 이외의 다른 외력에 의한 토크를 구조적으로 상쇄시켜 해당 방향에서 발생되는 토크를 정밀하게 측정할 수 있다. 1축 토크 센서(13)에 대한 상세한 설명은 도 15 내지 도 20을 참조로 설명 부분에서 하도록 하겠다.

그리고 모터 제어기(25)는 복수의 제어기 설치핀(27)을 매개로 상대 엔코더(23)가 설치되는 브레이크 장치(21)의 홀딩 링(60)에 고정 설치된다.

본 실시예에 따른 모터 조립체(29)에 대해서 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 3은 도 1의 모터(19)에 설치된 브레이크 장치(21)를 보여주는 사시도이다. 도 4는 도 3의 모터(19)에 설치된 브레이크 장치(21)를 보여주는 부분 절개 사시도이다. 그리고 도 5는 도 3의 모터에 설치된 브레이크 장치(21)를 보여주는 분해 사시도이다.

본 실시예에 따른 모터 조립체(29)는 전술된 바와 같이, 출력축(20)을 구비하는 모터(19)와 브레이크 장치(21)를 포함하며, 모터(19)에 브레이크 장치(21)를 고정 설치하기 위한 모터 브라켓(35)과 지지바(39)를 포함한다.

출력축(20)은 중공형으로, 지지링(24)을 중심으로 한쪽으로 돌출된 제1 출력축(22)과, 반대쪽으로 돌출된 제2 출력축(26)을 포함한다. 제1 출력축(22)은 1축 토크 센서(13), 절대 엔코더(15) 및 감속기(17)에 결합된다. 제2 출력축(24)은 모터(19)의 회전자(19b), 브레이크 장치(21)의 제2 브레이크(50) 및 상대 엔코더(23)에 결합된다. 출력축(20)에서 외경은 지지링(24)이 가장 크며, 다음으로 제2 출력축(26) 및 제1 출력축(24) 순의 크기를 가질 수 있다.

이때 제2 출력축(26)은 모터(19)의 회전자(19b), 브레이크 장치(21)의 제2 브레이크(50) 및 상대 엔코더(23)에 스플라인 구조로 결합된다. 즉 제2 출력축(26)의 외주면에는 복수의 스플라인 홈(28)이 제2 출력축(20)의 축 방향으로 형성되어 있다. 또한 모터(19)의 회전자(19b), 브레이크 장치(21)의 제2 브레이크(50) 및 상대 엔코더(23)에는 복수의 스플라인 홈(28)에 대응되게 스플라인 돌기(30)가 형성되어 있다.

이와 같이 스플라인 구조로 출력축(20)에 모터(19), 브레이크 장치(21) 및 상대 엔코더(23)가 결합된 구조를 갖기 때문에, 출력축(20)을 모터(19), 브레이크 장치(21) 및 상대 엔코더(23)에 안정적이면서 쉽게 설치할 수 있다. 또한 출력축(20)은 중공형이기 때문에, 구멍(20a)을 통하여 배선을 위한 공간 뿐만 아니라 다른 공간으로 활용할 수 있다.

모터(19)는 회전자(19b)의 중심이 중공형으로 형성된 중고형 모터로서, 모터 케이스(31)와, 모터 케이스(31)의 내부에 설치된 회전자(19b) 및 고정자(19a)를 포함한다. 모터 케이스(31)는 외측에 모터 브라켓(35) 및 브레이크 장치(21)가 설치될 수 있는 복수의 설치대(33)가 마련되어 있다. 복수의 설치대(33)는 모터 브라켓(35)이 고정 설치되는 브라켓 설치대(33a)와, 브레이크 장치(21)가 이동 가능하게 설치되는 브레이크 설치대(33b)를 포함한다. 이때 브라켓 설치대(33a) 및 브레이크 설치대(33b)는 제1 출력축(22)이 돌출되는 부분에 근접한 모터 케이스(31)의 외측면에서 밖으로 돌출되게 형성된다. 제1 출력축(22)이 위치하는 통하여 브라켓 설치대(33a) 위에 모터 브라켓(35)이 고정 설치된다. 모터 브라켓(35)이 설치되는 방향의 반대쪽 즉, 모터 케이스(31)의 타측을 통하여 모터 케이스(31)의 외측으로 삽입되어 브레이크 설치대(33b) 위에 브레이크 장치(21)가 이동 가능하게 설치된다. 즉 복수의 설치대(33)를 중심으로 제1 출력축(22)이 인출된 부분에 모터 브라켓(35)이 설치되고, 반대쪽에 브레이크 장치(21)가 설치된다.

모터 브라켓(35)은 모터 체결핀(32)을 매개로 브라켓 설치대(33a)에 고정 설치된다. 모터 브라켓(35)은 원판 형상으로, 중심 부분에 출력축(20)의 제2 출력축(26)이 삽입될 수 있는 관통구멍(35a)이 형성되어 있으며, 관통구멍(35a)의 내경은 출력축(20)의 지지링(24)의 외경 보다는 작게 형성된다. 모터 브라켓(35)은 가장자리 둘레에 모터 체결핀 설치구멍(36)과 지지바 체결핀 설치구멍(38)이 형성되어 있다.

그리고 브레이크 장치(21)는 리니어 부시(80)를 매개로 브레이크 설치대(33b)에 이동 가능하게 설치된다. 브레이크 장치(21)는 모터 브라켓(35)에 복수의 지지바(39)를 매개로 결합되어 모터(19)를 브레이크 장치(21)와 모터 브라켓(35) 사이에 고정한다. 이때 복수의 지지바(39)는 모터 브라켓(35)과 브레이크 장치(21)의 사이에 개재된 상태에서, 모터 브라켓(35)의 외측과 브레이크 장치(21)의 외측에서 지지바(39)로 삽입되는 지지바 체결핀(34)에 의해 고정 설치된다.

이와 같은 본 실시예에 따른 1축 관절 모듈(10)은 모터(19)의 출력축(20)의 구동이 브레이킹 장치(21)에 의해 제어된다. 브레이킹이 해제된 상태에서, 모터(19)의 출력축(20)의 구동에 따라 1축 토크 센서(13) 부분이 회전한다. 1축 토크 센서(13)에 연결되는 물체를 회전시킨다. 반대로 브레이크 장치(21)가 브레이킹 동작을 수행하는 경우, 모터(19)의 출력축(20)의 구동을 홀딩한다.

본 실시예에 따른 브레이크 장치(21)에 대해서 도 6 내지 도 8을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 브레이크 장치(21)를 보여주는 사시도이다. 도 7은 도 6의 브레이크 장치(21)를 보여주는 분해 사시도이다. 그리고 도 8은 도 6의 브레이크 장치(21)의 제1 및 제2 브레이크(40,50)를 보여주는 도면이다.

본 실시예에 따른 브레이크 장치(21)는 제1 브레이크(40)와 제2 브레이크(50)를 포함하며, 홀딩 링(60), 복수의 솔레노이드(70) 및 복수의 리니어 부시(80)를 더 포함한다.

제1 브레이크(40)는 모터(19)의 출력축(20) 방향으로 이동 가능하게 모터(19)의 외측에 설치되며, 모터(19)의 일단부를 향하는 면의 둘레에 제1 치형(41)이 형성되어 있다.

제2 브레이크(50)는 제1 브레이크(40)의 제1 치형(41)이 형성된 면과 마주보게 설치되며, 제1 브레이크(40)의 제1 치형(41)이 형성된 면과 마주보는 면에 제1 치형(41)에 맞물릴 수 있는 제2 치형(51)이 형성되어 있고, 모터(19)의 일단부로 돌출된 모터(19)의 출력축(20)에 고정 설치된다. 제2 브레이크(50)는 외주면의 가장자리 둘레에 제2 치형(51)이 형성되고, 중심 부분에 모터(19)의 출력축(20)이 스플라인 구조로 결합되게 중공홀(53)이 형성되어 있다.

제1 브레이크(40)가 제2 브레이크(50) 쪽으로 이동하여 제1 치형(41)이 제2 치형(51)에 맞물리게 결합되면 모터(19)의 출력축(20)에 대한 브레이킹을 수행한다. 그리고 제1 브레이크(40)가 제2 브레이크(50)에서 분리되면 모터(19)의 출력축(20)에 대한 브레이킹을 해제한다. 제2 브레이크(50)에 대한 제1 브레이크(40)의 이동은 홀딩 링(60)에 내설된 복수의 자석(63)과 제1 브레이크(40)에 내설된 복수의 솔레노이드(70)에 의해 수행된다.

이때 제1 브레이크(40)는 제1 브레이크 몸체(43)와 덮개링(45)을 포함한다. 제1 브레이크 몸체(43)는 링 형상으로 중심 부분에 모터에 외측에 삽입될 수 있는 관통구멍(42)이 형성되어 있다. 제1 브레이크 몸체(43)는 복수의 솔레노이드(70) 및 복수의 리니어 부시(80)가 각각 내설되는 복수의 내설 홈(44)이 형성되어 있다. 덮개링(45)은 내설 홈(44)이 개방된 쪽의 제1 브레이크 몸체(43)에 덮개링 체결핀(47)을 매개로 결합되어 내설 홈(44)에 설치된 솔레노이드(70) 및 리니어 부시(80)를 제1 브레이크 몸체(43)에 구속한다.

제1 및 제2 브레이크(40,50)에 형성된 제1 및 제2 치형(41,51)은 서로 맞물릴 수 있도록 돌기(41a,51a)와 홈(41b,51b)이 연속적으로 형성된 구조를 갖는다. 이때 제1 및 제2 브레이크(40,50)의 브레이킹 능력은 돌기(41a,51a)의 경사각(θ)에 의해 좌우된다. 즉 돌기(41a,51a)의 경사각(θ)이 90도에 가까울수록 브레이킹 능력은 증가하고, 돌기(41a,51a)의 경사각(θ)이 0도에 가까울수록 브레이킹 능력은 떨어진다.

제1 및 제2 치형(41,51)을 형성하는 돌기(41a,51a)와 홈(41b,51b)은 서로 맞물릴 수 있는 형상을 가지며, 예컨대 삼각 또는 사다리꼴 형태로 형성될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다. 본 실시예에서는 제1 및 제2 치형(41,51)이 사다리꼴 형태로 형성된 예를 개시하였다.

제1 및 제2 브레이크(40,50)가 맞물려 브레이킹을 수행할 때, 출력축(20)에 브레이킹 능력 보다 큰 회전력이 작용할 경우, 제1 및 제2 브레이크(40,50) 간의 맞물림이 해제될 수 있다. 이때 홀딩 링(60)의 자석(63)이 제1 브레이크(40)를 자력으로 제2 브레이크(50) 쪽으로 끌어 당기고 있기 때문에, 제1 브레이크(40)는 제2 브레이크(50)를 타고 회전한다. 이와 같이 출력축(20)에 브레이킹 능력 보다 큰 회전력이 작용할 경우, 제1 및 제2 브레이크(40,50) 간의 맞물림이 해제될 수 있도록 구성한 이유는, 제1 및 제2 브레이크(40,50)의 손상을 포함하여 모터(19)에 과부하가 걸려 손상되는 것을 억제하기 위해서이다.

홀딩 링(60)은 제2 브레이크(50)를 사이에 두고 제1 브레이크(40)와 마주보게 위치하며 모터(19)의 외측에 연결되어 고정된다. 홀딩 링(60)은 가장자리 둘레에 설치되는 복수의 자석(63)이 발생시키는 자력으로 제1 브레이크(40)를 당겨 제1 치형(41)을 제2 치형(51)에 맞물리게 결합시켜 제1 브레이크(40)를 제2 브레이크(50)에 홀딩한다. 홀딩 링(60)은 링 몸체(61)와, 링 몸체(61)에 복수의 솔레노이드(70)에 대응되게 복수의 자석(63)이 각각 설치되는 자석 설치홈(65)이 형성되고, 중심에 상대 엔코더(23)가 설치되는 엔코더 설치구멍(69)이 형성되어 있다. 또한 링 몸체(61)의 외측으로 돌출되게 지지바 설치구멍(68)을 갖는 지지바 설치대(67)가 형성되어 있다.

복수의 솔레노이드(70)는 복수의 자석(63)에 대응하는 제1 브레이크(40)의 위치에 설치되어 복수의 자석(63)에 반대되는 자력을 발생시켜 제2 브레이크(50)에서 제1 브레이크(40)를 이격시킨다.

그리고 복수의 리니어 부시(80)는 모터(19)와 제1 브레이크(40)를 연결하며, 모터(19)의 외측에서 제1 브레이크(40)를 모터(19)의 출력축(20) 방향으로의 이동을 안내한다. 이때 리니어 부시(80)는 샤프트(81)와 리니어 가이드(83)를 포함한다. 리니어 가이드(83)는 샤프트(81)가 삽입되어 출력축(20) 방향으로 이동할 수 있도록 안내하며, 제1 브레이크(40)의 내설 홈(44)에 내설된다. 그리고 샤프트(81)는 일단부가 모터 케이스(31)의 브레이크 설치대(33b)에 고정되고, 타단부가 리니어 가이드(83)에 삽입된다. 이러한 샤프트(81)는 고정핀(85)과 로드(87)를 포함한다. 고정핀(85)은 모터 케이스(31)의 브레이크 설치대(33b)에 설치되고, 로드(87)의 일단부에 체결된다. 로드(87)는 리니어 가이드(83)에 삽입된다. 따라서 제1 브레이크(40)가 이동할 때, 복수의 리니어 부시(80)를 매개로 자연스럽게 출력축(20) 방향으로 좌우로 이동한다.

이와 같이 본 실시예에 따른 브레이크 장치(21)는 한 쌍의 치형(41,51)의 브레이크(40,50)가 맞물려 브레이킹 동작을 수행하기 때문에, 기존의 마찰 방식과 비교하여 슬립 현상이 거의 발생하지 않기 때문에, 비교적 정확하게 정지력을 조절할 수 있다.

또한 본 실시예에 따른 브레이크 장치(21)는 출력축(20)을 갖는 모터(19)의 외측에 이동 가능하게 제1 브레이크(40)가 설치되고, 제1 브레이크(40)에 맞물리는 제2 브레이크(50)가 출력축(20)에 결합될 수 있는 중공홀(53)이 형성된 구조를 갖기 때문에, 중공홀(53)을 배선을 위한 공간 뿐만 아니라 다른 공간으로 활용할 수 있는 이점이 있다.

또한 본 실시예에 따른 브레이크 장치(21)는 출력축(20)을 갖는 모터(19)의 외측에 이동 가능하게 제1 브레이크(40)가 설치되고, 제1 브레이크(40)에 맞물리는 제2 브레이크(50)가 출력축(20)에 결합되어 직렬로 설치된 구조를 갖기 때문에, 브레이크 장치(21)가 차지하는 공간을 최소화하여 모터(19)를 포함한 브레이크 장치(21)를 컴팩트하게 제조할 수 있다. 이로 인해 모터(19)를 포함한 브레이크 장치(20)의 설치 공간이 협소한 부분, 예컨대 로봇의 1자유도 관절 부분에 용이하게 적용할 수 있는 이점이 있다.

또한 본 실시예에 따른 브레이크 장치(21)는 모터(19)의 출력축(20)과 결합되는 제2 브레이크(50)는 스플라인 구조로 결합되기 때문에, 모터(19)의 출력축(20)을 제2 브레이크(50)에 안정적이면서 쉽게 설치할 수 있다. 또한 출력축(20)은 제2 브레이크(50) 이외에도, 모터(19)의 회전자(19b) 및 상대 엔코더(23)에도 스플라인 구조로 결합되기 때문에, 출력축(20)을 모터(19) 및 상대 엔코더(23)에 안정적이면서 쉽게 설치할 수 있다.

또한 본 실시예에 따른 브레이크 장치(21)는 자력을 이용하여 제1 및 제2 브레이크(40,50)를 맞물리게 하여 브레이킹 동작을 수행한다. 또한 브레이크 장치(21)는 브레이킹 동작에 필요한 자력에 반대되는 자력을 솔레노이드(70)를 통하여 제공하여 제2 브레이크(50)에서 제1 브레이크(40)를 분리하여 브레이킹을 해제하는 동작을 수행한다. 그리고 제1 브레이크(40)는 리니어 부시(80)와 같은 가이드를 따라서 부드럽게 이동하기 때문에, 브레이크 장치(21)는 브레이킹 및 브레이킹 해제를 신속하면서 정확하게 수행할 수 있다.

이와 같은 본 실시예에 따른 모터 조립체(29)의 브레이크 장치(21)는 도 9 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 브레이킹 동작 또는 브레이킹 해제 동작을 수행한다. 여기서 도 9 및 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 브레이크 장치(21)가 브레이킹 동작을 수행하는 상태를 보여주는 도면이다. 도 11 및 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 브레이크 장치(21)가 브레이킹을 해제한 상태를 보여주는 도면이다.

먼저 브레이크 장치(21)는, 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, 브레이킹 동작을 수행할 수 있다. 즉 솔레노이드(70)에 전원이 공급되지 않으면, 홀딩 링(60)에 설치된 복수의 자석(63)이 제1 브레이크(40)를 제2 브레이크(50) 쪽으로 당긴다. 자석(63)의 자력에 의해 제1 브레이크(40)는 복수의 리니어 부시(80)를 따라서 제2 브레이크(50) 쪽으로 이동한다. 제2 브레이크(50) 쪽으로 이동한 제1 브레이크(40)는 제2 브레이크(50)의 제2 치형(51)에 제1 브레이크의 제1 치형(41)이 맞물려 고정된다.

이와 같이 제2 브레이크(50)에 제1 브레이크(40)가 맞물림으로써, 출력축(20)의 회전을 정지시키는 브레이킹 동작을 수행한다.

다음으로 브레이크 장치(21)는, 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 브레이킹을 해제할 수 있다. 즉 제2 브레이크(50)에 제1 브레이크(40)가 맞물린 상태에서, 솔레노이드(70)에 전원이 공급되어 자석(63)에 반대되는 자력을 발생시키면, 솔레노이드(70)와 자석(63) 간의 척력에 의해 제2 브레이크(50)에서 제1 브레이크(40)를 밀어낸다. 척력에 의해 제1 브레이크(40)는 복수의 리니어 부시(80)를 따라서 제2 브레이크(50)에서 떨어져 이동한다. 제1 브레이크(40)는 제2 브레이크(50)에서 이격되어 분리된다.

이와 같이 제1 브레이크(40)가 제2 브레이크(50)에서 분리되어 브레이킹을 해제함으로써, 출력축(20)은 회전할 수 있는 상태가 된다.

이와 같은 본 실시예에 따른 1축 관절 모듈(10)은, 예컨대 도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이 로봇 관절(100)에 적용될 수 있다. 여기서 도 13 및 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 1축 관절 모듈(10)이 적용된 로봇 관절(100)을 보여주는 도면이다.

본 실시예에 따른 로봇 관절(100)은 1축 관절 모듈(10)을 매개로 연결된 제1 관절(101)과 제2 관절(102)을 포함한다. 제1 관절(101)은 일측에 X축 방향으로 회전하는 출력축(20)을 갖는 1축 관절 모듈(10)이 설치된다. 그리고 제2 관절(102)에 1축 관절 모듈(10)의 1축 토크 센서(13)가 고정 설치된다.

따라서 본 실시예에 따른 로봇 관절(100)의 구동은 브레이킹 장치(21)에 의해 제어된다. 브레이킹이 해제된 상태에서, 모터(19)의 출력축(20)의 구동에 따라 1축 토크 센서(13) 부분이 회전한다. 1축 토크 센서(13)에 연결되는 제2 관절(102)이 회전한다.

반대로 브레이크 장치(21)가 브레이킹 동작을 수행하는 경우, 모터(19)의 출력축(20)의 구동을 홀딩한다. 이로 인해 1축 토크 센서(13)에 연결되는 제2 관절(102)이 정지하게 된다.

한편 본 실시예에서는 1축 관절 모듈(10)이 로봇 관절(100)에 적용된 예를 개시하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니며 1축 회전을 수행하는 기기의 관절 부분에 설치될 수 있음은 물론이다.

본 실시예에 따른 1축 관절 모듈(10)에 사용되는 1축 토크 센서(13)에 대해서 도 15 내지 도 20을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 15는 본 발명의 실시예에 따른 1축 토크 센서(13)를 보여주는 사시도이다. 도 16 및 도 17은 도 15의 1축 토크 센서(13)를 보여주는 단면도이다. 이때 1축 토크 센서(13)의 출력축 체결구멍(121)은 X축 방향으로 형성되며, 여기서 1축은 X축을 의미한다.

도 15 내지 도 17을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 1축 토크 센서(13)는 출력축이 결합되는 면과 마주보는 쪽이 개방된 관형으로, 외주면에 서로 반대로 경사진 한 쌍의 빔(133,135)이 연속적으로 형성되고, 축 방향에 대해서 서로 마주보는 쪽에 각각 위치하는 경사진 한 쌍의 빔(133,135)에 각각 스트레인 게이지(S1,S2,S3,S4)가 설치된 구조를 갖는다.

이와 같은 본 실시예에 따른 1축 토크 센서(13)는 제1 관절 체결부(120), 게이지 설치부(130) 및 제2 관절 체결부(140)를 포함하며 일체로 형성된 구조를 갖는다. 이때 1축 토크 센서(13)의 소재로는 알루미늄 합금을 사용할 수 있다. 1축 토크 센서(13)의 소재로 알루미늄 합금을 사용하는 이유는 다음과 같다. 1축 토크 센서(13)의 소재로 철을 사용하는 경우, 강성을 높여 복원 응력을 확보함으로써 일종의 히스테리시스(hysteresis) 현상을 없앨 수 있는 장점이 있다. 하지만 철 소재는 알루미늄 소재보다 같은 부피 대비 3배 이상 무겁기 때문에, 로봇 관절용 1축 토크 센서(13)로 사용하기에는 적합하지 않다. 1축 토크 센서(13)의 소재로 순수 알루미늄을 사용하는 경우, 가벼운 이점이 있지만 강성이 철보다 낮기 때문에 토크가 가해졌다가 무부하 상태 시 히스테리시스 현상이 발생할 수 있다. 따라서 본 실시예에서는 1축 토크 센서(13)의 소재로 알루미늄 합금, 예컨대 알루미늄 70계열인 합금을 사용함으로써, 무게도 가볍게 하면서 강성을 높여 철 및 알루미늄 소재가 갖는 장점을 갖춘 1축 토크 센서(13)를 제공할 수 있다.

제1 관절 체결부(120)는 원판 형태를 가지며, 중심 부분에 제1 관절의 출력축이 결합되는 출력축 체결구멍(121)이 형성되어 있다.

게이지 설치부(130)는 제1 관절 체결부(120)의 가장자리 둘레에서 축 방향으로 일정 높이로 형성되어 제1 관절의 출력축 부분을 둘러싸는 형태를 갖는다. 게이지 설치부(130)는 외주면에 서로 반대로 경사진 한 쌍의 빔(133,135)을 갖는 빔부(131)가 복수 형성된다. 게이지 설치부(130)는 축 방향에 대해서 서로 마주보는 쪽에 각각 위치하는 빔부(131)의 한 쌍의 경사진 빔(133,135)에 각각 스트레인 게이지(S1,S2,S3,S4)가 설치된다.

그리고 제2 관절 체결부(140)는 게이지 설치부(130)에서 연장되어 형성되며, 외측면에 제2 관절이 체결된다.

이때 게이지 설치부(130)에 형성된 복수의 빔부(131)는 축 방향에 대해서 방사형으로 배치되어 형성된다. 복수의 빔부(131)는 축 방향에 대해서 서로 마주보게 빔부(131)가 배치될 수 있도록 짝수 개이다. 게이지 설치부(130)는 복수의 빔부(131) 사이를 연결하고, 제1 관절 체결부(120)와 제2 관절 체결부(140)를 연결하는 복수의 연결대(137)를 구비한다. 연결대(137)는 제1 관절 체결부(120)와 제2 관절 체결부(130)를 연결하여 1축 토크 센서(13)에 강성을 제공하는 뼈대 역할을 한다.

빔부(131)는 복수의 연결대(137) 사이의 공간에 형성된다. 빔부(131)는 서로 반대로 경사진 한 쌍의 빔(133,135)이 "V"자형으로 형성될 수 있다. 이때 빔부(131)는 제1 빔(133)과 제2 빔(135)을 포함한다. 제1 빔(133)과 제2 빔(135)이 만나는 부분은 연결대(137) 사이의 공간의 중심 부분이다. 제1 및 제2 빔(133,135)은 좌우 대칭되게 형성되며, 제1 및 제2 빔(133,135)이 만나는 부분은 제1 및 제2 관절 체결부(120,130) 중에 하나에 연결된다. 본 실시예에서는 제1 및 제2 빔(133,135)이 만나는 일단은 제1 관절 체결부(120)의 외주면에 연결되고, 제1 및 제2 빔(133,135)의 타단은 각각 연결대(137)와 제2 관절 체결부(130)의 만나는 지점에 연결된다.

이때 스트레인 게이지(S1,S2,S3,S4)는 축 방향에 대해서 서로 마주보는 쪽에 각각 위치하는 한 쌍의 빔부(131)의 안쪽에 설치된다. 즉 스트레인 게이지(S1,S2,S3,S4)는 경사진 한 쌍의 빔(133,135)의 안쪽에 각각 설치된다. 즉 4개의 스트레인 게이지가 출력축 체결구멍(121)을 중심으로 마주보는 두 개의 빔부(131)에 설치되고, 반시계 방향으로 제1 내지 제4 스트레인 게이지(S1,S2,S3,S4)가 순차적으로 설치된다.

이와 같이 본 실시예에 따른 1축 토크 센서(13)는 출력축이 결합되는 면과 마주보는 쪽이 개방된 관형으로, 외주면에 서로 반대로 경사진 한 쌍의 빔(133,135)이 연속적으로 형성되고, 축 방향에 대해서 서로 마주보는 쪽에 각각 위치하는 경사진 한 쌍의 빔(133,135)에 각각 스트레인 게이지(S1,S2,S3,S4)가 설치된 구조를 갖기 때문에, 출력축이 회전하는 X축 방향의 토크(Mx) 이외의 다른 외력에 의한 토크를 구조적으로 상쇄시켜 해당 방향에서 발생되는 토크(Mx)를 정밀하게 측정할 수 있다. 즉 X축 방향에 대한 모멘트 하중이 발생되면, 1축 토크 센서(13)의 게이지 설치부(130)의 빔부(131)가 변형된다. 빔부(131)의 변형량을 스트레인 게이지(S1,S2,S3,S4)가 감지하고, 감지한 변형량에 따른 토크를 측정한다. 이때 X축, Y축 및 Z축의 토크(Mx,My,Mz)는 제1 내지 제4 스트레인 게이지(S1,S2,S3,S4)에서 측정된 변형량이 S1, S2, S3 및 S4라고 할 때, (S1-S2+S3-S4) 식으로 산출할 수 있다. 즉 제1 내지 제4 스트레인 게이지(S1,S2,S3,S4)를 이용한 보상회로, 예컨대 풀브리지 회로를 이용하여 X축, Y축 및 Z축의 토크(Mx,My,Mz)를 산출한다.

이때 본 실시예에 따른 1축 토크 센서(13)와 제1 내지 제4 스트레인 게이지(S1,S2,S3,S4)를 이용한 보상회로를 사용할 경우, X축 방향의 토크(Mz) 이외의 다른 외력에 의한 토크는 상쇄시킬 수 있다. 즉 본 실시예에 따른 1축 토크 센서(13)는 X축 방향의 토크(Mx) 외에 다른 외력에 의한 상호간섭오차를 상쇄시킬 수 있다.

이와 같이 본 실시예에 따른 1축 토크 센서(13)가 1축 방향 이외의 다른 방향으로 작용하는 외력에 따른 토크는 상쇄되는 것을 확인하기 위해서, 도 15 내지 도 19에 도시된 바와 같이, 1축 토크 센서(13)를 이용하여 로봇 관절(100)에 작용하는 부하에 따른 모의 실험하였으며, 모의 실험 결과는 도 20과 같다. 여기서 도 18은 본 발명의 실시예에 따른 1축 토크 센서(13)를 매개로 설치된 로봇 관절(100)을 보여주는 도면이다. 도 19는 본 발명의 실시예에 따른 1축 토크 센서(13)를 매개로 설치된 로봇 관절(100)을 보여주는 부분 단면도이다. 한편 본 모의 실험에서는 1축 토크 센서(13)를 제외한 1축 관절 모듈(10)로는 모터를 사용하였다.

도 15 내지 도 19를 참조하면, 본 실시예에 따른 로봇 관절(100)은 1축 토크 센서(13)를 매개로 연결된 제1 관절(101)과 제2 관절(102)이 연결된 구조를 갖는다. 제1 관절(101)은 일측에 X축 방향으로 회전하는 출력축(20)을 갖는 1축 관절 모듈(10)가 설치되어 있다. 1축 관절 모듈(10)의 출력축(20)을 포함하는 일부가 1축 토크 센서(13)의 내부 공간(113)으로 삽입되어, 1축 관절 모듈(10)의 출력축(20)은 1축 토크 센서(13)의 출력축 체결구멍(121)에 삽입되어 제1 관절 체결부(120)에 체결된다. 그리고 제2 관절(102)은 1축 토크 센서(13)의 제2 관절 체결부(140)의 외주면에 결합된다.

이때 1축 토크 센서(13)에 작용하는 힘에 따른 변형력을 아래와 같은 모의 실험 조건에서 제1 내지 제4 스트레인 게이지(S1,S2,S3,S4)를 통하여 측정하였다. 제1 내지 제4 스트레인 게이지(S1,S2,S3,S4)를 이용한 보상회로, 예컨대 풀브리지 회로를 이용하여 X축, Y축 및 Z축의 토크(Mx,My,Mz)를 산출한다.

전술된 바와 같이 1축 토크 센서(13)는 제1 관절(101) 및 제2 관절(102)을 연결한다. 제1 관절(101)에 대해서 제2 관절(102)이 1축 토크 센서(13)의 출력축(20) 방향인 X축 방향으로 회전 중, 외부 물체의 부딪혀 움직이지 못하는 상태라고 가정한다. 이때 1축 토크 센서(13)의 제2 관절 체결부(140)는 제2 관절(102)에 체결되어 외부 물체에 의해 움직이지 않는다고 가정하여 고정 조건을 부여한다. 1축 토크 센서(13)의 제1 관절 체결부(120)는 제1 관절(101)에 설치된 1축 관절 모듈(10)의 출력축(20)에 연결되어 모멘트 하중 조건이 부여한다. 그리고 1축 토크 센서(13)의 재질 물성치는 표1과 같다.

재질		7049 alloy
탄성계수(N/mm²)		71800
프와송비		0.336
질량밀도(kg/mm²)		2.86e-6
극한응력	인장(N/mm²)	482.5
	압축(N/mm²)	403.5

전술된 바와 같은 조건으로 모의 실험을 실행하면, 게이지 설치부(130)의 빔부(131)가 변형되고, 빔부(131)의 변형량을 스트레인 게이지(S1,S2,S3,S4)가 감지하고, 감지한 변형량에 따른 토크를 측정한다.

이러한 전술된 바와 같은 조건으로 모의 실험한 결과는 도 20과 같다. 여기서 도 20은 본 실시예에 따른 1축 토크 센서(13)에 6축 방향으로 발생하는 힘에 따른 4개의 스트레인 게이지(S1,S2,S3,S4)에서 측정된 토크 값이다. 이때, "effective strain-elastic 부터 (S1-S2+S3-S4)까지"의 필드값은 소숫점 아래 둘째 자리로 표시하였다.

도 20을 참조하면, X축에 대한 모멘트 하중 즉 X축 방향의 토크(Mx)에 대해서 스트레인 게이지(S1,S2,S3,S4)의 증폭효과를 확인할 수 있다. X축 방향에 대한 집중 하중(Fx)의 경우에도 변형률이 작게 측정되기 때문에, 1축 관절 모듈(10)을 포함한 로봇 관절(100)의 제어를 효율적으로 수행할 수 있다. 그리고 X축 방향을 제외한 Y축 및 Z축에 대한 모멘트 하중(My,Mz) 및 집중 하중(Fy,Fz)은 서로 상쇄되어 상호간섭오차가 거의 발생하지 않는 것을 확인할 수 있다.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다. 예컨대 본 실시예에서는 솔레노이드가 제1 브레이크에 설치되고 자석이 제2 브레이크에 설치된 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 즉 제1 브레이크에 자석이 설치되고, 제2 브레이크에 솔레노이드가 설치될 수 있다. 또한 본 실시예에서는 제1 브레이크의 이동을 안내하는 부재로서 리니어 부시를 사용하는 예를 개시하였지만, 모터 케이스에 외주면에 제1 브레이크가 축 방향으로 슬라이드 이동할 수 있도록 설치될 수도 있다.

10 : 1축 관절 모듈 11 : 토크센서 엠프
12a, 12b : 센서 고정핀 13 : 1축 토크센서
15 : 절대 엔코더 17 : 감속기
19 : 모터 20 : 출력축
21 : 브레이크 장치 23 : 상대 엔코더
25: 모터 제어기 27 : 제어기 설치핀
29 : 모터 조립체 31 : 모터 케이스
33 : 설치대 35 : 모터 브라켓
36 : 모터 체결핀 설치구멍 37 : 지지바 설치대
38 : 지지바 체결핀 설치구멍 39 : 지지바
40 : 제1 브레이크 41 : 제1 치형
41a : 돌기 41b : 홈
43 : 제1 브레이크 몸체 44 : 내설 홈
45 : 덮개링 47 : 덮개링 체결핀
50 : 제2 브레이크 51 : 제2 치형
51a : 돌기 51b : 홈
53 : 중공홀 60 : 홀딩 링
61 : 링 몸체 63 : 자석
65 : 자석 설치홈 67 : 지지바 설치대
68 : 지지바 설치구멍 69 : 엔코더 설치구멍
70 : 솔레노이드 80 : 리니어 부시
81 : 샤프트 83 : 리니어 가이드
85 : 고정핀 87 : 로드
100 : 로봇 관절 101 : 제1 관절
102 : 제2 관절

Claims

모터의 출력축 방향으로 이동 가능하게 상기 모터의 외측에 설치되되, 회전자와 고정자가 내부에 설치되는 모터 케이스 외측의 둘레면에 설치되며, 상기 모터의 일단부를 향하는 면의 둘레에 제1 치형이 형성된 제1 브레이크;
상기 제1 브레이크의 제1 치형이 형성된 면과 마주보게 설치되며, 상기 제1 브레이크의 제1 치형이 형성된 면과 마주보는 면에 상기 제1 치형에 맞물릴 수 있는 제2 치형이 형성되어 있고, 상기 모터의 일단부로 돌출된 상기 모터의 출력축에 고정 설치되는 제2 브레이크;를 포함하며,
상기 제1 브레이크가 상기 제2 브레이크쪽으로 이동하여 상기 제1 치형이 상기 제2 치형에 맞물리게 결합되면 상기 모터의 출력축에 대한 브레이킹을 수행하고, 상기 제1 브레이크가 상기 제2 브레이크에서 분리되면 상기 모터의 출력축에 대한 브레이킹을 해제하는 것을 특징으로 하는 치형 브레이크를 갖는 브레이크 장치.
제1항에 있어서,
상기 제2 브레이크를 사이에 두고 상기 제1 브레이크와 마주보게 위치하며 상기 모터의 외측에 연결되어 고정되며, 가장자리 둘레에 설치되는 복수의 자석이 발생시키는 자석으로 상기 제1 브레이크를 당겨 상기 제1 치형을 상기 제2 치형에 맞물리게 결합시켜 상기 제1 브레이크를 상기 제2 브레이크에 홀딩하는 홀딩 링;
상기 복수의 자석에 대응하는 상기 제1 브레이크의 위치에 설치되어 상기 복수의 자석에 반대되는 자력을 발생시켜 상기 제2 브레이크에서 상기 제1 브레이크를 이격시키는 복수의 솔레노이드;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 치형 브레이크를 갖는 브레이크 장치.
제2항에 있어서,
상기 모터와 상기 제1 브레이크를 연결하며, 상기 모터의 외측에서 상기 제1 브레이크를 모터의 출력축 방향으로 이동을 안내하는 복수의 리니어 부시;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 치형 브레이크를 갖는 브레이크 장치.
제3항에 있어서, 상기 제1 브레이크는,
링 형상으로 복수의 솔레노이드 및 복수의 리니어 부시가 각각 내설되는 복수의 내설 홈이 형성된 제1 브레이크 몸체;
상기 내설 홈이 개방된 쪽의 상기 제1 브레이크 몸체에 결합되어 상기 내설 홈에 설치된 상기 솔레노이드 및 리니어 부시를 상기 제1 브레이크 몸체에 구속하는 덮개링;
을 포함하는 것을 특징으로 하는 치형 브레이크를 갖는 브레이크 장치.
제4항에 있어서, 상기 제2 브레이크는,
외주면의 가장자리 둘레에 상기 제2 치형이 형성되고, 중심 부분에 상기 모터의 출력축이 스플라인 구조로 결합되게 중공홀이 형성된 것을 특징으로 하는 치형 브레이크를 갖는 브레이크 장치.
제5항에 있어서, 상기 홀딩 링은,
상기 복수의 솔레노이드에 대응되게 상기 복수의 자석이 각각 설치되는 자석 설치홈이 형성되고, 중심에 엔코더가 설치되는 엔코더 설치구멍이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 브레이킹 장치.
양쪽으로 중공형의 출력축이 돌출되게 설치된 모터;
상기 모터의 출력축 방향으로 상기 모터에 직렬로 결합되어 상기 출력축의 구동을 브레이킹하는 브레이크 장치;를 포함하며,
상기 브레이크 장치는,
상기 모터의 출력축 방향으로 이동 가능하게 상기 모터의 외측에 설치되되, 회전자와 고정자가 내부에 설치되는 모터 케이스 외측의 둘레면에 설치되며, 상기 모터의 일단부를 향하는 면의 둘레에 제1 치형이 형성된 제1 브레이크;
상기 제1 브레이크의 제1 치형이 형성된 면과 마주보게 설치되며, 상기 제1 브레이크의 제1 치형이 형성된 면과 마주보는 면에 상기 제1 치형에 맞물릴 수 있는 제2 치형이 형성되어 있고, 상기 모터의 일단부로 돌출된 상기 모터의 출력축에 고정 설치되는 제2 브레이크;
상기 제2 브레이크를 사이에 두고 상기 제1 브레이크와 마주보게 위치하며 상기 모터의 외측에 연결되어 고정되며, 가장자리 둘레에 설치되는 복수의 자석이 발생시키는 자석으로 상기 제1 브레이크를 당겨 상기 제1 치형을 상기 제2 치형에 맞물리게 결합시켜 상기 제1 브레이크를 상기 제2 브레이크에 홀딩하는 홀딩 링;
상기 복수의 자석에 대응하는 상기 브레이크의 위치에 설치되어 상기 복수의 자석에 반대되는 자력을 발생시켜 상기 제2 브레이크에서 상기 제2 브레이크를 이격시키는 복수의 솔레노이드;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 브레이크 장치를 이용한 모터 조립체.
제7항에 있어서,
상기 출력축은 상기 모터의 회전자 및 상기 제2 브레이크에 스플라인 구조로 결합되는 것을 특징으로 하는 브레이크 장치를 이용한 모터 조립체.