KR100820321B1

KR100820321B1 - 병렬형 로봇관절과 이를 이용한 다관절 이동로봇

Info

Publication number: KR100820321B1
Application number: KR1020060134535A
Authority: KR
Inventors: 정경민; 서용칠; 김승호; 정승호
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2006-12-27
Filing date: 2006-12-27
Publication date: 2008-04-07

Abstract

본 발명은 병렬형 로봇관절과 이를 이용한 다관절 이동로봇에 관한 것으로, 그 목적은 모터와 링크로 이루어진 모듈화된 관절구조를 구비하고, 모터에 의한 링크작동에 의해 다양한 관절각을 구비할 수 있는 로봇관절을 제공하는 것이다.

본 발명은 간극 스페이서에 의해 소정거리를 유지하고 설치되는 상/하부 플레이트와, 상기 상/하부 플레이트 사이에 위치하고 상부 플레이트에 고정설치되는 3개의 링크구동모터와, 상기 상부 플레이트를 관통하여 돌출된 링크구동모터축에 연결설치되는 기어부와, 상기 기어부에 일측단이 연결설치되는 링크부와, 상기 3개의 링크부 타측단이 하부면에 회전가능하도록 연결설치되는 연결플레이트를 포함하는 로봇관절을 다수개 연속결합하여, 다관절 이동로봇을 형성하도록 되어 있다.

로봇관절, 다관절, 이동로봇, 험지이동로봇, 험지, 뱀로봇, 협소구역 이동로봇, 병렬형 로봇 관절

Description

병렬형 로봇관절과 이를 이용한 다관절 이동로봇{A Parallel Robotic Joint and Its Use for Multi-linked Mobile Robot}

도 1 은 본 발명에 따른 구성을 보인 예시도

도 2 는 본 발명의 측면 구성을 보인 예시도

도 3 은 본 발명에 따른 지지플레이트와 링크부의 연결상태를 보인 예시도

도 4 는 본 발명에 따른 링크부의 작동 상태를 보인 예시도

도 5 는 본 발명에 따른 로봇관절의 변형된 예시도

도 6 은 본 발명에 따른 로봇관절의 작동상태를 보인 예시도

도 7 은 본 발명에 따른 다관절 이동로봇의 구성을 보인 예시도

도 8내지 12는 종래의 다관절형 이동로봇의 관절구조 예시도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

(10) : 상부플레이트 (11,21,61): 케이블홀

(20) : 하부플레이트 (21`,61`): 이중케이블홀

(30) : 링크구동모터 (31) : 링크구동모터 축

(30`) : 회전구동모터 (31`) : 회전구동모터 축

(40) : 기어부 (41) : 웜

(42) : 웜기어(또는 헬리컬기어 형상의 웜기어)

(43) : 지지대 (50) : 링크부

(51) : 제 1 링크 (52) : 제 2 링크

(53) : 힌지결합부위 (60) : 연결플레이트

(70) : 연결수단 (71) : 볼조인트

(72) : 유니버셜 조인트 (80) : 간극 스페이서

(90) : 중심연결라인 (100) : 로봇관절

(200) : 다관절 이동로봇 (300) : 탐사장비

본 발명은 병렬형 로봇 관절와 이를 이용한 다관절 이동로봇에 관한 것으로, 링크구조에 의해 다양한 관절각을 실현하고, 연속적인 이음설치가 가능한 로봇관절과 이를 이용한 다관절 이동로봇에 관한 것이다.

일반적으로 다관절 로봇은 사람의 어깨, 팔, 팔꿈치, 손목과 같은 관절을 구비하고 있어서, 다양한 관절각을 구비하고, 이러한 관절각의 변화에 의해 작업, 이동 및 운동을 할 수 있도록 되어 있으며, 이와 같은 다관절 로봇은 다양한 굴곡 및 협소공간의 이동을 위한 다관절 이동로봇 또는 다양한 작업을 수행하는 산업용 로봇등에 적용되고 있다.

현재 이용되고 있는 협소공간 이동을 위한 다관절 이동로봇은 도 8과 같이 각 회전 관절 축을 평행하게 배치할 경우 평면상에서의 운동이 가능하다. 다관절 이동로봇이 임의의 3차원 공간 내부를 자유롭게 이동하기 위해서는 회전 관절을 평행하지 않게 배치해야하며 도 9는 회전 관절 축을 순차적으로 수직 교차 배치한 직렬형 관절형 이동 로봇의 일례이다. 도 10는 다관절 이동 로봇의 움직임을 더욱 다양화하기 위해서 순차적으로 교차된 회전 관절(피치 회전 관절과 요우 회전 관절)에 롤 회전 관절을 추가한 직렬형 관절 모듈의 일례이다.

다관절형 이동로봇이 협소 구역내부에서 이동하기 위해서는 관절의 높은 강성이 요구되며, 도 11은 관절의 강성을 높이기 위해서 병렬형 관절을 사용하는 예들을 도시하고 있다.

예시된 바와 같이 현재 개발된 다관절형 이동 로봇들은 관절부분을 일체 모듈화하여 이를 순차적으로 연결하는 방식으로 원하는 길이의 이동 로봇을 구현하고 있으며 일반적으로 1개의 관절 모듈은 2자유도 회전 또는 3자유도 회전이 가능하다.

하지만 관절 회전이 자유롭지 않은 좁은 틈새 내부에서 효율적인 이동을 하기 위해서는 관절 회전과 함께 길이 방향으로의 직선 운동을 구비하는 것이 바람직하다. 도 12는 직선 구동기 3개를 이용한 스튜어트 플랫폼 방식의 3자유도 관절 모듈의 예로서 2자유도 회전과 함께 직선 운동이 가능하지만 직선 구동기 부분의 구조가 복잡하고 직선구동기의 특성상 길이 변화가 최소 길이 이내로 제한되기 때문에 회전각 및 길이 변화가 제한적인 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위한 것으로, 그 목적은 모터와 링크로 이루어진 모듈화된 관절구조를 구비하고, 모터에 의한 링크작동에 의해 2자유도 관절각과 함께 직선 운동을 구비할 수 있는 3자유도 병렬형 로봇 관절를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 동일한 구성의 모듈화된 관절구조를 필요 길이만큼 연속적으로 이음연결하여 다관절 이동로봇을 형성할 수 있는 로봇관절을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 상하 파상운동 및 좌우 파상운동에 의해 이동이 가능한 로봇관절을 이용한 다관절 이동로봇을 제공하는 것이다.

본 발명은 간극스페이서에 의해 소정거리를 유지하고 설치되는 상/하부 플레이트(10,20)와, 상기 상/하부 플레이트(10,20) 사이에 위치하고 상부 플레이트(10)에 고정 설치되는 3개의 링크구동모터(30)와, 상기 상부 플레이트(10)를 관통하여 돌출된 링크구동모터 축(31)에 연결설치되는 기어부(40)와, 상기 기어부(40)에 일측단이 연결설치되는 링크부(50)와, 상기 3개의 링크부(50) 타측단이 하부면에 회전가능하도록 각각 연결설치되는 연결플레이트(60)를 포함하도록 되어 있다.

상기 기어부(40)는 링크구동모터(30)의 구동력을 링크부(50)에 전달하는 것으로, 웜과 웜기어, 헬리컬기어와 웜기어, 베벨기어를 병행하여 설치할 수 있다.

상기 링크부(50)는 링크구동모터축(31)에 연결되지 않은 기어부의 또다른 기어의 축에 일측단이 연결설치되어, 기어부의 구동시 평면상에서 2자유도 운동을 구비한다.

상기 링크부(50)와 연결플레이트(60)는 볼조인트 또는 유니버셜 조인트 등과 같이 3자유도의 회전이 가능한 연결수단(70)에 의해 연결되어 있다.

상기와 같이 구성된 로봇관절(100)은 다수개를 연속설치하여 다관절 이동로봇(200)을 형성할 수 있으며, 상기 다관절 이동로봇(200)은 최선단에 위치한 로봇관절의 연결플레이트에 카메라 등의 탐사장비(300)가 더 설치된다.

이하 본 발명을 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 발명에 따른 구성을 보인 예시도를, 도 2 는 본 발명의 측면 구성을 보인 예시도를, 도 3 은 본 발명에 따른 지지플레이트와 링크부의 연결상태를 보인 예시도를, 도 4 는 본 발명에 따른 링크부의 작동 상태를 보인 예시도를, 도 5 는 본 발명에 따른 로봇관절의 변형된 예시도를, 도 6 은 본 발명에 따른 로봇관절의 작동상태를 보인 예시도를, 도 7 은 본 발명에 따른 다관절 이동로봇의 구성을 보인 예시도를 도시한 것으로, 본 발명은 상/하부 플레이트(10,20) 사이에 3개의 링크구동모터(30)가 설치되고, 상기 링크구동모터의 축(31)에 연결되도록 상부 플레이트(10)에 기어부(40)가 설치되며, 상기 기어부(40)에 연결하여 관절을 구비하는 링크부(50)가 설치됨과 동시에, 상기 링크부(50)의 끝단에 연결플레이트(60)가 연결수단(70)에 의해 연결되도록 되어 있다.

이때, 상기 연결플레이트(60)는 본 발명 로봇관절(100)을 다수개 연속적으로 연결할 경우, 선단에 위치하는 또다른 로봇관절의 후부 플레이트에 결합된다.

상기 상부 플레이트(10)는 일측면에 3개의 링크구동모터(30)가 설치되고, 이에 대응되는 타측면에 링크구동모터의 축(31)과 연결되도록 기어부(40)가 연결설치된다.

상기 하부 플레이트(20)는 후단에 위치하는 또다른 로봇관절과 연결되는 것으로, 일측면이 다수개의 간극 스페이서(80)에 의해 상부플레이트(10)와 소정간격을 유지하도록 연결설치된다.

상기 간극 스페이서(80)는 상/하부 플레이트(10,20)간의 거리를 유지하는 것으로, 일측단이 상부플레이트(10)에 고정되고, 타측단이 하부플레이트(20)에 고정설치된다.

상기 링크구동모터(30)는 상부플레이트(10)와 하부 플레이트(20) 사이에 위치하도록 상부플레이트(10)에 등각도를 유지하고 연결설치되며, 링크구동모터의 축(31)은 상부플레이트(10)를 관통하여 돌출되도록 설치된다.

상기 기어부(40)는 링크구동모터(30)의 구동력을 링크부(50)로 전달하는 것으로, 웜과 웜기어, 헬리컬기어와 웜기어, 베벨기어를 병행하여 설치할 수 있다. 즉, 상기 기어부(40)는 링크구동모터의 축에 연결설치되는 웜(41)과, 상기 웜에 일측이 치합되고 지지대(43)에 의해 상부 플레이트에 연결설치되는 웜기어 또는 헬리컬 기어 형상의 웜기어(42)로 이루어지거나, 2축이 교우하는 베벨기어로 이루어져 있다. 도 1 내지 도 2 에는 웜과 웜기어만 도시되어 있으나, 이는 본 발명의 이해 를 돕기 위한 것으로, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

이때, 상기 웜(41)에 일측이 치합되도록 설치되는 웜기어(42)는 그 치합부위가 각각의 링크구동모터 축(31)의 중심점을 연결하여 형성되는 중심연결라인(90) 상에 위치하도록 웜(41) 일측에 설치된다. 이와 같이 설치되는 웜기어(42)는 상부플레이트(10)에서 웜(41)보다 내측에 위치하게 된다.

상기 링크부(50)는 일측이 기어부의 웜기어(42)의 축에 일체로 연결되는 제 1 링크(51)와, 상기 제 1 링크(51)의 또다른 끝단에 일측단이 힌지결합되고 타측단이 연결플레이트(60)와 연결수단(70)에 의해 연결되는 제 2 링크(52)로 이루어져 있다.

이때, 상기 제 1 링크(51)의 끝단이 일체로 연결되는 기어부의 기어축 즉, 웜기어(42)의 축은 지지대(43)에 베어링 지지되어 있으며, 제 1 링크(51)와 제 2 링크(52)의 힌지결합부위(53)내에도 베어링이 삽입설치되어 있다. 이와 같이 연결부위에 대한 베어링 설치는 널리 공지된 기술이므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

상기 제 1 링크(51)와 제 2 링크(52)는 기어부(40)에 연결되는 제 1 링크(51)가 내측에 위치하고 연결플레이트(60)에 연결되는 제 2 링크(52)가 외측에 위치하도록 설치된다.

이때, 상기 제 1 링크(51)에 연결되는 웜기어(42)가 웜 중심연결라인(90) 상에 위치하도록 설치되어 있으므로, 제 1,2 링크(51,52)의 대부분은 상부플레이트(10) 상에 위치하게 되며, 이로 인해 제 1,2 링크(51,52)는 링크구동모터(30)의 작동시 상부플레이트(10) 범위내에서 작동된다.

즉, 상기 제 1,2 링크(51,52)로 이루어진 다수개의 링크부(50)는 본 발명 로봇관절(100)을 평면에서 볼 경우, 도 4 에 도시된 바와 같이, 제 1,2 링크의 힌지결합부위(53)가 상부플레이트(10)의 외측으로 크게 벗어나지 않도록 설치되어 있으며, 제 1,2 링크가 이루는 각(θ)은 180°미만을 구비한다.

도 4 는 본 발명에 따른 링크부의 작동 상태를 보인 예시도를 도시한 것으로, 3개의 링크부가 연결설치되어 있으며, 상기 3개의 링크부는 삼각형상을 이루도록 설치되어 있어, 상부플레이트 외측으로의 링크부 돌출부위를 최소화하도록 구성되어 있다.

상기 연결수단(70)은 도 3 에 도시된 바와 같이, 볼조인트(71) 또는 유니버셜 조인트(72) 등과 같이 회전이 자유로운 연결수단으로, 일측이 링크부 제 2 링크(52)의 끝단에 연결설치되고, 타측이 연결플레이트(60)의 일측면에 연결설치된다. 이때, 상기 볼조인트 및 유니버셜 조인트는 공지기술이므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

상기 연결플레이트(60)는 또다른 로봇관절의 하부프레임에 직접 또는 간접적으로 연결되는 것으로, 볼트 등의 결합수단에 의해 하부프레임에 고정설치되거나, 별도의 연결수단에 의해 또다른 로봇관절의 하부프레임에 연결설치될 수 있다.

또한, 상기 하부프레임(20), 상부프레임(10), 연결플레이트(60)에는 중앙에 케이블 등이 경유할 수 있는 케이블홀(11,21,61)이 더 형성되어 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명은 도 6 에 도시된 바와 같이, 각각의 링크부가 별도의 링크구동모터에 의해 각각 작동되도록 되어 있어, 링크부와 연결된 연결플레이트가 다양한 각도를 구비하게 된다.

이와 같이 본 발명의 로봇관절은 도 7 에 도시된 바와 같이, 다수개를 순차적으로 연결하여 다관절 이동로봇(200)을 형성할 경우, 다양한 각도로 작동되는 연결플레이트에 의해 다양한 관절각을 달성할 수 있으며, 이를 통해 상하 파상운동에 의한 이동 및 장애물의 승월, 장애물 회피 동작 등 험지에서도 용이하게 이동할 수 있다.

도 5 는 본 발명에 따른 로봇관절의 변형된 예시도를 도시한 것으로, 하부플레이트의 중앙에 링크구동모터(30)와 반대방향으로 위치하도록 회전구동모터(30`)를 더 설치하여, 이웃하는 또다른 로봇관절의 연결플레이트에 연결시킬 수 있다.

즉, 상부플레이트(10)와 하부플레이트(20) 사이에 다수개의 링크구동모터(30)와 하나의 회전구동모터(30`)를 설치하되, 상기 링크구동모터의 축(31)은 상부플레이트(10)를 관통하여 돌출되도록 또한, 회전구동모터의 축(31`)은 하부플레이트(20)를 관통하여 돌출되도록 각각 설치하고, 상기 하부플레이트(20)를 관통한 회전구동모터의 축(31`)에 또다른 로봇관절의 연결플레이트를 연결할 수 있다.

이와 같이 회전구동모터(30`)를 설치하여 로봇관절을 연속적으로 연결설치할 경우, 상기 회전구동모터(30`)에 의해 각 로봇관절은 링크부에 의한 상하좌우 파상운동 이외에 회전운동을 추가하여 수행할 수 있다.

이때, 상기 회전구동모터 축과 연결플레이트의 연결은 유니버셜 조인트 등과 같은 공지의 축연결수단에 의해 연결한다.

또한, 상기와 같이 링크구동모터가 더 설치될 경우, 하부플레이트 및 연결플레이트에 형성되는 케이블홀은 이중케이블홀(21`,61`)로 구성하여 링크구동모터(30`)의 축으로 인한 케이블의 파손을 방지할 수 있다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 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 범위내에 있게 된다.

이와 같이 본 발명은 링크와 모터의 간단한 구성으로 이루어지고, 링크부 및 모터가 모두 내측에 위치하도록 설치되어 있어, 그 크기를 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명의 로봇관절은 모듈화되어 있어, 원하는 길이만큼 자유롭게 연속적으로 결합하여 다관절 이동로봇을 형성할 수 있으며, 링크부와 모터에 의해 다양한 관절각을 구현하도록 되어 있어 다수개의 연결에 의해 형성된 다관절 이동로봇을 자유롭게 움직일 수 있다.

또한, 본 발명의 다관절로봇은 다수개의 로봇관절로 이루어져 있어, 상하좌우 파상운동에 의해 이동이 가능하고, 이를 통해 험지에서도 쉽게 이동할 수 있는 등 많은 효과가 있다.

Claims

간극스페이서에 의해 소정거리를 유지하고 설치되는 상/하부 플레이트(10,20)와,

상기 상/하부 플레이트(10,20) 사이에 위치하고 상부 플레이트(10)에 고정 설치되는 3개의 링크구동모터(30)와,

상기 상부 플레이트(10)를 관통하여 돌출된 링크구동모터 축(31)에 연결설치되는 기어부(40)와,

상기 기어부(40)에 일측단이 연결설치되는 링크부(50)와,

상기 3개의 링크부(50) 타측단이 하부면에 회전가능하도록 각각 연결설치되는 연결플레이트(60)를 포함하는 것을 특징으로 하는 병렬형 로봇관절.
제 1 항에 있어서;

상기 기어부(40)는 웜과 웜기어, 웜과 헬리컬기어 형상의 웜기어, 베벨기어로 이루어진 군에서 선택된 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 병렬형 로봇관절.
제 2 항에 있어서;

상기 기어부(40)는 각각의 링크구동모터 축(31)의 중심점을 연결하여 형성되는 중심연결라인(90) 상에 웜과 웜기어의 치합부위, 웜과 헬리컬기어 형상 웜기어의 치합부위, 베벨기어간의 치합부위가 위치하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 병렬형 로봇관절.
제 1 항에 있어서;

상기 링크부(50)는 일측이 기어부에 일체로 연결되는 제 1 링크(51)와, 상기 제 1 링크(51)의 또다른 끝단에 일측단이 힌지결합되고 타측단이 연결플레이트(60)에 연결수단(70)에 의해 연결되는 제 2 링크(52)로 이루어진 것을 특징으로 하는 병렬형 로봇관절.
제 4 항에 있어서;

상기 연결수단(70)은 볼조인트 또는 유니버셜 조인트인 것을 특징으로 하는 병렬형 로봇관절.
삭제
제 1 항에 있어서;

상기 상부플레이트(10), 하부플레이트(20) 및 연결플레이트(60)에는 케이블이 경유하는 케이블홀(11,21,61)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 병렬형 로봇관절.
제 1 항에 있어서;

상기 하부플레이트 중앙에는 모터축(31`)이 하부플레이트(20)를 관통하도록 또한 상부플레이트(10)와 하부플레이트(20) 사이에 위치하도록 회전구동모터(30`)가 더 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 병렬형 로봇관절.
다수개의 로봇관절(100)이 연속적으로 연결설치되고, 상기 로봇관절(100)은 제 1,2,3,4,5,7,8 항 중 어느 한 항으로 이루어진 로봇관절(100)로 이루어진 것을 특징으로 하는 병렬형 로봇관절을 이용한 다관절 이동로봇.
제 9 항에 있어서;

다수개의 로봇관절(100)이 연속적으로 연결설치되고, 후단에 위치하는 로봇관절의 연결플레이트가 선단에 위치하는 로봇관절의 하부플레이트에 연결되거나, 선단에 위치하는 로봇관절의 회전구동모터축에 연결되는 것을 특징으로 하는 병렬형 로봇관절을 이용한 다관절 이동로봇.