WO2017122856A1

WO2017122856A1 - 다자유도 구동장치

Info

Publication number: WO2017122856A1
Application number: PCT/KR2016/000785
Authority: WO
Inventors: 이주; 홍현석; 주경진; 박문수; 원성홍; 최태준
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2016-01-14
Filing date: 2016-01-25
Publication date: 2017-07-20
Also published as: KR20170085303A; KR101766576B1

Abstract

다자유도 구동장치가 개시된다. 다자유도 구동장치는 출력 샤프트, 출력 샤프트의 제1 회전 운동 및 제2 회전 운동이 가능하도록 출력 샤프트에 연결되는 관절 운동부-제1 회전 운동 및 제2 회전 운동의 방향은 서로 교차함- 및 출력 샤프트와 관절 운동부를 서로 연결하며 출력 샤프트를 회전시키는 샤프트 회전부를 포함하되, 관절 운동부는, 십자형 축, 십자형 축의 제1 방향축에 결합되며, 외전형 전동기를 이용하여 구동되는 제1 방향 관절 운동부 및 제1 방향축과 교차되는 제2 방향축에 결합되며, 외전형 전동기를 이용하여 구동되는 제2 방향 관절 운동부를 포함한다.

Description

다자유도 구동장치

본 발명은 다자유도 구동장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 보다 간단한 구조로 마련되어 제작과 제어가 용이하며, 장치를 소형화할 수 있는 다자유도 구동장치에 관한 것이다.

근래 들어, 여러 분야에 걸쳐 로봇(robot)의 이용이 증가하고 있다. 예를 들면, 산업 현장에서 사용되는 산업 로봇, 군대에서 사용되는 군용 로봇, 외부 탐사에 사용되는 탐사용 로봇, 그리고 실제 가정에서 사용되는 가정 로봇 등에 이르기까지 로봇은 현재 다방면에 사용되고 있을 뿐만 아니라 그에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다. 그 중, 산업 로봇 또는 휴머노이드(humanoid) 로봇은 실제 적용되는 산업분야에 따라 다수의 다관절 또는 다자유도 회동이 필수적으로 요구되고 이러한 다관절 또는 다자유도 회동을 위한 동력 전달 구조와 방식에 대한 개발도 진행되고 있다.

종래의 다자유도 구동 시스템은, 회전이 요구되는 축마다 액추에이터가 각각 별도로 마련되고 제어 알고리즘을 이용하여 다자유도 구동을 수행하였다. 로봇의 관절 부분에는 3축으로 회동되도록 동작되는 것이 바람직하므로, 3개의 축을 회전시키기 위한 액추에이터와 이에 연결된 동력 전달 구조가 각각 별도로 마련되었다.

그러나, 각 축을 회동시키기 위한 액추에이터와 동력 전달 구조가 개별적으로 마련되고 이들이 조합되어야 하기 때문에 필연적으로 구동장치의 크기가 대형화되고 전체 구조도 복잡해지는 문제가 있었다.

이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로, 구형(spherical) 타입의 구동장치에 대한 연구가 진행된 바 있다. 구형 타입의 구동장치는 유니버셜 조인트(universal joint)와 같은 역할을 하는 구형 타입의 연결부재와 연결부재를 감싸는 하우징이 마련되고 이들 사이에 전자기력을 발생시켜 다자유도 회동이 가능하게 한다.

그러나, 구형 타입의 다자유도 구동장치는 전체적인 장치의 구조가 매우 복잡하여 제작이 용이하지 못한 문제가 있고, 자세 제어가 어려워 정확한 동작을 구현하는 데에도 한계가 있었다. 또한, 구형 타입의 다자유도 구동장치는 구조가 매우 복잡한 구형 형태이고, 3차원 가공을 해야 하기 때문에 가공이 용이하지 않다는 단점이 있으며, 제어 알고리즘이 매우 복잡해서 제어의 신뢰도가 상대적으로 낮을 뿐만 아니라, 와전류 손실을 줄이기 위한 적층 구조를 구현하기가 매우 어렵다는 한계가 있다. 결과적으로. 종래의 구형 타입의 다자유도 구동장치는 제작성, 출력, 제어성능이 좋지 않아 상용화에 무리가 있었다.

본 발명은 각 축을 회동시키기 위한 액추에이터와 동력 전달 구조가 간단하여 소형화될 수 있고, 이에 따라 제작이 용이할 수 있으며, 자세 제어가 용이하여 정확한 동작을 구현할 수 있는 다자유도 구동장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 구조가 간단하여 소형화되고 제작이 용이한 다자유도 구동장치가 개시된다.

본 발명의 실시예에 따른 다자유도 구동장치는 출력 샤프트, 상기 출력 샤프트의 제1 회전 운동 및 제2 회전 운동이 가능하도록 상기 출력 샤프트에 연결되는 관절 운동부-상기 제1 회전 운동 및 상기 제2 회전 운동의 방향은 서로 교차함- 및 상기 출력 샤프트와 상기 관절 운동부를 서로 연결하며 상기 출력 샤프트를 회전시키는 샤프트 회전부를 포함하되, 상기 관절 운동부는, 십자형 축, 상기 십자형 축의 제1 방향축에 결합되며, 외전형 전동기를 이용하여 구동되는 제1 방향 관절 운동부 및 상기 제1 방향축과 교차되는 제2 방향축에 결합되며, 외전형 전동기를 이용하여 구동되는 제2 방향 관절 운동부를 포함한다.

상기 제1 방향 관절 운동부는, 제1 지지체, 상기 제1 방향축의 양단부에 회전축이 연결되는 한 쌍의 제1 외전형 전동기 및 각 제1 외전형 전동기를 상기 제1 지지체에 결합하여 고정시키기 위하여 상기 각 제1 외전형 전동기의 일면에 돌출 형성된 한 쌍의 제1 돌출지지단을 포함한다.

상기 제1 지지체는 별도의 지지프레임에 결합되어 고정된다.

상기 한 쌍의 제1 외전형 전동기가 동기 제어되어 동작되는 경우, 상기 제1 외전형 전동기의 축은 상기 제1 방향축에 고정된 상태에서 상기 제1 외전형 전동기의 외부몸체가 회전하여 상기 제1 방향축을 중심으로 하는 상기 제1 회전 운동이 수행된다.

상기 제2 방향 관절 운동부는, 제2 지지체, 상기 제2 방향축의 양단부에 회전축이 연결되는 한 쌍의 제2 외전형 전동기 및 각 제2 외전형 전동기를 상기 제2 지지체에 결합하기 위하여 상기 각 제2 외전형 전동기의 일면에 돌출 형성된 한 쌍의 제2 돌출지지단을 포함한다.

상기 제2 지지체는 상기 샤프트 회전부와 결합된다.

상기 제2 지지체는 제1 방향과 제2 방향으로 교차되는 십자형태로 형성되며, 상기 제2 지지체의 제2 방향 부분에 상기 제2 돌출지지단이 결합된다.

상기 한 쌍의 제2 외전형 전동기가 동기 제어되어 동작되는 경우, 상기 제2 외전형 전동기의 축은 상기 제2 방향축에 고정된 상태에서 상기 제2 외전형 전동기의 외부몸체가 회전하여 상기 제2 방향축을 중심으로 하는 상기 제2 회전 운동이 수행된다.

상기 샤프트 회전부는, 상기 제2 방향 관절 운동부와 결합되는 고정몸체, 상기 고정몸체의 외주면을 따라 상기 고정몸체와 이격되어 배치되며, 상기 고정몸체에 대하여 상대회동 가능하게 마련되는 회전몸체 및 상기 회전몸체의 일면에 배치되어 상기 회전몸체와 상기 출력샤프트를 결합시키는 커넥팅아암을 포함한다.

상기 십자형 축은 링(ring), 원 및 다각형 중 어느 하나를 중심으로 4개의 축이 방사된 형태를 가지도록 형성되되, 상기 4개의 축은 상기 제1 방향축과 상기 제2 방향축이 교차된 십자 형상이 유지되도록 배치된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다자유도 구동장치의 사시도.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다자유도 구동장치의 저면도.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다자유도 구동장치의 관절 운동부의 사시도.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다자유도 구동장치의 샤프트 회전부의 사시도.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다자유도 구동장치의 십자형 축의 형태를 예시한 도면.

본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

이하, 본 발명의 다양한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상술하겠다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다자유도 구동장치의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다자유도 구동장치의 저면도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다자유도 구동장치의 관절 운동부의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다자유도 구동장치의 샤프트 회전부의 사시도이고, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다자유도 구동장치의 십자형 축의 형태를 예시한 도면이다. 이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 다자유도 구동장치에 대하여 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 다자유도 구동장치는, 출력 샤프트(100), 출력 샤프트(100)의 제1 회전 운동 및 제2 회전 운동이 가능하도록 출력 샤프트(100)에 연결되는 관절 운동부(200) 및 출력 샤프트(100)와 관절 운동부(200)를 서로 연결하며 출력 샤프트(100)를 회전시키는 샤프트 회전부(300)를 포함한다. 여기서, 제1 회전 운동 및 제2 회전 운동의 방향은 서로 교차한다.

관절 운동부(200)는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 십자형 축(210), 십자형 축(210)의 제1 방향축(211)에 결합되며, 외전형 전동기를 이용하여 구동되는 제1 방향 관절 운동부(220) 및 십자형 축(210)의 제1 방향축(211)과 교차되는 제2 방향축(212)에 결합되며, 외전형 전동기를 이용하여 구동되는 제2 방향 관절 운동부(240)를 포함한다. 예를 들어, 제1 방향축(211) 및 제2 방향축(212)은 출력 샤프트(100)와 수직을 이루도록 배치될 수 있다.

여기서, 십자형 축(210)은 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같은 제1 방향축(211) 및 제2 방향축(212)이 교차된 십자 형상을 가질 수 있으나, 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 링(ring), 원, 다각형 등을 중심으로 4개의 축이 방사된 형태를 가지도록 형성될 수도 있다. 이때, 4개의 축은 제1 방향축(211)과 제2 방향축(212)이 교차된 십자 형상이 유지되도록 배치될 수 있다.

제1 방향 관절 운동부(220)는 제1 지지체(미도시), 십자형 축(210)의 제1 방향축(211)의 양단부에 회전축이 연결되는 한 쌍의 제1 외전형 전동기(221) 및 각 제1 외전형 전동기(221)를 제1 지지체에 결합시키기 위하여 각 제1 외전형 전동기의 일면에 돌출 형성된 한 쌍의 제1 돌출지지단(223)을 포함한다. 예를 들어, 제1 방향 관절 운동부(220)를 고정시키기 위하여, 제1 지지체는 별도의 지지프레임에 결합되어 고정될 수 있으며, 이를 위하여, 제1 지지체 상에는 지지 프레임과 결합을 위한 별도의 체결수단이 부가될 수 있다.

십자형 축(210)의 제1 방향축(211)의 양단부에는, 한 쌍의 제1 외전형 전동기(221)가 연결되는데, 한 쌍의 제1 외전형 전동기(221)는 동기 제어된다.

즉, 각각의 제1 외전형 전동기(221)의 회전축은 십자형 축(210)의 제1 방향축(211)의 양단부에 결합된다. 그래서, 한 쌍의 제1 외전형 전동기(221)가 동기 제어되어 동작되는 경우, 제1 외전형 전동기(221)의 축은 십자형 축(210)의 제1 방향축(211)에 고정된 상태에서 제1 외전형 전동기(221)의 외부몸체가 회전하여 제1 방향축(211)을 중심으로 하는 제1 회전 운동이 수행될 수 있다. 여기서, 제1 외전형 전동기(221)의 축과 십자형 축(210)의 제1 방향축(211)은 제1 회전 운동의 원활한 동작을 위하여 일체로 제작될 수 있다.

제2 방향 관절 운동부(240)의 구성도 실질적으로 제1 방향 관절 운동부(220)의 구성과 같다.

제2 방향 관절 운동부(240)는 제2 지지체(245), 십자형 축(210)의 제1 방향축(211)과 교차되는 제2 방향축(212)의 양단부에 회전축이 연결되는 한 쌍의 제2 외전형 전동기(241) 및 각 제2 외전형 전동기(241)를 제2 지지체(245)에 결합하기 위하여 각 제2 외전형 전동기의 일면에 돌출 형성된 한 쌍의 제2 돌출지지단(243)을 포함한다. 여기서, 제2 지지체(245)는 샤프트 회전부(300)의 고정몸체(310)와 결합된다.

예를 들어, 제2 지지체(245)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 방향과 제2 방향으로 교차되는 십자형태로 형성될 수 있다. 그리고, 제2 지지체(245)의 제2 방향 부분에 제2 돌출지지단(243)이 결합될 수 있다.

십자형 축(210)의 제2 방향축(212)의 양단부에는, 한 쌍의 제2 외전형 전동기(241)가 연결되는데, 한 쌍의 제2 외전형 전동기(241)는 동기 제어된다.

즉, 각각의 제2 외전형 전동기(241)의 회전축은 십자형 축(210)의 제2 방향축(212)의 양단부에 결합된다. 그래서, 한 쌍의 제2 외전형 전동기(241)가 동기 제어되어 동작되는 경우, 제2 외전형 전동기(241)의 축은 십자형 축(210)의 제2 방향축(212)에 고정된 상태에서 제2 외전형 전동기(241)의 외부몸체가 회전하여 제2 방향축(212)을 중심으로 하는 제2 회전 운동이 수행될 수 있다. 여기서, 제2 외전형 전동기(241)의 축과 십자형 축(210)의 제2 방향축(212)은 제2 회전 운동의 원활한 동작을 위하여 일체로 제작될 수 있다.

이와 같이, 십자형 축(210)에 제1 방향으로 제1 외전형 전동기(221)의 축이 연결되고, 제2 방향으로 제2 외전형 전동기(241)의 축이 연결됨으로써, 제1 방향 관절 운동부(220)와 제2 방향 관절 운동부(240)는 상호 연결되고, 이와 동시에 2축 자유도 즉, 제1 방향축(211) 및 제2 방향축(212)을 중심으로 자유롭게 회동할 수 있게 된다. 이를 통해 유니버셜 조인트의 역할이 수행될 수 있다.

2축 자유도에 대하여 설명하면, 제2 방향 관절 운동부(240)에 부여된 2축의 자유도는 제1 방향축(211) 또는 제2 방향축(212) 중 어느 하나가 단독으로 회동될 수 있거나, 제1 방향축(211)과 제2 방향축(212) 둘 다가 함께 회동될 수 있는 것이다. 즉, 제2 방향 관절 운동부(240)가 제1 방향축(211)을 중심으로 회동되는 경우, 제2 방향 관절 운동부(240)와 십자형 축(210)이 함께 회동되며, 제2 방향 관절 운동부(240)가 제2 방향축(212)을 중심으로 회동되는 경우, 제2 방향 관절 운동부(240)만이 단독으로 회동된다.

보다 상세히 설명하면, 제1 방향 관절 운동부(220)의 제1 외전형 전동기(221)가 동작하여 제1 방향축(211)이 회동하면, 이에 연결된 십자형 축(210)이 회동하고, 십자형 축(210)에 연결된 제2 방향 관절 운동부(240)가 제1 방향축(211)이 회전한 각도만큼 회동하게 된다. 즉, 제1 방향축(211)에 대한 1축 자유도가 부여된다.

그리고, 제1 방향축(211)의 회동이 진행된 다음 또는 제1 방향축(211)의 회동과 동시에 제2 방향축(212)의 회동이 수행될 수 있다. 제2 외전형 전동기(241)가 동작하여 제2 방향축(212)이 회동하면, 제2 방향 관절 운동부(240)가 제2 방향축(212)이 회동한 각도만큼 회동하게 된다. 여기서, 제2 방향축(212)은 십자형 축(210)의 일부이고, 제2 방향 관절 운동부(240)는 샤프트 회전부(300)와 결합될 뿐, 움직임이 고정된 것은 아니므로, 제2 방향축(212)이 회동하게 되면, 제2 방향 관절 운동부(240)가 회동하게 되는 것이다. 결과적으로, 2축의 자유도가 구현될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 관절 운동부(200)의 구성은, 종래의 각 축을 회동시키는 회동부가 각각 마련되고, 이들 각각이 별도로 배치됨으로써, 로봇 관절 등에 적용되는 경우 그 크기가 대형화될 수 밖에 없는 문제를 해결할 수 있다. 즉, 제1 방향축(211)을 중심으로 하는 제1 회전 운동을 수행하는 한 쌍의 제1 외전형 전동기(221)와 제2 방향축(212)을 중심으로 하는 제2 회전 운동을 수행하는 한 쌍의 제2 외전형 전동기(241)가 십자형 축(210)으로 결합되는 방식으로 배치됨으로써, 본 발명의 실시예에 따른 다자유도 구동장치가 비교적 간단하게 구성되고 소형화될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 다자유도 구동장치는 로봇의 관절뿐만 아니라, 비전 시스템, 탐사용이나 군수용 장치 등 산업 전반에 걸쳐 다관절 장치가 필요한 다양한 분야에 적용될 수 있다.

샤프트 회전부(300)는 출력 샤프트(100)를 회동시키는 역할을 한다. 이를 위하여, 샤프트 회전부(300)는 도 4에 주로 도시된 바와 같이, 제2 방향 관절 운동부(240)와 결합되는 고정몸체(310), 고정몸체(310)의 외주면을 따라 형성되며, 고정몸체(310)에 대하여 상대회동 가능하게 마련되는 회전몸체(320) 및 회전몸체(320)의 상면에 배치되어 회전몸체(320)와 출력샤프트(100)를 결합시키는 커넥팅아암(330, connecting arm)을 포함한다.

고정몸체(310)는 제2 방향 관절 운동부(240)와 결합되는 원통지지부재(311) 및 원통지지부재(311)의 외주면에 형성된 코일권취부재(312)를 포함한다. 여기서, 원통지지부재(311)는 제2 방향 관절 운동부(240)의 제2 지지체(245)와 결합된다. 그리고, 코일권취부재(312)는 원통지지부재(311)의 외주면 상에 배치되며, 코일이 권취될 수 있도록 다수의 코일권취홈(313)이 마련된다. 예를 들어, 코일권취홈(313)에 코일이 권취되면, 고정몸체(310)는 실질적으로 모터의 고정자(stator) 역할을 수행할 수 있다.

회전몸체(320)는 고정몸체(310)로부터 소정 간격 이격되어 배치되며, 회전몸체(320)의 내주면에는 N극과 S극의 영구자석(미도시)이 배치된다. 예를 들어, N극과 S극의 영구자석은 교대로 배치되되, 내주면을 따라 소정 간격으로 배치될 수 있다.

또한, 회전몸체(320)는 일정한 곡률을 가지도록 형성됨으로써, 고정몸체(310)와 일정 간격을 유지하게 한다. 예를 들어, N극과 S극의 영구자석은 실질적으로 모터의 회전자(rotor) 역할을 수행할 수 있다. 즉, 코일권취부재(312)에 마련된 코일과 영구자석이 상호 작용을 일으켜 고정몸체(310)가 회전몸체(320)를 상대 회동시키게 된다.

커넥팅아암(330)은 회전몸체(320)의 상면에 회전몸체(320)를 가로지르도록 마련된다. 그리고, 커넥팅아암(330)은 회전몸체(320)와 출력 샤프트(100)를 결합시키며, 결합된 회전몸체(320)를 지지하는 역할을 한다. 즉, 출력 샤프트(100)의 일단이 제2 방향 관절 운동부(240)의 제2 지지체(245)에 형성된 샤프트 지지홀에 삽입됨으로써, 고정몸체(310)와 소정 간격 이격된 상태로 배치된 회전몸체(320)가 고정될 수 있다. 여기서, 고정몸체(310)와 회전몸체(320)의 전자기력에 의해 발생된 동력이 회전몸체(320)를 회동시키고 출력 샤프트(100)에 원활히 전달되기 위해서, 출력 샤프트(100), 커넥팅아암(330) 및 회전몸체(320)는 일체로 제작되는 것이 바람직하다.

본 발명의 실시예에 따른 샤프트 회전부(300)는 원통지지부재(311) 내부에 소정의 수용공간이 마련되고, 수용공간 상에 관절 운동부(200)가 수용될 수 있어, 장치가 소형화되게 할 수 있다.

상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 다자유도 구동장치는 각 축을 회동시키기 위한 액추에이터와 동력 전달 구조가 간단하여 소형화될 수 있고, 이에 따라 제작이 용이할 수 있으며, 자세 제어가 용이하여 정확한 동작을 구현할 수 있다.

Claims

출력 샤프트;

상기 출력 샤프트의 제1 회전 운동 및 제2 회전 운동이 가능하도록 상기 출력 샤프트에 연결되는 관절 운동부-상기 제1 회전 운동 및 상기 제2 회전 운동의 방향은 서로 교차함-; 및

상기 출력 샤프트와 상기 관절 운동부를 서로 연결하며 상기 출력 샤프트를 회전시키는 샤프트 회전부를 포함하되,

상기 관절 운동부는,

십자형 축;

상기 십자형 축의 제1 방향축에 결합되며, 외전형 전동기를 이용하여 구동되는 제1 방향 관절 운동부; 및

상기 제1 방향축과 교차되는 제2 방향축에 결합되며, 외전형 전동기를 이용하여 구동되는 제2 방향 관절 운동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다자유도 구동장치.