KR20190115289A - a cylindrical series elastic actuator - Google Patents

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KR20190115289A
KR20190115289A KR1020180038137A KR20180038137A KR20190115289A KR 20190115289 A KR20190115289 A KR 20190115289A KR 1020180038137 A KR1020180038137 A KR 1020180038137A KR 20180038137 A KR20180038137 A KR 20180038137A KR 20190115289 A KR20190115289 A KR 20190115289A
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이학
이광진
이상룡
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경북대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a robot actuator, and more specifically, to an actuator which is used for an auxiliary ergodynamograph, and comprises: a rod unit performing a linear reciprocating movement; a driving motor delivering driving force to the rod unit by means of a driving shaft; and a driving force delivering unit converting a rotary motion of the driving shaft of the driving motor into the linear reciprocating movement of the rod unit. Here, the rod unit has an outer, which is an external cover, and an inner, which is a body inserted into the outer. The outer is in a cylindrical shape having a first hollow part. The inner is inserted into the first hollow part of the outer, and has a cylindrical shape having a second hollow part with a diameter smaller than that of the first hollow part. At one side surface of the second hollow part is formed a first guide hole into which one end of the rod unit penetrates. The other side surface of the second hollow part is opened such that a component of the driving force delivering unit may be inserted and coupled thereinto. Resultantly, the present invention is configured in a double cylinder shape, provided with a structure of the second hollow part and the first hollow part having a concentric circle towards a central shaft of the first guide hole.

Description

원통형 직렬 탄성 액츄에이터{a cylindrical series elastic actuator}Cylindrical series elastic actuators

본 발명은 액츄에이터에 관한 것으로, 보다 자세하게는 로봇 액츄에이터 또는 보조 근력장치에 사용되는 액츄에이터에 관한 것이다.The present invention relates to an actuator, and more particularly, to an actuator used in a robot actuator or auxiliary muscle power device.

현재 큰 관심을 받고 있는 로봇 분야는 많은 연구와 개발이 수행중이며, 산업 로봇 이외에도 인간을 대신하여 다양한 작업을 수행할 수 있는 원격 조정 로봇, 인간형 로봇, 보조근력장치 등의 필요성이 대두 되고 있다. 특히, 사람들이 거주하는 공간에 가장 적합한 인간형 로봇에 대한 관심과 연구가 점차 증가하는 추세이고, 인간형 로봇 이외에 장애인이나 노약자 및 재활을 위한 다양한 보조근력장치 또는 재활장치 등에 사용되고 있는 실정이다..In the robot field, which is currently receiving much attention, many researches and developments are being performed, and in addition to industrial robots, there is a need for remote control robots, humanoid robots, and auxiliary muscle devices that can perform various tasks on behalf of humans. In particular, the interest and research on the humanoid robot that is most suitable for the space where people live is gradually increasing, and in addition to the humanoid robot, it is used in various auxiliary muscle devices or rehabilitation devices for the disabled, the elderly, and rehabilitation.

이러한 인간형 로봇의 발목, 무릎, 팔에 사용되어 인간의 근육처럼 신축성 조절을 통해 높은 에너지 효율을 낼 수 있는 직렬 탄성 액츄에이터(series elastic actuator)는 액츄에이터와 탄성부재를 직렬로 연결하여 탄성부재의 변위로 힘을 측정할 수 있도록 하는 장치이다. The series elastic actuator, which is used for the ankle, knee, and arm of such a humanoid robot and has high energy efficiency through elasticity control like human muscles, is connected to the actuator and the elastic member in series, so as to displace the elastic member. It is a device that can measure force.

기존의 직렬 탄성 액츄에이터는 load에 일시적인 충격이 가해지면, 1) 모터 기어열 손상, 2) 인간 작업자와 액츄에이터 충돌 시, 사람에게 물리적인 손상을 주는는 문제점이 있다.The conventional series elastic actuator has a problem that, if a temporary shock is applied to the load, 1) damage to the motor gear train, and 2) physical damage to a person when an actuator collides with a human operator.

게다가, 고성능과 다기능 구현의 필요성으로 액츄에이터의 크기 및 부피가 증가하게 되고 이에 따라 로봇 또는 장치에 차지하는 공간도 커지게 되어 소형화 , 무게감소 및 원가절감의 필요성도 커지고 있다.In addition, the need for high performance and multi-function implementation increases the size and volume of the actuator, thereby increasing the space occupied by the robot or device, thereby increasing the need for miniaturization, weight reduction, and cost reduction.

이에 선행기술로서 한국공개특허 10-2017-0085390호(중공축 모터와 볼트스크류를 직결한 너트 구동형 직렬 탄성 액츄에이터 장치)는 모터축 내부에 공간이 존재하는 중공축 모터를 사용하여 기존의 너트구동형 직렬 탄성 액츄에이터에 있어서 너트 구동부를 제거하고 볼트스크류 너트와 모터의 회전축을 직접 체결하는 구조를 제안함으로써 종래 직렬 탄성 액츄에이터에 비해 그 구조를 간단하게 하며 전체 부피를 줄일 수 있게 하고 있다.As a prior art, Korean Patent Publication No. 10-2017-0085390 (Nut-driven series elastic actuator device directly connecting a hollow shaft motor and a bolt screw) uses a hollow shaft motor having a space inside a motor shaft to drive a conventional nut. In the type series elastic actuator, the structure of removing the nut drive unit and directly connecting the rotating shaft of the bolt screw nut and the motor is proposed to simplify the structure and reduce the total volume of the conventional series elastic actuator.

그러나, 선행기술과 같이 너트 구동형 직렬 탄성 액츄에이터에서는 벨트와 풀리 추가에 따른 구조 복잡성이 증가하게 되고 대부분 사각형 구조에 따라 일반적으로 그 크기 및 중량이 최적화되어 있기 때문에, 로봇을 구동시키기 위한 액츄에이터를 설치하기 위한 내부 공간은 매우 협소한 구조를 갖게 되어 소형화에 제약이 있다.However, in the nut-driven series elastic actuator, as in the prior art, the complexity of the structure is increased by the addition of a belt and a pulley, and in general, the size and weight are optimized according to the rectangular structure. Therefore, the actuator for driving the robot is installed. The internal space to have a very narrow structure is limited in miniaturization.

한국공개특허 10-2017-0085390호(2017년 7월 24일 공개)Korean Patent Publication No. 10-2017-0085390 (published Jul 24, 2017)

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 선형 액츄에이터에서 로드부를 이너와 아웃터의 이중 실린더 형태로 구성하여, 기존 대비 액츄에이터가 차지하는 공간을 줄여 재료 절감, 부피 축소, 무게 감소에 따른 소형화를 구현하고, 소형화에 따른 무게 대비 출력효율을 증가시킬 수 있는 직렬 탄성 액츄에이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made to solve the problems described above, by configuring the rod portion in the form of a double cylinder of the inner and the outer in the linear actuator, reducing the space occupied by the actuator compared to the conventional material reduction, volume reduction, weight reduction It is an object of the present invention to provide a series elastic actuator capable of realizing miniaturization and increasing output efficiency with respect to weight.

이를 위해, 본 발명은 직선왕복운동을 수행하는 로드부와, 구동샤프트를 통해 상기 로드부에 구동력을 전달하는 구동모터와, 상기 구동모터의 구동샤프트에 의한 회전운동을 상기 로드부의 직선왕복운동으로 변환하는 동력전달부를 포함하고,To this end, the present invention, the rod portion for performing a linear reciprocating motion, the drive motor for transmitting a driving force to the rod portion through a drive shaft, and the rotational movement by the drive shaft of the drive motor to the linear reciprocating motion of the rod Including a power transmission unit for converting,

상기 로드부는, 외부 커버로서 아웃터와 상기 아웃터에 삽입되는 몸체로서 이너를 구비하고,The rod portion has an outer as an outer cover and an inner as a body inserted into the outer,

상기 아웃터는 제1 중공부를 갖는 원통 형태이며, 상기 이너는 상기 아웃터의 제1 중공부에 삽입되고, 상기 제1 중공부보다 직경이 작은 제2 중공부를 갖는 원통 형태이고,The outer is in the form of a cylinder having a first hollow portion, the inner is inserted into the first hollow portion of the outer, the cylindrical shape having a second hollow portion having a smaller diameter than the first hollow portion,

상기 제2 중공부의 일측면은 상기 로드부의 일단이 관통하는 제1 가이드홀이 형성되고, 상기 제2 중공부의 타측면은 개방되어 상기 동력전달부의 구성요소가 삽입되어 결합되어, 상기 제1 가이드홀의 중심축 방향으로 동심원을 갖는 상기 제2 중공부와 상기 제1중공부의 구조를 갖는 이중 실린더 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 원통형 직렬 탄성 액츄에이터를 제공한다.One side surface of the second hollow portion is formed with a first guide hole through which one end of the rod portion penetrates, and the other side surface of the second hollow portion is opened so that components of the power transmission unit are inserted and coupled to each other. Provided is a cylindrical series elastic actuator characterized in that it is configured in the form of a double cylinder having the structure of the second hollow portion and the first hollow portion having a concentric circle in the central axis direction.

바람직하게, 상기 동력전달부는, 상기 로드부의 상기 이너에 삽입되는 볼너트와, 상기 볼너트와 결합하여 결합된 볼너트가 좌우로 직선왕복운동함에 따라 상기 로드부도 함께 직선왕복운동하게 하는 볼스크류를 포함할 수 있다.Preferably, the power transmission unit, the ball screw is inserted into the inner portion of the rod portion, the ball nut coupled to the ball nut coupled to the ball reciprocating linearly reciprocating from side to side to make the rod portion also linear reciprocating movement with the ball screw It may include.

바람직하게, 상기 볼스크류와 상기 구동샤프트에 연결되어 상기 구동모터의 회전력을 상기 볼스크류로 전달하는 커플링을 더 포함할 수 있다.Preferably, the ball screw and the drive shaft may further include a coupling for transmitting the rotational force of the drive motor to the ball screw.

바람직하게, 상기 커플링의 양측에 베어링을 형성할 수 있다.Preferably, bearings may be formed on both sides of the coupling.

바람직하게, 일단은 상기 커플링과 연결되고 타단은 상기 볼스크류와 연결되어, 상기 볼스크류와 상기 구동모터의 센터링을 조정 및 지지하는 지지부를 더 포함할 수 있다.Preferably, one end is connected to the coupling and the other end is connected to the ball screw, the ball screw and the driving motor may further include a support for adjusting and supporting the centering.

바람직하게, 상기 지지부의 반대방향에 설치되고 상기 볼너트가 삽입된 제2 중공부를 커버하며, 중심에 제2 가이드홀을 형성하여 상기 제2 가이드홀을 통해 상기 볼스크류가 일방향을 따라서 이동하게 하는 가이드 판을 더 포함할 수 있다.Preferably, it is installed in the opposite direction of the support portion and covers the second hollow portion, the ball nut is inserted, forming a second guide hole in the center to move the ball screw in one direction through the second guide hole It may further include a guide plate.

이때, 상기 가이드 판은 상기 이너의 단면에 대응되는 원통 형상으로 형성되고, 상기 가이드 판의 크기는 상기 이너의 단면과 동일하거나 작게 형성되며, 상기 제2 가이드홀의 중심축 방향과 상기 제1 가이드홀의 중심축 방향은 평행하게 동일 선상에 위치하는 것이 바람직하다.In this case, the guide plate is formed in a cylindrical shape corresponding to the cross section of the inner, the size of the guide plate is formed the same or smaller than the cross section of the inner, the direction of the central axis of the second guide hole and the first guide hole The central axis direction is preferably located on the same line in parallel.

또한, 상기 볼 스크류 및 상기 이너의 이동 경로를 가이드하는 가이드링을 더 포함하고, 상기 가이드링의 중심축 방향은 상기 제2 가이드홀의 중심축 방향과 제1 가이드홀의 중심축 방향과 평행하게 동일선상에 위치하는 것이 바람직하다.The apparatus may further include a guide ring for guiding the movement path of the ball screw and the inner, wherein the center axis direction of the guide ring is parallel to the center axis direction of the second guide hole and the center axis direction of the first guide hole. It is preferable to be located at.

또한, 상기 이너의 외주면에 소정 길이의 돌기를 형성하고, 상기 돌기가 상기 가이드링에 결착되게 구성하여, 상기 이너의 회전운동을 방지하고 직선운동을 도모함이 바람직하다..In addition, it is preferable to form a projection of a predetermined length on the outer circumferential surface of the inner, and to configure the projection to be bound to the guide ring, to prevent rotational movement of the inner and to achieve a linear movement.

바람직하게, 상기 볼너트를 양측면에서 지지하는 스프링을 더 포함할 수 있다.Preferably, the ball nut may further include a spring supporting both sides.

본 발명은 선형 액츄에이터에서 로드부를 이너와 아웃터의 이중 실린더 형태로 구성하여, 기존의 사각형 구조의 액츄에이터 형태와 비교하여 액츄에이터가 차지하는 공간을 줄인 만큼 재료 절감에 따른 원감 절감효과를 구현할 수 있고, 부피도 적게 들어 무게가 더 가벼우지므로 작은 무게에 따라 무게 대비 직렬탄성 액츄에이터의 출력 효율도 증가시킬 수 있는 장점이 있다.The present invention is to configure the rod portion in the form of a double cylinder of the inner and the outer in the linear actuator, as compared with the conventional rectangular actuator form to reduce the space occupied by the actuator can realize the effect of reducing the sensation according to the material saving, volume Since the weight is lighter because it is less, it has the advantage of increasing the output efficiency of the series elastic actuator relative to the weight according to the small weight.

또한, 중심 부분이 비워져 있는 중공축의 형태이므로, 중심이 채워져 있는 형태보다 무게가 더 가벼우며, 중공축의 대칭 구조로 충격의 완화하여 오히려 구조적 강도를 강화시킬 수 있어, 강도와 무게감소 및 원가절감의 효과를 구현할 수 있다.In addition, since the central part is in the form of a hollow shaft, the weight is lighter than that of the center-filled form, and the symmetrical structure of the hollow shaft can be used to mitigate the impact, thereby reinforcing structural strength, thereby reducing the strength, weight, and cost. You can implement the effect.

또한, 실린더 형태의 액츄에이터는 굽힘 하중을 받을 때 원의 중심으로부터 굽힘 하중을 받는 부위까지 모두 동일한 거리상에 있으므로 동일한 굽힘 하중을 받지만, 사각형태인 경우에는 중심으로부터 굽힘 하중을 받는 부위까지 거리가 각각 다르므로 굽힘 하중을 받는 크기도 각각 다르며, 실린더 형태에 비해 더 큰 굽힘 하중을 받게 되는 문제를 해결할 수 있다.In addition, the cylindrical actuators receive the same bending loads from the center of the circle to the sites receiving the bending loads when subjected to the bending loads, but in the case of the rectangular shape, the distances from the center to the sites receiving the bending loads are different. Therefore, the sizes of the bending loads are also different, and the problem of receiving a larger bending load than the cylinder type can be solved.

또한, 볼너트의 양측면에서 탄성부재를 구비하여, 신축성으로 인해 로드부로부터 가해지는 외부 충격을 잘 흡수하여, 외부 충격으로부터 유입되는 에너지를 일시 저장 및 방출을 통해 에너지 효율을 높여준다.In addition, by providing an elastic member on both sides of the ball nut, it absorbs the external shock applied from the rod due to the elasticity, thereby improving the energy efficiency through the temporary storage and release of the energy from the external impact.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 원통형 직렬 탄성 액츄에이터(100)에서 내부를 포함한 전체 구성을 나타낸 측단면도,
도 2는 도 1의 원통형 직렬 탄성 액츄에이터(100)의 분해 사시도,
도 3은 도 2에서 로드부(110)를 자세히 나타낸 분해사시도이다.Figure 1 is a side cross-sectional view showing the overall configuration including the inside in the cylindrical series elastic actuator 100 according to a preferred embodiment of the present invention,
FIG. 2 is an exploded perspective view of the cylindrical series elastic actuator 100 of FIG. 1,
3 is an exploded perspective view showing the rod unit 110 in detail in FIG.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 원통형 직렬 탄성 액츄에이터를 설명한다. 설명하는 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로 이에 의해 본 발명이 한정되지 않는다.Hereinafter, a cylindrical series elastic actuator according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The described embodiments are provided to enable those skilled in the art to easily understand the technical spirit of the present invention, and the present invention is not limited thereto.

또한, 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시 예들을 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있다.In addition, matters represented in the accompanying drawings may be different from the form actually embodied in the schematic drawings in order to easily explain the embodiments of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 원통형 직렬 탄성 액츄에이터의 구성을 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the configuration of a cylindrical series elastic actuator according to a preferred embodiment of the present invention.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 원통형 직렬 탄성 액츄에이터(100)에서 내부를 포함한 전체 구성을 나타낸 측단면도, 도 2는 도 1의 원통형 직렬 탄성 액츄에이터(100)의 분해 사시도, 도 3은 도 2에서 로드부(110)만 따로 조립된 모습을 자세히 나타낸 분해사시도이다.Figure 1 is a side cross-sectional view showing the overall configuration including the inside in the cylindrical series elastic actuator 100 according to a preferred embodiment of the present invention, Figure 2 is an exploded perspective view of the cylindrical series elastic actuator 100 of Figure 1, Figure 3 2 is an exploded perspective view showing in detail the assembly of the rod 110 separately.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 직렬 탄성 액츄에이터(100)는, 크게, 로드부(110), 동력 전달부 및 구동모터(150)을 포함할 수 있다.1 to 3, the series elastic actuator 100 according to the preferred embodiment of the present invention may include a rod 110, a power transmission unit, and a driving motor 150.

여기서, 동력전달부는 구동모터(150)의 구동샤프트(151)에 의한 회전운동을 로드부(110)의 직선왕복운동으로 변환하여 주며, 이를 위해, 볼너트(130), 스프링(120), 볼스크류(140), 지지부(160) 및 커플링(170)을 구비한다. 즉, 동력전달부는 구동모터(150)와 연결되어 회전하는 볼스크류(140)와, 볼스크류(140)의 회전 방향에 따라 좌 또는 우로 직선 운동하는 볼너트(130)와, 볼너트(130)를 양측면에서 지지하는 스프링(120)으로 구성된다.Here, the power transmission unit converts the rotational motion by the drive shaft 151 of the drive motor 150 into a linear reciprocating motion of the rod 110, for this purpose, ball nut 130, spring 120, ball The screw 140, the support 160, and the coupling 170 are provided. That is, the power transmission unit is connected to the drive motor 150, the ball screw 140 and the ball nut 130 and the ball nut 130 to move linearly to the left or right according to the rotation direction of the ball screw 140, the ball nut 130 It is composed of a spring 120 for supporting from both sides.

또한, 커플링(170)은 볼스크류(140)와 구동모터(150)의 구동샤프트(151) 사이에 배치되어, 상호 간의 마찰을 방지하면서 구동모터(150)의 회전력을 볼스크류(140)에 전달한다. 또한, 지지부(160)는 일단은 커플링(170)과 연결되어 타단은 볼스크류(140)와 연결되어 지지하며 상기 구동모터(150)와 일직선상에 배치되어 상기 구동모터(150)와의 결합을 강화시킨다.In addition, the coupling 170 is disposed between the ball screw 140 and the drive shaft 151 of the drive motor 150, the rotational force of the drive motor 150 to the ball screw 140 while preventing friction between each other. To pass. In addition, one end of the support unit 160 is connected to the coupling 170 and the other end is connected to and supported by the ball screw 140. The support unit 160 is disposed in line with the driving motor 150 to engage the driving motor 150. Strengthen.

또한, 구동모터(150)는 구동샤프트(151)을 통해 로드부(110)에 회전구동력을 전달하며, 구동샤프트(151)은 일측 단부가 커플링(170)에 연결되고, 타측 단부가 구동모터(150)와 연결된다.In addition, the drive motor 150 transmits a rotational driving force to the rod unit 110 through the drive shaft 151, the drive shaft 151 is one end is connected to the coupling 170, the other end is the drive motor Connected with 150.

또한, 로드부(110)은 전체적인 형상이 실린더의 원통형으로 형성되며, 외부 커버로서 아웃터(Outer)(112)와 상기 아웃터(110)에 삽입되는 몸체로서 이너(inner)(111)가 구비된다. 이때, 아웃터(112)는 제1 중공부를 갖는 원통 형태이며, 이너(111)는 아웃터(112)의 제1 중공부에 삽입되고, 상기 제1 중공부보다 직경이 작은 제2 중공부를 가지며, 상기 로드부(110)는 이중 실린더 형태이다. 여기서, 제2 중공부의 일측면은 로드부(110)의 일단이 관통하는 제1 가이드홀(미도시)이 형성되고, 제2 중공부가 제1 가이드홀의 중심축 방향을 따라 내부에 형성되어, 상기 로드부(110)는 제1 가이드홀의 중심축 방향을 동심원으로 하는 제2 중공부 및 상기 제2 중공부보다 반경이 큰 제2 중공부의 이중 실린더 구조이다. 또한, 제2 중공부의 타측면은 개방되어 볼너트(130), 볼너트(130)의 앞뒤로 스프링(120)을 넣고 결합할 수 있고, 제2 중공부의 타측면의 개방면은 가이드 판(132)을 통해 삽입되는 볼너트(130), 스프링(120)을 지지하면서 고정시킬 수 있다.In addition, the rod portion 110 is formed in a cylindrical shape of the cylinder, the outer cover (Outer 112) and the inner (Inner 111) is provided as a body to be inserted into the outer 110. At this time, the outer 112 is a cylindrical shape having a first hollow portion, the inner 111 is inserted into the first hollow portion of the outer 112, has a second hollow portion smaller in diameter than the first hollow portion, The rod unit 110 is in the form of a double cylinder. Here, one side of the second hollow portion is formed with a first guide hole (not shown) through which one end of the rod portion 110 passes, and the second hollow portion is formed along the direction of the central axis of the first guide hole, The rod part 110 has a double cylinder structure of a second hollow part having a concentric circle in the direction of the central axis of the first guide hole and a second hollow part having a larger radius than the second hollow part. In addition, the other side surface of the second hollow portion may be opened to couple the spring 120 into the ball nut 130 and the back and forth of the ball nut 130, and the open surface of the other side of the second hollow portion may be guide plates 132. It can be fixed while supporting the ball nut 130, the spring 120 is inserted through.

이를 통해, 로드부(110)를 이너와 아웃터의 이중 실린더 형태로 구성하여, 기존의 사각형 구조의 액츄에이터 형태와 비교하여 액츄에이터가 차지하는 공간을 줄인 만큼 재료 절감에 따른 원감 절감효과를 구현할 수 있고, 부피도 적게 들어 무게가 더 가벼우지므로 작은 무게에 따라 무게 대비 직렬탄성 액츄에이터의 출력효율도 증가시키게 된다.Through this, by configuring the rod 110 in the form of a double cylinder of the inner and the outer, as compared with the conventional rectangular actuator type to reduce the space occupied by the actuator, it is possible to implement the reduction of the original effect according to the material saving, volume The lower weight also makes the weight lighter, which increases the output efficiency of the series elastic actuator relative to the weight.

또한, 중심 부분이 비워져 있는 중공축의 형태이므로, 중심이 채워져 있는 형태보다 무게가 더 가벼우며, 중공축의 대칭 구조로 충격의 완화하여 오히려 구조적 강도를 강화시킬 수 있어, 강도와 무게감소 및 원가절감의 효과를 구현할 수 있다.In addition, since the central part is in the form of a hollow shaft, the weight is lighter than that of the center-filled form, and the symmetrical structure of the hollow shaft can be used to mitigate the impact, thereby reinforcing structural strength, thereby reducing the strength, weight, and cost. You can implement the effect.

또한, 실린더 형태의 액츄에이터는 굽힘 하중을 받을 때 원의 중심으로부터 굽힘 하중을 받는 부위까지 모두 동일한 거리상에 있으므로 동일한 굽힘 하중을 받지만, 사각형태인 경우에는 중심으로부터 굽힘 하중을 받는 부위까지 거리가 각각 다르므로 굽힘 하중을 받는 크기도 각각 다르며, 실린더 형태에 비해 더 큰 굽힘 하중을 받게 된다.In addition, the cylindrical actuators receive the same bending loads from the center of the circle to the sites receiving the bending loads when subjected to the bending loads, but in the case of the rectangular shape, the distances from the center to the sites receiving the bending loads are different. Therefore, the size of the bending load is also different, and the bending load is larger than the cylinder type.

또한, 볼스크류(140)는 일단에 형성되는 가이드 판(132)과 타단에 형성되는 지지부(160)를 통해 상기 로드부(110)에 결합될 수 있다. 이때, 상기 가이드 판(132)은 이너(111)의 단면에 대응되는 원통 형상으로 형성되어, 상기 볼너트(130) 및 스프링(120)이 삽입된 제2 중공부의 개방된 타측면을 폐쇄하며 지지한다. 또한, 가이드 판(132)의 크기는 상기 이너(111)의 단면과 실질적으로 동일하거나 작게 형성된다. 상기 가이드 판(132)은 그 중심에 제2 가이드홀을 형성하여 상기 제2 가이드홀을 통해 볼스크류(140)가 일방향을 따라서 이동하게 한다. 더하여, 가이드링(131)을 형성하여 상기 가이드링(131)을 통해 볼스크류(140)의 이동 경로를 가이드하도록 형성한다. 이때, 가이드링(131)의 중심축 방향, 제2 가이드홀의 중심축 방향과 제1 가이드홀의 중심축 방향은 평행하게 동일선상에 위치한다. 또한, 지지부(160)는 볼스크류(140)와 구동모터(150)의 센터링을 조정 및 지지하게 한다. 게다가, 커플링(170)의 양측에 베어링(미도시)을 배치하여 상기 베어링을 통해 각각의 회전운동이 원활하도록 할 수 있게 한다. 이에 따라, 상기 가이드 판(132)과 상기 지지부(160)에 의하여 볼너트(130)와 볼스크류(140)의 결합을 지지하며 흔들림을 방지할 수 있다. In addition, the ball screw 140 may be coupled to the rod 110 through a guide plate 132 formed at one end and a support 160 formed at the other end. At this time, the guide plate 132 is formed in a cylindrical shape corresponding to the cross section of the inner 111, closing and supporting the other open side surface of the second hollow portion in which the ball nut 130 and the spring 120 is inserted do. In addition, the size of the guide plate 132 is formed to be substantially the same as or smaller than the cross section of the inner 111. The guide plate 132 forms a second guide hole at its center to allow the ball screw 140 to move in one direction through the second guide hole. In addition, the guide ring 131 is formed to guide the movement path of the ball screw 140 through the guide ring 131. In this case, the central axis direction of the guide ring 131, the central axis direction of the second guide hole, and the central axis direction of the first guide hole are located on the same line in parallel. In addition, the support 160 adjusts and supports the centering of the ball screw 140 and the driving motor 150. In addition, bearings (not shown) are disposed on both sides of the coupling 170 to allow smooth rotation of the respective rotational movements through the bearings. Accordingly, the guide plate 132 and the support unit 160 may support the coupling of the ball nut 130 and the ball screw 140 to prevent shaking.

또한, 로드부(110)는 구동모터(150)의 구동력을 동력전달부로부터 전달받아 원통형 아웃터(112)의 내외부로 슬라이드 이동되어 직선왕복운동을 수행한다. 이때, 아웃터(112)는 상기 가이드링(131)을 통해 이너(111)가 제1 중공부에서 직선왕복운동하는 것을 가이드한다.In addition, the rod unit 110 receives the driving force of the drive motor 150 from the power transmission unit slides to the inside and outside of the cylindrical outer 112 to perform a linear reciprocating motion. At this time, the outer 112 guides the inner reciprocating linear movement in the first hollow portion through the guide ring 131.

또한, 스프링(120)는 볼너트(130)의 양측면에서 앞뒤로 구비되어, 로드부(110) 전체가 볼너트(130)가 앞뒤로 동작함에 따라 함께 움직이게 된다. 이에 스프링(120)은 신축성으로 인해 로드부(110)로부터 가해지는 외부 충격을 잘 흡수하여, 외부 충격으로부터 유입되는 에너지를 일시 저장 및 방출을 통해 에너지 효율을 높여준다.In addition, the spring 120 is provided back and forth on both sides of the ball nut 130, the entire rod portion 110 is moved together as the ball nut 130 moves back and forth. Accordingly, the spring 120 absorbs the external shock applied from the rod part 110 due to its elasticity, thereby increasing energy efficiency through temporarily storing and releasing energy introduced from the external shock.

또한, 이너(111)의 외주면에 소정 길이의 돌기(미도시)를 형성하고, 상기 돌기가 상기 가이드링(131)에 결착되어, 이너(111)가 자체로 회전운동하는 것을 방지하고 직선운동을 도모할 수 있다. 이때, 상기 가이드링(131)은 상기 이너(111) 외주면의 돌기와 결착되므로, 이너(111)의 회전을 방지하는 리미터(limiter)로서 역할을 수행할 수 있다. In addition, a protrusion (not shown) having a predetermined length is formed on an outer circumferential surface of the inner 111, and the protrusion is bound to the guide ring 131, thereby preventing the inner 111 from rotating in itself and performing a linear movement. We can plan. At this time, the guide ring 131 is bound with the protrusion of the outer peripheral surface of the inner 111, it can serve as a limiter (limiter) to prevent the rotation of the inner 111.

이처럼, 본 발명은 로봇의 엔드이펙터(end-effector)에 사용되는 강성 액츄에이터와 달리 컴플라이언스 요소를 액츄에이터 내부에 결합한 선형 탄성 액츄에이터로서, 로드부의 몸체인 이너에 볼스크류, 볼너트, 볼너트의 앞뒤로 스프링을 결합하는 형태를 구현하여 조립하기 간단한 장점이 있다.As described above, the present invention is a linear elastic actuator that combines a compliance element inside the actuator, unlike the rigid actuator used for the end-effector of the robot, and springs forward and backward of the ball screw, ball nut, and ball nut in the inner body of the rod part. There is a simple advantage to assemble by implementing a form that combines.

또한, 이너와 아웃터가 실린더 형태이며, 이너가 아웃터의 내벽에서 삽입 또는 인출되어 직선운동함으로써, 실린더 구조로 차지하는 공간이 줄어들어 공간 절약효과와 인간형 로봇의 내골격 구조에 적합한 소형화를 구현할 수 있다.In addition, the inner and the outer are in the form of a cylinder, and the inner is inserted or withdrawn from the inner wall of the outer to linearly move, thereby reducing the space occupied by the cylinder structure can realize a space-saving effect and miniaturization suitable for the internal skeleton structure of the humanoid robot.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 직렬 탄성 액츄에이터의 동작을 상세하게 설명한다.Hereinafter, the operation of the series elastic actuator according to the preferred embodiment of the present invention will be described in detail.

본 발명에 따른 직렬 탄성 액츄에이터는, 구동모터(150)와 볼스크류(140) 축이 커플링(170)으로 연결되어 있으므로, 구동모터(150)에 볼스크류(140)가 구동샤프트(151)을 통해 연결되어 회전하고, 볼스크류(140)에 장착된 볼너트(130)가 볼스크류(140) 회전 방향에 따라 좌 또는 우로 직선운동하게 된다. 또한, 볼스크류(140)의 직선운동이 있는 경우 볼너트(130)와, 볼너트(130)를 지지하는 스프링(120)을 통해 볼너트(130)가 앞뒤 또는 좌우로 동작함에 따라 로드부(110)도 볼너트(130)와 동일한 방향으로 직선운동을 하게 된다. 여기서, 상기 로드부(110)에 가해지는 외력의 크기는 스프링(140)의 변위를 통해 측정될 수 있고, 스프링(140)의 변위를 측정하는 위치센서와 상기 센서를 통해 로드부(110)의 이동거리를 측정하는 제어부를 더 구비할 수 있다. 또한, 상기 위치센서와 제어부는 일체형으로 모듈화하여 형성될 수 있다.In the series elastic actuator according to the present invention, since the drive motor 150 and the ball screw 140 shaft are connected to the coupling 170, the ball screw 140 is connected to the drive motor 150 to the drive shaft 151. Connected and rotated, the ball nut 130 mounted on the ball screw 140 is linearly moved left or right according to the rotation direction of the ball screw 140. In addition, when there is a linear movement of the ball screw 140, the ball nut 130 and the rod nut (130) as the ball nut 130 is moved back and forth or left and right through the spring 120 for supporting the ball nut 130 110 is also a linear motion in the same direction as the ball nut 130. Here, the magnitude of the external force applied to the rod 110 may be measured through the displacement of the spring 140, the position sensor for measuring the displacement of the spring 140 and of the rod 110 through the sensor A control unit for measuring the moving distance may be further provided. In addition, the position sensor and the control unit may be formed integrally modular.

또한, 지지부(160)는 볼스크류(140)와 구동모터(150)의 센터링을 조정 및 지지하게 한다. 게다가, 커플링(170)의 양측에 베어링(미도시)을 배치하여 상기 베어링을 통해 각각의 회전운동이 원활하도록 할 수 있게 한다.In addition, the support 160 adjusts and supports the centering of the ball screw 140 and the driving motor 150. In addition, bearings (not shown) are disposed on both sides of the coupling 170 to allow smooth rotation of the respective rotational movements through the bearings.

또한, 볼스크류(140)는 상기 볼스크류의 타단에 형성되는 가이드 판(132)을 더 구비할 수 있다. 이때, 상기 가이드 판(132)은 볼스크류(140)의 이동 경로를 가이드 하도록 형성하고, 상기 가이드 판에 의하여 상기 볼스크류(140)의 흔들림을 방지할 수 있다. 이를 통해 상기 가이드 판 및 지지부를 통해 흔들림 또는 미끄럼을 방지하고 상기 스프링을 통해 충격 완화 및 소음을 방지할 수 있다.In addition, the ball screw 140 may further include a guide plate 132 formed at the other end of the ball screw. At this time, the guide plate 132 is formed to guide the movement path of the ball screw 140, it is possible to prevent the shaking of the ball screw 140 by the guide plate. This prevents shaking or slipping through the guide plate and the support and prevents shock and noise through the spring.

위에서 설명된 본 발명의 실시 예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 본 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.The embodiments of the present invention described above are disclosed for the purpose of illustration, and those skilled in the art may make various modifications, changes, and additions within the spirit and scope of the present invention. Changes, changes, and additions should be considered to be within the scope of the claims.

110: 로드부
111: 이너
112: 아웃터
120: 스프링
130: 볼너트
131: 가이드링
132: 가이드 판
140: 볼스크류
150: 구동모터
151: 구동샤프트
160: 지지부
170: 커플링110: rod
111: inner
112: outer
120: spring
130: ball nut
131: guide ring
132: guide plate
140: ball screw
150: drive motor
151: drive shaft
160: support
170: coupling

Claims (10)

직선왕복운동을 수행하는 로드부;
구동샤프트를 통해 상기 로드부에 구동력을 전달하는 구동모터; 및
상기 구동모터의 구동샤프트에 의한 회전운동을 상기 로드부의 직선왕복운동으로 변환하는 동력전달부를 포함하고,
상기 로드부는, 외부 커버로서 아웃터와 상기 아웃터에 삽입되는 몸체로서 이너를 구비하고,
상기 아웃터는 제1 중공부를 갖는 원통 형태이며, 상기 이너는 상기 아웃터의 제1 중공부에 삽입되고, 상기 제1 중공부보다 직경이 작은 제2 중공부를 갖는 원통 형태이고,
상기 제2 중공부의 일측면은 상기 로드부의 일단이 관통하는 제1 가이드홀이 형성되고, 상기 제2 중공부의 타측면은 개방되어 상기 동력전달부의 구성요소가 삽입되어 결합되어, 상기 제1 가이드홀의 중심축 방향으로 동심원을 갖는 상기 제2 중공부와 상기 제1중공부의 구조를 갖는 이중 실린더 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 원통형 직렬 탄성 액츄에이터.A rod unit performing a linear reciprocating motion;
A drive motor transferring a driving force to the rod portion through a drive shaft; And
It includes a power transmission unit for converting the rotational motion by the drive shaft of the drive motor into a linear reciprocating motion of the rod,
The rod portion has an outer as an outer cover and an inner as a body inserted into the outer,
The outer is in the form of a cylinder having a first hollow portion, the inner is inserted into the first hollow portion of the outer, the cylindrical shape having a second hollow portion having a smaller diameter than the first hollow portion,
One side surface of the second hollow portion is formed with a first guide hole through which one end of the rod portion penetrates, and the other side surface of the second hollow portion is opened so that components of the power transmission unit are inserted and coupled to each other. A cylindrical series elastic actuator, characterized in that configured in the form of a double cylinder having the structure of the second hollow portion and the first hollow portion having a concentric circle in the central axis direction. 제1항에 있어서,
상기 동력전달부는,
상기 로드부의 상기 이너에 삽입되는 볼너트와, 상기 볼너트와 결합하여 결합된 볼너트가 좌우로 직선왕복운동함에 따라 상기 로드부도 함께 직선왕복운동하게 하는 볼스크류를 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 직렬 탄성 액츄에이터.The method of claim 1,
The power transmission unit,
And a ball screw inserted into the inner portion of the rod portion, and a ball screw coupled to the ball nut and coupled to the ball nut to linearly reciprocate with the rod portion as the reciprocating linear motion moves from side to side. Elastic actuators. 제2항에 있어서,
상기 볼스크류와 상기 구동샤프트에 연결되어 상기 구동모터의 회전력을 상기 볼스크류로 전달하는 커플링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 직렬 탄성 액츄에이터.The method of claim 2,
And a coupling coupled to the ball screw and the drive shaft to transfer the rotational force of the drive motor to the ball screw. 제3항에 있어서,
상기 커플링의 양측에 베어링을 형성한 것을 특징으로 하는 원통형 직렬 탄성 액츄에이터.The method of claim 3,
A cylindrical series elastic actuator, characterized in that bearings are formed on both sides of the coupling. 제3항에 있어서,
일단은 상기 커플링과 연결되고 타단은 상기 볼스크류와 연결되어, 상기 볼스크류와 상기 구동모터의 센터링을 조정 및 지지하는 지지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 직렬 탄성 액츄에이터.The method of claim 3,
And one end connected to the coupling and the other end connected to the ball screw, further comprising a support for adjusting and supporting the centering of the ball screw and the driving motor. 제5항에 있어서,
상기 지지부의 반대방향에 설치되고 상기 볼너트가 삽입된 제2 중공부를 커버하며, 중심에 제2 가이드홀을 형성하여 상기 제2 가이드홀을 통해 상기 볼스크류가 일방향을 따라서 이동하게 하는 가이드 판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 직렬 탄성 액츄에이터.The method of claim 5,
A guide plate which is installed in the opposite direction of the support part and covers the second hollow part in which the ball nut is inserted, and forms a second guide hole in the center to move the ball screw along one direction through the second guide hole; Cylindrical in-line elastic actuator further comprising. 제6항에 있어서,
상기 가이드 판은 상기 이너의 단면에 대응되는 원통 형상으로 형성되고, 상기 가이드 판의 크기는 상기 이너의 단면과 동일하거나 작게 형성되며, 상기 제2 가이드홀의 중심축 방향과 상기 제1 가이드홀의 중심축 방향은 평행하게 동일 선상에 위치하는 것을 특징으로 하는 원통형 직렬 탄성 액츄에이터. The method of claim 6,
The guide plate is formed in a cylindrical shape corresponding to the cross section of the inner, the size of the guide plate is formed the same or smaller than the cross section of the inner, the central axis direction of the second guide hole and the central axis of the first guide hole A cylindrical series elastic actuator, characterized in that the direction is parallel to the same line. 제7항에 있어서,
상기 볼 스크류 및 상기 이너의 이동 경로를 가이드하는 가이드링을 더 포함하고, 상기 가이드링의 중심축 방향은 상기 제2 가이드홀의 중심축 방향과 제1 가이드홀의 중심축 방향과 평행하게 동일선상에 위치하는 것을 특징으로 하는 원통형 직렬 탄성 액츄에이터.The method of claim 7, wherein
Further comprising a guide ring for guiding the movement path of the ball screw and the inner, the central axis direction of the guide ring is located on the same line in parallel with the central axis direction of the second guide hole and the central axis direction of the first guide hole A cylindrical series elastic actuator, characterized in that. 제8항에 있어서,
상기 이너의 외주면에 소정 길이의 돌기를 형성하고, 상기 돌기가 상기 가이드링에 결착되는 것을 특징으로 하는 원통형 직렬 탄성 액츄에이터.The method of claim 8,
And a protrusion having a predetermined length formed on an outer circumferential surface of the inner, and wherein the protrusion is fixed to the guide ring. 제2항에 있어서,
상기 볼너트를 양측면에서 지지하는 스프링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 직렬 탄성 액츄에이터.The method of claim 2,
The cylindrical serial elastic actuator further comprises a spring for supporting the ball nut on both sides.
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