KR101220477B1 - 액추에이터를 이용한 토크 암 조절장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로봇의 회전을 위한 조인트 구조 등에 있어서 액추에이터를 통해 토크 암의 길이를 조절하는 액추에이터를 이용한 토크 암 조절장치에 관한 것이다. 본 액추에이터를 이용한 토크 암 조절장치는 제1 파트가 제2 파트에 대해 상대적으로 회전 가능하도록 회전축을 형성하면서 상기 제1 파트와 상기 제2 파트를 연결하는 토크 암 제어장치로서, 상기 제1 파트의 일측에 형성되는 슬롯, 상기 제2 파트의 일측에 구비되고, 상기 슬롯을 따라 이동 가능하도록 상기 슬롯에 장착되어, 상기 회전축을 형성하는 롤링 핀, 일단이 상기 제1 파트에 구비된 제1 구동축에 회전 가능하도록 연결되고, 타단이 상기 제2 파트에 구비된 제2 구동축에 회전 가능하도록 연결되는 액추에이터, 그리고 일단이 상기 롤링 핀에 회전 가능하도록 연결되고, 타단이 상기 제1 파트에 회전 가능하도록 연결되는 토크 암 조절 액추에이터를 포함하며, 상기 슬롯은 상기 액추에이터가 수축되면 상기 롤링 핀이 상기 토크 암 조절 액추에이터에 의해 제어되어 상기 제1 구동축에서 멀어지게 이동하고, 상기 액추에이터가 신장되면 상기 롤링 핀이 상기 토크 암 조절 액추에이터에 의해 제어되어 상기 제1 구동축에 가까워지게 이동하도록 형성된다. 본 발명에 의하면, 로봇의 구동 시 상황에 따라 종래보다 상대적으로 적은 힘이나 유량을 사용할 수 있어, 에너지 효율이 극대화될 수 있다.

Description

액추에이터를 이용한 토크 암 조절장치{control mechanism for torque arm using actuator}

본 발명은 로봇의 회전을 위한 조인트 구조 등에 있어서 액추에이터를 통해 토크 암의 길이를 조절하는 액추에이터를 이용한 토크 암 조절장치에 관한 것이다.

동일한 토크를 받고 있는 회전축에서 토크 암(torque arm)의 길이에 따라 선형 액추에이터(linear actuator)에서 전달되는 전달력(토크)에는 큰 차이가 발생한다. 즉 토크 암의 길이가 길어질수록 더 적은 힘으로 동일한 토크를 발생시킬 수 있다. 그러나 토크 암의 길이가 길어질수록 선형 액추에이터의 전달력에는 이득을 얻을 수 있지만, 선형 액추에이터의 동일한 선형속도에 대해 전달되는 각속도는 줄어들게 된다.

일반적으로 유압 액추에이터(hydraulic actuator)의 사용유량은 유압 액추에이터의 선형속도에 비례하는데, 관절에 필요한 토크와 각속도에 따라서 토크 암의 길이를 가변적으로 변화시키는 것은 상황에 맞춰 사용유량을 최소화하면서 더 큰 토크를 발생시킬 수 있는 한 방법이 된다.

종래의 유압시스템을 이루고 있는 족형 로봇들의 다리 구조는 관절의 회전축이 고정 형태로 이루어져 있어 토크 암(Torque Arm)의 길이가 유동적으로 변할 수 없었다. 이에 따라 로봇 구동 시 상술한 토크 암의 길이 변화를 이용하여 유량제어를 통한 힘의 감소나 유량 감소를 이루는 것은 불가능하였다.

이러한 토크 암의 길이 변화를 이용한 유량제어 없이, 로봇 구동을 위한 제어 알고리즘만으로 상황에 맞는 최적의 힘 및 유량을 구현하고 에너지 효율을 높이는 데에는 한계가 있다. 따라서 로봇의 상태를 최적으로 구현하기 위해서는, 제어 알고리즘과 더불어 로봇의 다리에 토크 암의 길이 조절과 관련된 기계적인 구조 변경이 이루어질 필요가 있다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 로봇의 다리 구조에 있어서 토크 암의 길이를 효과적으로 제어하여 로봇 구동 시의 에너지 효율이 극대화될 수 있는 액추에이터를 이용한 토크 암 조절장치를 제공하는 것이다.

상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 한 실시예에 따른 액추에이터를 이용한 토크 암 조절장치는 제1 파트가 제2 파트에 대해 상대적으로 회전 가능하도록 회전축을 형성하면서 상기 제1 파트와 상기 제2 파트를 연결하는 토크 암 제어장치로서, 상기 제1 파트의 일측에 형성되는 슬롯, 상기 제2 파트의 일측에 구비되고, 상기 슬롯을 따라 이동 가능하도록 상기 슬롯에 장착되어, 상기 회전축을 형성하는 롤링 핀, 일단이 상기 제1 파트에 구비된 제1 구동축에 회전 가능하도록 연결되고, 타단이 상기 제2 파트에 구비된 제2 구동축에 회전 가능하도록 연결되는 액추에이터, 그리고 일단이 상기 롤링 핀에 회전 가능하도록 연결되고, 타단이 상기 제1 파트에 회전 가능하도록 연결되는 토크 암 조절 액추에이터를 포함하며, 상기 슬롯은 상기 액추에이터가 수축되면 상기 롤링 핀이 상기 토크 암 조절 액추에이터에 의해 제어되어 상기 제1 구동축에서 멀어지게 이동하고, 상기 액추에이터가 신장되면 상기 롤링 핀이 상기 토크 암 조절 액추에이터에 의해 제어되어 상기 제1 구동축에 가까워지게 이동하도록 형성된다.

상기 제1 구동축은 상기 슬롯으로부터 상기 제1 파트의 타측 방향으로 이격될 수 있다.

상기 슬롯은 상기 회전축에 수직되게 연장될 수 있다.

상기 슬롯은 상기 제1 파트의 타측에서 일측 방향으로 볼록한 곡선을 따라 형성될 수 있다.

상기 볼록한 곡선은 반원호일 수 있다.

상기 토크 암 조절 액추에이터는 상기 액추에이터가 수축되면서 상기 제2 파트에 대해 상기 제1 파트를 상대적으로 가까워지도록 당기면, 상기 롤링 핀을 상기 액추에이터의 당기는 방향의 반대 방향으로 상기 슬롯을 따라 이동시키고, 상기 액추에이터가 신장되면서 상기 제2 파트에 대해 상기 제1 파트를 상대적으로 멀어지도록 밀면, 상기 롤링 핀을 상기 액추에이터의 미는 방향의 반대 방향으로 상기 슬롯을 따라 이동시킬 수 있다.

상기 제2 구동축은 상기 제2 파트의 타측에 구비될 수 있다.

상기 액추에이터는 선형 유압 액추에이터(linear hydraulic actuator)일 수 있다.

상기 토크 암 조절 액추에이터는 타단이 상기 제1 파트에 구비된 상기 제1 구동축에 연결될 수 있다.

본 발명에 의하면, 회전축이 슬롯과 롤링 핀 및 토크 암 조절 액추에이터에 의해 가변적으로 이동될 수 있도록 구성됨으로써, 로봇의 다리 구조에 있어서 토크 암의 길이를 효과적으로 조절하여 로봇의 구동 시 상황에 따라 종래보다 상대적으로 적은 힘이나 유량을 사용할 수 있어, 에너지 효율이 극대화될 수 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 액추에이터를 이용한 토크 암 조절장치의 제1 구동예를 나타낸 개략적인 입체도이다.
도 2는 도 1의 액추에이터를 이용한 토크 암 조절장치의 제2 구동예를 나타낸 개략적인 입체도이다.
도 3은 토크 암 조절 액추에이터의 연결 관계 및 유압시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4의 (a)는 제1 파트의 타측에서 일측 방향으로 바라보았을 때, 제1 파트의 타측 방향을 중심으로 양(+)의 곡률 반경을 가지는 볼록한 곡선을 따라 슬롯이 형성되어 있는 모습을 나타내고, 도 4의 (b)는 음(-)의 곡률 반경을 가지는 볼록한 곡선을 따라 슬롯이 형성되어 있는 모습을 나타낸다.

이하에서 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 액추에이터를 이용한 토크 암 조절장치의 제1 구동예를 나타낸 개략적인 입체도이고, 도 2는 도 1의 액추에이터를 이용한 토크 암 조절장치의 제2 구동예를 나타낸 개략적인 입체도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 액추에이터를 이용한 토크 암 조절장치(100)는 제1 파트(210)가 제2 파트(220)에 대해 상대적으로 회전 가능하도록 회전축(300)을 형성하면서 제1 파트(210)와 제2 파트(220)를 연결하는 토크 암 조절장치(100)에 관한 것이다.

예를 들면, 제1 파트(210)의 일측(211)과 제2 파트(220)의 일측(221)에 각각 슬롯(1)과 롤링 핀(2)이 형성되어 슬롯(1)에 롤링 핀(2)이 장착됨으로써, 롤링 핀(2)을 회전축(300)으로 하여 제1 파트(210)가 제2 파트(220)에 대해 상대적으로 회전 가능할 수 있다.

또한 예시적으로, 제1 파트(210)는 족형 로봇의 다리 부분 중 무릎 관절의 아래쪽에 해당되는 부분일 수 있고, 제2 파트(220)는 족형 로봇의 다리 부분 중 무릎 관절의 위쪽에 해당되는 부분일 수 있으며, 또는 그 반대일 수도 있다.

또한, 제1 파트(210)가 제2 파트(220)에 대해 상대적으로 회전된다는 것은, 이를테면 족형 로봇이 걷거나 달리기 위해 조합되는 동작들 중 무릎 관절을 움직이는 동작에 해당될 수 있다.

즉 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 액추에이터를 이용한 토크 암 조절장치(100)는 상술한 족형 로봇의 다리 동작(또는 팔 동작)을 보다 효율적으로 구현하기 위해 토크 암의 길이를 제어하는 장치에 관한 것일 수 있지만, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 액추에이터를 이용한 토크 암 조절장치(100)가 활용될 수 있는 모든 분야에 권리범위 내에서 적절하게 변형되어 적용될 수 있다.

본 액추에이터를 이용한 토크 암 조절장치(100)의 구성을 살펴보면, 본 액추에이터를 이용한 토크 암 조절장치(100)는 슬롯(1), 롤링 핀(2), 액추에이터(3), 그리고 토크 암 조절 액추에이터(4)를 포함한다.

우선, 슬롯(1)의 구성을 살핀다.

슬롯(1)은 제2 파트(220)에 구비된 롤링 핀(2)이 장착되는 부분으로 제1 파트(210)에 형성된다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 슬롯(1)은 제1 파트(210)의 일측(211)에 형성된다.

또한, 슬롯(1)은 회전축(300)에 수직되게 연장될 수 있다. 다시 말해, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 슬롯(1)은 회전축(300)에 수직한 평면(P) 상에서 연장되어 있다. 슬롯(1)이 회전축(300)과 수직으로 연장되어 형성되는 것은 슬롯(1)에 장착되는 롤링 핀(2)이 회전축(300)과 수직인 소정의 경로를 따라 이동될 수 있도록 하기 위함이다.

슬롯(1)의 경로에 대해 보다 상세히 살피면, 슬롯(2)은 액추에이터(3)가 수축되면 롤링 핀(2)이 토크 암 조절 액추에이터(4)에 의해 제어되어 제1 구동축(213)에서 멀어지게 이동하고, 액추에이터(3)가 신장되면 롤링 핀(2)이 토크 암 조절 액추에이터(4)에 의해 제어되어 제1 구동축(213)에 가까워지게 이동하도록 형성된다.

예시적으로 도 1을 참조하면, 액추에이터(3)가 수축되는 경우는 족형 로봇이 다리를 구부리는 경우에 해당될 수 있다. 족형 로봇이 걷거나 뛰면서 다리를 구부리는 경우는 보통 다리를 앞으로 공중에 뻗었다가 다리로 지면을 디디면서 뒤로 밀어내는 경우로, 지면을 디뎌 밀어내야 되므로 지면을 지지하는 데에 큰 힘(토크)을 필요로 하게 된다.

액추에이터(3)의 동일한 수축 량으로도 큰 힘을 낼 수 있도록 하기 위해서는, 토크 암의 길이가 길어져야 한다. 토크 암의 길이에 비례하여 제1 파트(210) 및 제2 파트(220)에 작용되는 토크가 커지기 때문이다.

회전축(300)에 해당되는 롤링 핀(2)이 액추에이터(3)를 통해 힘이 전달되는 제1 구동축(213)으로부터 멀어져야 토크 암이 길어지는 것이므로, 이 경우에 슬롯(1)은 상술한 바와 같이 롤링 핀(2)이 제1 구동축(213)에서 멀어지게 이동하도록 형성됨이 바람직하다. 이때, 롤링 핀(2)은 후술할 토크 암 조절 액추에이터(4)에 의해 제1 구동축(213)으로부터 멀어지도록 이동되게 제어된다.

이에 반해 도 2를 참조하면, 액추에이터(3)가 신장되는 경우는 족형 로봇이 다리를 펴는 경우에 해당될 수 있다. 족형 로봇이 걷거나 뛰면서 다리를 펴는 경우는 보통 다리로 지면을 디디면서 뒤로 밀어낸 후 다시 다리를 앞으로 공중에 뻗어 내미는 경우로, 지면을 지지하거나 하지는 않지만 다리를 빠른 속도로 앞으로 뻗어 내밀어야 하므로 회전에 있어서의 빠른 각속도를 필요로 하게 된다.

액추에이터(3)의 동일한 신장 량에 대해 빠른 각속도를 확보하기 위해서는, 큰 힘을 내는 경우와는 반대로 토크 암의 길이가 짧아져야 한다. 토크 암의 길이가 짧아질수록 동일한 신장 량에 대해 회전되는 각의 변화량이 커지기 때문이다.

회전축(300)에 해당되는 롤링 핀(2)이 액추에이터(3)를 통해 힘이 전달되는 제1 구동축(213)으로부터 가까워져야 토크 암이 짧아지는 것이므로, 이 경우에 슬롯(1)은 상술한 바와 같이 롤링 핀(2)이 제1 구동축(213)에 가까워지게 이동하도록 형성됨이 바람직하다. 이때, 롤링 핀(2)은 후술할 토크 암 조절 액추에이터(4)에 의해 제1 구동축(213)으로부터 멀어지도록 이동되게 제어된다.

이러한 슬롯(1)에 대한 롤링 핀(2)의 이동이 자연스럽게 이루어지도록 하기 위해, 슬롯(1)은 곡선 경로를 따라 형성될 수 있다. 예시적으로 도 1 및 도 2에 나타난 바와 같이, 슬롯(1)은 제1 파트(210)의 타측(212)에서 일측(211) 방향으로 볼록한 곡선을 따라 형성될 수 있다. 즉, 슬롯(1)은 제1 파트(210)의 타측(212)에서 일측(211) 방향으로 바라보았을 때, 제1 파트(210)의 타측(212) 방향을 중심으로 양(+)의 곡률 반경을 가지는 볼록한 곡선을 따라 형성되어 있다. 도 4의 (a)에는 타측 방향을 중심으로 하여 양(+)의 곡률 반경으로 슬롯이 형성되어 있는 경우를 나타내며, 참고로 도 4의 (b)에는 타측 방향을 중심으로 하여 음(-)의 곡률 반경으로 슬롯이 형성되어 있는 경우를 대비적으로 나타내고 있다. 또한, 이러한 볼록한 곡선은 반원호일 수 있다.

이와 같이 슬롯(1)이 형성되는 이유는 후술할 토크 암 조절 액추에이터(4)의 구성과 본 액추에이터를 이용한 토크 암 조절장치(100)의 작용에서 토크 암 조절 액추에이터(4)에 의한 롤링 핀(2)의 제어를 설명하면서 살피기로 한다.

다음으로, 롤링 핀(2)의 구성을 살핀다.

롤링 핀(2)은 제2 파트(220)에 구비되어 제1 파트(210)에 형성된 슬롯(1)에 장착되는 구성으로, 제1 파트(220)가 제2 파트(220)에 대해 상대적인 회전을 할 때 회전축(300) 역할을 하는 부분이다. 즉 롤링 핀(2)은 슬롯(1)에 장착되면 그 중심축이 회전축(300)이 될 수 있다.

즉, 도 1 및 도 2에 나타난 바와 같이, 롤링 핀(2)은 제2 파트(220)의 일측(221)에 구비되고, 슬롯(1)을 따라 이동 가능하도록 슬롯(1)에 장착되어, 회전축(300)을 형성한다. 롤링 핀(2)은 슬롯(1)에 회전만 가능하고 이동 자유도는 제한되는 고정적인 상태로 장착되는 것이 아니라, 슬롯(1)에 형성된 경로를 따라 이동이 가능하도록 장착된다. 따라서 본 액추에이터를 이용한 토크 암 조절장치(100)에서 회전축(300)은 이러한 이동되는 롤링 핀(2)에 맞추어 그 위치가 변하게 되는 가변적인 회전축이 된다.

또한 도 1 및 도 2에 나타난 바와 같이, 롤링 핀(2)은 후술할 토크 암 조절 액추에이터(4)의 타단과 연결되어, 슬롯(1)에서의 이동을 토크 암 조절 액추에이터(4)의 신장 또는 수축에 의해 제어 받는다.

이러한 액추에이터(3) 및 토크 암 조절 액추에이터(4)의 구동에 따른 슬롯(1)에 대한 롤링 핀(2)의 이동에 대하여 도 1 및 도 2를 참조하여 롤링 핀(2)의 관점에서 살펴본다.

도 1에 나타난 바와 같이, 액추에이터(3)가 수축되면서 제2 파트(220)에 대해 제1 파트(210)가 상대적으로 가까워지도록 당기면, 롤링 핀(2)은 후술할 토크 암 액추에이터(4)에 의해 제어되어 액추에이터(3)가 당기는 방향의 반대 방향으로 슬롯(1)을 따라 이동될 수 있다.

이와 같이 롤링 핀(2)이 이동되면, 롤링 핀(2)과 제1 구동축(213)과의 거리가 멀어지게 되므로 토크 암의 길이가 길어지게 되어, 액추에이터(3)가 동일한 수축 량으로도 큰 토크를 발휘할 수 있게 된다.

또한 도 2에 나타난 바와 같이, 액추에이터(3)가 신장되면서 제2 파트(220)에 대해 제1 파트(210)가 상대적으로 멀어지도록 밀면, 롤링 핀(2)은 후술할 토크 암 액추에이터(4)에 의해 제어되어 액추에이터(3)가 미는 방향의 반대 방향으로 슬롯(1)을 따라 이동될 수 있다.

이와 같이 롤링 핀(2)이 이동되면, 롤링 핀(2)과 제1 구동축(213)과의 거리가 가까워지게 되므로 토크 암의 길이가 짧아지게 되어(도 1의 구동예와 비교하여 보면, 도 2의 구동예의 경우 롤링 핀(2)과 제1 구동축(213)과의 거리가 훨씬 가까워졌음을 알 수 있다), 액추에이터(3)의 동일한 신장 량으로도 제1 파트(210)에 큰 각속도를 낼 수 있게 된다.

다음으로, 액추에이터(3)의 구성을 살핀다.

액추에이터(3)(actuator)는 전기, 유압, 공기압 등을 이용하는 구동장치의 총칭으로, 보통은 유체 에너지를 이용해서 기계적인 작업을 하는 기기를 의미할 수 있다. 이를테면 액추에이터(3)는 선형 유압 액추에이터(linear hydraulic actuator)일 수 있다.

일반적으로 유압 액추에이터란 유압동력을 이용하여 메커니즘을 동작시키는 장치로, 유체에너지를 직선운동, 회전운동 등의 기계적인 일로 변환 시키는 장치이다. 메카트로닉스 기계나 로봇은 직동(直動)운동을 필요로 하는 경우가 많아 유압 액추에이터가 다양하게 사용되며, 유압식으로는 유압실린더(Pneumatic Cylinder)가 대표적이다. 그 외 부속장치로 탱크나 각종 밸브, 냉각기, 배관부속 등이 있다.

유압의 원리를 간단히 살피면, 유압펌프에서 유압을 발생시키고 제어 밸브를 거쳐서 액추에이터를 움직여서 원하는 작동을 하게 된다. 유압의 특징은 한쪽에 가한 힘이 작용되는 면적에 의해 압력이 발생되는데, 같은 힘으로 면적이 넓은 유체에 작용하면 단위면적에 대한 압력은 작아진다. 반대로 같은 힘으로 면적이 좁은 유체에 작용된다면 단위면적에 대한 압력은 크게 된다. 즉 넓이와 압력을 곱한 값은 일정한데 넓이가 다르면 압력도 다르게 된다는 것이 유체의 특징이며, 이러한 유체의 특징을 이용한 것이 유압기계이다.

이와 같이 액추에이터에 오일을 사용하는 이유는, 비등점이 높아 비교적 높은 온도에서 사용가능하고, 점성이 있어 밀봉작동과 동시에 윤활작용도 하게 되며, 부식을 방지하는 방청 역할이 우수하고, 수명이 길면서 안정된 성능의 획득이 가능하며, 압축성이 작으므로 응답성능이 우수하고, 마멸된 입자나 이물질 등의 제거의 효과도 있으며, 열의 분산 및 운반 역할을 하기 때문이다.

유압식의 장점으로는, 소형의 장치로도 큰 힘을 낼 수 있고, 힘의 조정이 쉬우면서 정확한 위치제어나 속도제어가 가능하며, 무단변속이 간단하게 이루어져 작동이 원활할 수 있고, 오일이 기계장치에 비해 가볍기 때문에 관성이 적어 진동이 적으며, 원격조작이 가능(파이프로 연결)하고, 내구성이나 윤활특성이 좋아 마모가 적으며 원활한 운전이 가능하다. 또한 유압식은 공압식에 비해 압력전달속도가 매우 빨라 반응속도가 빠르며, 공압식은 압축성으로 인해 동적부하는 최대부하의 60%이내여야 하는 반면, 유압식은 최대부하 상태에서도 동작이 가능하다.

유압 액추에이터를 이용한 유압 시스템은 오일을 공급하는 오일탱크(oil tank), 저항에 의한 압력을 생성시키는 유압펌프(hydraulic pump), 압력, 유량, 방향 등을 제어하는 밸브, 그리고 유압을 일로 변환하는 액추에이터를 포함하여 구성될 수 있다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 액추에이터(3)는 제1 파트(210)에 구비된 제1 구동축(213)에 일단(31)이 회전 가능하도록 연결되고, 제2 파트(220)에 구비된 제2 구동축(223)에 타단(32)이 회전 가능하도록 연결된다. 또한, 액추에이터(3)는 슬롯(1)으로부터 제1 파트(210)의 타측(212) 방향으로 이격될 수 있다. 참고로, 액추에이터(3)의 일단(31)은 로드 엔드(Load End), 타단(32)은 로드 셀(Load Cell)이라 할 수 있다.

액추에이터(3)가 구동되었을 때 슬롯(1)에 장착되는 롤링 핀(2)이 작용되는 토크의 중심의 역할을 하게 되며, 이러한 롤링 핀(2)으로부터 제1 구동축(213)까지의 거리가 토크 암의 길이가 될 수 있다. 즉, 액추에이터(3)가 슬롯(1)으로부터 제1 파트(210)의 타측(212) 방향으로 이격되는 거리에 따라 토크 암의 길이가 달라질 수 있으므로, 이러한 이격 거리는 본 액추에이터를 이용한 토크 암 조절장치(100)가 적용되는 부분에 따라 필요한 토크나 각속도 등을 산정하여 결정함이 바람직하다.

이때, 도 1 및 도 2를 참조하면, 제2 구동축(223)은 제2 파트(220)의 타측(222)에 구비될 수 있다. 제2 구동축(223)이 제1 파트(210)와 제2 파트(220)가 연결되는 부분으로부터 멀어질수록, 액추에이터(3)를 설치하기 위한 공간이 쉽게 확보될 수 있고, 액추에이터(3)의 가동범위가 넓어져 제1 파트(210)와 제2 파트(220)의 상대적인 회전범위도 넓어질 수 있다.

또한, 액추에이터(3)의 힘의 작용방향과 제1 파트(210)의 길이방향이 이루는 각도가 90도에 가까울수록 롤링 핀(2)을 중심으로 작용되는 토크의 토크 암 길이의 확보가 용이해질 수 있는데, 제2 구동축(223)이 제1 파트(210)와 제2 파트(220)가 연결되는 부분으로부터 멀어질수록 액추에이터(3)의 힘의 작용방향과 제1 파트(210)의 길이방향이 이루는 각도가 90도에 가까워질 수 있다. 다만, 이는 제2 구동축(223)이 제2 파트(220)의 타측(222)에 구비되더라도, 제2 파트(220)의 타측(222) 중 어느 부분에 구비되느냐에 따라 가변적으로 달라질 수 있는 부분이다.

다음으로, 토크 암 조절 액추에이터(4)의 구성을 살핀다.

도 3은 토크 암 조절 액추에이터의 연결 관계 및 유압시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.

토크 암 조절 액추에이터(4)는 일단이 가변적인 회전축(300)의 역할을 하는 롤링 핀(2)에 연결되어 슬롯(1)에 장착된 롤링 핀(2)의 위치를 제어함으로써, 토크 암의 길이를 조절하기 위한 구성이다. 토크 암 조절 액추에이터(4)의 압력의 크기에 따라서 슬롯(1)에서의 롤링 핀(2)의 위치가 가변하게 되며, 이에 따라 토크 암의 길이가 짧아지거나 길어지도록 조절할 수 있다. 이러한 토크 암 조절 액추에이터(4)는 하나만 구비될 수도 있지만, 필요한 압력의 크기 등에 따라 복수 개로 구비될 수도 있다.

도 3을 참조하여, 토크 암 액추에이터(4)를 유압시스템적인 측면에서 살펴보면, 체크밸브(41)와 위치조절밸브(42)를 통해 유량흐름을 조절하고 릴리프밸브(43)를 통해 압력을 조절함으로써, 효과적으로 이러한 가변적인 토크 암의 길이를 제어할 수 있게 된다. 토크 암 액추에이터(4)의 유압시스템에는 이 밖에도 액추에이터 매니폴드(44), 펌프(45), 전기모터 또는 엔진(46) 등이 갖추어질 수 있다.

도 1 내지 도 2를 참조하면, 토크 암 조절 액추에이터(4)는 일단이 롤링 핀(2)에 회전 가능하도록 연결되고, 타단이 제1 파트(210)에 회전 가능하도록 연결된다. 예시적으로 도 1 내지 도 3을 참조하면, 토크 암 조절 액추에이터(4)의 타단은 제1 파트(210)에 구비된 제1 구동축(213)에 연결될 수 있다.

도 1에 나타난 바와 같이, 토크 암 액추에이터(4)는 액추에이터(3)가 수축되면서 제2 파트(220)에 대해 제1 파트(210)가 상대적으로 가까워지도록 당기는 회전이 이루어지면, 롤링 핀(2)을 당기는 회전의 반대 방향으로 슬롯(1)을 따라 이동시킬 수 있다.

또한 도 2에 나타난 바와 같이, 토크 암 액추에이터(4)는 액추에이터(3)가 신장되면서 제2 파트(220)에 대해 제1 파트(210)가 상대적으로 멀어지도록 미는 회전이 이루어지면, 롤링 핀(2)을 미는 회전의 반대 방향으로 슬롯(1)을 따라 이동시킬 수 있다.

예시적으로, 슬롯(1)은 제1 파트(210)의 타측(212)에서 일측(211) 방향(도 2에서 보았을 때 위쪽방향)으로 볼록한 곡선을 따라 형성될 수 있는데, 이와 같이 슬롯(1)이 제1 파트(210)의 일측(211) 방향으로 볼록한 곡선을 따라 경로를 형성할 경우, 토크 암 조절 액추에이터(4)에 의한 롤링 핀(2)의 이동이 보다 용이해질 수 있다.

이를테면, 액추에이터(3)가 수축되는 경우 제1 파트(210)는 제2 파트(220)에 대해 상대적으로 당겨지는 회전(도 1에서 보았을 때 대략 왼쪽으로 당겨지는 시계방향의 회전)을 하게 되고, 롤링 핀(2)은 이러한 당겨지는 회전에 대한 반작용으로 회전 방향의 반대 방향(도 1에서 보았을 때 대략 오른쪽 방향)으로 이동되려고 한다. 이때, 토크 암 조절 액추에이터(4)가 신장되면서 롤링 핀(2)을 도 1에서 보았을 때 볼록한 곡선 경로의 윗부분으로 들어 올렸다가 다시 수축되면서 아래쪽으로 당기게 되면, 롤링 핀(2)은 자연스럽게 당겨지는 회전 방향의 반대 방향으로 넘어가게 될 수 있다.

반대로, 액추에이터(3)가 신장되는 경우 제1 파트(210)는 제2 파트(220)에 대해 상대적으로 밀리는 회전(도 2에서 보았을 때 대략 오른쪽으로 밀리는 반시계방향의 회전)을 하게 되고, 롤링 핀(2)은 그 반작용으로 이러한 회전 방향의 반대 방향(도 2에서 보았을 때 대략 왼쪽 방향)으로 이동되려고 한다. 이때, 토크 암 조절 액추에이터(4)가 신장되면서 롤링 핀(2)을 도 2에서 보았을 때 볼록한 곡선 경로의 윗부분으로 들어 올렸다가 다시 수축되면서 아래쪽으로 당기게 되면, 롤링 핀(2)은 자연스럽게 밀리는 회전 방향의 반대 방향으로 넘어가게 될 수 있다.

참고로, 도 1 및 도 2를 참조하여 앞서 살핀 실시예와는 달리, 제2 파트(220)에 슬롯(1)이 형성되고, 제1 파트(210)에 롤링 핀(2)이 구비되는 다른 실시예가 있을 수 있다. 하지만 제1 파트(210)와 제2 파트(220)는 서로 상대적으로 회전되는 것이라 설명하였으므로, 이러한 경우 도 1 및 도 2에 나타난 실시예에서 슬롯(1)이 형성되어 있는 제1 파트(210)를 제2 파트라 칭하고, 롤링 핀(2)이 구비되어 있는 제2 파트(220)를 제1 파트라 칭하면, 양 실시예는 결국 같은 실시예가 된다. 다만, 이 경우 제1 구동축(213)과 제2 구동축(223)의 위치나 슬롯(1)의 경로의 형상 등은 경우에 맞게 조절하는 것이 바람직하다.

이하에서는 앞서 살핀 각 구성에 따른 본 액추에이터를 이용한 토크 암 조절장치(100)의 작용 및 효과를 살핀다.

액추에이터(3)의 선속도를 빠르게 할수록 사용유량은 증가되며 압력은 감소된다. 예시적으로, 다축을 가진 족형 로봇의 각 조인트에 사용되는 유량이 증가되면 동력 시스템의 마력 및 무게가 증가되어 운용 시간이 짧아지게 된다.

토크 암의 길이가 짧을수록, 액추에이터(3)의 동일한 선속도에 대해 회전하는 각속도가 커져 더 큰 회전이 가능해진다. 즉 토크 암의 길이가 짧을수록 동일한 각속도를 내는 데에 더 작은 선속도만이 필요하게 되므로, 액추에이터(3)의 사용유량을 감소시킬 수 있다. 반대로 토크 암의 길이가 길수록, 액추에이터(3)의 동일한 작용 힘에 대해 발생되는 토크가 커지게 된다. 즉 토크 암의 길이가 길수록 동일한 토크를 생성하는 데에 더 작은 작용 힘만이 필요하게 된다.

즉 토크 암의 길이가 길어지면 작은 힘으로 동일한 토크를 작용시킬 수 있는 대신, 액추에이터(3)의 동일한 선속도에 대해 회전되는 각속도가 감소되어 동일한 각속도를 대기 위해서는 보다 많은 사용유량이 필요하게 된다. 이에 반해, 토크 암의 길이가 짧아지면 액추에이터(3)의 동일한 선속도에 대해 각속도가 증가되어 동일한 각속도를 내기 위해 보다 적은 사용유량이 필요하게 되는 대신, 동일한 토크를 작용시키기 위해 보다 많은 힘이 들게 된다.

그런데 족형 로봇의 이동시 스윙 단계에는 빠른 선속도가 요구되고 힘은 적게 소요된다. 반대로, 지면 지지 단계에는 많은 힘이 소요되는 대신 빠른 선속도가 요구되지는 않는다. 따라서 상술한 토크 암의 길이에 따른 선속도, 작용 힘, 그리고 사용유량을 활용하면 족형 로봇의 이동시에 소요되는 전체 동력을 줄일 수 있다.

도 1에 나타난 바와 같이, 액추에이터(3)가 수축되면서 제1 구동축(213)과 제2 구동축(223)을 당기면, 제1 파트(210)는 제2 파트(220)에 대해 가변적인 회전축(300)의 역할을 하는 롤링 핀(2)을 중심으로 상대적으로 당겨지는 회전(도 1에서 보았을 때 시계 방향의 회전)을 하게 된다. 이때 가변적인 회전축(300)인 롤링 핀(2)은 이러한 액추에이터(3)의 당기는 구동에 대한 반작용으로 당겨지는 방향의 반대편인 슬롯(1)의 바깥쪽 끝부분(도 1에서 보았을 때 오른쪽 끝부분)으로 이동되려는 힘을 받게 된다.

롤링 핀(2)이 이러한 상태에 있을 때, 토크 암 조절 액추에이터(4)는 슬롯(1)이 형성된 경로에 맞게 적절히 신장 또는 수축되면서 롤링 핀(2)이 슬롯(1)의 바깥쪽 끝부분으로 이동될 수 있게 한다.

예를 들면 토크 암 조절 액추에이터(4)가 신장되면서 롤링 핀(2)을 도 1에서 보았을 때 볼록한 곡선 경로의 윗부분으로 들어 올리면 롤링 핀(2)은 볼록한 곡선 경로를 따라 슬롯(1)의 바깥쪽 끝부분을 향하여 넘어가게 되고, 토크 암 조절 액추에이터(4)가 다시 수축되면서 롤링 핀(2)을 도 1에서 보았을 때 아래쪽으로 당기게 되면, 롤링 핀(2)은 슬롯(1)의 바깥쪽 끝부분에 안착하게 될 수 있다.

이와 같은 위치로 롤링 핀(2)이 이동되면 이동되기 전보다 롤링 핀(2)은 제1 구동축(213)으로부터 멀어지게 되어 작용되는 토크에 대한 팔 길이, 즉 토크 암이 길이지게 된다. 이에 따라 같은 힘이 제1 구동축(213)을 통해 제1 파트(210)에 작용되더라도 길어진 토크 암에 의해 더 큰 토크가 작용되게 된다.

예시적으로 도 1에 나타난 바와 같이, 족형 로봇의 다리 구조에 본 액추에이터를 이용한 토크 암 조절장치(100)가 적용되는 경우에는, 액추에이터(3)를 수축하여 걷거나 뛰는 방향의 뒤쪽으로 제1 파트(210)를 당기게 되면, 그 반작용과 토크 암 조절 액추에이터(4)의 조절에 의해 롤링 핀(2)이 슬롯(1)을 따라 걷거나 뛰는 방향의 앞쪽으로 이동되어 토크 암의 길이가 길어지게 된다.

이처럼 액추에이터(3)의 수축 시 큰 토크가 발휘되는 것은 앞서 살핀 바와 같이 족형 로봇이 걷거나 달릴 때 다리를 구부려 지면을 디디는 경우에 효과적일 수 있다.

도 2에 나타난 바와 같이, 액추에이터(3)가 신장되면서 제1 구동축(213)과 제2 구동축(223)을 밀어내면, 제1 파트(210)는 제2 파트(220)에 대해 가변적인 회전축(300)의 역할을 하는 롤링 핀(2)을 중심으로 상대적으로 밀리는 회전(도 2에서 보았을 때 반시계 방향의 회전)을 하게 된다. 이때 가변적인 회전축(300)인 롤링 핀(2)은 이러한 액추에이터(3)의 미는 구동에 대한 반작용으로 밀리는 방향의 반대편인 슬롯(1)의 안쪽 끝부분(도 2에서 보았을 때 왼쪽 끝부분)으로 이동되려는 힘을 받게 된다.

롤링 핀(2)이 이러한 상태에 있을 때, 토크 암 조절 액추에이터(4)는 슬롯(1)이 형성된 경로에 맞게 적절히 신장 또는 수축되면서 롤링 핀(2)이 슬롯(1)의 안쪽 끝부분으로 이동될 수 있게 한다.

예를 들면 토크 암 조절 액추에이터(4)가 수축되면서 롤링 핀(2)을 도 2에서 보았을 때 볼록한 곡선 경로의 윗부분으로 들어 올리면 롤링 핀(2)은 볼록한 곡선 경로를 따라 슬롯(1)의 안쪽 끝부분을 향하여 넘어가게 되고, 토크 암 조절 액추에이터(4)가 다시 수축되면서 롤링 핀(2)을 도 2에서 보았을 때 아래쪽으로 당기게 되면, 롤링 핀(2)은 슬롯(1)의 안쪽 끝부분에 안착하게 될 수 있다.

이와 같은 위치로 롤링 핀(2)이 이동되면 이동되기 전보다 롤링 핀(2)은 제1 구동축(213)에 가까워지게 되어 작용되는 토크에 대한 팔 길이, 즉 토크 암이 짧아지게 된다. 이에 따라 같은 신장 량(변위)이 제1 구동축(213)을 통해 제1 파트(210)에 전달되더라도 짧아진 토크 암에 의해 더 큰 각속도를 내게 된다.

예시적으로 도 2에 나타난 바와 같이, 족형 로봇의 다리 구조에 본 액추에이터를 이용한 토크 암 조절장치(100)가 적용되는 경우에는, 액추에이터(3)를 신장하여 걷거나 뛰는 방향의 앞쪽으로 제1 파트(210)를 밀어내게 되면, 그 반작용과 토크 암 조절 액추에이터(4)의 조절에 의해 롤링 핀(2)이 슬롯(1)을 따라 걷거나 뛰는 방향의 뒤쪽으로 이동되어 토크 암의 길이가 짧아지게 된다.

이처럼 액추에이터(3)의 신장 시 제1 파트(210)가 큰 각속도를 낼 수 있는 것은 앞서 살핀 바와 같이 족형 로봇이 걷거나 달릴 때 다리를 펴 앞을 향해 빠르게 내뻗는 경우에 효과적일 수 있다.

본 발명에 의하면, 회전축(300)이 슬롯(1)과 롤링 핀(2) 및 토크 암 조절 액추에이터(4)에 의해 가변적으로 이동될 수 있도록 구성됨으로써, 로봇의 다리 구조에 있어서 토크 암의 길이를 효과적으로 조절하여 로봇의 구동 시 상황에 따라 종래보다 상대적으로 적은 힘이나 유량을 사용할 수 있어, 에너지 효율이 극대화될 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등한 것으로 인정되는 범위의 모든 변경 및 수정을 포함한다.

100. 액추에이터를 이용한 토크 암 조절장치
1. 슬롯 2. 롤링 핀
3. 액추에이터 31. 일단(Load End)
32. 타단(Load Cell) 4. 토크 암 조절 액추에이터
41. 체크밸브 42. 위치조절밸브
43. 릴리프밸브 44. 액추에이터 매니폴드
45. 펌프 46. 전기모터 또는 엔진
210. 제1 파트 211. 일측
212. 타측 213. 제1 구동축
220. 제2 파트 221. 일측
222. 타측 223. 제2 구동축
300. 회전축

Claims (9)

1. 제1 파트가 제2 파트에 대해 상대적으로 회전 가능하도록 회전축을 형성하면서 상기 제1 파트와 상기 제2 파트를 연결하는 토크 암 조절장치로서,
   상기 제1 파트의 일측에 형성되는 슬롯,
   상기 제2 파트의 일측에 구비되고, 상기 슬롯을 따라 이동 가능하도록 상기 슬롯에 장착되어, 상기 회전축을 형성하는 롤링 핀,
   일단이 상기 제1 파트에 구비된 제1 구동축에 회전 가능하도록 연결되고, 타단이 상기 제2 파트에 구비된 제2 구동축에 회전 가능하도록 연결되는 액추에이터, 그리고
   일단이 상기 롤링 핀에 회전 가능하도록 연결되고, 타단이 상기 제1 파트에 회전 가능하도록 연결되는 토크 암 조절 액추에이터
   를 포함하며,
   상기 슬롯은 상기 액추에이터가 수축되면 상기 롤링 핀이 상기 토크 암 조절 액추에이터에 의해 제어되어 상기 제1 구동축에서 멀어지게 이동하고, 상기 액추에이터가 신장되면 상기 롤링 핀이 상기 토크 암 조절 액추에이터에 의해 제어되어 상기 제1 구동축에 가까워지게 이동하도록 형성되는, 액추에이터를 이용한 토크 암 조절장치.
2. 제1항에서,
   상기 제1 구동축은 상기 슬롯으로부터 상기 제1 파트의 타측 방향으로 이격되는, 액추에이터를 이용한 토크 암 조절장치.
3. 제1항에서,
   상기 슬롯은 상기 회전축에 수직한 평면 상에서 연장되는, 액추에이터를 이용한 토크 암 조절장치.
4. 제1항에서,
   상기 슬롯은 상기 제1 파트의 타측에서 일측 방향으로 바라보았을 때, 상기 제1 파트의 타측 방향을 중심으로 양의 곡률 반경을 가지는 볼록한 곡선을 따라 형성되는, 액추에이터를 이용한 토크 암 조절장치.
5. 제4항에서,
   상기 볼록한 곡선은 반원호인, 액추에이터를 이용한 토크 암 조절장치.
6. 제1항에서,
   상기 토크 암 조절 액추에이터는
   상기 액추에이터가 수축되면서 상기 제2 파트에 대해 상기 제1 파트를 상대적으로 가까워지도록 당기면, 상기 롤링 핀을 상기 액추에이터가 당기는 방향의 반대 방향으로 상기 슬롯을 따라 이동시키고,
   상기 액추에이터가 신장되면서 상기 제2 파트에 대해 상기 제1 파트를 상대적으로 멀어지도록 밀면, 상기 롤링 핀을 상기 액추에이터가 미는 방향의 반대 방향으로 상기 슬롯을 따라 이동시키는, 액추에이터를 이용한 토크 암 조절장치.
7. 제1항에서,
   상기 제2 구동축은 상기 제2 파트의 타측에 구비되는, 액추에이터를 이용한 토크 암 조절장치.
8. 제1항에서,
   상기 액추에이터는 선형 유압 액추에이터(linear hydraulic actuator)인, 액추에이터를 이용한 토크 암 조절장치.
9. 제1항에서,
   상기 토크 암 조절 액추에이터는 타단이 상기 제1 파트에 구비된 상기 제1 구동축에 연결되는, 액추에이터를 이용한 토크 암 조절장치.

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