KR20150078303A - 직렬 탄성 액츄에이터 장치 - Google Patents

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KR20150078303A
KR20150078303A KR1020130167555A KR20130167555A KR20150078303A KR 20150078303 A KR20150078303 A KR 20150078303A KR 1020130167555 A KR1020130167555 A KR 1020130167555A KR 20130167555 A KR20130167555 A KR 20130167555A KR 20150078303 A KR20150078303 A KR 20150078303A
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박승규
윤태성
안호균
곽군평
강호진
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창원대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 직렬 탄성 액츄에이터 장치에 관한 것으로, 너트구동부와 모터를 직접 연결하고, 탄성부재의 위치를 너트구동부와 겹치도록 그 구조를 개선하여 직렬 탄성 액츄에이터 장치의 전체적인 부피를 감소시킬 뿐만 아니라 구조를 간단하게 하여 제작이 용이하고 제작 비용을 감소시키는 효과가 있다.

Description

직렬 탄성 액츄에이터 장치{SERIES ELASTIC ACTUATOR DEVICE}
본 발명은 직렬 탄성 액츄에이터 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는
너트구동부와 모터를 직접 연결하고, 탄성부재의 위치를 너트구동부와 겹치도록 그 구조를 개선한 직렬 탄성 액츄에이터 장치에 관한 것이다.
일반적으로 로봇은 여러 산업 분야에서 광범위하게 이용된다. 로봇은 처음에는 다이캐스팅(Die Casting), 단조(鍛造), 스폿 용접 등과 같이, 인간이 하기에 힘들고 위험한 작업에 사용되었다.
이러한 로봇 기술의 발달로 인해 현재는 산업 로봇 이외에도 인간을 대신하여 다양한 작업을 수행할 수 있는 원격 조정 로봇, 휴먼 로봇, 보조근력장치 등의 필요성이 대두 되고 있으며, 이에 대한 연구 개발이 활발히 진행되고 있는 추세이다.
상기와 같은 로봇 등의 움직임을 구현하기 위해 사용되는 장치 중에 하나가 직렬 탄성 액츄에이터(series elastic actuator)이다. 직렬 탄성 액츄에이터는 여러가지 형태가 있으나 볼스크류를 사용하는 형태가 가장 보편적이다. 이러한 직렬 탄성 액츄에이터는 볼스크류의 볼트에 해당하는 부분을 회전시키는 볼트구동형이 일반적이었다.
도 1a는 종래 볼트구동형 직렬 탄성 액츄에이터의 사시도이고, 도 1b는 종래 볼트구동형 직렬 탄성 액츄에이터의 일부 구성을 나타내는 평면도이다.
도 1a 및 1b를 살펴보면, 구동모터(110)와 연결되어 회전하는 볼트스크류(120), 볼트스크류(120)의 회전 방향에 따라 좌 또는 우로 직선운동하는 너트부(130), 너트부(130)를 지지하는 스프링(140)을 통해 좌 또는 우로 직선운동하는 직선운동부(150) 및 이에 연결된 암(160)으로 구성된다.
종래 볼트구동형 액츄에이터는 구동모터(110)에 볼트스크류(120)가 직접 연결되어 회전하고 상기 볼트스크류(120)에 연결된 너트부(130)가 볼트스크류(120) 회전 방향에 따라 좌 또는 우로 직선운동하게 된다.
볼트스크류(120)의 직선운동이 있는 경우 상기 너트부(130)와 너트부를 지지하는 스프링(140)을 통해 직선운동부(150) 및 암(160)이 너트부(130)와 동일한 방향으로 직선운동을 하게 된다.
이러한 볼트구동형은 스프링(140)을 포함한 직선운동부(150) 전체가 이동하도록 설계되어야 하므로 구조가 복잡한 단점이 있었다. 이에 좀더 컴팩트한 형태를 위해서 너트구동형 액츄에이터로 발전되었다.
도 2a는 종래 너트구동형 직렬 탄성 액츄에이터의 사시도이며, 도 2b는 종래 너트구동형 직렬 탄성 액츄에이터의 단면도이다.
도 2a 및 2b를 살펴보면, 구동모터(210)의 회전을 전달하기 위한 구동 모터 풀리(pulley, 220), 구동 모터 풀리(220)에 연결되는 벨트(230), 벨트(230)에 연결되어 회전하는 너트부 풀리(240), 너트부 풀리(240)에 연결되어 회전하는 너트부(250), 너트부(250)의 회전에 의해 좌 또는 우로 직선운동하는 볼트스크류(260)로 구성된다.
종래 너트구동형 액츄에이터는 구동모터(210)의 회전력을 풀리(220, 240)와 벨트(230)를 이용하여 너트부(250)를 회전시키고 이 회전에 따라 볼트스크류(260)가 좌 또는 우로 직선운동을 하게 된다.
상기 너트구동형 액츄에이터는 볼트구동형 액츄에이터에 비해 컴팩트한 구조를 가지고 있지만 너트부(250)를 구동하기 위한 기계적인 구조가 복잡하여 제작이 어렵고 부피가 증가하는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2001-0101213호(2001년11월14일)
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 종래 직렬 탄성 액츄에이터에 비해 그 구조를 간단하게 하며 전체 부피를 줄일 수 있도록 한직렬 탄성 액츄에이터 장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 회전력을 제공하는 구동모터; 상기 구동모터의 회전에 따라 함께 회전하도록 상기 구동모터의 구동축과 일단이 연결되는 너트구동부 및 상기 너트구동부의 타단에 연결되는 너트; 상기 너트구동부 및 너트의 회전운동을 직선운동으로 변환하여 구동하는 볼트스크류; 를 포함하는 직렬 탄성 액츄에이터 장치를 제시한다.
또한, 상기 너트구동부의 중앙에는 상기 회전운동에 따라 상기 볼트 스크류가 좌/우 길이방향으로 직선운동을 할 수 있는 공간부가 형성된다.
또한, 상기 볼트스크류의 외주면에는 나사홈이 형성되고, 상기 나사홈은 상기 너트에 형성된 나사홈과 결합하여 상기 볼트스크류가 나사 이동한다.
또한, 상기 볼트스크류의 이동에 따라 탄성 변형하는 적어도 하나의 탄성부재; 상기 탄성부재의 상대적 변위를 측정하는 변위측정부; 를 더 포함한다.
또한, 상기 변위측정부는 상기 볼트스크류의 이동에 따라 일 방향으로 이동한다.
또한, 상기 탄성부재는, 상기 변위측정부를 중심으로 상기 너트구동부의 외주면을 감싸는 제1 및 제2 탄성부재로 이루어지고, 상기 변위 측정부의 이동에 대응하여 상기 제1 및 제2 탄성부재 중 어느 하나는 압축된다.
또한, 측정된 상기 탄성부재의 상대적 변위에 따라 직렬 탄성 액츄에이터 장치에 가해지는 외력은 하기 수학식에 의해 측정된다.
[수학식]
Figure pat00001
상기 수학식에서 F는 액츄에이터에 가해지는 외력이고, K는 탄성부재의 강성을 나타내며, Δx는 변위측정부의 기준위치에 대한 상대적 변위이다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 직렬 탄성 액츄에이터 장치에 의하면, 직렬 탄성 액츄에이터의 구조를 간단하게 하여 전체적인 부피를 감소시키고 제작을 용이하게 할 뿐만 아니라 제작 비용을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1a는 종래 볼트구동형 직렬 탄성 액츄에이터의 사시도
도 1b는 종래 볼트구동형 직렬 탄성 액츄에이터의 일부 구성을 나타내는 평면도
도 2a는 종래 너트구동형 직렬 탄성 액츄에이터의 사시도
도 2b는 종래 너트구동형 직렬 탄성 액츄에이터의 단면도
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 직렬 탄성 액츄에이터의 사시도
도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 직렬 탄성 액츄에이터의 구성을 나타내는 단면도
도 4는 본 발명에 따른 링크지지부에 결합 되어 사용되는 일 실시예를 나타내는 도면
도 5a 본 발명의 실시예에 따른 볼트스크류 운동에 따른 탄성부재의 탄성 변형을 나타내는 도면
도 5b 본 발명의 실시예에 따른 볼트스크류 운동에 따른 탄성부재의 탄성 변형을 나타내는 도면
본 발명은 다양한 변형 및 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명인 직렬 탄성 액츄에이터(Series Elastic Actuator 또는 SEA)는 구동부와 출력부를 직결하는 대신에 스프링과 같은 탄성체로 연결하고, 그 변위를 측정함으로써 외력을 간단하게 계산할 수 있는 메커니즘을 제시한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 3a는 본 발명의 실시예에 따른 직렬 탄성 액츄에이터의 사시도를 나타내고, 도 3b는 본 발명의 실시예에 따른 직렬 탄성 액츄에이터의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 3a와 3b에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 직렬 탄성 액츄에이터(300)는 구동모터(310)와 상기 구동모터(310)에 직접 연결되어 회전하는 너트부(320), 상기 너트부(320)에 볼트체결되어 너트부(320)의 회전에 따라 좌 또는 우로 직선운동하는 볼트스크류(330)로 구성되며, 상기 너트부(320)는 도 3b에 도시된 바와 같이 너트구동부(320a)와 너트(320b)로 구성된다. 또한 상기 볼트스크류(330)의 직선운동에 따라 탄성 변형되는 탄성부재(340)와 상기 탄성부재(340)의 탄성 변형으로 인한 상대적 변위를 측정할 수 있는 기준이 되는 변위측정부(350)를 더 포함한다.
구동모터(310)는 AC 구동모터 및 DC 구동모터가 사용될 수 있다. 예컨대 AC 구동모터는 다이캐스팅(Die Casting), 단조(鍛造), 스폿 용접 등과 같이 인간이 하기에 힘들고 위험한 산업 분야에 사용되는 액츄에이터에 광범위하게 적용될 수 있으며, DC 구동모터는 원격 조정 로봇, 휴먼 로봇, 보조근력장치 등에 사용되는 액츄에이터에 적용될 수 있다.
이러한 구동모터의 기술적 특징은 공지기술로서 널리 알려져 있으므로 자세한 설명은 생략한다.
너트부(320)를 구성하는 너트구동부(320a)는 원통 형상으로 소정의 길이로 형성된다. 상기 너트구동부(320a)의 중심부는 볼트스크류(330)의 직선운동이 가능하도록 공간부(321)가 형성된다. 상기 너트구동부(320a)의 일단은 구동모터(310) 회전 시 함께 회전가능하도록 구동모터 축(311)과 연결되고 타단은 너트구동부(320a)의 회전 시 함께 회전가능하도록 너트(320b)와 연결된다.
상기 너트부(320)의 다른 구성요소인 너트(320b)는 원통형으로 외주면은 상기 너트구동부(320a)의 회전시 함께 회전가능하도록 너트구동부(320a) 일단과 연결되고 내주면은 볼트스크류(330)와 볼트체결될 수 있도록 나사홈이 형성된다.
따라서 너트구동부(320a)는 구동모터(310)의 축과 직접 연결되어 회전하게 되고 상기 너트구동부(320a)와 연결되어 있는 너트(320b)가 함께 회전하게 된다.
바람직한 실시예로 상기 너트구동부(320a)와 너트(320b)가 분리 가능한 각각의 구성요소로 결합 되어 있으나 필요에 따라서는 상기 너트구동부(320a)와 너트(320b)가 일체형일 수도 있고 2 이상의 너트를 더 포함할 수도 있다.
또한 너트(320b)의 위치도 너트구동부(320a)의 일단이 아니라 중심부에 위치하는 등 너트구동부(320a)의 회전에 따라 함께 회전하여 볼트스크류(330)에 회전력을 전달할 수 있는 위치라면 어느 곳에든 구비될 수도 있다.
볼트스크류(330)는 직선운동이 가능하도록 소정의 길이와 지름을 갖는 원형봉 형상으로 외주면은 상기 너트(320b)와 볼트체결되도록 나사홈이 형성된다.
탄성부재(340)는 너트구동부(320a)의 외주면에 위치하는 코일스프링 형상으로서 변위측정부(350)를 기준으로 분리된 한 쌍의 탄성부재(340a, 340b)이다. 상기 탄성부재(340)가 너트구동부(320a)를 감싸듯 너트구동부 외주면 밖에 위치하여 공간상으로 겹치는 구조를 취하였고 이로써 액츄에이터의 부피가 상당히 감소 되는 효과가 있다.
상기 한 쌍의 탄성부재(340a, 340b)는 변위측정부(340)를 기준으로 분리되고 약간 압축되어 있는 상태이기 때문에 하나의 탄성부재가 압축되면 다른 탄성부재는 팽창하게 된다. 따라서 탄성부재의 강성은 스프링을 직렬로 연결한 것과 같은 효과를 가진다. 또한, 외부 충격 흡수를 통해 급격한 토크값의 변화를 억제하는 역할 도 한다.
본 발명의 일 실시예에서는 한 쌍의 탄성부재(340a, 340b)로 설명하였으나 필요에 따라서는 하나의 탄성부재를 구비하거나 3 이상의 탄성부재를 구비할 수 있다. 다수의 탄성부재는 미세한 외력을 측정하는데 이용될 수 있다.
변위측정부(350)는 직육면체 평판 형상으로 중심부에는 상기 너트구동부(320a)가 통과되도록 소정의 지름을 갖는 구멍(351)이 형성되어 있으며 상기 직육면체 평판 양면에는 상기 구멍 지름보다 약간 큰 원형홈(352)이 형성되어 상기 한 쌍의 탄성부재(340a, 340b) 각각의 일단을 지지하게 된다.
한편, 본 발명인 직렬 탄성 액츄에이터 장치가 사용되는 일 실시예로서 링크지지부가 상기 변위측정부(350) 소정의 위치에 연결되어 볼트스크류(330)의 직선운동에 따라 변위측정부(350)의 위치를 이동시킨다.
도 3b를 참조하여 동작 특성을 살펴보면, 구동모터(310)의 회전력은 구동모터 축에 직접 연결된 너트부(320)에 전달된다. 구동모터(310)가 시계 방향으로 회전시 너트부(320)도 시계 방향으로 회전하게 되고 구동모터(310)가 반시계 방향으로 회전하면 너트부(320)도 반시계 방향으로 회전한다. 즉, 구동모터(310)의 회전방향과 너트부(320)의 회전방향은 동일하게 된다.
그러나 구동모터(310)의 회전방향과 너트부(320)의 회전방향이 동일하여야 하는 것은 아니고 필요에 따라 역방향으로 회전하도록 기어부(미도시)를 더 포함할 수도 있다.
상기 너트부(320)가 회전함에 따라 너트부(320)와 볼트체결된 볼트스크류(330)가 직선운동을 하게 된다. 상기 너트부(320)가 시계 방향으로 회전하면 볼트스크류(330)는 모터로부터 멀어지는 방향(도면상 A방향)으로 직선운동하게 되고 상기 너트부(320)가 반시계 방향으로 회전하면 볼트스크류(330)는 모터로 가까워지는 방향(도면상 B방향)으로 직선운동을 하게 된다.
상기와 같이 너트구동부(320a)와 모터(310)를 직접 연결함으로써 함께 회전가능하도록 하였고 이로써 구조가 간단하게 되어 제작이 용이하고 제작 비용도 감소되는 효과가 있다.
한편, 본 발명인 직렬 탄성 액츄에이터에 가해지는 외력은 변위측정부(350)를 기준으로 탄성부재(340)의 변위를 측정하여 판단한다. 상기 변위 측정 장치로는 엔코더를 사용하거나 LVDT센서를 사용하는 방법이 대표적이다.
도 4와 5를 참조하여 외력 측정 방법에 대해 살펴본다.
도 4는 링크지지부와 결합 되어 사용되는 일 실시예를 나타내는 도면이며, 도 5a와 5b는 볼트스크류 운동에 따른 탄성부재의 탄성 변형을 나타내는 도면이다.
도 5a에서 볼트스크류(330)가 A방향으로 직선운동하는 경우 변위측정부(350)는 링크지지부(510)에 의해 A방향으로 이동한다. 상기 변위측정부(350)의 초기 위치를 기준 위치(C)라 하면 상기 볼트스크류(330)의 이동에 따라 변위측정부(350)가 A방향으로 이동되어 Δx 만큼의 탄성 변형이 생긴다.
마찬가지로, 도 5b에서도 볼트스크류(330)가 B방향으로 직선운동하면 링크지지부(510)에 의해 변위측정부(350)도 B방향으로 이동하게 되고 결국 Δx 만큼의 탄성 변형이 생긴다.
상기 변위측정부(350)의 기준위치(C)에 대한 상대적 변위(Δx)를 측정하면 아래 수학식1에 따라 직렬 탄성 액츄에이터에 가해지는 외력을 측정할 수 있다.
Figure pat00002
상기 수학식1에서, F는 액츄에이터에 가해지는 외력이고, K는 탄성부재의 강성을 나타내며, Δx는 변위측정부의 기준위치(C)에 대한 상대적 변위이다.
상술한 바와 같이 종래 볼트구동형 액츄에이터나 종래 너트구동형 액츄에이터의 복잡한 기계적 구조와 이로 인한 제작의 어려움 등의 문제를 해결하기 위해 본 발명은 구동모터(310)에 너트부(320)를 직접 연결하여 너트부(320)를 회전시키고 이에 따라 볼트스크류(330)가 직선운동을 하는 직렬 탄성 액츄에이터를 제시한다.
이로써, 직렬 탄성 액츄에이터의 제작 난이도를 획기적으로 개선하였으며 또한 너트구동부(320a)와 탄성부재(340)가 공간상 겹치는 구조를 제안함으로써 전체적인 부피를 감소시킬 수 있다.
본 명세서에 기재된 본 발명의 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 관한 것이고, 발명의 기술적 사상을 모두 포괄하는 것은 아니므로, 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 따라서 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 권리범위 내에 있게 된다.
310 : 구동모터
320 : 너트부
330 : 볼트스크류
340 : 탄성부재
350 : 변위측정부

Claims (7)

  1. 회전력을 제공하는 구동모터;
    상기 구동모터의 회전에 따라 함께 회전하도록 상기 구동모터의 구동축과 일단이 연결되는 너트구동부 및 상기 너트구동부의 타단에 연결되는 너트;
    상기 너트구동부 및 너트의 회전운동을 직선운동으로 변환하여 구동하는 볼트스크류;
    를 포함하는 직렬 탄성 액츄에이터 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 너트구동부의 중앙에는 상기 회전운동에 따라 상기 볼트 스크류가 좌/우 길이방향으로 직선운동을 할 수 있는 공간부가 형성되는 직렬 탄성 액츄에이터 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 볼트스크류의 외주면에는 나사홈이 형성되고, 상기 나사홈은 상기 너트에 형성된 나사홈과 결합하여 상기 볼트스크류가 나사 이동하는 직렬 탄성 액츄에이터 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 볼트스크류의 이동에 따라 탄성 변형하는 적어도 하나의 탄성부재;
    상기 탄성부재의 상대적 변위를 측정하는 변위측정부;
    를 더 포함하는 직렬 탄성 액츄에이터 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 변위측정부는 상기 볼트스크류의 이동에 따라 일 방향으로 이동하는 직렬 탄성 액츄에이터 장치.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 탄성부재는, 상기 변위측정부를 중심으로 상기 너트구동부의 외주면을 감싸는 제1 및 제2 탄성부재로 이루어지고, 상기 변위 측정부의 이동에 대응하여 상기 제1 및 제2 탄성부재 중 어느 하나는 압축되는 직렬 탄성 액츄에이터 장치.
  7. 제 4항에 있어서,
    측정된 상기 탄성부재의 상대적 변위에 따라 직렬 탄성 액츄에이터 장치에 가해지는 외력은 하기 수학식에 의해 측정하는 직렬 탄성 액츄에이터 장치.

    [수학식]
    Figure pat00003

    상기 수학식에서 F는 액츄에이터에 가해지는 외력이고, K는 탄성부재의 강성을 나타내며, Δx는 변위측정부의 기준위치에 대한 상대적 변위이다.


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KR1020130167555A KR20150078303A (ko) 2013-12-30 2013-12-30 직렬 탄성 액츄에이터 장치

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101999057B1 (ko) 2018-03-13 2019-07-10 부산대학교 산학협력단 직렬 탄성 액추에이터 및 이를 포함하는 제어기
KR20190139603A (ko) * 2018-06-08 2019-12-18 경북대학교 산학협력단 한 쌍의 탄성 액츄에이터를 병렬로 사용하는 로봇 발목 구조
WO2021019669A1 (ja) * 2019-07-30 2021-02-04 日鍛バルブ株式会社 電動パワーステアリング装置
WO2021019670A1 (ja) * 2019-07-30 2021-02-04 日鍛バルブ株式会社 電動パワーステアリング装置
KR102293693B1 (ko) * 2020-12-28 2021-08-24 금오공과대학교 산학협력단 하지 외골격 로봇의 보조아암에 설치되는 직렬 탄성 구동기

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WO2021019669A1 (ja) * 2019-07-30 2021-02-04 日鍛バルブ株式会社 電動パワーステアリング装置
WO2021019670A1 (ja) * 2019-07-30 2021-02-04 日鍛バルブ株式会社 電動パワーステアリング装置
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