KR101801242B1 - 2축 지면각 변화에 대응 가능한 다자유도 가변 중력토크 보상장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 관절을 중심으로 회동되는 링크에 한 쌍의 중력토크 보상장치를 병렬로 설치하고 이 한 쌍의 중력토크 보상장치에서 발생되는 보상토크의 크기를 각각 조절할 수 있도록 함으로써, 로봇의 장착면 또는 지면의 각도가 피치 방향 및 요 방향으로 회전되어 변경되더라도 각 관절에 적절한 보상토크를 제공할 수 있으며 로봇의 구동에 필요한 액추에이터의 용량을 최소화 할 수 있는 2축 지면각 변화에 대응 가능한 다자유도 가변 중력토크 보상장치에 관한 것이다.

Description

2축 지면각 변화에 대응 가능한 다자유도 가변 중력토크 보상장치 {Variable multi-DOF counterbalance mechanism}

본 발명은 로봇의 장착면 또는 로봇 베이스의 회전각 변위를 측정하여 기준면을 제어할 수 있도록 함으로써, 로봇의 장착면 또는 지면의 각도가 피치 방향 및 요 방향으로 회전되어 변경되더라도 각 관절에 적절한 보상토크를 제공할 수 있으며 로봇의 구동에 필요한 액추에이터의 용량을 최소화 할 수 있는 2축 지면각 변화에 대응 가능한 다자유도 가변 중력토크 보상장치에 관한 것이다.

인간-로봇 협업에 대한 관심 및 수요 증가와 더불어, 현재까지 다양한 협업 로봇이 개발되었지만 기존 산업용 로봇 분야에 비해 활성화되지 않고 있는 실정이다. 이와 같은 현상의 주요 원인으로는, 아직까지 인간-로봇 간에 발생할 수 있는 충돌 위험성이 높다는 견해가 지배적이다. 인간과 격리되어 동작하는 기존 산업용 로봇과는 달리, 실제 인간과 공존하며 동작해야하는 협업 로봇의 경우, 높은 안전성이 필수이다. 이를 해결하기 위하여 다양한 방법의 충돌 예측, 감지, 대응 방법들이 구현되었으나, 일반적으로 로봇은 동작에 필요한 충분한 토크 제공을 위하여 고용량의 모터 및 감속기가 필수로 사용되므로, 오 작동 및 사람의 부주의 등으로 인한 사고 발생 시에 사람에 큰 상해를 입힐 수 있다. 또한 안전을 위하여 모터 등의 사양을 낮춘다면 로봇의 동작 및 작업에 필요한 토크를 제공할 수 없다. 따라서 현재까지의 로봇의 경우 안전에 대한 근본적인 해결이 어려운 실정이다. 따라서 인간-로봇 협업 산업의 활성화를 위해서는 기존 로봇의 성능은 유지하면서, 최소한의 용량을 갖는 모터로 구성된 안전 로봇 개발이 필수이다.

로봇에 사용되는 모터 용량의 절감을 위하여 개발된 대표적인 방법인 중력보상기구는, 로봇 관절에서 자중에 의해 발생하는 중력토크를 상쇄해 줌으로써, 작업 시에 필요한 토크를 최소화 할 수 있는 기구를 말한다.

이와 관련된 기술로는 일본공개특허 2003-181789호인 "기계적 자중 보상 장치"가 있으나, 이러한 자중 보상 장치는 도 1과 같이 보상 토크를 발생시키는 스프링 부재(3)의 일단이 결합된 기대(1)의 작용점(B)이 항상 동일한 위치 및 회전각도에 위치해야만 링크(2)의 회전 각도에 따라 적절한 보상토크가 발생될 수 있다. 즉, 기대(1)가 고정되어 있는 지면의 각도가 변경되거나 기대(1)가 수직이 아닌 상태로 설치되어 고정되는 경우에는 적절한 보상토크가 작용하지 않게되므로 기준면의 각도가 다르거나 변화하는 실제 로봇에 적용하기에는 한계가 있다.

또한, 상기 로봇 팔이 모바일 플랫폼에 탑재되어 주행하는 상황이나 인간형 로봇에 탑재되어 허리 자세가 변화되는 경우, 로봇 팔이 장착된 장착면의 피치 및 요 각도가 변하게 되므로 이에 따라 중력에 대하여 각 관절에 필요한 보상토크가 변하게 된다. 그러나 기존의 기술은 장착면의 피치 및 요 방향 회전 모두에 대해 적절한 보상토크가 발생되도록 조절할 수 없는 문제점이 있다.

JP 2003-181789 A (2003.07.02.)

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 로봇의 장착면 또는 로봇 베이스의 회전각 변위를 측정하여 기준면을 제어할 수 있도록 함으로써, 로봇의 장착면 또는 지면의 각도가 피치 방향 및 요 방향으로 회전되어 변경되더라도 각 관절에 적절한 보상토크를 제공할 수 있으며 로봇의 구동에 필요한 액추에이터의 용량을 최소화 할 수 있는 2축 지면각 변화에 대응 가능한 다자유도 가변 중력토크 보상장치를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 2축 지면각 변화에 대응 가능한 다자유도 가변 중력토크 보상장치는, 제1링크에 제2링크의 일단이 회동 가능하게 연결되어 지면에 수평인 피치(pitch) 방향 회전축인 제2관절을 형성하고, 상기 제2링크는 무게중심이 제2관절로부터 이격되게 배치되며, 일단이 상기 제2관절에 연결되고 타단이 제2링크에 결합되어 상기 제2링크가 제2관절을 중심으로 회동하는 경우 제2링크의 자중에 대한 보상토크를 발생시키는 제1-1중력토크 보상장치 및 제1-2중력토크 보상장치; 상기 제2관절의 회전축과 동축상에 배치되어 제2관절의 회전축을 중심으로 회전 가능하도록 형성되며, 상기 제1-1중력토크 보상장치의 일단이 연결되어 결합되는 제2-1기준면 및 제1-2중력토크 보상장치의 일단이 연결되어 결합되는 제2-2기준면; 및 상기 제1링크에 결합되며, 상기 제2-1기준면에 연결되어 제2-1기준면의 회전 각도 조절 및 고정이 가능한 제1-1기준면 제어장치; 및 상기 제1링크에 결합되며, 상기 제2-2기준면에 연결되어 제2-2기준면의 회전 각도 조절 및 고정이 가능한 제1-2기준면 제어장치; 를 포함하며, 상기 제2-1기준면 및 제2-2기준면의 회전 각도가 각각 별개로 조절되어 고정될 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1링크가 베이스부에 회동 가능하게 연결되어 지면에 수평인 요(yaw) 방향 회전축인 제1관절을 형성하고, 상기 제1-1기준면 제어장치는, 상기 제1관절의 회전축과 동축상에 배치되어 제1관절의 회전축을 중심으로 회전 가능하도록 형성되며 상기 제2-1기준면과 연결되어 연동되는 제1-1기준면; 및 상기 제1-1기준면에 연결되며 베이스부에 고정되어 상기 제1-1기준면의 회전 각도 조절 및 고정이 가능한 제1-1기준면 제어 모터를 포함하며, 상기 제1-2기준면 제어장치는, 상기 제1관절의 회전축과 동축상에 배치되어 제1관절의 회전축을 중심으로 회전 가능하도록 형성되며 상기 제2-2기준면과 연결되어 연동되는 제1-2기준면; 및 상기 제1-2기준면에 연결되며 베이스부에 고정되어 상기 제1-2기준면의 회전 각도 조절 및 고정이 가능한 제1-2기준면 제어 모터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1링크 또는 베이스부에 설치되어 상기 제1링크 또는 베이스부의 피치 방향을 중심으로 한 회전 각도(기울기) 및 요 방향을 중심으로 한 회전 각도(기울기)를 측정할 수 있는 기울기 센서를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1-1기준면 제어장치, 제1-2기준면 제어장치 및 기울기 센서와 연결되어, 상기 기울기 센서에서 측정된 제1링크 또는 베이스부의 기울기에 따라 상기 제1-1기준면 제어장치 및 제1-2기준면 제어장치를 통해 제2-1기준면의 회전 각도 및 제2-2기준면의 회전 각도가 자동으로 조절되도록 하는 메인 제어부를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 중력방향에 수직인 지면에 대해 상기 제1링크 또는 베이스부가 피치 방향을 중심으로 기울어지는 각도에 따라 상기 제2-1기준면 및 제2-2기준면이 제어되되, 상기 제1링크 또는 베이스부가 기울어지는 각도와 크기는 동일하되 방향은 반대방향으로 제2-1기준면 및 제2-2기준면이 회전되어 위치가 고정되도록 제어되는 것을 특징으로 한다.

또한, 중력방향에 수직인 지면에 대해 상기 제1링크 또는 베이스부가 요 방향을 중심으로 기울어지는 각도에 따라 상기 제2-1기준면 및 제2-2기준면이 제어되되, 상기 제1링크 또는 베이스부가 기울어지는 각도에 따라 제2-1기준면 및 제2-2기준면이 회전되는 정도가 조절되며, 제2-1기준면과 제2-2기준면은 서로 반대 방향으로 회전되어 위치가 고정되도록 제어되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2링크의 타단에 제3링크의 일단이 회동 가능하게 연결되어 지면에 수평인 피치(pitch) 방향 회전축인 제3관절을 형성하고, 상기 제3링크는 무게중심이 제3관절로부터 이격되게 배치되며, 일단이 상기 제3관절에 연결되고 타단이 제3링크에 결합되어 상기 제3링크가 제3관절을 중심으로 회동하는 경우 제3링크의 자중에 대한 보상토크를 발생시키는 제2-1중력토크 보상장치 및 제2-2중력토크 보상장치; 및 상기 제3관절의 회전축과 동축상에 배치되어 제3관절의 회전축을 중심으로 회전 가능하도록 형성되며, 상기 제2-1중력토크 보상장치의 일단이 연결되어 결합되는 제3-1기준면 및 제2-2중력토크 보상장치의 일단이 연결되어 결합되는 제3-2기준면; 을 더 포함하여 이루어지며, 상기 제3-1기준면은 제2-1기준면과 연결되고 제3-2기준면은 제2-2기준면과 연결되되, 상기 제2-1기준면이 회전되는 각도와 동일한 각도 및 방향으로 제3-1기준면이 회전되고 상기 제2-2기준면이 회전되는 각도와 동일한 각도 및 방향으로 제3-2기준면이 회전되도록 연결되는 것을 특징으로 하는 한다.

또한, 상기 제2-1기준면과 제3-1기준면은 4개의 바가 평행사변형으로 연결된 링크 기구로 연결되며, 상기 제2-2기준면과 제3-2기준면은 4개의 바가 평행사변형으로 연결된 링크 기구로 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2-1기준면과 제3-1기준면은 풀리 및 벨트로 연결되며, 상기 제2-2기준면과 제3-2기준면은 풀리 및 벨트로 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 베이스부가 고정된 상태에서 제1링크가 제1관절을 중심으로 회전되는 경우, 상기 제1-1기준면 및 제1-2기준면은 고정되고, 상기 제1링크가 회전되는 각도와 크기는 동일하되 제2-1기준면과 제2-2기준면은 서로 반대 방향으로 회전되어 위치가 고정되도록 제어되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 베이스부에는 제1링크 회전 모터 및 제1링크 회전 감속기가 결합되어 고정되고, 상기 제1링크 회전 감속기의 감속기 회전축에 제1링크가 결합되며, 상기 감속기 회전축을 관통하도록 제1-2기준면의 제1-2회전축이 결합되며, 상기 제1-2기준면의 제1-2회전축을 관통하도록 제1-1기준면의 제1-1회전축이 결합되어, 상기 3개의 회전축의 중심축이 일치하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 2축 지면각 변화에 대응 가능한 다자유도 가변 중력토크 보상장치는, 인간형 로봇과 같이 기준면의 각도가 변경되는 다자유도의 허리 관절이 있는 경우나 모바일 플랫폼에 로봇이 장착되어 사용하는 경우, 주행 및 정지하는 지면의 각도 또는 허리 관절의 피치 방향 및 요 방향에 회전 각도에 따라 기준면의 각도를 변경하여 로봇의 각 관절에 적절한 보상토크를 제공할 수 있다.

또한, 로봇 구동에 필요한 액추에이터의 용량을 최소화 할 수 있어 인간-로봇 간 충돌 발생 시에 상해를 최소화 할 수 있다.

또한, 로봇이 적용되는 사용처에 따른 장착 위치에 따라 기준면의 각도가 변경되더라도 로봇의 각 관절에 적절한 보상토크를 제공할 수 있으므로, 다양한 사용처에 로봇을 장착하여 사용할 수 있다.

도 1은 종래의 기계적 자중 보상 장치를 나타낸 개략도.
도 2는 및 도 3은 본 발명의 2축 지면각 변화에 대응 가능한 다자유도 가변 중력토크 보상장치의 개념을 설명하기 위한 종래의 중력토크 보상장치를 갖는 로봇 팔을 나타낸 사시도.
도 4는 로봇 팔의 피치방향 회전축을 중심으로한 회전 각도 및 요방향 회전축을 중심으로 한 회전 각도에 따른 중력토크를 나타낸 그래프.
도 5 내지 도 9는 본 발명의 2축 지면각 변화에 대응 가능한 다자유도 가변 중력토크 보상장치를 나타낸 사시도, 부분 절개 사시도, 정면 단면도 및 평면 단면도이다.
도 10은 본 발명에 따른 병렬로 구성된 중력보상장치의 개념을 나타낸 개념도.
도 11은 도 10에서 링크의 각도 변위에 따른 보상토크를 나타낸 그래프.
도 12는 본 발명에 따른 베이스부가 2축(피치방향 회전축 및 요방향 회전축)에 대해 변화가 없는 상태, 즉 베이스부가 중력방향인 수직으로 고정된 상태를 나타낸 부분 사시도.
도 13은 본 발명에 따른 베이스부가 피치방향 회전축을 중심으로 일정각도 회전된 상태를 나타낸 부분 사시도.
도 14는 본 발명에 따른 베이스부, 제1링크를 포함한 모든 부분이 요방향 회전축을 중심으로 일정각도 회전되어 제2관절의 회전축이 상하방향을 향한 상태에서 제2링크가 수평이 된 상태를 나태낸 부분 사시도.
도 15는 본 발명에 따른 베이스부는 중력방향인 수직으로 고정된 상태에서 베이스부, 제1-1기준면 및 제1-2기준면을 제외하고 제1링크를 포함한 모든 부분이 요방향 회전축을 중심으로 일정각도 회전된 상태를 나태낸 부분 사시도.
도 16 및 도 17은 본 발명에 따른 제1-1중력토크 보상장치와 제2-1중력토크 보상장치(또는 제1-1중력토크 보상장치와 제2-1중력토크 보상장치)가 링크 및 벨트로 연결되어 기준면들이 연동되도록 한 것을 나타낸 개념도.

우선, 본 발명의 2축 지면각 변화에 대응 가능한 다자유도 가변 중력토크 보상장치는, 도 2와 같이 하나 이상의 피치관절로 링크들이 연결되어 회동 가능하도록 형성되는 로봇 팔의 베이스(B)가 피치방향(Pitch) 축을 중심으로 회전되는 경우, 베이스(B)가 고정된 상태에서 피치관절인 JP1 관절을 중심으로 L1 링크가 회전되는 경우, 도 3과 같이 베이스(B)는 고정된 상태에서 JP1 관절을 포함한 모든 링크들이 요방향 축을 중심으로 회전되는 경우, 및 도 3에서 베이스(B)도 함께 요방향(Yaw) 축을 중심으로 회전되는 경우 모두에 대해 각각의 링크들에 작용하는 중력토크에 대해 적절한 보상토크를 발생시킬 수 있도록 한 토크프리 로봇 팔에 관한 것이다. 즉, 관절로 연결된 모든 링크들이 회전되는 경우와 베이스가 회전되는 경우 모두를 포함하여 각각의 링크들에 작용하는 중력토크에 대해 적절한 보상토크를 발생시킬 수 있다. 일례로 도 2 및 도 3과 같이 베이스(B)의 피치방향을 중심으로 한 회전각도(θ2) 및 요방향을 중심으로 한 회전각도(θ1)에 대해 피치관절들 중 JP2로 연결된 L2 링크에 작용하는 중력토크를 보면, 도 4의 그래프와 같이 피치방향을 중심으로 한 베이스의 회전각도(θ2)가 0°일 때 L2 링크에 작용하는 중력토크는 최대이고 -90° 및 90°일 때 최소가 되며, θ1이 0°일 때 중력토크가 최대이고 90°일 때 최소가 되는 것을 알 수 있다. 이와 같이 베이스의 각도 변화에 따라 변화되는 중력토크(gravitational torque)에 대해 적절한 보상토크를 발생시켜 중력토크를 상쇄시킬 수 있도록 하는 메커니즘이다.

이하, 상기한 바와 같은 본 발명의 2축 지면각 변화에 대응 가능한 다자유도 가변 중력토크 보상장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

[실시예 1]

도 5 내지 도 9는 본 발명의 2축 지면각 변화에 대응 가능한 다자유도 가변 중력토크 보상장치를 나타낸 사시도, 부분 절개 사시도, 정면 단면도 및 평면 단면도이다.

도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 2축 지면각 변화에 대응 가능한 다자유도 가변 중력토크 보상장치는, 제1링크(11)에 제2링크(12)의 일단이 회동 가능하게 연결되어 지면에 수평인 피치(pitch) 방향 회전축인 제2관절(J2)을 형성하고, 상기 제2링크(12)는 무게중심이 제2관절(J2)로부터 이격되게 배치되며, 일단이 상기 제2관절(J2)에 연결되고 타단이 제2링크(12)에 결합되어 상기 제2링크(12)가 제2관절(J2)을 중심으로 회동하는 경우 제2링크(12)의 자중에 대한 보상토크를 발생시키는 제1-1중력토크 보상장치(101) 및 제1-2중력토크 보상장치(102); 상기 제2관절(J2)의 회전축과 동축상에 배치되어 제2관절(J2)의 회전축을 중심으로 회전 가능하도록 형성되며, 상기 제1-1중력토크 보상장치(101)의 일단이 연결되어 결합되는 제2-1기준면(201) 및 제1-2중력토크 보상장치(102)의 일단이 연결되어 결합되는 제2-2기준면(202); 및 상기 제1링크(11)에 결합되며, 상기 제2-1기준면(201)에 연결되어 제2-1기준면(201)의 회전 각도 조절 및 고정이 가능한 제1-1기준면 제어장치(301); 및 상기 제1링크(11)에 결합되며, 상기 제2-2기준면(202)에 연결되어 제2-2기준면(202)의 회전 각도 조절 및 고정이 가능한 제1-2기준면 제어장치(302); 를 포함하며, 상기 제2-1기준면(201) 및 제2-2기준면(202)의 회전 각도가 각각 별개로 조절되어 고정될 수 있다.

우선, 제1링크(11)에 제2링크(12)의 일단이 회동 가능하게 연결되어 지면에 수평인 피치(pitch) 방향 회전축인 제2관절(J2)을 형성하고, 상기 제2링크(12)는 무게중심이 제2관절(J2)로부터 이격되게 배치될 수 있다. 그리고 제1링크(11)에는 제2링크(12) 회전 모터(16)가 결합되어 고정될 수 있으며, 제2링크 회전 모터(16)에 제2링크(12)의 일단이 연결되어 제2링크(12)가 회전축인 제2관절(J2)을 중심으로 회전되도록 구성될 수 있다.

그리고 일단이 상기 제2관절(J2)에 연결되고 타단이 제2링크(12)에 결합되어 상기 제2링크(12)가 제2관절(J2)을 중심으로 회동하는 경우 제2링크(12)의 자중에 대한 보상토크를 발생시키는 제1-1중력토크 보상장치(101) 및 제1-2중력토크 보상장치(102)가 구성될 수 있으며, 또한 로봇 팔의 제2링크(12)와 제2관절(J2)에 제1-1중력토크 보상장치(101) 및 제1-2중력토크 보상장치(102)가 병렬로 연결되어, 제2링크(12)의 자중에 대한 보상토크를 발생시킬 수 있도록 토크 프리 로봇 팔이 구성될 수 있다.

베이스부(10)는 로봇, 설비 및 모바일 플랫폼 등 다양한 곳에 설치되어 고정될 수 있으며, 다양한 형태로 형성될 수 있다. 제2링크(12)는 피치 방향 회전축인 제2관절(J2)을 중심으로 하여 회전될 수 있도록 구성되며, 제2링크(12)의 무게중심은 제2관절(J2)로부터 이격된 위치에 형성될 수 있다. 그리하여 제2링크(12)가 수직인 상태를 제외한 기울어진 상태에서는 제2링크(12)의 자중에 의한 중력토크가 발생하게 된다. 또한, 제1-1중력토크 보상장치(101)는 일단이 제2-1기준면(201)에 연결되어 결합되며 타단이 제2링크(12)에 결합된다. 이때, 제2-1기준면(201)은 제2관절(J2)의 회전축을 중심으로 회전 가능하도록 형성되되 베이스부(10)가 수평인 지면에 설치되어 있는 경우에는 고정되어 회전되지 않는 상태이며, 제2링크(12)의 회전에 따라 중력토크를 상쇄할 수 있는 보상토크를 발생시킬 수 있다. 또한, 제1-2중력토크 보상장치(102)는 일단이 제2-2기준면(202)에 연결되어 결합되며 타단이 제2링크(12)에 결합된다. 이때, 제2-2기준면(202)은 제2관절(J2)의 회전축을 중심으로 회전 가능하도록 형성되되 베이스부(10)가 수평인 지면에 설치되어 있는 경우에는 고정되어 회전되지 않는 상태이며, 제2링크(12)의 회전에 따라 중력토크를 상쇄할 수 있는 보상토크를 발생시킬 수 있다.

여기에서 제1-1중력토크 보상장치(101)는, 제2링크(12)에 양단이 결합되어 고정된 가이드 로드(120), 상기 가이드 로드(120)의 외측에 끼워지는 코일 스프링(110), 상기 가이드 로드(120)를 따라 슬라이딩 될 수 있도록 결합되며 코일 스프링(110)의 일단에 밀착되는 슬라이딩 블록(130), 상기 슬라이딩 블록(130)에 일단이 연결되고 상기 제2-1기준면(201)에 타단이 결합되어 연결되는 와이어(140)를 포함하여 이루어질 수 있다. 이때, 와이어(140)는 한 쌍의 롤러(150)에 의해 양측이 지지되어 와이어(140)가 원활하게 이동될 수 있으며 이탈되지 않을 수 있다.

마찬가지로 제1-2중력토크 보상장치(102)도 상기한 제1-1중력토크 보상장치(101)와 동일하게 구성되어 제2-2기준면(202)에 연결될 수 있다. 그리하여 제1-1중력토크 보상장치(101)와 제1-2중력토크 보상장치(101)가 병렬로 연결되어, 제2링크(12)의 회전에 따라 중력토크를 상쇄할 수 있는 보상토크를 각각 발생시킬 수 있다. 이때, 중력보상장치의 원리에 대한 개념 및 두 개의 중력토크 보상장치가 병렬로 연결된 개념을 도 10에 나타내었다. 또한, 제2링크(12)의 각도변위(θ)에 따라 도 11에 도시된 바와 같은 보상토크가 발생되어 제2링크(12)에 작용할 수 있다.

또한, 제1링크(11)에는 제1-1기준면 제어장치(301) 및 제1-2기준면 제어장치(302)가 결합되며, 상기 제1-1기준면 제어장치(301)가 제2-1기준면(201)에 연결되어 제2-1기준면(201)의 회전 각도를 조절할 수 있으며 각도가 조절된 상태에서 제2-1기준면(201)이 고정되도록 구성될 수 있으며, 상기 제1-2기준면 제어장치(302)가 제2-2기준면(202)에 연결되어 제2-2기준면(202)의 회전 각도를 조절할 수 있으며 각도가 조절된 상태에서 제2-2기준면(202)이 고정되도록 구성될 수 있다. 이때, 제2-1기준면(201) 및 제2-2기준면(202)은 회전 각도가 각각 별개로 조절되어 고정될 수 있도록 구성되므로, 상기 두 기준면이 함께 회전되어 각도가 조절되거나 각각 별개로 조절되어 제1링크(11)가 피치 방향 회전축을 중심으로 기울어지거나 또는 요 방향 회전축을 중심으로 기울어지거나 피치 방향 및 요 방향 회전축을 중심으로 함께 기울어지는 모든 2축 방향의 지면각 변화에 대하여 적절한 보상토크가 발생되도록 조절될 수 있다.

그리하여 베이스부(10)가 설치되는 장착면이 수평이 아니거나 지면을 따라 이동하는 모바일 플랫폼 등에 베이스부(10)가 설치되어 2축 방향에 대해 지면각이 변하는 경우 제2링크(12)의 각도가 변해 자중에 의한 중력토크가 변하게 되므로, 이에 따라 제1-1기준면 제어장치(301) 및 제1-2기준면 제어장치(302)에 의해 제2-1기준면(201) 및 제2-2기준면(202)의 각도를 변경하여 보상토크가 조절되도록 할 수 있다.

이와 같이 본 발명의 2축 지면각 변화에 대응 가능한 다자유도 가변 중력토크 보상장치는 인간형 로봇과 같이 기준면의 각도가 변경되는 다자유도의 허리 관절이 있는 경우나 모바일 플랫폼에 로봇이 장착되어 사용하는 경우, 주행 및 정지하는 지면의 각도 또는 허리 관절의 피치 방향 및 요 방향에 회전 각도에 따라 기준면의 각도를 변경하여 로봇의 각 관절에 적절한 보상토크를 제공할 수 있다.

[실시예 2]

또한, 상기 제1링크(11)가 베이스부(10)에 회동 가능하게 연결되어 지면에 수평인 요(yaw) 방향 회전축인 제1관절(J1)을 형성하고, 상기 제1-1기준면 제어장치(301)는, 상기 제1관절(J1)의 회전축과 동축상에 배치되어 제1관절(J1)의 회전축을 중심으로 회전 가능하도록 형성되며 상기 제2-1기준면(201)과 연결되어 연동되는 제1-1기준면(321); 및 상기 제1-1기준면(321)에 연결되며 베이스부(10)에 고정되어 상기 제1-1기준면(321)의 회전 각도 조절 및 고정이 가능한 제1-1기준면 제어 모터(311)를 포함하며, 상기 제1-2기준면 제어장치(302)는, 상기 제1관절(J1)의 회전축과 동축상에 배치되어 제1관절(J1)의 회전축을 중심으로 회전 가능하도록 형성되며 상기 제2-2기준면(202)과 연결되어 연동되는 제1-2기준면(322); 및 상기 제1-2기준면(322)에 연결되며 베이스부(10)에 고정되어 상기 제1-2기준면(322)의 회전 각도 조절 및 고정이 가능한 제1-2기준면 제어 모터(312)를 포함하여 이루어질 수 있다.

즉, 베이스부(10)에 제1링크(11)가 회동 가능하도록 지면에 수평인 제1관절(J1)로 연결되어 로봇의 팔이 형성될 수 있다. 이때, 제1링크(11)는 요 방향 회전축으로 형성되어 피치 방향 회전축인 제2관절(J2)과 동일한 평면상에 서로 수직이 되도록 배치될 수 있다. 그리고 제1-1기준면 제어 모터(311)가 베이스부(10)에 고정되고 제1-1기준면 제어 모터(311)에 제1-1기준면(321)이 결합되어 연결되며 제1-1기준면(321)은 제1관절(J1)의 회전축을 중심으로 회전 가능하도록 형성되어 상기 제2-1기준면(201)과 연결되어 연동되도록 구성될 수 있다. 그리하여 제1-1기준면 제어 모터(311)가 회전되면 제1-1기준면(321)이 회전되고 이와 함께 제2-1기준면(201)이 회전될 수 있다. 마찬가지로 제1-2기준면 제어 모터(312)가 베이스부(10)에 고정되고 제1-2기준면 제어 모터(312)에 제1-2기준면(322)이 결합되어 연결되며 제1-2기준면(322)은 제1관절(J1)의 회전축을 중심으로 회전 가능하도록 형성되어 상기 제2-2기준면(202)과 연결되어 연동되도록 구성될 수 있다. 그리하여 제1-2기준면 제어 모터(312)가 회전되면 제1-2기준면(322)이 회전되고 이와 함께 제2-2기준면(202)이 회전될 수 있다. 여기에서 일례로 제1-1기준면(321), 제1-2기준면(322), 제2-1기준면(201) 및 제2-2기준면(202)은 각각 풀리로 형성되어 벨트나 와이어 등으로 연결되어 회전될 수 있다.

그리하여 요 관절로 연결된 경우에도 제1-1기준면 제어장치(301) 및 제1-2기준면 제어장치(302)가 구성될 수 있다.

또한, 상기 제1링크(11) 또는 베이스부(10)에 설치되어 상기 제1링크(11) 또는 베이스부(10)의 피치 방향을 중심으로 한 회전 각도(기울기) 및 요 방향을 중심으로 한 회전 각도(기울기)를 측정할 수 있는 기울기 센서(400)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.

즉, 제1링크(11)가 피치 방향 회전축을 중심으로 기울어지거나 제1링크(11) 및 베이스부(10)가 함께 피치 방향 회전축을 중심으로 기울어지는 경우에, 기울기 센서(400)를 통해 기울어지는 각도를 측정하여 제1-1중력토크 보상장치(101) 및 제1-2중력토크 보상장치(102)의 보상토크가 조절되도록 할 수 있다. 그리고 제1링크(11)가 요 방향 회전축을 중심으로 기울어지거나 제1링크(11) 및 베이스부(10)가 함께 요 방향 회전축을 중심으로 기울어지는 경우에, 기울기 센서(400)를 통해 기울어지는 각도를 측정하여 제1-1중력토크 보상장치(101) 및 제1-2중력토크 보상장치(102)의 보상토크가 조절되도록 할 수 있다. 이때, 기울기 센서(400)는 제1링크(11) 또는 베이스(10)에 장착될 수 있으며, 경우에 따라서 2 군데 모두 장착되거나 다양한 위치 및 개수가 장착될 수 있다. 또한, 기울기 센서(400)는 다양한 종류의 센서나 측정 장치가 사용될 수 있으며, 일례로 자이로 센서가 사용될 수 있다.

또한, 상기 제1-1기준면 제어장치(301), 제1-2기준면 제어장치(302) 및 기울기 센서(400)와 연결되어, 상기 기울기 센서(400)에서 측정된 제1링크(11) 또는 베이스부(10)의 기울기에 따라 상기 제1-1기준면 제어장치(301) 및 제1-2기준면 제어장치(302)를 통해 제2-1기준면(201)의 회전 각도 및 제2-2기준면(202)의 회전 각도가 자동으로 조절되도록 하는 메인 제어부(500)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.

즉, 메인 제어부(500)를 통해 피치 방향 및 요 방향 회전축을 중심으로 기울어지는 경우 그 측정된 각도에 따라 제2-1기준면(201)의 회전 각도 및 제2-2기준면(202)의 회전 각도가 자동으로 조절되도록 하여 적절한 보상토크를 발생시킬 수 있다.

또한, 중력방향에 수직인 지면에 대해 상기 제1링크(11) 또는 베이스부(10)가 피치방향을 중심으로 기울어지는 각도에 따라 상기 제2-1기준면(201) 및 제2-2기준면(202)이 제어되되, 상기 제1링크(11) 또는 베이스부(10)가 기울어지는 각도와 크기는 동일하되 방향은 반대방향으로 제2-1기준면(201) 및 제2-2기준면(202)이 회전되어 위치가 고정되도록 제어될 수 있다.

즉, 도 12 및 도 13을 참조하면 제2-1기준면(201)의 제2-1기준점(211)과 제2-2기준면(202)의 제2-2기준점(212)이 제2관절(J2)의 중심축에서 수직 상측 방향에 각각 배치되어 있는 상태에서, 제1링크(11) 또는 베이스부(10)가 피치방향 회전축을 중심으로 θp 만큼 회전되면, 제2-1기준면(201) 및 제2-2기준면(202)은 그 반대방향인 -θp 만큼 회전되어 각각 수직 상측 방향에 제2-1기준점(211) 및 제2-2기준점(212)이 모두 위치하도록 제어될 수 있다. 이때, 제1링크(11)와 베이스부(10)는 요방향 회전축을 중심으로 회전될 수 있도록 제1관절(J1)로 연결되어 있으므로, 피치방향 회전축을 중심으로는 제1링크(11)와 베이스부(10)가 함께 회전될 수 있다.

또한, 중력방향에 수직인 지면에 대해 상기 제1링크(11) 또는 베이스부(10)가 요방향을 중심으로 기울어지는 각도에 따라 상기 제2-1기준면(201) 및 제2-2기준면(202)이 제어되되, 상기 제1링크(11) 또는 베이스부(10)가 기울어지는 각도에 따라 제2-1기준면(201) 및 제2-2기준면(202)이 회전되는 정도가 조절되며, 제2-1기준면(201)과 제2-2기준면(202)은 서로 반대 방향으로 회전되어 위치가 고정되도록 제어될 수 있다.

즉, 제2-1기준면(201)의 제2-1기준점(211)과 제2-2기준면(202)의 제2-2기준점(212)이 제2관절(J2)의 중심축에서 수직 상측 방향에 각각 배치되어 있고 요방향 회전축인 제1관절(J1)을 중심으로 제2링크(12)가 회전되려고 하는 중력토크가 작용하지 않도록 제2링크(12)의 무게중심이 요방향 회전축과 롤방향 회전축이 이루는 평면상에 배치되되 도 12와 같이 제2링크(12)가 하측을 향하도록 배치된 상태에서, 도 14 및 도 15와 같이 제1링크(11) 또는 제1링크(11)와 함께 베이스부(10)가 요방향 회전축을 중심으로 θy만큼 회전되면, 제2-1기준면(201) 및 제2-2기준면(202)은 서로 반대방향으로 회전되되 각도의 크기는 서로 동일하도록 회전되어 위치가 고정될 수 있다.

이때, 제1-1중력토크 보상장치(101)에서 발생되는 보상토크와 제1-2중력토크 보상장치(102)에서 발생되는 보상토크가 점점 줄어들도록 할 수 있다. 즉 요방향 회전축을 중심으로 회전되는 경우 제2링크(12)에 작용하는 보상토크는 제2링크(12)가 하측 방향을 향할 때 최대가 될 수 있으며, 제2링크(12)가 수평 상태가 될 때까지 보상토크가 점점 줄어들어 제2링크(12)가 수평 방향을 향하는 경우 보상토크는 최소값인 0이 될 수 있다.

여기에서 도 14와 같이 중력방향에 수직인 지면에 대해 상기 베이스부(10)가 수직으로 고정된 상태에서 제1링크(11)가 요방향을 중심으로 회전될 수 있으며, 이때에는 제1-1기준면(321) 및 제1-2기준면(322)은 베이스부(10)에 결합되어 회전되지 않고 고정된 상태에서, 제2-1기준면(201)과 제2-2기준면(202)이 결합되어 있는 제1링크(11)의 브라켓 부분이 제1링크 회전 모터(14)의 작동에 의해 θy 방향 및 크기로 회전될 수 있으며, 와이어 및 풀리로 제1-1기준면(321)에 연결된 제2-1기준면(201)이 도시된 화살표 방향으로 θy 각도 크기만큼 회전되고, 와이어 및 풀리로 제1-2기준면(322)에 연결된 제2-2기준면(202)이 도시된 화살표 방향으로 θy 각도 크기만큼 회전될 수 있다. 이때, 제1-1기준면 제어장치(301) 및 제1-2기준면 제어장치(302)는 작동되지 않으며, 와이어 및 풀리로 연결된 구조에 의해 제2-1기준면(201)과 제2-2기준면(202)이 서로 반대 방향으로 회전되어 제2-1기준점(211) 및 제2-2기준점(212)이 서로 180도 차이가 되도록 배치됨으로써 보상토크가 0이 될 수 있다. 즉, 제1-1기준면 제어 모터(311) 및 제1-2기준면 제어 모터(312)에는 브레이크가 장착되어, 로봇 베이스부(10)의 기울기가 변하지 않는 일반적인 동작 상황에서는 제1-1기준면(321) 및 제1-2기준면(322)이 고정될 수 있다.

또는 도 15와 같이 중력방향에 수직인 지면에 대해 상기 베이스부(10)가 요방향 회전축을 중심으로 회전되는 경우에는, 베이스부(10)와 함께 제1링크(11)가 요방향을 중심으로 회전될 수 있으며, 이때에는 제1-1기준면(321) 및 제1-2기준면(322)은 베이스부(10)에 결합되어 있으므로 제1링크(11)의 브라켓 부분과 함께 제1-1기준면(321) 및 제1-2기준면(322), 베이스부(10), 제2-1기준면(201) 및 제2-2기준면(202)이 θy 방향 및 크기로 회전될 수 있다. 이때, 제1-1기준면(321), 제1-2기준면(322), 제2-1기준면(201) 및 제2-2기준면(202)은 모두 자체의 회전축을 기준으로 한 각도 회전이 없으므로, 보상토크를 0으로 하기 위해 제1-1기준면 제어장치(301) 및 제1-2기준면 제어장치(302)의 작동에 의해 제2-1기준면(201)과 제2-2기준면(202)이 서로 반대방향으로 회전되도록 제어되어 제2-1기준점(211)과 제2-2기준점(212) 서로 180도 차이인 반대방향이거나 서로 0도 차이면서 제2링크(12)의 길이방향에 제2-1기준점(211)과 제2-2기준점(212) 배치되도록 이동되어 보상토크가 0이 되도록 할 수 있다.

[실시예 3]

또한, 상기 제2링크(12)의 타단에 제3링크(13)의 일단이 회동 가능하게 연결되어 지면에 수평인 피치(pitch) 방향 회전축인 제3관절(J3)을 형성하고, 상기 제3링크(13)는 무게중심이 제3관절(J3)로부터 이격되게 배치되며, 일단이 상기 제3관절(J3)에 연결되고 타단이 제3링크(13)에 결합되어 상기 제3링크(13)가 제3관절(J3)을 중심으로 회동하는 경우 제3링크(13)의 자중에 대한 보상토크를 발생시키는 제2-1중력토크 보상장치(601) 및 제2-2중력토크 보상장치(602); 및 상기 제3관절(J3)의 회전축과 동축상에 배치되어 제3관절(J3)의 회전축을 중심으로 회전 가능하도록 형성되며, 상기 제2-1중력토크 보상장치(601)의 일단이 연결되어 결합되는 제3-1기준면(701) 및 제2-2중력토크 보상장치(602)의 일단이 연결되어 결합되는 제3-2기준면(702); 을 더 포함하여 이루어지며, 상기 제3-1기준면(701)은 제2-1기준면(201)과 연결되고 제3-2기준면(702)은 제2-2기준면(202)과 연결되되, 상기 제2-1기준면(201)이 회전되는 각도와 동일한 각도 및 방향으로 제3-1기준면(701)이 회전되고 상기 제2-2기준면(202)이 회전되는 각도와 동일한 각도 및 방향으로 제3-2기준면(702)이 회전되도록 연결되도록 구성될 수 있다.

이는 제2링크(12)의 타단에 제3링크(13)가 지면에 수평인 피치 방향 회전축인 제3관절(J3)로 연결되어, 제3관절(J3)을 회전축으로 하여 제3링크(13)가 회동 가능하게 형성되되, 제3링크(13)와 제3관절(J3)을 연결하도록 제2-1중력토크 보상장치(601) 및 제2-2중력토크 보상장치가 병렬로 장착되어, 제3링크(13)의 자중에 대한 보상토크를 발생시키도록 로봇 팔이 형성되는 것이다. 그리고 제3관절(J3)을 중심으로 하여 회전되어 각도가 고정될 수 있도록 제3-1기준면(701) 및 제3-2기준면(702)이 형성된다. 이때, 제3-1기준면(701)은 제2-1기준면(201)과 연결되어 제2-1기준면(201)이 회전되는 각도에 따라 동일한 각도 및 방향으로 제3-1기준면(701)이 회전될 수 있도록 구성되며, 마찬가지로 제3-2기준면(702)은 제2-2기준면(202)과 연결되어 제2-2기준면(202)이 회전되는 각도에 따라 동일한 각도 및 방향으로 제3-2기준면(702)이 회전되도록 구성될 수 있다.

이에 따라 피치방향 회전축이나 요방향 회전축 또는 둘 모두에 대해 제1링크(11) 또는 베이스부(10)가 기울어지는 경우 제2링크(12)의 각도 및 제3링크(13)의 각도가 모두 변해 각각 자중에 의한 중력토크가 변하게 되므로, 제2-1기준면(201), 제2-2기준면(702), 제3-1기준면(701) 및 제3-2기준면(702)의 각도를 함께 변화시켜 제2링크(12) 및 제3링크(13) 각각에 대한 보상토크를 조절할 수 있다. 여기에서 제2-1기준면(201)과 제3-1기준면(701)이 연결되어 있고 제2-2기준면(202)과 제3-2기준면(702)이 연결되어 있으므로, 제1-1기준면 제어장치(301) 및 제1-2기준면 제어장치(302) 두 개의 작동만으로도 여러 개의 기준면의 각도가 함께 조절되도록 할 수 있다.

이에 따라 제3-1기준면(701) 및 제3-2기준면(702)의 각도 조절 및 고정을 위한 모터와 같은 추가적인 기준면 제어장치가 필요 없는 장점이 있다.

여기에서 제2-1중력토크 보상장치(601) 및 제2-2중력토크 보상장치(602)는 제1-1중력토크 보상장치(101) 및 제1-2중력토크 보상장치(102)와 동일한 형태 및 구조로 형성될 수 있으며, 코일 스프링(610), 가이드 로드(620), 슬라이딩 블록(630), 와이어(640) 및 롤러(650)로 구성될 수 있다.

그리고 제3-1기준면(701)의 제3-1기준점(711) 및 제3-2기준면(702)의 제3-2기준점(712)도 회전축인 제3관절(J3)의 중심축에서 수직 상측인 12시 방향에 배치될 수 있다.

이와 같이 로봇 팔이 다수의 관절로 연결된 다자유도 로봇 팔로 형성되는 경우에도 로봇의 장착면 또는 로봇 베이스 관절의 회전각 변위에 따라 각각의 기준면을 한 번에 함께 제어할 수 있어 로봇의 각 관절에 적절한 보상토크를 제공할 수 있다. 또한, 상기 제3링크(13)가 제2링크(12)에 연결되어 보상토크를 발생시키고 기준면들이 연동되어 각도가 조절되도록 하는 것과 같이, 추가로 제4링크 및 그 이상의 링크들이 더 연결되어 상기한 바와 같이 적절한 보상토크가 발생되도록 할 수도 있다.

또한, 상기 제2-1기준면(201)과 제3-1기준면(701)은 4개의 바가 평행사변형으로 연결된 링크 기구로 연결되며, 상기 제2-2기준면(202)과 제3-2기준면(702)은 4개의 바가 평행사변형으로 연결된 링크 기구(800)로 연결될 수 있다.

이는 도 16과 같이 제2-1기준면(201)과 제3-1기준면(701)이 링크 기구(800)로 연결되어, 제2-1기준면(201)의 회전에 따라 제3-1기준면(701)이 동일한 각도 및 방향으로 회전될 수 있으며, 마찬가지로 제2-2기준면(202)과 제3-2기준면(702)이 링크 기구(800)로 연결되어, 제2-2기준면(202)의 회전에 따라 제3-2기준면(702)이 동일한 각도 및 방향으로 회전될 수 있도록 한 하나의 실시예이다. 보다 상세하게는 제2-1기준면(201)과 제3-1기준면(701)을 예로 설명하면, 링크 기구(800)의 제1조인트(JA)가 로봇 팔의 제2관절(J2)이 되고 제2조인트(JB)가 제3관절(J3)이 되도록 하고, 나머지 2개의 조인트가 제2-1기준점(211) 및 제3-1기준점(711)이 회전축이 되도록 함으로써, 제2-1기준면(201)과 제3-1기준면(701)이 함께 동일한 각도 및 방향으로 회전되도록 구성될 수 있다. 이때, 링크 기구(800)는 로봇의 팔인 제2링크(12)가 하나의 링크가 되고 제2-1기준면(201)과 제3-1기준면(701)이 두 번째 및 세 번째 링크가 될 수 있으므로, 실질적으로는 제2-1기준점(211)과 제3-1기준점(711)을 연결하도록 나머지 하나의 링크만 결합하여 1개의 바를 이용해 평행사변형으로 연결된 링크 기구(800) 형태가 되도록 할 수도 있다. 이외에도 상기 평행사변형으로 연결된 링크 구조를 이용해 다양한 형태로 제2-1기준면(201)과 제3-1기준면(701)이 연동되어 서로 동일한 각도로 회전되도록 할 수 있다. 제2-2기준면(202)과 제3-2기준면(702)에 대해서도 마찬가지로 동일한 구성이 적용될 수 있다.

또한, 상기 제2-1기준면(201)과 제3-1기준면(701)은 풀리 및 벨트로 연결되며, 상기 제2-2기준면(202)과 제3-2기준면(702)은 풀리 및 벨트로 연결될 수 있다.

마찬가지로 제2-1기준면(201)과 제3-1기준면(701)을 예로 설명하면, 이는 도 17과 같이 제2-1기준면(201)과 제3-1기준면(701)이 풀리 및 벨트를 이용해 연결되어, 제2-1기준면(201)의 회전에 따라 제3-1기준면(701)이 동일한 각도 및 방향으로 회전될 수 있도록 한 다른 형태의 실시예이다. 보다 상세하게는 제2-1기준면(201)에 제2-1풀리(221)가 결합되어 동축상에 배치되고, 제3-1기준면(701)에 제3-1풀리(721)가 결합되어 동축상에 배치되며, 제2-1풀리(221)와 제3-1풀리(721)가 제3-1벨트(731) 또는 와이어로 연결될 수 있다. 이때, 제2-1풀리(221)와 제3-1풀리(721)는 동일한 직경을 갖도록 형성될 수 있으며, 제3-1벨트(731)는 교차되거나 비틀리거나 꼬여있지 않은 상태로 팽팽하게 풀리들에 연결될 수 있다. 그리고 풀리 및 벨트는 미끄러짐이 없이 정확하게 작동될 수 있도록 타이밍 풀리 및 타이밍 벨트가 사용될 수도 있으며, 스프라켓 및 체인이 사용될 수도 있다. 또는 다양한 기어 및 회전축을 이용해 제2-1기준면(201)과 제3-1기준면(701)이 함께 동일한 각도 및 방향으로 회전되도록 구성될 수 있다. 제2-2기준면(202)과 제3-2기준면(702)에 대해서도 마찬가지로 동일한 구성이 적용될 수 있다. 이때, 제2-1풀리(221)가 제2-1기준면(201)을 형성하는 풀리가 될 수 있고, 제2-2풀리(222)가 제2-2기준면(202)을 형성하는 풀리가 될 수 있다. 마찬가지로 제3-1풀리(721)가 제3-1기준면(701)을 형성하는 풀리가 될 수 있고, 제3-2풀리(722)가 제3-2기준면(702)을 형성하는 풀리가 될 수 있다.

또한, 상기 베이스부(10)가 고정된 상태에서 제1링크(11)가 제1관절(J1)을 중심으로 회전되는 경우, 상기 제1-1기준면(321) 및 제1-2기준면(322)은 고정되고, 상기 제1링크(11)가 회전되는 각도와 크기는 동일하되 제2-1기준면(201)과 제2-2기준면(202)은 서로 반대 방향으로 회전되어 위치가 고정되도록 제어될 수 있다.

즉, 베이스부(10)는 고정되어 있고 이 상태에서 제1링크(11)가 요 방향 회전축인 제1관절(J1)을 중심으로 회전될 수 있다. 이때, 제1-1기준면(321)에 연결되어 제2-1기준면(201)이 연동되는데, 제1-1기준면(321)과 제2-1기준면(201) 와이어나 벨트나 기어 등으로 연결되어 연동되도록 구성될 수 있다. 그러므로 제1관절(J1)과 동축상에 배치된 제1-1기준면(321)이 고정되어 있으면, 제2-1기준면(201)은 제1링크(11)와 제1관절(J1)을 중심으로 함께 회전하면서 동시에 제2관절(J2)의 회전축을 중심으로도 회전하게 된다. 마찬가지로 제1-2기준면(322)도 고정된 상태이며, 제2-2기준면(202)은 제1링크(11)와 제1관절(J1)을 중심으로 함께 회전하면서 동시에 제2관절(J2)의 회전축을 중심으로도 회전하게 된다. 여기에서 제1링크(11)가 회전되는 각도와 크기는 동일하게 제2-1기준면(201)과 제2-2기준면(202)이 각각 회전되는데, 제2관절(J2)의 축방향으로 바라보았을 때 제2-1기준면(201)과 제2-2기준면(202)은 서로 반대 방향으로 회전되어 위치가 고정되도록 제어될 수 있다.

그리하여 제1관절(J1)을 중심으로 제1링크(11)가 회전되는 경우 제2링크(12)에 작용하는 중력토크가 변하게 되고, 이때 제1-1기준면 제어장치(301) 및 제1-2기준면 제어장치(302)는 작동하지 않고 정지되어 제1-1기준면(321) 및 제1-2기준면(322)이 고정된 상태에서도 제2링크(12)에 작용하는 중력토크가 변화되는 것에 대응하여 보상토크가 조절될 수 있다.

그리고 제1링크(11)와 베이스부(10)가 함께 요 방향 회전축을 중심으로 기울어지도록 회전되는 경우에는, 그 각도에 대응되도록 제1-1기준면 제어장치(301) 및 제1-2기준면 제어장치(302)가 작동되어 제1-1기준면(321) 및 제1-2기준면(322)이 회전되고, 이에 따라 제2관절(J2)의 축방향으로 바라보았을 때 제2-1기준면(201)과 제2-2기준면(202)이 서로 반대 방향으로 회전되어 위치가 고정되도록 제어될 수 있다.

또한, 상기 베이스부(10)에는 제1링크 회전 모터(14) 및 제1링크 회전 감속기(15)가 결합되어 고정되고, 상기 제1링크 회전 감속기(15)의 감속기 회전축(15-1)에 제1링크(11)가 결합되며, 상기 제1링크 회전 감속기(15)의 감속기 회전축(15-1)을 관통하도록 제1-2기준면(322)의 제1-2회전축(332)이 결합되며, 상기 제1-2기준면(322)의 제1-2회전축(332)을 관통하도록 제1-1기준면(321)의 제1-1회전축(331)이 결합되어, 상기 3개의 회전축의 중심축이 일치하도록 형성될 수 있다.

즉, 도시된 바와 같이 제1링크(11)가 요 방향 회전축인 제1관절(J1)을 중심으로 회전될 수 있도록 구성되며, 베이스부(10)에 제1링크 회전 모터(14) 및 제1링크 회전 감속기(15)가 결합되고, 제1링크 회전 감속기(15)의 감속기 회전축(15-1)이 제1링크(11)에 결합되어 회전될 수 있도록 구성될 수 있다. 그리고 3개의 회전축들은 순서대로 내측에 삽입되어 관통된 형태로 구성될 수 있으며, 회전축들은 서로 간극을 갖도록 이격되어 각각 원활하게 회전될 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 제1링크 회전 모터(14)는 베이스부(10)에 고정될 수 있고, 제1-1회전축(331)을 회전시킬 수 있도록 제1-1기준면 제어 모터(311)가 상기 제1-1회전축(331)에 결합될 수 있으며, 제1-1기준면 제어 모터(311)는 베이스부(10)에 결합되어 고정될 수 있다. 마찬가지로 제1-2회전축(332)을 회전시킬 수 있도록 제1-2기준면 제어 모터(312)가 제1-2회전축(332)에 결합될 수 있으며, 제1-2기준면 제어 모터(312)도 베이스부(10)에 결합되어 고정될 수 있다.

또한, 모터들은 일반적인 모터가 사용될 수도 있으며 이 경우에는 감속비가 높은 감속기를 연결해 사용하여 감속기가 브레이크의 역할을 하도록 할 수도 있다. 또는 브레이크가 장착된 모터, 스텝모터 및 서보모터 등이 사용되어 보다 정확하게 기준면들의 회전 각도를 제어할 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.

10 : 베이스부
11 : 제1링크 J1 : 제1관절
12 : 제2링크 J2 : 제2관절
13 : 제3링크 J3 : 제2관절
14 : 제1링크 회전 모터 15 : 제1링크 회전 감속기
15-1 : 감속기 회전축
16 : 제2링크 회전 모터 17 : 제3링크 회전 모터
101 : 제1-1중력토크 보상장치
102 : 제1-2중력토크 보상장치
110 : 코일 스프링 120 : 가이드 로드
130 : 슬라이딩 블록 140 : 와이어
150 : 롤러
201 : 제2-1기준면 211 : 제2-1기준점
221 : 제2-1풀리
202 : 제2-2기준면 212 : 제2-2기준점
222 : 제2-2풀리
301 : 제1-1기준면 제어장치
311 : 제1-1기준면 제어 모터 321 : 제1-1기준면
331 : 제1-1회전축
302 : 제1-2기준면 제어장치
312 : 제1-2기준면 제어 모터 322: 제1-2기준면
332 : 제1-2회전축
400 : 기울기 센서
500 : 메인 제어부
601 : 제2-1중력토크 보상장치
602 : 제2-2중력토크 보상장치
610 : 코일 스프링 620 : 가이드 로드
630 : 슬라이딩 블록 640 : 와이어
650 : 롤러
701 : 제3-1기준면 711 : 제3-1기준점
721 : 제3-1풀리 731 : 제3-1벨트
702 : 제3-2기준면 712 : 제3-2기준점
722 : 제3-2풀리 732 : 제3-2벨트
800 : 링크 기구
JA : 제1조인트 JB : 제2조인트

Claims (11)

1. 제1링크에 제2링크의 일단이 회동 가능하게 연결되어 지면에 수평인 피치(pitch) 방향 회전축인 제2관절을 형성하고, 상기 제2링크는 무게중심이 제2관절로부터 이격되게 배치되며, 일단이 상기 제2관절에 연결되고 타단이 제2링크에 결합되어 상기 제2링크가 제2관절을 중심으로 회동하는 경우 제2링크의 자중에 대한 보상토크를 발생시키는 제1-1중력토크 보상장치 및 제1-2중력토크 보상장치;
   상기 제2관절의 회전축과 동축상에 배치되어 제2관절의 회전축을 중심으로 회전 가능하도록 형성되며, 상기 제1-1중력토크 보상장치의 일단이 연결되어 결합되는 제2-1기준면 및 제1-2중력토크 보상장치의 일단이 연결되어 결합되는 제2-2기준면; 및
   상기 제1링크에 결합되며, 상기 제2-1기준면에 연결되어 제2-1기준면의 회전 각도 조절 및 고정이 가능한 제1-1기준면 제어장치; 및
   상기 제1링크에 결합되며, 상기 제2-2기준면에 연결되어 제2-2기준면의 회전 각도 조절 및 고정이 가능한 제1-2기준면 제어장치; 를 포함하며,
   상기 제2-1기준면 및 제2-2기준면의 회전 각도가 각각 별개로 조절되어 고정될 수 있으며,
   상기 제1링크가 베이스부에 회동 가능하게 연결되어 지면에 수평인 요(yaw) 방향 회전축인 제1관절을 형성하고,
   상기 제1-1기준면 제어장치는,
   상기 제1관절의 회전축과 동축상에 배치되어 제1관절의 회전축을 중심으로 회전 가능하도록 형성되며 상기 제2-1기준면과 연결되어 연동되는 제1-1기준면; 및 상기 제1-1기준면에 연결되며 베이스부에 고정되어 상기 제1-1기준면의 회전 각도 조절 및 고정이 가능한 제1-1기준면 제어 모터를 포함하며,
   상기 제1-2기준면 제어장치는,
   상기 제1관절의 회전축과 동축상에 배치되어 제1관절의 회전축을 중심으로 회전 가능하도록 형성되며 상기 제2-2기준면과 연결되어 연동되는 제1-2기준면; 및 상기 제1-2기준면에 연결되며 베이스부에 고정되어 상기 제1-2기준면의 회전 각도 조절 및 고정이 가능한 제1-2기준면 제어 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 2축 지면각 변화에 대응 가능한 다자유도 가변 중력토크 보상장치.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1링크 또는 베이스부에 설치되어 상기 제1링크 또는 베이스부의 피치 방향을 중심으로 한 회전 각도(기울기) 및 요 방향을 중심으로 한 회전 각도(기울기)를 측정할 수 있는 기울기 센서를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 2축 지면각 변화에 대응 가능한 다자유도 가변 중력토크 보상장치.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1-1기준면 제어장치, 제1-2기준면 제어장치 및 기울기 센서와 연결되어, 상기 기울기 센서에서 측정된 제1링크 또는 베이스부의 기울기에 따라 상기 제1-1기준면 제어장치 및 제1-2기준면 제어장치를 통해 제2-1기준면의 회전 각도 및 제2-2기준면의 회전 각도가 자동으로 조절되도록 하는 메인 제어부를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 2축 지면각 변화에 대응 가능한 다자유도 가변 중력토크 보상장치.
   
5. 제4항에 있어서,
   중력방향에 수직인 지면에 대해 상기 제1링크 또는 베이스부가 피치 방향을 중심으로 기울어지는 각도에 따라 상기 제2-1기준면 및 제2-2기준면이 제어되되, 상기 제1링크 또는 베이스부가 기울어지는 각도와 크기는 동일하되 방향은 반대방향으로 제2-1기준면 및 제2-2기준면이 회전되어 위치가 고정되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 2축 지면각 변화에 대응 가능한 다자유도 가변 중력토크 보상장치.
   
6. 제4항에 있어서,
   중력방향에 수직인 지면에 대해 상기 제1링크 또는 베이스부가 요 방향을 중심으로 기울어지는 각도에 따라 상기 제2-1기준면 및 제2-2기준면이 제어되되, 상기 제1링크 또는 베이스부가 기울어지는 각도에 따라 제2-1기준면 및 제2-2기준면이 회전되는 정도가 조절되며, 제2-1기준면과 제2-2기준면은 서로 반대 방향으로 회전되어 위치가 고정되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 2축 지면각 변화에 대응 가능한 다자유도 가변 중력토크 보상장치.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 제2링크의 타단에 제3링크의 일단이 회동 가능하게 연결되어 지면에 수평인 피치(pitch) 방향 회전축인 제3관절을 형성하고, 상기 제3링크는 무게중심이 제3관절로부터 이격되게 배치되며, 일단이 상기 제3관절에 연결되고 타단이 제3링크에 결합되어 상기 제3링크가 제3관절을 중심으로 회동하는 경우 제3링크의 자중에 대한 보상토크를 발생시키는 제2-1중력토크 보상장치 및 제2-2중력토크 보상장치; 및
   상기 제3관절의 회전축과 동축상에 배치되어 제3관절의 회전축을 중심으로 회전 가능하도록 형성되며, 상기 제2-1중력토크 보상장치의 일단이 연결되어 결합되는 제3-1기준면 및 제2-2중력토크 보상장치의 일단이 연결되어 결합되는 제3-2기준면; 을 더 포함하여 이루어지며,
   상기 제3-1기준면은 제2-1기준면과 연결되고 제3-2기준면은 제2-2기준면과 연결되되, 상기 제2-1기준면이 회전되는 각도와 동일한 각도 및 방향으로 제3-1기준면이 회전되고 상기 제2-2기준면이 회전되는 각도와 동일한 각도 및 방향으로 제3-2기준면이 회전되도록 연결되는 것을 특징으로 하는 2축 지면각 변화에 대응 가능한 다자유도 가변 중력토크 보상장치.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 제2-1기준면과 제3-1기준면은 4개의 바가 평행사변형으로 연결된 링크 기구로 연결되며, 상기 제2-2기준면과 제3-2기준면은 4개의 바가 평행사변형으로 연결된 링크 기구로 연결되는 것을 특징으로 하는 2축 지면각 변화에 대응 가능한 다자유도 가변 중력토크 보상장치.
   
9. 제7항에 있어서,
   상기 제2-1기준면과 제3-1기준면은 풀리 및 벨트로 연결되며, 상기 제2-2기준면과 제3-2기준면은 풀리 및 벨트로 연결되는 것을 특징으로 하는 2축 지면각 변화에 대응 가능한 다자유도 가변 중력토크 보상장치.
   
10. 제1항에 있어서,
    상기 베이스부가 고정된 상태에서 제1링크가 제1관절을 중심으로 회전되는 경우,
    상기 제1-1기준면 및 제1-2기준면은 고정되고, 상기 제1링크가 회전되는 각도와 크기는 동일하되 제2-1기준면과 제2-2기준면은 서로 반대 방향으로 회전되어 위치가 고정되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 2축 지면각 변화에 대응 가능한 다자유도 가변 중력토크 보상장치.
    
11. 제1항에 있어서,
    상기 베이스부에는 제1링크 회전 모터 및 제1링크 회전 감속기가 결합되어 고정되고, 상기 제1링크 회전 감속기의 감속기 회전축에 제1링크가 결합되며,
    상기 감속기 회전축을 관통하도록 제1-2기준면의 제1-2회전축이 결합되며,
    상기 제1-2기준면의 제1-2회전축을 관통하도록 제1-1기준면의 제1-1회전축이 결합되어,
    상기 감속기 회전축, 제1-2회전축 및 제1-1회전축의 중심축이 일치하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 2축 지면각 변화에 대응 가능한 다자유도 가변 중력토크 보상장치.

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