KR101517822B1

KR101517822B1 - 유연 관절 로봇

Info

Publication number: KR101517822B1
Application number: KR1020140127344A
Authority: KR
Inventors: 김세영; 박찬훈; 윤동원; 박동일; 손영수
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2014-09-24
Filing date: 2014-09-24
Publication date: 2015-05-06

Abstract

본 발명은 제1암; 상기 제1암의 하측에 결합되되, 양측 사이가 제1회전축으로 상기 제1암과 결합되는 제2암; 상기 제2암의 우측에 제3회전축으로 우측이 결합되고 좌측이 상기 제1회전축을 향해 배치되며, 내측에 길이방향을 따라 가이드홈이 형성되는 회전블록; 상기 가이드홈에 삽입되어 회전블록에 결합되며, 상기 가이드홈을 따라 길이방향으로 이동 가능한 슬라이더; 상기 제1암의 상측에 일단이 제2회전축으로 결합되고 상기 슬라이더에 타단이 제4회전축으로 결합되며, 직선으로 신축 작동되는 리니어 액추에이터; 상기 가이드홈의 좌측단과 슬라이더 사이에 개재되는 제1탄성수단; 및 상기 회전블록의 좌측에 일측이 결합되고 상기 제2암에 타측이 결합되는 제2탄성수단; 을 포함하여 이루어져, 제2암에 상측방향 및 하측방향으로 외부 충격이 가해졌을 때 리니어 액추에이터의 길이 변화 없이 충격을 흡수할 수 있어 암들, 리니어 액추에이터 및 회전축들의 변형 및 파손을 방지할 수 있는 유연 관절 로봇에 관한 것이다.

Description

유연 관절 로봇 {Robot having flexible robotic joint mechanism}

본 발명은 유연 관절 로봇에 관한 것으로, 링크 연결되어 리니어 액추에이터에 의해 작동되는 암이 고정된 상태에서 암에 외부 충격이 가해졌을 때 리니어 액추에이터의 길이 변화 없이 충격을 흡수할 수 있는 유연 관절 로봇에 관한 것이다.

일반적으로 링크 형태로 관절이 연결되어 리니어 액추에이터에 의해 암이 작동되도록 하는 로봇은, 도 1과 같이 제1암(10)의 하단이 제2암(20)의 양단 사이에 제1회전축(40)으로 결합되며, 제1암(10)의 상단에 리니어 액추에이터(30)의 상단이 제2회전축(50)으로 결합되고 제2암(20)의 일단에 리니어 액추에이터(30)의 하단이 제3회전축(60)으로 결합된다. 그리하여 리니어 액추에이터의 작동에 의해 리니어 액추에이터의 길이가 변화되어 도 1(a)와 같이 제2암(20)이 제1암(10)쪽으로 접히거나(굽혀지거나) 도2(b)와 같이 제2암(20)이 펴지도록 작동된다.

이때, 제2암(20)은 리니어 액추에이터(30)의 길이 변화에 의해서만 제1회전축(40)을 중심으로 시계방향 또는 반시계방향으로 회전될 수 있다.

그런데 로봇의 이동이나 외부 구조물 등과의 충돌에 의해 제2암(20)에 상측 또는 하측 방향으로의 충격이 가해질 수 있으며, 충격이 가해졌을 때 리니어 액추에이터가 충격을 흡수하지 못하는 경우 암들, 리니어 액추에이터 및 회전축들이 변형되거나 파손될 수 있는 문제점이 있다. 또한, 로봇이 인체와 충돌하는 경우에도 충격력이 적절히 흡수되지 못하기 때문에 인체에 상해를 입힐 수 있는 위험성이 높다.

KR 10-2014-0099537 (2014.08.12)

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 링크 연결되어 리니어 액추에이터에 의해 작동되는 암이 고정된 상태에서 암에 외부 충격이 가해졌을 때 리니어 액추에이터의 길이 변화 없이 충격을 흡수할 수 있는 유연 관절 로봇을 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 유연 관절 로봇은, 제1암; 상기 제1암의 하측에 결합되되, 양측 사이가 제1회전축으로 상기 제1암과 결합되는 제2암; 상기 제2암의 우측에 제3회전축으로 우측이 결합되고 좌측이 상기 제1회전축을 향해 배치되며, 내측에 길이방향을 따라 가이드홈이 형성되는 회전블록; 상기 가이드홈에 삽입되어 회전블록에 결합되며, 상기 가이드홈을 따라 길이방향으로 이동 가능한 슬라이더; 상기 제1암의 상측에 일단이 제2회전축으로 결합되고 상기 슬라이더에 타단이 제4회전축으로 결합되며, 직선으로 신축 작동되는 리니어 액추에이터; 상기 가이드홈의 좌측단과 슬라이더 사이에 개재되는 제1탄성수단; 및 상기 회전블록의 좌측에 일측이 결합되고 상기 제2암에 타측이 결합되는 제2탄성수단; 을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 리니어 액추에이터는, 유압 실린더 이거나 리드 스크류 및 모터로 이루어진 리니어 액추에이터인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2암에 상측이나 하측으로 충격이 가해지지 않은 경우, 상기 슬라이더는 제1탄성수단에 의해 상기 가이드홈의 우측단에 밀착되며, 상기 제3회전축과 제4회전축은 축 중심이 일치하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2암에 상측으로 충격이 가해지는 경우, 상기 제2암은 시계방향으로 일정각도 회전됨과 동시에, 상기 제1탄성수단이 압축되어 슬라이더가 좌측으로 이동되어 충격을 흡수하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2암에 하측으로 충격이 가해지는 경우, 상기 제2암은 반시계방향으로 일정각도 회전됨과 동시에, 상기 회전블록이 반시계방향으로 일정각도 회전되고, 상기 제1탄성수단이 압축되어 슬라이더가 좌측으로 이동되어 충격을 흡수하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2암의 우측은, 수직으로 형성되어 서로 이격되어 배치되는 한 쌍의 플레이트로 형성되며, 상기 회전블록은 상기 한 쌍의 플레이트 사이에 배치되며, 상기 회전블록은 상측이 개방되어 개방된 상측이 가이드홈과 연통되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 유연 관절 로봇은, 암이 고정된 상태에서 암에 외부 충격이 가해졌을 때 리니어 액추에이터의 길이가 변하지 않으면서 충격을 흡수할 수 있는 장점이 있다.

또한, 상측 및 하측 방향으로의 충격을 모두 흡수할 수 있기 때문에, 암들, 리니어 액추에이터 및 회전축들의 변형 및 파손을 최소화 할 수 있고, 인체와 충돌하는 경우에도 충격력이 적절히 흡수되어 상해의 위험성을 낮출 수 있다.

도 1은 종래의 링크 구조로 연결되어 리니어 액추에이터에 의해 작동되는 암의 작동을 나타낸 개략도.
도 2 및 도 3은 본 발명의 유연 관절 로봇을 나타낸 사시도 및 부분 단면 사시도.
도 4 및 도 5는 본 발명의 유연 관절 로봇을 나타낸 우측 단면도 및 상측 평면 단면도.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 유연 관절 로봇의 암의 일반적인 작동상태를 나타낸 정면도.
도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 유연 관절 로봇의 암에 상측 방향 또는 하측 방향으로 충격이 가해졌을 때 충격을 흡수하는 구조를 나타낸 정면도.

이하, 상기한 바와 같은 본 발명의 유연 관절 로봇을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 유연 관절 로봇을 나타낸 사시도 및 부분 단면 사시도이며, 도 4 및 도 5는 본 발명의 유연 관절 로봇을 나타낸 우측 단면도 및 상측 평면 단면도이다.

도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 관절 로봇(1000)은, 제1암(100); 상기 제1암(100)의 하측에 결합되되, 양측 사이가 제1회전(610)축으로 상기 제1암과 결합되는 제2암(200); 상기 제2암(200)의 우측에 제3회전축(630)으로 우측이 결합되고 좌측이 상기 제1회전축(610)을 향해 배치되며, 내측에 길이방향을 따라 가이드홈(410)이 형성되는 회전블록(400); 상기 가이드홈(410)에 삽입되어 회전블록(400)에 결합되며, 상기 가이드홈(410)을 따라 길이방향으로 이동 가능한 슬라이더(500); 상기 제1암(100)의 상측에 일단이 제2회전축(620)으로 결합되고 상기 슬라이더(500)에 타단이 제4회전축(640)으로 결합되며, 직선으로 신축 작동되는 리니어 액추에이터(300); 상기 가이드홈(410)의 좌측단과 슬라이더(500) 사이에 개재되는 제1탄성수단(700); 및 상기 회전블록(400)의 좌측에 일측이 고정되고 상기 제2암(200)에 타측이 고정되는 제2탄성수단(800); 을 포함하여 이루어질 수 있다.

우선, 제1암(100)은 상하방향으로 길게 형성되어 수직인 형태로 배치될 수 있으며, 베이스(900)에 상측이 결합되어 고정될 수 있다.

제2암(200)은 길이방향으로 길게 형성되어 수평인 형태로 배치될 수 있으며, 제2암(200)은 제1암(100)의 하측에 제1회전축(610)으로 결합되어 제1회전축(610)을 중심으로 제2암(200)이 시계방향 및 반시계방향으로 회전될 수 있도록 결합된다. 이때, 제2암(200)은 양단 사이 부분이 제1암(100)과 결합될 수 있으며, 제2암(200)의 길이방향 중앙에서 우측으로 치우친 부분이 제1암(100)과 결합될 수 있다. 즉, 제1암(100)과 제2암(200)은 사람의 팔과 같은 형태로 형성되되, 제2암(200)의 우측이 연장된 형태로 형성될 수 있다.

회전블록(400)은 제1회전축(610)을 기준으로 제2암(200)의 우측에 배치되고, 회전블록(400)의 우측이 제2암(200)의 우측단에 제3회전축(630)으로 결합되며, 회전블록(400)은 좌측이 제1회전축(610)을 향해 배치될 수 있다. 이때, 회전블록(400)은 제2암(200)과 나란하게 배치될 수 있다. 그리하여 회전블록(400)은 제3회전축(630)을 중심으로 시계방향 및 반시계방향으로 회전될 수 있다. 그리고 회전블록(400)은 내측에 길이방향을 따라 가이드홈(410)이 형성된다.

슬라이더(500)는 회전블록(400)의 가이드홈(410)에 삽입되어 회전블록(400)과 결합되며, 슬라이더(500)는 가이드홈(410)을 따라 슬라이딩 되면서 가이드홈(410)이 형성된 회전블록(400)의 길이방향을 따라 이동될 수 있다. 즉, 슬라이더(500)는 회전블록(400)에 결합되어 가이드홈(410)이 형성된 범위 내에서 길이방향으로 이동될 수 있으나, 그 이외의 방향으로는 움직임이 제한된다.

리니어 액추에이터(300)는 신축 작동되어 직선으로 길이가 늘어나거나 줄어들면서 힘을 전달하는 역할을 하며, 일단이 제1암(100)의 상측에 제2회전축(620)으로 결합되고 타단이 슬라이더(500)에 제4회전축(640)으로 결합된다. 그리하여 리니어 액추에이터(300)의 작동에 의해 제2암(200)이 제1회전축(610)을 중심으로 회전되어 접히거나(굽혀지거나) 펴질 수 있다.

이때, 제1탄성수단(700)이 가이드홈(410)의 좌측단과 슬라이더(500) 사이에 개재되며, 슬라이더(500)는 제1탄성수단(700)의 탄성에 의해 우측으로 밀려 슬라이더(500)가 가이드홈(410)의 우측단에 밀착되는 상태가 유지될 수 있다. 이때, 제1탄성수단(700)의 탄성보다 큰 힘이 슬라이더(500)를 좌측으로 밀도록 작용하였을 때에만 슬라이더(500)가 좌측으로 이동될 수 있다.

그리고 제2탄성수단(800)의 일측은 회전블록(400)의 좌측에 결합되고 타측은 제2암(200)에 결합된다. 즉, 제2탄성수단(800)에 의해 회전블록(400)은 제2암(200)과 나란한 상태가 유지되며, 제2탄성수단(800)의 탄성보다 큰 힘이 회전블록(400)을 회전시키는 방향으로 작용하였을 때에만 회전블록(400)이 회전될 수 있다.

그리하여 제2암(200)의 좌측에 상측 및 하측방향으로 충격이 가해지면, 제2암(200)은 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하려고 하는데, 이때 리니어 액추에이터(300)가 충격을 흡수하지 못하는 경우 제1탄성수단(700)에 의해 탄성 지지되는 슬라이더(500)의 좌측방향으로의 이동 및 제2탄성수단(800)에 의해 지지되는 회전블록(400)의 회전에 의해 충격이 흡수되어 암들, 리니어 액추에이터 및 회전축들의 변형 및 파손이 방지될 수 있다. 여기에서 충격이 제2암(200)에 충격이 가해졌을 경우 슬라이더(500)의 이동 및 회전블록(400)의 회전에 대한 작동관계는 이하에서 보다 상세히 설명하기로 한다.

또한, 상기 리니어 액추에이터(300)는, 유압 실린더 이거나 리드 스크류 및 모터로 이루어진 리니어 액추에이터일 수 있다.

즉, 공압 실린더와 같은 경우에는 작동유체인 공기의 압축성으로 인해 리니어 액추에이터 자체가 충격을 일부 흡수할 수도 있으나, 리니어 액추에이터(300)의 작동이 정지되었을 때 외력에 의해 길이의 신축이 불가능한 유압 실린더나 리드 스크류 및 모터로 이루어지는 리니어 액추에이터는 충격을 흡수할 수 없으므로, 본 발명과 같이 회전블록(400), 슬라이더(500), 제1탄성수단(700) 및 제2탄성수단(800)을 이용해 외부에서 가해지는 충격을 흡수할 수 있다. 그리고 웜휠과 웜기어를 이용한 리니어 액추에이터나 이외에도 다양한 종류가 사용될 수 있다.

또한, 상기 제2암(200)에 상측이나 하측으로 충격이 가해지지 않은 경우, 상기 슬라이더(500)는 제1탄성수단(700)에 의해 상기 가이드홈(410)의 우측단에 밀착되며, 상기 제3회전축(630)과 제4회전축(640)은 축 중심이 일치하도록 형성될 수 있다.

즉, 일반적으로 제2암(200)이 접히거나 펴지도록 작동되는 경우, 제1탄성수단(700)의 탄성에 의해 슬라이더(500)가 가이드홈(410)의 우측단에 밀착된 상태가 유지되며, 이때 제3회전축(630)과 제4회전축(640)의 축 중심이 일치하도록 배치되어 회전블록(400)이 회전되지 않고 제2암(200)과 나란한 상태가 유지될 수 있어, 리니어 액추에이터(300)의 신축에 따른 힘이 제2암(200)에 가장 크게 작용할 수 있으며 제2암(200)의 회전이 원활해져 부드럽고 일정한 회전속도로 작동될 수 있다.

그리고 일반적인 작동시에는 도 6과 같이 리니어 액추에이터(300)의 길이가 늘어나면 회전블록(400)은 회전되지 않고 회전블록(400)이 제2암(200)과 나란한 상태가 유지되며, 슬라이더(500)가 가이드홈(410)의 우측단에 밀착된 상태에서 제2암(200)이 시계방향으로 회전되어 접혀지도록 작동될 수 있다. 반대로 도 7과 같이 리니어 액추에이터(300)의 길이가 줄어들면 회전블록(400)은 회전되지 않고 회전블록(400)이 제2암(200)과 나란한 상태가 유지되며, 슬라이더(500)가 가이드홈(410)의 우측단에 밀착된 상태에서 제2암(200)이 반시계방향으로 회전되어 펴지도록 작동될 수 있다. 즉, 제1탄성수단(700)에 의해 슬라이더(500)는 가이드홈(410)의 우측단에 밀착된 상태가 유지되며, 제2탄성수단(800)에 의해 회전블록(400)이 회전되지 않고 제2암(200)과 나란한 상태가 유지될 수 있다.

여기에서 상기 제2암(200)에 상측으로 충격이 가해지는 경우, 상기 제2암(200)은 시계방향으로 일정각도 회전됨과 동시에, 상기 제1탄성수단(700)이 압축되어 슬라이더(500)가 좌측으로 이동되어 충격을 흡수할 수 있다.

즉, 도 8과 같이 제2암(200)의 좌측단에 상측방향으로 충격이 작용하면 제2암(200)이 시계방향으로 회전되려고 하는 힘에 의해 슬라이더(500)가 제1탄성수단(700)을 압축시키면서 슬라이더(500)가 좌측으로 이동되고, 이에 따라 제2암(200)이 시계방향으로 일정각도 회전되며 리니어 액추에이터(300)도 시계방향으로 약간 회전되어 리니어 액추에이터(300)의 길이가 유지되면서 충격을 흡수할 수 있다.

또한, 반대로 상기 제2암(200)에 하측으로 충격이 가해지는 경우, 상기 제2암(200)은 반시계방향으로 일정각도 회전됨과 동시에, 상기 회전블록(400)이 반시계방향으로 일정각도 회전되고, 상기 제1탄성수단(700)이 압축되어 슬라이더(500)가 좌측으로 이동되어 충격을 흡수할 수 있다.

즉, 도 9와 같이 제2암(200)의 좌측단에 하측방향으로 충격이 작용하면 제2암(200)이 반시계방향으로 회전되려고 하는 힘에 의해 슬라이더(500)가 제1탄성수단(700)을 압축시키면서 슬라이더(500)가 좌측으로 이동되고, 이에 따라 제3회전축(630)과 제4회전축(640) 사이의 거리가 멀어짐으로 인해 회전블록(400)이 반시계방향으로 회전되며, 제2암(200)이 반시계방향으로 일정각도 회전되고 리니어 액추에이터(300)는 시계방향으로 약간 회전되어 리니어 액추에이터(300)의 길이가 유지되면서 충격을 흡수할 수 있다.

또한, 상기 제2암(200)의 우측은, 수직으로 형성되어 서로 이격되어 배치되는 한 쌍의 플레이트(210)로 형성되며, 상기 회전블록(400)은 상기 한 쌍의 플레이트(210) 사이에 배치되며, 상기 회전블록(400)은 상측이 개방되어 개방된 상측이 가이드홈(410)과 연통될 수 있다.

이때, 제2암(200)의 우측은 제1회전축(610)을 기준으로 제2암(200)의 우측 부분이며, 좌측 부분은 수평의 판형으로 형성될 수 있다. 즉, 한 쌍의 플레이트(210)가 수직으로 이격되어 나란하게 배치되고 우측으로 연장 형성된 형태로 제2암(200)의 우측 부분이 형성되고, 한 쌍의 플레이트(210) 사이에 회전블록(400)이 배치되고 회전블록(400)의 내부 중앙에 슬라이더(500)가 배치되어 리니어 액추에이터(300)의 타단이 개방된 회전블록(400)의 상측으로 배치될 수 있어, 제2암(200)을 통해 전달되는 힘과 리니어 액추에이터(300)의 작동에 의해 전달되는 힘이 폭방향 중앙에 작용하도록 할 수 있으며, 이에 따라 슬라이더(500)의 이동 및 회전블록(400)의 회전이 원활하게 이루어질 수 있다.

또한, 제1암(100)과 제2암(200)의 길이, 제1탄성수단(700)과 제2탄성수단(800)의 강성, 리니어 액추에이터(300)의 작동 스트로크(stroke) 및 회전축들(610,620,630,640)의 위치는 로봇의 제2암(200) 상측에 적재되는 하중이나 로봇의 요구사양에 맞도록 적절히 조정될 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

1000 : 유연 관절 로봇
100 : 제1암
200 : 제2암 210 : 플레이트
300 : 리니어 액추에이터
400 : 회전블록 410 : 가이드홈
500 : 슬라이더
610 : 제1회전축 620 : 제2회전축
630 : 제3회전축 640 : 제4회전축
700 : 제1탄성수단
800 : 제2탄성수단
900 : 베이스

Claims

제1암;
상기 제1암의 하측에 결합되되, 양측 사이가 제1회전축으로 상기 제1암과 결합되는 제2암;
상기 제2암의 우측에 제3회전축으로 우측이 결합되고 좌측이 상기 제1회전축을 향해 배치되며, 내측에 길이방향을 따라 가이드홈이 형성되는 회전블록;
상기 가이드홈에 삽입되어 회전블록에 결합되며, 상기 가이드홈을 따라 길이방향으로 이동 가능한 슬라이더;
상기 제1암의 상측에 일단이 제2회전축으로 결합되고 상기 슬라이더에 타단이 제4회전축으로 결합되며, 직선으로 신축 작동되는 리니어 액추에이터;
상기 가이드홈의 좌측단과 슬라이더 사이에 개재되는 제1탄성수단; 및
상기 회전블록의 좌측에 일측이 결합되고 상기 제2암에 타측이 결합되는 제2탄성수단; 을 포함하여 이루어지며,
상기 제2암에 상측이나 하측으로 충격이 가해지지 않은 경우,
상기 슬라이더는 제1탄성수단에 의해 상기 가이드홈의 우측단에 밀착되며, 상기 제3회전축과 제4회전축은 축 중심이 일치하는 것을 특징으로 하는 유연 관절 로봇.
제1항에 있어서,
상기 리니어 액추에이터는, 유압 실린더 이거나 리드 스크류 및 모터로 이루어진 리니어 액추에이터인 것을 특징으로 하는 유연 관절 로봇.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제2암에 상측으로 충격이 가해지는 경우,
상기 제2암은 시계방향으로 일정각도 회전됨과 동시에, 상기 제1탄성수단이 압축되어 슬라이더가 좌측으로 이동되어 충격을 흡수하는 것을 특징으로 하는 유연 관절 로봇.
제1항에 있어서,
상기 제2암에 하측으로 충격이 가해지는 경우,
상기 제2암은 반시계방향으로 일정각도 회전됨과 동시에, 상기 회전블록이 반시계방향으로 일정각도 회전되고, 상기 제1탄성수단이 압축되어 슬라이더가 좌측으로 이동되어 충격을 흡수하는 것을 특징으로 하는 유연 관절 로봇.
제1항에 있어서,
상기 제2암의 우측은, 수직으로 형성되어 서로 이격되어 배치되는 한 쌍의 플레이트로 형성되며
상기 회전블록은 상기 한 쌍의 플레이트 사이에 배치되며, 상기 회전블록은 상측이 개방되어 개방된 상측이 가이드홈과 연통되는 것을 특징으로 하는 유연 관절 로봇.