KR20070053206A - 액츄에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액츄에이터에 관한 것으로, 특히 로보트 암의 제어용으로 적합한 선형 및 로타리 액츄에이터에 관한 것이다. 본 발명은 비교적 낮은 제조비용으로 백래쉬가 거의 없는 회전 및/또는 선형 이동을 달성할 수 있는 액츄에이터를 제공한다.

본 발명의 액츄에이터(10)는 제1 구동풀리(28); 제1 구동풀리(28)와 서로 연결되어 함께 회전하는 제2 구동풀리(29); 제1 피동풀리(52; 70); 제2 피동풀리(53; 72); 제1 및 제2 구동풀리와 제1 및 제2 피동풀리에 장착되는 환상 구동벨트(40);

제1 및 제2 구동풀리를 구동시켜 환상 구동벨트를 작동시키는 모터(19); 적어도 한 개의 피동풀리를 구비한 피동부재(50; 88; 71, 73)로 이루어지며, 이때 상기 제1 및 제2 구동풀리는 회전시 제1 구동풀리의 원주속도가 제2 구동풀리의 원주속도와 차이를 보이도록 배열되고, 환상 구동벨트는 구동풀리와 피동풀리 사이에서 루프를 형성하여 제1 구동풀리와 제2 구동풀리의 원주속도 차이에 의해서 피동부재의 이동이 일어나도록 구성된다.

Description

액츄에이터{ACTUATOR}

본 발명은 액츄에이터에 관한 것으로, 특히 로보트 암의 제어용으로 사용되는 선형 및 회전형 액츄에이터에 관한 것이다.

제조공정을 비롯한 일반적인 검사 및 설비의 지속적인 가동을 위하여 로보트 암의 사용이 증대됨에 따라 각각의 암에 결합되어 있는 제어요소의 수가 증가되어 정밀한 다기능 암의 경우에는 30개 이상의 제어부재를 필요로 하고 있음은 일반적인 사실이다. 이들 각 부재들은 각각의 액츄에이터에 의해 개별적으로 제어될 필요가 있다.

이에 따라 많은 수의 제어요소들을 상대적으로 좁은 공간에 집적하는 것이 요구된다. 상당수의 로보트 암은 제어선(control wires)에 의해서 제어 또는 조정되어 진다. 로보트 암이 한층 복잡해지고 크기가 작아져서 보다 다양한 동작을 수행할 수 있게 됨에 따라, 그러한 복잡한 동작은 보다 많은 제어요소를 필요로 하며 보다 많은 제어요소들을 보다 좁은 공간에 집적해야할 필요가 증대된다.

일반적으로 로보트 암의 제어선용 액츄에이터로는 캡스턴 타입이 주로 사용되어 왔다. 상기 캡스턴 타입의 액츄에이터는 그 주위로 제어선이 감싸지는 권취 캡스턴을 구동시키는 모터로 구성되어 있다. 모터의 동작에 의해서 캡스턴이 구동 되어 그에 따른 제어선의 이동이 이루어지게 된다. 이와 같은 캡스턴 드라이브는 상대적으로 부피가 크고 이에 더하여 캡스턴 주위의 제어선이 늘어나거나 슬립이 발생하는 경향이 있어서 정밀한 제어를 더욱 더 어렵게 한다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 각각의 제어를 위한 제어메커니즘 및 모터 드라이브를 로보트 암의 베이스나 기단부로부터 이격시키는 형태를 취하고 있으나, 이와 같은 경우에는 암의 제어 어셈블리가 상당히 커지고 부피가 증대되는 결과를 초래하게 된다.

상기 문제점을 해결하기 위한 방편으로서, 제어선이 부착된 상태로 스크류나 워엄에 장착되어 스크류나 워엄의 회전에 의해서 이동이 이루어지는 이동가능한 캐리지를 갖는 선형 액츄에이터가 알려져 있다. 상기와 같은 구조는 비교적 무게가 무겁고 워엄이나 스크류 배열에 있어서 백래쉬의 발생이 불가피하다는 단점이 있다. 또한, 이와 같은 구조에서는 상당한 마찰력이 발생하는 경향을 보이는 한편 스크류의 피치에 의해서 정해지는 경사면을 통해서 기계적 장점을 효과적으로 달성할 수가 있다.

또 다른 방안의 하나로는 백래쉬를 최소화할 수 있는 볼 스크류 구조를 채택하는 것이다. 그러나 이와 같은 구조는 고가이고 스트로크의 길이에 스크류의 무게가 비례하기 때문에 짧은 스트로크 구조에만 적합함과 아울러 장(long) 스트로크 볼 스크류의 관성은 통상적으로 허용되지 않는다. 또한 제어선을 볼스크류 구조에 연결하기란 실질적으로 매우 까다롭다.

이에 따라, 낮은 마찰손실 하에서 높은 하중을 제공하는 한편으로 콤팩트한 구조로 이루어져서 로보트 암 등의 장치 제어용으로 상대적으로 좁은 공간 내에서 하나로 밀집시킬 수 있는 선형 액츄에이터의 개발이 요구되고 있다.

산업분야에서 일반적인 위치결정용으로 사용되는 많은 액츄에이터는(와이어 당김용으로 사용되는 액츄에이터에 비해서) 전기적으로 구동되며, 다수의 속도 카테고리 및 정밀도 카테고리에 따라 재분류되어질 수 있다. 속도 카테고리는 저속(이를테면, 0 - 25mm/sec), 중속(이를테면, 25 - 500mm/sec) 및 고속( 500mm/sec 이상)이다. 정밀도 카테고리는 제로 정밀도(전적으로 위치결정이 요구되지 않음과 아울러 백래쉬가 중요하지 않은), 저정밀도(위치결정이 요구되나 낮은 정확도와 0.25 - 3mm 정도의 백래쉬가 허용가능한) 및 고정밀도(정확한 위치결정 및 제로 내지는 낮은 백래쉬, 즉 0.0001 - 0.25mm가 요구되는)로 정의될 수 있다. 그와 같은 액츄에이터들은 종종 회전식 전기모터에 의해서 가동된다. 직접구동 선형 액츄에이터가 사용될 수도 있으나, 이는 제조비용이 고가이고 제어가 용이하지 않다. 선형 액츄에이터가 회전식 전기모터에 의해서 가동되는 경우, 선형 이동이 이루어지도록 하는데는 다수의 설계방안이 있을 수 있는바, 그 구체적인 예로 벨트 드라이브, 리드 스크류, 볼 스크류 및 랙과 피니언 메커니즘 등이 있다. 저속 및 중속으로 사용되는 대부분의 경우에서는, 모터와 선형이동 컨버터 사이에 위치하여 모터 속도(통상적으로 3000 - 6000rpm)를 요구되는 풀리/피니언/볼 스크류 속도에 일치시키는 역할을 하는 기어박스를 필요로 하게 된다. 기어박스는 상당한 비용의 추가를 초래하는바, 특히 제로/낮은 백래쉬 환경에서 높은 정밀도가 요구되는 경우, 기어박스는 최소한 모터 및 선형이동 컨버터 수준만큼 정확해야 한다.

본 발명은 조화이론(harmonic principle)을 사용하여 이동이 일어나게 하는 구동벨트를 갖는 액츄에이터에 관한 것으로, 저속 및 중속에의 적용시 모터와 드라이브 풀리 사이에 기어박스가 사용되어야 할 필요성을 저하 또는 배제시킨다. 부수적인 장점으로서 그와 같은 드라이브는 실질적으로 백래쉬가 발생하지 않기 때문에 상대적으로 낮은 제조비용으로 높은 정밀도로 구동되는 것이 가능하도록 한다. 본 발명에 따른 액츄에이터는:

제1 구동풀리;

제1 구동풀리와 회전가능하게 상호 연결된 제2 구동풀리;

제1 피동풀리;

제2 피동풀리;

제1 및 제2 구동풀리와 제1 및 제2 피동풀리에 결합된 환상 드라이브 벨트;

제1 및 제2 드라이브 풀리를 구동시켜서 환상 드라이브 벨트를 회전 및 구동시키도록 연결된 모터;

적어도 하나의 피동풀리를 수반하는 피동부재; 로 이루어지며,

이때, 상기 제1 및 제2 구동풀리는 회전시 제1 구동풀리의 원주속도가 제2 구동풀리의 원주속도와 차이를 보이도록 배열되고, 상기 제1 구동풀리의 원주속도와 제2 구동풀리의 원주속도 사이의 차이로 인해서 피동부재의 이동이 발생되도록 상기 환상 드라이브 벨트는 구동풀리와 피동풀리 사이에 장착된다.

이하의 상세한 설명에서는 구동벨트를 사용한 실시예에 대하여 설명한다. "구동벨트"란 용어는 청구항 및 전제부에서 사용되고 있는바, 특별히 지적하지 않은 경우 용어 "벨트"란 체인, 케이블, 와이어 등과 같은 연속적인 또는 환상 구동부재를 모두 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다. 동일한 취지로, "풀리"란 용어가 후술하는 명세서의 상세한 설명 전반에 걸쳐서 사용되고 있는바, 구동벨트와 함께 풀리를 사용하는 것이 일반적이긴 하나 "풀리"는 기어나 스프로켓은 물론 톱니가 형성되거나 형성되지 아니한 휠 및 롤러 등을 모두 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

구동풀리가 상이한 원주길이를 구비하고 있거나 상이한 회전속도를 가지고 있음에 기인하여 원주속도는 차이를 보일 수 있다.

구동벨트는 톱니가 형성되어 있는데 그와 같은 실시예에서 적어도 구동풀리는 벨트와의 결합을 위하여 톱니가 형성되어 있는 것이 바람직하다.

액츄에이터는 제2 구동벨트에 의해서 서로 연결되는 두 개의 피동부재를 갖는 로타리 액츄에이터가 바람직하며, 이때 제1 구동벨트는 (제어된) 회전이동을 위해 장착된 풀리와 결합된다. 경우에 따라서는 선형이동을 위해서 장착된 캐리지를 구비한 선형 액츄에이터가 바람직하다.

선형 및 로타리 액츄에이터의 일부 실시예에서는 환상 구동벨트에 의해 결합되어 구동 및 피동 풀리 사이에서 구동벨트를 가이드하거나 방향전환이 이루어지도록 하는 하나 또는 그 이상의 가이드 풀리를 포함한다. 다른 실시예에서 제1 구동풀리와 제2 구동풀리는 서로 반대방향으로 회전하도록 연결되어 가이드 풀리의 필요를 배제할 수가 있다.

제어선은 피동부재에 연결가능하며, 피동부재의 이동에 의해서 제어선의 상응하는 이동이 일어나게 된다. 제어선은 일예로 로보트 암에 연결될 수 있다.

모터는 전기모터로 될 수 있다. 본 발명에 따른 특정한 실시예에서 전기모터는 웜과 휠 어셈블리를 통해서 구동풀리를 구동시키게 되고, 그에 따라 부가적인 기계적 장점을 제공한다. 이러한 실시예에서는 웜과 휠이 백 드라이브를 피할 수 있도록 피치를 조절하는 것이 바람직하다. 상기와 같이 구성함으로써 브레이킹 메커니즘을 생략할 수 있다는 장점이 있다.

구동벨트는 항시 각종 풀리의 외주면에 대하여 한 방향으로만 굴곡이 이루어지도록 배열되어질 수 있는 바, 톱니가 형성된 벨트인 실시예에서는 톱니 형성면을 향하여 굴곡되도록 하는 것이 바람직하다. 이와 달리 구동벨트는 양 방향으로 굴곡이 이루어질 수도 있는바, 예를 들면 톱니 형성면으로 굴곡되고 풀리를 통과한 후에는 톱니 형성면 반대쪽으로 굴곡되어 톱니 형성면이 바깥쪽을 향하도록 할 수도 있다. 벨트의 양방향 굴곡은 본 명세서 기재에서 상반굴곡 드라이브(contraflexure drive)로 기술되고 있으며, 상반굴곡 드라이브는 선형 및 로타리 액츄에이터 양쪽 모두에 사용되어질 수 있다.

구동벨트가 특별하게 사용되는(다시 말하면, 체인이나 케이블 등과는 반대로) 본 발명의 모든 실시예에서 각각의 구동 풀리, 피동 풀리 및 가이드 풀리(구비된 경우에 한해서)에 결합된 구동벨트의 경로는 경사 풀리(angled pulley)에 의해서 방향이 정해지게 된다. 풀리의 크기와 각도는 구동벨트 파이버의 중심축이 각 풀리의 사이에서 실질적으로 공통축을 이룰 수 있도록 선택되어 진다. 이에 따라 구동벨트는 변형이나 측방향 이동이 전혀 또는 거의 발생함이 없이 상기 축을 따라서 비틀리게 됨으로써 벨트 파이버를 가로질러 작용하는 스트레스의 변화를 최소화할 수 있다.

본 발명에 따른 선형 액츄에이터는 국제출원 WO2002/016995에 기재되어 있는 형태의 로보트 암을 제어하는데 특히 유용하다는 사실이 밝혀졌으며, 참고를 위해 상기 국제특허의 개시내용이 본 명세서 중에 포함되어 있다.

첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 대표적인 몇가지 실시예 액츄에이터를 상세하게 설명하면 아래와 같다.

도1은 본 발명에 따른 선형 액츄에이터에 대한 제1 실시예의 사시도이고,

도2는 구동풀리와 피동풀리의 장착위치 관계를 보인 개략 배면도이며,

도3은 도1의 액츄에이터에 대한 평면도이고,

도4는 도1의 부분절결 정면도이며,

도5는 도3의 B-B선 단면도이고,

도6은 도3의 캐리지에 대한 E-E선 부분 단면도이며,

도7은 도4의 C-C선 부분 단면도이고,

도8은 도4의 A-A선상의 구동풀리에 대한 단면도이며,

도9는 도4의 D로 표시된 부분에 대한 확대도이고,

도10은 도1의 액츄에이터에서 드라이브 어셈블리에 대한 분해사시도이며,

도11은 하우징이 제거된 상태의 도1의 액츄에이터에 대한 사시도이고,

도12는 본 발명에 따른 액츄에이터의 제2 실시예로서 캐리지가 제거된 상태의 사시도이며,

도13은 도12의 액츄에이터에서 구동벨트 형상에 대한 사시도이고,

도14는 도15의 G-G선 단면도이며,

도15는 도12의 액츄에이터에서 캐리지가 구비된 상태의 평면도이고,

도16은 도15의 액츄에이터에 대한 측면도이며,

도17은 도15의 F-F선 단면도이고,

도18 내지 도20은 본 발명에 따른 선형 및/또는 로타리 액츄에이터에 대한 제1 실시예의 개략구조도이며,

도21은 도18 내지 도20의 실시예에 대한 변형례이고,

도22는 본 발명에 따른 로타리 액츄에이터에 대한 실시예의 사시도이며,

도23은 도25의 H-H선 단면도이고,

도24는 실시예22의 실시예에서 구동벨트 형상에 대한 사시도이며,

도25는 도22의 액츄에이터에 대한 평면도이고,

도26은 도25의 L-L선 단면도이다.

도1에 도시된 바와 같이, 액츄에이터(10)는 제1 단부(12)에 모터와 제어 어셈블리(14)가 구비되고 제2 단부(13)에는 제어선 가이드(15)가 구비된(도7 참조) 길다란 채널형상 하우징(11)으로 이루어진다.

모터 및 제어 어셈블리(14)는 그 베이스(17)가 채널형상 하우징(11)의 제1 단부(12) 베이스에 고정된 웜 블럭(16)으로 이루어진다. 웜 블럭(16)의 배면(9)측 에는 전기모터(19)가 장착되고, 모터의 구동축(20)은 커플링(7)을 통과한 다음 배면(9)을 지나 구동 웜(21)의 내부로까지 연장돌출된다(참조 도5 및 도10). 웜 블럭(16)의 전면은 요입형성되어 전방 개구부(31)를 제공한다(도10 참조).

웜 블럭(16)의 측면(23) 각각에는 원형 통공이 구비되어 횡방향 통공(24)이 제공되며, 이들 각 통공의 내부로는 베어링(25)이 장착된다. 각각의 베어링(25)에는 그 내부에 축(26)이 회전가능하게 삽입되어지며, 그 축상에는 웜 휠(27), 제1 구동풀리(28) 및 제2 구동풀리(29)가 장착된다. 본 실시예에서 웜 휠(27)과 제1 구동풀리(28) 및 제2 구동풀리(29)는 하나의 유니트로 형성되며, 제1 구동풀리(28)와 제2 구동풀리(29)는 각기 독립적인 구성부재로 제작되어 웜 휠(27)상에 공지된 바의 고정방식에 따라 고정되거나, 본 실시예에서와 같이 핀(8)에 의해서 고정결합되어진다. 웜과 풀리 어셈블리에는 심(shim) 및 와셔(34)가 제공되어 전방 개구부(31) 내에서의 웜 휠(27)과 그에 결합된 제1 및 제2 구동풀리(28)(29) 사이의 적절한 위치선정이 이루어지도록 하고 있다.

제1 구동풀리(28)와 제2 구동풀리(29) 각각에는 톱니(32)가 형성되어 있다. 본 실시예에서는 제2 구동풀리(29)의 반경 및 그에 따른 원주길이가 제1 구동풀리(28)에 비해서 크기 때문에 제2 구동풀리(29)에는 제1 구동풀리(28)에 비해서 한개의 톱니가 더 형성되어 있다(다른 실시예에서는 구동풀리의 원주길이가 한 개 보다 많은 톱니 수만큼 차이를 나타낸다). 구동풀리(28)(29) 각각에는 환상 구동벨트(40)가 장착된다.

구동벨트(40)는 환상 또는 연속적인 벨트로서 본 실시예에서는 내주면에 톱니가 형성된 사각형 단면으로 이루어져 있다. 상기 구동벨트의 톱니는 풀리(28)(29)의 톱니(32)에 각각 대응 결합된다.

웜블럭(16)용 고정구를 통해서 후미 연장부(35)도 함께 하우징(11)에 고정되며, 후미 연장부(35)상에는 모터(19)를 제어하는 인쇄회로기판(36)이 장착된다.

하우징(11)의 제2 단부(13)에는 도3에서 도면부호 45로 표시된 풀리 어셈블리가 장착된다. 풀리 어셈블리(45)는 도7에서 도면부호 15로 표시된 제어선 가이드와 연결되어 있다. 상기 풀리 어셈블리(45)는 하우징(11)상에 형성된 슬롯(46)(도1 참조)에 의해 지지되며, 상기 슬롯을 통해서 횡축(47)이 가로질러 각각 삽입되고 그 축 상에 가이드 풀리(48)(49)가 각기 회전가능하게 장착된다. 각각의 가이드 풀리(48)(49)상에는 벨트(40)가 장착되는데, 이때 상기 벨트는 횡축(47)에 대하여 독립적으로 회전가능하게 된다. 횡축(47)의 위치는 슬롯(46) 내에서 구동 벨트(40)의 텐션에 의해서 유지된다. 구동벨트 텐션은 조립과정에서 하우징(11)의 베어링(25)상에 작용하는 램프(6)를 통해서 설정되어진다.(도4 참조) 다른 실시예어서는, 횡축(47) 지지부재가 하우징에 분리가능하게 고정되고, 구동벨트(40)의 텐션부여를 위해 지지부재가 모터 및 제어 어셈블리(14)로부터 떨어진 상태로 기울어지도록 하는 수단이 구비되어질 수도 있을 것이다.

피동부재나 캐리지(50)는 서로 길이방향을 따라 간격을 두고 회전가능하게 장착된 한 쌍의 피동풀리(52)(53)를 갖는 종방향 부재(51)로 구성된다. 종방향 부재(51)의 전방 연장부(54)에는 제어선(55)이 나선권취부(59) 주위를 권회한 후 그 단부가 클램프(60)에 고정되도록 함으로써 캐리지에 연결되도록 하는 일반적인 형 태의 연결수단이 구비되어 있다(도9 참조). 상기 실시예에서 제어선(55)은 횡축(47)의 원통형 표면에 형성되어 있는 가이드 홀(56)을 따라 캐리지(50)의 외측으로 연장되어 아이들러 휠(57)을 거쳐서 통공(58)을 통해 하우징(11)의 외부로 빠져나가게 된다. 상기와 같은 구조에서는 캐리지(50)의 이동이 하우징(11)의 길이방향 축을 따라서 이루어지게 되고, 그에 따른 제어선(55)의 이동이 수반된다.

도10 및 도11에서는 구동벨트(40)가 도시되어 있다. 구동벨트(40)의 궤적은 제1 구동풀리(28)로부터 제1 피동풀리(52)로, 제1 피동풀리(52)로부터 제2 구동풀리(29)로, 제2 구동풀리(29)에서 제1 가이드풀리(48)로, 제1 가이드풀리(48)에서 제2 구동풀리(53)로, 제2 구동풀리(53)에서 제2 가이드풀리(49)로 그리고 제2 가이드 풀리(49)에서 원래의 제1 구동풀리(28)로 이어지는 형태를 이루고 있다. 구동벨트(40)는 제1 피동풀리(52)와 구동풀리(28)(29) 사이에서 제1 루프를 형성하고, 제2 피동풀리(53)와 가이드 풀리(48)(49) 사이에서 제2 루프를 형성하며, 제1 방향으로 구동풀리(28)(29)가 회전함으로써 제1 루프의 길이가 증가되고 그에 대응되게 제2 루프의 길이가 감소된다.

도2에서 보다 명확하게 도시된 바와 같이, 제1 피동 풀리(52)의 회전축은 구동풀리(28)(29)의 (공통)회전축에 대하여 경사지게 형성되어 있다. 이에 따라 구동벨트(40)의 이동경로는 두 개의 구동풀리(28)(29) 모두에 정렬되어 벨트의 측방향 이동이나 변형이 방지된다.

또한 도2에 도시된 바와 같이, 피동풀리(52)는 구동벨트(40)의 중심축(90), 다시 말하면 구동벨트가 피동풀리(52)와 접촉함과 아울러 분리되어지는 지점으로 서의 구동벨트의 길이방향 화이버 중심축이 벨트가 구동풀리(28)(29)와 접촉함과 아울러 분리되어지는 지점으로서의 구동벨트(40)의 중심축(90)과 정확하게 일치하도록 정렬되어 있다. 벨트(40)는 구동풀리(28)(29)와 피동풀리(52) 사이를 이동하면서 비틀림이 발생하게 되나, 그러한 비틀림은 벨트 화이버의 중심축(90)을 중심으로 하여 발생된다. 상기와 같은 형태의 벨트에서는 중심축을 중심으로 해서 비틀림이 발생하는 경우가 중심축 이외의 축을 중심으로 비틀리거나 측방향으로 이동 또는 변형되는 경우에 비해서 손상 또는 열화의 우려가 낮아지게 된다.

피동풀리를 구동벨트의 경로에 일치시키거나 피동풀리와 접촉 또는 분리되는 구동벨트의 중심축을 구동풀리와 접촉 또는 분리되어지는 벨트의 중심축과 정확하게 일치시켜 정렬할 필요가 있는 것은 아니나, 상기의 정렬상태로부터 벗어나는 정도가 크면 클수록 벨트의 손상이나 변형이 커지는 것은 명백하기 때문에 실질적인 정렬상태를 유지하는 것이 바람직하며 정확한 정열이 이상적이다.

피동풀리(53)와 가이드 풀리(48)(49)의 관계는 도2에 도시된 바와 같이 구동벨트(40)는 캐리지(50)의 위치에 관계없이 전체 경로를 이동하는 동안에 그 중심축을 중심으로 비틀림 이동을 수행하게 된다. 이와 같은 풀리 사이의 이상적인 관계는 도1 내지 도11의 실시예에서 특별히 기술되고 있으나, 도면 중 다른 실시예에서의 풀리 사이의 관계는 필요에 따라 정확하게 정렬되기보다는 상당한 수준의 정도로만 정렬되더라도 이상적인 상태를 크게 벗어나지는 않는다.

구동벨트(40) 대신에 체인이나 케이블 등이 사용되는 실시예의 경우, 체인이나 케이블 등이 이상적으로 비틀림이 일어나도록 하는 축의 위치가 그러한 구성부 재의 구조에 의존하더라도 풀리의 실제적인 또는 정밀한 정렬이 유지되어질 수 있다.

구동벨트(40)의 텐션을 조정함으로써 캐리지(50)가 풀리 어셈블리(45)와 모터 및 제어 어셈블리(14) 사이에서 효과적으로 현가된(suspended) 상태가 되도록 할 수 있다. 이에 따라 트랙을 따라 이동하는 캐리지에서 발생하게 될 수 있는 액츄에이터 내에서의 마찰력을 감소시킬 수 있는 장점이 있다. 본 발명의 다른 실시예의 경우로서, 연속적인 구동수단에서 텐션이 유지되어 질 수 없거나 벨트의 진동에 대한 제어가 요구되는 경우에는 캐리지의 가이드 및/또는 지지를 위해서 트랙수단이 제공되어 진다.

모터(19)가 동작함으로써 웜기어(21)의 회전이 이루어진다. 구동 웜기어(21)는 웜휠(27)과 결합되어 구동풀리(28)(29)에 회전력을 전달한다. 구동풀리(29)에는 구동풀리(28)에 비해 한 개 더 많은 톱니가 형성되어 있기 때문에 각각의 풀리가 완전하게 한바퀴 회전하게 되면 풀리(29)를 감싸며 지나는 구동벨트(40) 부분이 풀리(28)를 감싸며 지나는 구동벨트(40) 부분에 비해서 한 톱니 피치만큼 더 지나가게 된다. 그 결과로 벨트의 제1 루프[구동풀리와 피동풀리(52) 사이]의 길이가 톱니의 한 피치만큼 증가되고, 그에 따라 구동풀리(28)(29)와 캐리지(50) 사이의 길이는 톱니의 절반 피치만큼 증가된다. 이와 병행하여, 가이드 풀리(48)로부터의 구동벨트(40) 이송은 구동풀리(29)의 당김에 의해 보다 신속하게 진행되어 제2 루프[가이드 풀리(48)(49)와 피동풀리(53)]의 길이가 감소되는 결과가 초래되어 캐리지(50)가 하우징(11)의 제1 단부측으로 당겨짐으로써 하우징(11) 외부로 이어진 제어선(55) 길이가 효과적으로 연장되는 결과를 낳는다.

모터(19)를 반대방향으로 회전시킴으로서 상기 두 루프의 길이가 반대로 변화되고, 그에 따라 캐리지가 모터(19)측으로 이동을 하게 됨으로써 제어선(55)이 하우징 내부로 향해 끌려 들어오게 된다.

통상적인 벨트 구동 액츄에이터로서 일예로 5mm의 피치를 갖는 톱니가 20개 형성된 구동풀리의 경우, 초당 250mm의 캐리지 직선이동 속도를 얻기 위해서는 구동풀리의 회전속도는 150rpm이 요구된다. 평균 6000rpm으로 작동하는 모터에서 상기와 같은 회전속도를 얻기 위해서는 40:1의 기어박스를 필요로 한다. 만일 상기 기어박스가 1도의 백래쉬를 갖는 경우라면, 0.28mm의 선형 백래쉬만큼의 선형 손실동작의 결과를 낳는다. 또한, 풀리와 구동벨트 사이에 존재하는 갭 들에 의해서도 구동반전(drive reversal)상의 선형 백래쉬가 발생할 것임은 명백하다 할 것이다.

상기의 실시예에서, 제1 구동풀리(28)가 19개의 톱니를 가지고 있고 제2 구동풀리(29)가 20개의 톱니를 가지고 있으며 톱니의 피치가 5mm인 경우라면 공통축(26)의 1회전당 선형 변위(linear displacement)는 2.5mm로 될 것이다. 초당 250mm의 선형속도가 요구되는 경우, 이는 초당 100 회전하거나 6000rpm[즉, 웜기어(21)에 의한 감속을 필요로 함이 없이]으로 회전하는 모터의 축(26)에 의해 직접 구동됨에 의해서 달성된다.

구동벨트(40) 및 피동벨트(52)(53)의 위상(topology)에 기인하여 캐리지(50)가 어떠한 위치에 있더라도 항시 텐션이 유지되며 상업적으로 유용한 구동 벨트 및 풀리의 품질이 부여됨으로써 본 발명에 따른 액츄에이터는 실제적으로 백래쉬가 없 이 경제적으로 제작될 수 있다.

도12에 도시된 상반굴곡 드라이브의 다른 실시예에서는, 구동풀리(28)(29)(한 개의 톱니 차이를 갖는)는 입력 구동샤프트(26)와 함께 회전하도록 고정되어 있다. 이들 풀리(28)(29)와 구동축(26)은 피동풀리(52)(53)(84)(85)와 함께 캐리지(88)상에 장착되며, 이들 모든 풀리들은 각각의 베어링 상에서 자유롭게 회전이 이루어지도록 구성된다. 구동벨트(40)는 제1 구동풀리(28)로부터 제1 피동풀리(52)로, 제1 피동풀리(52)로부터 제1 가이드 풀리(48)로, 제1 가이드 풀리(48)로부터 제3 피동풀리(84)로, 제3 피동풀리(84)로부터 제2 구동풀리(29)로, 제2 구동 풀리(29)에서 제4 피동풀리(85)로, 제4 피동풀리(85)에서 제2 가이드풀리(49)로, 제2 가이드풀리(49)에서 제2 피동풀리(53)로, 제2 피동풀리(53)에서 최초의 제1 구동풀리(28)로 향하는 폐루프 경로를 형성한다.

캐리지(88)는 트랙(86)에 장착된 베어링 블록(87)에 지지되어 트랙을 따라서 직선이동을 하게 된다. 도13에는 구동벨트의 형상이 도시되고 있는바, 구동벨트(40)는 제1 가이드 풀리(48)와 제1 및 제3 피동풀리(52)(84) 사이에서 제1 루프를 형성하며, 제2 가이드풀리(49)와 제2 및 제4 피동풀리(53)(85) 사이에서 제2 루프를 형성한다. 구동 샤프트(26)과 풀리(28)(29)의 제1 방향 회전에 의해서 제1 루프의 길이가 증가됨과 아울러 제2 루프의 길이가 감소가 이루어지게 되어 캐리지(88)가 트랙(86)을 따라서 이동하게 된다. 구동 샤프트(26)를 반대로 회전시키게 되면 상기와 반대 방향으로의 캐리지 이동이 일어나게 된다.

상기 실시예는 상술한 제1 실시예의 선형 액츄에이터에 비해 주어진 벨트길 이에 대해 보다 긴 길이의 이동이 이루어지도록 함과 아울러 보다 견고하다는 장점이 있다.

상기 실시예에서는 구동모터(도면 미도시)가 캐리지(88)상에 장착될 필요가 있는바, 적용분야에 따라서는 이러한 구조가 효과적이다.

도12 내지 도17에 도시된 실시예는 본 발명이 캐리지(88)에 작용하는 힘의 방향이 변화될 수 있는 선형 액츄에이터에 적합함과 아울러 캐리지의 위치가 실질적으로 백래쉬가 없이 제어됨을 명확하게 보여주고 있다.

도18 내지 도20에 도시된 본 발명의 다른 실시예에서, 구동풀리(28)(29)는 축(61)(62)상에서 각기 개별적으로 회전하며 동일한 수의 톱니를 갖는다(다른 실시예에서는 톱니 수에서 하나 또는 그 이상의 차이를 보이고 있지만). 각각의 샤프트(61)(62)에는 기어휠(63)(64)이 결합되어 있고, 각 기어휠(63)(64)의 톱니 수에 있어서는 한 개의 차이가 있다(다른 실시예에서는 동일한 수의 톱니를 가지고 있거나 두 개 이상의 차이를 보이고 있지만). 상기 기어들은 서로 맞물려서 회전을 함에 따라 샤프트(61)의 회전의 결과로 샤프트(62)는 반대방향으로 회전하게 된다. 그리고 상기의 결과로 구동벨트(40)는 구동벨트의 경로를 역전시키거나 변환시키기 위한 어떠한 가이드 풀리를 필요로 함이 없이도 구동풀리 및 피동풀리 사이를 감아돌 수가 있게 된다.

구동벨트(40)는 제1 구동풀리(28)로부터 제1 피동풀리(70)로, 제1 피동풀리(70)로부터 제2 구동풀리(29)로, 제2 구동풀리(29)로부터 제2 피동풀리(72)로, 그리고 제2 피동풀리(72)로부터 다시 제1 구동풀리(29)로 이어지는 경로를 취한다. 구동벨트(40)는 제1 피동풀리(70)와 구동풀리(28)(29) 사이의 제1 루프와 제2 피동풀리(72)와 구동풀리(28)(29) 사이의 제2 루프를 이루며, 제1 방향으로 구동풀리가 회전함에 따라 제1 루프의 길이가 증가되는 한편으로 그에 상응하여 제2 루프의 길이 감소가 일어나게 된다.

상술한 이전의 실시예와는 달리, 각 풀리(28)(29)의 원주(그리고 그에 따른 결과로서 풀리에 톱니가 구비된 경우라면 톱니 수)는 동일하다. 그러나 기어(63)(64)의 톱니 수가 차이를 나타내기 때문에 그에 따른 풀리(28)(29)의 상대적인 회전속도에서 차이를 보이게 되어 풀리(28)(29)의 원주속도가 달라지게 됨으로써 이전의 실시예에서와 동일한 결과를 낳는다.

풀리(28)(29)의 상이한 원주속도 및 그에 따른 피동부재나 U자형 부재(71)(73)의 상이한 선형 속도는 주어진 샤프트(61)의 입력속도하에서 기어(63)(64)의 톱니 수 차이를 변화시키거나 풀리(28)(29)의 톱니 수를 변화시키거나 아니면 이들 둘 모두를 변화시킴으로써 달성할 수가 있다.

U자형 부재(73)의 변위는 샤프트(61)의 1회전당 (t1/t2*T2/T1)/2로서, 이때 t1과 t2는 각각 기어(63)(64)의 톱니 수이고, T1과 T2는 각각 풀리(28)(29)의 톱니 수이다.

U자형 부재(71)(73)는 풀리(81) 주위를 통과하는 제2 벨트루프(74)와 서로 연결되어 있다. 본 실시예에서의 동작원리는 이전의 실시예와 동일하나, 본 실시예에서의 피동부재는 각각 제1 및 제2 U자형 부재(71)(73)이다. 본 실시예 구조의 2차적인 장점은 서로 연계되어 있으면서도 상이한 기능을 하도록 두 개의 피동부재 가 서로 독립적인 제어수단을 제공할 수 있다는데 있으며, 이는 각각의 피동부재(71)(73)가 구동샤프트(61)의 적절한 이동에 의해서 서로 반대방향으로 이동함에 기인한다. 본 실시예는 풀리(81) 및 제2 벨트루프(74)의 정밀한 회전운동이 일어나도록 하는데 사용될 수 있을 것이다.

와이어나 케이블에 의해 구동되는 로보트 암으로서 제어선이나 케이블이 단면부의 절곡을 제어하도록 사용되는 경우, 제2 벨트루프(74)와 그에 결합된 풀리를 배제하고 제2 벨트루프(74) 대신에 어셈블리에서 필요로 하는 텐션을 제공하기 위해 제어선을 사용함으로써 두 개의 서로 반대되는 케이블이 구비된 단일 액츄에이터가 사용가능하다. 도21은 상기와 같은 구조로서 제2 벨트루프(74)가 제어선(55a)(55b)으로 대체된 구조를 보여주고 있다.

도18 내지 도21에 도시된 바의 구동 및 피동풀리 구조에서는 로터리 액츄에이터[풀리(81)의 제어된 회전을 제공하기 위한]나 선형 액츄에이터[피동부재(71)(73)나 제어선(55a)(55b)에 연결된 부재의 제어된 이동을 제공하기 위한]가 사용될 수 있다.

도22 내지 도26에 도시된 실시예는 상기 도18 내지 도21의 실시예에 대한 변형례로서, 중앙 구동샤프트(80)에 의해서 제1 구동풀리(28)와 제2 구동풀리(29)(본 실시예에서는 1개의 톱니 수 차이가 있다)가 구동되도록 형성되어 있다. 구동벨트(40)는 제1 구동풀리(28)로부터 제1 가이드풀리(48)로, 제1 가이드풀리(48)로부터 제1 피동풀리(70)로, 제1 피동풀리(70)로부터 제2 피동풀리(29)로, 제2 구동풀리(29)로부터 제2 피동풀리(72)로, 제2 피동풀리(72)로부터 제2 가이드풀리(49)로, 그리고 제2 가이드풀리(49)로부터 다시 제1 구동풀리(28)로 이어지는 경로를 취하고 있다.

구동벨트(40)는 제1 피동풀리(70)와 제2 구동풀리(29) 및 제1 가이드 풀리(48) 사이에서 제1 루프를 형성하며, 제2 피동풀리(72)와 제2 구동풀리(29) 및 제2 가이드풀리(49) 사이에서 제2 루프를 형성하고, 구동풀리(28)(29)의 제1 방향 회전에 따라 제1 루프의 길이가 증대되는 한편으로 그에 상응하여 제2 루프의 길이 감소가 일어나게 된다.

피동부재나 U자형 부재(71)(73)에는 풀리(81) 주위에 텐션을 부여하는 텐션조절구(82)(83)가 개재된 상태로 벨트(74)가 연결됨으로써 풀리(81)의 회전에 대한 제어가 가능하게 된다. 본 실시예에서는 벨트의 비틀림이 최소화됨과 아울러 벨트의 형상을 단순화할 수 있다는 장점이 있다.

도18 내지 20 및 도22 내지 도26에 도시된 실시예를 통해서 본 발명의 액츄에이터가 풀리(81)에 작용하는 토크의 방향이 양방향인 로터리 액츄에이터에의 사용이 적합함과 아울러 풀리의 회전위치에 대한 제어가 백래쉬를 발생함이 없이 제어될 수 있다는 사실을 명확하게 보여주고 있다.

상기의 액츄에이터들은 상대적으로 적은 용량의 모터를 사용하여 제어선(55)이나 캐리지(88)에 상당한 힘을 제공하거나 풀리(81)에 상당한 토크를 제공할 수가 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는 웜기어(21)를 사용하고 있는바, 구동웜(21)과 웜휠(27)의 기계적인 장점은 상당하다. 본 발명에 따른 풀리 구조의 기계적인 장점은 웜휠(27)의 완전한 1회전당 톱니의 절반 피치만큼 캐리지의 이동이 일어나도록 하는데 있다. 이 점에서의 기계적인 장점 또한 상당하다.

상기 기계적 장점은 구동벨트(40)와 구동풀리(28)(29)의 톱니 피치를 변경하거나 단순히 구동풀리의 톱니 수를 변화시킴으로써 변경될 수 있을 것임은 통상의 지식을 가진자에게 자명할 것이다. 또한, 모터(19)와 출력 사프트(20) 사이의 구동 트레인 내부에 기어박스를 추가적으로 설치함으로써 상기 장점에 대한 변화를 시도할 수가 있을 것이나, 그와 같은 경우에는 제조비용이 증대되어 바람직하지는 못하다.

상술한 몇몇 실시예에서에서 구동벨트(40)는 구동풀리, 피동풀리 및 가이드 풀리(구비되어 있는 경우에 한해서) 주위에서 동일한 방향, 즉 벨트의 톱니 형성면측으로 굴곡된다. 상기와 같은 구조의 경우 상반굴곡 드라이브를 구비한 실시예에 비해서 풀리의 크기를 감소시킬 수 있음은 본 발명이 속한 통상의 기술자에게 쉽게 이해될 것이다.

본 발명의 출원인은 상술한 종류의 액츄에이터가 일예로 국제출원 WO2002/016995 및 WO2002/100608에 개시된 종류의 로보트 암에 대하여 탁월한 제어효과를 낳는다는 사실을 발견하였다. 이와 같은 액츄에이터는 비교적 낮은 출력의 모터를 사용하여 로보트 암의 제어선에 대하여 상당한 힘을 작용함과 아울러 상대적으로 콤팩트하기 때문에 제어선(55)에 대한 부가적인 배선을 필요로 함이 없이 액츄에이터군을 암과 병렬적으로 장착할 수가 있다.

Claims (14)

1. 제1 구동풀리(28);

   제1 구동풀리(28)와 서로 연결되어 함께 회전하는 제2 구동풀리(29);

   제1 피동풀리(52; 70);

   제2 피동풀리(53; 72);

   제1 및 제2 구동풀리와 제1 및 제2 피동풀리에 장착되는 환상 구동벨트(40);

   제1 및 제2 구동풀리를 구동시켜 환상 구동벨트를 작동시키는 모터(19);

   적어도 한 개의 피동풀리를 구비한 피동부재(50; 88; 71, 73);

   로 이루어지며, 이때 상기 제1 및 제2 구동풀리는 회전시 제1 구동풀리의 원주속도가 제2 구동풀리의 원주속도와 차이를 보이도록 배열되고, 환상 구동벨트는 구동풀리와 피동풀리 사이에서 루프를 형성하여 제1 구동풀리와 제2 구동풀리의 원주속도 차이에 의해서 피동부재의 이동이 일어나도록 구성됨을 특징으로 하는 액츄에이터.
2. 제1항에 있어서, 제1 및 제2 구동풀리는 아래의 이유:

   {i} 제1 구동풀리는 제2 구동풀리와 상이한 원주길이를 구비하거나;

   {ii} 제1 구동풀리는 제2 구동풀리와 상이한 회전속도를 나타내거나;

   {iii} 제1 구동풀리는 제2 구동풀리와 상이한 원주길이를 구비함과 아울러 제1 구동풀리는 제2 구동풀리와 상이한 회전속도를 나타내는 것

   에 의해서 회전시 원주속도의 차이를 보이도록 배열됨을 특징으로 하는 액츄에이 터.
3. 제1항에 있어서, 피동부재는 두 개의 피동부재(71, 73)으로 이루어지고, 이들 피동부재(71, 73)는 제2 구동벨트(74)에 의해서 서로 연결되며, 제2 구동벨트(74)는 풀리(81)에 장착되어 회전이동함을 특징으로 하는 액츄에이터.
4. 제1항에 있어서, 피동부재는 선형이동을 하도록 장착된 캐리지(50; 88)인 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
5. 제4항에 있어서, 제1 피동풀리와 제2 피동풀리는 모두 캐리지(50; 88)상에 장착되며, 제1 가이드풀리(48)와 제2 가이드풀리(49)가 부가적으로 구비되어 환상 구동벨트는 이들 제1 가이드풀리와 제2 가이드풀리와도 결합하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
6. 제5항에 있어서, 상기 피동풀리(52, 53)는 구동풀리(28)(29)와 가이드풀리(48, 49) 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
7. 제6항에 있어서, 환상 구동벨트는, 제1 구동풀리(28)로부터 제1 피동풀리(52)로, 제1 피동풀리(52)로부터 제2 구동풀리(29)로, 제2 구동풀리(29)에서 제1 가이드풀리(48)로, 제1 가이드풀리(48)에서 제2 구동풀리(53)로, 제2 구동풀리(53) 에서 제2 가이드풀리(49)로 그리고 제2 가이드 풀리(49)에서 원래의 제1 구동풀리(28)로 이어지는 경로를 취하며, 환상 구동벨트는 제1 피동풀리(52)와 구동풀리(28)(29) 사이에서 제1 루푸를 형성하고, 제2 피동풀리(53)와 가이드 풀리(48)(49) 사이에서 제2 루프를 형성하며, 제1 방향으로 구동풀리(28)(29)의 회전시 제1 루프의 길이가 증가되는 한편으로 그에 상응하여 제1 루프의 길이감소가 일어나는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
8. 제6항에 있어서, 제3 피동풀리(84)와 제4 피동풀리(85)를 부가적으로 구비하고, 구동풀리(28, 29)와 네 개의 피동풀리(52, 53, 84, 85) 모두가 피동부재(88)상에 장착되며, 환상 구동벨트는 구동벨트는 제1 구동풀리(28)로부터 제1 피동풀리(52)로, 제1 피동풀리(52)로부터 제1 가이드 풀리(48)로, 제1 가이드 풀리(48)로부터 제3 피동풀리(84)로, 제3 피동풀리(84)로부터 제2 구동풀리(29)로, 제2 구동 풀리(29)에서 제4 피동풀리(85)로, 제4 피동풀리(85)에서 제2 가이드풀리(49)로, 제2 가이드풀리(49)에서 제2 피동풀리(53)로, 제2 피동풀리(53)에서 최초의 제1 구동풀리(28)로 이어지는 경로를 형성하며, 환상 구동벨트는 제1 가이드 풀리와 제1 및 제3 피동풀리 사이에서 제1 루프를 형성하며, 제2 가이드풀리와 제2 및 제4 피동풀리 사이에서 제2 루프를 형성하여 구동풀리의 제1 방향 회전에 의해서 제1 루프의 길이가 증가되는 한편으로 그에 상응하여 제2 루프의 길이감소가 일어나게 됨을 특징으로 하는 액츄에이터.
9. 제1항에 있어서, 두 개의 피동부재(71, 73)를 구비하며, 각 피동부재는 각각의 피동풀리(70, 72)상에 장착되고, 환상 구동벨트는 제1 구동풀리(28)로부터 제1 피동풀리(70)로, 제1 피동풀리(70)로부터 제2 구동풀리(29)로, 제2 구동풀리(29)로부터 제2 피동풀리(72)로, 그리고 제2 피동풀리(72)로부터 다시 제1 구동풀리(29)로 이어지는 경로를 취하며, 환상 구동벨트(40)는 제1 피동풀리(70)와 구동풀리(28)(29) 사이의 제1 루프와 제2 피동풀리(72)와 구동풀리(28)(29) 사이의 제2 루프를 형성하여 제1 방향으로 구동풀리가 회전함에 따라 제1 루프의 길이가 증가되는 한편으로 그에 상응하여 제2 루프의 길이감소가 일어나게 됨을 특징으로 하는 액츄에이터.
10. 제1항에 있어서, 두 개의 피동부재(71, 73)를 구비하며, 각 피동부재는 각각의 피동풀리(70, 72), 제1 가이드 풀리(48) 및 제2 가이드풀리(49)상에 장착되고, 환상 구동벨트는 제1 구동풀리(28)로부터 제1 가이드풀리(48)로, 제1 가이드풀리(48)로부터 제1 피동풀리(70)로, 제1 피동풀리(70)로부터 제2 피동풀리(29)로, 제2 구동풀리(29)로부터 제2 피동풀리(72)로, 제2 피동풀리(72)로부터 제2 가이드풀리(49)로, 그리고 제2 가이드풀리(49)로부터 다시 제1 구동풀리(28)로 이어지는 경로를 취하며, 환상 구동벨트는 제1 피동풀리와 제2 구동풀리 및 제1 가이드 풀리 사이에서 제1 루프를 형성하며, 제2 피동풀리와 제2 구동풀리 및 제2 가이드풀리 사이에서 제2 루프를 형성하고, 구동풀리의 제1 방향 회전에 따라 제1 루프의 길이가 증가되는 한편으로 그에 상응하여 제2 루프의 길이 감소가 일어나게 됨을 특징 으로 하는 액츄에이터.
11. 제1항에 있어서, 제어선(55; 55a, 55b)은 피동부재에 연결되어 피동부재의 이동에 의해서 그에 상응하는 제어선의 이동이 일어나게 됨을 특징으로 하는 액츄에이터.
12. 제1항에 있어서, 제1 구동풀리(28)와 제2 구동풀리(29)는 서로 반대방향으로 회전하도록 연결됨을 특징으로 하는 액츄에이터.
13. 제1항에 있어서, 제1 구동풀리와 제2 구동풀리는 각기 회전축을 구비하고 있으며, 제1 구동풀리의 회전축은 제2 구동풀리의 회전축과 평행하고, 제1 피동풀리와 제2 피동풀리는 각기 회전축을 구비하고 있으며, 제1 피동풀리의 회전축과 제2 피동풀리의 회전축은 제1 구동풀리의 회전축 및 제2 구동풀리의 회전축과는 평행하지 않은 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
14. 제13항에 있어서, 구동풀리와 피동풀리는 이들 풀리에 연결 장착되는 구동벨트가 실질적으로 측방향 이동이 발생되지는 않는 가운데 비틀림 이동이 이루어지도록 배열됨을 특징으로 하는 액츄에이터.

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