KR102377640B1 - 3축 자유도가 집중된 멀티회전프레임을 포함하는 로봇의 목 구조체 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 3축 자유도가 집중된 멀티회전프레임을 포함하는 로봇의 목 구조체는, 상하 방향의 회전축을 중심으로 회전 구동력을 발생시키는 요우 구동모터, 상기 요우 구동모터의 회전축에 연결되어, Yaw 방향으로 회전하는 메인프레임, 상기 메인프레임에 구비되며, 전후 방향의 회전축을 중심으로 회전 구동력을 발생시키는 롤 구동모터, 상기 롤 구동모터의 회전 구동력을 상기 메인프레임의 상부로 전달하는 링크유닛, 상기 메인프레임의 상부에 구비되어, 상기 링크유닛에 의해 Roll 방향으로 회전하는 멀티회전프레임, 하부가 상기 멀티회전프레임에 Pitch 방향으로 회전 가능하게 연결되고, 상부가 로봇의 두부에 연결되는 연결유닛, 상기 연결유닛에 구비되며, 좌우 방향의 회전축을 중심으로 회전 구동력을 발생시키는 피치 구동모터 및 상기 피치 구동모터의 회전 구동력을 상기 연결유닛의 하부에 전달하는 제1벨트유닛을 포함한다.

Description

3축 자유도가 집중된 멀티회전프레임을 포함하는 로봇의 목 구조체{Robot Neck Structure Having 3-Degree Freedom Converged Multi-Revolving Frame}

본 발명은 로봇의 목 구조체에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 3축 자유도가 집중된 멀티회전프레임을 포함하여 실질적으로 한 점에서 3축의 회전이 구현되는 로봇의 목 구조체에 관한 것이다.

기존의 로봇은 단순 반복 작업을 고속으로 정밀하게 수행하는 것이 목적이었으나, 최근에는 로봇 공학이 크게 발전함에 따라 인간과 유사한 형태의 로봇을 구현하고자 하는 연구가 활발하게 진행되고 있다.

다만, 인간의 관절 구조는 자유도가 높고 매우 복잡한 메커니즘을 가지고 있기 때문에 이를 구현하는 것은 쉽지 않다.

따라서 로봇의 관절을 자유도가 높은 인간의 관절과 유사한 구조를 가지도록 구현하는 기술이 핵심적인 연구 과제로 대두되고 있으며, 실제로 그 성과가 반영된 연구 결과들도 발표되고 있다.

다만, 현재까지 연구된 로봇 관절 구조는 다자유도를 가지면서도 충분한 강도 및 강성을 가지도록 하기 위해 그 구조가 매우 복잡하다는 문제가 있으며, 구조를 단순화시킬 경우 그 성능이 저하될 수밖에 없는 문제가 있다.

특히 인체의 목 관절은 단순히 일 방향으로의 굽힘이 아니라 대단히 복합적인 움직임을 구현하도록 할 수 있으나, 이와 같은 움직임을 그대로 재현하기 위한 로봇 관절 구조는 부피가 매우 커질 수밖에 없는 문제가 있었다.

따라서 이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 방법이 요구된다.

한국등록특허 제10-1628397호

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로서, 3축 자유도를 가지도록 하여 인체의 목 움직임을 정밀하게 구현할 수 있는 동시에, 효율적인 구조를 통해 부피를 최소화할 수 있도록 하는 로봇의 목 구조체를 제공하기 위한 목적을 가진다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 3축 자유도가 집중된 멀티회전프레임을 포함하는 로봇의 목 구조체는, 상하 방향의 회전축을 중심으로 회전 구동력을 발생시키는 요우 구동모터, 상기 요우 구동모터의 회전축에 연결되어, Yaw 방향으로 회전하는 메인프레임, 상기 메인프레임에 구비되며, 전후 방향의 회전축을 중심으로 회전 구동력을 발생시키는 롤 구동모터, 상기 롤 구동모터의 회전 구동력을 상기 메인프레임의 상부로 전달하는 링크유닛, 상기 메인프레임의 상부에 구비되어, 상기 링크유닛에 의해 Roll 방향으로 회전하는 멀티회전프레임, 하부가 상기 멀티회전프레임에 Pitch 방향으로 회전 가능하게 연결되고, 상부가 로봇의 두부에 연결되는 연결유닛, 상기 연결유닛에 구비되며, 좌우 방향의 회전축을 중심으로 회전 구동력을 발생시키는 피치 구동모터 및 상기 피치 구동모터의 회전 구동력을 상기 연결유닛의 하부에 전달하는 제1벨트유닛을 포함한다.

이때 상기 제1벨트유닛은, 상기 피치 구동모터의 회전축에 연결되는 제1-1풀리, 상기 연결유닛 및 상기 멀티회전프레임이 공유하는 회전축에 연결되는 제1-2풀리 및 상기 제1-1풀리 및 상기 제1-2풀리를 연결하여 구동력을 전달하는 제1순환벨트를 포함할 수 있다.

그리고 상기 롤 구동모터의 회전 구동력을 상기 링크유닛에 전달하는 제2벨트유닛을 더 포함할 수 있다.

또한 상기 제2벨트유닛은, 상기 롤 구동모터의 회전축에 연결되는 제2-1풀리, 상기 메인프레임에 구비되는 상기 링크유닛의 회전축에 연결되는 제2-2풀리 및 상기 제2-1풀리 및 상기 제2-2풀리를 연결하여 구동력을 전달하는 제2순환벨트를 포함할 수 있다.

그리고 상기 링크유닛은, 상기 메인프레임에 구비되며, 상기 롤 구동모터의 회전 구동력을 전달하는 회전축에 연결되는 제2하모닉드라이브 및 하단부가 상기 제2하모닉드라이브의 편심된 위치에 각각 이격되도록 구비되며, 상단부가 상기 멀티회전프레임에의 편심된 위치에 각각 이격되도록 구비되어 상기 제2하모닉드라이브의 Roll 방향 회전과 상기 멀티회전프레임의 Roll 방향 회전을 연동시키며, 평행하게 형성되는 한 쌍의 링크부재를 포함할 수 있다.

한편 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 로봇의 목 구조체는, 멀티회전프레임, 하부가 상기 멀티회전프레임에 Pitch 방향으로 회전 가능하게 연결되고, 상부가 로봇의 두부에 연결되는 연결유닛, 상기 연결유닛에 구비되며, 좌우 방향의 회전축을 중심으로 회전 구동력을 발생시키는 피치 구동모터 및 상기 피치 구동모터의 회전 구동력을 상기 연결유닛의 하부에 전달하는 제1벨트유닛을 포함하여, 상기 피치 구동모터의 회전 구동력에 의해 상기 연결유닛 및 상기 피치 구동모터가 상기 멀티회전프레임에 대해 Pitch 방향으로 회전 가능하게 형성된다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 3축 자유도가 집중된 멀티회전프레임을 포함하는 로봇의 목 구조체는, 3축 자유도가 집중된 멀티회전프레임을 포함하여 실질적으로 한 점에서 3축의 회전이 구현되도록 함에 따라 인체의 어깨 움직임을 정밀하게 구현할 수 있는 장점을 가진다.

또한 본 발명은 상기와 같은 효율적인 구조를 통해 부피를 최소화할 수 있도록 형성된다. 특히 본 발명의 일 실시예에 따르면 각 구성요소는 수직 방향으로 배치되므로 로봇의 두부 내측에 수용된 상태로 3축의 회전을 구현할 수 있도록 하여 부피를 극히 작게 형성할 수 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 목 구조체의 전체 모습을 나타낸 도면;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 목 구조체에 있어서, Pitch 방향의 회전 구동을 나타낸 도면;
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 목 구조체에 있어서, Roll 방향의 회전 구동을 나타낸 도면; 및
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 목 구조체에 있어서, Yaw 방향의 회전 구동을 나타낸 도면이다.

이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 목 구조체의 전체 모습을 나타낸 도면이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 목 구조체는 크게 요우 구동 어셈블리(100)와, 롤 구동 어셈블리(200)와, 피치 구동 어셈블리(300)를 포함한다.

보다 구체적으로 본 실시예의 경우, 상기 요우 구동 어셈블리(100)로서, 상하 방향의 회전축을 중심으로 회전 구동력을 발생시키는 요우 구동모터(110)와, 상기 요우 구동모터(110)의 회전축에 연결되어, Yaw 방향으로 회전하는 메인프레임(130)을 포함한다.

또한 본 실시예는 상기 롤 구동 어셈블리(200)로서, 상기 메인프레임(130)에 구비되며, 전후 방향의 회전축을 중심으로 회전 구동력을 발생시키는 롤 구동모터(210)와, 상기 롤 구동모터(210)의 회전 구동력을 상기 메인프레임(130)의 상부로 전달하는 링크유닛(240)과, 상기 메인프레임(130)의 상부에 구비되어, 상기 링크유닛(240)에 의해 Roll 방향으로 회전하는 멀티회전프레임(250)을 포함한다.

그리고 본 실시예는 상기 피치 구동 어셈블리(300)로서, 하부가 상기 멀티회전프레임(250)에 Pitch 방향으로 회전 가능하게 연결되고, 상부가 로봇의 두부(10, 도 3 내지 도 5 참조)에 연결되는 연결유닛(340)과, 상기 연결유닛(340)에 구비되며, 좌우 방향의 회전축을 중심으로 회전 구동력을 발생시키는 피치 구동모터(310)와, 상기 피치 구동모터(310)의 회전 구동력을 상기 연결유닛(340)의 하부에 전달하는 제1벨트유닛(330)을 포함한다.

여기서 상기 제1벨트유닛(330)은, 상기 피치 구동모터(310)의 회전축에 연결되는 제1-1풀리(332)와, 상기 연결유닛(340) 및 상기 멀티회전프레임(250)이 공유하는 회전축에 연결되는 제1-2풀리(334)와, 상기 제1-1풀리(332) 및 상기 제1-2풀리(334)를 연결하여 구동력을 전달하는 제1순환벨트(336)을 포함한다.

이에 따라 본 발명은 도 3에 도시된 바와 같이 상기 연결유닛(340)이 로봇의 두부(10)에 연결된 상태에서, 상기 피치 구동모터(310)가 구동될 경우 상기 연결유닛(340) 및 상기 피치 구동모터(310) 자체가 상기 멀티회전프레임(250)에 대해 Pitch 방향으로 회전될 수 있다.

즉 본 발명은 구동력을 발생시키는 피치 구동모터(310)가 자체의 구동력에 의해 Pitch 방향으로 회전되므로, 로봇의 두부(10) 후방에 피치 구동모터(310)를 수용시킬 수 있도록 함에 따라 부피를 크게 감소시킬 수 있다.

또한 본 발명의 롤 구동 어셈블리(200)는, 상기 롤 구동모터(210)의 회전 구동력을 상기 링크유닛(240)에 전달하는 제2벨트유닛(230)을 더 포함할 수 있다.

구체적으로 상기 제2벨트유닛(230)은, 상기 롤 구동모터(210)의 회전축에 연결되는 제2-1풀리(232)와, 상기 메인프레임(130)에 구비되는 상기 링크유닛(240)의 회전축에 연결되는 제2-2풀리(234)와, 상기 제2-1풀리(232) 및 상기 제2-2풀리(234)를 연결하여 구동력을 전달하는 제2순환벨트(236)를 포함한다.

또한 본 실시예에서 상기 링크유닛(240)은, 상기 메인프레임(130)에 구비되며, 상기 롤 구동모터(210)의 회전 구동력을 전달하는 회전축에 연결되는 제2하모닉드라이브(220)와, 하단부가 상기 제2하모닉드라이브(220)의 편심된 위치에 각각 이격되도록 구비되며, 상단부가 상기 멀티회전프레임(250)에의 편심된 위치에 각각 이격되도록 구비되어 상기 제2하모닉드라이브(220)의 Roll 방향 회전과 상기 멀티회전프레임(250)의 Roll 방향 회전을 연동시키며, 평행하게 형성되는 한 쌍의 링크부재(242a, 242b)를 포함한다.

즉 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 한 쌍의 링크부재(242a, 242b)는 상기 롤 구동모터(210)의 구동력에 의해 상기 멀티회전프레임(250)의 Roll 방향 회전을 구현할 수 있으며, 상기 연결유닛(340)과 연결되는 로봇의 두부(10) 역시 Roll 방향으로 회전하게 된다.

여기서 본 실시예는 하단부가 상기 메인프레임(130)에 연결되고, 상단부가 상기 멀티회전프레임(250)을 Roll 방향으로 회전 가능하게 고정시키는 보조프레임(140)을 더 포함할 수 있으며, 상기 보조프레임(140)은 상기 메인프레임(130) 및 상기 멀티회전프레임(250)의 전방 및 후방에 한 쌍이 이격되도록 구비된다.

그리고 도 5에 도시된 바와 같이, 상하 방향의 회전축을 중심으로 회전 구동력을 발생시키는 요우 구동모터(110)에 의해 상기 요우 구동모터(110)의 회전축에 연결된 메인프레임(130)이 Yaw 방향으로 회전할 수 있으며, 전술한 모든 구성요소는 상기 메인프레임(130)의 회전에 영향을 받게 되므로 로봇의 두부(10)의 Yaw 회전을 구현할 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 상기 요우 구동모터(110), 상기 롤 구동모터(210) 및 상기 피치 구동모터(310)가 각각 서로 다른 높이에 구비되며, 축 자유도가 집중된 멀티회전프레임(250)을 포함하여 실질적으로 한 점에서 3축의 회전이 구현되도록 함에 따라 인체의 어깨 움직임을 정밀하게 구현할 수 있는 장점을 가진다.

한편 본 실시예는 상기 요우 구동모터(110) 및 상기 메인프레임(130) 사이에서 상기 요우 구동모터(110)의 회전축에 연결되는 제1하모닉드라이브(120)와, 상기 멀티회전프레임(250)의 Pitch 방향 회전축에 연결되도록 상기 멀티회전프레임(250)에 구비되는 제3하모닉드라이브(320)를 더 포함할 수 있다.

전술한 제2하모닉드라이브(220)를 포함하여 상기 제1하모닉드라이브(120) 및 상기 제3하모닉드라이브(320)는 각각 연동된 구동모터에 의해 전달되는 구동력을 기어비에 따라 증폭시킬 수 있도록 하며, 특히 그 특성 상 백래시가 없으며, 높은 정밀도 및 토크를 제공할 수 있다.

이와 같은 하모닉드라이브의 구조는 당업자에게 자명한 사항이므로 보다 자제한 설명은 생략하도록 한다.

이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

10: 로봇의 두부
100: 요우 구동 어셈블리
110: 요우 구동모터
120: 제1하모닉드라이브
130: 메인프레임
140: 보조프레임
200: 롤 구동 어셈블리
210: 롤 구동모터
220: 제2하모닉드라이브
230: 제2벨트유닛
240: 링크유닛
250: 멀티회전프레임
300: 피치 구동 어셈블리
310: 피치 구동모터
320: 제3하모닉드라이브
330: 제1벨트유닛
340: 연결유닛

Claims (6)

1. 상하 방향의 회전축을 중심으로 회전 구동력을 발생시키는 요우 구동모터;
   상기 요우 구동모터의 회전축에 연결되어, Yaw 방향으로 회전하는 메인프레임;
   상기 메인프레임에 구비되며, 전후 방향의 회전축을 중심으로 회전 구동력을 발생시키는 롤 구동모터;
   상기 롤 구동모터의 회전 구동력을 상기 메인프레임의 상부로 전달하는 링크유닛;
   상기 메인프레임의 상부에 구비되어, 상기 링크유닛에 의해 Roll 방향으로 회전하는 멀티회전프레임;
   하부가 상기 멀티회전프레임에 Pitch 방향으로 회전 가능하게 연결되고, 상부가 로봇의 두부에 연결되는 연결유닛;
   상기 연결유닛에 구비되며, 좌우 방향의 회전축을 중심으로 회전 구동력을 발생시키는 피치 구동모터;
   상기 피치 구동모터의 회전 구동력을 상기 연결유닛의 하부에 전달하는 제1벨트유닛; 및
   상기 롤 구동모터의 회전 구동력을 상기 링크유닛에 전달하는 제2벨트유닛;
   을 포함하여,
   상기 요우 구동모터, 상기 롤 구동모터 및 상기 피치 구동모터는 각각 서로 다른 높이에 구비되며,
   상기 링크유닛, 상기 제1벨트유닛 및 상기 제2벨트유닛에 의해 상기 멀티회전프레임에 축 자유도가 집중되어, 한 점에서 3축의 회전이 구현되도록 하는,
   로봇의 목 구조체.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1벨트유닛은,
   상기 피치 구동모터의 회전축에 연결되는 제1-1풀리;
   상기 연결유닛 및 상기 멀티회전프레임이 공유하는 회전축에 연결되는 제1-2풀리; 및
   상기 제1-1풀리 및 상기 제1-2풀리를 연결하여 구동력을 전달하는 제1순환벨트;
   를 포함하는 로봇의 목 구조체.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 제2벨트유닛은,
   상기 롤 구동모터의 회전축에 연결되는 제2-1풀리;
   상기 메인프레임에 구비되는 상기 링크유닛의 회전축에 연결되는 제2-2풀리; 및
   상기 제2-1풀리 및 상기 제2-2풀리를 연결하여 구동력을 전달하는 제2순환벨트;
   를 포함하는 로봇의 목 구조체.
5. 제1항에 있어서,
   상기 링크유닛은,
   상기 메인프레임에 구비되며, 상기 롤 구동모터의 회전 구동력을 전달하는 회전축에 연결되는 제2하모닉드라이브; 및
   하단부가 상기 제2하모닉드라이브의 편심된 위치에 각각 이격되도록 구비되며, 상단부가 상기 멀티회전프레임에의 편심된 위치에 각각 이격되도록 구비되어 상기 제2하모닉드라이브의 Roll 방향 회전과 상기 멀티회전프레임의 Roll 방향 회전을 연동시키며, 평행하게 형성되는 한 쌍의 링크부재;
   를 포함하는 로봇의 목 구조체.
6. 삭제

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