KR102163960B1 - 유연 관절 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유연 관절 모듈에 관한 것으로, 회전력을 발생시키는 모터, 모터의 출력축 부분에 설치되어 회전량을 감지하는 상대 위치 센서, 모터의 회전력을 감속하는 감속기, 감속기의 출력축 및 감속기 출력축의 회전에 따라 관절 운동하는 링크 사이에 결합되어 회전 강성을 완화시키는 스프링, 스프링의 변형에 따른 변위를 측정하는 변위 측정 센서, 링크의 회전량을 감지하는 절대 위치 센서, 및 상대 위치 센서, 변위 측정 센서 및 절대 위치 센서의 감지값을 이용하여 모터의 회전력 발생 동작을 제어하는 제어부를 포함하며, 이를 통해 유연 관절 모듈의 구조를 단순화하면서 중공축의 크기를 크게 만들 수 있고 제작 비용이 저렴해진다.

Description

유연 관절 모듈{Flexible joint module}

본 발명은 모터를 이용한 관절과 관련한 것으로, 더욱 상세하게는 최소한의 위치 센서를 채용하여 구성을 단순화한 유연 관절 모듈과 관련한 것이다.

유연 관절은 회전력을 발생하는 모터와 해당 회전력을 이용해 운동하는 링크를 변형이 가능한 유연한(flexible)한 소재의 부품으로 연결하여 구성한 것이다. 이러한 유연 관절은 로봇 등이 다른 물체와 충돌하는 경우 안전성을 확보하고, 고성능 구동시 발생하는 진동에 의해 관절이 파손되는 것을 방지하는 효과가 있다.

그런데 기존의 유연 관절은 모터단에 위치한 상대 위치 엔코더(encoder), 감속기와 유연한 소재의 부품 사이에 위치한 절대 위치 엔코더, 유연한 소재의 부품과 연결되어 실제 관절 운동하는 링크의 변화를 측정하는 절대 위치 엔코더를 채용하고 있다. 이는 유연한 동작을 위해 채용된 부품이 비틀리는 등 변형이 발생하는 경우, 해당 유연한 소재의 부품 전단과 후단에 각각 절대 위치 엔코더를 구비하여, 감속기 출력축의 회전량과 별도로 유연한 소재 부품의 비틀린 정도를 측정하기 위함이다.

그런데 절대 위치 엔코더는 그 비용이 비싸기 때문에 기존의 유연 관절은 전체 장치의 제작 비용이 상승하는 문제가 있고, 복수의 절대 위치 엔코더를 관절에 위치시키기 위해 복잡도가 증가하는 문제가 있다.

한국공개특허 제2001-0066575호 (2001년 07월 11일 공개)

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 유연 관절 모듈에 스프링의 변형에 따른 변위를 측정하는 변위 측정 센서를 구비함으로써, 유연 관절 모듈이 하나의 상대 위치 센서 및 하나의 절대 위치 센서를 채용하도록 하여 그 구성을 단순화할 수 있는 유연 관절 모듈을 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유연 관절 모듈은, 회전력을 발생시키는 모터, 상기 모터의 출력축 부분에 설치되어 회전량을 감지하는 상대 위치 센서, 상기 모터의 회전력을 감속하는 감속기, 상기 감속기의 출력축 및 상기 감속기 출력축의 회전에 따라 관절 운동하는 링크 사이에 결합되어 회전 강성을 완화시키는 스프링, 상기 스프링의 변형에 따른 변위를 측정하는 변위 측정 센서, 상기 링크의 회전량을 감지하는 절대 위치 센서, 및 상기 상대 위치 센서, 상기 변위 측정 센서 및 상기 절대 위치 센서의 감지값을 이용하여 상기 모터의 회전력 발생 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 유연 관절 모듈에 있어서, 상기 스프링의 변위를 일정 비율로 변환하여 상기 변위 측정 센서로 전달하는 기어 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 유연 관절 모듈에 있어서, 상기 기어 모듈은, 상기 스프링과 연결된 기어 및 상기 변위 측정 센서와 연결된 기어를 포함하는 스퍼 기어(spur gear)의 기어비를 이용해 변위를 일정 비율로 변환하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 유연 관절 모듈에 있어서, 상기 제어부는, 상기 변위 측정 센서를 이용해 감지한 상기 스프링의 변위를 상기 기어 모듈의 기어비에 따라 역산하여 상기 스프링의 변형을 판단하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유연 관절 모듈은, 회전력을 발생시키는 모터, 상기 모터의 출력축 부분에 설치되어 회전량을 감지하는 상대 위치 센서, 상기 모터의 회전력을 감속하는 감속기, 상기 감속기 출력축의 회전에 따라 관절 운동하는 링크, 상기 감속기의 출력축 및 상기 링크 사이에 결합되어 회전 강성을 완화시키는 스프링, 상기 스프링의 변형에 따른 변위를 측정하는 변위 측정 센서, 상기 링크의 회전량을 감지하는 절대 위치 센서, 및 상기 상대 위치 센서, 상기 변위 측정 센서 및 상기 절대 위치 센서의 감지값을 이용하여 상기 모터의 회전력 발생 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 유연 관절 모듈에 있어서, 상기 스프링의 변위를 일정 비율로 변환하여 상기 변위 측정 센서로 전달하는 기어 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 유연 관절 모듈에 있어서, 상기 기어 모듈은, 상기 스프링과 연결된 기어 및 상기 변위 측정 센서와 연결된 기어를 포함하는 스퍼 기어(spur gear)의 기어비를 이용해 변위를 일정 비율로 변환하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 유연 관절 모듈에 있어서, 상기 제어부는, 상기 변위 측정 센서를 이용해 감지한 상기 스프링의 변위를 상기 기어 모듈의 기어비에 따라 역산하여 상기 스프링의 변형을 판단하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 유연 관절 모듈에 따르면, 유연 관절에 하나의 상대 위치 센서와 하나의 절대 위치 센서만을 구비하도록 하여 최소한의 위치 센서를 채용하도록 하면서도, 스프링의 변형을 측정하는 변위 측정 센서를 구비하여 스프링의 변위를 측정할 수 있으므로, 유연 관절 모듈의 구성이 단순해지고 제작 비용이 절감된다.

이때, 복수의 절대 위치 센서에서 회전량을 측정하는 복수의 중공축을 구비하는 대신, 하나의 절대 위치 센서에서 회전량을 측정하는 단일 중공축을 이용하여 유연 관절 모듈을 구성할 수 있어, 그 구조를 단순화하면서 중공축의 크기를 크게 만들 수 있고 제작 비용이 저렴해진다. 또한 스프링의 변위를 측정하는 변위 측정 센서를 출력단에 장착하여 구조를 단순화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 관절 모듈의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 관절 모듈의 모습을 나타낸 단면도이다.

하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명은 유연 관절 모듈과 관련한 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 관절 모듈의 구성을 나타낸 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 관절 모듈의 모습을 나타낸 단면도이다.

도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 실시예의 유연 관절 모듈(100)은 모터(10), 상대 위치 센서(20), 감속기(30), 스프링(40), 변위 측정 센서(50), 절대 위치 센서(60), 링크(70) 및 제어부(80)를 포함하여 구성된다.

모터(10)는 유연 관절 모듈(100)의 동작을 위한 회전력을 발생시키는 역할을 한다. 모터(10)는 유연 관절을 회전시키는데 필요한 회전력을 출력축을 통해 감속기(30)로 전달한다. 이때 모터(10)는 제어부(80)의 제어에 따라 공급된 전원을 이용해 구동될 수 있다.

상대 위치 센서(20)는 모터(10)의 출력축 부분에 설치되어 모터(10)의 회전량을 감지하는 역할을 한다. 상대 위치 센서(20)는 모터(10)의 출력축이 회전함에 따라 회전량을 온/오프의 펄스수로 변환하여 출력하며, 모터(10) 출력축의 상대적인 위치값을 제공한다. 이때 상대 위치 센서(20)는 모터(10)를 중심으로 감속기(30)가 설치된 쪽의 반대쪽으로 돌출된 출력축에 설치될 수 있다.

감속기(30)는 감속비에 따라서 모터(10)의 회전축의 회전을 감소시키는 역할을 한다. 감속기(30)는 모터(10)의 일측으로 돌출된 출력축에 결합되어 연결될 수 있으며, 모터(10)의 출력축이 회전함에 따라 감속기(30)의 출력축인 중공축(31)이 일정 비율로 회전하게 된다.

스프링(40)은 감속기(30)의 회전 강성 완화를 위한 구성으로서 중공축(31)에 연결된다. 스프링(40)은 중공축(31)의 회전에 따른 회전력을 링크(70)에 전달하되, 감속기(30)의 출력축의 회전력이나 링크(70)에 가해지는 중력 및 외력 등에 따라 비틀려 변형될 수 있는 탄성 소재로 이루어진다.

변위 측정 센서(50)는 스프링(40)의 변형에 따른 변위를 측정하는 역할을 한다. 이때 변위 측정 센서(50)는 기어 모듈(51)을 통해 스프링(40)과 연결되고, 기어 모듈(51)은 스프링(40)에 변형이 발생하는 경우 스프링(40)의 변위를 일정 비율로 변환하여 변위 측정 센서(50)로 전달한다. 이때 기어 모듈(51)은 스프링(40)과 연결된 특정 기어 및 이와 맞물리며 변위 측정 센서(50)와 연결되는 다른 기어로 이루어진 스퍼 기어(spur gear) 형태일 수 있다. 이 경우 스프링(40)에 변형이 일어나면 해당 스프링(40)에 연결된 특정 기어가 회전하고, 이에 따라 맞물린 다른 기어가 기어비에 따라 회전함으로써 변위 측정 센서(50)에서 스프링(40)의 변위를 측정하게 된다.

절대 위치 센서(60)는 링크(70)의 회전량을 감지하는 구성으로서, 감속기(30)의 출력축의 회전량 및 스프링(40)의 비틀림 정도에 따라 링크(70)가 실제 회전한 정도를 감지하는 역할을 한다. 절대 위치 센서(60)는 전원 상태와 무관하게 항상 절대 위치값을 유지할 수 있으며, 전원이 공급되지 않은 상태에서 링크(70)의 회전 운동에 따른 위치 이동이 발생하여도 전원 공급 후 바로 현재의 위치를 측정할 수 있다. 만일 전원 공급 전후에 위치 측정값에 변화가 발생하는 경우 링크(70)의 회전량에 변화가 발생한 것으로 판단할 수 있다.

링크(70)는 감속기(30)의 출력축인 중공축(11)의 회전에 따라 관절 운동한다.

제어부(80)는 모터(10), 상대 위치 센서(20), 감속기(30), 스프링(40), 변위 측정 센서(50), 절대 위치 센서(60) 및 링크(70)를 포함하는 유연 관절 모듈(100)의 동작을 전반적으로 제어하는 역할을 한다.

제어부(80)는 모터(10)를 제어하여 회전력을 발생시키도록 함으로써, 링크(70)가 유연 관절 모듈(100)을 이용해 관절 운동하도록 제어한다.

이때 제어부(80)는 절대 위치 센서(60)를 이용하여 링크(70)의 회전량을 측정하여 관절 운동 상태를 파악할 수 있고, 상대 위치 센서(20)를 이용해 모터(10)의 회전량을 파악할 수 있다.

한편 제어부(80)는 변위 측정 센서(50)를 이용해 스프링(40)의 변위를 감지하면, 해당 변위를 기어 모듈(51)의 기어비에 따라 역산하여 스프링(40)이 변형된 정도를 판단할 수 있다.

이와 같은 방식으로 유연 관절 모듈(100)은 단일 절대 위치 센서(60)를 구비하고도, 상대적으로 저렴한 변위 측정 센서(50)를 이용해 스프링(40)의 변형에 따른 변위를 측정하여 링크(70)의 운동을 정확하게 제어하는 것이 가능하다.

이 경우 변위 측정 센서(50)는 유연 관절 모듈(100)의 출력단에 위치하여 유연 관절 모듈(100)의 구조가 단순해진다.

또한 복수의 중공축과 그 회전량을 감지하기 위한 복수의 절대 위치 센서를 구비하는 대신 단일의 절대 위치 센서(60)를 구비하고, 해당 절대 위치 센서(60)는 단일 중공축(31)의 회전량을 감지하도록 하여, 구조의 단순화와 중공축의 크기 증가 효과를 기대할 수 있다.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다. 또한, 본 명세서와 도면에서 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.

10: 모터 20: 상대 위치 센서
30: 감속기 31: 중공축
40: 스프링 50: 변위 측정 센서
51: 기어 모듈 60: 절대 위치 센서
70: 링크 80: 제어부
100: 유연 관절 모듈

Claims (8)

1. 회전력을 발생시키는 모터;
   상기 모터의 출력축 부분에 설치되어 회전량을 감지하는 상대 위치 센서;
   상기 모터의 회전력을 감속하는 감속기;
   상기 감속기의 출력축 및 상기 감속기 출력축의 회전에 따라 관절 운동하는 링크 사이에 결합되어 회전 강성을 완화시키는 스프링;
   상기 스프링의 변형에 따른 변위를 측정하는 변위 측정 센서;
   상기 링크의 회전량을 감지하는 절대 위치 센서;
   상기 상대 위치 센서, 상기 변위 측정 센서 및 상기 절대 위치 센서의 감지값을 이용하여 상기 모터의 회전력 발생 동작을 제어하는 제어부;
   상기 스프링의 변위를 일정 비율로 변환하여 상기 변위 측정 센서로 전달하는 기어 모듈;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 유연 관절 모듈.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 기어 모듈은,
   상기 스프링과 연결된 기어 및 상기 변위 측정 센서와 연결된 기어를 포함하는 스퍼 기어(spur gear)의 기어비를 이용해 변위를 일정 비율로 변환하는 것을 특징으로 하는 유연 관절 모듈.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 변위 측정 센서를 이용해 감지한 상기 스프링의 변위를 상기 기어 모듈의 기어비에 따라 역산하여 상기 스프링의 변형을 판단하는 것을 특징으로 하는 유연 관절 모듈.
5. 회전력을 발생시키는 모터;
   상기 모터의 출력축 부분에 설치되어 회전량을 감지하는 상대 위치 센서;
   상기 모터의 회전력을 감속하는 감속기;
   상기 감속기 출력축의 회전에 따라 관절 운동하는 링크;
   상기 감속기의 출력축 및 상기 링크 사이에 결합되어 회전 강성을 완화시키는 스프링;
   상기 스프링의 변형에 따른 변위를 측정하는 변위 측정 센서;
   상기 링크의 회전량을 감지하는 절대 위치 센서;
   상기 상대 위치 센서, 상기 변위 측정 센서 및 상기 절대 위치 센서의 감지값을 이용하여 상기 모터의 회전력 발생 동작을 제어하는 제어부;
   상기 스프링의 변위를 일정 비율로 변환하여 상기 변위 측정 센서로 전달하는 기어 모듈;
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 유연 관절 모듈.
6. 삭제
7. 제5항에 있어서,
   상기 기어 모듈은,
   상기 스프링과 연결된 기어 및 상기 변위 측정 센서와 연결된 기어를 포함하는 스퍼 기어(spur gear)의 기어비를 이용해 변위를 일정 비율로 변환하는 것을 특징으로 하는 유연 관절 모듈.
8. 제7항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 변위 측정 센서를 이용해 감지한 상기 스프링의 변위를 상기 기어 모듈의 기어비에 따라 역산하여 상기 스프링의 변형을 판단하는 것을 특징으로 하는 유연 관절 모듈.

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