KR200491796Y1

KR200491796Y1 - 초소형 사이클로이드 타입 감속기를 이용한 일체형 액추에이터

Info

Publication number: KR200491796Y1
Application number: KR2020190004966U
Authority: KR
Inventors: 이선우; 이국선; 김준호; 박현우
Original assignee: (주)에일리언로봇
Priority date: 2019-12-09
Filing date: 2019-12-09
Publication date: 2020-06-04
Also published as: KR20200000045U

Abstract

본 고안은 초소형 사이클로이드 타입 감속기를 이용한 일체형 액추에이터에 관한 것이다. 본 고안의 일 양상인 사이클로이드 감속기를 포함하는 액추에이터에 있어서, 상기 사이클로이드 감속기는, 모터(1); 상기 모터(1)와 연결되는 입력 케이스(2); 상기 입력 케이스(2)와 연결되는 제 1 내기어(5); 상기 입력 케이스(2) 및 외기어(4)에 고정 연결되고, 상기 제 1 내기어(5)와 일단이 맞물려 회전하는 편심 샤프트(3); 상기 편심 샤프트(3)의 타단과 맞물려 함께 회전하는 제 2 내기어(7); 상기 제 2 내기어(7);로 전달된 힘을 출력하는 출력부(6); 및 상기 출력부(6)가 통과되는 베어링(9)를 구비한 출력 케이스(8);를 포함할 수 있다.

Description

초소형 사이클로이드 타입 감속기를 이용한 일체형 액추에이터 {Integrated actuator using small size cycloid-type reducer}

본 고안은 초소형 사이클로이드 타입 감속기를 이용한 일체형 액추에이터에 관한 것이다. 구체적으로 본 고안은 사이클로이드 타입 감속기의 출력축을 동력전달 구조물에 부착하고, 동력전달 구조물로부터 전달된 회전각을 계측함으로써, 축방향 길이가 감소된 액추에이터의 회전각을 쉽게 검출할 수 있는 기구 및 방법에 관한 것이다.

최근 산업계에서는 단조로운 반복작업이나 잠재적으로 위험한 작업은 로봇을 적용하여 생산성을 증대 시키고, 사람은 보다 효율성이 높은 업무에 재배치되고 있다.

일례로 공장의 조립라인에는 컨베이어 벨트가 설치되어 필요 부품들을 운송하고, 조립 공정을 위해서는 부품의 상하차가 필수적인데 이 작업은 과거에는 사람에 의해서 수동으로 진행되어 척추 압박과 같은 장애를 유발하였다.

최근에는, 이러한 작업들이 다관절 로봇으로 대체되어 안전성과 생산성이 크게 향상되고 있다.

한편, 로봇의 관절에는 토크를 인가하는 모터뿐만 아니라 모터의 토크 증배를 위한 감속기, 그리고 관절의 회전 각도 측정을 위한 장치가 함께 설치된다.

단, 기존에는 상기의 부품들을 각기 제작하여 조립하는 방식을 적용함으로써, 조립 시 오차를 발생시킬 뿐 아니라 소형화에 불리한 단점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 최근에는 상기의 부품들을 내장한 로봇 액추에이터가 판매되고 있다.

한편, 전술한 로봇 액추에이터에는 다양한 종류의 감속기들이 적용되는데, 이 중에서 사이클로이드 타입은 크기 대비 고감속비와 적은 백래쉬의 유리한 장점과 복잡한 구조로 인한 단점을 함께 갖고 있다.

따라서 사이클로이드 타입 감속기를 적용하는 액추에이터에 있어서 감속기의 복잡한 구조로 인한 소형화 문제와 감속기 출력축의 위치 측정 문제에 대한 해결 방안이 요구되고 있는 실정이다.

대한민국 특허청 등록번호 제 10-1308738호 대한민국 특허청 등록번호 제 10-2013-0045692호

본 고안은 전술한 문제점을 해결하고자 초소형 사이클로이드 타입 감속기를 이용한 일체형 액추에이터를 사용자에게 제공하고자 한다.

구체적으로 본 고안은 사이클로이드 타입 감속기의 출력축을 동력전달 구조물에 부착하고, 동력전달 구조물로부터 전달된 회전각을 계측하함으로써, 축방향 길이가 감소된 액추에이터의 회전각을 쉽게 검출할 수 있는 기구 및 방법을 사용자에게 제공하고자 한다.

한편, 본 고안에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 고안의 일 양상인 사이클로이드 감속기를 포함하는 액추에이터에 있어서, 상기 사이클로이드 감속기는, 모터(1); 상기 모터(1)와 연결되는 입력 케이스(2); 상기 입력 케이스(2)와 연결되는 제 1 내기어(5); 상기 입력 케이스(2) 및 외기어(4)에 고정 연결되고, 상기 제 1 내기어(5)와 일단이 맞물려 회전하는 편심 샤프트(3); 상기 편심 샤프트(3)의 타단과 맞물려 함께 회전하는 제 2 내기어(7); 상기 제 2 내기어(7);로 전달된 힘을 출력하는 출력부(6); 및 상기 출력부(6)가 통과되는 베어링(9)를 구비한 출력 케이스(8);를 포함할 수 있다.

또한, 상기 입력 케이스(2)와 상기 제 1 내기어(5) 및 상기 제 2 내기어(7)와 출력부(6) 중 적어도 일부는 일체형으로 제작될 수 있다.

또한, 상기 외기어(4)는 다단으로 형성되고, 상기 제 1 내기어(5), 제 2 내기어(7) 및 상기 다단의 외기어(4) 각각의 치수 중 적어도 하나에 의해 사이클로이드 감속기의 감속비가 결정될 수 있다.

또한, 상기 출력부(6)의 적어도 일부는 제 1 기어 형상을 갖고, 상기 제 1 기어 형상에 맞물려 회전하는 제 2 기어; 및 상기 제 2 기어의 회전과 관련된 절대각 및 상대각 중 적어도 하나를 측정하는 각도 검출부;를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 제 1 기어 형상은, 스퍼기어 형상, 베벨기어 형상 및 마그넷 기어 형상 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

또한, 상기 각도 검출부는, 마그네틱 엔코더(12), 자석(13), 광학식 엔코더(14) 및 포텐셔 미터(15) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

또한, 상기 편심 샤프트(3), 외기어(4) 및 출력부(6) 중 적어도 일부는 중공형으로 제작될 수 있다.

본 고안은 초소형 사이클로이드 타입 감속기를 이용한 일체형 액추에이터를 사용자에게 제공할 수 있다.

구체적으로 본 고안은 사이클로이드 타입 감속기의 출력축을 동력전달 구조물에 부착하고, 동력전달 구조물로부터 전달된 회전각을 계측하함으로써, 축방향 길이가 감소된 액추에이터의 회전각을 쉽게 검출할 수 있는 기구 및 방법을 사용자에게 제공할 수 있다.

한편, 본 고안에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 고안과 관련된 종래의 사이클로이드 기어의 일례를 도시한 것이다.
도 2는 본 고안과 관련하여, 출력부에 별도의 센서 지지대를 설치하고, 마그네틱 엔코더와 같은 센서를 이용하여 위치를 측정하는 구조의 일례를 도시한 것이다.
도 3은 도 2에서 제시한 구조를 개선하여 감속기와 샤프트를 관통하는 구멍을 뚫고, 중공형 샤프트 내부에 회전 로드를 설치한 일례를 도시한 것이다.
도 4는 본 고안이 제안하는 초소형 사이클로이드 감속기를 이용한 일체형 액추에이터의 일례를 도시한 것이다.
도 5는 도 4의 구조에서 내접기어, 입력 케이스 및 출력부를 일체형으로 가공함으로써, 조립 오차를 줄일 수 있는 구조의 일례를 도시한 것이다.
도 6은 본 고안이 제안하는 초소형 사이클로이드 감속기의 출력부를 이용한 동력 전달 구조물의 일례를 도시한 것이다.
도 7은 도 6에서 적용된 마그네틱 엔코더와 자석을 대신하여 광학식 엔코더 또는 포텐셔 미터를 사용하는 다른 일례를 도시한 것이다.
도 8은 도 6에서 적용된 스퍼기어 형상을 대신하여 베벨기어 형상 또는 마그넷 기어를 사용하는 다른 일례를 도시한 것이다.

로봇의 관절에는 토크를 인가하는 모터뿐만 아니라 모터의 토크 증배를 위한 감속기, 그리고 관절의 회전 각도 측정을 위한 장치가 함께 설치된다.

이러한 액추에이터에는 다양한 종류의 감속기들이 적용되고 있는데, 이 중에서 사이클로이드 타입은 크기 대비 고감속비와 적은 백래쉬의 유리한 장점과 복잡한 구조로 인한 단점을 함께 갖고 있었다.

*도 1은 본 고안과 관련된 종래의 사이클로이드 기어의 일례를 도시한 것이다.

도 1을 참조하면, 종래 사이클로이드 기어(100)는 케이스의 내주면을 내기어(Internal gear, 30)로 사용하고, 내기어(30)와 접하도록 두장의 외기어(external gear, 40, 50)가 설치되며, 외기어들(40, 50)를 관통하는 각 홈 여러 개의 출력 핀(Output pins, 60)을 이용하여 출력부(Output carrier, 70)와 결합하는 복잡한 제작/조립 과정이 요구되므로 소형화에 불리하였다.

이 뿐만 아니라, 감속기 출력부(70)의 회전각은 로봇 관절의 회전각에 해당하므로 이를 위한 측정 방법이 함께 구비되어야 한다.

도 2는 본 고안과 관련하여, 출력부에 별도의 센서 지지대를 설치하고, 마그네틱 엔코더와 같은 센서를 이용하여 위치를 측정하는 구조의 일례를 도시한 것이다.

도 2를 참조하면, 출력부(70)에 별도의 센서 지지대(210)를 설치하고, 마그네틱 엔코더와 같은 센서(130a)를 이용하여 위치를 측정 할 수 있다.

그러나 도 2의 구조는 센서(130a)를 지지하기 위한 구조물(210)로 인하여 관절의 360도 회전이 불가능할 뿐 아니라 축 방향 길이가 증가하여 축 일치 구조를 갖는 다관절 로봇에 사용하기에는 디자인 매리트가 떨어지는 중대한 문제점이 존재하였다.

이를 해결하기 위한 위한 선행 기술이 공개특허 10-2013-0045692에 설명되어 있고, 도 3을 참조하여 설명한다.

도 3은 도 2에서 제시한 구조를 개선하여 감속기와 샤프트를 관통하는 구멍을 뚫고, 중공형 샤프트 내부에 회전 로드를 설치한 일례를 도시한 것이다.

도 3을 참조하면, 감속기(90)와 샤프트(220)를 관통하는 구멍을 뚫고, 중공형 샤프트 내부에 회전 로드를 설치하여야 한다.

그러나 도 3과 같은 구조에서는 중공형 샤프트가 반드시 사용되어야 하므로, 종래의 중공형 액추에이터와 동일하게 축 강성이 약해짐은 물론, 샤프트 내부에는 회전로드가 설치됨으로 인해 중공형 샤프트 내부를 배선 연결 등으로 활용할 수 있는 장점 또한 잃어버리게 되었다.

따라서 전술한 것과 같이, 사이클로이드 타입 감속기를 적용하는 액추에이터에 있어서 감속기의 복잡한 구조로 인한 소형화 문제와 감속기 출력축의 위치 측정 방법에 대한 해결책이 필요한 상황이다.

초소형 사이클로이드 감속기를 이용한 일체형 액추에이터

도 4는 본 고안이 제안하는 초소형 사이클로이드 감속기를 이용한 일체형 액추에이터의 일례를 도시한 것이다.

도 4를 참조하면, 제안하는 액추에이터에 포함되는 초소형 사이클로이드 감속기는, 종래의 액추에이터에 적용되고 있는 사이클로이드 감속기의 구조, 예컨데 도 1과 확연하게 다른 형태를 갖는다.

구체적으로 본 고안에 따르면, 모터(1)와 연결되는 입력 케이스(2)에 편심 샤프트(3)를 베어링으로 고정하고, 편심 샤프트(3)는 2단으로 구성되는 외기어(4)에 마찬가지로 베어링으로 고정한다.

또한, 외기어(4)의 1단과 2단은 각각 입력 케이스(2)에 부착되는 내기어 1(5)과 출력부(6)에 부착되는 내기어 2(7)에 맞물려서 회전하고, 내기어 2(7)가 부착된 출력부(6)는 출력측 케이스(8)에 고정된 크로스롤러 베어링(9)을 관통한다.

여기서, 기어들의 마찰력을 더욱 줄이기 위해서는 서로 맞물리는 외기어(4)와 내기어1(5), 혹은 외기어와 내기 어2(7) 사이에 핀 롤러 베어링을 추가로 덧붙일 수 있다.

따라서 도 4에서 제안하는 본 고안의 구조는 전술한 종래의 도 1의 구조와는 다르게 다수의 출력 핀들이 판 기어를 관통할 필요가 없으므로 조립이 간단할 뿐 아니라 크기를 획기적으로 소형화 할 수 있다.

한편, 도 4에서 제안하는 구조에서, 감속비 g=(z2*z4)/(z2*z4-z1*z3) 는 내기어 1(5)의 치수(z1), 내기어 2(7)의 치수(z4), 그리고 외기어 1의 치수(z2)와 외기어2의 치수(z3)에 의하여 결정된다.

이는 사이클로이드 감속기 이론으로 널리 알려진 사실이므로 자세한 설명은 생략한다.

한편, 본 고안의 일 실시예에 따르면, 조립 오차를 줄이기 위해, 도 4에서 설명한 적어도 일부의 구성요소가 일체형으로 가공될 수 있다.

도 5는 도 4의 구조에서 내접기어, 입력 케이스 및 출력부를 일체형으로 가공함으로써, 조립 오차를 줄일 수 있는 구조의 일례를 도시한 것이다.

도 5를 참조하면, 내접기어 1(5)과 입력 케이스(2) 및 내접기어 2(7)와 출력부(6)를 일체형으로 가공한 일례가 도시되고, 이를 통해 조립 오차를 더욱 줄일 수 있게 된다.

초소형 사이클로이드 감속기의 출력부를 이용한 동력 전달 구조물

*한편, 본 고안에서는 제안한 구조에서 출력부(6)에 위치 측정을 위한 동력 전달 구조물의 일부를 포함하여 함께 가공함으로써, 중공축이나 센서 구조물의 추가 설치를 하지 않아도 출력부 회전각을 측정 할 수 있는 구조가 적용될 수 있다.

도 6은 본 고안이 제안하는 초소형 사이클로이드 감속기의 출력부를 이용한 동력 전달 구조물의 일례를 도시한 것이다.

도 6에서는 제안하는 초소형 사이클로이드 감속기의 출력부를 이용한 동력 전달 구조물의 바람직한 실시예를 보여주고 있는데, 도 6의 구조에서 동력전달 방식은 1:1 회전비를 갖는 스퍼기어와 동일하기 때문에 쉽게 이해할 수 있다.

다시 말해서, 제안하는 초소형 사이클로이드 감속기의 출력부(6)에 일부를 스퍼기어 형상(10)로 성형하고, 여기에 맞물리는 또다른 스퍼기어(11) 측에 절대각이나 상대각을 검출하기 위한 각도 검출부, 여기서는 마그네틱 엔코더(12)와 자석(13)을 설치하는 것이다.

따라서 본 고안에 적용되는 방법은 사이클로이드 감속기의 출력부(6)에 동력 전달 구조물의 일부를 함께 성형하는 방법으로 볼 수 있다.

단, 도 6에서는 설명의 편의를 위해서 1:1 기어비를 갖는 스퍼 기어와 마그네틱 엔코더를 사용하여 설명하였지만, 이를 구현하는 방법은 변경 가능하다.

도 7은 도 6에서 적용된 마그네틱 엔코더와 자석을 대신하여 광학식 엔코더 또는 포텐셔 미터를 사용하는 다른 일례를 도시한 것이다.

도 7의 (a) 및 (b)는 각각 마그네틱 엔코더(12)와 자석(13)을 대신하여 광학식 엔코더(14)나 포텐셔 미터(15)를 사용하는 경우의 실시예를 보여준다.

또한, 본 고안의 다른 실시예에 따르면, 스퍼기어를 대체할 수 있는 동력 전달 구조물을 출력부에 결합 할 수도 있다.

도 8은 도 6에서 적용된 스퍼기어 형상을 대신하여 베벨기어 형상 또는 마그넷 기어를 사용하는 다른 일례를 도시한 것이다.

도 8의 (a) 를 참조하면, 동력전달 구조물이 스퍼기어 형상을 대신하여 베벨기어 형상으로 적용되는 구체적인 일례가 도시된다.

또한, 도 8의 (b)를 참조하면, 스퍼 기어를 대신하여 마그넷 기어를 사용하는 일례가 도시된다.

*또한, 필요에 따라서 제안하는 초소형 사이클로이드 감속기를 이용한 일체형 액추에이터는 도 4의 구조에서 샤프트(3)와 판기어(4), 그리고 출력부(6)를 중공형으로 제작할 수도 있다.

이 경우, 중공형 샤프트에 회전 로드를 내삽한 선행기술과는 다르게 비어 있는 중공축 내부를 배선 등의 용도로 활용할 수 있다는 점에서 종래의 문제점을 해소할 수 있다.

따라서 본 고안은 초소형 사이클로이드 타입 감속기를 이용한 일체형 액추에이터를 사용자에게 제공할 수 있다.

상술한 본 고안의 실시예들은 다양한 수단을 통해 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 고안의 실시예들은 하드웨어, 펌웨어(firmware), 소프트웨어 또는 그것들의 결합 등에 의해 구현될 수 있다.

하드웨어에 의한 구현의 경우, 본 고안의 실시예들에 따른 방법은 하나 또는 그 이상의 ASICs(Application Specific Integrated Circuits), DSPs(Digital Signal Processors), DSPDs(Digital Signal Processing Devices), PLDs(Programmable Logic Devices), FPGAs(Field Programmable Gate Arrays), 프로세서, 컨트롤러, 마이크로 컨트롤러, 마이크로 프로세서 등에 의해 구현될 수 있다.

펌웨어나 소프트웨어에 의한 구현의 경우, 본 고안의 실시예들에 따른 방법은 이상에서 설명된 기능 또는 동작들을 수행하는 모듈, 절차 또는 함수 등의 형태로 구현될 수 있다. 소프트웨어 코드는 메모리 유닛에 저장되어 프로세서에 의해 구동될 수 있다. 상기 메모리 유닛은 상기 프로세서 내부 또는 외부에 위치하여, 이미 공지된 다양한 수단에 의해 상기 프로세서와 데이터를 주고 받을 수 있다.

상술한 바와 같이 개시된 본 고안의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 고안을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 고안의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 고안의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 고안을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 고안은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.

본 고안은 본 고안의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 고안의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 고안의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 고안의 범위에 포함된다. 본 고안은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.

Claims

사이클로이드 감속기를 포함하는 액추에이터에 있어서,
상기 사이클로이드 감속기는,
모터(1);
상기 모터(1)와 연결되는 입력 케이스(2);
상기 입력 케이스(2)와 연결되는 제 1 내기어(5);
상기 입력 케이스(2) 및 외기어(4)에 고정 연결되고, 상기 제 1 내기어(5)를 관통하면서 회전하는 편심 샤프트(3);
상기 편심 샤프트(3)가 관통되고, 상기 편심 샤프트(3)의 움직임에 대응하여 회전하는 제 2 내기어(7);
상기 제 2 내기어(7);로 전달된 힘을 출력하는 출력부(6); 및
상기 출력부(6)가 통과되는 베어링(9)를 구비한 출력 케이스(8);를 포함하되,

상기 외기어(4)는 다단으로 형성되고,
상기 제 1 내기어(5), 제 2 내기어(7) 및 상기 다단의 외기어(4) 각각의 치수 중 적어도 하나에 의해 사이클로이드 감속기의 감속비가 결정되며,

상기 출력부(6)의 적어도 일부는 제 1 기어 형상을 갖고,
상기 제 1 기어 형상에 맞물려 회전하는 제 2 기어; 및
상기 제 2 기어의 회전과 관련된 절대각 및 상대각 중 적어도 하나를 측정하는 각도 검출부;를 더 포함하고,

상기 제 1 기어 형상은,
스퍼기어 형상, 베벨기어 형상 및 마그넷 기어 형상 중 적어도 하나를 포함하며,

상기 각도 검출부는,
마그네틱 엔코더(12)를 통해 획득된 정보, 광학식 엔코더(14)를 통해 획득된 정보 및 포텐셔 미터(15)를 통해 획득된 정보 중 적어도 하나를, 상기 제 2 기어의 회전과 관련된 절대각 및 상대각 중 적어도 하나를 측정하는데 이용하고,

상기 입력 케이스(2)와 상기 제 1 내기어(5) 및 상기 제 2 내기어(7)와 출력부(6) 중 적어도 일부는 일체형으로 제작되며,

상기 편심 샤프트(3), 외기어(4) 및 출력부(6) 중 적어도 일부는 중공형으로 제작되고,

마찰력의 감소를 위해, 상기 외기어(4)와 상기 제 1 내기어(5) 사이 또는 상기 외기어(4)와 상기 제 2 내기어(7) 사이에는 핀 롤러 베어링이 추가로 구비되며,

상기 감속비는 하기의 수학식 1에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 액추에이터.

수학식 1
g=(z2*z4)/(z2*z4-z1*z3)

상기 수학식 1에서, g는 상기 감속비, z1은 상기 제 1 내기어(5)의 치수, z2는 상기 다단의 외기어(4) 중 제 1 외기어의 치수, z3은 상기 다단의 외기어(4) 중 제 2 외기어의 치수, z4는 상기 제 2 내기어(7)의 치수를 의미한다.