WO2019102445A1 - 병렬형 집적 구동장치 - Google Patents

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WO2019102445A1
WO2019102445A1 PCT/IB2019/050121 IB2019050121W WO2019102445A1 WO 2019102445 A1 WO2019102445 A1 WO 2019102445A1 IB 2019050121 W IB2019050121 W IB 2019050121W WO 2019102445 A1 WO2019102445 A1 WO 2019102445A1
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WO
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shaft
rotor
motor
distal end
link
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PCT/IB2019/050121
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노재호
이재용
김대제
권재성
양우성
양진호
임현국
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(주)한국미래기술
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    • B25J17/00—Joints
    • B25J17/02—Wrist joints
    • B25J17/0208—Compliance devices
    • B25J17/0216—Compliance devices comprising a stewart mechanism
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J17/00—Joints
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    • B25J9/003—Programme-controlled manipulators having parallel kinematics
    • B25J9/0045—Programme-controlled manipulators having parallel kinematics with kinematics chains having a rotary joint at the base
    • B25J9/0048—Programme-controlled manipulators having parallel kinematics with kinematics chains having a rotary joint at the base with kinematics chains of the type rotary-rotary-rotary
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/106—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements with articulated links
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • 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
    • B25J9/126—Rotary actuators

Definitions

  • the present invention relates to a four-degree-of-freedom parallel type integrated drive device for use in a joint of a robot,
  • the mechanically constructed rotating device applied to the joints of the robot can be divided into a series type and a parallel type according to the design method and analysis, and the performance of the rotating device can be judged according to each characteristic.
  • the tandem type is commonly used because of its wide working space and relatively easy analysis and design.
  • the parallel type has a high rigidity, and it is possible to dispose the actuator on the base part by design, so that the inertia is low, the precision is high, the large force can be exerted on the end, and the rotary device can exhibit good performance.
  • parallel structure has many unique points that are difficult to control, it is difficult to solve because it has a small work space. In order to improve performance, redundant link structure is added, over driving is added, or serial and parallel mixed design is performed.
  • one of the derived structures focusing on the rotational motion is a spherical parallel structure, and the spherical parallel structure is characterized by making pure point center rotational motion coinciding with a fixed point of rotation axis of all joints .
  • the end-based desktop-like devices of this spherical parallel structure are not intuitive to specific joint movements because it is impossible to understand and reverse the specific joint movements of the robot.
  • the exoskeleton type reflects the movement of the human joint, so intuitive control is possible.
  • the design constraints are large and it can cause awkward motion when the joint axes are not coincident, the arrangement of the joints of the device becomes an important design consideration in the rotary device.
  • the present invention has been proposed in order to solve the above problems and provides a parallel type integrated driving apparatus capable of reducing the volume of the entire structure while minimizing the interference of the joints and minimizing the inertia of the moving units and intuitively realizing joint movements I want to.
  • a parallel type integrated drive apparatus is a parallel type integrated drive apparatus comprising a first motor fixed on the outside, a rotor disposed on an inner side and relatively rotated, , A drive unit comprising a third motor and a fourth motor; Wherein one end portion is connected to the first rotor, the second rotor and the third rotor, which are the rotors of the first motor, the second motor and the third motor, respectively, inside the respective rotors, are mutually inserted and coaxial through the hollow structure, A first shaft, a second shaft and a third shaft that are rotatable relative to each other in a state where the first shaft, the second shaft, and the second shaft extend outwardly of the drive unit; A distal end disposed on the outside of the driving unit and on which the operating mechanism is mounted; The first shaft, the second shaft, and the third shaft and the distal end are connected to each other to transmit the rotational force of the first shaft, the second shaft, and the third shaft to the
  • the first motor, the second motor, the third motor, and the fourth motor may be stacked such that the rotational axes of the respective rotors coincide with each other.
  • the first motor, the second motor, the third motor, and the fourth motor may have the same size of the rotor and the stator.
  • the first link portion, the second link portion, and the third link portion may each be constituted by a plurality of links.
  • a second shaft may be inserted into the first shaft, and a third shaft may be inserted into the second shaft.
  • the third motor is located at the rearmost position, and the second motor and the first motor can be arranged in a forward direction.
  • the length of the third shaft is the longest, and then the second shaft and the first shaft can be shortened in that order.
  • the rear end of the third shaft is disposed at the rear most side, the rear end of the second shaft and the rear end of the first shaft are positioned forward, and the rear end of each shaft can be connected to the rotor of the corresponding motor.
  • the front end of the third shaft may extend to come close to the distal end and the front end of the second shaft and the front end of the first shaft may be located in the direction away from the distal end.
  • each link may be connected to the front end of each shaft, and the front end of each link may be spaced and connected along the rear end of the distal end.
  • each link may be spaced along the periphery of the distal end at the same height and connected to the distal end.
  • Each link being comprised of a first link section and a second link section, the trailing end of the first link section being rotatably engaged with the shaft, the trailing section of the second link section being rotatably connected to the front end of the first link section, The front end of the link section may be rotatably connected to the distal end.
  • the first link section may be bent laterally outwardly while the rear end portion is connected to the shaft and the second link section may be laterally extended with the rear end portion connected to the front end portion of the first link section and then bent inward and connected to the distal end portion .
  • the rotor of any one of the first rotor, the second rotor and the third rotor is fixed, and the remaining rotors are rotated, so that the distal end can perform the pitching motion.
  • the distal end can perform a rolling motion by rotating the first rotor, the second rotor, and the third rotor in the same size and direction.
  • the universal link part has a joint part that is pierced by a distal end and is coupled to the distal end part so as to be rotatable relative to the distal end part, and a connecting part that is connected to the fourth rotor part and rotates together with the fourth rotor part, ≪ / RTI >
  • the joint part may be rotated relative to the distal portion about the longitudinal axis of the distal portion and relative to the connecting portion about an axis orthogonal to the longitudinal axis of the distal portion.
  • the connecting part is a ring shape that covers the outer side of the joint part and connects the ring part and the ring part connected to rotate relative to the joint part about the axis orthogonal to the longitudinal axis of the distal part and the fourth rotor, And a transmission unit connected to the ring unit to rotate relative to the shaft about the axis.
  • the distal end can perform the yawing motion by rotating the first rotor, the second rotor, the third rotor and the fourth rotor in the same size and direction.
  • the first rotor, the second rotor, and the third rotor are fixed so that the distal end portion is not rotated, and the fourth rotor is rotated, so that the joint portion can rotate relative to the distal end portion.
  • the connecting part may extend from the outside of each link part to the joint part side and be connected to the joint part.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a parallel integrated drive apparatus according to an embodiment of the present invention
  • Figs. 2 to 3 are perspective views of the parallel integrated drive apparatus shown in Fig. 1. Fig.
  • FIGS. 4 to 10 illustrate operation of the parallel integrated drive system shown in FIG. 1.
  • FIG. 11 to 17 are still another views of the parallel integrated drive apparatus shown in Fig. 1.
  • Fig. 11 to 17 are still another views of the parallel integrated drive apparatus shown in Fig. 1.
  • FIG. 1 is a sectional view of a parallel type integrated driving apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIGS. 2 to 3 are perspective views of the parallel integrated driving apparatus shown in FIG. 1
  • 11 to 17 are other views of the parallel integrated drive apparatus shown in Fig. 1.
  • Fig. 1 is a sectional view of a parallel type integrated driving apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIGS. 2 to 3 are perspective views of the parallel integrated driving apparatus shown in FIG.
  • 11 to 17 are other views of the parallel integrated drive apparatus shown in Fig. 1.
  • Fig. 1 is a sectional view of a parallel type integrated driving apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a parallel integrated drive system according to an embodiment of the present invention.
  • a stator is fixed from the outside,
  • a driving unit including a first motor 100, a second motor 200, a third motor 300, and a fourth motor 400 stacked successively in the direction of the first motor 100;
  • the first rotor 140, the second rotor 240, and the third rotor 340 which are the rotors of the first motor 100, the second motor 200, and the third motor 300,
  • a first shaft 160 and a second shaft 260 which are mutually inserted and coaxially inserted through the hollow structure and relatively rotatable relative to each other in the inserted state and the other end extends to the outside of the drive unit,
  • a third shaft (360) A distal portion (500) disposed on the outside of the driving unit and on which the operating mechanism is mounted;
  • the first shaft 160, the second shaft 260, and the third shaft 360 are connected to the distal end 500 to connect the first
  • the parallel type integrated drive system of the present invention is composed of a plurality of motors, three of which are responsible for pitch, yaw and roll direction control of the parallel type integrated drive system, and one of the remaining motors is for implementing independent independent rolling .
  • the parallel integrated drive system has four degrees of freedom, which is very effective when simulating the joints of the human body.
  • the parallel integrated drive system of the present invention is advantageous in that it is compact by stacking four motors, and is very compact in size by superimposing a plurality of links in a drive module stage.
  • first motor 100, the second motor 200, the third motor 300, and the fourth motor 400 may be stacked such that the rotational axes of the respective rotors coincide with each other.
  • the first motor 100, the second motor 200, the third motor 300, and the fourth motor 400 can have a compact size by making the sizes of the stator and the rotor equal to each other.
  • a single cylindrical housing H can be shared.
  • the first motor 100, the second motor 200, the third motor 300 and the fourth motor 400 have the stator fixed to the housing H from the outside, And are laminated successively in the longitudinal direction.
  • Shafts are connected to each rotor and rotated together with the rotor.
  • one end portion 162, 162, and 362 are disposed inside each of the first rotor 140, the second rotor 240, Third rotor 340, respectively, inserted into each other through the hollow structure and coaxial with each other, and relatively rotatable relative to each other in the inserted state.
  • the shaft extends to the outside of the drive unit at the other end portions 164, 264, and 364. That is, since the three shafts are connected in a hollow type, the entire diameter of the shaft unit becomes very small and the overall size becomes small.
  • the distal portion 500 which is rotated through the actual driving force, is disposed outside the driving unit, and various necessary operating mechanisms are mounted.
  • the first link portion 620, the second link portion 640 and the third link portion 660 are connected to the first shaft 160, the second shaft 260 and the third shaft 360, And the rotation of the first shaft 160, the second shaft 260 and the third shaft 360 is transmitted to the distal end portion 500 so that the distal end portion 500 can rotate in the pitch, yaw and roll directions .
  • the universal link portion 460 connecting the fourth rotor 440 which is the rotor of the fourth motor 400, and the distal portion 500 is provided so that separate independent rolling is additionally realized on the distal portion 500 side do.
  • the parallel integrated drive system of the present invention when the parallel integrated drive system of the present invention is applied to a joint of a robot or the like, it is possible to implement the basic pitch, yaw, and roll of the joint, and at the same time to drive the other joints together by using the additional independent roll motion.
  • the parallel integrated drive system of the present invention when the parallel integrated drive system of the present invention is applied to the shoulder joint of the robot, the shoulder itself can perform two degrees of freedom motion, and the upper arm and the lower arm can bend using the additional rolling . In this case, there is no need of a separate actuator on the elbow and there is an advantage that the size and weight of the whole driving part can be saved.
  • first link unit 620, the second link unit 640, and the third link unit 660 may be formed of a plurality of links, respectively. Specifically, a rear end portion of each link is connected to a front end portion of each corresponding shaft, and a front end portion of each link can be spaced apart and connected around the rear end portion of the distal end portion 500. Wherein the front end of each link is spaced along the periphery of the distal end 500 at the same height and can be connected to the distal end 500. Thereby reducing the length of the distal end 500 and reducing the volume of the distal end 500 as much as possible.
  • the front end of each link may be spaced 120 degrees apart from the bottom end of the distal end 500.
  • Each link is composed of a first link section 720 and a second link section 740 and a rear end section of the first link section 720 is rotatably engaged with the shaft, 740 may be rotatably connected to the front end of the first link section 720 and the front end of the second link section 740 may be rotatably connected to the distal section 500.
  • the first link section 720 is bent and extended in an oblique direction outward while the rear end portion is connected to the shaft, and the second link section 740 is extended from the rear end section of the first link section 720 And may be connected to the distal end 500 by being folded inwardly toward the distal end 500 again.
  • the structure of these links prevents mutual interference in the various movements of roll, pitch, and yaw.
  • the second shaft 260 may be inserted into the first shaft 160, and the third shaft 360 may be inserted into the second shaft 260. That is, the three shafts are hollowed together to form one large shaft as a whole.
  • the third motor 300 is located at the rearmost position and the first motor 100 is connected to the front of the second motor 200 and the second motor 200 in front of the third motor 300 .
  • the length of the third shaft 360 is the longest, and then the second shaft 260 and the first shaft 160 can be shortened in that order.
  • the rear end of the third shaft 360 is positioned at the rear most side, the rear end of the second shaft 260 is positioned forward, and the rear end of the first shaft 160 is positioned forward.
  • the front end of the third shaft 360 extends in the direction away from the distal end 500 and the front end of the second shaft 260 and the front end of the first shaft 160 are positioned .
  • the respective motors can be sized at the same time while inserting the respective shafts in a hollow state, and even when connected to the distal end portion 500, they are connected at different heights at different angles, So that the limit angle that the distal end 500 can express during the movement of roll, pitch, yaw and the like is increased.
  • the rotor of any one of the first rotor 140, the second rotor 240 and the third rotor 340 is fixed and the remaining rotors are rotated so that the distal portion 500 performs the pitching motion
  • Figures 4 to 6 illustrate the pitching motion of the distal portion 500.
  • the first rotor 140 is fixed without moving, so that the first link also does not move.
  • the distal end 500 is pitched to the right side as shown in FIGS.
  • the universal link portion 460 has a joint portion 468 which is connected to the distal end portion 500 to be rotatable relative to the distal end portion 500 and one end of which is connected to the fourth rotor 440, 4 rotor 440 and the other end may be constituted by a coupling part 462 connected to the joint part 468 in a relatively rotatable manner.
  • the joint part 468 may be relatively rotatable with the connecting part 462 about an axis that is relatively rotated with the distal part 500 about the longitudinal axis of the distal part 500 and orthogonal to the longitudinal axis of the distal part 500 have.
  • the connecting part 462 also includes a ring part 466 and a ring part 466 which are connected to rotate around the axis orthogonal to the longitudinal axis of the distal part 500 and rotate relative to the joint part 468, 466 and the fourth rotor 440 and the ring portion 466 is connected to the joint portion 468 so as to rotate relative to the ring portion 466 about an axis orthogonal to the axis, have.
  • a structure rolling and yawing of the distal end 500 is realized.
  • the universal link 460 is not disturbed and functions as a universal joint.
  • the distal portion 500 is not rotated by fixing the first rotor 140, the second rotor 240 and the third rotor 340, and the fourth rotor 440 is rotated
  • the joint part can rotate relative to the distal end 500. In this way, separate independent rolling of the joint part is possible, which can be realized simultaneously with the roll, pitch and yaw movements of the distal end 500. This separate rolling is able to output motion with 4 degrees of freedom from one joint by extracting through another mechanism.
  • first motor 200 second motor

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

제1모터, 제2모터, 제3모터 및 제4모터로 구성된 구동유닛; 중공 구조를 통해 상호 삽입되고 동축을 이루며, 삽입된 상태에서 서로 상대회전이 가능하고, 타단부가 구동유닛의 외측으로 연장된 제1샤프트, 제2샤프트 및 제3샤프트; 구동유닛의 외부에 배치되며, 작동기구가 장착되는 말단부; 말단부가 피치, 요 및 롤 방향의 회전이 가능하도록 하는 제1링크부, 제2링크부 및 제3링크부; 및 제4모터의 로터인 제4로터와 말단부 사이를 연결하는 유니버설 링크부;를 포함하는 병렬형 집적 구동장치가 소개된다.

Description

병렬형 집적 구동장치
본 발명은 로봇의 관절 등에 사용되어 4 자유도를 구성할 수 있도록 하는 4자유도 병렬형 집적 구동장치에 관한 것이다.
로봇의 관절 등에 적용되는 기계적으로 구성된 회전장치는 설계방법과 해석에 따라 직렬형과 병렬형으로 나눌 수 있고 각각의 특징에 따라 회전 장치의 성능을 판단할 수 있다. 직렬형은 넓은 작업공간이 가능하고 상대적으로 쉬운 해석과 설계로 인해 일반적으로 많이 사용된다.
하지만 직렬형 구조는 구동 관절 오차가 누적되기 때문에 정밀도가 떨어지고 말단에 상대적으로 큰 힘을 낼 수 없기 때문에 이를 해결하기 위해 최근에는 병렬형 구조의 장치들이 많이 연구되었다. 병렬형은 강성이 높으며, 설계적으로 기저부에 액추에이터를 배치할 수 있어 관성이 낮고, 정밀도가 높으며 말단에 큰 힘을 낼 수 있어 회전 장치로써 좋은 성능을 발휘할 수 있다. 다만, 병렬형 구조는 제어가 힘든 특이점이 많아 작업공간이 작고 해석이 어렵기 때문에 이를 해결하며 성능을 높이기 위해 Redundant한 링크 구조를 추가하거나 과구동을 추가하거나 직렬과 병렬 혼합형 설계를 하기도 한다.
이러한 병렬형 구조의 문제점에서 회전 동작에 초점을 맞추어 파생된 구조 중 하나가 구형병렬구조인데, 구형병렬구조는 모든 관절의 회전축이 고정된 한 점에 일치하여 순수한 점 중심 회전운동을 만드는 특징이 있다. 그러나 이러한 구형병렬구조의 말단 기반의 데스크탑형 장치들은 로봇의 특정한 관절 움직임을 파악하고 역감을 주는 것은 불가능하기 때문에 특정 관절 움직임에 대해서는 직관적이지 않다.
반면에 외골격형 타입은 사람의 관절 움직임을 반영하므로 직관적인 제어가 가능하다. 다만, 설계적인 제약이 크고, 관절 축이 일치하지 않을 때 어색한 운동을 야기할 수 있기 때문에 장치의 관절 축 배치는 회전 장치에 있어서 중요한 설계 고려 사항이 된다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
이에 관한 종래기술로는 KR 10-1693246 B1 가 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 관절부의 간섭을 최소화하면서 전체 구조의 부피를 줄일 수 있고, 이동부들의 관성이 적으며 관절 움직임을 직관적으로 구현할 수 있는 병렬형 집적 구동장치를 제공하고자 함이다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 병렬형 집적 구동장치는, 스테이터는 외측에서 고정되고, 로터가 각각 내측에 위치되어 상대회전되며, 길이방향으로 연속하여 적층되는 제1모터, 제2모터, 제3모터 및 제4모터로 구성된 구동유닛; 일단부가 각 로터의 내측에서 제1모터, 제2모터 및 제3모터의 로터인 제1로터, 제2로터 및 제3로터와 각각 연결되며, 중공 구조를 통해 상호 삽입되고 동축을 이루며, 삽입된 상태에서 서로 상대회전이 가능하고, 타단부가 구동유닛의 외측으로 연장된 제1샤프트, 제2샤프트 및 제3샤프트; 구동유닛의 외부에 배치되며, 작동기구가 장착되는 말단부; 제1샤프트, 제2샤프트 및 제3샤프트와 말단부를 각각 연결하여 제1샤프트, 제2샤프트 및 제3샤프트의 회전력을 말단부에 전달함으로써 말단부가 피치, 요 및 롤 방향의 회전이 가능하도록 하는 제1링크부, 제2링크부 및 제3링크부; 및 제4모터의 로터인 제4로터와 말단부 사이를 연결하는 유니버설 링크부;를 포함한다.
제1모터, 제2모터, 제3모터 및 제4모터는 각각의 로터의 회전축이 일치되도록 적층될 수 있다.
제1모터, 제2모터, 제3모터 및 제4모터는 각각의 스테이터와 로터의 크기가 모두 동일할 수 있다.
제1링크부, 제2링크부 및 제3링크부는 각각 복수의 링크로 구성될 수 있다.
제1샤프트 내측에 제2샤프트가 삽입되고, 제2샤프트 내측에 제3샤프트가 삽입될 수 있다.
제3모터가 가장 후방에 위치되며, 전방으로 제2모터, 제1모터가 연속하여 배치될 수 있다.
제3샤프트의 길이가 가장 길고, 그 다음으로 제2샤프트, 제1샤프트의 순서로 짧아질 수 있다.
제3샤프트의 후단부가 가장 후방에 배치되고, 전방으로 제2샤프트의 후단부, 제1샤프트의 후단부가 위치되고, 각 샤프트의 후단부는 대응되는 모터의 로터와 연결될 수 있다.
제3샤프트의 전단부가 가장 말단부에 근접하도록 연장되고, 말단부와 멀어지는 방향으로 제2샤프트의 전단부, 제1샤프트의 전단부가 위치될 수 있다.
각 링크의 후단부는 각 샤프트의 전단부에 연결되고, 각 링크의 전단부는 말단부의 후단부 둘레를 따라 이격되어 연결될 수 있다.
각 링크의 전단부는 동일한 높이에서 말단부의 둘레를 따라 이격되며 말단부와 연결될 수 있다.
각 링크는 제1링크절과 제2링크절로 구성되고, 제1링크절의 후단부는 샤프트와 회전가능하게 결합되며, 제2링크절의 후단부는 제1링크절의 전단부와 회전가능하게 연결되고, 제2링크절의 전단부는 말단부와 회전가능하게 연결될 수 있다.
제1링크절은 후단부가 샤프트에 연결된 상태에서 외측으로 절곡되며 연장되고, 제2링크절은 후단부가 제1링크절의 전단부에 연결된 상태에서 측방으로 연장된 후 내측으로 절곡되어 말단부에 연결될 수 있다.
제1로터, 제2로터 및 제3로터 중 어느 하나의 로터가 고정되고, 나머지 로터들이 회전됨으로써 말단부가 피칭운동을 수행할 수 있다.
제1로터, 제2로터 및 제3로터가 동일한 크기와 방향으로 회전함으로써 말단부가 롤링운동을 수행할 수 있다.
유니버설 링크부는 말단부에 의해 중앙이 관통되는 형태이며 말단부와 상대회전 가능하게 결합된 조인트파트 및 일측이 제4로터와 연결되어 제4로터와 함께 회전되며 타측은 조인트파트와 상대회전 가능하게 연결된 연결파트로 구성될 수 있다.
조인트파트는 말단부의 길이방향 축을 중심으로 말단부와 상대회전되고, 말단부의 길이방향 축과 직교하는 축을 중심으로 연결파트와 상대회전될 수 있다.
연결파트는 조인트파트 외측을 두르는 링 형상으로써 말단부의 길이방향 축과 직교하는 축을 중심으로 조인트파트와 상대회전되도록 연결된 링부 및 링부와 제4로터를 연결하며 링부가 조인트파트와 연결되는 축과 직교하는 축을 중심으로 링부와 상대회전되도록 연결된 전달부로 구성될 수 있다.
제1로터, 제2로터, 제3로터 및 제4로터가 동일한 크기와 방향으로 회전함으로써 말단부가 요잉운동을 수행할 수 있다.
제1로터, 제2로터 및 제3로터는 고정됨으로써 말단부는 회전되지 않고, 제4로터가 회전됨으로써 조인트파트가 말단부와 상대회전할 수 있다.
연결파트는 각 링크부의 외측에서 조인트파트측으로 연장되어 조인트파트와 연결될 수 있다.
본 발명의 병렬형 집적 구동장치에 따르면, 4자유도의 관절을 구현함에 있어 각 기구물들의 충돌을 회피하며 자유로운 모션의 재현이 가능해진다.
피치, 요, 롤의 기본 3자유도를 구현함과 동시에 롤링을 추가함으로써 매니퓰레이터의 또 다른 동작을 관절단에서 동시에 구현하는 것이 가능해진다.
4자유도를 구현하면서도 전체적인 관절 구동부의 부피와 무게를 최소화할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 집적 구동장치의 단면도.
도 2 내지 3은 도 1에 도시된 병렬형 집적 구동장치의 사시도.
도 4 내지 10은 도 1에 도시된 병렬형 집적 구동장치의 동작과정을 나타낸 도면.
도 11 내지 17은 도 1에 도시된 병렬형 집적 구동장치의 또 다른 도면.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 집적 구동장치의 단면도이고, 도 2 내지 3은 도 1에 도시된 병렬형 집적 구동장치의 사시도이며, 도 4 내지 10은 도 1에 도시된 병렬형 집적 구동장치의 동작과정을 나타낸 도면이고, 도 11 내지 17은 도 1에 도시된 병렬형 집적 구동장치의 또 다른 도면이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 집적 구동장치의 단면도로서, 본 발명에 따른 병렬형 집적 구동장치는, 스테이터는 외측에서 고정되고, 로터가 각각 내측에 위치되어 상대회전되며, 길이방향으로 연속하여 적층되는 제1모터(100), 제2모터(200), 제3모터(300) 및 제4모터(400)로 구성된 구동유닛; 일단부가 각 로터의 내측에서 제1모터(100), 제2모터(200) 및 제3모터(300)의 로터인 제1로터(140), 제2로터(240) 및 제3로터(340)와 각각 연결되며, 중공 구조를 통해 상호 삽입되고 동축을 이루며, 삽입된 상태에서 서로 상대회전이 가능하고, 타단부가 구동유닛의 외측으로 연장된 제1샤프트(160), 제2샤프트(260) 및 제3샤프트(360); 구동유닛의 외부에 배치되며, 작동기구가 장착되는 말단부(500); 제1샤프트(160), 제2샤프트(260) 및 제3샤프트(360)와 말단부(500)를 각각 연결하여 제1샤프트(160), 제2샤프트(260) 및 제3샤프트(360)의 회전력을 말단부(500)에 전달함으로써 말단부(500)가 피치, 요 및 롤 방향의 회전이 가능하도록 하는 제1링크부(620), 제2링크부(640) 및 제3링크부(660); 및 제4모터(400)의 로터인 제4로터(440)와 말단부(500) 사이를 연결하는 유니버설 링크부(460);를 포함한다.
본 발명의 병렬형 집적 구동장치는 복수의 모터로 구성되고, 모터 3개는 병렬형 집적 구동장치의 피치, 요, 롤 방향 제어를 담당하고, 나머지 모터 1개는 별도의 독립된 롤링를 구현하기 위한 것이다. 이를 통해 병렬형 집적 구동장치는 4개의 자유도를 가짐으로써 인체의 관절을 모사하는 경우 매우 효과적이다.
또한, 본 발명의 병렬형 집적 구동장치는 4개의 모터를 적층함으로써 컴팩트하고 구동모듈단에서도 복수의 링크를 중첩함으로써 크기가 매우 컴팩한 장점이 있다.
구체적으로, 제1모터(100), 제2모터(200), 제3모터(300) 및 제4모터(400)는 각각의 로터의 회전축이 일치되도록 적층될 수 있다. 그리고 제1모터(100), 제2모터(200), 제3모터(300) 및 제4모터(400)는 각각의 스테이터와 로터의 크기가 모두 동일하게 함으로써 컴팩트한 사이즈를 구현할 수 있다. 그리고 원통형의 단일 하우징(H)을 공유할 수 있게 된다.
제1모터(100), 제2모터(200), 제3모터(300) 및 제4모터(400)는, 스테이터는 외측에서 하우징(H)에 고정되고, 로터가 각각 내측에 위치되어 상대회전되며, 길이방향으로 연속하여 적층된다.
각 로터에는 샤프트가 각각 연결되어 로터와 함께 회전된다. 구체적으로, 제1샤프트(160), 제2샤프트(260) 및 제3샤프트(360)의 경우 일단부(162,262,362)가 각 로터의 내측에서 제1로터(140), 제2로터(240) 및 제3로터(340)와 각각 연결되며, 중공 구조를 통해 상호 삽입되고 동축을 이루며, 삽입된 상태에서 서로 상대회전이 가능하다. 또한, 샤프트는 타단부(164,264,364)가 구동유닛의 외측으로 연장된다. 즉, 3개의 샤프트가 중공타입으로 연결됨으로써 샤프트 유닛 전체의 직경이 매우 작아지고 전체적인 사이즈가 작아진다.
그리고 실제 구동력을 통해 회전되는 말단부(500)는 구동유닛의 외부에 배치되며, 필요한 작동기구가 다양하게 장착된다. 제1링크부(620), 제2링크부(640) 및 제3링크부(660)는 각각 제1샤프트(160), 제2샤프트(260) 및 제3샤프트(360)와 말단부(500)를 연결하여 제1샤프트(160), 제2샤프트(260) 및 제3샤프트(360)의 회전력을 말단부(500)에 전달함으로써 말단부(500)가 피치, 요 및 롤 방향의 회전이 가능하도록 한다. 최종적으로, 제4모터(400)의 로터인 제4로터(440)와 말단부(500) 사이를 연결하는 유니버설 링크부(460)가 마련되어 말단부(500) 측에서 별도의 독립적인 롤링이 추가적으로 구현되도록 한다. 따라서, 본 발명의 병렬형 집적 구동장치가 로봇 등의 관절에 적용될 경우 관절의 기본적인 피치, 요, 롤을 구현하고, 동시에 추가적인 독립 롤 운동을 이용하여 다른 관절을 함께 구동하는 것이 가능한 것이다. 예를들어, 로봇의 어깨 관절에 본 발명의 병렬형 집적 구동장치가 적용될 경우 어깨 자체의 2자유도 운동을 구현하고, 추가적인 롤링을 이용하여 팔의 상박과 하박의 굽힘운동을 함께 할 수 있는 것이다. 이 경우 팔꿈치에 별도의 액추에이터가 불필요하고 전체적인 구동부의 사이즈와 중량을 절감할 수 있는 장점이 있다.
한편, 제1링크부(620), 제2링크부(640) 및 제3링크부(660)는 각각 복수의 링크로 구성될 수 있다. 구체적으로, 각 링크의 후단부는 대응되는 각 샤프트의 전단부에 연결되고, 각 링크의 전단부는 말단부(500)의 후단부 둘레를 따라 이격되며 연결될 수 있다. 여기서 각 링크의 전단부는 동일한 높이에서 말단부(500)의 둘레를 따라 이격되며 말단부(500)와 연결될 수 있다. 그에 따라 말단부(500)의 길이 축소가 가능하고 최대한 말단부(500)의 부피를 줄일 수 있다. 바람직하게는 각 링크의 전단부는 말단부(500)의 동일 높이 저점에서 120도 간격으로 이격되어 연결될 수 있다.
랑크 자체를 살펴보면, 각 링크는 제1링크절(720)과 제2링크절(740)로 구성되고, 제1링크절(720)의 후단부는 샤프트와 회전가능하게 결합되며, 제2링크절(740)의 후단부는 제1링크절(720)의 전단부와 회전가능하게 연결되고, 제2링크절(740)의 전단부는 말단부(500)와 회전가능하게 연결될 수 있다. 특히, 도 2와 같이, 제1링크절(720)은 후단부가 샤프트에 연결된 상태에서 외측으로 사선방향으로 절곡되며 연장되고, 제2링크절(740)은 후단부가 제1링크절(720)의 전단부에 연결된 상태에서 측방으로 1회 연장된 후 다시 말단부(500)를 향하는 내측으로 절곡되어 말단부(500)에 연결될 수 있다. 이러한 링크의 구조를 통해 롤, 피치, 요의 다양한 운동 과정에서 상호 간섭이 이루어지지 않게 된다.
한편, 샤프트의 상호 결합방식에 있어서는, 제1샤프트(160) 내측에 제2샤프트(260)가 삽입되고, 제2샤프트(260) 내측에 제3샤프트(360)가 삽입될 수 있다. 즉, 3개의 샤프트는 중공타입으로 서로 삽입되어 전체적으로는 하나의 큰 샤프트를 이룬다. 그리고 이에 따라 제3모터(300)가 가장 후방에 위치되며, 제3모터(300)의 전방으로 제2모터(200), 제2모터(200)의 전방으로 제1모터(100)가 연속하여 배치될 수 있다.
그러한 샤프트와 모터의 조합에 있어서는, 제3샤프트(360)의 길이가 가장 길고, 그 다음으로 제2샤프트(260), 제1샤프트(160)의 순서로 짧아질 수 있다. 그리고 제3샤프트(360)의 후단부가 가장 후방에 배치되고, 전방으로 제2샤프트(260)의 후단부, 제1샤프트(160)의 후단부가 위치되고, 각 샤프트의 후단부는 대응되는 모터의 로터와 연결될 수 있다. 또한, 제3샤프트(360)의 전단부가 가장 말단부(500)에 근접하도록 연장되고, 말단부(500)와 멀어지는 방향으로 제2샤프트(260)의 전단부, 제1샤프트(160)의 전단부가 위치될 수 있다. 이와 같은 구조를 통하여 각각의 샤프트를 중공으로 하여 삽입하면서, 동시에 각 모터의 사이즈를 동일하게 할 수 있고, 말단부(500)와 연결됨에 있어서도 서로 다른 각도에서 서로 다른 높이에서 연결됨으로써 링크 상호간의 간섭을 최소화하고, 결국 롤, 피치, 요 등의 운동시 말단부(500)가 표현할 수 있는 한계 각도가 증대되는 장점이 있게 된다.
운동의 수행에 있어서, 제1로터(140), 제2로터(240) 및 제3로터(340) 중 어느 하나의 로터가 고정되고, 나머지 로터들이 회전됨으로써 말단부(500)가 피칭운동을 수행할 수 있다.도 4 내지 6은 말단부(500)의 피칭운동을 나타낸 것이다. 이 경우는 제1로터(140)가 움직이지 않고 고정되며 그에 따라 제1링크 역시 움직이지 않는다. 그 상태에서 제2로터(240)와 제3로터(340)의 회전에 의해 제2링크와 제3링크가 멀어지는 경우에는 도 4 및 5와 같이 말단부(500)가 우측으로 피칭하게 된다. 반대로, 제2링크와 제3링크가 가까워지는 경우에는 도 5 및 6과 같이 말단부(500)가 좌측으로 피칭하게 된다. 따라서, 제1로터(140), 제2로터(240) 및 제3로터(340) 중 어느 하나의 로터가 고정되고, 나머지 로터들이 회전됨으로써 말단부(500)가 피칭운동을 수행할 수 있다.
한편, 도 6 내지 9와 같이, 유니버설 링크부(460)가 없는 경우에는 제1로터(140), 제2로터(240) 및 제3로터(340)가 동일한 크기와 방향으로 회전함으로써 말단부(500)가 요잉운동을 수행할 수 있다. 하지만, 본 발명의 경우 유니버설 링크부(460)가 있기 때문에 필요한 요잉운동을 위해서는 유니버설 링크부(460) 역시 함께 회전이 되어야 한다. 즉, 도 12 내지 14와 같이, 제1로터(140), 제2로터(240), 제3로터(340) 및 제4로터(440)가 동일한 크기와 방향으로 회전함으로써 말단부(500)가 요잉운동을 수행할 수 있다. 제1링크, 제2링크, 제3링크 및 유니버설 링크부(460)가 동일하게 회전할 경우 전체적으로 말단부(500)가 요잉 운동을 수행한다. 그리고 제4로터(440)가 고정된 상태에서 제1로터(140), 제2로터(240), 제3로터(340)가 동시에 회전할 경우에는 도 14 내지 16과 같이 말단부(500)의 롤링운동이 구현되는 것이다. 즉, 제1로터(140), 제2로터(240), 제3로터(340)가 동시에 회전할 경우 유니버설 링크부(460)가 없을 경우에는 도 6 내지 9와 같이 요잉이 구현되나, 유니버설 링크부(460)가 있는 경우에는 유니버설 링크부(460)의 고정 상태에서, 도 14 내지 16과 같이 롤링이 구현되는 것이다. 그리고 유니버설 링크부(460)가 있는 경우 요잉의 구현을 위해서는 유니버설 링크부(460) 역시 함께 회전하는 것이 필요하다.
한편, 유니버설 링크부(460)는 말단부(500)에 의해 중앙이 관통되는 형태이며 말단부(500)와 상대회전 가능하게 결합된 조인트파트(468) 및 일측이 제4로터(440)와 연결되어 제4로터(440)와 함께 회전되며 타측은 조인트파트(468)와 상대회전 가능하게 연결된 연결파트(462)로 구성될 수 있다. 그리고 조인트파트(468)는 말단부(500)의 길이방향 축을 중심으로 말단부(500)와 상대회전되고, 말단부(500)의 길이방향 축과 직교하는 축을 중심으로 연결파트(462)와 상대회전될 수 있다. 또한, 연결파트(462)는 조인트파트(468) 외측을 두르는 링 형상으로써 말단부(500)의 길이방향 축과 직교하는 축을 중심으로 조인트파트(468)와 상대회전되도록 연결된 링부(466) 및 링부(466)와 제4로터(440)를 연결하며 링부(466)가 조인트파트(468)와 연결되는 축과 직교하는 축을 중심으로 링부(466)와 상대회전되도록 연결된 전달부(464)로 구성될 수 있다. 이와 같은 구조를 통해 말단부(500)의 롤링과 요잉이 구현되며, 도 11 내지 12와 같이 피칭이 일어나는 과정에서 유니버설 링크부(460)가 방해되지 않고 마치 유니버설 조인트와 같은 역할을 수행하는 것이다.
한편, 도 16 내지 17과 같이, 제1로터(140), 제2로터(240) 및 제3로터(340)는 고정됨으로써 말단부(500)는 회전되지 않고, 제4로터(440)가 회전됨으로써 조인트파트가 말단부(500)와 상대회전할 수 있다. 그리고 이러한 과정을 통해 조인트파트의 별도 독립적인 롤링이 가능하고, 이는 말단부(500)의 롤, 피치, 요 운동과 동시에 구현되는 것도 가능하다. 이러한 별도의 롤링은 또 다른 기구를 통해 추출함으로써 하나의 관절에서 4자유도의 운동을 출력할 수 있게 되는 것이다.
본 발명의 병렬형 집적 구동장치에 따르면, 4자유도의 관절을 구현함에 있어 각 기구물들의 충돌을 회피하며 자유로운 모션의 재현이 가능해진다.
피치, 요, 롤의 기본 3자유도를 구현함과 동시에 롤링을 추가함으로써 매니퓰레이터의 또 다른 동작을 관절단에서 동시에 구현하는 것이 가능해진다.
4자유도를 구현하면서도 전체적인 관절 구동부의 부피와 무게를 최소화할 수 있게 된다.
본 발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
[부호의 설명]
100 : 제1모터 200 : 제2모터
300 : 제3모터 400 : 제4모터
500 : 말단부

Claims (21)

  1. 스테이터는 외측에서 고정되고, 로터가 각각 내측에 위치되어 상대회전되며, 길이방향으로 연속하여 적층되는 제1모터, 제2모터, 제3모터 및 제4모터로 구성된 구동유닛;
    일단부가 각 로터의 내측에서 제1모터, 제2모터 및 제3모터의 로터인 제1로터, 제2로터 및 제3로터와 각각 연결되며, 중공 구조를 통해 상호 삽입되고 동축을 이루며, 삽입된 상태에서 서로 상대회전이 가능하고, 타단부가 구동유닛의 외측으로 연장된 제1샤프트, 제2샤프트 및 제3샤프트;
    구동유닛의 외부에 배치되며, 작동기구가 장착되는 말단부;
    제1샤프트, 제2샤프트 및 제3샤프트와 말단부를 각각 연결하여 제1샤프트, 제2샤프트 및 제3샤프트의 회전력을 말단부에 전달함으로써 말단부가 피치, 요 및 롤 방향의 회전이 가능하도록 하는 제1링크부, 제2링크부 및 제3링크부; 및
    제4모터의 로터인 제4로터와 말단부 사이를 연결하는 유니버설 링크부;를 포함하는 병렬형 구동장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    제1모터, 제2모터, 제3모터 및 제4모터는 각각의 로터의 회전축이 일치되도록 적층된 것을 특징으로 하는 병렬형 집적 구동장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    제1모터, 제2모터, 제3모터 및 제4모터는 각각의 스테이터와 로터의 크기가 모두 동일한 것을 특징으로 하는 병렬형 집적 구동장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    제1링크부, 제2링크부 및 제3링크부는 각각 복수의 링크로 구성된 것을 특징으로 하는 병렬형 집적 구동장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    제1샤프트 내측에 제2샤프트가 삽입되고, 제2샤프트 내측에 제3샤프트가 삽입된 것을 특징으로 하는 병렬형 집적 구동장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    제3모터가 가장 후방에 위치되며, 전방으로 제2모터, 제1모터가 연속하여 배치된 것을 특징으로 하는 병렬형 집적 구동장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    제3샤프트의 길이가 가장 길고, 그 다음으로 제2샤프트, 제1샤프트의 순서로 짧아지는 것을 특징으로 하는 병렬형 집적 구동장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    제3샤프트의 후단부가 가장 후방에 배치되고, 전방으로 제2샤프트의 후단부, 제1샤프트의 후단부가 위치되고, 각 샤프트의 후단부는 대응되는 모터의 로터와 연결된 것을 특징으로 하는 병렬형 집적 구동장치.
  9. 청구항 7에 있어서,
    제3샤프트의 전단부가 가장 말단부에 근접하도록 연장되고, 말단부와 멀어지는 방향으로 제2샤프트의 전단부, 제1샤프트의 전단부가 위치된 것을 특징으로 하는 병렬형 집적 구동장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    각 링크의 후단부는 각 샤프트의 전단부에 연결되고, 각 링크의 전단부는 말단부의 후단부 둘레를 따라 이격되어 연결된 것을 특징으로 하는 병렬형 집적 구동장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    각 링크의 전단부는 동일한 높이에서 말단부의 둘레를 따라 이격되며 말단부와 연결된 것을 특징으로 하는 병렬형 집적 구동장치.
  12. 청구항 1에 있어서,
    각 링크는 제1링크절과 제2링크절로 구성되고, 제1링크절의 후단부는 샤프트와 회전가능하게 결합되며, 제2링크절의 후단부는 제1링크절의 전단부와 회전가능하게 연결되고, 제2링크절의 전단부는 말단부와 회전가능하게 연결된 것을 특징으로 하는 병렬형 집적 구동장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    제1링크절은 후단부가 샤프트에 연결된 상태에서 외측으로 절곡되며 연장되고, 제2링크절은 후단부가 제1링크절의 전단부에 연결된 상태에서 측방으로 연장된 후 내측으로 절곡되어 말단부에 연결된 것을 특징으로 하는 병렬형 집적 구동장치.
  14. 청구항 1에 있어서,
    제1로터, 제2로터 및 제3로터 중 어느 하나의 로터가 고정되고, 나머지 로터들이 회전됨으로써 말단부가 피칭운동을 수행하는 것을 특징으로 하는 병렬형 집적 구동장치.
  15. 청구항 1에 있어서,
    제1로터, 제2로터 및 제3로터가 동일한 크기와 방향으로 회전함으로써 말단부가 롤링운동을 수행하는 것을 특징으로 하는 병렬형 집적 구동장치.
  16. 청구항 1에 있어서,
    유니버설 링크부는 말단부에 의해 중앙이 관통되는 형태이며 말단부와 상대회전 가능하게 결합된 조인트파트 및 일측이 제4로터와 연결되어 제4로터와 함께 회전되며 타측은 조인트파트와 상대회전 가능하게 연결된 연결파트로 구성된 것을 특징으로 하는 병렬형 집적 구동장치.
  17. 청구항 16에 있어서,
    조인트파트는 말단부의 길이방향 축을 중심으로 말단부와 상대회전되고, 말단부의 길이방향 축과 직교하는 축을 중심으로 연결파트와 상대회전되는 것을 특징으로 하는 병렬형 집적 구동장치.
  18. 청구항 17에 있어서,
    연결파트는 조인트파트 외측을 두르는 링 형상으로써 말단부의 길이방향 축과 직교하는 축을 중심으로 조인트파트와 상대회전되도록 연결된 링부 및 링부와 제4로터를 연결하며 링부가 조인트파트와 연결되는 축과 직교하는 축을 중심으로 링부와 상대회전되도록 연결된 전달부로 구성된 것을 특징으로 하는 병렬형 집적 구동장치.
  19. 청구항 16 있어서,
    제1로터, 제2로터, 제3로터 및 제4로터가 동일한 크기와 방향으로 회전함으로써 말단부가 요잉운동을 수행하는 것을 특징으로 하는 병렬형 집적 구동장치.
  20. 청구항 16 있어서,
    제1로터, 제2로터 및 제3로터는 고정됨으로써 말단부는 회전되지 않고, 제4로터가 회전됨으로써 조인트파트가 말단부와 상대회전하는 것을 특징으로 하는 병렬형 집적 구동장치.
  21. 청구항 16에 있어서,
    연결파트는 각 링크부의 외측에서 조인트파트측으로 연장되어 조인트파트와 연결된 것을 특징으로 하는 병렬형 집적 구동장치.
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