KR101749572B1

KR101749572B1 - 로봇 관절 구동장치 및 이를 포함하는 로봇

Info

Publication number: KR101749572B1
Application number: KR1020160100294A
Authority: KR
Inventors: 심현식; 양수상; 이연백; 오연택
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2016-08-05
Filing date: 2016-08-05
Publication date: 2017-07-03
Also published as: KR20160100872A

Abstract

실제 인간의 동작과 유사한 동작을 수행할 수 있는 로봇 관절 구동장치 및 이를 포함하는 로봇을 개시한다. 이는 각 관절의 특성에 맞는 적절한 관절 구동장치를 배치시킴으로써 가능해진다. 관절 구동장치로는 와이어를 이용하는 텐던 방식 관절 구동장치와, 기어 감속 방식의 하모닉 드라이브 방식 관절 구동장치가 사용된다. 로봇 각 관절 특성 별로 높은 역구동성이 요구되는 관절의 구동에는 텐던 방식 관절 구동장치가 사용되고, 큰 강성 및 높은 정밀도가 요구되는 관절의 구동에는 하모닉 드라이브 방식 관절 구동장치가 사용된다.

Description

로봇 관절 구동장치 및 이를 포함하는 로봇{STRUCTURE OF ROBOT JOINT AND ROBOT HAVING THE SAME}

본 발명은 로봇 관절 구동장치 및 이를 포함하는 로봇에 관한 것으로서, 특히 여러 방식의 관절 구동장치가 사용될 수 있는 로봇에 관한 것이다.

가정용, 군사용, 산업용 등의 목적으로 2족 보행, 4족 보행 등이 가능한 다양한 형태의 로봇이 개발되고 있다.

특히, 인간형 로봇은 인간의 신체구조와 유사하게 만든 로봇으로서 인간의 동작과 유사한 동작을 수행하도록 하는 것이 그 제작 목적이 된다.

이러한 로봇은 인간의 관절과 유사한 관절의 운동을 통해 달리기, 걷기 등의 보행동작 뿐만 아니라 다양한 동작을 구현하게 된다.

관절을 구동하는 방식으로는 모터 및 모터에 연결된 감속기를 이용하여 관절을 구동하는 기어 감속 방식이 통상적으로 많이 사용된다.

그리고, 기어 감속 방식은 강성이 크고, 동작의 정밀도가 높다는 장점이 있다. 하지만, 내부 마찰이 커서 역구동 성능은 떨어진다는 문제점이 있다.

본 발명의 일 측면은 인간의 동작과 유사하게 동작하면서 동시에 강성이 높은 로봇 관절 구조 및 이를 포함하는 로봇을 제공하는 것이다.

또한, 서로 다른 구동 방식을 이용하는 관절 구동유닛이 복합적으로 사용되는 로봇 관절 구조 및 이를 포함하는 로봇을 제공하는 것이다.

또한, 로봇의 각 관절별 특성을 고려하여 이를 구동하는 관절 구동유닛이 선택된 로봇 관절 구조 및 이를 포함하는 로봇을 제공하는 것이다.

본 발명의 사상에 따르면, 로봇 관절 구조는 프레임과, 상기 프레임의 일측에 마련되며, 제1방향으로 로봇 관절부를 구동하는 제1관절 구동장치와, 상기 프레임의 타측에 마련되며, 상기 제1방향과는 직교하는 제2방향으로 상기 로봇 관절부를 구동하는 제2관절 구동장치를 포함하고, 상기 제1관절 구동장치는 와이어를 이용하여 상기 로봇 관절부를 구동하고, 상기 제2관절 구동장치는 기어 감속 방식으로 상기 로봇 관절부를 구동하는 것을 특징으로 한다.

상기 제1관절 구동장치는 정, 역회전 가능하게 마련되는 제1구동모터와, 상기 제1구동모터의 회전에 따라 직선 운동하는 이동부재와, 상기 이동부재의 양방향에서 연결되는 와이어와, 상기 와이어의 일측에서 회전 가능하게 배치되는 아이들 풀리와, 상기 와이어의 타측에서 회전 가능하게 배치되는 관절부와, 상기 와이어의 장력을 조절하는 조절유닛을 포함할 수 있다.

상기 이동부재가 나사 결합되는 볼 스크류부를 더 포함할 수 있다.

상기 볼 스크류부는 상기 구동모터와 연결되어 상기 구동모터의 구동에 따라 회전할 수 있다.

상기 이동부재는 상기 와이어가 결합될 수 있도록 와이어 결합부를 포함할 수 있다.

상기 와이어 결합부는 상기 와이어가 삽입되는 와이어 관통홀과, 상기 와이어가 체결핀에 의해 고정될 수 있도록 하는 와이어 체결홀을 포함할 수 있다.

상기 제2관절 구동장치는 제2구동모터와, 상기 제2구동모터에 연결되는 입력축과, 상기 입력축과 연결되는 타원 형상의 웨이브 발생기와, 출력부와 연결되고 일부에 치형이 성형되며 상기 웨이브 발생기의 외부에 장착되는 플렉스 스플라인과, 상기 플렉스 스플라인을 수납하여 맞물리도록 내부에 치형을 구비한 원형 스플라인을 포함할 수 있다.

상기 제1관절 구동장치 및 제2관절 구동장치는 각각 상기 로봇 관절에 걸리는 토크를 측정하는 토크 센서를 더 포함할 수 있다.

상기 제2관절 구동장치는 상기 로봇 관절의 회전각을 측정하는 회전각 센서를 더 포함할 수 있다.

또한, 로봇 관절 구조는 프레임과, 상기 프레임의 일측에 마련되며, 와이어를 이용하여 로봇 관절부를 제1방향으로 구동하는 텐던 방식 관절 구동장치와, 상기 프레임의 타측에 마련되며, 기어 감속 방식을 이용하여 상기 로봇 관절부를 상기 제1방향과는 직교하는 제2방향으로 구동하는 하모닉 드라이브 방식 관절 구동장치를 포함하고, 상기 텐던 방식 관절 구동장치 및 하모닉 드라이브 방식 관절 구동장치는 상기 로봇 관절부의 구동에 복합적으로 사용되는 것을 특징으로 한다.

또한, 로봇은 복수의 회전관절을 포함하는 로봇에 있어서, 와이어(wire)를 이용하여 상기 회전관절 중 적어도 하나를 구동하는 텐던 방식 관절 구동장치와, 기어 감속 방식을 이용하여 상기 회전관절 중 적어도 하나를 구동하는 하모닉 드라이브 방식 관절 구동장치를 포함하고, 상기 텐던 방식 관절 구동장치는 유연한 동작이 요구되는 회전관절의 구동에 사용되고, 상기 하모닉 드라이브 방식 관절 구동장치는 큰 강성 및 높은 정밀도가 요구되는 회전관절의 구동에 사용되는 것을 특징으로 한다.

엉덩이(hip) 관절부에는 상기 텐던 방식 관절 구동장치 및 하모닉 드라이브 방식 관절 구동장치가 복합적으로 사용되고, 상기 텐던 방식 관절 구동장치는 상기 엉덩이 관절부를 피치(pitch) 방향으로 구동하고, 상기 하모닉 드라이브 방식 관절 구동장치는 상기 엉덩이 관절부를 롤(roll) 방향으로 구동할 수 있다.

발목(ankle) 관절부에는 상기 텐던 방식 관절 구동장치 및 하모닉 드라이브 방식 관절 구동장치가 복합적으로 사용되고, 상기 텐던 방식 관절 구동장치는 상기 발목 관절부를 피치 방향으로 구동하고, 상기 하모닉 드라이브 방식 관절 구동장치는 상기 발목 관절부를 롤 방향으로 구동할 수 있다.

무릎(knee) 관절부는 상기 텐던 방식 관절 구동장치에 의해 피치 방향으로 구동될 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 로봇 관절 구조 및 이를 포함하는 로봇은 각 관절의 운동 특성에 적합한 관절 구동유닛을 배치함으로써, 인간의 동작과 유사하게 유연한 동작을 수행할 수 있다.

또한, 큰 강성 및 높은 정밀도가 구비될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인간형 로봇의 외관을 도시한 정면도이다.
도 2는 도 1의 인간형 로봇의 구성을 개략적으로 도시한 개략 사시도이다.
도 3a는 로봇 관절 구동장치의 외관 사시도이다.
도 3b는 도 3a의 로봇 관절 구동장치의 분해 사시도이다.
도 3c는 도 3a의 로봇 관절 구동장치의 정면도이다.
도 3d는 도 3a의 로봇 관절 구동장치의 평면도이다.
도 3e는 도 3d의 구조를 개략화하여 그린 개략도이다.
도 4는 제1관절 구동장치의 분해 사시도이다.
도 5는 제2관절 구동장치의 단면도이다.
도 6은 로봇 양 다리에 적용되는 관절 구동장치의 배치를 나타내는 개략도이다.
도 7a는 엉덩이 관절부 및 무릎 관절부 주면의 사시도이다.
도 7b는 도 7a의 정면도이다.
도 7c는 도 7b를 간략화하여 그린 개념도이다.

이하에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인간형 로봇의 외관을 도시한 정면도이고, 도 2는 도 1의 인간형 로봇의 구성을 개략적으로 도시한 개략 사시도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 인간형 로봇(1)(이하에서는 간단히 '로봇'이라 한다)은 동체(胴體)(10)와, 동체(10)의 상부 양측에 연결되는 팔(20R, 20L)과, 동체(10)의 상단부에 연결되는 머리(30)와, 동체(10)의 하부 양측에 연결되는 다리(40R, 40L)를 구비한다. 양팔(20R, 20L)은 어깨관절 어셈블리(210R, 210L)를 통해 동체(10)에 연결되고, 머리(30)는 목(50)을 통해 동체(10)에 연결된다. 참조 부호에서 "R", "L"은 각각 우측과 좌측을 나타낸다.

동체(10)의 내부는 커버(11)에 의해 보호된다. 동체(10)에는 제어유닛(12), 배터리(13) 및 경사센서(14)가 설치될 수 있다. 경사센서(14)는 연직축에 대한 동체(10)의 경사각도와 그 각속도 등을 검출한다.

동체(10)는 가슴부(10a)와 허리부(10b)로 분할될 수 있으며, 가슴부(10a)와 허리부(10b) 사이에는 가슴부(10a)가 허리부(10b)에 대해 상대 회전할 수 있도록 관절(15)이 설치될 수 있다. 도 2에서는 동체(10)를 동체링크로서 간략히 도시하였다.

양측 팔(20R, 20L)은 상박링크(21), 하박링크(22) 및 손(23)을 구비한다. 상박링크(21)는 어깨관절 어셈블리(210)를 통해 동체(10)에 연결된다. 상박링크(21)와 하박링크(22)는 팔꿈치관절부(220)를 통해 서로 연결되고, 하박링크(22)와 손(23)은 손목관절부(230)를 통해 서로 연결된다.

팔꿈치관절부(220)는 피치(pitch) 방향의 회전관절(221)과, 요(yaw) 방향의 회전관절(222)을 포함하여 2자유도를 가지고, 손목관절부(230)는 피치 방향의 회전관절(231)과 롤(roll) 방향의 회전관절(232)을 포함하여 2자유도를 가질 수 있다.

손(23)에는 5개의 손가락(23a)이 설치된다. 각각의 손가락(23a)에는 모터에 의해 구동되는 다수의 관절(미도시)들이 설치될 수 있다. 손가락(23a)은 팔(20)의 움직임에 연동하여 물건을 파지하거나 특정 방향을 가리키는 것과 같은 다양한 동작을 실행한다.

어깨관절 어셈블리(210R, 210L)는 동체(10)의 양측에 장착되어 양팔(20R, 20L)을 동체(10)에 연결한다. 두 어깨관절 어셈블리(210R, 210L)는 로봇(1)의 동체(10)와 팔(20R, 20L) 사이에 배치되어 팔(20R, 20L)을 움직인다.

머리(30)에는 로봇(1)의 시각으로서 기능하는 카메라(31)와, 청각으로서 기능하는 마이크로폰(32)이 설치될 수 있다.

머리(30)는 목관절부(310)를 통해 동체(10)와 연결된다. 목관절부(310)는 요 방향의 회전관절(311), 피치 방향의 회전관절(312) 및 롤 방향의 회전관절(313)을 포함하여 3자유도를 가질 수 있다.

목관절부(310)의 각각의 회전관절(311)(312)(313)에는 머리 회전용 모터들(미도시)이 연결된다. 제어유닛(12)은 각각의 모터들을 제어하여 회전관절들(311)(312)(313)을 적정 각도로 구동함으로써 머리(30)를 원하는 방향으로 움직일 수 있다.

양측 다리(40R, 40L)는 각각 대퇴 링크(41), 하퇴 링크(42) 및 발(43)을 포함한다. 대퇴 링크(41)는 대퇴 관절부(410)를 통해 동체(10)에 연결된다. 대퇴 링크(41)와 하퇴 링크(42)는 무릎 관절부(420)룰 통해 서로 연결되고, 하퇴 링크(42)와 발(43)은 발목(ankle) 관절부(430)를 통해 서로 연결된다.

대퇴 관절부(410)는 3자유도를 가진다. 구체적으로 대퇴 관절부(410)는 요(yaw) 방향(Z축 주위의 회전)의 회전관절(411)과, 피치(pitch) 방향(Y축 주위의 회전)의 회전관절(413)과, 롤(roll) 방향(X축 주위의 회전)의 회전관절(414)을 가질 수 있다. 대퇴 관절부(410) 중에서 피치 방향의 회전관절(413)과 롤 방향의 회전관절(414)은 엉덩이 관절부(412)를 구성할 수 있다.

무릎(knee) 관절부(420)는 피치 방향의 회전관절(421)을 포함하여 1자유도를 가진다. 발목 관절부(430)는 피치 방향과 롤 방향의 회전관절(431)(432)을 포함하여 2자유도를 가진다.

무릎 관절부(420)는 피치 방향의 회전관절(421)을 포함하여 1자유도를 가진다. 발목 관절부(430)는 피치 방향과 롤 방향의 회전관절(431)(432)을 포함하여 2자유도를 가진다.

이와 같이, 각각의 다리(40R, 40L)에는 세 관절부에 대해 6개의 회전관절이 마련되므로, 다리 전체에 대해서는 12개의 회전관절이 마련된다. 도면에 도시되지는 않았으나, 각각의 다리(40R, 40L))에는 각 회전관절을 구동하는 모터들이 설치된다. 제어유닛(12)은 다리(40R, 40L)에 마련된 모터들을 적절히 제어함으로써 로봇(1)의 보행을 비롯하여 다리(40R, 40L)의 다양한 동작을 구현할 수 있다.

한편, 양측 다리(40R, 40L)에서 발(43)과 발목 관절부(430)의 사이에는 다축 F/T센서(Multi-Axis Force and Torque Sensor)(44)가 각각 설치된다. 다축 F/T센서(44)는 발(43)로부터 전달되는 힘의 3방향 성분(Fx, Fy, Fz)과 모멘트의 3방향 성분(Mx, My, Mz)을 측정함으로써 발(43)의 착지 여부 및 발(43)에 가해지는 하중을 검출한다.

이하에서는 이러한 로봇의 여러 관절부 중 적어도 하나에 사용되는 로봇 관절 구동장치(500)에 대해 설명한다.

도 3a는 로봇 관절 구동장치의 외관 사시도이고, 도 3b는 도 3a의 로봇 관절 구동장치의 분해 사시도이며, 도 3c는 도 3a의 로봇 관절 구동장치의 정면도이고, 도 3d는 도 3a의 로봇 관절 구동장치의 평면도이며, 도 3e는 도 3d의 구조를 개략화하여 그린 개략도이고, 도 4는 제1관절 구동장치의 분해 사시도이며, 도 5는 제2관절 구동장치의 단면도이다.

도 3a 내지 도 3e에 도시된 바와 같이, 로봇 관절 구동장치(500)는 프레임(510)과, 프레임(510)의 일측에 마련되며 제1방향(a)으로 로봇 관절부(550)를 구동하는 제1관절 구동장치(600)와, 프레임(510)의 타측에 마련되며 제1방향(a)과는 직교하는 제2방향(b)으로 로봇 관절부(550)를 구동하는 제2관절 구동장치(700)를 포함한다.

로봇 관절 구동장치(500)는 로봇 관절부(550)를 제1방향(a)과 제2방향(b)의 2방향으로 회전 구동시키며, 제1방향(a)의 구동은 제1관절 구동장치(600)가 담당하게 되고, 제2방향(b)의 구동은 제2관절 구동장치(700)가 담당하게 되는 것이다.

제1관절 구동장치(600) 및 제2관절 구동장치(700)에 대한 더 자세한 사항은 후술한다.

도 3e에 도시된 것 처럼 제1관절 구동장치(500)의 로봇 관절부(640) 내부에는 제1방향(a)으로 로봇 관절부(640)에 전달되는 토크(torque)를 측정하기 위한 제1토크센서(698)가 내장된다. 또한, 로봇 관절부(640)의 반대편 프레임(510) 내부에는 제1방향(a)으로 로봇 관절부(640)의 회전 정도를 측정하기 위한 회전각 측정센서(699)가 내장된다.

제2관절 구동장치(700)와 프레임(510) 사이에는 제2방향(b)으로 제2관절 구동장치(700)의 출력부(770)에 전달되는 토크(torque)를 측정하기 위한 제2토크센서(799)가 내장된다.

도 4를 참조하면, 제1관절 구동장치(600)는 정, 역회전 가능하게 마련되는 제1구동모터(610)와, 제1구동모터(610)와 연결되어 회전하는 볼 스크류부(680)와, 볼 스크류부(680)의 회전에 따라 직선 운동하는 이동부재(670)와, 이동부재(670)의 양방향에서 연결되는 와이어(650)와, 와이어(650)의 일측에 회전 가능하게 배치되는 아이들 풀리(620)와, 와이어(650)의 타측에서 회전 가능하게 배치되는 로봇 관절부(640)와, 와이어(650)의 장력을 조절하는 조절유닛(660)을 포함하여 구성된다.

제1구동모터(610)는 정,역 방향으로 회전 가능하게 마련되고, 가이드 프레임(630)의 일측에 부착된다. 제1구동모터(610)는 벨트(615)에 의해 볼 스크류부(680)에 연결되고, 회전력을 전달하게 된다.

볼 스크류부(680)는 제1구동모터(610)의 회전력을 이동부재(670)로 전달하는 역할을 하며, 이동부재(670)와는 나사 결합되어 있다.

이동부재(670)는 상, 하로 직선운동하며, 제1구동모터(610)의 동력을 와이어(650)로 전달하는 역할을 한다.

이동부재(670)는 그 양측에 와이어(650)가 결합될 수 있도록 와이어 결합부(674a, 674b)를 포함한다. 와이어 결합부(674a, 674b)는 와이어(650)가 삽입되는 와이어 관통홀(675a, 675b)과, 와이어(650)가 체결핀(pin)(677a, 677b, 677c, 677d)에 의해 고정될 수 있도록 하는 와이어 체결홀(676a, 676b, 676c, 676d)을 포함한다.

와이어 관통홀(675a, 675b)에 끼워진 와이어(650)는 와이어 체결홀(676a, 676b, 676c, 676d)에 결합되는 체결핀(677a, 677b, 677c, 677d)으로 이동부재(670)에 고정될 수 있다.

즉, 와이어(650) 일측의 제1단부(651a, 651b)는 이동부재(670) 상측에 형성된 와이어 관통홀(675a, 675b)에 삽입되어 상측 와이어 체결홀(676a, 676b)에 체결핀(677a, 677b)을 체결함으로써 이동부재(670)에 고정되며, 와이어(650) 타측의 제2단부(652a, 652b)는 이동부재(670) 하측에 형성된 와이어 관통홀(미도시)에 삽입되어 하측 와이어 체결홀(676c, 676d)에 체결핀(677c, 677d)을 체결함으로써 이동부재(670)에 고정될 수 있다.

이동부재(670)의 중앙 전면에는 이동부재 가이드(672)가 전방으로 돌출되어 형성된다. 이동부재 가이드(672)는 이동부재(670)의 상, 하 직선운동을 유도하는 역할을 하며, 가이드 프레임(630)의 중앙부에 형성된 가이드 레일(635)에 끼워져 가이드 레일(635)을 따라 상, 하로 이동하게 된다.

와이어(650)는 소정의 장력을 유지하면서 아이들 풀리(620)와 로봇 관절부(640)에 연결된다. 와이어(650)는 바람직하게는 스틸재질로 마련되며, 원반형의 아이들 풀리(620)와 로봇 관절부(640)를 감싸도록 설치된다.

와이어(650)는 조절유닛(660)에 연결되어 소정의 장력이 유지되는데, 조절유닛(660)은 그 일단부에 오른나사부(660a)를 가지고 그 타단부에 왼나사부(660b)를 포함한다. 그리고 오른나사부(660a) 및 왼나사부(660b)는 와이어(650)에 마련된 암나사(655)에 수용된다.

조절유닛(660)의 오른나사부(660a) 및 왼나사부(660b)는 조절부(660c)에 의해 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하게 되고, 그 회전에 따라 아이들 풀리(620)와 로봇 관절부(640) 사이에 감겨진 와이어의 상대적 길이가 가변되면서 장력이 조절될 수 있다.

와이어(650)는 조절유닛(660)의 오른나사부(660a) 및 왼나사부(660b)에 결합되면, 두 가닥씩 짝을 이루어 모두 네 가닥이 나란히 배치된 형태로 조립될 수 있다. 그리고, 와이어(650)는 아이들 풀리(620)의 외주 상측과 로봇 관절부(640)의 외주 하측을 감싸도록 설치된다.

즉, 와이어(650)의 일단부(654a, 654b)는 로봇 관절부(640)가 제1구동모터(610)의 동력을 전달 받을 수 있도록 로봇 관절부(640)에 감기도록 설치되고, 와이어(650)의 타단부(653a, 653b)는 와이어(650)의 장력 조절을 위해 별도로 설치되는 아이들 풀리(620)에 감기도록 설치된다.

이러한 제1관절 구동장치(500)는 와이어(650)를 이용하여 로봇 관절부(640)를 구동시키는 방식의 관절 구동장치로서, 텐던(tendon) 방식 관절 구동장치이다.

텐던 방식 관절 구동장치는 역구동성이 우수하여 안전하고 유연한 관절 구동이 가능하다는 특징이 있다. 즉, 역구동 성능이 우수하므로, 유연한 동작이 보장된다.

도 5를 참조하면, 제2관절 구동장치(700)는 정, 역회전 가능하게 마련되는 제2구동모터(710)와, 제2구동모터(710)에 연결되는 입력축(720)과, 입력축(720)과 연결되는 타원 형상의 웨이브 발생기(730)와, 출력부(770)와 연결되고 일부에 치형이 성형되며 웨이브 발생기(730)의 외부에 장착되는 플렉스 스플라인(740)과, 플렉스 스플라인(740)을 수납하여 맞물리도록 내부에 치형을 구비한 원형 스플라인(750)을 포함하여 구성된다. 미설명부호 "715"는 제2구동모터(710)와 입력축(720)을 연결하는 벨트(715)이다. 제2구동모터(710)의 회전력이 입력축(720), 웨이브 발생기(730), 플렉스 스플라인(740), 원형 스플라인(750)을 거쳐 출력부(770)로 감속되어 전달되고, 출력부(770)가 로봇 관절부 중 어느 하나로서 회전 운동하게 되는 것이다.

제2관절 구동장치(700)는 기어 감속 방식을 이용하는 종래의 하모닉 드라이브(harmonic drive) 관절 구동장치를 그대로 배치한 것으로서, 그 구성에 대한 자세한 설명은 생략한다.

이러한 제2관절 구동장치(700)는 외형 크기가 작고, 강성이 크며, 정밀한 동작이 가능하다는 특징이 있다.

이상에서 살펴본 것 처럼, 제1관절 구동장치(600)는 역구동 성능이 우수하여 안전하고 유연한 관절 동작이 가능한 반면에, 제2관절 구동장치(700)는 강성이 크고, 정밀한 관절 동작이 가능하다는 특징이 있다.

따라서, 로봇(1) 각 관절의 용도와 요구동작을 분석하여 높은 역구동성이 요구되는 관절부는 텐던(tendon) 방식인 제1관절 구동장치(600)에 의해 관절 구동이 이루어지도록 하고, 정밀한 동작과 큰 강성이 요구되는 관절부는 하모닉 드라이브(harmonic drive) 방식인 제2관절 구동장치(700)에 의해 관절 구동이 이루어지도록 로봇 관절 구동장치(500)를 배치한다.

즉, 제1관절 구동장치(600)가 회전 구동하는 제1방향(a)에는 높은 역구동성이 요구되는 관절부가 배치되도록 하고, 제2관절 구동장치(700)가 회전 구동하는 제2방향(b)에는 강성이 크고, 정밀한 동작이 요구되는 관절부가 배치되도록 하는 것이다.

도 6은 로봇 양 다리에 적용되는 관절 구동장치의 배치를 나타내는 개략도이다.

로봇(1) 양 다리(40R, 40L)의 세부적인 관절 구동장치의 배치는 도 6에 도시된 바와 같다. 도 6에서 "TYPE 1"은 텐던 방식의 제1관절 구동장치(600)를 의미하고, "TYPE 2"는 하모닉 드라이브 방식의 제2관절 구동장치(700)를 의미한다.

즉, 엉덩이 관절부(412) 및 발목 관절부(430)는 이상에서 설명한 로봇 관절 구동장치(500)에 의해 피치(pitch) 방향(Y축 주위의 회전)의 회전관절(413)과, 롤(roll) 방향(X축 주위의 회전)의 회전관절(414)의 구동이 이루어지게 되고, 대퇴 관절부(410)의 요(yaw) 방향(Z축 주위의 회전) 회전관절(411)은 종래의 하모닉 드라이브 방식의 관절 구동장치에 의해 회전 구동이 이루어지며, 무릎 관절부(420)의 회전관절(421)은 제1관절 구동장치(600)에 의해서만 그 구동이 이루어지게 된다.

이하에서는 엉덩이 관절부(412)와 무릎 관절부(420)의 관절 구동구조를 설명한다.

도 7a는 엉덩이 관절부 및 무릎 관절부 주면의 사시도이고, 도 7b는 도 7a의 정면도이며, 도 7c는 도 7b를 간략화하여 그린 개념도이다.

도 7a 내지 도 7c에 도시된 바와 같이, 대퇴 링크(41) 상에는 엉덩이(hip) 관절부(412)를 구동하는 엉덩이 관절부 구동장치(500')와, 무릎(knee) 관절부(420)를 구동하는 무릎 관절부 구동장치(800')가 배치되어 있다.

엉덩이 관절부 구동장치(500')는 엉덩이 관절부(412)를 롤 방향과 피치 방향의 2방향으로 구동시키게 되는데, 뼈대를 이루는 프레임(510')과, 프레임(510')의 일측에 마련되며 피치 방향으로 엉덩이 관절부(412)를 회전시키는 텐던 방식 관절 구동장치(600')와, 프레임(510')의 타측에 마련되며 롤 방향으로 엉덩이 관절부(412)를 회전시키는 하모닉 드라이브 방식 관절 구동장치(700')를 포함한다.

엉덩이 관절부 구동장치(500')는 도 3a 내지 도 5에서 설명한 로봇 관절 구동장치(500)의 구조가 그대로 적용된 것이며, 프레임(510')의 일측에 텐던 방식의 관절 구동장치(600')가 마련되어 엉덩이 관절부(412)를 피치 방향으로 회전시키게 되고, 프레임(510')의 타측에 하모닉 드라이브 방식의 관절 구동장치(700')가 마련되어 엉덩이 관절부(412)를 롤 방향으로 회전시키게 된다.

무릎 관절부 구동장치(800')는 도 3a 내지 도 5에서 설명한 로봇 관절 구동장치(500)의 구조 중에서 제1관절 구동장치(600) 만이 그대로 무릎 관절부(420)의 구동에 적용된 것이며, 텐던 방식의 관절 구동장치(800')가 무릎 관절부(420)를 피치 방향으로 회전 시키게 된다.

엉덩이 관절부 구동장치(500')와 무릎 관절부 구동장치(800')는 제1관절 구동장치(600)와 동일하게 이동부재(670', 870'), 와이어(650', 850'), 아이들 풀리(620', 820') 및 관절부(640', 840') 등의 구성요소를 포함하게 된다.

이 때 엉덩이 관절부 구동장치(500')와 무릎 관절부 구동장치(800')는 함께 하나의 대퇴 링크(41) 내부에 배치되게 된다.

그리고, 엉덩이 관절부 구동장치(500')와 무릎 관절부 구동장치(800') 둘 다 제1관절 구동장치(600) 처럼 엉덩이 관절부(412) 및 무릎 관절부(420)에 피치 방향으로 걸리는 토크를 측정하기 위한 토크센서(698', 898')를 포함하고, 또한 엉덩이 관절부(412) 및 무릎 관절부(420)의 피치 방향 회전각을 측정하기 위한 회전각 측정센서(899')를 포함한다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇(1)의 관절 구동 동작을 설명한다.

로봇(1)이 각 관절을 동작시키고자 하는 경우에 제어유닛(12)을 통하여 관절 구동장치에 신호를 보낸다. 그 일 예로, 엉덩이 관절부(412)에 신호를 보내는 경우를 살펴본다.

엉덩이 관절부(412)를 피치 방향으로 움직이고자 하는 경우에 제어유닛(12)은 엉덩이 관절부 구동장치(500')의 제1구동모터(미도시)로 구동 신호를 보낸다. 제1구동모터가 회전하면 그 회전력은 볼 스크류부(680')를 거쳐 이동부재(670')로 전달되고, 이동부재(670')의 직선운동은 엉덩이 관절부(640')를 피치 방향으로 회전시키게 된다. 엉덩이 관절부(640')를 다시 원 상태로 위치시키고자 하면 제1구동모터를 그 역방향으로 회전시키면 된다.

엉덩이 관절부(412)를 롤 방향으로 움직이고자 하는 경우에 제어유닛(12)은 엉덩이 관절부 구동장치(500')의 제2구동모터(710')로 구동 신호를 보낸다. 제2구동모터(710')가 회전하면 그 회전력은 기어 감속 방식으로 도 5에서 설명한 웨이브 발생기, 플렉스 스플라인 및 원형 스플라인을 거쳐 출력부(770')로 전달된다. 출력부(770')의 회전이 엉덩이 관절부(640')의 롤 방향 회전이 되는 것이다. 엉덩이 관절부(640')를 다시 원 상태로 위치시키고자 하면 제2구동모터(710')를 그 역방향으로 회전시키면 된다.

무릎 관절부(420) 및 그 이외의 각 관절부 또한 제어유닛(12)이 각 구동모터로 구동 신호를 보내게 되면 각 관절 구동장치가 동작하여 원하는 방향으로 로봇 관절이 운동하게 된다.

이상에서 살펴본 것 처럼, 로봇 관절 구동장치(500) 및 이를 포함하는 로봇(1)은 각 관절의 요구동작 및 운동 특성에 맞도록 텐던 방식의 관절 구동장치와 하모닉 드라이브 방식의 관절 구동장치를 그 특성에 맞게 적절히 배치하여 로봇(1)이 실제 인간의 동작과 유사한 동작을 수행할 수 있도록 해준다.

전술한 실시예에서는 인간형 로봇을 그 일 예로 설명하였으나, 그 이외의 다양한 형태의 로봇에 적용이 가능함은 물론이다.

이상에서는 특정의 실시예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나, 상기한 실시예에만 한정되지 않으며, 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경실시할 수 있을 것이다.

1 : 로봇
500 : 로봇 관절 구동장치 510 : 프레임
600 : 제1관절 구동장치, 텐던 방식 관절 구동장치
620 : 아이들 풀리 630 : 가이드 프레임
640 : 로봇 관절부 650 : 와이어
660 : 조절유닛 670 : 이동부재
680 ; 볼 스크류부
700 : 제2관절 구동장치, 하모닉 드라이브 방식 관절 구동장치
720 : 입력축 730 : 웨이브 발생기
740 : 플렉스 스플라인 750 : 원형 스플라인
770 : 출력부

Claims

프레임과,
상기 프레임의 일측에 마련되며, 제1방향으로 로봇 관절부를 구동하는 제1관절 구동장치와,
상기 프레임의 타측에 마련되며, 상기 제1방향과는 직교하는 제2방향으로 상기 로봇 관절부를 구동하는 제2관절 구동장치를 포함하고,
상기 제1관절 구동장치는 와이어(wire)를 이용하여 상기 로봇 관절부를 구동하고, 상기 제2관절 구동장치는 기어 감속 방식으로 상기 로봇 관절부를 구동하고,
상기 제1관절 구동장치는 제1구동모터와, 상기 제1구동모터와 연결되는 볼 스크류부와, 상기 볼 스크류부의 회전에 따라 직선 운동하는 이동부재와,
상기 이동부재의 양방향에서 연결되는 와이어와,
상기 와이어의 일측에서 회전 가능하게 배치되는 아이들 풀리와,
상기 와이어의 타측에서 회전 가능하게 배치되는 관절부를 포함하고,
상기 제1구동모터와 상기 볼 스크류부는 벨트에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 구동장치.
제1항에 있어서,
상기 제1관절구동장치는 상기 와이어의 장력을 조절하는 조절유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 구동장치.
제2항에 있어서,
상기 이동부재는 상기 볼 스크류부에 나사 결합되는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 구동장치.
제3항에 있어서,
상기 볼 스크류부는 상기 제1구동모터와 연결되어 상기 제1구동모터의 구동에 따라 회전하는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 구동장치.
제2항에 있어서,
상기 이동부재는 상기 와이어가 결합될 수 있도록 와이어 결합부를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 구동장치.
제5항에 있어서,
상기 와이어 결합부는 상기 와이어가 삽입되는 와이어 관통홀과, 상기 와이어가 체결핀에 의해 고정될 수 있도록 하는 와이어 체결홀을 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 구동장치.
제1항에 있어서,
상기 제2관절 구동장치는 제2구동모터와, 상기 제2구동모터에 연결되는 입력축과, 상기 입력축과 연결되는 타원 형상의 웨이브 발생기와, 출력부와 연결되고 일부에 치형이 성형되며 상기 웨이브 발생기의 외부에 장착되는 플렉스 스플라인과, 상기 플렉스 스플라인을 수납하여 맞물리도록 내부에 치형을 구비한 원형 스플라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 구동장치.
제1항에 있어서,
상기 제1관절 구동장치 및 제2관절 구동장치는 각각 상기 로봇 관절에 걸리는 토크를 측정하는 토크 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 구동장치.
제2항에 있어서,
상기 제2관절 구동장치는 상기 로봇 관절의 회전각을 측정하는 회전각 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 구동장치.
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