KR101513607B1

KR101513607B1 - 소형 리니어 서보 액츄에이터

Info

Publication number: KR101513607B1
Application number: KR1020140022008A
Authority: KR
Inventors: 남형도; 김기덕; 이수준
Original assignee: 포테닛 주식회사
Priority date: 2014-02-25
Filing date: 2014-02-25
Publication date: 2015-04-21
Also published as: WO2015129937A1

Abstract

본 발명은 소형 리니어 서보 액츄에이터에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 소형 리니어 서보 액츄에이터는, 전체적으로 봉형상으로 형성되며 구동력을 전달받아 직선왕복운동을 수행하는 로드부와; 상기 로드부를 구동시키기 위한 구동력을 공급하기 위하여 회전축을 구비하는 서보모터와; 상기 서보모터의 회전축에 의한 회전운동을 상기 로드부의 직선왕복운동으로 변환하기 위한 동력전달부재와; 일측으로 상기 로드부의 일단이 관통하는 가이드홀이 형성되고 상기 로드부를 수납하기 위한 중공부가 상기 가이드홀의 중심축 방향을 따라 내부에 형성되며, 상기 중공부의 상측으로 상기 로드부의 이동거리를 측정하기 위한 포텐셔미터와 전체동작을 제어하는 제어보드를 내장하기 위한 수납공간을 형성하고 상기 중공부의 하측으로 상기 서보모터를 내장하기 위한 수납공간을 형성하는 외부하우징; 및 동일한 중심축을 가지면서 서로 다른 직경을 갖는 복수의 원통부재가 이중으로 중첩되어 형성되는 조인트본체와 상기 조인트본체의 측면을 수직으로 관통하고 상기 외부하우징의 타단이 회전가능하게 결합되는 조인트축을 구비하여 상대적으로 직교하는 두개의 축에 대한 왕복 회전운동을 구현할 수 있어 2자유도를 갖는 회전조인트부;를 포함한다.
따라서, 본 발명은 외부하우징 내부에 모터의 구동에 의해 직선운동하는 로드부를 제어하는 제어보드와 상기 로드부의 이동거리를 감지하기 위한 포텐셔미터를 일체형으로 내장하고, 상대적으로 직교하는 두개의 축에 대한 왕복 회전운동을 구현하여 2자유도를 갖는 회전조인트부를 구성하기 위하여 단순한 구조를 갖는 조인트본체로 형성하여 생체모방형 로봇의 내골격 구조에 적합한 소형화를 만족시킬 수 있으며 기계적 구성이 간단하여 제어가 용이한 소형 리니어 서보 액츄에이터를 제공하는 효과가 있다.

Description

소형 리니어 서보 액츄에이터 {Small Sized Servo Linear Actuator }

본 발명은 소형 리니어 서보 액츄에이터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 본 발명은 외부하우징 내부에 모터의 구동에 의해 직선운동하는 로드부를 제어하는 제어보드와 상기 로드부의 이동거리를 감지하기 위한 포텐셔미터를 일체형으로 내장하고, 상대적으로 직교하는 두개의 축에 대한 왕복 회전운동을 구현하여 2자유도를 갖는 회전조인트부를 구성하기 위하여 단순한 구조를 갖는 조인트본체로 형성하여 생체모방형 로봇의 내골격 구조에 적합한 소형화를 만족시킬 수 있으며 기계적 구성이 간단하여 제어가 용이한 소형 리니어 서보 액츄에이터에 관한 것이다.

로터리 형태의 구동장치를 사용하던 산업용 로봇관련 기술에 대하여 최근 들어 인간,곤충,및 동물의 골격구조를 모방하는 생체모방형 로봇을 제작하고자 하는 시도가 다양하게 이루어지고 있다.

그 결과 각국의 연구소 및 대학에서는 생체 모방형 로봇을 개발하여 산업현장에 사용할 수 있는 논문을 발표하고 있으며, 특히, 인간의 내골격 구조로 구성되는 휴머노이드 로봇을 포함하여 장애인이나 노약자 및 재활을 위한 다양한 보조장치들도 계속해서 출시되고 있다.

상기 휴머노이드 로봇이나 보조장치는 대부분 종래의 로터리 구동장치가 아닌 리니어 구동장치를 사용하여 생체 모방형 구조를 갖는 기술을 구현하고 있다.

여기서, 상기 리니어 구동장치는 일반적으로 공장자동화의 트랜스퍼, 이송공급장치 및 조립, 반송라인 분야, 산업용 직교좌표형 로봇, 운반기계 및 리프트장치, CNC 공작기계의 자동도어 및 이송장치, 산업용 자동도어분야, 포장, 용접, 도장기계의 직선운동장치 등과 같은 각종 산업용 기계장치에서 대상물을 직선 운동시키는 리니어 액츄에이터(LINEAR ABTUATOR)를 가리킨다.

이러한 리니어 액츄에이터 기술이 구현된 로봇의 경우에 일반적으로 그 크기 및 중량이 최적화 되어 있기 때문에 로봇을 구동시키기 위한 리니어 액츄에이터를 설치하기 위한 내부 공간이 매우 협소한 구조를 갖는다.

그러나, 종래의 리니어 액츄에이터의 경우에는 통상적으로 구동모터의 회전축과 상기 회전축의 회전에 따라 직선운동하는 이동체가 단일의 축으로 이웃하여 결합되기 때문에 리니어 액츄에이터를 형성하는 외부하우징을 소형화하는데 어려움이 있으며, 또한, 리니어 액츄에이터를 제어하기 위한 제어보드가 외부하우징의 외부에 배치되고 내부에는 제어 및 전원공급을 위한 연결케이블만 인입되기 때문에 리니어 액츄에이터의 기계적 구성이 복잡하고 전체 크기를 줄이는데 한계가 있는 문제점이 있었다.

뿐만 아니라, 종래에는 생체 모방형 로봇이 갖는 내골격 구조에 의한 2자유도 회전운동을 구현하기 위하여 상기 리니어 액츄에이터의 외부하우징 후단에 형성되는 회전조인트가 일반적으로 두 개의 축을 이웃하게 나열하여 연결하는 방식을 사용하여 형성되기 때문에 기계적 구성이 복잡하여 제어 효율도 떨어지고 리니어 액츄에이터를 소형화는데 어려움이 있는 문제점이 있었다.

따라서, 생체모방형 로봇의 내골격 구조에 적합한 소형화를 만족시킬 수 있으며 기계적 구성이 간단하여 제어가 용이한 소형 리니어 서보 액츄에이터에 관한 현실적이고도 적용이 가능한 기술이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

등록특허공보 KR 10-0472119호(등록일 2005.02.04.)

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 외부하우징 내부에 모터의 구동에 의해 직선운동하는 로드부를 제어하는 제어보드와 상기 로드부의 이동거리를 감지하기 위한 포텐셔미터를 일체형으로 내장하고, 상대적으로 직교하는 두개의 축에 대한 왕복 회전운동을 구현하여 2자유도를 갖는 회전조인트부를 구성하기 위하여 단순한 구조를 갖는 조인트본체로 형성하여 생체모방형 로봇의 내골격 구조에 적합한 소형화를 만족시킬 수 있으며 기계적 구성이 간단하여 제어가 용이한 소형 리니어 서보 액츄에이터를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명의 실시예에 따른 소형 리니어 서보 액츄에이터는, 전체적으로 봉형상으로 형성되며 구동력을 전달받아 직선왕복운동을 수행하는 로드부와; 상기 로드부를 구동시키기 위한 구동력을 공급하기 위하여 회전축을 구비하는 서보모터와; 상기 서보모터의 회전축에 의한 회전운동을 상기 로드부의 직선왕복운동으로 변환하기 위한 동력전달부재와; 일측으로 상기 로드부의 일단이 관통하는 가이드홀이 형성되고 상기 로드부를 수납하기 위한 중공부가 상기 가이드홀의 중심축 방향을 따라 내부에 형성되며, 상기 중공부의 상측으로 상기 로드부의 이동거리를 측정하기 위한 포텐셔미터와 전체동작을 제어하는 제어보드를 내장하기 위한 수납공간을 형성하고 상기 중공부의 하측으로 상기 서보모터를 내장하기 위한 수납공간을 형성하는 외부하우징; 및 동일한 중심축을 가지면서 서로 다른 직경을 갖는 복수의 원통부재가 이중으로 중첩되어 형성되는 조인트본체와 상기 조인트본체의 측면을 수직으로 관통하고 상기 외부하우징의 타단이 회전가능하게 결합되는 조인트축을 구비하여 상대적으로 직교하는 두개의 축에 대한 왕복 회전운동을 구현할 수 있어 2자유도를 갖는 회전조인트부;를 포함한다.

상기 로드부는, 일단에 반구형상으로 형성되는 볼조인트, 및 타단 둘레에 단차를 갖도록 형성되어 상기 외부하우징의 내부에 형성된 중공부 내측면과 외주면이 접촉하여 직선 운동은 허용하면서 회전 운동을 방지하는 회전방지용 그루브를 구비한다.

상기 회전방지용 그루부는, 상부면에 상기 로드부의 이동거리를 측정하기 위하여 상기 중공부의 상측에 배치되는 포텐셔미터의 무빙바가 결합되기 위한 일자형홈이 형성된다.

상기 외부하우징은, 상기 로드부가 상기 중공부 내부에서 슬라이드 이동되는 것을 가이드하기 위하여 상기 로드부의 외주면이 진퇴 가능하게 끼워지는 가이드링이 상기 가이드홀의 내측으로 구비된다.

상기 회전조인트부는, 상기 외부하우징의 타단이 결합되는 조인트축을 중심으로 하는 상기 외부하우징의 왕복회전운동을 제 1 방향으로 하고, 상기 조인트본체를 구성하는 복수개의 원통부재가 갖는 동일한 중심축을 중심으로 하여 상기 복수개의 원통부재 사이에 발생하는 왕복회전운동을 제 2 방향으로 하며, 상대적으로 직교하는 제 1 방향 및 제 2 방향의 두 개 축방향에 대하여 2자유도를 갖는 왕복 회전운동을 구현한다.

상기 회전조인트부는, 상기 외부하우징의 타단이 결합되는 조인트축과; 상기 조인트축의 양측 끝단에 결합하여 상기 외부하우징의 제 1 방향에 대한 왕복회전운동을 지지하는 복수개의 회전조인트용 베어링부재와; 상기 조인트본체를 구성하는 복수개의 원통부재 중 상대적으로 작은 크기로 내측에 배치되는 원통부재로 형성되어 제 2 방향에 대한 왕복회전운동을 지지하고, 측면에 상기 조인트축이 끼워지는 관통홀이 구비되며 상부면 내측으로 상기 조인트축을 고정하기 위한 고정나사가 체결되는 제 1 고정나사홈이 형성되는 이너조인트부; 및 상기 이너조인트부와 동일한 중심축을 가지며 상기 이너조인트부의 외주면을 둘러싸는 형태의 원통부재로 형성되고 하부면 내측으로 원통부재의 몸통을 고정하기 위한 고정나사가 체결되는 제 2 고정나사홈이 형성되며, 상기 이너조인트부의 관통홀 직경에 비해 상대적으로 큰 길이의 직경이 길이방향으로 절개되어 형성되며 상기 조인트축의 이동범위를 제한하는 타원형 슬롯을 측면에 구비하는 아웃조인트부;를 포함한다.

이때, 상기 아웃조인트부에 구비되는 타원형 슬롯의 길이방향에 대해 절개되는 직경의 길이를 조절하여 상기 이너조인트부의 제 2 방향에 대한 왕복회전운동 범위를 조절할 수 있다.

상기 외부하우징은, 타단에 상기 회전조인트부를 구성하는 조인트축의 양측 끝단과 결합되는 포크부가 형성되고, 상기 포크부는, 상기 복수개의 회전조인트용 베어링부재가 수용되는 베어링수용홈을 내측면에 구비한다.

상기 동력전달부재는, 상기 외부하우징의 중공부 하측에 형성된 수납공간에서 상기 서보모터의 회전축 일단에 연결되어 회전력을 전달받는 모터부기어와; 상기 외부하우징의 중공부에서 일측이 상기 로드부의 타측 끝단 내측으로 형성된 나사홈부와 나사결합하고 구동방향에 따라 상기 로드부의 내부로 인입되거나 외부로 인출되면서 상기 로드부가 상기 중공부내에서 직선왕복운동을 할 수 있게 하는 스크류; 및 상기 외부하우징의 중공부에서 상기 스크류의 타단과 축결합하고 상기 스크류에 서보모터의 회전력을 전달하기 위하여 상기 모터부기어와 맞물려 배치되는 스크류기어;를 구비한다.

여기서, 상기 스크류기어의 일측 및 타측으로 회전운동을 지지하기 위하여 형성되는 스크류베어링부재, 및 상기 스크류베어링 부재와 상기 스크류기어 사이에서 일정한 이격거리를 유지하기 위한 스페이서가 배치되는 것이 바람직하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은, 외부하우징 내부에 모터의 구동에 의해 직선운동하는 로드부를 제어하는 제어보드와 상기 로드부의 이동거리를 감지하기 위한 포텐셔미터를 일체형으로 내장하여 생체모방형 로봇의 내골격 구조에 적합한 소형화를 만족시킬 수 있도록 고집적화를 이룬 소형 리니어 서보 액츄에이터를 제공하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 외부하우징의 타단부에 이중으로 중첩 결합되는 복수개의 원통부재로 구성되는 회전조인트부를 형성하여 기계적 구성을 간단하게 구현함으로써 크기를 줄이고 제어가 용이한 소형 리니어 서보 액츄에이터를 제공하는 효과가 있다.

게다가, 외부하우징의 타단부에 결합되는 2자유도 회전조인트와 회전가능하게 결합되기 위하여 상기 2자유도 회전조인트의 조인트축 양단에 결합된 베어링을 외부하우징의 타단부에 형성된 포크부의 내측에 수용하여 부품수를 줄이고 이로 인해 제조비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

뿐만 아니라, 서보모터의 회전운동을 직선운동으로 변환하는 동력전달부재의 축구조를 단일의 축으로 구현하는 대신 복수개의 기어부를 사용하여 구성함으로써 외부하우징의 크기를 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 소형 리니어 서보 액츄에이터를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 소형 리니어 서보 액츄에이터의 내부구성을 나타내기 위한 단면도이다.
도 3은 도 2의 사시도이다.
도 4는 도 2 내지 도 3에 도시된 포텐션미터와 제어보드를 나타내기 위한 도면이다.
도 5는 도 2 내지 도 3에 도시된 로드를 나타내기 위하여 다른 각도에서 바라본 로드의 분해도이다.
도 5는 도 2 내지 도 3에 도시된 회전조인트부를 나타내기 위한 분해도이다.
도 6은 도 2 내지 도 3에 도시된 외부하우징에 결합되는 회전조인트부를 나타내기 위한 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 2자유도 회전조인트를 설명하기 위하여 다른 각도에서 바라본 2자유도 회전조인트의 분해도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 소형 리니어 서보 액츄에이터를 구성하는 로드의 동작과정을 나타내는 도면이다.
도 9는 종래기술에 따라 2자유도 회전운동을 구현한 유니버셜 조인트를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 소형 리니어 서보 액츄에이터를 구성하는 회전조인트부의 2자유도를 갖는 두 개의 축 방향을 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 소형 리니어 서보 액츄에이터를 나타내는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 소형 리니어 서보 액츄에이터의 내부구성을 나타내기 위한 단면도이며,도 3은 도 2의 사시도이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 소형 리니어 서보 액츄에이터(10)는, 로드부(100), 서보모터(200), 동력전달부재(300), 외부하우징(400), 및 회전조인트부(500)를 포함한다.

보다 상세하게는, 상기 로드부(100)는 전체적인 형상이 봉형상으로 형성되며 상기 서보모터(200)의 구동력을 상기 동력전달부재(300)로 부터 전달받아 외부하우징(400)의 내외부로 신축되게 직선왕복운동을 수행한다.

또한, 상기 서보모터(200)는 상기 로드부(100)의 직선왕복운동 동작을 구동시키기 위하여 모터의 구동에 의해 회전운동하며 상기 로드부(100)에 회전구동력을 공급하는 회전축(210)을 구비한다.

여기서, 상기 회전축(210)은 일측 단부가 상기 서보모터(200)와 연결되고 타측 단부는 상기 동력전달부재(300)에 연결된다.

또한, 상기 동력전달부재(300)는, 상기 서보모터(200)의 회전축(210)에 의한 회전운동을 상기 로드부(100)의 직선왕복운동으로 변환하기 위한 것으로서, 도 2 내지 도 3에 도시된 구성과 같이, 모터부기어(310), 스크류(320), 및 스크류기어(330)을 구비한다.

더욱 상세하게는, 상기 모터부기어(310)는, 후술하는 상기 외부하우징(400)의 중공부(410) 하측에 형성된 수납공간에서 상기 서보모터(200)의 회전축(210) 일단에 연결되어 회전력을 전달받는다.

또한, 상기 스크류(320)는, 상기 외부하우징(400)의 중공부(410)에서 일측이 상기 로드부(100)의 타측 끝단 내측으로 형성된 나사홈부(121)와 나사결합하고 구동방향에 따라 상기 로드부(100)의 내부로 인입되거나 외부로 인출되면서 상기 로드부(100)가 상기 중공부(410)내에서 직선왕복운동을 할 수 있게 한다.

또한, 상기 스크류기어(330)는, 상기 외부하우징(400)의 중공부(410)에서 상기 스크류(320)의 타단과 축결합하고 상기 스크류(320)에 서보모터(200)의 회전력을 전달하기 위하여 상기 모터부기어(310)와 맞물려 배치된다.

이때, 도면에 도시된 바와 같이, 상기 스크류기어(330)의 일측 및 타측으로 회전운동을 지지하기 위하여 형성되는 스크류베어링부재(340), 및 상기 스크류베어링 부재(340)와 상기 스크류기어(330) 사이에서 일정한 이격거리를 유지하기 위한 스페이서(350)가 배치되는 것이 바람직하다.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 소형 리니어 서보 액츄에이터는, 서보모터의 회전운동을 직선운동으로 변환하는 동력전달부재의 축구조를 단일의 축으로 구현하는 대신 복수개의 기어부를 사용하여 구성함으로써 외부하우징의 크기를 줄일 수 있는 효과가 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 소형 리니어 서보 액츄에이터를 구성하는 외부하우징(400)은, 일측으로 상기 로드부(100)의 일단이 관통하는 가이드홀(401)이 형성되고 상기 로드부(100)를 수납하기 위한 중공부(410)가 상기 가이드홀(401)의 중심축 방향을 따라 내부에 형성된다.

도면에 도시된 바와 같이, 상기 외부하우징(400)은, 상기 중공부(410)의 상측으로 상기 로드부(100)의 이동거리를 측정하기 위한 포텐셔미터(600)와 전체동작을 제어하는 제어보드(700)를 내장하기 위한 수납공간을 형성한다.

또한, 상기 외부하우징(400)은, 상기 중공부(410)의 하측으로 상기 서보모터(200)와 상기 동력전달부재(300)를 구성하는 모터부기어(310)를 내장하기 위한 수납공간을 형성한다.

또한, 상기 외부하우징(400)은, 상기 로드부(100)가 상기 중공부(410) 내부에서 슬라이드 이동되는 것을 가이드하기 위하여 상기 로드부(100)의 외주면이 진퇴 가능하게 끼워지는 가이드링(420)이 상기 가이드홀(401)의 내측으로 구비된다.

게다가, 상기 외부하우징(400)은, 타단에 후술하는 회전조인트부(500)를 구성하는 조인트축(510)의 양측 끝단과 결합되는 포크부(430)가 형성되고, 상부면에는 상기 제어보드(700)에 전기적인 신호를 인가하기 위한 커넥터(800)를 설치하기 위하여 커넥터홀(440)이 형성된다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 소형 리니어 서보 액츄에이터를 구성하는 회전조인트부(500)는, 동일한 중심축을 가지면서 서로 다른 직경을 갖는 복수의 원통부재가 이중으로 중첩되어 형성되는 조인트본체와 상기 조인트본체의 측면을 수직으로 관통하고 상기 외부하우징의 타단이 회전가능하게 결합되는 조인트축(510)을 구비하여 상대적으로 직교하는 두개의 축에 대한 왕복 회전운동을 구현할 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 후술한다.

도 4는 도 2 내지 도 3에 도시된 포텐셔미터와 제어보드를 나타내기 위한 도면이고, 도 5는 도 2 내지 도 3에 도시된 로드를 나타내기 위하여 다른 각도에서 바라본 로드의 분해도이다.

도 4 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 소형 리니어 서보 액츄에이터의 외부하우징 내부에 내장되는 구성들을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시에에 따른 소형 리니어 서보 액츄에이터는, 외부하우징(400)에 형성된 중공부(410) 상측으로 도 4에 도시된 포텐셔미터(600)와 제어보드(700)가 내장된다.

여기서, 상기 포텐셔미터(600)는 서보모터(200)의 구동회전력을 전달받은 로드부(100)의 이동되는 거리를 측정하여 제어보드(700)에 측정결과를 보내는 역할을 수행하는 것으로, 도면에 도시된 바와 같이, 하부면에 가이드레일(601)이 길이방향으로 형성되고 상기 가이드레일(601)에 무빙바(610)가 결합되어 상기 로드부(100)의 직선으로 왕복운동하는 거리를 실시간으로 측정할 수 있다.

한편, 상기 로드부(100)는, 도면에 도시된 바와 같이, 일단에 반구형상으로 볼조인트(110)가 형성되고 타단 둘레에 단차를 갖도록 회전방지용 그루브(120)가 형성된다.

이때, 상기 볼조인트(110)의 일측이 일자형으로 연장되는 끝단에 나사산(111)이 형성되고 상기 로드부(100)의 일단 내측면에 형성된 나사산(112)과 대응되어 나사 결합 되는 것이 바람직하며, 로봇에 적용되는 경우에 상기 볼조인트(110)에 결합되는 볼부분이 자유롭게 회전할 수 있기 때문에 관절의 작용을 하여 로드부(100)의 신축을 흡수할 수 있고 볼부분이 점접촉이 가능하도록 하여 정밀한 제어가 가능하게 된다.

상기 회전방지용 그루브(120)는, 상기 외부하우징(400)의 내부에 형성된 중공부(410) 내측면과 외주면이 접촉하여 상기 로드부(100)의 직선 운동은 허용하면서 회전 운동을 방지할 수 있으며, 상기 로드부(100)의 회전운동을 방지하기 위하여 상부면 및 하부면이 원형의 둘레를 갖는 것이 아니라 수평면을 갖는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 외부하우징(400)의 중공부 내측 상부면 및 하부면은 상기 로드부(100)의 상부면 및 하부면에 형성되는 수평면에 대응되게 형성된다.

또한, 상기 회전방지용 그루브(120)는, 상부면에 상기 로드부(100)의 이동거리를 측정하기 위하여 상기 중공부(410)의 상측에 배치되는 포텐셔미터(600)의 무빙바(610)가 결합되기 위한 일자형홈(130)이 형성된다.

또한, 상기 회전방지용 그루브(120)가 위치하는 로드부(100)의 타단 내측면으로 스크류(320)가 결합되기 위한 나사홈부(121)가 형성된다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 소형 리니어 서보 액츄에이터는, 외부하우징 내부에 모터의 구동에 의해 직선운동하는 로드부를 제어하는 제어보드와 상기 로드부의 이동거리를 감지하기 위한 포텐셔미터를 일체형으로 내장하여 생체모방형 로봇의 내골격 구조에 적합한 소형화를 만족시킬 수 있도록 고집적화를 이룰 수 있다.

도 6은 도 2 내지 도 3에 도시된 외부하우징에 결합되는 회전조인트부를 나타내기 위한 도면이고, 도 7은 도 6에 도시된 2자유도 회전조인트를 설명하기 위하여 다른 각도에서 바라본 회전조인트의 분해도이다.

도 6 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 소형 리니어 서보 액츄에이터를 구성하는 회전조인트를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시예에 따른 소형 리니어 서보 액츄에이터를 구성하는 회전조인트부(500)는, 동일한 중심축을 가지면서 서로 다른 직경을 갖는 복수의 원통부재가 이중으로 중첩되어 형성되는 조인트본체와 상기 조인트본체의 측면을 수직으로 관통하고 상기 외부하우징의 타단이 회전가능하게 결합되는 조인트축(510)을 구비하여 상대적으로 직교하는 두개의 축에 대한 왕복 회전운동을 구현할 수 있다.

도면에 도시된 바와 같이, 상기 회전조인트부(500)는, 조인트축(510), 회전조인트용 베어링부재(520), 이너조인트부(530), 및 아웃조인트부(540)를 포함한다.

보다 상세하게는, 상기 조인트축(510)은 상기 이너조인트부(530) 및 아웃조인트부(540)와 함께 상기 외부하우징(400)의 타측 끝단에 형성되는 포크부(430)에 결합되고, 상기 베어링부재(520)는 상기 조인트축(510)의 양측 끝단에 결합하여 상기 외부하우징(400)의 제 1 방향에 대한 왕복회전운동을 지지하도록 복수개가 구비된다. 여기서, 상기 제 1 방향은 상기 외부하우징(400)의 타단이 결합되는 조인트축(510)을 중심축으로 하여 움직이는 상기 외부하우징(400)의 왕복회전운동 방향을 가리킨다.

또한, 상기 이너조인트부(530)는, 상기 조인트본체를 구성하는 복수개의 원통부재 중 상대적으로 작은 크기로 내측에 배치되는 원통부재로 형성되어 제 2 방향에 대한 왕복회전운동을 지지하고, 측면에 상기 조인트축(510)이 원통부재의 몸통을 관통하여 끼워지는 관통홀(531)이 구비되며 상부면 내측으로 상기 조인트축(510)을 고정하기 위한 고정나사(미도시)가 체결되는 제 1 고정나사홈(501)이 형성된다. 이때, 상기 조인트축(510)이 끼워진 상태에서 상기 제 1 고정나사홈(501)을 통하여 고정나사가 체결되면 상기 조인트축(510)과 이너조인트부(530)는 서로 견고하게 고정되고 상기 조인트축(510)은 중심축을 기준으로 하는 자전운동을 하지 못하게 된다.

여기서, 상기 이너조인트부(530)에 의해 지지되는 제 2 방향에 대한 왕복회전운동은 상기 조인트본체를 구성하는 복수개의 원통부재가 갖는 동일한 중심축을 중심으로 하여 상기 복수개의 원통부재 사이에 발생하는 왕복회전운동을 가리키는 것으로 보다 상세한 설명은 후술한다.

본 발명의 실시예에서 상기 아웃조인트부(540)는, 제 2 방향에 대한 왕복회전운동을 형성하기 위하여, 상기 이너조인트부(530)와 동일한 중심축을 가지며 상기 이너조인트부(530)의 외주면을 둘러싸는 형태의 원통부재로 형성된다.

이때, 상기 아웃조인트부(540)는, 하부면 내측으로 아웃조인트부(540)를 형성하는 원통부재의 몸통을 고정하기 위한 고정나사가 체결되는 제 2 고정나사홈(502)이 형성된다.

또한, 상기 아웃조인트부(540)는 측면상에 상기 이너조인트부(530)의 관통홀(531) 직경에 비해 상대적으로 큰 길이의 직경이 길이방향으로 절개되어 형성되며 상기 조인트축(510)의 이동범위를 제한하는 타원형 슬롯(541)을 구비하고, 내부에 상기 이너조인트부(530)를 수용하기 위한 원통형의 수용공간을 구비한다.

본 발명의 실시예에서는, 상기 아웃조인트부(540)에 구비되는 타원형 슬롯(541)의 길이방향에 대해 절개되는 직경의 길이를 조절하여 상기 이너조인트부(530)의 제 2 방향에 대한 왕복회전운동 범위를 조절할 수 있다.

즉, 상기 아웃조인트부(540)부가 회전조인트부(500)의 외부에 형성되는 지지체(미도시)에 고정된 상태에서 이너조인트부(530)가 제 2 방향으로 왕복회전운동을 할 경우에 상기 타원형슬롯(541)의 길이방향에 대한 직경의 형성범위를 상기 조인트축(510)의 중심축을 기준으로 1 °~ 180°범위로 조절하여 2자유도를 가지며 서로 직교하는 두 개의 축에 대한 왕복회전운동을 구현할 수 있다.

이때, 상기 타원형 슬롯(541)이 상기 조인트축(510)이 끼워지는 이너조인트부(530)의 관통홀(531)과 크기가 동일할 경우에는 상기 이너조인트부(530) 및 아웃조인트부(540) 사이에서 제 2 방향의 왕복회전운동이 일어나지 않아 외부하우징(400)의 제 1 방향에 대한 1자유도만 존재하게 된다.

한편, 본 발명의 일실시예에서 상기 포크부(430)는, 상기 복수개의 회전조인트용 베어링부재(520)가 수용되는 베어링수용홈(431)을 내측면에 구비하며, 상기 베어링수용홈(431)의 중앙에는 상기 조인트축(510)의 양측 끝단이 상기 베어링부재(520)통과한 다음 고정되는 고정홀(432)이 형성된다.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 소형 리니어 서보 액츄에이터는, 회전조인트부를 형성하여 기계적 구성을 간단하게 구현함으로써 크기를 줄이고 제어를 용이하게 할 수 있으며, 상기 회전조인트의 조인트축 양단에 결합된 베어링을 외부하우징의 타단부에 형성된 포크부의 내측에 수용하여 종래에 베어링을 구비하는 경우 필요하던 기본 구성에 대한 부품수를 줄이고 이로 인해 제조비용을 절감할 수 있다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 소형 리니어 서보 액츄에이터를 구성하는 로드부의 동작과정을 나타내는 도면이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시에에 따른 소형 리니어 서보 액츄에이터는 전기신호가 제어보드가 인가되면 서보모터(200)의 구동회전력을 모터부기어(310), 스크류기어(330), 및 스크류(320) 순으로 전달하여 로드부(100)가 외부하우징(400)의 내부에 형성된 중공부(410)를 이동하여 외부하우징(400)의 내외부로 신축되게 동작한다.

도 9는 종래기술에 따라 2자유도 회전운동을 구현한 유니버셜 조인트를 나타내는 도면이고, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 소형 리니어 서보 액츄에이터를 구성하는 회전조인트부의 2자유도를 갖는 두 개의 축 방향을 나타내는 도면이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 종래기술에 따른 유니버셜 조인트(1)는 2자유도를 구현하기 위하여 이웃하는 두 개의 축을 연결하여 조인트본체를 구성하기 때문에 크기를 줄이는데 한계가 있으며 회전범위가 좁아 제어를 용이하게 하기 어렵다.

도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 소형 리니어 서보 액츄에이터를 구성하는 회전조인트부(500)는, 외부하우징(400)의 타단이 결합되는 조인트축(510)을 중심으로 하는 상기 외부하우징(400)의 왕복회전운동을 제 1 방향으로 하고, 회전조인트부(500)의 본체를 구성하는 복수개의 원통부재가 갖는 동일한 중심축을 중심으로 하여 상기 복수개의 원통부재 사이에 발생하는 왕복회전운동을 제 2 방향으로 하며, 상대적으로 직교하는 제 1 방향 및 제 2 방향의 두 개 축 방향에 대하여 2자유도를 갖는 왕복 회전운동을 구현한다.

상기와 같이, 본 발명은 외부하우징 내부에 모터의 구동에 의해 직선운동하는 로드부를 제어하는 제어보드와 상기 로드부의 이동거리를 감지하기 위한 포텐셔미터를 일체형으로 내장하고, 상대적으로 직교하는 두개의 축에 대한 왕복 회전운동을 구현하여 2자유도를 갖는 회전조인트부를 구성하기 위하여 단순한 구조를 갖는 조인트본체로 형성하여 생체모방형 로봇의 내골격 구조에 적합한 소형화를 만족시킬 수 있으며 기계적 구성이 간단하여 제어가 용이한 소형 리니어 서보 액츄에이터를 제공하는 효과가 있다.

지금까지 본 발명에 대해서 상세히 설명하였으나, 그 과정에서 언급한 실시예는 예시적인 것일 뿐이며, 한정적인 것이 아님을 분명히 하고, 본 발명은 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상이나 분야를 벗어나지 않는 범위내에서, 균등하게 대처될 수 있는 정도의 구성요소 변경은 본 발명의 범위에 속한다 할 것이다.

1 : 유니버셜 조인트 10 : 소형 리니어 서보 액츄에이터
100 : 로드부 110 : 볼조인트
111,112 : 나사산 120 : 회전방지용 그루브
121 : 나사홈부 130 : 일자형홈
200 : 서보모터 210 : 회전축
300 : 동력전달부재 310 : 모터부기어
320 : 스크류 330 : 스크류기어
340 : 스크류베어링부재 350 : 스페이서
400 : 외부하우징 401 : 가이드홀
410 : 중공부 420 : 가이드링
430 : 포크부 431 : 베어링수용홈
432 : 고정홀 440 : 커넥터홀
500 : 회전조인트부 501 : 제 1 고정나사홈
502 : 제 2 고정나사홈 510 : 조인트축
520 : 회전조인트용 베어링부재 530 : 이너조인트부
531 : 관통홀 540 : 아웃조인트부
541 : 타원형 슬롯 600 : 포텐셔미터
601 : 가이드레일 610 : 무빙바
700 : 제어보드 800 : 커넥터

Claims

전체적으로 봉형상으로 형성되며 구동력을 전달받아 직선왕복운동을 수행하는 로드부와;
상기 로드부를 구동시키기 위한 구동력을 공급하기 위하여 회전축을 구비하는 서보모터와;
상기 서보모터의 회전축에 의한 회전운동을 상기 로드부의 직선왕복운동으로 변환하기 위한 동력전달부재와;
일측으로 상기 로드부의 일단이 관통하는 가이드홀이 형성되고 상기 로드부를 수납하기 위한 중공부가 상기 가이드홀의 중심축 방향을 따라 내부에 형성되며, 상기 중공부의 상측으로 상기 로드부의 이동거리를 측정하기 위한 포텐셔미터와 전체동작을 제어하는 제어보드를 내장하기 위한 수납공간을 형성하고 상기 중공부의 하측으로 상기 서보모터를 내장하기 위한 수납공간을 형성하는 외부하우징; 및
동일한 중심축을 가지면서 서로 다른 직경을 갖는 복수의 원통부재가 이중으로 중첩되어 형성되는 조인트본체와 상기 조인트본체의 측면을 수직으로 관통하고 상기 외부하우징의 타단이 회전가능하게 결합되는 조인트축을 구비하여 상대적으로 직교하는 두개의 축에 대한 왕복 회전운동을 구현할 수 있어 2자유도를 갖는 회전조인트부;를 포함하고,
상기 회전조인트부는, 상기 외부하우징의 타단이 결합되는 조인트축을 중심으로 하는 상기 외부하우징의 왕복회전운동을 제 1 방향으로 하고, 상기 조인트본체를 구성하는 복수개의 원통부재가 갖는 동일한 중심축을 중심으로 하여 상기 복수개의 원통부재 사이에 발생하는 왕복회전운동을 제 2 방향으로 하여, 상대적으로 직교하는 제 1 방향 및 제 2 방향의 두 개 축방향에 대하여 2자유도를 갖는 왕복 회전운동을 구현하는 것을 특징으로 하는 소형 리니어 서보 액츄에이터
제 1항에 있어서, 상기 로드부는,
일단에 반구형상으로 형성되는 볼조인트, 및 타단 둘레에 단차를 갖도록 형성되어 상기 외부하우징의 내부에 형성된 중공부 내측면과 외주면이 접촉하여 직선 운동은 허용하면서 회전 운동을 방지하는 회전방지용 그루브를 구비하는 것을 특징으로 하는 소형 리니어 서보 액츄에이터
제 2항에 있어서, 상기 회전방지용 그루부는,
상부면에 상기 로드부의 이동거리를 측정하기 위하여 상기 중공부의 상측에 배치되는 포텐셔미터의 무빙바가 결합되기 위한 일자형홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 소형 리니어 서보 액츄에이터
제 1항에 있어서, 상기 외부하우징은,
상기 로드부가 상기 중공부 내부에서 슬라이드 이동되는 것을 가이드하기 위하여 상기 로드부의 외주면이 진퇴 가능하게 끼워지는 가이드링이 상기 가이드홀의 내측으로 구비되는 것을 특징으로 하는 소형 리니어 서보 액츄에이터
삭제
제 1항에 있어서, 상기 회전조인트부는,
상기 외부하우징의 타단이 결합되는 조인트축과;
상기 조인트축의 양측 끝단에 결합하여 상기 외부하우징의 제 1 방향에 대한 왕복회전운동을 지지하는 복수개의 회전조인트용 베어링부재와;
상기 조인트본체를 구성하는 복수개의 원통부재 중 상대적으로 작은 크기로 내측에 배치되는 원통부재로 형성되어 제 2 방향에 대한 왕복회전운동을 지지하고, 측면에 상기 조인트축이 끼워지는 관통홀이 구비되며 상부면 내측으로 상기 조인트축을 고정하기 위한 고정나사가 체결되는 제 1 고정나사홈이 형성되는 이너조인트부; 및
상기 이너조인트부와 동일한 중심축을 가지며 상기 이너조인트부의 외주면을 둘러싸는 형태의 원통부재로 형성되고 하부면 내측으로 원통부재의 몸통을 고정하기 위한 고정나사가 체결되는 제 2 고정나사홈이 형성되며, 상기 이너조인트부의 관통홀 직경에 비해 상대적으로 큰 길이의 직경이 길이방향으로 절개되어 형성되며 상기 조인트축의 이동범위를 제한하는 타원형 슬롯을 측면에 구비하는 아웃조인트부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 소형 리니어 서보 액츄에이터
제 6항에 있어서,
상기 아웃조인트부에 구비되는 타원형 슬롯의 길이방향에 대해 절개되는 직경의 길이를 조절하여 상기 이너조인트부의 제 2 방향에 대한 왕복회전운동 범위를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 소형 리니어 서보 액츄에이터
제 6항에 있어서, 상기 외부하우징은,
타단에 상기 회전조인트부를 구성하는 조인트축의 양측 끝단과 결합되는 포크부가 형성되고,
상기 포크부는,
상기 복수개의 회전조인트용 베어링부재가 수용되는 베어링수용홈을 내측면에 구비하는 것을 특징으로 하는 소형 리니어 서보 액츄에이터
제 1항에 있어서, 상기 동력전달부재는,
상기 외부하우징의 중공부 하측에 형성된 수납공간에서 상기 서보모터의 회전축 일단에 연결되어 회전력을 전달받는 모터부기어와;
상기 외부하우징의 중공부에서 일측이 상기 로드부의 타측 끝단 내측으로 형성된 나사홈부와 나사결합하고 구동방향에 따라 상기 로드부의 내부로 인입되거나 외부로 인출되면서 상기 로드부가 상기 중공부내에서 직선왕복운동을 할 수 있게 하는 스크류; 및
상기 외부하우징의 중공부에서 상기 스크류의 타단과 축결합하고 상기 스크류에 서보모터의 회전력을 전달하기 위하여 상기 모터부기어와 맞물려 배치되는 스크류기어;를 구비하는 것을 특징으로 하는 소형 리니어 서보 액츄에이터
제 9항에 있어서,
상기 스크류기어의 일측 및 타측으로 회전운동을 지지하기 위하여 형성되는 스크류베어링부재, 및 상기 스크류베어링 부재와 상기 스크류기어 사이에서 일정한 이격거리를 유지하기 위한 스페이서가 배치되는 것을 특징으로 하는 소형 리니어 서보 액츄에이터