WO2022149806A1 - 로봇용 관절 장치 - Google Patents

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WO2022149806A1
WO2022149806A1 PCT/KR2021/095136 KR2021095136W WO2022149806A1 WO 2022149806 A1 WO2022149806 A1 WO 2022149806A1 KR 2021095136 W KR2021095136 W KR 2021095136W WO 2022149806 A1 WO2022149806 A1 WO 2022149806A1
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WO
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robot
outer ring
housing
joint device
screw thread
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PCT/KR2021/095136
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정진수
김진웅
최진호
황적규
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삼성전자주식회사
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    • F16H2049/003—Features of the flexsplines therefor
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    • F16H49/00—Other gearings
    • F16H49/001—Wave gearings, e.g. harmonic drive transmissions

Definitions

  • the present disclosure relates to a joint device for a robot, and more particularly, to a joint device for a robot in which two housings supporting an outer ring of a bearing are fastened to an improved structure using a screw thread.
  • the bearing is disposed between the rotating shaft and the stationary housing to rotatably support the rotating shaft, and receive loads in the axial direction, the radial direction, and the moment direction.
  • the bearing since the housing is fixed by supporting the outer ring of the bearing, the bearing may not deviate from the designated position even if it receives the above-described loads.
  • the present disclosure is in accordance with the above-mentioned necessity, and an object of the present disclosure is to provide a joint device for a robot in which two housings supporting an outer ring of a bearing are fastened to an improved structure using a screw thread.
  • a joint device for a robot for solving the above object includes a housing, a bearing having an outer ring in contact with the housing, a rotating member in contact with the inner ring of the bearing, and a driving device for rotating the rotating member and the housing supports a first housing including a first support area supporting the front surface of the outer ring and a first fastening area extending rearwardly from the first support area and forming a first thread and a rear surface of the outer ring and a second housing including a second support region and a second fastening region extending forwardly from the second support region and having a second thread engaged with the first thread.
  • 1 is a diagram schematically showing a structure of a robot arm including a joint device for a robot.
  • Figure 2 is a perspective view of a joint device for a robot according to an embodiment of the present disclosure.
  • Figure 3 is a cross-sectional view of the joint device for the robot of Figure 2;
  • Figure 4 is an exploded perspective view of the joint device for the robot of Figure 2;
  • FIG. 5 is a view for explaining a fastening process of the first and second housings.
  • FIG. 6 is an enlarged view of part A of FIG. 3 .
  • FIG. 7 is a view showing a structure in which the inner peripheral surface of the second housing covers all the outer surfaces of the outer ring.
  • FIG. 8 is a view illustrating a structure in which a screw thread is formed on an inner circumferential surface of a second housing.
  • FIG. 9 is a view showing a structure in which the inner peripheral surface of the first housing covers all the outer surfaces of the outer ring.
  • expressions such as “have,” “may have,” “include,” or “may include” indicate the presence of a corresponding characteristic (eg, a numerical value, function, operation, or component such as a part). and does not exclude the presence of additional features.
  • the present specification describes components necessary for the description of each embodiment of the present disclosure, the present disclosure is not necessarily limited thereto. Accordingly, some components may be changed or omitted, and other components may be added. In addition, they may be distributed and arranged in different independent devices.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a structure of a robot arm including a joint device for a robot.
  • Figure 2 is a perspective view of a joint device for a robot according to an embodiment of the present disclosure.
  • the arm device 1000 for a robot may include a plurality of joint devices 1 and 2 for robots.
  • the arm device 1000 for a robot may be implemented by connecting a plurality of joint devices 1 and 2 for a robot having rotation axes in various directions along the longitudinal direction in series.
  • the first joint device for a robot 1 may have a rotation axis in a roll (roll) direction
  • the second joint device 2 for a robot may have a rotation axis in a pitch direction.
  • robot arm device 1000 may have seven degrees of freedom of rotation.
  • the arrangement order and number of joint devices for robots (1, 2) are not limited thereto, and a plurality of joint devices for robots (1,2) having rotation axes in various directions are combined to form the joint structure of the robot arm. can be implemented
  • a robot hand (not shown) capable of gripping an object may be disposed at an end of the arm device 1000 for a robot. Accordingly, since the robot hand has a high degree of rotational freedom, it can move to a desired position with various shapes and perform a grip operation.
  • the robot joint device 1 may include housings 100 and 200 , a rotating member 300 and a processor 10 .
  • the housings 100 and 200 form the exterior of the joint device 1 for the robot, and may support the rotating member 300 rotating in the roll direction in a stationary state without rotating.
  • the housings 100 and 200 may have a hollow cylindrical shape with an empty interior.
  • the housings 100 and 200 may accommodate a plurality of components, such as the rotating member 300 , the bearing 400 , and the driving device ( FIGS. 3 and 500 ) therein.
  • the housings 100 and 200 may include a first housing 100 and a second housing 200 .
  • the first and second housings 100 and 200 may be separately manufactured and then integrally fastened to form one inner space.
  • the structure and fastening method of the first and second housings 100 and 200 will be described later in detail.
  • At least a portion of the rotation member 300 may be disposed inside the housings 100 and 200 .
  • the rotation member 300 may rotate in the roll direction with respect to the rotation axis X1.
  • the rotation member 300 may have a disk shape, and the rear surface may be exposed to the outside through the opening of the first housing 100 .
  • Another robot joint device or robot hand may be connected to the rear side of the rotating member 300 .
  • the robot joint device 1 may include a processor 10 for controlling the operation of the robot joint device 1, and includes a sensor for recognizing the surrounding environment and a communication device for communicating with other electronic devices can do.
  • the processor 10 may control the overall operation of the joint device 1 for the robot.
  • the processor 10 may include one or more of a central processing unit (CPU), an application processor (AP), or a communication processor (CP).
  • the processor may be a microcontroller (MCU).
  • the processor 10 may control hardware or software components connected to the processor 10 by driving an operating system or an application program, and may perform various data processing and operations.
  • the processor 10 may load and process commands or data received from at least one of the other components into the volatile memory, and store various data in the non-volatile memory.
  • the processor 10 may be fixedly disposed at the front end of the second housing 200 , but the location is not limited thereto.
  • the processor 10 may control the driving device 500 to rotate the rotating member 300 by a specific angle.
  • the processor 10 may receive a signal regarding the rotation angle of the rotation member 300 sensed by the sensor, and thus may more precisely control the rotation angle of the rotation member 300 .
  • Figure 3 is a cross-sectional view of the joint device for the robot of Figure 2;
  • Figure 4 is an exploded perspective view of the joint device for the robot of Figure 2;
  • the joint device 1 for a robot further includes a bearing 400 , a driving device 500 , a reduction device 600 and a hollow tube 700 . can do.
  • the outer ring 410 may contact the housings 100 and 200
  • the inner ring 420 may contact the rotation member 300 . That is, the bearing 400 may be disposed between the stationary housings 100 and 200 and the rotating rotating member 300 to rotatably support the rotating member 300 .
  • the bearing 400 may receive a load from the rotating member 300 in an axial direction, a radial direction, and a moment direction. At this time, since the housings 100 and 200 support and fix the outer ring 410 of the bearing 400 , the bearing 400 may not deviate from a designated position even when the above-described loads are applied.
  • the bearing 400 may include a plurality of rollers 430 disposed so that central axes are alternately orthogonal between the outer ring 410 and the inner ring 420 . That is, the bearing 400 may be a cross roller bearing. Accordingly, the bearing 400 can easily withstand loads in each direction with one bearing and have improved rigidity, as compared with a general angular ball bearing.
  • the driving device 500 may be disposed in the housings 100 and 200 to rotate the rotating member 300 .
  • the driving device 500 may include a motor 510 and a motor shaft 520 rotated by the motor 510 .
  • the motor 510 includes a rotor and a stator, and may rotate the motor shaft 520 .
  • the motor shaft 520 may have a hollow cylindrical shape and may rotate about the same axis as the rotation axis X1 of the rotation member 300 .
  • the joint device 1 for the robot may further include a ball bearing 30 disposed between the motor shaft 520 and the second housing 200 .
  • the ball bearing 30 is illustrated as being implemented in two pieces, but the number is not limited thereto.
  • the motor shaft 520 may be rotatably supported by the ball bearing 30 . Accordingly, the motor shaft 520 may rotate stably about the X1 axis without departing from a designated position.
  • the reduction device 600 may have a front end connected to the motor shaft 520 and a rear end connected to the rotation member 300 . Accordingly, the deceleration device 600 may lower the angular velocity of the motor shaft 520 rotating at a high angular velocity so that the rotating member 300 rotates at a low angular velocity and high torque.
  • the reduction device 600 may include a wave generator 610 , a flex spline 620 , and a circular spline 630 .
  • the wave generator 610 is connected to the motor shaft 520 and may have an elliptical shape.
  • the wave generator 610 may be integrally formed with the motor shaft 520 to rotate at a high speed.
  • the flex spline 620 may be in contact with the outer circumferential surface of the wave generator 610 and may be connected to the rotation member 300, and a first tooth may be formed along the outer circumferential surface.
  • the flex spline 620 may be formed of a flexible and soft material.
  • the circular spline 630 has a hollow cylindrical shape, and a second tooth engaging with the first tooth of the flex spline 620 may be formed on the inner circumferential surface.
  • the circular spline 630 may be fixedly disposed on the inner circumferential surface of the second housing 200 as a rigid body.
  • the reduction device 600 as a harmonic drive may have a small, light weight, and large reduction ratio, and may have a precise reduction ratio because the transmission torque capacity is large and the backlash is small.
  • the hollow tube 700 is disposed along the rotation axis X1 of the rotation member 300 , and may rotate integrally with the rotation member 300 .
  • the joint device for the robot (1) may further include a plurality of cables (not shown) disposed inside the hollow tube (700).
  • the plurality of cables may be connected to the robot hand disposed at the end of the robot arm device 1000 to transmit power and signals to the robot hand.
  • a plurality of cables may be connected to other joint devices for robots to transmit power and signals.
  • the joint device 1 for the robot may further include a braking device 20 .
  • the braking device 20 may include a protruding region 21 protruding forward, and the protruding region 21 may be disposed to selectively engage with a groove (not shown) formed in the motor shaft 520 .
  • the protruding region 21 of the braking device 20 is engaged with the groove formed in the motor shaft 520 , and the motor shaft 520 is ) can be prevented from deflecting in the direction of gravity.
  • FIG. 5 is a view for explaining a fastening process of the first and second housings.
  • FIG. 6 is an enlarged view of part A of FIG. 3 .
  • 7 is a view showing a structure in which the inner peripheral surface of the second housing covers all the outer surfaces of the outer ring.
  • the inner diameters of the housings 100 and 200 may be smaller than the diameters of the bearings 400 .
  • one inner diameter D1 of the first housing 100 and the second One inner diameter D2 of the housing 200 may be smaller than the diameter D3 of the bearing 400 .
  • the bearing 400 is supported by one of the first and second housings 100 and 200 and the other housing is fastened to the one housing, so that the front surface 411 and the rear surface 412 of the outer ring 410 are ) may be supported by the first and second housings 100 and 200 , respectively.
  • the first screw thread 130 is formed on the inner circumferential surface 121 of the first housing 100
  • the second screw thread 230 is formed on the outer circumferential surface 222 of the second housing 200
  • the first housing 100 may be fastened to the second housing 200 so that the first and second threads are engaged with each other.
  • the first housing 100 extends rearwardly from the first support region 110 and the first support region 110 supporting the front surface 411 of the outer ring 410 and includes a first It may include a first fastening region 120 in which the thread 130 is formed.
  • the second housing 200 extends forward from the second support region 210 and the second support region 210 for supporting the rear surface 412 of the outer ring 410 and engages the first screw thread 130 . It may include a second fastening region 220 in which the second screw thread 230 is formed.
  • the first support area 110 , the first fastening area 120 , the second support area 210 , and the second fastening area 220 may all have a hollow cylindrical shape.
  • the first support region 110 and the first fastening region 120 may be orthogonal to each other, and the second support region 210 and the second fastening region 220 may be orthogonal to each other.
  • the first support region 110 and the second support regions 210 and 220 may be arranged in parallel to each other to support the front surface 411 and the rear surface 412 of the outer ring 410 , respectively.
  • the first and second fastening regions 120 and 220 may be disposed parallel to the outer surface 413 of the outer ring 410 . That is, the first and second fastening regions 120 and 220 may be disposed to surround the outer surface 413 of the outer ring 410 .
  • first and second housings 100 and 200 When one of the first and second housings 100 and 200 is fixed and the other is rotated, the first and second threads 130 and 230 are engaged with each other, so that the first and second housings 100 and 200 are rotated. ) can be contracted.
  • first screw thread 130 may be formed on the inner circumferential surface 121 of the first fastening area 120
  • second screw thread 230 may be formed on the outer circumferential surface 222 of the second fastening area 220 .
  • the first fastening region 120 is spaced apart from the first inner circumferential surface 121a in contact with the outer surface 413 of the outer ring 410 and the outer surface 413 of the outer ring 410 , and the second It may include a second inner circumferential surface (121b) on which one screw thread (130) is formed.
  • the inner peripheral surface 221 of the second fastening region 220 may be in contact with the outer surface 413 of the outer ring 410 .
  • the bearing 400 is provided in various directions.
  • the rotating member 300 may be rotatably and stably supported without departing from a designated position while bearing a load.
  • the bearing 400 facilitates the load in the moment direction. can endure
  • the fastening process is simple, and the first and second housings 100 and 200 are fastened to each other. There is no need for a process of forming a hole into which the bolt will be inserted, and there is no need for a space for the bolt to be placed in the first and second housings 100 and 200, so that the first and second housings 100 and 200 have a slim appearance. can have
  • the inner peripheral surface 221 of the second fastening region 220 may cover all of the outer surface 413 of the outer ring 410 . That is, the second fastening region 220 may have a length corresponding to the thickness of the bearing 400 .
  • the inner surface of the first housing 100 of FIG. 7 has only one step, it can be easily manufactured by having a simpler structure as compared with the structure of FIG. 6 having two steps.
  • FIG. 8 is a view illustrating a structure in which a screw thread is formed on an inner circumferential surface of a second housing.
  • 9 is a view showing a structure in which the inner peripheral surface of the first housing covers all the outer surfaces of the outer ring.
  • the first screw thread 130 is formed on the outer circumferential surface 122 of the first fastening area 120
  • the second screw thread 230 is the inner circumferential surface 221 of the second fastening area 220 . ) can be formed.
  • the first screw thread 130 is formed on the outer circumferential surface 122 of the first fastening region 120
  • the second screw thread 230 is formed on the inner circumferential surface 221 of the second fastening region 220 . Therefore, in a state in which the front surface 411 of the outer ring 410 is supported in the first housing 100, the second housing 200 is fastened to the first housing 100 so that the first and second threads are engaged with each other.
  • the second fastening region 220 is spaced apart from the third inner circumferential surface 221a in contact with the outer surface 413 of the outer ring 410 and the outer surface 413 of the outer ring 410 and , may include a fourth inner peripheral surface 221b on which the second screw thread 230 is formed.
  • the inner peripheral surface 121 of the first fastening region 120 may be in contact with the outer surface 413 of the outer ring 410 .
  • the bearing 400 is provided in various directions.
  • the rotating member 300 may be rotatably and stably supported without departing from a designated position while bearing a load.
  • the fastening process of the first and second housings 100 and 200 is simple, and there is no need for a process of forming a hole into which a bolt is inserted in the first and second housings 100 and 200 , and the first and second housings 100 and 200 do not need to be inserted. Since a space in which the bolts are disposed is unnecessary in the housings 100 and 200 , the first and second housings 100 and 200 may have a slim appearance.
  • the inner circumferential surface 121 of the first fastening region 120 may cover the entire outer surface 413 of the outer ring 410 . That is, the first fastening region 220 may have a length corresponding to the thickness of the bearing 400 .
  • the inner surface of the second housing 200 of FIG. 9 has only one step, it can be easily manufactured by having a simpler structure as compared with the structure of FIG. 8 having two steps.

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Abstract

로봇용 관절 장치가 개시된다. 본 로봇용 관절 장치는 하우징, 외륜이 하우징에 접하는 베어링, 베어링의 내륜과 접하는 회전 부재 및 회전 부재를 회전시키는 구동 장치를 포함하고, 하우징은, 외륜의 전면을 지지하는 제1 지지 영역 및 상기 제1 지지 영역으로부터 후방으로 연장되고 제1 나사산이 형성되는 제1 체결 영역을 포함하는 제1 하우징 및 외륜의 후면을 지지하는 제2 지지 영역 및 제2 지지 영역으로부터 전방으로 연장되고 제1 나사산과 맞물리는 제2 나사산이 형성되는 제2 체결 영역을 포함하는 제2 하우징을 포함한다.

Description

로봇용 관절 장치
본 개시는 로봇용 관절 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 베어링의 외륜을 지지하는 2개의 하우징이 나사산을 이용하여 개선된 구조로 체결되는 로봇용 관절 장치에 관한 것이다.
로봇 팔에 사용되는 관절 구조의 경우, 복수의 회전축이 순차적으로 조합되어 제작된다. 이에 따라, 로봇 팔의 끝단에 배치되는 로봇 핸드는 높은 자유도를 가지므로 다양한 형상을 가진 상태로 원하는 위치로 이동할 수 있다.
한편, 베어링은 회전하는 회전축과 정지된 하우징 사이에 배치되어 회전축을 회전 가능하게 지지하며, 축 방향, 반경 방향, 모멘트 방향으로의 하중을 받는다. 이 때, 하우징은 베어링의 외륜을 지지하여 고정시키므로, 베어링은 상술한 하중들을 받아도 지정된 위치에서 이탈하지 않을 수 있다.
다만, 베어링이 보다 작은 직경을 갖는 하우징 내에 삽입되려면, 베어링을 일 하우징에 지지시킨 상태에서, 타 하우징을 일 하우징에 체결할 필요가 있다. 그러나, 2개의 하우징을 볼트로 체결하는 경우, 체결 과정이 복잡하며, 하우징의 볼트가 삽입될 홀을 형성해야 해서 번거로우며, 볼트가 배치될 공간이 필요함에 따라 하우징의 크기가 커지는 문제점이 있었다.
본 개시는 상술한 필요성에 따른 것으로, 본 개시의 목적은 베어링의 외륜을 지지하는 2개의 하우징이 나사산을 이용하여 개선된 구조로 체결되는 로봇용 관절 장치를 제공함에 있다.
이상과 같은 목적을 해결하기 위한 본 개시의 일 실시예에 따른 로봇용 관절 장치는 하우징, 외륜이 상기 하우징에 접하는 베어링, 상기 베어링의 내륜과 접하는 회전 부재 및 상기 회전 부재를 회전시키는 구동 장치를 포함하고, 상기 하우징은 상기 외륜의 전면을 지지하는 제1 지지 영역 및 상기 제1 지지 영역으로부터 후방으로 연장되고 제1 나사산이 형성되는 제1 체결 영역을 포함하는 제1 하우징 및 상기 외륜의 후면을 지지하는 제2 지지 영역 및 상기 제2 지지 영역으로부터 전방으로 연장되고 상기 제1 나사산과 맞물리는 제2 나사산이 형성되는 제2 체결 영역을 포함하는 제2 하우징을 포함할 수 있다.
도 1은 로봇용 관절 장치를 포함하는 로봇 암 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 로봇용 관절 장치의 사시도이다.
도 3은 도 2의 로봇용 관절 장치의 단면도이다.
도 4는 도 2의 로봇용 관절 장치의 분해 사시도이다.
도 5는 제1 및 제2 하우징의 체결 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 도 3의 A부분을 확대한 도면이다.
도 7은 제2 하우징의 내주면이 외륜의 외측면을 모두 커버하는 구조를 나타내는 도면이다.
도 8은 제2 하우징의 내주면에 나사산이 형성된 구조를 나타내는 도면이다.
도 9는 제1 하우징의 내주면이 외륜의 외측면을 모두 커버하는 구조를 나타내는 도면이다.
이하에서 설명되는 실시 예는 본 개시의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 개시는 여기서 설명되는 실시 예들과 다르게, 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 다만, 이하에서 본 개시를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성요소에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명 및 구체적인 도시를 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 개시의 이해를 돕기 위하여 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
본 명세서 및 청구범위에서 사용되는 용어는 본 개시의 기능을 고려하여 일반적인 용어들을 선택하였다. 하지만, 이러한 용어들은 당 분야에 종사하는 기술자의 의도나 법률적 또는 기술적 해석 및 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 일부 용어는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있다. 이러한 용어에 대해서는 본 명세서에서 정의된 의미로 해석될 수 있으며, 구체적인 용어 정의가 없으면 본 명세서의 전반적인 내용 및 당해 기술 분야의 통상적인 기술 상식을 토대로 해석될 수도 있다.
본 명세서에서, "가진다," "가질 수 있다," "포함한다," 또는 "포함할 수 있다" 등의 표현은 해당 특징(예: 수치, 기능, 동작, 또는 부품 등의 구성요소)의 존재를 가리키며, 추가적인 특징의 존재를 배제하지 않는다.
그리고, 본 명세서에서는 본 개시의 각 실시 예의 설명에 필요한 구성요소를 설명한 것이므로, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서, 일부 구성요소는 변경 또는 생략될 수도 있으며, 다른 구성요소가 추가될 수도 있다. 또한, 서로 다른 독립적인 장치에 분산되어 배치될 수도 있다.
나아가, 이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 개시의 실시 예를 상세하게 설명하지만, 본 개시가 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 개시에 대하여 더욱 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 로봇용 관절 장치를 포함하는 로봇 암 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 로봇용 관절 장치의 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 로봇용 암 장치(1000)는 복수의 로봇용 관절 장치(1, 2)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 로봇용 암 장치(1000)는 길이 방향을 따라 다양한 방향의 회전축을 갖는 복수의 로봇용 관절 장치(1, 2)가 직렬로 연결되어 구현될 수 있다.
예를 들어, 제1 로봇용 관절 장치(1)는 롤(roll) 방향의 회전 축을 가질 수 있고, 제2 로봇용 관절 장치(2)는 피치(pitch) 방향의 회전축을 가질 수 있다.
구체적으로, 4개의 제1 로봇용 관절 장치(1)와 3개의 제2 로봇용 관절 장치(2)가 하나씩 교대 배치되어, 로봇용 암 장치(1000)는 7개의 회전 자유도를 가질 수 있다.
한편, 로봇용 관절 장치(1, 2)의 배치 순서 및 개수가 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 방향의 회전축을 갖는 복수의 로봇용 관절 장치(1, 2)가 조합되어 로봇용 암의 관절 구조를 구현할 수 있다.
또한, 로봇용 암 장치(1000)의 끝 단에는 물체를 파지할 수 있는 로봇 핸드(미도시)가 배치될 수 있다. 이에 따라, 로봇 핸드는 높은 회전 자유도를 가지므로 다양한 형상을 가진 상태로 원하는 위치로 이동하여, 그립 동작을 수행할 수 있다.
하기에서는, 롤 방향의 회전축을 갖는 제1 로봇용 관절 장치(1)의 구조에 관하여 상세히 설명한다.
로봇용 관절 장치(1)는 하우징(100, 200), 회전 부재(300) 및 프로세서(10)를 포함할 수 있다.
하우징(100, 200)은 로봇용 관절 장치(1)의 외관을 형성하며, 회전하지 않고 정지된 상태로 롤 방향으로 회전하는 회전 부재(300)를 지지할 수 있다.
하우징(100, 200)은 내부가 비어있는 중공의 원통 형상을 가질 수 있다. 하우징(100, 200)은 회전 부재(300), 베어링(400), 구동 장치(도 3, 500) 등 복수의 부품을 내부에 수용할 수 있다.
하우징(100, 200)은 제1 하우징(100) 및 제2 하우징(200)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 하우징(100, 200)은 각각 따로 제조된 이후에 일체로 체결되어, 하나의 내부 공간을 형성할 수 있다. 제1 및 제2 하우징(100, 200)의 구조 및 체결 방법에 관하여는 상세히 후술하기로 한다.
회전 부재(300)는 적어도 일부가 하우징(100, 200)의 내부에 배치될 수 있다. 회전 부재(300)는 회전축(X1)을 기준으로 롤 방향으로 회전할 수 있다.
회전 부재(300)는 원판의 형상을 가지고, 후면이 제1 하우징(100)의 개구를 통하여 외부로 노출될 수 있다. 회전 부재(300)의 후면에는 다른 로봇용 관절 장치나 로봇 핸드가 연결될 수 있다.
로봇용 관절 장치(1)는 로봇용 관절 장치(1)의 동작을 제어하기 위한 프로세서(10)를 포함할 수 있고, 주변 환경을 인식하기 위한 센서 및 다른 전자기기와 통신하기 위한 통신 장치를 포함할 수 있다.
프로세서(10)는 로봇용 관절 장치(1)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 이를 위해, 프로세서(10)는 중앙처리장치(central processing unit(CPU)), 어플리케이션 프로세서(application processor(AP)), 또는 커뮤니케이션 프로세서(communication processor(CP)) 중 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다. 프로세서는 마이크로컨트롤러(Micro Control Unit, MCU)일 수 있다.
프로세서(10)는 운영 체제 또는 응용 프로그램을 구동하여 프로세서(10)에 연결된 하드웨어 또는 소프트웨어 구성요소들을 제어할 수 있고, 각종 데이터 처리 및 연산을 수행할 수 있다. 또한, 프로세서(10)는 다른 구성요소들 중 적어도 하나로부터 수신된 명령 또는 데이터를 휘발성 메모리에 로드하여 처리하고, 다양한 데이터를 비휘발성 메모리에 저장할 수 있다.
프로세서(10)는 제2 하우징(200)의 전단에 고정 배치될 수 있으나, 그 위치가 이에 한정되는 것은 아니다.
프로세서(10)는 회전 부재(300)가 특정 각도만큼 회전하도록 구동 장치(500)를 제어할 수 있다. 프로세서(10)는 센서가 감지한 회전 부재(300)의 회전 각도에 관한 신호를 수신하고, 이에 따라 회전 부재(300)의 회전 각도를 더욱 정밀하게 제어할 수 있다.
도 3은 도 2의 로봇용 관절 장치의 단면도이다. 도 4는 도 2의 로봇용 관절 장치의 분해 사시도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 개시의 일 실시예에 따른 로봇용 관절 장치(1)는 베어링(400), 구동 장치(500), 감속 장치(600) 및 중공관(700)을 더 포함할 수 있다.
베어링(400)은 외륜(410)이 하우징(100, 200)에 접하고, 내륜(420)이 회전 부재(300)와 접할 수 있다. 즉, 베어링(400)은 정지된 하우징(100, 200)과 회전하는 회전 부재(300) 사이에 배치되어, 회전 부재(300)를 회전 가능하게 지지할 수 있다.
구체적으로, 베어링(400)은 회전 부재(300)로부터 축 방향, 반경 방향, 모멘트 방향으로의 하중을 전달받을 수 있다. 이 때, 하우징(100, 200)은 베어링(400)의 외륜(410)을 지지하여 고정시키므로, 베어링(400)은 상술한 하중들을 받아도 지정된 위치에서 이탈하지 않을 수 있다.
베어링(400)은 외륜(410) 및 내륜(420) 사이에서 중심축이 교대로 직교하도록 배치되는 복수의 롤러(430)를 포함할 수 있다. 즉, 베어링(400)은 크로스 롤러 베어링(Cross Roller Bearing)일 수 있다. 이에 따라, 베어링(400)은 일반적인 앵귤러 볼베어링과 비교하여, 1개의 베어링으로 각 방향의 하중을 용이하게 견딜 수 있고， 향상된 강성을 가질 수 있다.
구동 장치(500)는 하우징(100, 200) 내에 배치되어 회전 부재(300)를 회전시킬 수 있다. 구동 장치(500)는 모터(510) 및 모터(510)에 의해 회전하는 모터 샤프트(520)를 포함할 수 있다.
모터(510)는 회전자와 고정자를 포함하고, 모터 샤프트(520)를 회전시킬 수 있다. 모터 샤프트(520)는 중공의 원통 형상을 가질 수 있고, 회전 부재(300)의 회전축(X1)과 동일한 축을 중심으로 회전할 수 있다.
로봇용 관절 장치(1)는 모터 샤프트(520)와 제2 하우징(200) 사이에 배치되는 볼 베어링(30)을 더 포함할 수 있다. 볼 베어링(30)는 2개로 구현되는 것으로 도시되어 있으나, 그 개수가 이에 한정되는 것은 아니다.
모터 샤프트(520)는 볼 베어링(30)에 의해 회전 가능하게 지지될 수 있다. 이에 따라, 모터 샤프트(520)는 지정된 위치에서 이탈하지 않고 X1축을 중심으로 안정적으로 회전할 수 있다.
감속 장치(600)는 전단이 모터 샤프트(520)에 연결되고, 후단이 회전 부재(300)에 연결될 수 있다. 이에 따라, 감속 장치(600)는 높은 각속도로 회전하는 모터 샤프트(520)의 각속도를 낮춰서, 회전 부재(300)가 낮은 각속도 및 높은 토크로 회전하도록 할 수 있다.
구체적으로, 감속 장치(600)는 웨이브 발생기(610), 플렉스 스플라인(620) 및 원형 스플라인(630)을 포함할 수 있다.
웨이브 발생기(610)는 모터 샤프트(520)와 연결되고, 타원 형상을 가질 수 있다. 웨이브 발생기(610)는 모터 샤프트(520)와 일체로 형성되어 고속으로 회전할 수 있다.
플렉스 스플라인(620)은 웨이브 발생기(610)의 외주면과 접하고 회전 부재(300)와 연결되며 외주면을 따라 제1 치형이 형성될 수 있다. 플렉스 스플라인(620)은 플렉서블한 연성의 재질로 형성될 수 있다.
원형 스플라인(630)은 중공의 원통 형상을 가지고, 내주면에 플렉스 스플라인(620)의 제1 치형과 맞물리는 제2 치형이 형성될 수 있다. 원형 스플라인(630)은 강체로써 제2 하우징(200)의 내주면에 고정 배치될 수 있다.
즉, 감속 장치(600)는 하모닉 드라이브(harmonic drive)로써 소형, 경량이면서 큰 감속비를 가질 수 있고, 전달 토크의 용량이 크며, 백래쉬가 작기 때문에 정밀한 감속비를 가질 수 있다.
중공관(700)은 회전 부재(300)의 회전축(X1)을 따라 배치되고, 회전 부재(300)와 일체로 회전할 수 있다. 또한, 로봇용 관절 장치(1)는 중공관(700) 내측에 배치되는 복수의 케이블(미도시)를 더 포함할 수 있다.
복수의 케이블은 로봇 암 장치(1000)의 끝단에 배치된 로봇 핸드와 연결되어, 전원 및 신호를 로봇 핸드로 전달할 수 있다. 또한, 복수의 케이블은 다른 로봇용 관절 장치와 연결되어 전원 및 신호를 전달할 수 있다.
즉, 복수의 케이블은 중공관(700) 내부에 수용되므로, 회전하는 다른 부품과의 간섭이 최소화되어, 각 부품으로 신호를 안정적으로 전달할 수 있다.
로봇용 관절 장치(1)는 제동 장치(20)를 더 포함할 수 있다. 제동 장치(20)는 전방으로 돌출된 돌출 영역(21)을 포함하고, 돌출 영역(21)은 모터 샤프트(520)에 형성된 그루브(미도시)와 선택적으로 맞물리도록 배치될 수 있다.
구체적으로, 모터(510)의 전원이 꺼지거나 모터 샤프트(520)가 정지해있는 경우, 제동 장치(20)의 돌출 영역(21)은 모터 샤프트(520)에 형성된 그루브와 맞물려서, 모터 샤프트(520)의 중력 방향으로의 처짐을 방지할 수 있다.
도 5는 제1 및 제2 하우징의 체결 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 6은 도 3의 A부분을 확대한 도면이다. 도 7은 제2 하우징의 내주면이 외륜의 외측면을 모두 커버하는 구조를 나타내는 도면이다.
도 5을 참조하면, 하우징(100, 200)이 베어링(400)의 외륜을 전방, 후방, 측방에서 모두 지지하려면, 하우징(100, 200)의 내경은 베어링(400)의 직경보다 작을 수 있다.
구체적으로, 제1 및 제2 하우징(100, 200)이 외륜(410)의 전면(411) 및 후면(412)을 모두 지지하기 위하여, 제1 하우징(100)의 일 내경(D1)과 제2 하우징(200)의 일 내경(D2)은 베어링(400)의 직경(D3)보다 작을 수 있다.
베어링(400)이 보다 작은 직경을 갖는 하우징 내에 삽입되려면, 베어링을 일 하우징에 지지시킨 상태에서, 타 하우징을 일 하우징에 체결할 필요가 있다.
즉, 베어링(400)은 제1 및 제2 하우징(100, 200) 중 일 하우징에 지지된 상태에서, 타 하우징이 일 하우징에 체결됨에 따라, 외륜(410)의 전면(411) 및 후면(412)이 제1 및 제2 하우징(100, 200)에 의해 각각 지지될 수 있다.
도 5 내지 도 7에서는 제1 나사산(130)이 제1 하우징(100)의 내주면(121)에 형성되고, 제2 나사산(230)이 제2 하우징(200)의 외주면(222)에 형성되므로, 제2 하우징(200)에 외륜(410)의 후면(412)을 지지시킨 상태에서, 제1 및 제2 나사산이 서로 맞물리도록 제1 하우징(100)을 제2 하우징(200)에 체결시킬 수 있다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 제1 하우징(100)은 외륜(410)의 전면(411)을 지지하는 제1 지지 영역(110) 및 제1 지지 영역(110)으로부터 후방으로 연장되고 제1 나사산(130)이 형성되는 제1 체결 영역(120)을 포함할 수 있다.
또한, 제2 하우징(200)은 외륜(410)의 후면(412)을 지지하는 제2 지지 영역(210) 및 제2 지지 영역(210)으로부터 전방으로 연장되고 제1 나사산(130)과 맞물리는 제2 나사산(230)이 형성되는 제2 체결 영역(220)을 포함할 수 있다.
제1 지지 영역(110), 제1 체결 영역(120), 제2 지지 영역(210) 및 제2 체결 영역(220)은 모두 중공의 원통 형상을 가질 수 있다.
제1 지지 영역(110) 및 제1 체결 영역(120)은 서로 직교할 수 있고, 제2 지지 영역(210) 및 제2 체결 영역(220)은 서로 직교할 수 있다. 또한, 제1 지지 영역(110)과 제2 지지 영역(210, 220)은 서로 나란하게 배치되어 각각 외륜(410)의 전면(411) 및 후면(412)을 지지할 수 있다.
제1 및 제2 체결 영역(120, 220)은 외륜(410)의 외측면(413)과 나란하게 배치될 수 있다. 즉, 제1 및 제2 체결 영역(120, 220)은 외륜(410)의 외측면(413)을 둘러싸도록 배치될 수 있다.
제1 및 제2 하우징(100, 200) 중 어느 하나가 고정된 채로 다른 하나를 회전시키면, 제1 및 제2 나사산(130, 230)이 서로 맞물리게 되므로, 제1 및 제2 하우징(100, 200)은 체결될 수 있다.
또한, 제1 나사산(130)은 제1 체결 영역(120)의 내주면(121)에 형성되고, 제2 나사산(230)은 제2 체결 영역(220)의 외주면(222)에 형성될 수 있다.
구체적으로 도 6을 참조하면, 제1 체결 영역(120)은 외륜(410)의 외측면(413)과 접하는 제1 내주면(121a) 및 외륜(410)의 외측면(413)과 이격 배치되고 제1 나사산(130)이 형성되는 제2 내주면(121b)을 포함할 수 있다. 이 때, 제2 체결 영역(220)의 내주면(221)은 외륜(410)의 외측면(413)과 접할 수 있다.
이에 따라, 외륜(410)의 전면(411), 후면(412) 및 외측면(413)은 제1 및 제2 하우징(100, 200)에 의해 안정적으로 지지되므로, 베어링(400)은 다양한 방향의 부하를 견디고 지정된 위치를 이탈하지 않으면서 회전 부재(300)를 회전 가능하게 안정적으로 지지할 수 있다.
특히, 서로 맞물리는 제1 및 제2 나사산(130, 230)사이의 마찰력에 의하여 제1 및 제2 하우징(100, 200)은 서로 안정적으로 체결되므로, 베어링(400)은 모멘트 방향의 부하를 용이하게 견딜 수 있다.
또한, 제1 및 제2 하우징(100, 200)을 제1 및 제2 나사산(130, 230)이 서로 맞물리도록 체결함에 따라, 체결 과정이 간단하며, 제1 및 제2 하우징(100, 200)에 볼트가 삽입될 홀을 형성하는 공정이 필요 없으며, 제1 및 제2 하우징(100, 200)에 볼트가 배치될 공간이 불필요하여 제1 및 제2 하우징(100, 200)은 슬림한 외관을 가질 수 있다.
또한, 도 7을 참조하면, 제2 체결 영역(220)의 내주면(221)이 외륜(410)의 외측면(413)을 모두 커버할 수 있다. 즉, 제2 체결 영역(220)은 베어링(400)의 두께와 대응하는 길이를 가질 수 있다.
도 7의 제1 하우징(100)의 내면은 1개의 단차만을 가지므로, 2개의 단차를 갖는 도 6의 구조와 비교하여, 보다 간단한 구조를 가져서 용이하게 제조될 수 있다.
도 8은 제2 하우징의 내주면에 나사산이 형성된 구조를 나타내는 도면이다. 도 9는 제1 하우징의 내주면이 외륜의 외측면을 모두 커버하는 구조를 나타내는 도면이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 제1 나사산(130)은 제1 체결 영역(120)의 외주면(122)에 형성되고, 제2 나사산(230)은 제2 체결 영역(220)의 내주면(221)에 형성될 수 있다.
도 8 및 도 9에서는 제1 나사산(130)이 제1 체결 영역(120)의 외주면(122)에 형성되고, 제2 나사산(230)이 제2 체결 영역(220)의 내주면(221)에 형성되므로, 제1 하우징(100)에 외륜(410)의 전면(411)을 지지시킨 상태에서, 제1 및 제2 나사산이 서로 맞물리도록 제2 하우징(200)을 제1 하우징(100)에 체결시킬 수 있다.
구체적으로, 도 8을 참조하면, 제2 체결 영역(220)은 외륜(410)의 외측면(413)과 접하는 제3 내주면(221a) 및 외륜(410)의 외측면(413)과 이격 배치되고, 제2 나사산(230)이 형성되는 제4 내주면(221b)을 포함할 수 있다. 이 때, 제1 체결 영역(120)의 내주면(121)은 외륜(410)의 외측면(413)과 접할 수 있다.
이에 따라, 외륜(410)의 전면(411), 후면(412) 및 외측면(413)은 제1 및 제2 하우징(100, 200)에 의해 안정적으로 지지되므로, 베어링(400)은 다양한 방향의 부하를 견디고 지정된 위치를 이탈하지 않으면서 회전 부재(300)를 회전 가능하게 안정적으로 지지할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 하우징(100, 200)의 체결 과정이 간단하며, 제1 및 제2 하우징(100, 200)에 볼트가 삽입될 홀을 형성하는 공정이 필요 없으며, 제1 및 제2 하우징(100, 200)에 볼트가 배치될 공간이 불필요하여 제1 및 제2 하우징(100, 200)은 슬림한 외관을 가질 수 있다.
도 9를 참조하면, 제1 체결 영역(120)의 내주면(121)이 외륜(410)의 외측면(413)을 모두 커버할 수 있다. 즉, 제1 체결 영역(220)은 베어링(400)의 두께와 대응하는 길이를 가질 수 있다.
도 9의 제2 하우징(200)의 내면은 1개의 단차만을 가지므로, 2개의 단차를 갖는 도 8의 구조와 비교하여, 보다 간단한 구조를 가져서 용이하게 제조될 수 있다.
이상에서는 본 개시의 바람직한 실시예에 대해서 도시하고, 설명하였으나, 본 개시는 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 개시의 요지를 벗어남이 없이 당해 개시가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (12)

  1. 하우징;
    외륜이 상기 하우징에 접하는 베어링;
    상기 베어링의 내륜과 접하는 회전 부재; 및
    상기 회전 부재를 회전시키는 구동 장치;를 포함하고,
    상기 하우징은,
    상기 외륜의 전면을 지지하는 제1 지지 영역 및 상기 제1 지지 영역으로부터 후방으로 연장되고 제1 나사산이 형성되는 제1 체결 영역을 포함하는 제1 하우징 및
    상기 외륜의 후면을 지지하는 제2 지지 영역 및 상기 제2 지지 영역으로부터 전방으로 연장되고 상기 제1 나사산과 맞물리는 제2 나사산이 형성되는 제2 체결 영역을 포함하는 제2 하우징을 포함하는 로봇용 관절 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 나사산은 상기 제1 체결 영역의 내주면에 형성되고,
    상기 제2 나사산은 상기 제2 체결 영역의 외주면에 형성되는 로봇용 관절 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 체결 영역은,
    상기 외륜의 외측면과 접하는 제1 내주면 및
    상기 외륜의 외측면과 이격 배치되고, 상기 제1 나사산이 형성되는 제2 내주면을 포함하고,
    상기 제2 체결 영역의 내주면은 상기 외륜의 외측면과 접하는 로봇용 관절 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 나사산은 상기 제1 체결 영역의 외주면에 형성되고,
    상기 제2 나사산은 상기 제2 체결 영역의 내주면에 형성되는 로봇용 관절 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 체결 영역은,
    상기 외륜의 외측면과 접하는 제3 내주면 및
    상기 외륜의 외측면과 이격 배치되고, 상기 제2 나사산이 형성되는 제4 내주면을 포함하고,
    상기 제1 체결 영역의 내주면은 상기 외륜의 외측면과 접하는 로봇용 관절 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 체결 영역은, 상기 외륜의 외측면과 나란하게 배치되는 로봇용 관절 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 구동 장치는 모터 및 상기 모터에 의해 회전하는 모터 샤프트를 포함하는 로봇용 관절 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 모터 샤프트와 상기 제2 하우징 사이에 배치되는 볼 베어링;을 더 포함하는 로봇용 관절 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 모터 샤프트 및 상기 회전 부재에 연결되는 감속 장치;를 더 포함하는 로봇용 관절 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 감속 장치는,
    상기 모터 샤프트와 연결되는 타원 형상의 웨이브 발생기,
    상기 웨이브 발생기의 외주면과 접하고 상기 회전 부재와 연결되며 외주면을 따라 제1 치형이 형성되는 플렉스 스플라인 및
    내주면에 상기 제1 치형과 맞물리는 제2 치형이 형성되는 원형 스플라인을 포함하는 로봇용 관절 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 회전 부재의 회전축을 따라 배치되고, 상기 회전 부재와 일체로 회전하는 중공관; 및
    상기 중공관 내측에 배치되는 복수의 케이블;을 더 포함하는 로봇용 관절 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 베어링은,
    상기 외륜 및 상기 내륜 사이에서 중심축이 교대로 직교하도록 배치되는 복수의 롤러를 포함하는 로봇용 관절 장치.
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