KR20170132009A - 서보 모터 모듈 - Google Patents

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KR20170132009A
KR20170132009A KR1020160062936A KR20160062936A KR20170132009A KR 20170132009 A KR20170132009 A KR 20170132009A KR 1020160062936 A KR1020160062936 A KR 1020160062936A KR 20160062936 A KR20160062936 A KR 20160062936A KR 20170132009 A KR20170132009 A KR 20170132009A
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Abstract

본 발명은, 상부 및 하부 케이스의 외측면이 평면을 이루도록 하여 서보 모터 모듈을 적용한 다관절 로봇의 제작시 디자인적인 요소를 가미하여 컴팩트한 다관절 로봇의 제작이 가능하며, 부하를 최소화하면서 확장성을 제공해줄 수 있으며, 끼움 방식에 의해 하우징의 내부 공간에 서보 모터를 조립하며, 하부 케이스의 제1 돌출부가 서보 모터의 하부를 지지하여 하우징과 서보 모터의 조립 과정을 간소화할 수 있고, 하우징의 제2 돌출부가 포지션 센서를 PCB부에 밀착시켜 구동축의 조립시 또는 서보 모터의 구동시 포지션 센서가 PCB부로부터 이탈하거나 구동시의 진동에 의한 파손을 방지할 수 있는, 서보 모터 모듈을 제공한다.

Description

서보 모터 모듈{Servo Motor Module}
본 발명은 서보 모터 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 완구용 또는 교육용 다관절 로봇의 다관절을 구현하는 서보 모터 모듈의 조립 방식, 조립 구조 및 다른 서보 모터 모듈과의 확장성이 보다 향상된 서보 모터 모듈에 관한 것이다.
주지하는 바와 같이, 서보 모터 모듈(액추에이터)을 상호 결합하여 다양한 모션을 구현하는 완구용 또는 교육용으로 활용되는 다관절 로봇이 제작되고 있다.
서보 모터 모듈은, 서보 모터와 기어단과 회전 위치를 감지하는 포지션 센서가 안착되는 하우징, 및 하우징의 상하로 조립되는 상부 케이스와 하부 케이스가 각각 조립되어 제작된다.
종래에는, 서보 모터와 하우징의 조립시, 하우징 상단으로부터 서보 모터를 관통하여 볼트 체결하여 조립하였으나, 그 조립 과정에서 서보 모터의 손상이나 파손이나 조립 불량이 종종 발생하고 볼트체결 조립과정이 다소 번거로워서, 볼트 체결 이외의 조립 방식에 대한 요구가 제기되었다.
또한, 다관절 로봇을 구현하기 위해서는 다수의 서보 모터 모듈을 상호 연결하여 확장하여야 하는데, 전술한 서보 모터의 선행기술로서, 대한민국 공개번호 제10-2013-0018402호(만능결합구조를 가진 액츄에이터 모듈)가 개시되어 있다.
전술한 선행기술에서는, 확장성을 위한 연결부재와의 결합을 위한 고정편이 액추에이터 모듈 자체에 제공되어서, 볼트와 너트 결합수단에 의해 다른 고정편이 제공된 다른 액추에이터 모듈과 상호 결합되어 확장된다.
하지만, 선행기술은 확장성을 위한 고정편으로 인해서 서보 모터 모듈의 외관이 커지며, 다른 액추에이터 모듈과 확장할 경우 다관절 로봇의 전체적인 크기 증가로 이어져서 서보 모터에 상당한 부하가 걸리게 된다. 또한, 고정편으로 인한 불규칙적인 외관으로 디자인적인 면에서도 바람직하지 못하다.
대한민국 공개번호 제10-2013-0018402호(2013.02.21)
본 발명의 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 전술한 문제점을 해소하고자 하는 것으로, 하우징 내측에 조립되는 서보 모터의 조립 과정을 간소화할 수 있는 조립 구조를 제공하며, 구동축의 조립시 또는 서보 모터 구동시 포지션 센서가 PCB로부터 이탈되거나 파손되는 현상을 방지할 수 있고, 디자인적인 면을 고려하고 서보 모터의 부하를 최소화하면서 다른 서보 모터 모듈과의 확장성을 용이하게 제공해줄 수 있는, 조립 편의성 및 확장성이 향상된 서보 모터 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하고자, 본 발명은, 소정 형상의 상부 및 하부 케이스와,
상기 상부 및 하부 케이스 사이에 배치되고 투명 재질로 이루어지는 하우징과, 상기 하우징 내측에 형성된 내부 공간에 안착되는 서보 모터와, 상기 하우징 내측에 안착되고, 상기 서보 모터로부터 토크를 전달받는 기어단과, 상기 하부 케이스 상측에 배치되며, LED부가 배치되고, 상기 LED부의 색상 및 상기 서보 모터를 제어하는 PCB부와, 상기 PCB부 상측에 배치되고, 상기 기어단의 구동축에 결합되어 상기 구동축의 회전 위치를 감지하는 포지션 센서로 구성되되, 상기 서보 모터는 상기 하우징의 내부 공간에 끼움 방식으로 조립 안착되며, 상기 PCB부에는 상기 서보 모터의 하부 형상에 상응하여 홀이 되며, 상기 하부 케이스에는 상기 홀을 관통해 안착한 상기 서보 모터의 하부를 지지하는 제1 돌출부가 형성되어 상기 하우징의 내부 공간에 상기 서보 모터를 고정시키는, 서보 모터 모듈을 제공한다.
또한, 상기 제1 돌출부는, 상기 하부 케이스로부터 원통형으로 돌출되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 PCB부에는, 상기 서보 모터의 하단에 형성된 결합구에 상응하는 결합홈이 형성되고, 서보 모터의 하부 형상에 상응하는 홀이 되어서, 상기 서보 모터의 하부는 상기 홀을 관통하고 상기 서보 모터의 하단은 상기 결합구에 결합되어 상기 PCB부 상에 조립될 수 있다.
또한, 상기 서보 모터는 상기 하우징 내측에 형성된 내부 공간에 끼움 방식으로 조립 안착될 수 있다.
또한, 상기 포지션 센서는 상기 하우징의 하측에 형성된 제2 돌출부에 의해 상기 PCB부에 고정될 수 있다.
또한, 상기 제2 돌출부는 사각기둥 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 PCB부에는 결합홈이 형성되고, 상기 결합홈에 상기 포지션 센서의 하부에 형성된 결합구가 결합되어서, 상기 포지션 센서가 상기 PCB부 상에 조립될 수 있다.
또한, 상기 상부 케이스 상측면은 평면을 이루며, 제1 내지 제3 방향으로 너트 매립 공간이 각각 2개소 형성되고, 상기 하부 케이스 하측면은 평면을 이루며, 제1 내지 제3 방향으로 너트 매립 공간이 각각 2개소 형성되어서, 세 방향으로 확장할 수 있다.
본 발명에 의하면, 끼움 방식에 의해 하우징의 내부 공간에 서보 모터를 조립하고, 하부 케이스의 제1 돌출부가 서보 모터의 하부를 지지하므로, 하우징과 서보 모터의 조립 과정을 간소화할 수 있어서, 조립 시간과 비용을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
더 나아가, 제2 돌출부는 포지션 센서를 PCB부에 밀착시켜서, 구동축의 조립시 또는 서보 모터의 구동시 포지션 센서가 PCB부로부터 이탈하거나 구동시의 진동에 의한 파손을 방지할 수 있고, 밀착 방식으로 포지션 센서와 PCB부를 조립하여 고정하므로 조립 시간 및 비용을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
더 나아가, 다른 서보 모터 모듈과의 확장성을 위한 볼트 너트 체결 결합시 너트 배치 공간을 매립하여 상부 및 하부 케이스의 외측면이 모두 평면을 이루므로, 서보 모터 모듈을 적용한 다관절 로봇의 제작시 디자인적인 요소를 가미할 수 있어서 컴팩트한 다관절 로봇의 제작이 가능하고, 전체적인 부하를 최소화하면서 서보 모터 모듈의 확장성을 제공해줄 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 의한 서보 모터 모듈의 사시도이다.
도 2a는 도 1의 서보 모터 모듈의 분해 사시도이고, 도 2b는 도 2a의 서보 모터 모듈의 일부 절개 사시도이다.
도 3a는 도 1의 서보 모터 모듈의 다른 방향에서의 분해 사시도이고, 도 3b는 도 3b의 서보 모터 모듈의 PCB의 절개 사시도이다.
도 4는 도 2a의 하우징을 중심으로 분해한 사시도이다.
도 5는 도 1의 서보 모터 모듈의 확장성을 예시한 것이다.
도 6은 도 5의 서보 모터 모듈의 확장성을 적용한 다관절 로봇을 예시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조로 전술한 특징을 갖는 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명에 의한 서보 모터 모듈의 사시도이며, 도 2a는 도 1의 서보 모터 모듈의 분해 사시도이며, 도 2b는 도 2a의 서보 모터 모듈의 일부 절개 사시도이며, 도 3a는 도 1의 서보 모터 모듈의 다른 방향에서의 분해 사시도이며, 도 3b는 도 3b의 서보 모터 모듈의 PCB부의 절개 사시도이며, 도 4는 도 2a의 하우징을 중심으로 분해한 사시도이고, 도 5는 도 1의 서보 모터 모듈의 확장성을 예시한 것이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명에 의한 서보 모터 모듈(100)은, 상부 케이스(110)와 하부 케이스(120)와 하우징(130)과 서보 모터(140)와 기어단(150)과 PCB부(160)로 구성된다.
상부 및 하부 케이스(110,120)는 소정 형상으로 형성되고, 그 내측에는 후술하는 하우징(130)과 서보 모터(140)와 기어단(150)과 PCB부(160)가 각각 배치된다.
여기서, 도 1 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상부 케이스(110)의 상측면은 돌출부위가 없는 평평한 평면을 이루며, 상부 케이스(110)의 상측면에는 제1 내지 제3 방향으로 다른 서보 모터 모듈과의 확장성을 위한 너트 매립 공간(122)이 각각 2개소 형성되고((a) 참조), 하부 케이스(120)의 하측면은 돌출부위가 없는 평평한 평면을 이루며, 하부 케이스(120)의 하측면에는 제1 내지 제3 방향으로 다른 서보 모터 모듈과의 확장성을 위한 너트 매립 공간(122)이 각각 2개소 형성되어서((c) 참조), 세 방향으로 연결부재(미도시)에 의해 다른 서보 모터 모듈과 결합되어 조립 구조물을 용이하게 확장할 수 있다.
또한, 너트 매립 공간(122)이 상부 케이스(110)의 상측면 및 하부 케이스(120)의 하측면으로부터 외관으로 노출되지 않도록 매몰되어 있으므로, 서보 모터 모듈을 적용한 다관절 로봇의 제작시 디자인적인 요소를 가미할 수 있어서 컴팩트한 다관절 로봇의 제작이 가능하다. 한편, 전술한 서보 모터 모듈의 확장성에 대해서는 도 5 및 도 6을 참조하여 상술하고자 한다.
하우징(housing)(130)은 상부 및 하부 케이스(110,120) 사이에 배치되고 투명 재질, 예컨대 폴리카보네이트(polycarbonate) 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 하우징(130)은 상부 케이스(110)와 하부 케이스(120) 사이에서 개재되어 일정 두께의 띠 형상으로 4면이 노출되도록 형성될 수 있다. 한편, 상부 케이스(110)와 하우징(130)과 하부 케이스(120)는, 도 2a에 도시된 바와 같이, 볼트(101)에 의해 체결 결합된다.
서보 모터(140)는, 도 2a 및 도 4를 참조하면, 하우징(130) 내측에 서보 모터 형상으로 형성된 내부 공간에 안착 배치되는데, 후술하는 기어단(150)으로 토크를 전달한다. 본 실시예에서는, 5.5kg@5V1000mA의 토크를 생성하고, 5V 내지 9V의 전압으로 작동하는 서보 모터(140)를 예시한다.
여기서, 도 2a에 도시된 바와 같이, 서보 모터(140)는 하우징(130)의 내부 공간에 끼움 방식으로 조립 안착되며, 후술하는 PCB부(160)에는 서보 모터(140)의 하단에 형성된 결합구(141)에 상응하는 결합홈(161)이 형성되어, PCB부(160)와 서보 모터(140)의 조립시, 서보 모터(140)가 정확한 위치에 조립 배치되도록 한다.
또한, PCB부(160)에는 서보 모터(140)의 하부 형상, 예컨대 원형 형상에 상응하는 홀(162)이 되고, 하부 케이스(120)에는 홀(162)을 관통해 안착한 서보 모터(140)의 하부를 지지하는 제1 돌출부(121)가 원통 형상으로 돌출 형성되어 하우징(130)의 내부 공간에 안착된 서보 모터(140)를 고정시킨다.
즉, 도 2b에 도시된 바와 같이, 볼트 체결 방식에 의한 하우징(130)과 서보 모터(140)의 조립이 아닌, 결합구(141)와 결합홈(161)과 홀(162)에 의한 끼움 방식으로 하우징(130)의 내부 공간에 서보 모터(140)를 조립하고, 하부 케이스(120)의 제1 돌출부(121)가 서보 모터(140)의 하부를 지지하도록 한다.
이에 따라, 하우징(120)과 서보 모터(140)의 조립 과정을 간소화할 수 있어서, 조립 시간을 단축시키고 조립 비용을 줄일 수 있다.
한편, 제1 돌출부(121)를 원통 형상으로 도시하고 예시하였으나, 특별히 이에 한정되지 않으며, 서보 모터(140)의 하단을 지지하여 하우징(130)의 내부 공간에 서보 모터(140)를 안착시킬 수 있는 구조라면 다양한 구조로 변형되어 형성될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 기어단(150)은 하우징(130) 내측에 안착되며, 서보 모터(140)로부터 토크를 전달받고, 기어단(150)에는 4단 기어(151)가 배치되고 순차적으로 연동 회전하여 구동축(152)으로 토크를 최종적으로 전달한다. 여기서, 4단 기어(151)는 내구성 및 내마모성 향상을 위해 금속 기어로 이루어질 수 있다.
PCB부(160)는 하부 케이스(120) 상측에 배치되고, LED부(170)의 색상 구현 및 서보 모터(140)의 회전을 제어한다. 한편, LED부(170)는, 도 4에 도시된 바와 같이, PCB부(160)의 코너에 4개가 각각 4분 배치될 수 있다.
포지션 센서(180)는 PCB부(160) 상측에 배치되며, 기어단(150)의 구동축(152)에 결합된 회전축(153)에 삽입 결합되어서, 구동축(152)의 회전 위치를 감지하여 PCB부(160)로 회전 위치 정보를 전송한다.
여기서, 도 3a에 도시된 바와 같이, 포지션 센서(180)의 하부에 형성된 결합구(181)가 PCB부(160)의 결합홈(163)에 결합되어서, 포지션 센서(180)가 PCB부(160) 상의 정확한 조립 위치에 안착될 수 있다.
또한, 포지션 센서(180)는 하우징(130)의 하측에 형성된 제2 돌출부(131)에 의해 PCB부(160)에 고정될 수 있다. 즉, 사각기둥 형상으로 형성된 제2 돌출부(131)는 포지션 센서(180)를 PCB부(160)에 밀착시켜서, 구동축(152) 및 회전축(153)의 조립시 또는 서보 모터(140)의 구동시 포지션 센서(180)가 PCB부(160)로부터 이탈하거나 구동시의 진동에 의한 파손을 방지할 수 있고, 본딩(bonding) 방식이 아닌, 결합구(181)와 결합홈(163)과 제2 돌출부(131)의 밀착 방식으로 포지션 센서(180)와 PCB부(160)를 조립하여 고정하므로 조립 시간을 단축시킬 수 있고 조립 비용을 줄일 수 있다.
한편, 제2 돌출부(131)를 사각기둥 형상으로 도시하고 예시하였으나, 특별히 이에 한정되지 않으며, PCB부(160)에 포지션 센서(180)를 밀착시킬 수 있는 구조라면 다양한 구조로 변형되어 형성될 수 있다.
도 6은 도 1의 서보 모터 모듈의 확장성을 적용한 다관절 로봇을 예시한 것이다. 여기서, (a)는 다관절 로봇의 전체를 예시한 것이고, (b)는 다관절 로봇의 팔 구성을 확대한 분해도이다.
도 6을 참조하면, 서보 모터 모듈(100)이 노출되도록 부분 분해한 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 다관절 로봇의 각 관절은 서보 모터 모듈(100)에 의해 구현되어, 인간의 행동과 유사한 다양한 모션을 실행할 수 있다. 예컨대, 다관절 로봇의 한 쌍의 팔 관절(100-1), 한 쌍의 제1 및 제2 어깨 관절(100-2,3), 한 쌍의 제1 및 제2 다리 관절(100-4,5), 한 쌍의 무릎 관절(100-6), 한 쌍의 제1 및 제2 발목 관절(100-7,8), 허리 관절(100-9) 및 목 관절(100-10)이 각 해당 서보 모터 모듈(100)에 의해 구현되어 18 자유도(DOF)로, 기본(걷기, 일어서기), 격투, 축구, 계단 오르기, 계단 내려가기, 텀블링 및 춤 모션을 PCB부의 서보 모터 모듈의 제어를 통해서 다양하게 실행할 수 있다.
또한, 도 6의 (b)를 참조하면, 서보 모터 모듈(100-1)의 일측면으로는 어깨 관절부(300)의 제1 연결부재(310)가 서보 모터 모듈(100-1)의 구동축(152)과 볼트 결합하여(311) 소정의 자유도로 회전 작동하고, 타측면으로는 제2 연결부재(410)가 서보 모터 모듈(100)의 각 코너에 형성된 너트 매립 공간(122)에 삽입된 너트(411)와 볼트(412)에 의해 체결 결합되고, 손(400)은 블트(401)와 너트(402)에 의해 제2 연결부재(410)에 체결되어서, 다른 서보 모터 모듈과의 확장을 용이하게 하여 다관절 로봇을 구성할 수 있다.
이에 따라, 서보 모터 모듈을 적용한 다관절 로봇의 제작시 미려한 디자인적인 요소를 가미할 수 있어서 컴팩트한 다관절 로봇의 제작이 가능하고, 서보 모터에 걸리는 전체적인 부하를 최소화하면서 제1 내지 제3 방향으로의 다른 서보 모터 모듈과의 확장성을 제공해줄 수 있다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
100 : 서보 모터 모듈 100-1 내지 100-10 : 서보 모터 모듈
101 : 볼트 110 : 상부 케이스
120 : 하부 케이스 121 : 제1 돌출부
122 : 너트 매립 공간 130 : 하우징
131 : 제2 돌출부 140 : 서보 모터
141 : 결합구 150 : 기어단
151 : 4단 기어 152 : 구동축
153 : 회전축 160 : PCB부
161 : 결합홈 162 : 홀
163 : 결합홈 170 : LED부
180 : 포지션 센서 181 : 결합구
300 : 어깨 관절부 310 : 제1 연결부재
311 : 볼트 400 : 손
401 : 볼트 402 : 너트
410 : 제2 연결부재 411 : 너트
412 : 볼트

Claims (8)

  1. 소정 형상의 상부 및 하부 케이스와,
    상기 상부 및 하부 케이스 사이에 배치되고 투명 재질로 이루어지는 하우징과,
    상기 하우징 내측에 형성된 내부 공간에 안착되는 서보 모터와,
    상기 하우징 내측에 안착되고, 상기 서보 모터로부터 토크를 전달받는 기어단과,
    상기 하부 케이스 상측에 배치되며, LED부가 배치되고, 상기 LED부의 색상 및 상기 서보 모터를 제어하는 PCB부와,
    상기 PCB부 상측에 배치되고, 상기 기어단의 구동축에 결합되어 상기 구동축의 회전 위치를 감지하는 포지션 센서로 구성되되,
    상기 서보 모터는 상기 하우징의 내부 공간에 끼움 방식으로 조립 안착되며, 상기 PCB부에는 상기 서보 모터의 하부 형상에 상응하여 홀이 되며, 상기 하부 케이스에는 상기 홀을 관통해 안착한 상기 서보 모터의 하부를 지지하는 제1 돌출부가 형성되어 상기 하우징의 내부 공간에 상기 서보 모터를 고정시키는, 서보 모터 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 돌출부는,
    상기 하부 케이스로부터 원통형으로 돌출되어 형성되는 것을 특징으로 하는, 서보 모터 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 PCB부에는, 상기 서보 모터의 하단에 형성된 결합구에 상응하는 결합홈이 형성되고, 서보 모터의 하부 형상에 상응하는 홀이 되어서,
    상기 서보 모터의 하부는 상기 홀을 관통하고 상기 서보 모터의 하단은 상기 결합구에 결합되어 상기 PCB부 상에 조립되는 것을 특징으로 하는, 서보 모터 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 서보 모터는 상기 하우징 내측에 형성된 내부 공간에 끼움 방식으로 조립 안착되는 것을 특징으로 하는, 서보 모터 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 포지션 센서는 상기 하우징의 하측에 형성된 제2 돌출부에 의해 상기 PCB부에 고정되는 것을 특징으로 하는, 서보 모터 모듈.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제2 돌출부는 사각기둥 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 서보 모터 모듈.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 PCB부에는 결합홈이 형성되고, 상기 결합홈에 상기 포지션 센서의 하부에 형성된 결합구가 결합되어서,
    상기 포지션 센서가 상기 PCB부 상에 조립되는 것을 특징으로 하는, 서보 모터 모듈.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 케이스 상측면은 평면을 이루며, 제1 내지 제3 방향으로 너트 매립 공간이 각각 2개소 형성되고, 상기 하부 케이스 하측면은 평면을 이루며, 제1 내지 제3 방향으로 너트 매립 공간이 각각 2개소 형성되어서, 세 방향으로 확장하는 것을 특징으로 하는, 서보 모터 모듈.
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