KR19980077810A - 초음파 모터를 이용한 로봇 아암의 관절 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로봇 아암과 아암의 결합 부분에 초음파 모터를 설치하여 로봇 아암이 초음파 모터에 의해 형성하는 원추 형상의 궤적내부에서 임의의 작업지점으로의 신속 정확하게 이동 가능하도록 한 초음파 모터를 이용한 로봇 관절에 관한 것이다.

본 발명에 의하면, 아암과 아암이 상호 결합되어 일측 아암에 대해 타측 아암이 상대 운동하도록 형성된 로봇아암의 관절에 있어서, 일측 아암의 단부에는 구면을 가진 작동부가 형성되어 있으며, 타측 아암의 단부에는 작동부가 결합되는 수용부가 형성되어 있고, 수용부에는 작동부의 외측에 초음파 파동을 가함으로써 작동부를 회동시키기 위한 초음파 모터가 설치되어 아암의 움직임을 제약하지 않음으로써, 작업 속도를 향상시키는 효과가 있다.

Description

초음파 모터를 이용한 로봇 아암의 관절

본 발명은 초음파 모터를 이용한 로봇 아암의 관절에 관한 것으로, 특히 로봇 아암의 관절(joint) 부분에 초음파 모터를 설치하여, 로봇 아암이 초음파 모터에 의해 형성하는 원추 형상의 궤적내부에서 임의의 작업지점으로의 신속 정확하게 이동 가능하도록 한 초음파 모터를 이용한 로봇 아암의 관절에 관한 것이다.

널리 공지된 바와 같이, 최근 각종 다양한 센서 및 제어 기술의 개발에 힘입어 인간만이 가능한 기능을 대신하여 정밀하며, 반복적인 작업을 신속하게 처리하는 로봇 기술이 급속히 발전하고 있다.

이와 같은 로봇 기술에 의해 생산된 로봇은 청정 환경 및 정밀한 제어를 요구하는 반도체 제조 설비 및 산업상 재해가 발생하기 쉬우며, 인간이 적응하기 힘든 환경에서 각종 작업을 진행하게 되는 바, 이와 같은 작업을 로봇이 진행하기 위해서는 작업 대상물을 이동시키거나, 치공구를 작업 대상물까지 이동시키기 위한 로봇 아암(robot arm)의 장착이 필수적이다.

예를 들자면, 반도체 제조 설비에서 매우 미세한 충격에도 손상 받기 쉬운 반도체 소자가 집적되는 순수 실리콘 웨이퍼가 다수개 적재되어 있는 웨이퍼 케리어(wafer carrier)를 이송시키는 웨이퍼 케리어 이송 로봇, 이송된 웨이퍼를 한 장씩 이송하는 로봇 블레이드(robot blade), 각종 생산 공장에서 완성된 제품을 적재 및 반출시키는 로봇등에는 모두 기 언급한 로봇 아암이 형성되어 있다.

이와 같은 종래의 로봇중 반도체 웨이퍼 카세트를 이송하는 이송 로봇을 일례로 이를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1에 도시된 바와 같이 이송 로봇(100)은 전체적으로 보아 레일(10)을 따라 로봇(20)을 이송시키는 반송부(30)와, 반송부(30)의 상면에 설치된 로봇(20)으로 구성되어 있다.

이들중 로봇(20)은 도 2에 확대 도시된 바와 같이 다수개의 아암으로 구성된 로봇 아암(21)(22)(24)과, 이 로봇 아암과 로봇 아암을 상호 연결 및 소정 각도로 회동시키는 구동원이 설치되어 있는 관절(joint;21a,22a,24a)로 구성되어 있다.

이들의 개별적인 구성 및 결합 관계를 살펴보면, 이송 로봇(100)의 반송부(30)의 상면에는 반송부(30)에 로봇(20)을 고정시키기 위해 원통 형상으로 도면상의 좌표계중 XY 평면상에서 선회하는 제 1 선회 아암(25)이 형성되어 있고, 이 제 1 선회 아암(25)의 단부에 형성된 관절부(21a)에의해서 연결 아암(21)이 제 1 선회 아암(20)과 연결되어 있다.

이 연결 아암(21)은 로봇(20)의 작업 범위 및 로봇(20)의 사용 목적상 2 개 이상이 관절에 의해 연결하는 것 또한 가능하며, 이 연결 아암(21)(22)들은 도면상의 좌표계중 XZ 또는 YZ 평면에서만 회동되는 바, 이 관절부(21a)(22a)(24a)에는 모터와 같은 구동원이 직접 결합되어 있어 이 모터의 축 방향에 의해 관절부의 움직임이 일정 좌표 평면에서밖에 움직이지 못하는데 그 원인이 있다.

이와 같은 연결 아암에는 웨이퍼가 적재된 웨이퍼 카세트(미도시)의 턱부를 움켜쥐도록 로봇 핸드와 같은 그립퍼(GRIPER;24d)가 부착된 구동 아암(24)이 설치된다.

이 구동 아암(24)은 다시 다수개의 서브 아암(24c)(24b)(24a)들로 구성되어 있는 바, 이 구동 아암(24)의 일측은 그립퍼(24d)가 설치되어 있고, 그립퍼(24d)에는 그립퍼(24d)를 도면상의 XY 평면으로 회동시키는 제 2 선회 아암(24e)이 형성되어 있으며, 이 제 2 선회 아암(24e)은 다시 그립퍼(24d)를 XZ 평면으로 회동시키는 관절(24a)을 매개로 제 3 선회 아암(24b)와 결합되어 있다.

이 제 3 선회 아암(24b)의 타측단은 기 언급한 연결 아암(22)과 결합되도록 제 4 선회 아암(24c)이 결합되어 있다.

이와 같은 다수개의 선회 아암과, 기 언급한 연결 아암을 구동시키기 위해서 각각의 아암을 연결하는 관절부(21a)(22a)(24a)에는 각각의 아암을 개별적으로 구동시키는 별도의 구동원(미도시)이 설치되어 있다.

또한, 아암의 구동은 아암의 구동원과 연결되어 있는 제어 유닛(미도시)의 제어 신호에 의한다.

한편, 아암을 구동시키는 구동원으로는 주로 AC 서보 모터나, DC 서보 모터가 사용되며 이와 같은 서보 모터들은 모두 정밀 제어용 모터가 사용되는 바, 특히 기동 정지시에도 유지 토크가 크고, 디지털 신호에 의해 제어가 가능한 스태핑 모터(미도시)가 사용되기도 한다.

그러나, 이와 같은 종래의 로봇의 아암과 아암을 결합하고 있는 관절에 의해 로봇을 구성하고 있는 단위 아암은 X, Y, Z축으로 이루어진 소정 공간 즉 XY, YZ, ZX 평면중 하나의 로봇 관절에 의해서는 임의의 어느 한 평면 이외의 평면으로는 그 이동이 불가능하고, 소정 공간의 특정 부분으로 로봇 아암을 움직이기 위해서는 다수의 관절에 의해 방향 전환을 필요로 하여, 원하는 작업을 위해 필수적으로 필요한 이 아암을 구동시키기 위한 구동원 및 이 다수의 구동원을 제어하기 위해서는 매우 복잡한 제어 회로를 필요하여 이로 인해 생산 원가의 상승 및 생산성이 저하되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 감안하여 안출된 것으로써, 본 발명의 목적은 관절의 단부에 부착된 로봇 핸드가 소정 직경을 갖는 원추 궤적을 형성하여 이 원 궤적 내부의 임의의 작업점에서 로봇 핸드가 자유롭게 작업하도록 로봇 관절에 초음파 모터를 설치한 로봇 관절을 제공함에 있다.

도 1은 종래의 로봇을 도시한 사시도.

도 2는 종래의 로봇중 로봇 아암 부분을 도시한 사시도.

도 3은 본 발명에 적용된 초음파 모터의 일례를 도시한 분해 사시도.

도 4는 본 발명에 적용된 초음파 모터의 또다른 일례를 도시한 사시도.

도 5는 도 4의 진동 피스를 도시한 사시도.

도 6는 본 발명에 의한 로봇 관절을 도시한 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

150 : 구동 아암 160 : 연결 아암

200 : 제 1 초음파 모터 300 : 제 2 초음파 모터

500 : 로봇 관절 510 : 작동부

520,530 : 수용부

이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 초음파 모터를 이용한 로봇 관절은 아암과 아암이 상호 결합되어 일측 아암에 대해 타측 아암이 상대 운동하도록 형성된 로봇아암의 관절에 있어서, 일측 아암의 단부에는 구면을 가진 작동부가 형성되어 있으며, 타측 아암의 단부에는 상기 작동부가 결합되는 수용부가 형성되어 있고, 상기 수용부에는 상기 작동부의 외측에 초음파 파동을 가함으로써 상기 작동부를 회동시키기 위한 초음파 모터가 설치되는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 초음파 모터가 적용된 로봇 관절을 일례로 본 발명의 구성을 설명하면 다음과 같으며, 종래와 동일한 아암에 대해서는 그 중복된 설명을 생략하기로 하며 종래와 동일한 부분에 대해서는 동일한 명칭과 동일한 도면 부호를 사용하기로 한다.

도 6는 본 발명에 의한 초음파 모터를 이용한 로봇 관절중 목적하고자 하는 작업을 진행하기 위해 일측에 그립퍼(미도시)가 부착된 구동 아암을 일례로 도시한 단면도이다.

본 발명에 의한 초음파 모터를 이용한 로봇 관절은 크게 보아 상호 결합되어 상대운동하는 아암(150)(160)들과, 이 아암(150)(160)을 상호 결합하는 로봇 관절 (500) 및 아암을 구동시키는 초음파 모터(200)(300)로 구성되어 있다.

여기서, 초음파 모터는 물질의 표면으로 전해지는 파동을 이용한 모터로 이를 도 3에 도시하였다.

도 3의 초음파 모터(200)에는 초음파를 발생하는 압전 세라믹 부재(210)가 통상 이용되는 바, 이것은 진동 발생원으로서 외부에서 인가되는 전계의 세기에 따라 수축과 팽창을 교대로 하여 이 진동 발생원에 의해 소정 주파수를 갖는 초음파가 발생되는 것이다.

이와 같이 압전 세라믹 부재(210)에서 발생하는 초음파를 회전력으로 변환하여 회전시키고자 하는 회전체를 정밀 회전 시키도록하는 초음파 모터(200)는 고정자인 도너츠형의 고정자 철심(220)과, 인가되는 전계의 세기에 따라 수축과 팽창을 하여 진동을 일으키는 압전 세라믹 부재(210)와, 상기 고정자 철심(220)에 와인딩(winding)되며 상기 전계를 발생시키기 위한 전류가 흐르게 되는 고정자 권선(230)과, 상기 고정자 상부에 위치되어 압전 세라믹 부재(210)의 진동에 따라 발생한 진행파에 의해 회동 운동하는 로터(미도시)를 구비하여 이루어진다.

또한, 압전 세라믹 부재(210)의 상면과 하면에는 소정 전극으로 작용하는 은(銀)판 부재(240a)(240b)를 더 포함하여 이루어지며, 여기서 은판 부재(240a)(240b)는 고정자 권선(230)에 인가되는 전원의 상(Ccosωt;A 상, Csinωt;B 상, GND; 접지)을 달리하는 분극용 절편들로 형성되어 있다.

도 4의 초음파 모터(300)는 도 3에서와 같이 로터를 회동시키는 초음파 모터(200)의 구조와는 달리 압전 세라믹 부재(310)의 상면에 웨지 형상(wedge-shape;쐐기 형상)으로 그 끝단이 소정 경사면을 갖는 진동 피스(vibrator piece;320)를 부착하고, 이 진동 피스(320)에 회전 대상물을 소정 압력으로 접촉하도록 하여, 이 진동 피스(320)에 의해 일방향으로 타원 궤적을 그리는 진동을 발생시켜 회전 대상물(330)을 소정 방향으로 직선 운동시키는 일종의 리니터 초음파 모터(liner ultrasonic motor;300)인 것이다.

리니어 초음파 모터의 진동 피스 부분을 도 5에 도시하였다.

다시 도 6에서 이와 같은 초음파 모터(200)(300)에 의해 아암(150)과 아암(160)을 결합 및 구동시키는 로봇 관절(500)은 크게 보아 구면을 갖는 구동부 및 구동부와 결합되는 수용부로 구성되어 있다.

여기서, 구동부는 소정 직경을 갖는 강구(510)로써, 이 강구(510)는 아암(150)의 일측 단부와 용접, 나사등의 방법에 의해 결합되어 있는 것이다.

이와 같이 아암(150)의 일측단부와 결합되어 있는 강구(510)의 외주에는 강구와 결합하여 힌지를 형성하는 수용부가 형성되어 있는 바, 이 수용부는 다시 제 1 수용부(520)와 제 2 수용부(530)로 나뉘어진다.

제 1 수용부(520)는 그 내측면이 강구(510)의 곡률과 동일한 반구홈으로 형성되어 있고, 이 반구홈의 중앙 부분은 다시 소정 직경으로 개구되어 있다.

제 2 수용부(530) 또한 그 내측면이 강구(510)의 곡률과 동일한 반구홈이 형성되어 상기 제 1 수용부(520)와 제 2 수용부(530)를 고정 볼트(540)(545)에 의해 결합하였을 때, 그 내측에 위치하는 강구(510)는 외부로 이탈되지 않고 이 제 1 수용부(520)와 제 2 수용부(530)에 의해 지지 및 수용부 내부에서 유동되는 것으로, 강구(510)의 표면과 수용부의 내측면 사이의 미소 공간에는 윤활 작용을 하는 소정 유체가 채워지며, 제 1 수용부(520)의 개구부에는 이 유체가 외부로 유출되는 것을 방지하기 위한 실링부(sealing;525)가 형성되어 있는 것이다.

이와 같은 제 1 수용부(520) 및 제 2 수용부(530)중 제 2 수용부(530)에는 기 언급한 초음파 모터(200; 제 1 초음파 모터)의 고정자 내경이 강구(510)의 원주에 끼워져 강구(510)를 아암(160)의 축 방향으로 회전시키도록 초음파 모터 고정홈(535)이 형성되어 있다.

또한, 제 2 수용부(530)에는 축 방향으로만 회동하는 강구(510)의 회전 방향을 가변시키는 웨지 타입 제 2 초음파 초음파 모터(300)를 설치하기 위해 아암(160)의 축과 평행하되 강구의 중심으로부터 소정 간격 이격된 곳에 웨지 타입 제 2 초음파 모터(300)의 형상과 동일한 웨지 타입 초음파 모터 결합홈(535)이 적어도 2 곳 이상 형성되는 바, 적어도 2 곳 이상 웨지 타입 제 2 초음파 모터(300)를 설치하는 이유는 웨지 타입 제 2 초음파 모터(300)를 1 개만 설치하였을 때 강구(510)는 어느 일측 방향으로만 회동할 수밖에 없기 때문에 적어도 2 개 이상을 설치하는 것이다.

이와 같이 형성된 로봇 관절(500)중 제 2 수용부(530)와 아암(160)은 고정 볼트(165)에 의해 고정 되어 하나의 로봇 관절을 형성한게 된다.

한편, 기 언급한 제 1 초음파 모터(200) 및 웨지 타입의 제 2 초음파 모터(300)는 모두 중앙제어장치(CPU;600)에 연결되어 중앙제어장치(600)에 의해 입력된 제어 신호에 의해 제 1, 제 2 초음파 모터(200)(300)의 구동/정지 및 회동 속도 등이 결정된다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 초음파 모터를 이용한 로봇 관절의 관절 움직임을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

작업대상물(taget)을 이동시키거나 작업 대상물을 집을 때, 중앙제어장치(600)는 아암(150)의 그립퍼(미도시)의 위치를 결정하기 위해 센서(미도시)에 의해 입력된 센서신호를 처리하여 처리된 제어 신호를 선회 아암에 인가하여 선회 아암이 소정 각도로 회동하여 그립퍼와 작업 대상물이 대향되도록 한다.

일단, 이와 같이 그립퍼와 작업 대상물이 대향한 상태가 되면, 중앙제어장치(600)는 작업 대상물의 정확한 위치로 그립퍼를 이동시키기 위해 작업 대상물의 정확한 위치를 각종 센서에 의해 입력받는다.

중앙제어장치(600)가 정확한 작업 대상물의 위치를 판단하면, 중앙 제어장치(600)는 먼저, 2 개 이상의 웨지 타입 제 2 초음파 모터(300)중 어느 하나에 제어 신호를 인가하여 상기 아암(160)과 아암(150)이 상대적으로 이루고 있는 기울기를 가변시킨 후, 제 1 초음파 모터(200)에 다시 제어 신호를 인가하여 소정 기울기를 갖는 아암(150)을 회동시켜 이로 인해 그립퍼(미도시)는 회동하면서 작업 대상물을 집거나 옮기게 된다.

상기 일실시예에서는 본 발명의 이해를 돕기 위해 제 1 초음파 모터(200)와 웨지타입의 제 2 초음파 모터(300)가 순차적으로 작동하는 것을 나타냈지만, 이는 제어의 방식에 관한 것으로 본 발명을 다른 제어방식에 의해 상기 실시예를 살펴보면 중앙제어장치(600)가 작업 대상물의 위치를 판단한 후, 제 1 초음파 모터(200)와 웨지 타입의 제 2 초음파 모터(300)를 동시에 구동하여 그립퍼를 작업 대상물의 위치로 곧바로 이동하여 작업을 진행한다.

또한, 본 발명에서는 구동 아암와 연결 아암의 관절 부분을 바람직한 일례로 살펴보았지만 연결 아암과 연결 아암의 관절에도 본 발명을 적용할 수 있음은 당연한 일이다.

이상에서 상세히 살펴본 바와 같이 그립퍼(또는 로봇 핸드)가 부착된 구동 아암과, 구동 아암과 연결된 연결 아암의 관절부분에 강구 형상의 작동부를 형성하고 이 작동부를 초음파 모터에 의해 구동하여, 구동 아암의 움직임을 제약하지 않음으로써 생산성을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 아암과 아암이 상호 결합되어 일측 아암에 대해 타측 아암이 상대 운동하도록 형성된 로봇아암의 관절에 있어서, 일측 아암의 단부에는 구면을 가진 작동부가 형성되어 있으며, 타측 아암의 단부에는 상기 작동부가 결합되는 수용부가 형성되어 있고, 상기 수용부에는 상기 작동부의 외측에 초음파 파동을 가함으로써 상기 작동부를 회동시키기 위한 초음파 모터가 설치되는 것을 특징으로 하는 로봇 아암의 관절.
2. 제 1항에 있어서, 상기 수용부에는 상기 작동부를 원주 방향으로 회동시키기 위한 제 1 초음파 모터가 설치되는 것을 특징으로 하는 로봇 아암의 관절.
3. 제 1항에 있어서, 상기 수용부에는 상기 작동부를 상기 아암의 축 방향으로 회동시키기 위한 제 2 초음파 모터가 적어도 2 개소 이상 설치되는 것을 특징으로 하는 로봇 아암의 관절.
4. 제 3항에 있어서, 상기 제 2 초음파 모터는 상기 작동부를 일방향으로 회전시키기 위해 경사면을 갖는 막대 형상의 팁(tip)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 로봇 아암의 관절.