KR101956617B1

KR101956617B1 - 병렬형 집적 구동장치

Info

Publication number: KR101956617B1
Application number: KR1020170157753A
Authority: KR
Inventors: 노재호; 양우성; 양진호; 임현국
Original assignee: (주)한국미래기술
Priority date: 2017-11-23
Filing date: 2017-11-23
Publication date: 2019-03-12
Also published as: US11446828B2; CN111670097B; CN111670097A; WO2019102446A1; US20200376687A1

Abstract

스테이터는 외측에서 고정되고, 로터가 각각 내측에 위치되어 상대회전되며, 길이방향으로 연속하여 적층되는 복수의 모터로 구성된 구동유닛; 복수의 샤프트; 구동유닛의 외측면을 두르는 통 형상이며, 내주면이 복수의 스테이터와 열적으로 연결되고, 외주면에는 복수의 유로가 형성된 방열하우징; 및 구동유닛의 일단측에 설치되며, 날개부가 방열하우징의 일단측에 인접하도록 배치되고, 회전에 의해 방열하우징의 유로를 흐르는 공기와 구동유닛 외부 공기의 열교환을 위한 대류를 발생시키는 블로어팬;을 포함하는 병렬형 집적 구동장치가 소개된다.

Description

병렬형 집적 구동장치 {PARALLEL TYPE INTEGRATED ACTUATOR}

본 발명은 로봇의 관절 등에 사용되어 4 자유도를 구성할 수 있도록 하는 4자유도 병렬형 집적 구동장치에 관한 것으로서, 특히 모터의 방열을 효과적으로 수행하고 방열부의 사이즈가 컴팩트 한 병렬형 집적 구동장치에 관한 것이다.

로봇의 관절 등에 적용되는 기계적으로 구성된 회전장치는 설계방법과 해석에 따라 직렬형과 병렬형으로 나눌 수 있고 각각의 특징에 따라 회전 장치의 성능을 판단할 수 있다. 직렬형은 넓은 작업공간이 가능하고 상대적으로 쉬운 해석과 설계로 인해 일반적으로 많이 사용된다.

하지만 직렬형 구조는 구동 관절 오차가 누적되기 때문에 정밀도가 떨어지고 말단에 상대적으로 큰 힘을 낼 수 없기 때문에 이를 해결하기 위해 최근에는 병렬형 구조의 장치들이 많이 연구되었다. 병렬형은 강성이 높으며, 설계적으로 기저부에 액추에이터를 배치할 수 있어 관성이 낮고, 정밀도가 높으며 말단에 큰 힘을 낼 수 있어 회전 장치로써 좋은 성능을 발휘할 수 있다. 다만, 병렬형 구조는 제어가 힘든 특이점이 많아 작업공간이 작고 해석이 어렵기 때문에 이를 해결하며 성능을 높이기 위해 Redundant한 링크 구조를 추가하거나 과구동을 추가하거나 직렬과 병렬 혼합형 설계를 하기도 한다.

이러한 병렬형 구조의 문제점에서 회전 동작에 초점을 맞추어 파생된 구조 중 하나가 구형병렬구조인데, 구형병렬구조는 모든 관절의 회전축이 고정된 한 점에 일치하여 순수한 점 중심 회전운동을 만드는 특징이 있다. 그러나 이러한 구형병렬구조의 말단 기반의 데스크탑형 장치들은 로봇의 특정한 관절 움직임을 파악하고 역감을 주는 것은 불가능하기 때문에 특정 관절 움직임에 대해서는 직관적이지 않다.

반면에 외골격형 타입은 사람의 관절 움직임을 반영하므로 직관적인 제어가 가능하다. 다만, 설계적인 제약이 크고, 관절 축이 일치하지 않을 때 어색한 운동을 야기할 수 있기 때문에 장치의 관절 축 배치는 회전 장치에 있어서 중요한 설계 고려 사항이 된다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR 10-1693246 B1

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 관절부의 간섭을 최소화하면서 전체 구조의 부피를 줄일 수 있고, 이동부들의 관성이 적으며 관절 움직임을 직관적으로 구현할 수 있는 병렬형 집적 구동장치를 제공하고자 함이다.

또한, 모터의 방열을 효과적으로 수행하고 방열부의 사이즈가 컴팩트 한 병렬형 집적 구동장치를 제공하고자 함이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 병렬형 집적 구동장치는, 스테이터는 외측에서 고정되고, 로터가 각각 내측에 위치되어 상대회전되며, 길이방향으로 연속하여 적층되는 복수의 모터로 구성된 구동유닛; 일단부가 각 로터의 내측에서 로터와 각각 연결되며, 중공 구조를 통해 상호 삽입되고 동축을 이루며, 삽입된 상태에서 서로 상대회전이 가능하고, 타단부가 구동유닛의 외측으로 연장된 복수의 샤프트; 구동유닛의 외부에 배치되며, 작동기구가 장착되는 말단부; 구동유닛의 외측면을 두르는 통 형상이며, 내주면이 복수의 스테이터와 열적으로 연결되고, 외주면에는 복수의 유로가 형성된 방열하우징; 및 구동유닛의 일단측에 설치되며, 날개부가 방열하우징의 일단측에 인접하도록 배치되고, 회전에 의해 방열하우징의 유로를 흐르는 공기와 구동유닛 외부 공기의 열교환을 위한 대류를 발생시키는 블로어팬;을 포함한다.

블로어팬의 팬모터는 구동유닛의 일단측 중앙에 설치되고 블로어팬은 중앙부가 팬모터와 연결되어 회전되고 중앙부의 둘레를 따라 날개부가 형성될 수 있다.

방열하우징의 유로는 방열하우징의 길이방향을 따라 형성되며, 블로어팬은 방열하우징 유로측의 공기와 원주 방향의 외부 공기를 대류시키는 원심팬일 수 있다.

방열하우징은 외주면에 길이방향으로 연장되며 둘레방향으로 배치된 복수의 외부 열교환핀이 형성되고, 외부 열교환핀의 사이로 유로가 형성될 수 있다.

방열하우징은 구동유닛의 외측면을 두르는 통 형상의 통부가 구비되고 통부의 내주면에는 복수의 내부 열교환핀이 형성되며, 내부 열교환핀이 복수의 스테이터와 열적으로 연결될 수 있다.

방열하우징의 통부 내주면과 복수의 스테이터 사이에는 밀폐된 공간이 형성되고, 밀폐된 공간에는 열전달 유체가 충전될 수 있다.

구동유닛의 각 스테이터 사이에는 이격공간이 형성되고, 각각의 이격공간은 밀폐된 공간에 연결되어 열전달 유체가 이격공간에도 함께 충전될 수 있다.

방열하우징은 외주면에 유로를 형성하는 복수의 외부 열교환핀이 형성되고, 블로어팬의 날개부는 방열하우징의 외부 열교환핀의 일단측에 인접하도록 배치될 수 있다.

방열하우징의 외주면에는 구동유닛의 모터 드라이버가 설치될 수 있다.

2개의 구동유닛이 서로 일단부가 마주하도록 결합되고, 각 구동유닛의 샤프트는 각 구동유닛의 타측부에서 각각 서로 반대 방향으로 연장되며, 각 구동유닛의 일단부 사이에는 하나의 블로어팬이 설치되고, 각 구동유닛은 하나의 블로어팬을 공유할 수 있다.

각 구동유닛에는 각각 방열하우징이 설치되고, 블로어팬의 날개부는 양측 방열하우징의 유로와 각각 양측에서 인접할 수 있다.

블로어팬의 날개부는 블로어팬의 둘레를 따라 형성된 복수의 날개판이 구비되고, 블로어팬의 둘레를 따라 외측으로 연장된 플랜지 형상으로써 날개판을 이분하는 분리판이 형성됨으로써 분리판에 의해 각 구동유닛의 방열을 분리할 수 있다.

구동유닛에는 제1모터, 제2모터, 제3모터 및 제4모터가 구비되고, 샤프트는 제1모터, 제2모터 및 제3모터의 로터인 제1로터, 제2로터 및 제3로터와 각각 연결된 제1샤프트, 제2샤프트 및 제3샤프트로 구성되고, 제1샤프트, 제2샤프트 및 제3샤프트와 말단부를 각각 연결하여 제1샤프트, 제2샤프트 및 제3샤프트의 회전력을 말단부에 전달함으로써 말단부가 피치, 요 및 롤 방향의 회전이 가능하도록 하는 제1링크부, 제2링크부 및 제3링크부; 및 제4모터의 로터인 제4로터와 말단부 사이를 연결하는 유니버설 링크부;를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 병렬형 집적 구동장치에 따르면, 4자유도의 관절을 구현함에 있어 각 기구물들의 충돌을 회피하며 자유로운 모션의 재현이 가능해진다.

특히, 모터의 방열을 효과적으로 수행하고 방열부의 사이즈가 컴팩트하다.

또한, 피치, 요, 롤의 기본 3자유도를 구현함과 동시에 롤링을 추가함으로써 매니퓰레이터의 또 다른 동작을 관절단에서 동시에 구현하는 것이 가능해진다.

4자유도를 구현하면서도 전체적인 관절 구동부의 부피와 무게를 최소화할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 집적 구동장치의 단면도.
도 2 내지 3은 도 1에 도시된 병렬형 집적 구동장치의 사시도.
도 4 내지 10은 도 1에 도시된 병렬형 집적 구동장치의 동작과정을 나타낸 도면.
도 11 내지 17은 도 1에 도시된 병렬형 집적 구동장치의 또 다른 도면.
도 18내지 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 병렬형 집적 구동장치의 단면도.
도 20 내지 22는 본 발명의 병렬형 집적 구동장치의 방열하우징을 나타낸 도면.
도 23은 본 발명의 병렬형 집적 구동장치의 블로어팬을 나타낸 도면.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 집적 구동장치의 단면도이고, 도 2 내지 3은 도 1에 도시된 병렬형 집적 구동장치의 사시도이며, 도 4 내지 10은 도 1에 도시된 병렬형 집적 구동장치의 동작과정을 나타낸 도면이고, 도 11 내지 17은 도 1에 도시된 병렬형 집적 구동장치의 또 다른 도면이며, 도 18내지 19는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 병렬형 집적 구동장치의 단면도이고, 도 20 내지 22는 본 발명의 병렬형 집적 구동장치의 방열하우징을 나타낸 도면이며, 도 23은 본 발명의 병렬형 집적 구동장치의 블로어팬을 나타낸 도면이다.

먼저, 도 18내지 19는 본 발명의 실시예에 따른 병렬형 집적 구동장치의 단면도이고, 도 20 내지 22는 본 발명의 병렬형 집적 구동장치의 방열하우징을 나타낸 도면이며, 도 23은 본 발명의 병렬형 집적 구동장치의 블로어팬을 나타낸 도면이다.

이를 참고하여 설명하면, 본 발명에 따른 병렬형 집적 구동장치는, 스테이터(120)는 외측에서 고정되고, 로터(140)가 각각 내측에 위치되어 상대회전되며, 길이방향으로 연속하여 적층되는 복수의 모터로 구성된 구동유닛(100); 일단부가 각 로터(140)의 내측에서 로터(140)와 각각 연결되며, 중공 구조를 통해 상호 삽입되고 동축을 이루며, 삽입된 상태에서 서로 상대회전이 가능하고, 타단부가 구동유닛(100)의 외측으로 연장된 복수의 샤프트; 구동유닛(100)의 외부에 배치되며, 작동기구가 장착되는 말단부; 구동유닛(100)의 외측면을 두르는 통 형상이며, 내주면이 복수의 스테이터(120)와 열적으로 연결되고, 외주면에는 복수의 유로가 형성된 방열하우징(600); 및 구동유닛(100)의 일단측에 설치되며, 날개부(740)가 방열하우징(600)의 일단측에 인접하도록 배치되고, 회전에 의해 방열하우징(600)의 유로를 흐르는 공기와 구동유닛(100) 외부 공기의 열교환을 위한 대류를 발생시키는 블로어팬(700);을 포함한다.

본 발명의 병렬형 집적 구동장치는 복수의 모터로 구성되고, 모터 3개는 병렬형 집적 구동장치의 피치, 요, 롤 방향 제어를 담당하고, 나머지 모터 1개는 별도의 독립된 롤링를 구현하기 위한 것이다. 이를 통해 병렬형 집적 구동장치는 4개의 자유도를 가짐으로써 인체의 관절을 모사하는 경우 매우 효과적이다.

또한, 본 발명의 병렬형 집적 구동장치는 4개의 모터를 적층함으로써 컴팩트하고 구동모듈단에서도 복수의 링크를 중첩함으로써 크기가 매우 컴팩한 장점이 있다.

구체적으로, 도시된 바와 같이 본 발명의 구동유닛(100)은 스테이터(120)는 외측에서 고정되고, 로터(140)가 각각 내측에 위치되어 상대회전되며, 길이방향으로 연속하여 적층되는 복수의 모터로 구성된다. 그리고 복수의 샤프트가 마련되는데, 샤프트는 일단부가 각 로터(140)의 내측에서 로터(140)와 각각 연결되며, 중공 구조를 통해 상호 삽입되고 동축을 이루며, 삽입된 상태에서 서로 상대회전이 가능하고, 타단부가 구동유닛(100)의 외측으로 연장된다. 또한, 말단부는 구동유닛(100)의 외부에 배치되며, 작동기구가 장착된다.

본 발명은 이러한 구동유닛(100)의 모터 및 모터 드라이버(601)를 방열하기 위한 것으로서, 이를 위해 방열하우징(600)이 마련된다. 방열하우징(600)은 구동유닛(100)의 외측면을 두르는 통 형상이며, 내주면이 복수의 스테이터(120)와 열적으로 연결되고, 외주면에는 복수의 유로가 형성된다.

또한, 블로어팬(700)은 구동유닛(100)의 일단측에 설치되며, 날개부(740)가 방열하우징(600)의 일단측에 인접하도록 배치되고, 회전에 의해 방열하우징(600)의 유로를 흐르는 공기와 구동유닛(100) 외부 공기의 열교환을 위한 대류를 발생시킨다.

즉, 구동유닛(100)의 외부를 두르는 통 형상의 하나의 방열하우징(600)을 통해 복수의 모터와 모터 드라이버(601)를 동시에 냉각이 가능한 것이며, 그리고 방열하우징(600)은 일측에서 하나의 블로어팬(700)만으로 방열이 가능하기에 전체적인 냉각을 위한 사이즈가 컴팩트하고 구성이 가벼운 장점이 있다. 아울러, 복수의 모터는 방열하우징(600)을 통해 간접적으로 열적으로 연결되어 있기 때문에 써멀매스가 매우 크고, 그에 따라 어느 일부의 모터가 집중 구동되는 환경에서도 나머지 모터들을 통해 충분히 열을 흡수하고 방열할 수 있는 장점을 갖는다.

구체적으로, 블로어팬(700)의 팬모터(FM)는 구동유닛(100)의 일단측 중앙에 설치되고 블로어팬(700)은 중앙부(720)가 팬모터(FM)와 연결되어 회전되고 중앙부(720)의 둘레를 따라 날개부(740)가 형성될 수 있다. 이러한 구조를 통해 블로어팬(700)의 크기를 최소화하고 구동을 위한 팬모터(FM)는 구동유닛(100)의 내부로 설치되어 전체적인 길이가 축소된다.

또한, 방열하우징(600)의 유로는 방열하우징(600)의 길이방향을 따라 형성되며, 블로어팬(700)은 방열하우징(600) 유로측의 공기와 원주 방향의 외부 공기를 대류시키는 원심팬일 수 있다. 이에 따라 유로를 통해 복수의 모터가 함께 대류열전달되는 형태로써 복수의 모터 모두 함께 냉각이 가능하며, 전체 모터가 열적인 매스로서 작용할 수 있는 것이다.

한편, 방열하우징(600)은 외주면에 길이방향으로 연장되며 둘레방향으로 배치된 복수의 외부 열교환핀(640)이 형성되고, 외부 열교환핀(640)의 사이로 유로(642)가 형성될 수 있다.이를 통해 방열하우징(600)의 둘레는 모두 믈로어팬의 날개부(740)와 매칭되어 열교환면적을 늘리고, 직선 형상의 유로(642)를 통해 저항을 줄여 신속한 냉각이 가능하도록 한다.

그리고, 방열하우징(600)은 구동유닛(100)의 외측면을 두르는 통 형상의 통부(620)가 구비되고 통부(620)의 내주면에는 복수의 내부 열교환핀(660)이 형성되며, 내부 열교환핀(660)이 복수의 스테이터(120)와 열적으로 연결될 수 있다. 여기에, 방열하우징(600)의 통부 내주면과 복수의 스테이터(120) 사이에는 밀폐된 공간(644)이 형성되고, 밀폐된 공간(644)에는 열전달 유체가 충전될 수 있다. 이를 통하여 방열하우징(600)과 복수의 모터간의 열교환 면적을 증대시켜 효과적인 열교환이 이루어질 수 있도록 한다.

추가적으로, 구동유닛(100)의 각 스테이터(120) 사이에는 이격공간(646)이 형성되고, 각각의 이격공간(646)은 밀폐된 공간(644)에 연결되어 열전달 유체가 이격공간에도 함께 충전될 수 있다. 이를 통하여 모터간에는 더욱 높은 효율로 열교환이 이루어질 수 있도록 하여 모터간의 열적 불균형을 해소하고 일부 모터의 과열시 다른 모터가 열을 흡수함으로써 방열하우징(600)과 함께 냉각의 역할을 수행하고, 모터의 내구성을 균일하게 가져가며 무터간의 온도에 따른 출력 편차를 줄여 전체적인 기구 제어적인 측면에서 제어의 오류를 줄이고 용이성과 정확성을 확보할 수 있게 된다.

한편, 방열하우징(600)은 외주면에 유로를 형성하는 복수의 외부 열교환핀이 형성되고, 블로어팬(700)의 날개부(740)는 방열하우징(600)의 외부 열교환핀의 일단측에 인접하도록 배치될 수 있다. 즉, 방열하우징(600)의 내부 열교환핀은 밀폐된 공간에서 모터와 열교환을 하기 때문에 외부의 열교환을 위해 블로어팬(700)의 날개부(740)는 방열하우징(600)의 외부 열교환핀(640)과만 열교환을 할 수 있도록 하는 것이다. 또한 앞서 언급한 것과 같이, 방열하우징(600)의 외주면에는 구동유닛(100)의 모터 드라이버(601)가 설치될 수 있다. 이를 통하여 모터뿐만 아니라 모터 드라이버(601)도 함께 냉각을 할 수 있고, 모터 드라이버(601)간 온도 편차를 줄일 수 있게 된다.

특히, 도 19와 같이, 2개의 구동유닛(100)이 서로 일단부가 마주하도록 결합되고, 각 구동유닛(100)의 샤프트는 각 구동유닛(100)의 타측부에서 각각 서로 반대 방향으로 연장되며, 각 구동유닛(100)의 일단부 사이에는 하나의 블로어팬(700)이 설치되고, 각 구동유닛(100)은 하나의 블로어팬(700)을 공유할 수 있다. 이 경우 각 구동유닛(100)에는 각각 방열하우징(600)이 설치되고, 블로어팬(700)의 날개부(740)는 양측 방열하우징(600)의 유로와 각각 양측에서 인접할 수 있다.

또한, 블로어팬(700)의 날개부(740)는 블로어팬(700)의 둘레를 따라 형성된 복수의 날개판(740)이 구비되고, 블로어팬(700)의 둘레를 따라 외측으로 연장된 플랜지 형상으로써 날개판(740)을 이분(744,746)하는 분리판(742)이 형성됨으로써 분리판(742)에 의해 각 구동유닛(100)의 방열을 분리할 수 있다. 그에 따라 2개의 구동유닛(100)을 하나의 블로어팬(700)만으로 동시 냉각하며 분리판을 통하여 대류의 흐름이 분리되는바, 각각의 구동유닛(100)에 대한 냉각을 분리하고 유량을 확보하며 블로어팬(700)의 효율을 증대시키는 것이다.

아울러, 이러한 본 발명의 경우 아래와 같이 산업상 적용이 가능하다.

본 발명의 구동유닛에는 제1모터, 제2모터, 제3모터 및 제4모터가 구비되고, 샤프트는 제1모터, 제2모터 및 제3모터의 로터인 제1로터, 제2로터 및 제3로터와 각각 연결된 제1샤프트, 제2샤프트 및 제3샤프트로 구성되고, 제1샤프트, 제2샤프트 및 제3샤프트와 말단부를 각각 연결하여 제1샤프트, 제2샤프트 및 제3샤프트의 회전력을 말단부에 전달함으로써 말단부가 피치, 요 및 롤 방향의 회전이 가능하도록 하는 제1링크부, 제2링크부 및 제3링크부; 및 제4모터의 로터인 제4로터와 말단부 사이를 연결하는 유니버설 링크부;를 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 집적 구동장치의 단면도로서, 본 발명에 따른 병렬형 집적 구동장치는, 스테이터는 외측에서 고정되고, 로터가 각각 내측에 위치되어 상대회전되며, 길이방향으로 연속하여 적층되는 제1모터(100), 제2모터(200), 제3모터(300) 및 제4모터(400)로 구성된 구동유닛; 일단부가 각 로터의 내측에서 제1모터(100), 제2모터(200) 및 제3모터(300)의 로터인 제1로터(140), 제2로터(240) 및 제3로터(340)와 각각 연결되며, 중공 구조를 통해 상호 삽입되고 동축을 이루며, 삽입된 상태에서 서로 상대회전이 가능하고, 타단부가 구동유닛의 외측으로 연장된 제1샤프트(160), 제2샤프트(260) 및 제3샤프트(360); 구동유닛의 외부에 배치되며, 작동기구가 장착되는 말단부(500); 제1샤프트(160), 제2샤프트(260) 및 제3샤프트(360)와 말단부(500)를 각각 연결하여 제1샤프트(160), 제2샤프트(260) 및 제3샤프트(360)의 회전력을 말단부(500)에 전달함으로써 말단부(500)가 피치, 요 및 롤 방향의 회전이 가능하도록 하는 제1링크부(620), 제2링크부(640) 및 제3링크부(660); 및 제4모터(400)의 로터인 제4로터(440)와 말단부(500) 사이를 연결하는 유니버설 링크부(460);를 포함한다.

구체적으로, 제1모터(100), 제2모터(200), 제3모터(300) 및 제4모터(400)는 각각의 로터의 회전축이 일치되도록 적층될 수 있다. 그리고 제1모터(100), 제2모터(200), 제3모터(300) 및 제4모터(400)는 각각의 스테이터와 로터의 크기가 모두 동일하게 함으로써 컴팩트한 사이즈를 구현할 수 있다. 그리고 원통형의 단일 하우징(H)을 공유할 수 있게 된다.

제1모터(100), 제2모터(200), 제3모터(300) 및 제4모터(400)는, 스테이터는 외측에서 하우징(H)에 고정되고, 로터가 각각 내측에 위치되어 상대회전되며, 길이방향으로 연속하여 적층된다.

각 로터에는 샤프트가 각각 연결되어 로터와 함께 회전된다. 구체적으로, 제1샤프트(160), 제2샤프트(260) 및 제3샤프트(360)의 경우 일단부(162,262,362)가 각 로터의 내측에서 제1로터(140), 제2로터(240) 및 제3로터(340)와 각각 연결되며, 중공 구조를 통해 상호 삽입되고 동축을 이루며, 삽입된 상태에서 서로 상대회전이 가능하다. 또한, 샤프트는 타단부(164,264,364)가 구동유닛의 외측으로 연장된다. 즉, 3개의 샤프트가 중공타입으로 연결됨으로써 샤프트 유닛 전체의 직경이 매우 작아지고 전체적인 사이즈가 작아진다.

그리고 실제 구동력을 통해 회전되는 말단부(500)는 구동유닛의 외부에 배치되며, 필요한 작동기구가 다양하게 장착된다. 제1링크부(620), 제2링크부(640) 및 제3링크부(660)는 각각 제1샤프트(160), 제2샤프트(260) 및 제3샤프트(360)와 말단부(500)를 연결하여 제1샤프트(160), 제2샤프트(260) 및 제3샤프트(360)의 회전력을 말단부(500)에 전달함으로써 말단부(500)가 피치, 요 및 롤 방향의 회전이 가능하도록 한다. 최종적으로, 제4모터(400)의 로터인 제4로터(440)와 말단부(500) 사이를 연결하는 유니버설 링크부(460)가 마련되어 말단부(500) 측에서 별도의 독립적인 롤링이 추가적으로 구현되도록 한다. 따라서, 본 발명의 병렬형 집적 구동장치가 로봇 등의 관절에 적용될 경우 관절의 기본적인 피치, 요, 롤을 구현하고, 동시에 추가적인 독립 롤 운동을 이용하여 다른 관절을 함께 구동하는 것이 가능한 것이다. 예를들어, 로봇의 어깨 관절에 본 발명의 병렬형 집적 구동장치가 적용될 경우 어깨 자체의 2자유도 운동을 구현하고, 추가적인 롤링을 이용하여 팔의 상박과 하박의 굽힘운동을 함께 할 수 있는 것이다. 이 경우 팔꿈치에 별도의 액추에이터가 불필요하고 전체적인 구동부의 사이즈와 중량을 절감할 수 있는 장점이 있다.

한편, 제1링크부(620), 제2링크부(640) 및 제3링크부(660)는 각각 복수의 링크로 구성될 수 있다. 구체적으로, 각 링크의 후단부는 대응되는 각 샤프트의 전단부에 연결되고, 각 링크의 전단부는 말단부(500)의 후단부 둘레를 따라 이격되며 연결될 수 있다. 여기서 각 링크의 전단부는 동일한 높이에서 말단부(500)의 둘레를 따라 이격되며 말단부(500)와 연결될 수 있다. 그에 따라 말단부(500)의 길이 축소가 가능하고 최대한 말단부(500)의 부피를 줄일 수 있다. 바람직하게는 각 링크의 전단부는 말단부(500)의 동일 높이 저점에서 120도 간격으로 이격되어 연결될 수 있다.

랑크 자체를 살펴보면, 각 링크는 제1링크절(720)과 제2링크절(740)로 구성되고, 제1링크절(720)의 후단부는 샤프트와 회전가능하게 결합되며, 제2링크절(740)의 후단부는 제1링크절(720)의 전단부와 회전가능하게 연결되고, 제2링크절(740)의 전단부는 말단부(500)와 회전가능하게 연결될 수 있다. 특히, 도 2와 같이, 제1링크절(720)은 후단부가 샤프트에 연결된 상태에서 외측으로 사선방향으로 절곡되며 연장되고, 제2링크절(740)은 후단부가 제1링크절(720)의 전단부에 연결된 상태에서 측방으로 1회 연장된 후 다시 말단부(500)를 향하는 내측으로 절곡되어 말단부(500)에 연결될 수 있다. 이러한 링크의 구조를 통해 롤, 피치, 요의 다양한 운동 과정에서 상호 간섭이 이루어지지 않게 된다.

한편, 샤프트의 상호 결합방식에 있어서는, 제1샤프트(160) 내측에 제2샤프트(260)가 삽입되고, 제2샤프트(260) 내측에 제3샤프트(360)가 삽입될 수 있다. 즉, 3개의 샤프트는 중공타입으로 서로 삽입되어 전체적으로는 하나의 큰 샤프트를 이룬다. 그리고 이에 따라 제3모터(300)가 가장 후방에 위치되며, 제3모터(300)의 전방으로 제2모터(200), 제2모터(200)의 전방으로 제1모터(100)가 연속하여 배치될 수 있다.

그러한 샤프트와 모터의 조합에 있어서는, 제3샤프트(360)의 길이가 가장 길고, 그 다음으로 제2샤프트(260), 제1샤프트(160)의 순서로 짧아질 수 있다. 그리고 제3샤프트(360)의 후단부가 가장 후방에 배치되고, 전방으로 제2샤프트(260)의 후단부, 제1샤프트(160)의 후단부가 위치되고, 각 샤프트의 후단부는 대응되는 모터의 로터와 연결될 수 있다. 또한, 제3샤프트(360)의 전단부가 가장 말단부(500)에 근접하도록 연장되고, 말단부(500)와 멀어지는 방향으로 제2샤프트(260)의 전단부, 제1샤프트(160)의 전단부가 위치될 수 있다. 이와 같은 구조를 통하여 각각의 샤프트를 중공으로 하여 삽입하면서, 동시에 각 모터의 사이즈를 동일하게 할 수 있고, 말단부(500)와 연결됨에 있어서도 서로 다른 각도에서 서로 다른 높이에서 연결됨으로써 링크 상호간의 간섭을 최소화하고, 결국 롤, 피치, 요 등의 운동시 말단부(500)가 표현할 수 있는 한계 각도가 증대되는 장점이 있게 된다.

운동의 수행에 있어서, 제1로터(140), 제2로터(240) 및 제3로터(340) 중 어느 하나의 로터가 고정되고, 나머지 로터들이 회전됨으로써 말단부(500)가 피칭운동을 수행할 수 있다.도 4 내지 6은 말단부(500)의 피칭운동을 나타낸 것이다. 이 경우는 제1로터(140)가 움직이지 않고 고정되며 그에 따라 제1링크 역시 움직이지 않는다. 그 상태에서 제2로터(240)와 제3로터(340)의 회전에 의해 제2링크와 제3링크가 멀어지는 경우에는 도 4 및 5와 같이 말단부(500)가 우측으로 피칭하게 된다. 반대로, 제2링크와 제3링크가 가까워지는 경우에는 도 5 및 6과 같이 말단부(500)가 좌측으로 피칭하게 된다. 따라서, 제1로터(140), 제2로터(240) 및 제3로터(340) 중 어느 하나의 로터가 고정되고, 나머지 로터들이 회전됨으로써 말단부(500)가 피칭운동을 수행할 수 있다.

한편, 도 6 내지 9와 같이, 유니버설 링크부(460)가 없는 경우에는 제1로터(140), 제2로터(240) 및 제3로터(340)가 동일한 크기와 방향으로 회전함으로써 말단부(500)가 요잉운동을 수행할 수 있다. 하지만, 본 발명의 경우 유니버설 링크부(460)가 있기 때문에 필요한 요잉운동을 위해서는 유니버설 링크부(460) 역시 함께 회전이 되어야 한다. 즉, 도 12 내지 14와 같이, 제1로터(140), 제2로터(240), 제3로터(340) 및 제4로터(440)가 동일한 크기와 방향으로 회전함으로써 말단부(500)가 요잉운동을 수행할 수 있다. 제1링크, 제2링크, 제3링크 및 유니버설 링크부(460)가 동일하게 회전할 경우 전체적으로 말단부(500)가 요잉 운동을 수행한다. 그리고 제4로터(440)가 고정된 상태에서 제1로터(140), 제2로터(240), 제3로터(340)가 동시에 회전할 경우에는 도 14 내지 16과 같이 말단부(500)의 롤링운동이 구현되는 것이다. 즉, 제1로터(140), 제2로터(240), 제3로터(340)가 동시에 회전할 경우 유니버설 링크부(460)가 없을 경우에는 도 6 내지 9와 같이 요잉이 구현되나, 유니버설 링크부(460)가 있는 경우에는 유니버설 링크부(460)의 고정 상태에서, 도 14 내지 16과 같이 롤링이 구현되는 것이다. 그리고 유니버설 링크부(460)가 있는 경우 요잉의 구현을 위해서는 유니버설 링크부(460) 역시 함께 회전하는 것이 필요하다.

한편, 유니버설 링크부(460)는 말단부(500)에 의해 중앙이 관통되는 형태이며 말단부(500)와 상대회전 가능하게 결합된 조인트파트(468) 및 일측이 제4로터(440)와 연결되어 제4로터(440)와 함께 회전되며 타측은 조인트파트(468)와 상대회전 가능하게 연결된 연결파트(462)로 구성될 수 있다. 그리고 조인트파트(468)는 말단부(500)의 길이방향 축을 중심으로 말단부(500)와 상대회전되고, 말단부(500)의 길이방향 축과 직교하는 축을 중심으로 연결파트(462)와 상대회전될 수 있다. 또한, 연결파트(462)는 조인트파트(468) 외측을 두르는 링 형상으로써 말단부(500)의 길이방향 축과 직교하는 축을 중심으로 조인트파트(468)와 상대회전되도록 연결된 링부(466) 및 링부(466)와 제4로터(440)를 연결하며 링부(466)가 조인트파트(468)와 연결되는 축과 직교하는 축을 중심으로 링부(466)와 상대회전되도록 연결된 전달부(464)로 구성될 수 있다. 이와 같은 구조를 통해 말단부(500)의 롤링과 요잉이 구현되며, 도 11 내지 12와 같이 피칭이 일어나는 과정에서 유니버설 링크부(460)가 방해되지 않고 마치 유니버설 조인트와 같은 역할을 수행하는 것이다.

한편, 도 16 내지 17과 같이, 제1로터(140), 제2로터(240) 및 제3로터(340)는 고정됨으로써 말단부(500)는 회전되지 않고, 제4로터(440)가 회전됨으로써 조인트파트가 말단부(500)와 상대회전할 수 있다. 그리고 이러한 과정을 통해 조인트파트의 별도 독립적인 롤링이 가능하고, 이는 말단부(500)의 롤, 피치, 요 운동과 동시에 구현되는 것도 가능하다. 이러한 별도의 롤링은 또 다른 기구를 통해 추출함으로써 하나의 관절에서 4자유도의 운동을 출력할 수 있게 되는 것이다.

본 발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

100 : 제1모터 200 : 제2모터
300 : 제3모터 400 : 제4모터
500 : 말단부 600 : 방열하우징
700 : 블로어팬

Claims

스테이터는 외측에서 고정되고, 로터가 각각 내측에 위치되어 상대회전되며, 길이방향으로 연속하여 적층되는 복수의 모터로 구성된 구동유닛;
일단부가 각 로터의 내측에서 로터와 각각 연결되며, 중공 구조를 통해 상호 삽입되고 동축을 이루며, 삽입된 상태에서 서로 상대회전이 가능하고, 타단부가 구동유닛의 외측으로 연장된 복수의 샤프트;
구동유닛의 외부에 배치되며, 작동기구가 장착되는 말단부;
구동유닛의 외측면을 두르는 통 형상이며, 내주면이 복수의 스테이터와 열적으로 연결되고, 외주면에는 복수의 유로가 형성된 방열하우징; 및
구동유닛의 일단측에 설치되며, 날개부가 방열하우징의 일단측에 인접하도록 배치되고, 회전에 의해 방열하우징의 유로를 흐르는 공기와 구동유닛 외부 공기의 열교환을 위한 대류를 발생시키는 블로어팬;을 포함하는 병렬형 집적 구동장치.
청구항 1에 있어서,
블로어팬의 팬모터는 구동유닛의 일단측 중앙에 설치되고 블로어팬은 중앙부가 팬모터와 연결되어 회전되고 중앙부의 둘레를 따라 날개부가 형성된 것을 특징으로 하는 병렬형 집적 구동장치.
청구항 1에 있어서,
방열하우징의 유로는 방열하우징의 길이방향을 따라 형성되며, 블로어팬은 방열하우징 유로측의 공기와 원주 방향의 외부 공기를 대류시키는 원심팬인 것을 특징으로 하는 병렬형 집적 구동장치.
청구항 1에 있어서,
방열하우징은 외주면에 길이방향으로 연장되며 둘레방향으로 배치된 복수의 외부 열교환핀이 형성되고, 외부 열교환핀의 사이로 유로가 형성된 것을 특징으로 하는 병렬형 집적 구동장치.
청구항 1에 있어서,
방열하우징은 구동유닛의 외측면을 두르는 통 형상의 통부가 구비되고 통부의 내주면에는 복수의 내부 열교환핀이 형성되며, 내부 열교환핀이 복수의 스테이터와 열적으로 연결된 것을 특징으로 하는 병렬형 집적 구동장치.
청구항 5에 있어서,
방열하우징의 통부 내주면과 복수의 스테이터 사이에는 밀폐된 공간이 형성되고, 밀폐된 공간에는 열전달 유체가 충전된 것을 특징으로 하는 병렬형 집적 구동장치.
청구항 6에 있어서,
구동유닛의 각 스테이터 사이에는 이격공간이 형성되고, 각각의 이격공간은 밀폐된 공간에 연결되어 열전달 유체가 이격공간에도 함께 충전된 것을 특징으로 하는 병렬형 집적 구동장치.
청구항 6에 있어서,
방열하우징은 외주면에 유로를 형성하는 복수의 외부 열교환핀이 형성되고, 블로어팬의 날개부는 방열하우징의 외부 열교환핀의 일단측에 인접하도록 배치된 것을 특징으로 하는 병렬형 집적 구동장치.
청구항 1에 있어서,
방열하우징의 외주면에는 구동유닛의 모터 드라이버가 설치된 것을 특징으로 하는 병렬형 집적 구동장치.
청구항 1에 있어서,
2개의 구동유닛이 서로 일단부가 마주하도록 결합되고, 각 구동유닛의 샤프트는 각 구동유닛의 타측부에서 각각 서로 반대 방향으로 연장되며, 각 구동유닛의 일단부 사이에는 하나의 블로어팬이 설치되고, 각 구동유닛은 하나의 블로어팬을 공유하는 것을 특징으로 하는 병렬형 집적 구동장치.
청구항 10에 있어서,
각 구동유닛에는 각각 방열하우징이 설치되고, 블로어팬의 날개부는 양측 방열하우징의 유로와 각각 양측에서 인접한 것을 특징으로 하는 병렬형 집적 구동장치.
청구항 10에 있어서,
블로어팬의 날개부는 블로어팬의 둘레를 따라 형성된 복수의 날개판이 구비되고, 블로어팬의 둘레를 따라 외측으로 연장된 플랜지 형상으로써 날개판을 이분하는 분리판이 형성됨으로써 분리판에 의해 각 구동유닛의 방열을 분리하는 것을 특징으로 하는 병렬형 집적 구동장치.
청구항 1에 있어서,
구동유닛에는 제1모터, 제2모터, 제3모터 및 제4모터가 구비되고, 샤프트는 제1모터, 제2모터 및 제3모터의 로터인 제1로터, 제2로터 및 제3로터와 각각 연결된 제1샤프트, 제2샤프트 및 제3샤프트로 구성되고,
제1샤프트, 제2샤프트 및 제3샤프트와 말단부를 각각 연결하여 제1샤프트, 제2샤프트 및 제3샤프트의 회전력을 말단부에 전달함으로써 말단부가 피치, 요 및 롤 방향의 회전이 가능하도록 하는 제1링크부, 제2링크부 및 제3링크부; 및
제4모터의 로터인 제4로터와 말단부 사이를 연결하는 유니버설 링크부;를 더 포함하는 병렬형 집적 구동장치.