KR102322610B1

KR102322610B1 - 2단 유선기어형 감속기를 적용한 로봇 감속기 시스템

Info

Publication number: KR102322610B1
Application number: KR1020210095945A
Authority: KR
Inventors: 김몽룡
Original assignee: 김몽룡
Priority date: 2021-07-21
Filing date: 2021-07-21
Publication date: 2021-11-04

Abstract

로봇암의 제1회전링크, 로봇암의 제1회전링크의 종단에 결합되는 제1출력커버와, 제1회전링크로부터 전달되는 회전력에 의해 회전구동하는 제1선기어와, 제1선기어와 내접하여 치합하는 제1유성기어와, 제1유성기어를 수용하는 제1캐리어와, 제1캐리어 외측으로 노출된 제1유성기어의 일측과 치합하는 제1링기어로 구성되는 제1단 유성기어모듈, 및 제1유성기어의 타측과 치합하도록 내주면에 제1기어가 형성되고, 외주면에 제2기어가 형성된 연동링기어와, 연동링기어와 내접하여 치합하는 제2유성기어와, 제2유성기어를 수용하는 제2캐리어와, 제2캐리어 외측으로 노출된 제2유성기어의 일측과 치합하는 제2링기어와, 제2링기어에 결합되는 제2출력커버로 구성되는 제2단 유성기어모듈로 이루어지는 로봇관절 및 제2출력커버에 결합되는 로봇암의 제2회전링크를 포함하여, 제2출력커버의 중심축을 기준으로 제2출력커버를 회전시켜, 제1회전링크와 제2회전링크 사이에 관절을 형성하도록 한다.

Description

2단 유선기어형 감속기를 적용한 로봇 감속기 시스템{ROBOT APPLIED REDUCER FOR ROBOT JOINT}

본 발명은 로봇관절에 감속기를 적용한 로봇에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 2단유성기어모듈에 의해 견고한 구조로 형성되고, 높은 감속비로 안정적인 고토크를 제공하며, 2단 유성기어모듈에 의해 소형화 및 경량화가 가능한 로봇관절에 2단 유선기어형 감속기를 적용한 로봇 감속기 시스템에 관한 것이다.

로봇의 조인트는 적재하중, 도달범위, 정밀성/타당성, 재연성능/변이성능 등의 특성이 충족되어야 한다. 여기서 적재하중은 운송이 가능한 무게를 말하고, 도달범위는 작업영역 안에서 움직을 수 있는 최대거리, 정밀성/타당성은 규정된 지점으로 얼마나 정확하게 닿을 수 있는 지에 대한 정의, 재연성능/변이성능은 운동이 반복되는 경우, 얼마나 정확하게 똑같은 위치에 도달할 수 있을지에 따라 좌우되는 성질을 말한다.

일반적으로 로봇팔은 회전축의 결합으로 6개의 독립된 운동자유도를 갖는다. 동작이 단순하면 일부 로봇 조인트를 제거하여 3축이나 5축으로 구성된 로봇팔을 사용할 수도 있고, 필요에 따라 회전축을 추가해서 7자유도의 로봇팔을 만들 수 있다.

따라서 로봇의 조인트는 이와 같이 회전축의 결합에 의해 복수개의 축으로 구성된 자유도가 상기 특성과 충족되도록 실현이 가능해야 한다.

이러한 로봇용 조인트는 도 1을 참조하여, 감속기(111)와 커버(112)를 구비한 베이스 조인트(110)와 일단에 결합을 위한 플랜지(121)를 갖는 구동 조인트(120)로 이루어진다. 그리고 상기 베이스 조인트(110)는 내부에 부품(미도시)을 조립한 후 구동조인트(120)와 체결된다.

즉, 상기 베이스 조인트(110)의 내부에 감속기(111)를 조립하고 감속기(111)의 외측에 커버(112)가 조립된다. 이때, 상기 감속기(111)의 출력축(미도시)은 커버(112)의 중앙에 위치하도록 조립되고, 상기 커버의 가장자리부분은 볼트와 같은 체결구(도면부호 미도시)에 의해 구동 조인트(120)의 플랜지(121)와 체결된다.

이와 같은 구성의 로봇용 조인트(100)는 베이스 조인트(110)와 커버(112)가 구동 조인트(120)의 플랜지(121)와 동일한 직경으로 설계 및 제작되기 때문에 내부 부품에 비해 큰 직경을 형성하고 있어 불필요한 공간이 차지되는 문제점이 있다.

또한, 감속기(111)와 구동조인트(120)가 분리된 구성요소로 결합되어 입력에 대한 출력 효율이 상쇄될 수 있는 문제점이 있다.

한국 공개특허공보 제10-2020-0000087호 (로봇용 조인트, 2020년 01월 02일)

본 발명의 제1 목적은, 필수 공간만을 사용하여 소형화 및 경량화가 가능한 로봇관절에 감속기를 적용한 로봇을 제공하는 데 있다.

본 발명의 제2 목적은, 백래쉬를 최소화하고, 안정적으로 높은 토크를 출력할 수 있는 로봇관절에 2단 유선기어형 감속기를 적용한 로봇 감속기 시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명의 제3 목적은, 다축 자유도의 미세한 구현이 가능한 로봇관절에 2단 유선기어형 감속기를 적용한 로봇 감속기 시스템을 제공하는 데 있다.

전술한 목적을 달성하고자, 본 발명은, 로봇암의 제1회전링크, 상기 로봇암의 제1회전링크의 종단에 결합되는 제1출력커버와, 상기 제1회전링크로부터 전달되는 회전력에 의해 회전구동하는 제1선기어와, 상기 제1선기어와 내접하여 치합하는 제1유성기어와, 상기 제1유성기어를 수용하는 제1캐리어와, 상기 제1캐리어 외측으로 노출된 상기 제1유성기어의 일측과 치합하는 제1링기어로 구성되는 제1단 유성기어모듈, 및 상기 제1유성기어의 타측과 치합하도록 내주면에 제1기어가 형성되고, 외주면에 제2기어가 형성된 연동링기어와, 상기 연동링기어와 내접하여 치합하는 제2유성기어와, 상기 제2유성기어를 수용하는 제2캐리어와, 상기 제2캐리어 외측으로 노출된 상기 제2유성기어의 일측과 치합하는 제2링기어와, 상기 제2링기어에 결합되는 제2출력커버로 구성되는 제2단 유성기어모듈로 이루어지는, 로봇관절 및 상기 제2출력커버에 결합되는 로봇암의 제2회전링크를 포함하여, 상기 제2출력커버의 중심축을 기준으로 상기 제2출력커버를 회전시켜, 상기 제1회전링크와 상기 제2회전링크 사이에 관절을 형성하도록 한다.

또한, 상기 제1링기어는 상기 제1출력커버에 일측이 삽입 고정되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 연동링기어는, 상기 제1링기어의 타측이 삽입되어 상기 제1기어와 대향하도록 기어홀이 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1선기어는, 중공의 축으로 일측은 키홈이 형성된 링크부가 형성되고 타측은 선기어부가 형성되어, 상기 링크부가 상기 제1링기어의 일측의 중심을 회전 가능하도록 베어링 결합되고, 상기 제1회전링크의 구동축과 키 결합되어 회전력을 전달받아 선기어부와 치합하는 제1유성기어에 입력하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1유성기어는 3개 한 세트로 구성되고, 상기 제2유성기어는 10개 한 세트로 각각 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 로봇관절은, 베이스바디와 로어 프레임 사이, 로어 프레임과 어퍼 프레임 사이, 어퍼 프레임과 암 사이, 암과 리스트 바디 사이, 또는 리스트 바디와 리스트 홀더 사이의 각 회전링크에 적용되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1선기어의 치수는 15개이고 상기 제1유성기어의 치수는 15개이며 상기 제1링기어 치수는 45개로, 상기 제1단 유성기어모듈은 ( 1/4 )의 감속비를 제공하고, 상기 연동링기어의 제1기어의 치수는 42개, 제2기어의 치수는 60개이고, 제2유성기어의 치수는 15개이고, 제2링기어의 치수는 90개로, 상기 제2단 유성기어모듈은 ( 1/72.5 )의 감속비를 제공하여, ( 1/290 )의 최종 감속비를 제공한다.

전술한 바와 같은 로봇관절에 감속기를 적용한 로봇의 구조에 의해, 제1단 유성기어모듈과 제2단 유성기어모듈이 병렬구조로 치합되어 있고, 제2링기어가 커버의 역할을 동시에 하도록 구성된 감속기 자체가 로봇관절을 형성함으로써, 필수 공간만 차지하도록 슬림화, 소형화 및 경량화가 가능하다.

또한, 최소한의 공간으로 슬림화, 소형화 및 경량화가 가능함에 따라, 로봇관절에 적용이 가능하고, 제1출력커버 및 제2출력커버와 각각 결합되는 제1회전링크 및 제2회전링크의 이격 거리가 짧아져 출력효율이 상쇄되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 제1단 유성기어모듈 및 제2단 유성기어모듈이 기어의 상호 치합 구조로 높은 토크를 안정적이고 일정하게 제공하고, 백래쉬를 최소화할 수 있다.

더 나아가, 로봇관절의 동작 후, 전자브레이크 또는 별도의 전력공급없이, 역전방지기능을 구현하여서 안전성을 확보할 수 있다.

도 1은 종래의 로봇 관절을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 관절에 감속기를 적용한 로봇의 로봇관절 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 로봇관절의 전단면도이다.
도 4는 도 2 내지 도 3에 도시된 로봇관절의 분해사시도이다.
도 5는 도 3 내지 도 4에 도시된 제1단 유성기어모듈의 분해사시도이다.
도 6은 도 3 내지 도 5에 도시된 제2단 유성기어모듈의 분해사시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 관절에 감속기를 적용한 로봇의 실시예이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른, 로봇관절(100)에 감속기를 적용한 로봇(10)의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본문에서 '일측'은 제1출력커버(111)측 방향, '타측'은 '제2출력커버(127)'측 방향을 말한다.

도 2는 본 발명에 따른 로봇관절(100)에 감속기를 적용한 로봇(10)의 로봇관절(100) 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 로봇관절(100)의 전단면도이며, 도 4는 도 2 내지 도 3에 도시된 로봇관절(100)의 분해사시도이다.

도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 로봇관절(100)에 감속기를 적용한 로봇(10)의 구조는, 전체적으로, 로봇암(도면 도시, 도면 부호 미도시)의 제1회전링크(도면 미도시), 제1회전링크에 일측이 결합된 로봇관절(100) 및 로봇관절(100)의 타측에 결합되는 로봇암의 제2회전링크(도면 미도시)로 구성된 것을 요지로 한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 로봇관절(100)은 제1단 유성기어모듈(110), 제2단 유성기어모듈(120)를 포함한다.

제1단 유성기어모듈(110)은 로봇암의 제1회전링크의 종단에 결합되는 제1출력커버(111)와, 제1회전링크로부터 전달되는 회전력에 의해 회전구동하는 제1선기어(113)와, 제1선기어(113)와 내접하여 치합하는 제1유성기어(115)와, 제1유성기어(115)를 수용하는 제1캐리어(117)와, 제1캐리어(117) 외측으로 노출된 상기 제1유성기어(115)의 일측과 치합하는 제1링기어(119)로 구성된다.

제2단 유성기어모듈(120)은 제1유성기어(115)의 타측과 치합하도록 내주면에 제1기어(1211)가 형성되고, 외주면에 제2기어(1213)가 형성된 연동링기어(121)와, 연동링기어(121)와 내접하여 치합하는 제2유성기어(123)와, 제2유성기어(123)를 수용하는 제2캐리어(124)와, 제2캐리어(124) 외측으로 노출된 제2유성기어(123)의 일측과 치합하는 제2링기어(125)와, 제2링기어(125)에 결합되는 제2출력커버(127)로 구성된다.

도 5는 도 3 내지 도 4에 도시된 제1단 유성기어모듈(110)의 분해사시도이고, 도 6은 도 3 내지 도 5에 도시된 제2단 유성기어모듈(120)의 분해사시도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 제1유성기어(115)는 제1선기어(113)와 내접하여 치합한다. 제1유성기어(115)는 3개가 한 세트로 제1선기어(113)를 중심축으로 자전 및 공전하도록 결합된다. 제1캐리어(117)는 제1유성기어(115)를 수용한다. 제1캐리어(117)는 서로 대칭하는 한 쌍(117a,117b)으로 형성되어 제1유성기어(115)의 양단에 결합되는데, 이때, 제1유성기어(115)가 공전 가능하도록 회전축(1151)이 제1유성기어(115)와 동심이 되도록 삽입 결합된다. 또한, 제1캐리어(117)에는 보조축이 회전축(1151)과 이웃하도록 결합되어 제1캐리어(117)의 결속력을 강화할 수 있다.

또한, 도 3을 참조하여, 제1선기어(113)는 일측과 타측이 설정 깊이 중공이 되도록 형성되고, 일측은 내주면에 키홈이 형성된 링크부(1131), 타측은 기어 이가 형성된 선기어부(1133)로 구성된다. 링크부(1131)가 제1링기어(119)의 일측에서 동심으로 회전 가능하도록 베어링(b) 결합되고, 제1회전링크의 구동축과 키로 체결되는 구조에 의해 상호 결합된다. 이렇게 입력된 회전력은 선기어부(1133)와 상호 치합되는 제1유성기어(115)로 전달된다. 링크부(1131)에는 베어링에 상응하는 영역 일부가 타공되어 윤활유 투입구(도면 도시, 도면 부호 미도시)가 형성되는 것이 바람직하다.

도 6에 도시된 바와 같이, 제1링기어(119)는 제1출력커버(111)에 일측이 삽입되어 고정된다. 연동링기어(121)는 일측에 제1링기어(119)의 타측이 삽입되도록, 제1기어(1211)와 대향하는 기어홀(1215)이 형성된다. 따라서 연동링기어(121)는 타측에 제1유성기어(115)의 타측이 내접 치합된다.

이러한 연동링기어(121)는 제1유성기어(115) 타측이 내접 치합되도록 연동링기어(121)를 관통하도록 형성된 제1기어(1211)와, 외주면에 제2기어(1213)가 형성된다. 제2캐리어(124)는 제2유성기어(123)를 수용한다. 제2유성기어(123)는 10개가 한 세트로 연동링기어(121)의 제2기어(1213)를 중심축으로 자전 및 공전하도록 결합된다.

제2캐리어(124)는 서로 대칭하는 한 쌍(124a,124b)으로 형성되어 제2유성기어(123)의 양단에 결합되는데, 이때, 제2유성기어(123)가 공전 가능하도록 회전축(1231)이 제2유성기어(123)와 동심이 되도록 삽입 결합된다. 특히 각 회전축(1233)은 부싱(도면 미도시)과 함께 끼움 결합되어 진동을 감소시키도록 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 제2캐리어(124)에는 보조축(1233)이 회전축(1231)과 이웃하도록 결합되어 제2캐리어(124)의 결속력을 강화할 수 있다.

특히, 제1선기어(113)의 치수는 15개이고, 제1유성기어(115)의 치수는 각 15개이며, 제1링기어(119)의 치수는 45개로, 제1단 유성기어모듈(110)은 ( 1/4 )의 감속비를 제공한다. 또한, 연동링기어(121)의 제1기어(1211) 치수는 42개이고, 제2기어(1213)의 치수는 60개이고, 제2유성기어(123)의 치수는 15개이며, 제2링기어(125)의 치수는 90개로, 제2단 유성기어모듈(120)은 ( 1/72.5 )의 감속비를 제공한다. 이에 따라, 본 발명에 따른 로봇관절(100)은 제1단 유성기어모듈(110) 및 제2단 유성기어모듈(120)에 의해 ( 1/290 )의 최종 감속비를 제공할 수 있다. 이와 같은 구성은 치합 강도를 높임으로써 안정적인 회전력의 출력이 가능하도록 한다.

도 7은 본 발명에 따른 로봇관절(100)에 감속기를 적용한 로봇(10)의 실시예이다.

본문에서는 로봇암에 적용된 로봇관절(100)로 서술을 하였으나, 도 7에 도시된 바와 같이, 전술한 로봇관절(100)은, 베이스 바디[BASE BODY]와 로어 프레임[LOWER FRAME] 사이, 로어 프레임과 어퍼 프레임[UPPER FRAME] 사이, 어퍼 프레임과 암[ARM]사이, 암과 리스트 바디[WRIST BODY] 사이, 또는 리스트 바디와 리스트 홀더[WRIST HOLDER] 사이의 각 회전링크(미도시)에 동일한 방식으로 적용 가능하다.

전술한 바와 같은 로봇관절에 감속기를 적용한 로봇(10)의 구조에 의해, 제1단 유성기어모듈(110)과 제2단 유성기어모듈(120)이 병렬구조로 치합되어 있고, 제2링기어(125)가 커버의 역할을 동시에 하도록 구성된 감속기 자체가 로봇관절(100)을 형성함으로써, 필수 공간만 차지하는 소형화 및 경량화가 가능하다.

또한, 최소한의 공간으로 로봇관절(100)의 소형화 및 경량화가 가능함에 따라, 제1출력커버(111) 및 제2출력커버(127)와 각각 결합되는 제1회전링크 및 제2회전링크의 이격 거리가 짧아져 출력효율이 상쇄되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 제1단 유성기어모듈(110) 및 제2단 유성기어모듈(120)이 기어의 상호 치합 구조로 높은 토크를 안정적이고 일정하게 제공하고, 백래쉬를 최소화할 수 있다.

따라서, 무거운 하중을 운반함과 동시에 미세하고 정밀한 위치조정이 가능함으로써 전술한 로봇관절(100)의 특성에 충족되어, 공작기계, 반도체, 의료 수술용 로봇의 로봇관절(100)로 탁월한 이점이 있다.

이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 전술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

10: 로봇관절에 감속기를 적용한 로봇 100: 로봇관절
110: 제1단 유성기어모듈 111: 제1출력커버
113: 제1선기어 115: 제1유성기어
117: 제1캐리어 119: 제1링기어
120: 제2단 유성기어모듈 121: 연동링기어
123: 제2유성기어 124: 제2캐리어
125: 제2링기어 127: 제2출력커버
1131: 링크부 1133: 선기어부
1211: 제1기어 1213: 제2기어

Claims

로봇암의 제1회전링크;
상기 로봇암의 제1회전링크의 종단에 결합되는 제1출력커버와, 상기 제1회전링크로부터 전달되는 회전력에 의해 회전구동하는 제1선기어와, 상기 제1선기어와 내접하여 치합하는 제1유성기어와, 상기 제1유성기어를 수용하는 제1캐리어와, 상기 제1캐리어 외측으로 노출된 상기 제1유성기어의 일측과 치합하는 제1링기어로 구성되는 제1단 유성기어모듈, 및 상기 제1유성기어의 타측과 치합하도록 내주면에 제1기어가 형성되고, 외주면에 제2기어가 형성된 연동링기어와, 상기 연동링기어와 내접하여 치합하는 제2유성기어와, 상기 제2유성기어를 수용하는 제2캐리어와, 상기 제2캐리어 외측으로 노출된 상기 제2유성기어의 일측과 치합하는 제2링기어와, 상기 제2링기어에 결합되는 제2출력커버로 구성되는 제2단 유성기어모듈로 이루어지는, 로봇관절; 및
상기 제2출력커버에 결합되는 로봇암의 제2회전링크;를 포함하여,
상기 제2출력커버의 중심축을 기준으로 상기 제2출력커버를 회전시켜, 상기 제1회전링크와 상기 제2회전링크 사이에 관절을 형성하도록 하는, 2단 유선기어형 감속기를 적용한 로봇 감속기 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 제1링기어는 상기 제1출력커버에 일측이 삽입 고정되는 것을 특징으로 하는, 2단 유선기어형 감속기를 적용한 로봇 감속기 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 연동링기어는, 상기 제1링기어의 타측이 삽입되어 상기 제1기어와 대향하도록 기어홀이 형성되는 것을 특징으로 하는, 2단 유선기어형 감속기를 적용한 로봇 감속기 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1선기어는,
일측과 타측이 설정 깊이 중공이 되도록 형성되고, 일측은 내주면에 키홈이 형성된 링크부가 형성되고, 타측은 기어 이가 형성된 선기어부가 형성되어,
상기 링크부가 상기 제1링기어의 일측의 중심을 회전 가능하도록 베어링 결합되고, 상기 제1회전링크의 구동축과 키 결합되어 회전력을 전달받아 선기어부와 치합하는 제1유성기어에 입력하는 것을 특징으로 하는, 2단 유선기어형 감속기를 적용한 로봇 감속기 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1유성기어는 3개 한 세트로 구성되고, 상기 제2유성기어는 10개 한 세트로 각각 구성되는 것을 특징으로 하는, 2단 유선기어형 감속기를 적용한 로봇 감속기 시스템.
제1항에 있어서,
상기 로봇관절은, 베이스바디와 로어 프레임 사이, 로어 프레임과 어퍼 프레임 사이, 어퍼 프레임과 암 사이, 암과 리스트 바디 사이, 또는 리스트 바디와 리스트 홀더 사이의 각 회전링크에 적용되는 것을 특징으로 하는, 2단 유선기어형 감속기를 적용한 로봇 감속기 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1선기어의 치수는 15개이고 상기 제1유성기어의 치수는 15개이며 상기 제1링기어 치수는 45개로, 상기 제1단 유성기어모듈은 ( 1/4 )의 감속비를 제공하고, 상기 연동링기어의 제1기어의 치수는 42개, 제2기어의 치수는 60개이고, 제2유성기어의 치수는 15개이고, 제2링기어의 치수는 90개로, 상기 제2단 유성기어모듈은 ( 1/72.5 )의 감속비를 제공하여, ( 1/290 )의 최종 감속비를 제공하는 것을 특징으로 하는, 2단 유선기어형 감속기를 적용한 로봇 감속기 시스템.