KR101439084B1 - 다관절 로봇의 위치제어용 유압 액추에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유압의 유입 또는 회수 시에 완충시키는 위어형(weir) 유통부의 크기를 한정하여 완충 효과를 높이는 동시에 샤프트의 회전각도 및 행정시간을 최적화시킬 수 있는 다관절 로봇의 위치제어용 유압 액추에이터에 관한 것이다.
본 발명은, 다관절 로봇의 로봇암을 직접 구동시킬 수 있는 다관절 로봇의 위치제어용 유압 액추에이터에 있어서, 상기 로봇암과 연결되는 중심축이 중공된 원통형 샤프트; 상기 샤프트의 상/하부에 일체로 형성된 상/하측 유압판; 상기 샤프트의 외주면을 일부 감싸도록 상기 상/하측 유압판 사이에 일체로 형성된 베인; 상기 샤프트의 외주면에 배치되어 상기 샤프트의 유동을 제한하는 스토퍼; 상기 샤프트와 스토퍼를 내부에 수용하고 내측에 유압유가 공급 또는 회수되는 유압유포트가 구비된 하우징; 및 상기 하우징에 체결되어 상기 스토퍼를 고정하는 고정암;으로 이루어지고, 상기 베인은, 원주 방향에 위치한 양측면에 원주 방향으로 갈수록 깊이가 작아지고 폭이 좁아지는 위어(weir)형의 유압유 유통부가 구비되고, 상기 유압유 유통부는, 원주방향 길이가 30mm 이하로 한정되는 다관절 로봇의 위치제어용 유압 액추에이터를 제공한다.

Description

다관절 로봇의 위치제어용 유압 액추에이터 {Position control hydraulic actuator of multi-joint robot}

본 발명은 유압의 유입 또는 회수 시에 완충시키는 위어형(weir) 유통부의 크기를 한정하여 완충 효과를 높이는 동시에 샤프트의 회전각도 및 행정시간을 최적화시킬 수 있는 다관절 로봇의 위치제어용 유압 액추에이터에 관한 것이다.

현재 산업현장에서는 로봇이 보편화되어 자동차, 조선, 건설 등의 중공업 분야 뿐 아니라 기계/전자부품의 가공, 조립 및 운반 등 많은 분야에서 폭넓게 사용되고 있으며, 제조공정 상에 정교한 작업을 구현할 뿐 아니라 작업의 편의성을 증대하기 위하여 다관절 로봇이 많이 사용되고 있다.

이와 같은, 다관절 로봇은 다양한 운동형태의 구현이 가능하도록 6축으로 구성되는데, 작업도구의 위치를 제어하기 위한 3축과, 자세를 제어하기 위한 3축으로 구분될 수 있으며, 각 축당 서보모터, 엔코더, 감속기, 모터브레이크 등과 같은 고가 부품이 기본적으로 장착되어야 한다.

따라서, 종래의 다관절 로봇은 자세를 제어하기 위한 3축에 여러 부품이 첨가되기 때문에 제어가 어려울 뿐 아니라 비용이 높아지는 문제점이 있다.

그런데, 한국등록특허 제10-0698397호에는 유체를 동력전달 매체로 사용하는 동시에 유압이 직접 팔레트를 구동시키도록 하는 직접 구동방식을 채택한 자동 팔레트 교환장치가 기재되고 있다.

상기의 장치는 샤프트를 유압에 의한 직접 구동방식으로 회전시키게 되는데, 샤프트에 일체로 형성된 베어가 스토퍼에 부딪히면서 그 회전 각도가 한정된다. 이때, 샤프트가 유압에 의해 직접 구동되더라도 유체가 완충될 수 있는 소정의 위어형(weir) 유통부가 구비되기 때문에 부품들 사이의 완충 역할을 하도록 한다.

따라서, 다관절 로봇의 위치제어용 유압 액추에이터는 한국등록특허 제10-0698397호에 적용된 샤프트, 베어 및 스토퍼 구조를 적용하여 유압에 의한 직접 구동방식을 채택할 수 있다.

그런데, 다관절 로봇의 위치제어용 유압 액추에이터는 정밀화, 고속화 및 신뢰성을 높이기 위하여 정밀한 각도 조절이 요구되는데, 베어와 스토퍼 사이의 각도를 조절하더라도 유압 작용을 완충시킬 수 있는 유압유 유통부의 사이즈에 따라 회전각도의 정밀도가 크게 달라질 수 있으며, 위어형(weir) 유압유 유통부의 크기가 클수록 완충 효과가 큰 것으로 판단되지만, 완충 효과가 클수록 샤프트가 1회 이동하는데 걸리는 행정시간이 늘어나는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 유압의 유입 또는 회수 시에 완충시키는 위어형(weir) 유압유 유통부의 크기를 한정하여 완충 효과를 높이는 동시에 샤프트의 회전각도 및 행정시간을 최적화시킬 수 있는 다관절 로봇의 위치제어용 유압 액추에이터를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은, 다관절 로봇의 로봇암을 직접 구동시킬 수 있는 다관절 로봇의 위치제어용 유압 액추에이터에 있어서, 상기 로봇암과 연결되는 중심축이 중공된 원통형 샤프트; 상기 샤프트의 상/하부에 일체로 형성된 상/하측 유압판; 상기 샤프트의 외주면을 일부 감싸도록 상기 상/하측 유압판 사이에 일체로 형성된 베인; 상기 샤프트의 외주면에 배치되어 상기 샤프트의 유동을 제한하는 스토퍼; 상기 샤프트와 스토퍼를 내부에 수용하고 내측에 유압유가 공급 또는 회수되는 유압유포트가 구비된 하우징; 및 상기 하우징에 체결되어 상기 스토퍼를 고정하는 고정암;으로 이루어지고, 상기 베인은, 원주 방향에 위치한 양측면에 원주 방향으로 갈수록 깊이가 작아지고 폭이 좁아지는 위어(weir)형의 유압유 유통부가 구비되고, 상기 유압유 유통부는, 원주방향 길이가 30mm 이하로 한정되는 다관절 로봇의 위치제어용 유압 액추에이터를 제공한다.

본 발명에 따른 다관절 로봇의 위치제어용 유압 액추에이터는 유압의 유입 또는 회수 시에 완충시키는 위어형(weir) 유압유 유통부의 크기를 30mm 이하로 한정함으로써, 유압에 의한 직접 구동을 실현하더라도 완충 효과를 높이는 동시에 샤프트의 회전각도 및 행정시간을 최적화시킬 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 다관절 로봇의 위치제어용 유압 액추에이터의 분해 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 다관절 로봇의 위치제어용 유압 액추에이터의 주요부인 샤프트가 도시된 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 다관절 로봇의 위치제어용 유압 액추에이터의 측단면도.
도 4는 본 발명에 따른 다관절 로봇의 위치제어용 유압 액추에이터의 평단면도.
도 5는 본 발명에 따른 다관절 로봇의 위치제어용 유압 액추에이터의 위어형(weir) 유압유 유통부가 보다 상세히 도시된 도면.
도 6은 본 발명에 따른 다관절 로봇의 위치제어용 유압 액추에이터의 위어형(weir) 유압유 유통부의 원주방향 길이에 따른 충격량과 행정시간이 도시된 그래프.

이하에서는, 본 실시예에 대하여 첨부되는 도면을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다. 다만, 본 실시예가 개시하는 사항으로부터 본 실시예가 갖는 발명의 사상의 범위가 정해질 수 있을 것이며, 본 실시예가 갖는 발명의 사상은 제안되는 실시예에 대하여 구성요소의 추가, 삭제, 변경 등의 실시변형을 포함한다고 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 다관절 로봇의 위치제어용 유압 액추에이터의 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 다관절 로봇의 위치제어용 유압 액추에이터의 주요부인 샤프트가 도시된 사시도이다.

본 발명에 따른 다관절 로봇의 위치제어용 유압 액추에이터는 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이 하우징(10)과, 샤프트(20)와, 스토퍼(30)를 포함하도록 구성된다.

상기 하우징(10)은 상기 샤프트(20)와 스토퍼(30)가 수용되는 공간을 제공하고, 그 사이의 공간으로 유압유를 공급 또는 회수시키는 유압유포트(12)가 구비된다.

상기 샤프트(20)는 회전 가능한 중심축이 중공된 원통형상으로 형성되는데, 베인(21)과, 위어형 유압유 유통부(22)와, 상/하측 유압판(23,24)이 일체로 구비되며, 하기에서 상세히 설명하기로 한다.

상기 스토퍼(30)는 상기 샤프트(20)의 회전운동을 제한하기 위하여 상기 상/하측 유압판(23,24) 사이에서 상기 베인(21)의 일측면 또는 타측면과 맞닿게 설치되며, 상기 하우징(10) 내부에 고정암(11)에 의해 고정된다.

상기 스토퍼(30)의 외부면에는 상기 고정암(11)이 삽입되도록 긴 타원형상의 고정부(31)가 합입 형성된다. 이때, 상기 고정부(31)는 상/하측으로 긴 타원형상으로 형성되어 상기 고정암(11)에 의해 좌/우회동은 제약을 받으나 상/하유동은 상기 고정부(31)와 고정암(11)의 유격 범위 내에서 유동 가능하도록 되어있다.

그런데, 상기 샤프트(20)와 연동됨에 따라 상/하 및 좌/우로 움직이게 되는 로봇암이 연결될 수 있으며, 로봇암 이외에도 팔레트를 비롯하여 다양한 형태의 구현이 가능하다.

상기 샤프트(20)에 일체로 구비된 부분을 상세하게 살펴보면, 다음과 같다.

상기 상/하측 유압판(23,24)은 상기 샤프트의 상/하부에 돌출되도록 일체로 구비된다.

상기 베인(21)은 상기 상/하측 유압판(23,24) 사이에 상기 샤프트(20)의 외주면을 원주 방향으로 일부 감싸도록 구비된다. 이때, 상기 베인(21)은 원주 방향에 위치한 양측면이 구비되고, 상기 스토퍼(30) 역시 원주 방향에 위치한 양측면이 구비된다.

따라서, 상기 베인(21)의 일측면이 상기 스토퍼(30)의 일측면과 맞닿은 다음, 유압에 의해 상기 베인(21)의 타측면이 상기 스토퍼(30)의 타측면과 맞닿도록 움직이고, 이에 따라 상기 샤프트(20)가 일정 각도 범위 내에서 왕복 회전 운동을 할 수 있다.

이때, 상기 베인(21)과 스토퍼(30)의 각도를 조절하면, 상기 베인(21)이 상기 스토퍼(30) 사이에서 움직일 수 있는 이동 각도를 30°, 60°, 90° 한정할 수 있다. 따라서, 다관절 로봇의 위치제어용 유압 액추에이터는 회전 각도를 30°, 60°, 90° 등으로 모듈 박스화시킬 수 있으며, 사용자가 원하는 위치에 원하는 각도로 움직일 수 있도록 모듈화된 다관절 로봇의 위치제어용 유압 액추에이터를 채용할 수 있다.

상기 유압유 유통부(22)는 상기 베인(21)의 일측면과 타측면에 상기 샤프트가 회전되도록 동력을 전달하는 동력전달 매체인 유압유가 유통될 수 있도록 홈 형태로 구비되는데, 사각 위어형의 제1유통(22a)부와, 삼각 위어형의 제2유통부(22b)가 구비될 수 있다.

상기 제1,2유통부(22a,22b)는 상기 베인(21)의 일측면 또는 타측면으로부터 상기 베인(21)의 원주 방향으로 갈수록 깊이가 작아지는 사각 위어형으로 형성되고, 유압유의 공급과 회수가 이루어지는 동안에 유압유의 완충을 돕는다. 이때, 상기 제1유통부(22a)는 상기 베인(21)의 일측면 또는 타측면에서 상부에 구비되고, 상기 제2유통부(22b)는 상기 베인(21)의 일측면 또는 타측면에서 중심부에 구비된다.

물론, 상기 제1,2유통부(22a,22b)는 상기 유압유포트(12)로부터 유압유가 공급 또는 회수되는 과정에서 유압유가 유통되는 공간을 제공하는데, 상기 제1,2유통부(22a,22b)의 크기와 형상에 따라 유통되는 유체의 양과 속도가 증가 내지 감소될 뿐 아니라 이에 따라 충격량과 행정시간이 달라진다.

즉, 상기 제1,2유통부(22a,22b)에 의해 유통되는 유체의 양이 증가하는 경우, 상기 샤프트(20)의 회전속도는 증가하지만, 스토퍼(30)와 베인(21) 사이에 충돌이 발생되고 그로 인해 반력이 발생하게 된다.

그와 반대로 상기 제 1,2유통부(22a,22b)에 의해 유통되는 유체의 양이 감소하는 경우, 상기 샤프트(20)의 회전속도가 감소하지만, 상기 스토퍼(30)와 베인(21) 사이에 충전된 유체가 회수되는 과정에서 회수가 지연되어 반력이 발생하게 된다.

이와 같이, 회전속도와 반력을 고려하여 하기에서 유통부의 크기와 형상을 한정하는 것이 바람직하며, 하기에서 자세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 다관절 로봇의 위치제어용 유압 액추에이터의 측단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 다관절 로봇의 위치제어용 유압 액추에이터의 평단면도이다.

본 발명에 따른 다관절 로봇의 위치제어용 유압 액추에이터의 작동을 도 3 내지 도 4를 참조하여 살펴보면, 상기 하우징(10)에 형성된 유압유포트(12)로부터 상기 스토퍼(30)와 베인(21)의 일측면 사이에 유압유가 공급된 다음, 상기 스토퍼(30)와 상기 베인(21)의 타측면 사이에 충전된 유압유는 상기 하우징(10)의 다른 유압유포트(12)를 통해 회수됨으로써, 상기 샤프트(20)는 회전운동 하게 된다.

이와 반대로, 상기 스토퍼(30)와 상기 베인(21)의 타측면 사이에 유압유가 공급되고 상기 스토퍼(30)와 베인(21)의 일측면에 충전된 유압유가 회수되게 되면 상기 샤프트(20)는 반대로 회전하게 된다.

따라서, 상기 베인(21)과 스토퍼(30)의 각도를 조절하면, 상기 베인(21)이 상기 스토퍼(30) 사이에서 움직일 수 있는 이동 각도를 30°, 60°, 90° 한정할 수 있으며, 사용자가 원하는 위치에 원하는 각도로 움직일 수 있도록 모듈화된 다관절 로봇의 위치제어용 유압 액추에이터를 채용할 수 있다.

그런데, 상기 베인(21)의 일측면 또는 타측면과 상기 스토퍼(30) 사이에 유압유를 공급 또는 회수하는 상기 유압유포트(12)는 상기 베인(21)의 일측면과 타측면에 형성된 제 1유통부(22a)와 제 2유통부(22b)에 대응되도록 상기 하우징(10)에 형성된다.

이때, 상기 상측 유압판(23)의 상측과 하측 유압판(24)의 하측에도 상기 하우징(10)으로부터 유압유가 공급 또는 회수됨으로써, 그 압력에 의해 상기 샤프트(20)는 상·하로 유동하게 된다. 또한, 상기 샤프트(20)는 상기 스토퍼(30)의 외부면에 형성된 고정부(31)와 상기 하우징(10)에 체결되어 상기 스토퍼(30)를 고정한 고정암(11) 사이의 유격 내에서 상·하운동이 이루어진다.

이와 같이, 상기 베인(21), 샤프트(20), 스토퍼(30) 그리고 하우징(10)이 맞닿는 접촉면은 0.05mm의 간격으로 이격되어 유압유의 공급 또는 회수과정에서 상기 유압유가 누설되지 않으며 그로 인해 유압유의 누설을 방지할 목적으로 실링부재를 추가하지 않아도 된다.

아울러 상기 베인(21), 샤프트(20), 스토퍼(30) 그리고 하우징(10)이 맞닿는 접촉면이 0.05mm의 간격으로 이격됨으로써, 공급되는 유압유에 의해 유박이 형성됨으로써 자연 윤활된다.

도 5는 본 발명에 따른 다관절 로봇의 위치제어용 유압 액추에이터의 위어형(weir) 유압유 유통부가 보다 상세히 도시된 도면이다.

상기에서 설명한 베인의 일측면 또는 타측면에서 중간부에 구비된 삼각위어 형상의 유압유 유통부를 기준으로 형상과 수치를 도 5를 참조하여 한정하기로 한다.

상기에서 언급한 바와 같이 유압유 유통부는 유압유 유체를 수용하는 부피에 따라 회전속도와 반력을 좌우하게 되는데, 이를 고려하여 실시예에서는 유압유 유통부의 원주방향 길이(L)는 30mm 이하로 한정되고, 유압유 유통부의 사이각(α)은 60~90°범위로 한정되며, 유압유 유통부의 폭(d)이 5mm 이하로 한정될 수 있다.

이때, 유압유 유통부는 폭(d)과 깊이가 원주 방향으로 갈수록 일정비율로 감소하는 형태로 제작될 수 있다. 따라서, 유압유 유통부를 통하여 유압유 유체를 일정한 속도로 수용하여 안정적인 작동이 가능하다.

그런데, 유압유 유통부를 원주 방향으로 제한된 길이에 걸쳐 형성되는데, 베어의 측면에서 유압유 유통부의 폭(d)이 크게 설계되면, 가공 상의 문제로 인하여 단차진 형상으로 제작될 수 밖에 없다.

따라서, 두 개의 구간(L1,L2)에 걸쳐 폭(d)과 깊이가 원주 방향으로 갈수록 급격히 감소하였다가 완만하게 감소하도록 구성할 수도 있다. 따라서, 유압유 유통부를 통하여 유입유 유체를 초기에 빠른 속도로 수용한 다음, 나중에 느린 속도로 수용하게 된다.

도 6은 본 발명에 따른 다관절 로봇의 위치제어용 유압 액추에이터의 위어형(weir) 유압유 유통부의 원주방향 길이에 따른 충격량과 행정시간이 도시된 그래프이다.

도 6은 유압유 유통부의 원주 방향 길이를 15mm, 20mm, 30mm, 40mm로 제작한 다음, 각 길이가 다른 유압유 유통부가 구비된 샤프트를 채용한 각 다관절 로봇의 위치제어용 유압 액추에이터를 이용하여 베어에 작용하는 충격량(반력)과 샤프트가 1회 회전하는데 걸리는 시간인 행정시간(회전속도)을 살펴본 실험 결과이다.

이때, 동력원은 45kg/cm²를 적용하고, 유량은 18~22ℓ/min을 적용하며, 유압유 유통부가 없는 경우에 베인에 직접 작용하는 충격량을 1000kg으로 적용하고, 베인의 내/외경, 높이를 115φ, 175φ, 80mm로 한정한다.

실험 결과를 살펴보면, 유압유 유통부의 길이(L)가 30mm 이하로 짧아질수록 급격하게 충격량이 줄어드는 것을 볼 수 있다. 하지만, 과도하게 유압유 유통부의 길이(L)가 짧아지면, 행정시간이 과도하게 늘어나는게 되는데, 이는 생산효율을 떨어뜨리기 때문에 유압유 유통부의 길이(L)가 30mm를 기준으로 소정 범위 내에서 더 이상 짧아지지 않도록 형성되는 것이 바람직하다.

따라서, 유압유 유통부의 크기와 형상을 한정함으로써, 샤프트를 유압 직접 구동 방식으로 구동하더라도 완충효과를 높이고, 샤프트의 회전각도를 정확히 구현할 뿐 아니라 회전속도를 최적화시킬 수 있다.

10 : 하우징 20 : 샤프트
30 : 스토퍼

Claims (5)

1. 다관절 로봇의 로봇암을 직접 구동시킬 수 있는 다관절 로봇의 위치제어용 유압 액추에이터에 있어서,
   상기 로봇암과 연결되는 중심축이 중공된 원통형 샤프트;
   상기 샤프트의 상/하부에 일체로 형성된 상/하측 유압판;
   상기 샤프트의 외주면을 일부 감싸도록 상기 상/하측 유압판 사이에 일체로 형성된 베인;
   상기 샤프트의 외주면에 배치되어 상기 샤프트의 유동을 제한하는 스토퍼;
   상기 샤프트와 스토퍼를 내부에 수용하고 내측에 유압유가 공급 또는 회수되는 유압유포트가 구비된 하우징; 및
   상기 하우징에 체결되어 상기 스토퍼를 고정하는 고정암;으로 이루어지고,
   상기 베인은,
   원주 방향에 위치한 양측면에 원주 방향으로 갈수록 깊이가 작아지고 폭이 좁아지는 위어(weir)형의 유압유 유통부가 구비되고,
   상기 유압유 유통부는,
   상기 베인의 양측단면으로부터 원주 방향으로 갈수록 깊이와 폭이 급격히 작아지는 제1구간과,
   상기 제1구간에 연속하여 원주 방향으로 갈수록 깊이와 폭이 상기 제1구간보다 완만하게 작아지는 제2구간으로 나눠지는 다관절 로봇의 위치제어용 유압 액추에이터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 유압유 유통부는,
   삼각 위어형인 다관절 로봇의 위치제어용 유압 액추에이터.
3. 제2항에 있어서,
   상기 유압유 유통부는,
   원주방향 길이가 30mm 이하로 한정되는 다관절 로봇의 위치제어용 유압 액추에이터.
4. 제2항에 있어서,
   상기 유압유 유통부는,
   상기 베인의 양측단면에 생기는 삼삭위어의 사이각(α)이 60 ~ 90°범위로 한정되는 다관절 로봇의 위치제어용 유압 액추에이터.
5. 제2항에 있어서,
   상기 유압유 유통부는,
   상기 베인의 양측단면에 생기는 삼각위어의 폭(d)이 5mm 이하로 한정되는 다관절 로봇의 위치제어용 유압 액추에이터.
   

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