KR101452438B1

KR101452438B1 - 로봇 관절 구동장치

Info

Publication number: KR101452438B1
Application number: KR1020140045533A
Authority: KR
Inventors: 윤동원; 박찬훈; 김세영
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2014-04-16
Filing date: 2014-04-16
Publication date: 2014-10-23

Abstract

본 발명은 볼트 및 너트 구조를 통한 나사방식으로 모터의 회전운동을 선형으로 변환하여 랙기어를 직선이동시키고 최종적으로는 피니언 기어를 회전시켜 로봇 관절을 구동하는 로봇 관절 구동장치가 개시된다.
본 발명은 회전력을 제공하고 중공을 형성하는 동력발생부와, 상기 동력발생부의 회전력을 높이도록 상기 동력발생부 선단의 회전축과 연결되고, 내주면에 나사산이 형성된 중공 형태의 감속기와, 중심부의 외측면에 나사산이 형성된 원주형상으로 이루어지고, 상기 중심부가 상기 감속기에 끼워져 상기 감속기의 회전동작에 따라 선형으로 이동하는 볼트부재와, 상기 볼트부재의 선단에 고정되는 랙기어와, 상기 랙기어와 맞물리도록 상기 랙기어의 하부에 연결되고, 상기 랙기어의 직선이동과 연동하여 회전하는 피니언기어를 포함하는 로봇 관절 구동장치에 관한 것이다.

Description

로봇 관절 구동장치{joint drive device for robot}

본 발명은 로봇 관절 구동장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 볼트 및 너트 구조를 통한 나사방식으로 모터의 회전운동을 선형으로 변환하여 랙기어를 직선이동시키고 최종적으로는 피니언 기어를 회전시켜 로봇 관절을 구동하는 로봇 관절 구동장치에 관한 것이다.

주지된 바와 같이 근래들어 가정용, 군사용, 산업용의 목적으로 2족 보행, 4족 보행 등이 가능한 다양한 형태의 로봇이 개발되고 있다.

이와 같은 로봇은 관절의 운동을 통해 달리기, 걷기 등의 보행동작 뿐만 아니라 다양한 동작을 구현하게 된다.

관절을 구동하는 방식으로는 모터 및 모터에 연결된 감속기를 이용하여 관절을 구동하는 방식과 와이어를 이용하여 관절을 구동하는 방식이 있다.

감속기를 이용하는 관절 구동 방식은 모터 및 기어 등이 마련되어 있다. 이 관절 구동 방식은 모터의 토크를, 기어 열에 의하여 감속하는 것으로 토크를 증가시켜서 출력축에 토크를 전하는 구성으로 되어 있다.

여기에서 사용 되어 있는 기어는, 주로 평기어 또는 웜기어 등을 사용하고 있으며, 이러한 기어들은 모터와 연동되어 회전하면거 모터의 회전력을 키우거나, 모터의 회전방향을 바꾸는 기능만을 하기 때문에 모터가 고속으로 구동할 시 열이 발생하게 되고, 큰 하중이 발생하게 되면 전단력 등의 이율 쉽게 파손되는 단점이 있었다.

또한, 로봇의 구동 중이나, 외력에 의하여 로봇으로 충격이나 하중이 가해질 경우 모터 또는 감속기에 충격이 전달되어 구동장치가 고장 나거나 파손되는 상황이 발생하는 문제점도 있었다.

한국공개특허 10-2011-0082710

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 모터의 회전력을 로봇의 관절로 전달하기 위해, 모터의 회전운동을 직선운동으로 바꾸어 전달하는 방식을 구현하여 동력전달부재의 회전에 따른 발열을 최소화 하고, 로봇의 관절에 충격 또는 하중이 가해지더라도 의연하게 대처할 수 있는 로봇 관정 구동장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 회전력을 제공하고 중공을 형성하는 동력발생부와, 상기 동력발생부의 회전력을 높이도록 상기 동력발생부 선단의 회전축과 연결되고, 내주면에 나사산이 형성된 중공 형태의 감속기와, 중심부의 외측면에 나사산이 형성된 원주형상으로 이루어지고, 상기 중심부가 상기 감속기에 끼워져 상기 감속기의 회전동작에 따라 선형으로 이동하는 볼트부재와, 상기 볼트부재의 선단에 고정되는 랙기어와, 상기 랙기어와 맞물리도록 상기 랙기어의 하부에 연결되고, 상기 랙기어의 직선이동과 연동하여 회전하는 피니언기어를 포함하는 로봇 관절 구동장치를 제공한다.

전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서, 회전력을 제공하고 중공을 형성하는 동력발생부와, 상기 동력발생부의 선단에 배치되고 상기 동력발생부의 회전축과 연결되어 상기 동력발생부의 회전력을 높이는 중공의 감속기와, 상기 감속기의 선단에 연결되고, 중공을 형성하며, 상기 중공의 내측면에는 나사산이 형성된 너트부재와, 중심부의 외측면에 나사산이 형성된 원주형상으로 이루어지고, 상기 중심부가 상기 너트부재에 끼워져 상기 너트부재의 회전동작에 따라 선형으로 이동하는 볼트부재와, 상기 볼트부재의 선단에 고정되는 랙기어와, 상기 랙기어와 맞물리도록 상기 랙기어의 하부에 연결되고, 상기 랙기어의 직선이동과 연동하여 회전하는 피니언기어를 포함하는 로봇 관절 구동장치를 제공한다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 모터의 회전력을 로봇의 관절로 전달하기 위해, 모터의 회전운동을 직선운동으로 바꾸어 전달하는 방식을 구현하여 동력전달부재의 회전에 따른 발열을 최소화 하고, 로봇의 관절에 충격 또는 하중이 가해지더라도 의연하게 대처할 수 있다

또한, 외부로부터 충격 및 하중이 입력되더라도 자체적으로 이를 흡수 및 제진할 수 있어 장치에 가해지는 외란을 최소화하여 장치의 고장률을 낮추고 장치의 수명을 연장할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 로봇 관절 구동장치의 사시도,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 로봇 관절 구동장치의 분리사시도,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 로봇 관절 구동장치의 단면도,
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 로봇 관절 구동장치의 사시도,
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 로봇 관절 구동장치의 분리사시도,
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 로봇 관절 구동장치의 단면도이다.

본 발명에 따른 로봇 관절 구동장치는 볼트 및 너트 구조를 통한 나사방식으로 모터의 회전운동을 선형으로 변환하여 랙기어를 직선이동시키고 최종적으로는 피니언 기어를 회전시켜 로봇 관절을 구동하는 것으로, 그 일 실시예를 도 1 내지 도 3에 나타내 보였다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 로봇 관절 구동장치의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 로봇 관절 구동장치의 분리사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 로봇 관절 구동장치의 단면도이다.

본 발명은 로봇의 관절을 구동하도록 로봇 내부에 장착되는 로봇 관절 구동장치로서, 중공의 동력발생부(100), 중공의 감속기(200), 회전운동을 직선운동으로 변환하는 볼트부재(300) 및 직선운동을 회전운동을 변환하는 랙피니언기어(410,420)를 포함한다.

동력발생부(100)는 중공(110)을 형성하고, 상기 감속기(200)에 회전력을 제공한다. 일례로, 상기 동력발생부(100)는 중공(110)을 형성하는 회전모터로 구비될 수 있다. 상기와 같이 동력발생부(100)에 중공(110)이 형성됨에 따라 후술되는 볼트부재(300)의 후단은 상기 동력발생부(100)의 중공(110)에 끼워질 수 있어 동력발생부(100)의 간섭 없이 직선방향으로 왕복이동할 수 있다.

감속기(200)는 후술되는 상기 동력발생부(100)와 마찬가지로 볼트부재(300)가 관통되는 중공(210)을 형성한다. 상기 감속기(200)는 상기 동력발생부(100)의 선단에 배치되고 상기 동력발생부(100)의 회전축(120)과 연결되어 상기 동력발생부(100)의 회전속도는 낮추고, 회전력(torque)은 높이는 역할을 한다. 상기 감속기(200)의 내주면에는 나사산(220)이 형성된다.

한편, 상기 감속기(200)는 상기 동력발생부(100)의 회전축(120)과 연동하여 회전하기 때문에 회전동작하는데 주변에 간섭이 발생하지 않도록 회전공간이 여유있게 확보된 상태에서 회전이 이루어져야한다.

볼트부재(300)는 중심부의 외측면에 나사산(310)이 형성된 원주형상으로 이루어지고, 상기 중심부가 상기 감속기(200)에 끼워져 상기 감속기(200)의 회전동작에 따라 선형으로 이동할 수 있다. 상기 볼트부재(300)는 상기 감속기(200)에 끼워진 상태이기 때문에, 볼트 너트 원리에 의해 상기 감속기(200)의 회전방향에 따라 양방향으로 직선이동할 수 있다. 일례로, 상기 감속기(200)가 시계방향으로 회전하면 볼트부재(300)는 전진하고, 감속기(200)가 반시계방향으로 회전하면 볼트부재(300)는 후진하도록 설계될 수 있다.

상기 볼트부재(300)의 선단에는 길이방향을 따라 기어치가 형성된 랙기어(410)가 고정된다. 여기서, 상기 랙기어(410)와 볼트부재(300)가 별도의 구성인 것으로로 설명하였지만, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니며 랙기어(410)와 볼트부재(300)는 한몸으로 제작될 수 있다.

또한, 상기 랙기어(410)의 하측에는 상기 랙기어(410)와 맞물리는 피니언기어(420)가 배치되고, 상기 피니언기어(420)는 상기 랙기어(410)의 직선이동과 연동하여 회전한다. 이러한 피니언기어(420)의 회전동작은 로봇의 관절을 회전시키는 동력원으로 공급된다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 로봇 관절 구동장치의 작동과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 동력발생부(100)에 전원이 공급되면 동력발생부(100)는 회전하게 되고, 상기 동력발생부(100)의 회전축(120)과 연결된 감속기(200)는 토크가 증가되면서 동력발생부(100)와 동시에 회전하게 된다.

이때, 상기 감속기(200)의 중공(210)에 볼트 너트방식으로 체결된 볼트부재(300)는 감속기(200)의 회전과 연동하여 직선으로 이동한다. 상기 볼트부재(300)의 후단은 상기 동력발생부(100)의 중공(110)을 관통한 상태이기 때문에 동력발생부(100)의 간섭없이 직선이동이 가능하다. 한편, 상기 동력발생부(100)의 회전방향에 따라 볼트부재(300)의 이동방향은 변경될 수 있다. 상기 볼트부재(300)의 선단에는 랙기어(410)가 형성되어 볼트부재(300)와 함께 직선방향으로 전진 또는 후진하게되고, 랙기어(410)의 하측에 맞물린 피니언기어(420)는 랙기어(410)의 직선이동과 연동하여 회전하게되며, 이 회전동작을 통해서 로봇의 관절이 작동될 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 로봇 관절 구동장치의 사시도이고, 도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 로봇 관절 구동장치의 분리사시도이며, 도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 로봇 관절 구동장치의 단면도이다.

도4 내지 도 에 도시된 바와 같이 본 발명의 다른 실시 예에 따른 로봇 관절 구동장치는 중공의 동력발생부(100), 중공의 감속기(200), 볼트부재(300), 랙피니언기어(410,420) 및 중공의 너트부재(500)를 포함한다.

동력발생부(100)는 중공(110)을 형성하고, 상기 감속기(200)에 회전력을 제공한다. 일례로, 상기 동력발생부(100)는 중공(110)을 형성하는 모터로 구비될 수 있다. 상기와 같이 동력발생부(100)에 중공(110)이 형성됨에 따라 후술되는 볼트부재(300)의 후단은 상기 동력발생부(100)의 중공(110)에 끼워져 간섭 없이 직선으로 이동할 수 있다.

감속기(200)는 후술되는 볼트부재(300)가 관통되는 중공(210)을 형성한다. 상기 감속기(200)는 상기 동력발생부(100)의 선단에 배치되고 상기 동력발생부(100)의 회전축(120)과 연결되어 상기 동력발생부(100)의 회전력(torque)을 높이는 역할을 한다. 상기와 같이 감속기(200)에 중공(210)이 형성됨에 따라 후술되는 볼트부재(300)의 후단은 상기 감속기(200)의 중공(210)에 끼워져 간섭 없이 직선으로 이동할 수 있다. 너트부재(500)는 상기 감속기(200)의 선단에 연결되고, 중공(510)을 형성하며, 상기 중공(510)의 내측면에는 나사산(520)이 형성된다.

한편, 상기 너트부재(500)와 감속기(200)는 상기 동력발생부(100)의 회전축(120)과 연동하여 회전하기 때문에 회전동작하는데 간섭이 발생하지 않도록 회전공간이 여유있게 확보된 상태에서 회전이 이루어져야할 것이다 .

볼트부재(300)는 중심부의 외측면에 나사산(310)이 형성된 원주형상으로 이루어지고, 상기 중심부가 상기 너트부재(500)에 끼워져 상기 너트부재(500)의 회전동작에 따라 선형으로 이동한다. 상기 볼트부재(300)는 상기 너트부재(500)에 끼워진 상태이기 때문에, 볼트 너트 원리에 의해 상기 너트부재(500)의 회전방향에 따라 양방향으로 직선이동할 수 있다.

일례로, 상기 너트부재(500)가 시계방향으로 회전하면 볼트부재(300)는 전진하고, 너트부재(500)가 반시계방향으로 회전하면 볼트부재(300)는 후진하도록 설계될 수 있다.

먼저, 동력발생부(100)에 전원이 공급되면 동력발생부(100)는 회전하게 되고, 상기 동력발생부(100)의 회전축(120)과 연결된 감속기(200) 및 너트부재(500)는 토크가 증가되면서 동력발생부(100)와 동시에 회전하게 된다.

이때, 상기 너트부재(500)의 중공(510)에 볼트 너트방식으로 체결된 볼트부재(300)는 너트부재(500)의 회전과 연동하여 직선으로 이동한다. 상기 볼트부재(300)의 후단은 상기 동력발생부(100)와 감속기(200)의 중공(110,210)을 관통한 상태이기 때문에 동력발생부(100)와 감속기(200)의 간섭없이 직선이동이 가능하다.

한편, 상기 너트부재(500)의 회전방향에 따라 볼트부재(300)의 이동방향은 변경될 수 있다. 상기 볼트부재(300)의 선단에는 랙기어(410)가 형성되어 볼트부재(300)와 함께 직선방향으로 전진 또는 후진하게되고, 랙기어(410)의 하측에 맞물린 피니언기어(420)는 랙기어(410)의 직선이동과 연동하여 회전하게되며, 이 회전동작을 통해서 로봇의 관절이 작동될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 동력발생부(100)와 상기 감속기(200) 사이에 완충을 위해 개재되는 탄성부재(600)를 포함한다.

상기 탄성부재(600)는 로봇의 작동과정에서 관절을 통해 감속기(200) 및 볼트부재(300)로 가해지는 하중 및 충격을 완충시킬 수 있는 범위에서 다양한 실시 예가 발생할 수 있다.

일례로, 상기 탄성부재(600)는 코일스프링으로 구비될 수 있으며, 이 밖에도 댐퍼를 비롯하여 다양한 변형예가 발생할 수 있다.

또한, 상기 탄성부재(600)는 상기 동력발생부(100)와 상기 감속기(200) 사이는 물론, 감속기(200) 및 볼트부재(300)로 가해지는 하중 및 충격이 더욱 감쇠될 수 있도록 상기 감속기(200)와 후술되는 커버(700)의 내측면 사이에 개재될 수 있고, 나아가 너트부재(500)와 감속기(200) 사이에도 개재될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 동력발생부(100)와 감속기(200)와 볼트부재(300)는 내부에 수용공간(S)을 갖는 원통형의 커버(700)에 수용되며, 상기 커버(700)의 내주면에는 상기 볼트부재(300)의 나사산이 형성되지 않은 선단 또는 후단을 지지하도록 저널베어링(800)이 장착된다.

전술한 바와 같이 상기 커버(700)의 내측면의 선단과 후단에는 각각 저널베어링(800)이 장착될 수 있다. 상기 저널베어링(800)은 상기 볼트부재(300)의 선단과 후단을 지지하여 볼트부재(300)가 직선상태를 유지하면서 왕복이동할 수 있도록 가이드한다.

변형예로, 상기 커버(700)는 랙기어(410)와 피니언기어(420)까지도 내측 수용공간(S)에 수용할 수 있다. 또한, 상기 동력발생부(100)의 외주면은 상기 커버(700)의 내측면에 고정될 수 있다. 또한, 상기 감속기(200) 및 너트부재(500)는 상기 커버(700)의 내측면에 베어링 등의 수단을 통해서 회전 가능하게 지지될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 동력발생부(100)는, 중공을 갖는 링형상의 프레임과, 상기 프레임의 내주면에 배치된 중공의 고정자와, 상기 고정자의 내부에 설치되며, 상기 고정자와 작용하여 회전하는 중공의 회전자를 포함한다. 상기 회전자의 선단은 회전축과 연결되거나, 회전축으로 작용하여 감속기(200)와 연결될 수 있다.

일례로, 상기 고정자는 복수의 코일이 권선된 상태이며, 상기 프레임의 내측면에 방사형으로 고정될 수 있다. 한편, 회전자는 상기 고정자와 물리적으로 이격된 상태로 중심부에 배치되고 상기 고정자와 마주하도록 영구자석이 방사형으로 배치된 상태로서 중공을 형성한다. 상기 고정자의 양단에 서로 다른 극성의 전류가 공급되면 고정자 주변에는 자기장이 형성되어 영구자석을 포함하는 회전자가 인력과 척력에 의해 회전하면서 회전력을 제공하게 된다. 상기 프레임과, 고정자와, 회전자는 모두 중공을 형성하여 결과적으로 동력발생부(100)에는 중공(110)이 형성될 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, 동력발생부(100)의 회전력을 로봇의 관절로 전달하기 위해, 동력발생부(100)의 회전운동을 직선운동으로 바꾸어 전달하는 방식을 구현하여 기어의 회전에 따른 발열을 최소화 하고, 로봇의 관절에 충격 또는 하중이 가해지더라도 의연하게 대처할 수 있다. 또한, 외부로부터 충격 및 하중이 입력되더라도 자체적으로 이를 흡수 및 제진할 수 있어 장치에 가해지는 외란을 최소화하여 장치의 고장률을 낮추고 장치의 수명을 연장할 수 있는 장점이 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

100 : 동력발생부 200 : 감속기
210 : 중공 220 : 나사산
300 : 볼트부재 310 : 나사산
410 : 랙기어 420 : 피니언기어
500 : 너트부재 510 : 중공
520 : 나사산 600 : 탄성부재
700 : 커버 800 : 저널베어링

Claims

로봇의 관절을 구동하도록 로봇 내부에 장착되는 로봇 관절 구동장치에 있어서,
회전력을 제공하고 중공을 형성하는 동력발생부;
상기 동력발생부의 회전력을 높이도록 상기 동력발생부 선단의 회전축과 연결되고, 내주면에 나사산이 형성된 중공 형태의 감속기;
중심부의 외측면에 나사산이 형성된 원주형상으로 이루어지고, 상기 중심부가 상기 감속기에 끼워져 상기 감속기의 회전동작에 따라 선형으로 이동하는 볼트부재;
상기 볼트부재의 선단에 고정되는 랙기어;
상기 랙기어와 맞물리도록 상기 랙기어의 하부에 연결되고, 상기 랙기어의 직선이동과 연동하여 회전하는 피니언기어;를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 구동장치.
로봇의 관절을 구동하도록 로봇 내부에 장착되는 로봇 관절 구동장치에 있어서,
회전력을 제공하고 중공을 형성하는 동력발생부;
상기 동력발생부의 선단에 배치되고 상기 동력발생부의 회전축과 연결되어 상기 동력발생부의 회전력을 높이는 중공의 감속기;
상기 감속기의 선단에 연결되고, 중공을 형성하며, 상기 중공의 내측면에는 나사산이 형성된 너트부재;
중심부의 외측면에 나사산이 형성된 원주형상으로 이루어지고, 상기 중심부가 상기 너트부재에 끼워져 상기 너트부재의 회전동작에 따라 선형으로 이동하는 볼트부재;
상기 볼트부재의 선단에 고정되는 랙기어;
상기 랙기어와 맞물리도록 상기 랙기어의 하부에 연결되고, 상기 랙기어의 직선이동과 연동하여 회전하는 피니언기어;를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 구동장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 동력발생부와 상기 감속기 사이에 완충을 위해 개재되는 탄성부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 구동장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 동력발생부와 감속기와 볼트부재는 내부에 수용공간을 갖는 원통형의 커버에 수용되며, 상기 커버의 내주면에는 상기 볼트부재의 나사산이 형성되지 않은 선단 또는 후단을 지지하도록 저널베어링이 장착된 것을 특징으로 하는 로봇 관절 구동장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
상기 동력발생부는:
중공을 갖는 링형상의 프레임;
상기 프레임의 내주면에 배치된 중공의 고정자;
상기 고정자의 내부에 설치되며, 상기 고정자와 작용하여 회전하는 중공의 회전자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 구동장치.