WO2019164037A1 - 연성부를 갖는 액추에이터 모듈 - Google Patents

연성부를 갖는 액추에이터 모듈 Download PDF

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WO2019164037A1
WO2019164037A1 PCT/KR2018/002279 KR2018002279W WO2019164037A1 WO 2019164037 A1 WO2019164037 A1 WO 2019164037A1 KR 2018002279 W KR2018002279 W KR 2018002279W WO 2019164037 A1 WO2019164037 A1 WO 2019164037A1
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unit
actuator module
rotational force
insertion groove
flexible
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PCT/KR2018/002279
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Inventor
남형철
김병수
윤웅권
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(주)로보티즈
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    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/06—Safety devices
    • B25J19/068—Actuating means with variable stiffness
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
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    • B25J9/12—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements electric
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/08—Programme-controlled manipulators characterised by modular constructions

Definitions

  • the present invention relates to an actuator module having a flexible part, and more particularly, to an actuator module equipped with a multi-joint robot and having an intrinsic stability having a flexible part capable of detecting abnormal load through sensor-based accurate load measurement. will be.
  • Actuator modules usually have a built-in drive and reducer, and are widely used for general industrial, home and educational purposes.
  • the combination of a plurality of actuator modules have recently attracted more attention in that it can implement a multi-joint robot that can implement a complex operation.
  • the articulated robot may be moved by a teaching exercise method in which a user instructs, stores, and reproduces the operation of the robot, or by an autonomous exercise method that determines and operates by itself.
  • an actuator module can only detect a collision, and can not absorb shocks applied to the actuator module and a colliding object during a collision, thus making it difficult to guarantee intrinsic stability.
  • the resolution of the torque sensor in the actuator module is a very important factor, in the case of a high resolution torque sensor has a problem of increasing the manufacturing cost of the actuator module at a very high cost.
  • the technical problem to be achieved by the present invention is to provide an actuator module capable of absorbing the shock applied to the object during a collision and at the same time measuring the accurate load through the sensor-based flexible portion.
  • an embodiment of the present invention is connected to the drive unit for generating a rotational force
  • the driving unit is connected to the driving unit receives the rotational force, the rotational speed to increase the rotational force by reducing the received rotational speed, and the reduction unit
  • a flexible part formed to have a rotational force transmitted, and a plurality of elastic members variable by external force are stacked, and an output part connected to the flexible part to receive a rotational force and outputting the received rotational force to the outside
  • the elastic member of the has the same or different elastic force, and provides an actuator module that is selectively variable according to the magnitude of the external force applied to the output.
  • the plurality of elastic members have a first insertion groove of a different size, are laminated so as to be located close to the reduction portion in the order of the size of the first insertion groove is large, the output portion of the first insertion groove
  • the first protrusion inserted into the may be formed on one surface.
  • the plurality of elastic members have a second insertion groove of the same size with each other, the deceleration portion may be formed on one surface a second projection is inserted into the second insertion groove.
  • the elastic member of the first body and the hollow body is formed in the center, at least one first insertion groove is formed at a distance spaced from the hollow and a diameter larger than the diameter of the first body
  • a plurality of connectors are formed in the center, the second body is formed at least one second insertion groove is formed along the circumference, the outer circumferential surface of the first body and the inner circumferential surface of the second body, bent in a zigzag form
  • the connector may be variable by external force.
  • disposed between the reduction portion and the flexible portion, respectively between the flexible portion and the output portion may further include an encoder for measuring the displacement according to the deformation of the flexible portion.
  • the driving unit, the reduction unit, the flexible portion and the output unit may be vertically coupled through the hollow shaft.
  • the present invention can measure small displacement as a low resolution encoder. That is, a relatively low resolution encoder may have the same torque resolution as a high resolution encoder, thereby reducing the manufacturing cost of the actuator module.
  • the present invention since the present invention absorbs the impact when the object is moved, the actuator module and the colliding object may not be damaged.
  • FIG. 1 is a photograph of a manipulator articulated robot using a conventional actuator module.
  • FIG. 2 is a perspective view of an actuator module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of an actuator module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an exploded view of an actuator module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view showing a flexible portion of the actuator module according to an embodiment of the present invention.
  • FIGS. 6 and 7 are views illustrating a combined state of the flexible part and the output part of the actuator module according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 8 is a graph comparing the rotation angle according to the rated torque of the flexible portion of the actuator module according to an embodiment of the present invention and the flexible portion of the conventional actuator module.
  • FIG 2 is a perspective view of the actuator module 1 according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a cross-sectional view of the actuator module 1 according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4 is an embodiment of the present invention Is an exploded view of the actuator module 1 according to the present invention.
  • the actuator module 1 may include a driving unit 20, a reduction unit 30, a flexible unit 40, and an output unit 50, and may include the housing unit 10 and the plurality of encoder units 60 and 70. It may further include.
  • the actuator module 1 may be formed in a cylindrical shape as a whole, and a hollow is formed therein, and wiring such as a cable may be connected through the hollow. As such, when the wire is connected to the hollow inside, the wire may not be twisted by the rotational movement.
  • the driving unit 20 is a component that generates a rotational force, at least one motor (not shown) may be formed, and may transmit the rotational force to the reduction unit 30 through a gear coupled to the rotational shaft of the motor.
  • the driving unit 20 may have a hollow 200 formed therein, and the hollow 200 may include wiring such as a cable.
  • the above-described motor is to convert the electrical energy into mechanical energy
  • the configuration and operation method of the motor is well known in the art, so the description thereof is omitted here.
  • the reduction unit 30 is a component that receives the rotational force from the driving unit 20 and decreases the rotational speed to increase the rotational force.
  • the reduction unit 30 is disposed on the coaxial line with the driving unit 20 and connected at least according to the rotation of the driving unit 20. One area can rotate together.
  • the reduction unit 30 may have a hollow 300 formed at a position corresponding to the hollow 200 of the driving unit 20, and the hollow 300 may include wiring such as a cable.
  • the deceleration unit 30 may have a second protrusion 310 formed on one surface adjacent to the flexible portion 40 to transmit the reduced rotational force to the flexible portion 40. That is, one side of the reduction unit 30 may be connected to the flexible portion 40, and the other side thereof may be connected to the driving unit 20.
  • the reduction unit 30 may have a gear (not shown) engaged with a gear coupled to a rotational shaft of the motor in order to receive the transmission force from the driving unit 20. .
  • the flexible part 40 is a component that is variable by an external force, and is formed in a form in which a plurality of elastic members are stacked, and the flexible part 40 may be disposed coaxially with the driving part 20.
  • the flexible unit 40 may rotate together with the rotation of the reduction unit 30, and may be connected to the output unit 50 and coaxially arranged to transmit rotational force to the output unit 50. That is, the flexible part 40 may have one surface connected to the deceleration part 30 and the other surface connected to the output part 50.
  • the flexible part 40 may have a hollow 400 formed at a position corresponding to the hollow 300 of the deceleration part 30, and the hollow 400 may have wiring such as a cable.
  • the flexible part 40 will be described with reference to FIGS. 5 to 7.
  • 5 to 7 illustrate a flexible portion 40 having three elastic members 410, 420, and 430, but embodiments of the present disclosure are not limited thereto.
  • 5 and 6 illustrate only a part of the output unit 50 in which the first protrusion 510 is formed.
  • the plurality of elastic members are referred to as the first elastic member 410, the second elastic member 420, and the third elastic member 430 in the order of being close to the output unit 50.
  • At least a portion of the first elastic member 410 to the third elastic member 430 is formed to have an elastic force, and when an external force is applied, the region having the elastic force may be deformed.
  • the first elastic member 410 to the third elastic member 430 may have the same or different elastic force.
  • the first elastic member 410 to the third elastic member 430 is formed of a material having different elastic force or the same The material may be formed to have different thicknesses.
  • the first elastic member 410 to the third elastic member 430 is inserted into the first insertion groove 440 and the second projection 310, the first projection 510 is inserted.
  • the second insertion groove 450 may be formed.
  • the size of the first insertion groove 440 may be formed differently for each elastic member.
  • the first elastic member 410 has the first insertion groove 440 of the smallest size
  • the second elastic member 420 is the first insertion groove 440 of the first elastic member 410.
  • the first elastic groove 440 having a larger size than
  • the third elastic member 430 is larger than the first insertion groove 440 of the first elastic member 410 and the second elastic member 420 It may have a first insertion groove 440.
  • the plurality of elastic members may be stacked such that the plurality of elastic members are located close to the output unit 50 in the order of decreasing size of the first insertion groove 440.
  • the first protrusion 510 may be formed to the same size as the first insertion groove 440 of the first elastic member 410, when the external force is not applied to the output portion 50, the second elastic member 420 and the third elastic member 430 may be located at the center of the first insertion groove 440. In other words, when no external force is applied to the output unit 50, only the first insertion groove 440 of the first elastic member 410 may contact the first protrusion 510. In this case, the external force applied to the output unit 50 may be a force that resists rotation of the output unit 50.
  • the second insertion grooves 450 may be formed in the same size with each other regardless of the stacking order of the elastic member, it may be formed in the same size as the second projection (310).
  • the first elastic member 410 nearest to the output part 50 may be elastically deformed.
  • the first elastic member 410 and the second elastic member 420 may be elastically deformed, and when the external force of the third size is applied, the first elastic member ( The 410 to the third elastic member 430 may be elastically deformed.
  • the second size is larger than the first size
  • the third size is larger than the second size.
  • the elastic members 410, 420, and 430 may be selectively changed according to the magnitude of the external force applied to the output unit 50, and thus, the present invention may have a wide deformation range. As a result, torque resolution can be improved, resulting in a high resolution effect even with a low resolution encoder.
  • the first elastic member 410 and the second elastic member 420 may also be described with reference to the third elastic member 430, which is directly illustrated in FIGS. 5 and 7. 3 is formed in a shape similar to the elastic member 430.
  • the third elastic member 430 may include a first body 431, a second body 432, and a plurality of connectors 433.
  • the first body 431 is connected to the output unit 50, the hollow 400 is formed in the center, the circular plate formed with one or more first insertion grooves 440 at a distance spaced from the hollow 400 It may be formed in the form.
  • the second body 432 is connected to the reduction unit 30, the hollow 434 having a diameter larger than the diameter of the first body 431 is formed, one or more second insertion grooves 450 along the periphery It may be formed in the form of a circular plate formed. In this case, the second body 432 may be disposed on the same plane as the first body 431.
  • the connector 433 connects the first body 431 and the second body 432, and may be formed to be bent in a zigzag form, and may have an elastic force. That is, the connector 433 may be an elastic body, and the shape may be changed according to the applied load.
  • the connector 433 may be a plurality, any one connector may be connected to at least one other adjacent connector.
  • the connector 433 may be formed of different materials or different shapes for each elastic member.
  • the position of the first body 431 and the second body 432 may be displaced, and the connector 433 may be deformed.
  • the connector 433 may also be deformed back to its original shape. That is, the present invention can absorb the shock by deforming the connector when moving with the object.
  • the output unit 50 is a component that outputs the transmitted rotational force to the outside, and may be connected and arranged on the same line as the flexible unit 40, and at least one region may rotate together with the rotation of the first elastic member 410. can do.
  • the output unit 50 may have a hollow 500 formed at a position corresponding to the hollow 400 of the flexible part 40, and the hollow 500 may have a wiring such as a cable.
  • the output part 50 may have a first protrusion 510 inserted into the first insertion groove 440 on one surface adjacent to the flexible part 40, and the flexible part 40 through the first protrusion 510. Receives a rotational force from, or may transmit an external force applied from an external object to the flexible portion 40 side.
  • the output unit 50 may be formed with a groove 520 for coupling with the other actuator module, around the groove 520 for a rigid coupling fixed with the other actuator module
  • a coupling hole 530 into which the coupler can be inserted may be formed.
  • the housing unit 10 is a component for accommodating the driving unit 20, the reduction unit 30, the flexible unit 40, and the output unit 50, and a hollow 100 may be formed in the longitudinal direction therein.
  • the driving unit 20, the reduction unit 30, the flexible unit 40, and the output unit 50 may be accommodated.
  • the housing unit 10 and the drive unit 20 may be coupled in various coupling methods such as screw fastening.
  • the two encoder parts 60 and 70 are components for measuring the displacement of the flexible part 40, one between the deceleration part 30 and the flexible part 40, and the other of the flexible part 40 and the output. It is formed between the parts 50.
  • the encoder unit formed between the reduction unit 30 and the flexible unit 40 is the first encoder unit 60
  • the encoder unit formed between the flexible unit 40 and the output unit 50 is the second encoder unit. It is named 70.
  • the first encoder 60 and the second encoder 70 may each include a magnet and one or more Hall sensors for measuring the magnetic force.
  • the magnet 600 of the first encoder part is formed in a concentric shape and is coupled to the output side of the reduction part 30, that is, the outer circumferential surface of the reduction part 30 adjacent to the flexible part 40, of the third elastic member 430. Can be rotated together by rotation.
  • the hall sensor 610 of the first encoder unit may be coupled to the housing unit 10 so as to correspond to the magnet 600 of the first encoder unit, and measure the magnetic force generated by the magnet 600 of the first encoder unit.
  • the magnet 700 of the second encoder part is formed in a concentric shape, and is coupled to the input side of the output part 50, that is, the outer circumferential surface of the output part 50 adjacent to the flexible part 40, and of the first elastic member 410. Can be rotated together by rotation.
  • the hall sensor 710 of the second encoder unit may be coupled to the housing unit 10 so as to correspond to the magnet 700 of the second encoder unit, and measure the magnetic force generated by the magnet 700 of the second encoder unit.
  • the positions of the magnet and the hall sensor in the first encoder unit 60 and the second encoder unit 70 may be reversed.
  • the first encoder unit 60 and the second encoder unit 70 may be a contact encoder or a non-contact encoder.
  • the detected magnetic force may be transmitted to the controller (not shown), and the controller may determine the displacement based on the measured magnetic force.
  • FIG. 8 is a graph comparing the rotation angles according to the rated torque of the flexible portion 40 of the actuator module 1 and the flexible portion of the conventional actuator module 1 according to an embodiment of the present invention. That is, it is a graph comparing the torque resolution of the flexible part.
  • the conventional flexible portion has one elastic member.
  • A is a flexible portion 40 of the present invention
  • B is a conventional flexible portion.
  • the conventional flexible part has one elastic member, since the maximum rotation angle is small, the torque resolution is inevitably reduced because the torque is converted by measuring displacement in a very narrow section.
  • a high resolution encoder or an elastic member having a large maximum rotation angle should be used.
  • An high resolution encoder causes an increase in the price of the actuator module, and an elastic member having a large maximum rotation angle causes an increase in the weight and volume of the actuator module. come.
  • the flexible part 40 of the present invention is formed by stacking a plurality of elastic members 410, 420, and 430. Since the maximum rotation angle is wide even with a small volume, the torque is measured by measuring displacement in a relatively wide section. It can be converted to, and may have a high torque resolution in the low torque and the medium torque area which is a torque area generally used. That is, the present invention can have a high resolution effect even with a low resolution encoder.
  • the present invention relates to an actuator module having a flexible portion, which can be applied to various robots, has repeatability, and has industrial applicability.

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Abstract

본 발명은 연성부를 갖는 액추에이터 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다관절로 이루어진 로봇에 장착되며, 센서기반 정확한 부하측정을 통해 비정상적인 부하를 감지할 수 있는 연성부를 갖는 본질적 안정성이 향상된 액추에이터 모듈에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예는 회전력을 생성하는 구동부와, 구동부와 연결되어 회전력을 전달받고, 전달받은 회전속도를 감속하여 회전력을 증가시키는 감속부와, 감속부와 연결되어 회전력을 전달받고, 외력에 의해 가변 가능한 복수의 탄성부재가 적층되는 형태로 형성되는 연성부와, 연성부와 연결되어 회전력을 전달받고, 전달받은 회전력을 외부로 출력하는 출력부를 포함하고, 복수의 탄성부재는, 동일 또는 서로 다른 탄성력을 가지며, 출력부에 가해지는 외력의 크기에 따라 선택적으로 가변되는 액추에이터 모듈을 제공한다.

Description

연성부를 갖는 액추에이터 모듈
본 발명은 연성부를 갖는 액추에이터 모듈에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다관절로 이루어진 로봇에 장착되며, 센서기반 정확한 부하측정을 통해 비정상적인 부하를 감지할 수 있는 연성부를 갖는 본질적 안정성이 향상된 액추에이터 모듈에 관한 것이다.
액추에이터 모듈은 보통 구동부와 감속기를 내장하며, 일반 산업용은 물론 가정용 및 교육용으로도 널리 사용된다. 특히, 다수개의 액추에이터 모듈을 결합하면 복잡한 동작이 구현 가능한 다관절 로봇을 구현할 수 있다는 점에서 최근에 더욱 주목을 받고 있다.
도 1은 규격화된 액추에이터 모듈과 이들 모듈의 연결부재를 다수 반복 결합하여 다관절 로봇을 구현한 실제 사진이다. 이때, 다관절 로봇은 사용자가 로봇의 동작을 지시하여 기억시키고 이를 재현하도록 하는 교시 운동 방법 또는 스스로 판단하여 동작하는 자율 운동 방법에 의해 움직일 수 있다.
그러나, 교시 운동 방법에 의해 움직이는 다관절 로봇의 경우, 다관절 로봇이 다른 물체 또는 사람과 충돌하였을 때, 이를 감지하기가 불가능하고, 능동적인 대응을 통해 안정성을 확보하기 어려운 문제가 있었다.
이와 같은 문제점을 해결하고자, 토크 센서를 통해 다른 물체 또는 사람과의 충돌을 감지하는 액추에이터 모듈이 개발되었다. (한국등록특허 제10-1309652호)
그러나 이러한 액추에이터 모듈은 충돌만 감지할 수 있을 뿐, 충돌 시 액추에이터 모듈 및 충돌하는 물체에 가해지는 충격을 흡수할 수 없어 본질적 안정성을 보장하기 어려운 문제점이 있다. 또한, 액추에이터 모듈에서 토크 센서의 해상도는 매우 중요한 요소인데, 해상도가 높은 토크센서의 경우 매우 고가로 액추에이터 모듈의 제조비용을 상승시키는 문제점이 있다.
따라서, 충돌 시 물체에 가해지는 충격을 흡수할 수 있으며, 토크 해상도가 향상된 액추에이터 모듈의 개발이 요구되고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 센서기반 연성부를 통해 정확한 부하를 측정함과 동시에 충돌 시 물체에 가해지는 충격을 흡수할 수 있으며, 토크 해상도가 향상된 액추에이터 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 회전력을 생성하는 구동부와, 구동부와 연결되어 회전력을 전달받고, 전달받은 회전속도를 감속하여 회전력을 증가시키는 감속부와, 감속부와 연결되어 회전력을 전달받고, 외력에 의해 가변 가능한 복수의 탄성부재가 적층되는 형태로 형성되는 연성부와, 연성부와 연결되어 회전력을 전달받고, 전달받은 회전력을 외부로 출력하는 출력부를 포함하고, 복수의 탄성부재는, 동일 또는 서로 다른 탄성력을 가지며, 출력부에 가해지는 외력의 크기에 따라 선택적으로 가변되는 액추에이터 모듈을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 복수의 탄성부재는 각기 다른 크기의 제1삽입홈을 가지며, 제1삽입홈의 크기가 큰 순서대로 감속부와 가까이 위치하도록 적층되고, 출력부는 제1삽입홈에 삽입되는 제1돌기가 일면에 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 복수의 탄성부재는 서로 동일한 크기의 제2삽입홈을 가지며, 감속부는 제2삽입홈에 삽입되는 제2돌기가 일면에 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 탄성부재는 중심에 중공이 형성되고, 중공으로부터 일정간격 이격된 거리에 하나 이상의 제1삽입홈이 형성되는 제1바디와, 제1바디의 지름보다 넓은 지름의 중공이 중심에 형성되고, 둘레를 따라 하나 이상의 제2삽입홈이 형성되는 제2바디와, 제1바디의 외주면과 제2바디의 내주면을 연결하고, 지그재그 형태로 절곡되어 형성되는 복수의 커넥터를 포함하며, 커넥터는 외력에 의해 가변 가능할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 감속부와 연성부 사이에, 연성부와 출력부 사이에 각각 배치되며, 연성부의 변형에 따른 변위를 측정하는 엔코더부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 구동부, 감속부, 연성부 및 출력부는 중공축을 통해 수직 결합될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은 저해상도의 엔코더로서 작은 변위를 측정할 수 있다. 즉, 비교적 저렴한 저해상도의 엔코더로 고해상도 엔코더와 같은 토크 해상도를 가질 수 있으며, 이로 인해 액추에이터 모듈의 제조비용이 절감될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은 물체와의 출동 시 충격을 흡수하기 때문에, 액추에어터 모듈 및 충돌하는 물체가 파손되지 않을 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 종래의 액추에이터 모듈을 이용한 매니퓰레이터 다관절 로봇의 사진이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액추에이터 모듈을 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액추에이터 모듈의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 액추에이터 모듈의 분해도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시에에 따른 액추에이터 모듈의 연성부를 도시하는 도면이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 액추에이터 모듈의 연성부와 출력부의 결합된 상태를 도시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 액추에이터 모듈의 연성부와 종래의 액추에이터 모듈의 연성부의 정격토크에 따른 회전각을 비교한 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액추에이터 모듈(1)의 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액추에이터 모듈(1)의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 액추에이터 모듈(1)의 분해도이다.
액추에이터 모듈(1)은 구동부(20), 감속부(30), 연성부(40) 및 출력부(50)를 포함할 수 있으며, 하우징부(10) 및 복수의 엔코더부(60, 70)를 더 포함할 수 있다.
액추에이터 모듈(1)은 전체적으로 원기둥 형상으로 형성될 수 있으며, 내부에는 중공이 형성되어, 중공을 통해 케이블 등의 배선이 연결될 수 있다. 이와 같이 내부의 중공에 배선이 연결되는 경우, 회전 운동에 의해 배선이 꼬이지 않을 수 있다.
구동부(20)는 회전력을 생성하는 구성요소로서, 적어도 하나의 모터(미도시)가 형성될 수 있으며, 모터의 회전축에 결합된 기어를 통해 회전력을 감속부(30)로 전달할 수 있다. 구동부(20)는 내부에 중공(200)이 형성될 수 있으며, 중공(200)에는 케이블 등의 배선이 위치할 수 있다.
한편, 상술한 모터는 전기 에너지를 기계 에너지로 바꾸는 것으로, 모터의 구성 및 동작 방법은 당해 기술 분야에 널리 알려져 있으므로, 여기서는 그에 대한 설명을 생략한다.
감속부(30)는 구동부(20)로부터 회전력을 전달받아 회전속도를 감속하여 회전력을 증가시키는 구성요소로서, 구동부(20)와 동축선상에 배치되어 연결되며, 구동부(20)의 회전에 따라 적어도 일영역이 함께 회전할 수 있다. 감속부(30)는 구동부(20)의 중공(200)과 대응되는 위치에 중공(300)이 형성될 수 있으며, 중공(300)에는 케이블 등의 배선이 위치할 수 있다.
또한, 감속부(30)는 연성부(40)에 감속된 회전력을 전달하기 위해 연성부(40)와 인접한 일면에 제2돌기(310)가 형성될 수 있다. 즉, 감속부(30)는 일면이 연성부(40)와 연결되며, 타면이 구동부(20)와 연결될 수 있다.
한편, 본 발명의 도면에는 도시되어 있지 않지만, 감속부(30)는 구동부(20)로부터 전달력을 전달받기 위해, 모터의 회전축에 결합된 기어와 치합되는 기어(미도시)가 형성될 수 있다.
연성부(40)는 외력에 의해 가변되는 구성요소로서, 복수의 탄성부재가 적층된 형태로 형성되며, 구동부(20)와 동축선상에 배치되어 연결될 수 있다. 또한, 연성부(40)는 감속부(30)의 회전에 따라 함께 회전할 수 있으며, 출력부(50)와 동축선상에 배치되어 연결되어 회전력을 출력부(50)로 전달할 수 있다. 즉, 연성부(40)는 일면이 감속부(30)와 연결되며, 타면이 출력부(50)와 연결될 수 있다. 연성부(40)는 감속부(30)의 중공(300)과 대응되는 위치에 중공(400)이 형성되고, 중공(400)에는 케이블 등의 배선이 위치할 수 있다.
연성부(40)에 대해 도 5 내지 도 7을 참조하여 설명한다. 한편, 도 5 내지 도 7은 세 개의 탄성부재(410, 420, 430)를 갖는 연성부(40)에 대해 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 도시의 편의를 위해 도 5 및 도 6은 제1돌기(510)가 형성된 출력부(50)의 일부만을 도시한다.
이하에서는 복수의 탄성부재를 출력부(50)와 가까운 순서대로 제1탄성부재(410), 제2탄성부재(420) 및 제3탄성부재(430)로 명명한다.
제1탄성부재(410) 내지 제3탄성부재(430)는 적어도 일부가 탄성력을 갖도록 형성되며, 외력이 가해지는 경우, 탄성력을 갖는 영역이 변형될 수 있다. 이때, 제1탄성부재(410) 내지 제3탄성부재(430)는 동일 또는 서로 다른 탄성력을 가질 수 있다. 제1탄성부재(410) 내지 제3탄성부재(430)가 서로 다른 탄성력을 가지는 경우, 제1탄성부재(410) 내지 제3탄성부재(430)는 서로 다른 탄성력을 가지는 재질로 형성되거나, 동일한 재질로 서로 다른 두께를 가지도록 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 제1탄성부재(410) 내지 제3탄성부재(430)는 제1돌기(510)가 삽입되는 제1삽입홈(440) 및 제2돌기(310)가 삽입되는 제2삽입홈(450)이 형성될 수 있다. 이때, 제1삽입홈(440)의 크기는 탄성부재마다 서로 다르게 형성될 수 있다.
더욱 상세하게 설명하면, 제1탄성부재(410)는 가장 작은 크기의 제1삽입홈(440)을 가지며, 제2탄성부재(420)는 제1탄성부재(410)의 제1삽입홈(440)보다 큰 크기의 제1삽입홈(440)을 가지고, 제3탄성부재(430)는 제1탄성부재(410) 및 제2탄성부재(420)의 제1삽입홈(440)보다 큰 크기의 제1삽입홈(440)을 가질 수 있다. 다시 말해, 복수의 탄성부재는 제1삽입홈(440)의 크기가 작은 순서대로 출력부(50)와 가까이 위치하도록 적층될 수 있다.
한편, 제1돌기(510)는 제1탄성부재(410)의 제1삽입홈(440)과 동일한 크기로 형성될 수 있고, 출력부(50)에 외력이 가해지지 않는 경우, 제2탄성부재(420) 및 제3탄성부재(430)의 제1삽입홈(440)의 중심에 위치할 수 있다. 다시 말해, 출력부(50)에 외력이 가해지지 않는 경우, 제1탄성부재(410)의 제1삽입홈(440)만 제1돌기(510)와 접촉할 수 있다. 이때, 출력부(50)에 가해지는 외력은 출력부(50)의 회전에 저항하는 힘일 수 있다.
제2삽입홈(450)은 탄성부재의 적층 순서와 관계없이 서로 동일한 크기로 형성될 수 있으며, 제2돌기(310)와 동일한 크기로 형성될 수 있다.
연성부(40)가 이와 같이 형성됨으로써, 본 발명은 출력부(50)에 제1크기의 외력이 가해지는 경우, 출력부(50)와 가장 가까이 위치한 제1탄성부재(410)가 탄성 변형될 수 있고, 제2크기의 외력의 가해지는 경우, 제1탄성부재(410) 및 제2탄성부재(420)가 탄성 변형될 수 있으며, 제3크기의 외력이 가해지는 경우, 제1탄성부재(410) 내지 제3탄성부재(430)가 탄성 변형될 수 있다. 이때, 제2크기는 제1크기보다 크며, 제3크기는 제2크기보다 크다.
즉, 출력부(50)에 가해지는 외력의 크기에 따라 탄성부재(410, 420, 430)가 선택적으로 가변될 수 있으며, 이로 인해 본 발명은 폭 넓은 변형 범위를 가질 수 있다. 결과적으로, 토크 해상도가 향상될 수 있으며, 저해상의 엔코더로도 고해상도의 효과를 가져온다.
이하에서는 탄성부재의 형태에 대해 더욱 상세하게 설명한다. 한편, 본격적인 설명에 앞서 이하에서는 도 5 및 도 7에 직접적으로 형태가 도시된 제3탄성부재(430)를 중심으로 설명하나, 제1탄성부재(410) 및 제2탄성부재(420)도 제3탄성부재(430)와 유사한 형상으로 형성된다.
제3탄성부재(430)는 제1바디(431), 제2바디(432) 및 복수의 커넥터(433)를 포함할 수 있다.
제1바디(431)는 출력부(50)와 연결되는 것으로, 중심에 중공(400)이 형성되고, 중공(400)으로부터 일정간격 이격된 거리에 하나 이상의 제1삽입홈(440)이 형성된 원형판 형태로 형성될 수 있다.
제2바디(432)는 감속부(30)와 연결되는 것으로, 제1바디(431)의 지름보다 넓은 지름의 중공(434)이 형성되며, 둘레를 따라 하나 이상의 제2삽입홈(450)이 형성된 원형판 형태로 형성될 수 있다. 이때, 제2바디(432)는 제1바디(431)와 동일 면상에 배치될 수 있다.
커넥터(433)는 제1바디(431)와 제2바디(432)를 연결하는 것으로, 지그재그 형태로 절곡되어 형성될 수 있으며, 탄성력을 가질 수 있다. 즉, 커넥터(433)는 탄성체일 수 있고, 적용 부하에 따라 형상이 변화될 수 있다.
한편, 커넥터(433)는 복수개일 수 있으며, 어느 하나의 커넥터는 인접한 적어도 하나의 다른 커넥터와 연결될 수 있다. 또한, 커넥터(433)는 각 탄성부재마다 서로 다른 재질 또는 서로 다른 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명은 출력부(50)에 외력이 가해지는 경우, 제1바디(431)와 제2바디(432)의 위치가 어긋나며 커넥터(433)가 변형될 수 있으며, 출력부(50)에 가해지는 외력이 해지되는 경우, 제1바디(431)와 제2바디(432)는 원래의 위치로 돌아오며, 커넥터(433)도 원래의 형태로 다시 변형될 수 있다. 즉, 본 발명은 물체와의 출동 시 커넥터를 변형하여 충격을 흡수할 수 있다.
출력부(50)는 전달받은 회전력을 외부로 출력하는 구성요소로서, 연성부(40)와 동일선상에 배치되어 연결될 수 있으며, 제1탄성부재(410)의 회전에 따라 적어도 일영역이 함께 회전할 수 있다. 또한, 출력부(50)는 연성부(40)의 중공(400)과 대응되는 위치에 중공(500)이 형성되고, 중공(500)에는 케이블 등의 배선이 위치할 수 있다.
출력부(50)는 연성부(40)와 인접한 일면에 제1삽입홈(440)에 삽입되는 제1돌기(510)가 형성될 수 있으며, 제1돌기(510)를 통해 연성부(40)로부터 회전력을 전달받거나, 외부 물체로부터 가해지는 외력을 연성부(40)측으로 전달할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 출력부(50)는 타 액추에이터 모듈과의 결합을 위한 홈(520)이 형성될 수 있으며, 홈(520) 주위로는 타 액추에이터 모듈과의 견고한 결합고정을 위해 결합구가 삽입 가능한 결합공(530)이 형성될 수 있다.
하우징부(10)는 구동부(20), 감속부(30), 연성부(40) 및 출력부(50)를 수용하는 구성요소로서, 내부에 길이방향으로 중공(100)이 형성될 수 있으며, 중공(100)에는 구동부(20), 감속부(30), 연성부(40) 및 출력부(50)가 수용될 수 있다. 이때, 하우징부(10)와 구동부(20)는 나사 체결 등의 다양한 결합방식으로 결합될 수 있다.
두 개의 엔코더부(60, 70)는 연성부(40)의 변위를 측정하는 구성요소로서, 하나는 감속부(30)와 연성부(40) 사이에, 다른 하나는 연성부(40)와 출력부(50) 사이에 형성된다.
이하에서는, 감속부(30)와 연성부(40) 사이에 형성되는 엔코더부를 제1엔코더부(60)로, 연성부(40)와 출력부(50) 사이에 형성되는 엔코더부를 제2엔코더부(70)로 명명한다. 이때, 제1엔코더부(60) 및 제2엔코더부(70)는 각각 자석 및 자기력을 측정하는 하나 이상의 홀센서를 포함할 수 있다.
제1엔코더부의 자석(600)은 동심원 형상으로 형성되어, 감속부(30)의 출력측 즉, 연성부(40)와 인접한 감속부(30)의 외주면에 결합되고, 제3탄성부재(430)의 회전에 의해 함께 회전될 수 있다. 또한, 제1엔코더부의 홀센서(610)는 제1엔코더부의 자석(600)에 대응되도록 하우징부(10)에 결합되어, 제1엔코더부의 자석(600)에서 발생된 자기력을 측정할 수 있다.
제2엔코더부의 자석(700)은 동심원 형상으로 형성되어, 출력부(50)의 입력측 즉, 연성부(40)와 인접한 출력부(50)의 외주면에 결합되고, 제1탄성부재(410)의 회전에 의해 함께 회전될 수 있다. 또한, 제2엔코더부의 홀센서(710)는 제2엔코더부의 자석(700)에 대응되도록 하우징부(10)에 결합되어, 제2엔코더부의 자석(700)에서 발생된 자기력을 측정할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따라 제1엔코더부(60) 및 제2엔코더부(70)에서 자석과 홀센서의 위치는 서로 뒤바뀔 수 있다. 또한, 제1엔코더부(60) 및 제2엔코더부(70)는 접촉식 엔코더 또는 비접촉식 엔코더일 수 있다.
또한, 검출된 자기력은 제어부(미도시)로 송신될 수 있으며, 제어부는 측정된 자기력을 통해 변위를 판단할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 액추에이터 모듈(1)의 연성부(40)와 종래의 액추에이터 모듈의 연성부의 정격토크에 따른 회전각을 비교한 그래프이다. 즉, 연성부의 토크 해상도를 비교한 그래프이다. 이때, 종래의 연성부는 하나의 탄성부재를 갖는다. 도 8에서 A는 본 발명의 연성부(40)이며, B는 종래의 연성부이다.
종래의 연성부는 하나의 탄성부재를 가짐으로, 최대 회전각이 작기 때문에 매우 좁은 구간의 변위를 측정하여 토크를 환산해야 함으로 토크의 해상도가 떨어질수 밖에 없었다. 이를 해결하기 위해 고해상도의 엔코더 또는 최대 회전각이 큰 탄성부재를 이용해야 하는데, 고해상도의 엔코더는 액추에이터 모듈의 가격 상승을 불러오며, 최대 회전각이 큰 탄성부재는 액추에이터 모듈의 무게 및 체적 증가를 불러온다.
이와 달리, 본 발명의 연성부(40)는 복수의 탄성부재(410, 420, 430)가 적층되어 형성된 형태로, 적은 체적으로도 최대 회전각이 넓기 때문에, 비교적 넓은 구간의 변위를 측정하여 토크를 환산할 수 있으며, 일반적으로 사용되는 토크 영역인 저토크 및 중토크 영역에서 높은 토크 해상도를 가질 수 있다. 즉, 본 발명은 저해상도의 엔코더로도 고해상도의 효과를 가질 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
발명의 실시를 위한 형태는 위의 발명의 실시를 위한 최선의 형태에서 함께 기술되었다.
본 발명은 연성부를 갖는 액추에이터 모듈에 관한 것으로, 각종 로봇에 적용 가능하고, 반복 가능성이 있어 산업상 이용 가능성이 있다.

Claims (6)

  1. 회전력을 생성하는 구동부와,
    상기 구동부와 연결되어 회전력을 전달받고, 전달받은 회전속도를 감속하여 회전력을 증가시키는 감속부와,
    상기 감속부와 연결되어 회전력을 전달받고, 외력에 의해 가변 가능한 복수의 탄성부재가 적층되는 형태로 형성되는 연성부와,
    상기 연성부와 연결되어 회전력을 전달받고, 전달받은 회전력을 외부로 출력하는 출력부를 포함하고,
    상기 복수의 탄성부재는, 동일 또는 서로 다른 탄성력을 가지며, 상기 출력부에 가해지는 외력의 크기에 따라 선택적으로 가변되는 것을 특징으로 하는, 액추에이터 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 탄성부재는, 각기 다른 크기의 제1삽입홈을 가지며, 상기 제1삽입홈의 크기가 큰 순서대로 상기 감속부와 가까이 위치하도록 적층되고,
    상기 출력부는, 상기 제1삽입홈에 삽입되는 제1돌기가 일면에 형성되는 것을 특징으로 하는, 액추에이터 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 탄성부재는, 서로 동일한 크기의 제2삽입홈을 가지며,
    상기 감속부는, 상기 제2삽입홈에 삽입되는 제2돌기가 일면에 형성되는 것을 특징으로 하는, 액추에이터 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 탄성부재는,
    중심에 중공이 형성되고, 상기 중공으로부터 일정간격 이격된 거리에 하나 이상의 제1삽입홈이 형성되는 제1바디와,
    상기 제1바디의 지름보다 넓은 지름의 중공이 중심에 형성되고, 둘레를 따라 하나 이상의 제2삽입홈이 형성되는 제2바디와,
    상기 제1바디의 외주면과 상기 제2바디의 내주면을 연결하고, 지그재그 형태로 절곡되어 형성되는 복수의 커넥터를 포함하며,
    상기 커넥터는, 외력에 의해 가변 가능한 것을 특징으로 하는, 액추에이터 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 감속부와 상기 연성부 사이에, 상기 연성부와 상기 출력부 사이에 각각 배치되며, 상기 연성부의 변형에 따른 변위를 측정하는 엔코더부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 액추에이터 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 구동부, 상기 감속부, 상기 연성부 및 상기 출력부는 중공축을 통해 수직 결합되는 것을 특징으로 하는, 액추에이터 모듈.
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