KR20240015955A

KR20240015955A - 로봇 관절의 구동 장치

Info

Publication number: KR20240015955A
Application number: KR1020220093880A
Authority: KR
Inventors: 류재완; 이정호
Original assignee: 주식회사 에스비비테크
Priority date: 2022-07-28
Filing date: 2022-07-28
Publication date: 2024-02-06

Abstract

이 발명은 샤프트 어셈블리를 회전시킬 수 있도록 구성되는 모터 모듈; 샤프트 어셈블리로부터 전달받은 회전력을 소정 감속비에 의한 출력으로 변환하고 로봇 아암에 결합되어 로봇 아암을 회전시키는 하모닉 드라이브 모듈; 모터 모듈의 회전을 정지시키는 브레이크 모듈; 및 브레이크 모듈과 모터 모듈의 작동을 제어하는 제어 알고리듬이 탑재된 제어 모듈을 포함하여 구성되는 것인 로봇 관절의 구동 장치에 관한 것으로서, 이 발명의 구동 장치는 모터 모듈, 하모닉 드라이브 모듈 및 브레이크 모듈은 샤프트 어셈블리의 축 방향을 따라 배치되며, 서로 별개로 분리되도록 구성되고, 하모닉 드라이브 모듈과 브레이크 모듈의 회전축은 모터 모듈의 샤프트 어셈블리와 분리 가능하게 결합되며, 제어 모듈은 브레이크 모듈과 다른 모듈로부터 분리 가능한 하나의 모듈을 이루는 것이다.

Description

로봇 관절의 구동 장치{Driving Apparatus of Robot Joint}

이 발명은 로봇 관절의 구동 장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 구동 모터, 감속기, 브레이크 및 제어 모듈을 갖추고 로봇 아암 사이에 배치되어 로봇 아암의 회전 및 정지 동작을 수행하는 구동 장치에 관한 것이다.

로봇의 아암의 구동 장치는 로봇 아암 사이의 관절을 이루어 로봇 아암을 회전시키거나 회전 동작을 정지시키는 것이다.

이러한 구동 장치는 회전력을 발생시키는 구동 모터 및 구동 모터의 회전력이 전달되어 회전력을 감속하고 아암에 부착되어 아암을 회전시키는 감속기 및 구동 모터의 회전을 정지시키는 브레이크가 동축으로 마련되고 구동 모터 및 브레이크의 동작을 제어하는 제어 알고리듬이 탑재되는 제어 모듈로 구성되어 있다.

이러한 구동 장치에 관한 발명으로서, 한국 등록특허공보 제10-2373795호에서는 '하모닉 드라이브를 포함하는 로봇 구동계 시스템'이라는 명칭의 발명을 개시하고 있다.

이 문헌에서는 통상적인 구성의 로봇 관절의 구동 장치를 개시하고 있다. 이 문헌에 개시된 통상적인 구성의 로봇 관절의 구동 장치를 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 종래 기술의 로봇 구동계 시스템(1)은 구동계가 하나의 모듈로 조립되어 구성되어 있다.

종래 기술의 로봇 구동계 시스템(1)은 모터 모듈(100), 하모닉 드라이브 모듈(200), 샤프트 어셈블리(400), 오일 방지캡(500) 및 브레이크 모듈(800)을 포함하여 구성되어 있다.

모터 모듈(100)은 외부로부터 전력을 전달받아 샤프트 어셈블리(400)를 회전시킬 수 있게 구성되어 있다. 모터 모듈(100)은 메인 하우징(130), 스테이터(110)(stator), 로터(120)(rotor), 후방 베어링(180) 및 아웃 슬리브(160)를 포함하여 구성되어 있다.

메인 하우징(130)은 모터 모듈(100)이 구비될 수 있도록 전방측이 개방되며, 내측이 비어있는 원통형 형상으로 구성되어 있다. 내측으로 스테이터(110), 샤프트 어셈블리(400)의 일부, 로터(120)가 배치되도록 구성되어 있다. 메인 하우징(130) 은 샤프트 어셈블리(400)의 회전중심축의 방향 중 일 방향인 전방측에서 하모닉 드 라이브 모듈(200)과 연결되어 있다.

메인 하우징(130)은 원통형 형상에서 측벽을 이루는 서브 하우징(131), 후방 측 윗면에 구비되는 메인 하우징 캡(133) 및 서브 하우징(131)의 일측에서 반경방향으로 연장되어 형성되는 연장부(132)를 포함하여 구성되어 있다.

연장부(132)는 서브 하우징(131)의 전방측 단부에는 샤프트 어셈블리(400)의 회전중심축을 기준으로 반경방향으로 소정길이로 연장되어 형성된다. 연장부(132)에는 반경방향을 따라 복수의 체결홀이 구성되어 외부의 로봇 암 구조물과 연결되기 위한 고정볼트가 삽입될 수 있도록 구성될 수 있다. 연장부(132)에는 하모닉 드라이브 모듈(200)과 결합시 정밀도를 유지하면서 신속하게 조립이 이루어질 수 있도록 브라켓(140)과 브라켓(140) 수용부가 구비되어 있다.

서브 하우징(131)의 중심부분에는 샤프트 어셈블리(400)가 통과할 수 있도록 관통홀이 형성될 수 있다. 관통홀의 주변에는 단차를 두어 전방을 향하여 절곡된 단차가 형성될 수 있으며, 후방 베어링(180)이 절곡된 부분에 삽입될 수 있도록 구성될 수 있다. 샤프트 어셈블리(400)는 원활하게 회전할 수 있도록 후방베어링(180)의 중공에 삽입된다. 후방 베어링(180)은 메인 하우징(130)의 후방측에서 전방을 향하여 삽입되어 있다.

스테이터(110)는 외부로부터 전력을 전달받아 자기장을 형성할 수 있도록 구성될 수 있다. 스테이터(110)는 도체의 집합체로서 도넛 형상으로 구성되어 메인 하우징(130)에 삽입될 수 있다. 스테이터(110)는 외부와 전기적으로 연결될 수 있도록 일측에 와이어가 구비되며, 와이어는 하우징의 후방측에 형성된 와이어홀(170)을 통하여 일측이 외부로 노출되어 있다.

로터(120)는 스테이터(110)와 상호작용으로 회전할 수 있도록 구성될 수 있다. 로터(120)는 영구자석을 포함하여 구성며, 고리형으로 구성되어 스테이터(110)의 내측에서 자기장의 변화에 따라 회전가능하게 구성되어 있다. 로터(120)는 모터 모듈(100)이나, 샤프트 어셈블리(400)로 회전력을 전달할 수 있도록 샤프트 어셈블리(400)에 고정되어 있다.

아웃 슬리브(160)는 전술한 후방 베어링(180)이 메인 하우징 캡(133)으로부터 축방향으로 이탈되는 것을 방지할 수 있도록 구성된다. 아웃 슬리브(160)는 판상 부재로 구성되며, 고리형으로 구성되어 내측으로 베어링을 통과한 샤프트 어셈블리(400)의 일측이 통과할 수 있도록 구성될 수 있다. 아웃 슬리브(160)는 회전방향을 따라 체결공(600)이 형성되며, 볼트를 통하여 메인 하우징 캡(133)의 외측면에 고정되어 있다.

하모닉 드라이브 모듈(200)은 모터 모듈(100)로부터 발생된 회전력을 감속시킬 수 있도록 구성되어 있다. 하모닉 드라이브 모듈(200)은 모터에서 발생된 회전력을 샤프트 어셈블리(400)로 전달받으며, 샤프트 어셈블리(400)에 고정된 웨이브 제너레이터(210)(wave generator)에 의해 플렉스 스플라인의 기어이빨과 서큘러 스플라인(201)의 내측에 구비된 기어이빨이 서로 맞물리면서 플렉스 스플라인(202)과 서큘러 스플라인(201)은 서로 상대적으로 회전하게 된다.

샤프트 어셈블리(400)는 모터 모듈(100)로부터 전달받은 동력을 하모닉 드라이브로 전달할 수 있게 구성된다. 샤프트 어셈블리(400)는 메인 샤프트(410), 로터(120), 웨이브 제너레이터(210) 및 베어링 샤프트(420)를 포함하여 구성되어 있다. 메인 샤프트(410)는 샤프트 어셈블리(400) 중 후방측의 일체형 구조물이며, 모터 모듈(100)로부터 회전력을 전달받을 수 있게 구성된다. 메인 샤프트(410)는 강성확보 및 로터(120)의 체결, 오일 실링 및 베어링과의 연결을 위하여 축방향을 따라 각각 다른 외경을 갖도록 절삭될 수 있다.

메인 샤프트(410)는 후방측이 모터 모듈(100) 내로 삽입되며, 삽입된 위치에서 스테이터(110)와 대응되는 위치에 로터(120)가 구비되어 있다. 한편, 메인 샤프트(410)의 중심에는 중공이 형성되어 후술할 오일 방지 캡(500)이 삽입될 수 있게 구성되어 있다.

웨이브 제너레이터(210)는 메인 샤프트(410)의 전방측에 하모닉 드라이브의 일부인 웨이브 제너레이터(210)가 구비되어 있다. 웨이브 제너레이터(210)의 전방에는 베어링 샤프트(420)가 구비될 수 있다. 웨이브 제너레이터(210)는 메인 샤프트(410)와 베어링 샤프트(420)가 축방향의 양측에서 결합됨으로써 하나의 조립체를 구성하고 있다.

오일 방지 캡(500)은 하모닉 드라이브 모듈(200)의 전방측에 구비되어 샤프트 어셈블리(400)의 일측을 고정하고 하모닉 드라이브 모듈(200)에 도포된 그리스와 같은 유체의 이탈을 방지할 수 있게 구성되어 있다. 오일방지캡은 하모닉 드라이브 모듈(200)의 크기 및 형상에 대응하여 회전 대칭으로 구성되어 있다.

내부 파이프(510)는 샤프트 어셈블리(400)의 내측에서 샤프트 어셈블리(400)를 지지하게 구성되어 있다. 내부 파이프(510)는 오일 방지 캡(500)의 중심부분에 구비되며, 샤프트 어셈블리(400)의 길이에 상응하는 길이로 구성되어 있다.

전방 베어링(520)은 오일 방지 캡(500)의 후방측에서 전방측을 향하여 삽입되어 고정되어 있다. 삽입된 전방 베어링(520)의 내측에는 전술한 샤프트 어셈블리(400)의 베어링 샤프트(420)가 삽입되어 원활한 회전을 확보할 수 있게 된다.

한편, 하모닉 드라이브 모듈(200)과 모터 모듈(100) 사이에는 고리형 실링판(300)이 구비될 수 있다. 고리형 실링판(300)은 평면상에서 고리형으로 구성되는 형상으로 구성되어 있다. 고리형 실링판(300)은 하모닉 드라이브 모듈(200)의 내측에 도포되는 그리스가 모터 모듈(100)측으로 침투되는 것을 방지할 수 있도록 구성된다.

브레이크 모듈(800)은 샤프트에 제동력을 전달할 수 있도록 구성될 수 있다. 모터 모듈(100)의 후방에 연결되는 브레이크 모듈(800) 및 엔코더와 컨트롤러를 포함하여 구성되어 있다. 소정 개수의 기어치가 구비된 브레이크 허브(810)가 샤프트 어셈블리(400)에 결합되어 있으며, 브레이크 모듈(800)은 중심측으로 전술한 샤프트 어셈블리(400)의 일부와 브레이크 허브(810)가 삽입되어 외부 입력에 따라 제동력을 가할 수 있도록 구성되어 있다.

엔코더는 모터의 회전수를 전기적 신호로 전환할 수 있도록 구성어 있고, 컨트롤러는 브레이크 모듈(800)과 모터 모듈(100)을 작동시키는데 필요한 제어 알고리듬이 탑재되어 있다.

이상과 같은 구성을 갖는 종래 기술의 구동 시스템은 일부 구성 요소가 파손되거나 고장을 일으켜 정비를 하거나 통상적인 유지 보수 작업을 하려는 경우에 모든 구성 요소를 분해하여야 하므로 분해 조립 작업을 포함한 보수 작업에 상당한 시간과 인력이 요구된다.

한국 등록특허공보 제10-2373795호

이 발명은 구동 모터, 감속기, 브레이크 및 제어 모듈을 갖추고 로봇 아암 사이에 배치되어 로봇 아암의 회전 및 정지 동작을 수행하는 것인 로봇 관절의 구동 장치를 제공하려는 것이다.

특히, 이 발명은 분해 조립이 간단하여 유지 보수에 요하는 시간과 비용이 최소화하는 구성의 로봇 관절의 구동 장치를 제공하려는 것이다.

전술한 이 발명이 해결하고자 하는 과제는, 샤프트 어셈블리를 회전시킬 수 있도록 구성되는 모터 모듈; 샤프트 어셈블리로부터 전달받은 회전력을 소정 감속비에 의한 출력으로 변환하고 로봇 아암에 결합되어 로봇 아암을 회전시키는 하모닉 드라이브 모듈; 모터 모듈의 회전을 정지시키는 브레이크 모듈; 및 브레이크 모듈과 모터 모듈의 작동을 제어하는 제어 알고리듬이 탑재된 제어 모듈을 포함하여 구성되는 것인 이 발명에 따른 로봇 관절의 구동 장치에 의해 달성된다.

이 발명의 로봇 관절의 구동 장치는,

모터 모듈, 하모닉 드라이브 모듈 및 브레이크 모듈은 샤프트 어셈블리의 축 방향을 따라 배치되며, 서로 별개로 분리되도록 구성되고,

하모닉 드라이브 모듈과 브레이크 모듈의 회전축은 모터 모듈의 샤프트 어셈블리와 분리 가능하게 결합되며, 제어 모듈은 브레이크 모듈과 다른 모듈로부터 분리 가능한 하나의 모듈을 이루는 것이다.

이러한 구성에 따르면, 구동 장치의 통상적인 유지 보수 작업 또는 고장의 수리 시에 구동 장치의 요소를 전부 분해하는 일이 없이 구동 장치를 모듈 별로 분리한 후에 고장이 발생하거나 유지 보수가 필요한 모듈만을 분해하여 수리 또는 정비할 수 있다.

따라서, 구동 장치의 유지 보수가 매우 간단하게 된다.

도 1은 종래 기술에 따른 구동 시스템의 사시도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 구동 시스템의 분해 사시도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 구동 시스템의 종단면도이다.
도 4는 이 발명의 하나의 실시예에 따른 구동 장치의 종단면도이다.
도 5는 이 발명의 하나의 실시예에 따른 구동 장치를 모듈 별로 분리한 상태를 나타내는 종단면도이다.

이하, 도면을 참조하여 이 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용으로서 이 발명의 하나의 실시예의 구동 장치의 구성을 설명한다.

이 실시예의 구동 장치는 구동 모터를 포함하는 모터 모듈, 하모닉 드라이브 로 구성되는 감속기 모듈, 브레이크 장치와 제어 장치를 포함하는 브레이크 모듈의 3개의 모듈로 구성되어 있다.

모터 모듈은 구동 샤프트를 포함하고 외부로부터 전력을 전달받아 구동 샤프트를 회전시킬 수 있게 구성되어 있다. 구동 샤프트는 각각 브레이크 모듈 및 감속기 모듈의 피동 샤프트와 세레이션에 의해 결합되어 구동 샤프트의 회전력이 감속기 모듈로 전달되고 브레이크 모듈로부의 제동력이 구동 샤프트로 전달된다.

모터 모듈, 브레이크 모듈 및 감속기 모듈의 세부적인 구성은 종래 기술의 구동 시스템과 유사하므로 구체적인 설명은 생략한다.

감속기 모듈은 내부 파이프를 중심으로 하여 하모닉 드라이브가 배치되어 있고, 내부 파이프는 모터 모듈의 구동 샤프트의 중심을 관통하도록 길게 연장되어 있다.

모터 모듈은 구동 샤프트가 내부 파이프에 끼워지고 감속기 모듈의 피동 샤프트와 세레이션으로 결합되어 구동 샤프트로부터 감속기 모듈의 피동 샤프트로 동력이 전달된다.

또한, 감속기 모듈에 결합되어 있는 내부 파이프를 브레이크 모듈로 연장되어 있고, 브레이크 모듈의 피동 샤프트가 내부 파이프의 둘레로 배치되어 내부 파이프를 중심으로 회전한다.

브레이크 모듈의 피동 샤프트는 모터 모듈의 구동 샤프트와 세레이션에 의해 결합되어 브레이크 모듈의 제동력이 피동 샤프트를 통하여 모터 모듈로 전달된다.

또한, 브레이크 모듈과 감속기 모듈을 모터 모듈로부터 분리할 때에는 샤프트들 사이의 세레이션에서의 미끄럼에 의해 샤프트들이 서로 쉽게 분리된다.

이상으로 이 발명의 하나의 실시예에 따른 로봇 관절의 구동 장치의 구성을 설명하였는바, 이 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재한 범위에서 다양한 변형과 수정이 가능함은 물론이다.

100: 모터 모듈 200: 하모닉 드라이브 모듈
400: 샤프트 어셈블리 800: 브레이크 모듈

Claims

샤프트 어셈블리를 회전시킬 수 있도록 구성되는 모터 모듈; 샤프트 어셈블리로부터 전달받은 회전력을 소정 감속비에 의한 출력으로 변환하고 로봇 아암에 결합되어 로봇 아암을 회전시키는 하모닉 드라이브 모듈; 모터 모듈의 회전을 정지시키는 브레이크 모듈; 및 브레이크 모듈과 모터 모듈의 작동을 제어하는 제어 알고리듬이 탑재된 제어 모듈을 포함하여 구성되는 것인 로봇 관절의 구동 장치로서,
모터 모듈, 하모닉 드라이브 모듈 및 브레이크 모듈은 샤프트 어셈블리의 축 방향을 따라 배치되며, 서로 별개로 분리되도록 구성되고,
하모닉 드라이브 모듈과 브레이크 모듈의 회전축은 모터 모듈의 샤프트 어셈블리와 분리 가능하게 결합되며, 제어 모듈은 브레이크 모듈과 다른 모듈로부터 분리 가능한 하나의 모듈을 이루는 것인, 로봇 관절의 구동 장치.