KR101595753B1 - 4축 수직 다관절 로보트 - Google Patents

4축 수직 다관절 로보트 Download PDF

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Abstract

본 발명은 베이스프레임 상에 선회프레임이 1축 모터에 의해 회동 가능하게 연결되고, 상기 선회프레임 상에 관절을 갖는 상부암 및 상기 상부암과 연결된 하부암이 설치되며, 상기 상부암의 선단부에 툴을 구비한 핸드가 연결 설치되고, 상기 상부암과 하부암의 일측에 핸드와 연결된 자세링크가 구비된 4축 수직 다관절 로보트에 있어서, 상기 선회프레임 상에 2축 모터가 설치되고, 후방에 수직으로 설치된 볼스크류가 상기 2축 모터와 동력전달부재에 의해 회전 가능하게 연결되며, 상기 볼스크류의 양측에 수직 가이드가 설치되고, 상기 볼스크류에 연결된 수직이동블록이 상기 수직 가이드를 따라 상하로 이동함으로써 상기 수직이동블록에 하단부가 연결된 상부암의 상하 이동이 가능하게 하며, 상기 선회프레임 상에 3축 모터가 설치되고, 상측에 수평으로 설치된 볼스크류가 상기 3축 모터와 전방의 동력전달부재에 의해 회전 가능하게 연결되며, 상기 볼스크류의 양측에 수평 가이드가 설치되고, 상기 볼스크류에 연결된 수평이동블록이 상기 수평 가이드를 따라 전후로 이동함으로써 상기 수평이동블록에 하단부가 연결된 하부암이 전후로 이동 가능하게 하며, 상기 핸드에 4축 모터가 설치되어 툴이 회전 가능하게 구비되는 것을 특징으로 하는 4축 수직 다관절 로보트를 제공한다.

Description

4축 수직 다관절 로보트{4-AXIS VERTICAL ARTICULATED ROBOT}
본 발명은 4축 수직 다관절 로보트에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하중 분포가 중심에 집중되어 안정적이고, 관성모멘트가 작아서 고속화를 이룰 수 있으며, 텐덤프레스 라인, 핸들링, 팔레타이징 등 다양한 용도로 사용되어 산업 현장에 적용할 수 있는 4축 수직 다관절 로보트에 관한 것이다.
최근 산업 현장에서는 인력을 최소화하고 생산성을 극대화하며 위험 요소를 제거하기 위하여 공정을 자동화하고 있고, 이러한 공정 자동화를 위하여 다양한 산업용 로보트가 사용되고 있다.
이러한 산업용 로보트는 설계자가 원하는 대로 정확한 동작을 하기 위하여 여러 개의 관절이 연결된 다관절 동작에 의해 이송 등의 작업을 수행하는데, 다관절 동작이 이루어지면서 암의 선단부에서 목적으로 하는 동작이 정확히 수행될 수 있도록 하나의 동력원이 아닌 여러 개의 모터와 감속기를 각각의 관절축에 설치하여 각 관절축의 동작이 각 모터에 의해 제어되는 구조로 이루어져 있다.
도 1a는 종래기술에 따른 직렬링크 구조를 사용한 수직 다관절 로보트를 도시한 개략도로서 그 일례가 특허문헌 1에 도시되어 있는 바, 상부암 구동모터(3)가 하부암(4)의 선단부에 설치되어 상부암(2)을 구동하고, 하부암(4)은 베이스(1)에 설치된 하부암 구동모터(5)에 의해 구동되는 구조로 이루어져 있다. 따라서, 상부암과 하부암의 회전각에 제한이 없어 작업 범위가 넓어지는 장점은 있으나, 상부암을 구동하는 회전좌표계가 하부암의 회전에 따라 회전하게 되어 운동학적으로 독립되지 않아 회전좌표계에 의한 코리올리힘이 작용하고, 로보트의 선단부에 과부하가 작용하며, 상부암의 관성모멘트가 하부암 구동모터의 부하로 작용함에 따라 구동모터의 용량이 증가하는 문제가 있다.
도 1b는 종래기술에 따른 평행링크 구조를 사용한 수직 다관절 로보트를 도시한 개략도로서 그 일례가 특허문헌 2에 도시되어 있는 바, 하부암(4)은 베이스(1)에 설치된 하부암 구동모터(5)에 의해 구동되고, 상부암(2)은 하부암(4)에 설치된 상부암 구동모터(3)에 4절링크(6)로 연결되어 작동되며, 4절링크(6)의 수평링크(7)에 웨이트 발란스(8)가 구비된 구조로 이루어져 있다. 따라서, 상부암이 하부암의 회전에 의해 회전하지 않고 이동만 하게 되므로 운동학적으로 독립되어 코리올리힘이 작용하지 않고, 상부암과 로보트의 선단부의 부하의 관성모멘트가 하부암 구동모터의 부하로 작용하지 않으므로 구동모터의 용량을 감소시킬 수 있으나, 전체 관절축에 각각의 모터와 감속기가 설치되어 작동되므로 설비 작동시 관성모멘트가 증가하고, 하중 분포가 분산되어 안정성이 떨어지며, 동작 속도가 빠르지 못한 문제가 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1455532호(2014.10.27. 공개) 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0048870호(2011.05.12. 공개)
본 발명은 1,2,3축의 모터가 로보트의 중앙부에 설치되어 하중 분포가 중심에 집중되어 안정적이고, 설비 구동시 관성모멘트가 작아서 동작 속도가 빨라 고속화를 이룰 수 있으며, 코스트를 절감할 수 있음은 물론, 텐덤프레스 라인, 핸들링, 팔레타이징 등 다양한 용도로 사용되어 산업 현장에 적용할 수 있는 4축 수직 다관절 로보트의 제공에 그 목적이 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 베이스프레임 상에 선회프레임이 1축 모터에 의해 회동 가능하게 연결되고, 상기 선회프레임 상에 관절을 갖는 상부암 및 상기 상부암과 연결된 하부암이 설치되며, 상기 상부암의 선단부에 툴을 구비한 핸드가 연결 설치되고, 상기 상부암과 하부암의 일측에 핸드와 연결된 자세링크가 구비된 4축 수직 다관절 로보트에 있어서, 상기 선회프레임 상에 2축 모터가 설치되고, 후방에 수직으로 설치된 볼스크류가 상기 2축 모터와 동력전달부재에 의해 회전 가능하게 연결되며, 상기 볼스크류의 양측에 수직 가이드가 설치되고, 상기 볼스크류에 연결된 수직이동블록이 상기 수직 가이드를 따라 상하로 이동함으로써 상기 수직이동블록에 하단부가 연결된 상부암의 상하 이동이 가능하게 하며, 상기 선회프레임 상에 3축 모터가 설치되고, 상측에 수평으로 설치된 볼스크류가 상기 3축 모터와 전방의 동력전달부재에 의해 회전 가능하게 연결되며, 상기 볼스크류의 양측에 수평 가이드가 설치되고, 상기 볼스크류에 연결된 수평이동블록이 상기 수평 가이드를 따라 전후로 이동함으로써 상기 수평이동블록에 하단부가 연결된 하부암이 전후로 이동 가능하게 하며, 상기 핸드에 4축 모터가 설치되어 툴이 회전 가능하게 구비되는 것을 특징으로 하는 4축 수직 다관절 로보트를 제공한다.
또한, 상기 상부암은 하단부가 상기 수직이동블록에 축으로 연결되어 상하로 이동하면서 회전 가능하게 구비될 수 있다.
또한, 상기 하부암은 하단부가 상기 수평이동블록에 축으로 연결되어 전후로 이동하면서 회전 가능하게 구비될 수 있다.
또한, 상기 상부암과 하부암은 하부에서 연결링크에 의해 연결될 수 있다.
또한, 상기 1축 모터는, 상기 선회프레임 상의 일측에 설치되되, 모터축에 연결된 제1 회전부재를 구비하고, 중앙에 설치된 제2 회전부재가 상기 제1 회전부재와 연결되며, 상기 제2 회전부재와 축으로 연결된 선회프레임이 회전 가능하게 구비될 수 있다.
또한, 상기 자세링크는 전방에 구비되어 핸드와 연결된 전위링크와, 후방에 구비되어 상기 수평이동블록에 축으로 연결된 후위링크와, 상기 전위링크 및 후위링크를 연결하는 센터링크를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 1,2,3축의 모터가 로보트의 중앙부에 설치되어 하중 분포가 중심에 집중되어 안정적이고, 설비 구동시 관성모멘트가 작아서 동작 속도가 빨라 고속화를 이룰 수 있으며, 코스트를 절감할 수 있음은 물론, 텐덤프레스 라인, 핸들링, 팔레타이징 등 다양한 용도로 사용되어 산업 현장에 적용할 수 있는 효과가 있다.
도 1a는 종래기술에 따른 직렬링크 구조를 사용한 수직 다관절 로보트를 도시한 개략도이다.
도 1b는 종래기술에 따른 평행링크 구조를 사용한 수직 다관절 로보트를 도시한 개략도이다.
도 2a는 본 발명에 따른 4축 수직 다관절 로보트를 도시한 사시도, 도 2b는 측단면도, 도 2c는 배면도, 도 2d는 평면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 4축 수직 다관절 로보트의 각 축의 동작을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 4축 수직 다관절 로보트의 중앙부를 도시한 도면이다.
도 5a 내지 도 5b는 본 발명에 따른 2축의 상하 동작을 위한 구성을 도시한 도면이다.
도 6a 내지 도 6b는 본 발명에 따른 3축의 전후 동작을 위한 구성을 도시한 도면이다.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 4축 수직 다관절 로보트를 실시하기 위한 구체적인 내용에 대하여 실시예를 중심으로 상세하게 설명하도록 하겠다.
도 2a 내지 도 2d를 참고하면, 본 발명에 따른 4축 수직 다관절 로보트는 텐덤프레스 라인, 핸들링, 팔레타이징 등 다양한 용도로 사용될 수 있는 것으로, 1축 모터(210), 2축 모터(220), 및 3축 모터(230)가 로보트의 중앙부에 설치되고 4축 모터(720)만 핸드(700)에 설치되므로, 하중 분포가 중심에 집중되어 안정적이고 설비 구동시 관성모멘트가 작아서 고속화를 이룰 수 있으며, 2축과 3축에는 볼스크류와 LM 가이드 구조가 적용되어 상부암(300)과 하부암(400)의 상하 및 전후 이동이 원활하게 이루어질 수 있다.
이를 위하여, 본 발명의 4축 수직 다관절 로보트는 베이스프레임(100) 상에 선회프레임(200)이 1축 모터(210)에 의해 회동 가능하게 연결되고, 선회프레임(200) 상에 여러 관절들을 갖는 상부암(300) 및 상부암(300)과 연결된 하부암(400)이 설치되며, 상부암(300)과 하부암(400)은 하부에서 연결링크(500)에 의해 연결됨으로써 4절링크와 유사한 구조를 갖는다.
이때, 상기 상부암(300)은 중간관절(340)의 전방에 전위암(310)이 연결되고, 후방에 후위암(320)이 연결된다. 상기 전위암(310)은 후단부가 중간관절(340)에 연결되고 전단부의 전단관절(330)이 핸드(700)에 연결된다. 상기 후위암(320)은 상단부가 중간관절(340)에 연결되고 하단부의 후단관절(350)이 수직이동블록(224)에 연결된다. 상부암(300)의 선단부에 툴(710)을 구비한 핸드(700)가 회전 가능하게 연결 설치된다.
상기 하부암(400)은 상단부의 상단관절(410)이 상부암(300)과 연결되고, 하단부의 하단관절(420)은 수평이동블록(234)에 연결된다.
상기 상부암(300)과 하부암(400)의 일측에 핸드(700)와 연결된 자세링크(600)가 구비된다. 상기 자세링크(600)는 전방에 구비되어 핸드(700)와 연결된 전위링크(610)와, 후방에 구비되어 수평이동블록(234)에 회전축(R)으로 연결된 후위링크(620)와, 전위링크(610) 및 후위링크(620)를 서로 연결하는 센터링크(630)를 포함한다. 예컨대 상기 자세링크(600)는 팔레타이징시 작업 대상이 되는 물품의 위치에 관계없이 핸드(700)를 지면과 항상 수직 상태로 유지하여 핸드의 툴(710)이 물품에 근접하여 집을 수 있도록 하고, 일정한 패턴으로 물품을 적재시킬 수 있다.
또한, 도 3을 참고하면 로보트의 중앙부에 해당하는 선회프레임(200) 상에 1축 모터(210), 2축 모터(220), 및 3축 모터(230)가 설치되어 하중 분포가 중심에 집중되어 안정성을 갖고, 관성모멘트가 작아서 고속화를 이룰 수 있다.
도 4를 참고하면, 상기 1축 모터(210)는, 하중 분포의 안정성을 위하여 선회프레임(200) 상의 일측에 설치되고, 1축 모터(210)의 모터축 하단부에 연결된 제1 회전부재(211)를 구비하며, 선회프레임(200) 상의 중앙에 설치된 제2 회전부재(212)가 제1 회전부재(211)와 직접 접촉되어 마찰력에 의해 회전력을 전달하거나 기어 연결에 의한 치합 등으로 함께 회전하고, 제2 회전부재(212)와 축으로 연결된 선회프레임(200)이 베이스프레임(100)에 대하여 회전한다.
도 5a 및 도 5b를 참고하면, 상기 2축 모터(220)는 선회프레임(200) 상의 타측에 설치되고, 선회프레임(200)의 후방에는 볼스크류와 LM 가이드 구조가 적용되어 상부암(300)의 상하 이동이 원활하게 이루어진다.
이를 위하여, 상기 선회프레임(200)의 후방에 수직으로 설치된 볼스크류(222)가 2축 모터(220)의 모터축과 동력전달부재에 의해 회전 가능하게 연결된다. 예컨대, 2축 모터(220)의 모터축의 하단부에 풀리(P)가 연결되고, 볼스크류(222)의 하단부에 또 다른 풀리(P)가 연결되며 양 풀리(P) 사이에 벨트(미도시)가 연결되어 2축 모터(200)의 구동력을 볼스크류(222)에 전달하여 회전시킬 수 있다.
또한, 상기 볼스크류(222)의 양측에 수직 가이드(223)가 설치되고, 볼스크류(222)가 수직이동블록(224)의 전방 연결부(224a)를 관통하여 연결되며, 수직이동블록(224)의 양측부가 수직 가이드(223)의 후방면에서 상하로 직선 이동 가능하게 연결된다.
또한, 상기 상부암(300) 하단부의 후단관절(350)이 수직이동블록(224)에 연결된다. 보다 상세하게는 상기 수직이동블록(224)의 전방 양측에 지지브라켓(B)이 결합되고, 지지브라켓(B)의 사이에 회전축(R)이 결합되며, 후단관절(350)이 상기 회전축(R)에 회전 가능하게 결합된다. 이로써, 볼스크류(222)에 연결된 수직이동블록(224)이 수직 가이드(223)를 따라 상하 이동함으로써 상부암(300)도 상하로 이동하면서 후단관절(350)을 통해 회전 가능하게 구비되고, 상부암(300)과 연결된 하부암(400)도 연동되어 동작하므로 작업을 위한 신속하고 원활한 동작이 가능해진다.
도 6a 및 도 6b를 참고하면, 상기 3축 모터(230)는 선회프레임(200) 상의 전방에 설치되고, 선회프레임(200)의 상측에는 볼스크류와 LM 가이드 구조가 적용되어 하부암(400)의 전후 이동이 원활하게 이루어지고, 하부암(400)이 전후 방향으로 이동함에 따라 연결링크(500)로 연결된 후위암(320) 및 상단관절(410)로 연결된 전위암(310)도 함께 연동되어 동작하게 된다.
이를 위하여, 상기 선회프레임(200)의 상측에 수평으로 설치된 볼스크류(232)가 3축 모터(230)의 모터축과 동력전달부재에 의해 회전 가능하게 연결된다. 예컨대, 3축 모터(230)의 모터축의 전단부에 풀리(P)가 연결되고, 볼스크류(232)의 전단부에 또 다른 풀리(P)가 연결되며, 양 풀리(P)의 사이에 벨트(미도시)가 연결되어 3축 모터(230)의 구동력을 볼스크류(232)에 전달하여 회전시킬 수 있다.
또한, 상기 볼스크류(232)의 양측에 수평 가이드(233)가 설치되고, 볼스크류(232)가 수평이동블록(234) 하부의 연결부(234a)를 관통하여 연결되며, 수평이동블록(234)의 양측부가 수평 가이드(233) 상에서 전후로 직선 이동 가능하게 연결된다.
또한, 상기 하부암(400) 하단부의 하단관절(420)이 수평이동블록(234)에 연결된다. 보다 상세하게는 상기 수평이동블록(234) 상의 양측에 지지브라켓(B)이 결합되고, 지지브라켓(B)의 사이에 회전축(R)이 결합되며, 하단관절(420)이 상기 회전축(R)에 결합된다. 이로써, 볼스크류(232)에 연결된 수평이동블록(234)이 수평 가이드(233)를 따라 전후 방향으로 이동함으로써 하부암(400)도 전후로 이동하면서 하단관절(420)을 통해 회전 가능하게 구비되고 이에 따라 하부암(400)과 연결된 상부암(300)도 연동되어 동작하므로 작업을 위한 신속하고 원활한 동작이 가능하다.
더불어, 상기 후위링크(620)의 하단부에는 지지링크(640)가 연결되고, 상기 지지링크(640)는 상기 수평이동블록(234)에 설치된 회전축(R)에 회전 가능하게 연결 설치되며, 이로써 상기 수평이동블록(234)의 이동에 따라 상기 자세링크(600)도 함께 동작하게 된다.
아울러, 상기 핸드(700)에 4축 모터(720)가 설치되고, 하부에는 물품을 집는 툴(710)이 구비되며, 4축 모터(720)의 구동에 의해 툴(710)이 회전하게 된다.
결국, 본 발명에 따른 4축 수직 다관절 로보트는 1,2,3축의 모터가 로보트의 중앙부에 설치되어 하중 분포가 중심에 집중되어 안정적이고, 설비 구동시 관성모멘트가 작아서 동작 속도가 빨라 고속화를 이룰 수 있으며, 코스트를 절감할 수 있음은 물론, 텐덤프레스 라인, 핸들링, 팔레타이징 등 다양한 용도로 사용되어 산업 현장에 쉽게 적용할 수 있는 것이다.
본 발명에서 상기 실시 형태는 하나의 예시로서 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 갖고 동일한 작용효과를 이루는 것은 어떠한 것이라도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.
* 종래기술
1. 베이스 2. 상부암
3. 상부암 구동모터 4. 하부암
5. 하부암 구동모터 6. 4절링크
7. 수평링크 8. 웨이트 발란스
* 본 발명
100. 베이스프레임 200. 선회프레임
210. 1축 모터 211. 제1 회전부재
212. 제2 회전부재 220. 2축 모터
222. 볼스크류 223. 수직 가이드
224. 수직이동블록 224a. 연결부
230. 3축 모터 232. 볼스크류
233. 수평 가이드 234. 수평이동블록
234a. 연결부 300. 상부암
310. 전위암 320. 후위암
330. 전단관절 340. 중간관절
350. 후단관절 400. 하부암
410. 상단관절 420. 하단관절
500. 연결링크 600. 자세링크
610. 전위링크 620. 후위링크
630. 센터링크 640. 지지링크
700. 핸드 710. 툴
720. 4축 모터 B. 지지브라켓
P. 풀리 R. 회전축

Claims (6)

  1. 베이스프레임 상에 선회프레임이 1축 모터에 의해 회동 가능하게 연결되고, 상기 선회프레임 상에 관절을 갖는 상부암 및 상기 상부암과 연결된 하부암이 설치되며, 상기 상부암의 선단부에 툴을 구비한 핸드가 연결 설치되고, 상기 상부암과 하부암의 일측에 핸드와 연결된 자세링크가 구비된 4축 수직 다관절 로보트에 있어서,
    상기 선회프레임 상에 2축 모터가 설치되고, 후방에 수직으로 설치된 볼스크류가 상기 2축 모터와 동력전달부재에 의해 회전 가능하게 연결되며, 상기 볼스크류의 양측에 수직 가이드가 설치되고, 상기 볼스크류에 연결된 수직이동블록이 상기 수직 가이드를 따라 상하로 이동함으로써 상기 수직이동블록에 하단부가 연결된 상부암의 상하 이동이 가능하게 하며,
    상기 선회프레임 상에 3축 모터가 설치되고, 상측에 수평으로 설치된 볼스크류가 상기 3축 모터와 전방의 동력전달부재에 의해 회전 가능하게 연결되며, 상기 볼스크류의 양측에 수평 가이드가 설치되고, 상기 볼스크류에 연결된 수평이동블록이 상기 수평 가이드를 따라 전후로 이동함으로써 상기 수평이동블록에 하단부가 연결된 하부암이 전후로 이동 가능하게 하며,
    상기 핸드에 4축 모터가 설치되어 툴이 회전 가능하게 구비되는 것을 특징으로 하는 4축 수직 다관절 로보트.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 상부암은 하단부가 상기 수직이동블록에 축으로 연결되어 상하로 이동하면서 회전 가능하게 구비된 것을 특징으로 하는 4축 수직 다관절 로보트.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 하부암은 하단부가 상기 수평이동블록에 축으로 연결되어 전후로 이동하면서 회전 가능하게 구비된 것을 특징으로 하는 4축 수직 다관절 로보트.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 상부암과 하부암은 하부에서 연결링크에 의해 연결된 것을 특징으로 하는 4축 수직 다관절 로보트.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 1축 모터는, 상기 선회프레임 상의 일측에 설치되되, 모터축에 연결된 제1 회전부재를 구비하고, 중앙에 설치된 제2 회전부재가 상기 제1 회전부재와 연결되며, 상기 제2 회전부재와 축으로 연결된 선회프레임이 회전 가능하게 구비된 것을 특징으로 하는 4축 수직 다관절 로보트.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 자세링크는 전방에 구비되어 핸드와 연결된 전위링크와, 후방에 구비되어 상기 수평이동블록에 축으로 연결된 후위링크와, 상기 전위링크 및 후위링크를 연결하는 센터링크를 포함하는 4축 수직 다관절 로보트.
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