KR100484885B1 - A rotary compliant joint with a damper using magneto―rheological fluid and a spring - Google Patents

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KR100484885B1 KR10-2002-0060318A KR20020060318A KR100484885B1 KR 100484885 B1 KR100484885 B1 KR 100484885B1 KR 20020060318 A KR20020060318 A KR 20020060318A KR 100484885 B1 KR100484885 B1 KR 100484885B1
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Abstract

본 발명은 회전식 컴플라이언트 조인트(Compliant Joint)에 있어서, 스프링의 탄성력과 자기유변 유체 회전력을 이용하여 주변환경과의 상호 작용(Interaction) 성능과 조인트의 내구성을 확보하기 위한 컴플라이언트 조인트를 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention provides a compliant joint in the rotary compliant joint, to secure the interaction performance and the durability of the joint by using the spring force and the magnetorheological fluid rotation force The purpose is.

본 발명에 따르면, 두 개의 제1, 제2 링크(201, 202)가 상대 회전하도록 상호 연결하는 컴플라이언트 조인트에 있어서, 구동부(300)와 연결되어 회전하며 제1 링크(201)에 대해 회전 가능하게 고정되는 하우징(111)과, 일단부가 하우징(111)에 회전 가능하게 삽입되어 위치하며 타단부는 제2 링크(202)에 연결되는 로터(161)와, 로터(161)와 하우징(111)의 내면 사이에 채워져 자속밀도에 따라 항복응력이 변화하는 자기유변 유체(115)와, 제2 링크(202)와 마주하는 하우징(111)의 일면에 형성된 원형의 홈(112)에 삽입되는 다수 개의 스프링(169) 및, 로터의 타단에 고정되어 홈(112)을 폐쇄하며 제2 링크(202)와 연동하면서 다수 개의 스프링(169)을 신축하는 덮개(163)를 포함하는 회전식 컴플라이언트 조인트가 제공된다.According to the present invention, in a compliant joint interconnecting two first and second links 201 and 202 so as to rotate relative to each other, the first joint and the second link 201 and 202 may rotate in connection with the driving unit 300 and rotate about the first link 201. Housing 111 is securely fixed, the one end is rotatably inserted into the housing 111, the other end is connected to the second link 202, the rotor 161, the rotor 161 and the housing 111 Is filled between the magnetorheological fluid 115, which is filled between the inner surfaces of the casing, and the yield stress varies according to the magnetic flux density, and is inserted into the circular groove 112 formed on one surface of the housing 111 facing the second link 202. A rotary compliant joint is provided that includes a spring 169 and a cover 163 secured to the other end of the rotor to close the grooves 112 and interlock with the second link 202 to stretch the plurality of springs 169. do.

Description

자기유변 유체를 이용한 댐퍼와 스프링을 이용한 회전식 컴플라이언트 조인트{A rotary compliant joint with a damper using magneto―rheological fluid and a spring}A rotary compliant joint with a damper using magneto--rheological fluid and a spring}

본 발명은 로봇용 조인트에 관한 것이며, 특히, 작동함에 있어 양호한 컴플라이언스를 부여하여 사람 및 주변환경에 대해 안전하며 동시에 로봇의 내구성을 향상시키기 위한 컴플라이언트 조인트를 제공하는 데 있다.The present invention relates to a joint for a robot, and more particularly, to provide a compliant joint for imparting good compliance in operation to be safe for humans and the environment and at the same time to improve the durability of the robot.

최근에 로봇은 종래의 산업용 로봇과는 달리 다양한 서비스를 제공할 수 있게 개발되고 있으며, 이런 로봇은 인간의 생활 속에 직접 투입되어 인간에게 다양한 서비스를 제공하고 있으며, 이런 로봇의 개발은 지속적으로 발전하여 보다 다양한 서비스를 인간에게 제공할 것이다.Recently, robots have been developed to provide various services unlike conventional industrial robots, and these robots are directly put into human life to provide various services to humans. More variety of services will be provided to humans.

이런 서비스용 로봇은 고속, 고정밀도의 작업성능 뿐만 아니라 안전하며 인간과의 원활한 상호작용(interaction)이 가능하여야 한다. 이런 안전성과 상호작용 기능을 확보하기 위해 로봇에 컴플라이언스(compliance)를 부여하고 있다. 일반적으로 로봇의 컴플라이언스를 실현하는 방법에는 능동적인 방법과 수동적인 방법이 있다.These service robots must be safe and smoothly interact with humans as well as high speed and high accuracy. To ensure this safety and interaction, compliance is being given to robots. In general, there are two ways to achieve robot compliance: active and passive.

능동 컴플라이언트 방법은 대개 로봇 암의 말단이나 각 조인트에 부착된 F/T(force torque)센서로부터 힘 정보를 얻어 적절한 제어신호를 발생한다. 일반적으로 능동 컴플라이언트 방법은 제어기의 샘플링 시각에 맞추어 제어 신호가 발생하므로 근본적으로 응답속도에 제한이 따른다. 이로 인해 충돌과 같은 급작스런 상황에 대해 신속히 대처하지 못하여 인간에게 충격을 줄 수 있고, 또한 로봇에도 충돌에 의한 반작용으로 감속기 등에 충격이 가해져 파손될 수 있다.The active compliant method usually obtains force information from a force torque (F / T) sensor attached to the distal end or each joint of the robot arm to generate appropriate control signals. In general, the active compliant method is fundamentally limited in response speed since the control signal is generated according to the sampling time of the controller. As a result, it may not be able to respond quickly to sudden situations such as a collision, which may cause a shock to a human being, and also a robot may be damaged due to an impact caused by a collision.

반면에, 수동 컴플라이언트 방법은 로봇 암의 말단이나 각 조인트에 수동 메커니즘을 적용하여, 외부 힘에 대해 신속한 응답 특성을 나타낼 수 있다.On the other hand, the passive compliant method can apply a manual mechanism to the distal end or each joint of the robot arm, thereby exhibiting rapid response to external forces.

하지만, 종래에 개발된 수동 컴플라이언트 조인트의 작동방식들의 특성과 단점을 기술하면 다음과 같다.However, the characteristics and disadvantages of the conventionally developed passive compliant joint operating methods are as follows.

"Proceeding of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (1995), page 407-412"에 수록된 논문(제목: Development of one-D.O.F. robot arm equipped with mechanical impedance adjuster)에는 전자기 브레이크를 이용한 의사(pseudo) 댐퍼와 가변 스프링을 갖는 기계 임피던스 조정기에 관한 기술이 공지되어 있다. 하지만, 이와 같은 기계 임피던스 조정기는 그 구성이 상당히 복잡하여 현실적으로 구현하기에 어려움이 있다.The paper in "Proceeding of the IEEE / RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (1995), page 407-412" (Title: Development of one-DOF robot arm equipped with mechanical impedance adjuster) is a pseudo Techniques for mechanical impedance regulators with dampers and variable springs are known. However, such a mechanical impedance regulator has a complicated structure and is difficult to implement in reality.

또한, "Proceeding of the IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (1995), vol.1, page 399-406"에 수록된 논문(제목: Series elastic actuators)에는 여러 개의 스프링으로 구성되는 직렬 탄성 구동기에 관한 기술이 공지되어 있다. 그리고, "Proceeding of the IEEE International Conference on Robotics and Automation (2001), page 348-353"에 수록된 논문(제목: Design of programmable passive compliance shoulder mechanism)에는 가변 스프링을 갖는 프로그램 가능한 수동 컴플라이언트 메커니즘에 관한 기술이 공지되어 있다.In addition, a series of articles published in "Proceeding of the IEEE / RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (1995), vol. 1, page 399-406" (Title: series elastic actuators) contains a series of spring-loaded actuators. Related arts are known. In addition, a paper in "Proceeding of the IEEE International Conference on Robotics and Automation (2001), page 348-353" (Title: Design of programmable passive compliance shoulder mechanism) describes a technique for a programmable passive compliant mechanism with a variable spring. This is known.

하지만, 이들 메커니즘들은 댐퍼를 채용하지 않아 스프링의 진동을 감쇠하지 못한다는 단점이 있다.However, these mechanisms have the disadvantage that they do not employ dampers and thus do not dampen the vibration of the spring.

그리고, "International Journal of Robotics Research (2000), volume 19, number 4, page 307-335"에 수록된 논문(제목: Human safety mechanisms of human-friendly robots: passive viscoelastic trunk and passively movable base)에는 이동체와 암(arm) 사이에 직선 운동형 스프링과 댐퍼를 채용한 조인트에 관한 기술이 공지되어 있지만, 이런 조인트는 직선형 운동에 적용되는 조인트로서, 회전운동형 조인트에는 적용될 수 없다. In addition, the article in the International Journal of Robotics Research (2000), volume 19, number 4, page 307-335 (Title: Human safety mechanisms of human-friendly robots: passive viscoelastic trunk and passively movable base) There is a known technique relating to a joint employing a linear motion spring and a damper between the arms, but such a joint is a joint applied to linear motion and cannot be applied to a rotary motion joint.

이와 같이 기존의 컴플라이언트 조인트 메커니즘들을 종합해보면, 수동 컴플라이언트 조인트(passive compliant joint)를 구성하는데 있어서 댐퍼를 채용하지 않아 스프링의 진동을 감쇠시키지 못하거나, 댐퍼가 있더라도 상당히 복잡한 구조를 가지고 있어 실제 구현하기가 어렵거나, 또는 직선형 운동에 적용되는 조인트로서 회전 컴플라이언트 조인트에는 적용하기에 어려움이 있다.As a result of combining existing compliant joint mechanisms, a damper is not used to construct a passive compliant joint, which does not damp the vibration of the spring, or even a damper has a fairly complicated structure to implement the actual implementation. It is difficult to do it, or difficult to apply to rotationally compliant joints as joints applied to linear motion.

한편, 최근의 자기유변 유체를 이용한 회전 댐퍼의 기술을 살펴보면, 대한민국 특허공개번호 제1999-0031113호(발명의 명칭: 자기유변 유체를 이용한 각도제한 회전감쇠기), 대한민국 특허공개번호 제1999-0039850호(발명의 명칭 : 자기유변 유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치), 대한민국 특허공개번호 제1999-0047271호(발명의 명칭 : 자기유변 유체를 이용한 부하장치 겸용 제동장치) 및 미국특허 제5842547호(발명의 명칭 : 제어 가능한 제동기)에서는 회전 토크가 작거나 로봇용 조인트에는 적절하지 않은 구성을 갖고 있으며, 속도에 대해 비선형적인 쿨롬마찰을 속도에 비례하는 점성마찰로 변환하는 기술이 제시되지 않아 구성에 어려움이 있다.On the other hand, if you look at the technology of the rotary damper using a magnetorheological fluid in recent years, Korean Patent Publication No. 1999-0031113 (Invention name: angle limit rotation damper using magnetorheological fluid), Korean Patent Publication No. 1999-0039850 (Name of invention: damping device using magnetorheological fluid and permanent magnet), Republic of Korea Patent Publication No. 1999-0047271 (Name of invention: Brake device combined with a load device using magnetorheological fluid) and US Patent 58,547 (Invention) The controllable brake) has a low rotational torque or an unsuitable configuration for robot joints, and it is difficult to configure because it does not present a technique for converting nonlinear coulomb friction into viscous friction proportional to speed. There is this.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 수동 컴플라이언트 방식이 적용되어 인간과 로봇사이의 상호작용이 원활하게 이루어질 수 있으며, 외부에서 가해지는 큰 토크를 수용할 수 있는 자기유변 유체를 이용한 댐퍼와 스프링을 이용한 로봇용 회전식 컴플라이언트 조인트를 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention has been proposed to solve the problems of the prior art as described above, the manual compliant method can be applied to facilitate the interaction between the human and the robot, and can accommodate a large torque applied from the outside The purpose of the present invention is to provide a rotary compliant joint for a robot using a damper and a spring using a magnetorheological fluid.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 두 개의 제1, 제2 링크가 상대 회전하도록 상호 연결하는 컴플라이언트 조인트에 있어서, 구동부와 연결되어 회전하며 상기 제1 링크에 대해 회전 가능하게 고정되는 하우징과, 일단부가 상기 하우징에 회전 가능하게 삽입되어 위치하며 타단부는 상기 제2 링크에 연결되는 로터와, 상기 로터와 상기 하우징의 내면 사이에 채워져 자속밀도에 따라 점성저항이 변화하는 자기유변 유체와, 상기 제2 링크와 마주하는 상기 하우징의 일면에 형성된 원형의 홈에 삽입되는 다수 개의 스프링 및, 상기 로터의 타단에 고정되어 상기 홈을 폐쇄하며 상기 제2 링크와 연동하면서 상기 다수 개의 스프링을 신축하는 덮개를 포함하여 구성된 것을 기술적 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a compliant joint interconnecting two first and second links so as to rotate relative to each other, the housing being connected to the driving unit to rotate and rotatably fixed to the first link. And a magnetorheological fluid whose one end is rotatably inserted into the housing and the other end is filled between the rotor connected to the second link, the rotor and the inner surface of the housing, and the viscosity resistance varies according to the magnetic flux density. And a plurality of springs inserted into a circular groove formed on one surface of the housing facing the second link, and fixed to the other end of the rotor to close the groove and extend the plurality of springs while interlocking with the second link. It is characterized by a technical configuration including a cover to be.

양호하게는 상기 로터의 일단에는 원판형의 블레이드가 적어도 한 개이상 고정되고, 상기 하우징의 내부에는 상기 블레이드와 소정의 간격으로 떨어져 상기 블레이드의 양면에 원주를 따라 코일이 위치하며, 상기 블레이드와 상기 코일의 사이에는 상기 자기유변 유체가 채워진다.Preferably, at least one disc-shaped blade is fixed to one end of the rotor, and a coil is located along both circumferences of both sides of the blade in the housing at a predetermined interval apart from the inside of the housing. The magnetorheological fluid is filled between the coils.

보다 양호하게는 상기 로터에는 회전각속도측정센서가 고정되어 상기 로터의 회전각속도를 측정하며, 상기 회전각속도와 비례적인 점성저항을 갖도록 자속밀도를 제어하는 댐퍼제어부를 포함한다.More preferably, the rotor includes a damper control unit fixed to the rotational angular velocity measuring sensor to measure the rotational angular velocity of the rotor and controlling the magnetic flux density to have a viscous resistance proportional to the rotational angular velocity.

또한, 본 발명의 상기 덮개에는 상기 스프링의 개수만큼의 텐셔너가 고정되며, 상기 덮개가 상기 홈을 폐쇄하였을 때에 상기 각 텐셔너는 상기 스프링의 사이에 위치한다.In addition, the tensioner of the number of the spring is fixed to the cover of the present invention, each tensioner is located between the spring when the cover closes the groove.

아래에서, 본 발명에 따른 자기유변 유체를 이용한 댐퍼와 스프링을 이용한 컴플라이언트 조인트의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.In the following, with reference to the accompanying drawings a preferred embodiment of a damper and a compliant joint using a magnetorheological fluid according to the present invention will be described in detail.

도면에서, 도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 컴플라이언트 조인트를 로봇에 적용한 예를 나타낸 부분단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 조인트의 댐퍼부 및 스프링부를 개략적으로 나타낸 단면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 스프링부를 나타낸 분해사시도이고, 도 4a는 도 1에 도시된 출력링크에 외력이 가해지지 않았을 때에 스프링부의 작동관계를 나타낸 단면도이고, 도 4b는 도 1에 도시된 출력링크에 외력이 시계방향으로 가해졌을 때에 스프링부의 작동관계를 나타낸 단면도이고, 도 4c는 도 1에 도시된 출력링크에 외력이 반시계방향으로 가해졌을 때에 스프링부의 작동관계를 나타낸 단면도이고, 도 5는 도 1에 도시된 댐퍼부만을 나타낸 사시도이며, 도 6은 도 5에 도시된 댐퍼부에 가해지는 전류에 따른 토크의 변화를 나타낸 그래프이다.1 is a partial cross-sectional view showing an example of applying the compliant joint to the robot according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a cross-sectional view schematically showing the damper portion and the spring portion of the joint shown in FIG. 3 is an exploded perspective view showing the spring portion shown in Figure 2, Figure 4a is a cross-sectional view showing the operation of the spring portion when no external force is applied to the output link shown in Figure 1, Figure 4b is an output link shown in Figure 1 Is a cross-sectional view showing the operating relationship of the spring portion when an external force is applied in a clockwise direction, FIG. 4C is a cross-sectional view showing the operating relationship of the spring portion when an external force is applied in a counterclockwise direction to the output link shown in FIG. 1 is a perspective view illustrating only the damper unit illustrated in FIG. 1, and FIG. 6 is a graph illustrating a change in torque according to a current applied to the damper unit illustrated in FIG. 5.

도 1은 자기유변 유체를 이용한 댐퍼와 스프링을 이용한 컴플라이언트 조인트(100)를 로봇 암에 설치한 한 실시예를 나타낸 것으로서, 컴플라이언트 조인트(100)의 작동관계를 보다 구체적으로 설명하기 위해 도시한 것이다. 아래에서는 도 1을 참조하여 컴플라이언트 조인트의 기능을 먼저 설명하고, 그 후에 각 구성요소 및 작동관계에 대해 설명하겠다.FIG. 1 illustrates an embodiment in which a compliant joint 100 using a damper and a spring using a magnetorheological fluid is installed in a robot arm, and is illustrated to explain in more detail an operation relationship of the compliant joint 100. will be. Hereinafter, the function of the compliant joint will be described first with reference to FIG. 1, and then, the components and the operating relationship will be described.

컴플라이언트 조인트(100)는 출력링크(202)와 베이스 링크(201)의 사이에 상대회전 가능하게 연결된다. 베이스 링크(201)와 조인트(100)의 사이에는 감속기(310)가 위치하며, 베이스 링크(201)에 설치된 모터(300)의 회전력은 감속기(310)를 통해 조인트(100)의 하우징(111)에 전달된다. 이와 같이 조인트(100)의 하우징(111)이 구동하면 하우징(111)과 출력링크(202)의 사이에 병렬로 연결된 스프링부(160)와 댐퍼부(110)의 토크가 합쳐져 로터(161)를 회전시킨다. 이런 로터(161)의 회전은 로터(161)에 연결된 출력링크(202)를 회전시킨다.The compliant joint 100 is connected in a relative rotation between the output link 202 and the base link 201. The reducer 310 is positioned between the base link 201 and the joint 100, and the rotational force of the motor 300 installed in the base link 201 is transmitted to the housing 111 of the joint 100 through the reducer 310. Is passed on. When the housing 111 of the joint 100 is driven as described above, the torque of the spring 160 and the damper 110 connected in parallel between the housing 111 and the output link 202 is combined to form the rotor 161. Rotate Rotation of the rotor 161 rotates the output link 202 connected to the rotor 161.

반대로, 출력링크(202)에 힘이 가해져 회전하게 되면, 감속기(310)의 출력과 일체인 하우징(111)은 감속기(310)의 감속비만큼 감속되어 회전하기 때문에 상기 출력링크(202)에 가해진 힘은 하우징(111)에 거의 영향을 미치지 않게 된다. 즉 출력링크(202)는 힘이 가해진 방향으로 회전하지만, 하우징(111)은 그 가해진 힘에 의한 회전이 거의 발생하지 않으며, 단지 스프링부(160)의 스프링(169)만이 압축된다. 이와 같이 스프링(169)이 압축된 후에 가해지던 힘이 제거되면, 출력링크(202)는 스프링(169)의 탄성복원력과 댐퍼부(110)에서 생성된 댐핑(damping) 효과에 의해 진동하다가 멈추게 된다.On the contrary, when the force is applied to the output link 202 to rotate, the housing 111 integral with the output of the reducer 310 is decelerated and rotated by the reduction ratio of the reducer 310 so that the force applied to the output link 202 is reduced. Has little effect on the housing 111. That is, the output link 202 rotates in the direction in which the force is applied, but the housing 111 hardly rotates by the applied force, and only the spring 169 of the spring portion 160 is compressed. When the force applied after the spring 169 is compressed in this way is removed, the output link 202 vibrates and stops due to the damping effect generated by the elastic restoring force of the spring 169 and the damper unit 110. .

앞에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 조인트(100)는 정상적인 작동시에는 스프링부(160)와 댐퍼부(160)에 의해 적은 진동을 일으키며 로터(161)와 일체가 되는 출력링크(202)를 회전시키고, 충돌이 발생하여 출력링크(202)에 외력이 가해지면 스프링의 압축효과에 의해 출력링크가 수동적으로 밀리면서 회전하여 충돌한 대상과 감속기 출력에 작은 힘이 전달되도록 하며, 댐핑효과에 의해서는 출력링크(202)가 서서히 멈춰지도록 하는 컴플라이언트 조인트이다.As described above, the joint 100 of the present invention rotates the output link 202 integral with the rotor 161, causing less vibration by the spring 160 and the damper 160 during normal operation. When an external force is applied to the output link 202 due to a collision, the output link is manually pushed and rotated by the compression effect of the spring so that a small force is transmitted to the collided object and the reducer output. It is a compliant joint that causes link 202 to stop slowly.

한편, 도 1에는 도시되었으나 미 설명한 구성요소는 모터(300)의 회전축에 고정된 소풀리(301)와, 감속기(310)의 입력축에 고정된 대풀리(305) 및, 소풀리(301)와 대풀리(305)를 감싸는 타이밍벨트(303)이며, 이런 소풀리(301)의 회전이 타이밍벨트(303)에 의해 대풀리(305)로 전달되고, 그럼으로써 모터(300)의 회전이 감속기(310)의 입력축으로 전달된다.Meanwhile, although not shown in FIG. 1, the components that are not described include the small pulley 301 fixed to the rotation shaft of the motor 300, the large pulley 305 fixed to the input shaft of the reducer 310, and the small pulley 301. The timing belt 303 surrounding the large pulley 305, the rotation of the small pulley 301 is transmitted to the large pulley 305 by the timing belt 303, whereby the rotation of the motor 300 is reduced 310 is transmitted to the input shaft.

아래에서는 도 1에 도시된 본 발명의 한 실시예에 따른 컴플라이언트 조인트를 보다 구체적으로 설명하겠다.Hereinafter, a compliant joint according to an embodiment of the present invention shown in FIG. 1 will be described in more detail.

도 2에 도시된 바와 같이, 컴플라이언트 조인트(100)는 크게 댐퍼부(110)와 스프링부(160)로 구분한다. 댐퍼부(110)는 로터(161)와, 로터(161)의 일단부에 고정된 원판형 블레이드(162)와, 로터(161)와 블레이드(162)를 감싸는 하우징(111)과, 하우징(111)의 내부에 채워지는 자기유변 유체(MRF : Magneto Rheological Fluid)(115)와, 상기 블레이드(162)의 원주를 따라 상하에 각각 위치하며 공급되는 전류에 의해 자속을 발생하는 코일(117)을 포함한다. As shown in FIG. 2, the compliant joint 100 is largely divided into a damper unit 110 and a spring unit 160. The damper unit 110 includes a rotor 161, a disc-shaped blade 162 fixed to one end of the rotor 161, a housing 111 surrounding the rotor 161 and the blade 162, and a housing 111. Magneto Rheological Fluid (MRF) (115) filled in the inside of the) and the coil 117 is positioned up and down along the circumference of the blade 162 to generate the magnetic flux by the supplied current do.

여기에서 자기유변 유체(115)란 실리콘오일 또는 미네랄오일 등의 비전도성 용매 속에 미크론(μ) 크기의 자성을 가지는 입자들을 분산시킨 비콜로이드용액으로서, 자기장이 부하되지 않은 경우에는 자성입자가 분산되어 뉴턴유체성질을 띠지만, 자기장이 부하되면 분산된 자성입자가 분극화를 일으켜 부하된 자기장과 평행방향으로 자성입자가 연결되어 전단 변형율이 없어도 초기에 전단 항복응력을 가지는 빙햄유체성질을 갖는다.Here, the magnetorheological fluid 115 is a non-colloidal solution in which particles having a micron size magnet are dispersed in a non-conductive solvent such as silicon oil or mineral oil. When the magnetic field is not loaded, the magnetic particles are dispersed. Although Newton has a fluid property, when the magnetic field is loaded, the dispersed magnetic particles are polarized, and the magnetic particles are connected in parallel with the loaded magnetic field so that the Bingham fluid property has a shear yield stress at the initial stage without the shear strain.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 스프링부(160)는 하우징(111)의 개방된 상면을 폐쇄하며 그 중심에 로터(161)의 타단이 고정된 원판형 덮개(163)와, 상기 하우징(111)의 상면 원주둘레를 따라 형성된 홈(112)에 삽입되어 위치하는 다수 개의 스프링(169)과, 덮개(163)로 하우징(111)의 상면을 폐쇄하였을 때에 상기 스프링(169)들의 사이에 각각 삽입되어 위치하도록 상기 덮개(163)에 고정된 스프링텐셔너(165)를 포함한다.On the other hand, as shown in Figure 3, the spring 160 closes the open upper surface of the housing 111 and the disc-shaped cover 163 is fixed to the other end of the rotor 161 in the center and the housing ( A plurality of springs 169 inserted and positioned in the grooves 112 formed along the upper circumference of the upper surface of the 111 and between the springs 169 when the upper surface of the housing 111 is closed by the cover 163. And a spring tensioner 165 fixed to the cover 163 to be inserted and positioned.

또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 로터(161)의 중간부 둘레에는 회전각속도측정센서(119)가 설치되어 회전하는 로터(161)의 회전각속도를 측정하며, 회전각속도측정센서(119)에서 측정된 회전각속도치는 전기적신호로 변환되어 댐퍼제어부(120)로 피드백된다. 이와 같이 댐퍼제어부(120)로 피드백된 회전각속도치에 따라 코일(117)에 공급되는 전류치가 비례적으로 결정된다.In addition, as shown in Figure 2, the rotational angular velocity measuring sensor 119 is installed around the middle of the rotor 161 to measure the rotational angular velocity of the rotating rotor 161, in the rotational angular velocity measuring sensor 119 The measured rotational angular velocity value is converted into an electrical signal and fed back to the damper control unit 120. In this way, the current value supplied to the coil 117 is proportionally determined according to the rotational angular velocity value fed back to the damper control unit 120.

그리고, 댐퍼부(110)의 작동을 제어하는 댐퍼제어부(120)의 제어 알고리즘은 차후에 상세히 설명하기로 하고, 아래에서는 출력링크(202)에 외력이 가해졌을 때에 조인트(100)의 작동관계에 대해 먼저 상세히 설명하겠다.And, the control algorithm of the damper control unit 120 for controlling the operation of the damper unit 110 will be described in detail later, the operation relationship of the joint 100 when an external force is applied to the output link 202 below. I will explain in detail first.

앞에서 설명한 바와 같이, 하우징(111)이 회전함에 있어 로터(161)는 스프링부(160)와 댐퍼부(110)의 토크가 합쳐져서 회전한다. 이와 같이 로터(161)의 회전은 일체로 형성된 덮개(163)와 덮개(163)에 고정된 출력링크(202)를 회전시킨다. 이런 상태에서 출력링크(202)에 외력이 가해지면, 그 힘이 가해지는 방향으로 출력링크(202)가 회전하게 된다.As described above, when the housing 111 rotates, the rotor 161 rotates by combining the torques of the spring 160 and the damper 110. As such, the rotation of the rotor 161 rotates the cover 163 integrally formed and the output link 202 fixed to the cover 163. When an external force is applied to the output link 202 in this state, the output link 202 rotates in the direction in which the force is applied.

도 4a는 외력이 출력링크(202)에 가해지지 않았을 때의 스프링 상태이고, 도 4b와 도 4c는 외력의 방향에 따라 출력링크(202)가 회전하면서 수축된 스프링(169)의 상태를 나타낸 도면이다.4A is a spring state when no external force is applied to the output link 202, and FIGS. 4B and 4C show a state of the spring 169 contracted while the output link 202 is rotated in accordance with the direction of the external force. to be.

도 4a에 도시된 바와 같이, 외력이 가해지지 않는 경우에는 다수 개의 스프링(169)이 일정한 탄성으로 스프링텐셔너(165)를 밀기 때문에 출력링크(202)가 하우징(111)의 회전에 따라 회전하지만, 도 4b와 도 4c에 도시된 바와 같이, 출력링크(202)가 외력에 의해 회전하면서 각 스프링(169)은 스프링텐셔너(165)에 밀려 수축하면서 탄성복원력을 발생하게 된다. 이런 상태에서 댐퍼부(110)가 존재하지 않는다면, 각 스프링(169)들에서 발생한 탄성 성질에 의해 출력링크(202)를 여러번의 진동을 일으키며 도 4a의 상태로 복원할 것이며, 이런 여러번의 진동 현상은 로봇의 기능상 적절하지 않게 된다.As shown in FIG. 4A, when no external force is applied, the output link 202 rotates according to the rotation of the housing 111 because the plurality of springs 169 push the spring tensioner 165 to a constant elasticity. 4B and 4C, while the output link 202 is rotated by an external force, each spring 169 is pushed and contracted by the spring tensioner 165 to generate an elastic restoring force. In this state, if the damper unit 110 does not exist, the output link 202 may be restored to the state of FIG. 4A by causing the vibration of the output link 202 several times due to the elasticity of the springs 169. Will not be appropriate for the robot's function.

댐퍼부(110)는 외력이 가해졌을 때와 모터(300)와 감속기(310)의 작용에 의해 하우징(111)에 회전력이 전달될 때, 스프링(169)의 진동을 적절히 줄이는 역할을 수행한다. 이런 댐퍼부(110)의 작동관계를 살펴보면, 로터(161)에 고정된 회전각속도측정센서(119)는 로터(161)의 갑작스런 회전각속도의 변화를 측정하고, 측정된 회전각속도에 따른 전기적신호를 발생하여 댐퍼제어부(120)로 피드백한다. 댐퍼제어부(120)에서는 입력된 회전각속도치에 비례하는 전류를 코일(117)에 공급한다.The damper unit 110 serves to appropriately reduce vibration of the spring 169 when external force is applied and when rotational force is transmitted to the housing 111 by the action of the motor 300 and the reducer 310. Looking at the operation relationship of the damper unit 110, the rotational angular velocity sensor 119 fixed to the rotor 161 measures the sudden change in the rotational angular velocity of the rotor 161, the electrical signal according to the measured rotational angular velocity To generate and feed back to the damper control unit 120. The damper controller 120 supplies a current proportional to the input rotational angular velocity value to the coil 117.

이와 같이, 코일(117)에 공급된 전류는 자속을 발생하고, 자속에 의해 자기유변 유체(115)는 빙햄유체성질을 띠게 된다. 이와 같은 자기유변 유체(115)에 수용된 블레이드(162)는 그 회전속도가 느려지면서 스프링(169)의 탄성에 의해 회전하려는 로터(161)의 회전력에 저항한다.As such, the current supplied to the coil 117 generates a magnetic flux, and the magnetorheological fluid 115 has a Bingham fluid property due to the magnetic flux. The blade 162 accommodated in the magnetorheological fluid 115 resists the rotational force of the rotor 161 to rotate by the elasticity of the spring 169 while its rotational speed is slowed.

한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 공급되는 전류량과 발생하는 토크는 비례한다. 즉, 본 발명에서는 외력이 빠르고 크게 작용하게 되면 그 만큼 코일(117)에 공급되는 전류의 양이 커지며 그에 따라 발생하는 토크 또한 커지게 된다.On the other hand, as shown in Figure 5, the amount of current supplied and the torque generated is proportional. That is, in the present invention, when the external force acts quickly and largely, the amount of current supplied to the coil 117 increases, and the torque generated accordingly increases.

아래에서는 자기유변 유체(115)의 빙햄유체 성질인 비선형 쿨롬 마찰특성을 선형 점성마찰로 변환하는 댐핑제어기술에 관해 설명하겠다.Hereinafter, a damping control technique for converting the nonlinear coulomb friction characteristic of the magnetorheological fluid 115 into linear viscous friction will be described.

댐퍼의 비선형 쿨롬 마찰특성을 근사적으로 표현하면 아래의 수학식1과 같이 나타낼 수 있다.When the nonlinear coulomb friction characteristic of the damper is approximately expressed, it can be expressed as Equation 1 below.

여기에서, I는 코일에 흐르는 전류값이고, sign()은 괄호 안의 변수가 양수이면 +1로, 음수이면 -1로, 0이면 0으로 값을 내는 함수이고, 은 회전각속도이고, τMRD는 자기유변 유체 댐퍼의 토크이며, slope는 전류와 토크의 비례계수이다.Where I is the current flowing through the coil, sign () is a function that produces a value of +1 if the variable in parentheses is positive, -1 if negative, and 0 if zero, Is the rotational angular velocity, τ MRD is the torque of the magnetorheological fluid damper, and slope is the proportional coefficient of current and torque.

댐퍼제어부(120)가 아래의 수학식 2에서 계산된 전류치로 전류를 코일(117)에 공급하면, 자기유변 유체(115)는 수학식 3과 같은 선형점성 댐핑성질을 갖게 된다.When the damper control unit 120 supplies a current to the coil 117 with the current value calculated by Equation 2 below, the magnetorheological fluid 115 has a linear viscous damping property as shown in Equation 3 below.

여기에서, B는 원하는 점성댐핑계수이다. Where B is the desired viscosity damping coefficient.

앞서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 컴플라이언트 조인트는 스프링을 이용하여 가해지는 외력에 대한 수동 컴플라이언트의 기능을 가지며, 이런 스프링의 진동을 감쇠하는 댐퍼부를 구비하고 있어, 조인트를 구비한 기계장치나 로봇 등과 주변사물 또는 사람이 부딪혔을 때에 충격을 감소시킬 수 있다. 이런 충격의 감소에 따라 조인트 및 사물에 가해지는 임펄스를 최소화하여 조인트의 파괴 및 사고를 예방할 수 있다는 장점이 있다.As described in detail above, the compliant joint of the present invention has a function of a passive compliant with respect to external force applied by using a spring, and includes a damper portion that damps the vibration of such a spring, The impact can be reduced when a robot, a surrounding object, or a person collides with each other. As the impact is reduced, the impulse applied to the joint and the object can be minimized to prevent the breakage and accident of the joint.

이상에서 본 발명의 자기유변 유체를 이용한 댐퍼와 스프링을 이용한 컴플라이언트 조인트에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.Although the technical idea of the damper using the magnetorheological fluid of the present invention and the compliant joint using the spring have been described above with the accompanying drawings, the present invention has been described by way of example only and is not intended to limit the present invention. no.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 컴플라이언트 조인트를 로봇에 적용한 예를 나타낸 부분단면도이고,1 is a partial cross-sectional view showing an example of applying the compliant joint to a robot according to an embodiment of the present invention,

도 2는 도 1에 도시된 조인트의 댐퍼부 및 스프링부를 개략적으로 나타낸 단면도이고,2 is a cross-sectional view schematically showing a damper portion and a spring portion of the joint shown in FIG.

도 3은 도 2에 도시된 스프링부를 나타낸 분해사시도이고,3 is an exploded perspective view showing the spring portion shown in FIG.

도 4a는 도 1에 도시된 출력링크에 외력이 가해지지 않았을 때에 스프링부의 작동관계를 나타낸 단면도이고,Figure 4a is a cross-sectional view showing the operating relationship of the spring when no external force is applied to the output link shown in Figure 1,

도 4b는 도 1에 도시된 출력링크에 외력이 시계방향으로 가해졌을 때에 스프링부의 작동관계를 나타낸 단면도이고,Figure 4b is a cross-sectional view showing the operation of the spring when the external force is applied to the output link shown in Figure 1 in the clockwise direction,

도 4c는 도 1에 도시된 출력링크에 외력이 반시계방향으로 가해졌을 때에 스프링부의 작동관계를 나타낸 단면도이고,4C is a cross-sectional view illustrating an operation relationship of the spring unit when an external force is applied counterclockwise to the output link shown in FIG. 1,

도 5는 도 1에 도시된 댐퍼부만을 나타낸 사시도이며,5 is a perspective view illustrating only the damper unit illustrated in FIG. 1;

도 6은 도 5에 도시된 댐퍼부에 가해지는 전류에 따른 토크의 변화를 나타낸 그래프이다.FIG. 6 is a graph illustrating a change in torque according to a current applied to the damper unit illustrated in FIG. 5.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *     Explanation of symbols on the main parts of the drawings

100 : 조인트 110 : 댐퍼부  100: joint 110: damper part

111 : 하우징 115 : 자기유변 유체(Magneto Rheological Fluid)  111 housing 115 magneto Rheological fluid

117 : 코일 119 : 회전각속도측정센서  117: coil 119: rotational angular velocity measuring sensor

120 : 댐퍼제어부 160 : 스프링부  120: damper control unit 160: spring unit

161 : 로터 162 : 블레이드  161: rotor 162: blade

165 : 스프링텐셔너 169 : 스프링  165: spring tensioner 169: spring

201, 202 : 링크 300 : 모터  201, 202: Link 300: Motor

Claims (4)

두 개의 제1, 제2 링크가 상대 회전하도록 상호 연결하는 컴플라이언트 조인트에 있어서,A compliant joint interconnecting two first and second links so that they rotate relative to each other, 구동부와 연결되어 회전하며 상기 제1 링크에 대해 회전 가능하게 고정되는 하우징과,A housing connected to the drive unit to rotate and rotatably fixed to the first link; 일단부가 상기 하우징에 회전 가능하게 삽입되어 위치하며 타단부는 상기 제2 링크에 연결되는 로터와, A rotor having one end rotatably inserted into the housing and the other end connected to the second link; 상기 로터와 상기 하우징의 내면 사이에 채워져 자속밀도에 따라 항복응력이 변화하는 자기유변 유체와,A magnetorheological fluid filled between the rotor and the inner surface of the housing and having a yield stress changed according to magnetic flux density, 상기 제2 링크와 마주하는 상기 하우징의 일면에 형성된 원형의 홈에 삽입되는 다수 개의 스프링과,A plurality of springs inserted into a circular groove formed on one surface of the housing facing the second link; 상기 로터의 타단에 고정되어 상기 홈을 폐쇄하며 상기 제2 링크와 연동하면서 상기 다수 개의 스프링을 신축하는 덮개를 포함하며,A cover fixed to the other end of the rotor to close the groove and extend and contract the plurality of springs while interlocking with the second link, 상기 로터의 일단에는 원판형의 블레이드가 적어도 한 개이상 고정되고, 상기 하우징의 내부에는 상기 블레이드와 소정의 간격으로 떨어져 상기 블레이드의 양면에 원주를 따라 코일이 위치하며, 상기 블레이드와 상기 코일의 사이에는 상기 자기유변 유체가 채워진 것을 특징으로 하는 컴플라이언트 조인트.At least one disc-shaped blade is fixed to one end of the rotor, and a coil is positioned along both circumferences of both sides of the blade at a predetermined distance from the inside of the housing, and between the blade and the coil. The compliant joint, characterized in that the magnetorheological fluid is filled. 삭제delete 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 로터에는 회전각속도측정센서가 고정되어 상기 로터의 회전각속도를 측정하며, 상기 회전각속도와 비례적인 점성저항을 갖도록 자속밀도를 제어하는 댐퍼제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 컴플라이언트 조인트.The rotor is fixed to the rotational angular velocity measuring sensor to measure the rotational angular velocity of the rotor, a compliant joint, characterized in that it comprises a damper control unit for controlling the magnetic flux density to have a viscous resistance proportional to the rotational angular velocity. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 덮개에는 상기 스프링의 개수만큼의 텐셔너가 고정되며, 상기 덮개가 상기 홈을 폐쇄하였을 때에 상기 각 텐셔너는 상기 스프링의 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 컴플라이언트 조인트.The tensioner is fixed to the cover as much as the number of springs, and each of the tensioners is located between the springs when the cover closes the groove.
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