KR20070010406A - 스크류 구동식 로봇 미세조정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스크류 구동식 로봇 미세조정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 소정길이와 너비로 이루어진 베이스 상부에 설치되는 구동모터와; 상기 구동모터의 구동축단에 축설되며 소정길이의 나사산이 형성된 리드스크류와; 상기 리드스크류에 체결되도록 소정길이의 나사공이 형성되며, 리드스크류의 회전방향에 따라 리드스크류를 따라 좌,우 왕복동하도록 된 소정형상의 단면을 가지는 이송부재와; 상기 베이스 상부 소정위치에 설치되어 이송부재가 직선왕복동하도록 이송부재의 단면에 대응되는 내경면의 통공이 이송부재의 왕복동방향으로 관통형성된 고정부재와; 상기 이송부재의 타단에 결합되는 소정길이의 피스톤로드와; 상기 피스톤로드의 타단에 결합되어 피스톤로드의 왕복동에 따라 유압이 발생하되, 좌, 우 왕복동 방향에 따라 유압의 공급방향이 전환되는 유압발생장치를 포함한다.

따라서, 구동모터의 회전을 직선운동으로 변환시켜 유압발생의 원동력으로 구동되도록 함으로써, 유압방생장치의 부피를 축소할 수 있으며, 이에 따라, 소형 로봇의 관절이나 자동화장비의 로봇아암(Robot Arm), 리프트 등에 1 : 1 대응설치 및 구동, 제어할 수 있으며, 회전운동과 직선운동에 의한 유압제어방식에 의하여 정교한 콘트롤을 가능케 하고 동급 출력의 구동모터로부터 증대된 유압을 발생시킬 수 있는 장점을 가지는 스크류 구동식 로봇 미세조정장치를 제공한다.

Description

스크류 구동식 로봇 미세조정장치{Robot control apparatus for screw driving system}

도 1은 본 발명에 따른 스크류 구동식 로봇 미세조정장치가 로봇에 적용되는 사례를 도시한 로봇 예시도.

도 2는 본 발명에 따른 스크류 구동식 로봇 미세조정장치의 구성 및 구조를 도시한 부분절결 분해사시도.

도 3은 본 발명에 따른 스크류 구동식 로봇 미세조정장치의 구조 및 작용을 도시한 작용단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

101 : 로봇 102 : 베이스

103 : 구동모터 104 : 리드스크류

105 : 이송부재 106 : 통공

107 : 고정부재 108 : 피스톤로드

109 : 유압발생장치 110 : 가이드홈

111 : 가이드돌기 112 : 제1브라켓

113 : 커플링 114 : 제2브라켓

115 : 제3브라켓 116 : 유압호스

117 : 유압구동장치 118 : 로봇의 관절 링크

119 : 구동로드

본 발명은 스크류 구동식 로봇 미세조정장치에 관한 것으로, 특히, 소정길이와 너비로 이루어진 베이스 상부에 설치되는 구동모터와; 상기 구동모터의 구동축단에 축설되며 소정길이의 나사산이 형성된 리드스크류와; 상기 리드스크류에 체결되도록 소정길이의 나사공이 형성되며, 리드스크류의 회전방향에 따라 리드스크류를 따라 좌,우 왕복동하도록 된 소정형상의 단면을 가지는 이송부재와; 상기 베이스 상부 소정위치에 설치되어 이송부재가 직선왕복동하도록 이송부재의 단면에 대응되는 내경면의 통공이 이송부재의 왕복동방향으로 관통형성된 고정부재와; 상기 이송부재의 타단에 결합되는 소정길이의 피스톤로드와; 상기 피스톤로드의 타단에 결합되어 피스톤로드의 왕복동에 따라 유압이 발생하되, 좌, 우 왕복동 방향에 따라 유압의 공급방향이 전환되는 유압발생장치를 포함함으로써, 구동모터의 회전을 직선운동으로 변환시켜 유압발생의 원동력으로 구동되도록 함으로써, 유압방생장치의 부피를 축소할 수 있으며, 이에 따라, 소형 로봇의 관절이나 자동화장비의 로봇아암(Robot Arm), 리프트 등을 구동 및 제어할 때 회전운동과 직선운동에 의한 유압제어방식에 의하여 정교한 콘트롤을 가능케 하고 동급 출력의 구동모터로부터 증대된 유압을 발생시킬 수 있는 장점을 가지는 스크류 구동식 로봇 미세조정장치를 제공한다.

일반적으로, 도 1에 도시된 바와 같이 보행 및 기타 동작모션을 취하는 로봇의 관절(A)을 구동하기 위한 구성은, 각 관절이나 동축에 구동모터의 구동축으로부터 전달되는 회전력을 다수개의 기어로 조합되는 감속장치로 이루어지며, 이 구동모터의 회전력은 감속장치에 의하여 감속되어 동력이 필요한 부분으로 각각 전달된다.

상기한 바와 같은 구동모터와 감속기어에 의한 동력전달방식은 로봇 관절구동력이 구동모터의 출력에 적접적인 영향을 받게 된다.

즉, 로봇의 전체 무게가 증가하여 각 관절 마다 큰 하중을 받게 되며, 이때, 하중의 간섭이 발생하게 되면, 그 하중을 극복할 수 있는 정도의 고출력 구동모터가 해당 관절에 설치되어 동력이 전달되도록 해야만 원활하고 자유로운 관절구동이 이루어질 수 있다.

따라서, 구동모터를 각 관절에 일괄적으로 사용할 경우에는 최대 하중을 극복하는 고출력 구동모터를 사용해야 한다는 점에서 제조비용의 상승문제가 제기되며, 도 1에 도시된 바와 같이 로봇의 하중이 관절부위마다 각각 다르게 적용(즉, 로봇의 팔과 다리에 작용하는 하중이 각각 다름)되기 때문에 역학적으로 구동모터의 출력을 계산하여 각각의 관절에 알맞는 구동모터가 설치되도록 하여야 하므로 제조시간의 증가는 물론 조립구성 작업이 매우 번거로워지는 문제점이 발생한다.

특히, 구동모터에 의한 동력전달방식을 채택하는 경우에는 구동모터에 전원이 인가되지 않는 OFF 상태에서는 로봇의 하중에 의하여 구동모터의 구동축이 자회 전하는 경우가 발생하므로, OFF 상태에서의 정지모션이 이루어지지 않고 모션이 변화되는 문제점이 발생할 수 있으며, 기립 및 보행형 로봇의 경우 관절의 변형은 전체적으로 기립의 균형이 흐트러지게 되어 로봇이 쓰러지는 불상사가 발생하게 되므로, 전원의 공급중단 시 로봇의 정지모션 유지는 반드시 필요한 기능 중 하나로서 별도 구성되어야 하므로 이로 인한 장비의 추가와 비용의 상승문제가 제기 된다.

아울러, 자동화기기에서 활용되고 있는 로봇아암의 경우는 정밀한 반복동작및 정밀제어가 우선적으로 이루어져야 하기 때문에 종래 로봇아암의 경우 구동모터를 이용한 동력전달방식 보다는 유압발생장치로부터 발생하는 유압을 통하여 모션을 제어하였다.

그러나, 상기한 종래 로봇아암의 유압발생장치는 필요한 모션을 위해 출력되어야 할 유압에 비해 전체적으로 유압발생장치의 크기가 비대하기 때문에 로봇아암 자체에 부착한다기 보다는 별도로 유압발생장치를 설치하고, 이 유압발생장치로부터 인출되는 유압공급관이 로봇아암에 장착되어 모션제어가 이루어질 수 밖에 없었다.

즉, 다수개의 로봇아암이 사용되는 경우 하나의 로봇아암에 하나의 유압발생장치가 1 : 1로 적용되어 로봇제어가 이루어질 수도 있으나, 제어하는 모션에 비해 유압발생장치가 크기 때문에 자동화기기 설비를 시공하는 경우 각각의 로봇아암에는 소정의 위치에 별도의 유압발생장치가 마련되어 시공면적이 확대되는 문제점으로도 작용하게 된다.

상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명은, 저출력 구동모터로부터 필요로 하는 고출력의 동력을 발생시킬 수 있도록 함과 동시에 동급의 출력을 발생시키되 크기는 축소될 수 있도록 하여, 1 : 1 매칭설치 및 제어가 이루어지도록 하며, 로봇의 모션제어가 정밀하게 이루어지도록 하여 정교한 작업을 가능케 함은 물론 전원이 OFF된 상태에서도 로봇 하중에 영향받지 않고 정지모션을 그대로 유지할 수 있도록 하여 로봇의 안정적인 사용이 이루어질 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.

상기한 목적은, 소정길이와 너비로 이루어진 베이스(102) 상부에 설치되는 구동모터(103)와; 상기 구동모터(103)의 구동축(103a)단에 축설되며 소정길이의 나사산이 형성된 리드스크류(104)와; 상기 리드스크류(104)에 체결되도록 소정길이의 나사공(105a)이 형성되며, 리드스크류(104)의 회전방향에 따라 리드스크류(104)를 따라 좌,우 왕복동하도록 된 소정형상의 단면을 가지는 이송부재(105)와; 상기 베이스(102) 상부 소정위치에 설치되어 이송부재(105)가 직선왕복동하도록 이송부재(105)의 단면에 대응되는 내경면의 통공(106)이 이송부재(105)의 왕복동방향으로 관통형성된 고정부재(107)와; 상기 이송부재(105)의 타단에 결합되는 소정길이의 피스톤로드(108)와; 상기 피스톤로드(108)의 타단에 결합되어 피스톤로드(108)의 왕복동에 따라 유압이 발생하되, 좌, 우 왕복동 방향에 따라 유압의 공급방향이 전환되는 유압발생장치(109)를 포함하는 것을 특징으로 하는 스크류 구동식 로봇 미세조정장치에 의해 달성된다.

그리고, 상기 이송부재(105)의 외경면 소정위치와, 고정부재(107)의 통공(106) 내경면 소정위치 중 어느 하나에서 길이방향을 따라 성형되는 가이드홈(110)과; 상기 가이드홈(110)에 대응되도록 성형되어 리드스크류(104)의 회전에 따라 이송부재(105)가 가이드홈(110)을 따라 직선왕복동 안내되도록 하는 고정부재(107)의 통공(106) 내경면 소정위치와, 이송부재(105)의 외경면 소정위치 중 어느 하나에 길이방향을 따라 성형되는 가이드돌기(111)를 더 포함하는 것이 바람직하다.

아울러, 상기 이송부재(105)는 다각형의 단면형상이 소정길이로 성형되도록 하는 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 구성 및 작용을 첨부된 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 2와 도 3에 도시된 바와 같이 소정길이와 너비로 이루어진 베이스(102) 상부에는 구동모터(103)의 구동축(103a)이 타측방향을 향할 수 있도록 제1브라켓(112)에 의하여 설치된다.

아울러, 상기 구동모터(103)의 구동축(103a)단에는 소정길이의 나사산이 형성된 리드스크류(104)가 통상의 커플링(113)에 의하여 축이음되고, 상기 리드스크류(104)에는 나사공(105a)이 형성된 이송부재(105)가 체결되는 바, 상기 이송부재(105)는 원형의 단면을 가질 수도 있으며, 사각형, 오각형, 육각형 등 다각형의 형태로 성형될 수도 있다.

그리고, 상기 이송부재(105)는 베이스(102)의 상부 소정위치에 설치되는 제2브라켓(114)에 고정되는 고정부재(107)의 통공(106)에 이송가능하게 삽입된다.

여기서, 상기 고정부재(107)는 도 2에 도시된 바와 같이 상하좌우측으로 각각이 분리된 다수개의 객체들이 조립구성된 것일 수도 있으며, 하나의 객체로서 성형될 수도 있는 것으로, 본 발명은 이를 한정하지는 않으나, 이송부재(105)에 외감되는 고정부재(107)의 기능이 이송부재(105)가 직선으로 왕복동할 수 있도록 하는 것이므로, 도 2에 도시된 바와 같이 적어도 두개 이상의 객체가 조립구성되도록 하여 통공(106) 성형작업이 수월하게 이루어질 수 있도록 하는 것이 바람직하다고 할 수 있겠다.

특히, 상기 리드스크류(104)에 이송부재(105)의 나사공(105a)이 체결된 상태이므로 리드스크류(104)가 회전하게 되면, 이송부재(105)가 동반회전하지 않도록 이송부재(105)의 단면을 다각형으로 성형하고, 이송부재(105)의 단면에 대응되도록 고정부재(107)의 통공(106)도 다각형으로 성형하여, 리드스크류(104)가 회전하면 그 회전력이 이송부재(105)에 전달되어 이송부재(105)가 회전하려 할지라도 고정부재(107)의 통공(106)이 다각형으로써 이송부재(105)의 외경면에 밀착된 상태를 유지하게 하여 통공(106)이 이송부재(105)의 회전에 간섭되어 이송부재(105)는 회전하지 않게 한다.

다만, 나사공(105a)의 나사산은 리드스크류(104)의 회전에 의하여 더욱 체결되거나 풀어지게 됨으로써 이송부재(105)가 고정부재(107)의 통공(106)내에서 도 3에 도시된 바와 같이 직선왕복동할 수 있게 되는 것이다.

또한, 상기 통공(106)의 내경면과 이송부재(105)의 외경면 소정위치 중 어느 하나에는 도 2에 도시된 바와 같이 길이방향으로 가이드홈(110)을 성형하고, 이 가 이드홈(110)에 대응되도록 이송부재(105)의 외경면과 통공(106)의 내경면 중 어느 하나에는 가이드돌기(111)를 길이방향으로 성형하여, 이송부재(105)가 가이드홈(110)과 가이드돌기(111)에 의하여 안정적으로 왕복동할 수 있게 하는 것이 바람직하며, 바람직하게는 상기한 가이드홈(110)과 가이드돌기(111)는 원형단면을 가지는 이송부재(105)가 사용될 경우에 적용되는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 이송부재(105)의 타단에는 도시된 바와 같이 피스톤로드(108)가 결합되며, 상기 피스톤로드(108)의 타단에는 피스톤로드(108)의 왕복동에 의하여 공급방향이 전화되면서 유압을 발생시키는 유압발생장치(109)가 결합되며, 이 유압발생장치(109)는 베이스(102)에 설치되는 제3브라켓(115)에 의해 고정결합된다.

상기한 유압발생장치(109)는 통상적으로 유압류를 수용하는 유압실린더(109a)와, 이 유압실린더(109a)의 내측으로 삽입되는 피스톤로드(108)의 타단에 결합되어 유압실린더(109a)의 내경면에 외경면이 밀착되는 피스톤(109b) 및 유압류가 배출되는 유압관(109c)이 유압실린더(109a)의 양측에 설치된다.

물론, 상기 유압실린더(109a)의 내경면에 밀착되는 피스톤(109b)의 양측으로는 각각 유압이 분리수용되며, 도 3에 도시된 바와 같이 피스톤(109b)이 타단(도면상 우측)으로 이송되면 유압류를 가압하여 타단의 유압관(109c)을 통하여 유압이 유압호스(116)를 통해 공급되며, 이때, 일단의 유압관(109c)을 통해서는 유압류가 유입되어 전체적으로는 유압의 평형상태가 유지될 수 있는 것이며, 유압발생장치(109)로부터 공급되는 유압에 의해 도 2 및 도 3에 도시된 유압구동장치(117)가 구 동되어 소정의 기기(로봇 관절의 링크(118))를 직선왕복동시키거나 도 2와 도 3과 같이 소정의 기기(118)를 왕복회동시킬 수 있게 되는 것이며, 상기한 유압발생장치(109)로부터 공급되는 유압에 의하여 기기가 구동되는 기술 및 구성과 작용은 통상의 기술이므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.

상기한 구성으로 이루어진 본 발명 스크류 구동식 로봇 미세조정장치의 작용을 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명에 따른 작용을 설명하기 전에 본 발명의 베이스(102)는 로봇(101)의 관절 등에 장착하기 위한 것이므로 그 형태 및 모양은 장착부위에 따라 다양하게 채택변형가능하므로, 도면에 도시된 것에 의하여 한정되지는 않는다.

따라서, 베이스(102)가 로봇(101)에 장착되고, 로봇(101)의 관절을 회동시키기 위한 유압구동장치(117)의 구동로드(119)가 로봇(101) 관절의 링크(118)에 회동가능하게 연결되면, 전원을 구동모터(103)에 인가하여 구동모터(103)가 회전되도록 하는 바, 이때, 상기 구동모터(103)의 구동축(103a)과 리드스크류(104) 사이에는 감속기어 등으로 이루어진 감속장치(도시하지 않음)를 연결하여 구동모터(103)의 회전속도를 감속시킬 수도 있으며, 구동모터(103)를 스태핑 모터를 채택하여 단계적으로 리드스크류(104)가 회전되도록 하는 것도 바람직한 실시예라고 할 수 있다.

한편, 구동모터(103)가 회전하면, 구동축(103a)에 축설된 리드스크류(104)가 회전하는 바, 이때, 상기 리드스크류(104)에는 이송부재(105)의 나사공(105a)이 체결되어 있으므로 나사공(105a) 및 이송부재(105)에는 리드스크류(104)와 동반회전하려하는 힘이 작용하지만, 이송부재(105)가 도 2에 도시된 바와 같이 다각형으로 성형되거나 가이드홈(110)과 가이드돌기(111)가 요철결합되어 있으므로, 회전간섭이 발생하므로 이송부재(105)는 리드스크류(104)의 나사산을 따라 좌, 우측 중 어느 한 방향으로 직선운동을 하게 된다.

이때, 상기 이송부재(105)의 타단에 결합된 피스톤로드(108)가 이송부재(105)와 동반하여 직선운동하게 됨으로써, 유압발생장치(109) 내부의 피스톤(109b)이 직선운동하면서 유압실린더(109a) 내부의 유압류를 어느 한 쪽 방향으로 가압하게 되어 유압이 유압구동장치(117)측으로 공급될 수 있게 된다.

상기 이송부재(105)가 도면상 우측으로 이동한다는 것을 전제로 설명하면, 피스톤로드(108)가 우측으로 직선이동함에 따라 피스톤도 유압실린더(109a) 내에서 유압을 우측으로 가압하여 타단 유압관(109c)을 통해 유압이 유압구동장치(117)로 공급되며, 이때, 상기 유압구동장치(117) 내부의 구동피스톤(117a)은 공급되는 유압에 의하여 일측으로 이동하면서 구동로드(119)를 이동시키고, 구동로드(119)는 관절의 링크(118)에 연결되어 있으므로, 링크(118)를 도 3과 같이 회동시키게 된다.

여기서, 상기 리드스크류(104)의 회전속도를 제어하거나 회전반경 및 각도를 미세하게 조정하면 링크(118)의 회동을 미세하게 조정할 수 있게 되며, 링크(118)의 물리적인 저항(하중)이 있을 경우라도 리드스크류(104)의 직선 운동에너지의 힘은 유압을 수 배에서 수십 배까지 증대시킬 수 있기 때문에 동급 출력을 갖는 구동모터(103)라 할지라도 더욱 증대된 유압을 유압구동장치(117)로 전달할 수 있게 된다.

한편, 구동모터(103)에 전원이 인가되지 않는 상황이 발생할 경우, 관절의 링크(118)가 하중과 중력에 의하여 회동되려고 하는 힘이 구동로드(119)에 작용된다 하더라도 유압구동장치(117)의 유압과 유압발생장치(109)의 유압이 피스톤로드(108)가 결합된 리드스크류(104)가 이송부재(105)의 나사공(105a)에 체결된 상태이므로 반작용에 대해 저항할 수 있게 되어 정지된 모션을 유지할 수 있게 되는 것이다.

즉, 동급의 출력을 가지는 구동모터(103)를 이용하여 리드스크류(104)의 나사산의 홈간 길이 변화를 주어 수 배에서 수십 배 증대된 유압을 발생시킬 수 있으므로 구동모터(103)의 크기를 축소시킬 수 있으며 저출력을 사용하더라도 필요한 유압을 발생시킬 수 있으므로, 시설크기를 전체적으로 축소시킬 수 있고 동력장치로 인한 추가 하중의 문제점을 해소할 수 있어 장비 및 로봇(101)의 하중을 최소화할 수 있는 장점을 가지게 된다.

상기한 바와 같이 유압발생장치가 소형화됨으로써 로봇의 구조에 맞게 유압발생장치를 가공하여 로봇의 관절과 같이 유압구동을 필요로 하는 부분에 1 : 1 매칭시켜 일체형으로 장착할 수 있으므로, 별도의 시공면적을 필요로 하지 않으며, 로봇의 하중을 최소화할 수 있고, 전원을 OFF시켜도 리드스크류가 이송부재의 나사공에 체결된 상태이므로 전원 OFF 시 유압이 리턴되는 현상으로부터 저항하여 정지모션을 유지할 수 있으므로, 종래의 구동모터방식 보다 그 소비전력이 감소되며, 구동모터를 미세조정함으로써 유압류의 양을 제어할 수 있으므로 기기의 미세 극조 절이 가능하게 되어 로봇과 같이 정밀한 제어를 필요로 하는 장비에 응용이 가능한 장점을 가진다.

특히, 구동모터의 회전운동을 리드스크류의 직선운동으로 변환시키되, 나사산과 나사산과의 거리에 변화를 주어 직선운동에서 최대 수십 배 이상의 운동에너지를 얻을 수 있게 됨으로써, 유압발생장치에서는 동급출력을 갖는 구동모터 보다 증대된 유압의 출력이 가능하므로 소형으로도 고출력을 얻을 수 있어 장비의 소형화가 가능해 지는 효과를 가진다.

Claims (3)

1. 소정길이와 너비로 이루어진 베이스 상부에 설치되는 구동모터와;

   상기 구동모터의 구동축단에 축설되며 소정길이의 나사산이 형성된 리드스크류와;

   상기 리드스크류에 체결되도록 소정길이의 나사공이 형성되며, 리드스크류의 회전방향에 따라 리드스크류를 따라 좌,우 왕복동하도록 된 소정형상의 단면을 가지는 이송부재와;

   상기 베이스 상부 소정위치에 설치되어 이송부재가 직선왕복동하도록 이송부재의 단면에 대응되도록 통공이 이송부재의 왕복동방향으로 관통형성된 고정부재와;

   상기 이송부재의 타단에 결합되는 소정길이의 피스톤로드와;

   상기 피스톤로드의 타단에 결합되어 피스톤로드의 왕복동에 따라 유압이 발생하되, 좌, 우 왕복동 방향에 따라 유압의 공급방향이 전환되는 유압발생장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 스크류 구동식 로봇 미세조정장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 이송부재의 외경면 소정위치와, 고정부재의 통공 내경면 소정위치 중 어느 하나에서 길이방향을 따라 성형되는 가이드홈과;

   상기 가이드홈에 대응되도록 성형되어 리드스크류의 회전에 따라 이송부재가 가이드홈을 따라 직선왕복동 안내되도록 하는 고정부재의 통공 내경면 소정위치와, 이송부재의 외경면 소정위치 중 어느 하나에 길이방향을 따라 성형되는 가이드돌기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스크류 구동식 로봇 미세조정장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 이송부재는 다각형의 단면형상이 소정길이로 성형된 것을 특징으로 하는 스크류 구동식 로봇 미세조정장치.

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