KR100523427B1 - 백래시 클러치 및 이를 구비한 로봇용 관절기구 - Google Patents

Abstract

(과제) 자유 관절을 실현함과 동시에, 클러치를 연결한 상태에서는 고토크를 전달하는 클러치를 제조하는 것에 있다.

(해결수단) 동일축선상에 각각 회전운동 가능하게 배치되어, 서로의 반경방향 연재면 (3a, 4a) 끼리가 맞닿음으로써 서로 회전운동방향으로 걸어맞춰지는 제 1 회전운동부재 (3) 및 제 2 회전운동부재 (4) 를 구비하고, 상기 제 1 회전운동부재 (3) 와 상기 제 2 회전운동부재 (4) 의 상기 반경방향 연재면 (3a, 4a) 끼리의 사이에 회전운동방향으로 간극 (d) 이 형성되어 이루어진다.

Description

백래시 클러치 및 이를 구비한 로봇용 관절기구 {BACKLASH CLUTCH, AND ARTICULAR APPARATUS FOR ROBOT WITH THE SAME}

본 발명은 고토크 전달과 자유 관절의 양자를 실현하는 백래시 클러치 및 이를 구비한 로봇용 관절기구에 관한 것이다.

일반적으로 클러치 기구는 구동의 전달과 절단을 마찰을 이용한 기구에 의해 실현한다. 이 기구는 서로 마찰결합하여 구동력을 전달하는 회전운동부재와, 클러치의 온ㆍ오프를 제어하는 부재를 구비하고 있고, 마찰을 이용하여 구동력을 전달하기 때문에, 큰 구동력에서는 슬라이딩이 발생하여 이를 전달하는 것이 어렵다.

이 현상은 클러치 기구를 휴머노이드 로봇의 무릎관절에 적용한 경우에 큰 문제를 낳는다. 일반적으로 휴머노이드 로봇은 신체의 각 관절이 목표의 궤도를 생성하도록 액추에이터가 제어되어 구동되고 있다. 특히 무릎관절에는 고출력을 만들어내는 액추에이터가 사용된다.

휴머노이드 로봇이 도 9 로 나타낸 바와 같은 자세로 정지할 경우, 고관절로부터 상부의 무게를 60[㎏], 고관절과 무릎관절의 오프셋을 10[㎝]로 하면, 중력가속도 9.81[m/s²] 하에서 무릎관절을 구동하는 액추에이터는 58.86[Nm] 과 같은 고토크를 출력할 필요가 있다. 이 때문에 무릎의 관절기구도 이 토크를 전달하는데에 필요한 능력을 갖추어야 한다.

일반적으로는 고출력 모터와 기어비가 큰 감속기를 사용하여 무릎의 관절기구가 구성되어 있다. 한편 인간의 보행동작을 보면, 다리가 유각 (遊脚) 으로 되었을 때에 무릎관절은 자유 관절로서 작용한다. 이것은 힘을 낭비하지 않아도 되고, 다리를 앞으로 뻗을 때에 관성력에 따라 무릎이 자유롭게 움직이며, 착지시에 발이 지면에 대해 적절한 각도로 자연스럽게 향함으로써 충격력이 완화되는 것과 같은 효과를 생각할 수 있다. 그러나 종래의 무릎 기구에서는 반력에 따른 자유로운 관절을 실현시키는 것은 어렵고, 유각시에도 무릎이 제어된 소정 각도를 유지하도록 제어되면서 보행동작이 이루어진다.

자유 상태를 실현하는 방법으로 관절 구동용 감속기의 출력축에 클러치 기구를 설치하는 것을 생각할 수 있다. 그러나 일반적으로 사용되고 있는 클러치 기구는 전술한 바와 같이 마찰식이기 때문에, 고토크의 경우에는 슬라이딩이 발생해 고토크를 전달하기 어렵기 때문에, 클러치 기구를 설치할 수 있는 것은 구동용 감속기의 입력축측뿐이다. 휴머노이드 로봇의 무릎관절에서는 고토크의 전달과 자유 상태의 양자를 실현하는 기구로서 구동용 감속기의 출력축측에 설치할 수 있는 클러치 기구가 필요하게 된다.

따라서 본 발명은 고토크의 전달과 자유 상태 유지의 양립을 가능하게 하는 클러치 기구를 제조하는 것을 목적으로 하고, 또한 이것을 구비한 로봇의 관절기구를 제조하는 것을 목적으로 한다. 특히 휴머노이드 로봇의 무릎관절기구로서 사용된 경우에,

(1) 큰 구동력을 전달한다.

(2) 자유 관절의 실현에 의해

(a) 힘을 낭비하지 않는다.

(b) 자유로운 움직임을 실현한다.

(c) 착지시의 충격을 흡수한다.

와 같은 보행동작을 실현하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 유리하게 달성하는 본 발명의 백래시 클러치는, 동일축선상에 각각 회전운동 가능하게 배치되어, 서로의 반경방향 연재면끼리가 맞닿음으로써 회전운동방향으로 서로 걸어맞춰지는 제 1 회전운동부재 및 제 2 회전운동부재를 구비하고, 상기 제 1 회전운동부재와 상기 제 2 회전운동부재의 상기 반경방향 연재면끼리의 사이에 회전운동방향으로 간극이 형성되어 이루어진다.

이와 같은 백래시 클러치에 의하면 상기 반경방향 연재면끼리의 사이에 회전운동방향으로 형성된 간극이 없어질 때까지의 제 1 회전운동부재와 제 2 회전운동부재의 상대회전운동이 백래시로 되고, 그 백래시에 의해,

(a) 자유 관절을 실현한다.

(b) 클러치를 연결한 상태에서는 고토크를 전달한다.

와 같은 효과를 얻을 수 있다.

또 본 발명의 백래시 클러치를 구비한 로봇용 관절기구는 로봇의 팔 또는 다리를 구성하는, 서로 회전운동 가능하게 결합된 2부재 중의 어느 일방에 그 회전운동축선상에서 회전운동 가능하게 상기 제 1 회전운동부재와 상기 제 2 회전운동부재 중의 어느 일방이 지지됨과 동시에, 상기 2부재 중의 타방에 상기 제 1 회전운동부재와 상기 제 2 회전운동부재 중의 타방이 고정된 청구항 1 에 기재된 백래시 클러치와, 상기 제 1 회전운동부재와 상기 제 2 회전운동부재 중의 상기 일방을 이것을 회전운동 가능하게 지지하는 상기 일방의 부재에 대해 회전운동을 구동하는 구동수단을 구비하여 이루어지는 것이다.

이와 같은 백래시 클러시를 구비한 로봇용 관절기구에 의하면,

(c) 자유 관절에 의해 반력에 따르는 종반력기구를 실현한다.

(d) 그 종반력기구의 종반력운동에 의해 충격을 흡수한다.

(e) 불필요한 에너지 소비를 방지한다.

와 같은 효과를 얻을 수 있다.

이하에 본 발명의 실시형태를 실시예에 의해 도면에 의거하여 상세하게 설명한다. 여기에 도 1 은 본 발명의 백래시 클러치의 일 실시예 및 그것을 구비한 본 발명의 로봇용 관절기구의 일 실시예로서의 휴머노이드 로봇의 무릎 관절기구를 나타낸 정면도이고, 도면중 도면부호 1 은 휴머노이드 로봇의 다리를 구성하는 2부재 중의 일방으로서의 무릎 상각부, 도면부호 2 는 그 무릎 상각부 (1) 에 축선 (C) 둘레로 회전운동 가능하게 결합된, 상기 다리를 구성하는 2부재 중의 타방으로서의 무릎 하각부, 도면부호 3 은 상기 실시예의 백래시 클러치를 구성하는 제 1 회전운동부재, 도면부호 4 도 상기 실시예의 백래시 클러치를 구성하는 제 2 회전운동부재, 도면부호 5 는 감속기가 장착된 고출력 모터의 출력축에 설치된 풀리, 도면부호 6 은 벨트이다.

여기에서 제 1 회전운동부재 (3) 와 제 2 회전운동부재 (4) 는 동일축선 (C) 상에 상대회전운동 가능하게 배치되어 있고, 제 1 회전운동부재 (3) 는 무릎 상각부 (1) 에 상기 축선 (C) 둘레로 회전운동 가능하게 지지되며, 제 2 회전운동부재 (4) 는 무릎 하각부 (2) 에 일체적으로 고정되어 있다. 그리고 제 1 회전운동부재 (3) 및 제 2 회전운동부재 (4) 는 서로 맞닿을 수 있음과 동시에 사이에 회전운동방향으로 간극 (백래시) 이 형성된 반경방향 연재면 (3a, 4a) 을 갖는다.

또 상기 풀리 (5) 를 갖는 감속기가 장착된 고출력 모터 및 그 풀리 (5) 와 상기 벨트 (6) 를 사용한 벨트식 전동기구는 구동수단을 구성하고 있고, 이들 제 1 회전운동부재 (3) 및 제 2 회전운동부재 (4) 와, 감속기가 장착된 고출력 모터 및 벨트식 전동기구는 상기 실시예의 무릎 관절기구를 구성하고 있다. 또한 이 실시예에서는 구동수단을, 감속기가 장착된 고출력 모터의 출력회전을 풀리 (5) 와 벨트 (6) 를 사용하여 제 1 회전운동부재 (3) 에 전달하는 구성으로 되어 있으나, 본 발명의 로봇용 관절기구에서의 구동수단은 이것에 한정되지 않는다.

본 실시예의 백래시 클러치 및 로봇용 관절기구에서는 이하의 방법에 의해 회전을 전달하거나 자유 상태를 실현할 수 있다.

(1) 구동력의 전달

이 관절기구에 있어서는, 도 2 에 나타낸 바와같이 제 1 회전운동부재 (3) 의 반경방향 연재면 (3a) 과 제 2 회전운동부재 (4) 의 반경방향 연재면 (4a) 사이의 둘레방향의 간격 (d) 을 0 으로 하여 (도면에서는 편의상 다소 떨어뜨려 묘사했음), 도면의 화살표방향으로 토크를 전달한다. 이 때 제 1 회전운동부재 (3) 와 제 2 회전운동부재 (4) 는 힘의 방향에 수직인 반경방향 연재면 (3a, 4a) 끼리의 맞닿음에 의한 면접촉으로 되어 큰 토크를 전달할 수 있다. 이 관절기구에서는 구동력의 전달은 한 방향이고, 회전각을 제어하는 서보 기구에서는 시간이 지연된 응답이 발생한다. 그러나 휴머노이드 로봇의 무릎 관절과 같이 항상 일정방향의 힘 (여기에서는 중력장과 신체의 질체 (質體) 에 의해 생기는 힘) 이 작용하는 기구에서는 이 관절기구는 유효하게 기능한다. 이 관절기구는 고토크의 전달을 가능하게 하기 때문에, 도 9 에 나타낸 바와 같은 무릎을 구부린 상태의 자세를 유지하는 데에 적합하다.

(2) 자유 상태의 실현

이와 같은 관절기구에서는, 예컨대 도 3a ∼ 도 3c 에 나타낸 바와 같이 무릎 하각부 (2) 의 요동에 의한 제 2 회전운동부재 (4) 의 회전운동에 맞춰 간격 (d) 을 소정의 일정량 (d₀) 으로 유지하도록 제 1 회전운동부재 (3) 의 회전각을 제어하는 것으로도 자유로운 상태의 관절이 실현되지만, 일반적으로 고토크를 출력하도록 기어비가 큰 감속기를 설치한 액추에이터에서는 무릎 하각부 (2) 의 자유로운 움직임에 대해서, d 를 일정 간격으로 유지하는 정도의 회전속도를 낼 수는 없다. 그러나 이 관절기구에서는 백래시의 양만큼 여유가 형성되어 있기 때문에, 자유 상태를 실현하기 쉬워진다. 즉, 무릎 상각부 (1) 의 회전각을 θ, 무릎 하각부 (2) 의 회전각을 Φ, 회전방향의 간극각을 Ψ로 하면 소정 각도 (백래시) Ψ₀에 대해,

θ- Φ= Ψ〈 Ψ₀

가 충족되도록 θ를 제어하면 자유 관절이 실현된다.

예컨대, 도 4 에 나타낸 제어예에서는 Φ의 회전각에 대해 θ는 진폭이 작고 위상이 지연되어 추종하고 있다. 그러나 그 차 Ψ는 Ψ₀ (= ±0.2 [rad]) 의 범위에 수렴되기 때문에, 자유 관절이 실현된 상태로 되어 있다.

상기 실시예의 백래시 클러치에 의하면 휴머노이드 로봇의 무릎관절에 구비되어 자유로운 관절을 실현함으로써, 이하와 같이 하여 착지시의 충격을 완화시킬 수 있다. 도 5a 에 나타낸 바와 같이 유각 (도면에서는 휴머노이드 로봇의 오른발) 이 착지상태에 들어가려고 할 때를 상정한다. 이 때 도 5b 에 나타낸 바와 같이 바닥과 발바닥은 선접촉으로 된다. 무릎관절이 고출력 액추에이터에 의해 제어되어, 소정 목적의 회전각으로 제어되고 있는 경우, 접지선에는 큰 힘이 작용하여, 바닥이나 발바닥이 단단한 경우에는 반발력으로 다리가 떠버린다. 한편 무릎의 자유 관절이 실현되고 있는 경우애는, 도 6a 에 나타낸 바와 같이 무릎이 바닥으로부터의 반력에 따른 운동 (종반력운동) 을 실시하여, 도 6b 에 나타낸 바와 같이 발바닥이 면접촉에 의해 바닥과 접지하게 된다. 이에 의해 바닥으로부터의 충격을 완화시키는 효과가 나타난다.

다음에 뒷발로 바닥을 차올린 유각 (도면에서는 휴머노이드 로봇의 오른발) 은,

(1) 먼저 도 7 에 나타낸 바와 같이 그 유각이 지면에 닿지 않도록 하기 위해 대퇴부를 들어올리고, 그와 동시에 무릎을 구부린다.

(2) 이어서 도 8 에 나타낸 바와 같이 그 유각을 앞으로 내기 위해 무릎을 편다.

와 같은 궤도를 그린다. 일반적으로 제어된 무릎관절은 이 구부림과 폄이 지령회전각으로서 제어되어 설계자가 부여한 궤도를 그린다. 그러나 이 움직임은 본래는 중력과 관성력에 의해 생기는 자연스런 움직임이므로, 무릎관절을 자유롭게 함으로써 자동적으로 생성된다. 이것으로부터 자유 관절을 실현함으로써 불필요한 힘의 생성없이 효율적인 보행동작이 실현되는 것을 알 수 있다.

이렇게 하여 이 실시예의 백래시 클러치에 의하면 백래시를 이용하여,

(a) 자유 관절을 실현한다.

(b) 클러치를 연결한 상태에서는 고토크를 전달한다.

와 같은 효과를 얻을 수 있다.

그리고 이 실시예의 로봇용 관절기구에 의하면,

(c) 자유 관절에 의해 반력에 따르는 종반력기구를 실현한다.

(d) 그 종반력기구의 종반력운동에 의해 충격을 흡수한다.

(e) 에너지의 낭비를 방지한다.

와 같은 효과를 얻을 수 있다.

이상, 도면에 나타낸 예에 의거하여 설명하였으나, 본 발명은 전술한 예에 한정되지 않고, 예컨대 제 1 회전운동부재 (3) 를 무릎 상각부 (1) 에 일체적으로 고정함과 동시에 제 2 회전운동부재 (4) 를 무릎 하각부 (2) 에 회전운동 가능하게 지지하여, 구동수단으로 회전운동을 구동하도록 해도 된다. 또 상기 실시예에서는 제 1 회전운동부재 (3) 의 내측에 제 2 회전운동부재 (4) 를 배치하여, 이들의 내외주면에 설치한 반경방향 볼록부에 반경방향 연재면을 형성하고 있으나, 제 1 회전운동부재 (3) 와 제 2 회전운동부재 (4) 를 축선방향으로 나란히 위치시켜, 이들의 축선방향 대향면에 설치한 축선방향 볼록부에 반경방향 연재면을 형성해도 된다.

그리고, 본 발명의 백래시 클러치는 로봇의 관절기구 이외에도 사용할 수 있고, 또 본 발명의 로봇용 관절기구는 다리 이외에 팔을 자유롭게 흔드는 것 등을 실현하는 데에도 사용할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 백래시 클러치의 일 실시예 및 이를 구비한 본 발명의 로봇용 관절기구의 일 실시예로서의 휴머노이드 로봇의 무릎 관절기구를 나타낸 정면도이다.

도 2 는 상기 실시예의 무릎 관절기구를 반경방향 연재면끼리 사이의 둘레방향의 간격을 0 으로 하여 토크를 전달하고 있는 상태에서 나타낸 설명도이다.

도 3 은 상기 실시예의 무릎 관절기구를 자유 관절의 상태에서 나타낸 설명도이다.

도 4 는 상기 실시예의 무릎 관절기구를 자유 관절의 상태로 하는 바람직한 제어예를 나타내는 관계선도이다.

도 5a 는 휴머노이드 로봇의 유각이 착지상태에 들어가려고 할 때의 상태를 나타낸 설명도, 도 5b 는 도 5a 의 A부를 확대한 설명도이다.

도 6a 는 휴머노이드 로봇의 유각이 착지상태에 들어가려고 할 때의 상기 실시예의 무릎 관절기구의 작용을 나타낸 설명도, 도 6b 는 도 6a 의 B부를 확대한 설명도이다.

도 7 은 휴머노이드 로봇의 뒷발로 바닥을 차올린 후의 유각의 움직임을 나타낸 설명도이다.

도 8 은 휴머노이드 로봇의 상기 유각의 또 다른 움직임을 나타낸 설명도이다.

도 9 는 휴머노이드 로봇의 무릎을 구부린 자세를 나타낸 설명도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 무릎 상각부 2 : 무릎 하각부

3 : 제 1 회전운동부재 3a : 반경방향 연재면

4 : 제 2 회전운동부재 4a : 반경방향 연재면

5 : 풀리 6 :벨트

Claims (2)

1. 동일축선상에 각각 회전운동 가능하게 배치되어, 서로의 반경방향 연재면끼리가 맞닿음으로써 회전운동방향으로 서로 걸어맞춰지는 제 1 회전운동부재 및 제 2 회전운동부재를 구비하고,

   상기 제 1 회전운동부재와 상기 제 2 회전운동부재의 상기 반경방향 연재면끼리의 사이에 회전운동방향으로 간극이 형성되어 있고,

   제 1 회전부재의 상각부의 회전각을 θ, 제 2 회전부재의 회전각을 Φ, 회전방향의 간극각을 Ψ로 하면

   소정 각도(백래시) Ψ₀에 대해,

   ｜Ψ｜ ＜ Ψ₀ 단, Ψ = θ-Φ

   가 충족되도록 θ를 제어함으로써 자유 관절이 실현되는 백래시 클러치.
2. 로봇의 팔 또는 다리를 구성하는, 서로 회전운동 가능하게 결합된 2부재 중의 어느 일방에 그 회전운동축선상에서 회전운동 가능하게 상기 제 1 회전운동부재와 상기 제 2 회전운동부재 중의 어느 일방이 지지됨과 동시에, 상기 2부재 중의 타방에 상기 제 1 회전운동부재와 상기 제 2 회전운동부재 중의 타방이 고정된 제 1 항에 기재된 백래시 클러치와,

   상기 제 1 회전운동부재와 상기 제 2 회전운동부재 중의 상기 일방을 이것을 회전운동 가능하게 지지하는 상기 일방의 부재에 대해 회전운동을 구동하는 구동수단을 구비하여 이루어지는 로봇용 관절 기구.