KR101271863B1 - 관절장치 및 이를 사용한 연결장치 - Google Patents

Abstract

신축, 전후 구부림, 비틀림 및, 뒤틀림 등 다양한 동작이 가능하도록 하는 관절장치 및 이를 사용한 연결장치를 개시한다.
본 발명의 일실시예에 따른 관절장치는 신축과 회전이 가능하도록 구성된 몸체부(200); 상기 몸체부(200)의 일측과 타측에 각각 연결되며 적어도 하나는 상기 몸체부(200)를 상기 몸체부(200)의 회전방향과 직각방향으로 회전시키도록 구성된 제1,2연결부(300,400); 를 포함하여 구성될 수 있다.
상기와 같은 구성에 의해 본 발명은 신축, 전후 구부림, 비틀림 및, 뒤틀림 등 다양한 동작이 가능할 수 있으며, 사용자의 다양한 동작에 맞게 동작할 수 있다.

Description

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

본 발명은 로봇에 사용되는 관절장치 및 이를 사용한 연결장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 신축, 전후 구부림, 비트림 및, 뒤틀림 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 구부림, 비틀림, 전후 구부림 및 비틀림이 조합된 뒤틀림에 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 구부림, 비틀림 및, 뒤틀림 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 발명의 일실시 형태에 따른 관절장치는 신축과 회전이 가능하도록 구성된 몸체부; 몸체부의 일측과 타측에 각각 연결되며 적어도 하나는 몸체부를 몸체부의 회전방향과 직각방향으로 회전시키도록 구성된 제1,2연결부; 를 포함하여 구성될 수 있다.

이 경우, 상기 제1연결부는 몸체부의 일측에 연결되는 제1연결부재와, 제1연결부재에 연결되며 제1연결부재를 몸체부의 회전방향과 직각방향으로 회전시키도록 구성된 제1회전구동부를 포함하며, 제2연결부는 몸체부의 타측에 연결되는 제2연결부재를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제2연결부재에는 다른 관절장치의 제1연결부재가 회전가능하게 연결될 수 있다.

그리고, 상기 제2연결부재에는 다른 관절장치의 제1연결부재를 다른 관절장치의 몸체부의 회전방향과 직각방향으로 회전시키는 제2회전구동부가 회전가능하게 연결될 수 있다.

또한, 상기 몸체부는 Z축 방향으로 신축하고 Z축을 중심으로 회전하며, 제1회전구동부와 제2회전구동부는 제1연결부재와 다른 관절장치의 제1연결부재를 각각 Y축을 중심으로 회전시킬 수 있다.

그리고, 상기 Z축은 상하축이고 Y축은 좌우축일 수 있다.

또한, 상기 몸체부와 제1,2회전구동부는 구동모터를 포함할 수 있다.

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

또한, 상기 몸체부는 공압 또는 유압실린더를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 일실시 형태에 따른 연결장치는 제1프레임; 신축, 전후 구부림, 비틀림 및 뒤틀림이 가능하도록 서로 연결되며 일측이 제1프레임에 연결되는 전술한 복수개의 관절장치; 및 복수개의 관절장치의 타측에 연결되는 제2프레임; 를 포함하여 구성될 수 있다.

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

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

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 사용자의 다양한 동작에 맞게 동작할 수 있다.

도1은 본 발명에 따른 관절장치의 일실시예를 나타내는 사시도이다.
도2는 본 발명에 따른 관절장치의 일실시예를 나타내는 후면도이다.
도3은 본 발명에 따른 관절장치의 일실시예의 몸체부의 신축을 나타내는 사시도이다.
도4는 본 발명에 따른 관절장치의 일실시예의 제1연결부의 회전을 나타내는 측면도이다.
도5는 본 발명에 따른 관절장치의 일실시예의 몸체부의 회전을 나타내는 사시도이다.
도6은 본 발명에 따른 연결장치의 일실시예를 나타내는 사시도이다.
도7은 본 발명에 따른 연결장치의 일실시예의 신축 상태를 나타내는 사시도이다.
도8은 본 발명에 따른 연결장치의 일실시예의 전후 구부림 상태를 나타내는 측면도이다.
도9는 본 발명에 따른 연결장치의 일실시예의 비틀림 상태를 나타내는 사시도이다.
도10은 본 발명에 따른 연결장치의 일실시예의 뒤틀림 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 구부림, 비틀림 및, 뒤틀림 등 다양한 동작이 가능하도록 구성된 것을 기초로 한다.

도1과 도2에 도시된 실시예와 같이 본 발명에 따른 관절장치(100)는 몸체부(200) 및, 제1,2연결부(300,400)를 포함하여 구성될 수 있다.

몸체부(200)는 도3에 도시된 바와 같은 신축과 도5에 도시된 바와 같은 회전이 가능하도록 구성될 수 있다. 도시된 바와 같이 몸체부(400)는 Z축(상하축) 방향으로 신축하고 Z축(상하축)을 중심으로 회전할 수 있다.

이를 위해서, 몸체부(200)는 공압 또는 유압실린더(도시되지 않음)와 구동모터(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 구동모터에 공압 또는 유압실린더가 직렬로 연결될 수 있고, 구동모터의 회전축이 공압 또는 유압실린더로 이루어질 수도 있다. 이에 따라, 공압 또는 유압실린더에 의해서 신축이 이루어지고 구동모터에 의해서 회전이 이루어질 수 있다. 그러나, 몸체부(200)의 구성은 이에 한정되지 않고, 신축과 회전이 가능하다면 주지의 어떠한 구성이라도 가능하다.

제1,2연결부(300,400)는 도1과 도2에 도시된 실시예와 같이 몸체부(200)의 일측과 타측에 각각 연결될 수 있다. 그리고, 제1,2연결부(300,400) 중 적어도 하나는 몸체부(200)를 몸체부(200)의 회전방향과 직각방향으로 회전시키도록 구성될 수 있다.

이를 위해서, 도1과 도2에 도시된 실시예와 같이 제1연결부(300)는 제1연결부재(310) 및, 제1회전구동부(320)를 포함할 수 있다.

제1연결부재(310)는 도1과 도2에 도시된 실시예와 같이 몸체부(200)의 일측에 연결될 수 있다. 그리고, 제1연결부재(310)는 도시된 실시예와 같이 'ㄱ자 형상일 수 있다. 이와 같이, 제1연결부재(310)가 'ㄱ'자 형상이면, 후수할 바와 같이 제1회전구동부(320)가 제1연결부재(310)에 용이하게 연결될 수 있다. 또한, 도2에 도시된 실시예와 같이 다른 관절장치(100)의 제2연결부재(410)가 용이하게 제1연결부재(310)에 회전가능하게 연결될 수 있다. 따라서, 도6에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 관절장치(100)가 서로 연결될 수 있다. 그러나, 제1연결부재(310)의 형상은 특별히 한정되지 않고, 몸체부(200)의 일측에 연결될 수 있는 형상이라면 어떠한 형상이라도 가능하다.

도1과 도2에 도시된 실시예와 같이 제1회전구동부(320)는 제1연결부재(310)에 연결될 수 있다. 그리고, 제1연결부재(310)를 몸체부(200)의 회전방향과 직각방향으로 회전시키도록 구성될 수 있다. 도4에 도시된 바와 같이 제1회전구동부(320)는 제1연결부재(310)를 Y축(좌우축)을 중심으로 회전시킬 수 있다. 그리고, 이를 위해서 제1회전구동부(320)는 구동모터를 포함할 수 있다.

또한, 제2연결부(400)는 도1과 도2에 도시된 실시예와 같이 제2연결부재(410)를 포함할 수 있다. 제2연결부재(410)는 도시된 실시예와 같이 몸체부(200)의 타측에 연결될 수 있다. 따라서, 도5에 도시된 바와 같이 몸체부(200)가 Z축(상하축)을 중심으로 회전하면, 제2연결부재(410)도 Z축(상하축)을 중심으로 회전할 수 있다. 제2연결부재(410)는 도시된 실시예와 같이 'ㄴ'자 형상일 수 있다. 이와 같이, 제2연결부재(410)가 'ㄴ'자 형상이면, 후술와 바와 같이 제2회전구동부(420)가 제2연결부재(410)에 용이하게 연결될 수 있다. 또한, 도2에 도시된 실시예와 같이 다른 관절장치(100)의 제1연결부재(310)가 제2연결부재(410)에 회전가능하게 용이하게 연결될 수 있다. 따라서, 도6에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 관절장치(100)가 서로 연결될 수 있다. 그러나, 제2연결부재(410)의 형상은 특별히 한정되지 않고, 몸체부(200)의 타측에 연결될 수 있는 형상이라면 어떠한 형상이라도 가능하다.

한편, 도1과 도2에 도시된 실시예와 같이 제2연결부재(410)에는 제2회전구동부(420)가 회전가능하게 연결될 수 있다. 그리고, 이에 따라, 다른 관절장치(100)의 제1회전구동부(320)와 함께 제2회전구동부(420)가 다른 관절장치(100)의 제1연결부재(310)를 다른 관절장치(100)의 몸체부(200)의 회전방향과 직각방향으로 회전시킬 수 있다. 제2회전구동부(420)는 다른 관절장치(100)의 제1연결부재(310)를 Y축(좌우축)을 중심으로 회전시킬 수 있다. 그리고, 이를 위해서 제2회전구동부(420)는 구동모터를 포함할 수 있다. 이와 같이 제2연결부재(410)에 제2회전구동부(420)가 회전가능하게 연결되면, 큰 하중을 받는 경우에도 제1연결부재(310)를 회전시킬 수 있다.

전술한 몸체부(200)와, 제1회전구동부(320) 및, 제2회전구동부(420)에 포함되는 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.

본 발명에 따른 연결장치(500)는 도6에 도시된 실시예와 같이 제1프레임(F1), 전술한 복수개의 관절장치(100) 및, 제2프레임(F2)을 포함하여 구성될 수 있다.

도6에 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 하지로봇(도시되지 않음)에 연결될 수 있다.

복수개의 관절장치(100)는 도6에 도시된 실시예와 같이 서로 연결될 수 있다. 전술한 바와 같이, 각 관절장치(100)의 제1연결부재(310)에 다른 관절장치(100)의 제2연결부재(410)가 회전가능하게 연결되고, 제2연결부재(410)에는 또 다른 관절장치(100)의 제1연결부재(310)가 회전가능하게 연결되어 복수개의 관절장치(100)가 서로 연결될 수 있다.

도6에 도시된 실시예와 같이 제2프레임(F2)은 서로 연결된 복수개의 관절장치(100)의 타측에 연결될 수 있다. 그리고, 제2프레임(F2)은 착용형 로봇(도시되지 않음)의 상지로봇(도시되지 않음)에 연결될 수 있다.

한편, 전술한 바와 같이 복수개의 관절장치(100)가 서로 연결되어 도7에 도시된 바와 같이 연결장치(500)의 신축과, 도8에 도시된 바와 같이 연결장치(500)의 전후 구부림, 도9에 도시된 바와 같이 연결장치(500)의 비틀림 및, 도10에 도시된 바와 같이 연결장치(500)의 뒤틀림이 가능할 수 있다.

즉, 전술한 바와 같이 각 관절장치(100)의 몸체부(200)가 Z축(상하축)으로 신축하면, 도7에 도시된 바와 같이 연결장치(500)도 신축된다. 따라서, 연결장치(500)가 착용형 로봇의 상지로봇과 하지로봇에 연결된다면, 사용자의 신장에 맞게 착용형 로봇의 신장을 조절할 수 있다.

또한, 전술한 바와 같이 각 관절장치(100)의 제1연결부(300)의 제1회전구동부(320) 또는 제1회전구동부(320)와 함께 다른 관절장치(100)의 제2연결부(400)의 제2회전구동부(420)가 Y축(좌우축)을 중심으로 회전하면, 도8에 도시된 바와 같이 각 관절장치(100)의 제1연결부(300)의 제1연결부재(310)도 Y축(좌우축)을 중심으로 회전할 수 있다. 이에 따라, 도시된 바와 같이 연결장치(500)가 전후로 구부러질 수 있다. 그리고, 연결장치(500)가 착용형 로봇의 상지로봇과 하지로봇에 연결된다면, 사용자의 전후 구부림에 맞게 착용형 로봇이 전후로 구부러질 수 있다.

그리고, 전술한 바와 같이 각 관절장치(100)의 몸체부(200)가 Z축(상하축)을 중심으로 회전하면, 도9에 도시된 바와 같이 각 관절장치(100)의 제2연결부재(410)도 Z축(상하축)을 중심으로 회전한다. 따라서, 도시된 바와 같이 연결장치(500)가 비틀러질 수 있다. 그리고, 연결장치(500)가 착용형 로봇의 상지로봇과 하지로봇에 연결된다면, 사용자의 비틀림에 맞게 착용형 로봇이 비틀어질 수 있다.

한편, 전술한 바와 같이 각 관절장치(100)의 제1연결부(300)의 제1회전구동부(320) 또는 제1회전구동부(320)와 함께 다른 관절장치(100)의 제2연결부(400)의 제2회전구동부(420)가 Y축(좌우축)을 중심으로 회전하면서 몸체부(200)가 Z축(상하축)을 중심으로 회전하면, 도10에 도시된 바와 같이 각 관절장치(100)의 제1연결부재(310)가 Y축(좌우축)을중심으로 회전하면서 제2연결부재(410)는 Z축(상하축)을 중심으로 회전한다. 따라서, 도시된 바와 같이 연결장치(500)가 전후로 구부러지면서 비틀릴 수 있다. 즉, 연결장치(500)가 뒤틀릴 수 있다. 그리고, 연결장치(500)가 착용형 로봇의 상지로봇과 하지로봇에 연결된다면, 사용자의 뒤틀림에 맞게 착용형 로봇이 뒤틀릴 수 있다.

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

100 : 관절장치 200 : 몸체부
300 : 제1연결부 310 : 제1연결부재
320,420 : 회전구동부 400 : 제2연결부
410 : 제2연결부재 500 : 연결장치
F1 : 제1프레임 F2 : 제2프레임

Claims (11)

1. 내부 일측에는 구동모터가 장착되고 내부 타측에는 상기 구동모터의 회전축에 연결되는 유압실린더가 장착되는 몸체부(200); 및
   상기 몸체부(200)의 일측과 타측에 각각 연결되고, 적어도 하나는 상기 몸체부(200)의 내부 타측에서 외부로 돌출된 상기 유압실린더의 로드에 장착되며, 상기 몸체부(200)의 회전방향과 직각방향으로 회전되도록 구성된 제1,2연결부(300,400); 를 포함하되,
   상기 유압실린더의 로드가 신축되고 상기 구동모터에 의해 상기 유압실린더의 로드가 회전되며, 상기 몸체부(200)는 신축 또는 회전이 가능하게 구성되는 것을 특징으로 하는 관절장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1연결부(300)는 상기 몸체부(200)의 일측에 연결되는 제1연결부재(310)와, 상기 제1연결부재(310)에 연결되며 상기 제1연결부재(310)를 상기 몸체부(200)의 회전방향과 직각방향으로 회전시키도록 구성된 제1회전구동부(320)를 포함하며,
   상기 제2연결부(400)는 상기 몸체부(200)의 타측에 연결되는 제2연결부재(410)를 포함하는 것을 특징으로 하는 관절장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 제2연결부재(410)에는 다른 관절장치(100)의 제1연결부재(310)가 회전가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 관절장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 제2연결부재(410)에는 다른 관절장치(100)의 제1연결부재(310)를 다른 관절장치(100)의 몸체부(200)의 회전방향과 직각방향으로 회전시키는 제2회전구동부(420)가 회전가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 관절장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 몸체부(200)는 Z축 방향으로 신축하고 Z축을 중심으로 회전하며,
   상기 제1회전구동부(320)와 제2회전구동부(420)는 상기 제1연결부재(310)와 다른 관절장치(100)의 제1연결부재(310)를 각각 Y축을 중심으로 회전시키는 것을 특징으로 하는 관절장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 Z축은 상하축이고 Y축은 좌우축인 것을 특징으로 하는관절장치.
7. 제4항에 있어서, 상기 제1,2회전구동부(320,420)는 구동모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 관절장치.
8. 제1항 또는 제7항에 있어서, 상기 구동모터는 초음파모터나 전기모터, 서보모터 또는 유압모터인 것을 특징으로 하는 관절장치.
9. 삭제
10. 제1프레임(F1);
    일측이 상기 제1프레임(F1)에 연결되는 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 복수개의 관절장치(100); 및
    상기 복수개의 관절장치(100)의 타측에 연결되는 제2프레임(F2);
    를 포함하여 구성된 연결장치.
    
11. 삭제

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