KR101500200B1 - 로봇의 하중 지지 장치 - Google Patents

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임현섭
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명의 로봇 장치는 전기 구동기가 필요치 않아 모터의 사양을 대폭 낮출 수 있고, 착용자의 하중을 지지하는 동안 로봇 관절의 모터 구동이 필요치 않아 소비전력을 감소시킬 수 있다.
아울러, 로봇을 착용한 작업자의 보행시 불편함을 주지 않도록 할 수 있으며, 작업자가 작업을 위해 앉는 자세를 취할시 작업자를 안정적으로 지지하여 작업 안정성을 향상시킬 수 있는 로봇의 하중 지지 장치에 관한 것이다.

Description

로봇의 하중 지지 장치 {LOAD SUPPORTING APPARATUS OF ROBOT}
본 발명은 착용식 로봇에 있어서, 모터 구동 없이 기구적으로 안정된 하중 지지를 할 수 있는 로봇의 하중 지지 장치에 관한 것이다.
최근에는 작업자의 편의를 위한 다양한 기술이 개발 중이다. 보통, 조립 등을 수행하는 작업에서는 작업자가 다리를 구부리고 작업을 진행해야 하기 때문에 작업자에게 큰 부담이 되며 반복작업 혹은 긴 작업 시간으로 인해 신체에 물리적 무리가 갈 수 있다.
이러한 작업 지원을 위해 로봇을 착용한 채 작업 지원을 해주는 로봇이 개발 되고 있다. 이러한 착용식 로봇의 경우 작업시 작업자의 하중을 지지하고, 신체에 무리가 가지 않는 자세를 유지시키기 위해 대부분 전기식 구동기를 이용하여 하중을 지지한다.
이와 같은 일반적인 작업 지원용 로봇은 단순히 걷거나 뛰는 동적이 아닌 정적인 상태로 작업을 진행함에도 불구하고, 하중을 지지하기 위해 모터가 가동되어 많은 전력을 소비하며 또한, 회전 없이 하중 지지 토크를 발생시켜야 하기 때문에 구동기 자체에 좋지 않은 영향을 주어 내구성이 저하되는 문제가 발생된다.
위와 같이, 기존의 작업 지원을 위한 착용식 로봇의 경우 대부분 불필요한 전력 소모가 발생시키는바, 불필요한 전력 소모를 줄임과 동시에 안정적으로 착용자를 지지하여 착용자에게 편하고 안전한 작업이 수행되도록 할 수 있는 로봇이 필요하다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2001-0108952 A (2001.12.08)
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 전기 구동기가 필요치 않아 모터의 사양을 대폭 낮출 수 있고, 하중을 지지하는 동안에 로봇 관절의 모터 구동이 필요치 않아 소비전력을 감소시킬 수 있으며, 작업자를 안정적으로 지지할 수 있는 로봇의 하중 지지 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 로봇의 하중 지지 장치는 로봇의 무릎관절과 발목관절을 연결하는 제1로드;와 무릎관절과 허리관절을 연결하는 제2로드; 상기 제1로드에 연결되는 커넥팅 링크를 통해 제1로드에서 회전 가능하도록 설치되는 하중 지지대; 및 일측이 상기 하중 지지대의 커넥팅 링크에 연결되고, 타측이 상측으로 연장되어 제2로드에 연결되며, 상기 제1로드와 제2로드의 회전시 길이가 가변되도록 형성된 가변 파이프;를 포함한다.
상기 하중 지지대는 일단에 구비된 커넥팅 링크가 제1로드에 연결되어 일단부를 중심으로 회전되고, 타단이 일정 거리 연장되며 회전 완료시 지면과 접촉되어 지지되도록 형성될 수 있다.
상기 하중 지지대의 타단부는 절곡된 후 연장되어 회전 완료시 지면에 접촉되는 지지부가 형성될 수 있다.
상기 하중 지지대는 제2로드가 무릎관절을 중심으로 후방을 향해 90˚ 정도 회전시 제2로드와 함께 회전되어 지면에 접촉될 수 있다.
상기 하중 지지대의 커넥팅 링크는 일측이 제1로드에 회전가능하도록 연결되고, 타측이 상기 가변 파이프에 회전가능하도록 연결될 수 있다.
상기 가변 파이프는 하중 지지대에 연결되고 상방을 향해 연장된 제1파이프와 제2로드의 연결되고 제1파이프에 대응되도록 연장된 제2파이프로 구성되며, 제1파이프가 제2파이프로 삽입되어 수직 운동되도록 형성될 수 있다.
상기 제1파이프의 일측에는 하중 지지대에 연결되는 슬라이딩 부재가 형성되고, 제2파이프가 제1파이프보다 더 넓은 폭으로 형성되어 제1파이프의 수직운동시 일정 거리 이동되면 슬라이딩 부재가 제2파이프에 걸리어 이동이 제한되도록 할 수 있다.
상기 가변 파이프는 제1로드와 제2로드가 수직을 유지하는 상태에서, 커넥팅 링크에 연결된 일측이 제2로드에 연결된 타측보다 수직선상을 기준으로 하여 전방에 설치될 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 로봇의 하중 지지 장치는 전기 구동기가 필요치 않아 모터의 사양을 대폭 낮출 수 있고, 착용자의 하중을 지지하는 동안 로봇 관절의 모터 구동이 필요치 않아 소비전력을 감소시킬 수 있다.
아울러, 로봇을 착용한 작업자의 보행시 불편함을 주지 않도록 할 수 있으며, 작업자가 작업을 위해 앉는 자세를 취할시 작업자를 안정적으로 지지하여 작업 안정성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 하중 지지 장치의 사시도.
도 2 내지 4는 도 1에 도시된 로봇의 하중 지지 장치의 보행시 작동을 나타낸 도면.
도 5 내지 6은 도 1에 도시된 로봇의 하중 지지 장치의 자세 지시시 작동을 나타낸 도면.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 로봇의 하중 지지 장치에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 하중 지지 장치의 사시도이고, 도 2 내지 4는 도 1에 도시된 로봇의 하중 지지 장치의 보행시 작동을 나타낸 도면이며, 도 5 내지 6은 도 1에 도시된 로봇의 하중 지지 장치의 자세 지시시 작동을 나타낸 도면이다.
본 발명의 로봇 장치는 로봇의 무릎관절(10)과 발목관절(20)을 연결하는 제1로드(100);와 무릎관절(10)과 허리관절(미도시)을 연결하는 제2로드(200); 상기 제1로드(100)에 연결되는 커넥팅 링크(320)를 통해 제1로드(100)에서 회전 가능하도록 설치되는 하중 지지대(300); 및 일측이 상기 하중 지지대(300)의 커넥팅 링크(320)에 연결되고, 타측이 상측으로 연장되어 제2로드(200)에 연결되며, 상기 제1로드(100)와 제2로드(200)의 회전시 길이가 가변되도록 형성된 가변 파이프(400);를 포함한다.
상기의 제1로드(100)는 사람의 발목 부위에서 무릎 부위 사이의 종아리 부분이 될 수 있으며, 제2로드(200)는 무릎 부위에서 몸통 부위 사이의 넓적다리 부분이 될 수 있다. 본 발명에서는 착용자가 보행 또는 작업자세를 취함에 따라 제1로드(100)와 제2로드(200)의 위치가 변화되고, 이에 따른 가변 파이프(400)의 길이 가변 및 하중 지지대(300)의 회전 동작을 통해 착용자의 동작에 적합한 기구적 동작이 이루어지도록 한다.
상기 가변 파이프(400)는 착용자의 보행 동작시 제1로드(100)와 제2로드(200) 간의 위치 변화에 따라 선형 이동으로 길이가 가변되어 하중 지지대(300)의 위치가 변화되지 않도록 하며, 작업자가 작업 자세를 취할 경우 보행시 제1로드(100)와 제2로드(200)의 회전 범위가 커짐에 따라 가변 파이프(400)의 길이 가변 한계치에 도달되어 4절 링크의 구조에 의해 하중 지지대(300)가 회전하여 지면에 접촉된다.
이로 인해, 로봇을 착용한 작업자의 보행시 불편함을 주지 않도록 할 수 있으며, 작업자가 작업을 위해 앉는 자세를 취할시 안정적으로 하중을 지지하여 작업 안정성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 대해서 구체적으로 설명하면, 상기 하중 지지대(300)는 일단에 구비된 커넥팅 링크(320)가 제1로드(100)에 연결되어 일단부를 중심으로 회전되고, 타단이 일정 거리 연장되며 회전 완료시 지면과 접촉되어 지지되도록 형성될 수 있다.
여기서, 하중 지지대(300)는 일단에 구비된 커넥팅 링크(320)를 통해 제1로드(100)에 연결되는데, 통상적인 보행 로봇에 있어 하중을 지지하거나 그 보행 충격을 흡수하기 위한 스프링 부재(미도시)가 제1로드(100) 측에 설치되기 때문에 하중 지지대(300)를 제1로드(100)에 설치함이 바람직하다. 상기의 스프링 부재(미도시)는 토션 스프링이 될 수 있으며, 보행 로봇 분야에 있어 일반적으로 사용되는 기술인바, 구체적인 설명은 생략하도록 하겠다.
상기 하중 지지대(300)의 커넥팅 링크(320)는 일측이 제1로드(100)에 회전가능하도록 연결되고, 타측이 상기 가변 파이프(400)에 회전가능하도록 연결될 수 있다.
이처럼, 상기 커넥팅 링크(320)는 제1로드(100)와 가변 파이프(400)에 각각 연결되어 상호 회전 가능하도록 함으로써 가변 파이프(400)의 길이 가변이 한계치에 도달시 제2로드(200)의 회전됨과 동시에 이동되는 가변 파이프(400)에 의해 하중 지지대(300)가 원활히 회전되도록 한다.
또한, 상기 하중 지지대(300)의 타단부는 절곡된 후 연장되어 회전 완료시 지면에 접촉되는 지지부(340)가 형성되도록 할 수 있다.
상기의 하중 지지대(300)는 커넥팅 링크(320)를 통해 제1로드(100)에 연결된 부분을 기점으로 회전되도록 설치되고, 타단에는 절곡된 후 연장된 지지부(340)가 형성되어 회전 완료시 지지부(340)가 지면에 접촉되어 로봇을 지지하도록 구성된다. 이와 같이, 하중지지대(300)에는 지지부(340)를 형성해줌으로써 로봇이 앉은 자세 혹은 기마자세를 취할시 착용자의 하중이 전후방으로 분배되어 하중을 안정적으로 지지할 수 있으며, 로봇이 지면에서 흔들리지 않도록 고정 지지할 수 있다.
상기의 하중 지지대(300)는 제2로드(200)가 무릎관절(10)을 중심으로 후방을 향해 90˚정도 회전시 제2로드(200)와 함께 회전되어 지면에 접촉되도록 할 수 있다. 보통 착용자의 작업자세는 앉은 자세 혹은 기마자세를 유지하게 된다. 이때, 사람의 넓적다리 부분인 제2로드(200)가 후방을 향해 90˚이내의 각도로 회전되는바, 하중 지지대(300)는 제2로드(200)에 의해 회전 지면에 접촉된다. 이러한 하중 지지대(300)의 회전동작에 대해서는 하기에 자세히 설명하도록 하겠으며, 하중 지지대(300)의 회전은 착용자의 체형에 따라 적절히 조정할 수 있다.
한편, 상기 가변 파이프(400)는 하중 지지대(300)에 연결되고 상방을 향해 연장된 제1파이프(420)와 제2로드(200)의 연결되고 제1파이프(420)에 대응되도록 연장된 제2파이프(440)로 구성되며, 제1파이프(420)가 제2파이프(440)로 삽입되어 수직 운동되도록 형성될 수 있다. 즉, 본 발명의 가변 파이프(400)는 제1로드(100)와 제2로드(200)의 위치에 따라 제1파이프(420)가 제2파이프(440)로 삽입되어 수직 운동됨으로써 길이가 가변조절되는 것이다.
구체적으로, 상기 제1파이프(420)의 일측에는 하중 지지대(300)에 연결되는 슬라이딩 부재(422)가 형성되고, 제2파이프(440)가 제1파이프(420)보다 더 넓은 폭으로 형성되어 제1파이프(420)의 수직운동시 일정 거리 이동되면 슬라이딩 부재(422)가 제2파이프(440)에 걸리어 이동이 제한되도록 구성된다.
본 발명의 로봇은 착용자의 보행시 회전 지지대가 회전되지 않도록 하고, 작업 자세를 취할시 회전 지지대가 회전되어 지면에 접촉되도록 한다. 즉, 보행시에는 무릎관절(10)을 중심으로 제1로드(100)와 제2로드(200)가 회전되는데, 이때 제1파이프(420)가 제2파이프(440)에 삽입되는 수직운동을 함으로써 제1로드(100)와 제2로드(200)의 회전에 의한 동적 움직임이 흡수되어 하중 지지대(300)의 위치변화가 이루어지지 않도록 한다.
만약, 작업자가 작업자세를 취하게 되면, 제1로드(100)와 제2로드(200)가 무릎관절(10)을 중심으로 회전되되 앉은 자세 혹은 기마자세의 경우 보행시 제1로드(100)와 제2로드(200)의 회전각도보다 더 큰 각도로 회전되는바, 제2파이프가 제1파이프(420) 측으로 이동되어 제1파이프(420)의 슬라이딩 부재(422)에 걸림에 따라 수직운동이 제한된다.
이러한 상태에서 작업자가 작업자세를 취함에 따라 제2로드(200)의 회전각도가 더 커짐에 따라 제2로드(200)에 연결된 제2파이프(440)가 함께 하방을 향해 회전되고, 제1파이프(420)의 슬라이딩 부재(422)가 제2파이프(440)에 걸리어 더 이상 길이 가변이 제한됨에 따라 가변 파이프(400)가 하중 지지대(300)를 눌러 회전시키게 된다.
이와 같은 동작을 통해, 작업자가 작업자세를 완전히 취하게 되면, 하중 지지대(300)가 지면에 접촉되어 로봇 및 착용자의 하중을 지지하도록 하는 것이다.
도 2 내지 4는 도 1에 도시된 로봇의 하중 지지 장치의 보행시 작동을 나타낸 도면이고, 도 5 내지 6은 도 1에 도시된 로봇의 하중 지지 장치의 자세 지시시 작동을 나타낸 도면으로서, 이를 참고하여 본 발명의 작동에 대해서 설명하고자 한다.
통상적으로 사람의 보행시 무릎의 회전각도는 40˚미만으로 회전되고, 작업자세는 보통 앉은 자세를 유지하는바, 무릎의 회전각도가 90˚정도가 된다. 따라서, 도 2 내지 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 로봇의 경우 무릎관절(10)을 중심으로 제1로드(100)와 제2로드(200)가 회전되어 제1로드(100)와 제2로드(200)의 회전에 따른 무릎관절(10)의 각도가 40˚정도에 도달시 가변 파이프(400)의 슬라이딩 부재(422)가 제2파이프(440)에 걸리도록 형성한다. 이로 인해, 일반적인 보행시에는 무릎의 회전각도가 통상적으로 40˚미만인바, 보행 상태에서는 가변 파이프(400)의 길이 가변을 통해 하중 지지대(300)의 위치 변화없이 보행이 이루어지도록 할 수 있다.
한편, 도 5 내지 7에 도시된 바와 같이, 작업자가 작업 자세를 취할 경우 보행시 무릎관절(10)의 회전각도인 40˚보다 더 큰 각도로 제2로드(200)가 회전하게 된다. 이때에는 가변 파이프(400)의 제2파이프(440)가 제1파이프(420)를 따라 선형 이동되고, 제2파이프(440)가 슬라이딩 부재(422)에 걸리어 길이 가변이 더 이상 이루어지지 않으면, 하중 지지대(300)가 가변 파이프(400)에 눌리어 회전되는 것이다.
여기서, 상기 가변 파이프(400)는 제1로드(100)와 제2로드(200)가 수직을 유지하는 상태에서, 커넥팅 링크(320)에 연결된 일측이 제2로드(200)에 연결된 타측보다 수직선상을 기준으로 하여 전방에 설치되도록 함으로써 제2로드(200)의 위치변경에 따른 가변 파이프(400)의 이동에 의해 하중 지지대(300)가 후방을 향해 원활히 회전되도록 할 수 있다.
위와 같은, 동작을 통해 작업자가 작업자세를 완전히 취할 경우 제1로드(100)와 제2로드(200)의 회전에 따른 무릎관절(10)의 각도는 90˚정도가 되며, 이때에는 하중 지지대(300)가 완전히 회전되어 지면에 접촉됨으로써 안정적인 하중 지지상태가 구현되는 것이다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 로봇의 하중 지지 장치는 전기 구동기가 필요치 않아 모터의 사양을 대폭 낮출 수 있고, 착용자의 하중을 지지하는 동안 로봇 관절의 모터 구동이 필요치 않아 소비전력을 감소시킬 수 있다.
아울러, 로봇을 착용한 작업자의 보행시 불편함을 주지 않도록 할 수 있으며, 작업자가 작업을 위해 앉는 자세를 취할시 작업자를 안정적으로 지지하여 작업 안정성을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100:제1로드 200:제2로드
300:하중 지지대 320:커넥팅 링크
340:지지부 400:가변 파이프
420:제1파이프 422:슬라이딩 부재
440:제2파이프

Claims (8)

  1. 로봇의 무릎관절과 발목관절을 연결하는 제1로드;와 무릎관절과 허리관절을 연결하는 제2로드;
    상기 제1로드에 연결되는 커넥팅 링크를 통해 제1로드에서 회전 가능하도록 설치되는 하중 지지대; 및
    일측이 상기 하중 지지대의 커넥팅 링크에 연결되고, 타측이 상측으로 연장되어 제2로드에 연결되며, 상기 제1로드와 제2로드의 회전시 길이가 가변되도록 형성된 가변 파이프;를 포함하고,
    상기 하중 지지대는 일단에 구비된 커넥팅 링크가 제1로드에 연결되어 일단부를 중심으로 회전되고, 타단이 일정 거리 연장되며 회전 완료시 지면과 접촉되어 지지되도록 형성된 것을 특징으로 하는 로봇의 하중 지지 장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 하중 지지대의 타단부는 절곡된 후 연장되어 회전 완료시 지면에 접촉되는 지지부가 형성된 것을 특징으로 하는 로봇의 하중 지지 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 하중 지지대는 제2로드가 무릎관절을 중심으로 후방을 향해 90˚ 정도 회전시 제2로드와 함께 회전되어 지면에 접촉되는 것을 특징으로 하는 로봇의 하중 지지 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 하중 지지대의 커넥팅 링크는 일측이 제1로드에 회전가능하도록 연결되고, 타측이 상기 가변 파이프에 회전가능하도록 연결된 것을 특징으로 하는 로봇의 하중 지지 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 가변 파이프는 하중 지지대에 연결되고 상방을 향해 연장된 제1파이프와 제2로드의 연결되고 제1파이프에 대응되도록 연장된 제2파이프로 구성되며, 제1파이프가 제2파이프로 삽입되어 수직 운동되도록 형성된 것을 특징으로 하는 로봇의 하중 지지 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1파이프의 일측에는 하중 지지대에 연결되는 슬라이딩 부재가 형성되고, 제2파이프가 제1파이프보다 더 넓은 폭으로 형성되어 제1파이프의 수직운동시 일정 거리 이동되면 슬라이딩 부재가 제2파이프에 걸리어 이동이 제한되는 것을 특징으로 하는 로봇의 하중 지지 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 가변 파이프는 제1로드와 제2로드가 수직을 유지하는 상태에서, 커넥팅 링크에 연결된 일측이 제2로드에 연결된 타측보다 수직선상을 기준으로 하여 전방에 설치된 것을 특징으로 하는 로봇의 하중 지지 장치.
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