KR101271774B1 - 관절장치 및 이를 사용한 연결장치 - Google Patents

Abstract

신축, 전후 및 좌우 구부림, 뒤틀림 및, 비틀림 등 다양한 동작이 가능하도록 하는 관절장치 및 이를 사용한 연결장치를 개시한다.
본 발명의 일실시예에 따른 관절장치는 서로 연결되며 회전하도록 구성된 한 쌍의 회전구동부(200,200'); 및 일측이 상기 회전구동부(200,200')에 각각 연결되어 상기 회전구동부(200,200')와 함께 신축, 전후 및 좌우 구부림, 뒤틀림 및, 비틀림이 가능하도록 구성된 한 쌍의 연결부(300,300'); 를 포함하여 구성될 수 있다.
상기와 같은 구성에 의해 본 발명은 신축, 전후 및 좌우 구부림, 뒤틀림 및, 비틀림 등 다양한 동작이 가능할 수 있으며, 사용자의 다양한 동작에 맞게 동작할 수 있다.

Description

관절장치 및 이를 사용한 연결장치{ARTICULATION APPRATUS AND CONNECTION APPARATUS USING THE SAME}

본 발명은 로봇에 사용되는 관절장치 및 이를 사용한 연결장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 신축, 전후 및 좌우 구부림, 뒤틀림 및, 비틀림 등 다양한 동작이 가능하도록 하는 관절장치 및 이를 사용한 연결장치에 관한 것이다.

근력증강로봇이라고도 불리우는 착용형 로봇(Wearable Robot)은 사람의 몸에 착용된다. 그리고, 착용자의 동작의도를 기반으로 프레임에 연계된 액츄에이터를 동작시켜서 착용자의 물리적인 힘을 증폭시킨다.

이러한 착용형 로봇은 철강 또는 중공업 분야에서 사람의 힘으로 다루기 힘든 고부하의 하중을 다루거나, 프로그램화된 기계의 동작으로 수행하기 힘든 비 정형화된 반복 작업을 처리할 때 사용된다. 또한, 3D 기피현상에 의한 생산인력감소에 따른 작업 생산성 저하가 발생하지 않도록 하며 아울러 위험한 작업환경으로부터 작업자를 보호하는 역할도 한다.

착용형 로봇은 일반적으로 상지로봇과 하지로봇으로 나뉘어지며, 상지로봇은 팔관절과 어깨관절이 연계되어 착용자의 동작을 직접적으로 수행하고, 하지로봇은 상지로봇과 무거운 하중을 지지하며 착용형 로봇을 이동시키는 역할을 한다.

한편, 상지로봇과 하지로봇은 사람의 척추부에 해당하는 연결장치에 의해서 연결된다. 이러한 연결장치는 상지로봇으로부터 하지로봇으로 전달되는 하중을 견뎌야만 하고, 착용자의 동작의도와 맞게 동작하여야 한다. 착용형 로봇은 접히고 펴는 단순한 동작뿐만 아니라 인체공학적으로 설계되어 착용자의 동작과 유사하게 동작 되어야만 한다.

그러나, 종래의 연결장치는 운동범위에 제약이 있다는 문제점이 있다. 따라서, 사용자의 다양한 동작, 예컨대 신축, 전후 및 좌우 구부림, 전후 및 좌우 구부림이 조합된 동작(이하, '뒤틀림'이라 한다) 및, 비틀림에 맞게 동작하지 못한다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래에서 발생하는 요구 또는 문제들 중 적어도 어느 하나를 인식하여 이루어진 것이다.

본 발명의 목적의 일 측면은 신축, 전후 및 좌우 구부림, 뒤틀림 및, 비틀림 등 다양한 동작이 가능하도록 하는 것이다.

본 발명의 목적의 다른 측면은 사용자의 다양한 동작에 맞게 동작하도록 하는 것이다.

상기 과제들 중 적어도 하나의 과제를 실현하기 위한 일실시 형태와 관련된 관절장치 및 이를 사용한 연결장치는 다음과 같은 특징을 포함할 수 있다.

본 발명은 기본적으로 신축, 전후 및 좌우 구부림, 뒤틀림 및, 비틀림 등 다양한 동작이 가능하도록 구성된 것을 기초로 한다.

본 발명의 일실시 형태에 따른 관절장치는 서로 연결되며 회전하도록 구성된 한 쌍의 회전구동부; 및 일측이 회전구동부에 각각 연결되어 회전구동부와 함께 신축, 전후 및 좌우 구부림, 뒤틀림 및, 비틀림이 가능하도록 구성된 한 쌍의 연결부; 를 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기 회전구동부는 Y축을 중심으로 독립적으로 회전하며, 연결부는, Z축방향으로 독립적으로 신축되고 일측이 회전구동부에 각각 연결되는 선형구동부재와, 일측이 선형구동부재에 Z축과 X축을 중심으로 회전가능하게 연결되는 조인트부 포함할 수 있다.

그리고, 상기 X축은 전후축이고, Y축은 좌우축이며, Z축은 상하축일 수 있다.

또한, 상기 선형구동부재는 공압 또는 유압실린더일 수 있다.

그리고, 상기 조인트부는 일측이 선형구동부재의 타측에 연결되는 조인트부재; 및 일측이 조인트부재의 타측에 Z축과 X축을 중심으로 회전가능하게 연결되는 아암부재; 를 포함할 수 있다.

또한, 상기 조인트부재는 유니버셜조인트일 수 있다.

그리고, 상기 아암부재의 타측에는 다른 관절장치의 회전구동부가 회전가능하게 연결될 수 있다.

또한, 상기 회전구동부는 구동모터를 포함할 수 있다.

그리고, 상기 구동모터는 초음파모터나 전기모터, 서보모터 또는 유압모터일 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 연결장치는 제1프레임; 서로 연결되며 일측이 제1프레임에 연결되는 전술한 복수개의 관절장치; 및 복수개의 관절장치의 타측에 연결되는 제2프레임; 을 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 제1프레임은 착용형 로봇의 상지로봇에 연결되고, 제2프레임은 착용형 로봇의 하지로봇에 연결될 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 신축, 전후 및 좌우 구부림, 뒤틀림 및, 비틀림 등 다양한 동작이 가능할 수 있다.

본 발명의 목적의 다른 측면은 사용자의 다양한 동작에 맞게 동작하도록 할 수 있다.

도1은 본 발명에 따른 관절장치의 일실시예를 나타내는 사시도이다.
도2는 본 발명에 따른 관절장치의 일실시예의 신축 상태를 나타내는 사시도이다.
도3은 본 발명에 따른 관절장치의 일실시예의 전후 구부림 상태를 나타내는 측면도이다.
도4는 본 발명에 따른 관절장치의 일실시예의 좌우 구부림 상태를 나타내는 후면도이다.
도5는 본 발명에 따른 관절장치의 일실시예의 뒤틀림 상태를 나타내는 사시도이다.
도6은 본 발명에 따른 관절장치의 일실시예의 비틀림 상태를 나타내는 사시도이다.
도7은 본 발명에 따른 연결장치의 일실시예를 나타내는 사시도이다.
도8은 본 발명에 따른 연결장치의 일실시예의 신축 상태를 나타내는 사시도이다.
도9는 본 발명에 따른 연결장치의 일실시예의 전후 구부림 상태를 나타내는 측면도이다.
도10은 본 발명에 따른 연결장치의 일실시예의 좌우 구부림 상태를 나타내는 후면도이다.
도11은 본 발명에 따른 연결장치의 일실시예의 뒤틀림 상태를 나타내는 사시도이다.
도12는 본 발명에 따른 연결장치의 일실시예의 비틀림 상태를 나타내는 사시도이다.

상기와 같은 본 발명의 특징들에 대한 이해를 돕기 위하여, 이하 본 발명의 실시예와 관련된 관절장치 및 이를 사용한 연결장치에 대하여 보다 상세하게 설명하도록 하겠다.

이하, 설명되는 실시예들은 본 발명의 기술적인 특징을 이해시키기에 가장 적합한 실시예들을 기초로 하여 설명될 것이며, 설명되는 실시예들에 의해 본 발명의 기술적인 특징이 제한되는 것이 아니라, 이하, 설명되는 실시예들과 같이 본 발명이 구현될 수 있다는 것을 예시하는 것이다. 따라서, 본 발명은 아래 설명된 실시예들을 통해 본 발명의 기술 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능하며, 이러한 변형 실시예는 본 발명의 기술 범위 내에 속한다 할 것이다. 그리고, 이하, 설명되는 실시예의 이해를 돕기 위하여 첨부된 도면에 기재된 부호에 있어서, 각 실시예에서 동일한 작용을 하게 되는 구성요소 중 관련된 구성요소는 동일 또는 연장 선상의 숫자로 표기하였다.

본 발명와 관련된 실시예들은 기본적으로 신축, 전후 및 좌우 구부림, 뒤틀림 및, 비틀림 등 다양한 동작이 가능하도록 구성된 것을 기초로 한다.

도1에 도시된 실시예와 같이 본 발명에 따른 관절장치(100)는 한 쌍의 회전구동부(200,200')와, 한 쌍의 연결부(300,300')를 포함하여 구성될 수 있다.

회전구동부(200,200')는 도1에 도시된 실시예와 같이 서로 연결될 수 있다. 그리고, 회전하도록 구성될 수 있다. 또한, 회전구동부(200,200')는 Y축(좌우축)을 중심으로 독립적으로 회전할 수 있다. 이에 따라, 도3에 도시된 바와 같이 회전구동부(200,200')는 같은 회전각으로 같은 방향으로 회전할 수 있거나, 도5에 도시된 바와 같이 다른 회전각으로 같은 방향으로 회전할 수 있거나 도6에 도시된 바와 같이 다른 방향으로 회전할 수 있다.

이를 위해서, 회전구동부(200,200')는 구동모터(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 그리고, 일측은 구동모터에 연결되고 타측은 후술할 연결부(300,300')에 포함되는 선회구동부재(310,310')의 일측에 연결되는 회전축을 포함할 수 있다. 또한, 이러한 구성 이외에도 구동모터에 회전가능하게 연결되고 선회구동부재(310,310)에 연결되는 롤러(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 그러나, 회전구동부(200,200')의 구성은 이에 한정되지 않고, 선회구동부재(310,310')에 연결되어 선회구동부재(310,310')를 회전시키는 것이라면 주지의 어떠한 구성이라도 가능하다.

구동모터는 초음파모터나 전기모터, 서보모터 또는 유압모터일 수 있다. 예컨대, 작은 하중을 받는다면 초음파모터가 바람직하고, 이보다 큰 하중을 받는다면 전기모터가 바람직하며, 매우 큰 하중을 받는다면 유압모터가 바람직하다. 그리고, 회전각이 크지 않는 경우라면 서보모터가 바람직하다. 그러나, 구동모터는 특별히 한정되지 않고, 회전구동력을 발생시킬 수 있는 것이라면 주지의 어떠한 구성이라도 가능하다.

연결부(300,300')는 도1에 도시된 실시예와 같이 회전구동부(200,200')에 각각 연결될 수 있다. 그리고, 회전구동부(200,200')와 함께 전술하고 도2와 도8에 도시된 바와 같은 신축, 도3과 도9에 도시된 바와 같은 전후 구부림, 도4와 도10에 도시된 바와 같은 좌우 구부림, 도5와 도11에 도시된 바와 같은 전후 구부림과 좌우 구부림이 조합된 운동(이하, '뒤틀림'이라고 한다), 및 도6과 도12에 도시된 바와 같은 비틀림이 가능하도록 구성될 수 있다.

이를 위해서, 도1에 도시된 실시예와 같이 연결부(300,300')는 선형구동부재(310,310')와, 조인트부(320,320')를 포함할 수 있다.

선형구동부재(310,310')는 Z축(상하축)방향으로 독립적으로 신축될 수 있다. 그리고, 일측이 회전구동부(200,200')에 각각 연결될 수 있다. 이에 따라, 도2에 도시된 바와 같이 각 선형구동부재(310,310')가 같은 길이로 신장 또는 축소될 수 있다. 그리고, 도4와 도5에 도시된 바와 같이 다른 길이로 신장 또는 축소될 수 있다.

이러한 선형구동부재(310,310')는 예컨대, 공압 또는 유압실린더일 수 있다. 그러나, 선형구동부재(310,310')는 이에 한정되지 않고, 회전구동부(200,200')에 각각 연결되며 독립적으로 신축가능한 것이라면 주지의 어떠한 것이라도 가능하다.

조인트부(320,320')는 일측이 선형구동부재(310,310')에 Z축(상하축)과 X축(전후축)을 중심으로 회전가능하게 연결될 수 있다.

이를 위해서, 조인트부(320,320')는 도1에 도시된 실시예와 같이 조인트부재(321,321')와, 아암부재(322,322')를 포함할 수 있다.

도1에 도시된 실시예와 같이 조인트부재(321,321')는 일측이 선형구동부재(310,310')의 타측에 연결될 수 있다 또한, 도시된 실시예와 같이 아암부재(322,322')는 일측이 조인트부재(321,321')의 타측에 Z축(상하축) 및 X축(전후축)을 중심으로 회전가능하게 연결될 수 있다.

이러한 조인트부재(321,321')는 예컨대 유니버셜조인트일 수 있다. 그러나, 조인트부재(321,321')는 유니버셜조인트에 한정되지 않고, 아암부재(322,322')가 Z축(상하축) 및 X축(전후축)을 중심으로 회전가능하게 연결되는 것이라면 주지의 어떠한 것이라도 가능하다.

또한, 아암부재(322,322')의 타측에는 도1에 도시된 실시예와 같이 다른 회전구동부(200,200')가 회전가능하게 연결될 수 있다. 이에 따라, 도7에 도시된 실시예와 같이 복수개의 관절장치(100)가 연결되어 연결장치(500)를 이룰 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 연결장치(500)는 도7에 도시된 실시예와 같이 제1프레임(F1), 복수개의 전술한 관절장치(100) 및, 제2프레임(F2)을 포함하여 구성될 수 있다.

도7에 도시된 실시예와 같이 제1프레임(F1)은 서로 연결된 복수개의 관절장치(100)의 일측에 연결될 수 있다. 또한, 제1프레임(F1)은 착용형 로봇(도시되지 않음)의 상지로봇(도시되지 않음)에 연결될 수 있다.

복수개의 관절장치(100)는 서로 연결될 수 있다. 전술한 바와 같이, 각 관절장치(100)의 회전구동부(200,200')가 다른 관절장치(100)의 아암부재(322,322')의 타측에 회전가능하게 연결되는 것에 의하여, 복수개의 관절장치(100)가 서로 연결될 수 있다.

제2프레임(F2)은 복수개의 관절장치(100)의 타측에 연결될 수 있다. 그리고, 제2프레임(F2)은 착용형 로봇의 하지로봇(도시되지 않음)에 연결될 수 있다.

이에 따라, 본 발명에 따른 연결장치(100)는 착용형 로봇의 척추부를 이룰 수 있다.

이하, 도2 내지 도6 및 도8 내지 도12를 참조로 하여 본 발명에 따른 관절장치 및 이를 사용한 연결장치의 작동에 대하여 설명한다.

도2에 도시된 바와 같이, 관절장치(100)의 연결부(300,300')에 포함되는 각 선형구동부재(310,310')가 같은 길이로 신축되면, 도8에 도시된 바와 같이 복수개의 관절장치(100)가 연결되어 이루어진 연결장치(500)가 신축될 수 있다. 따라서, 연결장치(500)가 착용형 로봇의 상지로봇과 하지로봇에 연결된다면, 사용자의 신장에 맞게 착용형 로봇의 신장을 조절할 수 있다.

또한, 도3에 도시된 바와 같이, 회전구동부(200,200')가 같은 회전각으로 같은 방향으로 회전하면, 연결부(300,300')도 도시된 바와 같이 같은 회전각으로 같은 방향으로 회전할 수 있다. 따라서, 도9에 도시된 바와 같이 연결장치(500)의 전후 구부림이 가능할 수 있다. 그리고, 연결장치(500)가 착용형 로봇의 상지로봇과 하지로봇에 연결된다면, 사용자의 전후 구부림에 맞게 착용형 로봇이 전후로 구부러질 수 있다.

그리고, 도4에 도시된 바와 같이 선형구동부재(310,310') 각각이 다른 길이로 신축하면, 도시된 바와 같이 조인트부(320,320')의 아암부재(322,322')가 X축(전후축)을 중심으로 회전된다. 따라서, 도4에 도시된 바와 같이 하부의 회전구동부(200,200')의 회전축(Y1)은 Y축(좌우축)과 평행하게 되나, 상부의 회전구동부(200,200')의 회전축(Y2)은 Y축(좌우축)과 소정의 각을 이루게 된다. 그러므로, 도10에 도시된 바와 같이 연결장치(500)의 좌우 구부림이 가능할 수 있다. 그리고, 연결장치(500)가 착용형 로봇의 상지로봇과 하지로봇에 연결된다면, 사용자의 좌우 구부림에 맞게 착용형 로봇이 좌우로 구부러질 수 있다.

또한, 도5에 도시된 바와 같이 회전구동부(200,200') 각각이 다른 회전각으로 같은 방향으로 회전하면서 연결부(300,300')의 선형구동부재(310,310') 각각이 다른 길이로 신축하면, 아암부재(322)가 도시된 바와 같이 2축을 중심으로 회전하면서 선형구동부재(310')의 신장축(Z1)과 선형구동부재(310)의 신장축(Z2)은 소정의 각도를 이루게 된다. 또한, 하부의 회전구동부(200,200')의 회전축(Y1)과 상부의 회전구동부(200,200')의 회전축(Y2)도 소정의 각도를 이루게 된다. 이에 따라, 도11에 도시된 바와 같이 연결장치(500)의 뒤틀림이 가능할 수 있다. 그리고, 연결장치(500)가 착용형 로봇의 상지로봇과 하지로봇에 연결된다면, 사용자의 뒤틀림에 맞게 착용형 로봇이 뒤틀릴 수 있다.

그리고, 도6에 도시된 바와 같이 회전구동부(200,200')가 다른 방향으로 회전하면, 상부의 회전구동부(200,200')의 회전축(Y2)은 하부의 회전구동부(200,200')의 회전축(Y1)에 대하여 Z축(상하축)을 중심으로 소정의 각도로 회전하게 된다. 따라서, 도12에 도시된 바와 같이 연결장치(500)의 비틀림이 가능할 수 있다. 그리고, 연결장치(500)가 착용형 로봇의 상지로봇과 하지로봇에 연결된다면, 사용자의 비틀림에 맞게 착용형 로봇이 비틀릴 수 있다.

상기와 같이 본 발명에 따른 관절장치 및 이를 사용한 연결장치를 사용하면, 신축, 전후 및 좌우 구부림, 뒤틀림 및, 비틀림 등 다양한 동작이 가능할 수 있으며, 사용자의 다양한 동작에 맞게 동작할 수 있다.

100 : 관절장치 200,200' : 회전구동부
300.300' : 연결부 310,310' : 선형구동부재
320, 320 : 조인트부 321, 321' : 조인트부재
322,322' : 아암부재 500 : 연결장치
F1 : 제1프레임 F2 : 제2프레임

Claims (11)

1. 일측 단부가 서로 연결되며, 내부에는 서로 타측 단부로 돌출된 회전축을 구동하는 구동모터를 포함하는 한 쌍의 회전구동부(200,200'); 및
   일측은 상기 회전구동부(200,200')의 회전축에 결합되고, 타측은 다른 회전구동부의 회전축에 결합되는 한 쌍의 연결부(300,300');
   를 포함하되,
   상기 연결부(300,300')는,
   일측이 상기 회전축에 결합되는 조인트부(320,320'); 및
   상기 조인트부(320,320')의 타측에 결합되고, 신축 가능토록 제공되는 선형구동부재(310,310');
   를 포함하되,
   상기 조인트부(320,320')는,
   일측이 상기 회전축에 결합되는 아암부재(322,322'); 및
   일측은 상기 아암부재(322,322')에 연결되며, 타측은 상기 선형구동부재(310,310')에 연결되는 조인트부재(321,321');
   를 포함하되,
   상기 선형구동부재(310,310')는 유압실린더로 제공되고, 상기 조인트부재(321,321')는 유니버셜 조인트로 제공되며,
   상기 한 쌍의 연결부(300,300')는, 한 쌍의 유압실린더의 작동에 의해 신축되며, 상기 한 쌍의 회전구동부의 구동모터의 회전축이 서로 반대방향으로 회전하는 것에 의해 뒤틀리거나 비틀림되고, 상기 한 쌍의 유압실린더의 각기 다른 크기의 신축과 상기 한 쌍의 회전구동부의 구동모터의 각기 다른 회전에 의해 전후 및 좌우로 구부림되는 것을 특징으로 하는 관절장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 한 쌍의 회전구동부(200,200')는 상기 구동모터에 의해 Y축을 중심으로 서로 독립적으로 회전 가능하며,
   상기 한 쌍의 연결부(300,300')는 상기 유압실린더에 의해 Z축 방향으로 서로 독립적으로 신축 가능하며, 상기 한 쌍의 회전구동부(200,200')와 연계되어 Z축과 X축이 형성하는 분면상에서 회전 가능하도록 제공되는 것을 특징으로 하는 관절장치.
   
3. 제2항에 있어서, 상기 X축은 전후축이고, 상기 Y축은 좌우축이며, 상기 Z축은 상하축인 것을 특징으로 하는 관절장치.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 제1항에 있어서, 상기 구동모터는 초음파모터나 전기모터, 서보모터 또는 유압모터인 것을 특징으로 하는 관절장치.
   
10. 양측 단부에 한 쌍의 결합홀을 구비하는 ㄷ 자 형상의 제1 프레임(F1);
    상기 한 쌍의 결합홀에 일측에 배치된 상기 한 쌍의 회전축이 결합되는 제1항 내지 제3항 또는 제9항 중 어느 한 항에 기재된 복수개의 관절장치(100); 및
    상기 복수개의 관절장치(100)의 타측에 배치된 상기 한 쌍의 회전축에 결합되는 링크블록을 구비하는 제2 프레임(F2);
    을 포함하는 연결장치.
    
    
11. 삭제

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