KR100624217B1

KR100624217B1 - 로봇의 관절부 구동을 위한 3차원 복합 폐 링크장치

Info

Publication number: KR100624217B1
Application number: KR1020050055455A
Authority: KR
Inventors: 이용권; 이용중; 원종범
Original assignee: (주)스맥
Priority date: 2005-06-27
Filing date: 2005-06-27
Publication date: 2006-09-15

Abstract

본 발명은 로봇의 관절부 구동을 위한 3차원 복합 폐 링크장치에 관한 것으로, 로봇의 관절부 구동을 위한 링크장치에 있어서, 상기 로봇의 이동성 프레임과 이웃한 위치에서 이동성 프레임과 평행하게 배치되며, 그의 일단부가 상기 이동성 프레임에 이웃하는 고정성 프레임에 회전가능하게 연결된 제1 액추에이터; 상기 이동성 프레임과 이웃한 위치에서 상기 제1 액추에이터와 평행하게 배치되며, 그의 일단부가 상기 고정성 프레임에 회전가능하게 연결된 제2 액추에이터; 상기 제1,2 액추에이터의 타단부를 상호 연결하며, 그의 중앙부가 상기 이동성 프레임의 타측단부에 고정된 연결로드;로 구성되어 2개의 액추에이터에 의한 2개 이상의 자유도를 구현하는 로봇 관절부 구동을 위한 3차원 복합 폐 링크장치를 개시하며, 이러한 복합 폐 링크장치에 의해 로봇의 경량화 및 구동효율을 향상시키는 효과를 제공한다.

액추에이터, 자유도, 링크장치, 오프셋, 로봇

Description

로봇의 관절부 구동을 위한 3차원 복합 폐 링크장치{Coupled close loop link mechanism for joints of robot}

도 1 은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 링크장치를 나타낸 정면도,

도 2 는 도 1의 측면도,

도 3 은 도 1의 평면도,

도 4 는 본 발명의 제1 실시 예에 다른 링크장치의 작동상태를 나타낸 정면도,

도 5 는 본 발명의 제1 실시 예에 다른 링크장치의 작동상태를 나타낸 측면도,

도 6 은 도 1에 도시된 링크장치에 오프셋이 부여된 구조를 나타낸 정면도,

도 7 은 도 6에 도시된 링크장치의 작동상태를 나타낸 정면도,

도 8 은 본 발명의 제2 실시 예에 다른 링크구조를 나타낸 평면도,

도 9 및 도 10 은 도 8에 도시된 링크장치의 작동상태를 나타낸 평면도,

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(10) : 제1 액추에이터 (20) : 제2 액추에이터

(30) : 제3 액추에이터 (40) : 제2 액추에이터

(110) : 고정성 프레임 (120) : 이동성 프레임

(130) : 가이드 프레임 (140) : 회전성 프레임

본 발명은 3차원 복합 폐 링크장치에 관한 것으로, 특히 2개의 리니어 액추에이터를 연동시켜 2개 이상의 자유도를 동시에 구현하여 로봇의 관절부를 구동하는 3차원 복합 폐 링크장치에 관한 것이다.

일반적으로 대형 산업용 로봇은 로봇중량에 비해 약1/10정도의 가반하중을 가지며, 로봇이 대형화 될수록 모터의 용량의 커지고, 프레임의 강성을 높여야 하는 문제로 로봇의 크기 및 중량이 급격하게 커지게 된다. 그러나 로봇이 놓이게 될 공간의 제약과 산업현장에서의 로봇의 대형화와 고효율 구동을 고려할 때, 로봇의 크기를 그대로 유지하면서 고하중 반송이 가능한 로봇을 구현할 필요성이 점점 증대되고 있다.

일예로서, LCD모니터의 액정 유닛을 생산하기 위한 유리원판 반송용(LTR) 로봇은 3 또는 4자유도를 가지며, 7세대용 로봇의 경우, 약 1100㎏의 무게에 가반하중은 100㎏이다.

그러나, 9세대용 로봇은 공간의 제한성 때문에 동일한 크기로 가반하중 200㎏ 이상이 요구되고 있다. 이를 구현하기 위해서는 지금까지의 로봇구조와 구동방 식에 대한 근본적인 구조의 변경이나 개량이 불가피하였다. 지금까지 개발된 대부분의 로봇은 모터와 각 관절축은 감속기를 통하여 직접적으로 연결되어 구동하는 직동형 구조로 되어있다. 이러한 직동형 구조를 모터의 회전운동을 관절축의 회전운동으로 바꾸는 단순한 구조이므로 설계와 제어의 편리성을 갖는 장점이 있다. 그러나 구동효율이 떨어지고 값비싼 하모닉 드라이브 감속기의 사용이 요구되는 단점과 함께 강성을 높이기 위한 설계상의 어려움이 따르는 문제점이 발생되었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 3차원 폐 링크 장치로 고강성구조이며, 경량화가 가능한 3차원 복합 폐 링크장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 액추에이터에 가해지는 부하를 분산시켜 보다 안정적인 구조를 갖는 3차원 복합 폐 링크장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 직동형 구조에 비하여 전력 소모량이 작으며, 구동효율이 높은 3차원 복합 폐 링크장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 하모닉 감속기를 사용하지 않으므로 보다 경제적인 3차원 복합 폐 링크장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 다양한 액추에이터의 사용이 가능하고, 액추에이터의 배치가 자유로운 3차원 복합 폐 링크장치를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 로봇의 관절부 구동을 위한 링크장치에 있어서,

상기 로봇의 이동성 프레임과 이웃한 위치에서 이동성 프레임과 평행하게 배치되며, 그의 일단부가 상기 이동성 프레임에 이웃하는 고정성 프레임에 회전가능하게 연결된 제1 액추에이터;

상기 이동성 프레임과 이웃한 위치에서 상기 제1 액추에이터와 평행하게 배치되며, 그의 일단부가 상기 고정성 프레임에 회전가능하게 연결된 제2 액추에이터;

상기 제1,2 액추에이터의 타단부를 상호 연결하며, 그의 중앙부가 상기 이동성 프레임의 타측단부에 고정된 연결로드;로 구성되어 2개의 액추에이터에 의한 2개 이상의 자유도를 구현하는 로봇 관절부 구동을 위한 3차원 복합 폐 링크장치를 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 로봇의 관절부 구동을 위한 링크장치에 있어서,

상기 로봇의 고정성 프레임으로부터 연장되는 가이드 프레임에 설치되어 가이드 프레임 상에서 회전 및 선형 이동을 하는 회전성 프레임에 그의 일측단이 회전가능하게 연결되고, 그의 타측단이 가이드 프레임과 평행한 상태를 유지한 채로 상기 고정성 프레임에 연결된 제3 액추에이터; 및

상기 가이드 프레임을 기준으로 상기 제3 액추에이터와 대칭구조를 이루도록 배치되고, 그의 일측단이 상기 회전성 프레임에 회전가능하게 연결되고, 그의 타측단이 상기 고정성 프레임에 연결된 제4 액추에이터;로 구성되어 상기 제3,4 액추에이터에 의한 회전성 프레임의 회전운동과 직선운동을 구현하는 로봇 관절부 구동을 위한 3차원 복합 폐 링크장치를 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면과 연계하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐를 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 복합 폐 링크장치는 산업용 로봇의 구동 메커니즘을 구현함에 있어서 2개의 액추에이터를 연동하여 2개의 자유도를 동시에 구현하도록 구성된 링크장치임에 유의해야 한다. 상기 언급된 2개의 자유도는, 서로 다른 회전축을 중심으로 하는 2개의 회전운동 자유도 또는 1개의 회전운동 자유도와 1개의 직선운동 자유도로 이루어질 수 있다.

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도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시 예에 따른 복합 폐 링크장치는 두개의 제1,2 액추에이터(10,20)가 로봇의 이동성 프레임(120)의 양측에서 이동성 프레임(120)과 평행함과 더불어 이동성 프레임(120)을 기준으로 상호 대칭구조를 이루도록 설치되어 있다. 상기 이동성 프레임(120)은 이웃한 위치의 고정성 프레임(110)에 회전 가능하게 연결되어 있다. 상기 이동성 프레임(120)과 고정성 프레임(110)은 로봇을 구성하는 프레임의 일부분으로서, 고정성 프레임(110)은 이동성 프레임(120)이 작동하기 위한 베이스를 제공하는 것으로, 고정성 프레임(110) 또한 또 다른 고정성 프레임에 의해 작동을 위한 베이스를 제공받아 작동될 수 있다. 다시 말해, 상기 이동성 프레임(120)은 고정성 프레임(110)과의 연결부분을 기준으로 하여 작동하게 된다.

상기 제1 액추에이터(10)는 그의 일측단이 고정성 프레임(110)에 회전가능하게 연결되고, 그의 타측단은 이동성 프레임(120)과 평행한 상태로 연장되어 있다. 상기 제2 액추에이터(20)는 그의 일측단이 고정성 프레임(110)에 회전가능하게 연결되고, 그의 타측단은 이동성 프레임(120)과 평행한 상태로 연장되어 있다. 이와 같이 고정성 프레임(110)에 일측단이 연결 고정된 제1,2 액추에이터(10,20)의 타측단에는 연결로드(50)가 설치된다. 상기 연결로드(50)는 그의 양측단이 제1,2 액추에이터(10,20)에 각각 연결되고, 그의 중앙부가 상기 이동성 프레임(120)에 고정되어 있다.

한편, 상기 제1,2 액추에이터(10,20), 이동성 프레임(120), 고정성 하우징(110), 연결로드(50)가 상호 연결되는 연결부분은 볼조인트에(61,62,63,64,65) 의해 연결되어 각 연결부분이 자유롭게 회전될 수 있도록 구성된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제1,2 액추에이터(10,20)가 서로 다른 방향 으로 작동하게 되면, 상기 이동성 프레임(120)은 상기 연결부분(S1)을 전후방향으로 가로지는 제2 회전축(L2, 도 2에 도시됨)을 중심으로 회전하게 되고, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제1,2 액추에이터(10,20)가 동일한 방향과 속도로 작동하게 되면, 상기 이동성 프레임(120)은 이동성 프레임(120)과 고정성 프레임(110)의 연결부분(S1)을 측방향으로 가로지르는 제1 회전축(L1)을 중심으로 회전하게 된다.

상기와 같이 본 발명의 제1 실시 예에 따른 복합 폐 링크장치는 제1,2 액추에이터(10,20)의 작동에 의해 이동성 프레임(120)이 제1 회전축(L1) 또는 제2 회전축(L2)을 중심으로 회전하는 2개의 회전운동 자유도를 구현하게 된다.

한편, 일반적인 링크구조의 경우, 관절각이 90도가 되기 전에 특이점이 발생하게 되므로 충분한 가동범위의 확보에 어려움이 따르게 된다. 본 발명은 충분한 가동범위의 확보를 위해 제1,2 액추에이터(10,20)의 끝단과 이동성 프레임(120)의 끝단 사이에 오프셋(Offset), 즉 거리차를 두도록 형성된다. 도 6을 참조하여 보다 구체적으로 설명하면, 상기 제1,2 액추에이터(10,20)와 상기 고정성 프레임(110)이 연결되는 연결부분(S2)은 상기 이동성 프레임(120)과 고정성 프레임(110)의 연결부분(S1) 보다 높은 위치, 즉 이동성 프레임(120)의 길이방향에 대하여 거리차(d)를 갖도록 구성된다.

상기와 같이 제1,2 액추에이터(10,20)의 끝단과 이동성 프레임(120)의 끝단 사이에 오프셋을 형성토록 함으로써, 특이점을 회피하여 이동성 프레임(120)의 가동범위를 확장시킬 수 있게 된다. 도 7에는 오프셋이 부여된 링크장치의 작동상태를 나타내고 있다.

도 8은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 복합 폐 링크장치를 도시하고 있다. 도 8을 참조하면, 본 실시 예에 따른 복합 폐 링크장치는 두개의 제3,4 액추에이터(30,40)를 이용하여 1개의 회전운동 자유도 및 1개의 직성운동 자유도를 구현하도록 구성된다. 상기 제3,4 액추에이터(30,40)가 설치되는 로봇의 관절부 구조는 고정성 프레임(110)과, 상기 고정성 프레임(110)으로부터 연장되는 가이드 프레임(130)과, 상가 가이드 프레임(130)에 결합되어 가이드 프레임(130)상에서 직선운동 및 회전운동을 하는 회전성 프레임(140)으로 구성된다. 상기 제3 액추에이터(30)는 상기 가이드 프레임(130)의 이웃한 위치에서 가이드 프레임(130)과 평행하도록 배치되고, 그의 일측단이 상기 고정성 프레임(110)에 회전 가능하게 연결되며, 그의 타측단이 상기 회전성 프레임(140)에 회전 가능하게 연결된다. 상기 제4 액추에이터(40)는 상기 가이드 프레임(130)을 기준으로 상기 제3 액추에이터(30)와 대칭구조를 이루도록 배치되고, 그의 일측단이 상기 고정성 프레임(110)에 회전 가능하게 연결되며, 그의 타측단이 상기 회전성 프레임(140)에 회전 가능하게 연결된다.

도 9에 도시된 바와 같이, 상기 제3,4 액추에이터(30,40)가 동일한 방향과 속도로 작동하게 되면, 상기 회전성 프레임(140)은 가이드 프레임(130)을 따라 직선운동을 하며 이동하게 되고, 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 제3,4 액추에이터(30,40)가 서로 다른 방향으로 작동하게 되면, 상기 회전성 프레임(140)은 가이드 프레임(130)상에 정지된 상태로 회전하게 된다.

상기와 같이 본 발명의 제2 실시 예에 따른 복합 폐 링크장치는 제3,4 액추에이터(30,40)의 작동에 의해 회전성 프레임(140)이 가이드 프레임(130)을 따라 선형 이동하는 1개의 직선운동 자유도와, 가이드 프레임(130) 상에서 회전하는 1개의 회전운동 자유도를 구현하게 된다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

본 발명은 상술한 바와 같이 2개의 액추에이터를 연동하여 작동시킴으로써 2개의 자유도를 구현하는 링크장치를 제공함으로써, 로봇의 관절부를 구동하는 기존 직동형에 비하여 전력 소모량을 감소시킬 수 있어 구동효율이 향상시킬 수 있게 되었다. 더욱이 고강성구조로 경량화가 가능하며, 고가의 하모닉 감속기를 사용하지 않으므로 보다 저비용으로 로봇 관절부의 구성이 가능하게 되었다.

또한, 두개의 액추에이터가 연동하여 작동하므로 액추에이터에 가해지는 부하를 분산시킬 수 있고, 안전성과 유연한 동작을 위한 컴플라이언스(Compliance) 부여가 자유스러우며, 기구적으로 가동범위가 제한되는 구조이므로 머니퓰레이터(Manipulator)가 폭주할 경우에도 안정성을 확보할 수 있게 되었다.

Claims

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로봇의 관절부 구동을 위한 링크장치에 있어서,

상기 로봇의 고정성 프레임(110)으로부터 연장되는 가이드 프레임(130)에 설치되어 가이드 프레임(130) 상에서 회전 및 선형 이동을 하는 회전성 프레임(140)에 그의 일측단이 회전가능하게 연결되고, 그의 타측단이 가이드 프레임(130)과 평행한 상태를 유지한 채로 상기 고정성 프레임(110)에 연결된 제3 액추에이터(30); 및

상기 가이드 프레임(130)을 기준으로 상기 제3 액추에이터(30)와 대칭구조를 이루도록 배치되고, 그의 일측단이 상기 회전성 프레임(140)에 회전가능하게 연결되고, 그의 타측단이 상기 고정성 프레임(110)에 연결된 제4 액추에이터(40);로 구성되어 상기 제3,4 액추에이터(30,40)에 의한 회전성 프레임(140)의 회전운동과 직선운동을 구현하는 것을 특징으로 하는 로봇 관절부 구동을 위한 3차원 복합 폐 링크장치.