KR101664622B1 - 듀얼 모드 능동변속 줄 꼬임 액츄에이터 및 이를 구비한 로봇 핑거 - Google Patents

Abstract

본 실시예에 따른 듀얼 모드 능동변속 줄 꼬임 액츄에이터는 회전하는 출력축을 포함하는 제 1 구동부; 상기 제 1 구동부의 출력축에 장착되어 출력축의 회전에 따라 회전하며 샤프트를 포함하는 제 1 커플러; 상기 샤프트가 아이들 회전하도록 연결되는 샤프트 수용부와, 적어도 두 개의 줄 수용부를 포함하는 제 2 커플러; 상기 제 2 커플러를 소정의 범위에서 회전을 제한하고, 상기 소정의 범위 이외에서 회전 할 수 있도록 상기 제 2 커플러에 추가 회전력을 부가하는 제 2 구동부; 상기 제 2 커플러 및 제 2 구동부 사이에 동력을 전달하는 동력전달부; 및 일단은 상기 제 1 커플러에 고정되고 타단은 이동자 측에 고정되며, 상기 제 2 커플러의 줄 수용부를 관통하도록 배치되는 적어도 2개의 줄 부재;를 포함할 수 있다.

Description

듀얼 모드 능동변속 줄 꼬임 액츄에이터 및 이를 구비한 로봇 핑거{Dual-mode active gear-shifting twisted string actuator and robot finger having the same}

본 발명은 줄 꼬임 구동 원리를 이용하는 액츄에이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 주 액츄에이터에 작은 클러치 모터를 추가함으로써, 간단한 구조로 자율적인 모드 전환이 가능하도록 하여, 상황에 따라 액츄에이터의 구동 속도를 빠르게 하거나 구동력을 크게 향상시킬 수 있도록 한 듀얼 모드 능동변속 줄 꼬임 액츄에이터 및 이를 구비한 로봇 핑거에 관한 것이다.

일반적으로 로봇은 산업용, 수술용, 군사용 등 다양한 응용분야에서 광범위하게 이용되고 있다. 이러한 로봇의 움직임을 구현하기 위한 필수 요소가 액츄에이터(actuator)며, 다양한 액츄에이터 중에서 모터가 로봇에 가장 많이 활용되고 있다. 모터는 바퀴를 회전하여 이동하는 모바일 로봇의 바퀴를 회전시키는 동력원으로 사용되거나, 매니퓰레이터 등의 관절을 움직이는 경우에 주로 사용된다. 이때, 특별한 메커니즘 없이 단순히 모터와 기어 등으로 구동하는 방식을 구현한다면, 모터 토크와 속도가 고정되기 때문에 대부분 개발자 및 사용자가 원하는 로봇의 성능을 얻기가 어렵다. 따라서, 액츄에이터 자체의 성능으로 이러한 문제를 해결하지 못하는 경우, 각 응용분야 및 로봇의 사용목적에 따라 요구 성능을 충족시킬 수 있도록 하는 특수한 메커니즘이 필요하다.

상기한 바와 같은 특수한 메커니즘을 살펴보면, 작은 토크로도 큰 선형 구동력을 생성해주는 줄 꼬임 구동 메커니즘(Thomas Wㄸurtz, Chris May, Benedikt Holz, C. Natale, G. Palli and C. Melchiorri, "The Twisted String Actuation System: Modeling and Control," 2010 IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics, pp.1215-1220)이 있다. 또한, 줄 꼬임 구동 메커니즘을 사용한 액츄에이터 개발에 대한 특허(Murata et al, Actuator, Pub. No. US2008/0066574 A1) 및 줄 꼬임 구동 메커니즘을 통한 정밀 위치제어에 관한 특허(Moshe Shoham et al, Twisted wire actuator, Pub. No. US2008/0077258 A1)가 출원된 바 있다.

하지만 상기 언급된 줄 꼬임 구동 메커니즘들은 작은 출력의 모터로도 큰 선형 구동력을 얻을 수 있다는 장점은 있었으나, 로봇 등을 빠르게 구동시키기 위한 선형 구동 속도는 느리다는 단점이 있다.

현재 개발되고 있는 다양한 분야에서의 로봇은 대부분 큰 구동력과 빠른 구동 속도를 모두 필요로 한다. 하지만, 액츄에이터의 성능의 한계로 인해서, 구동력과 구동 속도를 설계자에 의해 로봇의 사용목적이나 용도에 따라 두 가지를 절충(trade-off)하는 방식으로 로봇 개발이 이루어지며, 결과적으로 만족할만한 성능을 가지는 로봇을 개발하지 못하는 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 줄 꼬임을 사용하는 동시에 2단 변속 메커니즘이 적용된 듀얼 모드 줄 꼬임 엑츄에이터에 관한 특허(김경수, 김수현, 신영준, 듀얼 모드 줄 꼬임 엑츄에이터, 출원번호 2011-0030664)가 제안 되어, 상황에 따라 빠른 속력을 생성하거나 큰 구동력을 낼 수 있게 되었다.

하지만 듀얼 모드 줄 꼬임 엑츄에이터 역시 변속 메커니즘에 심각한 단점이 존재하여 실 사용시 어려움이 있다.

한국등록특허 제10-1261986호(2013.05.02.) 미국 공개특허 US2008/0077258A1(2008.03.27.) 미국 공개특허 US2008/0066574A1(2008.03.20.)

본 발명은 듀얼 모드 줄 꼬임 액츄에이터에 대한 단점을 보완할 수 있으며, 변속 및 정확한 위치 제어가 가능하도록 구조가 개선된 듀얼 모드 능동변속 줄 꼬임 액츄에이터를 제공한다.

본 실시예에 따른 듀얼 모드 능동변속 줄 꼬임 액츄에이터는 회전하는 출력축을 포함하는 제 1 구동부; 상기 제 1 구동부의 출력축에 장착되어 출력축의 회전에 따라 회전하며 샤프트를 포함하는 제 1 커플러; 상기 샤프트가 아이들 회전하도록 연결되는 샤프트 수용부와, 적어도 두 개의 줄 수용부를 포함하는 제 2 커플러; 상기 제 2 커플러를 소정의 범위에서 회전을 제한하고, 상기 소정의 범위 이외에서 회전 할 수 있도록 상기 제 2 커플러에 추가 회전력을 부가하는 제 2 구동부; 상기 제 2 커플러 및 제 2 구동부 사이에 동력을 전달하는 동력전달부; 및 일단은 상기 제 1 커플러에 고정되고 타단은 이동자 측에 고정되며, 상기 제 2 커플러의 줄 수용부를 관통하도록 배치되는 적어도 2개의 줄 부재;를 포함할 수 있다.

상기 동력전달부는 상기 제 2 커플러의 외주면에 형성되는 제 1 기어부; 및 상기 제 2 구동부의 출력축에 배치되는 제 2 기어부;를 포함할 수 있다.

삭제

상기 제 2 구동부는 상기 제 2 커플러에 토크를 부가하고, 상기 제 2 구동부의 제어에 의해 상기 제 1커플러와 제 2 커플러의 회전 속도 차를 유발하여 줄 꼬임 부위 조절을 통해 스피드 모드와 포스 모드의 구동 전환이 가능할 수 있다.

상기 제 2 구동부는 회전수를 감지하는 회전 센서유닛을 더 포함하여, 상기 제 2 커플러의 회전수에 연동하여 스피드 모드와 포스 모드로 작동할 경우의 상기 제 2 커플러의 회전수를 측정할 수 있다.

상기 제 1 구동부보다 제 2 구동부의 전력 소모량이 더 작게 구성될 수 있다.

상기 제 2 구동부를 전기 모터로 구성할 경우 상기 이동자에 T의 힘이 걸릴 때 스피드 모드와 포스 모드를 작동 시킬 수 있는 제 2 구동부의 최소 연속 토크(continuous torque) 및 무 부하 회전수(no load speed)는 다음의 수학식을 만족할 수 있다.

여기서, M_m2는 상기 제 2 구동부의 연속 토크(continuous torque), n_m1은 상기 제 1구동부의 무 부하 회전수, n_m2는 상기 제 2 구동부의 무 부하 회전수, T는 스피드 모드에서 줄 부재에 연결된 상기 이동자에 가해지는 힘, α_I은 샤프트에 감기는 실의 각도, α_Ⅱ는 줄끼리 꼬이는 실의 각도, K_l1는 상기 제 1 커플러와 상기 제 1 구동부간에 연결된 기어 비, K_l2는 상기 제 2 커플러와 상기 제 2 구동부간에 연결된 기어 비를 의미한다.

본 실시예에 따른 로봇 핑거는 액츄에이터, 제 1 링크; 상기 제 1 링크와 적어도 한 개의 조인트에 의해서 회전 가능하게 연결되며 상기 액츄에이터에 의해 제어되는 적어도 하나 이상의 피제어 링크들을 포함하는 로봇 핑거에 있어서, 상기 액츄에이터는 회전하는 출력축을 포함하는 제 1 구동부; 상기 제 1 구동부의 출력축에 장착되어 출력축의 회전에 따라 회전하며 샤프트를 포함하는 제 1 커플러; 상기 샤프트가 아이들 회전하도록 연결되는 샤프트 수용부와, 적어도 두 개의 줄 수용부를 포함하는 제 2 커플러; 상기 제 2 커플러를 소정의 범위에서 회전을 제한하고, 상기 소정의 범위 이외에서 회전 할 수 있도록 상기 제 2 커플러에 추가 회전력을 부가하는 제 2 구동부; 상기 제 2 커플러 및 제 2 구동부 사이에 동력을 전달하는 동력전달부; 및 일단은 상기 제 1 커플러에 고정되고 타단은 이동자 측에 고정되며, 상기 제 2 커플러의 줄 수용부를 관통하도록 배치되는 적어도 2개의 줄 부재;를 포함하며, 상기 로봇 핑거는 일단부가 상기 제 1 커플러의 회전력을 전달받도록 부착되고, 상기 제 2 커플러의 줄 수용부를 지나도록 연장하여 상기 피제어 링크에 타단부가 고정되는 적어도 두 개의 줄을 포함할 수 있다.

이상과 같은 본 실시예에 따르면, 종래의 듀얼 모드 줄 꼬임 엑츄에이터의 단점인 변속 시점에 일관성이 없고, 원하는 시점에 변속을 할 수 없으며, 복잡한 풀림 과정이 요구된다는 점을 개선하여, 클러치 모터의 제어를 통해 스피드 모드(Speed Mode)와 포스 모드(Force Mode)간의 능동적인 변속이 가능하고 줄 풀림 과정을 간단하게 구현할 수 있어 기존 듀얼 모드 줄 꼬임 엑츄에이터의 장점을 유지하면서 단점을 해결할 수 있다.

또한, 변속을 위한 클러치 모터의 소모 전력은 주 구동기에 비해 아주 작은 전력을 요구하므로 소형의 클러치 모터를 사용하면, 로봇 핸드와 같은 초 소형 기계장치에 효과적으로 적용이 가능할 것이다.

또한, 기존 모델링의 방법의 경우 실제 이동자의 변위와 비교하였을 때, 약 62%의 큰 오차를 가지지만, 본 실시예에 따른 모델링 방법은 약 5.07%의 아주 작은 오차를 가짐을 알 수 있다. 따라서 센서(sensor)가 필요 없는 정확한 개루프 제어(open loop control)가 가능하고, 원하는 출력을 얻기 위한 모터 선정과정에서 시뮬레이션을 통해 주 구동기와 클러치 모터의 최적화된 사양을 결정할 수 있다.

도 1은 본 실시예에 따른 듀얼 모드 능동변속 줄 꼬임 액츄에이터의 개략적인 도면,
도 2는 스피드 모드의 줄 꼬임 형상을 개략적으로 도시한 도면,
도 3은 포스 모드의 줄 꼬임 형상을 개략적으로 도시한 도면,
도 4는 기존의 모델링과 본 실시예에 따른 모델링에 의한 이동자 변위 비교 그래프,
도 5 및 도 6은 스피드 모드와 포스 모드의 능동 변속 과정을 개략적으로 도시한 도면,
도 7은 듀얼 모드 능동 변속 메커니즘의 줄 풀림 과정을 도시한 도면,
도 8은 스피드 모드와 포스 모드의 구현 과정을 도시한 그래프,
도 9는 포스 모드에서 자유 물체도를 도시한 도면, 그리고,
도 10 및 도 11은 본 실시예에 따른 듀얼 모드 능동변속 액츄에이터가 적용된 로봇 핑거를 도시한 도면이다.

이하, 본 실시예에 따른 듀얼 모드 능동변속 줄 꼬임 액츄에이터를 도면을 참고하여 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 형태를 도시한 것으로, 이는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적인 범위가 한정되는 것은 아니다.

또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.

한편, 제 1 또는 제 2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들이 상기 용어들에 의해 한정되지 않으며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별시키는 목적으로만 사용된다.

도 1은 본 실시예에 따른 듀얼 모드 능동변속 줄 꼬임 액츄에이터의 개략적인 도면, 도 2는 스피드 모드의 줄 꼬임 형상을 개략적으로 도시한 도면, 도 3은 포스 모드의 줄 꼬임 형상을 개략적으로 도시한 도면, 도 4는 기존의 모델링과 본 실시예에 따른 모델링에 의한 이동자 변위 비교 그래프, 도 5 및 도 6은 스피드 모드와 포스 모드의 능동 변속 과정을 개략적으로 도시한 도면, 도 7은 듀얼 모드 능동 변속 메커니즘의 줄 풀림 과정을 도시한 도면, 도 8은 스피드 모드와 포스 모드의 구현 과정을 도시한 그래프, 도 9는 포스 모드에서 자유 물체도를 도시한 도면, 그리고, 도 10 및 도 11은 본 실시예에 따른 듀얼 모드 능동변속 액츄에이터가 적용된 로봇 핑거를 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 듀얼 모드 능동변속 줄 꼬임 액츄에이터는 제 1 구동부(2), 제 1 커플러(10), 제 2 커플러(20), 제 2 구동부(23)를 포함할 수 있다.

제 1 구동부(2)는 모터로 마련될 수 있으며, 출력축(1)에 상기 제 1 커플러(10)가 연결될 수 있다. 제 1 구동부(2)는 회전 동력을 이용하여, 상기 제 1 커플러(10)를 정회전 또는 역회전시킬 수 있다.

제 1 커플러(10)는 디스크 형상으로 마련될 수 있으며, 상기 출력축(1)에 연동하여 정회전 또는 역회전 가능하게 설치될 수 있다. 제 1 커플러(10)는 대략 디스크 형상으로 마련될 수 있으며, 일단에는 제 1 줄 부재(110)가 연결될 수 있다. 제 1 줄 부재(110)는 상기 제 1 커플러(10)의 표면에 고정될 수도 있고, 일측 단부가 상기 제 1 커플러(10)의 내부에 삽입되어 고정되는 것도 가능하다. 또한, 제 1 커플러(10)의 중앙에는 샤프트(15)가 연결될 수 있다. 샤프트(15)는 상기 제 1 커플러(10)와 동축으로 배치될 수 있으며, 상기 제 1 커플러(10) 보다 작은 지름을 가지는 원통 형상으로 마련될 수 있다. 이때, 샤프트(15)는 제 1 커플러(10)와 연동 회전하여, 상기 제 1 커플러(10)의 회전에 의해 상기 제 1 줄 부재(110)가 샤프트(15)의 외주면에 감길 수 있다.

이때, 상기 제 1 줄 부재(110)는 2개가 한 쌍으로 마련되어, 상기 제 1 커플러(10)의 중심에 대하여 대칭이 되도록 배치될 수 있다. 즉, 제 1 줄 부재(110)는 상기 제 1 커플러(10)의 중심을 통과하는 가상의 선 상에 배치되되, 상기 중심과의 이격 거리가 동일하도록 한 쌍의 제 1 줄 부재(110)가 배치될 수 있다. 따라서 상기 제 1 줄 부재(110)는 도 1에 도시된 바와 같이, 샤프트(15)와 제 1 커플러(10)가 연동 회전할 때, 샤프트(15)의 외주면에 감길 수 있다.

제 2 커플러(20)는 상기 샤프트(15)와 결합될 수 있는데, 본 실시예에 따르면, 제 2 커플러(20)와 샤프트(15)는 아이들 회전 가능하게 결합될 수 있다. 이를 위해, 상기 제 2 커플러(20)에는 상기 샤프트(15)와 대응되는 형상으로 샤프트 수용부가 마련될 수 있다. 따라서, 상기 제 2 커플러(20)는 상기 샤프트(15)의 회전 시 연동하여 회전하지 않으며, 후술할 제 2 구동부(23)의 동력을 전달 받아, 샤프트(15)와 별도로 회전할 수 있다. 상기 샤프트 수용부는 다양하게 구성될 수 있다. 즉, 미도시된 베어링 등을 개재하여, 상기 샤프트(15)와 제 2 커플러(20)가 회전 연동되지 않도록 구성될 수도 있고, 윤활젤 등을 발라두어, 샤프트(15)의 회전 동력이 제 2 커플러(20) 측으로 전달되지 않도록 할 수도 있다.

제 2 커플러(20)에는 적어도 하나 이상의 줄 수용부(20a)가 마련될 수 있는데, 이때, 상기 줄 수용부(20a)의 형상은 원형으로 마련될 수 있는데, 이는 제 1 줄 부재(110)가 관통하여 제 2 줄 부재(120) 측으로 연결될 수 있도록 하기 위함이다. 즉, 제 1 및 제 2 줄 부재(110)(120)를 일체로 구성할 경우, 상기 줄 수용부(20a)를 줄 부재가 관통하여, 단부가 이동자(30)와 연결될 수 있다.

제 2 구동부(23)는 상기 제 2 커플러(20)를 소정의 범위에서 회전을 제한하고, 상기 소정의 범위 이외에서 회전 할 수 있도록 상기 제 2 커플러(20)에 추가 회전력을 부가할 수 있다. 상기 제 2 구동부(23)는 다양하게 구성될 수 있는데, 통상의 모터로 구성될 수도 있고, 그 외에 클러치를 포함하는 추가 동력전달 메커니즘 중 어느 하나일 수 있다.

한편, 상기 제 2 구동부(23)의 동력은 상기 제 2 커플러(20) 측에 동력전달부를 통해 전달될 수 있다. 본 실시예에 따르면, 상기 동력전달부는 제 1 및 제 2 기어부(21)(22)로 구성될 수 있다.

제 1 기어부(21)는 상기 제 2 커플러의 외주면에 형성될 수 있으며, 제 2 기어부(22)는 상기 제 1 기어부(21)와 치합되도록 설치되며, 상기 제 2 구동부(23)의 출력축에 연결될 수 있다. 이때, 상기 제 1 및 제 2 기어부(21)(22)는 소정의 기어 비율을 가지도록 형성될 수 있는데, 이는 필요한 동력 크기에 따라 가변될 수 있다.

이와 같은 구성을 통해, 상기 제 2 구동부(23)는 제 2 커플러(20)에 토크를 부가하고, 상기 제 2 구동부(23)의 회전 제어에 의해 상기 제 2 커플러(20)의 회전을 조절할 수 있다. 또한, 상기 제 1커플러와 제 2 커플러의 회전 속도 차이는 상기 제 1 줄 부재가 상기 사프트(15)에 감기도록 하여 이동자(30)의 속도가 빠른 스피드 모드를 유발하고, 제 2 커플러의 회전은 상기 제 2줄 부재가 스스로 꼬이도록 유발하여 힘이 강한 포스 모드를 유발하여 모드간의 구동 전환이 가능할 수 있다.

한편, 도시하지는 않았으나, 제 2 구동부(23)는 회전수를 감지하는 회전 센서유닛을 더 포함하여, 상기 제 2 커플러(20)의 회전수에 연동하여 스피드 모드와 포스 모드로 작동할 경우의 상기 제 2 커플러(20)의 회전수를 측정할 수 있다.

또한, 상기 제 1 구동부(2)보다 제 2 구동부(23)의 전력 소모량이 더 작게 구성될 수 있다.

상기 제 2 구동부(23)를 전기 모터로 구성할 경우 상기 이동자(30)에 T의 힘이 걸릴 때 스피드 모드와 포스 모드를 작동 시킬 수 있는 제 2 구동부(23)의 최소 연속 토크(continuous torque) 및 무 부하 회전수(no load speed)는 다음의 수학식을 만족할 수 있다.

여기서, M_m2는 상기 제 2 구동부(23)의 연속 토크(continuous torque), n_m1은 상기 제 1구동부(2)의 무 부하 회전수, n_m2는 상기 제 2 구동부(23)의 무 부하 회전수, T는 스피드 모드에서 줄 부재에 연결된 상기 이동자(30)에 가해지는 힘, α_Ⅰ은 샤프트(15)에 감기는 제 1 줄 부재(110)의 각도, α_Ⅱ는 제 2줄 부재(120)끼리 꼬이는 줄의 각도, K_ㅣ1는 상기 제 1 커플러(10)와 상기 제 1 구동부(2)간에 연결된 기어 비, K_l2는 상기 제 2 커플러(20)와 상기 제 2 구동부(23)간에 연결된 기어 비를 의미한다.

이하, 본 실시예에 따른 듀얼 모드 능동변속 줄 꼬임 액츄에이터의 동작을 도면과 함께 설명한다.

본 실시예에 따른 듀얼 모드 능동변속 줄 꼬임 액츄에이터의 기본 동작은 선행 연구인 듀얼 모드 줄 꼬임 액츄에이터의 동작과 유사한 부분이 있다. 즉, 제 1 커플러(10)가 회전하면, 샤프트(15)에 한 쌍의 제 1 줄 부재(110)가 감기게 된다. 이때, 외부 장력이 상기 제 1 줄 부재(string)(110)에 걸리게 되면, 제 2 커플러(20)에 부가되는 토크가 증가하게 되고, 생성되는 토크가 제 2 커플러(20)의 회전을 구속하는 제 1 및 제 2 기어(21)(22)의 마찰력을 넘어서게 되면, 제 2 커플러(20)가 회전하면서, 제 2 커플러(20)와 이동자(30) 사이의 실이 꼬이게 되면서, 도 1에 도시된 바와 같이, 큰 힘을 발생시킬 수 있다. 종전에는 제 2 커플러(20)에 브레이크 슈 등과 같은 마찰력을 이용한 변속 조건만을 사용하였기 때문에, 변속 조건에 일관성이 없으며, 원하는 시점에 변속을 할 수 없다는 단점을 가지고 있다. 또한, 브레이크 슈로 인하여 풀림 과정에서 제 2 커플러(20)가 마찰력을 받고 있기 때문에 풀림과정이 복잡하며, 제어가 복잡하며, 느린 응답 시간을 가진다.

그러나 본 실시예에 따르면, 클러치 모터로 제 2 구동부(23)를 마련하여, 상기한 문제점들을 모두 해결할 수 있다. 즉, 상기한 바와 같이 제 2 커플러(20)의 외주면에 제 1 기어부(21)를 형성하고, 제 2 구동부(23)의 출력축 측에 제 2 기어부(22)를 마련하되, 제 2 구동부(23)를 구성하는 클러치 모터의 출력은 상기한 제 1 구동부(2)의 모터의 출력 보다는 작게 설정할 수 있다.

이때, 제 1 커플러(10)와 샤프트(15)는 함께 회전할 수 있도록 일체로 구성될 수 있으며, 제 2 커플러(20) 측에 부가되는 토크의 크기에 따라 제 2 커플러(20)의 회전 유무를 결정하여 스피드 모드나 포스 모드로 작동 제어될 수 있다.

이렇게 구성된 듀얼 모드 능동 변속 메커니즘의 구동 원리는 다음과 같다. 우선, 제 1 구동부(2)의 동력에 의해서 제 1 커플러(10)가 회전하게 된다. 제 1 구동부(2)에 의해 두 가닥의 줄이 샤프트(15)에 감기게 되고, 줄이 연결되어있는 이동자(30)가 빠른 속도로 움직이는 스피드 모드(Speed Mode)가 작동된다. 여기서, 이동자(30)에 큰 힘이 필요하게 되면, 제 2 구동부(23)의 속도 제어를 통해 제 2 커플러(20)의 속도를 제 1 커플러(10)의 속도와 같아지도록 만들고, 두 가닥의 줄이 서로 꼬이게 형성할 수 있는데 이러한 제어를 통해 포스 모드(Force Mode)가 동작하게 된다.

또한 스피드 모드와 포스 모드에서 실이 꼬이는 기하학적 형상을 통해 제 1 커플러(10)과 제 2 커플러(20)의 회전에 따른 이동자(30)의 이동 거리를 유도 하였다. 즉, 스피드 모드에서의 실의 꼬임은 도 2의 첫 번째 그림과 같이 실이 샤프트에 접촉하기 직전과 접촉 후로 나눌 수 있으며, 샤프트(15)에 실이 접촉하기 전의 꼬임에 의해 발생하는 이동자의 거리는 다음의 식을 만족할 수 있다.

이때 ΔL_I는 스피드 모드의 실 꼬임에 의한 이동자(30)의 변위, R은 샤프트(15) 중심축과 제 1줄 부재(110) 중심과의거리, r은 샤프트(15) 반지름 길이, θ_Ⅰ는 제 1 커플러(10)의 회전 각도, θ_Ⅱ는 제 2 커플러(20)의 회전 각도,

는 꼬인 실을 평면에 풀었을 때의 x축 길이, l은 샤프트(15)의 길이를 의미한다.

꼬임이 발생한 후의 이동자의 거리는 도 2의 두 번째 그림과 같이 다음의 수학식들로 유도될 수 있다.

즉, 포스 모드에서의 실의 꼬임은 도 3과 같이 듀얼 모드의 기하학적 구조를 고려하여 다음과 같은 식으로 유도 할 수 있다.

여기서 ΔL_II는 Force Mode에서 실 꼬임에 의한 이동자의 변위, l_o는 초기 상태에서 l_w의 측정 값, r_s는 실의 반지름을 각각 의미한다. 따라서 Speed Mode와 Force Mode에 의한 총 이동자의 변위는,

와 같이 유도할 수 있다.

도 10과 도 11은 듀얼모드 능동 변속 메커니즘이 적용된 로봇 핑거를 나타낸 도면이다. 제로 링크(1001)에 듀얼모드 드라이브 메커니즘을 적용하고, 제 1 내지 제 3 링크(1100)(1200)(1300)를 회전 가능한 링크 부재로 연결하면서, 상기 제 3 링크(1300)의 단부에 줄 부재를 연결하면, 로봇 핑거의 움직임을 구현할 수 있다. 단, 듀얼 모드 능동 변속 메커니즘은 단방향 운동만 가능하므로 로봇핑거의 폄 동작을 구현하기 위해서는 제 3 링크(1300)의 반대편에 연결된 실(1005)에 스프링(1002)을 연결하여 화살표에 도시된 바와 같이, 지속적인 장력을 유지시켜 주면 된다.

이상과 같은 본 실시예에 따르면, 상황에 따라 능동적인 변속 과정을 통하여, 빠른 손동작을 구현할 때에는 상기한 스피드 모드에서 동작하고, 물체를 강력히 파지할 때에는 포스 모드에서 동작하면 사람 손과 같은 고성능의 로봇핸드를 개발할 수 있다.

특히, 종래의 듀얼 모드 줄 꼬임 엑츄에이터의 단점인 변속 시점에 일관성이 없고, 원하는 시점에 변속을 할 수 없으며, 복잡한 풀림 과정이 요구된다는 문제점을 개선할 수 있다. 즉, 클러치 모터의 제어를 통해 스피드 모드(Speed Mode)와 포스 모드(Force Mode)간의 능동적인 변속이 가능하고 줄 풀림 과정을 간단하게 구현할 수 있어 기존 듀얼 모드 줄 꼬임 엑츄에이터의 장점을 유지하면서 단점을 해결할 수 있다.

또한, 변속을 위한 클러치 모터의 소모 전력은 주 구동기에 비해 아주 작은 전력을 요구하므로 소형의 클러치 모터를 사용하면, 로봇 핸드와 같은 초 소형 기계장치에 효과적으로 적용이 가능할 것이다.

또한, 기존 모델링의 방법의 경우 실제 이동자의 변위와 비교하였을 때, 약 62%의 큰 오차를 가지지만, 본 실시예에 따른 모델링 방법은 약 5.07%의 아주 작은 오차를 가짐을 알 수 있다. 따라서 센서(sensor)가 필요 없는 정확한 개루프 제어(open loop control)가 가능하고, 원하는 출력을 얻기 위한 모터 선정과정에서 시뮬레이션을 통해 주 구동기와 클러치 모터의 최적화된 사양을 결정할 수 있다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하고, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 실시예의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

1; 출력축 2; 제 1 구동부
10; 제 1 커플러 15; 샤프트
20; 제 2 커플러 20a; 줄 수용부
21; 제 1 기어부 22; 제 2 기어부
23; 제 2 구동부 30; 이동자

Claims (8)

1. 회전하는 출력축을 포함하는 제 1 구동부;
   상기 제 1 구동부의 출력축에 장착되어 출력축의 회전에 따라 회전하며 샤프트를 포함하는 제 1 커플러;
   상기 샤프트가 아이들 회전하도록 연결되는 샤프트 수용부와, 줄 수용부를 포함하는 제 2 커플러;
   상기 제 2 커플러를 소정의 범위에서 회전을 제한하고, 상기 소정의 범위 이외에서 회전 할 수 있도록 상기 제 2 커플러에 추가 회전력을 부가하는 제 2 구동부;
   상기 제 2 커플러 및 제 2 구동부 사이에 동력을 전달하는 동력전달부; 및
   일단은 상기 제 1 커플러에 고정되고 타단은 이동자 측에 고정되며, 상기 제 2 커플러의 줄 수용부를 관통하도록 배치되는 줄 부재;를 포함하는 듀얼 모드 능동변속 줄 꼬임 액츄에이터.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 동력전달부는,
   상기 제 2 커플러의 외주면에 형성되는 제 1 기어부; 및
   상기 제 2 구동부의 출력축에 배치되는 제 2 기어부;를 포함하는 듀얼 모드 능동변속 줄 꼬임 액츄에이터.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 구동부는,
   상기 제 2 커플러에 토크를 부가하고, 상기 제 2 구동부의 제어에 의해 상기 제 2 커플러의 회전을 조절하여 상기 제 1 커플러와 제 2 커플러의 회전속도 차이를 통해 스피드 모드와 포스 모드의 구동 전환이 가능한 듀얼 모드 능동변속 줄 꼬임 액츄에이터.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 구동부 및 제 2 구동부는,
   회전수를 감지하는 회전 센서유닛을 더 포함하여, 제 1 구동부 및 제 2 구동부의 회전 속도 제어를 통해 스피드 모드와 포스 모드의 능동적 전환을 할 수 있는 듀얼 모드 능동변속 줄 꼬임 액츄에이터.
6. 제 5 항에 있어서, 스피드 모드에 의한 이동자의 변위 및 포스 모드에 의한 이동자의 변위를 합산하여 이동자의 변위를 예측할 수 있는 듀얼 모드 능동변속 줄 꼬임 액츄에이터.
7. 삭제
8. 액츄에이터;
   제 1 링크와,
   상기 제 1 링크와 적어도 한 개의 조인트에 의해서 회전 가능하게 연결되며 상기 액츄에이터에 의해 제어되는 적어도 하나 이상의 피제어 링크들을 포함하는 로봇 핑거에 있어서,
   상기 액츄에이터는,
   회전하는 출력축을 포함하는 제 1 구동부;
   상기 제 1 구동부의 출력축에 장착되어 출력축의 회전에 따라 회전하며 샤프트를 포함하는 제 1 커플러;
   상기 샤프트가 아이들 회전하도록 연결되는 샤프트 수용부와, 줄 수용부를 포함하는 제 2 커플러;
   상기 제 2 커플러를 소정의 범위에서 회전을 제한하고, 상기 소정의 범위 이외에서 회전 할 수 있도록 상기 제 2 커플러에 추가 회전력을 부가하는 제 2 구동부;
   상기 제 2 커플러 및 제 2 구동부 사이에 동력을 전달하는 동력전달부; 및
   일단은 상기 제 1 커플러에 고정되고 타단은 이동자 측에 고정되며, 상기 제 2 커플러의 줄 수용부를 관통하도록 배치되는 줄 부재;를 포함하며,
   상기 로봇 핑거는,
   일단부가 상기 제 1 커플러의 회전력을 전달받도록 부착되고, 상기 제 2 커플러의 줄 수용부를 지나도록 연장하여 상기 피제어 링크에 타단부가 고정되는 줄을 포함하는 듀얼 모드 능동변속 줄 꼬임 제어 로봇 핑거.

Images