WO2019083302A1 - 관절토크센서 및 이를 구비하는 로봇 관절 유닛 - Google Patents

관절토크센서 및 이를 구비하는 로봇 관절 유닛

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WO2019083302A1
WO2019083302A1 PCT/KR2018/012737 KR2018012737W WO2019083302A1 WO 2019083302 A1 WO2019083302 A1 WO 2019083302A1 KR 2018012737 W KR2018012737 W KR 2018012737W WO 2019083302 A1 WO2019083302 A1 WO 2019083302A1
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WO
WIPO (PCT)
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sensor frame
sensor
rim
frame connection
disposed
Prior art date
Application number
PCT/KR2018/012737
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English (en)
French (fr)
Inventor
송재복
민재경
Original Assignee
고려대학교 산학협력단
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J17/00—Joints
    • B25J17/02—Wrist joints
    • 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
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a joint torque sensor and a robot joint unit, and more particularly, to a robot joint unit including a joint torque sensor capable of measuring a torque applied to a robot joint by a reaction method to increase measurement accuracy.
  • the joint torque sensor 10 used in the joint of the robot is generally mounted between the speed reducer 30 and the output link 40 that receives and decelerates the torque from the driving unit 20. [ In this robot joint structure, the torque acting between the speed reducer 30 and the output link 40 can be directly measured by the joint torque sensor 10 when the torque is applied through the output link 40.
  • the vibration generated in the speed reducer 30 along with the rotational direction torque desired to be measured directly acts on the joint torque sensor 10, which causes a shaking error of the measured value.
  • the conventional joint torque sensor 10 has a relatively low rigidity as compared with other joint components, so that there arises a problem that the rigidity of the entire joint is lowered at the time of assembly.
  • the wiring for transferring the measured value must pass through the inside of the joint, so that the angle of rotation of the joint is limited in order to prevent twisting and breaking of the wiring.
  • Patent Registration No. 1715222 (Mar. 13, 2013)
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems of the prior art, and it is an object of the present invention to reduce the mutual interference phenomenon occurring in the joint torque sensor due to the vibration of the speed reducer by measuring the torque applied to the robot joint, And a robot joint unit including the joint torque sensor.
  • a robot joint unit comprising: a base; A driving unit provided with a stator supported by the base and a rotor supported by the stator to provide an input torque; A decelerator that receives and decelerates an input torque from the driving unit to generate a driving torque; An output link that receives drive torque from the speed reducer and rotates; And an articulated torque sensor disposed on the base for supporting the stator so as to sense a reaction torque acting on the speed reducer from the output link.
  • the joint torque sensor may include a sensor frame having one end connected to the base and the other end connected to the stator, and a sensor gauge disposed on the sensor frame.
  • the sensor frame includes a sensor frame fixing rim fixed to the base portion, a sensor frame connection rim spaced apart from the sensor frame fixing rim and the rotation center axis of the rotor and connected to the stator, And a sensor frame connection beam disposed between the rim and the sensor frame connection rim and connecting the sensor frame fixing rim and the sensor frame connection rim, and the sensor gage may be disposed in the sensor frame connection beam.
  • the sensor frame connection beam and the sensor gauge may be respectively provided in plural.
  • the plurality of sensor frame connection beams are spaced apart around a rotational center axis of the rotor and the plurality of sensor gauges are respectively disposed in at least two sensor frame connection beams of the plurality of sensor frame connection beams to form a Wheatstone bridge structure .
  • the plurality of sensor frame connection beams are arranged at intervals of 90 degrees around the rotation center axis of the rotor, and the plurality of sensor gages having the Whiststone bridge structure are arranged at intervals of 180 degrees from the plurality of sensor frame connection beams Two sensor frame connection beams may be arranged in each case.
  • the sensor frame may include a connection beam groove provided in the middle of the sensor frame connection beam to reduce a cross-sectional area of the sensor frame connection beam.
  • the robot joint unit according to the present invention may include a bearing disposed between the base portion and the sensor frame connection rim and supporting the sensor frame connection rim.
  • the robot joint unit includes: a rotation support connected to the rotor so as to be concentrically disposed with respect to the rotation center axis of the rotor and extending to the inside of the sensor frame; A brake disk having a disk hub coupled to the rotation support and rotating, and a disk projection projecting from the disk hub; A stopper movably supported on the base so as to restrain rotation of the brake disk in contact with the disk projection; And a stopper driver that is supported by the base portion to provide movement force to the stopper so that the stopper can be moved in and out of a movable radius of the disk projection.
  • the robot joint unit according to the present invention may include a stopper supporting spring supported on the base to apply an elastic force to the stopper in a direction opposite to a direction of movement of the stopper by the stopper driver.
  • the stopper driver is a solenoid that is supplied with a current and moves the stopper so as to deviate from the movable radius of the disk projection when the current supply to the stopper driver is interrupted, It is possible to apply an elastic force to move it to the inside.
  • the stopper has a curved contact curved surface contacting the periphery of the stopper, and a disk tip portion having a disk contact portion contacting the contact curved surface of the stopper is provided at an end of the disk projection, And the movable radius of the disk projection may be inclined with respect to the radial direction of the circle.
  • the robot joint unit includes: a rotation support connected to the rotor so as to be concentrically disposed with respect to the rotation center axis of the rotor and extending to the inside of the sensor frame; An encoder rotor disposed coaxially with the rotation support on the inner side of the sensor frame so as to be coupled with the rotation support; And a rotary sensor supported on the sensor frame to sense the rotation of the encoder rotor.
  • the robot joint unit according to the present invention may include the decelerator, the rotor, and the hollow shaft passing through the joint torque sensor and being coupled to the output link so as to be concentric with the rotation center axis of the rotor.
  • the sensor frame includes a sensor frame fixing rim fixed to the base part, a sensor frame fixed to the sensor frame fixing rim and a sensor connected to the stator, And a sensor frame connection beam disposed between the sensor frame fixing rim and the sensor frame connection rim and connecting the sensor frame fixing rim and the sensor frame connection rim, Beam, and the sensor frame connection beam may be disposed detachably from at least one of the sensor frame fixing rim and the sensor frame connecting rim.
  • the sensor frame connection beam may be a block structure disposed between the sensor frame fixing rim and the sensor frame connection rim.
  • the sensor frame connection beam may be formed at both ends of the sensor frame fixing rim and the sensor frame connection rim toward the sensor frame fixing rim and the sensor frame connection rim, And a sensor frame connection beam rib correspondent part for receiving the sensor frame connection beam ribs in the sensor frame fixing rim and the sensor frame connection rim.
  • the sensor frame connecting beam may be provided with a sensor frame connecting beam notch groove.
  • the sensor frame connection beam notch groove portion of the robot frame joint beam unit may include a sensor frame connection beam notch groove portion having an inner side surface facing the center of the penetration axis passing through the sensor frame fixing rim and the sensor frame connection rim of the sensor frame connection beam, As shown in FIG.
  • the sensor gauge may be configured to detect the direction of the sensor frame connection beam toward the center of the penetration axis passing through the sensor frame fixing rim of the sensor frame connection beam and the sensor frame connection rim And a radially outward side surface of the sensor frame connection beam from the center of the penetration shaft passing through the sensor frame fixing rim and the sensor frame connection rim.
  • the plurality of sensor gauges may be arranged in at least two sensor frame connection beams of the plurality of sensor frame connection beams to form a Wheatstone bridge structure.
  • the sensor frame connecting beams and the sensor gauges may be respectively provided in plural.
  • the plurality of sensor frame connection beams are spaced apart from each other around the rotation center axis of the rotor, and the plurality of sensor gages include at least one of the plurality of sensor frame connection beams And they may be arranged on the inner and outer peripheral surfaces of the semi-regular inner and outer surfaces of one sensor frame connecting beam to form a Wheatstone bridge structure.
  • the robot joint unit includes a hollow shaft that is coupled to the output link through the reducer, the rotor, and the joint torque sensor so as to be concentric with the rotation center axis of the rotor You may.
  • a driving unit includes a rotor rotatably supported by a stator supported on a base portion, the input torque being supplied from a driving unit, the driving torque being transmitted from a speed reducer And is disposed on the side of the base fixed to detect the reaction torque acting on the speed reducer from the output link disposed to be fixed so that the output link rotates and can sense the reaction torque acting on the speed reducer from the output link And the stator is supported by the stator.
  • the joint torque sensor may include a sensor frame having one end connected to the base and the other end connected to the stator, and a sensor gauge disposed on the sensor frame.
  • the sensor frame includes a sensor frame fixing rim fixedly arranged on the base portion side, and a sensor frame fixing rim spaced apart from the sensor frame fixing rim in the longitudinal direction of the rotation center axis of the rotor, And a sensor frame connection beam which is disposed between the sensor frame fixing rim and the sensor frame connection rim and connects the sensor frame fixing rim and the sensor frame connection rim, And may be disposed in the sensor frame connection beam.
  • the sensor frame includes a sensor frame fixing rim fixed to the base portion, a sensor frame fixing rim spaced apart from the sensor frame fixing rim in the longitudinal direction of the rotation center axis of the rotor, And a sensor frame connection beam disposed between the sensor frame fixing rim and the sensor frame connection rim and connecting the sensor frame fixing rim and the sensor frame connection rim, And the sensor frame connection beam may be disposed detachably from at least one of the sensor frame fixing rim and the sensor frame connection rim.
  • the joint torque sensor and the robot joint unit including the joint torque sensor according to the present invention can measure the reaction torque of the same magnitude as the torque generated in the speed reducer without rotation of the joint torque sensor by the joint drive, . Therefore, the shaking error of the measured value due to the vibration of the speed reducer can be greatly reduced, and the torque applied to the output link can be measured more accurately.
  • the joint torque sensor and the robot joint unit including the joint torque sensor according to the present invention may be constructed in parallel with components such as a brake unit or a rotary sensor unit. That is, the components of the brake unit and the rotary sensor unit can be disposed inside the sensor frame of the joint torque sensor. Therefore, an increase in the total length of the robot joint unit due to the assembly of the joint torque sensor can be minimized.
  • the joint torque sensor and the robot joint unit including the joint torque sensor according to the present invention are constructed such that the joint torque sensor does not depend on the rotation of the speed reducer. Therefore, when the wiring of the joint torque sensor does not pass through the components such as the drive unit and the speed reducer
  • the rotation angle of the joint is not limited, and it is possible to rotate infinitely.
  • the joint torque sensor according to the present invention and the robot joint unit having the joint torque sensor according to the present invention are arranged such that the deformation portion of the joint torque sensor for measuring the torque, that is, the sensor frame connection beam is disposed at the outermost periphery of the sensor frame, So that it is possible to solve the problem that the rigidity of the entire robot joint unit is lowered.
  • the joint torque sensor and the robot joint unit having the joint torque sensor according to the present invention may improve assembly productivity through a joint torque sensor having a structure that can be separated and assembled.
  • joint torque sensor and the robot joint unit including the joint torque sensor according to the present invention minimize the gap through the sensor frame connection beam rib and the corresponding sensor frame connection beam rib correspondence part formed on the sensor frame connection beam, To maximize the sensing sensitivity.
  • joint torque sensor and the robot joint unit including the joint torque sensor according to the present invention may maximize the sensing sensitivity through stress concentration through the sensor frame connecting beam notch groove portion.
  • FIG. 1 is a schematic structural view of a robot joint unit according to the prior art.
  • FIG. 2 is a schematic structural view of a joint torque unit and a robot joint unit including the joint torque sensor according to an embodiment of the present invention.
  • 3 and 4 are exploded perspective views illustrating a joint torque unit and a robot joint unit including the joint torque sensor according to an embodiment of the present invention.
  • 5 and 6 are sectional views showing a joint torque sensor and a robot joint unit including the joint torque sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 7 to 9 are views for explaining the installation structure and operation of the brake unit of the robot joint unit according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a view for explaining a joint torque sensor according to an embodiment of the present invention and a rotary sensor unit of a robot joint unit having the same.
  • FIG. 11 is a perspective view illustrating a joint torque sensor of a robot joint unit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a plan view showing a joint torque sensor of a robot joint unit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a schematic diagram of a Wheatstone bridge structure by a sensor gauge of a robot joint unit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is an exaggerated view illustrating deformation due to shear stress of a sensor frame when a torque is applied to a joint torque sensor of a robot joint unit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a graph showing a result measured through a joint torque sensor when a torque is applied to a joint torque sensor of a robot joint unit according to an embodiment of the present invention.
  • 16 is a schematic exploded perspective view of a joint torque sensor according to another embodiment of the present invention.
  • 17 is a photographic view of the configuration of the joint torque sensor according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 schematically shows a Wheatstone bridge structure by a sensor gauge of a joint torque sensor of a robot joint unit according to an embodiment of the present invention.
  • 19 and 20 are partial plan and perspective views of a stress state of a joint torque sensor according to another embodiment of the present invention.
  • 21 is an output diagram of a joint torque sensor according to another embodiment of the present invention through a Wheatstone bridge.
  • FIG. 2 is a schematic structural view of a robot joint unit including a joint torque sensor according to an embodiment of the present invention
  • FIGS. 3 and 4 are exploded perspective views illustrating a robot joint unit according to an embodiment of the present invention
  • 5 and 6 are sectional views showing a robot joint unit according to an embodiment of the present invention.
  • a robot joint unit 100 includes a base 110, a driving unit 115 supported by the base 110 to provide an input torque, a driving unit 115 A decelerator 125 that receives and decelerates an input torque from the speed reducer 125 to generate a drive torque, an output link 130 that receives the drive torque from the speed reducer 125 and rotates, A rotary sensor unit 160 for detecting the rotation of the driving unit 115 and a joint torque sensor 170 for sensing a reaction torque acting on the speed reducer 125 from the output link 130 do.
  • the robot joint unit 100 includes a joint torque sensor 170 disposed between the base unit 110 and the driving unit 115, It is possible to measure the torque indirectly without directly measuring the torque transmitted to the engine 130.
  • the base portion 110 includes a base housing 111 and a base frame 112 disposed inside the base housing 111.
  • a space is provided inside the base portion 110 and components such as the brake portion 140, the rotary sensor portion 160, and the joint torque sensor 170 may be disposed in this space.
  • the base portion 110 can be modified into various other structures that can support the driving portion 115.
  • the driving unit 115 includes a driving unit housing 116 supported by the joint torque sensor 170, a stator 117 fixed to the driving unit housing 116, and a rotor 118 supported and rotated by the stator 117 do.
  • the rotor 118 is disposed inside the stator 117 and rotates. One end of the rotor 118 is connected to the speed reducer 125 and the other end of the rotor 118 is connected to the rotation support 120.
  • the driving unit housing 116 is supported on the base unit 110 through the joint torque sensor 170.
  • the rotation support 120 is disposed concentrically with the rotation center axis of the rotor 118 to support the components of the brake unit 140 and the rotary sensor unit 160.
  • the rotation support 120 includes a support disc 121 to be coupled with the rotor 118 and a support boss 122 that is coupled to the support disc 121 and concentrically arranged with the support disc 121, Is disposed inside the torque sensor (170).
  • the drive 115 can be modified into various other configurations that can generate an input torque and provide it to the reducer 125.
  • the stator 117 is indirectly supported by the joint torque sensor 170 via the drive housing 116, the stator 117 may be directly coupled to the joint torque sensor 170 have.
  • the decelerator 125 receives and decelerates the input torque from the driving unit 115 to generate a driving torque and provides it to the output link 130.
  • the speed reducer 125 includes a speed reducer input portion 126 connected to the rotor 118 of the driving portion 115 and a speed reducer output portion 127 connecting the speed reducer input portion 126 and the output link 130.
  • the speed reducer output unit 127 decelerates the torque of the speed reducer input unit 126 and transfers the decelerated torque to the output link 130.
  • the decelerator 125 may take various structures that can decelerate the input torque from the driving unit 115 and transmit it to the output link 130.
  • the output link 130 is connected to the speed reducer output portion 127 of the speed reducer 125 and receives the drive torque from the speed reducer 125 to rotate.
  • the output link 130 has an output link through hole 131 at its center, the output link 130 can be formed in various forms that can be combined with other components.
  • a hollow shaft 135 is coupled to the output link 130.
  • the hollow shaft 135 has an hollow hollow structure and extends through the output link through hole 131 of the output link 130 toward the inside of the base portion 110.
  • the hollow shaft 135 is disposed concentrically with the rotation center axis of the rotor 118 through the speed reducer 125, the rotor 118, the joint torque sensor 170, and the rotation support 120.
  • the hollow shaft 135 can be used as a passage for electrical wiring that electrically connects a component disposed inside the base portion 110 and a component disposed outside the base portion 110.
  • the brake unit 140 includes a brake disc 141 which rotates in conjunction with the rotation support 120, a stopper 148 which restrains the rotation of the brake disc 141 in contact with the brake disc 141, 148 which move the stopper actuator 152.
  • the braking unit 140 can provide the braking force to the output link 130 by interfering with the stopper 148 according to the movement of the stopper 148.
  • the brake disk 141 includes a disk hub 142 coupled to the rotation support 120 and disposed concentrically with the rotation support 120 and a plurality of disk projections 144 projecting radially around the disk hub 142 ).
  • the disc hub 142 is coupled with the rotation support 120 in such a manner that the rotation support 120 is inserted into the disc through hole 143 provided at the center of the disc hub 142.
  • the plurality of disk protrusions 144 are spaced apart from each other along the circumferential direction at the edge of the disk hub 142 so as to be caught by the stopper 148.
  • a disk tip 145 for contacting the stopper 148 is provided at the end of the disk projection 144.
  • the disc tip portion 145 is provided with a disc contact portion 146 that contacts the stopper 148.
  • the disk contact portion 146 is disposed obliquely with respect to the movable radius of the disk projection 144, i.e., the radial direction of the disk hub 142, so as to stably contact the outer surface of the stopper 148.
  • the stopper 148 is disposed on the outer side of the rotation support 120 so as to be linearly movable in parallel with the rotation center axis of the rotation support 120.
  • the stopper 148 is slidably supported on the sensor frame 171 of the joint torque sensor 170.
  • a stopper contact curved surface 149 capable of contacting the disc protrusion 144 of the brake disc 141 is provided around the periphery of the stopper 148.
  • the stopper 148 is positioned outside the movable radius of the disc protrusion 144 and moves inside the movable radius of the disc protrusion 144 so that the disc protrusion 144 of one of the plurality of disc protrusions 144 of the brake disc 141 And the brake disk 141 can be stopped by this operation.
  • Shaped stopper contact curved surface 149 is provided at the edge of the stopper 148 at which the disk projection 144 collides with the stopper 148 so that the shock when the disk contact portion 146 of the disk projection 144 collides with the stopper 148 And the problem of breakage or wear due to impact can be reduced.
  • the specific configuration of the stopper 148 is not limited to the illustrated one. That is, the stopper can be changed into various other structures that can stop the rotation of the brake disc 141 in contact with the disc projection 144.
  • the stopper 148 is not indirectly supported by the base portion 110 through the joint torque sensor 170 but may be supported directly on the base portion 110.
  • the stopper actuator 152 provides a moving force to the stopper 148 so that the stopper 148 can be moved to the inside and outside of the movable radius of the disk projection 144.
  • the stopper actuator 152 is shown supported by the base 110.
  • the stopper actuator 152 may be supported by the sensor frame 171 of the joint torque sensor 170. [
  • the stopper actuator 152 presses the stopper 148 in a direction parallel to the rotation center axis of the rotation support 120 to deviate from the movable radius of the disk projection 144.
  • the stopper driver 152 may be a solenoid that receives a current and presses the stopper 148. Power is supplied to the stopper driver 152 while the driver 115 is operating so that the stopper driver 152 can move the stopper 148 away from the movable radius of the disk projection 144. [ When the power supplied to the stopper driver 152 is cut off, the stopper support spring 154 moves the stopper 148 into the movable radius of the disk projection 144.
  • the stopper support spring 154 is supported by the sensor frame 171 of the joint torque sensor 170 and applies an elastic force to the stopper 148 in a direction opposite to the direction in which the stopper actuator 152 is pressed.
  • the stopper support spring 154 applies an elastic force to the stopper 148 to move the stopper 148 to the inside of the movable radius of the disk projection 144 when the power supplied to the stopper actuator 152 is cut off.
  • the stopper 148 moves to the inside of the movable radius of the disk projection 144 by the elastic force of the stopper supporting spring 154 and can contact the disk projection 144.
  • the stopper supporting spring 154 may be supported on the base 110 rather than on the sensor frame 171.
  • the stopper 148 moves to a position where interference with the brake disk 141 is not generated by the stopper driver 152, and does not interfere with the rotation of the output link 130.
  • the stopper 148 enters the movable radius of the disk projection 144 by the action of the stopper support spring 154 and interferes with the disk projection 144, (130).
  • the brake portion 140 can be modified into various other structures that can provide braking force to the output link 130.
  • the rotary sensor unit 160 includes an encoder rotor 118 that rotates in conjunction with the rotation support 120 and a rotary sensor 162 that can sense the rotation of the encoder rotor 118.
  • the encoder rotor 118 is disposed concentrically with the rotation support 120 and inside the sensor frame 171.
  • the rotary sensor 162 is supported on the sensor frame 171 of the joint torque sensor 170.
  • the encoder rotor 118 may have a plurality of slits disposed along the rotational center axis thereof and the rotary sensor 162 may sense the number of slit movements and detect the rotational angle of the encoder rotor 118 .
  • the rotary sensor unit 160 may be modified into various other structures capable of sensing the rotation of the rotation support 120 or the output link 130 in addition to the structure shown in the figures.
  • the figure shows that the rotary sensor 162 is indirectly supported by the base portion 110 through the sensor frame 171, the rotary sensor 162 may be directly supported on the base portion 110 have.
  • the joint torque sensor 170 senses a reaction torque acting on the speed reducer 125 from the output link 130.
  • the joint torque sensor 170 is supported by the base 110 to support the driving unit housing 116 of the driving unit 115.
  • the joint torque sensor 170 includes a sensor frame 171 disposed between the base unit 110 and the drive unit 115 and connecting the base unit 110 and the drive unit 115, 177a, 177b, 177c, and 177d.
  • the sensor frame 171 includes a sensor frame fixing rim 172 fixed to the base frame 112 of the base 110 and a sensor frame fixing rim 172 spaced apart from the sensor frame fixing rim 172 and connected to the driving unit housing 116. [ And a plurality of sensor frame connection beams 174 connecting the sensor frame fixing rim 172 and the sensor frame connection rim 173.
  • the sensor frame connection rim 173 is provided with a plurality of sensor frame connection beams 173,
  • the sensor frame connection rim 173 is supported by a bearing 180 disposed inside the base housing 111 of the base portion 110.
  • a plurality of sensor frame connection beams 174 are spaced apart around the rotational center axis of the rotor 118 between the sensor frame fixing rim 172 and the sensor frame connection rim 173. Although four sensor frame connection beams 174 are shown disposed at 90 degree intervals around the rotation center axis of the rotor 118, the number and arrangement angles of the sensor frame connection beams 174 are variously changed .
  • a connecting beam groove 175 is provided in the middle of the sensor frame connecting beam 174. The cross-sectional area of the sensor frame connection beam 174 can be reduced by providing the connection beam groove 175 in the sensor frame connection beam 174, thereby further enhancing the strain sensitivity of the sensor frame connection beam 174.
  • the sensor frame 171 has a large diameter hollow structure concentrically disposed with the rotor 118 so that the rotation support 120, the components of the brake unit 140 and the rotary sensor unit 160 Elements can be placed.
  • the overall length of the robot joint unit 100 can be minimized through the connection structure between these components, and a compact robot joint unit 100 can be realized.
  • a plurality of sensor gauges 177a, 177b, 177c and 177d are arranged on the outer surface of the sensor frame connection beam 174.
  • the plurality of sensor gauges 177a, 177b, 177c and 177d are respectively disposed in at least two sensor frame connecting beams 174 of the plurality of sensor frame connecting beams 174 do.
  • the sensor gauges 177a, 177b, 177c and 177d are provided with two sensor frame connecting beams 174 arranged at 180-degree intervals from the plurality of sensor frame connecting beams 174, To form a Wheatstone bridge structure.
  • the first and second sensor gauges 177a and 177b among the four sensor gauges 177a, 177b, 177c and 177d are arranged on the outer surface of any one of the four sensor frame connection beams 174
  • the third and fourth sensor gauges 177c and 177d are disposed on the outer surface of the opposing sensor frame connection beam 174.
  • the first and second sensor gauges 177a and 177b intersect one sensor frame connection beam 174 with the rotational center axis direction of the rotor 118 and are also arranged so as to cross each other.
  • the third and fourth sensor gauges 177c and 177d are also arranged so as to intersect with the rotation center axis direction of the rotor 118 to another sensor frame connection beam 174 and to cross each other. That is, the two sensor gauges disposed in one sensor frame connecting beam 174 are arranged in an approximately 'X' -shaped manner.
  • the first sensor gauge 177a and the third sensor gauge 177c among the four sensor gauges 177a, 177b, 177c and 177d together increase the resistance
  • the second sensor gauge 177b and the fourth sensor gauge 177d together reduce or increase the resistance.
  • FIG. 15 shows an example of a result graph measured through the joint torque sensor 170 when a torque is applied to the joint torque sensor 170 of the robot joint unit 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the joint torque sensor 170 according to the present invention can obtain good linearity measurement results.
  • the measured results can be converted into torque.
  • an elliptical wave generator deforms the flexplane to an ellipse, and this elliptical deformation is transmitted to a joint torque sensor attached to the speed reducer as shown in FIG. 1, Error occurs. Since the error caused by the elastic deformation of the speed reducer has a frequency proportional to the rotation speed of the wave generator, when the software low-pass filter is used, there is a disadvantage that the reaction speed is slowed due to the time delay effect of the controller.
  • the joint torque sensor 170 can measure the reaction torque of the output link 130 without being directly connected to the speed reducer 125 so that the error caused by the elastic deformation and vibration of the speed reducer 125 There is an effect that it can be mechanically blocked.
  • the specific joint torque sensor 170 was designed into the following design, and the rotational rigidity was confirmed.
  • the number of the sensor frame connecting beams 174 is four, the width is 15 mm, the depth of the connecting beam grooves 175, and the number of the sensor frame connecting beams 174 are set so that the outer diameter of the sensor frame 171 is ⁇ 83 and the inner diameter is ⁇ 66, Was designed to be 6 mm.
  • the strain rate at the attachment position of the sensor gauge has the maximum sensitivity of 1mm / m and the rotational stiffness is 2.46x105 Nm / rad, which is about 8.5 times of the rotational stiffness 2.9x104 Nm / rad of the reducer (harmonic drive SHG20) It is a large value.
  • the rotational stiffness of the speed reducer is k reducer and the rotational rigidity of the joint torque sensor 170 is k sensor
  • the total rotational rigidity k total of the parts connected in series is expressed by the following equation.
  • the rotational rigidity of the robot joint unit equipped with the joint torque sensor 170 of the present design is 2.24 x 104 Nm / rad by the above equation, and the decrease in rigidity due to the joint torque sensor 170 is small.
  • the robot joint unit 100 indirectly controls the torque transmitted from the speed reducer 125 to the output link 130 when the driving unit 115 is operated .
  • the torque that is equal in magnitude to the torque transmitted from the speed reducer 125 to the output link 130 is opposite to that of the reduction gear 125 by the output link 130 due to the principle of action- .
  • the reaction torque thus generated acts to rotate the reducer 125 and the entire driving unit 115. Since the driving unit 115 is supported by the base unit 110, the actual rotation does not occur.
  • the joint torque sensor 170 can measure the driving torque generated in the speed reducer 125 and transmitted to the output link 130 by the action-reaction principle.
  • the robot joint unit 100 can measure the reaction torque of the same magnitude as the torque generated in the speed reducer 125 through the joint torque sensor 170 without rotation according to the joint drive . Further, when torque is externally applied through the output link 130, the joint torque sensor 170 can directly measure the external force torque. Therefore, the joint torque sensor 170 can perform the same function as the joint torque sensor mounted between the existing decelerator and the output link, and can significantly reduce the vibration error of the measured value due to the vibration of the decelerator 125.
  • the robot joint unit 100 may be configured in parallel with the components such as the brake unit 140 and the rotary sensor unit 160. That is, a part of the components of the brake unit 140 and the rotary sensor unit 160 can be disposed inside the sensor frame 171 of the joint torque sensor 170. Therefore, an increase in the overall length of the robot joint unit 100 due to the assembly of the joint torque sensor 170 can be minimized.
  • the joint torque unit 170 of the robot joint unit 100 is structured to be independent of the rotation of the speed reducer 125, the wiring of the joint torque sensor 170 is connected to the driving unit 115 And the speed reducer 125, so that the rotation angle of the joint is not limited and the rotation can be performed infinitely.
  • the deformation portion of the joint torque sensor 170 for measuring the torque that is, the sensor frame connection beam 174 is disposed at the outermost portion of the sensor frame 171 And has a higher rigidity than that of the conventional joint torque sensor of the same capacity, thereby solving the problem that the rigidity of the entire robot joint unit is lowered.
  • the sensor frame connection beam of the joint torque sensor is integrated.
  • the joint torque sensor of the present invention and the robot joint unit including the same are not limited to this, and various modifications are possible.
  • 16 to 21 illustrate another example of the joint torque according to the present invention. Except for the redundant description of the same components as in the previous embodiment, the difference will be mainly described, use.
  • the sensor frame connecting beam of the joint torque of the present invention may take a separable structure.
  • the sensor frame connection beam can be separated from at least one of the sensor frame fixing rim and the sensor frame connection rim.
  • the sensor frame connection beam is connected to both the sensor frame fixing rim and the sensor frame connection rim And a case in which a separable fastening structure is adopted.
  • the sensor frame 171 in this embodiment has the sensor frame fixing rim 172, the sensor frame connection rim 173 and the sensor frame connection beam 174, and the sensor frame fixing rim 172 is fixed And the sensor frame connection rim 173 is disposed between the sensor frame fixing rim and the sensor frame connection rim.
  • the sensor frame connection rim 173 is spaced apart in the longitudinal direction of the center axis II of the sensor frame fixing rim and connected to the stator, And the sensor gauge is disposed in the sensor frame connection beam, which is the same as in the previous embodiment.
  • the sensor frame connection ratio 174 connects the sensor frame fixing rim and the sensor frame connection rim
  • the sensor frame connection beam is disposed detachably from at least one of the sensor frame fixing rim 172 and the sensor frame connection rim 173, both in this embodiment.
  • the sensor frame connection beam 174 has a block structure in which the sensor frame connection beam 174 is connected to the sensor frame fixing rim 172 and the sensor frame connection rim 173 via a separate fastening member such as a beam bolt 179. [ And the sensor frame connection beam 174 has a plurality of block structures. When the sensor frame fixing rim 172 and the sensor frame connection rim 173 are spaced apart from each other, So that they are spaced apart.
  • the sensor frame connection beam ribs 174-1 and 174-2 and the sensor frame connection beam rib correspondence parts 172-1 and 173-1 may be further provided,
  • the sensor frame fixing rim 172 and the sensor frame connection rim 173 are protruded from opposite end portions of the frame connection beam 174 toward the sensor frame fixing rim 172 and the sensor frame connection rim 173, .
  • the sensor frame connection beam rib corresponding parts 172-1 and 173-1 include a sensor frame fixing rim 172 and a sensor frame connection rim 173.
  • the sensor frame fixing beam rim 172 and the sensor frame connection rim 173 The sensor frame connection beam rib corresponding parts 172-1 and 173-1 are disposed on the inner side of the inner side of the sensor frame connection beam 174 toward the sensor frame connection beam ribs 174-1 and 174-2.
  • the sensor frame connection beam ribs 174-1 and 174-2 are fitted to the sensor frame connection beam rib corresponding parts 172-1 and 173-1, and in this embodiment, the interference structure is minimized to minimize the gap between the sensor frame connection beam ribs 174-1 and 174-2 So that the torque transmitting structure between the sensor frame fixing rim 172 and the sensor frame connecting rim 173 and the sensor frame connecting beam 174 is directly connected to improve the assembly productivity, Structure formation is possible.
  • a plurality of sensor gauges may be disposed on the same sensor frame connecting beam 174 as in the previous embodiment.
  • Elements may be further provided. That is, the sensor frame connecting beam notch groove 174-3 is disposed in the sensor frame connecting beam 174.
  • the sensor frame connection beam notch groove 174-3 is formed on the inner surface of the sensor frame fixing rim and the sensor frame connection rim toward the center of the penetration axis in the present embodiment, The present invention is not limited to the above embodiment.
  • the sensor frame connection beam notch groove portion 174-3 has a predetermined thickness of the sensor frame connection beam in the radial direction from the penetration axis (line II) passing through the sensor frame fixing rim 172 and the sensor frame connection rim 173 Thickness. At this time, it is desirable that the preset thickness is set to a design value capable of enhancing sensitivity through concentration of stress while maintaining the durability of the sensor.
  • the sensor gauges are not arranged in the sensor frame connecting beams which are different from each other or opposed to each other, unlike in the previous embodiment, and one sensor frame connecting beam It is also possible to adopt a structure in which the block structure is arranged in a different plane.
  • the sensor gauges 177 may be disposed on the inner and outer surfaces of the sensor frame connecting beams 174, Of the sensor frame connection beam 174 and the sensor frame connection beam 174.
  • the sensor frame connection beam 174 has an inner side facing the center of a through axis (line II) passing through the sensor frame fixing rim 172 and the sensor frame connection rim 173 of the sensor frame connection beam 174, (Line II) passing through the frame fixing rim 172 and the sensor frame connection rim 173 in the radial direction.
  • sensor gauges 177a, b are disposed on the outer surface of the sensor frame connecting beam 174, and the plurality of sensor gauges are formed by connecting at least one of the plurality of sensor frame connecting beams of the block structure Are arranged on the inner and outer circumferential surfaces of the semi-regular inner and outer surfaces of one sensor frame connecting beam to form a Wheatstone bridge structure.
  • a total of four sensor gauges 174a, b, c, and d disposed on the inner side (inner circumferential surface) and the outer side surface (outer circumferential surface) of the sensor frame connection beam 174 take a Wheatstone bridge structure
  • b and the sensor gauges 174a and b indicated by b are disposed on the outer surface (outer surface) or outer surface of the sensor frame connection beam 174 and the sensor gauges 174c and d indicated by reference numerals 174c and d (Inner circumferential surface), that is, the inner surface, of the same sensor frame connecting beam 174, and these sensor gauges take a Wheatstone bridge structure and can obtain an output signal that is proportional to the torque ultimately applied to the joint torque sensor .
  • the sensor frame connection beam 174 when a torque is applied to the sensor frame connection rim 173 connected to the input side of the joint torque sensor, the sensor frame connection beam 174 having a block structure connected to the sensor frame connection rim 173 And the force acts in the tangential direction on the sensor frame connecting beam 174 as each block.
  • a deformation proportional to the force due to shear stress occurs at the center of the sensor frame connecting beam 174 in proportion to the force transmitted to the sensor frame connecting beam 174 and ultimately the resistance of the sensor gauge 177 changes.
  • the resistance increases in the case of the sensor gauges 177a and 177c adhered in the direction in which the tension is generated in the measuring portion according to the deformation and the resistance decreases in the case of the sensor gauges 177b and 177d attached in the direction in which the compression occurs.
  • the sensor frame connecting beam notch groove 174-3 may be formed in the sensor frame connecting beam 174 as described above for the sensitive deformation of the sensor frame connecting beam 174.
  • the present invention can be applied to various fields for achieving accurate and safe operation control through accurate torque sensing in a torque transfer device having a home or small joint function in addition to various industrial equipments of the present invention.

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Abstract

본 발명은 로봇 관절에 인가되는 토크를 반작용 방식으로 측정하여 감속기의 진동으로 인해 관절토크센서에 발생하는 상호간섭 현상을 줄이고 관절의 토크 측정 정확도를 높일 수 있는 로봇 관절 유닛 및 이에 구비되는 관절토크센서를 제공하기 위한 것이다. 본 발명에 따른 로봇 관절 유닛은, 베이스부와, 베이스부에 지지되는 스테이터 및 스테이터에 지지되어 회전하는 로터를 구비하여 입력 토크를 제공하는 구동부와, 구동부로부터 입력 토크를 전달받고 감속시켜 구동 토크를 생성하는 감속기와, 감속기로부터 구동 토크를 전달받아 회전하는 출력 링크와, 출력 링크로부터 감속기에 작용하는 반작용 토크를 감지할 수 있도록 베이스부에 배치되어 스테이터를 지지하는 관절토크센서를 포함한다.

Description

관절토크센서 및 이를 구비하는 로봇 관절 유닛
본 발명은 관절 토크 센서 및 로봇 관절 유닛에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 로봇 관절에 인가되는 토크를 반작용 방식으로 측정하여 측정 정확도를 높일 수 있는 관절토크센서를 구비하는 로봇 관절 유닛에 관한 것이다.
현재, 다양한 분야에서 로봇에 대한 수요가 증가함에 따라 직관적이고, 안전한 로봇 운용에 대한 중요성이 증대되고 있다.
로봇의 안전한 기능 구현을 위해서는 로봇에 인가되는 힘을 정확히 측정하고 제어에 반영하는 것이 필요하며, 로봇에 인가되는 힘, 토크를 측정하기 위한 다양한 방법이 제안되어 왔다.
도 1에 나타낸 것과 같이, 로봇의 관절에 사용되는 관절토크센서(10)는 구동부(20)로부터 토크를 전달받아 감속시키는 감속기(30)와 출력 링크(40) 사이에 장착되는 것이 일반적이다. 이러한 로봇 관절 구조에서 출력 링크(40)를 통해 토크가 가해지면 감속기(30)와 출력 링크(40) 사이에서 작용하는 토크를 관절토크센서(10)에서 직접적으로 측정할 수 있다.
그런데 이러한 종래의 관절토크센서(10)는 측정을 원하는 회전 방향 토크와 함께 감속기(30)에서 발생하는 진동이 관절토크센서(10)에 직접 작용하여 측정값의 흔들림 오차가 발생하기 쉽다. 또한 종래의 관절토크센서(10)는 다른 관절 구성 요소에 비해 상대적으로 낮은 강성을 가짐으로써, 조립 시 관절 전체의 강성이 낮아지는 문제가 있다. 그리고 측정값을 전송하기 위한 배선이 반드시 관절의 내부를 통과해야 하므로 배선의 꼬임 및 끊어짐 방지를 위해 관절의 회전 각도가 제한되는 문제 등이 있다.
등록특허공보 제1715222호 (2017. 03. 13)
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 로봇 관절에 인가되는 토크를 반작용 방식으로 측정하여 감속기의 진동으로 인해 관절토크센서에 발생하는 상호간섭 현상을 줄이고 관절의 토크 측정 정확도를 높일 수 있는 관절토크센서 및 이를 구비하는 로봇 관절 유닛을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 바와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명에 따른 로봇 관절 유닛은, 베이스부; 상기 베이스부에 지지되는 스테이터와, 상기 스테이터에 지지되어 회전하는 로터를 구비하여 입력 토크를 제공하는 구동부; 상기 구동부로부터 입력 토크를 전달받고 감속시켜 구동 토크를 생성하는 감속기; 상기 감속기로부터 구동 토크를 전달받아 회전하는 출력 링크; 및 상기 출력 링크로부터 상기 감속기에 작용하는 반작용 토크를 감지할 수 있도록 상기 베이스부에 배치되어 상기 스테이터를 지지하는 관절토크센서;를 포함한다.
상기 관절토크센서는, 일단이 상기 베이스부와 연결되고 타단이 상기 스테이터와 연결되는 센서 프레임과, 상기 센서 프레임에 배치되는 센서 게이지를 포함할 수 있다.
상기 센서 프레임은, 상기 베이스부에 고정되는 센서 프레임 고정 림과, 상기 센서 프레임 고정 림과 상기 로터의 회전 중심축 길이 방향으로 이격 배치되어 상기 스테이터와 연결되는 센서 프레임 연결 림과, 상기 센서 프레임 고정 림과 상기 센서 프레임 연결 림 사이에 배치되어 상기 센서 프레임 고정 림과 상기 센서 프레임 연결 림을 연결하는 센서 프레임 연결 빔을 포함하고, 상기 센서 게이지는 상기 센서 프레임 연결 빔에 배치될 수 있다.
상기 센서 프레임 연결 빔 및 상기 센서 게이지는 각각 복수로 구비될 수 있다.
상기 복수의 센서 프레임 연결 빔은 상기 로터의 회전 중심축 둘레를 따라 이격 배치되고, 상기 복수의 센서 게이지는 상기 복수의 센서 프레임 연결 빔 중 적어도 두 개의 센서 프레임 연결 빔에 각각 배치되어 휘트스톤 브릿지 구조를 이룰 수 있다.
상기 복수의 센서 프레임 연결 빔은 상기 로터의 회전 중심축 둘레를 따라 90도 간격으로 배치되고, 상기 휘트스톤 브릿지 구조를 이루는 복수의 센서 게이지는 상기 복수의 센서 프레임 연결 빔 중 180도 간격으로 배치되는 두 개의 센서 프레임 연결 빔에 각각 두 개씩 배치될 수 있다.
상기 센서 프레임은 상기 센서 프레임 연결 빔 중간에 마련되어 상기 센서 프레임 연결 빔의 단면적을 축소시키는 연결 빔 홈을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 로봇 관절 유닛은, 상기 베이스부와 상기 센서 프레임 연결 림 사이에 배치되어 상기 센서 프레임 연결 림을 지지하는 베어링;을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 로봇 관절 유닛은, 상기 로터의 회전 중심축과 동심 배치되도록 상기 로터와 연결되어 상기 센서 프레임의 내측으로 연장되는 회전 서포트; 상기 회전 서포트와 결합되어 회전하는 디스크 허브 및 상기 디스크 허브로부터 돌출되는 디스크 돌기를 구비하는 브레이크 디스크; 상기 디스크 돌기와 접촉하여 상기 브레이크 디스크의 회전을 구속할 수 있도록 상기 베이스부에 가동적으로 지지되는 스토퍼; 및 상기 스토퍼를 상기 디스크 돌기의 가동 반경 내외로 가동시킬 수 있도록 상기 베이스부에 지지되어 상기 스토퍼에 이동력을 제공하는 스토퍼 구동기;를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 로봇 관절 유닛은, 상기 스토퍼에 대해 상기 스토퍼 구동기에 의한 상기 스토퍼의 이동 방향과 반대 방향으로 탄성력을 가하도록 상기 베이스부에 지지되는 스토퍼 지지 스프링;을 포함할 수 있다.
상기 스토퍼 구동기는 전류를 공급받아 상기 스토퍼를 상기 디스크 돌기의 가동 반경으로부터 벗어나도록 이동시키는 솔레노이드이고, 상기 스토퍼 지지 스프링은 상기 스토퍼 구동기에 대한 전류 공급이 차단될 때 상기 스토퍼를 상기 디스크 돌기의 가동 반경 내로 이동시키도록 탄성력을 가할 수 있다.
상기 스토퍼는 그 가장자리 둘레에 상기 걸림돌기가 접촉하는 곡면형의 접촉곡면을 구비하고, 상기 디스크 돌기의 끝단에는 상기 스토퍼의 접촉곡면에 접촉하는 디스크 접촉부가 마련된 디스크 팁부가 구비되되, 상기 디스크 접촉부는 상기 디스크 돌기의 가동 반경이 이루는 원의 반경 방향에 대해 경사지게 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 로봇 관절 유닛은, 상기 로터의 회전 중심축과 동심 배치되도록 상기 로터와 연결되어 상기 센서 프레임의 내측으로 연장되는 회전 서포트; 상기 회전 서포트와 결합되어 회전할 수 있도록 상기 센서 프레임의 내측에 상기 회전 서포트와 동축 배치되는 엔코더 로터; 및 상기 엔코더 로터의 회전을 감지할 수 있도록 상기 센서 프레임에 지지되는 로터리 센서;를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 로봇 관절 유닛은, 상기 로터의 회전 중심축과 동심 배치되도록 상기 감속기와, 상기 로터와, 상기 관절토크센서를 관통하여 상기 출력 링크에 결합되는 중공축;을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 로봇 관절 유닛에 있어서, 센서 프레임은, 상기 베이스부에 고정되는 센서 프레임 고정 림과, 상기 센서 프레임 고정 림과 상기 로터의 회전 중심축 길이 방향으로 이격 배치되어 상기 스테이터와 연결되는 센서 프레임 연결 림과, 상기 센서 프레임 고정 림과 상기 센서 프레임 연결 림 사이에 배치되어 상기 센서 프레임 고정 림과 상기 센서 프레임 연결 림을 연결하는 센서 프레임 연결 빔을 포함하고, 상기 센서 게이지는 상기 센서 프레임 연결 빔에 배치되고, 상기 센서 프레임 연결 빔은 상기 센서 프레임 고정 림 및 상기 센서 프레임 연결 림 중의 적어도 하나와 분리 가능하게 배치될 수도 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 로봇 관절 유닛에 있어서, 상기 센서 프레임 연결 빔은 상기 센서 프레임 고정 림과 상기 센서 프레임 연결 림 사이에 배치되는 블록 구조일 수도 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 로봇 관절 유닛에 있어서, 상기 센서 프레임 연결 빔은, 상기 센서 프레임 고정 림과 상기 센서 프레임 연결 림을 향한 양측 단부에 상기 센서 프레임 고정 림과 상기 센서 프레임 연결 림 측과 끼움 연결을 이루는 센서 프레임 연결 빔 리브를 구비하고, 상기 센서 프레임 고정 림과 상기 센서 프레임 연결 림에는 상기 센서 프레임 연결 빔 리브를 맞물림 수용하는 센서 프레임 연결 빔 리브 대응부를 구비할 수도 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 로봇 관절 유닛에 있어서, 상기 센서 프레임 연결 빔에는 센서 프레임 연결 빔 노치홈부가 구비될 수도 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 로봇 관절 유닛에 있어서, 상기 센서 프레임 연결 빔 노치홈부는, 상기 센서 프레임 연결 빔의 상기 센서 프레임 고정 림과 상기 센서 프레임 연결 림을 관통하는 관통축 중심을 향한 내측면에 형성될 수도 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 로봇 관절 유닛에 있어서, 상기 센서 게이지는 상기 센서 프레임 연결 빔의, 상기 센서 프레임 연결 빔의 상기 센서 프레임 고정 림과 상기 센서 프레임 연결 림을 관통하는 관통축 중심을 향한 내측면과, 상기 센서 프레임 연결 빔의 상기 센서 프레임 고정 림과 상기 센서 프레임 연결 림을 관통하는 관통축 중심으로부터의 반경 방향을 향한 외측면 배치될 수도 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 로봇 관절 유닛에 있어서, 상기 복수의 센서 게이지는 상기 복수의 센서 프레임 연결 빔 중 적어도 두 개의 센서 프레임 연결 빔에 각각 배치되어 휘트스톤 브릿지 구조를 이룰 수도 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 로봇 관절 유닛에 있어서, 상기 센서 프레임 연결 빔 및 상기 센서 게이지는 각각 복수로 구비될 수도 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 로봇 관절 유닛에 있어서, 상기 복수의 센서 프레임 연결 빔은 상기 로터의 회전 중심축 둘레를 따라 이격 배치되고, 상기 복수의 센서 게이지는 상기 복수의 센서 프레임 연결 빔 중 적어도 하나의 센서 프레임 연결 빔의 반경상 내외주면에 각각 배치되어 휘트스톤 브릿지 구조를 이룰 수도 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 로봇 관절 유닛에 있어서, 상기 로터의 회전 중심축과 동심 배치되도록 상기 감속기와, 상기 로터와, 상기 관절토크센서를 관통하여 상기 출력 링크에 결합되는 중공축;을 포함할 수도 있다.
본 발명의 다른 일면에 따르면, 구동부는 베이스부에 지지되는 스테이터에 지지되어 회전하는 로터를 구비하고 입력 토크를 제공하고, 구동부로부터 입력 토크를 전달받고 감속시켜 구동 토크를 생성하는 감속기로부터 구동 토크를 전달받아 출력 링크가 회전하되, 출력 링크로부터 감속기에 작용하는 반작용 토크를 감지할 수 있도록 고정되는 측에 배치되는 출력 링크로부터 감속기에 작용하는 반작용 토크를 감지할 수 있도록 고정되는 베이스부 측에 배치되어 스테이터를 지지하는 것을 특징으로 하는 관절토크센서를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 관절토크센서에 있어서, 일단이 상기 베이스부와 연결되고 타단이 상기 스테이터와 연결되는 센서 프레임과, 상기 센서 프레임에 배치되는 센서 게이지를 포함할 수도 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 관절토크센서에 있어서, 상기 센서 프레임은, 베이스부 측에 고정 배치되는 센서 프레임 고정 림과, 상기 센서 프레임 고정 림과 로터의 회전 중심축 길이 방향으로 이격 배치되어 스테이터와 연결되는 센서 프레임 연결 림과, 상기 센서 프레임 고정 림과 상기 센서 프레임 연결 림 사이에 배치되어 상기 센서 프레임 고정 림과 상기 센서 프레임 연결 림을 연결하는 센서 프레임 연결 빔을 포함하고, 상기 센서 게이지는 상기 센서 프레임 연결 빔에 배치될 수도 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 관절토크센서에 있어서, 상기 센서 프레임은, 상기 베이스부에 고정되는 센서 프레임 고정 림과, 상기 센서 프레임 고정 림과 로터의 회전 중심축 길이 방향으로 이격 배치되어 스테이터와 연결되는 센서 프레임 연결 림과, 상기 센서 프레임 고정 림과 상기 센서 프레임 연결 림 사이에 배치되어 상기 센서 프레임 고정 림과 상기 센서 프레임 연결 림을 연결하는 센서 프레임 연결 빔을 포함하고, 상기 센서 게이지는 상기 센서 프레임 연결 빔에 배치되고, 상기 센서 프레임 연결 빔은 상기 센서 프레임 고정 림 및 상기 센서 프레임 연결 림 중의 적어도 하나와 분리 가능하게 배치될 수도 있다.
본 발명에 따른 관절토크센서 및 이를 구비하는 로봇 관절 유닛은 관절토크센서가 관절 구동에 따른 회전없이 감속기에서 발생한 토크와 동일한 크기의 반작용 토크를 측정할 수 있고, 출력 링크에 인가되는 외력 토크를 직접적으로 측정할 수 있다. 따라서 감속기의 진동으로 인한 측정값의 흔들림 오차를 크게 줄일 수 있고, 출력 링크에 인가되는 토크를 더욱 정확하게 측정할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 관절토크센서 및 이를 구비하는 로봇 관절 유닛은 관절토크센서를 브레이크부나 로터리 센서부 등의 구성 요소와 병렬로 구성할 수 있다. 즉, 관절토크센서의 센서 프레임 내측에 브레이크부나 로터리 센서부의 구성 요소를 배치할 수 있다. 따라서 관절토크센서의 조립으로 인한 로봇 관절 유닛의 전체 길이 증가를 최소화할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 관절토크센서 및 이를 구비하는 로봇 관절 유닛은 관절토크센서가 감속기의 회전과 무관하게 구성되므로, 종래와 같이 관절토크센서의 배선이 구동부나 감속기 등의 구성 요소의 내부를 통과하지 않아도 되어 관절의 회전 각도가 제한되지 않고 무한한 회전이 가능하다.
또한 본 발명에 따른 관절토크센서 및 이를 구비하는 로봇 관절 유닛은 토크 측정을 위한 관절토크센서의 변형부, 즉 센서 프레임 연결 빔이 센서 프레임의 최외각에 배치되므로, 기존의 동일한 용량의 관절토크센서에 비해 높은 강성을 가지며, 이로 인해 로봇 관절 유닛 전체의 강성이 낮아지는 문제를 해결할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 관절토크센서 및 이를 구비하는 로봇 관절 유닛은 분리 조립 가능한 구조의 관절토크센서를 통하여 조립 생산성을 향상시킬 수도 있다.
또한 본 발명에 따른 관절토크센서 및 이를 구비하는 로봇 관절 유닛은 센서 프레임 연결 빔에 형성되는 센서 프레임 연결 빔 리브 및 이의 대응하는 센서 프레임 연결 빔 리브 대응부를 통하여 간극을 최소화하며 토크의 직접적인 물릴적 전달을 이루어 감지 감도를 최대화시킬 수도 있다.
또한 본 발명에 따른 관절토크센서 및 이를 구비하는 로봇 관절 유닛은 센서 프레임 연결 빔 노치홈부를 통하여 응력 집중을 통한 감지 감도를 극대화시킬 수도 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 로봇 관절 유닛의 개략적인 구조도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 관절토크센서 및 이를 구비하는 로봇 관절 유닛의 개략적인 구조도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 관절토크센서 및 이를 구비하는 로봇 관절 유닛을 나타낸 분해 사시도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 관절토크센서 및 이를 구비하는 로봇 관절 유닛을 나타낸 단면도이다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 로봇 관절 유닛의 브레이크부의 설치 구조 및 작용을 설명하기 위한 것이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 관절토크센서 및 이를 구비하는 로봇 관절 유닛의 로터리 센서부를 설명하기 위한 것이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 로봇 관절 유닛의 관절토크센서를 나타낸 사시도이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 로봇 관절 유닛의 관절토크센서를 나타낸 평면도이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 로봇 관절 유닛의 센서 게이지에 의한 휘트스톤 브릿지 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 로봇 관절 유닛의 관절토크센서에 토크가 인가될 때 센서 프레임의 전단 응력에 의한 변형을 과장해서 나타낸 것이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 로봇 관절 유닛의 관절토크센서에 토크가 인가될 때 관절토크센서를 통해 측정된 결과 그래프를 나타낸 것이다.
도 16은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 관절토크센서의 개략적인 분해 사시도를 나타낸 것이다.
도 17은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 관절토크센서의 구성 상태의 사진 선도이다.
도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 로봇 관절 유닛의 관절토크센서의 센서 게이지에 의한 휘트스톤 브릿지 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 19 및 도 20은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 관절토크센서의 응력 상태의 부분 평면 선도 내지 사시 선도이다.
도 21은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 관절토크센서의 휘트스톤브릿지를 통한 출력 선도이다.
이하, 본 발명에 따른 관절토크센서를 구비하는 로봇 관절 유닛을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 관절토크센서를 구비하는 로봇 관절 유닛의 개략적인 구조도이고, 도 3 및 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 로봇 관절 유닛을 나타낸 분해 사시도이며, 도 5 및 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 로봇 관절 유닛을 나타낸 단면도이다.
도면에 나타낸 것과 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 로봇 관절 유닛(100)은 베이스부(110)와, 베이스부(110)에 지지되어 입력 토크를 제공하는 구동부(115)와, 구동부(115)로부터 입력 토크를 전달받고 감속시켜 구동 토크를 발생하는 감속기(125)와, 감속기(125)로부터 구동 토크를 전달받아 회전하는 출력 링크(130)와, 구동부(115)에 제동력을 제공하는 브레이크부(140)와, 구동부(115)의 회전을 감지하기 위한 로터리 센서부(160)와, 출력 링크(130)로부터 감속기(125)에 작용하는 반작용 토크를 감지하기 위한 관절토크센서(170)를 포함한다. 본 발명의 일실시예에 따른 로봇 관절 유닛(100)은 도 2에 나타낸 것과 같이, 관절토크센서(170)가 베이스부(110)와 구동부(115) 사이에 배치되어 감속기(125)에서 출력 링크(130)로 전달되는 토크를 직접 측정하지는 않고 간접적으로 토크를 측정할 수 있다.
베이스부(110)는 베이스 하우징(111)과, 베이스 하우징(111)의 내측에 배치되는 베이스 프레임(112)을 포함한다. 베이스부(110)의 내측에는 공간이 구비되고, 이 공간에 브레이크부(140), 로터리 센서부(160), 관절토크센서(170) 등의 구성 요소가 배치될 수 있다. 베이스부(110)는 도시된 구조 이외에, 구동부(115)를 지지할 수 있는 다양한 다른 구조로 변경될 수 있다.
구동부(115)는 관절토크센서(170)에 지지되는 구동부 하우징(116)과, 구동부 하우징(116)에 고정되는 스테이터(117)와, 스테이터(117)에 지지되어 회전하는 로터(118)를 포함한다. 로터(118)는 스테이터(117)의 내측에 배치되어 회전한다. 로터(118)의 일단은 감속기(125)와 연결되고, 로터(118)의 타단은 회전 서포트(120)와 연결된다. 구동부 하우징(116)은 관절토크센서(170)를 통해 베이스부(110)에 지지된다.
회전 서포트(120)는 로터(118)의 회전 중심축과 동심 배치되어 브레이크부(140)와 로터리 센서부(160)의 구성 요소를 지지한다. 회전 서포트(120)는 로터(118)와 결합되는 서포트 디스크(121)와, 서포트 디스크(121)와 결합되어 서포트 디스크(121)와 동심 배치되는 서포트 보스(122)를 포함하고, 적어도 일부분이 관절토크센서(170)의 내측에 배치된다.
구동부(115)는 도시된 구조 이외에, 입력 토크를 생성하여 감속기(125)에 제공할 수 있는 다양한 다른 구조로 변경될 수 있다. 예를 들어, 도면에는 스테이터(117)가 구동부 하우징(116)을 통해 관절토크센서(170)에 간접적으로 지지되는 것으로 나타냈으나, 스테이터(117)가 관절토크센서(170)에 직접 결합될 수도 있다.
감속기(125)는 구동부(115)로부터 입력 토크를 전달받고 감속시켜 구동 토크를 생성하여 출력 링크(130)에 제공한다. 감속기(125)는 구동부(115)의 로터(118)와 연결되는 감속기 입력부(126)와, 감속기 입력부(126)와 출력 링크(130)를 연결하는 감속기 출력부(127)를 포함한다. 감속기 출력부(127)는 감속기 입력부(126)의 토크를 감속시켜 출력 링크(130)에 전달한다. 감속기(125)는 도시된 구조 이외에, 구동부(115)로부터의 입력 토크를 감속시켜 출력 링크(130)에 전달할 수 있는 다양한 구조를 취할 수 있다.
출력 링크(130)는 감속기(125)의 감속기 출력부(127)와 연결되어 감속기(125)로부터 구동 토크를 전달받아 회전한다. 도면에는 출력 링크(130)가 중앙에 출력 링크 관통구(131)가 마련된 모양을 갖는 것으로 나타냈으나, 출력 링크(130)는 다른 부품과 결합될 수 있는 다양한 형태로 이루어질 수 있다. 출력 링크(130)에는 중공축(135)이 결합된다.
중공축(135)은 내부가 빈 중공형 구조로 이루어지고, 출력 링크(130)의 출력 링크 관통구(131)를 통과하여 베이스부(110)의 내부를 향해 연장된다. 중공축(135)은 감속기(125)와, 로터(118)와, 관절토크센서(170)와, 회전 서포트(120)를 관통하여 로터(118)의 회전 중심축과 동심 배치된다. 중공축(135)은 베이스부(110) 내측에 배치되는 구성 요소와 베이스부(110) 외부에 배치되는 구성 요소를 전기적으로 연결하는 전기 배선의 통로로 이용될 수 있다.
브레이크부(140)는 회전 서포트(120)와 결합되어 회전하는 브레이크 디스크(141)와, 브레이크 디스크(141)와 접촉하여 브레이크 디스크(141)의 회전을 구속하기 위한 스토퍼(148)와, 스토퍼(148)를 움직이는 스토퍼 구동기(152)를 포함한다. 이러한 브레이크부(140)는 스토퍼(148)의 움직임에 따라 브레이크 디스크(141)가 스토퍼(148)와 간섭됨으로써 출력 링크(130)에 제동력을 제공할 수 있다.
브레이크 디스크(141)는 회전 서포트(120)에 결합되어 회전 서포트(120)와 동심 배치되는 디스크 허브(142)와, 디스크 허브(142)의 둘레에 반경 방향으로 돌출 구비되는 복수의 디스크 돌기(144)를 포함한다. 디스크 허브(142)는 그 중심부에 구비되는 디스크 관통구(143)에 회전 서포트(120)가 삽입되는 방식으로 회전 서포트(120)와 결합된다. 복수의 디스크 돌기(144)는 스토퍼(148)에 걸릴 수 있도록 디스크 허브(142)의 가장자리에 원주 방향을 따라 일정 간격으로 이격 배치된다. 디스크 돌기(144)의 끝단에는 스토퍼(148)와의 접촉을 위한 디스크 팁부(145)가 구비된다. 디스크 팁부(145)에는 스토퍼(148)와 접촉하는 디스크 접촉부(146)가 마련된다. 디스크 접촉부(146)는 스토퍼(148)의 외면에 안정적으로 접촉할 수 있도록 디스크 돌기(144)의 가동 반경, 즉, 디스크 허브(142)의 반경 방향에 대해 경사지게 배치된다.
스토퍼(148)는 회전 서포트(120)의 외측에 회전 서포트(120)의 회전 중심축과 평행하게 직선 이동 가능하게 배치된다. 스토퍼(148)는 관절토크센서(170)의 센서 프레임(171)에 슬라이드 이동 가능하게 지지된다. 스토퍼(148)의 가장자리 둘레에는 브레이크 디스크(141)의 디스크 돌기(144)와 접촉할 수 있는 스토퍼 접촉곡면(149)이 마련된다.
이러한 스토퍼(148)는 디스크 돌기(144)의 가동 반경 외측에 대기하다가 디스크 돌기(144)의 가동 반경 내측으로 이동함으로써 브레이크 디스크(141)의 복수의 디스크 돌기(144) 중 하나의 디스크 돌기(144)와 접할 수 있으며, 이러한 동작을 통해 회전하는 브레이크 디스크(141)를 정지시킬 수 있다. 디스크 돌기(144)가 충돌하는 스토퍼(148)의 가장자리에 곡면형의 스토퍼 접촉곡면(149)이 구비되므로, 디스크 돌기(144)의 디스크 접촉부(146)가 스토퍼(148)에 충돌할 때의 충격과 충격에 의한 파손이나 마모의 문제를 줄일 수 있다.
스토퍼(148)의 구체적인 구성은 도시된 것으로 한정되지 않는다. 즉, 스토퍼는 디스크 돌기(144)와 접하여 브레이크 디스크(141)의 회전을 멈출 수 있는 다양한 다른 구조로 변경될 수 있다. 또한 스토퍼(148)는 관절토크센서(170)를 통해 베이스부(110)에 간접적으로 지지되지 않고, 베이스부(110)에 직접 가동적으로 지지될 수 있다.
스토퍼 구동기(152)는 스토퍼(148)를 디스크 돌기(144)의 가동 반경 내외로 이동시킬 수 있도록 스토퍼(148)에 이동력을 제공한다. 도면에는 스토퍼 구동기(152)가 베이스부(110)에 지지되는 것으로 나타냈으나, 스토퍼 구동기(152)는 관절토크센서(170)의 센서 프레임(171)에 지지될 수 있다. 스토퍼 구동기(152)는 스토퍼(148)를 회전 서포트(120)의 회전 중심축과 평행한 방향으로 가압하여 디스크 돌기(144)의 가동 반경으로부터 벗어나게 한다.
스토퍼 구동기(152)로는 전류를 공급받아 스토퍼(148)를 가압하는 솔레노이드가 이용될 수 있다. 구동부(115)가 작동하는 동안 스토퍼 구동기(152)에 전원이 공급됨으로써 스토퍼 구동기(152)가 스토퍼(148)를 디스크 돌기(144)의 가동 반경으로부터 벗어나게 할 수 있다. 그리고 스토퍼 구동기(152)에 공급되는 전원이 차단되면, 스토퍼 지지 스프링(154)이 스토퍼(148)를 디스크 돌기(144)의 가동 반경 내로 이동시킨다.
스토퍼 지지 스프링(154)은 관절토크센서(170)의 센서 프레임(171)에 지지되어 스토퍼(148)에 대해 스토퍼 구동기(152)의 가압 방향과 반대 방향으로 탄성력을 가한다. 스토퍼 구동기(152)에 공급되는 전원이 차단될 때, 스토퍼 지지 스프링(154)은 스토퍼(148)에 탄성력을 가해 스토퍼(148)를 디스크 돌기(144)의 가동 반경 내측으로 이동시킨다. 따라서 스토퍼 구동기(152)의 가압력이 해제되면 스토퍼(148)는 스토퍼 지지 스프링(154)의 탄성력에 의해 디스크 돌기(144)의 가동 반경 내측으로 이동하여 디스크 돌기(144)와 접촉할 수 있다. 스토퍼 지지 스프링(154)은 센서 프레임(171)이 아닌 베이스부(110)에 지지될 수 있다.
이와 같이, 스토퍼(148)는 스토퍼 구동기(152)에 의해 브레이크 디스크(141)와 간섭이 발생하지 않은 위치로 이동하여 출력 링크(130)의 회전을 방해하지 않는다. 반면, 스토퍼 구동기(152)에 대한 전원 공급이 차단될 경우, 스토퍼(148)가 스토퍼 지지 스프링(154)의 작용으로 디스크 돌기(144)의 가동 반경 내로 들어가 디스크 돌기(144)와 간섭됨으로써 출력 링크(130)의 회전을 구속하게 된다.
브레이크부(140)는 도시된 구조 이외에, 출력 링크(130)에 제동력을 제공할 수 있는 다양한 다른 구조로 변경될 수 있다.
로터리 센서부(160)는 회전 서포트(120)와 결합되어 회전하는 엔코더 로터(118)와, 엔코더 로터(118)의 회전을 감지할 수 있는 로터리 센서(162)를 포함한다. 엔코더 로터(118)는 회전 서포트(120)와 동심 배치되어 센서 프레임(171)의 내측에 배치된다. 로터리 센서(162)는 관절토크센서(170)의 센서 프레임(171)에 지지된다. 엔코더 로터(118)는 그 회전 중심축 둘레를 따라 배치되는 복수의 슬릿을 구비할 수 있고, 로터리 센서(162)는 슬릿의 이동 개수를 감지하여 엔코더 로터(118)의 회전 각도를 검출할 수 있다.
로터리 센서부(160)는 도시된 구조 이외에, 회전 서포트(120)나, 출력 링크(130)의 회전을 감지할 수 있는 다양한 다른 구조로 변경될 수 있다. 예를 들어, 도면에는 로터리 센서(162)가 센서 프레임(171)을 통해 베이스부(110)에 간접적으로 지지되는 것으로 나타냈으나, 로터리 센서(162)는 베이스부(110)에 직접 지지될 수 있다.
관절토크센서(170)는 출력 링크(130)로부터 감속기(125)에 작용하는 반작용 토크를 감지한다. 관절토크센서(170)는 베이스부(110)에 지지되어 구동부(115)의 구동부 하우징(116)을 지지한다. 관절토크센서(170)는 베이스부(110)와 구동부(115) 사이에 배치되어 베이스부(110)와 구동부(115)를 연결하는 센서 프레임(171)과, 센서 프레임(171)에 배치되는 복수의 센서 게이지(177a)(177b)(177c)(177d)를 포함한다.
센서 프레임(171)은 일단이 베이스부(110)와 연결되고 타단이 구동부(115)의 구동부 하우징(116)과 연결된다. 센서 프레임(171)은 베이스부(110)의 베이스 프레임(112)에 고정되는 센서 프레임 고정 림(172)과, 센서 프레임 고정 림(172)과 이격 배치되어 구동부 하우징(116)과 연결되는 센서 프레임 연결 림(173)과, 센서 프레임 고정 림(172)과 센서 프레임 연결 림(173)를 연결하는 복수의 센서 프레임 연결 빔(174)을 포함한다. 센서 프레임 연결 림(173)은 베이스부(110)의 베이스 하우징(111) 내측에 배치되는 베어링(180)에 의해 지지된다. 베어링(180)이 센서 프레임 연결 림(173)을 회전 가능하게 지지함으로써 센서 프레임(171)에 토크 인가 시 센서 프레임(171)이 일측으로 벤딩되지 않고 안정적으로 토크 인가 방향으로 변형될 수 있다.
복수의 센서 프레임 연결 빔(174)은 센서 프레임 고정 림(172)과 센서 프레임 연결 림(173) 사이에 로터(118)의 회전 중심축 둘레를 따라 이격 배치된다. 도면에는 네 개의 센서 프레임 연결 빔(174)이 로터(118)의 회전 중심축 둘레를 따라 90도 간격으로 배치되는 것으로 나타냈으나 센서 프레임 연결 빔(174)의 개수나 배치 각도는 다양하게 변경될 수 있다. 센서 프레임 연결 빔(174) 중간에는 연결 빔 홈(175)이 마련된다. 센서 프레임 연결 빔(174)에 연결 빔 홈(175)을 마련함으로써 센서 프레임 연결 빔(174)의 단면적을 축소시킬 수 있으며, 이를 통해 센서 프레임 연결 빔(174)의 변형 민감도를 더욱 높일 수 있다.
도시된 것과 같이, 센서 프레임(171)은 로터(118)와 동심 배치되는 대구경 중공형 구조를 취함으로써 그 내측에 회전 서포트(120)와, 브레이크부(140) 및 로터리 센서부(160)의 구성 요소들이 배치될 수 있다. 이러한 구성 요소 간의 연결 구조를 통해 로봇 관절 유닛(100)의 전체 길이가 최소화될 수 있고, 콤팩트한 로봇 관절 유닛(100)을 구현할 수 있다.
센서 프레임 연결 빔(174)의 바깥 면에는 복수의 센서 게이지(177a)(177b)(177c)(177d)가 배치된다. 도 11 내지 도 13에 나타낸 것과 같이, 복수의 센서 게이지(177a)(177b)(177c)(177d)는 복수의 센서 프레임 연결 빔(174) 중 적어도 두 개의 센서 프레임 연결 빔(174)에 각각 배치된다. 도면에 나타낸 것과 같이, 센서 게이지(177a)(177b)(177c)(177d)는 복수의 센서 프레임 연결 빔(174) 중 180도 간격으로 배치되는 두 개의 센서 프레임 연결 빔(174)에 각각 두 개씩 배치되어 휘트스톤 브릿지 구조를 이룰 수 있다.
즉, 네 개의 센서 게이지(177a)(177b)(177c)(177d) 중에서 첫 번째, 두 번째 센서 게이지(177a)(177b)는 네 개의 센서 프레임 연결 빔(174) 중에서 어느 하나의 바깥 면에 배치되고, 세 번째, 네 번째 센서 게이지(177c)(177d)는 마주보는 센서 프레임 연결 빔(174)의 바깥 면에 배치된다. 이렇게 배치되어 휘트스톤 브릿지 구조를 이루는 네 개의 센서 게이지(177a)(177b)(177c)(177d)를 통해 센서 프레임(171)에 인가되는 토크에 비례하는 출력 신호를 얻을 수 있다. 첫 번째 및 두 번째 센서 게이지(177a)(177b)는 하나의 센서 프레임 연결 빔(174)에 로터(118)의 회전 중심축 방향과 교차하되, 이들 역시 상호 교차하도록 배치된다. 세 번째 및 네 번째 센서 게이지(177c)(177d) 역시 또 다른 하나의 센서 프레임 연결 빔(174)에 로터(118)의 회전 중심축 방향과 교차하되, 상호 교차하도록 배치된다. 즉, 하나의 센서 프레임 연결 빔(174)에 배치되는 두 개의 센서 게이지는 대략 'X'자 형태로 교차하여 배치된다.
도 14에 나타낸 것과 같이, 센서 프레임(171)에 토크가 인가되는 경우, 이에 비례하여 센서 프레임 연결 빔(174)에 전단응력으로 인한 변형이 발생하고, 센서 프레임 연결 빔(174)에 부착된 센서 게이지(177a)(177b)(177c)(177d)의 저항이 변하게 된다. 센서 프레임 연결 빔(174)이 변형될 때, 센서 프레임 연결 빔(174)에 인장이 발생하는 방향으로 배치되는 센서 게이지는 저항이 증가하고, 압축이 발생하는 방향으로 배치되는 센서 게이지는 저항이 감소하게 된다. 즉, 센서 프레임 연결 빔(174)이 변형될 때 네 개의 센서 게이지(177a)(177b)(177c)(177d) 중에서 첫 번째 센서 게이지(177a)와 세 번째 센서 게이지(177c)는 함께 저항이 증가하거나 감소하게 되고, 두 번째 센서 게이지(177b)와 네 번째 센서 게이지(177d)는 함께 저항이 감소하거나 증가하게 된다. 이들 네 개의 센서 게이지(177a)(177b)(177c)(177d)를 휘트스톤 브릿지 구조를 이루도록 배치함으로써, 네 개의 센서 게이지(177a)(177b)(177c)(177d)의 저항 변화를 모두 합하여 4배로 신호 증폭하고, 저항 변화를 전압 변화로 변경할 수 있고, 관절토크센서(170)에 인가되는 토크에 비례하는 출력 신호를 얻을 수 있다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 로봇 관절 유닛(100)의 관절토크센서(170)에 토크가 인가될 때 관절토크센서(170)를 통해 측정된 결과 그래프의 일예를 나타낸 것이다. 도 15를 보면, 본 발명에 따른 관절토크센서(170)는 양호한 선형성의 측정 결과를 획득할 수 있음을 알 수 있다. 그리고 이러한 측정 결과를 토크로 환산하여 사용할 수 있다.
일반적으로, 로봇의 관절에 사용되는 하모닉 드라이브 감속기의 구동 시, 타원형의 웨이브 제너레이터가 플렉스플라인을 타원으로 변형시키며, 이 타원형 변형이 도 1과 같이 감속기에 부착된 관절토크센서에 전달되어 주기적인 오차로 발생하게 된다. 감속기의 탄성 변형으로 발생하는 오차는 웨이브 제너레이터의 회전 속도에 비례하는 주파수를 가지므로, 소프트웨어 저역통과 필터를 사용하는 경우 제어기의 시간지연 효과로 인해 반응속도가 느려지는 단점이 있다.
이에 반해, 본 발명에 따른 관절토크센서(170)는 감속기(125)와 직접 연결되지 않고 출력 링크(130)의 반작용 토크를 측정할 수 있으므로, 감속기(125)의 탄성 변형과 진동으로 인한 오차를 기구적으로 차단할 수 있는 효과가 있다.
본 발명에 따른 관절토크센서(170)가 로봇 관절 유닛의 전체 회전 강성에 미치는 영향을 확인하기 위해, 구체적인 관절토크센서(170)를 다음과 같은 설계안으로 설계하여 회전 강성을 확인해 보았다. 설계안에서, 센서 프레임(171)의 외경을 φ83로, 내경을 φ66으로 하고, 150Nm의 용량을 갖도록 센서 프레임 연결 빔(174)의 개수를 4개, 폭을 15mm, 연결 빔 홈(175)의 깊이를 6mm로 설계하였다. 본 설계안에서, 센서 게이지의 부착 위치에서 변형율은 1mm/m로 최대 민감도를 가지며, 회전 강성은 2.46x105Nm/rad으로, 이는 감속기(하모닉 드라이브 SHG20)의 회전 강성 2.9x104Nm/rad의 약 8.5배 정도의 큰 값이다. 감속기의 회전 강성을 kreducer, 관절토크센서(170)의 회전 강성을 ksensor라 할 때, 직렬로 연결되는 부품의 전체 회전 강성 ktotal은 다음의 수식과 같다.
Figure PCTKR2018012737-appb-M000001
따라서 본 설계안의 관절토크센서(170)를 장착한 로봇 관절 유닛의 회전 강성은 상기 수식에 의해 2.24x104Nm/rad이며, 관절토크센서(170)로 인한 강성의 저하가 작음을 알 수 있다.
상술한 것과 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 로봇 관절 유닛(100)은 구동부(115) 작동 시 관절토크센서(170)가 감속기(125)에서 출력 링크(130)로 전달되는 토크를 간접적으로 측정하게 된다. 구동부(115) 작동 시, 작용-반작용의 원리에 의해서 감속기(125)에서 출력 링크(130)에 전달하는 토크와 크기가 같고 방향이 반대인 토크가 출력 링크(130)에 의해서 감속기(125)로 작용하게 된다. 이렇게 발생한 반작용 토크는 감속기(125) 및 구동부(115) 전체를 회전시키려는 힘으로 작용을 하게 되는데, 구동부(115)가 베이스부(110)에 지지되어 있으므로 실제 회전이 발생하지는 않는다. 이때, 관절토크센서(170)가 작용-반작용 원리에 의해 감속기(125)에서 발생하여 출력 링크(130)로 전달되는 구동 토크를 측정할 수 있다.
즉, 본 발명의 일실시예에 따른 로봇 관절 유닛(100)은 관절 구동에 따른 회전이 없이도 감속기(125)에서 발생한 토크와 동일한 크기의 반작용 토크를 관절토크센서(170)를 통해 측정할 수 있다. 또한 출력 링크(130)를 통해 외부에서 토크가 인가되는 경우, 관절토크센서(170)가 외력 토크를 직접적으로 측정할 수 있다. 따라서 관절토크센서(170)는 기존의 감속기와 출력 링크 사이에 장착되는 관절토크센서와 동일한 기능을 수행할 수 있고, 감속기(125)의 진동으로 인한 측정값의 흔들림 오차를 크게 줄일 수 있다.
또한 본 발명의 일실시예에 따른 로봇 관절 유닛(100)은 관절토크센서(170)를 브레이크부(140)나 로터리 센서부(160) 등의 구성 요소와 병렬로 구성할 수 있다. 즉, 관절토크센서(170)의 센서 프레임(171) 내측에 브레이크부(140)나 로터리 센서부(160)의 구성 요소 일부를 배치할 수 있다. 따라서 관절토크센서(170)의 조립으로 인한 로봇 관절 유닛(100)의 전체 길이 증가를 최소화할 수 있다.
또한 본 발명의 일실시예에 따른 로봇 관절 유닛(100)은 관절토크센서(170)가 감속기(125)의 회전과 무관하게 구성되므로, 종래와 같이 관절토크센서(170)의 배선이 구동부(115)나 감속기(125) 등의 구성 요소의 내부를 통과하지 않아도 되어 관절의 회전 각도가 제한되지 않고 무한한 회전이 가능하다.
또한 본 발명의 일실시예에 따른 로봇 관절 유닛(100)은 토크 측정을 위한 관절토크센서(170)의 변형부, 즉 센서 프레임 연결 빔(174)이 센서 프레임(171)의 최외각에 배치되므로, 기존의 동일한 용량의 관절토크센서에 비해 높은 강성을 가지며, 이로 인해 로봇 관절 유닛 전체의 강성이 낮아지는 문제를 해결할 수 있다.
한편, 상기 실시예에서는 관절토크센서의 센서 프레임 연결 빔이 일체화된 경우를 중심으로 설명되었으나, 본 발명의 관절토크 센서 및 이를 구비하는 로봇 관절 유닛은 이에 국한되지 않고 다양한 변형이 가능하다.
도 16 내지 도 21에는 본 발명의 관절토크의 다른 일예가 도시되는데, 앞선 실시예에서와 동일한 구성요소에 대하는 중복된 설명은 제외하고, 차이점을 중심으로 설명하되, 동일 구성요소에 대하여는 동일 명칭을 사용한다.
도 16에 도시된 바와 같이, 본 발명의 관절토크의 센서 프레임 연결 빔은 분리 가능한 구조를 취할 수도 있다. 즉, 센서 프레임 연결 빔은 센서 프레임 고정 림과 센서 프레임 연결 림 중의 적어도 어느 하나와 분리 체결 연결 가능한 구조를 취할 수 있는데, 본 실시예에서는 센서 프레임 연결 빔이 센서 프레임 고정 림과 센서 프레임 연결 림 모두와 분리 체결 연결 가능한 구조를 취하는 경우를 중심으로 설명한다.
본 실시예에서의 센서 프레임(171)은 센서 프레임 고정 림(172)과 센서 프레임 연결 림(173)과 센서 프레임 연결 빔(174)을 구비하고, 센서 프레임 고정 림(172)은 베이스부에 고정되고, 센서 프레임 연결 림(173)은 센서 프레임 고정 림의 중심축(I-I) 길이 방향으로 이격 배치되고 스테이터와 연결되며, 센서 프레임 연결 빔(174)는 센서 프레임 고정 림과 센서 프레임 연결 림 사이에 배치되고, 센서 게이지는 센서 프레임 연결 빔에 배치되는 것은 앞선 실시예에서와 동일하나, 본 다른 변형예의 경우 센서 프레임 연결 비(174)이 센서 프레임 고정 림과 센서 프레임 연결 림을 연결하는 구조를 취하며, 센서 프레임 연결 빔은 센서 프레임 고정 림(172) 및 센서 프레임 연결 림(173) 중의 적어도 하나, 본 실시예의 경우 양자 모두와 분리 가능하게 배치된다.
센서 프레임 연결 빔(174)은 블록 구조를 취하는데, 센서 프레임 연결 빔(174)은 빔 볼트(179)와 같은 별도의 체결 부재를 통하여 센서 프레임 고정 림(172)과 센서 프레임 연결 림(173)과 체결 연결되는 구조를 취하며, 센서 프레임 연결 빔(174)은 복수 개의 블록 구조를 취하여 센서 프레임 고정 림(172)과 센서 프레임 연결 림(173)이 사이 이격되어 배치되는 경우 이들의 원주를 따라 이격 배치되는 구조를 취한다.
본 실시예에서 센서 프레임 연결 빔(174)은 체결 부재로의 빔 볼트(179)를 통하여 센서 프레임 고정 림(172) 및 센서 프레임 연결 림(173)에 고정 배치되는 구조를 취하는데, 이때 구성을 통한 토크의 전달을 보다 면밀하게 함으로써 궁극적으로 토크 감도를 증대시키는 구성요소를 더 구비할 수도 있다.
즉, 센서 프레임 연결 빔 리브(174-1,174-2)와 센서 프레임 연결 빔 리브 대응부(172-1,173-1)가 더 구비될 수 있는데, 센서 프레임 연결 빔 리브(174-1,174-2)는 센서 프레임 연결 빔(174)의 양측 단부로, 센서 프레임 고정 림(172)과 센서 프레임 연결 림(173)을 향한 양측 단부에 돌출 형성되는 구조를 취하여 센서 프레임 고정 림과 센서 프레임 연결 림 측과 끼움 연결을 이룰 수 있다.
또한, 센서 프레임 연결 빔 리브 대응부(172-1,173-1)는 센서 프레임 고정 림(172)과 센서 프레임 연결 림(173)을 포함하는데, 센서 프레임 고정 림(172)과 센서 프레임 연결 림(173)의 내측면으로 센서 프레임 연결 빔(174)의 센서 프레임 연결 빔 리브(174-1,174-2)를 향한 내측 일면에 센서 프레임 연결 빔 리브 대응부(172-1,173-1)가 배치 형성된다. 센서 프레임 연결 빔 리브(174-1,174-2)는 센서 프레임 연결 빔 리브 대응부(172-1,173-1)와 끼워 맞춤, 본 실시예에서는 억지 끼움 구조를 취하여 양자 간의 간극을 최소화하며 체결되는 구조를 취할 수 있고, 이를 통하여 센서 프레임 고정 림(172)과 센서 프레임 연결 림(173)과 센서 프레임 연결 빔(174)간의 토크 전달 구조를 직결되도록 함으로써, 조립 생산성을 개선하되 보다 면밀하고 감도 높은 토크 감지 구조 형성이 가능하다.
또한, 본 실시예의 경우 앞선 실시예에서와 달리 동일한 센서 프레임 연결 빔(174)에 복수 개의 센서 게이지가 배치되는 구조를 취할 수 있는데, 센서 게이지를 통한 토크 변화 감지를 보다 원활하게 이룰 수 있도록 하는 구성요소가 더 구비될 수도 있다. 즉, 센서 프레임 연결 빔(174)에는 센서 프레임 연결 빔 노치홈부(174-3)가 배치된다.
본 실시예에서 센서 프레임 연결 빔 노치홈부(174-3)는 센서 프레임 고정 림과 센서 프레임 연결 림을 관통하는 관통축 중심을 향한 내측면에 형성되는 경우를 중심으로 기술되었으나, 경우에 따라 외주면 측에 배치될 수도 있는 등 다양한 변형이 가능한데, 본 실시예에서는 내측면에 형성되는 경우를 중심으로 설명한다.
센서 프레임 연결 빔 노치홈부(174-3)는 센서 프레임 고정 림(172)과 센서 프레임 연결 림(173)을 관통하는 관통축(선 I-I)으로부터 반경 방향으로의 센서 프레임 연결 빔의 두께를 사전 설정된 두께를 갖도록 형성된다. 이때, 사전 설정 두께는 센서의 내구성을 유지하면서 스트레스의 집중을 통한 감도 증진시킬 수 있는 설계값으로 설정되는 것이 바람직하다.
또 한편, 본 발명의 변형예의 경우, 센서 게이지는 앞선 실시예에서와 달리 서로 상이하거나 서로 대향 배치되는 센서 프레임 연결 빔에 배치되지 않고, 복수 개의 블록 구조로 형성되는 센서 프레임 연결 빔의 하나의 동일 블록 구조에 면을 달리하여 배치되는 구조를 취할 수도 있다.
즉, 센서 게이지(177;177a,b,c,d)는 센서 프레임 연결 빔(174)의 내측면과 외측면에 배치될 수 있는데, 보다 구체적으로 센서 게이지(177;177a,b,c,d)는 센서 프레임 연결 빔(174)의 센서 프레임 고정 림(172)과 센서 프레임 연결 림(173)을 관통하는 관통축(선 I-I) 중심을 향한 내측면과, 센서 프레임 연결 빔(174)의 센서 프레임 고정 림(172)과 센서 프레임 연결 림(173)을 관통하는 관통축(선 I-I) 중심으로부터의 반경 방향을 향한 외측면 배치된다.
즉, 도 17 및 도 18에 도시된 바와 같이 센서 프레임 연결 빔(174)의 외측면에 센서 게이지(177a,b)가 배치되는데, 복수 개의 센서 게이지는 블록 구조의 복수의 센서 프레임 연결 빔 중 적어도 하나의 센서 프레임 연결 빔의 반경상 내외주면에 각각 배치되어 휘트스톤 브릿지 구조를 이룬다.
즉, 센서 프레임 연결 빔(174)의 내측면(내주면)과 외측면(외주면)에 배치된 총 4개의 센서 게이지(174a,b,c,d)로 휘트스톤 브릿지 구조를 취하는데, 도면 부호 174a,b로 지시되는 센서 게이지(174a,b)는 센서 프레임 연결 빔(174)의 외측면(외주면), 즉 바깥 면에 배치되고, 도면 부호 174c,d로 지시되는 센서 게이지(174c,d)는 동일한 센서 프레임 연결 빔(174)의 내측면(내주면), 즉 안쪽 면에 배치되며, 이들 센서 게이지는 휘트스톤 브릿지 구조를 취하여 궁극적으로 관절토크센서에 인가되는 토크에 비례하는 출력신호를 얻을 수 있다.
보다 구체적으로, 관절토크센서의 입력부 측과 연결되는 센서 프레임 연결 림(173)에 도 20와 같이 토크가 인가되면 센서 프레임 연결 림(173)과 연결되는 블록 구조의 센서 프레임 연결 빔(174)에 힘이 분산 배치되며, 각 블록으로서의 센서 프레임 연결 빔(174)에는 접선 방향으로 힘으로 작용한다.
센서 프레임 연결 빔(174)에 전달된 힘에 비례하여 센서 프레임 연결 빔(174)의 중앙에서 전단응력으로 인한 힘에 비례하는 변형이 발생하고, 궁극적으로 센서 게이지(177)의 저항이 변한다.
변형에 따라 측정부에 인장이 발생하는 방향으로 부착된 센서 게이지(177a,c)의 경우 저항이 증가하며, 압축이 발생하는 방향으로 부착된 센서 게이지(177b,d)의 경우 저항이 감소한다.
4개의 센서 게이지(177;177a,b,c,d)의 저항 변화를 모두 합하여 4배로 신호를 증폭하고, 저항 변화를 전압 변화로 변경하기 위해 휘트스톤 브릿지를 구성한다.
휘트스톤 브릿지를 통하여 관절토크센서에 인가되는 토크에 비례하는 출력 신호를 얻을 수 있다. 센서 프레임 연결 빔(174)의 민감한 변형을 위해 앞서 기술한 바와 같이 센서 프레임 연결 빔(174)에는 센서 프레임 연결 빔 노치홈부(174-3)가 배치 형성될 수 있다.
이상, 본 발명을 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려 첨부된 청구범위의 사상 및 범위를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 각종 산업 설비 이외에도 가정용 내지 소형 관절 기능을 구비하는 토크 전달 구성 장치에 있어 정확한 토크 감지를 통한 정확하고 안전한 동작 제어를 이루도록 하는 다양한 분야에 사용될 수 있다.

Claims (27)

  1. 베이스부;
    상기 베이스부에 지지되는 스테이터와, 상기 스테이터에 지지되어 회전하는 로터를 구비하여 입력 토크를 제공하는 구동부;
    상기 구동부로부터 입력 토크를 전달받고 감속시켜 구동 토크를 생성하는 감속기;
    상기 감속기로부터 구동 토크를 전달받아 회전하는 출력 링크; 및
    상기 출력 링크로부터 상기 감속기에 작용하는 반작용 토크를 감지할 수 있도록 상기 베이스부에 배치되어 상기 스테이터를 지지하는 관절토크센서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 유닛.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 관절토크센서는,
    일단이 상기 베이스부와 연결되고 타단이 상기 스테이터와 연결되는 센서 프레임과,
    상기 센서 프레임에 배치되는 센서 게이지를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 유닛.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 센서 프레임은,
    상기 베이스부에 고정되는 센서 프레임 고정 림과,
    상기 센서 프레임 고정 림과 상기 로터의 회전 중심축 길이 방향으로 이격 배치되어 상기 스테이터와 연결되는 센서 프레임 연결 림과,
    상기 센서 프레임 고정 림과 상기 센서 프레임 연결 림 사이에 배치되어 상기 센서 프레임 고정 림과 상기 센서 프레임 연결 림을 연결하는 센서 프레임 연결 빔을 포함하고,
    상기 센서 게이지는 상기 센서 프레임 연결 빔에 배치되는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 유닛.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 센서 프레임 연결 빔 및 상기 센서 게이지는 각각 복수로 구비되는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 유닛.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 복수의 센서 프레임 연결 빔은 상기 로터의 회전 중심축 둘레를 따라 이격 배치되고,
    상기 복수의 센서 게이지는 상기 복수의 센서 프레임 연결 빔 중 적어도 두 개의 센서 프레임 연결 빔에 각각 배치되어 휘트스톤 브릿지 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 유닛.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 복수의 센서 프레임 연결 빔은 상기 로터의 회전 중심축 둘레를 따라 90도 간격으로 배치되고,
    상기 휘트스톤 브릿지 구조를 이루는 복수의 센서 게이지는 상기 복수의 센서 프레임 연결 빔 중 180도 간격으로 배치되는 두 개의 센서 프레임 연결 빔에 각각 두 개씩 배치되는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 유닛.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 센서 프레임은 상기 센서 프레임 연결 빔 중간에 마련되어 상기 센서 프레임 연결 빔의 단면적을 축소시키는 연결 빔 홈을 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 유닛.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 베이스부와 상기 센서 프레임 연결 림 사이에 배치되어 상기 센서 프레임 연결 림을 지지하는 베어링;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 유닛.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 로터의 회전 중심축과 동심 배치되도록 상기 로터와 연결되어 상기 센서 프레임의 내측으로 연장되는 회전 서포트;
    상기 회전 서포트와 결합되어 회전하는 디스크 허브 및 상기 디스크 허브로부터 돌출되는 디스크 돌기를 구비하는 브레이크 디스크;
    상기 디스크 돌기와 접촉하여 상기 브레이크 디스크의 회전을 구속할 수 있도록 상기 베이스부에 가동적으로 지지되는 스토퍼; 및
    상기 스토퍼를 상기 디스크 돌기의 가동 반경 내외로 가동시킬 수 있도록 상기 베이스부에 지지되어 상기 스토퍼에 이동력을 제공하는 스토퍼 구동기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 유닛.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 스토퍼에 대해 상기 스토퍼 구동기에 의한 상기 스토퍼의 이동 방향과 반대 방향으로 탄성력을 가하도록 상기 베이스부에 지지되는 스토퍼 지지 스프링;을 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 유닛.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 스토퍼 구동기는 전류를 공급받아 상기 스토퍼를 상기 디스크 돌기의 가동 반경으로부터 벗어나도록 이동시키는 솔레노이드이고,
    상기 스토퍼 지지 스프링은 상기 스토퍼 구동기에 대한 전류 공급이 차단될 때 상기 스토퍼를 상기 디스크 돌기의 가동 반경 내로 이동시키도록 탄성력을 가하는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 유닛.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 스토퍼는 그 가장자리 둘레에 상기 걸림돌기가 접촉하는 곡면형의 접촉곡면을 구비하고,
    상기 디스크 돌기의 끝단에는 상기 스토퍼의 접촉곡면에 접촉하는 디스크 접촉부가 마련된 디스크 팁부가 구비되되, 상기 디스크 접촉부는 상기 디스크 돌기의 가동 반경이 이루는 원의 반경 방향에 대해 경사지게 배치되는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 유닛.
  13. 제 2 항에 있어서,
    상기 로터의 회전 중심축과 동심 배치되도록 상기 로터와 연결되어 상기 센서 프레임의 내측으로 연장되는 회전 서포트;
    상기 회전 서포트와 결합되어 회전할 수 있도록 상기 센서 프레임의 내측에 상기 회전 서포트와 동축 배치되는 엔코더 로터; 및
    상기 엔코더 로터의 회전을 감지할 수 있도록 상기 센서 프레임에 지지되는 로터리 센서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 유닛.
  14. 제 2 항에 있어서,
    상기 센서 프레임은,
    상기 베이스부에 고정되는 센서 프레임 고정 림과,
    상기 센서 프레임 고정 림과 상기 로터의 회전 중심축 길이 방향으로 이격 배치되어 상기 스테이터와 연결되는 센서 프레임 연결 림과,
    상기 센서 프레임 고정 림과 상기 센서 프레임 연결 림 사이에 배치되어 상기 센서 프레임 고정 림과 상기 센서 프레임 연결 림을 연결하는 센서 프레임 연결 빔을 포함하고,
    상기 센서 게이지는 상기 센서 프레임 연결 빔에 배치되고,
    상기 센서 프레임 연결 빔은 상기 센서 프레임 고정 림 및 상기 센서 프레임 연결 림 중의 적어도 하나와 분리 가능하게 배치되는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 유닛.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 센서 프레임 연결 빔은 상기 센서 프레임 고정 림과 상기 센서 프레임 연결 림 사이에 배치되는 블록 구조인 것을 특징으로 하는 로봇 관절 유닛.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 센서 프레임 연결 빔은, 상기 센서 프레임 고정 림과 상기 센서 프레임 연결 림을 향한 양측 단부에 상기 센서 프레임 고정 림과 상기 센서 프레임 연결 림 측과 끼움 연결을 이루는 센서 프레임 연결 빔 리브를 구비하고,
    상기 센서 프레임 고정 림과 상기 센서 프레임 연결 림에는 상기 센서 프레임 연결 빔 리브를 맞물림 수용하는 센서 프레임 연결 빔 리브 대응부를 구비하는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 유닛.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 센서 프레임 연결 빔에는 센서 프레임 연결 빔 노치홈부가 구비되는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 유닛.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 센서 프레임 연결 빔 노치홈부는, 상기 센서 프레임 연결 빔의 상기 센서 프레임 고정 림과 상기 센서 프레임 연결 림을 관통하는 관통축 중심을 향한 내측면에 형성되는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 유닛.
  19. 제 15항에 있어서,
    상기 센서 게이지는 상기 센서 프레임 연결 빔의, 상기 센서 프레임 연결 빔의 상기 센서 프레임 고정 림과 상기 센서 프레임 연결 림을 관통하는 관통축 중심을 향한 내측면과, 상기 센서 프레임 연결 빔의 상기 센서 프레임 고정 림과 상기 센서 프레임 연결 림을 관통하는 관통축 중심으로부터의 반경 방향을 향한 외측면 배치되는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 유닛.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 복수의 센서 게이지는 상기 복수의 센서 프레임 연결 빔 중 적어도 두 개의 센서 프레임 연결 빔에 각각 배치되어 휘트스톤 브릿지 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 유닛.
  21. 제 15항에 있어서,
    상기 센서 프레임 연결 빔 및 상기 센서 게이지는 각각 복수로 구비되는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 유닛.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 복수의 센서 프레임 연결 빔은 상기 로터의 회전 중심축 둘레를 따라 이격 배치되고,
    상기 복수의 센서 게이지는 상기 복수의 센서 프레임 연결 빔 중 적어도 하나의 센서 프레임 연결 빔의 반경상 내외주면에 각각 배치되어 휘트스톤 브릿지 구조를 이루는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 유닛.
  23. 제 1 항에 있어서,
    상기 로터의 회전 중심축과 동심 배치되도록 상기 감속기와, 상기 로터와, 상기 관절토크센서를 관통하여 상기 출력 링크에 결합되는 중공축;을 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 유닛.
  24. 구동부는 베이스부에 지지되는 스테이터에 지지되어 회전하는 로터를 구비하고 입력 토크를 제공하고, 구동부로부터 입력 토크를 전달받고 감속시켜 구동 토크를 생성하는 감속기로부터 구동 토크를 전달받아 출력 링크가 회전하되, 출력 링크로부터 감속기에 작용하는 반작용 토크를 감지할 수 있도록 고정되는 측에 배치되는
    출력 링크로부터 감속기에 작용하는 반작용 토크를 감지할 수 있도록 고정되는 베이스부 측에 배치되어 스테이터를 지지하는 것을 특징으로 하는 관절토크센서.
  25. 제 24항에 있어서,
    일단이 상기 베이스부와 연결되고 타단이 상기 스테이터와 연결되는 센서 프레임과,
    상기 센서 프레임에 배치되는 센서 게이지를 포함하는 것을 특징으로 하는 관절토크센서.
  26. 제 25항에 있어서,
    상기 센서 프레임은,
    베이스부 측에 고정 배치되는 센서 프레임 고정 림과,
    상기 센서 프레임 고정 림과 로터의 회전 중심축 길이 방향으로 이격 배치되어 스테이터와 연결되는 센서 프레임 연결 림과,
    상기 센서 프레임 고정 림과 상기 센서 프레임 연결 림 사이에 배치되어 상기 센서 프레임 고정 림과 상기 센서 프레임 연결 림을 연결하는 센서 프레임 연결 빔을 포함하고,
    상기 센서 게이지는 상기 센서 프레임 연결 빔에 배치되는 것을 특징으로 하는 관절토크센서.
  27. 제 25항에 있어서,
    상기 센서 프레임은,
    상기 베이스부에 고정되는 센서 프레임 고정 림과,
    상기 센서 프레임 고정 림과 로터의 회전 중심축 길이 방향으로 이격 배치되어 스테이터와 연결되는 센서 프레임 연결 림과,
    상기 센서 프레임 고정 림과 상기 센서 프레임 연결 림 사이에 배치되어 상기 센서 프레임 고정 림과 상기 센서 프레임 연결 림을 연결하는 센서 프레임 연결 빔을 포함하고,
    상기 센서 게이지는 상기 센서 프레임 연결 빔에 배치되고,
    상기 센서 프레임 연결 빔은 상기 센서 프레임 고정 림 및 상기 센서 프레임 연결 림 중의 적어도 하나와 분리 가능하게 배치되는 것을 특징으로 하는 관절토크센서.
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