KR20090093282A - 액츄에이터 모듈 및 액추에이터 모듈 세트 - Google Patents

액츄에이터 모듈 및 액추에이터 모듈 세트

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Abstract

본 발명은 다관절 로봇에 이용되는 소형 액추에이터 모듈에 대한 것으로서, 특히 마스터-슬레이브 방식으로 동작하는 소형 액추에이터 모듈 세트에 대한 것이다. 본 발명의 소형 액추에이터 모듈 세트는 마스터 액추에이터와 슬레이브 액추에이터를 커넥터로 연결하여 구성되며 마스터 액추에이터의 모터 제어용 신호를 마스터 액추에이터의 모터 드라이버와 슬레이브 액추에이터의 모터 드라이버에 동일하게 제공하는 것을 특징으로 한다.

Description

마스터-슬레이브 방식으로 동작하는 소형 액추에이터 모듈 세트 {master-slave typed small-sized actuator module set}
본 발명은 다관절 로봇에 이용되는 소형 액추에이터 모듈에 대한 것으로서, 특히 마스터-슬레이브 방식으로 동작하는 소형 액추에이터 모듈 세트에 대한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 소형 액추에이터 모듈 및 그 세트를 이용하여 구성되는 다관절 로봇에 대한 것이다.
특허출원 제 10-2005-0042316 호는 만능결합구조를 가진 다관절 로봇에 관한 것으로서, 동일한 크기의 다수의 액추에이터 모듈들을 연결부재들을 이용하여 상호 결합함으로써 구성되는 다양한 형태의 다관절 로봇을 예시하고 있다.
도 1a는 종래의 다관절 로봇(100)을 예시하고 있으며, 도 1b는 다관절 로봇(100)의 다리와 발목 부분을 도시하고 있다.
도 1a 및 도 1b의 다관절 로봇(100)의 구조를 보면 하중이 많이 가해지는 하부 즉, 다리와 발목 부분 등이나 상대적으로 하중이 적게 가해지는 상부 즉, 팔 부분 등에 동일한 크기의 대형 액추에이터 모듈들을 이용하고 있으므로, 전체적으로 다관절 로봇(100)이 소형 경량화되기가 곤란하며, 다관절 로봇(100)의 상부에 이용되는 액추에이터 모듈들의 자체 무게로 인해 다관절 로봇(100)의 하부에 하중에 과중하게 가해지는 단점이 있다. 하부에 가해지는 하중을 견디기 위해서는 큰 토크를 제공할 수 있는 대형 액추에이터를 이용해야 하는데 이러한 경우 다관절 로봇(100)의 상부의 대형 액추에이터 모듈의 무게 증가로 인해 또다시 하부에 가해지는 하중이 증가되는 과정이 반복될 수 있다.
본 발명은 종래의 다관절 로봇에 제공된 대형 액추에이터 모듈의 문제점을 해결하기 위해, 다관절 로봇의 하부에 가해지는 과중한 하중을 경감할 수 있는 구조를 가지며, 전체적으로 소형 경량화된 다관절 로봇을 제작할 있도록 해 주는 소형 액추에이터 모듈 세트 및 이를 이용한 다관절 로봇을 제공하는 것을 목적으로 한다.
단순히 복수의 소형 액추에이터 모듈을 이용하여 하나의 관절부를 형성하는 방안의 경우, 다관절 로봇의 각 관절에 배치된 복수의 액추에이터 모듈이 독립적인 신호에 의해 동작하게 되므로 액추에이터 모듈 세트가 완전한 동기를 이루기가 곤란하며 이에 따라 액추에이터 모듈 세트가 하나의 관절로서 원활한 동작을 하기가 불가능해 진다.
따라서, 본 발명은 소형 액추에이터 모듈 세트가 완전히 동기화되어 동작함으로써 소형 액추에이터 모듈 세트가 하나의 관절 기능을 수행하도록 함을 목적으로 한다.
본 발명의 소형 액추에이터 모듈은 동작을 전반적으로 제어하는 중앙처리수단(CPU), 모터, 상기 중앙처리수단과 상기 모터 사이에 연결되어 있으며 상기 중앙처리수단의 제어에 따라 상기 모터를 구동하는 모터 드라이버, 및 상기 중앙처리수단에 연결되어 있으며 다른 소형 액추에이터 모듈과의 신호 전송을 위한 커넥터를 포함하는 것을 특징으로 한다. 나아가 상기 소형 액추에이터 모듈은 상기 중앙처리수단과 다관절 로봇의 중앙제어부 사이의 무선 통신을 위한 통신부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 소형 액추에이터 모듈은 모터 제어용 신호 단자들을 활성화 또는 비활성화시킴에 따라 각각 마스터 모드와 슬레이브 모드의 듀얼 모드로 동작함을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 소형 액추에이터 모듈 세트는 마스터 액추에이터와 슬레이브 액추에이터를 커넥터로 연결하여 구성되며 마스터 액추에이터의 모터 제어용 신호를 마스터 액추에이터의 모터 드라이버와 슬레이브 액추에이터의 모터 드라이버에 동일하게 제공하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 소형 액추에이터 모듈 세트에서 듀얼 모드 커넥터의 연결 방향을 전환함에 의해 마스터 액추에이터와 슬레이브 액추에이터가 동일 방향으로 회전하는 모드와 서로 다른 방향으로 회전하는 모드가 전환되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 소형 액추에이터 모듈 세트는 모터의 휠이 서로 반대 방향을 향하도록 상호 결합하여 동작하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 소형 액추에이터 모듈 세트의 각 소형 액추에이터는 동작을 전반적으로 제어하는 중앙처리수단(CPU), 모터, 상기 중앙처리수단과 상기 모터 사이에 연결되어 있으며 상기 중앙처리수단의 제어에 따라 상기 모터를 구동하는 모터 드라이버, 및 상기 중앙처리수단에 연결되어 있으며 다른 소형 액추에이터 모듈과의 신호 전송을 위한 커넥터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 다관절 로봇은 상기 소형 액추에이터 모듈 세트로 구성된 적어도 하나의 관절을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 소형 액추에이터 모듈 세트는 다관절 로봇의 하부에 가해지는 과중한 하중을 경감할 수 있는 구조를 가지며, 전체적으로 소형 경량화된 다관절 로봇을 제작할 있도록 해 준다.
또한, 본 발명의 소형 액추에이터 모듈 세트는 마스터 액추에이터 모듈의 제어 신호가 마스터 액추에이터 모듈과 슬레이브 액추에이터 모듈에 동일하게 인가되므로 소형 액추에이터 모듈 세트가 완전히 동기화되어 동작할 수 있으며, 소형 액추에이터 모듈 세트가 다관절 로봇의 하나의 관절 기능을 완전히 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 소형 액추에이터 모듈 세트는 복수의 소형 액추에이터 모듈 세트를 상호 교차하는 구동축을 가지도록 배치할 수 있어서, 역기구학적으로 액추에이터 모듈의 동작 제어를 위한 수식 계산 및 그 해를 구하기가 용이해 진다.
도 1a는 종래의 다관절 로봇의 예시도.
도 1b는 종래의 다관절 로봇의 다리와 발목 부분의 예시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 소형 액추에이터 모듈 세트의 구성도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 소형 액추에이터 모듈 세트의 2개조 결합예시도.
도 4와 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 마스터-슬레이브 방식으로 동작하는 소형 액추에이터 모듈 세트의 내부 구성도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 소형 액추에이터 모듈 세트로 구성된 다수의 관절부를 구비하도록 구성된 다관절 로봇의 예시도.
이하 첨부도면에 도시된 본 발명의 실시예를 참조하여 본 발명을 더 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 소형 액추에이터 모듈 세트의 결합도이다. 좌측의 마스터 액추에이터 모듈(210)과 우측의 슬레이브 액추에이터 모듈(220)은 상호 반대되는 방향으로 배치되고, 슬레이브 액추에이터 모듈(220)의 일측에 제공된 듀얼 모드 커넥터(225)와 마스터 액추에이터 모듈(210)의 반대측에 제공된 듀얼 모드 커넥터(미도시)를 배선 연결함에 의해 전기적으로 연결되어 하나의 액추에이터 모듈 세트를 구성한다.
마스터 액추에이터 모듈(210)과 슬레이브 액추에이터 모듈(220)은 동일한 구조를 가지며 다만 중앙처리수단(미도시)의 기능적인 설정에 의해 마스터로 동작할 것인지 슬레이브로 동작할 것인지가 결정된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 소형 액추에이터 모듈 세트가 2개조 결합된 구성도이다. 도 3에 도시된 본 발명의 소형 액추에이터 모듈 세트는 두 개의 액추에이터 모듈 세트가 연결부재(미도시)를 이용하여 결합하되, 제1액추에이터 모듈 세트의 구동축(310)이 제2액추에이터 모듈 세트의 구동축(320)과 교차점 A에서 직교하도록 결합되어 있다.
이와 같이 직교하는 구동축들(310, 320)을 가지도록 소형 액추에이터 세트가 상호 결합될 경우 역기구학(Inverse Kinematics)적으로 수식 계산 및 그 해를 구하기가 용이해지기 때문에, 상기 소형 액추에이터 모듈 세트가 다관절 로봇의 관절을 구성할 경우 예컨대 다관절 로봇의 발이 이동할 목표 지점을 미리 정한 후에 이러한 목표 지점에 도달하도록 하는 각부의 관절을 구성하는 액추에이터 모듈 세트의 동작을 제어하기가 용이해 진다.
도 4와 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 마스터-슬레이브 방식으로 동작하는 소형 액추에이터 모듈 세트를 도시하고 있다.
먼저, 도 4에 도시된 소형 액추에이터 모듈 세트의 각 액추에이터 모듈(210, 220)은 액추에이터 모듈의 동작을 전반적으로 제어하는 중앙처리수단(CPU)(214), 모터(218), 상기 중앙처리수단(214)과 상기 모터(218) 사이에 연결되어서 중앙처리수단(214)의 제어에 따라 모터(218)를 구동하는 모터 드라이버(216), 및 중앙처리수단(214)에 연결되어 있으며 타 소형 액추에이터 모듈과의 신호 전송을 위한 커넥터(215)를 포함하도록 구성된다. 이때 소형 액추에이터 모듈(210)은 중앙처리수단(214)과 다관절 로봇의 중앙제어부 사이의 무선 통신을 위한 통신부(212)를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
도 4에서 좌측의 마스터 액추에이터 모듈(210)과 우측의 슬레이브 액추에이터 모듈(220)은 동일한 내부 구조를 가지며, 다만 중앙처리수단(214, 224)의 기능적이 활성화(enabled)되면 마스터 액추에이터 모듈(210)로 동작하고 비활성화(disabled)되면 슬레이브 액추에이터 모듈(220)로 동작하게 된다.
또한 통상의 모터 구동에 있어서는 속도 조절을 위해서 PWM 신호를 사용하고 별도로 회전 방향을 설정하는 신호를 사용하지만, 도 4의 경우에는 두 개의 PWM 신호(PWM A, PWM B)를 사용하여 모터를 구동한다. 예컨대 정회전일때 PWM A 신호를 사용하여 속도 제어를 하고 역회전일때 PWM B 신호를 사용하여 속도 제어를 하는 방식이다.
마스터 액추에이터 모듈(210)의 경우에는 중앙처리수단(214)의 기능의 활성화 여부를 결정하는데 이용되는 활성화 단자(enable)가 모두 활성화(enable)되어 있으므로 모터 속도 제어를 위해 이용되는 신호단자들(PWM A, PWM B) 중 어느 신호가 인가되는가에 따라 모터의 속도와 회전 방향이 설정되며, 슬레이브 액추에이터 모듈(220)의 경우에는 활성화 단자(enable)가 비활성화(disable)되어 있으므로 모터 제어를 위해 이용되는 신호단자들(PWM A, PWM B)로부터 신호가 인가되지 않게되며, 따라서 마스터 액추에이터 모듈(210)에서 결정한 모터 속도와 회전 방향에 의해 마스터 액추에이터 모듈(210)과 슬레이브 액추에이터 모듈(220)의 회전 방향 및 속도가 결정된다.
이와 같이 마스터 액추에이터 모듈(210)과 슬레이브 액추에이터 모듈(220)이 각각의 커넥터(215, 225)를 통해 연결된 상태에서 마스터 액추에이터 모듈(210)만이 활성화되면 마스터 액추에이터 모듈(210)의 모터 제어 신호가 동일하게 슬레이브 액추에이터 모듈(220)의 모터 구동부(226)에 인가되고 두 개의 모터(218, 228)는 동일한 방향으로 회전하게 된다. 이러한 경우 각 액추에이터 모듈이 도 2에서와 같이 배치되었다면 마스터 액추에이터 모듈(210)의 휠(211)과 슬레이브 액추에이터 모듈(220)의 휠(221)이 서로 반대방향으로 회전하게 된다.
한편, 도 4에서 동일한 모터 제어 신호가 마스터 액추에이터 모듈(210)과 신호가 슬레이브 액추에이터 모듈(220)의 모터 드라이버(216, 226)에 동일하게 인가되므로, 무시가능한 정도의 시간지연을 제외하면, 마스터 액추에이터 모듈(210)과 슬레이브 액추에이터 모듈(220)이 완전한 시간 동기를 이루며 동작하게 됨을 알 수 있다.
도 5는 마스터 액추에이터 모듈(210)과 슬레이브 액추에이터 모듈(220)이 서로 다른 방향으로 회전하도록 연결된 구성도이다.
도 5에서 마스터 액추에이터 모듈(210)의 커넥터(215)와 슬레이브 액추에이터 모듈(220)의 커넥터(225) 사이의 결선 관계는 도 4에서와 반대로 되어 있으며, 마스터 액추에이터 모듈(210)만이 활성화되고 슬레이브 액추에이터 모듈(220)은 비활성화된 상태에서 소형 액추에이터 모듈 세트가 동작하게 된다.
이와 같이 마스터 액추에이터 모듈(210)과 슬레이브 액추에이터 모듈(220)이 각각의 커넥터(215, 225)를 통해 반대 방향으로 연결된 상태에서 마스터 액추에이터 모듈(210)만이 활성화되면 마스터 액추에이터 모듈(210)의 모터 제어 신호가 반대 극성으로 슬레이브 액추에이터 모듈(220)의 모터 구동부(226)에 인가되고 두 개의 모터(218, 228)는 서로 반대 방향으로 회전하게 된다. 이러한 경우 각 액추에이터 모듈이 도 2에서와 같이 배치되었다면 마스터 액추에이터 모듈(210)의 휠(211)과 슬레이브 액추에이터 모듈(220)의 휠(221)이 동일한 방향으로 회전하게 된다.
이렇게 완전히 동기화된 두 액추에이터 모듈(210, 220)이 동일 방향으로 회전할 경우 도 2에 배치된 액추에이터 모듈 세트는 다관절 로봇의 관절부에 이용되어 마치 하나의 대형 액추에이터 모듈처럼 이용될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 소형 액추에이터 모듈 세트(210, 220)로 구성된 다수의 관절부를 구비하도록 구성된 다관절 로봇의 도시하고 있다.
도 6에서와 같이 다관절 로봇의 상부 즉, 팔, 손목 등의 관절을 하나의 소형 액추에이터 모듈(230)로 구성하고 다관절 로봇의 하부 즉, 다리, 발목 등의 관절을 두 개의 소형 액추에이터 모듈(210, 220) 즉, 소형 액추에이터 모듈 세트로 구성할 수 있으며, 이러한 경우 도 1의 종래의 다관절 로봇(100)에 비해서 다관절 로봇의 상부에 배치된 액추에이터 모듈의 자체 무게가 감소되므로 다관절 로봇의 하부에 미치는 하중이 경감되는 동시에 다관절 로봇의 하부에 배치된 소형 액추에이터 모듈 세트에서 발생하는 토크가 상부의 하중을 충분히 지탱할 수 있으므로, 보다 안정적이고 소형 경량화된 다관절 로봇의 구성이 가능하며 소형 액추에이터 모듈의 이용에 따라 더욱 저렴한 비용으로 다관절 로봇을 구성할 수 있게 된다.

Claims (8)

  1. 소형 액추에이터 모듈에 있어서,
    상기 소형 액추에이터 모듈의 동작을 전반적으로 제어하는 중앙처리수단;
    모터;
    상기 중앙처리수단과 상기 모터 사이에 연결되어 있으며 상기 중앙처리수단의 제안에 따라 상기 모터를 구동하는 모터 드라이버; 및
    상기 중앙처리수단에 연결되어 있으며 다른 소형 액추에이터 모듈과의 신호 전송을 위한 커넥터를 포함하는 것을 특징으로 하는 소형 액추에이터 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 중앙처리수단에 구비된 활성화 신호 단자를 활성화 또는 비활성화시킴에 따라 마스터 모드와 슬레이브 모드의 듀얼 모드로 동작함을 특징으로 하는 소형 액추에이터 모듈.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 중앙처리수단에는 정방향 회전시의 속도 제어를 위한 신호 단자와 역방향 회전시의 속도 제어를 위한 신호 단자가 독립적으로 제공되는 것을 특징으로 하는 소형 액추에이터 모듈.
  4. 마스터 액추에이터와 슬레이브 액추에이터를 전기적으로 연결하여 구성되며, 상기 슬레이브 액추에이터의 모터 제어용 신호를 비활성화하고 상기 마스터 액추에이터의 모터 제어용 신호를 상기 마스터 액추에이터와 상기 슬레이브 액추에이터에 동일하게 제공하는 것을 특징으로 하는 액추에이터 모듈 세트.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 액추에이터 모듈 세트에서 상기 전기적 연결 방향을 전환함에 의해 상기 마스터 액추에이터의 회전 방향에 대한 상기 슬레이브 액추에이터의 회전 방향이 변경되는 것을 특징으로 하는 액추에이터 모듈 세트.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 액추에이터 모듈 세트의 각 액추에이터 모듈은,
    액추에이터 모듈 자체의 동작을 전반적으로 제어하는 중앙처리수단;
    모터;
    상기 중앙처리수단과 상기 모터 사이에 연결되어 있으며 상기 중앙처리수단의 제안에 따라 상기 모터를 구동하는 모터 드라이버; 및
    상기 중앙처리수단에 연결되어 있으며 다른 액추에이터 모듈과의 신호 전송을 위한 커넥터를 포함하는 것을 특징으로 하는 액추에이터 모듈 세트.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 중앙처리수단은 모터의 정방향 회전을 위한 신호단자와 역방향 회전을 위한 신호단자를 독립적으로 구비하는 것을 특징으로 하는 액추에이터 모듈 세트.
  8. 제 4 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각 액추에이터 모듈은 휠을 더 포함하며, 상기 휠이 서로 반대 방향으로 향하도록 상호 결합된 것을 특징으로 하는 액추에이터 모듈 세트.
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