KR20210082920A - 직렬탄성 구동기 - Google Patents

직렬탄성 구동기 Download PDF

Info

Publication number
KR20210082920A
KR20210082920A KR1020190175381A KR20190175381A KR20210082920A KR 20210082920 A KR20210082920 A KR 20210082920A KR 1020190175381 A KR1020190175381 A KR 1020190175381A KR 20190175381 A KR20190175381 A KR 20190175381A KR 20210082920 A KR20210082920 A KR 20210082920A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
gear
elastic
elastic body
series
output unit
Prior art date
Application number
KR1020190175381A
Other languages
English (en)
Inventor
박희창
Original Assignee
엘지전자 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 엘지전자 주식회사 filed Critical 엘지전자 주식회사
Priority to KR1020190175381A priority Critical patent/KR20210082920A/ko
Priority to US16/877,723 priority patent/US11835411B2/en
Publication of KR20210082920A publication Critical patent/KR20210082920A/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/14—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/1407—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element is other than a torsionally-flexible shaft involving springs
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/003—Couplings; Details of shafts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J17/00—Joints
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/06—Safety devices
    • B25J19/068—Actuating means with variable stiffness
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/12—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements electric
    • B25J9/126—Rotary actuators
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/20—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for measuring, monitoring, testing, protecting or switching
    • H02K11/21—Devices for sensing speed or position, or actuated thereby
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/20—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for measuring, monitoring, testing, protecting or switching
    • H02K11/21—Devices for sensing speed or position, or actuated thereby
    • H02K11/215—Magnetic effect devices, e.g. Hall-effect or magneto-resistive elements
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/30—Structural association with control circuits or drive circuits
    • H02K11/33—Drive circuits, e.g. power electronics
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/08—Structural association with bearings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/10—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters
    • H02K7/116—Structural association with clutches, brakes, gears, pulleys or mechanical starters with gears
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/14—Structural association with mechanical loads, e.g. with hand-held machine tools or fans
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2211/00—Specific aspects not provided for in the other groups of this subclass relating to measuring or protective devices or electric components
    • H02K2211/03—Machines characterised by circuit boards, e.g. pcb

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Toys (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 직렬탄성 구동기는, 회전 동력원에 의해 회전하는 기어; 기어에 의해 회전하는 출력부; 및 기어와 출력부를 연결하는 탄성체를 포함할 수 있다. 탄성체는, 기어에 체결된 외륜; 외륜의 내측에 위치하고 출력부에 체결된 내륜; 및 외륜과 상기 내륜을 연결하며 탄성 변형하는 변형부를 포함할 수 있다.

Description

직렬탄성 구동기{SERIES ELASTIC ACTUATOR}
본 발명은 직렬탄성 구동기에 관한 것이다.
직렬 탄성 구동기(SEA: Series Elastic Actuator)는 일반적으로 모터와 같은 동력원의 구동축에 소정의 탄성체를 직렬로 연결한 구동기이다. 결합된 탄성체로 인해 구동기가 외력에 유연하게 적응할 수 있고, 탄성체의 변위를 측정하면 구동기의 토크를 알아낼 수 있어, 이를 구동기의 피드백 제어에 이용하여 구동 강성을 가변적으로 제어할 수 있다.
종래의 직렬 탄성 구동기는 토크측정을 위해 일반적으로 토션 스프링 또는 인장-압축 스프링을 사용한다.
그러나, 종래의 직렬 탄성 구동기는, 감속기어와 스프링이 별도로 구비되므로, 스프링의 배치 및 연결을 위한 추가적인 공간 및 구성이 필요한 문제점이 있었다.
또한, 종래의 직렬 탄성 구동기는 일정 크기 이하로 제작되는 경우에 스프링의 강성을 조절하기 어려운 문제점이 있었다.
KR 10-2017-0037442A (2017.04.04. 공개)
본 발명이 해결하고자 하는 일 과제는 컴팩트한 직렬 탄성 구동기를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 컴팩트하면서도 필요한 강성의 설계가 용이한 직렬 탄성 구동기를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 직렬탄성 구동기는, 회전 동력원에 의해 회전하는 기어; 상기 기어에 의해 회전하는 출력부; 및 상기 기어와 상기 출력부를 연결하는 탄성체를 포함할 수 있다. 상기 탄성체는, 상기 기어에 체결된 외륜; 상기 외륜의 내측에 위치하고 상기 출력부에 체결된 내륜; 및 상기 외륜과 상기 내륜을 연결하며 탄성 변형하는 변형부를 포함할 수 있다.
상기 탄성체의 외륜 및 내륜은 중심이 상기 기어의 회전축상에 위치하도록 배치될 수 있다.
상기 변형부는 원주 방향으로 서로 이격된 복수개가 구비될 수 있다.
상기 탄성체는 스테인리스 합금 재질 또는 알루미늄 합금 재질을 포함할 수 있다.
상기 기어의 일면에는, 상기 탄성체가 장착되는 장착홈이 함몰 형성될 수 있다.
상기 장착홈에는 상기 탄성체의 내륜에 삽입되는 삽입부가 구비될 수 있다.
상기 장착홈의 내둘레에는 반경 내측 방향으로 돌출된 끼움부가 형성되고, 상기 탄성체의 외륜의 외둘레에는 상기 끼움부가 끼워지는 끼움홈이 형성될 수 있다.
상기 끼움부와 상기 끼움홈은 억지 끼워맞춤(tight fit)되어 상기 기어 및 탄성체가 직접 체결될 수 있다.
상기 탄성체의 변형부는 축방향으로 상기 기어와 이격될 수 있다.
상기 직렬탄성 구동기는, 상기 출력부에 연결되고 상기 탄성체의 내륜과 상기 기어를 통과하며 상기 기어의 회전축상에 위치한 샤프트를 더 포함할 수 있다.
상기 기어에는, 상기 샤프트를 반경 방향에 대해 지지하는 베어링이 장착되는 베어링 장착홈이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 직렬탄성 구동기는, 회전 동력원에 의해 회전하는 기어; 상기 기어에 의해 회전하는 출력부; 외륜과, 상기 외륜의 내측에 위치한 내륜과, 상기 외륜과 상기 내륜을 연결하며 탄성 변형하는 변형부를 포함하며, 상기 기어의 회전력을 상기 출력부로 전달하는 복수개의 탄성체; 및 상기 기어의 축방향과 나란한 방향으로 연장되며 상기 복수개의 탄성체의 내륜을 서로 연결하는 복수개의 연결핀을 포함할 수 있다.
상기 탄성체의 내륜에는 상기 연결핀이 끼워지는 복수개의 연결홀이 형성되고, 상기 복수개의 연결홀은 원주 방향으로 일정 간격만큼 이격될 수 있다.
상기 복수개의 연결핀은, 어느 하나의 탄성체와 다른 하나의 탄성체를 연결하는 제1연결핀; 및 상기 어느 하나의 탄성체와 또다른 하나의 탄성체를 연결하는 제2연결핀을 포함하고, 상기 제1연결핀과 상기 제2연결핀은 원주 방향에 대해 서로 교번적으로 배치될 수 있다.
상기 복수개의 연결핀은 셋 이상의 탄성체를 연결할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 탄성체의 외륜이 기어에 체결되고 탄성체의 내륜이 출력부에 체결되므로, 종래의 스프링 방식에 비해 직렬 탄성 구동기가 컴팩트해질 수 있다.
또한, 탄성체의 변형부의 형상이나 개수를 조절하여 탄성체의 강성을 용이하게 변경할 수 있다. 이로써, 탄성체의 크기를 컴팩트하게 유지하면서도 탄성체가 필요한 강성을 갖도록 용이하게 설계할 수 있다.
또한, 탄성체는 스테인리스 합금 재질 또는 알루미늄 합금 재질을 포함할 수 있다. 이로써, 탄성체의 강도가 높아지고, 가공이 용이해지며, 비용이 저렴하고 경량화가 가능하다.
또한, 탄성체는 기어에 함몰 형성된 장착홈에 장착될 수 있다. 이로써, 기어와 탄성체의 조합체가 컴팩트해질 수 있다.
또한, 장착홈의 내둘레에 돌출된 끼움부는, 외륜의 외둘레에 형성된 끼움홈에 끼워질 수 있다. 이로써, 기어와 외륜이 함께 회전할 수 있다.
또한, 끼움부와 끼움홈은 억지 끼워맞춤(tight fit)되어 기어 및 탄성체가 직접 체결될 수 있다. 이로써, 별도의 체결부재가 불필요한 이점이 있다.
또한, 탄성체의 변형부는 기어와 축방향으로 이격될 수 있다. 이로써, 변형부의 탄성 변형시에 기어와 마찰이 발생하지 않을 수 있다.
또한, 기어에 복수개의 탄성체가 체결되는 경우에, 복수개의 탄성체는 축방향과 나란한 복수개의 연결핀에 의해 연결될 수 있다. 이로써, 복수개의 탄성체의 조립체가 컴팩트해질 수 있다.
또한, 복수개의 탄성체가 직렬 연결되거나, 병렬 연결되거나, 직렬 및 병렬 연결이 조합될 수 있다. 이로써, 복수개의 탄성체의 연결 방법에 따라 다양한 탄성 강성을 간단하게 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 로봇을 포함하는 AI 장치를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 로봇과 연결되는 AI 서버를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 AI 시스템을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 직렬탄성 구동기를 포함하는 로봇의 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 로봇이 착용된 상태가 도시된 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 직렬탄성 구동기의 일 예가 도시된 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 직렬탄성 구동기의 분해도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 직렬탄성 구동기의 다른 예가 도시된 도면이다.
도 9는 도 8에 도시된 직렬탄성 구동기의 절개 사시도이다.
도 10은 도 8에 도시된 직렬탄성 구동기의 분해도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 탄성 기어모듈의 분해도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 탄성 기어모듈의 단면도이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 탄성체가 기어에 체결된 상태가 도시된 도면이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄성 기어모듈의 분해도이다.
도 15는 도 14에 도시된 복수개의 탄성체간의 직렬 연결을 설명하기 위한 도면이다.
도 16는 도 14에 도시된 복수개의 탄성체간의 병렬 연결을 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시 예를 도면과 함께 상세히 설명하도록 한다.
이하에서, 일 요소가 타 요소에 "체결" 또는 "연결"된다고 기재된 것은, 두 요소가 직접 체결되거나 연결된 것을 의미하거나, 두 요소 사이에 제3의 요소가 존재하고 상기 제3의 요소에 의해 두 요소가 서로 연결되거나 체결된 것을 의미할 수 있다. 반면, 일 요소가 타 요소에 "직접 체결" 또는 "직접 연결"된다고 기재한 것은, 두 요소 사이에 제3의 요소가 존재하지 않는다고 이해될 수 있을 것이다.
<로봇(Robot)>
로봇은 스스로 보유한 능력에 의해 주어진 일을 자동으로 처리하거나 작동하는 기계를 의미할 수 있다. 특히, 환경을 인식하고 스스로 판단하여 동작을 수행하는 기능을 갖는 로봇을 지능형 로봇이라 칭할 수 있다.
로봇은 사용 목적이나 분야에 따라 산업용, 의료용, 가정용, 군사용 등으로 분류할 수 있다.
로봇은 액츄에이터 또는 모터를 포함하는 구동부를 구비하여 로봇 관절을 움직이는 등의 다양한 물리적 동작을 수행할 수 있다. 또한, 이동 가능한 로봇은 구동부에 휠, 브레이크, 프로펠러 등이 포함되어, 구동부를 통해 지상에서 주행하거나 공중에서 비행할 수 있다.
<인공 지능(AI: Artificial Intelligence)>
인공 지능은 인공적인 지능 또는 이를 만들 수 있는 방법론을 연구하는 분야를 의미하며, 머신 러닝(기계 학습, Machine Learning)은 인공 지능 분야에서 다루는 다양한 문제를 정의하고 그것을 해결하는 방법론을 연구하는 분야를 의미한다. 머신 러닝은 어떠한 작업에 대하여 꾸준한 경험을 통해 그 작업에 대한 성능을 높이는 알고리즘으로 정의하기도 한다.
인공 신경망(ANN: Artificial Neural Network)은 머신 러닝에서 사용되는 모델로써, 시냅스의 결합으로 네트워크를 형성한 인공 뉴런(노드)들로 구성되는, 문제 해결 능력을 가지는 모델 전반을 의미할 수 있다. 인공 신경망은 다른 레이어의 뉴런들 사이의 연결 패턴, 모델 파라미터를 갱신하는 학습 과정, 출력값을 생성하는 활성화 함수(Activation Function)에 의해 정의될 수 있다.
인공 신경망은 입력층(Input Layer), 출력층(Output Layer), 그리고 선택적으로 하나 이상의 은닉층(Hidden Layer)를 포함할 수 있다. 각 층은 하나 이상의 뉴런을 포함하고, 인공 신경망은 뉴런과 뉴런을 연결하는 시냅스를 포함할 수 있다. 인공 신경망에서 각 뉴런은 시냅스를 통해 입력되는 입력 신호들, 가중치, 편향에 대한 활성 함수의 함숫값을 출력할 수 있다.
모델 파라미터는 학습을 통해 결정되는 파라미터를 의미하며, 시냅스 연결의 가중치와 뉴런의 편향 등이 포함된다. 그리고, 하이퍼파라미터는 머신 러닝 알고리즘에서 학습 전에 설정되어야 하는 파라미터를 의미하며, 학습률(Learning Rate), 반복 횟수, 미니 배치 크기, 초기화 함수 등이 포함된다.
인공 신경망의 학습의 목적은 손실 함수를 최소화하는 모델 파라미터를 결정하는 것으로 볼 수 있다. 손실 함수는 인공 신경망의 학습 과정에서 최적의 모델 파라미터를 결정하기 위한 지표로 이용될 수 있다.
머신 러닝은 학습 방식에 따라 지도 학습(Supervised Learning), 비지도 학습(Unsupervised Learning), 강화 학습(Reinforcement Learning)으로 분류할 수 있다.
지도 학습은 학습 데이터에 대한 레이블(label)이 주어진 상태에서 인공 신경망을 학습시키는 방법을 의미하며, 레이블이란 학습 데이터가 인공 신경망에 입력되는 경우 인공 신경망이 추론해 내야 하는 정답(또는 결과 값)을 의미할 수 있다. 비지도 학습은 학습 데이터에 대한 레이블이 주어지지 않는 상태에서 인공 신경망을 학습시키는 방법을 의미할 수 있다. 강화 학습은 어떤 환경 안에서 정의된 에이전트가 각 상태에서 누적 보상을 최대화하는 행동 혹은 행동 순서를 선택하도록 학습시키는 학습 방법을 의미할 수 있다.
인공 신경망 중에서 복수의 은닉층을 포함하는 심층 신경망(DNN: Deep Neural Network)으로 구현되는 머신 러닝을 딥 러닝(심층 학습, Deep Learning)이라 부르기도 하며, 딥 러닝은 머신 러닝의 일부이다. 이하에서, 머신 러닝은 딥 러닝을 포함하는 의미로 사용된다.
<자율 주행(Self-Driving)>
자율 주행은 스스로 주행하는 기술을 의미하며, 자율 주행 차량은 사용자의 조작 없이 또는 사용자의 최소한의 조작으로 주행하는 차량(Vehicle)을 의미한다.
예컨대, 자율 주행에는 주행중인 차선을 유지하는 기술, 어댑티브 크루즈 컨트롤과 같이 속도를 자동으로 조절하는 기술, 정해진 경로를 따라 자동으로 주행하는 기술, 목적지가 설정되면 자동으로 경로를 설정하여 주행하는 기술 등이 모두 포함될 수 있다.
차량은 내연 기관만을 구비하는 차량, 내연 기관과 전기 모터를 함께 구비하는 하이브리드 차량, 그리고 전기 모터만을 구비하는 전기 차량을 모두 포괄하며, 자동차뿐만 아니라 기차, 오토바이 등을 포함할 수 있다.
이때, 자율 주행 차량은 자율 주행 기능을 가진 로봇으로 볼 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 로봇을 포함하는 AI 장치(10)를 나타낸다.
AI 장치(10)는 TV, 프로젝터, 휴대폰, 스마트폰, 데스크탑 컴퓨터, 노트북, 디지털방송용 단말기, PDA(personal digital assistants), PMP(portable multimedia player), 네비게이션, 태블릿 PC, 웨어러블 장치, 셋톱박스(STB), DMB 수신기, 라디오, 세탁기, 냉장고, 데스크탑 컴퓨터, 디지털 사이니지, 로봇, 차량 등과 같은, 고정형 기기 또는 이동 가능한 기기 등으로 구현될 수 있다.
도 1을 참조하면, 단말기(10)는 통신 인터페이스(11), 입력 인터페이스(12), 러닝 프로세서(13), 센서(14), 출력 인터페이스(15), 메모리(17) 및 프로세서(18) 등을 포함할 수 있다.
통신 인터페이스(11)는 유무선 통신 기술을 이용하여 다른 AI 장치(10a 내지 10e)나 AI 서버(20) 등의 외부 장치들과 데이터를 송수신할 수 있다. 예컨대, 통신 인터페이스(11)는 외부 장치들과 센서 정보, 사용자 입력, 학습 모델, 제어 신호 등을 송수신할 수 있다.
이때, 통신 인터페이스(11)가 이용하는 통신 기술에는 GSM(Global System for Mobile communication), CDMA(Code Division Multi Access), LTE(Long Term Evolution), 5G, WLAN(Wireless LAN), Wi-Fi(Wireless-Fidelity), 블루투스(Bluetooth??), RFID(Radio Frequency Identification), 적외선 통신(Infrared Data Association; IrDA), ZigBee, NFC(Near Field Communication) 등이 있다.
입력 인터페이스(12)는 다양한 종류의 데이터를 획득할 수 있다.
이때, 입력 인터페이스(12)는 영상 신호 입력을 위한 카메라, 오디오 신호를 수신하기 위한 마이크로폰, 사용자로부터 정보를 입력 받기 위한 사용자 입력 인터페이스 등을 포함할 수 있다. 여기서, 카메라나 마이크로폰을 센서로 취급하여, 카메라나 마이크로폰으로부터 획득한 신호를 센싱 데이터 또는 센서 정보라고 할 수도 있다.
입력 인터페이스(12)는 모델 학습을 위한 학습 데이터 및 학습 모델을 이용하여 출력을 획득할 때 사용될 입력 데이터 등을 획득할 수 있다. 입력 인터페이스(12)는 가공되지 않은 입력 데이터를 획득할 수도 있으며, 이 경우 프로세서(18) 또는 러닝 프로세서(13)는 입력 데이터에 대하여 전처리로써 입력 특징점(input feature)을 추출할 수 있다.
러닝 프로세서(13)는 학습 데이터를 이용하여 인공 신경망으로 구성된 모델을 학습시킬 수 있다. 여기서, 학습된 인공 신경망을 학습 모델이라 칭할 수 있다. 학습 모델은 학습 데이터가 아닌 새로운 입력 데이터에 대하여 결과 값을 추론해 내는데 사용될 수 있고, 추론된 값은 어떠한 동작을 수행하기 위한 판단의 기초로 이용될 수 있다.
이때, 러닝 프로세서(13)는 AI 서버(20)의 러닝 프로세서(24)과 함께 AI 프로세싱을 수행할 수 있다.
이때, 러닝 프로세서(13)는 AI 장치(10)에 통합되거나 구현된 메모리를 포함할 수 있다. 또는, 러닝 프로세서(13)는 메모리(17), AI 장치(10)에 직접 결합된 외부 메모리 또는 외부 장치에서 유지되는 메모리를 사용하여 구현될 수도 있다.
센서(14)는 다양한 센서들을 이용하여 AI 장치(10) 내부 정보, AI 장치(10)의 주변 환경 정보 및 사용자 정보 중 적어도 하나를 획득할 수 있다.
이때, 센서(14)에 포함되는 센서에는 근접 센서, 조도 센서, 가속도 센서, 자기 센서, 자이로 센서, 관성 센서, RGB 센서, IR 센서, 지문 인식 센서, 초음파 센서, 광 센서, 마이크로폰, 라이다, 레이더 등이 있다.
출력 인터페이스(15)는 시각, 청각 또는 촉각 등과 관련된 출력을 발생시킬 수 있다.
이때, 출력 인터페이스(15)에는 시각 정보를 출력하는 디스플레이부, 청각 정보를 출력하는 스피커, 촉각 정보를 출력하는 햅틱 모듈 등이 포함될 수 있다.
메모리(17)는 AI 장치(10)의 다양한 기능을 지원하는 데이터를 저장할 수 있다. 예컨대, 메모리(17)는 입력 인터페이스(12)에서 획득한 입력 데이터, 학습 데이터, 학습 모델, 학습 히스토리 등을 저장할 수 있다.
프로세서(18)는 데이터 분석 알고리즘 또는 머신 러닝 알고리즘을 사용하여 결정되거나 생성된 정보에 기초하여, AI 장치(10)의 적어도 하나의 실행 가능한 동작을 결정할 수 있다. 그리고, 프로세서(18)는 AI 장치(10)의 구성 요소들을 제어하여 결정된 동작을 수행할 수 있다.
이를 위해, 프로세서(18)는 러닝 프로세서(13) 또는 메모리(17)의 데이터를 요청, 검색, 수신 또는 활용할 수 있고, 상기 적어도 하나의 실행 가능한 동작 중 예측되는 동작이나, 바람직한 것으로 판단되는 동작을 실행하도록 AI 장치(10)의 구성 요소들을 제어할 수 있다.
이때, 프로세서(18)는 결정된 동작을 수행하기 위하여 외부 장치의 연계가 필요한 경우, 해당 외부 장치를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하고, 생성한 제어 신호를 해당 외부 장치에 전송할 수 있다.
프로세서(18)는 사용자 입력에 대하여 의도 정보를 획득하고, 획득한 의도 정보에 기초하여 사용자의 요구 사항을 결정할 수 있다.
이때, 프로세서(18)는 음성 입력을 문자열로 변환하기 위한 STT(Speech To Text) 엔진 또는 자연어의 의도 정보를 획득하기 위한 자연어 처리(NLP: Natural Language Processing) 엔진 중에서 적어도 하나 이상을 이용하여, 사용자 입력에 상응하는 의도 정보를 획득할 수 있다.
이때, STT 엔진 또는 NLP 엔진 중에서 적어도 하나 이상은 적어도 일부가 머신 러닝 알고리즘에 따라 학습된 인공 신경망으로 구성될 수 있다. 그리고, STT 엔진 또는 NLP 엔진 중에서 적어도 하나 이상은 러닝 프로세서(13)에 의해 학습된 것이나, AI 서버(20)의 러닝 프로세서(24)에 의해 학습된 것이거나, 또는 이들의 분산 처리에 의해 학습된 것일 수 있다.
프로세서(18)는 AI 장치(10)의 동작 내용이나 동작에 대한 사용자의 피드백 등을 포함하는 이력 정보를 수집하여 메모리(17) 또는 러닝 프로세서(13)에 저장하거나, AI 서버(20) 등의 외부 장치에 전송할 수 있다. 수집된 이력 정보는 학습 모델을 갱신하는데 이용될 수 있다.
프로세서(18)는 메모리(17)에 저장된 응용 프로그램을 구동하기 위하여, AI 장치(10)의 구성 요소들 중 적어도 일부를 제어할 수 있다. 나아가, 프로세서(18)는 상기 응용 프로그램의 구동을 위하여, AI 장치(10)에 포함된 구성 요소들 중 둘 이상을 서로 조합하여 동작시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 로봇과 연결되는 AI 서버(20)를 나타낸다.
도 2를 참조하면, AI 서버(20)는 머신 러닝 알고리즘을 이용하여 인공 신경망을 학습시키거나 학습된 인공 신경망을 이용하는 장치를 의미할 수 있다. 여기서, AI 서버(20)는 복수의 서버들로 구성되어 분산 처리를 수행할 수도 있고, 5G 네트워크로 정의될 수 있다. 이때, AI 서버(20)는 AI 장치(10)의 일부의 구성으로 포함되어, AI 프로세싱 중 적어도 일부를 함께 수행할 수도 있다.
AI 서버(20)는 통신 인터페이스(21), 메모리(23), 러닝 프로세서(24) 및 프로세서(26) 등을 포함할 수 있다.
통신 인터페이스(21)는 AI 장치(10) 등의 외부 장치와 데이터를 송수신할 수 있다.
메모리(23)는 모델 스토리지(23a)를 포함할 수 있다. 모델 스토리지(23a)는 러닝 프로세서(24)을 통하여 학습 중인 또는 학습된 모델(또는 인공 신경망, 23b)을 저장할 수 있다.
러닝 프로세서(24)는 학습 데이터를 이용하여 인공 신경망(23b)을 학습시킬 수 있다. 학습 모델은 인공 신경망의 AI 서버(20)에 탑재된 상태에서 이용되거나, AI 장치(10) 등의 외부 장치에 탑재되어 이용될 수도 있다.
학습 모델은 하드웨어, 소프트웨어 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합으로 구현될 수 있다. 학습 모델의 일부 또는 전부가 소프트웨어로 구현되는 경우 학습 모델을 구성하는 하나 이상의 명령어(instruction)는 메모리(23)에 저장될 수 있다.
프로세서(26)는 학습 모델을 이용하여 새로운 입력 데이터에 대하여 결과 값을 추론하고, 추론한 결과 값에 기초한 응답이나 제어 명령을 생성할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 AI 시스템(1)을 나타낸다.
도 3을 참조하면, AI 시스템(1)은 AI 서버(20), 로봇(10a), 자율 주행 차량(10b), XR 장치(10c), 스마트폰(10d) 또는 가전(10e) 중에서 적어도 하나 이상이 클라우드 네트워크(2)와 연결된다. 여기서, AI 기술이 적용된 로봇(10a), 자율 주행 차량(10b), XR 장치(10c), 스마트폰(10d) 또는 가전(10e) 등을 AI 장치(10a 내지 10e)라 칭할 수 있다.
클라우드 네트워크(2)는 클라우드 컴퓨팅 인프라의 일부를 구성하거나 클라우드 컴퓨팅 인프라 안에 존재하는 네트워크를 의미할 수 있다. 여기서, 클라우드 네트워크(2)는 3G 네트워크, 4G 또는 LTE(Long Term Evolution) 네트워크 또는 5G 네트워크 등을 이용하여 구성될 수 있다.
즉, AI 시스템(1)을 구성하는 각 장치들(10a 내지 10e, 20)은 클라우드 네트워크(2)를 통해 서로 연결될 수 있다. 특히, 각 장치들(10a 내지 10e, 20)은 기지국을 통해서 서로 통신할 수도 있지만, 기지국을 통하지 않고 직접 서로 통신할 수도 있다.
AI 서버(20)는 AI 프로세싱을 수행하는 서버와 빅 데이터에 대한 연산을 수행하는 서버를 포함할 수 있다.
AI 서버(20)는 AI 시스템(1)을 구성하는 AI 장치들인 로봇(10a), 자율 주행 차량(10b), XR 장치(10c), 스마트폰(10d) 또는 가전(10e) 중에서 적어도 하나 이상과 클라우드 네트워크(2)을 통하여 연결되고, 연결된 AI 장치들(10a 내지 10e)의 AI 프로세싱을 적어도 일부를 도울 수 있다.
이때, AI 서버(20)는 AI 장치(10a 내지 10e)를 대신하여 머신 러닝 알고리즘에 따라 인공 신경망을 학습시킬 수 있고, 학습 모델을 직접 저장하거나 AI 장치(10a 내지 10e)에 전송할 수 있다.
이때, AI 서버(20)는 AI 장치(10a 내지 10e)로부터 입력 데이터를 수신하고, 학습 모델을 이용하여 수신한 입력 데이터에 대하여 결과 값을 추론하고, 추론한 결과 값에 기초한 응답이나 제어 명령을 생성하여 AI 장치(10a 내지 10e)로 전송할 수 있다.
또는, AI 장치(10a 내지 10e)는 직접 학습 모델을 이용하여 입력 데이터에 대하여 결과 값을 추론하고, 추론한 결과 값에 기초한 응답이나 제어 명령을 생성할 수도 있다.
이하에서는, 상술한 기술이 적용되는 AI 장치(10a 내지 10e)의 다양한 실시 예들을 설명한다. 여기서, 도 3에 도시된 AI 장치(10a 내지 10e)는 도 1에 도시된 AI 장치(10)의 구체적인 실시 예로 볼 수 있다.
<AI+로봇>
로봇(10a)은 AI 기술이 적용되어, 안내 로봇, 운반 로봇, 청소 로봇, 웨어러블 로봇, 엔터테인먼트 로봇, 펫 로봇, 무인 비행 로봇 등으로 구현될 수 있다.
로봇(10a)은 동작을 제어하기 위한 로봇 제어 모듈을 포함할 수 있고, 로봇 제어 모듈은 소프트웨어 모듈 또는 이를 하드웨어로 구현한 칩을 의미할 수 있다.
로봇(10a)은 다양한 종류의 센서들로부터 획득한 센서 정보를 이용하여 로봇(10a)의 상태 정보를 획득하거나, 주변 환경 및 객체를 검출(인식)하거나, 맵 데이터를 생성하거나, 이동 경로 및 주행 계획을 결정하거나, 사용자 상호작용에 대한 응답을 결정하거나, 동작을 결정할 수 있다.
여기서, 로봇(10a)은 이동 경로 및 주행 계획을 결정하기 위하여, 라이다, 레이더, 카메라 중에서 적어도 하나 이상의 센서에서 획득한 센서 정보를 이용할 수 있다.
로봇(10a)은 적어도 하나 이상의 인공 신경망으로 구성된 학습 모델을 이용하여 상기한 동작들을 수행할 수 있다. 예컨대, 로봇(10a)은 학습 모델을 이용하여 주변 환경 및 객체를 인식할 수 있고, 인식된 주변 환경 정보 또는 객체 정보를 이용하여 동작을 결정할 수 있다. 여기서, 학습 모델은 로봇(10a)에서 직접 학습되거나, AI 서버(20) 등의 외부 장치에서 학습된 것일 수 있다.
이때, 로봇(10a)은 직접 학습 모델을 이용하여 결과를 생성하여 동작을 수행할 수도 있지만, AI 서버(20) 등의 외부 장치에 센서 정보를 전송하고 그에 따라 생성된 결과를 수신하여 동작을 수행할 수도 있다.
로봇(10a)은 맵 데이터, 센서 정보로부터 검출한 객체 정보 또는 외부 장치로부터 획득한 객체 정보 중에서 적어도 하나 이상을 이용하여 이동 경로와 주행 계획을 결정하고, 구동부를 제어하여 결정된 이동 경로와 주행 계획에 따라 로봇(10a)을 주행시킬 수 있다.
맵 데이터에는 로봇(10a)이 이동하는 공간에 배치된 다양한 객체들에 대한 객체 식별 정보가 포함될 수 있다. 예컨대, 맵 데이터에는 벽, 문 등의 고정 객체들과 화분, 책상 등의 이동 가능한 객체들에 대한 객체 식별 정보가 포함될 수 있다. 그리고, 객체 식별 정보에는 명칭, 종류, 거리, 위치 등이 포함될 수 있다.
또한, 로봇(10a)은 사용자의 제어/상호작용에 기초하여 구동부를 제어함으로써, 동작을 수행하거나 주행할 수 있다. 이때, 로봇(10a)은 사용자의 동작이나 음성 발화에 따른 상호작용의 의도 정보를 획득하고, 획득한 의도 정보에 기초하여 응답을 결정하여 동작을 수행할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 직렬탄성 구동기를 포함하는 로봇의 사시도이고, 도 5는 도 4에 도시된 로봇이 착용된 상태가 도시된 도면이다.
본 실시예에 따른 로봇(100)은 앞서 설명한 로봇(10a)을 의미할 수 있다. 또한, 이하에서는 로봇(100)이 웨어러블 로봇인 경우를 예로 들어 설명하나 이에 한정되는 것은 아니다.
로봇(100)은 본체(101)와, 연결 프레임(102)과, 직렬탄성 구동기(110)(SEA: Series Elastic Actuator)(이하, '구동기'로 명명)와, 가동부(103)와, 장착부(104)를 포함할 수 있다.
본체(101)는 착용자의 신체(H)의 후방에 위치할 수 있다. 좀 더 상세히, 본체(101)는 신체(H)의 등 또는 허리의 후방에 위치할 수 있다.
본체(101)는 하우징과, 상기 하우징에 내장된 배터리 및 전장부품을 포함할 수 있다. 상기 전장 부품은 로봇의 작동을 제어하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.
연결 프레임(102)은 본체(101)와 구동기(110)를 연결할 수 있다. 연결 프레임(102)는 본체(101)의 양측에 연결된 한 쌍이 구비될 수 있다.
연결 프레임(102)는 착용자의 신체(H)의 둘레를 따라 전방으로 절곡된 형상을 가질 수 있다. 즉, 연결 프레임(102)의 본체(101) 측 단부는 대략 측방을 향하고 연결부(102)의 구동기(110) 측 단부는 대략 전방을 향할 수 있다.
구동기(110)는 착용자의 신체(H)의 양측에 위치할 수 있다. 일례로, 구동기(110)는 신체(H)의 고관절 양측에 위치할 수 있다.
구동기(110)는 연결 프레임(102)와 힌지 연결될 수 있다. 따라서 사용자는 로봇(100)을 착용한 상태에서도 자유롭게 다리를 벌렸다가 오므릴 수 있다.
가동부(103)는 구동기(110)에 연결되어 회전할 수 있다. 가동부(103)는 대략 하측 또는 하측 전방으로 경사진 방향을 향해 길게 연장될 수 있다.
좀 더 상세히, 가동부(103)의 상단에는 구동기(110)에 연결된 연결부(103a)가 구비될 수 있다. 따라서, 가동부(103)는 연결부(103a)를 중심으로 회전할 수 있다.
장착부(104)는 가동부(103)의 하단에 연결될 수 있다. 장착부(104)는 착용자의 다리, 좀 더 상세히는 허벅지에 장착될 수 있다. 장착부(104)가 착용자의 다리에 장착되기 위한 구성이나 방법은 한정되지 않는다.
구동기(110)가 가동부(103)를 상측으로 회전시키면 장착부(104)는 착용자의 다리에 상측으로 힘을 가할 수 있다. 따라서, 로봇(100)은 착용자가 다리를 올리는 동작을 보조하거나, 서 있는 상태의 착용자가 앉는 동작을 보조할 수 있다.
반대로 구동기(110)가 가동부(103)를 하측으로 회전시키면 장착부(104)는 착용자의 다리에 하측으로 힘을 가할 수 있다. 따라서, 로봇(100)은 착용자가 다리를 내리는 동작을 보조하거나, 앉은 상태의 착용자가 일어서는 동작을 보조할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 직렬탄성 구동기의 일 예가 도시된 도면이고, 도 7은 도 6에 도시된 직렬탄성 구동기의 분해도이다.
이하, 일 예에 따른 구동기(110)에 대해 설명한다.
구동기(110)는 하우징(111)과, 회전 동력원(120)과, 동력 전달부(140)와, 탄성 기어모듈(200)을 포함할 수 있다.
하우징(111)은 구동기(110)의 외관을 형성할 수 있다.
하우징(11)은 제1케이스(112)와, 커버(113)와, 제2케이스(114)를 포함할 수 있다.
제1케이스(112)의 일면은 개방될 수 있고, 커버(113)는 제1케이스(112)의 개방된 일면을 커버할 수 있다.
제1케이스(112) 내부에는 동력 전달부(140)와, 기어(210)와, 출력부(220)와, 탄성체(230)가 배치될 수 있다. 즉, 동력 전달부(140)와, 기어(210)와, 출력부(220)와, 탄성체(230)는 제1케이스(112)와 커버(113)의 사이에 배치될 수 있다.
제2케이스(114)의 일면은 개방될 수 있고, 커버(113)는 제2케이스(114)의 개방된 일면을 커버할 수 있다. 제2케이스(114)는 커버(113)에 대해 제1케이스(112)의 반대편에 위치할 수 있다.
제2케이스(114)의 내부에는 회전 동력원(120)과, 전장부(130)와, 각도 센서(250)가 배치될 수 있다. 즉, 회전 동력원(120)과, 전장부(130)와, 각도 센서(250)는 제2케이스(114)와 커버(113)의 사이에 배치될 수 있다.
커버(113)는 판형일 수 있다. 커버(113)는 제1케이스(112) 또는 제2케이스(114) 중 적어도 하나와 체결될 수 있다.
커버(113)는 제1케이스(112) 내의 공간과 제2케이스(114) 내의 공간을 구획시킬 수 있다. 따라서, 커버(113)는 구획판으로 명명될 수 있다.
회전 동력원(120)은 모터일 수 있다. 회전 동력원(120)은 하우징에 내장될 수 있다. 좀 더 상세히, 회전 동력원(120)은 제2케이스(114)와 커버(113)의 사이에 배치될 수 있다.
회전 동력원(120)의 회전축(121)은, 커버(113)를 통과하여 동력 전달원(140)에 연결될 수 있다. 즉, 커버(113)에는 회전 동력원(120)의 회전축(121)이 통과하는 관통공(113a)이 형성될 수 있다.
회전 동력원(120)은 전장부(130)와 전기적으로 연결될 수 있다. 전장부(130)는 회전 동력원(120)을 제어하는 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있다.
전장부(130)는 하우징(111) 내에 위치할 수 있다. 좀 더 상세히, 전장부(130)는 제2케이스(114)와 커버(113)의 사이에 배치될 수 있다. 즉, 전장부(130)는 커버(113)에 대해 회전 동력원(120)과 동일측에 위치할 수 있다. 따라서, 전장부(130)는 회전 동력원(120)과 용이하게 연결될 수 있다.
동력 전달부(140)는 회전 동력원(120)의 회전력을 탄성 기어모듈(200)의 기어(210)로 전달할 수 있다. 동력 전달부(140)는 하우징(111) 내에 위치할 수 있다. 좀 더 상세히, 동력 전달부(140)는 제1케이스(112)와 커버(113)의 사이에 배치될 수 있다. 즉, 동력 전달부(140)는 커버(113)에 대해 회전 동력원(120)의 반대측에 위치할 수 있다.
동력 전달부(140)는 회전 동력원(120)의 회전축(121)에 연결된 원동 기어(141)를 포함할 수 있다. 상기 회전축(121)은 커버(113)에 형성된 관통공(113a)을 통해 원동 기어(141)에 연결될 수 있다. 원동 기어(141)는 스퍼 기어일 수 있다.
원동 기어(141)은 반경 방향에 대해 베어링(144)에 의해 지지될 수 있다. 커버(113)와 제1케이스(112) 중 적어도 하나에는 상기 베어링(144)이 장착되는 베어링 장착부가 형성될 수 있다. 예를 들어, 원동 기어(141)의 일측은 회전축(121)에 연결될 수 있고, 타측은 베어링(144)에 의해 제1케이스(112)에 연결될 수 있다.
동력 전달부(140)는 원동 기어(141)의 회전력을 탄성 기어모듈(200)의 기어(210)로 전달하는 적어도 하나의 중간 기어(142)를 더 포함할 수 있다. 중간 기어(142)는 스퍼 기어일 수 있다. 다만 이에 한정되는 것은 아니며, 원동 기어(141)가 탄성 기어모듈(200)의 기어(210)와 직접 치합되는 구성도 가능함은 물론이다.
중간 기어(142)은 반경 방향에 대해 베어링(145)(146)에 의해 지지될 수 있다. 커버(113)와 제1케이스(112) 중 적어도 하나에는 상기 베어링(145)(146)이 장착되는 베어링 장착부가 형성될 수 있다. 예를 들어, 중간 기어(142)의 일측은 커버측 베어링(145)에 의해 커버(113)에 연결될 수 있고, 타측은 케이스측 베어링(146)에 의해 제1케이스(112)에 연결될 수 있다.
한편, 탄성 기어모듈(200)은 동력 전달부(140)를 통해 회전 동력원(120)의 회전력을 전달받을 수 있다. 탄성 기어모듈(200)은 상기 회전력을 외부 부하로 전달할 수 있다. 일례로, 탄성 기어모듈(200)은 로봇(100)의 가동부(103)(도 1 참조)에 회전력을 전달할 수 있다.
탄성 기어모듈(200)은 하우징(111) 내에 위치할 수 있다. 탄성 기어모듈(200)의 일부는 제1케이스(112)와 커버(113)의 사이에 위치할 수 있고, 다른 일부는 제2케이스(114)와 커버(113)의 사이에 위치할 수 있다.
좀 더 상세히, 탄성 기어모듈(200)은 기어(210)와, 출력부(220)와, 탄성체(230)와, 샤프트(240)를 포함할 수 있다. 탄성 기어모듈(200)은 각도 센서(250)를 더 포함할 수 있다.
기어(210)는 출력 기어 또는 종동 기어로 명명될 수 있다. 기어(210)는 스퍼 기어일 수 있다. 기어(210)는 중간 기어(142)와 치합될 수 있다. 다만, 앞서 설명한 바와 같이 기어(210)와 원동 기어(140)가 직접 치합되는 것도 가능함은 물론이다.
기어(210)는 케1케이스(112)와 커버(113)의 사이에 배치될 수 있다. 즉, 기어(210)는 커버(113)에 대해 동력 전달부(140)와 동일측에 위치할 수 있다. 따라서, 동력 전달부(140)와 기어(210)가 용이하게 연결될 수 있다.
기어(210)는 반경 방향에 대해 베어링(290)에 의해 지지될 수 있다. 커버(113)에는 베어링(290)이 장착되는 베어링 장착부가 형성될 수 있다. 즉, 기어(210)는 베어링(290)에 의해 커버(113)에 연결될 수 있다.
출력부(220)는 기어(210)에 의해 회전할 수 있다. 출력부(220)는 대략 원판 형상일 수 있다.
출력부(220)는 외부 부하에 연결될 수 있다. 상기 외부 부하는 로봇(100)의 가동부(103)(도 1 참조)를 의미할 수 있다.
좀 더 상세히, 출력부(220)는 커플러(115)을 통해 외부 부하에 연결될 수 있다. 커플러(115)는 대략 원판 형상일 수 있다. 커플러(115)은 하우징(111)의 외부에 위치할 수 있고, 외부 부하와 체결될 수 있다. 일례로, 커플러(115)는 로봇(100)의 가동부(103)의 연결부(103a)(도 1 참조)와 연결될 수 있다.
제1케이스(112)에는 개방부가 형성될 수 있고, 커플러(115)과 출력부(220)는 상기 개방부를 통해 서로 체결될 수 있다.
출력부(220)는 반경 방향에 대해 베어링(280)에 의해 지지될 수 있다. 제1케이스(112)에는 베어링(280)이 장착되는 베어링 장착부가 형성될 수 있다. 즉, 출력부(220)는 베어링(280)에 의해 제1케이스(112)에 연결될 수 있다.
탄성체(230)는 기어(210)와 출력부(220)의 사이에 구비될 수 있다. 탄성체(230)는 기어(210)와 출력부(220)를 연결할 수 있다. 탄성체(230)는 기어(210) 및 출력부(220)와 체결될 수 있다. 따라서, 탄성체(230)는 기어(210)의 회전력을 출력부(220)로 전달할 수 있다.
탄성체(230)는 원주 방향에 대해 탄성 변형될 수 있다. 탄성체(230)에 의해 출력부(220)가 외부 부하에 유연하게 대응할 수 있다.
샤프트(240)는 출력부(220)에 연결될 수 있다. 샤프트(240)는 출력부(220)와 일체일 수 있다. 샤프트(240)는 출력부(220)에서 탄성체(230) 및 기어(210)측으로 길게 연장될 수 있다. 샤프트(240)는 탄성체(230) 및 기어(210)를 관통할 수 있다.
샤프트(240)는 기어(210) 및 출력부(220)의 회전축 상에 위치할 수 있다. 즉, 기어(210) 및 출력부(220)는 샤프트(240)를 중심으로 회전할 수 있다.
각도 센서(250)는 기어(210)에 대해 출력부(220)의 반대편에 위치할 수 있다. 각도 센서(250)는 샤프트(240)에 연결될 수 있다. 각도 센서(250)는 샤프트(240)가 회전한 각도를 감지할 수 있다.
각도 센서(250)는 제2케이스(114)와 커버(113)의 사이에 배치될 수 있다. 즉, 각도 센서(250)는 커버(113)에 대해 전장부(130)와 동일측에 위치할 수 있다. 따라서, 각도 센서(250)는 전장부(130)와 용이하게 연결될 수 있다.
샤프트(240)는 커버(113)를 관통하여 각도 센서(250)에 연결될 수 있다. 즉, 커버(113)에는 샤프트(240)가 통과하는 개구(113b)가 형성될 수 있다.
전장부(130)는 각도 센서(250)와 전기적으로 연결될 수 있다. 전장부(130)는 각도 센서(250)에서 전달받은 감지 데이터를 기반으로 회전 동력원(120)을 피드백 제어하는 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 직렬탄성 구동기의 다른 예가 도시된 도면이고, 도 9는 도 8에 도시된 직렬탄성 구동기의 절개 사시도이고, 도 10은 도 8에 도시된 직렬탄성 구동기의 분해도이다.
이하, 다른 예에 따른 구동기(110')에 대해 설명한다.
구동기(110')는 회전 동력원(150)와, 출력 모듈(140)을 포함할 수 있다.
회전 동력원(150)은 기어드 모터(Geared motor)일 수 있다. 회전 동력원(150)은 대략 일 방향으로 길게 연장된 형상일 수 있다.
좀 더 상세히, 회전 동력원(150)은 모터 본체(151)와, 모터 본체(151)의 회전을 감지하는 엔코더(152)와, 복수개의 기어를 포함하며 모터 본체(151)에서 전달되는 회전을 감속시켜 회전축(154)으로 전달하는 기어 헤드(153)를 포함할 수 있다. 회전 동력원(150)의 회전축(154)은 기어 헤드(153)에서 돌출될 수 있다. 기어드 모터의 구성은 주지의 기술이므로 자세한 설명은 생략한다.
출력 모듈(140)은 하우징(141)과, 동력 전달기어(160)와, 탄성 기어모듈(200')을 포함할 수 있다. 하우징(141)은 출력 모듈(140)의 외관을 형성할 수 있다.
하우징(141)은 대략 원통 형상일 수 있다. 하우징(141)은 일면과, 타면과, 상기 일면 및 타면을 연결하는 둘레면을 포함할 수 있다. 회전 동력원(150)은 하우징(141)의 상기 둘레면에 연결될 수 있다.
좀 더 상세히, 하우징(141)은, 커버(142)와, 제1케이스(143)와, 제2케이스(144)를 포함할 수 있다. 제1케이스(143) 및 제2케이스는(144) 커버(142)에 대해 순차적으로 적층될 수 있다.
커버(142)와 제1케이스(143)의 사이에는 동력전달 기어(160)와, 기어(210')와, 출력부(220')와, 탄성체(230')가 배치될 수 있다. 제1케이스(143)와 제2케이스(144) 사이에는 각도 센서(250')가 배치될 수 있다.
커버(142)는 커버 패널(142a)와, 상기 커버 패널(142a)에 연결된 연결 패널(142b)를 포함할 수 있다.
커버 패널(142a)은 대략 원판 형상일 수 있다. 커버 패널(142a)는 하우징(141)의 일면을 형성할 수 있다.
연결 패널(142b)는 커버 패널(142a)의 가장자리에 연결될 수 있다. 연결패널(142b)는 커버 패널(142a)과 직교할 수 있다. 연결 패널(142b)에는 회전 동력원(150)이 연결되는 연결공(142c)이 형성될 수 있다.
제1케이스(143)은 일면이 개방된 원통형 챔버 형상일 수 있다. 제1케이스(143)의 개방된 일면은 커버(142)의 패널 커버(142a)에 의해 커버될 수 있다. 제1케이스(143)는 하우징(141)의 둘레면 일부를 형성할 수 있다.
제1케이스(143)에는 커버(142)의 연결 패널(142b)에 대응되는 위치에 컷아웃(143a)이 형성될 수 있다. 컷아웃(143a)은 제1케이스(143)의 둘레면 일부와, 제1케이스(143)의 타면 일부가 절개되어 형성될 수 있다.
컷아웃(143a)에는 후술할 동력전달 기어(160)가 배치될 수 있다. 컷아웃(143a)에 의해 제1케이스(143)와 동력전달 기어(160)가 간섭되지 않을 수 있다.
제2케이스(144)는 일면이 개방된 원통형 챔버 형상일 수 있다. 제2케이스(144)의 개방된 일면은 제1케이스(143)에 의해 의해 커버될 수 있다. 제2케이스(144)는 하우징(141)의 둘레면 일부 및 타면을 형성할 수 있다.
제2케이스(144)에는 커버(142)의 연결 패널(142b)의 가장자리를 둘러싸는 연결부(144a)가 구비될 수 있다. 연결부(144a)는 제2케이스(144)의 둘레에 구비될 수 있다. 연결부(144a)는 커버(142)의 커버 패널(142a)의 가장자리에 접하여 연결될 수 있다.
연결부(144a)는 커버 패널(142a)과 함께 동력전달 기어(160)가 수용되는 공간을 형성할 수 있다.
동력전달 기어(160)는 베벨 기어일 수 있다. 동력전달 기어(160)는 회전 동력원(150)의 회전력을 탄성 기어모듈(200')의 기어(210')로 전달할 수 있다.
동력전달 기어(160)는 하우징(141) 내에 위치할 수 있다. 좀 더 상세히, 동력전달 기어(160)는 제2케이스(144)의 연결부(144a) 및 커버(142)의 커버 패널(142a)에 의해 형성된 공간 내에 배치될 수 있다.
동력전달 기어(160)는 회전 동력원(150)의 회전축(154)에 연결될 수 있다. 동력전달 기어(160)와 회전축(154)은 커버(142)에 형성된 연결공(142c)을 통해 서로 연결될 수 있다.
한편, 탄성 기어모듈(200')은 동력전달 기어(160)를 통해 회전 동력원(150)의 회전력을 전달받을 수 있다. 탄성 기어모듈(200')은 상기 회전력을 외부 부하로 전달할 수 있다. 일례로, 탄성 기어모듈(200')은 로봇(100)의 가동부(103)(도 1 참조)에 회전력을 전달할 수 있다.
탄성 기어모듈(200')은 하우징(141) 내에 위치할 수 있다. 탄성 기어모듈(200')의 일부는 커버(142)와 제1케이스(143)의 사이에 위치할 수 있고, 다른 일부는 제1케이스(143)와 제2케이스(144)의 사이에 위치할 수 있다.
좀 더 상세히, 탄성 기어모듈(200')은 기어(210')와, 출력부(220')와, 탄성체(230')와, 샤프트(240')를 포함할 수 있다. 탄성 기어모듈(200')은 각도 센서(250')를 더 포함할 수 있다.
기어(210')는 출력 기어 또는 종동 기어로 명명될 수 있다. 기어(210')는 베벨 기어일 수 있다. 기어(210')는 동력 전달기어(160)와 치합될 수 있다.
기어(210')는 커버(142)와 제1케이스(143)의 사이에 배치될 수 있다.
출력부(220')는 기어(210')에 의해 회전할 수 있다. 출력부(220')는 대략 원판 형상일 수 있다.
출력부(220')는 외부 부하에 연결될 수 있다. 상기 외부 부하는 로봇(100)의 가동부(103)(도 1 참조)를 의미할 수 있다.
좀 더 상세히, 출력부(220')는 커플러(145)을 통해 외부 부하에 연결될 수 있다. 커플러(145)는 대략 원판 형상일 수 있다. 커플러(145)은 하우징(141)의 외부에 위치할 수 있고, 외부 부하와 체결될 수 있다. 일례로, 커플러(145)는 로봇(100)의 가동부(103)의 연결부(103a)(도 1 참조)와 연결될 수 있다.
커버(142), 좀 더 상세히는 커버 패널(142a)에는 개방부가 형성될 수 있고, 커플러(145)과 출력부(220')는 상기 개방부를 통해 서로 체결될 수 있다.
출력부(220')는 반경 방향에 대해 베어링(280')에 의해 지지될 수 있다. 커버(142), 좀 더 상세히는 커버 패널(142a)에는 베어링(280')이 장착되는 베어링 장착부가 형성될 수 있다. 즉, 출력부(220')는 베어링(280')에 의해 커버(142)에 연결될 수 있다.
탄성체(230')는 기어(210')와 출력부(220')의 사이에 구비될 수 있다. 탄성체(230')는 기어(210')와 출력부(220')를 연결할 수 있다. 탄성체(230')는 기어(210') 및 출력부(220')와 체결될 수 있다. 따라서, 탄성체(230')는 기어(210')의 회전력을 출력부(220')로 전달할 수 있다.
탄성체(230')는 원주 방향에 대해 탄성 변형될 수 있다. 탄성체(230')에 의해 출력부(220')가 외부 부하에 유연하게 대응할 수 있다.
샤프트(240')는 출력부(220')에 연결될 수 있다. 샤프트(240')는 출력부(220')와 일체일 수 있다. 샤프트(240')는 출력부(220')에서 탄성체(230') 및 기어(210')측으로 길게 연장될 수 있다. 샤프트(240')는 탄성체(230') 및 기어(210')를 관통할 수 있다.
샤프트(240')는 기어(210') 및 출력부(220')의 회전축 상에 위치할 수 있다. 즉, 기어(210') 및 출력부(220')는 샤프트(240')를 중심으로 회전할 수 있다.
각도 센서(250')는 기어(210')에 대해 출력부(220')의 반대편에 위치할 수 있다. 각도 센서(250')는 샤프트(240')에 연결될 수 있다. 각도 센서(250')는 샤프트(240')가 회전한 각도를 감지할 수 있다.
각도 센서(250')는 제1케이스(143)와 제2케이스(144)의 사이에 배치될 수 있다. 샤프트(240')는 제1케이스(143)를 관통하여 각도 센서(250')에 연결될 수 있다. 즉, 제1케이스(143)에는 샤프트(240')가 통과하는 개구(143b)가 형성될 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 탄성 기어모듈의 분해도이고, 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 탄성 기어모듈의 단면도이고, 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 탄성체가 기어에 체결된 상태가 도시된 도면이다.
이하, 탄성 기어모듈(200)에 대해 보다 자세히 설명한다. 이하의 설명은 도 8 내지 도 10에서 설명한 탄성 기어모듈(200')에 원용할 수 있다.
탄성체(230)는 기어(210)의 일면에 체결될 수 있다. 좀 더 상세히, 기어(210)의 일면에는 탄성체(230)가 장착되는 장착홈(211)이 함몰 형성될 수 있다. 장착홈(211)에 장착된 탄성체(230)는 기어(210)의 축방향에 대해 기어(210)의 상기 일면보다 돌출되지 않을 수 있다. 따라서, 기어(210)와 탄성체(230)의 조립체는 컴팩트해질 수 있다.
장착홈(211)의 내둘레에는 반경 내측 방향으로 돌출된 끼움부(212)가 형성될 수 있다. 끼움부(212)는 원주 방향으로 서로 일정간격 이격된 복수개가 형성될 수 있다.
탄성체(230)에는 상기 끼움부(212)가 끼워지는 끼움홈(231a)이 형성될 수 있다. 끼움홈(231a)은 원주 방향으로 서로 일정 간격만큼 이격된 복수개가 형성될 수 있다.
끼움부(212)는 끼움홈(231a)에 억지 끼워맞춤(tight fit)될 수 있다. 즉, 끼움부(212)는 끼움홈(231a)에 피팅되어 기어(210)에 직접 체결될 수 있다. 따라서, 탄성체(230)와 기어(210)는 볼트 등과 같은 별도의 체결부재 없이도 서로 체결될 수 있다. 이로써, 탄성 기어모듈(200)이 컴팩트해질 수 있다.
기어(210)에는 탄성체(230)의 반대편으로 돌출된 돌출된 돌출부(214)가 형성될 수 있다. 돌출부(214)는 대략 중공통 형상일 수 있다. 돌출부(214)는 축방향으로 돌출될 수 있고, 기어(210)의 회전축(A)은 돌출부(214)를 지날 수 있다. 돌출부(214)는 각도 센서(250)를 향해 돌출될 수 있고, 돌출부(214)의 단부는 각도 센서(250)와 접하거나 인접할 수 있다.
돌출부(214)의 외둘레에는 리브(214a)가 형성될 수 있다. 돌출부(214)의 외둘레에는 베어링(290)(도 7 참조)이 장착될 수 있고, 리브(214a)는 상기 베어링(290)을 축방향에 대해 지지할 수 있다. 따라서, 돌출부(214)의 적어도 일부는 리브(214a)와 함께 베어링 장착부를 형성할 수 있다.
탄성체(230)는 합금 재질을 포함할 수 있다. 탄성체(230)는 항복응력 이하에서 가능한 최대 토크용량을 갖는 최적의 합금 재질을 포함할 수 있다.
일례로, 탄성체(230)는 스테인레스 합금(SUS: Steel Use Stainless) 재질을 포함할 수 있다. 좀 더 상세히, 탄성체(230)는 강도 및 연성이 높은 마레이징강(maraging steel) 재질을 포함할 수 있다.
다른 예로, 탄성체(230)는 알루미늄 합금(aluminum alloy)을 포함할 수 있다. 좀 더 상세히, 탄성체(230)는 강도가 높고 비용이 저렴하며 가공이 용이한 7000계 알루미늄합금 재질을 포함할 수 있다.
탄성체(230)는 외륜(231)과, 내륜(232)과, 변형부(233)를 포함할 수 있다.
외륜(231)은 원형 링 형상일 수 있다. 외륜(231)의 중심은 기어(210)의 회전축(A) 상에 위치할 수 있다. 즉, 기어(210)의 회전축(A)은 외륜(231)의 중심을 지날 수 있다.
끼움부(212)가 끼워지는 끼움홈(231a)은 외륜(231)의 외둘레에 형성될 수 있다. 따라서, 외륜(231)은 기어(210)에 고정될 수 있고, 기어(210)와 함께 회전할 수 있다. 즉, 기어(210)의 회전력은 손실없이 외륜(231)에 전달될 수 있다.
내륜(232)은 외륜(231)의 내측에 위치할 수 있다. 내륜(232)의 직경은 외륜(231)의 직경보다 작을 수 있다. 내륜(232)과 외륜(231)은 동심 관계일 수 있다. 따라서 내륜(231)의 중심은 기어(210)의 회전축(A) 상에 위치할 수 있다.
내륜(232)는 출력부(220)에 체결될 수 있다. 좀 더 상세히, 내륜(232)에는 원주 방향으로 서로 일정 간격만큼 이격된 복수개의 연결홀(239)이 형성될 수 있다. 스크류 등의 체결부재(미도시)는 출력부(220)를 관통하여 상기 연결홀(239)에 체결될 수 있다. 따라서, 내륜(232)은 출력부(220)와 함께 회전할 수 있다.
기어(210)의 장착홈(211)에는 내륜(232)으로 삽입되는 삽입부(213)가 구비될 수 있다. 삽입부(213)는 대략 중공통 형상일 수 있고, 장착홈(211)에서 축방향으로 돌출되어 형성될 수 있다.
변형부(233)는 외륜(231)의 내둘레와 내륜(232)의 외둘레 사이에 위치할 수 있다. 변형부(233)는 외륜(231)과 내륜(232)을 연결할 수 있다. 변형부(233)는 외륜(231)과 내륜(232)의 상대적 회전에 의해 탄성 변형될 수 있다.
변형부(233)는 축방향으로 기어(210) 및 출력부(220)와 이격될 수 있다. 반면, 외륜(231)은 축방향에 대해 기어(210)와 접하여 체결될 수 있고, 내륜(232)은 축방향에 대해 출력부(220)와 접하여 체결될 수 있다.
좀 더 상세히, 기어(210)와 변형부(233) 사이에는 축방향으로 제1간극(g1)이 형성될 수 있고, 출력부(220)와 변형부(233) 사이에는 축방향으로 제2간극(g2)이 형성될 수 있다. 이로써, 변형부(233)의 탄성 변형 시에, 기어(210) 또는 출력부(220)와 변형부(233)의 사이에는 마찰이 발생하지 않을 수 있다.
변형부(233)는 원주 방향으로 서로 일정 간격만큼 이격된 복수개가 구비될 수 있다. 각 변형부(233)는 동일한 형상을 가질 수 있다.
좀 더 상세히, 변형부(233)는 고리부(234)와, 아우터 연결부(235)와, 이너 연결부(236)를 포함할 수 있다.
고리부(234)는 폐루프 형상을 가질 수 있다. 고리부(234)는 외륜(231) 및 내륜(232)의 사이에 위치할 수 있다. 고리부(234)는 외륜(231) 및 내륜(232)과 각각 이격될 수 있다.
고리부(234)는, 외륜(231) 또는 내륜(232)의 중심, 즉 기어(210)의 회전축(A)을 통과하는 가상선(X)에 대해 대칭 형상일 수 있다. 이로써, 변형부(233)의 탄성 변형이 가능한 토크의 범위가 커질 수 있다. 또한, 내륜(232)의 회전 방향과 무관하게 변형부(233)의 강성이 비교적 일정하게 유지될 수 있다.
아우터 연결부(235)는 고리부(234)와 외륜(231)을 연결할 수 있고, 이너 연결부(236)는 고리부(234)와 내륜(232)을 연결할 수 있다. 아우터 연결부(235)와 이너 연결부(236)는 일직선상에 위치할 수 있다. 좀 더 상세히, 아우터 연결부(235)와 이너 연결부(236)는 상기 가상선(X)상에 위치할 수 있다.
한편, 출력부(220)는 대경부(221)와 소경부(222)를 포함할 수 있다.
대경부(221)는 대략 원판 형상일 수 있다. 대경부(221)는 탄성체(230)와 접하거나 인접할 수 있다.
소경부(222)는 대경부(221)의 일면에 돌출 형성될 수 있다. 소경부(222)외 외둘레에는 베어링(280)(도 7 참조)이 장착될 수 있다. 또한, 소경부(222)에는 커플러(115)(도 7 참조)가 체결될 수 있다.
샤프트(240)는 기어(210) 및 출력부(220)의 회전축상에 위치할 수 있다. 즉, 기어(210) 및 출력부(220)는 샤프트(240)를 중심으로 회전할 수 있다.
샤프트(240)는 출력부(220), 좀 더 상세히는 대경부(221)에 연결될 수 있다. 샤프트(240)는 대경부(221)의 중앙에서 대경부(221)와 직교하는 방향으로 길게 연장될 수 있다.
샤프트(240)는 탄성체(230)의 내륜(232) 및 기어(210)을 통과할 수 있다.
좀 더 상세히, 기어(210)에는 샤프트(240)가 통과하는 관통부(215)가 형성될 수 있다. 관통부(215)는 삽입부(213)에서 돌출부(214)까지 관통되어 형성될 수 있다. 따라서, 샤프트(240)는 기어(210)의 삽입부(213)와 돌출부(215)를 순차적으로 통과하여 각도 센서(250)에 연결될 수 있다.
또한, 삽입부(213)는 탄성체(230)의 내륜(232)에 삽입되므로, 샤프트(240)는 삽입부(213)에 형성된 관통부(215)를 통과함으로써 내륜(232)을 통과할 수 있다.
한편, 탄성 기어모듈(200)은, 샤프트(240)를 회전 가능하게 지지하는 베어링(260)(270)을 더 포함할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이 탄성체(230)는 기어(210)에 형성된 장착홈(211)에 장착될 수 있다. 따라서, 장착홈(211)이 형성되지 않은 경우와 비교하여 외력에 대한 기어(210) 및 탄성체(230)의 강도가 약해질 수 있다. 상기 베어링(260)(270)은 외력에 대해 탄성체(230)를 보강할 수 있고, 샤프트(240)의 원활한 회전을 보조할 수 있다.
베어링(260)(270)은 샤프트(240)의 외둘레에 접하여 샤프트(240)를 반경 방향에 대해 지지할 수 있다. 즉, 베어링(260)(270)은 레이디얼 베어링(Radial bearing)일 수 있다.
명확한 구분을 위해, 기어(210)의 돌출부(214)의 외둘레에 장착된 베어링(290)(도 7 참조)이나, 출력부(220)의 소경부(222)의 외둘레에 장착된 베어링(280)(도 7 참조)은 아우터 베어링으로 명명할 수 있고, 샤프트(240)를 지지하는 베어링(260)(270)은 이너 베어링으로 명명할 수 있다.
베어링(260)(270)의 종류는 한정되지 않는다. 일례로, 베어링(260)(270)은 볼 베어링이나 롤러 베어링일 수 있다.
기어(210)에는 베어링(260)(270)이 장착되는 베어링 장착홈(216)(217)이 형성될 수 있다. 베어링 장착홈(216)(217)은 관통부(215)의 내둘레에 형성될 수 있다. 베어링 장착홈(216)(217)은 관통부(215)의 양 단부에 형성될 수 있다.
좀 더 상세히, 베어링(260)(270)은 축방향으로 서로 이격된 제1베어링(260)과 제2베어링(270)을 포함할 수 있다. 제1베어링(260)은 출력부(220)와 인접할 수 있고, 제2베어링(270)은 각도 센서(250)와 인접할 수 있다.
베어링 장착홈(216)(217)은 제1베어링(260)이 장착되는 제1베어링 장착홈(216)과, 제2베어링(270)이 장착되는 제2베어링 장착홈(217)을 포함할 수 있다.
제1베어링 장착홈(216)은 삽입부(213)의 내둘레에 형성될 수 있다. 제1베어링 장착홈(216)은 삽입부(213)의 단부에 형성될 수 있다.
제2베어링 장착홈(217)은 돌출부(214)의 내둘레에 형성될 수 있다. 제2베어링 장착홈(217)은 돌출부(214)의 단부에 형성될 수 있다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 탄성 기어모듈의 분해도이고, 도 15는 도 14에 도시된 복수개의 탄성체간의 직렬 연결을 설명하기 위한 도면이고, 도 16는 도 14에 도시된 복수개의 탄성체간의 병렬 연결을 설명하기 위한 도면이다.
본 실시예에 따른 탄성 기어모듈은, 복수개의 탄성체(230a)(230b)(230c)와, 복수개의 탄성체(230a)(230b)(230c)를 서로 연결하는 복수개의 연결핀(238)을 포함할 수 있다.
복수개의 탄성체(230a)(230b)(230c)는 축방향으로 적층될 수 있다.
예를 들어, 복수개의 탄성체(230a)(230b)(230c)는 3개일 수 있다. 이 경우, 복수개의 탄성체(230a)(230b)(230c) 각각은 출력부(220)에서 먼 순서대로 제1탄성체(230a)와, 제2탄성체(230b)와, 제3탄성체(230c)로 명명할 수 있다.
복수개의 탄성체(230a)(230b)(230c)는 기어(210)의 장착홈(211)에 장착될 수 있다. 장착홈(211)에 장착된 복수개의 탄성체(230a)(230b)(230c)는 축방향에 대해 기어(210)의 일면보다 돌출되지 않을 수 있다. 따라서, 기어(210)와 복수개의 탄성체(230a)(230b)(230c)의 조립체가 컴팩트해질 수 있다.
복수개의 탄성체(230a)(230b)(230c) 각각의 외륜(231)에는, 장착홈(211)의 내둘레에 형성된 끼움부(212)가 끼워지는 끼움홈(231a)이 형성될 수 있다.
끼움부(212)는 복수개의 탄성체(230a)(230b)(230c) 각각의 끼움홈(231a)에 억지 끼워맞춤(tight fit)될 수 있다. 따라서, 복수개의 탄성체(230a)(230b)(230c)와 기어(210)는 볼트 등과 같은 별도의 체결부재 없이도 서로 체결될 수 있다. 또한, 복수개의 탄성체(230a)(230b)(230c) 각각의 외륜(231)은 기어(210)에 고정될 수 있고, 기어(210)와 함께 회전할 수 있다.
기어(210)의 삽입부(213)는 복수개의 탄성체(230a)(230b)(230c)의 내륜(232)에 삽입될 수 있다. 따라서, 따라서, 복수개의 탄성체(230a)(230b)(230c)의 각 내륜(232)은 반경 방향에 대해 삽입부(213)에 의해 지지될 수 있다.
한편, 복수개의 탄성체(230a)(230b)(230c)는 서로 직렬 연결되거나, 병렬 연결되거나, 직렬 연결과 병렬 연결이 조합될 수 있다.
좀 더 상세히, 복수개의 탄성체(230a)(230b)(230c)의 각 내륜(232)은 연결핀(238)에 의해 서로 연결될 수 있다. 연결핀(238)은 기어(210)의 축방향과 나란한 방향으로 연장될 수 있으며, 내륜(232)에 형성된 연결홀(239)에 끼워질 수 있다.
이로써, 복수개의 탄성체(230a)(230b)(230c) 간 간극을 최소화 하면서도 각 내륜(232)을 서로 연결할 수 있다. 따라서, 복수개의 탄성체(230a)(230b)(230c)의 조립체가 컴팩트해질 수 있다.
복수개의 탄성체(230a)(230b)(230c) 중 출력부(220)에 인접한 일 탄성체(230c)의 내륜(232)에 형성된 복수개의 연결홀(239) 중 일부에는 연결핀(239)이 끼워질 수 있고, 다른 일부에는 출력부(220)와의 체결을 위한 체결부재(미도시)가 연결될 수 있다.
이하, 도 15를 참조하여 복수개의 탄성체(230a)(230b)(230c)의 직렬 연결에 대해 설명한다.
복수개의 연결핀(238)은 어느 하나의 탄성체(230b)와 다른 하나의 탄성체(230a)를 연결하는 제1연결핀(238a)과, 상기 어느 하나의 탄성체(230b)와 또다른 하나의 탄성체(230c)를 연결하는 제2연결핀(238b)을 포함할 수 있다.
제1연결핀(238a)과 제2연결핀(238b)은 원주 방향에 대해 서로 교번적으로 배치될 수 있다.
좀 더 상세히, 상기 어느 하나의 탄성체(230b)의 내륜(232)에 형성된 복수개의 연결홀(239) 중 일 연결홀(239)에는 제1연결핀(238a)이 끼워질 수 있고, 상기 일 연결홀(239)와 이웃한 타 연결홀(239)에는 제2연결핀(238b)이 끼워질 수 있다.
예를 들어, 제1연결핀(238a)은 제1탄성체(230a)의 내륜(232)과 제2탄성체(230b)의 내륜(232)을 연결할 수 있다. 제2연결핀(238b)은 제2탄성체(230b)의 내륜(232)과 제3탄성체(230c)의 내륜(232)을 연결할 수 있다.
제1탄성체(230a)와, 제2탄성체(230b)와, 제3탄성체(230c) 각각의 내륜(232)에는 원주 방향을 따라 제1연결홀(239-1) 내지 제8연결홀(239-8)이 형성될 수 있다. 또한, 제1연결핀(238a) 및 제2연결핀(238b)는 각각 4개가 구비될 수 있다.
제1연결핀(238a)는 제1탄성체(230a) 및 제2탄성체(230b)의 제2연결홀(239-2)과, 제4연결홀(239-4)과, 제6연결홀(239-6)과, 제8연결홀(239-8)을 서로 연결할 수 있다.
제2연결핀(238b)는 제2탄성체(230b) 및 제3탄성체(230c)의 제1연결홀(239-1)과, 제3연결홀(239-3)과, 제5연결홀(239-5)과, 제7연결홀(239-7)을 서로 연결할 수 있다.
제3탄성체(230c)의 제2연결홀(239-2)과, 제4연결홀(239-4)과, 제6연결홀(239-6)과, 제8연결홀(239-8)에는 출력부(220)를 체결시키기 위한 체결부재(미도시)가 체결될 수 있다.
이하, 도 16를 참조하여 복수개의 탄성체(230a)(230b)(230c)의 병렬 연결에 대해 설명한다.
복수개의 연결핀(238)은 셋 이상의 탄성체(230a)(230b)(230c)를 연결할 수 있다.
예를 들어, 연결핀(238a)은 제1탄성체(230a)의 내륜(232)과 제2탄성체(230b)의 내륜(232)과, 제3탄성체(230c)의 내륜(232)을 동시에 연결할 수 있다.
제1탄성체(230a)와, 제2탄성체(230b)와, 제3탄성체(230c) 각각의 내륜(232)에는 원주 방향을 따라 제1연결홀(239-1) 내지 제8연결홀(239-8)이 형성될 수 있다. 또한, 연결핀(238)은 4개가 구비될 수 있다.
연결핀(238a)는 제1탄성체(230a), 제2탄성체(230b) 및 제3탄성체(230c)의 제1연결홀(239-1)과, 제3연결홀(239-3)과, 제5연결홀(239-5)과, 제7연결홀(239-7)을 서로 연결할 수 있다.
제3탄성체(230c)의 제2연결홀(239-2)과, 제4연결홀(239-4)과, 제6연결홀(239-6)과, 제8연결홀(239-8)에는 출력부(220)를 체결시키기 위한 체결부재(미도시)가 체결될 수 있다.
정리하면, 동일한 탄성 강성(k)을 갖는 N개의 탄성체(230)가 서로 직렬 연결될 경우, N개의 탄성체(230)의 조합체는 k/N의 탄성 강성을 갖는다. 반면, 동일한 탄성 강성(k)을 갖는 N개의 탄성체(230)가 서로 병렬 연결될 경우, N개의 탄성체(230)의 조합체는 k*N의 탄성 강성을 갖는다. 상기 탄성 강성은 탄성 계수를 의미할 수 있다.
따라서, 복수개의 탄성체(230a)(230b)(230c)의 연결 방법에 따라 다양한 탄성 강성을 간단하게 구현할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
200: 탄성 기어모듈 210: 기어
211: 장착홈 212: 끼움부
213: 삽입부 214: 돌출부
215: 관통부 220: 출력부
230: 탄성체 231: 외륜
231a: 끼움홈 232: 내륜
233: 변형부 238: 연결핀
239: 연결홀 240: 샤프트
250: 각도 센서

Claims (20)

  1. 회전 동력원에 의해 회전하는 기어;
    상기 기어에 의해 회전하는 출력부; 및
    상기 기어와 상기 출력부를 연결하는 탄성체를 포함하고,
    상기 탄성체는,
    상기 기어에 체결된 외륜;
    상기 외륜의 내측에 위치하고 상기 출력부에 체결된 내륜; 및
    상기 외륜과 상기 내륜을 연결하며 탄성 변형하는 변형부를 포함하는 직렬탄성 구동기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성체의 외륜 및 내륜은 중심이 상기 기어의 회전축상에 위치하도록 배치된 직렬탄성 구동기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 변형부는 원주 방향으로 서로 이격된 복수개가 구비된 직렬탄성 구동기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 변형부는,
    상기 외륜과 상기 내륜의 사이에 위치하며 폐루프를 이루는 고리부;
    상기 고리부와 상기 외륜의 사이에 위치하고 상기 고리부와 상기 외륜을 연결하는 아우터 연결부; 및
    상기 고리부와 상기 내륜의 사이에 위치하고 상기 고리부와 상기 내륜을 연결하는 이너 연결부를 포함하는 직렬탄성 구동기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성체는 스테인리스 합금 재질 또는 알루미늄 합금 재질을 포함하는 직렬탄성 구동기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성체는 마레이징강(maraging steel) 재질 또는 7000계 알루미늄합금 재질을 포함하는 직렬탄성 구동기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 기어의 일면에는, 상기 탄성체가 장착되는 장착홈이 함몰 형성된 직렬탄성 구동기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 장착홈에는 상기 탄성체의 내륜에 삽입되는 삽입부가 구비된 직렬탄성 구동기.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 장착홈의 내둘레에는 반경 내측 방향으로 돌출된 끼움부가 형성되고,
    상기 탄성체의 외륜의 외둘레에는 상기 끼움부가 끼워지는 끼움홈이 형성된 직렬탄성 구동기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 끼움부와 상기 끼움홈은 억지 끼워맞춤(tight fit)되어 상기 기어 및 탄성체가 직접 체결된 직렬탄성 구동기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성체의 변형부는 상기 기어와 축방향으로 이격된 직렬탄성 구동기.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 출력부에 연결되고 상기 탄성체의 내륜과 상기 기어를 통과하며 상기 기어의 회전축상에 위치한 샤프트를 더 포함하는 직렬탄성 구동기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 샤프트에 연결되고 상기 기어에 대해 상기 출력부의 반대편에 위치한 각도센서를 더 포함하는 직렬탄성 구동기.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 기어에는,
    상기 샤프트를 반경 방향에 대해 지지하는 베어링이 장착되는 베어링 장착홈이 형성된 직렬탄성 구동기.
  15. 회전 동력원에 의해 회전하는 기어;
    상기 기어에 의해 회전하는 출력부;
    외륜과, 상기 외륜의 내측에 위치한 내륜과, 상기 외륜과 상기 내륜을 연결하며 탄성 변형하는 변형부를 포함하며, 상기 기어의 회전력을 상기 출력부로 전달하는 복수개의 탄성체; 및
    상기 기어의 축방향과 나란한 방향으로 연장되며 상기 복수개의 탄성체의 내륜을 서로 연결하는 복수개의 연결핀을 포함하는 직렬탄성 구동기.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 기어의 일면에는, 상기 복수개의 탄성체가 장착되는 장착홈이 함몰 형성된 직렬탄성 구동기.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 장착홈의 내둘레에는 반경 내측 방향으로 돌출된 끼움부가 형성되고,
    상기 복수개의 탄성체의 외륜의 외둘레에는 상기 끼움부가 끼워지는 끼움홈이 형성된 직렬탄성 구동기.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 탄성체의 내륜에는 상기 연결핀이 끼워지는 복수개의 연결홀이 형성되고,
    상기 복수개의 연결홀은 원주 방향으로 일정 간격만큼 이격된 직렬탄성 구동기.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 복수개의 연결핀은,
    어느 하나의 탄성체와 다른 하나의 탄성체를 연결하는 제1연결핀; 및
    상기 어느 하나의 탄성체와 또다른 하나의 탄성체를 연결하는 제2연결핀을 포함하고,
    상기 제1연결핀과 상기 제2연결핀은 원주 방향에 대해 서로 교번적으로 배치된 직렬탄성 구동기.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 복수개의 연결핀은 셋 이상의 탄성체를 연결하는 직렬탄성 구동기.
KR1020190175381A 2019-12-26 2019-12-26 직렬탄성 구동기 KR20210082920A (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190175381A KR20210082920A (ko) 2019-12-26 2019-12-26 직렬탄성 구동기
US16/877,723 US11835411B2 (en) 2019-12-26 2020-05-19 Series elastic actuator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190175381A KR20210082920A (ko) 2019-12-26 2019-12-26 직렬탄성 구동기

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20210082920A true KR20210082920A (ko) 2021-07-06

Family

ID=76547330

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190175381A KR20210082920A (ko) 2019-12-26 2019-12-26 직렬탄성 구동기

Country Status (2)

Country Link
US (1) US11835411B2 (ko)
KR (1) KR20210082920A (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230089186A (ko) * 2021-12-13 2023-06-20 재단법인대구경북과학기술원 모듈 교체가 가능한 조립형 탄성 구동기

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210082935A (ko) 2019-12-26 2021-07-06 엘지전자 주식회사 직렬탄성 구동기
KR20210082920A (ko) 2019-12-26 2021-07-06 엘지전자 주식회사 직렬탄성 구동기
KR20210090898A (ko) * 2020-01-13 2021-07-21 엘지전자 주식회사 직렬탄성 구동기

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170037442A (ko) 2015-09-25 2017-04-04 주식회사 토룩 직렬 탄성 액추에이터를 위한 아크형 압축 스프링 모듈

Family Cites Families (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1308160A (en) * 1919-07-01 Sectional gear
US2372625A (en) 1942-11-11 1945-03-27 Wenzel Projector Company Gear
US3252696A (en) * 1963-10-21 1966-05-24 Bendix Corp Flexural pivot device
US3897859A (en) 1973-09-28 1975-08-05 John A Norcia Clutch friction plate construction
AU706372B2 (en) * 1997-04-25 1999-06-17 Kabushiki Kaisha Toyoda Jidoshokki Seisakusho Mounting structure for wheel angle detector and rotation amount detector for vehicle wheel
JP4040753B2 (ja) * 1998-06-03 2008-01-30 アスモ株式会社 モータ及び開閉部材駆動装置
JP2002286116A (ja) * 2001-03-23 2002-10-03 Sharp Corp 回転力伝達部材および回転力伝達機構
DE10143386B4 (de) 2001-09-05 2004-05-06 Zf Sachs Ag Parksperre für ein Kraftfahrzeug
DE102012001703A1 (de) * 2012-01-31 2013-08-01 Astrium Gmbh Zahnrad
GB2510189A (en) 2013-01-29 2014-07-30 Johnson Electric Sa Vibration Safe Motor Fixation in an Actuator
JP5962620B2 (ja) 2013-09-13 2016-08-03 株式会社デンソー アクチュエータの製造方法
US9676104B2 (en) 2014-05-19 2017-06-13 Yaskawa America, Inc. Variable spring constant torque coupler
US20160102724A1 (en) * 2014-10-09 2016-04-14 Rethink Motion Inc. Concentric Arc Spline Rotational Spring
US10935107B2 (en) 2019-01-21 2021-03-02 Mark Star Servo-Tech Co., Ltd. Driving device
US11358695B2 (en) 2019-12-18 2022-06-14 Leonidas Kyros Kontopoulos Divided gear wheel for a power transmission system used in a marine engine
US20210239188A1 (en) 2020-01-31 2021-08-05 Kyros Philippos Kontopoulos Dual mass dog collar and/or dual mass dog hub for a power transmission system
WO2020259955A1 (en) 2019-06-28 2020-12-30 Kontopoulos, Leonidas Kyros Transmission element and gearbox for a power transmission system
US11519489B2 (en) * 2019-07-30 2022-12-06 Panavision International, L.P. Motor gear systems for cameras
US11466766B2 (en) 2019-10-08 2022-10-11 Ford Global Technologies, Llc Gear device and method for operation of a gear device
KR20210082935A (ko) 2019-12-26 2021-07-06 엘지전자 주식회사 직렬탄성 구동기
KR20210082920A (ko) 2019-12-26 2021-07-06 엘지전자 주식회사 직렬탄성 구동기

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20170037442A (ko) 2015-09-25 2017-04-04 주식회사 토룩 직렬 탄성 액추에이터를 위한 아크형 압축 스프링 모듈

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230089186A (ko) * 2021-12-13 2023-06-20 재단법인대구경북과학기술원 모듈 교체가 가능한 조립형 탄성 구동기

Also Published As

Publication number Publication date
US20210199522A1 (en) 2021-07-01
US11835411B2 (en) 2023-12-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11413763B2 (en) Charging robot and control method thereof
KR20210082920A (ko) 직렬탄성 구동기
US11511447B2 (en) Robot arm
KR20210082935A (ko) 직렬탄성 구동기
KR102282104B1 (ko) 로봇
US11511445B2 (en) Gripper
US11663936B2 (en) Robot
KR20190098100A (ko) 로봇 핸드 및 그 제어방법
US11679512B2 (en) Tool changer and tool change system including the same
US11358069B2 (en) Action robot
KR20210090898A (ko) 직렬탄성 구동기
KR20210056172A (ko) 로봇
KR20210070153A (ko) 로봇
US11738470B2 (en) Tool changer and tool change system having the same
KR20210132471A (ko) 웨어러블 로봇
US20230310683A1 (en) Robot
KR20210115283A (ko) 다족 로봇
KR20210132826A (ko) 웨어러블 로봇
KR20230072307A (ko) 로봇
KR20210078126A (ko) 액션 로봇
KR20210079960A (ko) 액션 로봇
KR20210078087A (ko) 액션 로봇
KR20210082906A (ko) 다족 로봇
KR20210078695A (ko) 액션 로봇
KR20210081578A (ko) 다족 로봇