KR101469493B1 - 차동 기어 특성을 이용한 로봇 핑거 구동 모듈 및 이를 포함하는 로봇 핸드 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 로봇 핸드 내부에 설치되는 구동 모터에 의해 구동되는 로봇 핑거 구동 모듈 및 이를 이용하는 로봇 핸드를 제공하기 위해, 로봇 핑거 구동 모듈은 상기 구동 모터와 구동 벨트를 통해 연결되는 풀리기어에 의해 상기 구동 모터의 구동력을 전달 받고, 상기 로봇 핑거 구동 모듈은 상기 풀리기어와 조립되어 회전되는 제 1 모듈하우징과 제 2 모듈 하우징을 통해 형성되는 하우징, 상기 하우징 내부의 3축의 구동축, 상기 3축의 구동축 상하에 베어링 지지되어 설치되는 제 1 및 제 3 연결기어, 상기 3축의 구동축 전후에 베어링 지지되어 실치되는 제 2 및 제 4 연결기어, 상기 3축의 구동축 좌우에 베어링 지지되어 설치되는 제 1 및 제 2 출력기어를 포함하고, 상기 3축의 구동축은 상기 로봇 핑거 구동 모듈의 하우징 내부에 장착되고, 상기 제 1 및 제 2 출력기어는 상기 제 1 내지 제 4 연결기어와 맞물려 구동되고, 상기 로봇 핑거 구동 모듈이 고정되는 경우 상기 제 1 출력기어의 구동 방향 및 상기 제 2 출력기어의 회전 구동 방향이 서로 반대이며, 상기 로봇 핑거 구동 모듈이 회전되는 경우 상기 제 1 출력기어 또는 제 2 출력기어 중 하나가 고정되더라도 다른 하나가 상기 로봇 핑거 구동 모듈의 회전 방향으로 회전 구동하는 차동 기어 특성을 나타내는 로봇 핑거 구동 모듈 및 로봇 핸드를 제공한다.
Description
본 발명은 차동 기어의 특성을 이용한 로봇 핑거 구동 모듈 및 이를 포함하는 로봇 핸드에 관한 것이다.
일반적으로 산업용 로봇의 핸드를 그립퍼(gripper)라고 부르는데, 그립퍼는 로봇 핑거 또는 로봇 핸드 전체로 물체를 잡는 일을 할 경우에 주로 사용되는 집게 모양의 로봇 핸드를 가리킨다.
최근, 물체를 잡는 동작을 하는 로봇 핸드에 대한 관심이 높아지면서, 물체를 완벽하게 잡기 위한 로봇 핑거의 디자인 및 구동 알고리즘에 집중하고 있으며, 이를 바탕으로 다수의 로봇 핑거를 갖는 로봇 핸드가 개발되고 있다.
또한, 인간의 모습을 닮은 로봇의 개발이 활발해지고, 로봇의 작동 방식을 인간의 손과 거의 동일한 모습으로 구현하고자, 로봇 핑거의 각 핑거마다의 동력 전달 방식 및 구동 방식 등을 고려한 로봇 핸드의 제작이 중요한 문제로 떠오르고 있다.
그러나, 최근에 개발된 다수의 핑거를 갖는 로봇 핸드는 물체를 잡는 동작을 완벽하게 구현하는 것에만 주력하여, 그 크기와 구동의 용이성이 무시되어, 구조가 너무 복잡한 문제가 있다.
예를 들어, 도 17에는 일반적으로 상용화된 로봇 핸드(SimLab사 제작)를 간략히 도시하고 있다.
상기 로봇 핸드는 로봇 핑거의 각 관절(91 내지 94)마다 구동 모터가 적용된 일괄 구동(Full-Actuated) 방식을 채택하고 있다. 이러한 종래의 로봇 핸드는 하나의 관절마다 하나의 구동 모터(921)을 적용하기 위해, 각 구동 모터(921)의 크기와 그 출력에 제한이 많이 따른다.
또한, 로봇 핸드의 특성상 로봇 핑거의 크기는 작아야 하며, 적용된 모터는 그 크기에 비해 전체 로봇 핑거를 구동할 수 있을 정도로 큰 출력을 나타내어야 한다. 즉, 각 관절에 적용되는 구동 모터는 작은 크기임에도 불구하고 큰 출력을 낼 수 있어야 한다. 따라서, 종래 로봇 핑거의 구동 모터는 감속기 메커니즘(923 내지 925)을 반드시 포함하여야하는 문제점이 발생한다.
또한, 이러한 종래 로봇 핑거의 문제점을 해결하기 위해, 비구동관절 메커니즘(underactuated mechanism)을 이용하는 로봇 핸드가 연구되고 있다.
그러나, 로봇 핸드의 작동이 단순한 쥐기 동작(grip)에 한정되는 것이 아니고, 집기(pinching), 걸기(hooking), 맞대기(palm contacting) 등의 동작을 함께 구현할 수 있어야 함을 고려한다면, 현재 연구중인 로봇 핸드는 그 기능의 활용이 부족하다.
Simlab사 Allegro Hand 제품 인터넷 페이지(http://www.simlab.co.kr/Allegro-Hand.htm)
따라서, 본 발명은 전술한 문제점을 해소하기 위한 것으로, 종래 로봇 핸드가 각 관절 수에 따른 구동 모터가 다수 필요하다는 것을 해결하기 위해, 본 발명은 차동 기어를 이용하여, 각 관절의 자유도를 충분히 발휘할 수 있는 로봇 핑거 구동 모듈 및 로봇 핑거를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 종래 로봇 핸드와 같이 다수의 구동 모터 및 감속기 등이 필요하지 않으므로, 전체 로봇 핸드 시스템의 경량화 및 소형화가 가능한 로봇 핑거 구동 모듈 및 로봇 핑거를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 각 로봇 핸드의 로봇 핑거를 작동시키는 로봇 핑거 구동 모듈의 출력기어를 달리함으로써, 두 개의 출력축에 작용하는 외력에 대한 강인성을 충분히 확보할 수 있는 로봇 핑거 구동 모듈 및 로봇 핑거를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 로봇 핑거 구동 모듈의 각 출력축을 비틀림 스프링으로 연결하여, 그립 작동시 확실한 그립력을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 완전 자유도 시스템(쥐기, 집기, 걸기, 순응, 충돌회피)의 기능을 충분히 대체할 수 있는 로봇 핑거 구동 모듈 및 로봇 핑거를 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 상기 로봇 핑거 구동 모듈의 병렬 적용(예를 들어, 두 개의 손가락에 나란하게 적용) 또는 직렬 적용(예를 들어, 손가락 각 마디마다 적용) 또는 병렬 적용과 직렬 적용을 동시에 적용하여, 다양한 로봇 핸드의 특성을 발휘할 수 있는 로봇 핑거 구동 모듈 및 로봇 핑거를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 로봇 핸드 내부에 설치되는 구동 모터에 의해 구동되는 로봇 핑거 구동 모듈을 제공한다. 또한, 본 발명의 로봇 핑거 구동 모듈은 구동 모터와 구동 벨트를 통해 연결되는 풀리기어에 의해 상기 구동 모터의 구동력을 전달 받으며, 로봇 핑거 구동 모듈은 상기 풀리기어와 조립되어 회전되는 제 1 모듈하우징과 제 2 모듈 하우징을 통해 형성되는 하우징, 하우징 내부의 3축의 구동축, 3축의 구동축 상하에 베어링 지지되어 설치되는 제 1 및 제 3 연결기어, 3축의 구동축 전후에 베어링 지지되어 실치되는 제 2 및 제 4 연결기어, 3축의 구동축 좌우에 베어링 지지되어 설치되는 제 1 및 제 2 출력기어를 포함하며, 3축의 구동축은 로봇 핑거 구동 모듈의 하우징 내부에 장착된다.
또한, 본 발명의 제 1 및 제 2 출력기어는 제 1 내지 제 4 연결기어와 맞물려 구동되고, 상기 로봇 핑거 구동 모듈이 고정되는 경우 상기 제 1 출력기어의 구동 방향 및 상기 제 2 출력기어의 회전 구동 방향이 서로 반대이며, 상기 로봇 핑거 구동 모듈이 회전되는 경우 상기 제 1 출력기어 또는 제 2 출력기어 중 하나가 고정되더라도 다른 하나가 상기 로봇 핑거 구동 모듈의 회전 방향으로 회전 구동하는 차동 기어 특성을 나타내는 로봇 핑거 구동 모듈을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 하우징 내부의 3축의 구동축 주위에는 비틀림 스프링이 형성되고, 제 1 및 제 2 출력기어의 기어비가 서로 다른 로봇 핑거 구동 모듈을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 로봇 핑거 구동 모듈을 이용하는 로봇 핸드를 제공할 수 있으며, 중앙 핑거 모듈의 제 1 출력기어 및 제 2 출력기어의 외측에 각각 출력 풀리및 상기 출력 풀리의 구동력을 전달하는 출력 벨트가 형성되고, 상기 중앙 핑거 모듈의 양단에는 제 1 핑거 모듈 및 제 2 핑거 모듈이 나란하게 설치되며, 상기 출력 벨트는 상기 제 1 핑거 모듈 및 상기 제 2 핑거 모듈의 풀리기어와 연결되어, 상기 중앙 핑거 모듈, 상기 제 1 핑거 모듈 및 상기 제 2 핑거 모듈은 상기 차동 기어 특성을 나타내는 로봇 핸드를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 제 1 핑거 모듈 또는 제 2 핑거 모듈의 출력기어 중 하나는 마디 연결부와 연결되고, 다른 하나의 출력기어는 벨트를 통해 가지 연결부와 연결되며, 마디 연결부의 타측 말단에는 관절 기어를 통해 가지 연결부가 형성되고, 상기 가지 연결부의 구동은 4절 링크와 함께 연결되어 손가락 말단부를 구동시키는 로봇 핸드를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 마디 연결부의 외측 및 상기 가지 연결부의 외측에 인장 스프링을 추가로 포함하는 로봇 핸드를 제공할 수 있다.
본 발명에 따르면, 차동 기어의 특성을 이용하기 때문에, 각 관절의 자유도를 충분히 발휘할 수 있으며, 종래 로봇 핸드와 같이 다수의 구동 모터 및 감속기 등이 필요하지 않으므로, 전체 로봇 핸드 시스템의 경량화 및 소형화가 가능하다.
또한, 본 발명의 로봇 핑거 구동 모듈의 출력기어를 달리하기 때문에, 두 개의 출력축에 작용하는 외력에 대한 강인성을 충분히 확보할 수 있다.
또한, 본 발명의 로봇 핑거 구동 모듈 내부의 비틀림 스프링을 통해, 용이한 복귀력을 확보할 수 있으며, 쥐기, 집기, 걸기, 순응, 충돌회피 등의 기능을 충분히 발휘할 수 있다.
또한, 본 발명의 로봇 핑거 구동 모듈의 병렬 적용, 또는 직렬 적용, 또는 병렬 적용과 직렬 적용을 동시에 적용하여, 다양한 로봇 핸드의 특성을 발휘할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예로서, 로봇 핑거 구동 모듈의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예로서, 도 1에 기재된 로봇 핑거 구동 모듈의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예로서, 도 1 및 도 2에 도시된 로봇 핑거 구동 모듈의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예로서, 도 3에 기재된 로봇 핑거 구동 모듈의 작동 방식을 나타내는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예로서, 로봇 핑거 구동 모듈이 적용된 로봇 핸드의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예로서, 도 5에 기재된 로봇 핸드의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예로서, 도 5에 기재된 로봇 핑거 구동 모듈의 병렬 연결을 다른 측면에서 바라본 사시도이며, 이를 통해 로봇 핑거 구동 모듈이 두 개로 병렬 연결했을 때의 구동력 전달을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예로서, 도 7에 기재된 로봇 핸드의 정면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예로서, 도 8에 기재된 로봇 핸드의 단면 측면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예로서, 도 8에 기재된 로봇 핑거 구동 모듈의 병렬 연결의 개념도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예로서, 도 10에 기재된 로봇 핑거 구동 모듈의 병렬 연결의 작동 방식을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예로서, 본 발명의 로봇 핑거 구동 모듈을 직렬 방식으로 배열한 것을 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예로서, 도 12에 기재된 로봇 핑거 구동 모듈의 직렬 연결의 작동 방식을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예로서, 본 발명의 로봇 핑거 구동 모듈을 병렬과 직렬 모두 적용한 것을 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예로서, 도 14에 기재된 로봇 핸드의 작동 방식을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예로서, 본 발명의 로봇 핸드를 이용한 다양한 작동 방식을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 17은 종래 로봇 핸드를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예로서, 도 1에 기재된 로봇 핑거 구동 모듈의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예로서, 도 1 및 도 2에 도시된 로봇 핑거 구동 모듈의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예로서, 도 3에 기재된 로봇 핑거 구동 모듈의 작동 방식을 나타내는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예로서, 로봇 핑거 구동 모듈이 적용된 로봇 핸드의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예로서, 도 5에 기재된 로봇 핸드의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예로서, 도 5에 기재된 로봇 핑거 구동 모듈의 병렬 연결을 다른 측면에서 바라본 사시도이며, 이를 통해 로봇 핑거 구동 모듈이 두 개로 병렬 연결했을 때의 구동력 전달을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예로서, 도 7에 기재된 로봇 핸드의 정면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예로서, 도 8에 기재된 로봇 핸드의 단면 측면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예로서, 도 8에 기재된 로봇 핑거 구동 모듈의 병렬 연결의 개념도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예로서, 도 10에 기재된 로봇 핑거 구동 모듈의 병렬 연결의 작동 방식을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예로서, 본 발명의 로봇 핑거 구동 모듈을 직렬 방식으로 배열한 것을 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예로서, 도 12에 기재된 로봇 핑거 구동 모듈의 직렬 연결의 작동 방식을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예로서, 본 발명의 로봇 핑거 구동 모듈을 병렬과 직렬 모두 적용한 것을 개략적으로 나타낸 개념도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예로서, 도 14에 기재된 로봇 핸드의 작동 방식을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예로서, 본 발명의 로봇 핸드를 이용한 다양한 작동 방식을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 17은 종래 로봇 핸드를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 기준으로 본 발명의 바람직한 실시 형태를 통하여, 본 발명에 따른 로봇 핑거 구동 모듈 및 로봇 핸드에 대하여 설명하기로 한다.
설명에 앞서, 여러 실시 형태에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성 요소에 대해서는 동일 부호를 사용하여 대표적으로 일 실시 형태에서 설명하고, 그 외의 실시 형태에서는 다른 구성 요소에 대해서만 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 로봇 핑거 구동 모듈(1000)을 개략적으로 나타낸 사시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 로봇 핑거 구동 모듈(1000)은 중앙부에 풀리기어(1001)가 형성되어 있고, 상기 풀리기어(1001)는 외부의 구동원(도시되지 않음)으로부터 구동력을 전달받아 회전할 수 있으며, 상기 풀리기어(1001)는 제 2 모듈 하우징(1002)과 일체로 형성되어 있다.
상기 제 2 모듈 하우징(1002)의 반대측에는 제 1 모듈 하우징(1003)이 형성되어 있고, 상기 제 2 모듈 하우징과 제 1 모듈 하우징(1003)은 결합하여, 전체 로봇 핑거 구동 모듈(1000)의 본체를 형성하게 된다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 로봇 핑거 구동 모듈의 분해 사시도로서, 도 1에 기재된 로봇 핑거 구동 모듈(1000)을 분해한 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 로봇 핑거 구동 모듈(1000)의 중앙에는 3축의 구동축(1004)이 위치하고 있고, 상기 3축의 구동축(1004) 말단에 각각 연결기어들(1005, 1006, 1007, 1008)이 결합된다. 좀 더 구체적으로, 상기 3축의 구동축(1004) 상부에는 제 1 연결기어(1005), 하부에는 제 3 연결기어(1007)가 베어링(1011) 각각 지지되어 연결된다. 또한, 상기 3축의 구동축(1004) 전면(도면의 지면 기준)에는 제 2 연결기어(1008), 후면에는 제 4 연결기어(1006)가 역시 베어링 지지되어 연결된다. 또한, 상기 3축의 구동축(1004)의 좌측에는 제 2 출력기어(1009)가 베어링 지지되어 연결되고, 우측에는 제 1 출력기어(1010)가 베어링 지지되어 연결된다. 또한, 상기 제 2 출력기어(1009)의 외측에는 전술한 제 2 모듈 하우징(1002)이 베어링(1011) 지지된다.
구체적인 회전 구동 방식을 설명하면, 상기 풀리기어(1001)가 회전시 상기 로봇 핑거 구동 모듈(1000) 전체를 회전되며, 그 내부의 3축의 구동축(1004) 역시 이와 함께 회전된다. 또한, 상기 제 1 내지 제 4 연결기어(1005 내지 1008)을 회전 구동되면, 상기 제 1 내지 제 4 연결기어(1005 내지 1008)와 맞물리는 제 1 출력기어(1010)와 제 2 출력기어(1009)를 회전 구동시키게 된다.
이 때, 로봇 핑거 구동 모듈(1000) 전체가 고정되는 경우, 상기 제 1 출력기어(1010)의 구동 방향 및 상기 제 2 출력기어(1009)의 회전 구동 방향이 서로 반대로 회전하게 된다.
또한, 상기 로봇 핑거 구동 모듈(1000)이 회전되는 경우, 상기 제 1 출력기어(1010) 또는 제 2 출력기어(1009) 중 하나가 고정되더라도, 다른 하나가 상기 로봇 핑거 구동 모듈(1000)의 회전 방향으로 회전 구동하게 되며, 이는 차동(differential) 기어 특성을 나타내게 된다.
이하, 도 3에 도시된 로봇 핑거 구동 모듈(1000)의 개념도를 이용하여, 본 발명의 일 실시형태에 따른 로봇 핑거 구동 모듈의 작동 방식을 설명하기로 한다.
도 3은 로봇 핑거 구동 모듈의 입력축(71), 제 1 출력축(72), 제 2 출력축(73)과, 전술한 제 1 출력기어(1010) 및 제 2 출력기어(1009)의 기어열의 수를 각각 A, B로 표시하였다.
추가적으로, 본 발명의 일 실시형태로서, 상기 로봇 핑거 구동 모듈(1000) 본체 내부의 3축의 구동축(1004) 주위로 비틀림 스프링(74)이 추가될 수 있으며, 상기 비틀림 스프링(74)은 제 1 출력기어(1010)와 제 2 출력기어(1009)와 연결된다. 상기 비틀림 스프링(74)의 구체적인 작동은 아래에서 좀 더 구체적으로 설명하기로 한다.
도 4(a)는 입력축(71)이 고정(F)되었을 경우의 로봇 핑거 구동 모듈의 각 출력축(72, 73) 사이의 작동 관계를 나타낸다. 도 4(a)에 도시된 바와 같이, 로봇 핑거 구동 모듈의 입력축(71)을 고정(F)하였을 경우, 예를 들어, 제 1 출력축(72)에 회전 구동력을 입력(I)하면, 제 2 출력축(73)은 상기 제 1 출력축(72)과 반대 방향으로서 회전 구동력을 출력(O)하게 된다.
또한, 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 제 1 출력축(72)을 고정(F)하였을 경우, 로봇 핑거 구동 모듈의 입력축(71)에 회전 구동력을 입력(I)하면, 제 2 출력축(73)이 상기 로봇 핑거 구동 모듈의 입력축(71)과는 별도로 회전 구동력을 출력(O)하게 된다.
또한, 도 4(c)에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 제 2 출력축(73)을 고정(F)하였을 경우, 로봇 핑거 구동 모듈의 입력축(71)에 회전 구동력을 입력(I)하면, 제 1 출력축(72)이 상기 로봇 핑거 구동 모듈의 입력축(71)과는 별도로 회전 구동력을 출력(O)하게 된다.
즉, 도 4(a) 내지 도 4(c)의 작동 방식을 통해 알 수 있듯이, 하나의 구동 모터 모듈(70)로서, 3가지 형태의 회전력 출력 형태를 얻을 수 있으므로, 그 만큼의 작동 자유도를 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 제 1 출력기어(1010) 및 제 2 출력기어(1009)의 기어비를 달리하여, 제 1 출력기어(1010)의 회전 구동량과 다른 회전 구동량을 제 2 출력기어(1009)에 구동시킬 수 있다.
이하, 전술한 도 1 내지 도 4에 도시된 로봇 핑거 구동 모듈(1000)을 적용한 로봇 핸드(1)의 바람직한 실시 형태를 도 5 내지 도 9를 참조하여 설명하기로 한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 로봇 핸드(1)는 전술한 로봇 핑거 구동 모듈(10)을 중앙에 위치시키고, 상기 중앙 핑거 모듈(10)의 제 1 출력기어(1010)와 제 2 출력기어(1009)에 로봇 핑거가 각각 연결되며, 상기 로봇 핸드(1)는 각각 전술한 로봇 핑거 구동 모듈(1000)을 그 내부에 각각 포함하고 있다.
좀 더 구체적으로, 중앙 핑거 모듈(10)의 제 1 출력기어(1010)의 외측에 출력 풀리(111)와 출력 벨트(112)가 형성되고, 상기 제 1 출력기어(1010)의 구동력은 상기 출력 벨트(112)를 통해, 제 1 핑거 모듈(20)의 풀리기어에 전달된다. 또한, 중앙 핑거 모듈(10)의 타측의 제 2 출력기어(1009)의 외측에도 출력 풀리(113)와 출력 벨트(114)가 형성되고, 상기 제 2 출력기어(1009)의 구동력은 상기 출력 벨트(114)를 통해, 제 2 핑거 모듈(30)의 풀리기어에 전달된다.
전술한 바와 같이, 제 1 출력기어(1010)와 제 2 출력기어(1009)는 차동 특성을 나타내기 때문에, 중앙 핑거 모듈(10)이 고정되는 경우, 이로부터 구동력을 전달 받는 제 1 핑거 모듈(20)의 풀리기어와 제 2 핑거 모듈(30)의 풀리기어의 구동 방향이 서로 반대로 될 수 있다.
또한, 상기 중앙 핑거 모듈(10)이 회전하는 경우, 상기 제 1 핑거 모듈(20) 또는 상기 제 2 핑거 모듈(30) 중 어느 하나가 고정되더라도, 다른 하나가 상기 중앙 핑거 모듈(10)의 회전 방향으로 회전 구동하게 된다.
또한, 상기 제 1 핑거 모듈(20)의 출력기어들 중 하나는 마디 연결부(21)와 연결되고, 다른 하나의 출력기어는 출력 벨트(211)를 통해 가지 연결부(23)와 연결된다.
또한, 상기 마디 연결부(21)의 타측 말단에는 관절 기어(22)가 형성되어, 이를 통해 가지 연결부(23)가 상기 마디 연결부(21)와 연결되며, 제 1 핑거 모듈(20)에서 출력된 구동력은 출력 벨트(211)를 통해 상기 가지 연결부(23)에 구동력이 전달되고, 상기 가지 연결부(23)는 4절 링크(231)과 함께 연결되어, 손가락 말단부(25)를 구동시킨다.
또한, 마찬가지로, 상기 제 2 핑거 모듈(30)의 출력기어들 중 하나는 마디 연결부(31)와 연결되고, 다른 하나의 출력기어는 출력 벨트(311)를 통해 가지 연결부(33)와 연결된다.
또한, 상기 마디 연결부(31)의 타측 말단에는 관절 기어(32)가 형성되어, 이를 통해 가지 연결부(33)가 상기 마디 연결부(31)와 연결되며, 제 2 핑거 모듈(30)에서 출력된 구동력은 출력 벨트(311)를 통해 상기 가지 연결부(33)에 구동력이 전달되고, 상기 가지 연결부(33)는 4절 링크(331)과 함께 연결되어, 손가락 말단부(35)를 움직이게된다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 로봇 핸드(1)는 제 1 핑거 모듈(20)과 제 2 핑거 모듈(30)이 형성된 위치의 반대측에 추가적인 로봇 핑거 구동 모듈(1000)을 형성하여, 추가적인 제 3 핑거 모듈을 형성하는 것도 가능하다. 즉, 도 5에 도시된 본 발명에 따른 로봇 핸드(1)는 전체적으로 3개의 로봇 핑거를 포함하는 로봇 핸드가 될 수 있다.
이하, 도 10 내지 도 16에 기재된 본 발명에 따른 로봇 핑거(1)의 개념도를 통해, 각각의 작동 양태를 살펴보기로 하고, 설명을 위해 상기 개념도에서는 전술한 도 5 내지 도 9의 구체적인 구성요소의 도면 부호가 아닌, 개념적으로 나타낸 구성요소의 도면 부호를 사용하기로 한다.
우선, 도 10에 도시된 바와 같이, 구동 모터(60)의 일단부에는 출력 기어(62)가 형성되고, 상기 출력 기어(62)는 중앙 로봇 핑거 구동 모듈(70)의 풀리기어(725)와 연결되어, 구동 모터(60)의 구동력이 로봇 핑거 구동 모듈(70)에 전달된다.
전술한 바와 같이, 중앙 로봇 핑거 구동 모듈(70)은 차동 기어 특성을 나타내므로, 병렬로 연결된 제 1 출력기어(731)와 제 2 출력기어(721)는 그 구동이 차동 특성을 나타낸다. 도 11에 기재된 개념도와 함께 설명하면, 제 1 출력기어(731)에 연결된 마디 연결부(732)가 작업 대상물에 닿아 제 1 출력기어(731)의 회전이 멈추더라도, 제 1 출력기어(731)의 구동과는 별도로 제 2 출력기어(721)가 차동 특성을 나타내므로, 제 2 출력기어(721)의 마디 연결부(722)는 제 1 출력기어(731)의 마디 연결부(732)와는 별도로, 작업 대상물에 닿을 때까지 회전하게 된다. 즉, 도 11(a) 및 도 11(b)에서 중앙 로봇 핑거(70)의 구동을 통해, 제 1 마디 연결부(732)와 제 2 마디 연결부(722)가 함께 구동(α)되고, 도 11(b)에서는 작업 대상물에 제 1 마디 연결부(732)가 먼저 닿아 정지하는 형태를 나타낸다. 그 후, 도 11(c)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 로봇 핑거 구동 모듈(70)의 차동 특성으로 인하여, 제 1 마디 연결부(732)가 정지하였더라도, 제 2 마디 연결부(722)가 별도로 구동(β)되어 작업 대상물과 접촉하여 정지할 때까지 회전한다.
이 때, 제 1 출력기어(731)와 제 2 출력기어(721)의 기어비가 서로 동일하다면, 최초 제 1 마디 연결부(732)와 제 2 마디 연결부(722)가 회전하는 각속도가 동일(α)하게 적용되겠지만, 제 1 출력기어(731)와 제 2 출력기어(721)의 기어비를 달리하여, 그 각속도를 달리할 수 있다.
다음으로, 도 12를 통해, 본 발명의 로봇 핑거 구동 모듈을 직렬로 배치하였을때의 작동 양태를 설명하기로 한다. 우선, 도 10에 도시된 바와 같이, 구동 모터(60)와 중앙 로봇 핑거 구동 모듈(70)이 연결되어 있다. 다만, 도 10과는 달리, 제 1 출력기어(731)가 위치했던 곳에 출력 풀리(726)가 형성되고, 이는 마디 연결부(722)의 말단에 형성된 관절 기어(80)와 출력 벨트(83)를 통해 구동력이 전달되고 있다. 전술한 바와 같이, 도 12에 기재된 본 발명의 실시 형태는 로봇 핑거 구동 모듈을 직렬로 배치하는 개념이다.
이하, 도 12의 작동 양태를 도 13을 통해 설명하기로 한다. 우선, 중앙 로봇 핑거 구동 모듈(70)의 구동을 통해, 마디 연결부(722)가 구동된다(도 13(a)). 도 13(b)에서, 마디 연결부(722)가 작업 대상물에 닿아 그 구동이 정지한다 하더라도, 마디 연결부(722) 말단의 관절 기어(80)가 계속해서 회전하게 된다. 따라서, 도 13(c)에 도시된 바와 같이, 가지 연결부(822)가 추가적으로 구동(γ)될 수 있다.
다음으로, 도 10에 도시된 병렬 적용의 로봇 핑거 구동 모듈과 도 12에 도시된 직렬 적용의 로봇 핑거 구동 모듈을 모두 적용한 양태를 도 14에 도시하였고, 다만, 그 구체적인 구성요소의 설명은 전술한 도 10과 도 12에서 충분히 설명하였으므로, 그 설명은 생략하기로 한다.
도 15는 전술한 도 14의 병렬 및 직렬 적용의 로봇 핑거 구동 모듈의 작동 양태를 나타낸다. 이 때, 도 14에 도시된 로봇 핑거 구동 모듈은 도 11 및 도 13에 도시된 로봇 핑거 구동 모듈의 작동 양태가 복합적으로 작동되며, 하나의 구동 모터(60)로서 핑거의 작동 방식을 4가지로 나타낼 수 있는 충분한 자유도를 발휘한다.
이 때, 로봇 핑거 구동 모듈 내부에 비틀림 스프링(74)이 없는 경우에는, 출력축 고정 후 관절 기어의 회전시에 필요한 토크가 서로 동일하게 되지만, 본 발명의 로봇 핑거 구동 모듈은 그 내부에 비틀림 스프링(74)을 포함하고 있으므로, 관절 기어의 출력 토크는 고정된 출력축 토크보다 상기 비틀림 스프링(74)에 의한 토크 만큼이 더 필요하게 된다.
그러나, 종래의 로봇 핸드는 핑거가 본래의 위치로 복귀시, 핑거의 초기 위치를 감지하는 센서가 추가로 필요하지만, 본 발명의 로봇 핑거 구동 모듈을 적용한 로봇 핸드는 비틀림 스프링(74)의 스프링력을 통해 복원력이 절감되므로, 좀 더 용이하게 본래 위치로 복귀될 수 있다.
또한, 이러한 로봇 핑거 구동 모듈 내부의 비틀림 스프링(74)의 역할은 도 8에 도시된 바와 같은 연결 스프링(212)을 통해서도 그 기능을 발휘할 수 있다.
이하, 도 16에 기재된 사항을 참고하여, 본 발명의 로봇 핑거 구동 모듈을 적용하는 로봇 핸드의 기능을 설명하기로 한다.
(a) 쥐기(grasping)
도 14에 기재된 로봇 핑거 구동 모듈에, 전술한 바와 같이, 추가적인 제 3 로봇 핑거와 제 4 로봇 핑거를 형성하여, 도 16(a)에 도시된 로봇의 쥐기 기능을 실현할 수 있다.
(b) 집기(pinching)
로봇 핑거의 검지와 엄지 사이에 작업 대상물이 놓이는 경우, 본 발명의 로봇 핑거를 이용하여, 작업 대상물을 집을 수 있다. 이 때, 작업 대상물을 집은 후 외력에 의해 작업 대상물이 흔들리게 되면, 본 발명의 차동 특성에 의해 대상물을 손가락 사이에서 고정되지 않는 문제점이 발생하게 된다. 그러나, 전술한 바와 같이, 본 발명은 비틀림 스프링(74)과 연결 스프링(212)을 통해, 이들의 탄성력을 이용하여 작업 대상물에 닿은 손가락 끝은 더 강하게 대상물을 누르게 되므로, 상기 비틀림 스프링(74)과 연결 스프링(212)의 탄성력에 의해 일정 범위 안에서 로봇 핸드는 집기 상태를 유지할 수 있다(도 16(b)).
(c) 걸기(hooking)
도 16(c)에 도시된 바와 같이, 작업 대상물의 모서리 부분이 마디 연결부에 닿고, 해당 가지 연결부에 접촉이 없으면, 본 발명의 로봇 핸드는 걸기 기능을 갖는다. 반대로, 작업 대상물이 로봇 핸드의 손바닥에 닿고, 로봇 핑거의 마디 연결부보다 가지 연결부에 먼저 닿는 부분이 없거나, 이들 모두가 작업 대상물에 닿는다면 로봇 핸드의 맞대기 기능을 갖게 된다.
(d) 충돌회피(collision avoidance) 및 순응(compliance)
로봇 핸드 분야에서 순응 기능은 로봇 핸드가 주요 기능을 할 때, 뜻하지 않은 외력에 대한 추가적인 작동 제어 없는 로봇 핸드 자체의 기구적인 강인성을 의미한다. 즉, 도 16(e)는 전술한 집기 가능한 위치에서 벗어난 작업 대상물에 대한 순응을 예시적으로 나타내며, 집기 실패후 재시도시 초기 위치로 복귀해야한다. 이 때, 마디 연결부는 차동 특성에 의해 초기 위치로 복귀하게 되며, 마디 연결부의 초기 위치 확보 후, 가지 연결부는 비틀림 스프링(74)과 연결 스프링(212)의 복원력에 의해 초기 위치로 복귀하게 된다.
또한, 도 16(d)에 도시된 충돌 회피 작동 역시 이러한 순응 기능과 마찬가지로, 장애물 충돌시 마디 연결부와 가지 연결부가 초기 위치로 복귀하는 작동을 이용하게 된다.
1000 로봇 핑거 구동 모듈
1001 풀리기어
1002 제 2 모듈 하우징
1003 제 1 모듈 하우징
1004 구동축
1005 제 1 연결기어
1006 제 4 연결기어
1007 제 3 연결기어
1008 제 2 연결기어
1009, 721 제 2 출력기어
1010, 731 제 1 출력기어
1011 베어링
71 로봇 핑거 구동 모듈 입력축
72 로봇 핑거 구동 모듈 제 1 출력축
73 로봇 핑거 구동 모듈 제 2 출력출
A, B 기어열
1 로봇 핸드
10, 70 중앙 핑거 모듈
111, 113, 726 출력 풀리
112, 114 출력 벨트
20 제 1 핑거 모듈
30 제 2 핑거 모듈
21, 31, 722, 732 마디 연결부
23, 33 가지 연결부
231, 331 4절 링크
211, 311, 83 출력 벨트
22, 32, 80 관절 기어
25, 35 손가락 말단부
60 구동 모터
62 구동 모터 출력 기어
1001 풀리기어
1002 제 2 모듈 하우징
1003 제 1 모듈 하우징
1004 구동축
1005 제 1 연결기어
1006 제 4 연결기어
1007 제 3 연결기어
1008 제 2 연결기어
1009, 721 제 2 출력기어
1010, 731 제 1 출력기어
1011 베어링
71 로봇 핑거 구동 모듈 입력축
72 로봇 핑거 구동 모듈 제 1 출력축
73 로봇 핑거 구동 모듈 제 2 출력출
A, B 기어열
1 로봇 핸드
10, 70 중앙 핑거 모듈
111, 113, 726 출력 풀리
112, 114 출력 벨트
20 제 1 핑거 모듈
30 제 2 핑거 모듈
21, 31, 722, 732 마디 연결부
23, 33 가지 연결부
231, 331 4절 링크
211, 311, 83 출력 벨트
22, 32, 80 관절 기어
25, 35 손가락 말단부
60 구동 모터
62 구동 모터 출력 기어
Claims (6)
- 로봇 핸드 내부에 설치되는 구동 모터에 의해 구동되는 로봇 핑거 구동 모듈로서,
상기 로봇 핑거 구동 모듈은 상기 구동 모터와 구동 벨트를 통해 연결되는 풀리기어에 의해 상기 구동 모터의 구동력을 전달 받고,
상기 로봇 핑거 구동 모듈은 상기 풀리기어와 조립되어 회전되는 제 1 모듈하우징과 제 2 모듈 하우징을 통해 형성되는 하우징, 상기 하우징 내부의 3축의 구동축, 상기 3축의 구동축 상하에 베어링 지지되어 설치되는 제 1 및 제 3 연결기어, 상기 3축의 구동축 전후에 베어링 지지되어 실치되는 제 2 및 제 4 연결기어, 상기 3축의 구동축 좌우에 베어링 지지되어 설치되는 제 1 및 제 2 출력기어를 포함하고,
상기 3축의 구동축은 상기 로봇 핑거 구동 모듈의 하우징 내부에 장착되고,
상기 제 1 및 제 2 출력기어는 상기 제 1 내지 제 4 연결기어와 맞물려 구동되고,
상기 로봇 핑거 구동 모듈이 고정되는 경우 상기 제 1 출력기어의 구동 방향 및 상기 제 2 출력기어의 회전 구동 방향이 서로 반대이며,
상기 로봇 핑거 구동 모듈이 회전되는 경우 상기 제 1 출력기어 또는 제 2 출력기어 중 하나가 고정되더라도 다른 하나가 상기 로봇 핑거 구동 모듈의 회전 방향으로 회전 구동하는 차동 기어 특성을 나타내는 것을 특징으로 하는 로봇 핑거 구동 모듈. - 제 1 항에 있어서,
상기 하우징 내부의 3축의 구동축 주위에는 비틀림 스프링이 형성되는 것을 특징으로 하는 로봇 핑거 구동 모듈. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 출력기어는 서로 기어비가 다른 것을 특징으로 하는 로봇 핑거 구동 모듈. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 로봇 핑거 구동 모듈을 이용하는 로봇 핸드로서,
중앙 핑거 모듈의 제 1 출력기어 및 제 2 출력기어의 외측에 각각 출력 풀리및 상기 출력 풀리의 구동력을 전달하는 출력 벨트가 형성되고,
상기 중앙 핑거 모듈의 양단에는 제 1 핑거 모듈 및 제 2 핑거 모듈이 나란하게 설치되며,
상기 출력 벨트는 상기 제 1 핑거 모듈 및 상기 제 2 핑거 모듈의 풀리기어와 연결되어,
상기 중앙 핑거 모듈, 상기 제 1 핑거 모듈 및 상기 제 2 핑거 모듈은 상기 차동 기어 특성을 나타내는 것을 특징으로 하는 로봇 핸드. - 제 4 항에 있어서,
상기 제 1 핑거 모듈 또는 상기 제 2 핑거 모듈의 출력기어 중 하나는 마디 연결부와 연결되고, 다른 하나의 출력기어는 벨트를 통해 가지 연결부와 연결되며,
상기 마디 연결부의 타측 말단에는 관절 기어를 통해 가지 연결부가 형성되고,
상기 가지 연결부의 구동은 4절 링크와 함께 연결되어 손가락 말단부를 구동시키는 것을 특징으로 하는 로봇 핸드. - 제 5 항에 있어서,
상기 마디 연결부의 외측 및 상기 가지 연결부의 외측에 인장 스프링을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 핸드.
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2014
- 2014-04-08 US US14/247,936 patent/US8894117B1/en not_active Expired - Fee Related
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