KR101340294B1

KR101340294B1 - 관절 잠금 장치를 구비하는 불충분 구동 로봇 핑거

Info

Publication number: KR101340294B1
Application number: KR1020120072734A
Authority: KR
Inventors: 김경수; 류근호; 신영준
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2012-07-04
Filing date: 2012-07-04
Publication date: 2013-12-11
Also published as: US8641115B2; US20140008931A1

Abstract

본 발명에 의한 불충분 구동 로봇 핑거는 (1) 베이스 몸체와, (2) 상기 베이스 몸체에 회동 가능하게 결합하는 제1 핑거부와, (3) 제1 핑거부에 회동 가능하게 결합하는 제2 핑거부와, (4) 상기 베이스 몸체와 제1 핑거부를 회동 가능하게 연결하는 제1 힌지부와, (5) 상기 제1 핑거부와 상기 제2 핑거부를 회동 가능하게 연결하는 제2 힌지부와, (6) 제1 치부(齒部)와, 상기 제1 치부에 치합되어 상기 제1 핑거부의 회동을 금지시키는 제1 로커(locker)와, 상기 제1 로커를 작동시키는 제1 로커 작동부를 포함하는 제1 잠금 장치와, (7) 제2 치부(齒部)와, 상기 제2 치부에 치합되어 상기 제2 핑거부의 회동을 금지시키는 제2 로커(locker)와, 상기 제2 로커를 작동시키는 제2 로커 작동부를 포함하는 제2 잠금 장치를 포함한다.

Description

관절 잠금 장치를 구비하는 불충분 구동 로봇 핑거{Under-Actuated Robot Finger With Joint Locking Mechanism}

본 발명은 로봇 핑거에 관한 것으로서, 좀더 자세하게는 관절 잠금 장치를 구비하는 불충분 구동 로봇 핑거에 관한 것이다.

일반적으로 로봇 핸드는 산업, 의료, 군사, 우주 등 매우 광범위한 분야에서 활용될 수 있다. 로봇 핸드를 구성하는 로봇 핑거는 사람 손가락과 같은 다관절의 모션을 구현하기 위해 여러 개의 모터를 사용하는 것이 일반적이다.

무게를 줄이기 위해서 구동기의 개수보다 자유도가 높은 불충분 구동(Under-Actuated) 메커니즘이 로봇 핸드에 적용될 수 있다.

그러한 불충분 구동 메커니즘에 관한 배경 기술의 일례로서 2011년 9월 25일부터 30일까지 미국 샌프란시스코에서 개최된 2011 IEEE/RSJ International Conference on Intelligence Robots and Systems에서 발표된 논문 "A highly-underactuated robotic hand with force and joint angle sensors"에 개시된 기술이 있다.

그러나 이러한 배경 기술과 같은 로봇 핸드는 강력한 파지는 가능하지만 정밀 파지는 어려운 단점이 있다.

본 발명은, 이러한 종래 기술의 단점을 극복하여 특정 관절의 움직임을 정지시킴으로써 다양한 로봇 핑거의 작동이 가능한 불충분 구동 로봇 핑거를 제공하는 것을 목적으로 한다.

그리고 상기 제1 치부와 상기 제1 로커 중 어느 하나는 상기 베이스 몸체에 제공되며, 다른 하나는 상기 제1 핑거부에 제공되며, 상기 제2 치부와 상기 제2 로커 중 어느 하나는 상기 제1 핑거부에 제공되며, 다른 하나는 상기 제2 핑거부에 제공되는 것이 바람직하다.

상기 제1 로커 작동부 및 제2 로커 작동부는 각각 전자석과, 상기 전자석의 온/오프에 따라 상기 제1 로커 및 상기 제2 로커를 제1 상태와 제2 상태로 전환시키는 전환 부재를 포함할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 상기 로커는, 소정의 힌지축을 중심으로 회동하는 제1 부분과, 상기 제1 부분의 단부에서 상기 치부를 향해 연장하며 제1 상태에서 상기 치부에 치합하도록 되어 있는 제2 부분과, 상기 제1 부분의 도중(途中)에 제공되는 슬롯부를 포함한다.

그리고 상기 전환 부재는 상기 전자석의 작동에 의해 상기 제1 상태와 상기 제2 상태 사이에서 이동하는 본체와, 상기 본체의 단부에서 연장하며 상기 슬롯부에서 안내되는 슬라이더(slider)를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 제1 부분은 상기 소정의 힌지축으로부터 나선 형상으로 연장하는 부분으로 구성할 수 있다. 이 경우 로커가 컴플라이언스를 가진다.

본 발명에 의한 불충분 구동 로봇 핑거는, 정교한 로봇 핑거의 작동이 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 의한 로봇 핑거의 개념도.
도 2는 본 발명에 의한 로봇 핑거의 잠금 장치의 작동도.
도 3은 다른 실시예에 의한 잠금 장치의 작동도.
도 4는 본 발명에 의한 로봇 핑거의 작동 상태를 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 의한 로커 작동부의 개념도.

이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예에 대해서 설명하기로 한다.

도 1에는 본 발명에 의한 불충분 구동 로봇 핑거의 개념도가 예시되어 있다. 본 명세서에서는 사람의 손가락과 같이 세 개의 마디를 가지는 로봇 핑거를 예로 들어서 설명하지만 마디의 개수에 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니라는 점이 명확하게 이해되어야 한다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 로봇 핑거는 베이스 몸체(1)와, 베이스 몸체(1)에 대해서 회동 가능하게 결합하는 제1 핑거부(2)와, 제1 핑거부(2)에 대해서 회동 가능하게 결합하는 제2 핑거부(3)와, 제2 핑거부(3)에 대해서 회동 가능하게 결합하는 제3 핑거부(4)를 포함한다. 본 발명에 의한 로봇 핑거의 최소 구성요소에서 제3 핑거부(4)는 제외될 수 있다. 베이스 몸체(1)와 제1 핑거부(2) 사이에는 제1 스프링 부재(19)가 연결되어 있고, 제1 핑거부(2)와 제2 핑거부(3) 사이에는 제2 스프링 부재(29)가 연결되어 있지만, 스프링 부재는 본 발명의 본질적인 요소는 아니다. 한편, 제2 핑거부(3)와 제3 핑거부(4)는 4절 링크(70)에 의해서 연결될 수 있는데, 이 역시 본 발명의 본질적인 구성요소에서는 제외된다.

본 명세서 및 도면에 도시된 실시예에서는 모터와 풀리(도시되지 않음)를 이용해서 줄(50)을 당김으로써 로봇 핑거를 구동하는 방식에 대해서 도시되고 설명되지만, 로봇 핑거의 구동 방식에 본 발명의 범위가 제한되는 것으로 해석되어서는 아니되며, 불충분 구동 방식이라면 그 종류를 불문하고 본 발명의 권리범위가 미친다.

제1 핑거부(2)는 제1 힌지부(15)에서 베이스 몸체(1)에 회동 가능하게 결합하며, 제2 핑거부(3)는 제2 힌지부(25)에서 제1 핑거부(2)에 회동 가능하게 결합한다.

베이스 몸체(1)는 사람손에서 손바닥에 대응하는 요소로 볼 수 있다.

본 발명에 의한 로봇 핑거는 또한 제1 잠금 장치와, 제2 잠금 장치를 포함하는데, 제1 잠금 장치는 베이스 몸체(1)에 대해서 제1 핑거부(2)의 회동을 금지시키거나 회동 가능한 상태로 할 수 있으며, 제2 잠금 장치는 제1 핑거부(2)에 대해서 제2 핑거부(2)의 회동을 금지시키거나 회동 가능한 상태로 할 수 있다.

제1 잠금 장치는 제1 치부(齒部; 125)와, 제1 치부(125)에 치합되어 제1 핑거부(2)의 회동을 금지시킬 수 있는 제1 로커(locker; 21)와, 제1 로커(21)를 작동시키는 제1 로커 작동부를 포함한다. 제1 로커 작동부는 전자석(23)과, 전환부재(27; 도 5 및 도 6 참조)를 포함한다.

제2 잠금 장치는 실질적으로 제1 잠금 장치와 동일한 구조이며, 제2 치부(225)와, 제2 치부(225)에 치합되어 제2 핑거부(3)의 회동을 금지시킬 수 있는 제2 로커(31)와, 제2 로커(31)를 작동시키는 제2 로커 작동부를 포함한다. 제2 로커 작동부도 제1 로커 작동부와 같이 전자석(23)과 전환 부재(27)를 포함한다.

제1 치부(125)와 제1 로커(21) 중 어느 하나는 베이스 몸체(1)에 제공되며, 다른 하나는 제1 핑거부(2)에 제공된다. 첨부 도면에 도시된 실시예에서는, 제1 치부(125)가 베이스 몸체(1)에 제공되고, 제1 로커(21)는 제1 핑거부(2)에 제공되는 것으로 도시되어 있지만, 그 반대 위치에 제공되어도 무방하다.

제2 치부(225)와 제2 로커(31) 중 어느 하나는 제1 핑거부(2)에 제공되며, 다른 하나는 제2 핑거부(3)에 제공된다. 첨부 도면에 도시된 실시예에서는, 제2 치부(225)가 제1 핑거부(2)에 제공되고, 제2 로커(31)는 제2 핑거부(3)에 제공되는 것으로 도시되어 있지만 그 반대 위치에 제공되어도 무방하다.

제1 로커(21)와 제2 로커(31)의 구성은 실질적으로 동일하므로, 제1 로커(21)에 대한 설명으로 제2 로커(31)의 구성에 대한 설명을 갈음하기로 한다. 그리고 제1 로커 작동부와 제2 로커 작동부의 구성도 실질적으로 동일하므로, 제1 로커 작동부에 대한 설명으로 제2 로커 작동부의 구성에 대한 설명을 갈음하기로 한다.

제1 로커(21)는 소정의 힌지축(211)을 중심으로 회동하는 제1 부분(213)과, 제1 부분(213)의 단부에서 제1 치부(125)를 향해 연장하며 제1 상태에서 제1 치부(125)에 치합하도록 되어 있는 제2 부분(215)과, 제1 부분(213)의 도중(途中)에 제공되는 슬롯부(217)를 포함한다.

본 명세서에서 "제1 상태"는 치부(125, 225)에 로커(21, 31)가 각각 치합하여 회동 금지상태인 것으로 정의되며, "제2 상태"는 치합 상태가 해제되어 회동 가능한 상태인 것으로 정의된다.

도 5에는 제1 로커 작동부의 모식도가 도시되어 있다. 전자석(23)은 철심 코어(231)에 전선(235)이 감겨 있으며, 플라스틱 부재(233)가 전선의 지지부로서의 기능을 한다. 전환 부재(27)는 전자석(23)의 작동에 의해서 제1 상태와 제2 상태 사이에서 이동하는 본체(271)와, 본체의 단부에서 슬롯부(217)를 향해 연장하며 슬롯부(217)에서 안내되는 슬라이더(slider; 273)를 포함한다.

도 3에는 본 발명의 다른 실시예에 의한 로커의 형상이 도시되어 있는데, 이 실시예에서는 로커(21, 31)가 소정의 힌지축(211)에 대해서 회동 가능하다는 점은 전술한 실시예와 동일하지만 힌지축(211)에서 연장하는 부분 즉 제1 부분(213)에 대응하는 부분인 제3 부분(223)이 힌지축(211)으로부터 나선 형상으로 연장하는 형상을 취하는 점에서 상이하다. 이와 같은 나선 형상으로 연장하는 형태를 취하면 컴플라이언스(compliance)를 가지게 된다.

다음으로 본 발명에 의한 로봇 핑거의 작동에 대해서 설명하기로 한다. 도 2 및 도 3을 참조하여 제1 로커(21)가 제1 상태와 제2 상태로 작동하는 것에 대해서 설명하지만, 이는 제2 로커(31)가 작동하는 것과 실질적으로 동일하다.

도 2(a)에서와 같은 제1 상태에서 전자석(23)이 "온(ON)"되면, 전선(235)에 전류가 흐르며 자성이 생겨서 전환 부재(27)가 도 5(b)에서와 같이 철심 코어(231)측으로 이동해서 붙게 된다. 그러면 슬라이더(273)은 슬롯부(217)에서 안내되어 도 2(b)에서처럼 제1 로커(21)의 제1 부분(213)을 시계 반대 방향으로 회전시킨다. 따라서 제2 부분(215)이 제1 치부(125)에 치합됨으로써, 제1 핑거부(2)가 베이스 몸체(1)에 대해서 회동하는 것이 금지된다. 제1 상태로 하는 것은, 도 2(a)에서와 같이 제1 핑거부(2)가 베이스 몸체(1)에 대해서 전혀 회전하지 않는 상태에서 할 수도 있고, 또는 도 2(b)에서와 같이 제1 핑거부(2)가 어느 정도 회전한 상태에서 제1 상태로 할 수도 있다. 도 3에 도시된 로커의 실시예에서도 전자석(23)의 작동에 따라서 제1 상태 및 제2 상태로 되며, 다만 로커가 컴플라이언스를 가지므로 제1 상태가 된 이후에 추가적인 토크가 더 가해지는 경우 로커가 압축되면서 제1 핑거부(2) 또는 제2 핑거부(3)가 조금 더 회동할 수 있다는 점에서 도 2의 실시예와 차이가 있다.

도 4에는 본 발명에 의한 로봇 핑거의 작동 상태의 예가 도시되어 있다.

도 4(a)에서는 제1 로커(21)가 제1 상태로 되어서 베이스 몸체(1)에 대한 제1 핑거부(2)의 회동이 금지되고, 제2 로커(31)는 제2 상태인 경우의 작동이 도시되어 있다. 이 상태에서는 제2 핑거부(3)만 제1 핑거부(2)에 대해서 회동이 가능하므로 도 4(a)와 같은 핑거부 작동이 가능하다.

도 4(b)에서는 제 2 로커(31)가 제1 상태로 되어 제1 핑거부(2)는 베이스 몸체(1)에 대해서 회동이 금지되고, 제1 로커(21)는 제2 상태인 경우의 작동이 도시되어 있다. 이 상태에서는 제1 핑거부(2)만이 베이스 몸체(1)에 대해서 회동이 가능하므로 도 4(b)와 같은 핑거부 작동이 가능하다.

이처럼 본 발명에 의한 불충분 구동 로봇 핑거에 의하면 제1 핑거부(2) 및 제2 핑거부(3)의 작동을 독립적으로 매우 정교하게 작동할 수 있는 효과가 있다.

이상 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 대해서 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되며 전술한 실시예 및/또는 도면에 제한되는 것으로 해석되어서는 아니된다. 그리고 특허청구범위에 기재된 발명의, 당업자에게 자명한 개량, 변경 및 수정도 본 발명의 권리범위에 포함된다는 점이 명백하게 이해되어야 한다.

1: 베이스 몸체
2: 제1 핑거부
3: 제2 핑거부
4: 제3 핑거부
21: 제1 로커
31: 제2 로커
23: 전자석
27: 전환 부재

Claims

베이스 몸체와,
상기 베이스 몸체에 회동 가능하게 결합하는 제1 핑거부와,
제1 핑거부에 회동 가능하게 결합하는 제2 핑거부와,
상기 베이스 몸체와 제1 핑거부를 회동 가능하게 연결하는 제1 힌지부와,
상기 제1 핑거부와 상기 제2 핑거부를 회동 가능하게 연결하는 제2 힌지부와,
제1 치부(齒部)와, 상기 제1 치부에 치합되어 상기 제1 핑거부의 회동을 금지시키는 제1 로커(locker)와, 상기 제1 로커를 작동시키는 제1 로커 작동부를 포함하는 제1 잠금 장치와,
제2 치부(齒部)와, 상기 제2 치부에 치합되어 상기 제2 핑거부의 회동을 금지시키는 제2 로커(locker)와, 상기 제2 로커를 작동시키는 제2 로커 작동부를 포함하는 제2 잠금 장치를 포함하며,
상기 제1 로커 작동부 및 제2 로커 작동부는 각각 전자석과, 상기 전자석의 온/오프에 따라 상기 제1 로커 및 상기 제2 로커를 제1 상태와 제2 상태로 전환시키는 전환 부재를 포함하며,
상기 제1 로커는, 소정의 힌지축을 중심으로 회동하는 제1 부분과, 제1 부분의 단부에서 제1 치부를 향해 연장하며 제1 상태에서 제1 치부에 치합하도록 되어 있는 제2 부분과, 제1 부분의 도중(途中)에 제공되는 슬롯부를 포함하며,
상기 제2 로커는, 소정의 힌지축을 중심으로 회동하는 제1 부분과, 제1 부분의 단부에서 제2 치부를 향해 연장하며 제1 상태에서 제2 치부에 치합하도록 되어 있는 제2 부분과, 제1 부분의 도중(途中)에 제공되는 슬롯부를 포함하는,
불충분 구동 로봇 핑거.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 치부와 상기 제1 로커 중 어느 하나는 상기 베이스 몸체에 제공되며, 다른 하나는 상기 제1 핑거부에 제공되며,
상기 제2 치부와 상기 제2 로커 중 어느 하나는 상기 제1 핑거부에 제공되며, 다른 하나는 상기 제2 핑거부에 제공되는,
불충분 구동 로봇 핑거.
삭제
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 제1 부분은 상기 소정의 힌지축으로부터 나선 형상으로 연장하는 부분인,
불충분 구동 로봇 핑거.