KR20090088154A - 영구자석과 전자석의 복합 적용 방식을 이용한 강성 발생장치 및 이를 구비하는 로봇 머니퓰레이터의 조인트 - Google Patents

영구자석과 전자석의 복합 적용 방식을 이용한 강성 발생장치 및 이를 구비하는 로봇 머니퓰레이터의 조인트 Download PDF

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KR20090088154A KR1020080013533A KR20080013533A KR20090088154A KR 20090088154 A KR20090088154 A KR 20090088154A KR 1020080013533 A KR1020080013533 A KR 1020080013533A KR 20080013533 A KR20080013533 A KR 20080013533A KR 20090088154 A KR20090088154 A KR 20090088154A
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Abstract

본 발명은 자기력을 이용하여 강성을 발생시키면서 제어할 수 있는 강성 발생 장치 및 이를 이용한 로봇 머니퓰레이터의 조인트를 제공하는 것을 목적으로 한다. 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 피동 부재와 연결되는 회전축과; 상기 회전축에 고정되며, 전자석으로 구성된 로터; 및 상기 로터의 상부와 하부에 간격을 두고 각각 배치되고, 중앙에 관통공이 형성되는 원판형으로 이루어지며, 구동모터에 의하여 회전될 수 있는 영구자석으로 구성되는 한 쌍의 스테이터를 포함하는 강성 발생 장치를 제공한다.
강성, 머니퓰레이터, 스테이터, 로터, 영구자석, 전자석

Description

영구자석과 전자석의 복합 적용 방식을 이용한 강성 발생 장치 및 이를 구비하는 로봇 머니퓰레이터의 조인트{Device for generating stiffness using complex application of PM-type and VCM-type, and joint of robot manipulator comprising the same}
본 발명은 강성 발생 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 영구자석과 전자석을 복합적으로 적용하여 강성을 발생시키면서 제어할 수 있는 강성 발생 장치 및 이 강성 발생 장치가 사용되는 로봇 머니퓰레이터의 조인트에 관한 것이다.
로봇 머니퓰레이터의 조인트에 적용되는 종래의 강성 부여 방법으로는 기계적인 스프링을 사용하는 방법 및 추가되는 메커니즘 없이 머니퓰레이터에 가해지는 힘을 감지하여 그에 맞도록 가상적인 스프링 효과가 나타나도록 조인트의 구동모터를 제어하는 방법이 알려져 있다.
별도의 기계적인 스프링을 사용하는 방법의 경우, 작업 환경에 따라 강성 조절이 불가능할 수 있고, 정해진 스프링 상수로만 동작하는 문제점이 있다. 또한, 상기의 기계적인 스프링을 사용하는 방법은 별도의 구동장치를 통해 강성을 조절할 수 있도록 구성될 수 있으나, 이 경우 강성을 신속하게 변화시킬 수 없다는 문제점 이 있다.
가상적인 스프링의 효과가 나타나도록 조인트의 구동모터를 제어하는 방법 으로 영구자석을 사용하는 방법(Permanent-Magnet-type; PM-type) 및 전자석을 사용하는 방법(Voice-Coil-Motor-type; VCM-type)이 알려져 있다.
상기 영구자석을 사용하는 방법은 원하는 큰 토크를 얻어낼 수 있는 장점이 있으나, 가변 강성을 얻기 위해서는 추가적으로 기구학적인 메커니즘이 필요한 단점이 있다. 또한, 상기 전자석을 사용하는 방법은 빠른 응답성을 가지고 있으나, 발생되는 토크가 매우 작다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 강성을 용이하게 조절할 수 있으며, 응답 및 토크 특성이 개선되도록 영구자석과 전자석을 복합적으로 적용하여 강성을 발생시키는 강성 발생 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 링크의 회전에 가변될 수 있는 강성이 발생되도록 상기 강성 발생 장치가 적용된 로봇 머니퓰레이터의 조인트를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 강성 발생 장치는 피동 부재와 연결되는 회전축과; 상기 회전축에 고정되며, 짝수개의 전자석으로 구성된 로터; 및 상기 로터의 상부와 하부에 간격을 두고 각각 배치되고, 중앙에 관통공이 형성되는 원판형으로 이루어지며, 구동모터에 의하여 회전될 수 있는 영구자석으로 구성되는 한 쌍의 스테이터를 포함한다.
상기 로터는 상기 회전축이 끼워지는 링부; 및 상기 링부의 외측에 배치되어 연결되며, 상기 코일이 감기어 전자석을 이루는 짝수개의 코어를 포함할 수 있다. 상기 코어는 상호 결합시 방사상으로 간격을 두고 배치되는 복수 개의 날개편을 형성할 수 있다.
또한, 상기 코일은 상기 로터의 코어의 절반에 N극을 형성하고, 나머지 절반에 S극을 형성하도록 감길 수 있으며, 상기 로터는 N극과 S극이 번갈아 배치될 수 있다.
또한, 상기 N극을 위한 코일의 권선수와 상기 S극을 위한 코일의 권선수는 동일할 수 있다.
또한, 상기 강성 발생 장치는 상기 회전축과 상기 피동 부재와의 연결을 용이하게 하기 위한 요크를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 로터는 상기 코일에 전류를 인가하기 위한 전류 인가 수단을 포함할 수 있으며, 상기 전류 인가 수단은 상기 코일에 흐르는 전류를 조절하는 전류 조절 수단을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 강성 발생 장치는 상기 스테이터를 상기 회전축의 축 방향으로 상기 로터에 대하여 상대 이동시키는 스테이터 변위 수단을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 로봇 머니퓰레이터의 조인트는 로봇 머니퓰레이터를 구성하는 링크부; 상기 링크부를 구동하기 위한 구동모터; 및 상기 링크부와 상기 구동모터를 연결하는 상기 강성 발생 장치를 포함한다. 여기서, 상기 구동모터는 상기 강성 발생 장치의 스테이터와 연결되고, 상기 강성 발생 장치의 회전축은 상기 링크부에 연결된다.
또한, 상기 로봇 머티퓰레이터의 조인트는 상기 로터와 상기 스테이터 중 어느 하나에 고정되어 상기 로터와 상기 스테이터의 상대 변위를 측정할 수 있는 센서를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 강성 발생 장치는 자기력을 이용해 강성을 발생시키므로, 비교적 간단한 구조로 강성을 발생시킬 수 있다. 또한, 전자석의 코일에 흐르는 전류 를 조절하거나, 로터와 스테이터의 상대 위치를 조정하여 비교적 간단하게 강성을 제어할 수 있다.
기존의 전자석만 이용한 강성 발생 장치는 발생되는 토크가 매우 작고, 큰 토크를 얻기 위한 영구자석만을 이용한 강성 발생 장치는 가변 강성을 얻기 위하여 추가적인 메커니즘이 필요하나, 본 발명에 따른 강성 발생 장치는 빠른 응답성의 장점을 유지하면서, 토크의 특성을 개선시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 강성 발생 장치는 비교적 간단하게 강성의 제어가 가능하므로, 외부와의 접촉이 일어나는 환경에서는 로봇 머니퓰레이터의 안정성이 보장되도록 강성을 쉽게 낮출 수 있고, 고속 이동이 필요할 때는 강성을 쉽게 높일 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 강성 발생 장치를 안정성이 보장되어야만 하는 로봇 머니퓰레이터의 조인트에 적용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 강성 발생 장치는 로봇 머니퓰레이터의 적용에 한정되지 않고, 다양한 응용분야에 적용 가능하다.
이하, 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 강성 발생 장치의 분해 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 로터의 결합 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 강성 발생 장치(100)는, 피동부재와 연결되는 회전축(110)과, 상기 회전축(110)에 고정되며, 짝수개의 전자석(141)으로 구성된 로터(140)와, 상기 로터(140)의 상부와 하부에 간격을 두고 각각 배치되고, 중앙에 관통공이 형성되는 원판형으로 이루어지며, 구동모터에 의하여 회전될 수 있는 영구자석으로 구성되는 한 쌍의 스테이터(130)를 포함한다.
또한, 상기 로터(140)는 상기 회전축(110)이 끼워지는 링부(142) 및 상기 링부(142)의 외측에 배치되어 연결되며, 코일(141b)이 감기어 전자석(141)으로 작용하는 짝수개의 코어(141a)를 포함한다. 상기 코어(141a)는 상호 결합시 방사상으로 간격을 두고 배치되는 복수 개의 날개편(141c)을 형성할 수 있다.
상기 회전축(110)은 상기 로터(140)의 링부(142)에 견고하게 결합된다. 따라서, 상기 로터(140)가 회전함에 따라 상기 회전축(110)도 같이 회전하게 되어, 상기 피동부재에 회전력을 전달한다. 피동부재에 회전력을 전달하기 위해서 상기 피동부재와 상기 회전축(110)이 바로 연결될 수도 있으나, 그 연결을 용이하게 하기 위해서, 요크(120)가 설치된다. 상기 요크(120)는 상기 피동부재에 따라 다양한 형태의 실시예가 가능하다.
상기 로터(140)의 상기 코일(141b)에 전류가 흐르게 되면, 자화 가능한 재료로 이루어진 상기 코어(141a)가 전자석(141)으로 작용하게 된다. 따라서, 영구자석으로 이루어진 상기 스테이터(130)와 상호 자기장을 형성하게 되고, 상기 로터(140)의 코일(141b)에 전류인가시에 상기 로터(140)와 상기 스테이터(130)은 자 기력에 의한 기준 위치를 형성하게 된다.
그리고, 상기 스테이터(130)는 중앙에 관통공이 형성되어 있는바, 상기 회전축(110)에 끼워질 수 있다. 다만, 상기 스테이터(130)는 상기 회전축(110)을 중심으로 회전하기는 하나, 상기 회전축(110)과는 독립적으로 회전하게 된다. 따라서, 상기 구동모터에 의해 상기 스테이터(130)가 회전하는 경우, 상기 로터(140)와 상기 스테이터(130) 간에 상대위치가 변하게 된다. 상기 상대 위치가 변하게 되면, 상기 로터(140)의 전자석(141)의 자기력에 의해 상기 로터(140)가 상기 스테이터(130)의 회전 방향으로 끌리게 된다. 상기 스테이터(130)가 회전하면, 상기 로터(140)의 전자석(141)과 상기 스테이터(130)의 반응면이 변위된 기준위치로 자기력에 의하여 복귀하여, 상기 스테이터(130)의 회전이 상기 회전축(110)으로 전달된다. 즉, 상기 구동모터에 의해 직접 상기 피동부재에 회전력을 전달하는 것과 달리, 상기 강성 발생 장치(100)는 자기력에 의해 강성을 발생시키고, 이를 상기 피동부재에 전달하게 된다.
상기 로터(140)는 코일(141b)이 감기어 전자석(141)을 이루는 코어(141b)의 결합으로 이루어지며, 상기 코어(141b)는 "M"자 모양을 형성하여, 상호 결합시 방사상으로 간격을 두고 배치되는 날개편(141c)을 형성할 수 있다. 상기 날개편 형성 부분은 상호 결합시 예를 들어 볼트와 너트와 같은 고정수단으로 상기 코어(141b)를 서로 견고히 고정시킬 수 있는 위치를 제공한다. 또한, "M"자 형태를 이룸으로써 상기 링부(142)와의 결합도 용이하게 될 수 있다.
상기 스테이터(130)가 상기 회전축(110)과 독립적으로 회전하는 경우, 상기 회전축(110)과 간섭을 일으키지 않도록, 내부에 베어링(미도시)을 포함할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 코일(141b)은 상기 로터(140)의 코어(141a)의 절반에 N극을 형성하고, 나머지 절반에 S극을 형성하도록 감기며, 이에 따라 N극과 S극이 번갈아 배치되도록 할 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 코어(141a)에 감기는 코일(141b)의 권선 방향을 달리함으로써, N극과 S극을 형성하도록 할 수 있으며, 상기 전자석(141)은 N극과 S극이 번갈아 배치된다. 이러한 배치를 통해 상기 스테이터(130)와의 관계에서 기준위치의 변화에 따른 반응도를 높여줄 수 있게 된다.
또한, 상기 N극을 위한 코일(141b) 및 S극을 위한 코일(141b)의 권선수을 동일하게 할 수 있다. 상기 N극을 위한 코일(141b) 및 S극을 위한 코일(141b)의 권선수가 동일한 경우, 상기 전자석(141)은 동일한 자기력을 가지게 되는바, 상기 강성 발생 장치(100)에 의해 발생된 강성을 보다 일정하게 제어할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스테이터(130)는 짝수개의 분면을 갖는 영구자석이 될 수 있으며, 상기 로터(140)와 마찬가지로 상기 짝수개의 분면에 N극과 S극이 번갈아 배치될 수 있다.
도 1을 참조하면, 상기 스테이터(130)는 짝수개의 분면으로 구성될 수 있으며, 각각 N극과 S극이 번갈아 배치되게 함으로써, 상기 로터(140)와의 반응도를 높여줄 수 있다. 상기 분면은 상기 로터(140)의 전자석(141)을 이루는 코어(141a)의 개수와 동일한 것이 바람직하다. 아울러, 상기 스테이터(130)는 짝수개의 층으로 이루어질 수 있다. 이러한 형태를 통해 상기 스테이터(130)는 보다 큰 자성을 지닐 수 있다.
상기 강성 발생 장치(100)는 코일(141b)의 권선수가 일정할 경우, 자기력선 밀도를 최대화함으로써, 토크를 최대화할 수 있다. 이때 토크는 면적에 비례하기 때문에 자기력선 밀도가 상기 로터(140)의 회전각도에 따라 일정하다면, 각도에 따른 힘이 선형적이다.
도 3은 강성 발생 장치(100)을 해석하기 위한 강성 발생 장치(100)의 부분 사시도이다. 도 3과 같은 조건에서 분석하면, 토크(T)는 다음과 같이 주어진다.
Figure 112008011160416-PAT00001
Figure 112008011160416-PAT00002
F는 본 발명에 따른 강성 발생 장치의 구동력이 기본이 되는 로렌츠 힘이며, T는 토크, N은 코일(141b)의 권선수, B는 자기력선 밀도, I는 코일(141b)에 인가되는 전류, ro 는 원의 중심으로부터 상기 로터(140)의 외측반경, ri 는 원의 중심으로부터 상기 로터(140)의 내측반경이다.
즉, 본 발명에 따른 강성 발생 장치(100)는 상기 로터(140)와 상기 스테이터(130) 간의 자기력에 의해 강성을 발생시키게 된다. 영구자석을 다양하게 함으로써 다른 강성을 발생시키는 강성 발생 장치를 설계할 수 있지만, 상기 강성 발생 장치(100)는 상기 로터(140)의 전자석(141)이 띠는 자기력을 조정함으로써 간단히 강성을 제어할 수 있다.
상기 로터(140)의 자기력을 조정하기 위한 방법으로서, 상기 코일(141b)에 공급되는 전류를 조정할 수 있다. 상기 코일(141b)에 큰 전류를 흘려주게 되는 경우, 상기 전자석(141)은 보다 큰 자성을 띠게 될 것이고, 상기 로터(140)와 상기 스테이터(130)에 의해 발생되는 강성은 더 커지게 된다.
또한, 상기 강성 발생 장치(100)는 상기 로터(140)의 코일(141b)에 전류를 인가하기 위한 전류 인가 수단을 포함할 수 있다. 나아가, 상기 전류를 조절하는 전류 조절 수단을 더 포함할 수 있다.
도 2를 참조하면, 전류 인가 수단의 개략적인 전기회로(160)가 도시되어 있다. 상기 전기회로(160)는 상기 코일(141b)에 전류를 인가하기 위한 공지의 전기회로의 사용이 가능하며, 특히 상기 코일(141b)에 전원을 인가하기 위한 전원(161)과 전류의 크기를 조절하기 위한 전류 조절 수단으로서 전류 레귤레이터(162)를 포함할 수 있다.
상기 로터(140)의 자기력을 조정하기 위한 또 다른 방법으로서, 상기 로터(140)와 상기 스테이터(130) 간의 위치를 변화할 수 있다. 상기 로터(140)와 상기 스테이터(130) 간의 자기장의 크기는 그 거리와 비례하는 관계에 있는바, 상기 로터(140)와 상기 스테이터(130) 간의 거리를 상대적으로 더 멀게 조정하여 자기장의 크기를 감소시키면, 상기 로터(140)와 상기 스테이터(130)에 의해 발생되는 강성은 더 작아지게 된다.
또한, 상기 강성 발생 장치(100)는 상기 스테이터(130)를 상기 회전축(110)의 축 방향으로 상기 로터(140)에 대하여 상대 이동시키는 스테이터 변위 수단을 더 포함할 수 있다.
상기 스테이터(130)는 상기 회전축(110)을 중심으로 회전하기는 하나, 견고히 고정되지는 않는바, 상기 스테이터(130)의 양측에 고정되어, 상기 회전축(110)에서 축방향으로 위치를 잡아주는 위치 고정 장치(미도시)를 구성하는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 위치 고정 장치를 상기 회전축(110)의 축방향으로 이동시킴으로써 상기 스테이터(130)를 상기 로터(140)에 대하여 상대 이동시킬 수 있다. 상기 위치 고정 장치를 이동시킬 수 있는 수단은 다양한 실시예를 통해 가능할 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 로봇 머니퓰레이터의 조인트의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 로봇 머니퓰레이터의 조인트(10)는, 로봇 머니퓰레이터를 구성하는 링크부(13)와, 상기 링크부(13)를 구동하기 위한 구동모터(11), 및 상기 링크부(13)와 상기 구동모터(11)를 연결하는 본 발명에 따른 상기 강성 발생 장치(12)를 포함한다. 여기서, 상기 구동모터(11)는 상기 강성 발생 장치(100)의 스테이터(130)와 연결되고, 상기 강성 발생 장치(100)의 회전축(110)은 상기 링크부(13)에 연결된다.
상기 강성 발생 장치(100)의 스테이터(130)는 구동모터(11)의 구동축(11a)에 직접 고정되거나 다른 고정요소를 통해 구동축(11a)에 연결될 수 있다. 나아가, 상기 강성 발생 장치(100)가 상기 스테이터(130)의 양측에 고정되어 상기 회전 축(110)에서 축방향으로 위치를 잡아주는 위치 고정 장치를 구비하는 경우, 상기 스테이터(130)를 상기 구동모터(11)의 구동축(11a)에 고정시켜주는 요소 또한 상대 이동할 수 있도록 구성될 수 있다.
즉, 상기 로봇 머니퓰레이터의 조인트(10)의 구동모터(11)가 상기 강성 발생 장치(100)의 상기 스테이터(130)를 구동시키고, 별도의 전류 인가 수단 또는 상기 강성 발생 장치에 포함된 전류 인가 수단을 통해 상기 강성 발생 장치(100)의 로터(140)를 자성을 띠게 하여, 상기 강성 발생 장치(100)에서 강성을 발생 또는 제어하고, 상기 회전축(110)을 통해 상기 링크부(13)를 구동할 수 있는 것이다.
또한, 상기의 로봇 머니퓰레이터의 조인트(10)는 상기 로터(140)와 상기 스테이터(130) 중 어느 하나에 고정되어 상기 로터(140)와 상기 스테이터(130)의 상대 변위를 측정할 수 있는 센서를 포함할 수 있다. 상기 센서를 통해 상기 로터(140)나 스테이터(130)의 상대 변위에 대한 정보를 피드백하고, 발생하는 강성을 제어할 수 있도록 해준다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 강성 발생 장치의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 로터의 결합 사시도이다.
도 3은 강성 발생 장치의 해석을 위한 도 1에 도시된 강성 발생 장치의 부분 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 로봇 머니퓰레이터의 조인트의 구성을 나타낸 블록도이다.

Claims (12)

  1. 피동 부재와 연결되는 회전축;
    상기 회전축에 고정되며, 전자석으로 구성된 로터; 및
    상기 로터의 상부와 하부에 간격을 두고 각각 배치되고, 중앙에 관통공이 형성되는 원판형으로 이루어지며, 구동모터에 의하여 회전될 수 있는 영구자석으로 구성되는 한 쌍의 스테이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 강성 발생 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 로터는,
    상기 회전축이 끼워지는 링부;
    상기 링부의 외측에 배치되어 연결되며, 코일이 감기어 전자석을 이루는 짝수개의 코어를 포함하고;
    상기 코어는 상호 결합시 방사상으로 간격을 두고 배치되는 복수 개의 날개편을 형성하는 것을 특징으로 하는 강성 발생 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 코일은, 상기 로터의 코어의 절반에 N극을 형성하고, 나머지 절반에 S 극을 형성하도록 감기는 것을 특징으로 하는 강성 발생 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 로터는 N극과 S극이 번갈아 배치되는 것을 특징으로 하는 강성 발생 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 N극을 위한 코일의 권선수와 상기 S극을 위한 코일의 권선수가 동일한 것을 특징으로 하는 강성 발생 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 스테이터는 N극과 S극이 번갈아 배치되는 것을 특징으로 하는 강성 발생 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 회전축과 상기 피동 부재와의 연결을 용이하게 하기 위한 요크를 더 포 함하는 것을 특징으로 하는 강성 발생 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 로터는 상기 코일에 전류를 인가하기 위한 전류 인가 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 강성 발생 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 코일에 흐르는 전류를 조절하는 전류 조절 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강성 발생 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 스테이터를 상기 회전축의 축 방향으로 상기 로터에 대하여 상대 이동시키는 스테이터 변위 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 강성 발생 장치.
  11. 로봇 머니퓰레이터를 구성하는 링크부;
    상기 링크부를 구동하기 위한 구동모터; 및
    상기 링크부와 상기 구동모터를 연결하는 청구항 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 강성 발생 장치를 포함하고,
    상기 구동모터는 상기 강성 발생 장치의 스테이터와 연결되고, 상기 강성 발생 장치의 회전축은 상기 링크부에 연결되는 것을 특징으로 하는 로봇 머니퓰레이터의 조인트.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 로터와 상기 스테이터 중 어느 하나에 고정되어 상기 로터와 상기 스테이터의 상대 변위를 측정할 수 있는 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 머니퓰레이터의 조인트.
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