KR20100007515A - 로봇용 어깨 관절 액츄에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로봇용 어깨 관절 액츄에이터에 관한 것으로, 하우징부재(30)에 장착되는 피치 모션 회전체부재(40)와, 요 모션 회전체부재(60), 상기 피치 모션 회전체부재(40)를 피치 모션으로 작동하는 제 1 회전 모터(10)와, 상기 요 모션 회전체 부재(60)를 요 모션으로 작동하는 제 2 회전 모터(20)와, 제 1, 2 회전 모터(10, 20)의 작동을 제어하는 제어기기(80)를 포함하여 하나로 모듈화한 것이다.

본 발명은 로봇을 구성하는 어깨 관절 액츄에이터를 하나의 모듈로 개발함으로써, 로봇을 구성하는 각 부분을 패키지화하는 효과가 있는 것이다.

또한 본 발명은 어깨 관절 액츄에이터를 독립적으로 제어하는 분산 제어 시스템으로 로봇 관절 동작의 구현 유연성을 높이고, 다자유도 로봇을 구현하는데 있어 공간적, 동시성의 한계를 극복하는 효과가 있는 것이다.

Description

로봇용 어깨 관절 액츄에이터{Shoulder Jointing Actuator for Robot}

본 발명은 로봇용 어깨 관절 액츄에이터에 관한 것으로, 더 상세하게는 어깨 관절 액츄에이터를 독립 모듈화하도록 발명된 것이다.

일반적으로 근래의 산업현장에서는 사람의 인력을 대신하여 고난이도의 작업을 정확하게 수행하기 위한 산업용 로봇이 사용되고 있다

또한 로봇은 점차적으로 다양하게 개발되어 산업용 로봇뿐만 아니라 회사의 안내용 로봇 등과 같은 서비스용 로봇으로 사용되고 있으며, 그리고, 인간과 같이 2발 직립 보행을 하는 휴머노이드 로봇이 개발되고 있다.

상기 산업용 로봇, 서비스용 로봇, 휴머 노이드 로봇은 팔 관절을 이루는 로봇 암이 기본적으로 구비되며, 이러한 로봇 암은 통상 모터와 독립형 구동 드라이버 형태로써 여러 개의 단일 구동체로 이루어지는데, 상기 로봇 암에서 각 관절부를 작동시키는 모터는 단순히 직렬로 배치되어 각 관절 부분이 연결된 상태로만 작동 가능하도록 구성되는 것이다.

그러나, 상기한 종래의 로봇 암에 적용되는 다 자유도 관절은 기술 개발에서의 상이한 구형 메커니즘과 그에 따른 부품의 상이성으로 인해 구동 모듈의 구현에 많은 어려움이 존재하기 때문에, 이러한 로봇용 다 자유도 관절 메카니즘은 모터와 독립형 구동 드라이버 형태로 되어 있는 여러개의 단일 구동체의 조합으로 구성되는데, 상기 단일 구동체의 모터가 단순한 직렬형 모터 배치에 의존하고 있어 공간적, 동시성에 한계가 있는 문제점이 있었던 것이다.

본 발명의 목적은 피치와 요 모션을 하는 모터를 포함하여 일체로 모듈화함으로써 개별 제어없이 로봇 관절 동작의 구형 유연성을 높일 수 있는 로봇용 어깨 관절 액츄에이터를 제공하는 데 있다.

이러한 본 발명의 과제는 전기 전원을 공급받아 작동되어 제 1 샤프트를 회전시키는 제 1 회전 모터와,

전기 전원을 공급받아 작동되어 제 2 샤프트를 회전시키는 제 2 회전 모터와;

상기 제 1, 2 회전 모터의 제 1, 2 샤프트가 서로 반대편으로 돌출되게 상기 제 1, 2 회전 모터가 장착 고정되는 하우징부재와;

상기 제 1 회전 모터의 제 1 샤프트가 돌출된 상기 하우징부재의 일면에 구비되며, 제 1 회전 모터의 제 1 샤프트에 연결되어 제 1 샤프트의 회전 방향과 대응되게 회전하는 피치 모션 회전체부재와;

상기 제 2 회전 모터의 제 2 샤프트부가 돌출된 하우징부재의 타면에 구비되며, 제 2 샤프트부의 회전 방향과 수직 방향으로 회전하는 힌지부를 구비한 고정부재와;

상기 고정부재의 힌지부에 회전 가능하게 힌지 결합하는 요 모션 회전체부재와;

상기 제 2 샤프트의 회전력을 요 모션 회전체부재로 전달하여 요 모션 회전체부재를 제 2 샤프트의 회전방향과 수직방향으로 회전시키는 동력 전달 기어부재와;

상기 하우징부재에 구비되며, 제 1, 2 회전 모터의 작동을 제어하는 제어기기를 포함한 로봇용 어깨 관절 액츄에이터를 제공함으로써 해결되는 것이다.

본 발명은 로봇을 구성하는 어깨 관절 액츄에이터를 하나의 모듈로 개발함으로써, 로봇을 구성하는 각 부분을 패키지화하는 효과가 있는 것이다.

또한 본 발명은 어깨 관절 액츄에이터를 독립적으로 제어하는 분산 제어 시스템으로 로봇 관절 동작의 구현 유연성을 높이고, 다자유도 로봇을 구현하는데 있어 공간적, 동시성의 한계를 극복하는 효과가 있는 것이다.

본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 분해 사시도로서, 본 발명의 구성을 각각 분해하여 상세히 나타내고 있다.

도 2는 본 발명을 도시한 사시도로서, 도 1에서 분해된 것을 조립하여 완성된 본 발명을 나타내고 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예를 도시한 단면도로서, 피치 모션 회전체부재의 구성을 나타내고 있다.

도 4a 내지 도 4b는 본 발명의 하모닉 드라이버를 도시한 개략도로서, 하모닉 드라이버의 작동 상태를 예시하고 있다.

이하, 도 1에서 도시한 바와 같이 본 발명의 제 1, 2 회전 모터(10, 20)는 각각 전기 전원을 공급받아 회전력을 발생시키는 것으로, 발생된 회전력을 출력하는 출력축으로 제 1, 2 샤프트(11, 21)를 각각 구비한다.

또, 상기 제 1, 2 회전 모터(10, 20)는 각각 제 1, 2 샤프트(11, 21)가 각각 서로 반대편을 향하도록 하우징부재(30)에 장착되는 것을 기본으로 하며, 각각 상, 하부를 향하도록 하우징부재(30)에 장착되는 것을 기본으로 하여 설명한다.

상기 하우징부재(30)는 제 1 회전 모터(10)의 제 1 샤프트(11)가 관통되어 결합하는 제 1 샤프트 결합구멍(31a)을 구비하며, 제 1 회전 모터(10)의 단부가 장착되고, 제 2 회전 모터(20)의 반대측 단부가 장착되는 제 1 하우징부(31)와;

제 2 회전 모터(20)의 제 2 샤프트(21)가 관통되어 결합하는 제 2 샤프트 결합구멍(32a)을 구비하며, 제 2 회전 모터(20)의 단부가 장착되고, 제 2 회전 모터(20)의 반대측 단부가 장착되는 제 2 하우징부(32)를 포함한다.

즉, 제 1 회전 모터(10)의 일단부는 제 1 샤프트(11)가 제 1 샤프트 결합구멍(31a)을 통해 결합하여 제 1 하우징부(31)에 장착되고, 반대측 단부는 제 2 하우징부(32)에 장착 고정되는 것이다.

또 제 2 회전 모터(20)의 일단부는 제 2 샤프트(21)가 제 2 샤프트 결합구멍(32a)을 통해 결합하여 제 2 하우징부(32)에 장착되고, 반대측 단부는 상기 제 1 하우징부(31)에 장착 고정되는 것이다.

상기 제 1, 2 회전 모터(10, 20)는 제 1, 2 하우징부(31, 32)에 각각 볼트로 볼팅되어 장착되는 것을 기본으로 하여 볼트를 풀어 해제함으로써 분해 가능한 것이다.

또 상기 하우징부재(30)에는 제 1, 2 회전 모터(10, 20)의 작동을 제어하는 제어기기(80)가 구비되며, 상기 제어기기(80)는 외부로부터 작동 신호를 인가받아 모터의 회전 속도 및 방향 등을 제어하는 것으로, 제 1, 2 회전 모터(10, 20) 중 어느 하나의 모터 케이싱 내에 내장되어 구비되는 것을 기본으로 하며, 제 1, 2 회전 모터(10, 20)를 장착하고 남은 하우징부재(30)의 내부 공간을 이용하여 하우징부재(30)에 장착될 수도 있는 것이다.

한편, 상기 제 1 회전 모터(10)의 제 1 샤프트(11)가 돌출된 상기 하우징부재(30)의 일면 즉, 제 1 하우징부(31)의 하부면에는 제 1 회전 모터(10)의 제 1 샤프트(11)에 연결되어 회전력을 전달받아 제 1 샤프트(11)의 회전 방향과 대응되게 회전하는 피치 모션 회전체부재(40)가 구비된다.

상기 피치 모션 회전체부재(40)는 제 1 회전 모터(10)의 회전력을 전달받아 모터 하우징의 중심에서 회전하여 회전력을 출력하는 피치 모션 출력부(41)와;

상기 하우징부재(30)의 중심에 결합되어 상기 피치 모션 출력부(41)에 연결되는 입력 축(100)을 구비하여 상기 제 1 회전 모터(10)의 회전력을 피치 모션 출력부(41)로 전달하는 기어부(42)를 포함한다.

상기 기어부(42)는 제 1 회전 모터(10)의 제 1 샤프트(11)에 결합하는 제 1 스퍼어 기어(42a)와;

상기 피치 모션 출력부(41)로 회전력을 전달하는 입력 축(100)이 구비되며, 입력 축(100)에 결합하여 제 1 스퍼어 기어(42a)에 맞물리려 회전하는 제 2 스퍼어 기어(42b)를 포함한다.

또 상기 피치 모션 출력부(41)는 도 4a에서 도시한 바와 같이 링 형상으로 형성되며 상기 하우징부재(30)의 일면에 장착되고, 내주면에 치가 형성된 서큘러 스플라인(Circular Spline)(91)과;

외주면에 상기 서큘러 스플라인(91)의 치에 맞물리는 치가 형성되고, 출력 축에 연결되며 금속 탄성체로 컵 형상으로 형성된 플렉스 스플라인(Flex Spline)(92)과;

상기 기어부(42)의 입력 축(100)에 연결되는 타원형상의 캠(93a) 외주면에 볼 베어링(93b)을 매개로 회전하며 탄성 변형하는 외륜(93c)이 구비되는 웨이브 제너레이터(Wave Generator)(93)를 포함한 하모닉 드라이브(90)를 사용하는 것이 바람직하다.

또 상기 하모닉 드라이브(90)는 서큘러 스플라인(91)의 내치를 플렉스 스플라인(92)의 외치보다 많게 형성하여 감속하는 것이다.

상기 웨이브 제너레이터(93)는 상기 기어부(42)의 입력 축(100)이 결합하여 고정되는 타원형 캠(93a)과, 상기 캠(93a)의 외주면에 구비되는 볼 베어링(93b)과, 상기 볼 베어링(93b)의 볼을 매개로 탄성 변형하는 외륜(93c)을 구비한 것이다.

즉, 상기 하모닉 드라이브(90)의 플렉스 스플라인(92)은 웨이브 제너레이터(93)에 의해 탄성적으로 타원형상을 가지도록 변형되는데, 타원 형상의 장축에서 외치가 서큘러 스플라인(91)의 내치와 맞물리고, 단축에서는 치가 분리된 상태로 유지되는 것이다.

그리고 입력 축(100)을 통해 웨이브 제너레이터(93)를 회전시키면 도 4b에서 도시한 바와 같이 플렉스 스플라인(92)은 탄성 변형하여 타원 형상에서 장축 부분이 회전하게 되는데, 이와 함께 플렉스 스플라인(92)의 외치와 서큘러 스플라인(91)의 내치가 맞물린 위치가 순차적으로 이동해 가면서 플렉스 스플라인(92)이 회전하게 되는 것이다.

이렇게 회전되는 플렉스 스플라인(92)의 회전력을 출력으로 하여 사용하는 것이다.

한편, 하우징부재(30)에서 상기 제 2 회전 모터(20)의 제 2 샤프트(21)가 돌출된 타면에는 제 2 샤프트(21)의 회전 방향과 수직 방향으로 회전하는 힌지부를 구비한 고정부재(50)가 구비된다.

상기 고정부재(50)는 힌지부에 요 모션의 회전력을 전달하는 입력 축(100)이 결합하는 베어링을 구비하여 입력 축(100)이 원활히 회전되도록 안내하며, 제 2 하우징부(32)의 상부면에서 중앙부분에 돌출되게 볼트로 체결되어 장착되어 일 측에는 힌지부에 회전 가능하게 힌지 결합하여 요 모션으로 작동하는 요 모션 회전체부재(60)가 구비되고, 반대 측에는 상기 제 2 샤프트(21)의 회전력을 요 모션 회전체부재(60)로 전달하여 요 모션 회전체부재(60)를 제 2 샤프트(21)의 회전방향과 수직방향으로 회전시키는 동력 전달 기어부재(70)가 구비되는 것이다.

상기 요 모션 회전체부재(60)는 상기 고정부재(50)의 힌지부에 회전 가능하 게 결합하여 상기 동력 전달 기어부재(70)를 통해 회전력을 전달받아 회전하는 입력 축(100)을 구비하며, 입력 축(100)으로 입력된 회전을 감속하여 출력하는 모션 감속부(61)와;

상기 모션 감속부(61)의 출력 축에 연결되며 회전하는 연결 링크부(62)를 포함한다.

상기 연결 링크부(62)는 본 발명인 로봇용 어깨 관절 액츄에이터가 장착되는 로봇 암 몸체에 결합하여 고정되는 부분으로, 결합되는 로봇 암 몸체에 따라 변형되어 다양하게 실시될 수 있음을 밝혀둔다.

또 상기 모션 감속부(61)는 도 4a에서 도시한 바와 같이 링 형상으로 형성되며 상기 하우징부재(30)의 일면에 장착되고, 내주면에 치가 형성된 서큘러 스플라인(Circular Spline)(91)과;

외주면에 상기 서큘러 스플라인(91)의 치에 맞물리는 치가 형성되고, 출력 축에 연결되며 금속 탄성체로 컵 형상으로 형성된 플렉스 스플라인(Flex Spline)(92)과;

상기 기어부(42)의 입력 축(100)에 연결되는 타원형상의 캠(93a) 외주면에 볼 베어링(93b)을 매개로 회전하며 탄성 변형하는 외륜(93c)이 구비되는 웨이브 제너레이터(Wave Generator)(93)를 포함한 하모닉 드라이브(90)를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 하모닉 드라이브(90)의 상세한 구성 및 작동은 상기에서 설명하였으므로 생략함을 밝혀둔다.

한편, 상기 요 모션 회전체부재(60)로 제 2 회전 모터(20)의 회전력을 전달하는 동력 전달 기어부재(70)는 제 2 회전 모터(20)의 제 2 샤프트(21)에 결합하는 제 1 베벨 기어(71)와;

상기 요 모션 회전체부재(60)의 입력 축(100)에 결합하며, 제 1 베벨 기어(71)에 맞물려 회전하는 제 2 베벨 기어(72)를 포함한다.

즉, 상기 동력 전달 기어부재(70)는 제 1, 2 베벨 기어(71, 72)를 통해 제 2 회전 모터(20)의 회전력을 수직 방향으로 변환해 요 모션 회전체부재(60)가 요 모션으로 작동할 수 있도록 하는 것이다.

본 발명은 상기한 바와 같이 피치 모션으로 작동하는 피치 모션 회전체부재(40)와, 요 모션으로 작동하는 요 모션 회전체부재(60), 및 이 두 모션을 제어하는 제어기기(80)까지 포함하여 하나로 모듈화한 어깨 관절 액츄에이터를 제공하는 것이다.

따라서, 본 발명은 어깨 관절 액츄에이터를 독립적으로 제어하는 분산 제어 시스템으로 로봇 관절 동작의 구현 유연성을 높이고, 다자유도 로봇을 구현하는데 있어 공간적, 동시성의 한계를 극복하는 것이다.

본 발명은 상기한 실시 예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지에 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있으며 이는 본 발명의 구성에 포함됨을 밝혀둔다.

도 1은 본 발명의 분해 사시도

도 2는 본 발명을 도시한 사시도

도 3은 본 발명의 일 실시 예를 도시한 단면도

도 4a 내지 도 4b는 본 발명의 하모닉 드라이버를 도시한 개략도

*도면 중 주요 부호에 대한 설명*

10 : 제 1 회전 모터 11 : 제 1 샤프트

20 : 제 2 회전 모터 21 : 제 2 샤프트

30 : 하우징부재 31 : 제 1 하우징부

32 : 제 2 하우징부 40 : 피치 모션 회전체부재

41 : 피치 모션 출력부 42 : 기어부

50 : 고정부재 51 : 힌지부

60 : 요 모션 회전체부재

Claims (9)

1. 전기 전원을 공급받아 작동되어 제 1 샤프트를 회전시키는 제 1 회전 모터와,

   전기 전원을 공급받아 작동되어 제 2 샤프트를 회전시키는 제 2 회전 모터와;

   상기 제 1, 2 회전 모터의 제 1, 2 샤프트가 서로 반대편으로 돌출되게 상기 제 1, 2 회전 모터가 장착 고정되는 하우징부재와;

   상기 제 1 회전 모터의 제 1 샤프트가 돌출된 상기 하우징부재의 일면에 구비되며, 제 1 회전 모터의 제 1 샤프트에 연결되어 제 1 샤프트의 회전 방향과 대응되게 회전하는 피치 모션 회전체부재와;

   상기 제 2 회전 모터의 제 2 샤프트부가 돌출된 하우징부재의 타면에 구비되며, 제 2 샤프트부의 회전 방향과 수직 방향으로 회전하는 힌지부를 구비한 고정부재와;

   상기 고정부재의 힌지부에 회전 가능하게 힌지 결합하는 요 모션 회전체부재와;

   상기 제 2 샤프트의 회전력을 요 모션 회전체부재로 전달하여 요 모션 회전체부재를 제 2 샤프트의 회전방향과 수직방향으로 회전시키는 동력 전달 기어부재와;

   상기 하우징부재에 구비되며, 제 1, 2 회전 모터의 작동을 제어하는 제어기 기를 포함한 것을 특징으로 하는 로봇용 어깨 관절 액츄에이터.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 하우징부재는 상기 제 1 회전 모터의 제 1 샤프트가 관통되어 결합하는 제 1 샤프트 결합구멍을 구비하며, 제 1 회전 모터의 단부가 장착되고, 제 2 회전 모터의 반대측 단부가 장착되는 제 1 하우징부와;

   상기 제 2 회전 모터의 제 2 샤프트가 관통되어 결합하는 제 2 샤프트 결합구멍을 구비하며, 제 2 회전 모터의 단부가 장착되고, 제 2 회전 모터의 반대측 단부가 장착되는 제 2 하우징부를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇용 어깨 관절 액츄에이터.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 제어기기는 제 1, 2 회전 모터 중 어느 하나의 모터 케이싱 내에 내장되어 구비되는 것을 특징으로 하는 로봇용 어깨 관절 액츄에이터.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 피치 모션 회전체부재는 제 1 회전 모터의 회전력을 전달받아 모터 하우징의 중심에서 회전하여 회전력을 출력하는 피치 모션 출력부와;

   상기 하우징부재의 중심에 결합되어 상기 피치 모션 출력부에 연결되는 입력 축을 구비하여 상기 제 1 회전 모터의 회전력을 피치 모션 출력부로 전달하는 기어 부를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇용 어깨 관절 액츄에이터.
5. 청구항 4에 있어서,

   상기 기어부는 제 1 회전 모터의 제 1 샤프트에 결합하는 제 1 스퍼어 기어와;

   상기 피치 모션 출력부로 회전력을 전달하는 입력 축이 구비되며, 입력 축에 결합하여 제 1 스퍼어 기어에 맞물리려 회전하는 제 2 스퍼어 기어를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇용 어깨 관절 액츄에이터.
6. 청구항 5에 있어서,

   상기 피치 모션 출력부는 링 형상으로 형성되며 상기 하우징부재의 일면에 장착되고, 내주면에 치가 형성된 서큘러 스플라인(Circular Spline)과;

   외주면에 상기 서큘러 스플라인(91)의 치에 맞물리는 치가 형성되고, 출력 축에 연결되며 금속 탄성체로 컵 형상으로 형성된 플렉스 스플라인(Flex Spline)과;

   상기 기어부의 입력 축에 연결되는 타원형상의 캠 외주면에 볼 베어링을 매개로 회전하며 탄성 변형하는 외륜이 구비되는 웨이브 제너레이터(Wave Generator)를 포함한 하모닉 드라이브를 사용하는 것을 특징으로 하는 로봇용 어깨 관절 액츄에이터.
7. 청구항 1에 있어서,

   상기 요 모션 회전체부재는 상기 고정부재의 힌지부에 회전 가능하게 결합하여 상기 동력 전달 기어부재를 통해 회전력을 전달받아 회전하는 입력 축을 구비하며, 입력 축으로 입력된 회전을 감속하여 출력하는 모션 감속부와;

   상기 모션 감속부의 출력 축에 연결되며 회전하는 연결 링크부를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇용 어깨 관절 액츄에이터.
8. 청구항 7에 있어서,

   상기 모션 감속부는 링 형상으로 형성되며 상기 하우징부재의 일면에 장착되고, 내주면에 치가 형성된 서큘러 스플라인(Circular Spline)과;

   외주면에 상기 서큘러 스플라인의 치에 맞물리는 치가 형성되고, 출력 축에 연결되며 금속 탄성체로 컵 형상으로 형성된 플렉스 스플라인(Flex Spline)과;

   상기 기어부의 입력 축에 연결되는 타원형상의 캠 외주면에 볼 베어링을 매개로 회전하며 탄성 변형하는 외륜이 구비되는 웨이브 제너레이터(Wave Generator)를 포함한 하모닉 드라이브를 사용하는 것을 특징으로 하는 로봇용 어깨 관절 액츄에이터.
9. 청구항 1에 있어서,

   상기 동력 전달 기어부재는 제 2 회전 모터의 제 2 샤프트에 결합하는 제 1 베벨 기어와;

   상기 요 모션 회전체부재의 입력 축에 결합하며, 제 1 베벨 기어에 맞물려 회전하는 제 2 베벨 기어를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇용 어깨 관절 액츄에이터.

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