KR101425056B1 - 스프링 탄성을 이용한 로봇 내장 케이블 설치 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로봇 내장 케이블의 설치 구조에 관한 것으로, 특히 스프링 및 스프링의 탄성력을 이용하여 불확정적인 케이블 배치 상태를 확정적인 배치 상태로 전환시키는 스프링 탄성을 이용한 로봇 내장 케이블 설치 구조에 관한 것이다.
본 발명에 따른 스프링 탄성을 이용한 로봇 내장 케이블 설치 구조는, 두 링크가 결합되어 상대 운동하고, 그 내부에는 하나 이상의 케이블이 내장되며, 상기 케이블은 코일형태의 스프링에 내부에 삽입되고, 상기 스프링의 일단은 상기 링크 중 하나에 형성된 고정구에 고정되고, 타단은 상기 링크 중 다른 하나에 형성된 고정구에 고정되며, 상기 스프링은 시작단과 끝단이 서로 소정의 각도(트위스트각)로 꼬여 설치되고, 상기 두 링크가 상대 운동할 경우 상기 스프링은 꼬인 형태를 유지하면서 상기 트위스트각이 변하거나 탄성에 의해 길이 가변되는 것을 특징으로 하여 이루어진다.

Description

스프링 탄성을 이용한 로봇 내장 케이블 설치 구조{INNER CABLE MOUNTING CONSTRUCTURE OF ROBOT USING SPRING ELASTICITY}

본 발명은 로봇 내장 케이블의 설치 구조에 관한 것으로, 특히 스프링 및 스프링의 탄성력을 이용하여 불확정적인 케이블 배치 상태를 확정적인 배치 상태로 전환시키는 스프링 탄성을 이용한 로봇 내장 케이블 설치 구조에 관한 것이다.

일반적으로 산업용 로봇은 관절 부위 또는 링크 부위에서 회전을 하거나, 직선 방향으로 길어지거나 짧아지도록 동작될 수 있도록 구성된다.

로봇의 링크는 회전 및 직선방향으로의 동작이 가능하도록 각종의 부품이 내장되며, 이러한 동작을 반복적으로 수행할 수 있도록 전원을 공급받는 전원 케이블, 엔코더의 지시를 수행하기 위한 엔코더 케이블 등 다양한 케이블들이 로봇 내에 내장된다.

특히, 회전이나 직선 운동을 반복하는 과정에서 다수개의 케이블들은 로봇의 반복 회전 동작시 엔코더 케이블과 전원 케이블간의 꼬임 및 비틀림에 의하여 발생되는 큰 응력을 견뎌야 하고, 이러한 응력이 반복적으로 발생함에 따라 피로에 의한 단선이 발생할 수 있으며, 케이블의 외피와 로봇 내벽과의 마찰에 의한 케이블 단선 및 손상이 발생하기도 한다.

이러한 예시로서 종래의 로봇 링크 부위에 내장된 케이블의 꼬임 및 비틀림을 도 1의 사진으로 나타낸다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 대한민국 공개실용신안 실1999-011202호 및 대한민국 공개실용신안공보 실1999-0030631호에는 케이블의 설치 구조가 개시되어 있다.

대한민국 공개실용신안 실1999-011202호에는 구동모터의 출력축과 일축선상으로 중공샤프트를 위치시키고, 중공샤프트의 둘레에 구동케이블을 느슨하게 수회 권회하여 중공샤프트의 선단에 케이블고정수단으로 고정 설치하여 상부암의 회전에 따라 구동케이블이 감겨지고, 풀려지는 것을 반복하도록 한다.

대한민국 공개실용신안공보 실1999-0030631호에는 스프링형 엔코더 케이블을 형성시키고, 엔코더 케이블 내부로 전원 케이블을 배치시켜 꼬임 및 마찰에 의한 케이블 손상 및 단선을 방지하는 구조가 개시된다.

하지만, 대한민국 공개실용신안 실1999-011202호 및 대한민국 공개실용신안공보 실1999-0030631호는 도 1과 같이 다수 가닥의 케이블이 내장되는 경우 상술한 문제점들을 해결하기 곤란하다.

또한, 대한민국 공개실용신안 실1999-011202호는 상술한 문제점 중에서 중공샤프트와 구동케이블간의 마찰 문제가 여전히 남게 되고, 반복적인 동작으로 인해 권회된 케이블의 탄성이 풀려 꼬임 및 비틀림이 발생할 수 밖에 없다. 대한민국 공개실용신안 실1999-011202호 역시 다관절 로봇의 관절부에서의 반복적인 회전 동작에 의해 전원케이블이 도 1에 도시된 것과 같이 꼬임 및 비틀림이 발생할 수 밖에 없으며, 조인트 움직임에 의해 케이블의 길이방향 운동이 요구되는 경우에는 적용할 수 없는 구조라는 데 한계가 존재한다.

대한민국 공개실용신안 실1999-011202호 대한민국 공개실용신안 실1999-0030631호

본 발명이 해결하려는 과제는, 로봇의 작동에 따라 내장 케이블은 어떤 모양을 취할 지 불확정적 요소를 지니므로, 이를 예측 가능한 확정적 배치 상태로 전환하여 로봇이 작업을 수행할 때 케이블들이 예측하지 못했던 형태로 서로 꼬이거나 비틀려지는 현상을 없앨 수 있는 스프링 탄성을 이용한 로봇 내장 케이블 설치 구조를 제공하고자 한다.

또한, 예측하지 못했던 케이블들간의 눌린 상태에서 로봇의 반복동작 수행으로 인해 내장된 케이블이 특정 구간에 과도한 스트레스가 발생하여 손상 및 단선이 되는 것을 사전에 차단하여 내장 케이블의 안정적인 작동을 유지하기 위한 스프링 탄성을 이용한 로봇 내장 케이블 설치 구조를 제공하고자 한다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 스프링 탄성을 이용한 로봇 내장 케이블 설치 구조는, 두 링크가 결합되어 상대 운동하고, 그 내부에는 하나 이상의 케이블이 내장되며, 상기 케이블은 코일형태의 스프링에 내부에 삽입되고, 상기 스프링의 일단은 상기 링크 중 하나에 형성된 고정구에 고정되고, 타단은 상기 링크 중 다른 하나에 형성된 고정구에 고정되며, 상기 스프링은 시작단과 끝단이 서로 소정의 각도(트위스트각)로 꼬여 설치되고, 상기 두 링크가 상대 운동할 경우 상기 스프링은 꼬인 형태를 유지하면서 상기 트위스트각이 변하거나 탄성에 의해 길이 가변되는 것을 특징으로 하여 이루어진다.

여기서, 상기 두 링크 중 하나의 링크를 기준으로 다른 하나의 링크가 회전 운동을 하는 두 링크의 상대 운동이 필요한 로봇에 적용될 수 있다.

여기서, 상기 링크 중 다른 하나에 조인트가 형성되고, 상기 조인트에는 케이블 감김축이 형성되며, 상기 스프링은 상기 케이블 감김축에 고정되고, 상기 조인트 및 케이블 감김축의 회전에 의해 상기 스프링은 상기 케이블 감김축의 원주방향을 따라 감져지거나 풀리는 구조를 구현하여 케이블이 길이방향으로 가변되는 로봇에 적용 가능하다.

여기서, 상기 스프링의 초기 고정시, 상기 케이블이 짧아져야 하는 방향으로 상대 운동을 할 때 상기 스프링의 초기 고정시로 복원되도록 상기 스프링의 트위스트각을 조절하는 것이 바람직할 것이다.

여기서, 상기 두 링크 중 하나의 링크를 기준으로 다른 하나의 링크가 회전 운동을 하고, 상기 링크 중 다른 하나의 링크에는 조인트가 형성되고, 상기 조인트에는 케이블 감김축이 형성되며, 상기 스프링은 상기 케이블 감김축에 고정되고, 상기 회전 운동에 의해 꼬인 형태를 유지하면서 상기 트위스트각이 변하거나 탄성에 의해 길이 가변되는 동시에 상기 조인트의 회전에 의해 상기 스프링은 상기 케이블 감김축의 원주방향을 따라 감져지거나 풀리는 로봇에 적용될 수 있다.

상술한 본 발명의 구성에 따르면, 로봇의 작동에 따른 내장 케이블의 불확정적 배치를 확정적 배치 상태로 전환하여 로봇이 작업을 수행할 때 케이블들이 서로 예상치 못하게 꼬이거나 비틀려지는 현상을 없앨 수 있다.

또한, 예측하지 못했던 케이블들간의 눌린 상황에서 로봇이 반복적인 동작을 수행함으로 인해 내장된 케이블의 특정 구간에 과도한 스트레스가 발생하여 손상 및 단선이 되는 것을 사전에 차단하는 것이 가능하다.

또한, 스프링 내부에 삽입된 케이블을 보호할 수 있으며 케이블이 아닌 스프링을 고정하므로써 케이블 고정부분에서 케이블이 받는 스트레스를 완화시키는 것이 가능하다.

도 1은 종래의 로봇 내장형 케이블의 꼬임 및 비틀림 현상을 나타낸 사진이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 스프링 탄성을 이용한 로봇 내장 케이블 설치 구조에 있어서, 회전 조인트에 배치되는 경우의 예를 도시한 것이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 스프링 탄성을 이용한 로봇 내장 케이블 설치 구조에 있어서, 조인트 움직임에 의해 케이블의 길이방향 운동이 요구되는 경우의 예를 도시한 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 스프링 탄성을 이용한 로봇 내장 케이블 설치 구조 및 작용효과를 설명한다.

본 발명은 로봇의 반복적인 작동에 따라 로봇의 링크 부위에 내장된 케이블이 어떤 모양을 취할지 불확정적 요소를 지니며, 이러한 불확정적 배치는 로봇이 작업을 수행할 때 케이블들간 꼬임 및 비틀림이 발생하고 케이블들간 눌림이 발생되며, 케이블의 특정구간에 과도한 스트레스가 발생하게 되어 케이블의 손상 및 단선의 원인이 되므로, 이를 해결하기 위해 스프링 탄성을 이용하여 로봇의 작동 형상에 따른 케이블의 적절한 모양 형성하도록 강제하여 케이블의 예측 가능한 배치의 확정적인 배치 상태로의 전환을 이루고자 제안된 것으로서, 로봇의 회전 구간 링크 및 직선 이동 구간의 링크 모든 영역에 적용될 수 있다.

이하에서는, 회전 조인트에 배치되는 경우와 조인트 움직임에 의해 케이블의 길이방향 운동이 요구되는 경우를 상정하여 범용적인 예시로서 본 발명의 구현을 설명하고자 한다.

도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 스프링 탄성을 이용한 로봇 내장 케이블 설치 구조에 있어서, 회전 조인트에 배치되는 경우의 예를 도시한 것이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 스프링 탄성을 이용한 로봇 내장 케이블 설치 구조는 상대 운동하는 기준 링크(21)와 회전 링크(22)가 회전축(미도시)에 의해 서로 연결되고 그 내부로는 스프링(23)이 장착되며, 스프링(23)의 내부로는 케이블(미도시)이 삽입된다.

여기서, 케이블이 미도시된 것은 도면의 명료화를 위한 것이며 스프링(23) 내부로 다양한 케이블이 삽입된다. 케이블은 전원을 공급하기 위한 전원 케이블, 엔코더, 계측 및 센싱을 위한 신호 케이블, 제어명령을 전달하는 제어 케이블 등 그 제한은 두지 않으며 로봇의 작동 및 메커니즘에 따라 그 수는 변동될 수 있고 추가될 수 있다.

기준 링크(21)를 기준으로 회전축에 의해 회전 링크(22)는 화살표(R) 방향으로 왕복 회전 운동을 반복하는 로봇의 상대 운동 링크 구조를 갖는다.

스프링(23)는 나선으로 꼬여진 코일 형태를 취하며, 그 내부로 케이블이 삽입되고, 양단은 기준 링크(21) 및 회전 링크(22) 각각에 형성된 고정구(24a, 24b)에 고정 설치된다.

스프링(23)은 양단이 고정된 상태에서 양단 사이에서 유동성을 갖는다.

여기서, 스프링(23)의 배치 형태는 본 발명에서 매우 중요한 요소가 된다.

스프링(23)의 고정은 트위스트각을 주어 고정되는 데, 도 2에 도시된 바와 같이 스프링(23)의 일단을 기준으로 타단으로 갈수록 화살표(Tw) 방향으로 트위스트되어 배치 고정된다. 마찬가지로 스프링(23) 내부에 삽입되는 케이블 역시 스프링(23)의 꼬임 배치와 동일하게 트위스트된 채로 배치될 것이다.

상대 운동하는 양 링크인 기준 링크(21)와 회전 링크(22)에서 조인트 회전 각도가 동일한 경우 나선 모양의 형상도 동일하므로 스프링(23)의 움직임의 형상을 예측할 수 있다. 스프링(23)은 기준 링크(21) 내면에 접하여 회전하면서 풀리거나 감기게 된다.

스프링(23)은 회전 링크(22)의 회전 각도에 따라 그 형상이 나선 모양의 상태로 회전하면서 기준 링크(21)와 회전 링크(22)의 내벽에 맞닿아 그 트위스트각이 변화하면서 항상 동일한 나선 패턴을 유지하게 된다.

도 2 내지 도 4를 연속적으로 살펴보면, 도 2는 기준 링크(21)와 회전 링크(22)의 초기 위치를 나타내고, 도 3은 회전 링크(22)가 90도 정도 회전된 위치를 나타내며, 도 4는 회전 링크(22)가 180도 회전된 위치를 나타낸다. 그 다음은 역방향으로의 회전이 이루어지고, 도 2와 도 4의 회전 링크(22) 위치에서 반복적으로 왕복 회전운동을 할 것이다.

도 2를 먼저 보면, 현재 위치는 회전 링크(22)의 초기 위치이며 스프링(23)은 양단이 고정된 채 소정의 트위스트각으로 꼬여 배치된다. 이때 트위스트각은 양단이 고정된 위치를 기준으로 보면 대략 90도 정도가 된다.

이어서, 도 2에서 도 3 상태로 회전 링크(22)가 90도 정도 회전하면 스프링(23)은 탄성적으로 꼬임 정도가 달라지면서 양단이 고정된 위치를 기준으로 대략 180도의 트위스트각을 유지하게 된다.

그리고, 도 3에서 도 4 상태로 회전 링크(22)가 90도 정도 회전하면 스프링(23)은 탄성적으로 꼬임 정도가 달라지면서 양단이 고정된 위치를 기준으로 대략270도의 트위스트각을 유지하게 된다.

스프링(23)은 도 2 내지 도 4에서와 같이 트위스트각이 90도에서 270도 사이를 반복하면서 항상 같은 나선 모양의 확정적 배치 상태를 유지하게 되는 것을 알 수 있다.

여기서, 스프링(23)의 트위스트각은 예시에 불과하며 로봇의 회전 운동 범위 스프링의 탄성 강도 등을 고려하여 얼마든지 다르게 설정될 수 있으며, 중요한 요소는 최초 설치시 소정의 트위스트각을 유지한 채 설치된다는 것이다.

즉, 스프링(23)의 탄성을 이용하여 로봇의 작동 형상에 따라 스프링(23)의 확정적 배치 형태를 예측할 수 있고, 내부에 삽입되어 있는 케이블들도 스프링(23)의 트위스트 형상에 따른 적절한 형태의 배치 모양이 유지될 수 있다.

도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 스프링 탄성을 이용한 로봇 내장 케이블 설치 구조에 있어서, 조인트 움직임에 의해 케이블의 길이방향 운동이 요구되는 경우의 예를 도시한 것이다.

먼저, 도 5를 참조하면 본 발명에 따른 스프링 탄성을 이용한 로봇 내장 케이블 설치 구조는 상대 운동하는 기준 링크(31)와 상대 링크(32)가 서로 연결되고 그 내부로는 스프링(33)이 장착되며, 스프링(33)의 내부로는 케이블(미도시)이 삽입된다.

기준 링크(31)를 기준으로 상대 링크(32)에는 케이블이 감기는 케이블 감김축(35)이 형성되고, 케이블 감김축(35)은 조인트(36)에 연결된다. 조인트(36)의 회전에 따라 케이블 감김축(35)이 연동되어 회전하고 케이블을 포함한 스프링(33)은 화살표(W) 방향으로 케이블 감김축(35)에 감겨지거나 풀리게 된다. 이는 곧 케이블이 길이방향으로 길어지거나 짧아지는 구조를 갖는다.

스프링(33)는 나선으로 꼬여진 코일 형태를 취하며, 그 내부로 케이블이 삽입되고, 일단은 기준 링크(31)의 고정구(34a)에 고정되고, 타단은 상대 링크(32)에 형성된 케이블 감김축(35)의 상단에 형성된 고정구(미도시)에 고정 설치된다.

스프링(33)은 양단이 고정된 상태에서 양단 사이에서 탄성에 의한 유동성을 갖는다.

스프링(33)의 고정은 트위스트각을 주어 고정되며, 스프링(33)의 일단을 기준으로 타단으로 갈수록 화살표(Tw) 방향으로 트위스트되어 배치 고정된다. 마찬가지로 스프링(33) 내부에 삽입되는 케이블 역시 스프링(33)의 꼬임 배치와 동일하게 트위스트된 채로 배치될 것이다.

스프링(33)은 상대 링크(32)에 형성된 조인트(36) 및 케이블 감김축(35)의 회전에 따라 화살표(W) 방향의 가변적 길이변화를 가져오며 그 형상은 최초 고정시의 트위스트 형태를 유지한 채 탄성에 의해 그 길이가 변화된다.

케이블이 길어져야 하는 방향으로 기준 링크(31)와 상대 링크(32)가 상대 운동할 경우 미리 세팅된 나선 구조에서 여분의 케이블이 당겨진다.

케이블이 짧아져야 하는 방향으로 기준 링크(31)에 대해 상대 링크(32)의 감김축(35)이 상대 회전 운동할 경우 스프링(33)의 탄성에 의한 복원력에 의해 나선 구조가 복원된다.

케이블이 길어지고 짧아져야 하는 방향으로 상대 운동할 때, 초기 스프링(33) 고정시 스프링(33)의 트위스트각을 조정하여 케이블이 짧아져야 하는 방향으로 나선 복원이 가능하도록 한다. 스프링(33)의 트위스트각은 도시된 화살표 방향으로 이루어지는 것이 바람직하며 그렇지 않을 경우 케이블이 길어지고 짧아지는 과정에서 트위스트가 풀려 문제가 발생할 수 있다.

도 5 내지 도 7를 연속적으로 살펴보면, 도 5는 기준 링크(31)와 상대 링크(32)의 초기 위치를 나타내고, 도 6은 상대 링크(32)의 조인트(36) 및 케이블 감김축(35)이 화살표 방향(W1)으로 360도 회전한 경우의 위치를 나타내며, 도 7은 상대 링크(32)의 조인트(36) 및 케이블 감김축(35)이 화살표 방향(W2)으로 360도 회전한 경우의 위치를 나타낸다.

도 5를 먼저 보면, 현재 위치는 상대 링크(32)의 초기 위치이며 스프링(33)은 양단이 고정된 채 소정의 트위스트각으로 꼬여 배치된다.

이어서, 도 5에서 도 6 상태로 케이블 감김축(35)이 화살표 방향(W1)으로 회전하면, 스프링(33)은 탄성력에 의해 늘어나게 되고, 트위스트 형태는 동일하게 유지된다.

다음으로, 도 6 상태에서 도 5 상태로 복귀(케이블이 짧아지는 경우)하고, 다시 도 7상태로 케이블 감김축(35)이 화살표 방향(W2)으로 회전하면, 스프링(33)은 탄성력에 의해 늘어나게 되고, 트위스트 형태는 동일하게 유지된다.

본 발명의 바람직한 예시로서 설명된 회전 조인트시와 조인트에 의한 케이블의 길이 가변운동 사이에서 회전 조인트와 조인트에 의한 케이블의 가변만을 설명하였지만, 두 구조의 결합을 동시에 적용하는 것도 가능함은 당연하다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 로봇 내장형 케이블의 설치 구조는 스프링의 탄성력을 이용하여 불확정적인 케이블 배치 상태를 예측 가능한 확정적 배치 상태로의 변경이 가능하고, 스프링으로 인한 케이블 보호 효과가 있으며, 스프링이 고정부에 고정되므로 케이블이 고정되었을 때와 비교하여 케이블 스트레스를 완화할 수 있고 무엇보다도 저렴한 비용으로 구현이 가능하게 된다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

21, 31 : 기준 링크 22 : 회전 링크
23, 33 : 스프링 24a, 24b, 34a, 34b : 고정구
32 : 상대 링크 35 : 케이블 감김축
36 : 조인트

Claims (5)

1. 두 링크가 결합되어 상대 회전 운동하고, 그 내부에는 하나 이상의 케이블이 내장되며,
   상기 케이블은 코일형태의 스프링에 내부에 삽입되고,
   상기 스프링의 일단은 상기 링크 중 하나에 형성된 고정구에 고정되고, 타단은 상기 링크 중 다른 하나에 형성된 고정구에 고정되며, 상기 스프링은 시작단과 끝단이 서로 소정의 각도(트위스트각)로 꼬여 설치되고, 상기 스프링은 꼬인 상태에서 하나의 링크 내측을 지지면으로 하여 꼬임이 풀리거나 감기며,
   상기 두 링크가 상대 운동할 경우 상기 스프링은 꼬인 형태를 유지하면서 상기 트위스트각이 변하거나 탄성에 의해 길이 가변되는, 스프링 탄성을 이용한 로봇 내장 케이블 설치 구조.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 링크 중 다른 하나에 조인트가 형성되고, 상기 조인트에는 케이블 감김축이 형성되며, 상기 스프링은 상기 케이블 감김축에 고정되고,
   상기 조인트 및 케이블 감김축의 회전에 의해 상기 스프링은 상기 케이블 감김축의 원주방향을 따라 감져지거나 풀리는, 스프링 탄성을 이용한 로봇 내장 케이블 설치 구조.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 두 링크 중 하나의 링크를 기준으로 다른 하나의 링크가 회전 운동을 하고,
   상기 링크 중 다른 하나의 링크에는 조인트가 형성되고, 상기 조인트에는 케이블 감김축이 형성되며, 상기 스프링은 상기 케이블 감김축에 고정되고,
   상기 회전 운동에 의해 꼬인 형태를 유지하면서 상기 트위스트각이 변하거나 탄성에 의해 길이 가변되는 동시에 상기 조인트의 회전에 의해 상기 스프링은 상기 케이블 감김축의 원주방향을 따라 감져지거나 풀리는, 스프링 탄성을 이용한 로봇 내장 케이블 설치 구조.
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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