KR101572852B1 - 팔 보조 장치 - Google Patents

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Abstract

중력 보상이 가능한 팔 보조 장치에 관한 것이다. 팔 보조 장치는 적어도 5개의 조인트를 포함하여 구성될 수 있다. 적어도 5개의 조인트 중 2개의 조인트는 액추에이터에 의해서 구동될 수 있고, 나머지 조인트는 사용자의 힘에 의해서 구동될 수 있다. 이에 액추에이터를 효율적으로 이용함으로써 작업 효율을 높이고 팔 보조 장치의 제조 비용을 절감할 수 있다.

Description

팔 보조 장치{COMPACT EXOSKELETON ARM SUPPORT DEVICE FOR GRAVITY COMPENSATION}
팔 보조 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 중력 보상이 가능한 팔 보조 장치에 관한 것이다.
로봇은 다양한 분야에 적용되고 있다. 무인 자동화 제조라인에서 사용되는 산업용 로봇과 환자나 노약자를 위한 재활 의학용 로봇, 생활의 편리함을 제공하는 가정용 로봇 등이 있다.
통상 반도체나 자동차와 같이 규모가 큰 생산품을 제조하기 위해 무인 자동화 제조라인이 설계될 수 있다.
그러나 핸드폰이나 텔레비전처럼 사용자의 요구가 급변하는 제품군에는 무인 자동화 제조라인을 설치하기 어렵다. 이러한 제품군에는 셀(cell) 방식의 제조라인이 설치되어, 사람이 직접 셀 형태로 제품을 제작함으로써 쉽고 빠르게 제품을 변경할 수 있도록 한다.
다만, 셀 방식의 제조라인에서 작업자는 반복적인 일을 하기 때문에 특정 부위에 대한 근육 피로감을 많이 느낄 수 있다. 이러한 작업자는 특정 근육만 사용하기 때문에 관절염 등을 쉽게 얻을 수 있다.
본 발명의 일 측은 팔 또는 하중의 무게를 지지하여 중력 보상이 가능한 팔 보조 장치를 개시한다.
본 발명의 다른 일 측은 액추에이터의 개수를 줄여 사용하기 편리한 팔 보조 장치를 개시한다.
일 측에서 바라본 본 발명의 사상에 따른 팔 보조 장치는 복수의 부재를 이용하여 팔을 지지하는 팔 보조 장치에 있어서, 상기 복수의 부재는, 상기 팔 전체의 요(yaw) 방향 회전 운동을 가능케 하는 제1회전조인트;와 상기 팔의 전완(前腕)의 요(yaw) 방향 회전 운동을 가능케 하는 제2회전조인트;와 상기 팔의 전완의 피치(pitch) 방향 회전 운동을 가능케 하는 제3회전조인트;와 상기 팔의 전완의 중력 방향 병진 운동을 가능케 하는 제1병진조인트;와 상기 제1회전조인트와 상기 제2회전조인트 사이에 배치되어 상기 제2회전조인트의 병진 운동을 가능케 하는 제2병진조인트;를 통하여 연결되고, 상기 제1회전조인트와 상기 제2회전조인트, 상기 제2병진조인트는 사용자의 힘에 의해 수동으로 구동되고, 상기 제2회전조인트와 상기 제1병진조인트는 액추에이터에 의해 자동으로 구동할 수 있다.
또한, 상기 액추에이터가 구동되도록 하기 위하여 상기 팔의 하중을 감지하는 제1센서;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1센서와 함께 상기 액추에이터가 구동되도록 하기 위하여 상기 팔에 가해지는 물체의 하중을 감지하는 제2센서;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1센서와 상기 제2센서를 이용하여 상기 팔의 움직임을 파악하는 제어부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수의 부재는, 프레임;과, 상기 제1병진조인트를 통하여 병진 운동 가능하게 상기 프레임에 연결되는 베이스;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 액추에이터는 상기 제1병진조인트를 구동하여 상기 베이스를 이동시키는 제1액추에이터;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수의 부재는, 상기 제1회전조인트를 통하여 회전 운동 가능하게 상기 베이스에 연결되는 제1서포터;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수의 부재는, 상기 제2병진조인트를 통하여 병진 운동 가능하게 상기 제1서포터에 연결되는 제2서포터;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수의 부재는, 상기 제2회전조인트와 상기 제3회전조인트를 통하여 회전 운동 가능하게 상기 제2서포터에 연결되는 전완 지지부;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 액추에이터는 상기 제3회전조인트를 구동하여 상기 전완 지지부를 이동시키는 제2액추에이터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제3회전조인트에 설치되어 상기 전완 지지부에 가해지는 상기 팔의 하중을 감지하는 제1센서;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 전완 지지부는 물체의 지지하는 물체 고정부;를 포함하고, 상기 물체 고정부에 설치되어 상기 전완 지지부에 가해지는 상기 물체의 하중을 감지하는 제2센서;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1센서와 상기 제2센서는 힘-토크 센서를 포함할 수 있다.
그리고 다른 측에서 바라본 본 발명의 사상에 따른 팔 보조 장치는 복수의 조인트를 이용하여 팔의 움직임을 보조하는 팔 보조 장치에 있어서, 상기 복수의 조인트는, 상기 팔의 팔꿈치의 위치를 결정하는 상기 팔의 전체의 피치(pitch) 방향 회전 운동을 가능케 하는 제1회전조인트;와, 상기 팔의 전완(前腕)의 제1병진 운동을 가능케 하는 제1병진 조인트;와, 상기 팔의 전완의 제2병진 운동을 가능케 하는 제2병진 조인트;를 포함하고, 상기 팔의 전완의 위치를 결정하는 상기 팔의 전완의 요(yaw) 방향 회전 운동을 가능케 하는 제2회전 조인트;와, 상기 팔의 전완의 피치(pitch) 방향 회전 운동을 가능케 하는 제3회전 조인트;를 포함하고, 상기 복수의 조인트 중 상기 팔의 팔꿈치의 중력 방향 위치를 결정하는 상기 제1병진 조인트와 상기 팔의 전완의 피치(pitch) 방향 위치를 결정하는 상기 제3회전 조인트는 액추에이터에 의해서 구동되고, 나머지는 사용자의 힘에 의해서 구동할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 팔 보조 장치는 반복 작업에 의한 작업자의 피로감을 줄일 수 있다.
또한, 무거운 중량물을 쉽게 이동시킬 수 있어서 조립라인에서 조립 시간을 줄이고, 생산 효율을 높일 수 있다.
또한, 팔 보조 장치를 생산하는 비용을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 팔 보조 장치를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 팔 보조 장치의 각 조인트를 나타낸 사시도이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1병진 조인트를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1회전 조인트를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2병진 조인트를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2회전 조인트와 제3회전 조인트를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 팔 보조 장치를 이용하여 팔의 전완이 중력 방향 병진 운동을 하는 모습을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 팔 보조 장치를 이용하여 팔 전체가 요(yaw) 방향 회전 운동하는 모습을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 팔 보조 장치를 이용하여 팔의 전완이 병진 운동하는 모습을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 팔 보조 장치를 이용하여 팔의 전완이 요(yaw) 방향 회전 운동하는 모습을 나타낸 모습이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 팔 보조 장치를 이용하여 팔의 전완이 피치(pitch) 방향 회전 운동하는 모습을 나타낸 모습이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 팔 보조 장치에 대하여 첨부도면을 참조하여 자세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 팔 보조 장치를 나타낸 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 팔 보조 장치의 각 조인트를 나타낸 사시도이다.
도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 팔 보조 장치(10)는 인간의 팔을 지지할 수 있도록 구성될 수 있다. 팔 보조 장치(10)는 인간의 양 팔을 지지하도록 두 개 마련될 수 있다. 제 1 팔 보조 장치(10a)는 왼 팔을 지지하도록 하고, 제 2 팔 보조 장치(10b)는 오른 팔을 지지하도록 할 수 있다. 제 1 팔 보조 장치(10a)와 제 2 팔 보조 장치(10b)는 그 중 하나만 사용되는 것도 가능하고, 함께 사용되는 것도 가능하다. 다만, 제 1 팔 보조 장치(10a)와 제 2 팔 보조 장치(10b)는 그 구성이 동일하므로, 팔 보조 장치(10)로 통칭하여 설명한다.
통상 로봇 팔은 3개의 자유도를 가지는 어깨 관절과 1개의 자유도를 가지는 팔꿈치 관절, 3개의 자유도를 가지는 손목 관절을 포함하여 구성될 수 있다.
본 실시예에 따른 팔 보조 장치(10)는 복수의 부재(21-25)를 포함하여 구성될 수 있다. 팔 보조 장치(10)는 적어도 5개의 자유도를 가지도록 복수의 부재(21-25)는 적어도 5개의 조인트(31-35)를 통하여 연결될 수 있다. 팔 보조 장치(10)의 적어도 5개의 조인트(31-35)는 통상적인 로봇 팔의 관절과 정확하게 대응하지 않으나, 사용자가 팔 보조 장치(10)를 착용하고 셀 형태의 제조라인 등에서 작업하는 경우 사용자에게 최적화된 모션을 제공할 수 있다. 예를 들면 팔 보조 장치(10)는 통상적인 로봇 팔의 손목 관절에 대응하는 조인트를 구비하지 않음으로써 사용자가 섬세한 작업을 하도록 할 수 있다. 또한, 팔 보조 장치(10)는 통상적인 로봇 팔의 어깨 관절 및 팔꿈치 관절과 대응하는 부분에 적어도 5개의 자유도를 확보함으로써 사용자가 팔을 자유롭게 움직이도록 할 수 있다.
팔 보조 장치(10)의 복수의 부재(21-25)는 프레임(21)과 베이스(22), 제 1 서포터(23), 제 2 서포터(24), 전완 지지부(25)를 포함하여 구성될 수 있다. 이들 복수의 부재(21-25)는 복수의 조인트(31-35)에 의해서 연결될 수 있다. 팔 보조 장치(10)의 복수의 조인트(31-35)는 적어도 5개의 조인트(31-35)로 구성될 수 있는데, 제 1 병진 조인트(31)와 제 1 회전 조인트(32), 제 2 병진 조인트(33), 제 2 회전 조인트(34), 제 3 회전 조인트(35)를 포함하여 구성될 수 있다.
또한 팔 보조 장치(10)는 제 1 병진 조인트(31)와 제 3 회전 조인트(35)를 구동하는 액추에이터(40)를 포함하여 구성될 수 있다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1병진 조인트를 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 프레임(21)과 베이스(22)는 제 1 병진 조인트(31)에 의해서 연결될 수 있다.
프레임(21)은 작업자의 등에 장착될 수 있다. 프레임(21)은 팔 보조 장치(10) 전체를 지지할 수 있다. 또한, 프레임(21)은 작업자가 제품을 생산하는 제조라인의 주변 기구에 장착될 수 있다.
베이스(22)는 제 1 병진 조인트(31)에 의해서 프레임(21)상에서 상하 방향으로 병진 운동할 수 있다.
제 1 병진 조인트(31)는 볼-스크류(31a)와 볼-너트(31b)를 포함하여 구성될 수 있다. 볼-스크류(31a)는 프레임(21)에 회전 가능하게 결합할 수 있고, 볼-너트(31b)는 베이스(22)에 형성될 수 있다.
제 1 병진 조인트(31)는 제1액추에이터(41)에 의해서 구동될 수 있다. 제1액추에이터(41)가 제 1 병진 조인트(31)를 구동함에 따라 베이스(22)는 프레임(21)에서 상하 방향으로 이동할 수 있다. 즉 제1액추에이터(41)가 연결기어(21c)를 통하여 프레임(21)의 볼-스크류(31a)를 회전시키게 되면, 베이스(22)는 프레임(21)의 볼-스크류(31a)와 맞물려 있는 베이스(22)의 볼-너트(31b)에 의해서 상하 방향으로 이동할 수 있다.
베이스(22)는 프레임(21)에서 가이드되면서 상하 운동할 수 있다. 프레임(21)에는 볼-스크류(31a)의 양 측에 가이드 샤프트(21a)가 각각 설치될 수 있다. 베이스(22)에는 프레임(21)의 가이드 샤프트(21a)가 삽입되는 가이드 홈(22a)이 형성될 수 있다. 또한, 베이스(22)와 프레임(21)은 도브테일(dovetail) 구조(21b, 22b)에 의해서 서로 결합할 수 있다. 이에 베이스(22)는 회전이 제한될 수 있고, 프레임(21)의 볼-스크류(31a)와 베이스(22)의 볼-너트(31b) 사이에 불필요한 힘(예를 들면, 회전 모멘트)이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1회전 조인트를 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 베이스(22)와 제 1 서포터(23)는 제 1 회전 조인트(32)를 통하여 연결될 수 있다.
제 1 서포터(23)는 제 1 회전 조인트(32)에 의해서 베이스(22)에서 회전 왕복 운동을 할 수 있다. 또한 제 1 서포터(23)는 곡선 형태로 형성될 수 있다. 이는 최적화된 팔의 모션을 제공하기 위함이다.
제 1 회전 조인트(32)는 제 1 힌지구멍(32a)과 제 1 힌지축(32b)을 포함하여 구성될 수 있다. 베이스(22)와 제 1 서포터(23)에 마련되는 제 1 힌지구멍(32a)에 제 1 힌지축(32b)이 삽입됨으로써 제 1 서포터(23)가 제 1 힌지축(32b)을 중심으로 회전 운동할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2병진 조인트를 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 제 1 서포터(23)와 제 2 서포터(24)는 제 2 병진 조인트(33)에 의해서 연결될 수 있다.
제 2 서포터(24)는 제 2 병진 조인트(33)에 의해서 제 1 서포터(23)상에서 전후 방향으로 병진 운동할 수 있다.
제 2 병진 조인트(33)는 슬라이딩 홈부(33a)와 슬라이딩 돌기부(33b)를 포함하여 구성될 수 있다. 제 1 서포터(23)에는 슬라이딩 홈부(33a)가 형성될 수 있고, 제 2 서포터(24)에는 슬라이딩 돌기부(33b)가 형성될 수 있다. 이때 슬라이딩 홈부(33a)와 슬라이딩 돌기부(33b) 사이에는 롤러 또는 볼 베어링이 설치되어 제 2 서포터(24)는 제 1 서포터(23)에 대해 상대 운동할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2회전 조인트와 제3회전 조인트를 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 제 2 서포터(24)와 전완 지지부(25)는 제 2 회전 조인트(34)와 제 3 회전 조인트(35)에 의해서 연결될 수 있다.
전완 지지부(25)는 팔의 전완(前腕)이 지지될 수 있다. 전완 지지부(25)의 제1지지부(25a)에는 팔꿈치가 지지될 수 있고, 전완 지지부(25)의 제2지지부(25b)에는 손목이 지지될 수 있다. 여기서, 팔의 전완(前腕)이 전완 지지부(25)에 고정될 수 있도록 전완 지지부(25)의 제1지지부(25a) 측에는 팔의 전완(前腕)이 삽입될 수 있는 고정부(25c)가 형성될 수 있다. 반대로, 전완 지지부(25)의 제2지지부(25b)에는 손목을 자유롭게 하여 작업 효율을 높일 수 있도록 어떤 구속장치도 마련되지 않을 수 있다.
또한 전완 지지부(25)에는 물체를 지지하는 물체 고정부(25c)가 형성될 수 있다. 물체 고정부(25c)는 고리 모양으로 형성되어 물체를 전완 지지부(25)의 물체 고정부(25c)에 고정시킬 수 있다.
제 2 회전 조인트(34)와 제 3 회전 조인트(35)는 팔꿈치 관절(36)을 구성할 수 있다.
제 2 회전 조인트(34)는 제 2 힌지구멍(34a)과 제 2 힌지축(34b)을 포함하여 구성될 수 있다. 팔꿈치 관절(36)과 제 2 서포터(24)에 마련되는 제 2 힌지구멍(34a)에 제 2 힌지축(34b)이 삽입될 수 있고, 이에 전완 지지부(25)는 제 2 힌지축(34b)을 중심으로 회전 왕복 운동할 수 있다.
제 3 회전 조인트(35)는 제 3 힌지구멍(35a)과 제 3 힌지축(35b)을 포함하여 구성될 수 있다. 팔꿈치 관절(36)과 전완 지지부(25)에 마련되는 제 3 힌지구멍(35a)에 제 3 힌지축(35b)이 삽입될 수 있고, 이에 전완 지지부(25)는 제 3 힌지축(35b)을 중심으로 회전 왕복 운동할 수 있다. 여기서 제 3 힌지축(35b)은 제 2 힌지축(34b)에 대해 직교하도록 설치될 수 있다.
제 2 액추에이터(42)는 제 3 회전 조인트(35)에 설치될 수 있다. 제 2 액추에이터(42)는 제 3 회전 조인트(35)를 구동하여 전완 지지부(25)가 회전되도록 할 수 있다.
제 1 센서(51)는 제 3 회전 조인트(35)에 설치되어 전완 지지부(25)에 가해지는 팔의 하중을 측정할 수 있도록 구성될 수 있다. 제 1 센서(51)는 힘-토크 센서를 포함할 수 있다.
또한 제 2 센서(52)는 물체 고정부(25c)에 설치되어 물체 고정부(25c)에 가해지는 물체의 하중을 측정할 수 있도록 구성될 수 있다. 제 2 센서(52)는 힘-토크 센서를 포함할 수 있다.
제어부(미도시)는 제 1 센서(51)와 제 2 센서(52)의 측정 값을 입력 받아 사용자의 팔의 움직임을 파악할 수 있고, 이후 제1액추에이터(41)와 제 2 액추에이터(42)를 구동하여 사용자의 팔이 쉽게 움직일 수 있도록 중력 보상을 할 수 있다.
먼저 물체 고정부(25c)에 물체가 고정되지 않은 경우 제 2 센서(52)는 동작하지 않을 수 있다. 이때 제 1 센서(51)는 팔의 하중을 측정할 수 있다.
제어부는 제 1 센서(51)에 의해서 측정된 값을 제1기준 값으로 설정할 수 있다. 사용자가 팔을 들어 올리는 경우 제 1 센서(51)는 제1기준 값보다 작은 값을 측정하게 되고, 제어부는 사용자의 팔의 움직임이 상측으로 향하는 것으로 파악할 수 있다. 이에 제어부는 제1액추에이터(41)와 제 1 병진 조인트(31)를 구동하여 베이스(22)가 상측으로 이동하도록 하고, 제 2 액추에이터(42)와 제 2 회전 조인트(34)를 구동하여 전완 지지부(25)가 상측으로 이동하도록 할 수 있다.
반대로 사용자가 팔을 내리는 경우 제 1 센서(51)는 제1기준 값보다 큰 값을 측정하게 되고, 제어부는 사용자의 팔의 움직임이 하측으로 향하는 것으로 파악할 수 있다. 이에 제어부는 제1액추에이터(41)와 제 1 병진 조인트(31)를 구동하여 베이스(22)가 하측으로 이동하도록 하고, 제 2 액추에이터(42)와 제 3 회전 조인트(35)를 구동하여 전완 지지부(25)가 하측으로 이동하도록 할 수 있다.
다음으로 물체 고정부(25c)에 물체가 고정되는 경우 제 2 센서(52)는 물체의 하중을 측정할 수 있다. 이때 제 1 센서(51)는 팔과 물체의 하중을 측정할 수 있다.
제어부는 제 1 센서(51)에 의해서 측정된 값을 제2기준 값으로 설정할 수 있다. 사용자가 팔을 들어 올리는 경우 제 1 센서(51)는 제2기준 값보다 작은 값을 측정하게 되고, 제어부는 사용자의 팔의 움직임이 상측으로 향하는 것으로 파악할 수 있다. 이에 제어부는 제1액추에이터(41)와 제 1 병진 조인트(31)를 구동하여 베이스(22)가 상측으로 이동하도록 하고, 제 2 액추에이터(42)와 제 2 회전 조인트(34)를 구동하여 전완 지지부(25)가 상측으로 이동하도록 할 수 있다.
반대로 사용자가 팔을 내리는 경우 제 1 센서(51)는 제2기준 값보다 큰 값을 측정하게 되고, 제어부는 사용자의 팔의 움직임이 하측으로 향하는 것으로 파악할 수 있다. 이에 제어부는 제1액추에이터(41)와 제 1 병진 조인트(31)를 구동하여 베이스(22)가 하측으로 이동하도록 하고, 제 2 액추에이터(42)와 제 3 회전 조인트(35)를 구동하여 전완 지지부(25)가 하측으로 이동하도록 할 수 있다.
다만, 제어부는 제2기준 값은 제1기준 값보다 상대적으로 크기 때문에 액추에이터(40)의 구동력을 크게 하여 사용자가 물체를 쉽게 이동시킬 수 있도록 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 팔 보조 장치를 이용하여 팔의 전완이 중력 방향 병진 운동을 하는 모습을 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 팔 보조 장치(10)의 제 1 병진 조인트(31)는 팔(60)의 전완(60a)이 상하 방향으로 병진 왕복운동 가능하도록 할 수 있다. 즉 제 1 병진 조인트(31)는 베이스(22)를 프레임(21) 상에서 왕복 운동시킬 수 있다.
제 1 병진 조인트(31)는 제1액추에이터(41)에 의해서 자동으로 구동될 수 있다. 제어부가 제 1 센서(51)와 제 2 센서(52)를 이용하여 팔(60)의 움직임을 파악하는 경우, 제1액추에이터(41)는 제 1 병진 조인트(31)를 구동하여 팔(60)의 중력 방향 움직임을 보상을 할 수 있다. 제어부는 팔(60)의 움직임이 상측으로 이동하는 것으로 파악하면 제1액추에이터(41)를 구동하여 베이스(22)를 상측으로 이동시킬 수 있고, 팔(60)의 움직임이 하측으로 이동하는 것으로 파악되면 제1액추에이터(41)를 구동하여 베이스(22)를 하측으로 이동시킬 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 팔 보조 장치를 이용하여 팔 전체가 요(yaw) 방향 회전 운동하는 모습을 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 팔 보조 장치(10)의 제 1 회전 조인트(32)는 팔(60) 전체가 요(yaw) 방향으로 회전 왕복 운동 가능하도록 할 수 있다. 즉 제 1 회전 조인트(32)는 제 1 서포터(23)를 베이스(22)에 대해 회전 운동시킬 수 있다.
제 1 회전 조인트(32)는 사용자의 힘에 의해서 수동으로 구동될 수 있다. 제 1 회전 조인트(32)는 팔(60)의 중력 방향 움직임과 무관할 수 있기 때문에 제 1 회전 조인트(32)에는 별도의 액추에이터를 설치하지 않고, 사용자의 힘에 의해서 구동되도록 할 수 있다. 사용자는 별 무리없이 제 1 회전 조인트(32)를 구동할 수 있고, 팔 보조 장치(10)의 액추에이터를 줄일 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 팔 보조 장치를 이용하여 팔의 전완이 병진 운동하는 모습을 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 팔 보조 장치(10)의 제 2 병진 조인트(33)는 팔의 전완이 전후 방향으로 병진 왕복 운동 가능하도록 할 수 있다. 즉 제 2 병진 조인트(33)는 제 2 서포터(24)를 제 1 서포터(23)에 대해 슬라이드 병진 운동시킬 수 있다.
제 2 병진 조인트(33)는 사용자의 힘에 의해서 수동으로 구동될 수 있다. 제 2 병진 조인트(33)는 팔(60)의 중력 방향 움직임과 무관할 수 있기 때문에 제 2 병진 조인트(33)에는 별도의 액추에이터를 설치하지 않고, 사용자의 힘에 의해서 구동되도록 할 수있다. 사용자는 별 무리없이 제 2 병진 조인트(33)를 구동할 수 있고, 팔 보조 장치(10)의 액추에이터를 줄일 수 있다.
이처럼 제 1 병진 조인트(31)와 제 1 회전 조인트(32), 제 2 병진 조인트(33)는 팔꿈치(60b)의 위치를 결정할 수 있다. 팔꿈치(60b)는 제 1 병진 조인트(31)와 제 1 회전 조인트(32), 제 2 병진 조인트(33)에 의해서 자유롭게 위치 변경이 될 수 있기 때문에 사용자는 셀 방식의 제조라인에서 쉽게 작업할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 팔 보조 장치를 이용하여 팔의 전완이 요(yaw) 방향 회전 운동하는 모습을 나타낸 모습이다.
도 1 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 팔 보조 장치(10)의 제 2 회전 조인트(34)는 팔의 전완이 요(yaw) 방향 회전 왕복 운동 가능하도록 할 수 있다. 즉 팔꿈치 관절(36)의 제 2 회전 조인트(34)는 전완 지지부(25)를 제 2 서포터(24)에 대해 요(yaw) 방향으로 회전 운동시킬 수 있다.
제 2 회전 조인트(34)는 사용자의 힘에 의해서 수동으로 구동될 수 있다. 제 2 회전 조인트(34)는 팔(60)의 중력 방향 움직임과 무관할 수 있기 때문에 제 2 회전 조인트(34)에는 별도의 액추에이터를 설치하지 않고, 사용자의 힘에 의해서 구동되도록 할 수있다. 사용자는 별 무리없이 제 2 회전 조인트(34)를 구동할 수 있고, 팔 보조 장치(10)의 액추에이터를 줄일 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 팔 보조 장치를 이용하여 팔의 전완이 피치(pitch) 방향 회전 운동하는 모습을 나타낸 모습이다.
도 1 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 팔 보조 장치(10)의 제 3 회전 조인트(35)는 팔의 전완이 피치(pitch) 방향으로 회전 왕복 운동 가능하도록 할 수 있다. 즉 제 3 회전 조인트(35)는 전완 지지부(25)를 제 2 서포터(24)에 대해 피치(pitch) 방향으로 회전 운동시킬 수 있다.
제 3 회전 조인트(35)는 제 2 액추에이터(42)에 의해서 자동으로 구동될 수 있다. 제어부가 제 1 센서(51)와 제 2 센서(52)를 이용하여 팔(60)의 움직임을 파악하는 경우, 제 2 액추에이터(42)는 제 3 회전 조인트(35)를 구동하여 팔(60)의 중력 방향 움직임을 보상을 할 수 있다. 제어부는 팔(60)의 움직임이 상측으로 이동하는 것으로 파악하면 제 2 액추에이터(42)를 구동하여 전완 지지부(25)를 상측으로 이동시킬 수 있고, 팔(60)의 움직임이 하측으로 이동하는 것으로 파악되면 제 2 액추에이터(42)를 구동하여 전완 지지부(25)를 하측으로 이동시킬 수 있다.
이처럼 제 2 회전 조인트(34)와 제 3 회전 조인트(35)는 팔의 전완(60a)의 오리엔테이션을 결정할 수 있다. 팔의 전완은 제 2 회전 조인트(34)와 제 3 회전 조인트(35)에 의해서 자유롭게 위치 변경될 수 있기 때문에 사용자는 셀 방식의 제조 라인에서 쉽게 작업할 수 있다.
결국 팔 보조 장치(10)는 5개의 조인트(31-35)로 구성하여 팔의 움직임을 최적으로 하는 모션을 제공할 수 있다. 또한 2개의 액추에이터(40)만을 사용함으로써 물체 또는 팔의 하중에 대한 중력 보상을 할 수 있고, 제조비용 및 제품의 무게를 줄일 수 있다.

Claims (14)

  1. 복수의 부재를 이용하여 팔을 지지하는 팔 보조 장치에 있어서,
    상기 복수의 부재는,
    상기 팔 전체의 요(yaw) 방향 회전 운동을 가능케 하는 제1회전조인트;와
    상기 팔의 전완(前腕)의 요(yaw) 방향 회전 운동을 가능케 하는 제2회전조인트;와
    상기 팔의 전완의 피치(pitch) 방향 회전 운동을 가능케 하는 제3회전조인트;와
    상기 팔의 전완의 중력 방향 병진 운동을 가능케 하는 제1병진조인트;와
    상기 제1회전조인트와 상기 제2회전조인트 사이에 배치되어 상기 제2회전조인트의 병진 운동을 가능케 하는 제2병진조인트;를 통하여 연결되고,
    상기 제1회전조인트와 상기 제2회전조인트, 상기 제2병진조인트는 사용자의 힘에 의해 수동으로 구동되고, 상기 제3회전조인트와 상기 제1병진조인트는 액추에이터에 의해 자동으로 구동되는 것을 특징으로 하는 팔 보조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 액추에이터가 구동되도록 하기 위하여 상기 팔의 하중을 감지하는 제1센서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 팔 보조 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1센서와 함께 상기 액추에이터가 구동되도록 하기 위하여 상기 팔에 가해지는 물체의 하중을 감지하는 제2센서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 팔 보조 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1센서와 상기 제2센서를 이용하여 상기 팔의 움직임을 파악하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 팔 보조 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 부재는,
    프레임;과, 상기 제1병진조인트를 통하여 병진 운동 가능하게 상기 프레임에 연결되는 베이스;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 팔 보조 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 액추에이터는 상기 제1병진조인트를 구동하여 상기 베이스를 이동시키는 제1액추에이터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 팔 보조 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 부재는,
    상기 제1회전조인트를 통하여 회전 운동 가능하게 상기 베이스에 연결되는 제1서포터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 팔 보조 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 부재는,
    상기 제2병진조인트를 통하여 병진 운동 가능하게 상기 제1서포터에 연결되는 제2서포터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 팔 보조 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 부재는,
    상기 제2회전조인트와 상기 제3회전조인트를 통하여 회전 운동 가능하게 상기 제2서포터에 연결되는 전완 지지부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 팔 보조 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 액추에이터는 상기 제3회전조인트를 구동하여 상기 전완 지지부를 회전시키는 제2액추에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 팔 보조 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제3회전조인트에 설치되어 상기 전완 지지부에 가해지는 상기 팔의 하중을 감지하는 제1센서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 팔 보조 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전완 지지부는 물체의 지지하는 물체 고정부;를 포함하고,
    상기 물체 고정부에 설치되어 상기 전완 지지부에 가해지는 상기 물체의 하중을 감지하는 제2센서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 팔 보조 장치.
  13. 제3항에 있어서,
    상기 제1센서와 상기 제2센서는 힘-토크 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 팔 보조 장치.
  14. 복수의 조인트를 이용하여 팔의 움직임을 보조하는 팔 보조 장치에 있어서,
    상기 복수의 조인트는,
    상기 팔의 팔꿈치의 위치를 결정하는 상기 팔의 전체의 피치(pitch) 방향 회전 운동을 가능케 하는 제1회전조인트;와, 상기 팔의 전완(前腕)의 제1병진 운동을 가능케 하는 제1병진 조인트;와, 상기 팔의 전완의 제2병진 운동을 가능케 하는 제2병진 조인트;를 포함하고,
    상기 팔의 전완의 위치를 결정하는 상기 팔의 전완의 요(yaw) 방향 회전 운동을 가능케 하는 제2회전 조인트;와, 상기 팔의 전완의 피치(pitch) 방향 회전 운동을 가능케 하는 제3회전 조인트;를 포함하고,
    상기 복수의 조인트 중 상기 팔의 팔꿈치의 중력 방향 위치를 결정하는 상기 제1병진 조인트와 상기 팔의 전완의 피치(pitch) 방향 위치를 결정하는 상기 제3회전 조인트는 액추에이터에 의해서 구동되고, 나머지는 사용자의 힘에 의해서 구동되는 것을 특징으로 하는 팔 보조 장치.
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