KR20220014259A

KR20220014259A - 로봇용 관절 장치

Info

Publication number: KR20220014259A
Application number: KR1020200122546A
Authority: KR
Inventors: 황적규; 김진웅
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2020-07-28
Filing date: 2020-09-22
Publication date: 2022-02-04

Abstract

로봇용 관절 장치가 개시된다. 본 로봇용 관절 장치는 제1 샤프트, 제1 샤프트와 수직하게 배치되는 제2 샤프트, 제1 샤프트의 양 단에 각각 회전 가능하게 지지되는 제1 마찰차 및 제2 마찰차, 제1 및 제2 마찰차를 각각 회전시키는 구동 장치 및 제2 샤프트의 일 단에 회전 가능하게 지지되고, 제1 및 제2 마찰차와 접하는 제3 마찰차를 포함하고, 상기 제3 마찰차는, 상기 제1 및 제2 마찰차가 같은 방향으로 회전하면, 피치(pitch) 방향으로 회전하고, 상기 제1 및 제2 마찰차가 반대 방향으로 회전하면, 롤(roll) 방향으로 회전한다.

Description

로봇용 관절 장치{JOINT APPARATUS FOR ROBOT}

본 개시는 로봇용 관절 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 마찰차를 이용하여 2개 방향의 회전 자유도를 갖는 로봇용 관절 장치에 관한 것이다.

로봇에 사용되는 관절 구조의 경우, 복수의 회전 축이 순차적으로 조합되어 제작된다. 구체적으로, 로봇 관절은 각 회전 축에 모터를 직접 연결하는 직렬 구조, 와이어 또는 링크를 사용해 무거운 모터를 기구 하단에 집중하는 링크 구조 또는 복수의 자유도를 병렬로 연결하는 간섭 구동 구조를 갖는다.

간섭 구동 구조는 구동원을 상부 축 근처에 배치하여, 무게를 효율적으로 분포시킬 수 있고, 구조가 간단하며, 축 단위로 모듈화가 가능하여, 로봇용 관절 구조로써 널리 사용되고 있다.

종래의 간섭 구동 구조는, 주로 베벨 기어 또는 와이어를 사용한다. 그러나, 베벨 기어를 사용하는 경우, 높은 정밀도로 가공된 기어가 필요하며, 생산 단가가 매우 높고, 축 방향 하중을 지탱하기 어려운 문제점이 있었다. 또한, 와이어를 사용하는 경우, 조립 및 정비의 난이도가 높고, 와이어의 곡률 반경이 특정값 이상이어야 하므로 구조 전체의 부피가 커지는 문제점이 있었다.

본 개시는 상술한 필요성에 따른 것으로, 본 개시의 목적은 마찰차를 이용하여 2개 방향의 회전 자유도를 갖는 로봇용 관절 장치를 제공함에 있다.

이상과 같은 목적을 해결하기 위한 본 개시의 일 실시예에 따른 로봇용 관절 장치는 제1 샤프트, 상기 제1 샤프트와 수직하게 배치되는 제2 샤프트, 상기 제1 샤프트의 양 단에 각각 회전 가능하게 지지되는 제1 마찰차 및 제2 마찰차, 상기 제1 및 제2 마찰차를 각각 회전시키는 구동 장치 및 상기 제2 샤프트의 일 단에 회전 가능하게 지지되고, 상기 제1 및 제2 마찰차와 접하는 제3 마찰차를 포함하고, 상기 제3 마찰차는, 상기 제1 및 제2 마찰차가 같은 방향으로 회전하면, 피치(pitch) 방향으로 회전하고, 상기 제1 및 제2 마찰차가 반대 방향으로 회전하면, 롤(roll) 방향으로 회전할 수 있다.

상기 제1, 제2 및 제3 마찰차는 원뿔대의 형상을 갖고, 상기 제3 마찰차의 측면은 상기 제1 및 제2 마찰차의 측면과 각각 접할 수 있다.

상기 제3 마찰차는, 상기 제1 마찰차와 제1 라인을 따라서 접하고, 상기 제2 마찰차와 제2 라인을 따라서 접하고, 상기 제1 및 제2 라인은, 상기 제1 및 제2 샤프트의 중심축의 교차점에서 교차할 수 있다.

상기 로봇용 관절 장치는 상기 제1 마찰차를 상기 제3 마찰차 측으로 가압하는 제1 가압 부재 및 상기 제2 마찰차를 상기 제3 마찰차 측으로 가압하는 제2 가압 부재를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 및 제2 가압 부재는 상기 제1 샤프트에 끼워지는 디스크 스프링일 수 있다.

상기 로봇용 관절 장치는 상기 제1 샤프트의 일 단에 끼워져 상기 제1 가압 부재의 일 단을 지지하는 제1 너트 및 상기 제1 샤프트의 타 단에 끼워져 상기 제2 가압 부재의 일 단을 지지하는 제2 너트를 더 포함할 수 있다.

상기 로봇용 관절 장치는 상기 제1 샤프트와 상기 제1 마찰차 사이에 배치되는 제1 베어링 및 상기 제1 샤프트와 상기 제2 마찰차 사이에 배치되는 제2 베어링을 더 포함할 수 있다.

상기 제1 및 제2 베어링은 앵귤러 볼 베어링일 수 있다.

상기 로봇용 관절 장치는 상기 제1 마찰차를 상기 제3 마찰차 측으로 가압하는 제1 가압 부재 및 상기 제2 마찰차를 상기 제3 마찰차 측으로 가압하는 제2 가압 부재를 더 포함하고, 상기 제1 베어링은, 내륜 및 외륜이 각각 상기 제1 가압 부재 및 상기 제1 마찰차와 접하고, 상기 제2 베어링은, 내륜 및 외륜이 각각 제2 가압 부재 및 상기 제2 마찰차와 접할 수 있다.

상기 제1 및 제2 가압 부재는 각각 상기 제1 및 제2 베어링의 내륜을 향하여 볼록한 형상을 가질 수 있다.

상기 구동 장치는, 상기 제1 마찰차를 회전시키는 제1 모터 및 상기 제2 마찰차를 회전시키는 제2 모터를 포함할 수 있다.

상기 구동 장치는, 상기 제1 마찰차와 결합되는 제1 풀리, 상기 제2 마찰차와 결합되는 제2 풀리, 상기 제1 모터의 구동력을 상기 제1 풀리에 제공하는 제1 타이밍 벨트 및 상기 제2 모터의 구동력을 상기 제2 풀리에 제공하는 제2 타이밍 벨트를 더 포함할 수 있다.

상기 제2 샤프트는 상기 제1 샤프트와 교차하고, 상기 로봇용 관절 장치는 상기 제2 샤프트의 타 단에 회전 가능하게 지지되는 제4 마찰차를 더 포함하고, 상기 제4 마찰차는 상기 제1 및 제2 마찰차와 각각 접할 수 있다.

상기 로봇용 관절 장치는 상기 제1 샤프트의 양 단을 회전 가능하게 지지하는 프레임을 더 포함할 수 있다.

상기 제1 및 제2 샤프트는 일체로 형성되고, 상기 제1 및 제2 마찰차가 같은 방향으로 회전하면, 상기 제1 샤프트, 상기 제2 샤프트 및 상기 제3 마찰차가 상기 제1 샤프트를 중심으로 회전하고, 상기 제1 및 제2 마찰차가 반대 방향으로 회전하면, 상기 제3 마찰차가 상기 제2 샤프트를 중심으로 회전할 수 있다.

도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 로봇용 관절 장치의 사시도이다.
도 2는 도 1의 로봇용 관절 장치의 분해 사시도이다.
도 3은 제1 샤프트에 끼워지는 구성들의 분해 사시도이다.
도 4는 도 1의 로봇용 관절 장치를 A-A선에 따라 자른 단면도이다.
도 5는 제3 마찰차가 롤(roll) 방향으로 회전하는 모습을 나타낸 도면이다.
도 6은 제3 마찰차가 피치(pitch) 방향으로 회전하는 모습을 나타낸 도면이다.

이하에서 설명되는 실시 예는 본 개시의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 개시는 여기서 설명되는 실시 예들과 다르게, 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 다만, 이하에서 본 개시를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성요소에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명 및 구체적인 도시를 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 개시의 이해를 돕기 위하여 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.

본 명세서 및 청구범위에서 사용되는 용어는 본 개시의 기능을 고려하여 일반적인 용어들을 선택하였다. 하지만, 이러한 용어들은 당 분야에 종사하는 기술자의 의도나 법률적 또는 기술적 해석 및 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 일부 용어는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있다. 이러한 용어에 대해서는 본 명세서에서 정의된 의미로 해석될 수 있으며, 구체적인 용어 정의가 없으면 본 명세서의 전반적인 내용 및 당해 기술 분야의 통상적인 기술 상식을 토대로 해석될 수도 있다.

본 명세서에서, "가진다," "가질 수 있다," "포함한다," 또는 "포함할 수 있다" 등의 표현은 해당 특징(예: 수치, 기능, 동작, 또는 부품 등의 구성요소)의 존재를 가리키며, 추가적인 특징의 존재를 배제하지 않는다.

그리고, 본 명세서에서는 본 개시의 각 실시 예의 설명에 필요한 구성요소를 설명한 것이므로, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 일부 구성요소는 변경 또는 생략될 수도 있으며, 다른 구성요소가 추가될 수도 있다. 또한, 서로 다른 독립적인 장치에 분산되어 배치될 수도 있다.

나아가, 이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 개시의 실시 예를 상세하게 설명하지만, 본 개시가 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 개시에 대하여 더욱 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 로봇용 관절 장치의 사시도이다. 도 2는 도 1의 로봇용 관절 장치의 분해 사시도이다. 도 3은 제1 샤프트에 끼워지는 구성들의 분해 사시도이다. 도 4는 도 1의 로봇용 관절 장치를 A-A선에 따라 자른 단면도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 로봇용 관절 장치(1)는 제1 샤프트(100), 제2 샤프트(200), 제1 마찰차(300), 제2 마찰차(400), 제3 마찰차(500), 구동 장치(600)를 포함할 수 있다.

제1 샤프트(100)는 양 단에 각각 제1 마찰차(300) 및 제2 마찰차(400)를 회전 가능하게 지지할 수 있다. 이에 따라, 제1 및 제2 마찰차(300, 400)는 동일한 회전축을 갖고, 제1 샤프트(100)를 중심으로 회전할 수 있다.

제1 샤프트(100)는 Y축과 평행하게 배치될 수 있다. 즉, 제1 및 제2 마찰차(300, 400)의 회전축은 Y축과 평행할 수 있다. 제1 샤프트(100)는 원기둥의 형상을 가질 수 있다.

제2 샤프트(200)는 일 단에 제3 마찰차(500)를 회전 가능하게 지지할 수 있다. 이에 따라, 제3 마찰차(500)는 제2 샤프트(200)를 중심으로 회전할 수 있다.

제2 샤프트(200)는 제1 샤프트(100)와 수직하게 배치될 수 있다. 예를 들어, 제2 샤프트(200)는 X축과 평행하게 배치될 수 있다. 즉, 제3 마찰차(500)의 회전축은 X축과 평행할 수 있다. 제2 샤프트(200)는 제1 샤프트(100)와 마찬가지로 원기둥의 형상을 가질 수 있다.

제2 샤프트(200)는 제1 샤프트(100)와 일체로 형성될 수 있다. 구체적으로, 제1 및 제2 샤프트(100, 200)는 함께 "T" 또는 "X"형상을 가진 일체의 샤프트를 형성하여, 제1 내지 제3 마찰차(300, 400, 500)를 회전가능하게 지지할 수 있다. 다만, 제1 및 제2 샤프트(100, 200)가 항상 일체로 형성되는 것은 아니고, 별개로 형성될 수도 있다.

제1 마찰차(300)와 제2 마찰차(400)는 제1 샤프트(100)에 끼워진 상태로 회전할 수 있다. 제1 및 제2 마찰차(300, 400)는 원뿔대의 형상을 가질 수 있다.

제1 및 제2 마찰차(300, 400)는 제2 샤프트(200)를 기준으로 대칭 형상으로 마련될 수 있다. 구체적으로, 제1 및 제2 마찰차(300, 400)는 제2 샤프트(200)에 가까워질수록, 단면의 크기가 작아지도록 배치될 수 있다.

제3 마찰차(500)는 제2 샤프트(200)에 끼워진 상태로 회전할 수 있다. 제3 마찰차(500)는 원뿔대의 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 제3 마찰차(500)는 제1 샤프트(100)에 가까워질수록, 단면의 크기가 작아지도록 배치될 수 있다.

제3 마찰차(500)는 제1 및 제2 마찰차(300, 400)와 서로 다른 위치에서 동시에 접할 수 있다. 이에 따라, 제3 마찰차(500)는 제1 및 제2 마찰차(300, 400)와 접하는 부분에서 발생하는 마찰력에 의하여, 제1 및 제2 마찰차(300, 400)의 회전력을 전달받아 피동적으로 회전할 수 있다.

제1 내지 제3 마찰차(300, 400, 500)는 알루미늄으로 형성될 수 있으나, 재료가 이에 한정되는 것은 아니다. 이에 따라, 로봇용 관절 장치(1)의 경량화가 가능하고, 전체적인 사양을 낮출 수 있다.

또한, 제1 내지 제3 마찰차(300, 400, 500)는 표면에 이빨이 형성되어 있지 않고, 서로 계속적으로 접촉되어 있으므로, 백래시(backlash)가 없고, 소음 없이 부드럽게 회전할 수 있다. 또한, 제1 내지 제3 마찰차(300, 400, 500)는 기어 대비 저비용으로 생산할 수 있고, 와이어 대비 부품수가 적으며, 유지 비용이 저감될 수 있다.

구체적으로, 제3 마찰차(500)는 측면이 제1 및 제2 마찰차(300, 400)의 측면과 각각 동시에 접할 수 있다. 구체적으로, 제3 마찰차(500)는 제1 마찰차(300)와 제1 라인(L1)을 따라서 접하고, 제2 마찰차(400)와 제2 라인(L2)을 따라서 접할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 라인(L1, L2)은 제1 및 제2 샤프트(100, 200)의 중심축(C1, C2)의 교차점에서 교차할 수 있다.

제3 마찰차(500)는 제1 및 제2 마찰차(300, 400)가 같은 방향으로 회전하면, 제1 및 제2 마찰차(300, 400)에 의하여 같은 방향으로 마찰력을 받게 되므로, 피치(pitch) 방향으로 회전할 수 있다. 피치 방향은 Y축과 나란한 회전축을 기준으로 회전하는 방향일 수 있다.

제3 마찰차(500)는 제1 및 제2 마찰차(300, 400)가 반대 방향으로 회전하면, 제1 및 제2 마찰차(300, 400)에 의하여 각각 다른 방향으로 마찰력을 받게 되므로, 롤(roll) 방향으로 회전할 수 있다. 롤 방향은 X축과 나란한 회전축을 기준으로 회전하는 방향일 수 있다.

즉, 제3 마찰차(500)는 제1 및 제2 마찰차(300, 400)의 회전력을 전달받아서 피동적으로 회전하고, 제1 및 제2 마찰차(300, 400)의 회전 방향에 따라, 2개의 회전 자유도를 가질 수 있다. 제3 마찰차(500)가 2개의 회전 자유도에 따라 회전하는 과정은 도 5 및 도6을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

제3 마찰차(500)는 전면에 연결 플레이트(510)가 배치될 수 있다. 연결 플레이트(510)는 원판의 형상을 갖고, 제3 마찰차(500)와 결합하여 일체로 회전할 수 있다.

도시하지는 않았지만, 연결 플레이트(510)는 다양한 로봇 구조가 결합될 수 있다. 예를 들어, 팔, 손, 발, 다리, 머리 등 로봇의 다양한 부위가 연결 플레이트(510)에 결합되어 제3 마찰차(500)와 함께 회전할 수 있다.

제3 마찰차(500)와 제2 샤프트(200)사이에는 베어링(501, 502)이 배치될 수 있다. 베어링(501, 502)은 2개로 도시되어 있으나, 그 개수가 이에 한정되는 것은 아니다.

베어링(501, 502)은 앵귤러 볼 베어링(angular ball bearing)일 수 있으나, 종류가 이에 한정되는 것은 아니다. 베어링(501, 502)은 제3 마찰차(500)가 정지된 제2 샤프트(200)에 상대하여 용이하게 회전하도록 할 수 있다.

구동 장치(600)는 제1 및 제2 마찰차(300, 400)를 각각 회전시킬 수 있다. 예를 들어, 구동 장치(600)는 제1 모터(610) 및 제2 모터(620)를 포함할 수 있다. 제1 모터(610)는 제1 마찰차(300)를 회전시킬 수 있고, 제2 모터(620)는 제2 마찰차(400)를 회전시킬 수 있다.

제1 및 제2 모터(610, 620)는 프레임(700)에 의하여 지지될 수 있고, 제1 내지 제3 마찰차(300, 400, 500)보다 후방에 위치할 수 있다.

예를 들어, 구동 장치(600)는 제1 풀리(630), 제2 풀리(640), 제1 타이밍 벨트(650) 및 제2 타이밍 벨트(660)를 더 포함할 수 있다.

제1 및 제2 풀리(630, 640)는 제1 샤프트(100)에 끼워져서 제1 샤프트(100)를 중심으로 회전할 수 있다. 제1 풀리(630)는 제1 마찰차(300)의 후면에 배치될 수 있고, 제2 풀리(640)는 제2 마찰차(400)의 후면에 배치될 수 있다.

제1 타이밍 벨트(650)는 제1 풀리(630)의 일부 둘레를 감싸서, 제1 모터(610)의 구동력을 제1 풀리(630)에 제공할 수 있다. 또한, 제1 풀리(630)는 제1 마찰차(300)와 결합되어 일체로 회전할 수 있다.

마찬가지로, 제2 타이밍 벨트(660)는 제2 풀리(640)의 일부 둘레를 감싸서, 제2 모터(620)의 구동력을 제2 풀리(640)에 제공할 수 있고, 제2 풀리(640)는 제2 마찰차(400)와 결합되어 일체로 회전할 수 있다.

그러나, 상술한 구동 장치(600)의 구조는 예시적인 것이고, 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 및 제2 마찰차(300, 400)를 회전시킬 수 있는 다양한 구조로 구현될 수 있다.

로봇용 관절 장치(1)는 제1 가압 부재(310) 및 제2 가압 부재(410)를 더 포함할 수 있다. 제1 가압 부재(310)는 제1 마찰차(300)를 제3 마찰차(500) 측으로 가압할 수 있다. 제2 가압 부재(410)는 제2 마찰차(400)를 제3 마찰차(500) 측으로 가압할 수 있다.

이에 따라, 제1 및 제2 가압 부재(310, 410)가 제1 및 제2 마찰차(300, 400)에게 예압을 제공하게 되므로, 제3 마찰차(500)에게 충분한 마찰력이 제공될 수 있다. 이에 따라, 제1 및 제2 마찰차(300, 400)의 회전력이 제3 마찰차(500)에게 용이하게 전달될 수 있다.

예를 들어, 제1 및 제2 가압 부재(310, 410)는 제1 샤프트(100)에 끼워지는 디스크 스프링일 수 있다. 디스크 스프링은 작은 변위에도 큰 탄성력으로 제1 및 제2 마찰차(300, 400)를 가압할 수 있다. 이에 따라, 제1 및 제2 마찰차(300, 400)의 회전력이 제3 마찰차(500)로 더욱 효과적으로 전달될 수 있으며, 로봇용 관절 장치(1)의 소형화가 가능하다.

로봇용 관절 장치(1)는 제1 너트(320) 및 제2 너트(420)를 더 포함할 수 있다. 제1 너트(320)는 제1 샤프트(100)의 일 단에 끼워져 제1 가압 부재(310)의 일 단을 지지할 수 있다. 제2 너트(420)는 제1 샤프트(100)의 타 단에 끼워져 제2 가압 부재(410)의 일 단을 지지할 수 있다.

예를 들어, 제1 및 제2 너트(320, 420)는 제1 샤프트(100)의 측면에 형성된 나사산에 의하여 고정될 수 있다. 제1 및 제2 너트(320, 420)가 제1 샤프트(100)를 조이는 정도에 따라서, 제1 및 제2 가압 부재(310, 410)의 예압을 조절할 수 있다.

로봇용 관절 장치(1)는 제1 베어링(330) 및 제2 베어링(430)을 더 포함할 수 있다. 제1 베어링(330)은 제1 샤프트(100)와 제1 마찰차(300) 사이에 배치될 수 있다. 제2 베어링(430)은 제1 샤프트(100)와 제2 마찰차(400) 사이에 배치될 수 있다.

제1 및 제2 마찰차(300, 400)는 제1 및 제2 베어링(330, 430)이 배치됨에 따라, 정지되어 있는 제1 샤프트(100)에 상대하여 용이하게 회전할 수 있다.

제1 및 제2 베어링(330, 430)은 축 방향의 하중을 더욱 용이하게 전달할 수 있는 앵귤러 볼 베어링(angular ball bearing)일 수 있다. 앵귤러 볼 베어링은 볼과 내 외륜과의 접촉점을 잇는 직선이 반경 방향에 대하여 소정의 각도를 이루고 있어서, 반경 방향뿐만 아니라 축 방향으로의 하중을 용이하게 전달할 수 있다.

이에 따라, 제1 베어링(330)은 제1 가압 부재(310)에 의하여 전달된 탄성력을 제1 마찰차(300)로 보다 용이하게 전달할 수 있다. 마찬가지로, 제2 베어링(430)은 제2 가압 부재(410)에 의하여 전달된 탄성력을 제2 마찰차(400)로 보다 용이하게 전달할 수 있다.

구체적으로, 제1 베어링(330)은, 내륜(331) 및 외륜(333)이 각각 제1 가압 부재(310) 및 제1 마찰차(300)와 접할 수 있다. 이에 따라, 제1 가압 부재(310)의 탄성력은 제1 베어링(330)의 내륜(331), 볼(332), 외륜(333)을 통하여 차례로 전달되어, 최종적으로 제1 마찰차(300)에 전달될 수 있다.

마찬가지로, 제2 베어링(430)은, 내륜(431) 및 외륜(433)이 각각 제2 가압 부재(410) 및 제2 마찰차(400)와 접할 수 있다. 이에 따라, 제2 가압 부재(410)의 탄성력은 제2 베어링(430)의 내륜(431), 볼(432), 외륜(433)을 통하여 차례로 전달되어, 최종적으로 제2 마찰차(400)에 전달될 수 있다.

즉, 제1 및 제2 가압 부재(310, 410)은 제1 샤프트(100)와 함께 정지하고 있는 제1 및 제2 베어링(330, 430)의 내륜(331, 431)을 가압할 수 있다. 이에 따라, 제1 및 제2 가압 부재(310, 410)는 가압 대상이 정지하고 있으므로, 마찰에 따른 마모를 최소화할 수 있다.

또한, 제1 및 제2 가압 부재(310, 410)는 제1 및 제2 베어링(330, 430)의 내륜(331, 431)을 향하여 볼록한 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 가압 부재(310, 410)는 중심이 뚫려 있는 콘(cone) 형상의 디스크 스프링일 수 있다.

이에 따라, 제1 및 제2 가압 부재(310, 410)는 상술한 형상을 가짐에 따라, 각각 회전하는 외륜(333, 433)이 아닌 정지된 내륜(331, 431)만 가압할 수 있다.

프레임(700)은 로봇용 관절 장치(1)의 후방측에 배치되어 제1 샤프트(200) 및 구동 장치(600)를 지지할 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것이며, 프레임(700)의 형상 및 배치가 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 로봇용 관절 장치(1)는 제4 마찰차(800)를 더 포함할 수 있다. 제4 마찰차(800)는 제1 샤프트(100)와 교차하는 제2 샤프트(200)의 타 단에 회전 가능하게 지지될 수 있다.

제4 마찰차(800)는 제1 및 제2 마찰차(300, 400)와 각각 접할 수 있다. 예를 들어, 제4 마찰차(800)는 원뿔대의 형상을 가질 수 있고, 측면이 제1 및 제2 마찰차(300, 400)의 측면과 각각 다른 위치에서 동시에 접할 수 있다.

제4 마찰차(800)는 제3 마찰차(500)와 제1 샤프트(100)를 기준으로 대칭되는 형상을 가질 수 있다. 구체적으로, 제4 마찰차(800)는 제1 샤프트(100)를 향하여 단면이 점차 작아지는 원뿔대 형상을 가질 수 있다.

제4 마찰차(800)는 제3 마찰차(500)와 대향하는 위치에 배치되고, 제3 마찰차(500)와 반대 방향으로 회전할 수 있다.

또한, 제4 마찰차(800)는 제1 및 제2 가압 부재(310, 410)의 후방측 일 영역을 지지할 수 있다. 이에 따라, 제4 마찰차(800)는 제1 및 제2 가압 부재(310, 410)의 탄성력에 의해 제1 및 제2 마찰차(300, 400)가 변형되거나, 회전축이 어긋나는 경우를 방지할 수 있다.

도 5는 제3 마찰차가 롤(roll) 방향으로 회전하는 모습을 나타낸 도면이다. 도 5를 참조하면, 제1 및 제2 마찰차(300, 400)는 서로 다른 방향으로 회전할 수 있다.

예를 들어, 제1 마찰차(300)가 R1 방향으로 회전하고, 제2 마찰차(400)가 R2 방향으로 회전하면, 제3 마찰차(500)는 제2 샤프트(200)를 중심으로 R4 방향으로 회전할 수 있다. 이 때, 제4 마찰차(800)는 제3 마찰차(500)와 반대로 제2 샤프트(200)를 중심으로 R3 방향으로 회전할 수 있다.

반대로, 제1 마찰차(300)가 R2 방향으로 회전하고, 제2 마찰차(400)가 R1 방향으로 회전하면, 제3 마찰차(500)는 제2 샤프트(200)를 중심으로 R3 방향으로 회전할 수 있다. 이 때, 제4 마찰차(800)는 제3 마찰차(500)와 반대로 제2 샤프트(200)를 중심으로 R4 방향으로 회전할 수 있다.

즉, 제3 마찰차(500)는 제1 및 제2 마찰차(300, 400)가 서로 다른 방향으로 회전하는 경우, 제2 샤프트(200)를 중심으로 롤 방향으로 회전할 수 있다.

도 6은 제3 마찰차가 피치(pitch) 방향으로 회전하는 모습을 나타낸 도면이다. 도 6을 참조하면, 제1 및 제2 마찰차(300, 400)는 같은 방향으로 회전할 수 있다.

예를 들어, 제1 및 제2 마찰차(300, 400)가 모두 R1 방향으로 회전하면, 제3 마찰차(500)는 제1 샤프트(100)를 중심으로 R1 방향으로 회전할 수 있다. 이 때, 제4 마찰차(800)는 제3 마찰차(500)와 반대로 제1 샤프트(100)를 중심으로 R2 방향으로 회전할 수 있다.

반대로, 제1 및 제2 마찰차(300, 400)가 모두 R2 방향으로 회전하면, 제3 마찰차(500)도 제1 샤프트(100)를 중심으로 R2 방향으로 회전할 수 있다. 이 때, 제4 마찰차(800)는 제3 마찰차(500)와 반대로 제1 샤프트(100)를 중심으로 R1 방향으로 회전할 수 있다.

구체적으로, 프레임(700)이 제1 샤프트(100)의 양 단을 회전 가능하게 지지하고, 제1 및 제2 샤프트(100, 200)는 일체로 형성될 수 있다. 이 때, 제1 및 제2 마찰차(300, 400)가 같은 방향으로 회전하면, 제1 샤프트(100), 제2 샤프트(200) 및 제3 마찰차(500)가 제1 샤프트(100)를 중심으로 R1 또는 R2 방향으로 회전할 수 있다.

즉, 제3 마찰차(500)는 제1 및 제2 마찰차(300, 400)가 서로 같은 방향으로 회전하는 경우, 제1 샤프트(200)를 중심으로 피치 방향으로 회전할 수 있다.

이에 따라, 제3 마찰차(500)는 제1 및 제2 마찰차(300, 400)의 회전 방향에 따라 2개의 회전 자유도를 가지면서 피동적으로 회전할 수 있다.

이상에서는 본 개시의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고, 설명하였으나, 본 개시는 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 개시의 요지를 벗어남이 없이 당해 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

1: 로봇용 관절 장치 100: 제1 샤프트
200: 제2 샤프트 300: 제1 마찰차
400: 제2 마찰차 500: 제3 마찰차
600: 구동 장치 700: 프레임
800: 제4 마찰차

Claims

로봇용 관절 장치에 있어서,
제1 샤프트;
상기 제1 샤프트와 수직하게 배치되는 제2 샤프트;
상기 제1 샤프트의 양 단에 각각 회전 가능하게 지지되는 제1 마찰차 및 제2 마찰차;
상기 제1 및 제2 마찰차를 각각 회전시키는 구동 장치; 및
상기 제2 샤프트의 일 단에 회전 가능하게 지지되고, 상기 제1 및 제2 마찰차와 접하는 제3 마찰차;를 포함하고,
상기 제3 마찰차는,
상기 제1 및 제2 마찰차가 같은 방향으로 회전하면, 피치(pitch) 방향으로 회전하고,
상기 제1 및 제2 마찰차가 반대 방향으로 회전하면, 롤(roll) 방향으로 회전하는 로봇용 관절 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1, 제2 및 제3 마찰차는 원뿔대의 형상을 갖고,
상기 제3 마찰차의 측면은 상기 제1 및 제2 마찰차의 측면과 각각 접하는 로봇용 관절 장치.
제2항에 있어서,
상기 제3 마찰차는,
상기 제1 마찰차와 제1 라인을 따라서 접하고,
상기 제2 마찰차와 제2 라인을 따라서 접하고,
상기 제1 및 제2 라인은,
상기 제1 및 제2 샤프트의 중심축의 교차점에서 교차하는 로봇용 관절 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 마찰차를 상기 제3 마찰차 측으로 가압하는 제1 가압 부재; 및
상기 제2 마찰차를 상기 제3 마찰차 측으로 가압하는 제2 가압 부재;를 더 포함하는 로봇용 관절 장치.
제4항에 있어서,
상기 제1 및 제2 가압 부재는 상기 제1 샤프트에 끼워지는 디스크 스프링인 로봇용 관절 장치.
제4항에 있어서,
상기 제1 샤프트의 일 단에 끼워져 상기 제1 가압 부재의 일 단을 지지하는 제1 너트; 및
상기 제1 샤프트의 타 단에 끼워져 상기 제2 가압 부재의 일 단을 지지하는 제2 너트;를 더 포함하는 로봇용 관절 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 샤프트와 상기 제1 마찰차 사이에 배치되는 제1 베어링; 및
상기 제1 샤프트와 상기 제2 마찰차 사이에 배치되는 제2 베어링;을 더 포함하는 로봇용 관절 장치.
제7항에 있어서,
상기 제1 및 제2 베어링은 앵귤러 볼 베어링인 로봇용 관절 장치.
제7항에 있어서,
상기 제1 마찰차를 상기 제3 마찰차 측으로 가압하는 제1 가압 부재; 및
상기 제2 마찰차를 상기 제3 마찰차 측으로 가압하는 제2 가압 부재;를 더 포함하고,
상기 제1 베어링은,
내륜 및 외륜이 각각 상기 제1 가압 부재 및 상기 제1 마찰차와 접하고,
상기 제2 베어링은,
내륜 및 외륜이 각각 제2 가압 부재 및 상기 제2 마찰차와 접하는 로봇용 관절 장치.
제9항에 있어서,
상기 제1 및 제2 가압 부재는 각각 상기 제1 및 제2 베어링의 내륜을 향하여 볼록한 형상을 갖는 로봇용 관절 장치.
제1항에 있어서,
상기 구동 장치는,
상기 제1 마찰차를 회전시키는 제1 모터 및
상기 제2 마찰차를 회전시키는 제2 모터를 포함하는 로봇용 관절 장치.
제11항에 있어서,
상기 구동 장치는,
상기 제1 마찰차와 결합되는 제1 풀리,
상기 제2 마찰차와 결합되는 제2 풀리,
상기 제1 모터의 구동력을 상기 제1 풀리에 제공하는 제1 타이밍 벨트 및
상기 제2 모터의 구동력을 상기 제2 풀리에 제공하는 제2 타이밍 벨트를 더 포함하는 로봇용 관절 장치.
제1항에 있어서,
상기 제2 샤프트는 상기 제1 샤프트와 교차하고,
상기 제2 샤프트의 타 단에 회전 가능하게 지지되는 제4 마찰차;를 더 포함하고,
상기 제4 마찰차는 상기 제1 및 제2 마찰차와 각각 접하는 로봇용 관절 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 샤프트의 양 단을 회전 가능하게 지지하는 프레임;을 더 포함하는 로봇용 관절 장치.
제14항에 있어서,
상기 제1 및 제2 샤프트는 일체로 형성되고,
상기 제1 및 제2 마찰차가 같은 방향으로 회전하면, 상기 제1 샤프트, 상기 제2 샤프트 및 상기 제3 마찰차가 상기 제1 샤프트를 중심으로 회전하고,
상기 제1 및 제2 마찰차가 반대 방향으로 회전하면, 상기 제3 마찰차가 상기 제2 샤프트를 중심으로 회전하는 로봇용 관절 장치.