KR102340814B1

KR102340814B1 - 로봇 관절 구동 장치

Info

Publication number: KR102340814B1
Application number: KR1020200139304A
Authority: KR
Inventors: 김진현; 조정산; 한상철; 박상신; 김진탁; 김정영
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2020-10-26
Filing date: 2020-10-26
Publication date: 2021-12-17
Anticipated expiration: 2040-10-26

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 로봇 관절 구동 장치는, 케이스; 상기 케이스의 일측과 상기 케이스의 타측 사이에 구비되고, 원통 형상으로 이루어지는 지지 부재; 상기 지지 부재의 외측면을 감싸도록 구비되고, 나선 형상으로 이루어지는 캠부가 구비되는 회전 부재; 상기 회전 부재와 연결되는 링크; 상기 케이스의 타측에 결합되고, 상기 캠부에 접하면서 제1 방향 또는 상기 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향을 따라 왕복 이동되는 제1 로드가 구비되는 제1 유압 실린더; 및 상기 케이스의 타측에 결합되고, 상기 제1 유압 실린더와 이격되어 배치되고, 상기 캠부에 접하면서 상기 제1 로드의 이동 방향과 반대 방향인 상기 제1 방향 또는 상기 제2 방향을 따라 왕복 이동되는 제2 로드가 구비되는 제2 유압 실린더를 포함하고, 상기 제1 로드가 상기 제1 방향으로 이동되면, 상기 제1 로드가 상기 캠부에 힘을 가하여 상기 회전 부재는 상기 링크와 함께 시계 방향으로 회전되고, 상기 제2 로드가 상기 제1 방향으로 이동되면, 상기 제2 로드가 상기 캠부에 힘을 가하여 상기 회전 부재는 상기 링크와 함께 반시계 방향으로 회전될 수 있다.

Description

로봇 관절 구동 장치{ROBOT JOINT DRIVING DEVICE}

본 발명은 로봇 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 건설 기계용 또는 재난대응용 로봇의 소형화를 이루면서 높은 자유도를 갖는 로봇 관절을 구현하기 위한 로봇 관절 구동 장치에 관한 것이다.

건설 작업 환경과 재난 작업 환경과 같은 극한의 작업 현장에서는 굴삭기 등 다양한 기계들이 사용된다. 이러한 기계들은 현장에서 강인한 성능을 발휘할 수 있도록 유압을 이용하여 동력을 발생시킨다.

그러나, 종래의 기계들은 적은 자유도를 가지는 회전 관절들로 구성되어 비교적 단순한 작업들만 수행하는 문제가 있다.

한편, 높은 자유도를 가진 회전 관절을 구현하기 위한 메커니즘은 다수의 링크 구조, 랙앤피니언기어, 헬리컬 기어, 베인 액추에이터 등이 있다.

다수의 링크 구조로 회전 관절을 구현하는 경우, 예를 들어, 4절 링크 구조에 유압 실린더를 이용하여 회전 관절을 구현하면, 유압 실린더가 링크의 길이 방향이 아닌 다른 방향으로 배치되므로, 회전 관절의 전체적인 부피가 증가하게 되어 결과적으로 회전 관절의 소형화하기에 어려운 문제가 있다.

랙앤피니언기어를 이용하여 회전 관절을 구현하는 경우, 링크의 길이 방향을 따라 랙이 배치되나, 랙의 이동 구간을 확보하기 위해서 회전 관절의 전체 길이가 길어지고, 백래쉬가 발생되고, 외부 충격에 의해 기어가 파손되는 문제가 있다.

헬리컬 기어를 이용하여 회전 관절을 구현하는 경우, 랙앤피니언기어에 비해 회전 관절의 전체 길이가 길어지는 문제는 해결되나, 결국 랙앤피니언기어와 마찬가지로, 백래쉬가 발생되고, 외부 충격에 의해 기어가 파손되는 문제가 있다.

베인 액추에이터를 이용하여 회전 관절을 구현하는 경우, 출력 토크가 낮고, 회전 관절의 무게가 증가하는 문제가 있다.

즉, 랙앤피니언기어나 헬리컬기어를 이용하는 경우, 백래쉬 문제와 파손 문제가 있고, 베인 액추에이터를 이용하는 경우, 회전 관절의 전체 무게에 비하여 출력 토크가 낮으므로, 유압 실린더가 링크의 길이 방향을 따라 배치될 수 있는 구조의 연구가 필요한 실정이다.

등록특허공보 제10-1362487호(2014.02.21.)(유압 모터)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 건설 작업 현장 또는 재난 작업 현장 등 극한의 작업 현장에서 사용될 수 있도록 출력 토크를 높이면서 자유도가 높은 로봇 관절 구동 장치를 제공하고자 한다.

또한, 회전 관절의 링크의 길이 방향을 따라 유압 실린더가 배치되어 소형화가 가능한 로봇 관절 구동 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 로봇 관절 구동 장치는, 케이스; 상기 케이스의 일측과 상기 케이스의 타측 사이에 구비되고, 원통 형상으로 이루어지는 지지 부재; 상기 지지 부재의 외측면을 감싸도록 구비되고, 나선 형상으로 이루어지는 캠부가 구비되는 회전 부재; 상기 회전 부재와 연결되는 링크; 상기 케이스의 타측에 결합되고, 상기 캠부에 접하면서 제1 방향 또는 상기 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향을 따라 왕복 이동되는 제1 로드가 구비되는 제1 유압 실린더; 및 상기 케이스의 타측에 결합되고, 상기 제1 유압 실린더와 이격되어 배치되고, 상기 캠부에 접하면서 상기 제1 로드의 이동 방향과 반대 방향인 상기 제1 방향 또는 상기 제2 방향을 따라 왕복 이동되는 제2 로드가 구비되는 제2 유압 실린더를 포함하고, 상기 제1 로드가 상기 제1 방향으로 이동되면, 상기 제1 로드가 상기 캠부에 힘을 가하여 상기 회전 부재는 상기 링크와 함께 시계 방향으로 회전되고, 상기 제2 로드가 상기 제1 방향으로 이동되면, 상기 제2 로드가 상기 캠부에 힘을 가하여 상기 회전 부재는 상기 링크와 함께 반시계 방향으로 회전될 수 있다.

이 때, 상기 제1 로드가 상기 제1 방향으로 이동되면, 상기 제2 로드가 상기 제2 방향으로 이동되고, 상기 제2 로드가 상기 제1 방향으로 이동되면, 상기 제1 로드가 상기 제2 방향으로 이동될 수 있다.

이 때, 상기 제1 로드의 일단에는 상기 캠부 상에서 구름 운동하는 제1 볼이 구비되고, 상기 제2 로드의 일단에는 상기 캠부 상에서 구름 운동하는 제2 볼이 구비될 수 있다.

이 때, 상기 캠부는, 상기 제1 볼과 접하는 제1 캠홈; 및 상기 제2 볼과 접하는 제2 캠홈을 포함하고, 상기 제2 캠홈은 상기 제1 캠홈과 대칭적으로 형성될 수 있다.

이 때, 상기 로봇 관절 구동 장치는, 상기 제1 로드가 직선으로 이동되도록 상기 제1 로드의 일단에 회전 가능하게 연결되는 제1 가이드 부재; 및 상기 제2 로드가 직선으로 이동되도록 상기 제2 로드의 일단에 회전 가능하게 연결되는 제2 가이드 부재를 더 포함할 수 있다.

이 때, 상기 제1 가이드 부재는, 상기 케이스에 형성된 제1 가이드 홈을 따라 이동되는 제1 롤러; 및 상기 제1 롤러와 나란하게 구비되고, 상기 지지 부재에 형성된 제2 가이드 홈을 따라 이동되는 제2 롤러를 포함하고, 상기 제2 가이드 부재는, 상기 케이스에 형성된 제3 가이드 홈을 따라 이동되는 제3 롤러; 및 상기 제3 롤러와 나란하게 구비되고, 상기 지지 부재에 형성된 제4 가이드 홈을 따라 이동되는 제4 롤러를 포함할 수 있다.

이 때, 상기 제1 가이드 홈, 상기 제2 가이드 홈, 상기 제3 가이드 홈 및 상기 제4 가이드 홈은 V자 형상으로 이루어지고, 상기 제1 롤러, 상기 제2 롤러, 상기 제3 롤러 및 상기 제4 롤러 각각은 상기 제1 가이드 홈, 상기 제2 가이드 홈, 상기 제3 가이드 홈 및 상기 제4 가이드 홈 각각과 대응하도록 형성될 수 있다.

이 때, 상기 케이스의 일측에는 상기 제1 유압 실린더의 내부와 연통되는 제1 공기 배출 통로와 상기 제2 유압 실린더의 내부와 연통되는 제2 공기 배출 통로가 형성될 수 있다.

이 때, 상기 로봇 관절 구동 장치는, 상기 지지 부재의 내부에 구비되고, 상기 회전 부재의 위치를 감지하는 회전형 위치 센서를 더 포함할 수 있다.

이 때, 상기 제1 로드의 일단과 상기 제2 로드의 일단은 상기 캠부를 가압할 수 있다.

이 때, 상기 제1 로드의 일단과 상기 제2 로드의 일단은 상기 캠부를 당길 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 로봇 관절 구동 장치는, 제1 유압 실린더에 의해 이동되는 제1 로드와 제2 유압 실린더에 의해 이동되는 제2 로드가 나선 형상을 가진 캠부를 가압하여 링크를 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전시킴에 따라, 종래의 기어 방식의 관절에 의해 발생되는 백래쉬가 방지되면서 링크의 출력 토크를 높이는 이점이 있다.

또한, 제1 유압 실린더와 제2 유압 실린더가 회전 관절의 링크의 역할을 수행하는 케이스의 길이 방향으로 배치되어, 종래의 4절 링크 구조에 유압 실린더가 링크의 다른 방향으로 배치되는 것에 비하여 로봇 관절의 소형화가 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 구동 장치를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 구동 장치를 나타내는 평면도이다.
도 3은 도 1의 회전 부재를 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 구동 장치를 나타내는 측면도이다.
도 5는 도 4의 표시된 A-A'의 단면도이다.
도 6은 제1 로드와 캠부가 접하는 모습을 중점적으로 나타내는 사시도이다.
도 7은 제1 로드와 캠부가 접하는 모습을 중점적으로 나타내는 측면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 구동 장치의 동작을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 구동 장치의 회전형 위치 센서를 중점적으로 나타내는 사시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 구동 장치의 회전형 위치 센서를 중점적으로 나타내는 단면도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 관절 구동 장치의 회전형 위치 센서를 중점적으로 나타내는 사시도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 관절 구동 장치의 회전형 위치 센서를 중점적으로 나타내는 단면도이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 로봇 관절 구동 장치를 나타내는 사시도이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 로봇 관절 구동 장치를 나타내는 측면도이다.
도 15는 도 14에 표시된 B-B'의 단면도이다.
도 16은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 로봇 관절 구동 장치의 회전 부재를 나타내는 도면이다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 로봇 관절 구동 장치를 나타내는 평면도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시예를 보다 상세하게 설명한다. 본 발명에 따른 실시예는 다양하게 변형될 수 있다. 특정한 실시예가 도면에서 묘사되고 상세한 설명에서 자세하게 설명될 수 있다. 그러나, 첨부된 도면에 개시된 특정한 실시예는 다양한 실시예를 쉽게 이해하도록 하기 위한 것일 뿐이다. 따라서, 첨부된 도면에 개시된 특정 실시예에 의해 기술적 사상이 제한되는 것은 아니며, 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 균등물 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이러한 구성요소들은 상술한 용어에 의해 한정되지는 않는다. 상술한 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 발명의 실시예에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 본 발명의 실시예에 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. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

한편, 본 발명의 실시예에서 사용되는 구성요소에 대한 "모듈" 또는 "부"는 적어도 하나의 기능 또는 동작을 수행한다. 그리고, "모듈" 또는 "부"는 하드웨어, 소프트웨어 또는 하드웨어와 소프트웨어의 조합에 의해 기능 또는 동작을 수행할 수 있다. 또한, 특정 하드웨어에서 수행되어야 하거나 적어도 하나의 프로세서에서 수행되는 "모듈" 또는 "부"를 제외한 복수의 "모듈들" 또는 복수의 "부들"은 적어도 하나의 모듈로 통합될 수도 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

그 밖에도, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그에 대한 상세한 설명은 축약하거나 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 구동 장치를 나타내는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 구동 장치를 나타내는 평면도이고, 도 3은 도 1의 회전 부재를 나타내는 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 구동 장치를 나타내는 측면도이고, 도 5는 도 4의 표시된 A-A'의 단면도이고, 도 6은 제1 로드와 캠부가 접하는 모습을 중점적으로 나타내는 사시도이고, 도 7은 제1 로드와 캠부가 접하는 모습을 중점적으로 나타내는 측면도이다.

도 1 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 구동 장치(100)는 케이스(110), 상기 케이스(110)의 내부에 구비되는 지지 부재(120), 상기 지지 부재(120)의 외측면을 감싸도록 구비되는 회전 부재(130), 상기 회전 부재(130)와 연결되는 링크(140), 제1 로드(150)가 구비되는 제1 유압 실린더(171) 및 제2 로드(160)가 구비되는 제2 유압 실린더(173)를 포함한다.

상기 케이스(110)는 로봇 관절의 외관을 형성한다. 상기 케이스(110)는 육면체로 이루어진다. 다만, 상기 케이스(110)는 육면체로 이루어진 것에 한정되지 않고, 원통과 같이 다양한 형상으로 이루어질 수 있다. 상기 케이스(110)는 금속 재질로 이루어진다. 다만, 상기 케이스(110)는 금속 재질로 이루어진 것에 한정되지 않고, 섬유 강화 플라스틱(fiber reinforced plastic)과 같이 강도가 우수한 다양한 재질로 이루어질 수 있다. 상기 케이스(110)는 제1 플레이트(111), 제2 플레이트(112), 제3 플레이트(113) 및 제4 플레이트(114)를 포함한다. 상기 제1 플레이트(111)는 YZ평면과 나란하게 배치된다. 여기서, 상기 제1 플레이트(111)는 상기 케이스(110)의 일측으로 지칭된다. 상기 제2 플레이트(112)는 상기 제1 플레이트(111)의 일단으로부터 연장되고, XZ평면과 나란하게 배치된다. 상기 제3 플레이트(113)는 상기 제1 플레이트(111)의 타단으로부터 연장되고, 상기 제2 플레이트(112)와 나란하게 배치된다. 상기 제4 플레이트(114)는 상기 제2 플레이트(112)와 결합되면서 상기 제3 플레이트(113)와 결합된다. 여기서, 상기 제4 플레이트(114)는 상기 케이스(110)의 타측으로 지칭된다. 상기 제4 플레이트(114)는 상기 제1 플레이트(111)와 나란하게 배치된다.

상기 지지 부재(120)는 원통 형상으로 이루어진다. 상기 지지 부재(120)의 일측은 상기 제1 플레이트(111)와 연결되고, 상기 지지 부재(120)의 타측은 상기 제4 플레이트(114)와 결합된다. 즉, 상기 지지 부재(120)는 상기 제1 플레이트(111)와 상기 제4 플레이트(114) 사이에 배치된다. 상기 지지 부재(120)는 금속 재질로 이루어진다. 다만, 상기 지지 부재(120)는 금속 재질로 이루어지는 것에 한정되지 않고, 강도가 우수하면서 내충격성이 우수한 플라스틱과 같은 다양한 재질로 이루어질 수 있다.

상기 회전 부재(130)는 상기 지지 부재(120)의 외측면을 따라 회전된다. 상기 회전 부재(130)는 금속 재질로 이루어진다. 다만, 상기 회전 부재(130)는 금속 재질로 이루어지는 것에 한정되지 않고, 강도가 우수하면서 내충격성이 우수한 플라스틱과 같은 다양한 재질로 이루어질 수 있다.

상기 회전 부재(130)에는 도 3에 도시된 바와 같이, 나선 형상으로 이루어진 캠부(131, 132)가 구비된다.

상기 캠부(131, 132)에는 곡면으로 이루어진 제1 캠홈(131) 및 제2 캠홈(132)이 구비된다. 상기 제2 캠홈(132)은 상기 제1 캠홈(131)과 대칭적으로 형성된다.

상기 제1 유압 실린더(171)는 상기 케이스(110)의 상기 제2 플레이트(112)에 결합된다. 상기 제1 유압 실린더(171)의 내부에는 제1 유체 공간(171a)과 상기 제1 에어 공간(171b)으로 형성된다.

그리고, 상기 제1 로드(150)는 상기 제1 유압 실린더(171)의 피스톤 역할을 수행한다. 상기 제1 로드(150)의 일단(151)은 상기 제1 캠홈(131)에 접하고, 상기 제1 로드(150)의 타단(152)은 상기 제1 유체 공간(171a)과 상기 제1 에어 공간(171b)을 구획한다. 여기서, 상기 제1 유체 공간(171a)에는 오일(oil)과 같은 유체가 공급되거나 배출되고, 상기 제1 에어 공간(171b)에는 에어(air)가 수용되거나 배출된다.

유체가 상기 제1 유체 공간(171a)에 공급되면, 유체가 상기 제1 로드(150)의 타단(152)을 상기 제1 캠홈(131)을 향하여 가압하게 되어 상기 제1 로드(150)가 상기 제1 캠홈(131)을 향하는 방향인 제1 방향으로 이동된다.

이 때, 상기 제2 플레이트(112)에는 상기 제1 에어 공간(171b)이 연통되는 제1 에어 통로(115)가 형성된다. 상기 제1 로드(150)의 타단(152)이 상기 제1 방향으로 이동하면, 상기 제1 에어 공간(171b)에 수용된 에어는 상기 제1 에어 통로(115)를 통해 배출된다. 이와 같이, 상기 제1 에어 통로(115)가 상기 제2 플레이트(112)에 형성되므로, 상기 제1 로드(150)의 상기 타단(152)이 상기 제1 유압 실린더(171)의 전체를 활용하여 이동되는 이점이 있다.

상기 제2 유압 실린더(173)는 상기 케이스(110)의 상기 제2 플레이트(112)에 결합된다. 상기 제2 유압 실린더(173)는 상기 제1 유압 실린더(171)와 이격되어 나란하게 배치된다. 상기 제2 유압 실린더(173)의 내부에는 제2 유체 공간(173a)과 상기 제2 에어 공간(173b)으로 형성된다.

그리고, 상기 제2 로드(160)는 상기 제2 유압 실린더(173)의 피스톤 역할을 수행한다. 상기 제2 로드(160)의 일단(161)은 상기 제2 캠홈(132)에 접하고, 상기 제2 로드(160)의 타단(162)은 상기 제2 유체 공간(173a)과 상기 제2 에어 공간(173b)을 구획한다. 여기서, 상기 제2 유체 공간(173a)에는 오일(oil)과 같은 유체가 공급되거나 배출되고, 상기 제2 에어 공간(173b)에는 에어(air)가 수용되거나 배출된다.

유체가 상기 제2 유체 공간(173a)에 공급되면, 유체가 상기 제2 로드(160)의 상기 타단(162)을 상기 제2 캠홈(132)을 향하여 가압하게 되어 상기 제2 로드(160)가 상기 제2 캠홈(132)을 향하는 방향인 제1 방향으로 이동된다.

이 때, 상기 제2 플레이트(112)에는 상기 제2 에어 공간(173b)이 연통되는 제2 에어 통로(116)가 형성된다. 상기 제1 로드(160)의 상기 타단(162)이 상기 제1 방향으로 이동하면, 상기 제2 에어 공간(173b)에 수용된 에어는 상기 제2 에어 통로(116)를 통해 배출된다. 이와 같이, 상기 제2 에어 통로(116)가 상기 제2 플레이트(112)에 형성되므로, 상기 제2 로드(160)의 상기 타단(162)이 상기 제2 유압 실린더(173)의 전체를 활용하여 이동되는 이점이 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 로드(150)의 일단(151)에는 상기 제1 캠홈(131) 상에서 구름 운동하는 제1 볼(153)이 구비된다. 상기 제1 볼(153)은 금속 재질로 이루어진다. 다만, 상기 제1 볼(153)은 금속 재질로 이루어지는 것에 한정되지 않고, 강성이 우수하면서 내충격성이 우수한 플라스틱과 같은 다양한 재질로 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 제1 로드(150)의 일단(151)에는 상기 제1 볼(153)을 구속하는 그루브가 형성된다. 상기 그루브는 상기 제1 볼(153)의 외측면과 대응하도록 곡면으로 형성된다. 즉, 상기 제1 볼(153)은 상기 제1 로드(150)의 일단(151)과 상기 제1 캠홈(131) 사이에 배치되어 상기 제1 로드(150)의 일단(151)이 상기 제1 캠홈(131)을 상기 제1 방향으로 원활하게 가압할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 로드(160)의 일단(161)에는 상기 제2 캠홈(132) 상에서 구름 운동하는 제2 볼(163)이 구비된다. 상기 제2 볼(163)의 반경은 상기 제1 볼(153)의 반경과 동일하다. 상기 제2 볼(163)은 금속 재질로 이루어진다. 다만, 상기 제2 볼(163)은 금속 재질로 이루어지는 것에 한정되지 않고, 강성이 우수하면서 내충격성이 우수한 플라스틱과 같은 다양한 재질로 이루어질 수 있다.

그리고, 상기 제2 로드(160)의 일단(161)에는 상기 제2 볼(163)을 구속하는 그루브가 형성된다. 상기 그루브는 상기 제2 볼(163)의 외측면과 대응하도록 곡면으로 형성된다. 즉, 상기 제2 볼(163)은 상기 제2 로드(160)의 일단(161)과 상기 제2 캠홈(132) 사이에 배치되어 상기 제2 로드(160)의 일단(161)이 상기 제2 캠홈(132)을 상기 제1 방향으로 원활하게 가압할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 로드(150)의 일단(151)에는 상기 제1 로드(150)가 직선으로 이동되도록 상기 제1 로드(150)의 일단(151)에 회전 가능하게 연결되는 제1 가이드 부재(180, 181)가 구비된다.

상기 제1 가이드 부재(180, 181)는 상기 케이스(110)의 상기 제3 플레이트(113)에 형성된 제1 가이드 홈(182)을 따라 이동되는 제1 롤러(180) 및 상기 지지 부재(120)에 형성되는 제2 가이드 홈(121)을 따라 이동되는 제2 롤러(181)를 포함한다.

상기 제2 롤러(181)는 상기 제1 롤러(180)와 나란하게 배치된다. 그리고, 상기 제2 가이드 홈(121)은 상기 제1 가이드 홈(182)과 나란하게 배치된다.

이에 따라, 상기 제1 로드(150)에는 상기 제1 로드(150)가 상기 제1 캠홈(131)을 가압하는 과정에서 상기 제1 로드(150)가 상기 제1 방향 이외의 움직임이 발생하는 것이 방지된다. 즉, 상기 제1 가이드 부재(180, 181)는 상기 제1 로드(150)가 직선으로 이동되도록 가이드하여, 상기 제1 로드(150)의 일단(151)이 상기 제1 캠홈(131)에서 이탈되는 것이 방지된다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 로드(160)의 일단(161)에는 상기 제2 로드(160)가 직선으로 이동되도록 상기 제2 로드(160)의 일단(161)에 회전 가능하게 연결되는 제2 가이드 부재(190, 191)가 구비된다.

상기 제2 가이드 부재(190, 191)는 상기 케이스(110)의 상기 제4 플레이트(114)에 형성된 제3 가이드 홈(192)을 따라 이동되는 제3 롤러(190) 및 상기 지지 부재(120)에 형성되는 제4 가이드 홈(122)을 따라 이동되는 제4 롤러(191)를 포함한다.

상기 제4 롤러(191)는 상기 제3 롤러(190)와 나란하게 배치된다. 또한, 상기 제3 가이드 홈(192)은 상기 제1 가이드 홈(182)과 나란하게 배치된다. 그리고, 상기 제4 가이드 홈(122)은 상기 제3 가이드 홈(192)과 나란하게 배치된다.

이에 따라, 상기 제2 로드(160)에는 상기 제1 로드(160)가 상기 제2 캠홈(132)을 가압하는 과정에서 상기 제2 로드(160)가 상기 제1 방향 이외의 움직임이 발생하는 것이 방지된다. 즉, 상기 제2 가이드 부재(190, 191)는 상기 제2 로드(160)가 직선으로 이동되도록 가이드하여, 상기 제2 로드(160)의 일단(161)이 상기 제2 캠홈(132)에서 이탈되는 것이 방지된다.

또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제3 롤러(190)는 상기 제2 로드(160)를 관통하는 회전축(190a)에 연결된다. 그리고, 상기 제3 롤러(190)의 외주면은 평평한 형상으로 이루어진다. 이 때, 상기 제3 가이드 홈(192)도 상기 제3 롤러(190)의 외주면과 대응되도록 평평한 형상으로 이루어진다.

마찬가지로, 상기 제1 롤러(180)의 외주면, 상기 제2 롤러(181)의 외주면 및 상기 제4 롤러(191)의 외주면은 상기 제3 롤러(190)의 외주면과 마찬가지로, 평평한 형상으로 이루어진다. 또한, 상기 제1 가이드 홈(182), 상기 제2 가이드 홈(121) 및 상기 제4 가이드 홈(122) 각각은 상기 제1 롤러(180)의 외주면, 상기 제2 롤러(181)의 외주면 및 상기 제4 롤러(191)의 외주면 각각과 대응되도록 평평한 형상으로 이루어진다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 구동 장치의 동작을 나타내는 도면이다.

도 8(a)에 도시된 바와 같이, 상기 제1 로드(150)가 상기 제1 유압 실린더(171)에 의해 상기 제1 방향(X1)으로 이동되면, 상기 제1 로드(150)가 나선 형상으로 이루어진 제1 캠홈(131, 도 2 참조)를 가압한다. 이 때, 상기 제1 로드(150)는 나선 형상으로 이루어진 상기 제1 캠홈(131, 도 2 참조)을 가압하면, 상기 회전 부재(130)는 시계 방향(①)으로 회전된다. 그리고, 상기 링크(140)는 상기 회전 부재(130)와 함께 시계 방향(①)으로 회전된다. 이 때, 상기 링크(140)는 최대 180° 범위에서 회전될 수 있다.

한편, 상기 제1 로드(150)가 상기 제1 유압 실린더(171)에 의해 상기 제1 방향(X1)으로 이동되면, 상기 제2 로드(160)는 상기 제2 캠홈(132, 도 2 참조)에 의해 상기 제2 방향(X2)으로 이동된다. 이 때, 상기 제2 유압 실린더(173)는 상기 제1 유압 실린더(171)보다 작은 유압을 상기 제2 로드(160)에 걸어준다.

도 8(b)에 도시된 바와 같이, 상기 제2 로드(160)가 상기 제2 유압 실린더(173)에 의해 상기 제1 방향(X1)으로 이동되면, 상기 제2 로드(160)가 나선 형상으로 이루어진 제2 캠홈(132, 도 2 참조)를 가압한다. 이 때, 상기 제2 로드(160)는 나선 형상으로 이루어진 상기 제2 캠홈(132, 도 2 참조)을 가압하면, 상기 회전 부재(130)는 반시계 방향(②)으로 회전된다. 그리고, 상기 링크(140)는 상기 회전 부재(130)와 함께 반시계 방향(②)으로 회전된다. 이 때, 상기 링크(140)는 최대 180° 범위에서 회전될 수 있다.

한편, 상기 제2 로드(160)가 상기 제2 유압 실린더(173)에 의해 상기 제1 방향(X1)으로 이동되면, 상기 제1 로드(150)는 상기 제1 캠홈(131, 도 2 참조)에 의해 상기 제2 방향(X2)으로 이동된다. 이 때, 상기 제1 유압 실린더(171)는 상기 제2 유압 실린더(173)보다 작은 유압을 상기 제1 로드(150)에 걸어준다.

이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 로드(150)와 상기 제2 로드(160)가 나선 형상으로 이루어진 상기 캠부(131, 132)에 선택적으로 힘을 가함에 따라, 상기 링크(140)가 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전되도록 제어된다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 구동 장치의 회전형 위치 센서를 중점적으로 나타내는 사시도이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 구동 장치의 회전형 위치 센서를 중점적으로 나타내는 단면도이다.

도 9 및 도 10을 참조하면, 상기 회전 부재(130)의 내부에는 상기 링크(140)의 위치를 감지하는 회전형 위치 센서(118)가 구비된다.

상기 회전형 위치 센서(118)는 상기 링크(140)의 회전 각도를 측정한다. 상기 회전형 위치 센서(118)는 상기 링크(140)와 접촉 방식 또는 비접촉 방식으로 구현될 수 있다.

또한, 상기 케이스(110)에는 상기 회전형 위치 센서(118)와 전기적으로 연결되는 제어부(미도시)가 구비된다. 상기 제어부는 상기 회전형 위치 센서(118)로부터 전기적인 신호를 전달받아 상기 제1 유압 실린더(171)와 상기 제2 유압 실린더(173)를 제어한다. 즉, 상기 제어부는 상기 링크(140)의 회전 방향 및 회전 각도를 제어한다.

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 관절 구동 장치의 회전형 위치 센서를 중점적으로 나타내는 사시도이고, 도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 관절 구동 장치의 회전형 위치 센서를 중점적으로 나타내는 단면도이다.

도 11 및 도 12를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 관절 구동 장치의 회전형 위치 센서(118')는 전술한 실시예에 달리, 상기 케이스(110)의 외측면에 구비된다.

상기 회전형 위치 센서(118')는 상기 제1 유압 실린더(171)와 상기 제2 유압 실린더(173) 사이에 배치된다. 상기 회전형 위치 센서(118')는 상기 링크(140)와 연결되는 연결축(118a')을 포함한다.

상기 연결축(118a')은 상기 회전 부재(130)의 내부에 배치되고, 상기 링크(140)와 함께 회전된다. 상기 회전형 위치 센서(118')는 상기 연결축(118a')의 회전을 감지하여 상기 링크(140)의 회전 각도를 측정한다. 상기 회전형 위치 센서(118)는 상기 연결축(118a')과 접촉 방식 또는 비접촉 방식으로 구현될 수 있다.

도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 로봇 관절 구동 장치를 나타내는 사시도이고, 도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 로봇 관절 구동 장치를 나타내는 측면도이고, 도 15는 도 14에 표시된 B-B'의 단면도이다.

도 13 내지 도 15를 참조하면, 본 발명의 또 다른 로봇 관절 구동 장치(200)는 케이스(110), 지지 부재(120), 지지 부재(130), 링크(140), 제1 유압 실린더(171), 제2 유압 실린더(173), 제1 가이드 부재(280, 281) 및 제2 가이드 부재(290, 291)를 포함하고, 전술한 실시예의 구성요소와 동일하거나 유사한 구성요소에 대해서는 전술한 설명을 대체하기로 하고, 제1 가이드 부재(280, 281)와 제2 가이드 부재(290, 291)를 중점적으로 설명하기로 한다.

상기 제1 가이드 부재(280, 281)는 상기 케이스(110)에 형성된 제1 가이드 홈(282)을 따라 이동되는 제1 롤러(280) 및 상기 지지 부재(120)에 형성되는 제2 가이드 홈(221)을 따라 이동되는 제2 롤러(281)를 포함한다.

상기 제1 가이드 홈(282)과 상기 제2 가이드 홈(221)은 V자 형상으로 이루어진다. 이 때, 상기 제1 롤러(280)과 상기 제2 롤러(281) 각각은 상기 제1 가이드 홈(282)과 상기 제2 가이드 홈(221) 각각의 V자 형상과 대응하도록 V자 형상으로 이루어진다. 즉, 상기 제1 롤러(280)와 상기 제2 롤러(281) 각각은 V자 형상으로 이루어진 상기 제1 가이드 홈(282)과 상기 제2 가이드 홈(221) 각각에 구속되어 상기 제1 로드(150)가 상기 제1 방향 또는 상기 제2 방향 이외의 다른 방향으로 이동되는 것이 방지된다.

상기 제2 가이드 부재(290, 291)는 상기 케이스(110)에 형성된 제3 가이드 홈(292)을 따라 이동되는 제3 롤러(290) 및 상기 지지 부재(120)에 형성되는 제4 가이드 홈(222)을 따라 이동되는 제4 롤러(291)를 포함한다.

상기 제3 가이드 홈(292)과 상기 제4 가이드 홈(222)은 V자 형상으로 이루어진다. 이 때, 상기 제3 롤러(290)과 상기 제4 롤러(291) 각각은 상기 제3 가이드 홈(292)과 상기 제4 가이드 홈(222) 각각의 V자 형상과 대응하도록 V자 형상으로 이루어진다. 즉, 상기 제3 롤러(290)와 상기 제4 롤러(291) 각각은 V자 형상으로 이루어진 상기 제3 가이드 홈(292)과 상기 제4 가이드 홈(222) 각각에 구속되어 상기 제2 로드(160)가 상기 제1 방향 또는 상기 제2 방향 이외의 다른 방향으로 이동되는 것이 방지된다.

도 16은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 로봇 관절 구동 장치의 회전 부재를 나타내는 도면이다.

도 16(a)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 제1 회전 부재(231)는 제1 길이(L1)를 가지고, 나선 형상으로 이루어진 캠부와 상기 제1 회전 부재(231)의 하측면과 이루는 제1 각도(α1)를 가지도록 형성된다.

도 16(b)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 제2 회전 부재(232)는 제2 길이(L2)를 가지고, 나선 형상으로 이루어진 캠부와 상기 제2 회전 부재(232)의 하측면과의 이루는 제2 각도(α2)를 가지도록 형성된다. 여기서, 상기 제2 각도(α2)는 상기 제1 각도(α1)보다 크다.

도 16(c)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다양한 실시예에 따른 제3 회전 부재(233)는 제3 길이(L3)를 가지고, 나선 형상으로 이루어진 캠부와 상기 제3 회전 부재(233)의 하측면과의 이루는 제3 각도(α3)를 가지도록 형성된다. 여기서, 상기 제3 각도(α3)는 상기 제2 각도(α2)보다 크다.

이 때, 상기 제3 각도(α3)가 상기 제1 각도(α1)와 상기 제2 각도(α2)보다 클수록, 상기 제3 회전 부재(233)의 토크가 상기 제1 회전 부재(231)와 상기 제2 회전 부재(232)의 토크보다 크다.

다만, 상기 제3 회전 부재(233)가 상기 제3 각도(α3)가 크게 되도록 형성되면, 상기 제3 회전 부재(233)의 제3 길이가 길어지게 되어, 상기 제3 회전 부재(233)의 설치 공간이 커지게 된다.

따라서, 회전 부재(233)는 필요한 토크의 크기 및 설치 공간을 고려하여 설계될 수 있다.

도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 로봇 관절 구동 장치를 나타내는 평면도이다.

도 17을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 로봇 관절 구동 장치(300)는 케이스(310), 지지 부재(320), 회전 부재(330), 링크(340), 제1 로드(350)를 구비한 제1 유압 실린더(371) 및 제2 로드(360)를 구비한 제2 유압 실린더(373)를 포함하고, 전술한 실시예의 구성요소와 동일하거나 유사한 구성요소에 대해서는 전술한 설명으로 대체하고, 회전 부재(330), 제1 로드(350) 및 제2 로드(360)를 중점적으로 설명하기로 한다.

상기 회전 부재(330)는 전술한 실시예와 달리, 나선 형상의 캠부(331, 332)가 상기 링크(340)를 향하도록 배치된다.

상기 제1 로드(350)는 전술한 실시예와 달리, 나선 형상의 제1 캠홈(331)에 당기는 힘을 가한다. 상기 제1 로드(350)가 상기 제1 유압 실린더(371)에 의해 상기 나선 형상의 제1 캠홈(331)을 당기면, 상기 회전 부재(330)는 상기 링크(340)와 함께 시계 방향으로 회전된다.

상기 제2 로드(360)는 전술한 실시예와 달리, 나선 형상의 제2 캠홈(332)에 당기는 힘을 가한다. 상기 제2 로드(360)가 상기 제2 유압 실린더(373)에 의해 상기 나선 형상의 제2 캠홈(332)을 당기면, 상기 회전 부재(330)는 상기 링크(340)와 함께 반시계 방향으로 회전된다.

이와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 전술한 실시예의 상기 제1 로드(150, 도 2 참조)와 상기 제2 로드(160, 도 2 참조)가 상기 캠부(131, 132)를 가압하는 것에 한정되지 않고, 상기 캠부(331, 332)를 당기는 것도 가능하다.

이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

100: 로봇 관절 구동 장치 110: 케이스
120: 지지 부재 130: 회전 부재
131, 132: 캠부 140: 링크
150: 제1 로드 160: 제2 로드
171: 제1 유압 실린더 173: 제2 유압 실린더

Claims

케이스;
상기 케이스의 일측과 상기 케이스의 타측 사이에 구비되고, 원통 형상으로 이루어지는 지지 부재;
상기 지지 부재의 외측면을 감싸도록 구비되고, 나선 형상으로 이루어지는 캠부가 구비되는 회전 부재;
상기 회전 부재와 연결되는 링크;
상기 케이스의 타측에 결합되고, 상기 캠부에 접하면서 제1 방향 또는 상기 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향을 따라 왕복 이동되는 제1 로드가 구비되는 제1 유압 실린더; 및
상기 케이스의 타측에 결합되고, 상기 제1 유압 실린더와 이격되어 배치되고, 상기 캠부에 접하면서 상기 제1 로드의 이동 방향과 반대 방향인 상기 제1 방향 또는 상기 제2 방향을 따라 왕복 이동되는 제2 로드가 구비되는 제2 유압 실린더를 포함하고,
상기 제1 로드가 상기 제1 방향으로 이동되면, 상기 제1 로드가 상기 캠부에 힘을 가하여 상기 회전 부재는 상기 링크와 함께 시계 방향으로 회전되고,
상기 제2 로드가 상기 제1 방향으로 이동되면, 상기 제2 로드가 상기 캠부에 힘을 가하여 상기 회전 부재는 상기 링크와 함께 반시계 방향으로 회전되는, 로봇 관절 구동 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 로드가 상기 제1 방향으로 이동되면, 상기 제2 로드가 상기 제2 방향으로 이동되고,
상기 제2 로드가 상기 제1 방향으로 이동되면, 상기 제1 로드가 상기 제2 방향으로 이동되는, 로봇 관절 구동 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 로드의 일단에는 상기 캠부 상에서 구름 운동하는 제1 볼이 구비되고,
상기 제2 로드의 일단에는 상기 캠부 상에서 구름 운동하는 제2 볼이 구비되는, 로봇 관절 구동 장치.
제3 항에 있어서,
상기 캠부는,
상기 제1 볼과 접하는 제1 캠홈; 및
상기 제2 볼과 접하는 제2 캠홈을 포함하고,
상기 제2 캠홈은 상기 제1 캠홈과 대칭적으로 형성되는, 로봇 관절 구동 장치.
제4 항에 있어서,
상기 제1 로드가 직선으로 이동되도록 상기 제1 로드의 일단에 회전 가능하게 연결되는 제1 가이드 부재; 및
상기 제2 로드가 직선으로 이동되도록 상기 제2 로드의 일단에 회전 가능하게 연결되는 제2 가이드 부재를 더 포함하는, 로봇 관절 구동 장치.
제5 항에 있어서,
상기 제1 가이드 부재는,
상기 케이스에 형성된 제1 가이드 홈을 따라 이동되는 제1 롤러; 및
상기 제1 롤러와 나란하게 구비되고, 상기 지지 부재에 형성된 제2 가이드 홈을 따라 이동되는 제2 롤러를 포함하고,
상기 제2 가이드 부재는,
상기 케이스에 형성된 제3 가이드 홈을 따라 이동되는 제3 롤러; 및
상기 제3 롤러와 나란하게 구비되고, 상기 지지 부재에 형성된 제4 가이드 홈을 따라 이동되는 제4 롤러를 포함하는, 로봇 관절 구동 장치.
제6 항에 있어서,
상기 제1 가이드 홈, 상기 제2 가이드 홈, 상기 제3 가이드 홈 및 상기 제4 가이드 홈은 V자 형상으로 이루어지고,
상기 제1 롤러, 상기 제2 롤러, 상기 제3 롤러 및 상기 제4 롤러 각각은 상기 제1 가이드 홈, 상기 제2 가이드 홈, 상기 제3 가이드 홈 및 상기 제4 가이드 홈 각각과 대응하도록 형성되는, 로봇 관절 구동 장치.
제1 항에 있어서,
상기 케이스의 일측에는 상기 제1 유압 실린더의 내부와 연통되는 제1 공기 배출 통로와 상기 제2 유압 실린더의 내부와 연통되는 제2 공기 배출 통로가 형성되는, 로봇 관절 구동 장치.
제1 항에 있어서,
상기 지지 부재의 내부에 구비되고, 상기 회전 부재의 위치를 감지하는 회전형 위치 센서를 더 포함하는, 로봇 관절 구동 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 로드의 일단과 상기 제2 로드의 일단은 상기 캠부를 가압하는, 로봇 관절 구동 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 로드의 일단과 상기 제2 로드의 일단은 상기 캠부를 당기는, 로봇 관절 구동 장치.