KR101687627B1

KR101687627B1 - 관절구동장치 및 이를 가지는 로봇

Info

Publication number: KR101687627B1
Application number: KR1020100002580A
Authority: KR
Inventors: 김광준; 심영보; 김정훈
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2010-01-12
Filing date: 2010-01-12
Publication date: 2016-12-21
Also published as: US20110167946A1; KR20110082710A; US8425363B2

Abstract

본 발명의 일 측면은 백래시가 발생하지 않고 매끄럽게 동작할 수 있도록 하는 관절구동장치 및 이를 가지는 로봇에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 관절구동장치는 링 형태로 마련되는 인터널 기어와, 인터널 기어의 중심에 배치되며 동력원에 연결되는 메인 풀리와, 메인 풀리의 양쪽에서 인터널 기어에 맞물리는 제1 및 제2피니언 기어와, 제1 및 제2피니언 기어에 각각 체결되는 제1 및 제2풀리와, 상기 메인 풀리와 제1 및 제2풀리를 각각 연결하는 제1 및 제2벨트와, 제1 및 제2벨트의 장력을 조절하는 장력조절유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

관절구동장치 및 이를 가지는 로봇{ROBOT JOINT DRIVING APPARATUS AND ROBOT HAVING THE SAME}

본 발명은 기어 열을 가지는 관절구동장치 및 이를 가지는 로봇에 관한 것으로, 더욱 상세하기는 백래시가 발생하지 않고 매끄럽게 동작할 수 있도록 하는 관절구동장치 및 이를 가지는 로봇에 관한 것이다.

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, 서로 맞물리는 다른 기어와의 사이에 틈이 있기 때문에 한 기어로부터 다른 기어에 대하여 토크가 전달되지 않은 상태, 소위 백래시(backlash)가 발생하게 되는 문제가 있다.

본 발명의 일 측면은 백래시가 발생하지 않고 매끄럽게 동작할 수 있도록 하는 관절구동장치 및 이를 가지는 로봇에 관한 것이다.

본 발명의 다른 측면은 인터널 기어을 적용하여 컴팩트하게 설계될 수 있도록 한 관절구동장치 및 이를 가지는 로봇에 관한 것이다.

본 발명의 또 다른 측면은 한 쌍의 타이밍 벨트를 적용하여 외부의 충격을 그대로 기어 치면에 전달하지 않도록 하는 관절구동장치 및 이를 가지는 로봇에 관한 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 관절구동장치는 링 형태로 마련되는 인터널 기어와, 인터널 기어의 중심에 배치되며 동력원에 연결되는 메인 풀리와, 메인 풀리의 양쪽에서 인터널 기어에 맞물리는 제1 및 제2피니언 기어와, 제1 및 제2피니언 기어에 각각 체결되는 제1 및 제2풀리와, 상기 메인 풀리와 제1 및 제2풀리를 각각 연결하는 제1 및 제2벨트와, 제1 및 제2벨트의 장력을 조절하는 장력조절유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 장력조절유닛은 메인 풀리의 제1측에 마련되어 제1 및 제2벨트의 장력을 조절하는 제1장력조절유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 장력조절유닛은 메인 풀리의 제1측과 반대방향인 제2측에 마련되어 제1 및 제2타이밍 벨트의 장력을 조절하는 제2장력조절유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 제1장력조절유닛은 제1벨트의 장력을 조절하는 제1A장력조절유닛과, 제2벨트의 장력을 조절하는 제1B장력조절유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 제2장력조절유닛은 제1벨트의 장력을 조절하는 제2A장력조절유닛과, 제2벨트의 장력을 조절하는 제2B장력조절유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 장력조절유닛은 브라켓과, 브라켓의 일측에서 상기 제1벨트 또는 제2벨트 중 적어도 어느 하나를 가압하는 부시와, 브라켓의 내부에 형성되어 체결수단이 결합되는 나사 결합공을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 메인 풀리, 제1 및 제2풀리, 제1 및 제2벨트는 각각 기어치를 가지는 것을 특징으로 한다.

또한, 제1장력조절유닛과 제2장력조절유닛은 서로 교대로 사용되어 인터널 기어와 제1 및 제2피니언 기어 사이의 접촉 치면을 바꾸도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 인터널 기어의 중심, 메인 풀리의 중심, 한 쌍의 피니언 기어의 중심은 동일한 직선 상에 배치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 관절구동장치를 다른 측면에서 본다면, 내치를 가지는 인터널 기어와, 인터널 기어의 중심에 배치되며 동력원에 연결되는 메인 타이밍 풀리와, 메인 타이밍 풀리의 양쪽에서 인터널 기어의 내치에 맞물리는 제1 및 제2피니언 기어와, 제1 및 제2피니언 기어에 각각 체결되는 제1 및 제2타이밍 풀리와, 메인 타이밍 풀리와 제1 및 제2타이밍 풀리를 각각 연결하는 제1 및 제2타이밍 벨트와, 메인 타이밍 풀리의 일측에서 제1 및 제2타이밍 벨트를 인터널 기어의 중심 방향으로 가압하여 제1 및 제2타이밍 벨트의 장력을 조절하는 제1장력조절유닛과, 메인 타이밍 풀리의 타측에서 제1 및 제2타이밍 벨트를 인터널 기어의 중심 방향으로 가압하여 제1 및 제2타이밍 벨트의 장력을 조절하는 제2장력조절유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 제1장력조절유닛은 제1타이밍 벨트의 장력을 조절하도록 제1A브라켓과, 제1A브라켓의 일측에서 제1타이밍 벨트를 가압하는 제1A부시와, 제1A브라켓의 내부에 형성되어 체결수단이 결합되는 제1A나사 결합공으로 이루어진 제1A장력조절유닛과, 제2타이밍 벨트의 장력을 조절하도록 제1B브라켓과, 제1B브라켓의 일측에서 제2타이밍 벨트를 가압하는 제1B부시와, 제1B브라켓의 내부에 형성되어 체결수단이 결합되는 제1B나사 결합공을 이루어진 제1B장력조절유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 제2장력조절유닛은 제1타이밍 벨트의 장력을 조절하도록 제2A브라켓과, 제2A브라켓의 일측에서 제1타이밍 벨트를 가압하는 제2A부시와, 제2A브라켓의 내부에 형성되어 체결수단이 결합되는 제2A나사 결합공으로 이루어진 제2A장력조절유닛과, 제2타이밍 벨트의 장력을 조절하도록 제2B브라켓과, 제2B브라켓의 일측에서 제2타이밍 벨트를 가압하는 제2B부시와, 제2B브라켓의 내부에 형성되어 체결수단이 결합되는 제2B나사 결합공을 이루어진 제2B장력조절유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 로봇은 적어도 하나의 관절부와, 관절부의 구동을 위해 마련된 적어도 하나의 관절구동장치를 포함하는 인간형 로봇에 있어서, 관절구동장치는 링 형태로 마련되는 인터널 기어와, 인터널 기어의 중심에 배치되며 동력원에 연결되는 메인 풀리와, 메인 풀리의 양쪽에서 인터널 기어에 맞물리는 제1 및 제2피니언 기어와, 제1 및 제2피니언 기어에 각각 체결되는 제1 및 제2풀리와, 메인 풀리와 제1 및 제2풀리를 각각 연결하는 제1 및 제2벨트와, 제1 및 제2벨트의 장력을 조절하는 장력조절유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 장력조절유닛은 메인 풀리의 제1측에 마련되어 제1 및 제2벨트의 장력을 조절하는 제1장력조절유닛과, 메인 풀리의 제1측과 마주하는 제2측에 마련되어 제1 및 제2타이밍 벨트의 장력을 조절하는 제2장력조절유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 제1장력조절유닛과 제2장력조절유닛은 서로 교대로 사용되어 인터널 기어와 제1 및 제2피니언 기어의 접촉 치면을 바꾸도록 하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 관절구동장치 및 이를 구비한 로봇은 장력조절유닛을 통하여 한 쌍의 피니언 기어의 외치를 인터널 기어의 내치에 밀착시킴으로서 백래시를 제거하도록 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 인간형 로봇의 외관을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 어깨관절부를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 어깨 관절구동장치를 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 어깨 관절구동장치를 나타낸 단면도이다.
도 5는 제1장력조절유닛에 의해 제1 및 제2타이밍 벨트의 장력을 조절하는 상태를 나타낸 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 상태에 따라서 제1 및 제2피니언 기어, 제1 및 제2풀리, 제1 및 제2타이밍 벨트가 회전하는 동작을 나타낸 사시도이다.
도 7은 도 6에 도시된 동작에서 제1 및 제2피니언 기어에서 백래시가 줄어드는 것을 나타낸 단면도이다.
도 8a 및 도 8b는 도 7에 도시된 일부를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 9는 제2장력조절유닛에 의해 제1 및 제2타이밍 벨트의 장력이 조절되는 상태를 나타낸 단면도이다.
도 10a 및 도 10b는 제2장력조절유닛에 의해 백래시가 제거된 상태를 나타낸 도면이다.

이하에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 인간형 로봇의 외관을 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 어깨관절부를 확대하여 나타낸 도면이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 인간형 로봇(1)은 동체(胴體)(10)와, 동체(10)의 상부 양측에 연결되는 팔(20R, 20L)과, 동체(10)의 상단부에 연결되는 머리(30)와, 동체(10)의 하부 양측에 연결되는 다리(40R, 40L)를 구비한다. 양팔(20R, 20L)은 어깨관절부(21A,21B)를 통해 동체(10)에 연결되고, 머리(30)는 목(50)을 통해 동체(10)에 연결된다. 참조 부호에서 "R", "L"은 각각 우측과 좌측을 나타낸다.

동체(10)의 내부는 커버(11)에 의해 보호된다. 동체(10)에는 제어유닛(12), 배터리(13)가 설치될 수 있다.

동체(10)는 가슴부(10a)와 허리부(10b)로 분할될 수 있으며, 가슴부(10a)와 허리부(10b) 사이에는 가슴부(10a)가 허리부(10b)에 대해 상대 회전할 수 있다.

양측 팔(20R, 20L)은 상박부(21), 하박부(22) 및 손(23)을 구비한다. 상박부(21)는 어깨관절부(21A,21B)를 통해 동체(10)에 연결된다. 상박부(21)와 하박부(22)는 팔꿈치관절부(22A)를 통해 서로 연결되고, 하박부(22)와 손(23)은 손목관절부(23A)를 통해 서로 연결된다.

손(23)에는 손가락(23B)이 설치된다. 각각의 손가락(23B)에는 모터에 의해 구동되는 다수의 관절(미도시)들이 설치될 수 있다. 손가락(23B)은 팔(20)의 움직임에 연동하여 물건을 파지하거나 특정 방향을 가리키는 것과 같은 다양한 동작을 실행한다.

어깨관절부(21A,21B)는 동체(10)의 양측에 장착되어 양팔(20R, 20L)을 동체(10)에 연결한다. 두 어깨관절부(21A,21B)는 로봇(1)의 동체(10)와 팔(20R, 20L) 사이에 배치되어 팔(20R, 20L)을 움직인다.

머리(30)에는 로봇(1)의 시각으로서 기능하는 카메라(31)와, 청각으로서 기능하는 마이크로폰(32)이 설치될 수 있다.

머리(30)는 목관절부(51)를 통해 동체(10)와 연결된다. 목관절부(51)에는 머리 회전용 모터들(미도시)이 연결된다. 제어유닛(12)은 각각의 모터들을 제어하여 목관절부(51)를 적정 각도로 구동함으로써 머리(30)를 원하는 방향으로 움직일 수 있다.

양측 다리(40R, 40L)는 각각 대퇴부(41), 하퇴부(42) 및 발(43)을 구비한다. 대퇴부(41)는 대퇴관절부(41A)를 통해 동체(10)에 연결된다. 대퇴부(41)와 하퇴부(42)는 무릎관절부(42A)룰 통해 서로 연결되고, 하퇴부(42)와 발(43)은 발목관절부(43A)를 통해 서로 연결된다.

이와 같은 로봇은 각 관절들을 구동시키기 위한 관절구동장치가 마련된다. 관절구동장치는 팔, 다리, 목 등 다양한 관절에 적용가능하지만 이하에서는 어깨관절부에 적용되는 경우를 일 예로 하여 설명하도록 한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 어깨 관절구동장치를 나타내는 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 어깨 관절구동장치를 나타낸 단면도이다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 어깨 관절구동장치(100)는 링 형태로 마련되는 인터널 기어(110)와, 인터널 기어(110)의 중심에 배치되며 동력원(180)에 연결되는 메인 풀리(120)와, 인터널 기어(110)에 맞물리는 한 쌍의 피니언 기어(131,132)와, 한 쌍의 피니언 기어(131,132)에 각각 체결된 한 쌍의 풀리(141,142)와, 메인 풀리(120)와 한 쌍의 풀리(141,142)를 각각 연결하는 한 쌍의 벨트(151,152)와, 한 쌍의 벨트(151,152)의 장력을 조절하는 장력조절유닛(160,170)을 포함하여 구성된다.

인터널 기어(110)는 내주측에 내치(111)가 형성되도록 소정의 직경을 갖는 링 형태로 제작되어 관절구동장치(100)의 외형을 이루게 된다.

인터널 기어(110)의 중심에는 메인 풀리(120)가 배치된다. 메인 풀리(120)는 동력원(180)에 연결되어 동력이 입력되는데, 이러한 메인 풀리(120)는 기어치(121)를 가지는 메인 타이밍 풀리(120)를 포함할 수 있다.

인터널 기어(110)의 양쪽에는 인터널 기어(110)의 내치(111)와 맞물리는 한 쌍의 피니언 기어(131,132)가 배치된다. 여기서, 인터널 기어(110)의 중심, 메인 풀리(120)의 중심, 한 쌍의 피니언 기어(131,132)의 중심은 도 4에 도시된 바와 같이 동일한 직선(X) 상에 배치될 수 있다.

이러한 한 쌍의 피니언 기어(131,132)는 메인 풀리(120)의 왼쪽에 배치되어 인터널 기어(110)의 내치(111)에 맞물리는 제1피니언 기어(131)와, 메인 풀리(120)의 오른쪽에 배치되어 인터널 기어(110)의 내치(111)에 맞물리는 제2피니언 기어(132)를 포함한다.

제1 및 제2피니언 기어(131,132)에는 각각 제1풀리(141)와 제2풀리(142)가 체결되어 있는데, 이러한 제1풀리(141)와 제2풀리(142)는 각각 제1 및 제2피니언 기어(131,132)와 볼트 등의 체결수단(190)을 통해서 체결될 수 있다. 이러한 제1 및 제2풀리(141,142)는 각각 기어치(141A,142A)를 가지는 제1 및 제2타이밍 풀리(141,142)로 이루어질 수 있다.

한편, 제1타이밍 풀리(141)와 제2타이밍 풀리(142) 및 제1피니언 기어(131)와 제2피니언 기어(132)는 전후방향(D1)에서 메인 타이밍 풀리(120)를 사이에 두고 서로 대각선으로 배치되어 있다. 예를 들면, 제1타이밍 풀리(141)가 제1피니언 기어(131)의 후방에 체결되는 경우 제2타이밍 풀리(142)는 제2피니언 기어(132)의 전방에 체결되도록 한다.

제1타이밍 풀리(141)는 제1벨트(151)를 통하여 메인 타이밍 풀리(120)에 결합되며, 제2타이밍 풀리(142)는 제2벨트(152)를 통하여 메인 타이밍 풀리(120)와 결합된다.

제1벨트(151)는 제1피니언 기어(131)의 후방에 체결된 제1타이밍 풀리(141)에 대응되도록 메인 풀리(120)의 후방에 결합되며, 제2벨트(152)는 제2피니언 기어(132)의 전방에 체결된 제2풀리(142)에 대응되도록 메인 풀리(120)의 전방에 결합될 수 있다. 이러한 제1벨트(151)와 제2벨트(152)는 각각 기어치(151A,152A)를 가지는 제1 및 제2타이밍 벨트(151,152)로 구비될 수 있다.

제1 및 제2타이밍 벨트(151,152)는 각각 탄성력이 구비된 재질 예를 들어, 고무나 플라스틱으로 구성되며, 그 기어치(151A,152A)는 제1 및 제2피니언 기어(131,132)의 외치(131A,132A) 및 메인 타이밍 풀리(120)의 기어치(121)와 대응되게 형성된다.

동력원(180)은 메인 타이밍 풀리(120)에 동력이 입력될 수 있도록 메인 타이밍 풀리(120)에 결합되는데, 이러한 동력원(180)은 감속기 일체형 모터(180)를 포함할 수 있다.

장력조절유닛(160,170)은 메인 타이밍 풀리(120)와 제1 및 제2타이밍 풀리(141,142)를 각각 연결하는 제1 및 제2타이밍 벨트(151,152)의 장력을 조절하여 제1 및 제2피니언 기어(131,132)에서 백래시를 제거한다.

장력조절유닛(160,170)은 도 4에 도시된 바와 같이, 메인 타이밍 풀리(120)의 위쪽에 마련되어 제1 및 제2타이밍 벨트(151,152)의 장력을 조절하는 제1장력조절유닛(160)과, 메인 타이밍 풀리(120)의 아래쪽에 마련되어 제1 및 제2타이밍 벨트(151,152)의 장력을 조절하는 제2장력조절유닛(170)을 포함한다.

제1장력조절유닛(160)은 제1타이밍 벨트(151)의 장력을 조절하는 제1A장력조절유닛(161)과, 제2타이밍 벨트(152)의 장력을 조절하는 제1B장력조절유닛(162)을 포함한다.

제1A장력조절유닛(161)은 제1A브라켓(161A)과, 제1A브라켓(161A)의 일측에서 제1타이밍 벨트(151)를 가압하는 제1A부시(161B)와, 제1A브라켓(161A)의 내부에 형성되어 나사 등의 체결수단(190)이 결합되는 제1A나사 결합공(161C)을 포함하여 구성될 수 있다.

제1B장력조절유닛(162)은 제1B브라켓(162A)과, 제1B브라켓(162A)의 일측에서 제2타이밍 벨트(152)를 가압하는 제1B부시(162B)와, 제1B브라켓(162A)의 내부에 형성되어 나사 등의 체결수단(190)이 결합되는 제1B나사 결합공(162C)을 포함하여 구성될 수 있다.

제2장력조절유닛(170)은 제1타이밍 벨트(151)의 장력을 조절하는 제2A장력조절유닛(171)과, 제2타이밍 벨트(152)의 장력을 조절하는 제2B장력조절유닛(172)을 포함한다.

제2A장력조절유닛(171)은 제2A브라켓(171A)과, 제2A브라켓(171A)의 일측에서 제1타이밍 벨트(151)를 가압하는 제2A부시(171B)와, 제2A브라켓(171A)의 내부에 형성되어 나사 등의 체결수단(190)이 결합되는 제2A나사 결합공(171C)을 포함하여 구성될 수 있다.

제2B장력조절유닛(172)은 제2B브라켓(172A)과, 제2B브라켓(172A)의 일측에서 제2타이밍 벨트(152)를 가압하는 제2B부시(172B)와, 제2B브라켓(172A)의 내부에 형성되어 나사 등의 체결수단(190)이 결합되는 제2B나사 결합공(172C)을 포함하여 구성될 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 관절구동장치는 한 쌍의 피니언 기어(131,132)와 인터널 기어(110) 중 어느 하나를 고정하여 서로 상대 이동되도록 한다.

예를 들면, 인터널 기어(110)가 미도시된 기준 프레임에 결합되면 메인 풀리(120)로 입력된 동력을 통하여 한 쌍의 피니언 기어(131,132)의는 인터널 기어(110)의 내치(111)를 따라서 공전 및 자전을 하게 되므로 이를 동력이 출력되는 것에 사용하는 제1사용형태일 수 있다.

또한, 한 쌍의 피니언 기어(131,132)가 미도시된 기준 프레임에 결합되어 있다면 메인 풀리(120)로 입력된 동력을 통하여 한 쌍의 피니언 기어(131,132)는 자전하게 되므로 인터널 기어(110)가 회전될 수 있으므로 이를 동력이 출력되는 것에 사용하는 제2사용형태일 수 있다.

이하에선, 한 쌍의 피니언 기어(131,132)가 미도시된 기준 프레임에 결합되어 인터널 기어(110)로 동력이 출력되도록 하는 제2사용형태에서의 관절구동장치(100)의 동작에 대하여 살펴본다.

먼저, 감속기 일체형 모터(180)를 통해 나온 동력이 메인 타이밍 풀리(120)에 입력되면, 메인 타이밍 풀리(120)는 AA'방향으로 회전하게 된다. 메인 타이밍 풀리(120)의 AA'방향의 회전은 제1타이밍 풀리(141)와 제2타이밍 풀리(142)로 전달되어 제1타이밍 풀리(141)와 제2타이밍 풀리(142)는 BB'방향으로 회전된다.

제1타이밍 풀리(141)는 제1피니언 기어(131)에 체결되어 있으며, 제2타이밍 풀리(142)는 제2피니언 기어(132)에 체결되어 있으므로, 제1타이밍 풀리(141)와 제2타이밍 풀리(142)가 BB'방향으로 회전되면 제1피니언 기어(131)와 제2피니언 기어(132)는 서로 동일한 방향인 CC'방향으로 회전된다.

이때. 제1피니언 기어(131)와 제2피니언 기어(132)가 미도시된 기준 프레임에 체결되어 있기 때문에 인터널 기어(110)가 DD'방향으로 회전할 수 있게 된다. 따라서, 동력이 입력되는 메인 풀리(120)의 회전속도보다 감속된 기어비 만큼의 속도로 인터널 기어(110)가 회전할 수 있게 되는 것이다.

다음 도 5 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 관절구동장치의 작용에 대하여 살펴본다.

먼저, 도 5 내지 도 8을 참조하여 제1장력조절유닛을 통하여 백래시를 제거하는 작동원리를 설명한다. 도 5는 제1장력조절유닛에 의해 제1 및 제2타이밍 벨트의 장력을 조절하는 상태를 나타낸 단면도이며, 도 6은 도 5에 도시된 상태에 따라서 제1 및 제2피니언 기어, 제1 및 제2풀리, 제1 및 제2타이밍 벨트가 회전하는 동작을 나타낸 사시도이며, 도 7은 도 6에 도시된 동작에서 제1 및 제2피니언 기어에서 백래시가 줄어드는 것을 나타낸 단면도이며, 도 8a 및 도 8b는 도 7에 도시된 일부를 확대하여 나타낸 도면이다.

도 5 내지 도 8a 및 8b에 도시된 바와 같이, 메인 타이밍 풀리(120)를 고정한 후, 제1타이밍 벨트(151)와 제2타이밍 벨트(152)의 장력을 조절하는데, 먼저, 도 5에 도시된 바와 같이 제1A 및 제1B장력조절유닛(161,162)을 인터널 기어(110)의 중심 방향인 Y1방향으로 이동시킴으로써 제1 및 제2타이밍 벨트(151,152)의 장력을 증가시킨다.

제1타이밍 벨트(151)와 제2타이밍 벨트(152)의 장력이 일정 수준에 도달하게 되면, 제1 및 제2타이밍 벨트(151,152)와 제1 및 제2타이밍 풀리(141,142) 간의 슬립이 없어진 시점부터 제1타이밍 벨트(151)와 제2타이밍 벨트(152)는 제1 및 제2타이밍 풀리(141,142)를 각각 반시계방향 및 시계방향으로 회전시키게 된다.

또한, 제1 및 제2타이밍 풀리(141,142)에는 각각 제1 및 제2피니언 기어(131,132)가 체결되어 있으므로 제1 및 제2피니언 기어(131,132)도 각각 반시계방향 및 시계방향으로 회전된다. 각각의 제1 및 제2피니언 기어(131,132)가 고정되어 있는 인터널 기어(110)의 내치(111)에 닿게 되면서 제1 및 제2타이밍 벨트(151,152)의 장력은 점점 증가한다. 따라서, 제1 및 제2타이밍 벨트(151,152)의 설정된 장력까지 조절하고, 제1A 및 제1B장력조절유닛(161,162)의 제1A 및 제1B나사 체결공(161C,162C)을 체결수단(190)으로 고정하면, 제1 및 제2피니언 기어(131,132)는 그 외치(131A,132A)가 인터널 기어의 내치(111)와 서로 접하고 있는 구조를 갖게 되므로 백래시를 제거할 수 있게 된다.

다음, 도 9 및 도 10a 및 도 10b을 참조하여 제2장력조절유닛을 통하여 백래시를 제거하는 작동원리를 설명한다.

도 9는 제2장력조절유닛에 의해 제1 및 제2타이밍 벨트의 장력이 조절되는 상태를 나타낸 단면도이며, 도 10a 및 도 10b는 제2장력조절유닛에 의해 백래시가 제거된 상태를 나타낸 도면이다.

도 9, 도 10a, 도 10b에 도시된 바와 같이, 제2A 및 제2B장력조절유닛(172)을 인터널 기어(110)의 중심 방향인 Y2방향으로 이동시킴으로써 제1 및 제2타이밍 벨트(151,152)의 장력을 증가시킨 다음, 제1 및 제2타이밍 벨트(151,152)의 설정된 장력까지 조절하고 제2A 및 제2B장력조절유닛(171,172)의 제2A 및 제2B나사 체결공(171C,172C)을 체결수단(190)으로 고정하면, 제1 및 제2피니언 기어(131,132)는 그 외치(131A,132A)가 도 10에 도시된 바와 같이 인터널 기어(110)의 내치(111)와 서로 접하고 있는 구조를 갖게 되므로 백래시를 제거할 수 있게 된다.

한편, 메인 타이밍 풀리(120)의 위쪽과 아래쪽으로 제1장력조절유닛(160)과 제2장력조절유닛(170)을 배치한 이유는 인터널 기어(110)와 제1 및 제2피니언 기어(131,132)의 접촉 치면을 바꾸어주기 위함이다.

즉, 인터널 기어(110), 제1피니언 기어(131), 제2피니언 기어(132)는 그 기어치(111,131A,132A)가 부러지는 파손보다는 장기간 사용으로 인한 기어치(111,131A,132A)의 치면이 손상되는 경우가 많이 발생하므로 만약 접촉 치면을 바꾸어 줄 수 있으면, 그 자체가 새로 가공한 기어로 교체하는 것과 동일한 성능을 갖게 된다.

따라서, 일정수명 이후에 제1장력조절유닛(160)과 제2장력조절유닛(170)을 바꿔 줌으로 인해 인터널 기어(110)와 제1 및 제2피니언 기어(131,132) 사이에서 반대 치면을 사용하면 동일 구조로 수명의 2배를 사용할 수 있게 된다.

한편, 인간형 로봇(1)의 상박부(특히 YAW축, 21)의 경우 필요한 토크가 비교적 큼에도 그 사이즈의 제한이 문제되었으나, 이에 인터널 기어(110)를 적용하여 사람의 팔 사이즈와 유사한 디자인이 가능하도록 하였다.

또한, 한 쌍의 타이밍 벨트(151,152) 구조를 적용하여 외부의 충격을 그대로 기어 치면에 전달하지 않도록 하였으며, 또한, 타이밍 풀리(141,142)에서 감속비를 조절하게 하여 나머지 기어들(110,131,132)에서의 감속비 부담을 줄여서 전체 사이즈를 더 컴팩트하도록 하였다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 관절구동장치 및 이를 구비한 로봇은 장력조절유닛을 통하여 한 쌍의 피니언 기어의 외치를 인터널 기어의 내치에 밀착시킴으로서 백래시를 제거하도록 하는 것을 기본적인 기술적 사상으로 하고 있음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이다.

1... 로봇 10... 동체
20R,20L... 팔 21A,21B... 어깨관절부
30.. 머리 40R,40L... 다리
100... 어깨 관절구동장치 110... 인터널 기어
120... 메인 풀리 131,132... 한 쌍의 피니언 기어
141,142... 한 쌍의 풀리 151,152... 한 쌍의 벨트
160,170... 장력조절유닛

Claims

링 형태로 마련되는 인터널 기어와,
상기 인터널 기어의 중심에 배치되며 동력원에 연결되는 메인 풀리와,
상기 메인 풀리의 양쪽에서 상기 인터널 기어에 맞물리는 제1 및 제2피니언 기어와,
상기 제1 및 제2피니언 기어의 전방 또는 후방에 각각 직접 체결되는 제1 및 제2풀리와,
상기 메인 풀리와 상기 제1 및 제2풀리를 각각 연결하는 제1 및 제2벨트와,
상기 제1 및 제2벨트의 장력을 조절하는 장력조절유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 관절구동장치.
제1항에 있어서,
상기 장력조절유닛은 상기 메인 풀리의 제1측에 마련되어 상기 제1 및 제2벨트의 장력을 조절하는 제1장력조절유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 관절구동장치.
제2항에 있어서,
상기 장력조절유닛은 상기 메인 풀리의 제1측과 반대방향인 제2측에 마련되어 상기 제1 및 제2타이밍 벨트의 장력을 조절하는 제2장력조절유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관절구동장치.
제2항에 있어서,
상기 제1장력조절유닛은 상기 제1벨트의 장력을 조절하는 제1A장력조절유닛과, 제2벨트의 장력을 조절하는 제1B장력조절유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 관절구동장치.
제3항에 있어서,
상기 제2장력조절유닛은 제1벨트의 장력을 조절하는 제2A장력조절유닛과, 제2벨트의 장력을 조절하는 제2B장력조절유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 관절구동장치.
제1항에 있어서,
상기 장력조절유닛은 브라켓과, 상기 브라켓의 일측에서 상기 제1벨트 또는 제2벨트 중 적어도 어느 하나를 가압하는 부시와, 상기 브라켓의 내부에 형성되어 체결수단이 결합되는 나사 결합공을 포함하는 것을 특징으로 하는 관절구동장치.
제1항에 있어서,
상기 메인 풀리, 제1 및 제2풀리, 제1 및 제2벨트는 각각 기어치를 가지는 것을 특징으로 하는 관절구동장치.
제3항에 있어서,
상기 제1장력조절유닛과 제2장력조절유닛은 서로 교대로 사용되어 상기 인터널 기어와 제1 및 제2피니언 기어 사이의 접촉 치면을 바꾸도록 하는 것을 특징으로 하는 관절구동장치.
제1항에 있어서,
상기 인터널 기어의 중심, 메인 풀리의 중심, 한 쌍의 피니언 기어의 중심은 동일한 직선 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 관절구동장치.
내치를 가지는 인터널 기어와,
상기 인터널 기어의 중심에 배치되며 동력원에 연결되는 메인 타이밍 풀리와,
상기 메인 타이밍 풀리의 양쪽에서 상기 인터널 기어의 내치에 맞물리는 제1 및 제2피니언 기어와,
상기 제1 및 제2피니언 기어의 전방 또는 후방에 각각 직접 체결되는 제1 및 제2타이밍 풀리와,
상기 메인 타이밍 풀리와 상기 제1 및 제2타이밍 풀리를 각각 연결하는 제1 및 제2타이밍 벨트와,
상기 메인 타이밍 풀리의 일측에서 상기 제1 및 제2타이밍 벨트를 상기 인터널 기어의 중심 방향으로 가압하여 상기 제1 및 제2타이밍 벨트의 장력을 조절하는 제1장력조절유닛과,
상기 메인 타이밍 풀리의 타측에서 상기 제1 및 제2타이밍 벨트를 상기 인터널 기어의 중심 방향으로 가압하여 상기 제1 및 제2타이밍 벨트의 장력을 조절하는 제2장력조절유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 관절구동장치.
제10항에 있어서,
상기 제1장력조절유닛은 상기 제1타이밍 벨트의 장력을 조절하도록 제1A브라켓과, 상기 제1A브라켓의 일측에서 제1타이밍 벨트를 가압하는 제1A부시와, 상기 제1A브라켓의 내부에 형성되어 체결수단이 결합되는 제1A나사 결합공으로 이루어진 제1A장력조절유닛과,
상기 제2타이밍 벨트의 장력을 조절하도록 제1B브라켓과, 상기 제1B브라켓의 일측에서 제2타이밍 벨트를 가압하는 제1B부시와, 상기 제1B브라켓의 내부에 형성되어 체결수단이 결합되는 제1B나사 결합공을 이루어진 제1B장력조절유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 관절구동장치.
제10항에 있어서,
상기 제2장력조절유닛은 상기 제1타이밍 벨트의 장력을 조절하도록 제2A브라켓과, 상기 제2A브라켓의 일측에서 제1타이밍 벨트를 가압하는 제2A부시와, 상기 제2A브라켓의 내부에 형성되어 체결수단이 결합되는 제2A나사 결합공으로 이루어진 제2A장력조절유닛과,
상기 제2타이밍 벨트의 장력을 조절하도록 제2B브라켓과, 상기 제2B브라켓의 일측에서 제2타이밍 벨트를 가압하는 제2B부시와, 상기 제2B브라켓의 내부에 형성되어 체결수단이 결합되는 제2B나사 결합공을 이루어진 제2B장력조절유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 관절구동장치.
적어도 하나의 관절부와, 상기 관절부의 구동을 위해 마련된 적어도 하나의 관절구동장치를 포함하는 인간형 로봇에 있어서,
상기 관절구동장치는 링 형태로 마련되는 인터널 기어와, 상기 인터널 기어의 중심에 배치되며 동력원에 연결되는 메인 풀리와, 상기 메인 풀리의 양쪽에서 상기 인터널 기어에 맞물리는 제1 및 제2피니언 기어와, 상기 제1 및 제2피니언 기어의 전방 또는 후방에 각각 직접 체결되는 제1 및 제2풀리와, 상기 메인 풀리와 상기 제1 및 제2풀리를 각각 연결하는 제1 및 제2벨트와, 상기 제1 및 제2벨트의 장력을 조절하는 장력조절유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 인간형 로봇.
제13항에 있어서,
상기 장력조절유닛은 상기 메인 풀리의 제1측에 마련되어 상기 제1 및 제2벨트의 장력을 조절하는 제1장력조절유닛과, 상기 메인 풀리의 제1측과 마주하는 제2측에 마련되어 상기 제1 및 제2타이밍 벨트의 장력을 조절하는 제2장력조절유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인간형 로봇.
제14항에 있어서,
상기 제1장력조절유닛과 제2장력조절유닛은 서로 교대로 사용되어 상기 인터널 기어와 제1 및 제2피니언 기어의 접촉 치면을 바꾸도록 하는 것을 특징으로 하는 인간형 로봇.