KR102061693B1 - 액추에이터 유닛, 이를 포함한 로봇 및 감속기 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 기술적 사상은 노이즈에 강하고, 경량/소형화를 구현할 수 있고, 제어 신뢰성 및 유지 보수성이 향상되며, 에너지 사용을 최소화하면서도 개선된 제어 및 고속화를 구현할 수 있는 고밀도 액추에이터 유닛 및 이를 구비한 로봇을 제공한다. 그 액추에이터 유닛은 대상체를 회전시키기 위한 회전력을 생성하는 모터, 상기 모터에 연결되어 감속비에 따라 회전 속도를 줄이는 감속기, 및 상기 모터의 회전 정보를 검출하는 엔코더를 구비하고, 상기 감속기, 모터, 및 엔코더가 입력 중공축(input hollow shaft)을 통해 수직 결합된 구동부; 센서가 장착된 센서 프레임, 상기 센서로부터의 신호를 증폭하는 센서 보드, 및 상기 구동부로부터의 외란(external disturbance)과 노이즈를 차단하는 센서 커플링을 구비하고, 상기 구동부의 상부로 배치되는 센서부; 상기 엔코더로부터의 상기 모터의 회전 정보에 기반하여 상기 모터를 제어하는 모터 제어기, 상기 모터 제어기로부터의 전류 신호를 펄스 신호로 변환시켜 상기 모터로 인가하는 파워컨버터, 및 외부의 주전원을 요구되는 개별 전원들로 변환시켜 공급하는 파워서플라이를 구비하고, 상기 입력 중공축에 결합하여 상기 구동부 하부에 배치된 제어부; 및 상기 모터를 지지하는 모터 프레임, 상기 엔코더를 지지하는 엔코더 프레임, 및 상기 구동부를 상기 센서부와 연결하는 연결 프레임을 구비한 프레임부;를 포함한다.

Description

액추에이터 유닛, 이를 포함한 로봇 및 감속기 장치{Actuator unit, robot comprising the same and reducing apparatus}

본 발명의 기술적 사상은 대상물을 이동시킬 수 있는 산업용 로봇에 관한 것으로, 특히 액추에이터 유닛 구조 및 그 액추에이터 유닛을 다관절 암의 각 관절에 채용한 로봇에 관한 것이다.

일반적으로 로봇은 크게 가정용 로봇과 산업용 로봇으로 구분할 수 있다. 가정용 로봇은 가정 내에서 환자나 어린이를 돌보거나, 요리 및 청소 등을 돕는 용도로 이용된다. 산업용 로봇은 주로 생산 현장에서 제품 생산에 이용된다. 산업용 로봇은 동일한 내용의 작업을 연속하여 반복 수행할 수 있는 장점이 있다. 산업용 로봇은 이동 가능한 이동 로봇과 한 곳에 고정 설치되는 로봇 암(robot arm) 형태의 로봇으로 구분할 수 있다. 로봇 암은 다관절 로봇이라고도 하며 수직 다관절 로봇에 대별되는 수평 다관절 로봇이 널리 사용되고 있다.

일반적으로 수평 다관절 로봇에서의 관절 구동 메커니즘은 감속기, 벨트/풀리, 장력조절장치, 모터/엔코더 등으로 구성되어 있다. 이러한 종래의 수평 다관절 로봇은 벨트/풀리에 의하여 동력이 전달되는 구조로, 벨트/풀리 메커니즘에 의한 분진 발생 문제가 발생할 수 있고, 모터와 감속기의 병렬 연결 구조와 장력조절 장치의 추가로 인하여 부피 및 무게가 증가하며, 로봇의 관절 수가 증가할수록 외부의 모터 제어기로 연결되는 케이블의 수가 증가하게 되어 로봇의 모션에 따른 케이블 비틀림/굽힘에 의한 손상 문제가 발생할 수 있다.

본 발명의 기술적 사상이 해결하고자 하는 과제는 노이즈에 강하고, 경량/소형화를 구현할 수 있고, 제어 신뢰성 및 유지 보수성이 향상되며, 에너지 사용을 최소화하면서도 개선된 제어 및 고속화를 구현할 수 있는 고밀도 액추에이터 유닛 및 이를 구비한 로봇을 제공하는 데에 있다.

또한, 본 발명의 기술적 사상이 해결하고자 하는 과제는 정확한 동작 제어가 가능한 감속기 장치를 제공하는 데에 있다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 기술적 사상은 대상체를 회전시키기 위한 회전력을 생성하는 모터, 상기 모터에 연결되어 감속비에 따라 회전 속도를 줄이는 감속기, 및 상기 모터의 회전 정보를 검출하는 엔코더를 구비하고, 상기 감속기, 모터, 및 엔코더가 입력 중공축(input hollow shaft)을 통해 수직 결합된 구동부; 센서가 장착된 센서 프레임, 상기 센서로부터의 신호를 증폭하는 센서 보드, 및 상기 구동부로부터의 외란(external disturbance)과 노이즈를 차단하는 센서 커플링을 구비하고, 상기 구동부의 상부로 배치되는 센서부; 상기 엔코더로부터의 상기 모터의 회전 정보에 기반하여 상기 모터를 제어하는 모터 제어기, 상기 모터 제어기로부터의 전류 신호를 펄스 신호로 변환시켜 상기 모터로 인가하는 파워컨버터, 및 외부의 주전원을 요구되는 개별 전원들로 변환시켜 공급하는 파워서플라이를 구비하고, 상기 입력 중공축에 결합하여 상기 구동부 하부에 배치된 제어부; 및 상기 모터를 지지하는 모터 프레임, 상기 엔코더를 지지하는 엔코더 프레임, 및 상기 구동부를 상기 센서부와 연결하는 연결 프레임을 구비한 프레임부;를 포함하는 액추에이터 유닛을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 입력 중공축에 결합하는 단일층 보드 또는 다중층 보드로 구성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 입력 중공축에 결합하는 다중층 보드로 구성되고, 상기 다중층 보드는 상기 모터 제어기가 배치되는 제어 보드, 상기 파워컨버터가 배치되는 앰프 보드, 및 상기 파워서플라이가 배치되는 전원 보드를 구비할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 액추에이터 유닛은 외관이 상하 대칭적인 구조를 가지며, 상기 액추에이터 유닛의 하부에 입력 커넥터가 배치되고, 상기 액추에이터 유닛의 상부에 출력 커넥터가 배치되며, 상기 입력 커넥터와 출력 커넥터는 상기 입력 중공축 내측에 배치된 중심 중공축(center hollow shaft)의 내의 홀을 통해 연장하는 내부 케이블을 통해 서로 연결될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 감속기는 하모닉(harmonic) 감속기일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 센서 프레임은 상기 입력 중공축 내측에 배치된 중심 중공축이 끼워지는 홀이 형성된 원형 상판, 상기 원형 상판에서 하부로 연장된 실린더형 측부, 및 상기 측부의 하부 말단부분에서 수평 외곽 방향으로 연장된 원형 챙을 구비하고, 상기 원형 상판의 하면에 상기 센서 커플링이 결합하고, 상기 원형 상판의 상면에 상기 센서 보드가 결합하며, 상기 원형 챙에 외부 결합부가 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 센서는 상기 구동부의 토크를 센싱하는 토크 센서일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 센서 커플링은 상기 감속기 및 센서 프레임 사이에 배치되고, 상기 센서 커플링은 상기 감속기의 회전 토크를 상기 센서 프레임으로 전달하여 상기 센서 프레임에 회전 방향의 스트레인(strain)을 발생시키며, 회전 방향 이외의 방향의 스트레인은 차단 또는 감소시킴으로써 상기 외란을 차단하는 구조를 가질 수 있다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 기술적 사상은 대상체를 회전시키기 위한 회전력을 생성하는 모터, 상기 모터에 연결되어 감속비에 따라 회전 속도를 줄이는 감속기, 및 상기 모터의 회전 정보를 검출하는 엔코더를 구비하고, 상기 감속기, 모터, 및 엔코더가 입력 중공축을 통해 수직 결합된 구동부; 센서가 장착된 센서 프레임, 상기 센서로부터의 신호를 증폭하는 센서 보드, 및 상기 구동부로부터의 외란과 노이즈를 차단하는 센서 커플링을 구비하고, 상기 구동부의 상부로 배치되는 센서부; 및 상기 모터를 지지하는 모터 지지프레임, 상기 엔코더를 지지하는 엔코더 지지프레임, 및 상기 구동부를 상기 센서부와 연결하는 연결 프레임을 구비한 프레임부;를 포함하는 액추에이터 유닛을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 센서는 상기 구동부의 토크를 센싱하는 토크 센서이고, 상기 센서 커플링은 상기 감속기 및 센서 프레임 사이에 배치되며, 상기 센서 커플링은 상기 감속기의 회전 토크를 상기 센서 프레임으로 전달하여 상기 센서 프레임에 회전 방향의 스트레인을 발생시키며, 회전 방향 이외의 방향의 스트레인은 차단 또는 감소시킴으로써 상기 외란을 차단하는 구조를 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 센서 커플링은 상기 감속기와 결합하는 감속기 플랜지(flange) 및 상기 센서 프레임과 결합하는 프레임 플랜지를 포함하고,

상기 센서 커플링은 상기 입력 중공축을 회전축으로 하는 회전 방향에 대해서는 제1 강성을 가지며, 상기 입력 중공축에 수직인 수평면에서의 상하 및 좌우 방향에 대해서는 제2 강성을 가지며, 상기 제1 강성은 상기 감속기로부터의 상기 회전 방향의 토크를 상기 센서 프레임으로 실질적으로 전달할 정도의 강성이며, 상기 제2 강성은 상기 제1 강성보다 낮으며, 상기 감속기로부터의 상기 상하 및 좌우 방향의 스트레인에 의한 외란이 상기 센서 프레임으로 실질적으로 전달되지 않을 정도의 강성일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 프레임 플랜지는 원형 링의 구조를 가지며, 상기 감속기 플랜지는 상기 감속기와 결합하는 각각의 부분에 대응하여 상기 원형 링에서 내측으로 연장되고 머리가 내측에 위치한 2분 음표(♩) 형태의 다수의 돌출부의 구조를 가지며, 상기 돌출부의 연장 방향이 상기 회전 방향에 대응하도록 상기 원형 링의 접선에 대하여 예각으로 상기 돌출부가 연장할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 프레임 플랜지는 원형 링의 구조를 가지며, 상기 감속기 플랜지는 상기 감속기와 결합하는 각각의 부분에 대응하여 상기 원형 링에서 내측으로 회전 방향을 따라 곡선 형태로 연장되는 다수의 돌출부의 구조를 가지며, 상기 돌출부는 상기 원형 링과의 결합 부분으로부터 끝단 부분으로 수평 단면이 점차 넓어지는 구조를 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 프레임 플랜지는 원형 링의 구조를 가지며, 상기 감속기 플랜지는 상기 감속기와 결합하는 각각의 부분에 대응하여 상기 원형 링의 내측을 연결하는 다수의 브릿지 구조를 가지며, 상기 감속기 플랜지는 상기 브릿지 연장 방향의 강성이 상기 연장 방향의 수직 방향의 강성보다 높은 이방성 소재로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 센서 프레임은 상기 입력 중공축 내측에 배치된 중심 중공축이 끼워지는 홀이 형성된 원형 상판, 상기 원형 상판에서 하부로 연장된 실린더형 측부, 및 상기 측부의 하부 말단부분에서 수평 외곽 방향으로 연장된 원형 챙을 구비하여, 상기 구동부 및 상기 프레임부의 상부 일부를 덮고, 상기 원형 상판의 하면에 상기 센서 커플링이 결합하고, 상기 원형 상판의 상면에 센서 보드가 결합하며, 상기 원형 챙에 외부 결합부가 형성될 수 있다.

더 나아가, 상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 기술적 사상은 몸체에 해당하고, 외부로부터의 작업 명령에 따라 연산을 통해 제어 명령을 생성하는 상위 제어기를 구비한 베이스; 상기 베이스에 삽입되는 구조로 결합하여 상하 방향으로 움직이는 수직축; 상기 수직축에 결합하고, 적어도 2개의 관절 및 상기 관절을 통해 연결된 적어도 하나의 수평 암을 구비한 다관절 암; 상기 다관절 암의 말단 관절에 결합하고, 이동 대상물을 파지하는 핸드; 상기 적어도 2개의 관절 각각에 배치되고, 상기 적어도 하나의 수평 암 또는 핸드를 회전시키고, 내부에 회전을 제어하는 제어부를 구비한 액추에이터 유닛; 및 상기 상위 제어기로부터의 제어 명령을 전달하는 통신 케이블 및 전원을 공급하는 전원 케이블을 구비한 통신전원 케이블;을 포함하는 로봇을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 액추에이터 유닛은, 상기 적어도 하나의 수평 암 또는 핸드를 회전시키기 위한 회전력을 생성하는 모터, 상기 모터에 연결되어 감속비에 따라 회전 속도를 줄이는 하모닉 감속기, 및 상기 모터의 회전 정보를 검출하는 엔코더를 구비하고, 상기 감속기, 모터, 및 엔코더가 입력 중공축을 통해 수직 결합된 구동부; 센서가 장착된 센서 프레임, 상기 센서로부터의 신호를 증폭하는 센서 보드, 및 상기 구동부로부터의 외란과 노이즈를 차단하는 센서 커플링을 구비하고, 상기 구동부의 상부로 배치되는 센서부; 및 상기 모터를 지지하는 모터 지지프레임, 상기 엔코더를 지지하는 엔코더 지지프레임, 및 상기 구동부를 상기 센서부와 연결하는 연결 프레임을 구비한 프레임부;를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 엔코더로부터의 상기 모터의 회전 정보에 기반하여 상기 모터를 제어하는 모터 제어기, 상기 모터 제어기로부터의 전류 신호를 펄스 신호로 변환시켜 상기 모터로 인가하는 파워컨버터, 및 외부의 주전원을 요구되는 개별 전원들로 변환시켜 공급하는 파워서플라이를 구비하고, 상기 입력 중공축에 결합하여 상기 구동부 하부에 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는, 상기 입력 중공축에 결합하는 단일층 보드 또는 다중층 보드로 구성되며, 상기 제어부가 상기 다중층 보드로 구성되는 경우, 상기 다중층 보드는 상기 모터 제어기가 배치되는 제어 보드, 상기 파워컨버터가 배치되는 앰프 보드, 및 상기 파워서플라이가 배치되는 전원 보드를 구비할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 통신 케이블은 상기 상위 제어기로부터 데이지 체인(daisy-chain) 방식으로 상기 관절 각각의 상기 액추에이터 유닛에 연결될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 액추에이터 유닛의 하부에 입력 커넥터가 배치되고, 상기 액추에이터 유닛의 상부에 출력 커넥터가 배치되며, 상기 입력 커넥터와 출력 커넥터는 상기 입력 중공축 내측에 배치된 중심 중공축의 내의 홀을 통해 연장하는 내부 케이블을 통해 서로 연결되며, 상기 상위 제어기로부터 상기 수직축 내부를 통해 연장하는 상기 통신전원 케이블이 상기 수직축이 결합하는 관절 내의 상기 액추에이터 유닛의 입력 커넥터에 연결되며, 어느 하나의 상기 액추에이터 유닛의 상기 출력 커넥터는 인접하는 다른 상기 액추에이터 유닛의 상기 입력 커넥터에 상기 통신전원 케이블을 통해 연결될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 센서 커플링은 상기 감속기 및 센서 프레임 사이에 배치되고, 상기 센서 커플링은 상기 입력 중공축을 회전축으로 하는 회전 방향에 대해서는 제1 강성을 가지며, 상기 입력 중공축에 수직인 수평면에서의 상하 및 좌우 방향에 대해서는 제2 강성을 가지며, 상기 제2 강성은 상기 제1 강성보다 낮을 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 센서 커플링은, 원형의 링 구조를 가지며 상기 센서 프레임에 결합하는 프레임 플랜지, 및 상기 원형 링에서 내측으로 연장되고 머리가 내측에 위치한 2분 음표(♩) 형태의 다수의 돌출부의 구조를 가지며 상기 머리 부분을 통해 상기 감속기와 결합하는 감속기 플랜지를 구비하는 제1 형, 원형 링의 구조를 가지며 상기 센서 프레임에 결합하는 프레임 플랜지, 및 상기 원형 링에서 내측으로 회전 방향을 따라 곡선 형태로 연장되면서 수평 단면이 점차 넓어지고 끝단 부분을 통해 상기 감속기와 결합하는 감속기 플랜지를 구비하는 제2 형, 및 원형의 링 구조를 가지며 상기 센서 프레임에 결합하는 프레임 플랜지, 및 상기 원형 링의 내측을 연결하는 다수의 브릿지 구조를 가지고, 상기 브릿지의 연장 방향의 강성이 상기 연장 방향의 수직 방향의 강성보다 높은 이방성 소재로 형성되며 상기 브릿지의 중심 부분을 통해 상기 감속기와 결합하는 감속기 플랜지를 구비하는 제3 형 중 어느 한 형으로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 센서 프레임은 상기 입력 중공축 내측에 배치된 중심 중공축이 끼워지는 홀이 형성된 원형 상판, 상기 원형 상판에서 하부로 연장된 실린더형 측부, 및 상기 측부의 하부 말단부분에서 수평 외곽 방향으로 연장된 원형 챙을 구비하고, 상기 원형 상판의 하면에 상기 센서 커플링이 결합하고, 상기 원형 상판의 상면에 센서 보드가 결합하며, 상기 원형 챙에 상기 수평 암이 결합할 수 있다.

한편, 상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 기술적 사상은 대상체를 회전시키기 위한 회전력을 생성하는 모터에 결합하여 감속비에 따라 회전 속도를 줄이는 감속기; 및 상기 감속기에 결합하여 상기 감속기의 회전 토크를 검출하되 외란과 노이즈를 차단하는 구조를 갖는 센서 커플링, 상기 센서 커플링에 결합하고 상기 회전 토크를 검출하는 센서가 장착되는 센서 프레임, 및 상기 센서 프레임 상에 배치되어 상기 센서로부터의 신호를 증폭하는 센서 보드를 구비한 센서부;를 포함하는 감속기 장치를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 센서 프레임은 중심에 홀이 형성된 원형 상판, 상기 원형 상판에서 하부로 연장된 실린더형 측부, 및 상기 측부의 하부 말단부분에서 수평 외곽 방향으로 연장된 원형 챙을 구비하고, 상기 원형 상판의 하면에 상기 센서 커플링이 결합하고, 상기 원형 상판의 상면에 센서 보드가 결합하며, 상기 원형 챙에 상기 감속기로부터 회전 토크를 전달받을 외부 장치가 결합할 수 있다.

본 발명의 기술적 사상에 따른 액추에이터 유닛은 중앙의 입력 중공축으로 모든 구성요소들이 직렬 배열 및 결합하는 수직 동력 전송 구조로 구현됨으로써, 액추에이터 유닛 자체의 소형화, 경량화, 및 단순화에 기할 수 있다. 또한, 구성요소들이 일체화된 모듈형 구조에 기인하여 유지보수성이 향상될 수 있다. 더 나아가, 동력 전달 메커니즘이 단순화되어 동력 전달 효율 증가에도 기여할 수 있다. 한편, 수직 동력 전송 구조의 액추에이터 유닛이 로봇의 관절에 적용됨으로써, 로봇의 관절 구동 메커니즘의 소형화, 경량화, 및 단순화에 기여할 수 있고 또한 고속화 및 에너지 절감에도 기여할 수 있다.

본 발명의 기술적 사상에 따른 액추에이터 유닛 각각은 내부에 제어부를 구비함으로써, 그러한 제어부를 이용하여 상위 제어기와 다수의 액추에이터 유닛 간에 통신전원 케이블을 통한 데이지 체인 방식의 연결을 구현할 수 있다. 그에 따라, 이용되는 액추에이터 유닛의 개수에 상관없이 2개의 케이블, 즉 전원 케이블과 통신 케이블만 있으면 되므로 케이블 증가에 따른 문제를 방지할 수 있다.

본 발명의 기술적 사상에 따른 액추에이터 유닛은 내부에 센서부를 구비하여, 센서를 통해 구동부의 동작을 감지 및 제어함으로써, 로봇의 정밀한 힘 제어나 충돌감지와 같은 좀더 개선된 제어를 수행하는데 기여할 수 있다.

본 발명의 기술적 사상에 따른 감속기 장치는 상부에 결합 배치되는 센서부를 통해 토크 센서를 정확하게 센싱함으로써, 감속기의 동작을 정확하게 제어할 수 있다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 액추에이터 유닛을 포함한 로봇을 개략적으로 보여주는 사시도이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 액추에이터 유닛을 포함한 로봇을 개략적으로 보여주는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액추에이터 유닛을 보여주는 절단 사시도이다.
도 3a 및 도 3b은 도 2의 액추에이터 유닛의 케이블 연결 구조를 보여주는 사시도들이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 액추에이터 유닛들이 케이블로 연결되는 구조를 개념적으로 보여주는 블럭 구조도이다.
도 5a 및 도 5b는 로봇의 관절에서 회전부 및 고정부가 배치되는 링크 체결부 구조를 보여주는 개념도들이다.
도 6a는 도 3a와 같은 케이블 연결 구조와 도 5a의 링크 체결부의 상하 대칭 구조에 기초하여 다수의 액추에이터 유닛들이 로봇 내에서 연결되는 구조를 보여주는 개념도이다.
도 6b는 도 3b와 같은 케이블 연결 구조에 기초하여 다수의 액추에이터 유닛들이 도 6a와는 다른 구조로 로봇 내에서 케이블로 연결되는 구조를 보여주는 개념도이다.
도 7은 도 2의 액추에이터 유닛의 제어부의 각 보드들 및 센서부의 센서 보드들 사이의 연결 관계를 보여주는 블럭 구조도이다.
도 8a 내지 도 8c는 도 2의 액추에이터 유닛의 제어부의 보드 구조를 보여주는 사시도들이다.
도 9a 및 도 9b는 도 2의 액추에이터 유닛의 센서부에 속하는 센서 프레임 구조 및 센서 프레임과 센서 보드가 결합한 구조를 보여주는 사시도들이다.
도 10a 및 도 10b는 도 9a 및 도 9b와는 다른 구조의 센서 프레임 구조 및 센서 프레임과 센서 보드가 결합한 구조를 보여주는 사시도들이다.
도 11a 내지 11d는 도 2의 액추에이터 유닛의 센서부에 속하는 센서 커플링의 다양한 구조를 보여주는 사시도들이다.
도 12는 감속기와 센서부가 결합하여 구성된 감속기 장치를 보여주는 절단 사시도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려, 이들 실시예는 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 통상의 기술자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다.

이하의 설명에서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 연결된다고 기술될 때, 이는 다른 구성 요소와 바로 연결될 수도 있지만, 그 사이에 제3의 구성 요소가 개재될 수도 있다. 유사하게, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 상부에 존재한다고 기술될 때, 이는 다른 구성 요소의 바로 위에 존재할 수도 있고, 그 사이에 제3의 구성 요소가 개재될 수도 있다. 또한, 도면에서 각 구성 요소의 구조나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되었고, 설명과 관계없는 부분은 생략되었다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 한편, 사용되는 용어들은 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.

도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 액추에이터 유닛을 포함한 로봇을 개략적으로 보여주는 사시도이다.

도 1a를 참조하면, 본 실시예에 따른 로봇(1000)은 액추에이터 유닛(100, actuator unit), 베이스(200, base), 수직축(300), 다관절 암(400, articulated robot), 핸드(500), 및 통신전원 케이블(600) 및 티칭펜던트(700, teaching pendent)를 포함할 수 있다.

액추에이터 유닛(100)은 다관절 암(400)의 각 관절 내에 배치되어, 수평 암들(410, 420) 또는 핸드(500)를 회전시킬 수 있다. 도시된 바와 같이 본 실시예에의 로봇(1000)에서, 액추에이터 유닛(100)은 회전시키는 수평 암들(410, 420) 및 핸드(500)에 대응한 개수가 구비될 수 있다. 예컨대, 본 실시예에의 로봇(1000)에서, 제1 수평 암(410)에 대응한 제1 액추에이터 유닛(100-1), 제2 수평 암(420)에 대응한 제2 액추에이터 유닛(100-2) 및 핸드(500)에 대응한 제3 액추에이터 유닛(100-3)이 구비될 수 있다. 이하, 제1 액추에이터 유닛(100-1), 제2 액추에이터 유닛(100-2) 및 제3 액추에이터 유닛(100-3) 각각을 구체적으로 지적하는 경우 이외에는 '액추에이터 유닛(100)'으로 통칭하여 사용한다.

이러한 액추에이터 유닛(100)은 내부에 제어부(미도시) 및/또는 센서부(미도시)를 구비할 수 있다. 액추에이터 유닛(100)이 내부에 상기 제어부를 구비함으로써, 액추에이터 유닛(100)이 상위 제어기(250)에 데이지 체인(daisy-chain) 방식으로 연결되는 데에 기여할 수 있다. 데이지 체인 방식에 대해서는 하기 통신전원 케이블(600)에 대한 설명 부분에서 좀더 상세히 기술한다. 또한, 액추에이터 유닛(100)이 내부에 상기 센서부를 구비함으로써, 정밀한 힘 제어나 충돌감지와 같은 좀더 개선된 제어를 수행하는 데에 기여할 수 있다. 액추에이터 유닛(100)에 대해서는 도 2 이하에서 좀더 상세하게 기술한다.

베이스(200)는 로봇(1000)의 몸체에 해당하고, 내부에 상위 제어기(250)를 구비할 수 있다. 또한, 베이스(200) 내부에는 수직축(300)이 삽입되는 구조로 결합하며, 수직축(300)을 이동시키고 제어하는 구동 장치(미도시) 및 제어 장치(미도시)가 배치될 수 있다. 한편, 베이스 내부에 배치된 상위 제어기(250)는 외부로부터 인가된 작업 명령에 따라 연산을 통해 제어 명령을 생성하여 통신 케이블(630)을 통해 액추에이터 유닛(100)의 상기 제어부로 전달할 수 있다. 도시된 바와 같이 상위 제어기(250)는 전원 케이블(620)을 통해 액추에이터 유닛(100) 각각으로 전원을 공급할 수도 있다.

수직축(300)은 전술한 바와 같이 베이스(200)에 삽입되는 구조로 결합하며, 상기 구동 장치에 의해 화살표로 표시된 바와 같이 상하 수직방향으로 이동할 수 있다. 이러한 수직축(300)은 도시된 바와 같이 전체적으로 원기둥 구조를 가질 수 있고, 상부에는 다관절 암(400)의 제1 수평 암(410)이 결합할 수 있다. 좀더 구체적으로, 제1 수평 암(410)은 제1 액추에이터 유닛(100-1)을 통해 수직축(300)에 결합할 수 있다. 예컨대, 제1 액추에이터 유닛(100-1)이 수직축(300)의 상부와 기계적으로 결합하고, 제1 수평 암(410)의 오른쪽 한쪽 부분이 제1 액추에이터 유닛(100-1)과 기계적으로 결합할 수 있다. 여기서 기계적 결합은 볼트/너트, 리벳, 용접, 등을 이용하여 두 개의 공작물을 매우 견고하게 결합시키는 것을 의미할 수 있다.

다관절 암(400)은 적어도 하나의 수평 암을 구비할 수 있다. 예컨대, 본 실시예의 로봇(1000)에서, 다관절 암(400)은 제1 수평 암(410) 및 제2 수평 암(420)을 구비할 수 있다. 전술한 바와 같이 제1 수평 암(410)의 한쪽 부분, 예컨대 오른쪽 말단 부분이 제1 액추에이터 유닛(100-1)을 통해 수직축(300)의 상부에 결합할 수 있다. 또한, 제1 수평 암(410)의 왼쪽 말단 부분은 제2 액추에이터 유닛(100-2)을 통해 제2 수평 암(420)의 오른쪽 말단 부분과 결합할 수 있다. 좀더 구체적으로, 제1 수평 암(410)이 수직축(300)에 결합하는 방식과 유사하게 제1 수평 암(410)의 왼쪽 말단 부분에 제2 액추에이터 유닛(100-2)이 기계적으로 결합하고, 제2 수평 암(420)의 오른쪽 말단 부분이 제2 액추에이터 유닛(100-2)에 기계적으로 결합함으로써, 제1 수평 암(410)에 제2 수평 암(420)이 결합할 수 있다.

한편, 제2 수평 암(420)의 왼쪽 말단 부분에는 제3 액추에이터 유닛(100-3)을 통해 핸드(500)가 결합할 수 있다. 즉, 제2 수평 암(420)의 왼쪽 말단 부분에 제3 액추에이터 유닛(100-3)이 기계적으로 결합하고, 핸드(500)의 연결부(520)가 제3 액추에이터 유닛(100-3)에 기계적으로 결합함으로써, 제2 수평 암(420)에 핸드(500)가 결합할 수 있다.

일반적으로, 액추에이터 유닛(100)을 통해 결합하여 회전되는 부분을 관절이라고 부를 수 있다. 그에 따라, 액추에이터 유닛(100)은 다관절 암(400)의 각 관절에 배치된다고 말할 수 있다. 한편, 수평 암들(410, 420)은 상하로는 이동할 수 없고 액추에이터 유닛(100)을 통해 수평으로 회전 운동만을 할 수 있다. 예컨대, 제1 수평 암(410)은 제1 액추에이터 유닛(100-1)의 회전축(Ra)을 기준으로 화살표와 같이 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전할 수 있다. 여기서, 제1 액추에이터 유닛(100-1)의 회전축(Ra)은 도 2에서 알 수 있듯이 중심 중공축(도 2의 110)일 수 있다. 한편, 제2 수평 암(420) 및 핸드(500)도 각각 제2 및 제3 액추에이터 유닛(100-1, 100-2)의 회전축을 기준으로 회전할 수 있음은 물론이다.

본 실시예에의 로봇(1000)에서, 다관절 암(400)은 2개의 수평 암(410, 420)을 구비하고 있으나 수평 암의 개수가 2개에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 필요에 따라, 다관절 암(400)은 3개 이상의 수평 암을 구비하거나, 또는 단지 하나의 수평 암을 구비할 수 있다.

한편, 본 실시예에서 다관절 암으로서 수평 암들을 구비한 로봇(1000), 즉 수평 다관절 로봇을 예를 들어 설명하고 있지만, 본 실시예의 로봇(1000)이 수평 다관절 로봇에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 본 실시예의 로봇(1000)은 다관절 암으로서 수직 암들을 구비한 로봇, 즉 수직 다관절 로봇을 포함할 수 있고, 상기 수직 암들의 각 관절에는 액추에이터 유닛(100)이 채용될 수 있다. 다만, 수직 다관절 로봇에서 수직 암들의 경우는 수평 암들과 달리 상하로 회전하므로 액추에이터 유닛(100)은 중심 중공축이 수평이 되도록 수직 암들의 관절에 배치될 수 있다.

더 나아가, 본 실시예의 로봇(1000)은 다관절 암으로서 수평 암들과 수직 암들을 복합적으로 채용한 복합 다관절 로봇을 포함할 수도 있다. 결국, 본 실시예의 로봇(1000)은 관절을 통해 회전할 수 있는 다양한 구조의 암들을 채용한 모든 종류의 로봇을 포함할 수 있다. 물론, 그러한 로봇의 각 관절에는 액추에이터 유닛(100)이 채용되어 배치될 수 있다.

핸드(500)는 픽업부(510)와 연결부(520)를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이 핸드(500)의 연결부(520)는 다관절 암(400)의 말단, 예컨대 제2 수평 암(420)의 왼쪽 말단에 제3 액추에이터 유닛(100-3)을 통해 결합할 수 있다.

픽업부(510)는 이동시키고자 하는 대상물(미도시)을 파지하는 부분이다. 본 실시예에서, 핸드(500)의 픽업부(510)는 도시된 바와 같이 웨이퍼나 기판이 로딩 될 수 있는 구조로 형성될 수 있다. 그에 따라, 본 실시예의 로봇(1000)은 반도체 공정, LCD(Liquid Crystal Display) 공정, LED(Light Emitting Display) 공정 등에서 웨이퍼나 기판을 이송하는 웨이퍼 또는 기판 이송 로봇일 수 있다.

연결부(520)는 픽업부(510)에 일체로 결합하여 제3 액추에이터 유닛(100-3)에 의해 회전함으로써, 픽업부(510)와 함께 픽업부(510)에 로딩 되어 있는 상기 대상물을 목표로 하는 위치로 이동시킬 수 있다. 좀더 정확하게는 수직축(300), 다관절 암(400)의 수평 암들(410, 420) 및 연결부(520) 모두가 함께 연동하여 움직임으로써, 픽업부(510)에 로딩 되어 있는 상기 대상물이 목표로 하는 위치로 이동될 수 있다.

본 실시예에서, 핸드(500)의 픽업부(510)는 전술한 바와 같이 웨이퍼나 기판이 로딩 될 수 있는 구조로 형성될 수 있다. 그러나 핸드(500)의 픽업부(510)가 상기 구조에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 핸드(500)의 픽업부(510)는 집게 형상의 구조를 가질 수 있고, 그에 따라, 핸드(500)의 픽업부(510)는 대상물을 집게로 집을 수 있다. 물론 집게의 구체적인 형상은 이동시키고자 하는 대상물의 형태에 따라 다양하게 변형될 수 있다. 덧붙여, 픽업부(510)가 집게 형상을 갖는 경우, 연결부(520)에 집게 형상의 픽업부(510)를 움직이고 제어하는 구동 장치가 포함될 수 있다.

더 나아가, 픽업부(510) 또는 픽업부(510)를 포함한 전체 핸드(500)는 로딩 구조나 집게 구조에 한정되지 않고 다관절 암을 채용한 모든 종류의 로봇에 적용될 수 있는 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 픽업부 또는 픽업부를 포함한 핸드는 다관절 암에 결합하여 조립, 이송 및 디스펜싱, 볼트 체결, 솔더링, 라우터, 용접 등의 다양한 기능을 수행할 수 있는 구조를 가질 수 있다.

통신전원 케이블(600)은 전원을 공급하는 전원 케이블(620) 및 제어 명령을 전달하는 통신 케이블(630)을 포함할 수 있다.

전원 케이블(620)은 다관절 암(400)의 관절들에 배치된 액추에이터 유닛(100) 각각에 전원을 공급할 수 있다. 좀더 구체적으로 전원 케이블(620)은 액추에이터 유닛(100) 내의 구동부(미도시)를 구동하고, 센서부(미도시) 및 제어부(미도시)를 동작시키기 위한 전원을 공급할 수 있다.

구체적으로, 전원 케이블(620)은 상위 제어기(250)로부터 연장하여 베이스(200)의 내부 및 수직축(300)의 내부를 통해 제1 수평 암(410)의 오른쪽 부분에 배치된 제1 액추에이터 유닛(100-1)으로 연결되고, 다시 제1 액추에이터 유닛(100-1)으로부터 연장하여 제1 수평 암(410)의 내부를 거쳐 제2 수평 암(420)의 오른쪽 부분에 배치된 제2 액추에이터 유닛(100-2)으로 연결될 수 있다. 또한, 제2 액추에이터 유닛(100-2)으로부터 연장하여 제2 수평 암(420)의 내부를 거쳐 핸드(500)의 연결부(520)의 오른쪽 부분 또는 제2 수평 암(420)의 왼쪽 부분에 배치된 제3 액추에이터 유닛(100-3)으로 연결될 수 있다.

이와 같이 전원 케이블(620)이 액추에이터 유닛(100)으로 연결되어 요구되는 전원을 공급할 수 있다. 한편, 도시하지 않았지만 수직축(300)의 상기 구동 장치 및 제어 장치로도 전원 케이블(620)을 통해 전원을 공급할 수 있음은 물론이다.

통신 케이블(630)은 상위 제어기(250)로부터 제어 명령을 액추에이터 유닛(100) 각각의 상기 제어부로 전달하고, 또한, 상기 제어부 또는 센서부로부터의 신호를 상위 제어기로 전달하는 기능을 할 수 있다. 통신 케이블(630)은 전원 케이블(620)과 유사한 구조로 상위 제어기(250)로부터 액추에이터 유닛(100) 각각으로 연결될 수 있다.

한편, 통신 케이블(630)은 기능상으로 데이지 체인(daisy-chain) 방식으로 상위 제어기(250)로부터 액추에이터 유닛(100) 각각으로 연결될 수 있다. 여기서, 데이지 체인 방식은 컴퓨터 주변 장치의 인터럽트 요구선(interrupt request line)이 순차적으로 접속되어 있고, 각 주변 장치로부터 CPU에 대하여 동시에 인터럽트가 발생한 경우 CPU에 가까운 쪽의 인터럽트를 우선적으로 실행하는 방식을 의미할 수 있다. 그에 따라, 데이지 체인 방식에서는 CPU로부터 먼 다른 주변 장치의 인터럽트는 마스크되어 차단되게 된다. 즉, CPU로부터 먼 주변 장치는 CPU에서 가까운 주변 장치에 인터럽트가 발생해 있지 않을 때 인터럽트가 실행될 수 있다.

본 실시예의 로봇(1000)에서, 액추에이터 유닛(100) 각각은 내부에 제어부를 구비하고, 그러한 제어부를 이용하여 액추에이터 유닛들(100)과 상위 제어기(250)가 통신 케이블(630)을 통해 데이지 체인 방식으로 연결될 수 있다. 이와 같이 데이지 체인 방식으로 연결됨으로써, 상위 제어기(250)로부터 가까운 액추에이터 유닛(100)이 자신의 제어부를 통해 해당 제어 명령을 순차적으로 수신하고, 동기화를 통해 동작하게 된다. 즉, 상위 제어기(250)로부터 제어 명령이 전달되면, 먼저 제1 액추에이터 유닛(100-1)의 상기 제어부가 상기 제어 명령 중 자신에게 할당된 제1 제어 명령을 수신하고, 다음 제2 액추에이터 유닛(100-2)의 상기 제어부가 상기 제어 명령 중 자신에게 할당된 제2 제어 명령을 수신하며, 마지막으로 제3 액추에이터 유닛(100-3)의 제어부가 상기 제어 명령 중 자신에게 할당된 제3 제어 명령을 수신한다. 한편, 제1 내지 제3 액추에이터 유닛(100-1, 100-2, 100-3)의 제어부가 각각의 제어 명령들을 수신한 후, 각 제어부에서 동기화가 이루어짐으로써, 거의 동시적으로 해당 명령에 따른 동작이 수행될 수 있다.

한편, 데이지 체인 방식으로 연결되지 않은 경우, 예컨대 브랜치(branch) 구조로 연결되는 경우에는 각 액추에이터 유닛에 대응하는 개수의 통신 케이블이 구비되어야 하므로, 로봇의 관절이 증가하는 경우에 액추에이터 유닛의 개수가 증가하고 그에 따라 케이블의 수가 증가하게 된다. 이와 같이 케이블 수가 증가하게 되면 로봇의 모션(motion)에 따라 케이블들의 비틀림, 굽힘, 꼬임 등에 의한 케이블의 손상이 발생할 수 있고, 그에 따라, 로봇의 제어 신뢰성 및 유지 보수성이 저하될 수 있다. 그러나 본 실시예의 로봇(1000)에서는 통신 케이블(630)은 데이지 체인 방식으로 연결되고, 전원 케이블(620)은 액추에이터 유닛(100) 각각의 제어부를 거쳐 확장하는 식으로 연결됨으로써, 전원 케이블(620)과 통신 케이블(630)의 두 개의 케이블만 배치되면 충분할 수 있다. 따라서, 본 실시예의 로봇(1000)은 로봇의 관절, 즉 액추에이터 유닛의 개수가 증가하더라도 케이블 증가에 따른 케이블 손상이나 품질 저하 등의 문제가 발생하는 것을 방지할 수 있다.

한편, 액추에이터 유닛(100)의 내부에서의 전원 케이블(620) 및 통신 케이블(630)의 연결 관계 및 동작 설명은 도 3a 내지 도 7에 대한 설명 부분에서 좀더 상세히 기술한다.

티칭펜던트(700)는 사용자가 원하는 로봇의 작업 명령을 직접 프로그래밍하여 입력하는 장치로서, 일반적으로 베이스(200)와는 떨어져 배치될 수 있다. 티칭펜던트(700)는 도시된 바와 같이 작업명령 케이블(710)을 통해 상위 제어기(250)에 연결될 수 있다. 따라서, 티칭펜던트(700)에 작업 명령을 입력하면, 작업명령 케이블(710)을 통해 상위 제어기(250)로 작업 명령이 전달될 수 있다. 작업 명령이 입력되면, 상위 제어기(250)는 기구학, 역기구학, 동역학, 작업공간 변수 등의 다양한 연산을 수행하여 액추에이터 유닛(100)을 동작시키기 위한 제어 명령을 생성하고, 상기 제어 명령을 해당 액추에이터 유닛(100)의 상기 제어부에 전달할 수 있다.

한편, 전원은 티칭펜던트(700)와는 상관없이 다른 경로를 통해 상위 제어기(250)로 입력되어, 전원 케이블(620)을 통해 액추에이터 유닛(100) 각각으로 공급될 수 있다. 또한, 경우에 따라 전원은 상위 제어기(250)를 거치지 않고 바로 액추에이터 유닛(100)으로 공급될 수도 있다.

본 실시예의 로봇(1000)에서, 다관절 암(400)의 관절에 배치되는 액추에이터 유닛(100) 각각은 내부에 제어부 및/또는 센서부를 구비할 수 있다. 그에 따라, 상기 제어부를 이용하여 액추에이터 유닛들(100)과 상위 제어기(250)가 통신전원 케이블(600)을 통해 연결될 수 있다. 특히, 통신전원 케이블(600)의 통신 케이블(630)은 액추에이터 유닛(100) 각각의 제어부를 통해 데이지 체인 방식으로 연결될 수 있고, 이러한 데이지 체결 방식의 연결에 기인하여 액추에이터 유닛의 개수가 증가하더라도 케이블 증가에 따른 케이블 손상이나 품질 저하 등의 문제가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 상기 센서부를 통해 액추에이터 유닛(100)을 피드백 제어함으로써, 정밀한 힘 제어나 충돌감지와 같은 좀더 개선된 제어를 수행할 수 있다.

도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 액추에이터 유닛을 포함한 로봇을 개략적으로 보여주는 사시도로서, 설명의 편의를 위해 도 1a에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.

도 1b를 참조하면, 본 실시예의 로봇(1000a)은 도 1a의 로봇(1000)과 달리 상위 제어기(250)가 베이스(200) 내부에 배치되는 것이 아니라 베이스(200) 외부에 배치될 수 있다. 이러한 상위 제어기(250)는 도시된 베이스(200)의 외벽에 부착되는 식으로 배치될 수 있다. 그러나 상위 제어기(250)의 배치 위치가 그에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 상위 제어기(250)는 베이스(200)와 떨어져 별도로 배치될 수도 있다.

물론, 본 실시예의 로봇(1000a)에서도, 다관절 암(400)의 관절 각각에 액추에이터 유닛(100)이 배치되고, 액추에이터 유닛(100) 각각은 내부에 제어부 및/또는 센서부를 구비할 수 있다. 또한, 상위 제어기(250)의 배치 위치와 상관없이 상위 제어기(250)와 액추에이터 유닛들(100)이 상기 제어부를 이용하여 통신 케이블(630)을 통해 데이지 체인 방식으로 연결될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액추에이터 유닛을 보여주는 절단 사시도이다. 이해의 편의를 위해 도 1a 및 도 1b를 함께 참조하여 설명한다.

도 2를 참조하면, 본 실시예의 액추에이터 유닛(100)은 전체적으로 원기둥 형상을 가지며, 중심 중공축(110, center hollow shaft), 구동부(120), 센서부(130), 프레임부(140) 및 제어부(150)를 포함할 수 있다. 액추에이터 유닛(100)은 각 구성요소들이 중심 중공축(110)을 기준으로 직렬 배열 및 결합함으로써, 직렬 또는 수직 동력 전송 구조를 가질 수 있다.

원기둥 형상의 액추에이터 유닛(100)에 있어서, 중심 중공축(110)은 원기둥 단면 중심부에 구멍이 뚫려 있는 원형 관 구조의 축을 의미할 수 있다. 중심 중공축(110)은 빈 공간인 구멍을 통해 케이블 등의 배선을 연결되게 함으로써, 회전 운동에 의한 케이블의 비틀림이나 꼬임 등을 최소로 할 수 있다. 또한, 중심 중공축(110)은 센서부(130)에 연결되어 센서부(130)와 함께 회전할 수 있다. 한편, 중심 중공축(110)의 하부 외곽으로 입력 중공축(129)이 배치되고 이러한 입력 중공축(129)에 대부분의 구성요소들이 직렬 배열 및 결합함으로써, 수직 동력 전송 구조의 액추에이터 유닛(100)이 구현될 수 있다. 이러한 수직 동력 전송 구조의 액추에이터 유닛(100)을 다관절 암(400)의 각 관절에 적용함으로써, 로봇의 관절 구동 메커니즘의 소형화, 경량화, 및 단순화에 기여할 수 있다. 여기서, 로봇의 관절 구동 메커니즘은 결국 액추에이터 유닛(100)의 모터(121)에 의하여 발생한 동력이 입력 중공축(129)에 의하여 연결된 하모닉 감속기를 통하여 센서부(130)의 센서 프레임(131)으로 출력되는 구조를 의미할 수 있다.

구동부(120)는 액추에이터 유닛(100)의 중간 부분에 배치되며, 모터(121), 감속기(123), 엔코더(125, encoder), 및 입력 중공축(129)을 포함할 수 있다.

모터(121)는 전류가 흐르는 도체가 자기장 속에서 받는 힘을 이용하여 전기에너지를 기계적인 일로 바꾸는 장치일 수 있다. 본 실시예에서 모터(121)는 움직이고자 하는 대상체, 예컨대 다관절 암(400) 또는 핸드(500)를 회전시키기 위한 회전력을 제공할 수 있다. 한편, 본 실시예에서 모터(121)는 제어신호에 따라 동작하는 서보 모터(servo-motor)일 수 있다. 서보 모터는 빠른 응답과 넓은 속도제어의 범위를 가진 제어용 모터로서, 전원에 따라 직류 서보 모터와 교류 서보 모터로 분류될 수 있다. 한편, 서보 모터는 제어신호를 받아 증폭하여 서보 모터로 제공하는 장치가 필요한데, 이것을 서보 증폭기 또는 파워컨버터라고 한다. 또한, 서보 모터에는 현재의 자기 위치를 알려주는 엔코더(125)가 함께 배치 수 있다.

한편, 일반적으로 모터(121)는 매우 빠른 회전 속도를 가지고 회전하므로 그러한 모터(121)의 회전을 상기 대상체에 직접 전달하여 상기 대상체를 회전시키는 경우, 상기 대상체의 회전을 위한 충분한 회전 토크를 제공하지 못할 수 있고, 또한 정확한 회전 위치를 제어할 수 없는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 모터(121)의 회전 속도를 줄여서 상기 대상체로 회전력을 전달하기 위하여 감속기(123)가 도입될 수 있다.

감속기(123)는 입력 중공축(129)을 통해 모터(121)에 결합하여 정해진 감속비에 따라 회전 속도를 줄이는 장치일 수 있다. 예컨대, 본 실시예의 액추에이터 유닛(100)에서, 감속기(123)는 모터(121)의 상부에 배치되고 입력 중공축(129)을 공유하는 하모닉(harmonic) 감속기일 수 있다. 참고로, 하모닉 감속기는 일반 기어와는 다르게, 동일 회전 축 상에서 감속이 가능하며 내부 구조는 안쪽에 돌아가는 바퀴와 바깥쪽 바퀴, 그 사이를 연결해주는(웨이브를 만들어주는) 타원형의 바퀴가 맞물려있는 구조를 가지며, 보통 감속비는 수십: 1 내지 수백: 1 정도일 수 있다. 한편, 하모닉 감속기는 하모닉 드라이브로 불리기도 한다.

본 실시예의 액추에이터 유닛(100)은 벨트/풀리를 통해 모터(121)에 결합하는 감속기를 배제하는 것은 아니다. 그러나 벨트/풀리를 통해 결합하는 감속기를 채용하는 경우는 병렬 연결 구조(또는 수평 동력 전달 구조)와 장력조절 장치의 추가로 인해 액추에이터 유닛의 부피 및 무게가 증가할 수 있다. 또한 그러한 구조의 액추에이터 유닛이 다관절 암에 배치되는 경우에 로봇 전체의 부피 및 무게의 증가를 가져올 수 있다. 더 나아가 벨트/풀리 메커니즘에 의한 동력 손실이나 분진이 발생하는 문제 등이 발생할 수 있다.

엔코더(125)는 모터(121)의 회전 방향 및 회전 속도 등의 회전 정보를 검출하는 장치일 수 있다. 이러한 엔코더(125)는 도시된 바와 같이 엔코더 연결부(127)를 통해 입력 중공축(129)에 결합할 수 있다. 물론, 엔코더(125)는 엔코더 연결부(127) 없이 바로 입력 중공축(129)에 결합하는 구조를 가질 수도 있다. 엔코더(125)는 크게 인크리멘탈(incremental, 상대치) 엔코더와 앱솔루트(absolute, 절대치) 엔코더로 나눌 수 있다. 참고로, 앱솔루트 엔코더는 회전각의 절대값이 연산되어 비트 단위로 출력(절대값 출력)되고, 정전 중에도 이동량을 알 수 있으므로 전원 재투입 시에 원점 복귀가 불필요하며, 구조가 복잡하기 때문에 일반적으로 고가일 수 있다. 이에 반해, 인크리멘탈 엔코더는 회전각의 변화에 따라 펄스(pulse)가 출력(상대값 출력)되고, 정전 중에 이동량을 알 수 없기 때문에 전원 재투입 시에 원점 복귀 동작이 필요하며, 구조가 비교적 간단하기 때문에 가격이 저렴할 수 있다. 본 실시예의 액추에이터 유닛(100)에서, 엔코더(125)는 모터(121)의 하부로 배치되는 앱솔루트 엔코더일 수 있다. 그러나 인크리멘탈 엔코더의 적용이 배제되는 것은 아니다.

한편, 구동부(120)는 모터(121)의 회전을 정지시키는 브레이크(미도시)를 포함할 수 있다. 본 실시예의 액추에이터 유닛(100)에서, 브레이크는 전원 등이 끊어지는 비상시에 모터(121)의 회전을 정지시킴으로써, 로봇(1000)을 보호하는 안전 브레이크일 수 있다. 이러한 브레이크는 구동부(120)의 최하단에 배치될 수 있다.

입력 중공축(129)은 전술한 바와 같이 중심 중공축(110)의 하부 외곽으로 배치되되 서로 별도로 회전하도록 배치될 수 있다. 좀더 구체적으로, 입력 중공축(129)은 입력 중공축(129)의 내측면이 중심 중공축(110)의 외측면으로부터 이격되는 구조로 중심 중공축(110)의 외곽으로 배치될 수 있다. 그에 따라, 입력 중공축(129)과 중심 중공축(110)은 서로의 회전에 전혀 영향을 미치지 않을 수 있다. 이러한 입력 중공축(129)에는 전술한 모터(121), 감속기(123), 엔코더(125), 및 브레이크(미도시) 등이 결합할 수 있다. 그에 따라, 입력 중공축(129)은 모터(121), 감속기(123), 엔코더(125), 및 브레이크가 서로 연결되도록 하는 매개체에 기능을 할 수 있고, 또한 전술한 바와 같이 액추에이터 유닛(100)의 수직 동력 전송 구조의 기본축이 될 수 있다.

센서부(130)는 구동부(120)의 상부에 배치되며, 센서 프레임(131), 센서 보드(133), 센서 커플링(135), 및 커버(137)를 포함할 수 있다.

센서 프레임(131)의 상측 면으로는 센서들(미도시)이 장착될 수 있다. 센서는 예컨대, 감속기(123)로부터 전달된 회전 토크를 센싱하는 토크 센서일 수 있다. 또한, 토크 센서는 스트레인 게이지를 이용한 스포크 타입(spoke type) 토크 센서일 수 있고, 센서 프레임(131)에 장착될 수 있다. 상기 스트레인 게이지의 작용을 간단히 설명하면, 센서 프레임(131)은 센서 커플링(135)을 통해 감속기(123)와 기계적으로 결합할 수 있다. 이러한 결합 구조에 기초하여, 감속기(123)가 회전하게 되면, 감속기(123)의 회전 토크가 센서 프레임(131)의 회전 방향에 대하여 스트레인을 발생시킬 수 있다. 그에 따라, 센서 프레임(131)에 부착된 스트레인 게이지를 통해 발생한 스트레인, 예컨대 변형률을 측정함으로써 감속기(123)로부터 전달된 회전 토크를 검출할 수 있다.

한편, 센서 프레임(131)에 장착되는 센서는 토크 센서에 한하지 않는다. 예컨대, 센서 프레임(131)에는 가속도 센서나 기울기 센서 등이 장착될 수도 있다. 이러한 가속도 센서나 기울기 센서는 상기 토크 센서와 함께 또는 별도로 센싱을 수행하여 수직축(300), 다관절 암(400) 또는 핸드(500)의 상태 모니터링의 기능을 수행할 수 있다.

한편, 센서 프레임(131)은 도시된 바와 같이 실크 햇(silk hat)의 구조를 가질 수 있고, 상부의 원형 상판은 하부로 배치되는 센서 커플링(135)과 결합하고, 측부의 외곽 테두리, 즉 원형 챙 부분에는 다관절 암(400)의 수평 암들(410, 420)이 결합할 수 있는 결합부가 형성될 수 있다. 센서 프레임(131)이 실크 햇의 구조를 가지고 수평 암들(410, 420)과 결합함으로써, 수평 암들(410, 420)로부터 전달되는 스트레인을 효과적으로 차단할 수 있다. 그에 따라, 센서 프레임(131) 내에 장착된 상기 센서들이 감속기(123)로부터 전달된 회전 토크만을 효과적으로 센싱할 수 있다.

센서 프레임(131)의 구조에 대한 내용은 도 9a 내지 도 10b에 대한 설명 부분에서 좀더 상세히 기술한다.

센서 보드(133)는 상기 센서들로부터 측정된 신호를 증폭하기 위한 다수의 회로들이 포함된 신호처리 보드일 수 있다. 센서 보드(133)는 센서 프레임(131)의 상기 원형 상판 상면 상에 바로 배치 및 결합함으로써, 상기 센서들로부터의 최단 거리를 유지할 수 있다. 그에 따라, 센서 보드(133)는 외부 노이즈의 영향을 최소화하여 센싱 신호에 대한 효율적인 신호처리를 수행할 수 있다.

한편, 센서 보드(133)에는 도시된 바와 같이 출력 커넥터(160out)가 구비될 수 있다. 출력 커넥터(160out)는 전원 출력 커넥터(161out)와 통신 출력 커넥터(163out)를 포함할 수 있다. 출력 커넥터(160out)는 내부 케이블(미도시)을 통해 제어부(150)에 배치된 입력 커넥터(160in)에 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 출력 커넥터(160out)는 입력 커넥터(160in)와 함께 액추에이터 유닛(100) 간의 데이지 체인 방식의 연결에 기여할 수 있다. 한편, 도 3b에서 볼 수 있듯이, 출력 커넥터(160out)는 생략되고 입력 커넥터(160in)만으로 데이지 체인 방식의 연결이 이루어질 수도 있다.

액추에이터 유닛(100) 내에서의 케이블 연결 관계에 대해서는 도 3a 및 도 3b에 대한 설명 부분에서 좀더 상세히 기술한다.

센서 커플링(135)은 구동부(120), 예컨대 감속기(123)로부터의 노이즈와 토크 리플(torque ripple)과 같은 외란(disturbance)을 차단하는 장치일 수 있다. 감속기(123), 예컨대 하모닉 감속기의 출력은 센서부(130)를 거쳐서 수평 암(410, 420) 또는 핸드(500)를 구동하게 되는데, 하모닉 감속기의 구동 특성상 금속 탄성체의 변형에서 발생하는 외란이 센서부(130)에 전달될 수 있다. 즉, 하모닉 감속기의 회전에 따라 회전방향의 토크뿐만 아니라, 하모닉 감속기의 탄성체 변형에 의하여 발생하는 상하 또는 좌우방향의 스트레인이 센서부(130)에 전달될 수 있다.

예를 들어 센서부(130)에서 부하 토크를 측정하기 위하여 센서 프레임(131)에 스트레인 게이지를 부착하는 경우, 하모닉 감속기의 회전 토크는 센서 프레임(131)에 회전방향에 대한 스트레인을 발생시켜, 센서 프레임(131)에 부착된 스트레인 게이지를 통해 토크를 측정할 수 있다. 하지만 하모닉 감속기의 상하 및/또는 좌우 방향의 변형 또한 센서 프레임(131)의 스트레인을 발생시킬 수 있고, 그러한 스트레인은 측정하고자 하는 부하 토크 신호에 외란으로 작용할 수 있다.

여기서, 외란은 자동 제어 시스템에 있어서 제어 대상이 되는 물리량에 대해 직접적으로 변화를 초래하는 원인 이외의 요소로서, 제어계의 상태를 교란시키는 외적 작용을 의미할 수 있다. 즉, 외란은 제어계의 적극적인 요소에 가해지는 외적 작용을 뜻할 수 있다. 이에 반해, 노이즈는 제어계의 소극적 요소에 가해지는 외적 작용을 의미할 수 있다. 한편, 본 실시예의 센서 커플링(135)과 관련하여 외란은 감속기(123)가 회전하는 방향을 제외한 다른 두 방향의 회전과 세 방향의 병진 운동을 의미할 수 있다.

센서 커플링(135)의 상부에는 센서 프레임(131)이 기계적으로 결합하며, 센서 커플링(135)의 하부에는 감속기(123)가 기계적으로 결합할 수 있다. 그에 따라, 감속기(123)의 회전 토크가 센서 커플링(135)을 통해 센서 프레임(131)에 전달될 수 있다. 센서 커플링(135)은 감속기(123)의 회전 방향으로 비교적 높은 강성(rigidity)을 갖는 반면, 중심 중공축(110)에 수직인 수평면에서의 상하 및 좌우 방향에 대해서는 낮은 강성을 가질 수 있다. 그에 따라, 감속기(123)의 회전 토크는 높은 강성에 기인하여 실질적으로 그대로 센서 프레임(131)에 전달하나, 감속기(123)의 상하 및/또는 좌우 방향의 변형에 의해 발생한 스트레인은 낮은 강성으로 인해 센서 프레임(131)으로의 전달이 거의 차단될 수 있다. 그에 따라, 외란의 영향을 받지 않는 순수한 토크 정보를 센서부(130)에서 측정할 수 있다.

여기서, 강성은 어떤 물체에 압력을 가하여도 모양 및 부피가 변하지 아니하는 물질의 단단한 성질을 의미할 수 있다. 예컨대, 강성은 비틀림강성(torsional rigidity)을 의미할 수 있다. 참고로, 비틀림모멘트 N과 단위길이당 비틀림각 φ 사이에는 N = Dφ의 관계가 성립하는데, 여기서의 비례계수 D를 비틀림강성이라 한다. 한편, 비틀림 강성(D)은 물질의 전단탄성계수(shearing modulus) n에 비례하고, 그 비례계수는 기둥의 단면의 형태에 결정될 수 있다.

센서 커플링(135)의 구조나 외란 및 노이즈의 차단 기능에 대해서는 도 11a 내지 도 11d에 대한 설명 부분에서 좀더 상세히 기술한다.

커버(137)는 센서 보드(133)를 덮어 보호하는 구조물일 수 있다. 이러한 커버(137)는 액추에이터 유닛(100)을 다관절 암(400)의 각 관절로 배치 및 결합할 때, 또는 로봇(1000)의 동작 중에, 센서 보드(133)가 외력이나 이물질의 접촉을 통해 손상되는 것을 방지할 수 있다. 만약, 센서 보드(133)에 손상이 발생할 염려가 없다면 커버(137)는 생략될 수 있음은 물론이다.

프레임부(140)는 구동부(120)의 외곽 및 결합 부분들에 배치되며, 모터 프레임(141), 엔코더 프레임(143), 연결 프레임(145), 지지 베어링(147)을 포함할 수 있다. 모터 프레임(141), 및 엔코더 프레임(143)은 각각 모터(121), 및 엔코더(125) 를 지지하는 프레임일 수 있다. 한편, 모터 프레임(141)은 모터(121)의 상부로 배치되어 모터(121)를 지지하는 상부 모터 프레임(141a)과 모터(121)의 외곽 측면으로 배치되어 모터(121)를 지지하는 측부 모터 프레임(141b)를 포함할 수 있다. 연결 프레임(145)은 구동부(120)와 센서부(130)를 연결하는 프레임일 수 있다. 좀더 구체적으로 연결 프레임(145)은 도시된 바와 모터 프레임(141)과 센서 프레임(131) 사이에 배치되어 구동부(120)와 센서부(130)를 기계적으로 결합시킬 수 있다.

지지 베어링(147)은 연결 프레임(145)과 센서 프레임(131) 사이에서 각 프레임들에 걸리는 하중을 지지하는 프레임 지지 베어링(147a)과 입력 중공축(129)에 걸리는 하중을 지지하는 중공축 지지 베어링(147b, 147c)을 포함할 수 있다. 이러한 지지 베어링(147)은 지지 기능과 함께 회전 방향 이외의 외력을 차단하는 기능을 수행할 수 있다. 여기서, 참조 번호 149는 하부로 배치되는 제어부(150)의 보드들을 수용하고 지지하는 보드 수용 프레임일 수 있다.

제어부(150)는 구동부(120)의 하부에 배치되며, 적어도 하나의 보드를 통해 구현될 수 있다. 예컨대, 본 실시예의 액추에이터 유닛(100)에서, 제어부(150)는 3개의 보드, 즉 전원 보드(151), 제어 보드(153) 및 앰프 보드(155)를 포함할 수 있다.

전원 보드(151)는 전원 변환을 위한 다수의 회로들, 예컨대 파워서플라이를 구비할 수 있다. 상기 파워서플라이는 외부의 주전원으로부터 인가된 전원을 액추에이터 유닛(100) 내의 각 구성 요소들에 적합한 전원으로 변환하여 공급할 수 있다.

제어 보드(153)는 액추에이터 유닛(100)의 모터(121)를 제어하기 위한 다수의 제어 회로들, 예컨대 모터 제어기를 구비할 수 있다. 상기 모터 제어기는 상위 제어기(250)로부터 받은 제어 명령에 따라 엔코더(125) 기반의 피드백 제어(feed-back control)에 의하여 전류 지령치를 앰프 보드(155)에 구비된 파워컨버터에 인가할 수 있다. 즉, 상기 모터 제어기는 엔코더(125)로부터 받은 모터(121)의 회전 정보에 기반으로 한 연산을 통해 상기 전류 지령치를 산출하여 상기 파워컨버터로 인가할 수 있다.

한편, 제어 보드(153)에는 통신 모듈이 구비되고, 그러한 통신 모듈을 통해 상위 제어기(250)와 통신할 수 있다. 한편, 통신 모듈을 통해 센서부(130)와도 통신할 수 있는데, 센서부(130)와의 통신을 위해 제어 보드(153)에 센서 인터페이스가 배치될 수 있다. 경우에 따라, 센서 인터페이스는 센서부(130)의 센서 보드(133)에 배치될 수 있다. 또한, 센서부(130)와의 통신을 위해 제어 보드(153)와 센서 보드(133)는 도 3a 또는 도 3b에서와 같이 센서 케이블(650)을 통해 전기적으로 연결될 수 있다.

앰프 보드(155)는 상기 모터 제어기로부터 제어 신호, 즉 상기 전류 지령치를 증폭하기 위한 다수의 회로들, 예컨대 파워컨버터를 구비할 수 있다. 상기 파워컨버터는 상기 모터 제어기로부터 인가된 상기 전류 지령치를 모터(121) 구동을 위한 펄스 신호로 변환하여 모터(121)로 인가할 수 있다.

도 2에서 제어부(150)는 하부로부터 제어 보드(153), 전원 보드(151) 및 앰프 보드(155)가 순차적으로 적층되는 구조로 구현될 수 있다. 그러나 본 실시예의 액추에이터 유닛(100)에서, 제어부(150)의 보드들의 적층 순서가 상기 순서에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 각 보드들은 전기적으로 연결되어 있기만 하면 어떠한 순서로 적층되어도 무방하다. 한편, 도시된 바와 같이 각 제어부(150)의 보드들은 소정 간격을 두고 이격된 구조로 적층될 수 있다. 이와 같이 제어부(150)의 각 기능부들이 각각의 보드들에 구현되고, 그러한 보드들이 이격 적층되는 구조를 분산 보드 구조라 부를 수 있다. 이러한 제어부(150)의 분산 보드 구조를 통해, 제어부(150)의 일체화 및 소형화에 따른 노이즈 및 열 발생을 최소화할 수 있다.

한편, 센서부(130)의 센서 보드(133)의 출력 커넥터(160out)에 대응하도록 제어 보드(153) 에는 입력 커넥터(160in)가 구비될 수 있다. 입력 커넥터(160in)는 전원 입력 커넥터(161in)와 통신 입력 커넥터(163in)를 포함할 수 있다. 입력 커넥터(160in)가 내부 케이블을 통해 출력 커넥터(160out)에 전기적으로 연결됨으로써, 데이지 체인 방식의 연결이 이루어짐은 전술한 바와 같다. 만약, 제어 보드(153)가 아닌 다른 보드, 예컨대 전원 보드(151)가 최하부로 배치되는 경우에, 입력 커넥터(160in)는 전원 보드(151)에 구비될 수 있다.

제어부(150)에 대한 구조나 기능 등은 도 7 내지 도 8c에 대한 설명 부분에서 좀더 상세히 기술한다.

본 실시예의 액추에이터 유닛(100)은 중앙의 입력 중공축(129)을 기준으로 모든 구성요소들이 직렬 배열 및 결합하는 수직 동력 전송 구조로 구현될 수 있다. 이러한 수직 동력 전송 구조는 액추에이터 유닛(100) 자체의 소형화, 경량화, 및 단순화에 기할 수 있다. 또한, 구성요소들이 일체화된 모듈형 구조에 기인하여 유지보수성이 향상될 수 있다. 더 나아가, 동력 전달 메커니즘이 단순화되어 동력 전달 효율 증가에도 기여할 수 있다. 한편, 수직 동력 전송 구조의 액추에이터 유닛(100)이 로봇의 관절에 적용됨으로써, 로봇의 관절 구동 메커니즘의 소형화, 경량화, 및 단순화에 기여할 수 있고 또한 고속화 및 에너지 절감에도 기여할 수 있다.

또한, 본 실시예의 액추에이터 유닛(100) 각각은 내부에 제어부(150)를 구비함으로써, 그러한 제어부(150)를 이용하여 상위 제어기(250)와 다수의 액추에이터 유닛(100) 간에 통신전원 케이블(600), 특히 통신 케이블(630)을 통한 데이지 체인 방식의 연결을 구현할 수 있다. 그에 따라, 이용되는 액추에이터 유닛(100)의 개수에 상관없이 2개의 케이블, 즉 전원 케이블(620)과 통신 케이블(630)만 있으면 되므로 케이블 증가에 따른 문제를 방지할 수 있다.

더 나아가 본 실시예의 액추에이터 유닛(100)은 내부에 센서부(130)를 구비하여, 센서를 통해 구동부(120)의 동작을 감지 및 제어함으로써, 로봇의 정밀한 힘 제어, 충돌감지, 상태 모니터링과 같은 좀더 개선된 제어를 수행하는데 기여할 수 있다.

도 3a 및 도 3b은 도 2의 액추에이터 유닛의 케이블 연결 구조를 보여주는 사시도들이다. 이해의 편의를 위해 도 1a, 도 1b 및 도 2를 함께 참조하여 설명한다. 또한, 설명의 편의를 위해 도 2에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다.

도 3a를 참조하면, 제어부(150)의 제어 보드(153)에는 입력 커넥터(160in)가 구비되고, 센서부(130)의 센서 보드(133)에는 출력 커넥터(160out)가 구비될 수 있다. 입력 커넥터(160in)는 전원 입력 커넥터(161in)와 통신 입력 커넥터(163in)를 포함할 수 있고, 출력 커넥터(160out)는 전원 출력 커넥터(161out)와 통신 출력 커넥터(163out)를 포함할 수 있다.

입력 커넥터(160in)로는 다른 액추에이터 유닛(100) 또는 상위 제어기(250)로부터 연장된 통신전원 케이블(600)이 연결될 수 있다. 구체적으로 전원 입력 커넥터(161in)로 전원 케이블(620)이 연결되어 전원을 공급받게 되고, 통신 입력 커넥터(163in)에 통신 케이블(630)이 연결되어 상위 제어기(250)로부터 제어 명령을 입력받을 수 있다. 한편, 출력 커넥터(160out)에는 다른 액추에이터 유닛(100)으로 연장하는 통신전원 케이블(600)이 연결될 수 있다. 구체적으로, 전원 출력 커넥터(161out)로 전원 케이블(620)이 연결되어 다른 액추에이터 유닛(100)으로 전원을 공급하고, 통신 출력 커넥터(163out)에 통신 케이블(630)이 연결되어 상위 제어기(250)로부터 제어 명령이 전송될 수 있다.

도시된 바와 같이 입력 커넥터(160in)와 출력 커넥터(160out)는 내부 케이블(640)을 통해 전기적으로 연결될 수 있다. 내부 케이블(640)은 통신전원 케이블(600)의 일부분으로서, 전원 케이블(620)에 대응하는 내부 전원 케이블(642)과 통신 케이블(630)에 대응하는 내부 통신 케이블(643)을 포함할 수 있다. 구체적으로 내부 전원 케이블(642)은 제어부(150)의 전원 보드(151)와 센서부(130)의 센서 보드(133) 사이에 연결되고, 전원 보드(151)는 전원 입력 커넥터(161in)에 연결되며, 센서 보드(133)는 전원 출력 커넥터(161out)에 연결됨으로써, 전원 입력 커넥터(161in)와 전원 출력 커넥터(161out)가 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 내부 통신 케이블(643)은 제어부(150)의 제어 보드(153)와 센서부(130)의 센서 보드(133) 사이에 연결되고, 제어 보드(153)는 통신 입력 커넥터(163in)에 연결되고, 센서 보드(133)는 통신 출력 커넥터(163out)에 연결됨으로써, 통신 입력 커넥터(163in)와 통신 출력 커넥터(163out)가 전기적으로 연결될 수 있다.

덧붙여, 내부 케이블(640)을 통한 입력 커넥터(160in)와 출력 커넥터(160out)의 연결은 보드들을 통한 전기적 연결 관계만 유지된다면, 내부 케이블(640)은 세 개의 보드들(151, 153, 155)의 중 적어도 하나로부터 연장하는 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 내부 전원 케이블(642)과 내부 통신 케이블(643) 둘 모두 입력 커넥터(160in)가 배치된 제어 보드(153)로부터 연장하여 센서 보드로 연결되는 구조를 가질 수 있다.

한편, 도시된 바와 같이 센서 보드(133)는 센서 케이블(650)을 통해 제어 보드(153)에 전기적으로 연결될 수 있다. 센서 케이블(650)은 통신전원 케이블(600)의 일종으로, 제어 보드(153)는 센서 케이블(650)을 통해 센서 보드(133)에서 증폭된 센싱 신호들을 수신할 수 있다. 수신된 센싱 신호들은 제어 보드(153)의 통신 모듈을 통해 상위 제어기(250)로 전달되고, 상위 제어기(250)가 센싱 신호를 반영하여 새로운 제어 명령을 생성하여 해당 액추에이터 유닛(100)의 모터 제어기로 전달할 수 있다.

도 3b를 참조하면, 본 실시예의 액추에이터 유닛(100a)은 도 3a의 액추에이터 유닛(100)과 커넥터의 배치와 케이블 연결 관계가 다를 수 있다. 즉, 본 실시예의 액추에이터 유닛(100a)에서는 센서부(130)의 센서 보드(133)에 출력 커넥터가 별도로 존재하지 않을 수 있다. 그에 따라, 내부 케이블 없이 통신전원 케이블(600)을 통해 어느 하나의 액추에이터 유닛(100a)으로부터 다른 액추에이터 유닛(100a)의 입력 커넥터(160in)로 바로 연결될 수 있다. 물론, 통신전원 케이블(600)은 꼬임이나 비틀림 방지를 위해 중심 중공축(110)을 통해 연장할 수 있다.

구체적으로, 전원 케이블(620)은 어느 하나의 액추에이터 유닛(100a)의 전원 보드(151)로부터 연장하여 다른 액추에이터 유닛(100a)의전원 입력 커넥터(161in)로 연결될 수 있다. 또한, 통신 케이블(630)은 어느 하나의 액추에이터 유닛(100a)의 제어 보드(153)로부터 연장하여 다른 액추에이터 유닛(100a)의 통신 입력 커넥터(163in)로 연결될 수 있다. 또한, 통신전원 케이블(600)은 세 개의 보드들(151, 153, 155)의 중 적어도 하나로부터 연장하는 구조, 예컨대, 전원 케이블(620)과 통신 케이블(630) 둘 모두 입력 커넥터(160in)가 배치된 제어 보드(153)로부터 연장하여 다른 액추에이터 유닛(100a)의 입력 커넥터(160in)로 연결될 수도 있다.

한편, 도 3a의 액추에이터 유닛(100)과 마찬가지로 센서 보드(133)는 제어 보드(153)에 제1 센서 케이블(650)을 통해 연결될 수 있다. 또한, 센서 보드(133)로의 전원 공급을 위해 전원 보드(151)가 센서 보드(133)에 제2 센서 케이블(660)을 통해 연결될 수 있다.

본 실시예의 액추에이터 유닛(100a)과 같이 출력 커넥터 및 내부 케이블이 없어도 상위 제어기(250)와 액추에이터 유닛들(100a)과의 데이지 체인 방식의 연결이 구현될 수 있다. 결국, 데이지 체인 방식은 상위 제어기(250)로 액추에이터 유닛들(100a)의 제어 보드(153)로 통신전원 케이블, 특히 통신 케이블이 사슬 구조로 순차적으로 연결되고, 각 제어 보드(153)가 자신들의 통신 모듈을 통해 할당된 제어 명령을 순차적으로 수신할 수 있는 구조로 연결되면 된다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다수의 액추에이터 유닛들이 케이블로 연결되는 구조를 개념적으로 보여주는 블럭 구조도이다. 이해의 편의를 위해 도 1a, 도 1b 및 도 2를 함께 참조하여 설명한다.

도 4를 참조하면, 먼저, 전원은 외부 전원 장치(800)로부터 전원 케이블(620)을 통해 액추에이터 유닛들(100)의 제어부(150)로 공급될 수 있다. 구체적으로, 전원 케이블(620)을 통해 먼저 제1 액추에이터 유닛(100-1)의 제어부(150)에 연결되고, 다음 제2 액추에이터 유닛(100-2)의 제어부(150)에 연결되며, 마지막으로 제3 액추에이터 유닛(100-3)의 제어부(150)에 연결되는 식으로 연결되어 액추에이터 유닛들(100)의 제어부(150)로 전원이 공급될 수 있다.

액추에이터 유닛들(100) 각각에서 전원은 제어부(150)의 전원 보드(151)에 구비된 파워서플라이로 공급되며, 상기 파워서플라이는 공급받은 전원을 액추에이터 유닛(100) 내의 각 구성 요소들에 적합한 전원으로 변환하여 해당 구성 요소들로 공급한다. 도면에는 전원이 이용되는 대표적인 구성요소들만이 표시되고 있다. 즉, 구동부(120)의 모터(121), 및 엔코더(125) 가 전원을 이용하며, 센서부(130)도 전원을 이용할 수 있다. 센서부(130)의 경우 구체적으로 센서 프레임(131)에 장착되는 센서 및 센서 보드(133)가 전원을 이용할 수 있다. 물론, 제어부(150)의 내의 구성요소들, 예컨대 통신 모듈, 모터 제어기, 파워컨버터, 센서 인터페이스 등도 전원을 이용할 수 있다.

덧붙여, 전원이 액추에이터 유닛(100) 각각의 제어부(150)의 전원 보드(151)로 공급되는 전원의 전력은 동일할 수 있다. 즉, 외부 전원 장치(800)의 측면에서 각 전원 보드(151)는 외부 전원 장치(800)에 병렬로 연결된 것으로 볼 수 있다. 한편, 도시된 바와 같이 외부 전원 장치(800)로부터 전원 케이블(620)을 통해 직접 전원을 공급받을 수도 있지만, 이에 한하지 않고, 도 1a와 같이 상위 제어기(250)를 거쳐서 전원을 공급받을 수도 있다.

다음, 티칭펜던트(700)로 입력된 작업 명령에 기초하여, 제어 명령이 상위 제어기(250)로부터 통신 케이블(630)을 통해 액추에이터 유닛들(100)로 데이지 체인 방식에 기인하여 순차적으로 입력될 수 있다. 구체적으로, 제어 명령은 통신 케이블(630)을 통해 먼저 제1 액추에이터 유닛(100-1)의 제어부(150)로 전달되고, 다음 제2 액추에이터 유닛(100-2)의 제어부(150)로 전달되며, 마지막으로 제3 액추에이터 유닛(100-3)의 제어부(150)로 전달되는 식으로 입력될 수 있다.

액추에이터 유닛(100) 각각에서 제어 명령은 제어부(150)의 제어 보드(153)에 구비된 통신 모듈을 거쳐 모터 제어기로 입력될 수 있다. 통신 모듈은 상위 제어기(250)로부터 입력된 제어 명령들 중 자신의 액추에이터 유닛(100), 예컨대 제1 액추에이터 유닛(100-1)에 할당된 제1 제어 명령을 모터 제어기로 전달한다. 모터 제어기는 전술한 바와 같이 상기 제어 명령에 따라 엔코더(125) 기반의 피드백 제어에 의하여 전류 지령치를 앰프 보드(155)에 구비된 파워컨버터에 인가하고, 상기 파워컨버터는 상기 전류 지령치를 모터(121) 구동을 위한 펄스 신호로 변환하여 모터(121)로 인가한다. 한편, 제어부(150)는 센서부(130)로부터 센싱 신호를 입력받아 통신 모듈을 통해 상위 제어기(250)로 전달함으로써, 상위 제어기(250)가 센싱 신호를 반영하여 새로운 제어 명령을 생성하도록 할 수 있다.

덧붙여, 제어 명령이 액추에이터 유닛(100) 각각의 제어부(150)의 제어 보드(153)로 순차적으로 공급되지만, 제어 보드(153) 내의 각각의 통신 모듈을 통해 해당 제어 명령만을 선택적으로 모터 제어기로 전달하기 때문에 각각의 액추에이터 유닛을 구동하는 데에는 아무런 문제가 없다. 즉, 상위 제어기(250)가 전체 제어 명령을 병렬적으로 액추에이터 유닛(100) 각각의 제어부(150)로 입력하지만 각 제어부가 전체 제어 명령 중 해당 제어 명령을 선택하여 입력받아 자신의 구동부를 구동하는 식으로 동작한다.

도 5a 및 도 5b는 로봇의 관절에서 회전부 및 고정부가 배치되는 링크 체결부 구조를 보여주는 개념도들이다. 이해의 편의를 위해 도 1a, 도 1b 및 도 2를 함께 참조하여 설명한다.

도 5a 및 도 5b를 참조하면, 일반적으로 로봇의 관절은 링크 체결부(100RU1, 100RU2)를 통해 상하 링크, 즉, 하부의 링크 1(400-1)와 상부의 링크 2(400-2)가 결합하는 구조를 가질 수 있다. 예컨대, 본 실시예의 로봇(1000)에서, 링크 체결부(100RU1, 100RU2)는 액추에이터 유닛(100)에 대응할 수 있고, 링크 1(400-1)은 다관절 암(400)의 어느 하나의 수평 암에 대응하고, 링크 2(400-2)는 상기 수평 암에 결합하는 다른 수평 암에 대응할 수 있다.

로봇 관절의 결합 또는 링크 구조는 어느 하나의 링크는 고정되고 다른 하나의 링크는 회전하는 구조를 가질 수 있다. 한편, 두 개의 링크 중 어느 것을 고정하고 어느 것을 회전시킬지는 링크 체결부(100RU1, 100RU2)의 구조 및/또는 사용자의 의도에 따라 달라질 수 있다.

한편, 링크 체결부(100RU1, 100RU2)는 도시된 바와 같이 외관이 상하 대칭된 구조를 가질 수 있다. 이와 같이 링크 체결부(100RU1, 100RU2)가 상하 대칭된 구조를 가짐으로써, 회전부의 설계를 간소화할 수 있고, 또한 링크 체결부 자체의 부피를 최소화할 수 있다. 그에 따라, 링크 체결부(100RU1, 100RU2)가 적용되는 로봇 관절의 부피를 최소화하는데 기여할 수 있다.

여기서, 도 5a 및 도 5b의 링크 체결부(100RU1, 100RU2) 각각의 구조는 서로 다른 액추에이터 유닛(100)을 표현한 것이 아니고, 하나의 액추에이터 유닛(100)에서 2개의 회전 모드를 설명하기 위한 구조들이다. 즉, 도 5a의 제1 링크 체결부(100RU1)의 구조는 링크 1(400-1)이 고정되고 링크 2(400-2)가 회전하는 제1 회전 모드를 보여주고 있다. 이러한 제1 회전 모드에서, 제1 링크 체결부(100RU1)의 상부가 회전할 수 있는 회전부(100R)가 되고 하부가 고정되어 움직일 수 없는 고정부(100F)가 될 수 있다. 한편, 회전부(100R)에는 링크 2(400-2)가 기계적으로 결합하여 고정됨으로써, 회전부(100R)의 회전에 따라 링크 2(400-2)가 회전할 수 있다. 고정부(100F)에는 링크 1(400-1)이 기계적으로 결합하여 고정될 수 있다. 그러나 제1 회전 모드에서는 고정부(100F)는 회전하지 않으므로 링크 1(400-1)은 회전할 수 없다.

도 5b의 제2 링크 체결부(100RU2)의 구조는 링크 2(400-2)가 고정되고 링크 1(400-1)이 회전하는 제2 회전 모드를 보여주고 있다. 이러한 제1 회전 모드에서, 제2 링크 체결부(100RU2)의 하부가 회전할 수 있는 회전부(100R)가 되고 상부가 고정되어 움직일 수 없는 고정부(100F)가 될 수 있다. 또한, 제1 회전 모드의 제1 링크 체결부(100RU1)에서 설명한 것과 동일한 원리로, 회전부(100R)에 링크 1(400-1)이 기계적으로 결합하여 회전할 수 있고, 고정부(100F)에는 링크 2(400-2)가 기계적으로 결합하여 회전되지 않고 고정될 수 있다.

본 실시예의 로봇(1000)에서, 액추에이터 유닛(100)은 제1 회전 모드 및 제2 회전 모드 중 어느 하나의 회전 모드만을 적용하여 링크 1(400-1) 및 링크 2(400-2) 중 어느 하나의 링크만 회전하도록 할 수 있다. 한편, 도 5a의 제1 링크 체결부(100RU1)의 제1 회전 모드를 예로 들 때, 액추에이터 유닛(100)의 센서 프레임(131)이 회전부(100R)에 대응하고, 모터 지지프레임(141)을 포함한 하부 부분이 고정부(100F)에 대응할 수 있다.

도 6a는 도 3a와 같은 케이블 연결 구조와 도 5a의 링크 체결부의 상하 대칭 구조에 기초하여 다수의 액추에이터 유닛들이 로봇 내에서 연결되는 구조를 보여주는 개념도이다. 이해의 편의를 위해, 도 1a, 도 1b, 도 2, 도 3a 및 도 5a의 도면을 함께 참조하여 설명한다.

도 6a를 참조하면, 상위 제어기(250)로부터 연장된 통신전원 케이블(600)은 제1 액추에이터 유닛(100-1)으로 연결될 수 있다. 구체적으로, 전원 케이블(620)이 상위 제어기(250)로부터 연장하여 제1 액추에이터 유닛(100-1) 내의 제어부(150)의 제어 보드(153)에 배치된 전원 입력 커넥터(161in)에 연결될 수 있다. 또한, 통신 케이블(630)이 상위 제어기(250)로부터 연장하여 제1 액추에이터 유닛(100-1) 내의 제어부(150)의 제어 보드(153)에 배치된 통신 입력 커넥터(163in)에 연결될 수 있다. 전원 입력 커넥터(161in) 및 통신 입력 커넥터(163in)는 중심 중공축(110) 내부를 통해 연장하는 내부 전원 케이블(642)과 내부 통신 케이블(643)을 통해 센서 보드(133)에 배치된 전원 출력 커넥터(161out) 및 통신 출력 커넥터(163out)에 전기적으로 연결될 수 있다. 또한, 센서 보드(133)는 중심 중공축(110)을 통해 연장하는 센서 케이블(650)을 통해 제어 보드(153)에 연결될 수 있다.

여기서, 제1 액추에이터 유닛(100-1)은 수직축(300)과 다관절 암(400)의 제1 수평 암(410)이 결합하는 관절 부분에 배치될 수 있다. 그러나 제1 액추에이터 유닛(100-1)이 수평 암들 사이의 관절에 배치되는 것을 배제하는 것은 아니다.

제1 액추에이터 유닛(100-1)의 출력 커넥터(160out)는 통신전원 케이블(600)을 통해 제2 액추에이터 유닛(100-2)의 입력 커넥터(160in)로 연결될 수 있다. 다시, 제2 액추에이터 유닛(100-2)의 입력 커넥터(160in)는 내부 케이블(640)을 통해 출력 커넥터(160out)로 연결될 수 있다. 이와 같은 방식으로 계속해서 제3 액추에이터 유닛(100-3)의 입력 커넥터(160in), 내부 케이블(640) 및 출력 커넥터(160out)가 연결될 수 있다. 만약, 제3 액추에이터 유닛(100-3)으로 핸드(500)가 결합하는 경우에는 내부 케이블(640), 출력 커넥터(160out) 및 출력 커넥터(160out)으로부터 연장하는 통신전원 케이블(600)은 불필요할 수 있다.

본 실시예에서의 액추에이터 유닛(100)은 입력 중공축을 기준으로 한 수직 동력 전송 구조, 회전부와 고정부의 상하 대칭 구조, 및 상부와 하부에 형성된 입출력 커넥터를 구비함으로써, 도시된 바와 같이 액추에이터 유닛(100) 간의 케이블 연결을 매우 간소화할 수 있다. 그에 따라, 액추에이터 유닛(100) 개수의 증가에도 불구하고 케이블 수 증가에 따른 문제가 전혀 발생하지 않을 수 있다.

도 6b는 도 3b와 같은 케이블 연결 구조에 기초하여 다수의 액추에이터 유닛들이 도 6a와는 다른 구조로 로봇 내에서 케이블로 연결되는 구조를 보여주는 개념도로서, 도 6a에서 이미 설명한 내용은 간단히 설명하거나 생략한다. 이해의 편의를 위해, 도 1a, 도 1b, 도 2, 도 3b 및 도 5a의 도면을 함께 참조하여 설명한다.

도 6b를 참조하며, 본 실시예의 케이블 연결 구조에서는 도 3b에 예시된 케이블 연결 구조를 갖는 액추에이터 유닛(100a)이 적용될 수 있다. 구체적으로, 전원 케이블(620)이 상위 제어기(250)로부터 연장하여 제1 액추에이터 유닛(100-1) 내의 제어부(150) 에 배치된 전원 입력 커넥터(161in)에 연결될 수 있다. 또한, 통신 케이블(630)이 상위 제어기(250)로부터 연장하여 제1 액추에이터 유닛(100-1) 내의 제어부(150)에 배치된 통신 입력 커넥터(163in)에 연결될 수 있다.

한편, 전원 입력 커넥터(161in)는 전원 보드(151)로 연결되고, 전원 보드(151)로부터 연장된 전원 케이블(620)이 제2 액추에이터 유닛(100-2)의 전원 입력 커넥터(161in)로 연결될 수 있다. 또한, 통신 입력 커넥터(163in)는 제어 보드(153)로 연결되고, 제어 보드(153)로부터 연장된 통신 케이블(630)이 제2 액추에이터 유닛(100-2)의 통신 입력 커넥터(163in)로 연결될 수 있다. 전원 케이블(620) 및 통신 케이블(630)은 중심 중공축(110)을 통해 연장되며, 또한 수평 암 내부로 연장할 수 있다. 한편, 센서 보드(133)는 중심 중공축(110)을 통해 연장하는 제1 센서 케이블(650) 및 제2 센서 케이블(660)을 통해 제어 보드(153) 및 전원 보드(151)에 연결될 수 있다.

다시, 제2 액추에이터 유닛(100-2)의 입력 커넥터(160in)는 통신전원 케이블(600)을 통해 제3 액추에이터 유닛(100-3)의 입력 커넥터(160in)로 연결될 수 있다. 만약, 제3 액추에이터 유닛(100-3)으로 핸드(500)가 결합하는 경우에는 제어부(150)에서 중공축을 통해 연장하는 통신전원 케이블(600)은 불필요할 수 있다.

본 실시예에서의 액추에이터 유닛(100a)은 입력 중공축을 기준으로 한 수직 동력 전송 구조, 회전부와 고정부의 상하 대칭 구조, 및 하부에 형성된 입력 커넥터를 구비함으로써, 도시된 바와 같이 액추에이터 유닛(100) 간의 케이블 연결을 매우 간소화할 수 있다. 그에 따라, 액추에이터 유닛(100) 개수의 증가에도 불구하고 케이블 수 증가에 따른 문제가 발생하지 않을 수 있다.

도 7은 도 2의 액추에이터 유닛의 제어부의 각 보드들 및 센서부의 센서 보드들 사이의 연결 관계를 보여주는 블럭 구조도이다. 이해의 편의를 위해, 도 1a, 도 1b, 도 2, 도 3a 및 도 3b를 함께 참조하여 설명한다.

도 7을 참조하면, 전원의 경우, 외부 전원 장치(800)로부터 제어부 1(150-1)의 전원 보드(151)로 주전원이 공급되면, 전원 보드(151) 내의 파워서플라이가 액추에이터 유닛(100) 내의 각 구성 요소들에 적합한 전원으로 변환하여 공급할 수 있다. 예컨대, 상기 파워서플라이는 통신 모듈(157), 제어 보드(153), 앰프 보드(155), 센서 보드(133), 엔코더(125), 및 센서 프레임(131)의 센서 등으로 변환된 해당 전원을 공급할 수 있다.

한편, 외부 전원 장치(800)로부터의 전원은 왼쪽 하방으로 통신 모듈(157)을 통과하여 지나가는 화살표로 표시된 바와 같이 다른 액추에이터 유닛(100)의 제어부 2(150-2)의 전원 보드(151)로 병렬적으로 인가될 수 있다.

제어 명령의 경우, 상위 제어기(250)로부터 제어 명령이 액추에이터 유닛(100)의 제어부 1(150-1)로 입력되면, 통신 모듈(157)에서 해당 액추에이터 유닛에 할당된 제어 명령을 선택하여 제어 보드(153)의 모터 제어기로 전달할 수 있다. 상기 모터 제어기는 입력된 제어 명령에 따라 엔코더(125) 기반의 피드백 제어에 의한 전류 지령치를 앰프 보드(155)의 파워컨버터에 전달할 수 있다. 엔코더(125)로부터 모터의 회전 정보가 제어 보드(153)로 입력되는 것이 화살표로 표시되어 있다. 상기 파워컨버터는 전달받은 상기 전류 지령치를 모터(121) 구동을 위한 펄스 신호로 변환하여 모터(121)로 인가할 수 있다.

상위 제어기(250)로부터의 제어 명령은 통신 모듈(157)의 하부에 양쪽 화살표로 표시된 바와 같이 통신 모듈(157)을 통해 제어부 2(150-2)로 병렬적으로 입력될 수 있고, 제어부 2(150-2)의 통신 모듈(157)에서 해당 액추에이터 유닛에 할당된 제어 명령을 선택하여 제어 보드(153)의 모터 제어기로 전달할 수 있다.

한편, 센서로부터 센싱된 신호가 센서 보드(133)의 센서 인터페이스에 저장 및 보정되며, 상기 센서 인터페이스에 저장 및 보정된 신호는 통신 모듈(157)을 거쳐 상위 제어기(250)로 전달될 수 있다. 이와 같이 전달된 센싱 신호를 반영하여 상위 제어기(250)가 새로운 제어 명령을 생성하여 제어부 1(150-1)로 입력함으로써, 액추에이터 유닛(100)에 대한 보다 정밀한 힘 제어, 충돌방지 및 상태 모니터링 기능을 수행할 수 있도록 한다. 한편, 센서 인터페이스는 센서 보드(133)에 배치될 수 있지만 경우에 따라 제어 보드(153)에 배치될 수도 있다.

본 도면에서, 통신 모듈(157)이 제어 보드(153)와 분리되어 표시되어 있는데 이는 신호전달 과정을 명확하게 이해시키기 위한 것으로, 일반적으로 통신 모듈(157)은 제어 보드(153)에 배치될 수 있다. 그러나 통신 모듈(157)이 별도의 보드를 통해 따로 구현되거나 전원 보드(151), 앰프 보드(155) 등의 다른 보드에 구현되는 것을 배제하는 것은 아니다.

한편, 센서 보드(133)가 제어부 1(150-1)에 속하도록 도시되어 있는데, 이 또한 신호전달 과정을 명확하게 이해시키기 위한 것으로, 일반적으로 센서 보드(133)는 도 2에서 도시된 바와 센서 프레임(131)의 상면에 배치되고 센서부(130)에 포함될 수 있다. 그러나 도 8c에 도시된 바와 같이 센서 보드(133)가 제어부(150)에 함께 포함되도록 배치하는 것을 배제하는 것은 아니다.

도 8a 내지 도 8c는 도 2의 액추에이터 유닛의 제어부의 보드 구조를 보여주는 사시도들이다. 이해의 편의를 위해, 도 1a, 도 1b, 도 2, 도 3a 및 도 3b를 함께 참조하여 설명한다.

도 8a를 참조하면, 본 실시예의 액추에이터 유닛(100)에서, 제어부(150)는 복수의 보드가 적층된 구조로 구현될 수 있다. 예컨대, 제어부(150)는 전원 보드(151), 제어 보드(153) 및 앰프 보드(155)를 포함할 수 있고, 하부로부터 앰프 보드(155), 제어 보드(153) 및 전원 보드(151) 순으로 적층 배치될 수 있다. 그러나 보드들의 적층 순서가 본 실시예에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 도 2에서 도시된 바와 같이 제어 보드(153), 전원 보드(151) 및 앰프 보드(155) 순으로 적층 배치될 수도 있다.

전원 보드(151), 제어 보드(153) 및 앰프 보드(155) 각각은 자신들의 신호처리 중에 노이즈 방지를 위해 서로 이격되어 적층될 수 있다. 또한, 전원 보드(151), 제어 보드(153) 및 앰프 보드(155) 각각은 보드 수용 프레임(149)에 결합하고, 전체적으로 원기둥 형태의 액추에이터 유닛(100)에 내에 배치되기 위하여 중심에 관통 홀을 갖는 원판 형태를 가질 수 있다.

한편, 도시되지는 않았지만, 전원 보드(151)에는 내부 전원 케이블(642)에 연결되는 단자가 배치될 수 있고, 제어 보드(153)에는 내부 통신 케이블(643)에 연결되는 단자가 배치될 수 있다. 또한, 제어 보드(153)에는 센서 케이블(650)로 연결되는 단자가 배치될 수 있다. 한편, 센서 보드(133)에는 내부 전원 케이블(642), 내부 통신 케이블(643) 및 센서 케이블(650)로 연결될 수 있는 단자들이 배치될 수 있다.

도 8b를 참조하면, 본 실시예의 액추에이터 유닛(100)에서, 제어부(150a)는 하나의 보드로 구현될 수 있다. 제어부(150a)가 하나의 보드로 구현된 경우, 제어부(150a)는 파워서플라이가 배치되는 전원 섹터(151a), 모터 제어기가 배치되는 제어 섹터(153a) 및 파워컨버터가 배치되는 앰프 섹터(155a)와 같이, 섹터 별로 구분될 수 있다. 한편, 제어 섹터(153a)에는 통신 모듈이 배치될 수도 있고, 전원 섹터(151a)에는 입력 커넥터(160in)가 배치될 수 있다. 물론, 입력 커넥터(160in)가 제어 섹터(153a)에 배치될 수도 있다.

본 실시예에서 제어부(150a)는 각도 방향으로 각 섹터들이 구분되었지만, 제어부(150a)의 구분이 각도 방향으로의 구분에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 제어부(150a)는 반지름 방향으로 섹터들이 구분될 수도 있다. 또한, 경우에 따라, 제어부(150a)는 섹터의 구분없이 임의의 위치에 파워서플라이, 모터 제어기, 파워컨버터 등이 배치될 수도 있다.

도 8c를 참조하면, 본 실시예의 액추에이터 유닛(100)에서, 제어부(150)는 도 8a와 동일하게 복수의 보드가 적층된 구조로 구현될 수 있다. 그러나, 도 8a에서와 달리 본 실시예의 제어부(150)의 상부에는 센서 보드(133)가 더 배치될 수 있다.

도 2에서와 같이 센서 보드(133)는 센서 프레임(131) 상면 상에 배치될 수도 있다. 그러나 동일한 보드라는 개념에 기초하여 제어부(150) 보드들과 함께 배치한다는 측면, 및 센서 보드(133) 역시 제어의 기능을 포함하는 측면을 고려하여 센서 보드(133)를 도시된 바와 같이 제어부(150)의 상부에 배치할 수 있다. 경우에 따라, 센서 보드(133)까지를 포함한 적층 구조 전체를 제어부로 정의할 수도 있다.

센서 보드(133)가 제어부(150) 상부로 배치되는 경우에 센서 케이블(650)이 센서 프레임(131)의 센서와 센서 보드(133)를 연결할 수 있다. 한편, 센서 보드(133)가 제어부(150)의 상부에 배치되므로, 센서 보드(133)와 제어 보드(153) 사이는 별도의 케이블이 필요없이 보드 사이의 수직 연결 구조를 통해 간단히 연결될 수 있다.

도 9a 및 도 9b는 도 2의 액추에이터 유닛의 센서부에 속하는 센서 프레임 구조 및 센서 프레임과 센서 보드가 결합한 구조를 보여주는 사시도들이다. 이해의 편의를 위해, 도 1a, 도 1b, 도 2, 도 3a 및 도 3b를 함께 참조하여 설명한다.

도 9a 및 도 9b를 참조하면, 본 실시예의 액추에이터 유닛(100)에서, 센서 프레임(131)은 원형 상판(131c), 실린더형 측부(131t), 및 원형 챙(131b)을 포함할 수 있고, 전체적으로 실크 햇 구조를 가질 수 있다. 실크 햇 구조의 센서 프레임(131)은 도 2에 도시된 바와 같이 구동부(120) 및 프레임부(140)의 상부 일부를 덮을 수 있다.

원형 상판(131c)의 중앙부에 중심 중공축(110)이 끼워질 수 있는 원형 홀(H)이 형성될 수 있다. 또한, 원형 상판(131c) 또는 실린더형 측부(131t)에 스트레인 게이지(미도시)가 부착되어 토크 센서가 구현될 수 있다. 경우에 따라, 원형 상판(131c)은 스포크(spoke) 형태로 형성될 수 있고, 그러한 스포크 형태의 원형 상판에 스트레인 게이지가 부착될 수도 있다.

본 실시예의 액추에이터 유닛(100)에서, 센서 프레임(131)에 8개 정도의 스트레인 게이지가 장착되어 토크 센서가 구현될 수 있다. 그러나 스트레인 게이지의 개수가 8개에 한정되는 것은 아니다. 즉, 스트레인 게이지는 8개 미만 또는 8개를 초과하는 개수로 센서 프레임(131)에 장착될 수 있음은 물론이다. 한편, 토크 센서 이외에 가속도 센서나 기울기 센서 등이 센서 프레임(131)에 장착되어 로봇(1000)의 상태 모니터링을 수행할 수도 있다.

한편, 원형 상판(131c)의 하면에는 센서 커플링(135)이 결합하고 상면에는 센서 보드(133)가 결합할 수 있다. 원형 상판(131c) 하면에 센서 커플링(135)이 결합하고, 센서 커플링(135)을 통해 하부에 배치된 감속기(123)로부터의 회전 토크를 센서 프레임(131)이 전달받음으로써, 센서 프레임(131)에 장착된 상기 토크 센서가 토크를 정확하게 측정할 수 있다.

원형 상판(131c)의 상면에는 도 9b에 도시된 바와 같이 센서 보드(133)가 배치 결합할 수 있다. 센서 보드(133)가 원형 상판(131c)의 상면에 바로 배치됨으로써, 센서 보드(133)가 상기 토크 센서로부터 신호를 바로 입력받아 증폭을 수행할 수 있고, 그에 따라, 노이즈에 의한 신호 불량을 최소화할 수 있다. 한편, 도시된 바와 같이 센서 보드(133) 상면으로는 출력 커넥터(160out)가 배치될 수 있다.

실린더형 측부(131t)는 도시된 바와 같이 원형 상판(131c)의 외곽 단부로부터 하부로 연장하여 형성된 원형 관 또는 실린더 형태를 가질 수 있다. 이러한 실린더형 측부(131t)는 원형 상판(131c)과 원형 챙(131b)을 이격시킴으로써, 원형 챙 부분에서 발생하는 상하 및/또는 좌우 방향으로 발생하는 스트레인에 의한 외란 등이 원형 상판(131c)으로 전달되는 것을 최소화할 수 있다. 그에 따라, 토크 센서가 비교적 정확한 회전 토크만을 감지하도록 기여할 수 있다. 즉, 실린더형 측부(131t)는 측정부(예컨대, 토크 센서가 배치되는 원형 상판(131t))와 고정부(예컨대, 수평 암이 고정되는 원형 챙(131b)) 사이를 이격되게 하여 옵셋(offset) 구조의 프레임 구조가 되도록 함으로써, 크로스토크(cross talk)에 강인하게 할 수 있다.

원형 챙(131b)은 실린더형 측부(131t)의 하부 말단부에서 수평 외곽 방향으로 연장하여 형성됨으로써, 원형 플랜지(flange) 구조를 가질 수 있다. 이러한 원형 챙(131b)에는 링크 결합부(A)가 형성될 수 있다. 링크 결합부(A)에는 예컨대 수평 암(410, 420)이 결합할 수 있다.

결국, 모터(121)의 회전력이 감속기(123)를 통해 센서 프레임(131)으로 전달되고, 그러한 회전력이 센서 프레임(131)의 원형 챙(131b)을 통해 수평 암(410, 420)으로 전달되어 수평 암(410, 420)이 회전하는 식으로 로봇이 동작하게 된다. 한편, 수평 암(410, 420)은 매우 무거워 상하 및/또는 좌우 방향으로 스트레인이 발생하여 원형 상판(131c)으로 전달돼 외란으로 작용할 수 있다. 따라서, 그러한 외란을 최소화하기 위하여 전술한 바와 같이 실린더형 측부(131t)가 도입될 수 있다.

한편, 원형 챙(131b)에 대응하는 부분의 센서 프레임(131)의 내부 부분에는 CRB(Cross Roller Bearing) 고정부(B)가 형성될 수 있다. 여기서, CRB는 도 2에서 설명한 프레임 지지 베어링(147a)을 의미하고, CRB 고정부(B)는 상기 CRB를 통해 센서 프레임(131)이 연결 프레임(135)으로 고정 지지되는 부분을 의미할 수 있다.

도 10a 및 도 10b는 도 9a 및 도 9b와는 다른 구조의 센서 프레임 구조 및 센서 프레임과 센서 보드가 결합한 구조를 보여주는 사시도들이다. 설명의 편의를 위해 도 9a 및 도 9b에서 이미 설명한 내용을 간단히 설명하거나 생략한다.

도 10a 및 10b를 참조하면, 본 실시예의 액추에이터 유닛(100)에서, 센서 프레임(131a)은 원형 내부 판(131in) 및 원형 외부 판(131out)을 포함할 수 있고, 전체적으로 원형 평판 구조를 가질 수 있다.

내부 판(131in)은 도 9a에서 설명한 원형 상판(131c)과 유사한 형태를 가질 수 있다. 예컨대, 내부 판(131in)의 중앙부에는 중심 중공축(110)이 끼워질 수 있는 원형 홀(H)이 형성될 수 있다. 또한, 내부 판(131in)에는 다수의 스트레인 게이지(미도시)가 부착될 수 있고, 이러한 스트레인 게이지가 토크 센서로서 기능할 수 있다. 또한, 경우에 따라, 내부 판(131in)은 스포크 형태로 구현될 수 있고, 그러한 스포크 형태의 내부 판(131in)에 스트레인 게이지들이 부착될 수도 있다.이러한 내부 판(131in)의 하면에는 센서 커플링(135)이 결합하고 상면에는 도 10b에 도시된 바와 같이 센서 보드(133)가 결합할 수 있다. 그에 따라, 토크 센서가 토크를 비교적 정확하게 측정할 수 있고, 또한, 센서 보드(133)가 상기 토크 센서로부터 신호를 바로 입력받아 증폭을 수행함으로써, 노이즈에 의한 신호 불량을 최소화할 수 있다.

외부 판(131out)은 도 9a 또는 도 9b의 센서 프레임(131)의 구조에서 원형 챙(131b) 부분에 대응할 수 있다. 그러나 도 9a 또는 도 9b의 센서 프레임(131)과는 달리 외부 판(131out)은 실린더형 측부와 같은 매개체 없이 내부 판(131in)의 외곽 단부로부터 수평 외곽 방향으로 바로 연장하여 형성될 수 있다. 그에 따라, 외부 판(131out)은 원형 챙(131b)과 유사하게 원형 플랜지(flange) 구조를 가질 수 있다. 외부 판(131out)에는 원형 챙(131b)과 동일하게 링크 결합부가 형성될 수 있고, 그러한 링크 결합부에는 예컨대 수평 암(410, 420)이 결합할 수 있다.

본 실시예의 센서 프레임(131a) 구조는, 링크 결합부로 결합하는 수평 암(410, 420)이 비교적 가벼워 상하 및/또 좌우 방향으로 스트레인이 거의 발생하지 않아, 그러한 상하 및/또 좌우 방향으로의 외란을 차단할 필요가 없는 경우에 채용할 수 있는 구조일 수 있다. 이러한 원형 평판 구조의 센서 프레임(131a)은 구조가 단순하여 제작이 용이하고 또한 액추에이터 유닛(100)의 사이즈 감소에 기여할 수 있다.

도 11a 내지 11c는 도 2의 액추에이터 유닛의 센서부에 속하는 센서 커플링의 다양한 구조를 보여주는 사시도들이다. 이해의 편의를 위해, 도 1a, 도 1b, 도 2, 도 3a 및 도 3b를 함께 참조하여 설명한다.

도 11a를 참조하면, 본 실시예의 액추에이터 유닛(100)에서, 센서 커플링(135)은 몸통부(135t), 프레임 플랜지(135f) 및 감속기 플랜지(135p)를 포함할 수 있다. 몸통부(135t)는 양쪽이 개방된 원형 관 또는 실린더 형상을 가질 수 있다.

프레임 플랜지(135f)는 몸통부(135t) 상면에서 수평 외곽 방향으로 연장되어 형성됨으로써, 원형 링의 형태를 가질 수 있다. 프레임 플랜지(135f)는 센서 프레임(131)과 결합할 수 있다. 그에 따라, 프레임 플랜지(135f)에는 나사 결합을 위한 제1 결합 홈(T1)이 형성될 수 있다. 본 실시예에서 프레임 플랜지(135f)에서 제1 결합 홈(T1)이 4개 형성되었지만 제1 결합 홈(T1)의 개수가 4개에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 제1 결합 홈(T1)은 3개 이하 또는 5개 이상 형성될 수 있다.

감속기 플랜지(135p)는 몸통부(135t) 하면에서 수평 외곽 방향으로 돌출된 다수의 돌출판의 구조를 가질 수 있다. 또한, 감속기 플랜지(135P)는 결합하는 감속기(123)의 구조나 사이즈에 따라 몸통부(135t) 하면에서 내부 방향으로 돌출된 구조를 가질 수도 있다. 감속기 플랜지(135p)에는 감속기(123)가 결합할 수 있다. 그에 따라, 돌출판 형태의 감속기 플랜지(135p) 각각에는 나사 결합을 위한 제2 결합 홈(T2)이 형성될 수 있다. 한편, 돌출판 형태의 감속기 플랜지(135p)의 개수는 프레임 플랜지(135f)의 제1 결합 홈(T1)에 대응하여 4개일 수 있다. 그러나 감속기 플랜지(135p)의 개수가 4개에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 감속기 플랜지(135p)는 3개 이하 또는 5개 이상 형성될 수 있다.

또한, 감속기 플랜지(135p)의 개수는 프레임 플랜지(135f)의 제1 결합 홈(T1)의 개수와 동일할 수도 있고 다를 수도 있다. 감속기 플랜지(135p)의 개수와 제1 결합 홈(T1)의 개수가 동일한 경우에도, 감속기 플랜지(135p)의 위치는 프레임 플랜지(135f)의 제1 결합 홈(T1)의 위치와 일치할 수도 있고 다를 수도 있다.

이러한 구조의 센서 커플링(135)은 그 구조적인 특징에 기인하여, 회전 방향에 대하여 비교적 높은 강성을 가지며, 중심 중공축(110)의 수직하는 수평면에 대하여 상하 및/또는 좌우 방향에 대해서는 낮은 강성을 가질 수 있다. 그에 따라, 외란의 영향을 받지 않는 순수한 토크 정보를 센서에서 측정할 수 있다.

좀더 구체적으로, 센서 커플링(135)은 그 구조적인 특징에 기인하여, 원형 실선 화살표와 같은 회전 방향으로 높은 강성을 가질 수 있다. 예컨대, 센서 커플링(135)은 회전 방향으로 감속기(123)로부터의 원형 토크를 센서 프레임(131)으로 실질적으로 그대로 전달할 수 있을 정도의 높은 강성을 가질 수 있다. 한편, 센서 커플링(135)은 그 구조적인 특징에 기인하여, 점선의 직선 화살표로 표시된 상하 및/또는 좌우 방향에 대해서는 낮은 강성을 가질 수 있다. 예컨대, 센서 커플링(135)은 상하 및/또는 좌우 방향에 대하여 감속기(123)로부터의 상하 및/또는 좌우 방향의 스트레인에 의한 외란이 센서 프레임(131)으로 실질적으로 거의 전달되지 않을 정도의 낮은 강성을 가질 수 있다.

도 11b를 참조하면, 본 실시예의 액추에이터 유닛(100)에서, 센서 커플링(135-1)은 외측 플랜지(135o) 및 내측 플랜지(135i)를 포함할 수 있다. 센서 커플링(135-1)은 도 11a의 센서 커플링(135)과 달리 몸통부가 존재하지 않을 수 있다.

외측 플랜지(135o)는 도 11a의 센서 커플링(135)의 프레임 플랜지(135f)에 대응할 수 있고, 원형 링을 구조를 가질 수 있다. 이러한 외측 플랜지(135o)에는 센서 프레임(131)이 결합할 수 있다. 그에 따라, 외측 플랜지(135o)에는 제1 결합 홈들(T1)이 형성될 수 있다. 본 실시예의 외측 플랜지(135o)에서 제1 결합 홈(T1)이 8개 형성되었지만 제1 결합 홈(T1)의 개수가 8개에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 제1 결합 홈(T1)은 7개 이하 또는 9개 이상 형성될 수 있다.

내측 플랜지(135i)는 도 11a의 센서 커플링(135)의 감속기 플랜지(135p)에 대응할 수 있고, 원형 링 형상의 외측 플랜지(135o)의 내측 면에서 연장하는 콩나물 또는 2분 음표(♩) 형태의 다수의 돌출부 구조를 가질 수 있다. 이러한 돌출부 구조의 내측 플랜지(135i)는 줄기 부분(135is)과 머리 부분(135ih)으로 구분될 수 있다. 구체적으로, 내측 플랜지(135i)의 줄기 부분(135is)은 외측 플랜지(135o)의 내측 면에서 안쪽으로 연장되고 머리 부분(135ih)은 줄기 부분(135is) 끝단에 배치되어, 내측 플랜지(135i)는 원형 링 형상의 외측 플랜지(135o)의 내측에 위치할 수 있다.

내측 플랜지(135i)에는 감속기(123)가 결합할 수 있다. 그에 따라, 내측 플랜지(135i)의 머리 부분(135ih) 각각에는 제2 결합 홈(T2)이 형성될 수 있다. 내측 플랜지(135i)의 개수는 도시된 바와 같이 4개일 수 있다. 그러나 내측 플랜지(135i)의 개수가 4개에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 내측 플랜지(135i)는 3개 이하 또는 5개 이상 형성될 수 있다. 또한, 본 실시예에서 내측 플랜지(135i)의 개수는 외측 플랜지(135o)의 제1 결합 홈(T1)의 개수와 다를 수 있다. 그러나 내측 플랜지(135i)의 개수와 외측 플랜지(135o)의 제1 결합 홈(T1)의 개수와 동일할 수도 있다.

내측 플랜지(135i)의 줄기 부분(135is)은 원형 링의 접선에 대하여 이루는 각(θ)이 예각이 되도록 외측 플랜지(135o)의 내측 면에서 연장될 수 있다. 그에 따라, 내측 플랜지(135i)의 줄기 부분(135is)의 연장 방향은 원형 실선 화살표로 도시된 회전 방향에 대응할 수 있다. 센서 커플링(135-1)은 그 구조적인 특징에 기인하여, 회전 방향에 대하여 비교적 높은 강성을 가지며, 중심 중공축(110)의 수직하는 수평면에 대하여 상하 및/또는 좌우 방향에 대해서는 낮은 강성을 가질 수 있다. 그에 따라, 외란의 영향을 받지 않는 순수한 토크 정보를 센서에서 측정할 수 있다.

좀더 구체적으로, 센서 커플링(135-1)의 내측 플랜지(135i)에 결합하는 감속기(123)에서 원형 실선 화살표와 같은 회전 방향으로 회전 토크가 발생할 때, 그러한 회전 토크는 외측 플랜지(135o)를 거쳐 센서 프레임(131)에 실질적으로 그대로 전달될 수 있다. 그에 따라, 센서 커플링(135-1)은 원형 실선 화살표와 같은 회전 방향에 대하여 높은 강성을 가질 수 있다. 감속기(123)에 점선의 직선 화살표와 같은 상하 및/또는 좌우 방향의 스트레인이 발생한 경우, 그러한 스트레인은 외측 플랜지(135o)에 거의 전달되지 못하고 그에 따라, 상하 및/또는 좌우 방향의 스트레인은 센서 프레임(131)으로 실질적으로 거의 전달되지 않을 수 있다. 결국, 센서 커플링(135-1)은 점선의 직선 화살표와 같은 상하 및/또는 좌우 방향에 대하여 낮은 강성을 가질 수 있다.

도 11c를 참조하면, 본 실시예의 액추에이터 유닛(100)에서, 센서 커플링(135-2)은 전체적인 구조에서 도 11b의 센서 커플링(135-1)의 구조와 유사할 수 있다. 그러나 외측 플랜지(135o’) 및 내측 플랜지(135i')의 세세한 구조는 도 11b의 센서 커플링 구조(135-1)와 다를 수 있다.

좀더 구체적으로 설명하면, 외측 플랜지(135o’)는 전체적으로 원형 링 형상을 가지되, 도 11b의 센서 커플링(135-1)의 외측 플랜지(135o)보다 링의 폭이 두꺼울 수 있다. 그에 따라, 센서 커플링(135-2) 내측의 오픈 영역은 도 11b의 센서 커플링(135-1) 내측의 오픈 영역보다 작을 수 있다. 또한, 외측 플랜지(135o’)의 외곽 부분에 다수 개의 제1 결합 홈(T1)이 배치될 수 있다. 제1 결합 홈(T1)의 개수는 상부로 결합하는 센서 프레임(131)의 구조에 따라 달라질 수 있다.

한편, 내측 플랜지(135i’)는 도 11b의 센서 커플링(135-1)의 내측 플랜지(135i)와 유사하게 머리 부분(135ih’)은 줄기 부분(135is’)을 포함할 수 있다. 그러나 내측 플랜지(135i’)의 구체적인 구조는 도 11b의 센서 커플링(135-1)의 내측 플랜지(135i)와는 다르다. 즉, 내측 플랜지(135i’)는 외측 플랜지(135o’)의 내측면에서 회전 방향을 따라 곡선 형태로 연장되면서 수평 단면이 점차 넓어지는 구조를 가질 수 있다. 머리 부분(135ih’)에 해당하는 끝단 부분의 제2 결합 홈(T2) 통해 감속기(123)와 결합할 수 있다. 내측 플랜지(135i’)의 개수는 도시된 바와 같이 6개일 수 있다. 그러나 내측 플랜지(135i)의 개수가 6개에 한정되지 않고, 5개 이하 또는 7개 이상 형성될 수 있다.

도 11d를 참조하면, 본 실시예의 액추에이터 유닛(100)에서, 센서 커플링(135-3)은 외측 플랜지(135o) 및 내측 플랜지(135i)를 포함할 수 있다. 센서 커플링(135-3) 역시 도 11a의 센서 커플링(135)과 달리 몸통부가 존재하지 않을 수 있다.

외측 플랜지(135o)는 도 11a의 센서 커플링(135)의 프레임 플랜지(135f)에 대응할 수 있고, 원형 링을 구조를 가질 수 있다. 이러한 외측 플랜지(135o)에는 센서 프레임(131)이 결합할 수 있다. 그에 따라, 외측 플랜지(135o)에는 제1 결합 홈들(T1)이 형성될 수 있다. 본 실시예의 외측 플랜지(135o)에서 제1 결합 홈(T1)이 8개 형성되었지만 제1 결합 홈(T1)의 개수가 8개에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 제1 결합 홈(T1)은 7개 이하 또는 9개 이상 형성될 수 있다.

내측 플랜지(135i)는 도 11a의 센서 커플링(135)의 감속기 플랜지(135p)에 대응할 수 있고, 원형 링 형상의 외측 플랜지(135o)의 내측을 서로 연결하는 브릿지 구조를 가질 수 있다. 구체적으로 내측 플랜지(135i)는 좌우 방향으로 외측 플랜지(135o)의 내측을 연결하는 제1 내측 플랜지(135i1)와 상항 방향으로 외측 플랜지(135o)의 내측을 연결하는 제2 내측 플랜지(135i2)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이 제1 내측 플랜지(135i1)와 제2 내측 플랜지(135i2)는 각각 2개씩 구비될 수 있다. 물론, 제1 내측 플랜지(135i1)와 제2 내측 플랜지(135i2)의 개수가 2개씩에 한정되는 것은 아니다.

한편, 2개의 제1 내측 플랜지(135i1)와 2개의 제2 내측 플랜지(135i2)의 중심 부분으로는 감속기(123)와 결합하기 위한 제2 결합 홈(T2)이 형성될 수 있다. 참고로, 제2 내측 플랜지(135i2)의 제2 결합 홈(T2)은 하방으로 향하여 도시되지 않고 있다. 제1 내측 플랜지(135i1)와 제2 내측 플랜지(135i2)의 개수, 제1 내측 플랜지(135i1)와 제2 내측 플랜지(135i2) 각각에 형성되는 제2 결합 홈(T2)의 개수나 위치는 내측 플랜지(135i)로 결합하는 감속기(123)와의 결합 구조에 따라 달라질 수 있다.

이러한 구조의 센서 커플링(135-3)은 내측 플랜지(135i)에 이방성 소재를 적용함으로써, 원형 실선 화살표와 같은 회전 방향에 대하여 비교적 높은 강성을 가지며, 점선의 직선 화살표와 같은 상하 및/또는 좌우 방향에 대해서는 낮은 강성을 가질 수 있다. 그에 따라, 외란의 영향을 받지 않는 순수한 토크 정보를 센서에서 측정할 수 있다.

구체적으로, 제1 내측 플랜지(135i1)와 제2 내측 플랜지(135i2)를 다층 구조로 설계하고, 각층에 이방성 소재를 외란 방향에 대해서 낮은 강성을 갖도록 배열함으로써, 상기과 같은 강성 특성을 구현할 수 있다. 예컨대, 복합 소재의 경우 섬유 방향을 도시된 바와 같이 배열함으로써, 외란 방향에 대해 낮은 강성을 갖도록 설계할 수 있다. 즉, 섬유 방향 구조에 기초하여 제1 내측 플랜지(135i1)는 좌우 방향에 대해서 높은 강성을 가지고 점선 화살표와 같은 상하 방향에 대해서는 낮은 강성을 가질 수 있다. 또한, 제2 내측 플랜지(135i2)는 반대로 상하 방향에 대해서 높은 강성을 가지고 점선 화살표와 같은 좌우 방향에 대해서는 낮은 강성을 가질 수 있다. 그에 따라, 원형 실선 화살표와 같이 회전 방향으로 내측 플랜지(135i)에 스트레인이 인가되는 경우에는 제1 내측 플랜지(135i1)와 제2 내측 플랜지(135i2) 모두 비교적 높은 강성을 나타내서 회전 방향의 스트레인을 외측 플랜지(135o)를 거쳐 센서 프레임(131)으로 전달할 수 있다. 그러나 점선의 직선 화살표와 같이 상하 및/또는 좌우 방향으로 스트레인이 인가되는 경우에는 그러한 스트레인은 외측 플랜지(135o) 전달되지 못하고, 그에 따라 센서 프레임(131)으로의 전달이 차단될 수 있다.

지금까지 4가지 구조의 센서 커플링(135, 135-1, 135-2, 135-3) 구조를 예시하였지만, 본 실시예의 액추에이터 유닛(100)에서의 센서 커플링 구조가 상기 4가지에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 회전 방향으로의 스트레인은 센서 프레임(131)으로 실질적으로 그대로 전달하고, 상하 및/또는 좌우 방향으로 스트레인은 차단하여 센서 프레임(131)으로 실질적으로 전달되지 않는 구조의 센서 커플링 구조를 채용한 모든 종류의 액추에이터 유닛(100)은 본 발명의 기술적 사상에 속한다고 할 것이다.

도 12는 감속기와 센서부가 결합하여 구성된 감속기 장치를 보여주는 절단 사시도이다.

도 12를 참조하면, 감속기 장치(900)는 도시된 바와 같이 감속기(123) 및 센서부(130)를 포함할 수 있다. 감속기(123)의 구조나 기능, 그리고 센서부(130)의 구성과 기능들에 대해서는 도 2의 액추에이터 유닛(100)에 대한 설명 부분에서 이미 설명하였으므로 여기에서는 간단히 설명하거나 생략한다.

본 실시예의 감속기 장치(900)에서, 감속기(123)는 하모닉 감속기일 수 있다. 이러한 감속기의 하부에는 감속의 대상이 되는 모터가 결합할 수 있다. 또한, 감속기(123)이 하모닉 감속기인 경우, 모터는 도 2의 입력 중공축(129)과 같은 수직축을 이용하여 수직 동력 전송 구조를 가지고 감속기(123)에 결합할 수 있다.

센서부(130)의 센서 프레임(131)은 도 9a의 센서 프레임(131)이 채용되고 있지만, 도 10a의 센서 프레임(131a)이 채용될 수도 있다. 도 10a의 센서 프레임(131a)이 채용되는 경우, 감속기(123)는 높이가 낮은 수평형 구조를 가질 수 있다. 한편, 감속기(123)와 센서 프레임(131) 사이에 배치되어 결합하는 센서 커플링(135)로서, 도 11a 내지 도 11d에 예시된 다양한 구조의 센서 커플링들(135, 135-1, 135-2, 135-3)이 채용될 수 있다. 한편, 센서부(130)의 커버(137)는 센서 보드(133)를 보호할 필요가 없는 경우에 생략될 수 있다.

본 실시예의 감속기 장치(900)는 상부에 결합 배치되는 센서부를 통해 토크 센서를 정확하게 센싱함으로써, 감속기의 동작을 정확하게 제어할 수 있다. 또한, 센서부에 가속기 센서나 기울기 센서를 채용하는 경우에는 감속기 장치를 채용하는 로봇이나 장치 시스템에 대한 상태 모니터링 등을 수행하여 좀더 안정적인 동작을 수행하도록 할 수 있다.

지금까지, 본 발명의 기술적 사상을 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

100, 100-1, 100-2, 100-3: 액추에이터 유닛, 120: 구동부, 121: 모터, 123: 감속기, 125: 엔코더, 127: 브레이크, 129: 입력 중공축, 130: 센서부, 131: 센서 프레임, 131c: 원형 상판, 131t: 실린더형 측부, 131b: 원형 챙, 131in: 내부 판, 131out: 외부 판, 133: 센서 보드, 135, 135-1, 135-2, 135-3: 센서 커플링, 135f: 프레임 플랜지, 135t: 몸통부, 135p: 감속기 플랜지, 135i: 내측 플랜지, 135o: 외측 플랜지, 137: 커버, 140: 프레임부, 141: 모터 프레임, 143: 엔코더 프레임, 145: 연결 프레임, 147: 지지 베어링, 147a: 프레임 지지 베어링, 147b, 147c: 중공축 지지 베어링, 150, 150a: 제어부, 151: 전원 보드, 153: 제어 보드, 155: 앰프 보드, 157: 통신 모듈, 160in: 입력 커넥터, 160out: 출력 커넥터, 640: 내부 케이블, 650: 센서 케이블 또는 제1 센서 케이블, 660: 제2 센서 케이블, 200: 베이스, 250: 상위 제어기, 300: 수직축, 400: 다관절 암, 410, 420: 수평 암, 500: 핸드, 510: 픽업부, 520; 연결부, 600: 통신전원 케이블, 620: 전원 케이블, 630: 통신 케이블, 700: 티칭펜던트, 710: 작업명령 케이블, 1000, 1000a: 로봇

Claims (20)

1. 로봇의 다관절 암 내에 배치된 액추에이터 유닛에 있어서,
   대상체를 회전시키기 위한 회전력을 생성하는 모터, 상기 모터에 연결되어 감속비에 따라 회전 속도를 줄이는 감속기, 및 상기 모터의 회전 정보를 검출하는 엔코더를 구비하고, 상기 감속기, 모터, 및 엔코더가 입력 중공축(input hollow shaft)을 통해 수직 결합된 구동부;
   센서가 장착된 센서 프레임, 상기 센서로부터의 신호를 증폭하는 센서 보드, 및 상기 구동부로부터의 외란(external disturbance)과 노이즈를 차단하는 센서 커플링을 구비하고, 상기 구동부의 상부로 배치되는 센서부;
   상기 엔코더로부터의 상기 모터의 회전 정보에 기반하여 상기 모터를 제어하는 모터 제어기, 상기 모터 제어기로부터의 전류 신호를 펄스 신호로 변환시켜 상기 모터로 인가하는 파워컨버터, 및 외부의 주전원을 요구되는 개별 전원들로 변환시켜 공급하는 파워서플라이를 구비하고, 상기 입력 중공축에 결합하여 상기 구동부 하부에 배치된 제어부; 및
   상기 모터를 지지하는 모터 프레임, 상기 엔코더를 지지하는 엔코더 프레임, 및 상기 구동부를 상기 센서부와 연결하는 연결 프레임을 구비한 프레임부;를 포함하고,
   상기 액추에이터 유닛은 외관이 상하 대칭적인 구조를 가지며,
   상기 액추에이터 유닛의 하부에 입력 커넥터가 배치되고,
   상기 액추에이터 유닛의 상부에 출력 커넥터가 배치되며,
   상기 입력 커넥터와 출력 커넥터는 상기 입력 중공축 내측에 배치된 중심 중공축(center hollow shaft)의 내의 홀을 통해 연장하는 내부 케이블을 통해 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 액추에이터 유닛.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 제어부는, 상기 입력 중공축에 결합하는 단일층 보드 또는 다중층 보드로 구성되는 것을 특징으로 하는 액추에이터 유닛.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 제어부는, 상기 입력 중공축에 결합하는 다중층 보드로 구성되고,
   상기 다중층 보드는 상기 모터 제어기가 배치되는 제어 보드, 상기 파워컨버터가 배치되는 앰프 보드, 및 상기 파워서플라이가 배치되는 전원 보드를 구비하는 것을 특징으로 하는 액추에이터 유닛.
4. 삭제
5. 제1 항에 있어서,
   상기 감속기는 하모닉(harmonic) 감속기인 것을 특징으로 하는 액추에이터 유닛.
6. 제1 항에 있어서,
   상기 센서 프레임은 상기 입력 중공축 내측에 배치된 중심 중공축이 끼워지는 홀이 형성된 원형 상판, 상기 원형 상판에서 하부로 연장된 실린더형 측부, 및 상기 측부의 하부 말단부분에서 수평 외곽 방향으로 연장된 원형 챙을 구비하고,
   상기 원형 상판의 하면에 상기 센서 커플링이 결합하고, 상기 원형 상판의 상면에 상기 센서 보드가 결합하며, 상기 원형 챙에 외부 결합부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 액추에이터 유닛.
7. 제1 항에 있어서,
   상기 센서 커플링은 상기 감속기 및 센서 프레임 사이에 배치되고,
   상기 센서 커플링은 상기 감속기의 회전 토크를 상기 센서 프레임으로 전달하여 상기 센서 프레임에 회전 방향의 스트레인(strain)을 발생시키며, 회전 방향 이외의 방향의 스트레인은 차단 또는 감소시킴으로써 상기 외란을 차단하는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 액추에이터 유닛.
8. 대상체를 회전시키기 위한 회전력을 생성하는 모터, 상기 모터에 연결되어 감속비에 따라 회전 속도를 줄이는 감속기, 및 상기 모터의 회전 정보를 검출하는 엔코더를 구비하고, 상기 감속기, 모터, 및 엔코더가 입력 중공축을 통해 수직 결합된 구동부;
   센서가 장착된 센서 프레임, 상기 센서로부터의 신호를 증폭하는 센서 보드, 및 상기 구동부로부터의 외란과 노이즈를 차단하는 센서 커플링을 구비하고, 상기 구동부의 상부로 배치되는 센서부; 및
   상기 모터를 지지하는 모터 지지프레임, 상기 엔코더를 지지하는 엔코더 지지프레임, 및 상기 구동부를 상기 센서부와 연결하는 연결 프레임을 구비한 프레임부;를 포함하고,
   상기 센서 커플링은 상기 감속기 및 센서 프레임 사이에 배치되고,
   상기 센서 커플링은 상기 입력 중공축을 회전축으로 하는 회전 방향에 대해서는 제1 강성을 가지며, 상기 입력 중공축에 수직인 수평면에서의 상하 및 좌우 방향에 대해서는 제2 강성을 가지며,
   상기 제2 강성은 상기 제1 강성보다 낮은 것을 특징으로 하는 액추에이터 유닛.
9. 제8 항에 있어서,
   상기 센서는 상기 구동부의 토크를 센싱하는 토크 센서이고,
   상기 센서 커플링은 상기 감속기 및 센서 프레임 사이에 배치되며,
   상기 센서 커플링은 상기 감속기의 회전 토크를 상기 센서 프레임으로 전달하여 상기 센서 프레임에 회전 방향의 스트레인을 발생시키며, 회전 방향 이외의 방향의 스트레인은 차단 또는 감소시킴으로써 상기 외란을 차단하는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 액추에이터 유닛.
10. 제8 항에 있어서,
    상기 센서 커플링은 상기 감속기와 결합하는 감속기 플랜지(flange) 및 상기 센서 프레임과 결합하는 프레임 플랜지를 포함하고,
    상기 제1 강성은 상기 감속기로부터의 상기 회전 방향의 토크를 상기 센서 프레임으로 전달할 정도의 강성이며,
    상기 제2 강성은 상기 감속기로부터의 상기 상하 및 좌우 방향의 스트레인에 의한 외란이 상기 센서 프레임으로 전달되지 않을 정도의 강성인 것을 특징으로 하는 액추에이터 유닛.
11. 제8 항에 있어서,
    상기 센서 프레임은 상기 입력 중공축 내측에 배치된 중심 중공축이 끼워지는 홀이 형성된 원형 상판, 상기 원형 상판에서 하부로 연장된 실린더형 측부, 및 상기 측부의 하부 말단부분에서 수평 외곽 방향으로 연장된 원형 챙을 구비하여, 상기 구동부 및 상기 프레임부의 상부 일부를 덮고,
    상기 원형 상판의 하면에 상기 센서 커플링이 결합하고, 상기 원형 상판의 상면에 센서 보드가 결합하며, 상기 원형 챙에 외부 결합부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 액추에이터 유닛.
12. 몸체에 해당하고, 외부로부터의 작업 명령에 따라 연산을 통해 제어 명령을 생성하는 상위 제어기를 구비한 베이스;
    상기 베이스에 삽입되는 구조로 결합하여 상하 방향으로 움직이는 수직축;
    상기 수직축에 결합하고, 적어도 2개의 관절 및 상기 관절을 통해 연결된 적어도 하나의 수평 암을 구비한 다관절 암;
    상기 다관절 암의 말단 관절에 결합하고, 이동 대상물을 파지하는 핸드;
    상기 적어도 2개의 관절 각각에 배치되고, 상기 적어도 하나의 수평 암 또는 핸드를 회전시키고, 내부에 회전을 제어하는 제어부를 구비한 액추에이터 유닛; 및
    상기 상위 제어기로부터의 제어 명령을 전달하는 통신 케이블 및 전원을 공급하는 전원 케이블을 구비한 통신전원 케이블;을 포함하고,
    상기 통신 케이블은 상기 상위 제어기로부터 데이지 체인(daisy-chain) 방식으로 상기 관절 각각의 상기 액추에이터 유닛에 연결되는 것을 특징으로 하는 로봇.
13. 제12 항에 있어서,
    상기 액추에이터 유닛은,
    상기 적어도 하나의 수평 암 또는 핸드를 회전시키기 위한 회전력을 생성하는 모터, 상기 모터에 연결되어 감속비에 따라 회전 속도를 줄이는 하모닉 감속기, 및 상기 모터의 회전 정보를 검출하는 엔코더를 구비하고, 상기 감속기, 모터, 및 엔코더가 입력 중공축을 통해 수직 결합된 구동부;
    센서가 장착된 센서 프레임, 상기 센서로부터의 신호를 증폭하는 센서 보드, 및 상기 구동부로부터의 외란과 노이즈를 차단하는 센서 커플링을 구비하고, 상기 구동부의 상부로 배치되는 센서부; 및
    상기 모터를 지지하는 모터 지지프레임, 상기 엔코더를 지지하는 엔코더 지지프레임, 및 상기 구동부를 상기 센서부와 연결하는 연결 프레임을 구비한 프레임부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 엔코더로부터의 상기 모터의 회전 정보에 기반하여 상기 모터를 제어하는 모터 제어기, 상기 모터 제어기로부터의 전류 신호를 펄스 신호로 변환시켜 상기 모터로 인가하는 파워컨버터, 및 외부의 주전원을 요구되는 개별 전원들로 변환시켜 공급하는 파워서플라이를 구비하고, 상기 입력 중공축에 결합하여 상기 구동부 하부에 배치되는 것을 특징으로 하는 로봇.
14. 제13 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 입력 중공축에 결합하는 단일층 보드 또는 다중층 보드로 구성되며,
    상기 제어부가 상기 다중층 보드로 구성되는 경우,
    상기 다중층 보드는 상기 모터 제어기가 배치되는 제어 보드, 상기 파워컨버터가 배치되는 앰프 보드, 및 상기 파워서플라이가 배치되는 전원 보드를 구비하는 것을 특징으로 하는 로봇.
15. 삭제
16. 제13 항에 있어서,
    상기 액추에이터 유닛의 하부에 입력 커넥터가 배치되고,
    상기 액추에이터 유닛의 상부에 출력 커넥터가 배치되며,
    상기 입력 커넥터와 출력 커넥터는 상기 입력 중공축 내측에 배치된 중심 중공축의 내의 홀을 통해 연장하는 내부 케이블을 통해 서로 연결되며,
    상기 상위 제어기로부터 상기 수직축 내부를 통해 연장하는 상기 통신전원 케이블이 상기 수직축이 결합하는 관절 내의 상기 액추에이터 유닛의 입력 커넥터에 연결되며,
    어느 하나의 상기 액추에이터 유닛의 상기 출력 커넥터는 인접하는 다른 상기 액추에이터 유닛의 상기 입력 커넥터에 상기 통신전원 케이블을 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 로봇.
17. 제13 항에 있어서,
    상기 센서 커플링은 상기 감속기 및 센서 프레임 사이에 배치되고,
    상기 센서 커플링은 상기 입력 중공축을 회전축으로 하는 회전 방향에 대해서는 제1 강성을 가지며, 상기 입력 중공축에 수직인 수평면에서의 상하 및 좌우 방향에 대해서는 제2 강성을 가지며,
    상기 제2 강성은 상기 제1 강성보다 낮은 것을 특징으로 하는 로봇.
18. 제13 항에 있어서,
    상기 센서 커플링은,
    원형의 링 구조를 가지며 상기 센서 프레임에 결합하는 프레임 플랜지, 및 상기 원형 링에서 내측으로 연장되고 머리가 내측에 위치한 2분 음표(♩) 형태의 다수의 돌출부의 구조를 가지며 상기 머리 부분을 통해 상기 감속기와 결합하는 감속기 플랜지를 구비하는 제1 형,
    원형 링의 구조를 가지며 상기 센서 프레임에 결합하는 프레임 플랜지, 및 상기 원형 링에서 내측으로 회전 방향을 따라 곡선 형태로 연장되면서 수평 단면이 점차 넓어지고 끝단 부분을 통해 상기 감속기와 결합하는 감속기 플랜지를 구비하는 제2 형, 및
    원형의 링 구조를 가지며 상기 센서 프레임에 결합하는 프레임 플랜지, 및 상기 원형 링의 내측을 연결하는 다수의 브릿지 구조를 가지고, 상기 브릿지의 연장 방향의 강성이 상기 연장 방향의 수직 방향의 강성보다 높은 이방성 소재로 형성되며 상기 브릿지의 중심 부분을 통해 상기 감속기와 결합하는 감속기 플랜지를 구비하는 제3 형 중 어느 한 형으로 형성된 것을 특징으로 하는 로봇.
19. 제13 항에 있어서,
    상기 센서 프레임은 상기 입력 중공축 내측에 배치된 중심 중공축이 끼워지는 홀이 형성된 원형 상판, 상기 원형 상판에서 하부로 연장된 실린더형 측부, 및 상기 측부의 하부 말단부분에서 수평 외곽 방향으로 연장된 원형 챙을 구비하고,
    상기 원형 상판의 하면에 상기 센서 커플링이 결합하고, 상기 원형 상판의 상면에 센서 보드가 결합하며, 상기 원형 챙에 상기 수평 암이 결합하는 것을 특징으로 하는 로봇.
20. 대상체를 회전시키기 위한 회전력을 생성하는 모터에 결합하여 감속비에 따라 회전 속도를 줄이는 감속기; 및
    상기 감속기에 결합하여 상기 감속기의 회전 토크를 검출하되 외란과 노이즈를 차단하는 구조를 갖는 센서 커플링, 상기 센서 커플링에 결합하고 상기 회전 토크를 검출하는 센서가 장착되는 센서 프레임, 및 상기 센서 프레임 상에 배치되어 상기 센서로부터의 신호를 증폭하는 센서 보드를 구비한 센서부;를 포함하고,
    상기 감속기는 상기 모터와 입력 중공축을 통해 수직 결합하며,
    상기 센서 커플링은 상기 감속기 및 센서 프레임 사이에 배치되고,
    상기 센서 커플링은 상기 입력 중공축을 회전축으로 하는 회전 방향에 대해서는 제1 강성을 가지며, 상기 입력 중공축에 수직인 수평면에서의 상하 및 좌우 방향에 대해서는 제2 강성을 가지며,
    상기 제2 강성은 상기 제1 강성보다 낮은 것을 특징으로 하는 감속기 장치.

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