KR101411095B1 - 4자유도 메카니즘 장치 - Google Patents

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KR101411095B1 KR1020130021896A KR20130021896A KR101411095B1 KR 101411095 B1 KR101411095 B1 KR 101411095B1 KR 1020130021896 A KR1020130021896 A KR 1020130021896A KR 20130021896 A KR20130021896 A KR 20130021896A KR 101411095 B1 KR101411095 B1 KR 101411095B1
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김희국
이병주
김성목
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고려대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 4자유도 메카니즘 장치에 관한 것이다. 본 발명에 의한 4자유도 메카니즘 장치는 베이스 플레이트; 상기 베이스 플레이트에 의하여 지지되고, 적어도 3개의 회전부와 적어도 하나의 평행사변형 사절링크를 포함하는 부속체인; 및 상기 부속체인에 의하여 상기 베이스 플레이트에서 소정 간격 이격되어 3자유도 병진운동 및 상기 베이스 플레이트의 수직축에 대한 1자유도 회전운동을 하는 운동 플레이트를 포함한다.
따라서, 본 발명에 의하면, 자동화 조립 작업에 매우 적합한 출력 자유도를 갖고, 마찰력을 최소화할 수 있어서 자동화 조립용 로봇이나 햅틱 장치로서 우수한 효과를 낼 수 있다.

Description

4자유도 메카니즘 장치{FOUR DEGREE OF FREEDOM MECHANISM APPARATUS}
본 발명은 4자유도 메카니즘 장치에 관한 것이고, 보다 상세하게는 3자유도 병진운동과 고정된 축에 대한 1자유도 회전운동을 가지는 4자유도 메카니즘 장치에 관한 것이다.
산업용 로봇은 로봇의 한 종류로서 인간을 대신하여 작업현장에서 운반, 조립 등의 작업을 하는 로봇을 말하고, 햅틱 장치는 진동이나 힘, 충격 등을 발생시킴으로써 사용자가 촉감을 느낄 수 있도록 하는 장치를 말하며 병진운동이나 회전운동을 제공할 수 있는 기능을 보유할 수 있다. 일반적으로, 이러한 산업용 로봇 또는 햅틱 장치에는 다수의 링크와 모터 등을 이용하여 원하는 물체가 회전 및 병진운동을 하도록 할 수 있다.
본 발명의 목적은 3자유도 병진운동과 1자유도 회전운동을 갖는 로봇이나 햅틱기기에 사용할 수 있는 4자유도 메카니즘 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은 회전관절로만 구성되고, 두 개의 단순한 구조의 부속체인들로 구성되는 병렬구조에 의한 4자유도 메카니즘 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명에 의한 4자유도 메카니즘 장치는, 베이스 플레이트; 상기 베이스 플레이트에 의하여 지지되고, 적어도 3개의 회전부와 적어도 하나의 평행사변형 사절링크를 포함하는 부속체인; 및 상기 부속체인에 의하여 상기 베이스 플레이트에서 소정 간격 이격되어 병진운동 및 회전운동을 하는 운동 플레이트를 포함한다.
본 발명에 의하면, 자동화 조립 작업에 매우 적합한 출력 자유도를 갖고, 마찰력을 최소화할 수 있어서 자동화 조립용 로봇이나 햅틱 장치로서 우수한 효과를 낼 수 있다.
또한, 작업 공간 내의 다른 장비들과의 간섭을 최소화할 수 있어서 작업성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 세 개 또는 네 개의 부속체인을 포함하는 구동로봇에 비하여 제작 비용을 최소화 할 수 있고, 관성이 최소화 될 수 있다.
또한, 쉽게 접히는 구조로서 쉽게 이동할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 4자유도 메카니즘 장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 의한 4자유도 메카니즘 장치의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 의한 4자유도 메카니즘 장치의 사시도이다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시 예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것이다. 또한, 본 발명이 상술한 실시 예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 사상은 상술한 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 의한 4자유도 메카니즘 장치의 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 4자유도 메카니즘 장치(1)는 베이스 플레이트(10)와, 제1 부속체인(20)과, 제2 부속체인(30), 운동 플레이트(40)을 포함한다.
상기 베이스 플레이트(10)는 소정 두께를 지닌 평평한 원판형상으로 형성될 수 있다. 상기 베이스 플레이트(10)는 설치면에 고정되어 상기 제1 부속체인(20) 및 상기 제2 부속체인(30)을 지지할 수 있다.
상기 제1 부속체인(20) 및 상기 제2 부속체인(30)은 상기 베이스 플레이트(10)에 수평 이동 가능하게 설치된다. 상기 베이스 플레이트(10)의 일 측에는 상기 제1 부속체인(20)이 설치되고, 상기 베이스 플레이트(20)의 타 측에는 상기 제2 부속체인(30)이 설치된다. 상기 제1 부속체인(20) 및 상기 제2 부속체인(30)은 상기 운동 플레이트(40)를 사이에 두고 서로 마주하도록 배치될 수 있다.
상기 제1 부속체인(20)에는 제1 회전부(21)와, 제1 링크(22)와, 제2 회전부(23)와, 회전링크(24)와, 평행사변형 사절링크와, 제3 회전부(28)가 포함되고, 상기 제2 부속체인(30)에는 제1 회전부(31)와, 제1 링크(32)와, 제2 회전부(33)와, 회전링크(34)와, 평행사변형 사절링크와, 제3 회전부(38)가 포함된다.
상기 제1 회전부(21, 31)는 통상적으로 원기둥 형상으로 형성되고, 상기 제1 회전부(21, 31)의 저면이 상기 베이스 플레이트(10)에 고정된 상태로 임의의 위치에 놓일 수 있다. 상기 제1 회전부(21, 31)는 상기 베이스 플레이트(10)와 수직을 이루며 수직 방향인 중심축에 대한 회전운동을 할 수 있다.
상기 제1 부속체인(20)의 제1 회전부(21) 및 상기 제2 부속체인(30)의 제1 회전부(31)는 제자리에서 회전될 수 있다. 상기 제1 회전부(21, 31)의 하부에는 모터가 구비되어 상기 제1 회전부(21, 31)가 제자리에서 회전할 수 있다.
상기 제1 회전부(21, 31)는 상기 제1 링크(22, 32)에 의하여 상기 제2 회전부(23, 33)와 연결될 수 있다. 상기 제1 링크(22, 32)는 길게 연장되는 원통형 바이거나 다양한 형상으로 형성될 수 있고, 상기 제1 회전부(21, 31)의 측면과 상기 제2 회전부(23, 33)의 측면을 연결할 수 있다. 따라서, 상기 제1 회전부(21, 31)의 회전운동에 의해 상기 제1 링크(22, 32)가 회전하면, 상기 제2 회전부(23, 33)은 상기 제1 회전부(21, 31)를 회전 중심으로 회전할 수 있다. 이때, 상기 제2 회전부(23, 33)가 그리는 원의 반지름은 상기 제1 링크(22, 32)의 길이가 된다.
상기 제2 회전부(23, 33)는 상기 제1 회전부(21, 31)와 평행하도록 설치될 수 있다. 상기 제2 회전부(23, 33)가 상기 제1 회전부(21, 31) 둘레를 회전한다.
상기 제2 회전부(23, 33)의 상부에는 상기 회전링크(24, 34)가 구비된다. 상기 회전링크(24, 34)는 제자리에서 자전할 수 있다. 상기 회전링크(24, 34)는 상기 제2 회전부(23, 33)의 상부에서 상방으로 길게 연장되는 원통형의 바 형상으로 형성될 수 있다. 상기 제2 회전부(23, 33)에는 구동 모터가 부착되어 직접 상기 회전링크(24,34)를 회전시킬 수 있다.
상기 제1 회전부(21, 31)와 상기 제2 회전부(23, 33)에 각각 모터를 구비하여 상기 운동 플레이트(40)의 3자유도 병진운동과 1자유도 회전운동을 발생시킬 수 있다.
상기 회전링크(24, 34)에는 평행사변형 사절링크(P1, P2)가 결합된다. 상기 제1 부속체인(20)의 평행사변형 사절링크(P1)는 네 개의 회전관절(25a, 25b, 27a, 27b)과, 두 개의 평행 링크(26a, 26b)를 포함하고, 상기 제2 부속체인(30)의 평행사변형 사절링크(P2)는 네 개의 회전관절(35a, 35b, 37a, 37b)과, 두 개의 평행 링크(36a, 36b)를 포함한다.
상기 평행사변형 사절링크(P1, P2)의 회전관절 가운데 제1 회전관절(25a, 35a) 및 제2 회전관절(25b, 35b)은 상기 회전링크(24, 34)에 결합되고, 제3 회전관절(27a, 37a) 및 제4 회전관절(27b, 37b)은 상기 제3 회전부(28, 38)에 결합된다. 상기 회전링크(24, 34)가 제자리에서 회전하면 상기 평행사변형 사절링크(P1, P2)는 상기 회전링크(24, 34)를 중심으로 회전할 수 있다. 따라서 상기 제3 회전부(28, 38)는 상기 평행사변형 사절링크(P1, P2)의 모든 회전관절이 고정되는 조건에서는 상기 회전링크(24, 34)의 회전에 의하여 평면상에서 병진 운동한다. 상기 제3 회전부(28, 38)는 회전축을 중심으로 자전할 수도 있다.
상기 평행사변형 사절링크(P1, P2) 내의 제 1 회전관절(25a, 35a), 제 2 회전관절(26a, 36a), 제3 회전관절(27a, 37a) 및 상기 제4 회전관절(27b, 37b) 중의 임의 하나의 관절에 모터를 구비하여 상기 평행사변형 사절링크(P1, P2)를 구동시킬 수 있다.
상기 평행사변형 사절링크(P1, P2)의 상기 제1 회전관절(25a, 35a) 및 상기 제2 회전관절(25b, 35b)의 회전축은 상기 회전링크(24, 34)의 연장방향과 대략 수직을 형성하고, 상기 제1 회전관절(25a, 35a) 및 상기 제2 회전관절(25b, 35b)의 측면에는 평행 링크(26a, 26b, 36a, 36b)가 결합되어 상기 제1 회전관절(25a, 35a) 및 상기 제2 회전관절(25b, 35b)이 회전되면 상기 평행 링크(26a, 26b, 36a, 36b)는 상기 제1 회전관절(25a, 35a) 및 상기 제2 회전관절(25b, 35b)의 회전축을 중심으로 상방으로 회동되거나 하방으로 회동된다.
상기 평행 링크(26a, 26b, 36a, 36b)의 단부에는 상기 제3 회전관절(27a, 37a) 및 상기 제4 회전관절(27b, 37b)이 결합되어 있고, 상기 제3 회전관절(27a, 37a) 및 상기 제4 회전관절(27b, 37b)에는 상기 제3 회전부(28, 38)가 결합되어 있으며, 상기 제3 회전부(28, 38)는 상기 운동 플레이트(40)가 결합되어 있다. 상기 제3 회전부(28, 38)는 자체 회전축을 중심으로 자전할 수도 있다.
상기 제1 회전관절(25a, 35a) 및 상기 제2 회전관절(25b, 35b)이 회전하면, 상기 평행 링크(26a, 26b, 36a, 36b)가 상방 또는 하방으로 회동하여 상기 운동 플레이트(40)를 상방으로 들어 올릴 수 있거나, 상기 운동 플레이트(40)를 하방으로 내릴 수 있다.
상기 운동 플레이트(40)는 상기 제3 회전부(28, 38)에 결합된다. 상기 운동 플레이트(40)는 상기 베이스 플레이트(10)와 연결된 상기 제1 회전부(21,31), 상기 제2 회전부, 그리고 제3 회전부(28,38)의 회전에 의하여 XY평면상에서 수평 방향으로의 이동, 그리고 임의의 Z축을 중심으로 회전이 가능하며, 상기 제1 회전관절(25a, 35a) 및 제2 회전관절(25b, 35b)에 의하여 회전 관절축에 수직인 평면상에서 링크(26a, 26b, 36a, 36b)길이를 반경으로 하는 원을 따라 회전운동이 없는 병진운동을 할 수 있다.
한편, 상기 운동 플레이트(40)는 상기 제1 회전부(21, 31)의 회전 운동과 상기 제2 회전부(23,33)를 구동함에 의해 X축, Y축, Z축 방향으로 3자유도 병진운동을 할 수 있고, Z축을 중심으로 회전하는 1자유도 회전운동을 할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 의한 4자유도 메카니즘 장치의 사시도이다.
도 2를 참조하면, 제2 실시예에 의한 4자유도 메카니즘 장치(2)은 상기 제1 회전부(21)와는 격리된 상기 제1 회전부(21)의 회전축상의 임의 위치에 벨트 구동부(21a)가 구비되고, 상기 제2 회전부(23)에는 상기 벨트 구동부(21a)와 벨트(50)로 연결되는 벨트 연결부(23a)가 구비된다는 점에서 상술한 제1 실시예와 차이가 있다. 즉, 상술한 제1 실시예에서는 상기 회전링크(24)를 회전시키기 위한 모터가 상기 제2 회전부(23)에 구비되었지만, 제2 실시예에서는 이러한 모터가 상기 벨트 구동부(21a)에 구비되고, 상기 회전링크(24)는 상기 벨트 구동부(21a)와 벨트(50)로 연결된 상기 벨트 연결부(23a)가 구동력을 전달받아서 회전된다.
따라서, 상기 제1 회전부(21)를 자전시키는 모터가 상기 제1 회전부(21)를 θ1만큼 회전시키고, 상기 벨트 구동부(21a)가 상기 벨트 연결부(23a)를 θ1+ θ2만큼 회전시키면 상기 제2 회전링크(24)는 결국 상기 제2 회전부(23)의 회전축을 중심으로 θ2만큼 회전하게 된다.
본 발명에 의하면, 3자유도 병진운동과 고정된 축에 대한 1자유도 회전운동을 출력 자유도로 가지는 우수한 성능의 햅틱 장치 및 로봇이 제작 가능하고, 회전관절만을 사용함으로 적은 마찰력을 가지는 햅틱 장치 및 로봇을 제작 가능하다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 의한 4자유도 메카니즘 장치의 사시도이다.
도 3을 참조하면, 제3 실시예에 의한 4자유도 메카니즘 장치(3)는 상기 제1 회전부(21)의 하부에 상기 제2 회전부(23)를 회전시킬 수 있는 회전구동부(61)가 구비된다.
상기 회전구동부(61)는 상기 제2 회전부(23)와 평행사변형 사절링크(60)가 연결된다는 점에서 상술한 제1 실시예 및 제2 실시예와 차이가 있다. 상기 제2 실시예에 의한 메카니즘 장치(2)는 벨트 구동부(21a)와 상기 벨트(50)로 연결되는 벨트 연결부(23a)가 구비되지만, 상기 제3 실시예에 의한 메카니즘 장치(3)는 상기 벨트(50) 대신 상기 평행사변형 사절링크(60)가 사용되는 것이다.
즉, 상술한 제1 실시예에 의한 메커니즘 장치(1)에서는 상기 회전링크(24)를 회전시키기 위한 모터가 상기 제2 회전부(23)에 구비되었고, 상술한 제2 실시예에 의한 메커니즘 장치(2)에서는 이러한 모터가 상기 벨트 구동부(21a)에 구비되고, 상기 회전링크(24)는 상기 벨트 구동부(21a)와 벨트(50)로 연결된 상기 벨트 연결부(23a)가 구동력을 전달받아서 회전되었지만, 제 3 실시예에 의한 메커니즘 장치(3)에서는 상기 회전링크(24)는 평행사변형 사절링크(60)로 연결된 상기 회전구동부(61)로부터 구동력을 전달받아서 회전된다.
상기 평행사변형 사절링크(60)는 상기 제2 회전부(23)의 회전축과 일직선 상에 배치되고 제자리에서 회전할 수 있는 구동력을 발생하는 회전구동부(61)와, 상기 회전구동부(61)의 측면에 결합된 제1 보조링크(62)와, 상기 제1 보조링크(62)의 단부에 연결된 제1 보조회전축(63)과, 상기 제1 보조회전축(63)의 측면에 결합되며 상기 제1 보조링크(62)와 대략 직각으로 연장되는 제2 보조링크(64)와, 상기 제2 보조링크(64)의 단부에 연결된 제2 보조회전축(65)와, 상기 제2 보조회전축(65)의 측면에 결합되어 상기 제2 보조링크(64)와 대략 직각으로 연장되는 제3 보조링크(66)가 포함되고, 상기 제3 보조링크(66)의 단부는 상기 제2 회전부(23)의 하단에 결합된다.
상기 제2 회전구동부(61)의 중심축은 상기 제1 회전부의 중심축과 일직선 상에 배치될 수 있다.
따라서, 상기 제1 회전부(21)를 자전시키는 모터가 상기 제1 회전부(21)를 θ1만큼 회전시키고, 상기 제2 회전구동부(61)를 θ1+θ2만큼 회전시키면 상기 제2 회전링크(24)는 결국 상기 제2 회전부(23)의 회전축을 중심으로 θ2만큼 회전하게 된다.
도 3에서는 제 1 부속체인의 상기 제1 회전부(21)의 하부에 상기 제2 회전부(23)를 회전시킬 수 있는 회전구동부(61)와 평형 사변형 링크(60)만을 도시하였지만 제 2 부속체인의 경우도 제 1 부속체인과 같이 동일한 구조를 가지며 동일한 방식으로 작동한다.
본 발명에 의하면, 3자유도 병진운동과 고정된 축에 대한 1자유도 회전운동을 출력 자유도로 가지는 우수한 성능의 햅틱 장치 및 로봇이 제작 가능하고, 회전관절만을 사용함으로 적은 마찰력을 가지는 햅틱 장치 및 로봇을 제작 가능하다.
1: 4자유도 구동로봇 10: 베이스 플레이트
20: 제1 부속체인 30: 제2 부속체인
40: 운동 플레이트

Claims (8)

  1. 베이스 플레이트;
    상기 베이스 플레이트에 의하여 지지되고, 적어도 3개의 회전부와 적어도 하나의 평행사변형 사절링크를 포함하는 부속체인; 및
    상기 부속체인에 의하여 상기 베이스 플레이트에서 소정 간격 이격되어 병진운동 및 회전운동을 하는 운동 플레이트;
    를 포함하고, 상기 부속체인은 상기 베이스 플레이트의 일 측에 설치되는 제1 부속체인과, 상기 베이스 플레이트의 타 측에 설치되는 제2 부속체인을 포함하며, 상기 제1 부속체인 및 상기 제2 부속체인은 운동 플레이트를 사이에 두어 배치되는 것을 특징으로 하는 4자유도 메카니즘 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부속체인은,
    상기 베이스 플레이트에서 제자리에서 회전하는 자전운동을 하는 제1 회전부;
    상기 제1 회전부와 제1 링크에 의하여 연결되고, 상기 제1 회전부를 중심으로 회전할 수 있는 제2 회전부;
    상기 제2 회전부에 구비되어 자전운동을 하는 회전링크;
    상기 회전링크에 결합되는 평행사변형 사절링크; 및
    상기 평행사변형 사절링크의 단부에 결합되고, 상기 운동플레이트에 결합되는 제3 회전부;
    를 포함하는 4자유도 메카니즘 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 평행사변형 사절링크는,
    상기 회전링크에 결합되는 제1 회전관절 및 제2 회전관절과, 상기 제1 회전관절 및 상기 제2 회전관절에서 각각 나란하게 연장되는 평행 링크와, 상기 평행링크의 단부에 결합되는 제3 회전관절 및 제4 회전관절을 포함하는 구조이며 이를 포함하는 4자유도 메카니즘 장치.
  4. 삭제
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 회전부는 모터를 구비하여 제자리에서 회전하는 자전운동을 할 수 있고, 상기 제2 회전부는 모터를 구비하여 상기 회전링크를 자전운동 시킬 수 있으며, 상기 평행사변형 사절링크내의 제1 회전관절, 제2 회전관절, 제3 회전관절 및 상기 제4 회전관절 중의 임의 하나의 관절에 모터를 구비하여 상기 평행사변형 사절링크를 구동시킬 수 있으며, 상기 제3 회전부는 모터를 구비하여 상기 운동 플레이트와 결합된 상태로 자전운동 할 수 있는 4자유도 메카니즘 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제1 회전부와 상기 제2 회전부에 각각 모터를 구비하여 상기 운동 플레이트의 3자유도 병진운동과 1자유도 회전운동을 발생시키는 4자유도 메커니즘 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제1 회전부에는 벨트 구동부가 구비되고, 상기 제2 회전부에는 회전링크와 일체로 회전되는 벨트 연결부가 구비되며, 상기 벨트 구동부 및 상기 벨트 연결부는 벨트에 의하여 연결되는 4자유도 메카니즘 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 제2 회전부를 구동할 수 있는 회전 구동부가 상기 제1 회전부의 중심축과 일직선상위에 놓이도록 구비되고, 상기 제2 회전부는 평행사변형 사절링크에 의해 연결되어 구동되는 4자유도 메카니즘 장치.
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