KR100999477B1 - 로봇용 안전관절장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로봇을 위한 안전관절장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 로봇 매니퓰레이터(manipulator)의 갑작스러운 충격으로 인하여 로봇 관절(joint)에 가해질 토크를 신속하게 차단하고 무강성을 가짐으로써 인체에 상해를 예방하고 로봇 관절 자체의 파손을 방지하는 로봇용 안전관절장치에 관한 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 로봇용 안전관절장치는 n개(n≥2)의 홀을 구비하는 제1디스크, 표면으로부터 돌출된 돌출부를 가지고 회전가능하게 장착된 n개의 볼을 구비하는 제2디스크, 상기 제1디스크와 상기 제2디스크가 서로 밀착하도록 힘을 가해주는 탄성부재를 포함하며, 상기 제1디스크와 상기 제2디스크 사이에 특정 크기 이상의 토크가 가해질 때, 상기 홀에 삽입되어 있는 상기 볼의 돌출부는 상기 홀에서 이탈하여 상기 제1디스크와 상기 제2디스크는 일시적으로 분리된다.

로봇, 관절, 안전, 토크 차단, 무강성

Description

로봇용 안전관절장치{Safe joint mechanism for robots}

본 발명은 로봇을 위한 안전관절장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 로봇 매니퓰레이터(manipulator)의 갑작스러운 충격으로 인하여 로봇 관절(joint)에 가해질 토크를 신속하게 차단하고 무강성을 가짐으로써 인체에 상해를 예방하고 로봇 관절 자체의 파손을 방지하는 로봇용 안전관절장치에 관한 것이다.

로봇의 활용 범위 확대 및 제반 기술이 발전함에 따라 서비스 로봇은 우리의 생활 속에 훨씬 가까워지고 있다. 의료, 복지, 건설, 극한작업 등 비제조업에서 사용되는 로봇과 인간 공존형 대인지원 로봇인 개인용 로봇은 통칭 서비스 로봇이라 불리며 향후 더욱 다양한 형태로 우리 앞에 등장할 것으로 기대되고 있다.

한편, 서비스 로봇, 휴머노이드 로봇과 같이 로봇과 인간이 공존하는 경우에 있어서 요구되는 필수 조건은 '인간의 안전'이다. 그러나 로봇과 인간이 공유하는 활동 공간이 증가함에 따라 상호 간에 뜻하지 않은 충돌을 일으켜 안전사고가 발생할 수 있으므로 그 피해를 예방할 수 있는 장치를 마련하는 것이 중요한 문제로 부각되고 있다.

그러나 이 문제를 해결하기 위해 높은 안전성을 갖춘 로봇을 설계하는 것은 기구 설계뿐 아니라 하드웨어와 소프트웨어를 설계하는 모든 엔지니어들 간에 긴밀한 협력을 필요로 하는 까다로운 문제로 인식되고 있다.

현재, 안전성과 성능을 동시에 만족시키기 위한 다양한 연구가 국내외에서 활발히 진행되고 있으며, 대별하면 매니퓰레이터의 안전관절 토크를 힘센서 기반 정보에 의해 신속하게 제어하는 방식과, 수동형 힘 반응 장치를 장착한 후에 이로 인한 성능의 저하를 최대한 보상하는 방식으로 나눌 수 있다. 그러나 이와 같이 안전성 확보를 목적으로 가변 강성장치를 위한 다양한 연구들이 수행되고 있지만 대다수의 안전관절의 메커니즘은 실제 상용화된 로봇에 적용하기에는 크기나 무게, 제어의 복잡성 등으로 인해 한계가 있는 문제점이 있다.

또한, 일반적으로 전자적인 능동 제어방식으로 상해가 발생할 수 있는 충돌을 방지하는 메커니즘은 상대적으로 고가인 센서 장비와 복잡한 제어 알고리즘을 필요로 하며 반응 속도가 센서와 액추에이터의 민감성에 전적으로 의존하는 단점을 가지고 있다.

이외에도, 현재까지 다축의 정밀/신속반응 기능을 포함한 안전관절 메커니즘은 정밀한 센서와 구동기의 사용이 필요하기 때문에 관절을 포함한 로봇 암의 구조적 복잡성이 시급한 해결과제로 부각되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 복잡한 안전 제어 알고리즘과 제반 장치를 대체하고 로봇의 경량화와 제작의 편의성을 높일 수 있는 로봇용 안전관절장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 로봇용 안전관절장치는 n개(n≥2)의 홀을 구비하는 제1디스크, 표면으로부터 돌출된 돌출부를 가지고 회전가능하게 장착된 n개의 볼을 구비하는 제2디스크, 상기 제1디스크와 상기 제2디스크가 서로 밀착하도록 힘을 가해주는 탄성부재를 포함하며, 상기 제1디스크와 상기 제2디스크 사이에 특정 크기 이상의 토크가 가해질 때, 상기 홀에 삽입되어 있는 상기 볼의 돌출부는 상기 홀에서 이탈하여 상기 제1디스크와 상기 제2디스크는 일시적으로 분리된다.

또한, 상기 제2디스크와 동시에 회전하도록 상기 제2디스크와 결합하는 하우징 컵을 구비하며, 상기 제1디스크는 상기 하우징 컵과 상기 제2디스크 사이에 위치한다.

또한, 상기 제1디스크와 상기 하우징 컵 사이에는 환형 베어링 부재가 위치한다.

또한, 로봇 암이 상기 하우징 컵 및 상기 환형 베어링 부재를 관통하여 상기 제1디스크에 결합한다.

또한, 상기 하우징 컵의 내부에는 가이드 슬롯이 형성되어 있고, 상기 제2디스크의 측면에는 가이드 돌기가 형성되어 있으며, 상기 가이드 돌기가 상기 가이드 슬롯에 결합한다.

또한, 상기 하우징 컵의 내부 및 상기 제2디스크에는 가이드 슬롯이 형성되어 있으며, 가이드 키가 상기 하우징 컵 및 상기 제2디스크의 가이드 슬롯에 결합하여 상기 하우징 컵 및 상기 제2디스크는 고정결합한다.

또한, 상기 탄성부재는 접시 스프링이며, 상기 접시 스프링은 상기 제2디스크에 접촉한다.

또한, 상기 접시 스프링은 하중조절용 나사부재에 의해 가압된다.

또한, 상기 접시 스프링과 상기 하중조절용 나사부재 사이에는 원판이 위치한다.

또한, 상기 하중조절용 나사부재가 관통하여 나사결합하고, 상기 하우징 컵에 결합하는 하우징 캡을 구비한다.

또한, 상기 하우징 캡은 로봇 보디에 연결된다.

또한, 상기 제2디스크의 중심에는 홀이 형성되어 있고, 상기 제1디스크의 중심에는 중심축이 돌출되게 형성되어 있으며, 상기 제1디스크의 중심축이 상기 제2디스크의 홀에 회동가능하게 삽입된다.

또한, 상기 제1디스크의 홀과, 상기 제2디스크의 볼은 등간격으로 형성되어 있다.

본 발명에 따르면, 로봇 매니퓰레이터(manipulator)의 갑작스러운 충격으로 인하여 로봇 관절(joint)에 가해질 토크를 신속하게 차단하고 무강성을 가짐으로써 인체에 상해를 예방하고 로봇 관절 자체의 파손을 방지할 수 있다.

또한, 일반적으로 로봇은 모터의 동력이 기어 장치를 포함한 구동부를 거쳐 관절을 움직이게 되는데, 이 과정에서 동력 전달을 단속할 수 있는 안전관절장치를 삽입하여 상해가 발생할 수 있는 외력 이상에서 동력 전달을 신속히 차단함으로써 안전성을 높일 수 있다.

또한, 3차원 작동 공간상에서 서로 독립된 평면으로 단순한 메커니즘에 의해 동력을 단속하도록 하여 공간을 최소화시키고 작동에 필요한 요소들이 역할에 따라 3차원 공간에 분산 배치됨으로써 치수 자유도 증가와 구조의 단순화를 구현할 수 있다.

또한, 강성조절 장치의 단순화를 통해 작동 정밀성 및 강성 조절의 용이성을 극대화시킬 수 있다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 로봇용 안전관절장치는, 제1디스크(input disk)(1), 제2디스크(action disk)(2), 탄성부재(3)를 포함한다.

제1디스크(1)는 n개(n≥2)의 홀(11)을 구비한다. 제1디스크(1)은 볼(21)의 돌출부(211)가 삽입되는 홀(11)이 등간격, 즉 120°간격으로 3개가 형성되어 있다 (설명의 편의를 위하여, 본 실시예에서는 n=3인 경우를 예로 들어 설명하기로 함).

제2디스크(2)는 표면으로부터 돌출된 돌출부(211)를 가지고 회전가능하게 장착된 3개의 볼(21)을 구비한다. 제2디스크(2)에서는 볼(21)의 일부가 돌출되어 있고, 볼(21)은 제2디스크(2)의 내부에서 회전가능하게 장착되어 있다. 제2디스크(2)의 내부에는 볼(21)의 자유로운 회전 및 하중 지지를 담당하는 다수 개의 미세 볼(미도시)이 구비될 수 있다.

제2디스크(2)의 중심에는 홀(23)이 형성되어 있고, 제1디스크(1)의 중심에는 중심축(13)이 돌출되게 형성되어 있으며, 제1디스크(1)의 중심축(13)이 제2디스크(2)의 홀(23)에 회동가능하게 삽입되어 센터링이 유지될 수 있다.

탄성부재(3)는 제1디스크(1)와 제2디스크(2)가 서로 밀착하도록 힘을 가해준다. 여기서, 탄성부재(3)는 접시 스프링(belleville spring)일 수 있으며, 접시 스프링(3)은 제2디스크(2)에 고정된다. 참고로, 접시 스프링은 작은 변위에서도 하중 수용력(high energy storage capacity)이 우수하며 다른 스프링보다 공간 활용도가 높아 이격 간격이 크지 않은 곳에 적용이 용이하여 소형화 설계가 필요한 안전관절에 스프링력을 제공하는데 이상적이다. 또한, 여러 개의 스프링을 직·병렬로 연결하여 용도에 따라 다양한 하중 특성을 구현할 수 있는 장점이 있다.

접시 스프링(3)은 하중조절용 나사부재(예컨대, 무두렌치볼트)(7)에 의해 제2디스크(2) 방향으로 가압된다.

본 발명에 따른 안전관절장치의 작동 임계하중은 접시 스프링(3)의 초기 압축량을 조절할 수 있는 하중조절용 나사부재(7)에 의해 가변적으로 조절될 수 있 다. 로봇 암(미도시)의 경우 안전관절의 삽입 지점에 따라 허용하중과 작동해야 할 충격량이 다르기 때문에 작동 임계하중의 조절은 필수적이다. 예를 들면, 하중조절용 나사부재(7)를 통해 압축된 접시 스프링(3)은 훨씬 큰 스프링력을 가지게 되어 안전관절장치가 보다 높은 충격력에서 작동하도록 조절할 수 있다.

한편, 접시 스프링(3)과 하중조절용 나사부재(7) 사이에는 원판(8)이 추가로 위치할 수 있다. 즉, 하중조절용 나사부재(7)가 원판(8)을 가압하고, 원판(8)이 접시 스프링(3)을 가압하도록 하는 것이다.

제2디스크(2)와 동시에 회전하도록 제2디스크(2)와 결합하는 하우징 컵(4)이 구비되며, 제1디스크(1)는 하우징 컵(4)과 제2디스크(2) 사이에 위치하면서 하우징 컵(4) 내부에 장착된다.

이때, 제2 디스크(2)와 하우징 컵(4)과의 결합은 다음과 같은 방식으로 이루어질 수 있다.

즉, 하우징 컵(4)의 내부에 가이드 슬롯(41)을 형성하고, 제2디스크(2)의 측면에는 가이드 돌기(22)를 형성한 후, 가이드 돌기(22)를 가이드 슬롯(41)에 결합시킨다. 다른 방법으로는, 도 2에 도시된 바와 같이, 하우징 컵(4)의 내부 및 제2디스크(2)에 가이드 슬롯(41,24)을 형성하고, 가이드 키(5)를 이들 가이드 슬롯(41,24)에 결합시키는 것이다.

하우징 컵(4)의 내부에는 제1디스크(1)의 원활한 상대 회전을 위하여, 환형 베어링 부재(6)가 제1디스크(1)와 접촉되게 삽입하는 것이 바람직하다.

로봇 암(미도시)이 하우징 컵(4) 및 환형 베어링 부재(6)를 관통하여 제1디 스크(1)의 헤드부(12)에 결합할 수 있다.

제1디스크(1), 제2디스크(2), 접시 스프링(3), 하중조절용 나사부재(7)가 외부로 드러나지 않도록 하우징 컵(4)과 결합하는 하우징 캡(9)이 더 구비될 수 있다. 하우징 캡(9)의 중앙에는 나사구멍(91)이 형성되어 있고, 하중조절용 나사부재(7)가 나사구멍(91)에 나사결합 하면서 나사구멍(91)을 관통하고, 원판(8)에 접촉하고 있다.

하우징 캡(9)에는 예컨대, 로봇 보디(미도시)가 연결될 수 있다.

이하에서는 상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 작용에 대하여 상세히 설명한다.

특정 크기(임계하중) 이하의 토크가 작용 중일 때는, 도 3(a)에 도시된 바와 같이, 제2디스크(2)의 볼(21)의 돌출부(211)가 제1디스크(1)의 홀(11) 내에 위치하여 제1디스크(1)와 제2디스크(2)가 연동하여 회전한다.

그러나 특정 크기(임계하중)를 초과하는 토크가 작용하면, 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 제2디스크(2)의 볼(21)의 돌출부(211)가 제1디스크(1)의 홀(11) 내에서 이탈하면서 제1디스크(1)와 제2디스크(2)가 일시적으로 분리된다. 이후, 제1디스크(1)는 제2디스크(2)의 볼(21)이 다음 홀(11)에 다시 체결되기 전까지는 제2디스크(2)에 대하여 120°무강성 회전을 하게 된다. 즉, 제1디스크(1)는 제2디스크(2)에 대하여 120°무강성 회전 후, 제2디스크(2)와 다시 연동하여 회전하게 된다. 이와 같이, 본 발명에 따른 안전관절장치는 토크의 차단기능과 연결기능이 하나의 메커니즘으로 구성되어 있기 때문에 로봇 관절에 가해진 충격으로 인하여 토크가 차단된 후 로봇 관절의 재작동을 위한 추가적인 기구가 필요하지 않은 장점이 있다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 안전관절장치는, 토크의 차단 상태의 변화가 120°마다 반복될 수 있기 때문에 제1디스크(1)가 제2디스크(2)에 대하여 1회전 할 경우, 세 번의 작동이 가능하다. 만일, 제1디스크(1)와 제2디스크(2)가 각각 4개의 홈(11)과 볼(21)을 구비하는 것으로 제작할 경우, 90°마다 하중 전달과 자유 회전을 반복될 수 있다. 본 발명에 따라 홈(11)과 볼(21)의 수를 조절하는 것은 당업자에게는 자명한 것이라 하겠다.

이와 같이, 본 안전관절장치는 홈(11)이 있는 제1디스크(1)와 볼(21)이 회전 가능한 상태로 돌출되어 있는 제2디스크(2)가 각각 구동축(미도시) 및 피동축(미도시)과 연결되어 있어 임계 하중의 설정에 따라 동력의 전달과 차단이 가능한 커플링 역할을 하게 된다.

도 5를 참조하여, 회전력(F₁)에 의한 이격력(F₂) 발생원리에 대하여 설명하면 다음과 같다. 도 5에는 제1디스크(1)의 홀(11)에 볼(21)이 삽입되어 있는 상태와, 홀(11)로부터 볼(21′)이 최대로 이탈되어 있는 상태가 도시되어 있다. 여기서, F₁은 회전력(토크), F₂는 이격력(lifting force), θ는 볼(21) 중심의 회전각도, θ_max는 볼(21) 중심의 최대 회전각도, r은 볼(21)의 반경, δ는 제1디스크(1)와 제2디스크(2) 간의 이격거리, δ_max는 제1디스크(1)와 제2디스크(2) 간의 최대 이격거리를 나타낸다.

토크 전달을 목적으로 하는 본 발명에 따른 커플링에 있어서 홀(11)의 직경(b) 및 이와 맞물리는 볼(21)의 크기는 홀(11) 내부로의 볼(21)의 삽입 깊이를 결정하며, 두 디스크가 서로 맞붙어 있는 안전관절의 초기 체결력은 스프링(3)의 탄성력으로 제공된다. 예를 들면, 4mm의 지름을 가지는 홀(11)이 6.35mm 직경의 볼(21)과 맞물려 있을 때 볼(21)의 삽입 깊이는 0.7mm이며, 볼(21)이 홀(11)에 완전히 삽입되어 있을 경우와, 볼(21)이 홀(11)로부터 완전히 이탈되어 있을 경우, 각 위치에서의 볼 중심이 이루는 최대각도 θ_max는 39°이다.

한편, 홀(11)에 볼(21)이 체결되어 있을 때, 제1디스크(1)와 제2디스크(2) 사이에 작용하는 회전력(F₁)은 볼(21)의 기하학적 형상에 의해 볼(21)이 제1디스크(1) 표면으로 올라가려는 이격력(F₂ = F₁cosθsinθ)을 발생시킨다.

제1디스크(1) 및 제2디스크(2) 사이에 가해지는 토크가 작을 때는, 스프링(3)의 탄성력에 의해 제공되고 있는 체결력은 이격력(F₂)보다 크지만 두 디스크(1,2) 사이에 작용하는 토크가 증가하면 이격력(F₂)은 스프링(3)의 탄성력을 넘게 되고, 결과적으로 두 디스크(1,2)가 서로 이탈하면서 이격거리(δ)가 발생한다.

본 발명에 따른 안전관절장치는 스프링(3)의 초기 압축 변위(ζ)의 조정을 쉽게 할 수 있도록 설계함으로써 스프링(3) 탄성력의 증가 또는 감소를 통해 원하는 작동 토크를 구현할 수 있다.

볼(21) 중심의 궤적의 회전각도(θ)와 이격거리(δ)의 상관 관계를 정리하면 [수학식 1]과 같다. 여기서, 회전각도(θ)를 발생시키기 위해 필요한 회전력(F₁)을 계산하면 [수학식 2]와 같다.

[수학식 1]

[수학식 2]

도 6은 스프링상수(k)가 200kN/m인 스프링(3)이 연결된 상태에서 초기 압축변위(ζ)를 각각 0.1mm와 0.01mm로 적용했을 때, 회전각도(θ)가 0°에서 39°에 이를 때까지 필요한 회전력(F₁)을 [수학식 2]를 통해 계산하여 그래프로 도식화한 것이다.

도 6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 낮은 회전각도(θ) 범위(~ 5°)에서는 임의의 회전각도(θ)를 발생시키기 위해 상대적으로 큰 회전력(F₁)이 필요하다. 또한, 초기 압축변위가 클수록(ζ=1mm) 일정량의 변위를 발생시키기 위해 더 큰 회전력(F₁)이 필요하다.

결론적으로, 회전력이 안전관절의 초기 회전각도를 유발하는 회전력을 넘지 않는 경우 안전관절의 두 디스크는 단단히 체결되어 있으며, 안전관절은 높은 강성을 유지하여 구동축으로부터 가해지는 토크를 그대로 피동축으로 전달한다.

도 1은 본 발명에 따른 로봇용 안전관절장치의 주요 구성요소의 분해도이다.

도 2는 본 발명에 따른 로봇용 안전관절장치의 다른 실시예이다.

도 3은 본 발명에 따른 로봇용 안전관절장치의 작동 원리를 나타내는 개념도이다.

도 4는 제1디스크와 제2디스크의 결합, 분리, 재결합 과정을 나타내는 개념도이다.

도 5는 제1디스크와 제2디스크 사이에 작용하는 회전력과 이격력 간의 상호 관계를 설명하는 개념도이다.

도 6은 스프링의 초기 압축변위와, 임의의 회전각도를 만들기 위한 필요 회전력과의 관계를 나타내는 그래프이다.

Claims (13)

1. n개(n≥2)의 홀(11)을 구비하는 제1디스크(1),

   표면으로부터 돌출된 돌출부(211)를 가지고 회전가능하게 장착된 n개의 볼(21)을 구비하는 제2디스크(2),

   상기 제1디스크(1)와 상기 제2디스크(2)가 서로 밀착하도록 힘을 가해주는 탄성부재(3)

   를 포함하며,

   상기 제1디스크(1)와 상기 제2디스크(2) 사이에 특정 크기 이상의 토크가 가해질 때, 상기 홀(11)에 삽입되어 있는 상기 볼(21)의 돌출부(211)는 상기 홀(11)에서 이탈하여 상기 제1디스크(1)와 상기 제2디스크(2)는 일시적으로 분리되며,

   상기 제2디스크(2)와 동시에 회전하도록 상기 제2디스크(2)와 결합하는 하우징 컵(4)을 구비하며, 상기 제1디스크(1)는 상기 하우징 컵(4)과 상기 제2디스크(2) 사이에 위치하며,

   상기 제1디스크(1)와 상기 하우징 컵(4) 사이에는 환형 베어링 부재(6)가 위치하는 로봇용 안전관절장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에서,

   로봇 암이 상기 하우징 컵(4) 및 상기 환형 베어링 부재(6)를 관통하여 상기 제1디스크(1)에 결합하는 로봇용 안전관절장치.
5. 제1항에서,

   상기 하우징 컵(4)의 내부에는 가이드 슬롯(41)이 형성되어 있고, 상기 제2디스크(2)의 측면에는 가이드 돌기(22)가 형성되어 있으며, 상기 가이드 돌기(22)가 상기 가이드 슬롯(41)에 결합하는 로봇용 안전관절장치.
6. 제1항에서,

   상기 하우징 컵(4)의 내부 및 상기 제2디스크(2)에는 가이드 슬롯(41,24)이 형성되어 있으며, 가이드 키(5)가 상기 하우징 컵(4) 및 상기 제2디스크(2)의 가이드 슬롯(41,24)에 결합하여 상기 하우징 컵(4) 및 상기 제2디스크(2)는 고정결합하는 로봇용 안전관절장치.
7. 제1항에서,

   상기 탄성부재(3)는 접시 스프링이며, 상기 접시 스프링은 상기 제2디스크(2)에 접촉하는 로봇용 안전관절장치.
8. 제7항에서,

   상기 접시 스프링(3)은 하중조절용 나사부재(7)에 의해 가압되는 로봇용 안전관절장치.
9. 제8항에서,

   상기 접시 스프링(3)과 상기 하중조절용 나사부재(7) 사이에는 원판(8)이 위치하는 로봇용 안전관절장치.
10. 제8항에서,

    상기 하중조절용 나사부재(7)가 관통하여 나사결합하고, 상기 하우징 컵(4)에 결합하는 하우징 캡(9)을 구비하는 로봇용 안전관절장치.
11. 제8항에서,

    상기 하우징 캡(9)은 로봇 보디에 연결되는 로봇용 안전관절장치.
12. 제1항에서,

    상기 제2디스크(2)의 중심에는 홀(23)이 형성되어 있고, 상기 제1디스크(1)의 중심에는 중심축(13)이 돌출되게 형성되어 있으며, 상기 제1디스크(1)의 중심축(13)이 상기 제2디스크(2)의 홀(23)에 회동가능하게 삽입되는 로봇용 안전관절장치.
13. 제1항에서,

    상기 제1디스크(1)의 홀(11)과, 상기 제2디스크(2)의 볼(21)은 등간격으로 형성되어 있는 로봇용 안전관절장치.

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