KR20150125620A - 로봇의 3축 관절 구현을 위한 액추에이터 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예는 롤(Roll) 운동을 수행하기 위한 소정의 구동력을 제공하는 롤 액추에이터; 피치(Pitch) 운동을 수행하기 위한 소정의 구동력을 제공하는 피치 액추에이터; 상기 롤 액추에이터가 고정 결합되는 제2 보호 케이스; 상기 피치 액추에이터가 고정 결합되는 제1 보호 케이스; 및 상기 롤 액추에이터와 상기 피치 액추에이터를 연결하는 제2 축 체결용 부품;을 포함하는 액추에이터 모듈을 개시한다.

Description

로봇의 3축 관절 구현을 위한 액추에이터 모듈{ACTUATOR MODULE FOR THE IMPLEMENTATION 3-AXIS OF ROBOT}

본 발명은 매니퓰레이터 및 휴머노이드 로봇의 3축 관절 구현을 위한 액추에이터의 모듈에 관한 것으로, 상세하게는, Roll-Pitch-Yaw 운동이 가능한 3축 액추에이터와 보호를 위한 케이스를 하나의 부품으로 모듈화하는 것이다. 본 발명은 매니퓰레이터 및 휴머노이드 로봇의 개발에 있어서 관절들의 운동 반경을 확대할 수 있으며, 디자인 및 보호를 위한 케이스의 개발에 있어서 유연한 대처를 할 수 있다.

매니퓰레이터 및 휴머노이드 로봇의 관절에는 액추에이터로 DC모터나 서보(Servo)모터가 주로 사용된다. 일반적으로 DC모터는 제어기를 추가적으로 구성해서 사용하는 반면, Servo모터는 제어기가 포함된 Smart모터를 많이 사용하고 있다.

종래의 매니퓰레이터 및 휴머노이드 로봇에서 2축 및 3축 운동이 일어나는 관절은 직접적인 방식이나 간접적인 방식으로 액추에이터의 연결이 이루어진다. 직접적인 방식은 액추에이터와 액추에이터가 바로 연결되는 방식으로 Smart모터를 이용한 관절에서 주로 사용되고 있다. 하지만 직접적인 방식은 운동반경이 제한적이며, 관절을 보호하기 위한 케이스를 구성하는데 있어서 크기가 커진다. 간접적인 방식은 DC모터를 이용한 관절에서 주로 사용되는데, 하나의 기준점을 기준으로 2, 3개의 모터 구성이 어려워 링크(휴머노이드 로봇 기준에서 허벅지나 종아리와 같은 부분들)에 모터와 제어기가 장착되고 기어나 벨트를 이용하여 관절이 구성된다.

전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 관절의 운동반경을 향상시키고, 모터를 보호하기 위한 케이스를 구성하기 쉬운 3축 관절 구현을 위한 액추에이터 모듈에 관한 것이다. 모듈화란 개별 단품들을 직접 장착하는 방식이 아닌 몇 개의 관련된 부품들을 하나의 덩어리로 만드는 방식이다. 하나의 기준점에서 Roll-Pitch-Yaw 운동이 가능한 3축 관절에 필요한 액추에이터 구성, 보호를 위한 케이스 및 제어를 위한 제어기가 일체화된 부품으로 구성되는 것이다.

본 발명의 일 실시예는 롤(Roll) 운동을 수행하기 위한 소정의 구동력을 제공하는 롤 액추에이터; 피치(Pitch) 운동을 수행하기 위한 소정의 구동력을 제공하는 피치 액추에이터; 상기 롤 액추에이터가 고정 결합되는 제2 보호 케이스; 상기 피치 액추에이터가 고정 결합되는 제1 보호 케이스; 및 상기 롤 액추에이터와 상기 피치 액추에이터를 연결하는 제2 축 체결용 부품;을 포함하는 액추에이터 모듈을 개시한다.

본 실시예에 있어서, 상기 롤 액추에이터 또는 상기 피치 액추에이터는 DC모터, 서보모터 및 스마트모터 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 롤 액추에이터 또는 상기 피치 액추에이터가 DC모터 또는 서보모터 일 경우, 상기 롤 액추에이터 또는 상기 피치 액추에이터를 제어하는 제어기를 더 포함할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 롤 액추에이터가 상기 피치 액추에이터 및 상기 제1 보호 케이스를 회전시킬 수 있다.

본 발명의 다른 실시예는 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항의 액추에이터의 모듈을 구비하는 매니퓰레이터를 개시한다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명에 의해 매니퓰레이터 및 휴머노이드 로봇의 관절 구성에 있어서 액추에이터 선택 범위를 넓힐 수 있다. 본 발명에 의해 액추에이터는 Servo모터, Smart모터, DC모터, BLDC모터 등을 모두 적용할 수 있으며, 보호 케이스가 모듈화에 포함되어있어 매니퓰레이터 및 휴머노이드 로봇의 유연한 디자인 및 설계가 가능하다. 또한 기어 및 벨트 사용 시에 생기는 기계적인 오차를 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액추에이터 모듈의 정-측면도, 정면도 및 측면도이다.
도 2는 x축을 기준으로 롤(Roll) 운동을 수행하기 위한 롤 액추에이터와, y축을 기준으로 피치(Pitch) 운동을 수행하기 위한 피치 액추에이터의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2에 보호를 위한 케이스가 추가된 도면이다.
도 4는 액추에이터 제어에 필요한 제어기와 z축을 기준으로 요(Yaw) 운동을 수행하기 위한 요 액추에이터를 연결하기 위한 축 체결용 부품이 도시된 도면이다.
도 5는 본 발명인 모듈화된 액추에이터를 이용한 3축 관절과 연결된 링크의 운동을 나타내는 도면이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 효과 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있다. 이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 한정적인 의미가 아니라 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하는 목적으로 사용되었다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 또는 구성요소가 존재함을 의미하는 것이고, 하나 이상의 다른 특징들 또는 구성요소가 부가될 가능성을 미리 배제하는 것은 아니다. 또한, 도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액추에이터 모듈의 정-측면도, 정면도 및 측면도이고, 도 2는 x축을 기준으로 롤(Roll) 운동을 수행하기 위한 롤 액추에이터와, y축을 기준으로 피치(Pitch) 운동을 수행하기 위한 피치 액추에이터의 구성을 나타내는 도면이고, 도 3은 도 2에 보호를 위한 케이스가 추가된 도면이다. 한편, 도 4는 액추에이터 제어에 필요한 제어기와 z축을 기준으로 요(Yaw) 운동을 수행하기 위한 요 액추에이터를 연결하기 위한 축 체결용 부품이 도시된 도면이고, 도 5는 본 발명인 모듈화된 액추에이터를 이용한 3축 관절과 연결된 링크의 운동을 나타내는 도면이다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 액추에이터 모듈은 피치 액츄에이터(100) 및 롤 액츄에이터(200), 요 체결부(320)를 포함한다.

피치 액추에이터(100)는 y축을 기준으로 Pitch 운동을 구현하는 액추에이터이다. 피치 동력 전달 축(110)은 피치 액추에이터(100)의 동력을 전달하는 역할을 수행한다. 제1 축 체결용 부품(120)은 프레임이나 링크를 축에 연결하는 역할을 수행한다. 제1 보호 케이스(130)는 Roll 운동이 구현되는 피치 액츄에이터(100) 및 롤 액츄에이터(200)를 보호하는 케이스 역할을 수행한다.

롤 액추에이터(200)는 x축을 기준으로 roll 운동을 구현하는 액추에이터이다. 롤 동력 전달 축(210)은 롤 액추에이터(200)의 동력을 전달하는 역할을 수행한다. 제2 축 체결용 부품(220)은 피치 액추에이터(100)의 Roll 운동 구현을 위한 축 체결용 부품으로써 프레임이나 링크를 축에 연결하는 역할을 수행한다. 제2 보호 케이스(230)는 피치 액츄에이터(100) 및 롤 액츄에이터(200)를 보호하며 모듈화를 구현하기 위한 케이스 역할을 수행한다.

요 체결부(320)는 Yaw 운동을 구현하기 위한 축 체결용 부품이다. 제어기(400)는 액추에이터 제어를 위한 제어부의 역할을 수행한다.

이하 각 부품 간의 연결 관계를 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

x축 기준으로 Roll 운동이 구현되는 롤 액추에이터(200)는 제2 보호 케이스(230)에 고정된다. 롤 액추에이터(200)의 동력은 롤 동력 전달 축(210)을 통해 제2 체결용 부품(220)으로 전달된다. 제2 축 체결용 부품(220)은 y축을 기준으로 Pitch 운동이 구현되는 피치 액추에이터(100)에 연결된다. 피치 액추에이터(100)는 제1 보호 케이스(130)에 고정되어 있으므로, 롤 액추에이터(200)의 동력은 피치 액추에이터(100)와 제1 보호 케이스(130)를 회전시키는 역할을 한다.

피치 액추에이터(100)의 동력은 동력 전달 축(110)을 통해 제1 축 체결용 부품(120)으로 전달된다. 제1 축 체결용 부품(120)은 매니퓰레이터나 휴머노이드 로봇의 프레임이나 링크에 고정할 수 있도록 설계된다.

제1 보호 케이스(130)와 제2 보호 케이스(230)는 분리되어있는 형태로서 서로에 대해 회전이 가능하고, 제2 보호 케이스(230)의 상단에는 z축 기준으로 Yaw 운동이 가능한 액추에이터의 요 체결부(320)가 위치한다. 제1 보호 케이스(130)의 형태는 구(Sphere)를 기반으로 하고 있으며, 제2 보호 케이스(230)의 형태는 변형된 구를 기반으로 하고 있다. 구 기반의 케이스를 통해 액추에이터들의 회전운동 반경은 더 확대된다.

제2 보호 케이스(230)에는 액추에이터 제어에 필요한 제어기(400)가 구성되며, 이는 액추에이터로 DC모터, BLDC모터, 서보모터, 유압모터 등을 사용하여 구성된다. 제어기(400)는 DC모터 및 Servo모터 등 액추에이터의 방향제어, 속도제어, 각도제어, 상태확인 등을 위한 것이다.

본 발명에서의 모듈화된 3축 관절의 최대 회전운동 반경은 Roll 운동반경이 50°, Pitch 운동반경이 110°, 그리고 Yaw 운동반경이 180° 이상일 수 있다. 요 체결부(320)에 연결되는 프레임 및 링크에 따라서, 회전운동 반경에 제한이 생길 수 있다. 요 체결부(320)에 연결되는 프레임 및 링크가 제2 보호 케이스(230)의 상단 부분을 덮는 형태로 구성될 시(도 5와 같이), Roll 운동반경은 45°, Pitch 운동반경은 90°, 그리고 Yaw 운동반경이 180° 이상이 될 수 있다.

본 발명에 의해 매니퓰레이터 및 휴머노이드 로봇의 관절 구성에 있어서 액추에이터 선택 범위를 넓힐 수 있다. 본 발명에 의한 액추에이터는 Servo모터, Smart모터, DC모터, BLDC모터, 유압모터 등을 모두 적용할 수 있으며, 보호 케이스가 모듈화에 포함되어있어 매니퓰레이터 및 휴머노이드 로봇의 유연한 디자인 및 설계가 가능하다. 또한 기어 및 벨트 사용 시에 생기는 기계적인 오차를 줄일 수 있다.

이와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100 : 피치 액추에이터
110 : 피치 동력 전달 축
120 : 제1 축 체결용 부품
130 : 제1 보호 케이스
200 : 롤 액추에이터
210 : 롤 동력 전달 축
220 : 제2 축 체결용 부품
230 : 제2 보호 케이스
320 : 요 체결부
400 : 제어기

Claims (6)

1. 롤(Roll) 운동을 수행하기 위한 소정의 구동력을 제공하는 롤 액추에이터;
   피치(Pitch) 운동을 수행하기 위한 소정의 구동력을 제공하는 피치 액추에이터;
   상기 롤 액추에이터가 고정 결합되는 제2 보호 케이스;
   상기 피치 액추에이터가 고정 결합되는 제1 보호 케이스; 및
   상기 롤 액추에이터와 상기 피치 액추에이터를 연결하는 제2 축 체결용 부품;을 포함하는 액추에이터 모듈.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 요(Yaw) 운동 구동력을 전달받기 위한 요 체결부를 더 포함하는 액추에이터 모듈.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 롤 액추에이터 또는 상기 피치 액추에이터는 DC모터, 서보모터, 스마트모터, BLDC모터, 유압모터와 같이 회전구동이 가능한 구동기(액추에이터)를 하나 이상 포함하는 액추에이터 모듈.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 롤 액추에이터 또는 상기 피치 액추에이터를 제어하는 제어기를 더 포함하는 액추에이터 모듈.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 롤 액추에이터가 상기 피치 액추에이터 및 상기 제1 보호 케이스를 회전시키는 것을 특징으로 하는 액추에이터 모듈.
6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항의 액추에이터의 모듈을 구비하는 매니퓰레이터 또는 로봇의 관절 또는 로봇.

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