(19) 대한민국특허청(KR) (12) 등록특허공보(B1) (51) 국제특허분류(Int. Cl.) B25J 9/06 (2006.01) B25J 19/02 (2006.01) (21) 출원번호 10-2011-0079361 (22) 출원일자 2011년08월10일 심사청구일자 2011년08월10일 (65) 공개번호 10-2013-0017122 (43) 공개일자 2013년02월20일 (56) 선행기술조사문헌 (45) 공고일자 2013년09월17일 (11) 등록번호 10-1309652 (24) 등록일자 2013년09월11일 (73) 특허권자 주식회사 로보스타 경기도 안산시 상록구 수인로 700 (사사동) (72) 발명자 신우철 경기도 군포시 산본동 1065-4 모란아파트 1151-1303호 남궁휘문 KR1020080048055 A KR1020060097790 A JP10225881 A 경기도 수원시 권선구 구운로63번길 56-17, 205호 (구운동) (74) 대리인 박기원, 박양호 전체 청구항 수 : 총 1 항 심사관 : 이은심 (54) 발명의 명칭 축마다 중공형 구동모듈 및 1축 토크센서가 장착된 산업용 직접교시 로봇 (57) 요 약 본 발명은 다관절로 이루어진 직접교시 로봇의 각 관절에 장착된 구동 모듈마다 1축 토크센서를 장착하여 각축의 직접교시를 위한 힘정보를 제공받아 다관절 로봇의 자유도를 구현한 직접교시 로봇에 관한 것이다. 본 발명에 따른 직접교시 로봇은, 제1 내지 제6 암이 각각의 관절부를 가지며 형성되며, 상기 제1 내지 제6 암 각각은 제1 내지 제6 링크에 의해 링크되고, 내부에는 각각의 암을 구동하는 구동모듈이 장착되며, 상기 구동모 듈 각각의 선단에는 1축 토크센서가 장착되고, 상기 제1 내지 제6 암 각각의 구동모듈 및 1축 토크센서는 상기 구동모듈의 중심에 제어 케이블이 삽입되는 케이블 보호관이 위치되며, 상기 케이블 보호관의 외측으로는 회전가 능하도록 형성된 회전축이 마련되고, 상기 회전축의 외주연으로는, 상기 제1 내지 제6 암 각각의 회전수를 기록 하는 중공형 엔코더 및 상기 엔코더의 측면으로 중공형 브레이크 및 상기 브레이크의 측면으로 회전축에 동력을 전달하기 위한 중공형 모터가 장착되며, 상기 케이블 보호관의 외주연 및 상기 모터의 측면으로는 써큘러 스플라 인, 플렉스 스플라인과 웨이브 발생기로 구성되는 중공형 하모닉 드라이브가 장착되고, 상기 케이블 보호관의 선 단 및 상기 하모닉 드라이브의 측면으로는 상기 제1 내지 제6 암 각각의 힘 및 토크 정보를 얻는 1축 토크센서가 장착되어 이루어진다. 대 표 도 - 도3-1 -
특허청구의 범위 청구항 1 제1 내지 제6 암이 각각의 관절부를 가지며 형성되며, 상기 제1 내지 제6 암 각각은 제1 내지 제6 링크에 의해 링크되고, 상기 제1 내지 제6 암 내부에는 각각의 암을 구동하는 구동모듈이 각각 내장되며, 상기 구동모듈 각각의 선단에는 1축 토크센서가 장착되고, 상기 제1 내지 제6 암 각각의 구동모듈 및 1축 토크센서는 상기 구동모듈의 중심에 제어 케이블이 삽입되는 케 이블 보호관이 위치되며, 상기 케이블 보호관의 외측으로는 회전가능하도록 형성된 회전축이 마련되고, 상기 회전축의 외주연으로는, 상기 제1 내지 제6 암 각각의 회전수를 기록하는 중공형 엔코더 및 상기 엔코더의 선단측으로 중공형 브레이크 및 상기 브레이크의 선단측으로 회전축에 동력을 전달하기 위한 중공형 모터가 장 착되며, 상기 케이블 보호관의 외주연 및 상기 모터의 선단측으로는 써큘러 스플라인, 플렉스 스플라인과 웨이브 발생기 로 구성되는 중공형 하모닉 드라이브가 장착되고, 상기 케이블 보호관의 선단 및 상기 하모닉 드라이브의 선단측으로는 상기 제1 내지 제6 암 각각의 힘 및 토크 정보를 얻는 1축 토크센서가 장착되는, 축마다 중공형 구동모듈 및 1축 토크센서가 장착된 산업용 직접교시 로 봇. 명 세 서 [0001] 기 술 분 야 본 발명은 직접교시 로봇에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다관절로 이루어진 직접교시 로봇의 각 관절에 장 착된 구동 모듈마다 1축 토크센서를 장착하여 각축의 직접교시를 위한 힘정보를 제공받아 다관절 로봇의 자유도 를 구현한 직접교시 로봇에 관한 것이다. [0002] [0003] [0004] [0005] [0006] [0007] [0008] 배 경 기 술 로봇에게 인간이 원하는 작업을 수행하게 하는 방법은 편의상 크게 두 가지 유형으로 분류할 수 있는데 이는 로 봇에게 원하는 위치나 운동을 지시하여 기억시키고 이를 재현하도록 하는 교시(Teach)운동 방법과, 로봇에게 지 능을 부여하고 작업 목표를 지시하여 주변 환경을 로봇 스스로 판단하여 필요한 운동을 발생하는 자율 (Autonomous)운동 방법이다. 직접교시 로봇은 로봇의 동작 아암의 선단 및 손목 등을 조작자가 직접 움직이게 하고, 그 동작위치를 로봇에게 교시하는 방법이 적용된 로봇이다. 교시시간이 극히 짧고 복잡한 경로를 능률 좋게 교시할 수 있는 이점을 지니므로 많은 로봇의 대부분에 적용되 고 있다. 그러나, 로봇의 동작 아암의 선단 및 손목 등을 움직이게 하는 조작력이 무거운 경우에는 조작하기 어렵고, 상 술한 이점을 살릴 수 없을 뿐만 아니라 조작자에게 요통 등의 신체적 장애를 일으키게 하는 원인이 되기도 한다. 직접교시 로봇은 다관절로 이루어지는 데, 가장 보편적으로 6관절의 6 자유도로 구현되고 있다. 일반적으로 통제된 환경에서 작업하는 산업용 로봇의 경우, 일반적으로 로봇 팔에 장착된 공구가 작업대상에 가 하는 힘을 측정하기 위하여 로봇 손목에 장착 가능한 형태의 6축 힘 토크 센서가 사용되어 왔다. 하지만, 로봇 팔의 다른 부분이 알려지지 않은 물체나 사람과 충돌하였을 때, 이의 감지가 불가능하고 능동적 - 2 -
대응을 통해 안전성을 확보하기 어려운 문제점이 있다. [0009] 로봇의 관절에 토크센서를 장착하여 측정하는 방식은 동역학적 해석이 복잡하고 오차가 누적될 수 있어 산업용 로봇에서는 불리하다는 이유로 그 연구 및 사용이 제한적이었다. 발명의 내용 [0010] 해결하려는 과제 본 발명이 해결하려는 과제는, 다관절의 구조를 갖는 산업용 직접교시 로봇의 능동적 대응을 통한 안정성을 확 보하기 위해 각축마다 축토크 센서를 장착한 직접교시 로봇을 제안하고자 한다. [0011] 과제의 해결 수단 상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 직접교시 로봇은, 제1 내지 제6 암이 각각의 관절부를 가지며 형 성되며, 상기 제1 내지 제6 암 각각은 제1 내지 제6 링크에 의해 링크되고, 내부에는 각각의 암을 구동하는 구 동모듈이 장착되며, 상기 구동모듈 각각의 선단에는 1축 토크센서가 장착되고, 상기 제1 내지 제6 암 각각의 구 동모듈 및 1축 토크센서는 상기 구동모듈의 중심에 제어 케이블이 삽입되는 케이블 보호관이 위치되며, 상기 케 이블 보호관의 외측으로는 회전가능하도록 형성된 회전축이 마련되고, 상기 회전축의 외주연으로는, 상기 제1 내지 제6 암 각각의 회전수를 기록하는 중공형 엔코더 및 상기 엔코더의 선단측으로 중공형 브레이크 및 상기 브레이크의 선단측으로 회전축에 동력을 전달하기 위한 중공형 모터가 장착되며, 상기 케이블 보호관의 외주연 및 상기 모터의 선단측으로는 써큘러 스플라인, 플렉스 스플라인과 웨이브 발생기로 구성되는 중공형 하모닉 드 라이브가 장착되고, 상기 케이블 보호관의 선단 및 상기 하모닉 드라이브의 선단측으로는 상기 제1 내지 제6 암 각각의 힘 및 토크 정보를 얻는 1축 토크센서가 장착되어 이루어진다. [0012] 발명의 효과 상술한 본 발명의 구성에 따르면, 다관절의 구조를 갖는 산업용 직접교시 로봇의 각축마다 축토크 센서를 장착 하여 능동적 대응을 통한 안정성을 확보하고 효율적인 자유도를 구현하는 것이 가능하게 된다. [0013] 도면의 간단한 설명 도 1은 본 발명에 따른 직접교시 로봇의 구조를 보인 단면도이다. 도 2는 본 발명에 따른 직접교시 로봇의 중공형 구동모듈 및 중공형 1축 토크센서의 결합 구조 단면 사시도이다. 도 3은 도 2의 A-A 단면도를 도시한 것이다. [0014] [0015] [0016] [0017] 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 축마다 중공형 구동모듈 및 1축 토크센서가 장착된 산업용 직접 교시 로봇의 구조 및 작용효과를 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 직접교시 로봇의 구조를 보인 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 직접교시 로봇(1)은 제1 암 내지 제6 암(11 내지 16)이 6개의 관절로 이루어져 형성된다. 제1 암 내지 제6 암(11 내지 16)은 각각 제1 내지 제6 링크(21 내지 26)에 의해 연결되며, 제1 내지 제6 링크 (21 내지 26)의 내부에는 제1 암 내지 제6 암(11 내지 16)을 구동시키기 위한 제1 내지 제6 구동모듈(31 내지 36)이 내장되고, 각각의 제1 내지 제6 구동모듈(31 내지 36)의 선단에는 1축 토크센서(51 내지 56)가 장착된다. - 3 -
[0018] [0019] [0020] [0021] [0022] [0023] [0024] [0025] [0026] [0027] [0028] [0029] [0030] [0031] [0032] [0033] [0034] 제1 내지 제6 구동모듈(31 내지 36)은 중심부에 제어회로의 신호를 전달하는 케이블이 삽입되는 보호관을 중심 으로 회전축이 마련되고, 그 회전축을 기준으로 엔코더(Encoder), 브레이크(Brake) 및 모터(Motor)가 형성될 수 있으며, 회전축의 선단에는 하모닉 드라이브(Harmonic Drive), 크로스 롤러 베어링(Cross Roller Bearing)이 부착될 수 있다. 회전축을 중심으로 엔코더, 브레이크, 모터, 하모닉 드라이브 및 1축 토크센서는 중공 타입으로 설계된다. 제1, 제4 및 제6 암(11, 14, 16)의 구동모듈(31, 34, 36)은 수직으로 형성되어 회전되며, 제2, 제3 및 제5 암 (12, 13, 15)의 구동모듈(32, 33, 35)은 수평으로 형성되어 회전된다. 제1 링크(21)는 제1 암(11)의 외부 커버 역할을 하며, 제2 링크(22)와 맞닿게 되고, 제2 링크(22)는 제1 암(1 1)과 제2 암(12)을 연결시키는 역할을 하며, 제3 링크(23)는 제2 암(12)과 제3 암(13)을 연결시키고, 제4 링크 (24)는 제3 암(13)과 제4 암(14)을 연결시키며, 제5 링크(25)는 제4 암(14)과 제5 암(15)을 연결시키고, 제6 링크(26)는 제5 암(15)과 제6 암(16)을 연결시키게 된다. 제2 링크(22) 및 제5 링크(25)는 하부 수직 암(11, 14)과 상부 수평 암(12, 15)의 연결 링크로서 크기만 다를 뿐 형성 구조는 동일하며, 제3 링크(23)는 하부 수평 암(12)과 상부 수평 암(13) 간의 연결 링크이고, 제4 링크 (24) 및 제5 링크(25)는 하부 수평 암(13, 15)과 상부 수직 암(14, 16) 간의 연결 링크로 형성 구조는 유사하다. 수평으로 형성된 제2, 제3, 제5 암(12, 13, 15)과 연결되는 제3, 제4, 제6 링크(23, 24, 26)는 제2, 제3, 제5 암(12, 13, 15)의 동일 측면상에 링크되도록 구현된다. 각각의 링크의 좌우 측면에는 제1 내지 제6 언더커버(41 내지 46)가 체결될 수 있다. 도 2는 본 발명에 따른 직접교시 로봇의 중공형 구동모듈 및 중공형 1축 토크센서의 결합 구조 단면 사시도이며, 도 3은 도 2의 A-A 단면도를 도시한 것이다. 도 2 및 도 3에 도시된 결합 구조는 직접교시 로봇의 제1 암(11)의 중공형 구동모듈 및 1축 토크센서의 결합 구 조를 도시하며, 나머지 제2 암 내지 제6 암(12 내지 16)의 중공형 구동모듈 및 1축 토크센서의 결합 구조는 도 2의 결합 구조와 동일하므로 이하 설명은 생략된다. 본 발명의 직접교시 로봇의 암의 중공형 구동모듈 및 1 축 토크센서의 결합구조는 케이블 보호관(201), 회전축 (202), 엔코더(Encoder, 203), 브레이크(Brake, 204), 모터(Motor, 205), 하모닉 드라이브(Harmonic Drive, 206) 및 1축 토크 센서(1 Axis Force and Torque Sensor, 207)의 결합으로 이루어진다. 로봇의 암은 외부에 암 케이스(61)와 암 케이스(61)의 일단과 상부 케이스(64)의 일단이 결합되고, 상부 케이스 (64)의 타단에는 써큘러 스플라인(206a)의 일단이 체결되며, 써큘러 스플라인(206a)의 타단에는 아웃터 리테이 너(65)가 체결되어 외관을 구성한다. 그 외관의 내부로는 엔코더 커버(62)가 케이블 보호관(201)의 선단부에 체결되며, 엔코더 커버(62)의 일측에는 하부 케이스(63)가 체결되고, 하부 케이스(63)의 일측으로는 상부 케이스(64)가 체결된다. 엔코더 커버(62)와 보호관 가이드A(214a)와의 사이에는 볼 베어링(209) 매개된다. 직접교시 로봇의 암의 중심에는 제어 케이블이 삽입되고, 제어 케이블을 보호하는 케이블 보호관(201)이 중심에 위치된다. 케이블 보호관(201)의 양단에는 케이블 보호관(201)을 제 위치로 안내하는 보호관 가이드A(214a)와 보호관 가이드B(214b)가 위치 결합된다. 케이블 보호관(201)의 외주연으로는 회전가능하게 설치된 회전축(202)이 장착되며, 회전축(202)은 하부 케이스 (63)와 볼 베어링(210)을 매개로 동시에 상부 케이스(64)와 볼 베어링(210)을 매개로 회전된다. 회전축(202)의 외주면에는 엔코더 베이스(203a)에 장착되어 로봇 암의 회전수를 기록하는 엔코더(203)가 장착되 며, 엔코더(203)는 회전축(202)을 중심으로 하여 중공형으로 제작된다. 엔코더 베이스(203a)는 회전축(202)과 의 오일 실링(208)을 매개로 하여 결합될 수 있다. 엔코더(203)의 측면으로는 마그네틱 오토 파워형의 브레이크(204)가 설치되며, 브레이크(204)도 회전축(202)을 중심으로 하여 중공 타입으로 설계된다. 브레이크(204)의 측면으로는 회전축(202)으로 동력을 전달하기 위한 모터(205)가 위치되며 모터(205) 역시 회전 축(202)의 외주연에 형성되도록 중공 타입으로 설계된다. - 4 -
[0035] [0036] [0037] [0038] [0039] [0040] 상부 케이스(64)의 외측으로는 써큘러 스플라인(206a)이 체결되며, 써큘러 스플라인(206a)은 플렉스 스플라인 (206b)과 웨이브 발생기(206c)와 함께 하모닉 드라이브(206)를 구성하여 본 발명의 직접교시 로봇의 관절의 감 속을 담당하게 된다. 1축 토크센서(207)는 크로스 롤러 베어링(Cross Roller Bearing, 212)을 매개로 하여 아웃터 리테이너(65)와 결합된다. 1축 토크 센서(207)는 각각의 암의 선단에 각각 동작가능하게 결합되며, 각각의 관절의 직접교시를 위한 힘정보 제공을 통해 주변의 물체와의 충돌 등 예기치 못한 감지를 가능하게 하고 이에 대한 능동적 대응을 통해 안정성 을 확보하기 위해 본 발명에서는 6개의 암(11 내지 16)의 각 관절마다 구동 모듈의 선단에 장착한다. 또한, 1축 토크 센서(207)는 엔코더(203), 브레이크(204) 및 모터(205) 등과 함께 중공 타입으로 설계된다. 본 발명의 직접교시 로봇의 구동모듈(31 내지 36)은 각각의 모듈과의 결합과 원활한 회전력을 전가 받기 위해서 개소마다 어댑터(213a, 213b) 및 스페이서(211a 내지 211e)가 체결될 수 있다. 이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체 적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에 서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도 출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다. [0041] 부호의 설명 11 내지 16 : 암 21 내지 26 : 링크 31 내지 36 : 구동모듈 41 내지 46 : 언더커버 51 내지 56, 207 : 1축 토크센서 61 : 암 케이스 62 : 엔코더 커버 63 : 하부 케이스 64 : 상부 케이스 65 : 아웃터 리테이너 201 : 케이블 보호관 202 : 회전축 203 : 엔코더 203a : 엔코더 베이스 204 : 브레이크 205 : 모터 206 : 하모닉 드라이브 206a : 써큘러 스플라인 206b : 플렉스 스플라인 206c : 웨이브 발생기 208 : 오일 실링 209, 210 : 볼 베어링 211a 내지 211e : 스페이서 212 : 크로스 롤러 베어링 213a, 213b : 어댑터 214a, 214b : 보호관 가이드 - 5 -
도면 도면1-6 -
도면2 도면3-7 -