KR102166829B1 - 적층형 구동모듈 - Google Patents

Abstract

중앙에 중공이 형성된 하우징과, 하우징 내부에 장착된 로터, 스테이터, 감속기로 구성되고, 감속기 출력측에 샤프트가 결합된 구동유닛이 복수개 적층되어 조립됨으로써 구성되는 적층형 구동모듈이며, 각 구동유닛의 샤프트는 서로 삽입되어 중첩되는 구조로서 동축을 이루고, 각 하우징의 중공을 관통하여 외부로 노출되며, 구동유닛 하우징의 전단부는 인접하여 중첩되는 구동유닛 하우징의 후단부와 끼움방식으로 체결되는 적층형 구동모듈이 소개된다.

Description

적층형 구동모듈 {MULTI LAYERED DRIVE MODULE}

본 발명은 로봇 등의 관절부의 다자유도 구현을 위한 구동모듈로서 적층형으로 복수의 모터와 샤프트를 동심으로 조립함으로써 크기가 컴팩트하고 유지보수가 용이하며 내구성이 향상된 적층형 구동모듈에 관한 것이다.

휴머노이드 로봇이나 관절의 자유도가 크게 필요한 로봇을 구현하기 위해서는 인체의 각 관절을 로봇이 최대한 자연스럽게 구현할 수 있도록 각 관절과 그 구동부의 설계가 매우 중요하다.

그러나 인체의 경우 관절에서의 회전 중심이 외부에 있는 것이 아니라 관절의 내부에 있기 때문에 기구적으로 관절이 회전 중심을 구현하는 것이 매우 어렵다.

이러한 문제에도 불구하고, 종래에는 관절의 다자유도의 움직임을 구현하기 위해 X,Y,Z축의 회전을 담당하는 각각의 모터를 X,Y,Z축으로 배치함으로써 3자유도 정도의 관절 움직임을 모사할 수 있게 되었다. 그러나 이러한 경우에도 관절의 회전 중심을 내부에서 일치시키지 못하였기 때문에 자연스러운 움직임의 구현이 불가능하였고, 특히 각 관절마다 이러한 3개의 모터들을 모두 배치함으로써 전체적으로 중량이 무겁고 말단부의 하중이 커서 로봇의 반응속도가 느리고 제어의 정확도가 떨어지는 문제가 있었다.

따라서, 다자유도의 관절 구현을 위해 관절의 회전 중심을 내부에 한 지점으로 집중하고, 이를 위해 각 자유도를 구현하기 위한 구동모터들의 샤프트가 중공타입으로 동축을 유지할 필요가 있다.

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 10-1336802 B1

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 로봇 등의 관절부의 다자유도 구현을 위한 구동모듈로서 적층형으로 복수의 모터와 샤프트를 동심으로 조립함으로써 크기가 컴팩트하고 유지보수가 용이하며 내구성이 향상된 적층형 구동모듈을 제공하고자 함이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 적층형 구동모듈은, 중앙에 중공이 형성된 하우징과, 하우징 내부에 장착된 로터, 스테이터, 감속기로 구성되고, 감속기 출력측에 샤프트가 결합된 구동유닛이 복수개 적층되어 조립됨으로써 구성되는 적층형 구동모듈이며, 각 구동유닛의 샤프트는 서로 삽입되어 중첩되는 구조로서 동축을 이루고, 각 하우징의 중공을 관통하여 외부로 노출되며, 구동유닛 하우징의 전단부는 인접하여 중첩되는 구동유닛 하우징의 후단부와 끼움방식으로 체결될 수 있다.

하우징의 전단부에는 복수의 걸림 플랜지가 이격되어 형성되며, 하우징의 후단부에는 걸림 플랜지가 삽입되어 걸리는 복수의 걸림홈이 이격되어 형성됨으로써 하우징의 전단부가 인접하는 하우징의 후단부에 접촉된 후 회전됨으로써 하우징들이 상호 체결될 수 있다.

걸림 플랜지는 일측단이 사선 형상으로 커팅됨으로써 하우징의 회전시 걸림 플랜지의 일측단이 커팅면을 따라 걸림홈의 내부로 안내될 수 있다.

구동유닛은 하우징의 내부에 배치된 스테이터, 스테이터의 내부에서 회전되는 로터 및 로터의 후단부에 연결된 감속기로 구성될 수 있다.

구동유닛에는 하우징, 로터 및 감속기를 관통하는 중공이 형성되어 인접하는 구동유닛의 샤프트가 중공을 통해 관통할 수 있다.

복수의 구동유닛의 샤프트들은 서로 중첩하여 삽입되는 형상으로 결합되며, 최후방 구동유닛의 샤프트 직경이 가장 작고, 최전방 구동유닛의 샤프트 직경이 가장 클 수 있다.

복수의 구동유닛의 샤프트들은 순차적으로 삽입되는 방식으로 결합되며, 최후방 구동유닛의 샤프트가 가장 내측에 위치되도록 삽입될 수 있다.

복수의 구동유닛의 샤프트들은 최전방에 위치된 구동유닛의 전방으로 돌출되어 노출될 수 있다.

감속기는 하모닉드라이브이며, 하모닉드라이브의 서큘러스플라인이 구동유닛의 전방으로 노출되고, 샤프트는 후단부에 플랜지가 형성되며, 샤프트의 플랜지가 서큘러스플라인의 전면부와 면착되어 체결될 수 있다.

복수의 구동유닛은 적층되어 조립된 상태에서 측방으로 베이스에 안착되어 지지되며, 베이스와 각각의 구동유닛 하우징이 체결되어 구동유닛이 조립된 상태에서 분리되는 것이 방지될 수 있다.

구동유닛의 하우징 일측면에는 체결홈이 형성되고, 베이스에는 각각의 구동유닛의 체결홈에 대응되는 위치에 체결홀이 형성되며, 체결홀에 체결키가 삽입되며 체결키는 하우징의 체결홈에 안착된 상태에서 하우징과 결합될 수 있다.

베이스에는 각각의 구동유닛에 대응되는 위치에 관통홀이 형성되고, 관통홀을 통해 각 구동유닛의 와이어링이 관통하여 외부로 연장될 수 있다.

베이스의 최전단에는 최전방 구동유닛의 전면부와 결합되는 마감패널이 마련되고, 마감패널의 중앙에는 샤프트가 관통하는 관통중공이 형성되며, 관통중공의 내주면에는 샤프트와 접촉하는 베어링이 마련될 수 있다.

본 발명의 적층형 구동모듈에 따르면, 로봇 등의 관절부의 다자유도 구현을 위한 구동모듈로서 적층형으로 복수의 모터와 샤프트를 동심으로 조립함으로써 크기가 컴팩트하고 유지보수가 용이하며 내구성이 향상된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 구동모듈의 정면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 구동모듈의 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 구동모듈의 상세도.
도 4 내지 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 구동모듈의 조립을 설명하는 도면.
도 7 내지 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 구동모듈이 베이스에 장착되는 과정을 설명하는 도면.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 구동모듈의 정면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 구동모듈의 단면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 구동모듈의 상세도이고, 도 4 내지 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 구동모듈의 조립을 설명하는 도면이며, 도 7 내지 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 구동모듈이 베이스에 장착되는 과정을 설명하는 도면이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 구동모듈의 정면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 구동모듈의 단면도이다.

본 발명에 따른 적층형 구동모듈은, 중앙에 중공(140)이 형성된 하우징(100)과, 하우징(100) 내부에 장착된 로터(300), 스테이터(200), 감속기(400)로 구성되고, 감속기 출력측에 샤프트(500)가 결합된 구동유닛(1000)이 복수개 적층되어 조립됨으로써 구성되는 적층형 구동모듈이며, 각 구동유닛(1000)의 샤프트(500)는 서로 삽입되어 중첩되는 구조로서 동축을 이루고, 각 하우징(100)의 중공(140)을 관통하여 외부로 노출되며, 구동유닛(1000) 하우징(100)의 전단부는 인접하여 중첩되는 구동유닛 하우징의 후단부와 끼움방식으로 체결될 수 있다.

본 발명의 구동모듈의 경우 복수의 구동유닛(1000)이 중첩되어 배치되고, 각 구동유닛의 샤프트(500)는 중공 타입으로 삽입되어 연장되기 때문에 도 2와 같이 최종단에서는 복수의 샤프트가 모두 외부로 노출되고 특히, 각각의 샤프트는 동축을 이루고 있다는 것이 특징이다.

그리고 이러한 동축을 이룬 샤프트(500)에는 도시되지 않았지만 각각 링크가 연결되고 링크의 움직임에 의해 다자유도 관절의 구현이 가능한 것이다.

한편, 이와 같은 구성을 취하기 위해 각각의 구동유닛(1000)은 동축이 유지된 상태로 결합이 되어야 하고, 특히 로봇의 자유도가 필요한 개수에 따라 구동유닛(1000)의 필요 개수도 정해지기 때문에 상호 쉽게 탈부착이 가능한 형태로 설계함으로써 하나의 구동유닛에 관한 설계와 제작만으로도 쉽게 필요한 자유도를 구비한 로봇의 구동모듈을 제작할 수 있는 장점이 있다.

이를 위해 구동유닛(1000)은 중앙에 중공(140)이 형성된 하우징(100)과, 하우징(100) 내부에 장착된 로터(300), 스테이터(200), 감속기(400)로 구성된다. 로터(300), 스테이터(200) 및 감속기(400)는 하우징(100)의 내부에 장착되고, 감속기(400)의 출력측에 샤프트(500)가 결합된다.

그리고 이러한 구동유닛(1000)이 복수개 적층되어 조립됨으로써 구성되는 적층형 구동모듈인 것이다. 또한 각 구동유닛(1000)의 샤프트(500)는 서로 삽입되어 중첩되는 구조로서 동축을 이루고, 각 하우징(100)의 중공(140)을 관통하여 외부로 노출되며, 구동유닛 하우징(100)의 전단부는 인접하여 중첩되는 구동유닛 하우징의 후단부와 끼움방식으로 체결될 수 있다.

구체적으로, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 구동모듈의 상세도로서, 하우징(100)의 내부에는 외측으로 스테이터(200)가 배치되고 스테이터(200)의 내측에 로터(300)가 배치된다. 그리고 로터(300)의 전방으로 감속기(400)가 배치되는데, 감속기(400)는 하모닉 드라이브로서 로터(300)의 구동을 전달받는 플렉스스플라인(420), 이를 감속하는 웨이브제너레이터(440), 출력을 구현하는 서큘러스플라인(460)으로 구성된다.

즉, 감속기는 하모닉드라이브이며, 하모닉드라이브의 서큘러스플라인(460)이 구동유닛(1000)의 전방으로 노출되고, 샤프트(500)는 후단부에 플랜지가 형성되며, 샤프트의 플랜지가 서큘러스플라인(460)의 전면부와 면착되어 체결될 수 있다. 이러한 체결을 통해 샤프트는 최대한의 토크를 전달받아 회전이 가능한 것이다.

그리고 구동유닛은 상호 간에 하우징의 결합을 통해 체결된다. 도 4 내지 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 구동모듈의 조립을 설명하는 도면이다.

도시된 것과 같이 하우징(100)의 전단부에는 복수의 걸림 플랜지(160)가 이격되어 형성되며, 하우징(100)의 후단부에는 걸림 플랜지(160)가 삽입되어 걸리는 복수의 걸림홈(180)이 이격되어 형성됨으로써 하우징(100)의 전단부가 인접하는 하우징의 후단부에 접촉된 후 회전됨으로써 하우징들이 상호 체결될 수 있다.

하우징(100)의 전단에 형성된 걸림 플랜지(160)의 경우에는 외측으로 돌출된 형상이며, 하우징(100)의 후단에 형성된 걸림홈(180)은 수직으로 연장된 후 다시 내측으로 꺾인 다리 형상이고, 이러한 걸림홈(180)에 걸림 플랜지(160)가 슬라이딩되며 삽입되어 걸림으로써 구동유닛은 상호간에 축방향으로의 이탈이 방지되고 밀착되는 것이다. 따라서 이 경우 조립과 해체가 매우 편리하고, 조립시 발생되는 공차를 줄일 수 있다.

그리고 이러한 구조의 경우에는 회전을 방지할 경우 하우징이 서로 축 방향으로 절대 이탈되지 않기 때문에 조립 내구성도 높다.

한편, 도 6과 같이 걸림 플랜지(160)는 일측단이 사선 형상으로 커팅(162)됨으로써 하우징(100)의 회전시 걸림 플랜지(160)의 일측단이 커팅면(162)을 따라 걸림홈(180)의 내부로 안내될 수 있다. 그에 따라 반대방향으로의 회전시에는 하우징(100)간의 결합이 어렵지만, 커팅된 지점으로의 회전시에는 자연스럽게 가이드되어 체결됨으로써 체결 방향의 규제도 가능한 것이다.

또한, 구동유닛(1000)은 하우징(100)의 내부에 배치된 스테이터(200), 스테이터(200)의 내부에서 회전되는 로터(300) 및 로터(300)의 후단부에 연결된 감속기(400)로 구성될 수 있다.

그리고 구동유닛(1000)에는 하우징(100), 로터(300) 및 감속기(400)를 관통하는 중공(140)이 형성되어 인접하는 구동유닛(1000)의 샤프트(500)가 중공을 통해 관통할 수 있다.

이를 통해 복수의 구동유닛(1000)의 샤프트(500)들은 서로 중첩하여 삽입되는 형상으로 결합되며, 최후방 구동유닛(A)의 샤프트 직경이 가장 작고, 최전방 구동유닛(D)의 샤프트 직경이 가장 클 수 있다.

즉, 도 2와 같이 각 구동유닛의 샤프트(500)는 동축을 유지하며 전방으로 연장되는바, 이를 구현하기 위해 각 샤프트(500)를 중공 타입으로 설계하고, 최후방 구동유닛(A)의 샤프트 직경이 가장 작기 때문에 가장 내측에 삽입되고, 최전방 구동유닛(D)의 샤프트 직경이 가장 크기 때문에 최 외곽에 위치되도록 하는 것이다. 그리고 이러한 구조를 통해 최후방의 구동유닛(A)부터 조립이 시작되어 구동유닛의 적층과 동시에 샤프트의 삽입이 가능하고, 순차적인 적층과 샤프트 끼움으로 구동모듈이 완성되는 것이다.

만약 하나의 구동모듈이 덜 필요할 경우에는 최전방 혹은 최후방의 구동유닛이 생략될 수도 있다.

따라서 복수의 구동유닛의 샤프트(500)들은 순차적으로 삽입되는 방식으로 결합되며, 최후방 구동유닛(A)의 샤프트가 가장 내측에 위치되도록 삽입될 수 있고, 결국 복수의 구동유닛의 샤프트(500)들은 최전방에 위치된 구동유닛의 전방으로 돌출되어 노출될 수 있다.

한편, 도 7 내지 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 적층형 구동모듈이 베이스에 장착되는 과정을 설명하는 도면으로서, 복수의 구동유닛은 적층되어 조립된 상태에서 측방으로 베이스(700)에 안착되어 지지되며, 베이스(700)와 각각의 구동유닛 하우징(100)이 체결되어 구동유닛이 조립된 상태에서 분리되는 것이 방지될 수 있다.

그리고 구동유닛의 하우징(100) 일측면에는 체결홈(120)이 형성되고, 베이스(700)에는 각각의 구동유닛의 체결홈(120)에 대응되는 위치에 체결홀(740)이 형성되며, 체결홀(740)에 체결키(K)가 삽입되며 체결키(K)는 하우징의 체결홈(120)에 안착된 상태에서 하우징(100)과 결합될 수 있다.

체결키(K)의 경우에는 베이스(700)의 체결홀(740)과 하우징(100)의 체결홈(120)이 정렬된 경우 삽입되어 볼팅(T) 등으로 고정될 수 있는바, 이러한 구성을 통해 각각의 구동유닛의 정렬과 올바른 설치 위치가 규제될 수 있는 것이고, 체결키(K)가 조립된 후에는 체결키(K)로 인하여 구동유닛(1000)의 회전이 방지되고, 이를 통해 구동유닛(1000)의 축방향 결합이 유지될 수 있는 것이다.

또한, 향후 유지보수 내지 변경시에는 체결키의 분리를 통해 쉽게 구동유닛의 착탈이 가능한 장점이 있다.

또한, 베이스(700)에는 각각의 구동유닛에 대응되는 위치에 관통홀(740)이 형성되고, 관통홀(740)을 통해 각 구동유닛의 와이어링(W)이 관통하여 외부로 연장될 수 있다. 이를 통해 와이어링(W)이 안정적으로 외부로 노출되며 하우징(100)과의 연결부에서 베이스(700)를 통해 보호받아 단선 등이 방지될 수 있다.

한편, 베이스(700)의 최전단에는 최전방 구동유닛의 전면부와 결합되는 마감패널(720)이 마련되고, 마감패널(720)의 중앙에는 샤프트가 관통하는 관통중공이 형성되며, 관통중공의 내주면에는 샤프트와 접촉하는 베어링(722)이 마련될 수 있다.

이러한 베어링(722)은 최전방에 위치된 구동유닛(D)의 샤프트(도면 미도시)를 지지함으로써 최종적으로 전체 샤프트가 흔들리지 않고 일정한 회전축을 그대로 유지할 수 있도록 한다.

본 발명의 적층형 구동모듈에 따르면, 로봇 등의 관절부의 다자유도 구현을 위한 구동모듈로서 적층형으로 복수의 모터와 샤프트를 동심으로 조립함으로써 크기가 컴팩트하고 유지보수가 용이하며 내구성이 향상된다.

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.

1000 : 구동유닛 100 : 하우징
500 : 샤프트

Claims (13)

1. 중앙에 중공이 형성된 하우징과, 하우징 내부에 장착된 로터, 스테이터, 감속기로 구성되고, 감속기 출력측에 샤프트가 결합된 구동유닛이 복수개 적층되어 조립됨으로써 구성되는 적층형 구동모듈이며,
   각 구동유닛의 샤프트는 서로 삽입되어 중첩되는 구조로서 동축을 이루고, 각 하우징의 중공을 관통하여 외부로 노출되며,
   구동유닛 하우징의 전단부는 인접하여 중첩되는 구동유닛 하우징의 후단부와 끼움방식으로 체결되고,
   복수의 구동유닛은 적층되어 조립된 상태에서 측방으로 베이스에 안착되어 지지되며, 베이스와 각각의 구동유닛 하우징이 체결되어 구동유닛이 조립된 상태에서 분리되는 것이 방지된 것을 특징으로 하는 적층형 구동모듈.
2. 청구항 1에 있어서,
   하우징의 전단부에는 복수의 걸림 플랜지가 이격되어 형성되며, 하우징의 후단부에는 걸림 플랜지가 삽입되어 걸리는 복수의 걸림홈이 이격되어 형성됨으로써 하우징의 전단부가 인접하는 하우징의 후단부에 접촉된 후 회전됨으로써 하우징들이 상호 체결된 것을 특징으로 하는 적층형 구동모듈.
3. 청구항 2에 있어서,
   걸림 플랜지는 일측단이 사선 형상으로 커팅됨으로써 하우징의 회전시 걸림 플랜지의 일측단이 커팅면을 따라 걸림홈의 내부로 안내되는 것을 특징으로 하는 적층형 구동모듈.
4. 청구항 1에 있어서,
   구동유닛은 하우징의 내부에 배치된 스테이터, 스테이터의 내부에서 회전되는 로터 및 로터의 후단부에 연결된 감속기로 구성된 것을 특징으로 하는 적층형 구동모듈.
5. 청구항 1에 있어서,
   구동유닛에는 하우징, 로터 및 감속기를 관통하는 중공이 형성되어 인접하는 구동유닛의 샤프트가 중공을 통해 관통하는 것을 특징으로 하는 적층형 구동모듈.
6. 청구항 1에 있어서,
   복수의 구동유닛의 샤프트들은 서로 중첩하여 삽입되는 형상으로 결합되며, 최후방 구동유닛의 샤프트 직경이 가장 작고, 최전방 구동유닛의 샤프트 직경이 가장 큰 것을 특징으로 하는 적층형 구동모듈.
7. 청구항 6에 있어서,
   복수의 구동유닛의 샤프트들은 순차적으로 삽입되는 방식으로 결합되며, 최후방 구동유닛의 샤프트가 가장 내측에 위치되도록 삽입된 것을 특징으로 하는 적층형 구동모듈.
8. 청구항 1에 있어서,
   복수의 구동유닛의 샤프트들은 최전방에 위치된 구동유닛의 전방으로 돌출되어 노출된 것을 특징으로 하는 적층형 구동모듈.
9. 청구항 1에 있어서,
   감속기는 하모닉드라이브이며, 하모닉드라이브의 서큘러스플라인이 구동유닛의 전방으로 노출되고, 샤프트는 후단부에 플랜지가 형성되며, 샤프트의 플랜지가 서큘러스플라인의 전면부와 면착되어 체결된 것을 특징으로 하는 적층형 구동모듈.
10. 삭제
11. 청구항 1에 있어서,
    구동유닛의 하우징 일측면에는 체결홈이 형성되고, 베이스에는 각각의 구동유닛의 체결홈에 대응되는 위치에 체결홀이 형성되며, 체결홀에 체결키가 삽입되며 체결키는 하우징의 체결홈에 안착된 상태에서 하우징과 결합된 것을 특징으로 하는 적층형 구동모듈.
12. 청구항 1에 있어서,
    베이스에는 각각의 구동유닛에 대응되는 위치에 관통홀이 형성되고, 관통홀을 통해 각 구동유닛의 와이어링이 관통하여 외부로 연장된 것을 특징으로 하는 적층형 구동모듈.
13. 청구항 1에 있어서,
    베이스의 최전단에는 최전방 구동유닛의 전면부와 결합되는 마감패널이 마련되고, 마감패널의 중앙에는 샤프트가 관통하는 관통중공이 형성되며, 관통중공의 내주면에는 샤프트와 접촉하는 베어링이 마련된 것을 특징으로 하는 적층형 구동모듈.

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