KR20220106476A - 협동로봇 관절의 브레이크 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 프레임(11) 상에 입력축(15)을 지지하는 몸체(10); 상기 입력축(15)의 단부에 결합되고, 다수의 날개편을 갖춘 멈춤판(20); 상기 프레임(11)의 이격된 위치에 배치되는 제1멈춤핀(31)과 제2멈춤핀(32)을 각각의 솔레노이드(37)에 연결하여 멈춤판(20)에 대한 맞물림을 교번적으로 단속하는 구동부재(30);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 스마트 팩토리를 실현하는 산업현장에서 작업자와의 긴밀한 협력이 가능하도록 경박단소한 구조를 기반으로 하면서 브레이킹 시간 최적화, 관절의 유격 최소화 등과 같은 작동의 신뢰성을 높여 실질적인 활용성을 증대하는 효과가 있다.

Description

협동로봇 관절의 브레이크 장치 {Brake apparatus for collaborative robot joint}

본 발명은 로봇의 브레이크에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 산업현장에서 스마트 팩토리를 실현하기 위해 작업자와의 협력을 전제로 하는 협동로봇 관절의 브레이크 장치에 관한 것이다.

급속한 기술발전에 따라서 각종 산업현장의 경우 연관 기술의 발전과 함께 인간의 노동을 대체하는 개념을 벗어나서 인간과 협력이 가능한 협동로봇 개념으로 전환되어 가고 있다. 제조용 협동로봇은 작업성과 안전성을 고려하여 6축 이상의 다관절 메커니즘을 기반으로 한다.

다관절 구조의 협동로봇은 경량, 슬림화를 위해서 솔레노이드를 기반으로 멈춤핀과 멈춤판을 연계하는 단순한 구조의 기계식 브레이크를 탑재한다. 이는 솔레노이드의 온오프에 따라 멈춤핀과 멈춤판의 맞물림이 단속되므로 마찰식 브레이크와 달리 슬립을 최소화한 제동이 가능하다.

이와 관련하여 참조할 수 있는 선행기술문헌으로서 한국 등록특허공보 제1632370호(선행문헌 1), 한국 공개특허공보 제2020-0121076호(선행문헌2) 등의 특허문헌이 알려져 있다.

선행문헌 1은 구동축에 축결합하며, 방사상으로 돌출된 복수개의 걸림편이 형성된 플레이트; 전류 인가에 따라 자속을 배가 또는 감쇄시키는 래치타입 솔레노이드; 솔레노이드에 의해 플레이트의 걸림편을 걸림 또는 걸림해제시키는 걸림돌기;를 포함한다. 이에, 결합구조를 단순화하고 발열에 따른 흡인력 감소와 오동작을 방지하는 효과를 기대한다.

선행문헌2는 구동축에 결합되고 다수의 걸림편이 형성된 브레이크 링; 브레이크 링의 걸림편과 간섭에 의해 구동축의 회전을 정지시키기 위한 걸림돌기가 형성된 브레이크 윙; 브레이크 윙을 회전시켜 걸림돌기의 위치를 이동시키기 위한 위치 조정부; 등을 포함한다. 이에, 작은 유격을 가지고 양방향 브레이킹이 가능한 구성을 구현하는 효과를 기대한다.

다만, 상기한 선행문헌은 협동로봇에 적용에 있어서 브레이킹 시간 최적화, 관절의 유격 최소화 등과 같은 동작 신뢰성 확보 측정에서 개선의 여지를 보이고 있다.

한국 등록특허공보 제1632370호 "로봇 관절 모듈용 브레이크 장치" (공개일자 : 2015.10.05.) 한국 공개특허공보 제2020-0121076호 "구동축 브레이킹 장치" (공개일자 : 2020.10.23.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 스마트 팩토리를 실현하는 산업현장에서 작업자와의 협력을 전제로 경박단소한 구조를 기반으로 하면서 브레이킹 시간 최적화, 관절의 유격 최소화 등과 같은 작동의 신뢰성을 높일 수 있는 협동로봇 관절의 브레이크 장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 프레임 상에 입력축을 지지하는 몸체; 상기 입력축의 단부에 결합되고, 다수의 날개편을 갖춘 멈춤판; 상기 프레임의 이격된 위치에 배치되는 제1멈춤핀과 제2멈춤핀을 각각의 솔레노이드에 연결하여 멈춤판에 대한 맞물림을 교번적으로 단속하는 구동부재;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 멈춤판은 적어도 일면에서 파형와셔를 개재하여 설정된 토크에서 슬라이딩 가능하도록 결합되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 제1멈춤핀과 일측 날개편의 중심이 일치되어 맞물린 상태에서 상기 제2멈춤핀은 인접한 타측 날개편의 중간에 위치하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 구동부재는 복수의 멈춤핀 중의 어느 하나를 사용하는 경우에 비하여 솔레노이드의 오프 순간에서 실제 제동까지의 정지시간을 50% 이하로 축소하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 구동부재는 멈춤핀에서 멈춤판과 접촉되는 영역에 다수의 구체를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 스마트 팩토리를 실현하는 산업현장에서 작업자와의 긴밀한 협력이 가능하도록 경박단소한 구조를 기반으로 하면서 브레이킹 시간 최적화, 관절의 유격 최소화 등과 같은 작동의 신뢰성을 높여 실질적인 활용성을 증대하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 브레이크 장치를 나타내는 구성도
도 2는 본 발명에 따른 장치의 구동부재를 나타내는 구성도
도 3은 본 발명에 따른 장치를 작동 상태에서 나타내는 구성도
도 4는 도 3의 기술 사상을 요점을 부연 설명하는 모식도
도 5는 본 발명의 변형예예에 따른 장치를 나타내는 구성도
도 6은 도 5의 장치를 작동 상태에서 나타내는 구성도

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 협동로봇의 관절에 설치되는 브레이크 장치에 관하여 제안한다. 다관절 구조의 협동로봇에 적용하여 유효성을 높이지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 관절체(10)는 프레임(11) 상에 입력축(15)을 지지하는 구조를 이루고 있다.

도 1을 참조하면, 다관절 협동로봇의 일측 아암과 타측 아암을 관절로 연결하는 몸체(10)를 나타낸다. 몸체(10)는 프레임(11) 상에 입력축(15) 및 출력축을 구동모터, 감속기, 제동기 등과 동심으로 회전 가능하게 지지한다. 구동모터에 연결되는 입력축(15)은 설정된 알고리즘에 따라 정역방향으로 가속 또는 감속 가능하도록 제어된다.

또한, 본 발명에 따르면 다수의 날개편을 갖춘 멈춤판(20)이 상기 입력축(15)의 단부에 결합되는 구조를 이루고 있다.

도 1에서, 4개의 날개편을 갖춘 멈춤판(20)이 입력축(15)의 단부에 연결된 상태를 나타낸다. 멈춤판(20)은 날개편의 개수에 따라 회전 간격(각도)이 정해지며, 이로 인한 유격이 출력각의 편차로 나타나면서 정밀도에 영향을 준다. 유격을 줄이기 위해 날개편의 수량을 증가시키면 중량이 증가되어 협동로봇의 경박단소화에 불리하고 후술하는 솔레노이드(37)가 작동하는 과정에서 불필요한 간섭을 초래하기 쉽다. 협동로봇의 동작 속도에 따라 멈춤판(20)의 날개편은 4개 또는 6개가 적합하지만 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 멈춤판(20)은 적어도 일면에서 파형와셔(25)를 개재하여 설정된 토크에서 슬라이딩 가능하도록 결합되는 것을 특징으로 한다.

도 2를 참조하면, 멈춤판(20)이 입력축(15) 상에 파형와셔(25)와 스냅링(27)을 개재하여 장착된 상태를 나타낸다. 멈춤판(20)의 하측에 파형와셔(25)가 밀착되도록 상단과 하단에서 스냅링(27)으로 가압력을 작용한다. 이와 같은 파형와셔(25)는 멈춤판(20)의 상측에 설치하거나 하측과 상측에 모두 설치할 수도 있다. 어느 경우에나 파형와셔(25)는 입력축(15)의 축방향으로 형성된 요철을 통하여 멈춤판(20)에 회전력을 전달한다. 협동로봇 아암의 제동 과정에서 멈춤판(20)에 과도한 토크가 발생하면 입력축(15)에 대한 슬립을 유발하여 구동모터, 감속기 등의 파손을 방지한다.

또한, 본 발명에 따르면 구동부재(30)가 상기 프레임(11)의 이격된 위치에 배치되는 제1멈춤핀(31)과 제2멈춤핀(32)을 각각의 솔레노이드(37)에 연결하여 멈춤판(20)에 대한 맞물림을 교번적으로 단속하는 구조를 이루고 있다.

도 2에서, 구동부재(30)가 제1멈춤핀(31)과 제2멈춤핀(32)을 포함하여 구성되는 상태를 나타낸다. 제1멈춤핀(31)과 제2멈춤핀(32)은 프레임(11)에 형성되는 지지홈(13)에 축방향으로 슬라이딩 가능하게 설치된다. 각각의 멈춤핀(31)(32)에는 상승과 하강을 유발하는 솔레노이드(37)가 연결된다. 솔레노이드(37)는 하단의 지지홈(13)에 수용된 스프링(38)에 의해 상방향으로 탄성력을 받는다. 제1멈춤핀(31) 및 제2멈춤핀(32) 중의 어느 하나만 설치되는 경우에 비하여 이격된 2개의 멈춤핀(31)(32)을 사용하면 멈춤판(20)의 날개편 수량을 증가시키지 않더라도 협동로봇 아암의 제동시 동작 시간 단축 및 정지 후 관절의 유격을 축소할 수 있다.

도 2(a)처럼 솔레노이드(37)에 전원이 인가된 상태에서 멈춤핀(31)(32)이 하강하여 멈춤판(20)의 날개편과 맞물리지 않아 제동이 해제된다. 도 2(b)처럼 솔레노이드(37)에 전원이 해제되면 멈춤핀(31)(32)이 스프링(38)의 탄성력으로 상승하여 멈춤판(20)의 날개편과 맞물리므로 제동 상태로 된다. 도 2(b)의 상태에서 2개의 멈춤핀(31)(32)이 동시에 작동하지만 어느 하나만 멈춤판(20)의 날개편에 맞물려 입력축(15)을 제동한다.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 제1멈춤핀(31)과 일측 날개편의 중심이 일치되어 맞물린 상태에서 상기 제2멈춤핀(32)은 인접한 타측 날개편의 중간에 위치하는 것을 특징으로 한다.

도 3을 참조하면, 제1멈춤핀(31)이 제1날개편(21)과 맞물린 상태에서 제2멈춤핀(32)은 타측에서 상호 인접한 제2날개편(22)의 중간에 위치한다. 부호 A1 및 A2는 멈춤판(20)의 회전 과정에서 제1멈춤핀(31)과 제2멈춤핀(32)에 의한 유격을 나타낸다. 만일 제1멈춤핀(31)만 사용하는 경우 멈춤판(20)의 제1날개편(21)이 반시계 방향으로 회전한다면 부호 A1으로 나타내는 유격을 갖는다. 반면에 본 발명처럼 2개의 멈춤핀(31)(32)을 사용하는 경우 제1날개편(21)이 제1멈춤핀(31)에서 이탈하여 A1의 유격을 모두 경유하기 전에 제2멈춤핀(32)이 제2날개편(22) 중의 하나에 맞물리므로 A2의 유격으로 단축된다.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 구동부재(30)는 복수의 멈춤핀(31)(32) 중의 어느 하나를 사용하는 경우에 비하여 솔레노이드(37)의 오프 순간에서 실제 제동까지의 정지시간을 50% 이하로 축소하는 것을 특징으로 한다.

도 4는 멈춤판(20)의 날개편이 4개인 조건에서 종래와 본 발명의 작동을 비교하여 나타낸다. 도 4(a)(b)는 멈춤핀(31)이 1개인 경우이고, 도 4(c)(d)는 멈춤핀(31)(32)이 2개인 경우이다.

도 4(a)에서 입력축(15)의 반시계방향 회전 시 제동이 발생하면 멈춤판(20)의 날개편 ①의 위치는 브레이크의 제1멈춤핀(31)에 의해 멈추지 않고 날개편 ②와 접촉하여 멈추게 되어 약 90˚의 회전이 발생한다. 도 4(b)에서 솔레노이드(37)의 오프 상태로 보이듯이 ①~②, ②~③, ③-④, ④~①의 범위에서 관절 출력축의 움직임이 발생하여 유격이 90˚ 수준이다.

도 4(c)에서, 입력축(15)이 반시계방향 회전 시 제동이 발생하면 멈춤판(20)의 날개편 ①의 위치는 제1멈춤핀(31)에 의해 멈추지 않고 날개편 ②와 제1멈춤핀(31)의 접촉이 발생하기 전에 날개편 ④와 제2멈춤핀(32)이 접촉하여 멈추게 되어 멈춤핀을 1개만 사용하는 경우에 대비하여 50% 이하의 정지시간 단축효과를 얻을 수 있다. 도 4(d)에서 솔레노이드(37)가 오프되면 멈춤핀(31)(32)이 2개소 위치하여 유격량이 1개의 멈춤핀(31) 설치 시외 대비하여 50% 이하로 줄어든다.

이때, 제동시 정지시간의 단축을 위해 단순히 멈춤판(20)의 날개편의 개수를 늘리는 경우에는 솔레노이드(37)에 의한 멈춤핀의 멈춤 위치 복귀 시간 문제에 의해 멈춤핀 2개를 배치한 것과 같은 효과를 얻기 어렵다.

본 발명의 변형예로서, 멈춤판(20)의 날개편이 6개인 경우에도 멈춤핀(31)(32)은 동일한 원리로 적용된다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 6개의 날개편을 갖춘 멈춤판(20)이 입력축(15)의 단부에 연결된 상태를 나타낸다. 도 1과 비교하여 멈춤판(20)의 날개편 수량만 증가되고 입력축(15)에 대한 결합 방식과 구동부재(30)의 세부 구성 및 작동 원리는 동일성을 유지한다.

협동로봇 아암의 제동 유격은 멈춤판(20)의 날개편의 단부 폭(각도), 멈춤핀(31)(32)의 직경에 따라 달라지나 멈춤판(20)의 날개편이 6개인 경우에 A1이 60˚보다 작은 대략 48˚라면 A2는 최대 18˚ 정도로 축소가 가능하다.

한편, 입력축(15)의 중심을 기준으로 날개편의 외단까지 길이는 멈춤핀(31)(32)의 내단까지 길이보다 다소 크게 설정한다. 이 경우 멈춤판(20)의 날개편은 멈춤핀(31)(32)과 중심이 일치되지 않고 멈춤핀(31)(32)의 일측에 접촉되어 회전이 구속된다. 협동로봇의 특정축의 아암을 제동함에 있어서 구동모터의 감속이 선행되고 이어서 멈춤판(20) 및 멈춤핀(31)(32) 간의 접촉에 의한 맞물림 상태로 제동이 마무리된다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 구동부재(30)는 멈춤핀(31)(32)에서 멈춤판(20)과 접촉되는 영역에 다수의 구체(35)를 구비하는 것을 특징으로 한다.

도 1에서, 구동부재(30)가 멈춤핀(31)(32)에 다수의 구체(35)를 구비한 상태를 나타낸다. 멈춤핀(31)(32)은 상측 영역에 2분할 구조의 헤드부(33)를 구비하고 헤드부(33)에 원주상으로 형성된 요홈부(34)를 이용하여 구체(35)를 롤링 가능하게 지지한다. 솔레노이드(37)의 오프에 의해 입력축(15)과 멈춤판(20)이 제동된 상태에서 날개편은 멈춤핀(31)(32)의 헤드부(33)의 구체(35)에 접촉하지만 맞물림 상태가 유지된다. 이후 솔레노이드(37)가 온되어 제동을 해제하려는 순간 헤드부(33)가 마찰력을 극복하고 축방향으로 이동하는데, 날개편에 접촉된 헤드부(33)의 구체(35)가 롤링되면서 솔레노이드(37)의 신속한 복귀를 조력한다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음이 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

10: 관절체 11: 프레임
13: 지지홈 15: 입력축
20: 멈춤판 21: 제1날개편
22: 제2날개편 25: 파형와셔
27: 스냅링 30: 구동부재
31, 32: 멈춤핀 33: 헤드부
34: 요홈부 35: 구체
37: 솔레노이드 38: 스프링
A1, A2: 유격

Claims (5)

1. 협동로봇의 관절에 설치되는 브레이크 장치에 있어서:
   프레임(11) 상에 입력축(15)을 지지하는 몸체(10);
   상기 입력축(15)의 단부에 결합되고, 다수의 날개편을 갖춘 멈춤판(20);
   상기 프레임(11)의 이격된 위치에 배치되는 제1멈춤핀(31)과 제2멈춤핀(32)을 각각의 솔레노이드(37)에 연결하여 멈춤판(20)에 대한 맞물림을 교번적으로 단속하는 구동부재(30);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 협동로봇 관절의 브레이크 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 멈춤판(20)은 적어도 일면에서 파형와셔(25)를 개재하여 설정된 토크에서 슬라이딩 가능하도록 결합되는 것을 특징으로 하는 협동로봇 관절의 브레이크 장치.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1멈춤핀(31)과 일측 날개편의 중심이 일치되어 맞물린 상태에서 상기 제2멈춤핀(32)은 인접한 타측 날개편의 중간에 위치하는 것을 특징으로 하는 협동로봇 관절의 브레이크 장치.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 구동부재(30)는 복수의 멈춤핀(31)(32) 중의 어느 하나를 사용하는 경우에 비하여 솔레노이드(37)의 오프 순간에서 실제 제동까지의 정지시간을 50% 이하로 축소하는 것을 특징으로 하는 협동로봇 관절의 브레이크 장치.
5. 상기 구동부재(30)는 멈춤핀(31)(32)에서 멈춤판(20)과 접촉되는 영역에 다수의 구체(35)를 구비하는 것을 특징으로 하는 협동로봇 관절의 브레이크 장치.

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