KR20210146010A - 선형 액츄에이터 기반 회전 관절유닛 - Google Patents

Abstract

선형 액츄에이터 기반 회전 관절유닛은 리니어 가이드유닛, 직선 구동유닛, 엔드 이펙터 및 회전 구동유닛을 포함한다. 상기 리니어 가이드유닛은 일 방향으로 연장되는 가이드 프레임을 포함한다. 상기 직선 구동유닛은 상기 가이드 프레임을 따라 상기 일 방향으로 왕복 슬라이딩 구동된다. 상기 엔드 이펙터는 상기 직선 구동유닛의 왕복 슬라이딩 구동에 의해, 중점을 중심으로 소정 각도의 범위 내에서 왕복 회전한다. 상기 회전 구동유닛은 상기 엔드 이펙터의 중점에 연결되어 상기 엔드 이펙터의 회전에 따라 회전한다.

Description

선형 액츄에이터 기반 회전 관절유닛{ROTARY JOINT UNIT WITH LINEAR ACTUATOR}

본 발명은 회전 관절유닛에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 로봇의 엔드 이펙터의 회전 구동을 수행하여 다양한 엔드 이펙터의 동작이나 자세를 구현할 수 있는 선형 액츄에이터 기반 회전 관절유닛에 관한 것이다.

로봇의 엔드 이펙터(end effector)나 다양한 관절의 구동을 구현하기 위해 다양한 형태의 구동 메커니즘이 개발되고 있으며, 특히, 선형 액츄에이터에서 발생되는 선행 구동력을 회전 구동력으로 전달하여, 회전을 제어하거나 다양한 회전 자세를 구현할 수 있는 기술도 다양하게 개시되고 있다.

대한민국 등록특허 제10-1485004호에서는, 제1 링크를 따라 연장되는 액츄에이터의 구동에 따라 제2 링크가 제1 링크에 대하여 회전하는 관절 구조를 개시하고 있다.

또한, 대한민국 등록특허 제10-1517822호에서도, 선형 액츄에이터의 구동에 따라 회전되는 관절 구조로서, 특히 의족과 같은 특정 부위에 적용되는 유연 관절 로봇에 관한 기술을 개시하고 있다.

그러나, 현재까지 개시되고 있는 상기 기술들에서의 관절 구조의 경우, 선형 액츄에이터의 구동에 따른 관절 회전량이 크지 않아, 관절 회전량을 증가시키기 위해서는 전체적인 관절 구조의 크기가 커지거나 설계가 복잡해지는 한계가 있으며, 회전각의 해상도(resolution)가 낮아 정밀한 관절 회전 제어가 어려우며, 높은 토크가 요구되는 관절에 적용되기에는 한계가 있는 등의 문제가 있다.

대한민국 등록특허 제10-1485004호 대한민국 등록특허 제10-1517822호

이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 상대적으로 단순하면서도 작은 구조로 관절 회전량을 제한할 수 있으며, 회전각의 해상도를 증가시켜 매우 정밀한 관절 회전 제어가 가능하고, 상대적으로 높은 토크가 요구되는 상황에도 적용이 가능하여, 다양한 엔드 이펙터의 동작이나 자세를 구현할 수 있는 선형 액츄에이터 기반 회전 관절유닛에 관한 것이다.

상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 의한 회전 관절유닛은 리니어 가이드유닛, 직선 구동유닛, 엔드 이펙터 및 회전 구동유닛을 포함한다. 상기 리니어 가이드유닛은 일 방향으로 연장되는 가이드 프레임을 포함한다. 상기 직선 구동유닛은 상기 가이드 프레임을 따라 상기 일 방향으로 왕복 슬라이딩 구동된다. 상기 엔드 이펙터는 상기 직선 구동유닛의 왕복 슬라이딩 구동에 의해, 중점을 중심으로 소정 각도의 범위 내에서 왕복 회전한다. 상기 회전 구동유닛은 상기 엔드 이펙터의 중점에 연결되어 상기 엔드 이펙터의 회전에 따라 회전한다.

일 실시예에서, 상기 직선 구동유닛은, 상기 가이드 프레임을 따라 슬라이딩되는 메인 슬라이딩 유닛, 일단이 상기 메인 슬라이딩 유닛에 고정되어 상기 일 방향으로 왕복 이동되는 연결유닛, 및 상기 연결유닛의 타단에 연결되어 상기 엔드 이펙터의 회전에 따라 회전하는 서브 베어링을 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 엔드 이펙터는, 상기 메인 베어링에 연결되어 상기 중점을 중심으로 회전하는 중앙 회전부, 상기 중앙 회전부로부터 상기 리니어 가이드유닛을 향하는 방향으로 연장되는 연장부, 및 상기 연장부의 후면에 상기 연장부를 따라 연장되는 연장 가이드를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 엔드 이펙터는, 후면은 상기 서브 베어링에 연결되어 상기 서브 베어링에 대하여 회전하고, 전면은 상기 연장 가이드 상에 위치하여 상기 연장 가이드를 따라 슬라이딩되는 서브 슬라이딩 유닛을 더 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 회전 구동유닛은, 상기 메인 베어링과 상기 중앙 회전부를 연결하는 회전축, 및 상기 메인 베어링을 고정하며, 상기 리니어 가이드유닛의 하면에 고정되는 고정 플레이트를 더 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 직선 구동유닛에 구동력을 제공하는 구동유닛을 더 포함하며, 상기 구동유닛은, 회전 구동력을 발생하는 구동부, 상기 회전 구동력을 전달하는 구동 전달부, 및 상기 구동 전달부로부터 상기 회전 구동력을 전달받아 상기 직선 구동유닛에 선형 구동력을 제공하는 스크류부를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 가이드 프레임은, 상기 가이드 프레임의 중앙을 따라 상기 일 방향으로 연장되는 가이드 바, 상기 가이드 바의 상측에 상기 일 방향으로 연장되는 상부 가이드, 및 상기 가이드 바의 하측에 상기 일 방향으로 연장되는 하부 가이드를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 직선 구동유닛은, 상기 가이드 바를 따라 슬라이딩 되는 메인 슬라이딩 유닛, 상기 메인 슬라이딩 유닛의 상측에 형성되며 상기 상부 가이드를 따라 슬라이딩 되는 상부 슬라이딩면, 및 상기 메인 슬라이딩 유닛의 하측에 형성되며 상기 하부 가이드를 따라 슬라이딩 되는 하부 슬라이딩면을 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 엔드 이펙터의 왕복 회전하는 회전 범위(

)는,

식 (1)

s는 리니어 가이드유닛의 스트로크 길이이고, h는 엔드 이펙터의 중점으로부터 리니어 가이드유닛까지의 높이일 때, 상기 식 (1)로 정의될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 의하면, 왕복 슬라이딩되는 직선 구동유닛에 의해 구동력을 제공받으며 소정 각도의 범위 내에서 엔드 이펙터가 회전운동되므로, 직선 운동을 회전 운동으로 변환하여, 선형 액츄에이터에 기반한 회전 관절유닛을 구현할 수 있다.

이 경우, 일정 범위의 왕복 스트로크를 가지는 직선 구동이, 일정 각도의 왕복 회전 범위를 가지는 회전 운동으로 가변되며, 스트로크의 길이와 엔드 이펙터와 리니어 가이드 유닛 사이의 높이를 바탕으로 왕복 회전 범위를 설계할 수 있는 바, 다양한 범위에서 구동되는 회전 관절유닛의 최적 설계가 가능하다.

또한, 종래 회전 모터를 구동부로서 직접 사용하여 회전 운동을 구현하는 경우와 대비하여, 보다 낮은 토크로 충분한 각도의 회전 범위를 유도할 수 있어, 회전 관절의 구동을 위한 부하를 최소화할 수 있다.

또한, 종래 회전 모터를 구동부로서 직접 사용하여 회전 운동을 구현하는 경우와 대비하여, 상대적으로 높은 해상도로 회전 관절의 회전을 구현할 수 있어, 제어 정밀도가 향상될 수 있다.

나아가, 종래 회전 모터를 구동부로서 직접 사용하여 회전 운동을 구현하는 경우와 대비하여, 상대적으로 회전 각도가 증가함에 따라 높은 기어비를 구현할 수 있으며 이를 통해 회전 각도가 증가함에 따라 증가하는 구동부의 부하 토크를 보상할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 회전 관절유닛을 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 회전 관절유닛이 구동에 따라 제1 위치에 위치한 상태를 도시한 사시도이다.
도 3은 도 1의 회전 관절유닛이 구동에 따라 제2 위치에 위치한 상태를 도시한 사시도이다.
도 4는 도 1의 회전 관절유닛의 동작을 설명하기 위한 모식도이다.
도 5는 도 1의 회전 관절유닛에서 회전 각도에 따른 부하토크의 예를 도시한 그래프이다.
도 6은 도 1의 회전 관절유닛에서 이송 거리에 다른 해상도의 예를 도시한 그래프이다.
도 7은 도 1의 회전 관절유닛에서 이송 거리에 따른 기어비의 예를 도시한 그래프이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.

상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 회전 관절유닛을 도시한 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 회전 관절유닛(10)은 리니어 가이드유닛(100), 구동유닛(200), 회전 구동유닛(300), 직선 구동유닛(400) 및 엔드 이펙터(500)를 포함한다.

상기 리니어 가이드유닛(100)은 제1 베이스 프레임(110), 일 방향으로 연장되는 가이드 프레임(120), 및 측면 프레임(130)을 포함한다.

상기 제1 베이스 프레임(110)은 상기 가이드 프레임(120)의 후면이 고정되어, 상기 가이드 프레임(120)이 고정 및 지지되는 구조체로서, 도시된 바와 같이, 일 방향으로 길게 연장되는 소정 두께의 고정 플레이트(plate)의 구조를 가진다.

상기 가이드 프레임(120)은 상기 제1 베이스 프레임(110) 상에 고정되어, 상기 일 방향, 즉 직선 방향으로 연장되는 프레임 구조인 것으로, 구체적으로는 상부 가이드(121), 하부 가이드(122) 및 가이드 바(123)를 포함한다.

이 경우, 상기 가이드 프레임(120)은 후면은 상기 제1 베이스 프레임(110)에 고정되고, 전면은 개방되며, 소정의 수납공간(125)을 형성한다.

상기 수납공간(125)은, 상측의 상기 상부 가이드(121)와 하측의 상기 하부 가이드(122)가 각각 돌출되어 연장됨으로써 형성될 수 있으며, 상기 수납공간(125) 상에는 상기 가이드 바(123)가 일 방향으로 연장될 수 있다.

또한, 상기 수납공간(125) 상에는 후술되는 상기 직선 구동유닛(400)의 메인 슬라이딩유닛(410)이 수납된다.

상기 상부 가이드(121)는 상기 가이드 프레임(120)의 상측에서, 외부로 돌출되고, 상기 상부 가이드(121)의 돌출면은 일 방향으로 연장되며 소정의 슬라이딩 면을 형성한다.

마찬가지로, 상기 하부 가이드(122)는 상기 가이드 프레임(120)의 하측에서, 외부로 돌출되고, 상기 하부 가이드(122)의 돌출면도 일 방향으로 연장되며 소정의 슬라이딩 면을 형성한다. 이 경우, 상기 상부 가이드(121)가 형성하는 소정의 슬라이딩 면과 상기 하부 가이드(122)가 형성하는 소정의 슬라이딩 면은 서로 평행하게 연장될 수 있다.

상기 가이드 바(123)는 상기 상부 가이드(121) 및 상기 하부 가이드(122)의 중앙을 따라, 상기 일 방향으로 연장되며, 소정의 바(bar) 형상을 가진다.

상기 측면 프레임(130)은 상기 리니어 가이드유닛(100)의 일 끝단에 위치하여, 상기 상부 가이드(121), 상기 하부 가이드(122) 및 상기 가이드 바(123)의 일 끝단이 고정된다.

한편, 상기 측면 프레임(130)은 상기 리니어 가이드유닛(100)의 일 끝단을 형성하는 것으로, 상기 리니어 가이드유닛(100)의 타 끝단에는 상기 측면 프레임(130)에 대응하도록 후술되는 고정 프레임(240)이 형성된다.

그리하여, 상기 고정 프레임(240)은 상기 상부 가이드(121), 상기 하부 가이드(122) 및 상기 가이드 바(123)의 타 끝단을 고정시키게 되며, 이에, 상기 직선 구동유닛(400)은 상기 고정 프레임(240)과 상기 측면 프레임(130)의 사이를 왕복하게 된다.

상기 구동유닛(200)은 상기 직선 구동유닛(400)에 구동력을 제공하는 것으로, 구동부(210), 구동 전달부(220), 스크류부(230) 및 고정 프레임(240)을 포함한다.

상기 구동부(210)는 회전 구동력을 발생하는 것으로, 예를 들어 전기모터일 수 있다.

상기 구동 전달부(220)는 상기 구동부(210)에서 발생한 회전 구동력을 상기 스크류부(230)로 전달하는 것으로, 한 쌍의 제1 및 제2 풀리들(221, 223), 및 벨트(222)를 포함한다.

이 경우, 상기 제1 풀리(221)는 상기 구동부(210)의 회전축에 연결되어 회전하며, 상기 제2 풀리(223)는 상기 스크류부(230)의 회전축에 연결되어 회전하고, 상기 벨트(222)는 상기 제1 풀리(221)와 상기 제2 풀리(223) 사이에 연결되어, 상기 제1 풀리(221)의 회전 구동력을 상기 제2 풀리(223)로 전달한다.

상기 스크류부(230)는 상기 제2 풀리(223)를 통해 제공받은 상기 회전 구동력에 의해 회전하며, 상기 스크류부(230)의 회전력에 의해 상기 직선 구동유닛(400)은 상기 가이드 바(122)를 따라 일 방향으로 선형으로 이동하게 된다.

이 경우, 상기 고정 프레임(240)은 상기 스크류부(230)의 외부를 커버하면서 동시에, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 리니어 가이드유닛(100)의 타 끝단에 형성되어, 상기 고정 프레임(240)은 상기 상부 가이드(121), 상기 하부 가이드(122) 및 상기 가이드 바(123)의 타 끝단을 고정하게 된다.

이상과 같이, 상기 구동부(210)로부터 제공되는 회전 구동력은, 상기 스크류부(230)를 통해 선형, 즉 직선 방향의 구동력으로 변환되어 상기 직선 구동유닛(400)으로 제공되며, 이에 따라 상기 직선 구동유닛(400)의 상기 메인 슬라이딩 유닛(410)은 상기 가이드 프레임(120)의 연장 방향을 따라 직선 방향으로 왕복으로 슬라이딩 이동하게 된다.

상기 직선 구동유닛(400)은, 상기 메인 슬라이딩 유닛(410) 외에, 상부 슬라이딩면(420), 하부 슬라이딩면(430), 연결유닛(440) 및 서브 베어링(450)을 포함한다.

상기 메인 슬라이딩 유닛(410)은 상기 가이드 바(123)를 따라 슬라이딩 되는 것으로, 상기 스크류부(230)를 통해 전달되는 선형 구동력에 의해 상기 가이드 바(123) 상에서 상기 가이드 바(123)의 연장 방향을 따라 상기 가이드 바(123)를 왕복하며 슬라이딩하게 된다.

예를 들어, 상기 스크류부(230)가 시계방향으로 회전하게 되면, 상기 메인 슬라이딩 유닛(410)은 상기 측면 프레임(130)을 향하는 방향으로 선형 이동될 수 있으며, 상기 스크류부(230)가 반시계방향으로 회전하게 되면, 상기 메인 슬라이딩 유닛(410)은 상기 고정 프레임(240)을 향하는 방향으로 선형 이동될 수 있다. 이에 따라, 상기 스크류부(230)의 회전 방향 및 회전량을 제어함으로써, 상기 메인 슬라이딩 유닛(410)의 이송방향 및 직선 이송량을 제어할 수 있다.

상기 상부 슬라이딩면(420)은 상기 메인 슬라이딩 유닛(410)의 상측에 형성되는 면으로서, 앞서 설명한 상기 상부 가이드(121)가 형성하는 소정의 슬라이딩 면에 접하며, 상기 상부 가이드(121)를 따라 슬라이딩하는 면이다.

마찬가지로, 상기 하부 슬라이딩면(430)은 상기 메인 슬라이딩 유닛(410)의 하측에 형성되는 면으로서, 앞서 설명한 상기 하부 가이드(122)가 형성하는 소정의 슬라이딩 면에 접하며, 상기 하부 가이드(122)를 따라 슬라이딩하는 면이다.

이와 같이, 상기 상부 및 하부 슬라이딩면들(420, 430)이 추가적으로 상기 상부 및 하부 가이드들(121, 122)이 형성하는 면에 추가로 접하며 슬라이딩됨에 따라, 상기 메인 슬라이딩 유닛(410)은 보다 안정적으로 상기 리니어 가이드유닛(100) 상에서 왕복 직선 구동을 수행하게 된다.

상기 연결유닛(440)은 상기 메인 슬라이딩 유닛(410)과 후술되는 상기 엔드 이펙터(500)를 연결하는 것으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 메인 슬라이딩 유닛(410)으로부터 하부 방향으로 소정 길이와 소정너비를 가지며 연장된다.

즉, 상기 연결유닛(440)의 일 단(441)은 상기 메인 슬라이딩 유닛(410)의 전면(前面)에 고정되며, 이에 따라, 상기 메인 슬라이딩 유닛(410)이 왕복 직선 구동을 수행하는 경우, 상기 연결유닛(440)도 상기 메인 슬라이딩 유닛(410)과 함께 왕복 직선 운동을 수행하게 된다.

상기 연결유닛(440)의 타 단(442)에는, 상기 서브 베어링(450)이 구비되며, 상기 서브 베어링(450)은 중심을 중심으로 회전이 가능하도록 상기 연결유닛(440) 상에 연결된다.

이 때, 상기 연결유닛(440)의 너비는 상기 서브 베어링(450)의 직경을 고려하여, 상기 서브 베어링(450)의 직경보다 다소 크게 형성될 수 있으며, 상기 서브 베어링(450)의 직경은, 후술되는 상기 엔드 이펙터(500)의 구동을 위해 충분한 고정력과 지지력을 제공할 수 있는 정도로 설계될 수 있다.

한편, 상기 서브 베어링(450)과 상기 엔드 이펙터(500)의 연결관계 및 구동에 대하여는 후술한다.

상기 회전 구동유닛(300)은 상기 엔드 이펙터(500)가 회전 운동이 가능하도록 구현하는 것으로, 제2 베이스 프레임(310), 고정 플레이트(320), 커버부(330), 메인 베어링(340) 및 회전축(350)을 포함한다.

상기 제2 베이스 프레임(310)은 상기 고정 플레이트(320)의 후면이 고정되어, 상기 고정 플레이트(320)가 고정 및 지지되는 구조체로서, 도시된 바와 같이, 소정 면적 및 소정 두께의 사각 플레이트(plate)의 구조를 가진다.

상기 고정 플레이트(320)는 상기 제2 베이스 프레임(310) 상에 고정되며, 마찬가지 사각 플레이트 형상을 가질 수 있으며, 상기 고정 플레이트(320)의 상면은 상기 리니어 가이드유닛(100)의 하면에 고정된다.

즉, 상기 고정 플레이트(320)는 상기 리니어 가이드유닛(100)에 고정된 상태로 위치하는 것으로, 도시하지는 않았으나, 별도의 고정 유닛을 통해 고정되거나 상기 리니어 가이드유닛(100)과 일체로 형성될 수도 있다.

또한, 상기 고정 플레이트(320)는, 상기 리니어 가이드유닛(100)의 중앙에 위치할 수 있다. 그리하여, 상기 엔드 이펙터(500)가 상기 리니어 가이드유닛(100)의 중앙을 기준으로, 양 측으로 동일한 양 만큼 회전이 가능할 수 있다.

상기 메인 베어링(340)은 상기 고정 플레이트(320) 상에 회전 가능하도록 고정되며, 상기 메인 베어링(340)의 외주면은 상기 커버부(330)에 의해 커버된다.

상기 메인 베어링(340)은, 상기 서브 베어링(450)보다는 큰 직경을 가질 수 있으며, 상기 메인 베어링(340)의 직경은, 후술되는 상기 엔드 이펙터(500)의 회전 구동을 위해 충분한 고정력과 지지력을 제공할 수 있는 정도로 설계될 수 있다.

즉, 상기 엔드 이펙터(500)를 통해 수행되는 동작에 의해 상기 메인 베어링(340)에 인가되는 힘을 지지할 수 있는 정도로 설계되면 충분하고, 상기 메인 베어링(340)의 크기나 직경 등은 제한되지는 않는다.

상기 회전축(350)은 상기 메인 베어링(340)의 회전 중심과 상기 엔드 이펙터(500)를 연결하며, 상기 메인 베어링(340)의 회전에 따라 상기 엔드 이펙터(500)가 회전하게 된다.

즉, 상기 엔드 이펙터(500)는 상기 메인 베어링(340)에 연결된 상태이므로, 자유로운 회전 구동이 가능하게 된다.

상기 회전축(350)은 도시된 바와 같이, 소정거리 연장되어, 상기 메인 베어링(340)과 상기 엔드 이펙터(500)를 연결하는데, 이와 같이 상기 회전축(350)이 소정 거리만큼 연장됨에 따라, 상기 메인 베어링(340)과 상기 엔드 이펙터(500)의 사이에는 소정의 공간이 형성되며, 상기 공간에 상기 연결유닛(440) 및 후술되는 서브 슬라이딩 유닛(540)이 위치할 수 있다.

상기 엔드 이펙터(500)는 상기 직선 구동유닛(400) 및 상기 회전 구동유닛(300)과 동시에 연결되어, 상기 직선 구동유닛(400)의 직선 방향으로 왕복 직선운동에 의해, 상기 회전 구동유닛(300)을 중심으로 왕복 회전운동을 수행한다.

상기 엔드 이펙터(End-effector, 500)는, 그리퍼(gripper) 등과 같이 로봇이 작업을 수행할 때 작업 대상에 직접 작용하는 기능을 가진 부분으로, 도면에는 전체적인 프레임 구조만 가지는 것으로 도시하였으나, 실제 작업의 수행을 위해서는 도시하지는 않았으나, 상기 엔드 이펙터(500)에 다양한 구조물이나 유닛 들이 고정될 수 있다.

다만, 본 실시예에서는, 상기 엔드 이펙터(500)의 기본 구조체만을 도시한 것으로, 상기 기본 구조체의 형상 및 구조를 유지한 상태에서, 상기 엔드 이펙터(500)에 탈부착되는 다양한 구조물이나 유닛 들은 특별히 제한되지 않는다.

상기 엔드 이펙터(500)는, 중앙 회전부(510), 연장부(520), 연장 가이드(530) 및 서브 슬라이딩 유닛(540)을 포함한다.

상기 중앙 회전부(510)는 원형 플레이트 형상을 가지며, 상기 회전축(350)에 연결되며, 상기 중앙 회전부(510)의 회전 중심인 중점(C)은 상기 회전축(350) 및 상기 메인 베어링(340)의 회전 중심과 일렬로 정렬된다.

그리하여, 상기 중앙 회전부(510)는 상기 중점(C)을 중심으로 회전하게 된다.

상기 연장부(520)는 상기 중앙 회전부(510)의 일 측으로부터 소정 길이 연장되며, 상기 중앙 회전부(510)가 초기 상태, 즉 상기 메인 슬라이딩 유닛(410)이 상기 리니어 가이드유닛(100)의 중앙에 위치하며, 상기 중앙 회전부(510)도 회전하지 않은 상태인 경우, 상기 연장부(520)는 상기 중앙 회전부(510)의 상부 방향으로 연장되며, 상기 연결유닛(440)의 연장 방향과 평행하게 연장된다.

이 경우, 상기 연결유닛(440)과 상기 연장부(520)는 서로 중첩되도록 평행하게 연장되며, 상기 연결유닛(440)과 상기 연장부(520)의 사이에 상기 서브 슬라이딩 유닛(540)이 위치하게 된다.

상기 연장 가이드(530)는 상기 연장부(520)의 후면, 즉 상기 연결유닛(440)을 향하는 방향으로 상기 연장부(520)를 따라 고정된다.

이 경우, 상기 연장 가이드(530)는 도시된 바와 같이, 상기 연장부(520)의 연장 길이와 동일한 길이만큼 연장되는 것을 예시하였으나, 상기 연장부(520)는 다양한 작동 상태를 고려하여 그 길이가 가변될 수 있는 것으로, 이에 따라 상기 연장부(520)는 상기 연장 가이드(530)와 다른 길이로 연장될 수 있다.

다만, 상기 연장 가이드(530)는, 상기 서브 슬라이딩 유닛(540)이 슬라이딩되며 이동되는 가이드이며, 상기 서브 슬라이딩 유닛(540)의 이동 거리는, 상기 가이드 프레임(120)의 길이, 즉 스트로크를 고려하여 설정될 수 있는 것이므로, 상기 연장 가이드(530)의 길이는 상기 가이드 프레임(120)의 길이와 함께 설계되어야 한다.

상기 서브 슬라이딩 유닛(540)은 후면은 상기 서브 베어링(450)에 연결되며, 상기 서브 슬라이딩 유닛(540)의 전면은 상기 연장 가이드(530) 상에 위치하게 된다.

그리하여, 상기 서브 슬라이딩 유닛(540)은 상기 서브 베어링(450)에 대하여 상대적으로 회전함과 동시에, 상기 연장 가이드(530) 상에서 슬라이딩되며 왕복운동을 하게 된다.

한편, 상기 서브 슬라이딩 유닛(540)이 상기 서브 베어링(450)과 상기 연장 가이드(530)의 상대적인 회전 및 이동을 구속시키므로, 궁극적으로, 상기 엔드 이펙터(500)는 상기 중점(C)을 중심으로 회전하게 된다.

이 경우, 상기 엔드 이펙터(500)의 상기 중점(C)은 상기 메인 베어링(340)에 연결된 상태로 자유로운 회전이 가능하므로, 상기와 같은 회전 운동의 구현이 가능하게 된다.

그리하여, 상기 직선 구동유닛(400)의 왕복 직선 구동, 즉 선형 구동이 상기 엔드 이펙터(500)의 왕복 회전 구동으로 전환되며, 이를 통해, 선형 액츄에이터를 이용하여 회전 관절의 모션이 수행되는 구동전환 메커니즘이 구현될 수 있다.

도 2는 도 1의 회전 관절유닛이 구동에 따라 제1 위치에 위치한 상태를 도시한 사시도이다. 도 3은 도 1의 회전 관절유닛이 구동에 따라 제2 위치에 위치한 상태를 도시한 사시도이다.

도 2를 참조하면, 상기 구동유닛(200)의 구동에 따라, 화살표로 도시된 바와 같이, 상기 메인 슬라이딩 유닛(410)이 상기 가이드 프레임(120)을 따라 상기 고정 프레임(240) 방향으로 직선 이동하게 되면, 상기 메인 슬라이딩 유닛(410)에 고정되는 상기 연결유닛(440)도 동일한 방향으로 일체로 직선 이동하게 된다.

이에 따라, 상기 연결유닛(440)의 타 단(442)에 위치한 상기 서브 베어링(450)에 고정된 상기 서브 슬라이딩유닛(540)도 상기 연결유닛(440)의 직선 이동에 따라 직선 방향으로 이동하게 되는데, 상기 서브 슬라이딩유닛(540)이 고정되는 상기 엔드 이펙터(500)의 중앙 회전부(510)는 그 위치가 상기 회전 구동유닛(300)에 고정되어 상기 직선 방향으로 이동되지 않으므로, 결국 상기 엔드 이펙터(500)는 상기 중점(C)을 중심으로 회전하게 된다.

즉, 상기 서브 슬라이딩유닛(540)의 후면은 상기 서브 베어링(450)의 회전에 따라 회전하게 되며, 상기 서브 슬라이딩유닛(540)이 이러한 반시계 방향으로의 회전이 수행되며 자연스럽게 상기 서브 슬라이딩유닛(540)은 상기 연장 가이드(530)를 따라 슬라이딩되고, 상기 서브 슬라이딩유닛(540)이 상기 연장 가이드(530)를 따라 슬라이딩되면서, 상기 연장부(520) 및 상기 중앙 회전부(510)는, 상기 중점(C)을 기준으로 도시된 바와 같은 반시계 방향으로의 회전이 유도된다.

이 경우, 상기 중앙 회전부(510)는 상기 메인 베어링(340)에 연결되어 자유로운 회전이 가능하므로, 이러한 상기 엔드 이펙터(500)의 회전 구동이 가능하게 된다.

이상과 같이, 상기 메인 슬라이딩 유닛(410)이 상기 고정 프레임(240) 방향으로 직선 이동됨에 따라, 상기 엔드 이펙터(500)는 반시계 방향으로 회전하게 되며, 상기 엔드 이펙터(500)의 회전하는 회전량, 즉 회전각은 상기 메인 슬라이딩 유닛(410)이 상기 고정 프레임(240) 방향으로 직선 이동되는 이동량에 따라 가변되게 된다.

이와 달리, 도 3은, 도 2에서의 상기 엔드 이펙터(500)의 회전 방향과 반대 방향, 즉 상기 엔드 이펙터(500)가 시계방향으로 회전하는 상태를 도시한 것으로, 이를 위해, 상기 메인 슬라이딩 유닛(410)은 상기 측면 프레임(130)을 향해 직선 이동하게 된다.

즉, 도 3을 참조하면, 상기 구동유닛(200)의 구동에 따라, 화살표로 도시된 바와 같이, 상기 메인 슬라이딩 유닛(410)이 상기 가이드 프레임(120)을 따라 상기 측면 프레임(130) 방향으로 직선 이동하게 되면, 상기 메인 슬라이딩 유닛(410)에 고정되는 상기 연결유닛(440)도 동일한 방향으로 일체로 직선 이동하게 된다.

이에 따라, 상기 연결유닛(440)의 타 단(442)에 위치한 상기 서브 베어링(450)에 고정된 상기 서브 슬라이딩유닛(540)도 상기 연결유닛(440)의 직선 이동에 따라 직선 방향으로 이동하게 되는데, 상기 서브 슬라이딩유닛(540)이 고정되는 상기 엔드 이펙터(500)의 중앙 회전부(510)는 그 위치가 상기 회전 구동유닛(300)에 고정되어 상기 직선 방향으로 이동되지 않으므로, 결국 상기 엔드 이펙터(500)는 상기 중점(C)을 중심으로 회전하게 된다.

즉, 상기 서브 슬라이딩유닛(540)의 후면은 상기 서브 베어링(450)의 회전에 따라 회전하게 되며, 상기 서브 슬라이딩유닛(540)이 이러한 시계 방향으로의 회전이 수행되며 자연스럽게 상기 서브 슬라이딩유닛(540)은 상기 연장 가이드(530)를 따라 슬라이딩되고, 상기 서브 슬라이딩유닛(540)이 상기 연장 가이드(530)를 따라 슬라이딩되면서, 상기 연장부(520) 및 상기 중앙 회전부(510)는, 상기 중점(C)을 기준으로 도시된 바와 같은 시계 방향으로의 회전이 유도된다.

이 경우, 상기 중앙 회전부(510)는 상기 메인 베어링(340)에 연결되어 자유로운 회전이 가능하므로, 이러한 상기 엔드 이펙터(500)의 회전 구동이 가능하게 된다.

이상과 같이, 상기 메인 슬라이딩 유닛(410)이 상기 고정 프레임(240) 방향으로 직선 이동됨에 따라, 상기 엔드 이펙터(500)는 시계 방향으로 회전하게 되며, 상기 엔드 이펙터(500)의 회전하는 회전량, 즉 회전각은 상기 메인 슬라이딩 유닛(410)이 상기 측면 프레임(130) 방향으로 직선 이동되는 이동량에 따라 가변되게 된다.

이하에서는, 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 상기 회전 관절유닛(10)의 구동을 간략하게 모사하여, 상기 회전 관절유닛(10)의 구조를 통해, 종래 단순한 회전 모터만을 이용한 회전 유닛과 대비하여 부하토크, 해상도 및 기어비의 측면에서의 장점을 설명한다.

도 4는 도 1의 회전 관절유닛의 동작을 설명하기 위한 모식도이다.

우선, 도 4를 참조하면, 본 실시예에 의한 상기 회전 관절유닛(10)이 상기 구동유닛(200)의 구동에 의해 상기 직선 구동유닛(400)이 상기 리니어 가이드유닛(100) 상에서 직선 운동함에 따라, 상기 엔드 이펙터(500)가 중점(C)을 중심으로 회전운동하는 것은 이미 설명한 바와 같다.

한편, 후술되는 식에 사용되는 인자들은 다음과 같이 정의된다.

즉, 상기 리니어 가이드유닛(100)의 길이, 즉 스트로크(stroke) 길이는 s, 상기 스크류부(230)의 나사의 직경은 d, 상기 엔드 이펙터(500)의 중점(C)으로부터 상기 리니어 가이드유닛(100)의 중앙까지의 높이는 h, 상기 엔드 이펙터(500)의 중점(C)으로부터 끝단까지의 길이는 r, 상기 엔드 이펙터(500)의 중점(C)의 회전량, 즉 회전각은 θ, 상기 스크류부(230)의 리드는 l이라고 정의된다.

이 때, 상기 회전 관절유닛(10)의 회전범위(

)는 하기 식 (1)로 정의될 수 있다.

식 (1)

따라서, 상기 식 (1)을 바탕으로, 상기 엔드 이펙터(500)의 회전량, 즉 회전각의 범위를, 상기 리니어 가이드유닛(100)의 스트로크(s) 및 상기 엔드 이펙터(500)로부터 상기 리니어 가이드유닛(100)까지의 높이(h)를 바탕으로 최적 설계가 가능하게 된다.

그리하여, 다양한 엔드 이펙터의 동작 또는 사용 상태를 고려하여, 최적의 엔드 이펙터의 회전 범위를 설계할 수 있게 된다.

도 5는 도 1의 회전 관절유닛에서 회전 각도에 따른 부하토크의 예를 도시한 그래프이다.

본 실시예의 상기 회전 관절유닛(10)을 통해, 종래의 단순 회전모터를 이용하여 관절을 직접 회전시키는 회전 관절유닛과 대비하여, 회전모터에 작용하는 토크의 부담을 최소화할 수 있다.

즉, 회전 링크의 무게를 m, 회전 링크의 길이를 r이라고 가정할 때, 종래 회전모터만을 사용하여 관절을 회전시키는 경우에 필요한 회전모터의 토크(T)는 하기 식 (2)로 정의된다.

식 (2)

반면, 본 실시예에서의 상기 회전 관절유닛(10)에서 필요한 회전모터, 즉 상기 구동유닛(200)의 회전 토크(T′)는, 선형 액츄에이터에 작용하는 축방향의 하중을 Q, 마찰각을 ρ, 리드각을 α라고 가정할 때, 하기 식 (3)으로 정의된다.

식 (3)

따라서, 예를 들어, h=24mm, d=5mm, ρ=5.7°, α=7.26°과 같이 실제 적용될 수 있는 파라미터 값을 대입하여 상기 식 (2) 및 상기 식 (3)으로부터, 회전 토크의 비(

)을 계산하면 하기 식 (4)와 같다.

식 (4)

결국, 본 실시예의 상기 회전 관절유닛(10)을 적용하는 경우, 구동모터에 작용하는 부하 토크가 감소하게 되며, 이는 도 5를 통해서도 확인되는 바와 같이, 종래기술과 대비하여 본 실시예에서의 상기 회전 관절유닛(10)이 회전 각도와 무관하게 상대적으로 매우 작은 모터 부하토크를 유지하는 것을 알 수 있다.

도 6은 도 1의 회전 관절유닛에서 이송 거리에 다른 해상도의 예를 도시한 그래프이다.

본 실시예의 상기 회전 관절유닛(10)을 통해, 종래의 단순 회전모터를 이용하여 관절을 직접 회전시키는 회전 관절유닛과 대비하여, 회전시의 해상도(resolution)를 보다 향상시켜, 보다 정밀하게 회전량을 제어할 수 있다.

즉, 회전모터의 해상도를 δ라고 가정할 때, 종래 회전모터만을 사용하여 관절을 회전시키는 경우의 해상도(res.)는 하기 식 (5)로 정의된다.

식 (5)

반면, 본 실시예에서의 상기 회전 관절유닛(10)을 이용하여 회전 구동을 수행하는 경우의 해상도(res.′)는 하기 식 (6)으로 정의된다.

식 (6)

따라서, 예를 들어, h=24mm, l=2mm와 같이 실제 적용될 수 있는 파라미터 값을 대입하여 상기 식 (5) 및 상기 식 (6)으로부터, 해상도의 비(

)을 계산하면 하기 식 (7)과 같다.

식 (7)

결국, 본 실시예의 상기 회전 관절유닛(10)을 적용하는 경우, 상대적으로 작은 해상도를 가지면서 회전 구동을 제어할 수 있는 것으로, 이는 도 6을 통해서도 확인되는 바와 같이, 종래기술의 경우 이송 거리와 무관하게 동일한 해상도를 가지는 것에 대비하여 본 실시예에서의 상기 회전 관절유닛(10)의 경우, 이송 거리가 증가하는 경우 오히려 더 작은 해상도를 갖게 되어, 보다 높은 정밀도로 구동 제어가 가능함을 확인할 수 있다.

도 7은 도 1의 회전 관절유닛에서 이송 거리에 따른 기어비의 예를 도시한 그래프이다.

나아가, 본 실시예의 상기 회전 관절유닛(10)을 통해, 종래의 단순 회전모터를 이용하여 관절을 직접 회전시키는 회전 관절유닛과 대비하여, 회전 각도에 따른 기어비를 보다 향상시킬 수 있으며, 이를 통해 유닛의 무게로 인해 회전각도에 따라 증가하는 구동모터의 부하 토크를 부분적으로 보상할 수 있게 된다.

종래 회전모터만을 사용하여 관절을 회전시키는 경우의 기어비(G)는 하기 식 (8)로 정의된다. 즉, 회전모터만 사용하고 별도의 링크 연결 구조가 없는 경우라면, 기어비는 이송 거리와 무관하게 일정하게 유지된다.

식 (8)

반면, 본 실시예에서의 상기 회전 관절유닛(10)을 이용하여 회전 구동을 수행하는 경우, 선형 액츄에이터의 현재위치, 즉 상기 메인 슬라이딩 유닛(410)의 현재 위치를 s′이라할 때, 기어비(G′)는 하기 식 (9)로 정의된다.

식 (9)

따라서, 예를 들어, h=24mm, l=2mm, s′=66mm와 같이 실제 적용될 수 있는 파라미터 값을 대입하여, 70°의 위치에서, 상기 식 (8) 및 상기 식 (9)로부터, 기어비의 비(

)을 계산하면 하기 식 (10)과 같다.

식 (10)

결국, 본 실시예의 상기 회전 관절유닛(10)을 적용하는 경우, 상대적으로 높은 기어비를 가지면서 회전 구동을 제어할 수 있는 것으로, 상대적으로 구동모터에 요구되는 부하를 상기 기어비를 통해 보상할 수 있어, 모터의 부하 토크를 감소할 수 있다.

이는 도 7을 통해 확인되는 바와 같이, 종래기술의 경우 이송 거리와 무관하게 동일한 기어비를 가지는 것에 대비하여, 본 실시예에서의 상기 회전 관절유닛(10)의 경우, 이송 거리가 증가함에 따라 기어비가 증가하여 높은 기어비를 갖게됨에 따라 상대적으로 구동모터에 요구되는 부하를 보상할 수 있어, 모터의 부하 토크를 감소시키는 효과를 가져옴을 확인할 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 실시예들에 의하면, 왕복 슬라이딩되는 직선 구동유닛에 의해 구동력을 제공받으며 소정 각도의 범위 내에서 엔드 이펙터가 회전운동되므로, 직선 운동을 회전 운동으로 변환하여, 선형 액츄에이터에 기반한 회전 관절유닛을 구현할 수 있다.

이 경우, 일정 범위의 왕복 스트로크를 가지는 직선 구동이, 일정 각도의 왕복 회전 범위를 가지는 회전 운동으로 가변되며, 스트로크의 길이와 엔드 이펙터와 리니어 가이드 유닛 사이의 높이를 바탕으로 왕복 회전 범위를 설계할 수 있는 바, 다양한 범위에서 구동되는 회전 관절유닛의 최적 설계가 가능하다.

또한, 종래 회전 모터를 구동부로서 직접 사용하여 회전 운동을 구현하는 경우와 대비하여, 보다 낮은 토크로 충분한 각도의 회전 범위를 유도할 수 있어, 회전 관절의 구동을 위한 부하를 최소화할 수 있다.

또한, 종래 회전 모터를 구동부로서 직접 사용하여 회전 운동을 구현하는 경우와 대비하여, 상대적으로 높은 해상도로 회전 관절의 회전을 구현할 수 있어, 제어 정밀도가 향상될 수 있다.

나아가, 종래 회전 모터를 구동부로서 직접 사용하여 회전 운동을 구현하는 경우와 대비하여, 상대적으로 회전 각도가 증가함에 따라 높은 기어비를 구현할 수 있으며 이를 통해 회전 각도가 증가함에 따라 증가하는 구동부의 부하 토크를 보상할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10 : 회전 관절유닛 100 : 리니어 가이드유닛
120 : 가이드 프레임 123 : 가이드 바
200 : 구동유닛 210 : 구동부
230 : 스크류부 240 : 고정 프레임
300 : 회전 구동유닛 340 : 메인 베어링
350 : 회전축 400 : 직선 구동유닛
410 : 메인 슬라이딩유닛 440 : 연결유닛
450 : 서브 베어링 500 : 엔드 이펙터
510 : 중앙 회전부 520 : 연장부
530 : 연장가이드 540 : 서브 슬라이딩유닛

Claims (9)

1. 일 방향으로 연장되는 가이드 프레임을 포함하는 리니어 가이드유닛;
   상기 가이드 프레임을 따라 상기 일 방향으로 왕복 슬라이딩 구동되는 직선 구동유닛;
   상기 직선 구동유닛의 왕복 슬라이딩 구동에 의해, 중점을 중심으로 소정 각도의 범위 내에서 왕복 회전하는 엔드 이펙터; 및
   상기 엔드 이펙터의 중점에 연결되어 상기 엔드 이펙터의 회전에 따라 회전하는 메인 베어링을 포함하는 회전 구동유닛을 포함하는 회전 관절유닛.
2. 제1항에 있어서, 상기 직선 구동유닛은,
   상기 가이드 프레임을 따라 슬라이딩되는 메인 슬라이딩 유닛;
   일단이 상기 메인 슬라이딩 유닛에 고정되어 상기 일 방향으로 왕복 이동되는 연결유닛; 및
   상기 연결유닛의 타단에 연결되어 상기 엔드 이펙터의 회전에 따라 회전하는 서브 베어링을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 관절유닛.
3. 제2항에 있어서, 상기 엔드 이펙터는,
   상기 메인 베어링에 연결되어 상기 중점을 중심으로 회전하는 중앙 회전부;
   상기 중앙 회전부로부터 상기 리니어 가이드유닛을 향하는 방향으로 연장되는 연장부; 및
   상기 연장부의 후면에 상기 연장부를 따라 연장되는 연장 가이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 관절유닛.
4. 제3항에 있어서, 상기 엔드 이펙터는,
   후면은 상기 서브 베어링에 연결되어 상기 서브 베어링에 대하여 회전하고, 전면은 상기 연장 가이드 상에 위치하여 상기 연장 가이드를 따라 슬라이딩되는 서브 슬라이딩 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 관절유닛.
5. 제3항에 있어서, 상기 회전 구동유닛은,
   상기 메인 베어링과 상기 중앙 회전부를 연결하는 회전축; 및
   상기 메인 베어링을 고정하며, 상기 리니어 가이드유닛의 하면에 고정되는 고정 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 관절유닛.
6. 제1항에 있어서,
   상기 직선 구동유닛에 구동력을 제공하는 구동유닛을 더 포함하며,
   상기 구동유닛은,
   회전 구동력을 발생하는 구동부;
   상기 회전 구동력을 전달하는 구동 전달부; 및
   상기 구동 전달부로부터 상기 회전 구동력을 전달받아 상기 직선 구동유닛에 선형 구동력을 제공하는 스크류부를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 관절유닛.
7. 제1항에 있어서, 상기 가이드 프레임은,
   상기 가이드 프레임의 중앙을 따라 상기 일 방향으로 연장되는 가이드 바;
   상기 가이드 바의 상측에 상기 일 방향으로 연장되는 상부 가이드; 및
   상기 가이드 바의 하측에 상기 일 방향으로 연장되는 하부 가이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 관절유닛.
8. 제7항에 있어서, 상기 직선 구동유닛은,
   상기 가이드 바를 따라 슬라이딩 되는 메인 슬라이딩 유닛;
   상기 메인 슬라이딩 유닛의 상측에 형성되며 상기 상부 가이드를 따라 슬라이딩 되는 상부 슬라이딩면; 및
   상기 메인 슬라이딩 유닛의 하측에 형성되며 상기 하부 가이드를 따라 슬라이딩 되는 하부 슬라이딩면을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 관절유닛.
9. 제8항에 있어서, 상기 엔드 이펙터의 왕복 회전하는 회전 범위(

   

   )는,
   

   

   식 (1)
   s는 리니어 가이드유닛의 스트로크 길이이고, h는 엔드 이펙터의 중점으로부터 리니어 가이드유닛까지의 높이일 때, 상기 식 (1)로 정의되는 것을 특징으로 하는 회전 관절유닛.

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