KR20130106140A - 관절장치 및 이를 포함한 로봇 - Google Patents

관절장치 및 이를 포함한 로봇 Download PDF

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KR20130106140A
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 관절장치는 제1프레임 및 제2프레임을 포함하는 프레임유닛의 각도를 조절토록, 상기 제1프레임 및 상기 제2프레임과 연결되는 구동유닛를 포함하며, 상기 구동유닛은 회전 구동력을 제공토록, 상기 제1프레임 및 상기 제2프레임과 축으로 연결되는 회전구동유닛 및 선형 구동력을 제공토록, 상기 회전구동유닛과 이격되어, 상기 제1프레임 및 상기 제2프레임과 핀연결된 적어도 하나의 선형구동유닛을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇은 상기 관절장치 및 상기 관절장치가 장착되는 바디를 포함할 수 있다.

Description

관절장치 및 이를 포함한 로봇{Articulation appratus and robot having thereof}
본 발명은 관절장치 및 이를 포함한 로봇에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선형구동유닛 및 회전구동유닛를 적용함으로써, 작고 가벼운 관절장치를 제공하여 로봇의 효율을 높이는 발명에 관한 것이다.
로봇은 가정용, 군사용, 산업용 로봇 등으로 다양한 분야에서 활용되어오고 있다. 특히 산업용 로봇으로써, 근력증강로봇에 대한 수요가 증가하고 있는 추세이다.
이러한 근력증강로봇이라고도 불리우는 착용형 로봇(Wearable Robot)은 사람의 몸에 착용된다. 그리고, 착용자의 동작의도를 기반으로 프레임에 연계된 액츄에이터를 동작시켜서 착용자의 물리적인 힘을 증폭시킨다.
이러한 착용형 로봇은 철강 또는 중공업 분야에서 사람의 힘으로 다루기 힘든 고부하의 하중을 다루거나, 프로그램화된 기계의 동작으로 수행하기 힘든 비 정형화된 반복 작업을 처리할 때 사용된다. 또한, 3D 기피현상에 의한 생산인력감소에 따른 작업 생산성 저하가 발생하지 않도록 하며 아울러 위험한 작업환경으로부터 작업자를 보호하는 역할도 한다.
착용형 로봇은 일반적으로 상지로봇과 하지로봇으로 나뉘어지며, 상지로봇은 팔관절과 어깨관절이 연계되어 착용자의 동작을 직접적으로 수행하고, 하지로봇은 상지로봇과 무거운 하중을 지지하며 착용형 로봇을 이동시키는 역할을 한다.
한편, 로봇의 상지는 크게 허리로부터 시작되는 관절과 어깨 관절 그리고 팔꿈치 관절로 이루어진다. 고부하의 하중을 들어올리기 위해서는 이 세곳의 관절 동작이 중요하다. 팔꿈치, 어깨, 그리고 허리 관절은 고부하의 하중을 다루면서 비교적 빠르고 큰 범위를 움직이기 때문에 빠른 회전속도와 큰 토크를 발생시키는 동력장치가 필요하고 그에 따른 적절한 감속기도 요구된다.
마찬가지로 근력지원 로봇의 하지에서는, 로봇 프레임의 상지와 들어올리는 하중의 무게를 지지하여야 하기 때문에 높은 관절 토크가 필요하다. 더욱이 무거운 하중을 들어올리며 로봇의 중심을 유지하여야 하기 때문에 빠른 관절의 움직임도 요구된다.
그러나, 인체와 협업하여 작업해야하는 작업 조건에 의하여 다관절의 구조를 형성하게 되고, 이에 따라 많은 수의 동력장치가 요구된다. 즉, 복잡해지는 기계적 구조 때문에 전체적인 근력지원 로봇의 사이즈가 커지게 되고, 이는 오히려 작업자의 움직임을 방해하게 된다.
따라서, 작은 크기로 높은 효율을 얻을 수 있는 동시에 가볍고 정확한 동작제어가 가능한 장치의 고안이 필요하게 되었다.
본 발명의 목적은 작은 크기와 가벼운 무게를 가지면서도 높은 출력을 낼 수 있고 정확한 제어가 가능한 관절장치 및 이를 포함한 로봇을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 관절장치는 제1프레임 및 제2프레임을 포함하는 프레임유닛의 각도를 조절토록, 상기 제1프레임 및 상기 제2프레임과 연결되는 구동유닛를 포함하며, 상기 구동유닛은 회전 구동력을 제공토록, 상기 제1프레임 및 상기 제2프레임과 축으로 연결되는 회전구동유닛 및 선형 구동력을 제공토록, 상기 회전구동유닛과 이격되어, 상기 제1프레임 및 상기 제2프레임과 핀연결된 적어도 하나의 선형구동유닛을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 관절장치의 상기 프레임유닛은 상기 선형구동유닛과 상기 프레임유닛을 핀연결시키도록, 상기 회전구동유닛과 접하는 상기 프레임유닛의 접촉부에 형성된 프레임힌지부를 포함하며, 상기 프레임힌지부는 상기 접촉부의 상기 프레임유닛 작동영역 방향 일측에 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 관절장치의 상기 회전구동유닛은 회전력을 제공하는 회전구동모터부, 속도를 조절토록 상기 회전구동모터부와 연결되며, 회전구동축으로 회전력을 전달하는 회전구동가감속부, 상기 회전구동유닛의 회전력을 제거토록, 상기 회전구동모터부와 연결된 브레이크 및 상기 회전구동축의 구동을 감지하는 센서부를 포함하며, 상기 선형구동유닛은 볼베어링을 내부에 제공하는 슬롯이 형성된 회전가능한 로터를 포함하는 선형구동모터부, 상기 선형구동모터부의 회전을 선형 구동력으로 변형토록, 상기 선형구동모터부에 나사조합에 의해 삽입되는 선형구동변형부 및 상기 선형구동모터부와 결합하며, 상기 제1프레임과 핀결합하는 선형구동연결부를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇은 상기 관절장치 및 상기 관절장치가 장착되는 바디를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 관절장치 및 이를 포함한 로봇은 크기를 작게 하면서도 높은 출력을 낼 수 있는 이점이 있으며, 관절 각도의 정확한 제어가 가능하다.
또한, 로봇의 운영 도중에 전원이 꺼지더라도 관절장치가 정지상태를 지속할 수 있기 때문에 로봇의 관절장치가 풀려 넘어지는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
한편, 복수의 선형구동유닛이 프레임유닛에 연결되는 경우에는 더 높은 출력을 낼 수 있는 효과가 있다.
또한, 프레임힌지부가 상기 프레임유닛 일단인 접촉부의 작동영역 방향 일단에 형성되는 경우에는 상기 프레임유닛의 운용각도를 넓게 할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예인 관절장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예인 관절장치를 개략적으로 도시한 측면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예인 관절장치를 개략적으로 도시한 작동상태도이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 관절장치의 선형구동유닛이 복수 개 포함된 것을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 관절장치의 프레임힌지부가 형성된 위치를 개략적으로 도시한 측면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예인 관절장치의 선형구동유닛을 개략적으로 도시한 부분절단 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예인 관절장치의 회전구동유닛를 개략적으로 도시한 부분절단 단면도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예인 로봇을 개략적으로 도시한 정면도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예인 관절장치(10)를 개략적으로 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예인 관절장치(10)를 개략적으로 도시한 측면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예인 관절장치(10)를 개략적으로 도시한 작동상태도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 관절장치(10)는 제1프레임(310) 및 제2프레임(320)을 포함하는 프레임유닛(300)의 각도를 조절토록, 상기 제1프레임(310) 및 제2프레임(320)과 연결되는 구동유닛을 포함하며, 상기 구동유닛은 회전 구동력을 제공하는 회전구동유닛(100) 및 선형 구동력을 제공하는 선형구동유닛(200)을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 관절장치(10)의 상기 회전구동유닛(100)은 상기 제1프레임(310) 및 상기 제2프레임(320)과 축으로 연결되며, 적어도 하나의 상기 선형구동유닛(200)은 상기 회전구동유닛(100)과 이격되어, 상기 제1프레임(310) 및 상기 제2프레임(320)과 핀연결될 수 있다.
상기 관절장치(10)는 로봇의 동작특성을 효율적인 동력 시스템에 의해 구축하기 위한 장치이다. 즉, 로봇의 동작특성을 실현하기 위해서는 많은 관절장치(10)와 모터 등의 동력장치가 부착되어야 하는데, 이러한 경우에 중량이 커지게 되는 문제점이 있어, 본 발명에서는 중량 대비 출력이 큰 동력장치를 포함한 관절장치(10)를 제공하는 것이다.
즉, 상기 관절장치(10)의 작동은 상기 회전구동유닛(100) 또는 상기 선형구동유닛(200) 중 적어도 하나가 구동력을 제공하는 경우에도 작동하나, 상기 회전구동유닛(100) 및 선형구동유닛(200)이 동시에 구동력을 제공하는 경우에는 중량 대비 큰 출력을 낼 수 있으며, 정확한 각도의 제어가 가능한 이점이 동시에 발생하게 된다.
상기 관절장치(10)는 중량 대비 큰 출력을 내기 위하여, 상기 선형구동유닛(200) 및 회전구동유닛(100)를 복합적으로 포함하여 구성할 수 있다. 상기 선형구동유닛(200)에 대하여는 도 6을 참조하여 후술하고, 상기 회전구동유닛(100)에 대하여는 도 7을 참조하여 후술하겠다.
상기 관절장치(10)의 상기 제1프레임(310)과 제2프레임(320)은 일정각도로 회전가능하도록 결합되어 있다. 즉, 후술할 선형구동유닛(200) 또는 회전구동유닛(100)에 연계되어 결합되어 있다.
상기 제1프레임(310)은 상기 선형구동유닛(200)과 핀결합할 수 있으며, 이를 위해 상기 제1프레임(310)에는 선형구동조절홈(330)이 형성될 수 있다. 상기 선형구동조절홈(330)은 상기 제1프레임(310)과 제2프레임(320)이 이루는 운영각도(OA)의 조절을 위해 다수의 홈으로 형성된 후에 상기 선형구동유닛(200)과 핀결합할 수 있다. 운영각도(OA)는 상기 선형구동유닛(200)에 의해 한정되어지는 상기 제1프레임(310)과 제2프레임(320)이 이루는 각도를 의미한다.
한편, 상기 제1프레임(310)과 제2프레임(320)은 상기 프레임유닛(300)의 일 구성요소로써, 대체가능한 구성요소이다. 따라서, 이하에서 설명할 제1프레임(310)에 대한 설명은 제2프레임(320)에도 그대로 적용될 수 있으며, 제2프레임(320)에 대한 설명은 제1프레임(310)에 그대로 적용될 수 있다.
또한, 상기 제1프레임(310)에는 상기 회전구동유닛(100)과 결합할 수 있는 제1프레임축홈(311)이 형성될 수 있으며, 후술할 상기 회전구동유닛(100)의 회전구동축(160)이 미끄럼 없이 결합하게 된다. 따라서 상기 회전구동유닛(100)의 회전 구동력이 상기 제1프레임(310)에 직접 전달될 수 있다.
상기 제2프레임(320)에는 상기 선형구동유닛(200)과 핀결합할 수 있는 프레임힌지부(340)가 형성될 수 있다. 이는 상기 선형구동유닛(200)의 작동시에 상기 제2프레임(320)과 고정되어 결합되지 않도록 하여, 상기 선형구동유닛(200)의 작동이 원활하게 하는 역할을 한다. 상기 프레임힌지부(340)에 대한 자세한 설명은 도 5를 참조하여 후술한다.
또한, 상기 제2프레임(320)은 상기 회전구동유닛(100)과 접하면서 고정되어 결합될 수 있다. 상기 회전구동유닛(100)과 접촉하는 상기 제2프레임(320)의 접촉부(350)는 상기 제2프레임(320)의 일단일 수 있다. 한편, 결합을 위해서, 상기 제2프레임(320)에 상기 회전구동유닛(100)이 면접촉하며 위치할 수 있으며, 나사결합, 용접결합 또는 본딩(bonding)결합 등으로 결합할 수 있다.
한편, 상기 회전구동유닛(100)과 접촉하는 상기 제2프레임(320)의 부분인 접촉부(350)에는 프레임힌지부(340)가 형성될 수 있으며, 이에 대한 자세한 설명은 도 5를 참조하여 후술한다.
상기 제2프레임(320)에는 상기 회전구동축(160)이 상기 제1프레임(310)과 결합하여 상기 제2프레임(320)의 간섭없이 회전하도록 제2프레임축홈(321)이 형성될 수 있다. 상기 제2프레임축홈(321)은 상기 제1프레임축홈(311) 보다 직경이 큰 것이 바람직하다.
한편, 상기 제1프레임(310)과 상기 제2프레임(320)은 상기 관절장치(10)를 로봇에 사용하는 경우에 설치되는 위치에 의해 구별되는 구성요소가 아니며, 상기 제1프레임(310)이 하단에 설치될 수도 있고, 상기 제2프레임(320)이 상단에 설치될 수도 있다. 즉, 서로 대체가능한 구성요소이다.
또한, 상기 관절장치(10)는 로봇의 상지 또는 하지의 관절에 사용되는 것이기 때문에 상기 제1프레임(310) 또는 상기 제2프레임(320)은 상기 관절장치(10)가 장착되는 부분을 지지하며 결합될 수 있는 형상이어야 한다. 일 실시예로써, 바(bar), 빔(beam) 또는 플레이트(plate) 형상일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
또한, 상기 관절장치(10)는 회전구동유닛(100)에 의해서 상기 제1프레임(310)과 제2프레임(320)을 직접적으로 구동시킴으로써, 원하는 각도로 회전하여 상기 제1프레임(310)과 제2프레임(320)을 구동시킬 수 있는 이점이 있다.
한편, 상기 회전구동유닛(100)은 상기 제1프레임(310)과 상기 제2프레임(320)이 특이점 상에 존재하여 상기 선형구동유닛(200)만으로 출력을 발생시킬 수 없는 경우에도 상기 제1프레임(310) 또는 상기 제2프레임(320)에 구동력을 제공할 수 있다. 즉, 상기 제1프레임(310)과 상기 제2프레임(320)이 일직선상에 있어, 선형 운동력만을 제공하는 상기 선형구동유닛(200)만으로는 평형을 이루고 있는 상기 제1프레임(310) 또는 상기 제2프레임(320)을 어느 방향으로도 회전시킬 수 없는 경우에도, 상기 회전구동유닛(100)은 회전 구동력에 의해 상기 제1프레임(310) 또는 상기 제2프레임(320)을 구동시킬 수 있는 것이다.
다만, 상기 회전구동유닛(100)은 각도의 제어는 용이하나 출력이 낮은 문제점이 있는데, 본 발명에서는 상기 선형구동유닛(200)을 포함하여 구성함으로써, 높은 출력도 동시에 얻을 수 있도록 구성되었다.
또한, 상기 선형구동유닛(200)은 선형구동력을 제공하는 유닛이라면 본 발명에 해당할 수 있다. 일 실시예로써, 모터를 이용한 전기식 선형구동유닛(200), 유체압력을 이용한 유압식 선형구동유닛(200)이 있다. 이하에서는 전기식 선형구동유닛(200)에 대하여 설명하겠다.
전기식 선형구동유닛(200)은 작은 부피의 모터에 의해 큰 출력을 발생시키는 것이기 때문에, 상기 관절장치(10)의 무게를 줄일 수 있는 이점이 발생한다. 한편, 상기 선형구동유닛(200)은 상기 제1프레임(310)과 제2프레임(320)이 이루는 각도를 정확하게 제어하는 것이 어려우나, 상기 회전구동유닛(100)에 의해 각도 제어의 정확성을 보완하게 된다.
한편, 상기 관절장치(10)는 로봇의 운영 도중에 전원이 꺼지더라도 정지상태를 지속할 수 있기 때문에 로봇의 관절장치(10)가 풀려 넘어지는 것을 방지할 수 있다. 즉, 상기 선형구동유닛(200)은 후술할 바와 같이 나사결합을 하고 있기 때문에 전원이 꺼지더라도 역구동을 할 수 없어, 상기 회전구동유닛(100)만으로 구동될 때와 달리, 상기 관절장치(10)가 풀리지 않고 정지상태를 유지할 수 있는 것이다.
상기 관절장치(10)의 작동은 상기 회전구동유닛(100)의 상기 회전구동축(160)이 회전(A4)하면서, 상기 회전구동축(160)과 연계된 상기 제1프레임(310)이 회전(A5)하여 작동하거나, 상기 선형구동유닛(200)의 후술할 선형구동모터부(210)가 회전하면서 전진(A1)하여 상기 선형구동유닛(200)과 연계된 상기 제1프레임(310)이 회전(A5)하여 작동하게 된다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 관절장치(10)는 상기 회전구동유닛(100) 및 상기 선형구동유닛(200)과 연결되어 상기 제1프레임(310) 및 상기 제2프레임(320)이 이루는 각도를 제어하는 제어부(400)를 더 포함할 수 있다.
즉, 제어의 정확성을 향상시키기 위해 상기 선형구동유닛(200) 및 상기 회전구동유닛(100)은 동일한 제어부(400)와 연결될 수 있으며, 전원을 공급하는 전원공급장치(Power supply: P)와 연결될 수 있다. 따라서, 동일한 제어부(400)에 연결되어 있는 상기 선형구동유닛(200) 및 상기 회전구동유닛(100)의 출력 및 각도를 상기 제어부(400)에 의해 제어하여 필요로 하는 출력 및 각도로 상기 프레임유닛(300)을 운영할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 관절장치(10)의 선형구동유닛(200)이 복수 개 포함된 것을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 관절장치(10)의 적어도 하나의 상기 선형구동유닛은 상기 회전구동유닛과 이격되어, 상기 제1프레임 및 상기 제2프레임과 핀연결될 수 있기 때문에, 상기 관절장치(10)는 상기 선형구동유닛(200)을 복수 개 포함할 수 있다.
즉, 상기 제1프레임(310) 및 상기 제2프레임(320)에는 상기 선형구동유닛(200)이 핀연결되는 프레임힌지부(340)가 각각 형성될 수 있다.
한편, 상기 회전구동유닛(100)과 상기 선형구동유닛(200)이 동시에 상기 프레임유닛(300)에 연결되어 있는 경우에는 상기 회전구동유닛(100)은 직접 회전력을 상기 프레임유닛(300)에 전달하기 때문에 상기 제1프레임(310) 및 상기 제2프레임(320)의 일단에 연결되는 것이 바람직하다.
이에 의해, 상기 회전구동유닛(100)이 상기 제1프레임(310) 및 상기 제2프레임(320)의 일단에 연결되는 경우에는 상기 선형구동유닛(200)은 상기 회전구동유닛(100)과의 접촉을 회피하기 위해 상기 제1프레임(310) 및 상기 제2프레임(320)의 일단 중 적어도 하나에 핀연결되어야 한다.
또한, 하나 이상의 상기 선형구동유닛(200)이 상기 프레임유닛(300)에 연결될 수 있기 때문에, 상기 제1프레임(310) 및 상기 제2프레임(320) 모두에 상기 선형구동유닛(200)이 핀연결될 수 있다. 이에 의하면, 상기 선형구동유닛(200)이 하나일 경우보다 두 배 이상의 출력을 낼 수 있는 이점이 있다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 관절장치(10)의 프레임힌지부(340)가 형성된 위치를 개략적으로 도시한 측면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 관절장치(10)의 상기 프레임유닛(300)은 상기 선형구동유닛(200)과 상기 프레임유닛(300)을 핀연결시키도록, 상기 회전구동유닛(100)과 접하는 상기 프레임유닛(300)의 접촉부(350)에 형성된 프레임힌지부(340)를 포함하며, 상기 프레임힌지부(340)는 상기 접촉부(350)의 상기 프레임유닛(300) 작동영역 방향(Operating Field: OF) 일측에 형성될 수 있다.
즉, 상기 프레임유닛(300)은 상기 회전구동유닛(100)과 접하는 상기 제1프레임(310) 또는 상기 제2프레임(320)의 일단인 접촉부(350)를 포함하며, 상기 접촉부(350)에는 상기 프레임유닛(300)의 작동영역(OF) 방향 일측에 상기 선형구동유닛(200)이 핀연결되는 프레임힌지부(340)가 형성될 수 있다.
이에 의하면, 상기 프레임유닛(300)의 운용각도(Operating Angle: OA)를 넓게 할 수 있는 이점이 있다. 즉, 상기 프레임힌지부(300)가 상기 접촉부(350)의 일단인 상기 프레임유닛(300)의 작동영역(Operating Field: OF) 방향에 위치함으로써, 상기 회전구동유닛(100)에 의해 걸리는 각도를 그렇지 않은 경우에 비하여 작게 설정하여, 상기 프레임유닛(300)의 운영각도(OA)를 더 크게 할 수 있다.
상기 작동영역(OF)은 상기 제1프레임(310)과 상기 제2프레임(320)이 각도를 이루며 꺾이거나, 펴지는 작동을 하는 영역을 의미한다.
한편, 상기 프레임힌지부(340)는 상기 프레임힌지부(340)가 형성된 상기 제1프레임(310) 또는 제2프레임(320)과 수평하게 형성될 수 있을 뿐만 아니라 수직하게 형성될 수도 있다. 상기 프레임힌지부(340)가 형성된 상기 제1프레임(310) 또는 제2프레임(320)과 수직하게 형성될 경우에는 상기 프레임힌지부(340) 자체에 걸리는 각도를 좁힐 수 있어 수평하게 형성될 경우보다 운영각도(OA)를 좀 더 크게 할 수 있다.
상기 회전구동유닛(100)과 접하는 구성요소는 상기 제1프레임(310) 또는 상기 제2프레임(320)일 수 있다. 즉, 상기 회전구동유닛(100)과 상기 제1프레임(310)이 접하는 경우에는 상기 제2프레임(320)은 상기 제1프레임(310)의 외측과 접하게 된다. 반대로 상기 회전구동유닛(100)과 상기 제2프레임(320)이 접하는 경우에는 상기 제1프레임(310)이 상기 제2프레임(320)의 외측과 접하게 된다. 이하에서는 제2프레임(320)이 상기 회전구동유닛(100)과 접하는 것을 전제로 설명하겠다. 다만, 제2프레임(320)에 대한 이하의 설명은 제1프레임(310)이 상기 회전구동유닛(100)과 접하는 경우에는 제1프레임(310)에도 적용될 수 있다.
상기 제1프레임(310)은 상기 제2프레임(320)의 외측에서 운영되기 때문에 상기 제1프레임(310) 일단에 상기 선형구동유닛(200)이 핀연결되는 프레임힌지부(340)가 형성되는 것은 바람직하지 않다. 즉, 상기 제1프레임(310) 일단에 프레임힌지부(340)가 형성될 경우에는 상기 제2프레임(320)이 회전시 상기 프레임힌지부(340)에 걸리기 때문에, 상기 프레임유닛(300)이 운영할 수 있는 각도가 90도 이하로 제한되기 때문에 외측에 위치한 상기 제1프레임(310)에 상기 프레임힌지부(340)가 형성되는 것은 바람직하지 않다. 다만, 상기 제1프레임(310)이 상기 제2프레임(320)의 내측에서 운영되는 경우에는 상기 프레임힌지부(340)가 상기 제1프레임(310) 일단에 형성될 수 있음은 전술하였다.
도 6은 본 발명의 일 실시예인 관절장치(10)의 선형구동유닛(200)을 개략적으로 도시한 부분절단 사시도이다.
도 6를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 관절장치(10)의 선형구동유닛(200) 중에 전기식 선형구동유닛(200)은 회전력을 제공하는 선형구동모터부(210) 및 상기 선형구동모터부(210)의 회전력을 선형 구동력으로 변형토록, 상기 선형구동모터부(210)에 나사조합에 의해 삽입되는 선형구동변형부(220)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 관절장치(10)의 상기 선형구동유닛(200)은 상기 선형구동모터부(210)의 전후진운동력을 전달받도록 상기 선형구동모터부(210)와 결합하며, 상기 제1프레임(310)과 핀결합하는 선형구동연결부(230)를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 관절장치(10)의 상기 선형구동모터부(210)는 코일로 구성되어 전류를 흐르게 하는 스테이터(211) 및 슬롯이 형성되고, 자기장을 형성하며 회전하는 로터(212)를 포함하며, 상기 로터(212)의 슬롯 내부에는 볼베어링(213)이 형성되어 상기 선형구동변형부(220)와 나사조합될 수 있다.
상기 선형구동모터부(210)는 일반적인 모터의 구성과 같이 스테이터(211) 및 로터(212)를 포함하고 있다. 다만, 출력이 크고 제어가 용이한 BLDC(Brush Less DC) 모터를 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 로터(212)는 상기 선형구동모터부(210)와 상기 선형구동변형부(220)가 스크류 방식의 나사조합에 의해 결합하여 회전 운동을 선형 운동으로 변형할 수 있다. 또한, 상기 로터(212)의 중앙에는 상기 선형구동변형부(220)가 나사결합하며 삽입될 수 있는 슬롯이 형성될 수 있다.
또한, 상기 슬롯 내부에는 볼베어링(213)이 형성되어 상기 선형구동모터부(210)와 상기 선형구동연결부(230)의 나사조합에 의한 작동시에 발생하는 마모를 감소시켜, 상기 선형구동유닛(200)의 수명을 연장시키는 역할을 한다. 즉, 상기 볼베어링(213)은 상기 선형구동변형부(220)와 상기 선형구동모터부(210)의 나사조합 시에 나사산 역할을 하게 된다.
상기 선형구동연결부(230)는 상기 선형구동유닛(200)과 상기 제1프레임(310)을 연결하여, 상기 선형구동유닛(200)의 구동력을 상기 제1프레임(310)에 전달하는 역할을 한다. 즉, 상기 선형구동연결부(230)는 상기 선형구동모터부(210)의 스테이터(211)와 결합하여 상기 선형구동모터부(210)의 전진운동뿐만 아니라 후진운동 시에도 상기 제1프레임(310)에 운동력을 전달할 수 있다. 이를 위해 상기 상기선형구동연결부(230)와 상기 스테이터(211)는 나사결합, 용접결합 또는 본딩결합 등으로 결합될 수 있다.
한편, 상기 선형구동연결부(230)는 상기 제1프레임(310)과 핀결합에 의해 연결될 수 있다. 이에 의해 상기 선형구동유닛(200)이 선형 구동력을 발생시키는 경우에, 상기 제1프레임(310)이 일정각도로 작동할 수 있다. 즉, 상기 선형구동연결부(230)와 상기 제1프레임(310)의 핀결합은 상기 선형구동유닛(200)과 상기 제1프레임(310)의 기구적 구조에 의해 제한되는 상기 제1프레임(310)의 동작을 가능하게 하는 역할을 한다. 이에 의해, 상기 선형구동모터부(210)가 직선운동(A1)을 하면 상기 선형구동연결부(230)가 회전(A2)함으로써 상기 제1프레임(310)이 회전(A4)할 수 있도록 할 수 있다.
상기 선형구동연결부(230)가 상기 제1프레임(310)과 핀결합하는 부분은 상기 제1프레임(310)의 선형구동조절홈(330)으로써, 상기 선형구동조절홈(330)은 상기 제1프레임(310)이 상기 제2프레임(320)과 이루는 각도인 운영각도(OA)의 설정범위에 따라 위치를 달리할 수 있다. 즉, 상기 제1프레임(310)과 제2프레임(320)이 이루는 최소각도를 더 작게 설정하는 경우에는 상기 선형구동조절홈(330)을 상기 회전구동유닛(100)과 더 가까운 쪽에 형성하면 되고, 최대각도를 더 크게 설정하는 경우에는 더 먼 쪽에 형성하면 되는 것이다.
상기 선형구동변형부(220)는 상기 선형구동모터부(210)의 회전력을 선형 구동력으로 변형하는 역할을 한다. 즉, 상기 선형구동변형부(220)는 상기 선형구동모터부(210)가 회전하면, 스크류 형상의 상기 선형구동변형부(220)의 나사골을 따라 상기 선형구동모터부(210)가 전진 또는 후진할 수 있도록 한다.
한편, 상기 선형구동변형부(220)에는 상기 선형구동변형부(220)가 상기 선형구동모터부(210)와 나사조합 의해 연결되기 위한 나사골이 형성될 수 있다. 다만 상기 나사골은 상기 선형구동모터부(210)의 로터(212)에 형성된 볼베어링(213)에 대응하도록 곡선 형태의 나사골일 수 있다. 이에 의해 상기 선형구동변형부(220)와 상기 선형구동모터부(210)의 나사조합에 의한 마모발생을 방지할 수 있음은 전술하였다.
또한, 상기 선형구동변형부(220)는 상기 선형구동유닛(200)을 상기 제2프레임(320)에 연결해 주는 역할을 한다. 즉, 상기 선형구동변형부(220)의 일단은 상기 제2프레임(320)의 프레임힌지부(340)에 핀결합하게 된다.
이에 의해 상기 선형구동유닛(200)은 상기 선형구동유닛(200)과 상기 제2프레임(320)의 기구적 구조에 의해 제한되는 동작을 할 수 있다. 즉, 상기 선형구동모터부(210)가 작동(A1)하는 경우에 상기 선형구동변형부(220)도 회전 동작(A3)을 할 수 있어, 상기 선형구동유닛(200)이 상기 제1프레임(310)을 일정각도로 회전(A5)할 수 있게 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예인 관절장치(10)의 회전구동유닛(100)를 개략적으로 도시한 부분절단 단면도이다.
도 7을참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 관절장치(10)의 상기 회전구동유닛(100)은 회전력을 제공하는 회전구동모터부(110), 회전속도를 조절토록 상기 회전구동모터부(110)와 연결된 회전구동가감속부(120) 및 상기 회전구동유닛(100)의 회전력을 제거토록, 상기 회전구동모터부(110)와 연결된 브레이크(130)를 포함할 수 있다.
상기 회전구동유닛(100)은 회전 구동력(A4)을 직접 상기 제1프레임(310)에 전달하여 상기 제1프레임(310)이 일정각도로 회전 동작(A5)을 할 수 있도록 하는 역할을 한다.
상기 회전구동모터부(110)는 회전력을 발생시키는 구성요소로써, 상기 회전구동가감속부(120)와 연결된다.
상기 회전구동가감속부(120)는 상기 회전구동모터부(110)로부터 전달된 회전력을 기어비에 의해 가속 또는 감속하는 역할을 한다. 상기 회전구동가감속부(120)에 의해 감속하게 되면, 그에 따라 회전 토크를 향상시킬 수 있어 상기 회전구동유닛(100)의 출력을 높일 수 있다. 즉, 상기 회전구동가감속부(120)는 상기 회전구동유닛(100)의 속도 및 출력을 조절하게 된다.
한편, 상기 회전구동가감속부(120)는 상기 회전구동모터부(110)로부터 전달받은 회전력을 필요로 하는 속도 및 출력으로 회전구동축(160)으로 전달하게 된다. 상기 회전구동축(160)은 상기 제1프레임(310)과 결합하여 상기 제1프레임(310)을 일정 각도로 회전시키는 역할을 하게 된다.
상기 브레이크(130)는 상기 회전구동모터부(110)의 회전력을 차단하여 상기 제1프레임(310)의 회전을 정지시키는 역할을 한다. 이를 위해, 상기 브레이크(130)는 상기 회전구동모터부(110)와 연결되어 있다. 상기 회전구동모터부(110)의 회전력을 차단하기 위한 상기 브레이크(130)의 일 실시예로써, 밴드 브레이크(130), 전자식 브레이크(130), 유체식 브레이크(130) 등이 해당할 수 있다.
상기 회전구동유닛(100)에는 상기 회전구동축(160)의 속도 및 토크를 측정하는 센서부(140)가 더 포함될 수 있다. 상기 센서부(140)는 상기 회전구동축(160)의 속도 및 토크를 측정하여 상기 회전구동유닛(100)를 제어하는 제어부(400)에 측정값을 전달하게 된다. 상기 제어부(400)에서는 상기 센서부(140)에서의 측정값에 따라 필요로 하는 속도 및 출력을 낼 수 있도록 상기 회전구동가감속부(120)를 제어하게 된다.
한편, 상기 회전구동유닛(100)은 상기 회전구동모터부(110), 회전구동가감속부(120), 브레이크(130) 및 센서부(140)가 내부에 위치하는 회전구동하우징(150)을 더 포함할 수 있다. 상기 회전구동하우징(150)은 상기 회전구동축(160)이 상기 제1프레임(310)과 결합할 수 있도록 하우징홀(150a)이 형성될 수 있다.
또한, 상기 회전구동하우징(150)은 상기 제2프레임(320)과 면접촉하여, 상기 회전구동유닛(100)를 상기 제2프레임(320)에 고정할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예인 로봇을 개략적으로 도시한 정면도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇은 상기 관절장치(10) 및 상기 관절장치(10)가 장착되는 바디(20)를 포함할 수 있다.
상기 관절장치(10)는 로봇의 목관절(B1), 팔관절(B2) 또는 다리관절(B3)에 사용될 수 있다. 즉, 일정 각도로 회전하는 동작이 필요한 로봇의 부위에 사용될 수 있다. 팔관절(B2)의 경우에는 어깨부위, 팔꿈치부위, 손목부위, 또는 손가락부위 등에 사용될 수 있다. 다리관절(B3)의 경우에는 허리부위, 골반부위, 무릎부위, 발목부위, 발가락부위 등에 사용될 수 있다.
다만, 상기 관절장치(10)의 장착부위가 상기 목관절(B1), 팔관절(B2) 또는 다리관절(B3)에 한정되는 것은 아니고, 일정각도로 회전동작이 필요한 부위라면 상기 관절장치(10)의 적용이 가능하고 본 발명의 범위에 포함된다.
100: 회전구동유닛 110: 회전구동모터부
120: 회전구동가감속부 130: 브레이크
140: 센서부 150: 회전구동하우징
160: 회전구동축 200: 선형구동유닛
210: 선형구동모터부 220: 선형구동변형부
230: 선형구동연결부 300: 프레임유닛
310: 제1프레임 311: 제1프레임축홈
320: 제2프레임 321: 제2프레임축홈
330: 선형구동조절홈 340: 프레임힌지부
350: 접촉부 400: 제어부
10 : 관절장치 20 : 바디

Claims (4)

  1. 제1프레임 및 제2프레임을 포함하는 프레임유닛의 각도를 조절토록, 상기 제1프레임 및 상기 제2프레임과 연결되는 구동유닛를 포함하며,
    상기 구동유닛은 회전 구동력을 제공토록, 상기 제1프레임 및 상기 제2프레임과 축으로 연결되는 회전구동유닛; 및
    선형 구동력을 제공토록, 상기 회전구동유닛과 이격되어, 상기 제1프레임 및 상기 제2프레임과 핀연결된 적어도 하나의 선형구동유닛을 포함하는 관절장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 프레임유닛은 상기 선형구동유닛과 상기 프레임유닛을 핀연결시키도록, 상기 회전구동유닛과 접하는 상기 프레임유닛의 접촉부에 형성된 프레임힌지부를 포함하며,
    상기 프레임힌지부는 상기 접촉부의 상기 프레임유닛 작동영역 방향 일측에 형성된 관절장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 회전구동유닛은 회전력을 제공하는 회전구동모터부;
    속도를 조절토록 상기 회전구동모터부와 연결되며, 회전구동축으로 회전력을 전달하는 회전구동가감속부;
    상기 회전구동유닛의 회전력을 제거토록, 상기 회전구동모터부와 연결된 브레이크; 및
    상기 회전구동축의 구동을 감지하는 센서부를 포함하며,
    상기 선형구동유닛은 볼베어링을 내부에 제공하는 슬롯이 형성된 회전가능한 로터를 포함하는 선형구동모터부;
    상기 선형구동모터부의 회전을 선형 구동력으로 변형토록, 상기 선형구동모터부에 나사조합에 의해 삽입되는 선형구동변형부; 및
    상기 선형구동모터부와 결합하며, 상기 제1프레임과 핀결합하는 선형구동연결부를 포함하는 관절장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 관절장치; 및
    상기 관절장치가 장착되는 바디를 포함하는 로봇.
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