KR101677259B1

KR101677259B1 - 로봇 장착용 그리퍼

Info

Publication number: KR101677259B1
Application number: KR1020160082602A
Authority: KR
Inventors: 고영호; 이경창; 이주경; 김형준
Original assignee: 주식회사 이엠티
Priority date: 2016-06-30
Filing date: 2016-06-30
Publication date: 2016-11-17

Abstract

본 발명은 산업용 로봇 암에 장착되는 그리퍼(gripper)에 관한 것이다.
본 발명은 다음과 같은 효과를 발휘한다.
단일모터를 이용한 중앙 구동 방식으로써, 강한 그립력(grip force)을 발휘하게 되고, 웜기어를 이용하여 세밀한 구동제어를 가능케 한다.
또한 그리퍼의 표면에서 측정되는 압력신호를 이용하여, 쥐어지는 물체의 경도에 따라 그립력을 달리 제어할 수 있게 되어, 섬세하고 안정적인 그립핑(gripping)이 가능해진다.

Description

로봇 장착용 그리퍼 {GRIPPER FOR A ROBOT}

본 발명은 산업용 로봇 암에 장착되는 그리퍼(gripper)에 관한 것이다.

산업현장에서 로봇에 대한 수요가 증대됨에 따라 로봇 연구가 활발하게 진행되고 있다.

특히 부품 등을 집어 운반하는 용도로 로봇의 암에 부착되어 물건을 쥘 수 있는 그리퍼(gripper)가 많이 사용되는데, 종래의 그리퍼는 단순한 집게 구조로서 다양한 형태의 물건을 쥐는데 한계가 있거나, 또는 구조가 너무 복잡하고, 복잡한 제어과정을 거쳐 동작하게 되므로 보편화하기는 어려운 실정이다.

따라서, 구조 및 제어과정이 단순하면서도 그립핑(gripping) 동작을 섬세하게 제어할 수 있으며, 강한 그립력(grip force)을 발휘함으로써 다양한 물건을 안정적으로 그립핑할 수 있는 그리퍼가 필요하다.

대한민국등록특허공보 제10-1360450호(2014.02.12)

본 발명에서 해결하려는 과제는 다음과 같다.

단일모터를 이용한 중앙 구동 방식으로써, 강한 그립력(grip force)을 발휘하며, 웜기어를 이용하여 세밀한 구동제어가 가능한 구성을 제시하고자 한다. 또한 그리퍼의 표면에서 측정되는 압력신호를 이용하에 그립력을 달리 제어할 수 있는 구성을 제시하고자 한다.

본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여,

로봇 암과 결합되어 물체를 감싸 쥐는 그리퍼(20); 감싸 쥐어지는 물체의 압력에 따라 그리퍼(20)의 동작을 제어하는 제어부(10);를 포함하여 구성되고, 상기 그리퍼(20)는 물체를 감싸 쥐는 그립부(200), 그립부(200)를 구동시키는 구동부(100)를 포함하고, 상기 그립부(200)는 물체를 감싸 쥐는 둘 이상의 핑거모듈(220), 로봇 암과 결합됨과 동시에 감싸 쥐어지는 물체를 지지하는 팜모듈(210), 감싸 쥐어지는 물체에 의한 압력을 측정하는 압력센싱부(230)를 포함하는 것을 특징으로 하고,

상기 팜모듈(210)은 로봇 암과 결합되는 베이스(213), 감싸 쥐어지는 물체를 지지하는 팜플레이트(211), 팜플레이트(211)를 베이스(213)와 연결하여 지지하는 지지수단(212)을 포함하고, 상기 핑거모듈(220)은 구동부(100)로부터 동력을 전달받는 동력전달부(223), 동력전달부(223)로부터 전달받은 동력에 의해 회동하는 하나 또는 둘 이상의 관절부(222), 관절부(222)를 연결하는 둘 이상의 링크부(221)를 포함하며, 상기 링크부(221)는 물체를 감싸 쥘 때 물체가 닿는 부분이 가압부재(221b)로 형성되고, 상기 압력센싱부(230)는 가압부재(221b)와 물체의 접촉면 또는 팜플레이트(211)와 물체의 접촉면에 형성되어 해당 접촉면의 압력을 측정하는 다수의 압력센서(23N)로 구성되는 것을 특징으로 하며,

상기 제어부(10)는 압력센싱부(230)에서 측정된 다수의 아날로그 압력신호를 멀티플렉싱하는 멀티플렉서(14), 멀티플렉서(14)로부터 전송된 아날로그 압력신호를 디지털 압력신호로 변환하는 ADC(13), ADC(13)로부터 전송된 디지털 압력신호를 처리하는 DSP(12), DSP(12)를 통해 처리된 압력신호에 따라 구동부(100)를 제어하는 MCU(11)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압력센서를 구비한 그리퍼를 제시한다.

본 발명은 다음과 같은 효과를 발휘한다.

단일모터를 이용한 중앙 구동 방식으로써, 강한 그립력(grip force)을 발휘하게 되고, 웜기어를 이용하여 세밀한 구동제어를 가능케 한다.

또한 그리퍼의 표면에서 측정되는 압력신호를 이용하여, 쥐어지는 물체의 경도에 따라 그립력을 달리 제어할 수 있게 되어, 섬세하고 안정적인 그립핑(gripping)이 가능해진다.

도 1은 본 발명의 전체적인 구성을 나타낸 블록도.
도 2는 본 발명인 그리퍼의 사시도.
도 3은 그리퍼의 측면도.
도 4,8는 압력센서가 부착된 그리퍼.
도 5는 본 발명의 구동부에 관한 도면.
도 6은 본 발명이 동작하는 것을 나타낸 도면.
도 7은 압력에 따라 제어되는 그립력의 그래프.

이하 첨부된 도면을 바탕으로 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다. 다만 본 발명의 권리범위는 특허청구범위 기재에 의하여 파악되어야 한다. 또한 본 발명의 요지를 모호하게 하는 공지기술의 설명은 생략한다.

본 발명의 그리퍼는 제어부(10)와 그리퍼(20)를 포함하여 구성된다.

상기 그리퍼(20)는 로봇 암과 결합되어 물체를 감싸 쥐는 부분으로, 그립부(200)와 구동부(100)를 포함한다.

그립부(200)는 물체를 감싸 쥐는 역할을 하며, 팜모듈(210), 핑거모듈(220), 압력센싱부(230)로 구성된다.

핑거모듈(220)은 물체를 감싸 쥐는 손가락 역할을 하며, 링크부(221), 관절부(222), 동력전달부(223)를 포함한다. 둘 이상의 핑거모듈(220)이 구성될 수 있으나, 물체를 감싸 쥘 때 안정성을 확보하기 위해서는 도 2,8와 같이 세 개(혹은 그 이상)의 핑거모듈(220)을 구비함이 바람직하다.

동력전달부(223)는 구동부(100)로부터 동력을 전달받는 부분으로, 일측단부는 구동축(223c)에 연결되어 핑거휠(132)의 회전력을 전달받고 타측단부는 회동축(223b)에 연결되어 링크부(221)로 회전력을 전달하는 회동부재(223a)를 포함한다. 구동축(223c)은 핑거휠(132)의 축이며, 회동축(223b)는 회동부재(223a)와 동력전달부(223)의 바로 상단 링크부(221)의 샤프트(221a)가 힌지결합되는 축에 해당한다.(도 3,4,8 참고)

관절부(222)는 동력전달부(223)로부터 전달받은 동력(회전력)에 의해 회동하는 부분으로, 손가락 관절 역할을 하며, 회동부재(222a), 회동축(222b), 탄성부재(222c)를 포함하여 구성된다. 각 핑거모듈(220)에 관절부(222)가 하나만 형성될 경우 도 4와 같이 두 개의 링크부(221), 즉 손가락이 두 마디로 나뉜 것과 같은 구조를 갖게 된다. 그러나 관절부(222)는 두 개(혹은 그 이상)로도 형성될 수 있으며, 이 경우 도 2,8와 같이 세 개의 링크부(221), 즉 손가락이 세마디로 나뉜 것과 같은 구조를 갖게 된다. 관절부(222)가 많아질 수록 물체를 더 섬세하고 안정적으로 감싸 쥘 수 있게 된다.

링크부(221)는 관절부(222)를 연결하는 손가락 마디 역할을 하며, 상술한 바와 같이 그 수는 관절부(222)의 수에 의해 결정된다. 즉, 도 4와 같이 관절부가 하나만 형성될 경우 관절부의 양단에 두 개의 링크부가 형성되고, 도 2와 같이 관절부가 두 개로 형성될 경우, 관절부에 의해 나뉘는 세 마디의 링크부가 형성될 것이다. 다시 말해, N개의 관절부가 형성되면, 이에 따라 나뉘는 링크부는 N+1개로 형성되는 것이다.

상기 링크부(221)와 관절부(222)의 세부 구조를 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.

링크부(221)는 다수의 샤프트(221a)로 구성되는데, 샤프트(221a)의 양단은 회동축(222b,223b) 또는 구동축(223c)이 관통하는 구멍이 형성되어, 이를 관통하는 각 축을 중심으로 회동하게 된다. 동력전달부와 관절부 사이에는 도 3과 같이 동력전달부의 구동축과 관절부의 회동축을 연결하는 샤프트 및 동력전달부의 회동축과 관절부의 회동축을 연결하는 샤프트가 형성될 수 있고, 관절부와 관절부 사이에는 각 관절부의 회동축을 연결하는 샤프트가 다수 형성될 수 있다.

한편, 상기 링크부(221)는 가압부재(221b)를 더 포함할 수 있는데, 이는 손가락 마디의 바닥부분과 같이 물체를 감싸 쥘 때 물체가 닿는 부분에 해당된다. 도 3과 같이 구동축(223c) 방향과 나란한 둘 이상의 샤프트(221a)를 잇는 평판플레이트와 같은 형태가 바람직하다.

관절부(222)는 회동부재(222a), 회동축(222b), 탄성부재(222c)를 포함한다. 회동부재(222a)는 각 샤프트(221a)를 연결하는 다수의 회동축(222b)을 관절부(222)에서 연결하는 프레임이다. 즉, 회동부재(222a)에 의해 링크부(221)가 연결되되, 회동축(222b)으로 결합되어 회동하게 됨으로써 굽혔다 펴지는 관절을 형성하게 되는 것이다. 탄성부재(222c)는 구동부(100)의 작동방향을 반대로 하여 핑거모듈(220)을 필 때 곧게 펴진 상태를 유지할 수 있도록 탄성력을 인가하게 되며, 도 3과 같이 이웃한 링크부(221)를 후면(관절이 구부려질 때 바깥쪽)에서 연결하는 스프링과 같은 형태일 수 있다.

팜모듈(210)은 로봇 암과 결합되는 손목 역할과 동시에 감싸 쥐어지는 물체를 지지하는 손바닥 역할을 하며, 팜플레이트(211), 지지수단(212), 베이스(213)를 포함하여 구성된다.

베이스(213)는 로봇 암과 결합되는 부분이며, 팜플레이트(211)는 감싸 쥐어지는 물체를 지지하는 부분, 지지수단(212)은 팜플레이트(211)를 베이스(213)와 연결하여 지지하는 부분이다. 즉, 팜플레이트(211)가 손바닥역할을 하며, 지지수단(212)과 베이스(213)가 결합되어 손목역할을 한다. 지지수단(212)은 도면에서는 3개의 기둥 형태로 제시하였으나, 구동부(100) 전체를 감싸는 벽 형태의 하우징이 될 수 있으므로, 그 수나 형태를 한정하지 않는다.

압력센싱부(230)는 감싸 쥐어지는 물체에 의한 압력을 측정하는 부분으로, 가압부재(221b)와 물체의 접촉면 또는 팜플레이트(211)와 물체의 접촉면에 형성되어 해당 접촉면의 압력을 측정하는 다수의 압력센서로 구성된다. 도 4,8는 압력센서가 가압부재(221b)에 구비된 것을 제시한다(도 4는 관절부가 하나인 경우, 도 8은 관절부가 두개인 경우임). 도시된 바와 같이, 동력전달부(223)에서부터 두 번째 링크부(221)의 가압부재(221b)에 압력센서가 형성될 수 있다. 또한, 도시되지는 않았으나 팜플레이트(211)의 상면에도 압력센싱부(230)가 형성될 수 있을 것이다. 이는 사람이 물체를 쥘 때 압력정보를 받아들이는 것과 같이, 압력센싱부(230)에 의해 그립부(200)의 표면에서 물체를 쥘 때의 압력을 감지할 수 있게 하게 위함이다. 이 때 감지된 압력신호는 후술하는 제어부(10)에서 처리된다.

구동부(100)는 그립부(200)를 구동시키는 역할을 하며, 도 5와 같이 서보모터(110), 웜기어(120), 웜휠(130)로 구성된다.

서보모터(110)는 베이스(213)에 고정되며, 웜기어(120)는 서보모터(110)에 의해 구동된다. 도 3을 기준으로 회전축은 지면에 수직으로 형성된다.

웜휠(130)은 웜기어(120)의 회전력을 핑거모듈(220)의 동력전달부(223)로 전달하는 역할을 하며, 구동휠(131)과 핑거휠(132)로 구성될 수 있다.

구동휠(131)은 원판 외주면에 톱니가 형성된 것으로, 이 돌기가 웜기어(120)의 나사부에 치합된다. 핑거휠(132)은 구동휠(131)보다 작은 원판의 외주면에 톱니가 형성된 것으로 구동휠(131)과 치합되어 회전력을 핑거모듈(220)의 동력전달부(223)로 전달한다.

구동부(100)의 동작을 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.

즉, 서보모터(110)에 의해 웜기어(120)가 시계방향(위에서 봄)으로 1회전하는 동안, 구동휠(131)은 시계방향으로 1잇수 즉 1피치(pitch)만큼 움직인다. 이에 따라 핑거휠(132)은 시계반대방향으로 1피치만큼 회전한다.

상기 과정을 통해 도 6과 같이 그립부(200)가 동작하게 되는데, 먼저 핑거휠(132)이 회전함에 따라 핑거휠(132)을 관통하는 구동축(223c)에 결합된 제1링크부가 함께 회전하게 된다. 이 때 탄성부재(222c)에 의해 곧게 펴진 핑거모듈(220) 전체가 따라 회전하면서 오므라들게 된다(도 6(a)). 그 후 구동축(223c)에 결합된 제1링크부에 물체가 닿으면 제1링크부는 더이상 움직이지 않고, 동력전달부(223)의 회전력이 다음 링크부인 제2링크부로 전달되어 제1링크부 상단의 관절부를 중심으로 구부러지게 된다(도 6(b)). 제2링크부에도 물체가 닿으면 마찬가지로 제2링크부는 더이상 움직이지 않고, 동력전달부(223)의 회전력이 다음 링크부인 제3링크부로 전달되어 제2링크부 상단의 관절부를 중심으로 구부러지게 된다(도 6(c)). 이러한 동작은 사람의 손가락이 구부러지면서 물체를 잡는 형상에서 도출한 것이다.

특히, 본 발명에서는 하나의 서보모터(110)로 중앙의 웜기어(120)를 구동시키는 방식으로, 각각의 핑거모듈(220)에 구동모터를 구비하는 것보다 장치 내부 공간확보가 훨씬 용이하므로 비교적 큰 모터를 사용할 수 있게 되며, 이는 곧 그립력(grip force)의 향상 효과를 가져온다. 또한 웜기어(120)와 웜휠(130)간의 감속비를 이용하여 그립부(200)의 구동을 보다 세밀하게 제어할 수 있다.

한편, 상술한 바와 같이, 제1링크부, 제2링크부, 제3링크부가 각각 물체에 닿는 순간, 각 링크부의 가압부재(또는 팜플레이트의 표면)에 구비된 압력센서에서 압력신호를 읽어올 경우 쥐어지는 물체의 경도에 따라 쥐는 힘을 달리 제어할 수 있게 되므로, 마치 사람의 손과 같이 섬세하고 안정적인 그립핑(gripping)이 가능해 진다.

상기 제어부(10)는 감싸 쥐어지는 물체의 압력에 따라 그리퍼(20)의 동작을 제어하는 부분으로, 도 1과 같이 MCU(11), DSP(12), ADC(13), 멀티플렉서(14)를 포함한다.

멀티플렉서(14)에서 압력센싱부(230)에서 측정된 다수의 아날로그 압력신호를 멀티플렉싱하면, ADC(13)는 멀티플렉서(14)로부터 전송된 아날로그 압력신호를 디지털 압력신호로 변환한다. DSP(12)는 ADC(13)로부터 전송된 디지털 압력신호를 처리하고, MCU(11)는 DSP(12)를 통해 처리된 압력신호에 따라 구동부(100)를 제어한다.

도 7에서 압력센싱부(230)에서 측정되는 압력신호값(sensor, 단위 V, 붉은색 곡선)에 따라 제어되는 그립력(force gauge, 단위 N, 파란색 곡선)을 확인할 수 있다. 즉, 측정되는 압력이 낮은 구간(0~0.5sec)에서 그립력을 급격히 증가시키다가, 어느 정도의 압력이 감지되는 구간(0.5~1.5sec)에서는 그립력을 일정 범위 내에서 서서이 증가시킨다. 그러다가 측정되는 압력이 기준 범위를 벗어나는 구간(1.5~2sec)에서는 더이상 그립력을 증가시키지 않고 일정 범위를 유지하도록 제어한다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

10 : 제어부
11 : MCU
12 : DSP
13 : ADC
14 : 멀티플렉서
20 : 그리퍼
100 : 구동부
110 : 서보모터
120 : 웜기어
130 : 웜휠
131 : 구동휠
132 : 핑거휠
200 : 그립부
210 : 팜모듈
211 : 팜플레이트
212 : 지지수단
213 : 베이스
220 : 핑거모듈
221 : 링크부
221a : 샤프트
221b : 가압부재
222 : 관절부
222a : 회동부재
222b : 회동축
222c : 탄성부재
223 : 동력전달부
223a : 회동부재
223b : 회동축
223c : 구동축
230 : 압력센싱부

Claims

물체를 감싸 쥐는 그립부(200);
그립부(200)를 구동시키는 구동부(100);를 포함하여 구성되고,

상기 그립부(200)는
물체를 감싸 쥐는 둘 이상의 핑거모듈(220),
로봇 암과 결합됨과 동시에 감싸 쥐어지는 물체를 지지하는 팜모듈(210)을 포함하며,

상기 팜모듈(210)은
로봇 암과 결합되는 베이스(213),
감싸 쥐어지는 물체를 지지하는 팜플레이트(211),
팜플레이트(211)를 베이스(213)와 연결하여 지지하는 지지수단(212)을 포함하고,

상기 핑거모듈(220)은
구동부(100)로부터 동력을 전달받는 동력전달부(223),
동력전달부(223)로부터 전달받은 동력에 의해 회동하는 하나 또는 둘 이상의 관절부(222),
관절부(222)를 연결하는 둘 이상의 링크부(221)를 포함하고,

상기 구동부(100)는
서보모터(110)에 의해 구동되는 웜기어(120),
웜기어(120)의 회전력을 동력전달부(223)로 전달하는 웜휠(130)을 포함하며,

상기 웜휠(130)은
웜기어(120)에 치합되는 구동휠(131),
구동휠(131)과 치합되어 회전력을 동력전달부(223)로 전달하는 핑거휠(132)을 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는
로봇 장착용 그리퍼.
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로봇 암과 결합되어 물체를 감싸 쥐는 그리퍼(20);
감싸 쥐어지는 물체의 압력에 따라 그리퍼(20)의 동작을 제어하는 제어부(10);를 포함하여 구성되고,

상기 그리퍼(20)는
물체를 감싸 쥐는 그립부(200),
그립부(200)를 구동시키는 구동부(100)를 포함하고,

상기 그립부(200)는
물체를 감싸 쥐는 둘 이상의 핑거모듈(220),
로봇 암과 결합됨과 동시에 감싸 쥐어지는 물체를 지지하는 팜모듈(210),
감싸 쥐어지는 물체에 의한 압력을 측정하는 압력센싱부(230)를 포함하며,

상기 팜모듈(210)은
로봇 암과 결합되는 베이스(213),
감싸 쥐어지는 물체를 지지하는 팜플레이트(211),
팜플레이트(211)를 베이스(213)와 연결하여 지지하는 지지수단(212)을 포함하고,

상기 핑거모듈(220)은
구동부(100)로부터 동력을 전달받는 동력전달부(223),
동력전달부(223)로부터 전달받은 동력에 의해 회동하는 하나 또는 둘 이상의 관절부(222),
관절부(222)를 연결하는 둘 이상의 링크부(221)를 포함하고,

상기 구동부(100)는
서보모터(110)에 의해 구동되는 웜기어(120),
웜기어(120)의 회전력을 동력전달부(223)로 전달하는 웜휠(130)을 포함하며,

상기 웜휠(130)은
웜기어(120)에 치합되는 구동휠(131),
구동휠(131)과 치합되어 회전력을 동력전달부(223)로 전달하는 핑거휠(132)을 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는
로봇 장착용 그리퍼.
제 4 항에 있어서,
상기 팜모듈(210)은
로봇 암과 결합되는 베이스(213),
감싸 쥐어지는 물체를 지지하는 팜플레이트(211),
팜플레이트(211)를 베이스(213)와 연결하여 지지하는 지지수단(212)을 포함하고,

상기 핑거모듈(220)은
구동부(100)로부터 동력을 전달받는 동력전달부(223),
동력전달부(223)로부터 전달받은 동력에 의해 회동하는 하나 또는 둘 이상의 관절부(222),
관절부(222)를 연결하는 둘 이상의 링크부(221)를 포함하며,

상기 링크부(221)는
물체를 감싸 쥘 때 물체가 닿는 부분이 가압부재(221b)로 형성되고,

상기 압력센싱부(230)는
가압부재(221b)와 물체의 접촉면 또는 팜플레이트(211)와 물체의 접촉면에 형성되어 해당 접촉면의 압력을 측정하는 다수의 압력센서(23N)로 구성되는 것을 특징으로 하는
로봇 장착용 그리퍼.
제 5 항에 있어서,
상기 제어부(10)는
압력센싱부(230)에서 측정된 다수의 아날로그 압력신호를 멀티플렉싱하는 멀티플렉서(14),
멀티플렉서(14)로부터 전송된 아날로그 압력신호를 디지털 압력신호로 변환하는 ADC(13),
ADC(13)로부터 전송된 디지털 압력신호를 처리하는 DSP(12),
DSP(12)를 통해 처리된 압력신호에 따라 구동부(100)를 제어하는 MCU(11)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는
로봇 장착용 그리퍼.