KR100355634B1 - 로봇용 관절장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 인간의 관절과 같이 자연스럽게 움직임을 줄 수 있을 뿐만 아니라, 구름(ROLLING)없는 회전운동을 시킬 수 있는 로봇용 관절장치에 관한 것으로, 상반구체(20)와, 상기 상반구체(20)를 회전시켜 각도를 변경시키도록 일체로 형성된 내측 유니버셜 조인트(21)와, 상기 내측 유니버셜 조인트(21)를 회전시키도록 형성된 제 1 구동부(9)와, 상기 상반구체(20)와 연동되어 각도 변경이 가능하도록 형성된 하반구체(18)와, 상기 하반구체(18)를 회전시키도록 형성된 제 2 구동부(7)와, 상기 상반구체(20) 및 하반구체(18)의 외주면에 회전시 각도의 변경이 원활하게 지지해 주도록 형성된 외측 유니버셜 조인트(22)로 구성된 특징이 있다.

Description

로봇용 관절장치{ROBOT JOINT APPARATUS}
본 발명은 로봇용 관절장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인간의 관절과 같이 자연스럽게 움직임을 줄 수 있을 뿐만 아니라, 구름(ROLLING)없는 회전운동을시킬 수 있는 로봇용 관절장치에 관한 것이다.
일반적으로 로봇의 관절 등은 다수의 관절이 직렬로 연결된 형태의 로봇에 사용된 예가 대부분이며 실용적인 면에서 많은 문제점을 갖고 있다.
도 1 에 도시된 바와 같이, 하부측에 지지대 역활을 하는 고정부와, 상기 고정부의 상부측에 설치되어 아암 역활은 하는 아암축을 고정시키는 지지부로 구성된다.
상기 지지부(2)는 아암축(1)의 운동이 자유롭도록 고정하고 있으며, 아암축(1)을 360도 회전하도록 회전부(4)가 형성되고, 상기 지지부(2)는 아암축(1)을 상하부측으로 운동시키도록 구성되어 있다.
종래의 관절장치는 고정부(3)에 설치된 아암축(1)을 위치이동시키도록 회전부(4) 및 지지부(2)를 형성하고 있으나, 상기 회전부(4)는 단순하게 아암축(1)의 위치를 회전시키도록만 되어 있으며, 아암축(1)이 상하부측으로 운동할 수 있도록 고정시키고 있는 지지부(2)는 그 역할이 매우 단순하다. 이는 아암축(1)을 움직일시에 이동시 회전부(4)를 이용해 아암축(1)을 회전시키고, 높낮이를 지지부(2)를 이용해 상하로 움직여 아암축(1)이 위치할 자리로 위치이동시킨다.
이때에는 일반적으로 자연스럽게 인간의 관절과 같이 관절자체가 비틀려서 움직인다던지 아니면 직각적인 운동이 아니라 위치하고 있는 아암축(1)을 바로 대각선방향으로는 이동이 어려운 문제점을 가지고 있는 실정이다.
이러한 종래의 장치를 로봇의 관절에 적용시킬 경우에는 움직임이 매우 부자연스러울 뿐만 아니라, 로봇의 움직임에 제약이 많이 따르게 되는 문제점이 나타나고 있다.
이는 종래의 관절부분의 구조는 대체로 포크레인의 형성구조와 비슷한 구조로 되어있어 움직임이 매우 부자연스러운 문제점을 안고 있는 실정으로 대두되고 있어 많은 연구기관에서 휴먼 로봇에 관한 관절을 연구가 활발하게 진행되고 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 감안하여 창출된 것으로, 그 목적은 인간의 관절과 같이 자연스럽게 움직임을 줄 수 있을 뿐만 아니라, 구름(ROLLING)없는 회전운동을 시킬 수 있는 로봇용 관절장치를 제공함에 있다.
도 1 은 종래의 관절장치를 나타내는 도면이다.
도 2 는 본 발명의 로봇용 관절장치의 제 2 구동부의 작동시 동력의 전달 상태를 나타내는 도면이다.
도 3 은 본 발명의 로봇용 관절장치의 제 1 구동부의 작동시 동력의 전달 상태를 나타내는 도면이다.
도 4 는 본 발명의 로봇용 관절장치의 적용예를 나타는 도면이다.
도 5 는 도 4 의 로봇용 관절장치의 적용예를 사시도로 나타낸 도면이다.
-도면의 주요부분에 대한 부호의 설명-
7: 제 2 구동부 9: 제 1 구동부
18: 하반구체 20: 상반구체
21: 내측 유니버셜 조인트 22: 외측 유니버셜 조인트
따라서 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 로봇용 관절장치를, 상반구체와, 상기 상반구체를 회전시켜 각도를 변경시키도록 일체로 형성된 내측 유니버셜 조인트와, 상기 내측 유니버셜 조인트를 회전시키도록 형성된 제 1 구동부와, 상기 상반구체와 연동되어 각도 변경이 가능하도록 형성된 하반구체와, 상기 하반구체를 회전시키도록 형성된 제 2 구동부와, 상기 상반구체 및 하반구체의 외주면에 회전시 각도의 변경이 원활하게 지지해 주도록 형성된 외측 유니버셜 조인트로 구성된 특징이 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 로봇용 관절장치를 첨부된 도면을 참조하여 아래와 같이 상세하게 설명한다.
도 2 는 본 발명의 로봇용 관절장치의 제 2 구동부의 작동시 동력의 전달 상태를 나타내는 도면이고, 도 3 은 본 발명의 로봇용 관절장치의 제 1 구동부의 작동시 동력의 전달 상태를 나타내는 도면이고, 도 4 는 본 발명의 로봇용 관절장치의 적용예를 나타는 도면이고, 도 5 는 도 4 의 로봇용 관절장치의 적용예를 사시도로 나타낸 도면이다.
본 발명은 각도의 변경이 원활하도록 구체의 형상을 상반구체(20) 및 하반구체(18)로 일정한 각도의 기울기를 갖도록 분할된다.
상기 상반구체(20) 및 하반구체(18)는 도 2 에 도시된 바와 같이 일정한 각도를 갖도록 절단된 형상을 갖고 있기 때문에, 상반구체(20) 및 하반구체(18)의 일정한 간격을 두고 마주보는 면부분이 서로 연동되어 각기 비틀려 회전되면서 꺾임을 줄 수 있어 관절의 각도를 원활하게 변경시킬 수 있다.
상기 상반구체(20)는 도 4 에 도시된 바와 같이 관절부분의 앞쪽 부분인 상부 관절체(30)에 결합되도록 장착되며, 상기의 상반구체(20)를 이용해 각도를 변경하기 위해 상반구체(20)를 회전시킬 수 있는 제 1 구동부(9)와 결합된다.
제 1 구동부(9)의 회전 구동력을 상반구체(20)로 전달시켜 회전시키기 위해서는 상반구체(20)의 중심부에 일체로 내측 유니버셜 조인트(21)가 결합되어 있어 동일하게 회전된다.
또한, 상기 내측 유니버셜 조인트(21)와 동일한 기능을 하도록 형성된 외측 유니버셜 조인트(22)는 상반구체(20) 및 하반구체(18)를 감싸도록 형성된다.
상기 외측 유니버셜 조인트(22)의 원형 고정틀(26)은, 하반구체(18)의 작동시 원활하게 각도변경이 가능하도록 고정시키기 위해 상반구체(20) 및 하반구체(18)의 외주면에 위치되도록 형성된다.
상기의 원형 고정틀(26)은 상반구체(20) 및 하반구체(18)를 움직임이 자유롭게 서로 열십자형상으로 고정시키며, 상기 원형 고정틀(26)을 고정시키기 위한 두개의 고정부(5)는 상부측 관절체(30)에 고정되고, 두개의 고정부(5)는 하부측 관절체(40)에 고정되므로 원형 고정틀(26)의 내측에 위치된 상반구체(20) 및 하반구체(18)를 안정되게 고정시킬 수 있다.
따라서, 원형 고정틀(26)의 내측에 위치하고 있는 상반구체(20) 및 하반구체(18)는 제 1 구동부(9) 및 제 2 구동부(7)에 의해 회전되면 고정부(5) 및 원형 고정틀(26)로 이루어진 외측 유니버셜 조인트(22)에 의해 관절부분을 원활하게 구부림이 가능하게 구성된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 로봇용 관절장치를 보다 상세하게 설명하면 아래와 같다.
본 발명의 상반구체(20)를 회전시켜 각도를 변경시키려면, 도 2 에 도시된 바와 같이, 제 1 구동부(9)에서 동력을 발생시키면 상기의 동력은 제 1 클러치(6)에 의해 회전속도가 조절되며, 상기 제 1 클러치(6)를 거친 동력은 제 1 상부기어(8)를 회전시키며, 상기 제 1 상부기어(8)에 맞물려 있는 제 2 상부기어(10)를 회전됨을 화살표방향을 따라 가보면 알 수 있다.
상기와 같이 회전되는 제 2 상부기어(10)는 상반구체(20)와 일체로 결합된 내측 유니버셜 조인트(21)와 연결되어 있기 때문에 제 1 구동체(9)의 회전력이 상반구체(20)에 내측 유니버셜 조인트(21)를 통해 전달되어 회전되므로 각도를 변경시킨다.
상기와 같이 상반구체(20)의 회전시 내측에 형성된 내측 유니버셜 조인트(21)는 중간부분이 원활하게 꺾여지도록 형성되어 있어 제 1 구동부(9)의 동력을 상반구체(20)로 꺾여진 상태에서도 원활하게 전달시킬 수 있다.
또한, 하반구체(18)는 도 3 에 도시된 바와 같이 화살표 방향을 따라가 보면 제 2 구동부(7)의 동력이 발생되면, 제 2 클러치(14)를 통해 동력이 전달되고, 상기 제 2 클러치(14)를 통해 전달된 동력은 제 1 하부기어(16)를 회전시켜 제 1 하부기어(16)와 맞물려 있는 제 2 하부기어(12)를 회전시켜 하반구체(18)를 회전시키게 된다.
상기 제 1 클러치(6)와 제 2 클러치(14)에 의해 기계적인 유연함을 제어하는 것으로 실제 적용시에 클러치의 단속을 PWM(PULSE WIDTH MODULATION)제어 기법을 사용하여 강성을 조절할 수 있는 특징이 있다.
상기와 같이 하반구체(18)가 회전되면 상반구체(20)와 연동되어 움직이도록 결합되어 있기 때문에 기울기를 갖도록 형성된 하반구체(18) 자체가 회전되어 하반구체(18)의 각도를 갖는 면의 위치가 변경되므로 관절을 원활하게 구부릴 수 있게 된다. 즉, 하반구체(18)는 제 2 구동부(7)에 의해 회전시에 고정부(5)를 갖는 외측 유니버셜 조인트(22)에 의해 상반구체(20)의 각도 변경을 원활하게 할 수 있다.
상기와 같이 형성된 본 발명을 도 4 및 도 5 에 도시된 바와 같이, 관절부위에 장착하면, 상부측 관절체(30) 및 하부측 관절체(40)는 상반구체(20) 및 하반구체(18)가 내측 유니버셜 조인트(21) 및 외측 유니버셜 조인트(22)로 조합된 회전에 의해 관절운동을 원활하게 한다.
따라서, 상기와 같이 구성된 본 발명의 상반구체(20) 및 하반구체(18)는 서로 연동되므로 움직임이 원활하다. 즉, 상반구체(20) 및 하반구체(18)의 외주면에 원형 고정틀(26)의 움직임이 원활하도록 원형 고정틀(26)의 고정부(5)에 의해 상부측 관절체(30) 및 하부측 관절체(40)에 각각이 고정된다.
상기 상반구체(20)는 내측 중앙에 형성된 내측 유니버셜 조인트(21)에 의해 회전되며, 또한 하반구체(18)는 하부 관절체(40)의 제 2 구동부(7)에 의해 하반구체(18)가 회전되도록 고정된다.
상기 원형고정틀(26)은 상부 관절체(30) 및 하부 관절체(40)에, 고정부(5)를 상부 관절체(30)에 두개 평행하게 고정되고, 하부 관절체(40)에 고정부(5) 두개를 평행하게 고정시켜 열십자형상을 갖도록 고정하여 원형 고정틀(26)을 내측의 상반구체(20) 및 하반구체(18)가 원활하게 회전된다.
상기와 같이 고정부(5)에 의해 열십자형상으로 원형고정틀(26)이 형성되기 때문에, 상반구체(20) 및 하반구체(18)는 내측 유니버셜 조인트(21) 및 외측 유니버셜 조인트(22)가 내측과 외측에 형성되므로 상반구체(20) 및 하반구체(18)는 서로 비틀려져 각자 회전된다.
상기와 같은 상반구체(20) 및 하반구체(18)의 회전 운동에 의해 제 1 구동부(9)와 제 2 구동부(7)에서 발생되는 회전량에 따라 상반구체(20) 및 하반구체(18)가 서로 비틀려져 관절 각도를 변경시키게 된다.
상기 상반구체(20)와 하반구체(18)가 서로 비틀려 회전되면 하부 관절체(40)상에 장착된 상부 관절체(30)는 관절을 꺾고 싶은 방향으로 움직일 수 있도록 구성시키고 있기 때문에 로봇의 손가락관절, 다리관절 등과 같은 모든 관절부분에 적용시킬 수 있을 뿐만 아니라, 일반중기계 등에 적용시킬 수 있슴은 물론이다.
따라서, 본 발명의 로봇용 관절장치에 의해 인간의 관절 등과 같이 자연스럽게 움직임을 줄 수 있을 뿐만 아니라, 구름(ROLLING)없는 회전운동을 시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 종래와 같이 관절운동을 시켰을때 운동자체가 부자연스럽게 동작하나하나가 끈어지지 않고 자연스럽게 움직일 수 있는 효과가 있을 뿐만 아니라, 비교적 구조가 간단하고, 토크가 큰 장점이 있다.

Claims (4)

  1. 로봇용 관절장치에 있어서,
    상반구체(20)와,
    상기 상반구체(20)를 회전시켜 각도를 변경시키도록 일체로 형성된 내측 유니버셜 조인트(21)와,
    상기 내측 유니버셜 조인트(21)를 회전시키도록 형성된 제 1 구동부(9)와,
    상기 상반구체(20)와 연동되어 각도 변경이 가능하도록 형성된 하반구체(18)와,
    상기 하반구체(18) 를 회전시키도록 형성된 제 2 구동부(7)와,
    상기 상반구체(20) 및 하반구체(18)의 외주면에 회전시 각도의 변경이 원활하게 지지해 주도록 형성된 외측 유니버셜 조인트(22)로 이루어진 것을 특징으로 하는 로봇용 관절장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 상반구체(20) 및 하반구체(18)은 일정 각도이상 기울기를 갖고 절단된 것을 특징으로 하는 로봇용 관절장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 외측 유니버셜 조인트(22)는, 상반구체(20) 및 하반구체(18)의 외주면을 감싸도록 형성되고, 열십자형의 위치가 되도록 4개의 고정부가 형성됨을 특징으로 하는 로봇용 관절장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 구동부(9)에는 제 1 클러치(6)가 형성되고, 제 2 구동부(7)에서 제 2 클러치(14)가 추가로 형성됨을 특징으로 하는 로봇용 관절장치.
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