KR101815870B1 - 케이블 로봇용 윈치모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 케이블 로봇의 윈치모듈에 관한 것으로, 특히 케이블의 이탈을 방지하고 정밀도를 개선할 수 있는 윈치모듈에 관한 것으로, 엔드 이펙터에 연결된 케이블의 권취 또는 귄출이 이루어지는 윈치모듈에 있어서, 케이블(1)의 권취 또는 권출이 이루어지는 드럼(110)과; 상기 드럼(110)을 정회전 또는 역회전 구동하기 위한 모터(120)와; 서로 접하여 회전 구동이 이루어지는 한 쌍의 구동롤러(131)와 피동롤러(132)로 이루어져 상기 드럼(110)으로 안내되는 케이블(1)에 일정 장력을 제공하기 위한 장력조절부(130)와; 상기 드럼(110)의 회전구동력을 상기 구동롤러(131)로 전달하는 구동력전달부;를 포함한다.

Description

케이블 로봇용 윈치모듈{Winch module for a cable robot}

본 발명은 케이블 로봇의 윈치모듈에 관한 것으로, 특히 케이블의 이탈을 방지하고 정밀도를 개선할 수 있는 윈치모듈에 관한 것이다.

최근 로봇산업은 기술과 규모에 있어서 꾸준한 발전을 이루고 있다. 그중에서도 새로운 형태의 로봇인 병렬형 케이블 로봇은 기존의 로봇의 링크를 케이블로 대체하는 로봇으로, 넓은 작업 공간, 큰 하중, 빠른 속도의 움직임 등의 이점을 가지고 있다. 이러한 형태의 로봇은 케이블을 사용하기 때문에 빠른 움직임이 가능하면서 넓은 작업공간을 만들 수 있는 장점이 존재한다.

병렬형 케이블 로봇은 산업, 놀이, 환경 등 다양한 응용 분야에 사용될 수 있는 잠재력이 매우 큰 로봇 시스템의 한 형태이다. 구체적으로는 선박을 도장하는 페인트 로봇, 건물의 외벽이나 창문을 청소하는 청소로봇, 무거운 물건을 옮겨주는 크레인 로봇 등에 사용될 수 있다. 그리고, 국내에 있는 케이블 파크에서는 케이블 구조물을 이용하여 수상스포츠를 즐길 수 있는 곳이 운영 중이며, 케이블을 이용한 놀이기구 또한 개발 및 운영된다. 환경 분야에서는 강이나 호수 바다 등의 수질을 검사 및 관리할 수 있는 수질 검사 케이블 로봇이 개발되어 있다.

이러한 케이블 로봇은 크게 로봇의 작업공간을 결정하는 프레임과, 프레임에 설치되어 케이블 길이를 조절하는 윈치 시스템과, 윈치에서 나온 케이블이 연결되는 작업도구로 이루어져 있으며, 추가 구성으로는 윈치와 작업도구 사이에 설치되어 다양한 위치와 높이에서 케이블이 나올 수 있게 해주는 풀리로 구성되어 있다.

도 1의 (a)는 일반적이 케이블 로봇의 구성도로서, 복수의 케이블이 연결되어 자율 운동이 가능한 엔드 이펙터(10)와, 각 케이블의 권취(winding) 또는 권출(unwinding)이 이루어지는 윈치모듈(20)(30)을 포함한다.

윈치모듈(20)(30)은 케이블(1)이 감기게 되는 드럼(20)과, 드럼(20)을 회전 구동하기 위한 모터(30)를 포함하며, 모터(30)는 제어부(미도시)에 의해 회전 구동이 이루어진다. 엔드 이펙터(10)와 윈치모듈(20)(30)에 연결되는 케이블(1)은 복수의 풀리(41)(42)에 의해 안내된다.

한편, 일반적인 케이블 로봇은 윈치모듈(20)(30)이 특정 위치에 고정되어 케이블을 풀거나 되감게 되며, 작동 중에 전원공급이 잘못되거나 케이블(1)이 끊어지는 경우, 또는 기타 오작동에 의해 드럼(20)에서 케이블(1)이 이탈될 수 있다.

예를 들어, 도 1의 (b)에 예시된 것과 같이, 케이블(1)이 끊어지는 경우에 드럼(20)에서 케이블(1)이 풀리게 되면, 케이블(1)이 귄출(unwinding)되지 못하고 케이블(1)이 드럼(20)에 축적되어 드럼(20)에서 케이블(1)의 이탈이 발생될 수 있다.

이러한 경우에 윈치모듈을 정상 상태로 복구하기 위하여 작업자가 직접 케이블(1)을 다시 드럼(20)에 감아주어야 하는 불편함이 있다. 또한 일반적으로 윈치모듈은 높은 곳에 설치되며, 따라서 작업자가 윈치모듈까지 접근이 용이하지 않고 사고의 위험도 높다.

또한 케이블은 일정 폭을 갖는 드럼(20)의 외주면을 따라서 감기게 되며, 이때 케이블은 드럼(20) 회전 시에 권취되는 구간의 피치(pitch)만큼 케이블의 권취/귄출 시에 길이 오차가 발생되어 엔드 이펙터(10)의 정확한 위치 제어에 어려움이 있다.

삭제

공개특허공보 제10-2015-0114136호(공개일자: 2015.10.12)

본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 케이블의 이탈을 방지하고 정밀도를 개선할 수 있는 윈치모듈을 제공하고자 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 윈치모듈은, 엔드 이펙터에 연결된 케이블의 권취 또는 귄출이 이루어지는 윈치모듈에 있어서, 케이블의 권취 또는 권출이 이루어지는 드럼과, 상기 드럼을 정회전 또는 역회전 구동하기 위한 모터와; 서로 접하여 회전 구동이 이루어지는 한 쌍의 구동롤러와 피동롤러로 이루어져 상기 드럼으로 안내되는 케이블에 일정 장력을 제공하기 위한 장력조절부와; 상기 드럼의 회전구동력을 상기 구동롤러로 동기화하여 전달하는 구동력전달부;를 포함한다.

바람직하게는, 상기 구동력전달부는, 상기 드럼과 동일한 회전축에 축설되어 회전 운동이 이루어지는 제1타이밍풀리와; 상기 제1타이밍풀리와 연동되어 상기 구동롤러에 회전 운동을 전달하는 제2타이밍풀리;를 포함한다.

보다 바람직하게는, 상기 구동롤러는, 상기 제2타이밍풀리와 동일한 반경을 갖는 제3타이밍풀리를 더 포함하며, 상기 제1타이밍풀리, 상기 제2타이밍풀리 및 상기 제3타이밍풀리는 하나에 구동력 전달요소에 의해 연결되어 회전 구동이 이루어지는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직하게는, 상기 드럼의 반경(R), 상기 제1타이밍풀리의 반경(r1), 상기 제3타이밍풀리(r3)의 반경 및 상기 구동롤러의 반경(r)은 다음의 수학식으로 표현되는 것을 특징으로 한다.

[수학식]

; p는 드럼에 권취되는 케이블의 간격(피치).

보다 더욱 바람직하게는, 상기 드럼과 나란하게 구비되어 전후 이동하여 케이블의 위치를 안내하게 되는 풀리와; 상기 제2타이밍풀리의 회전 운동과 연동되어 상기 풀리를 전후 구동하기 위한 리니어 액추에이터를 더 포함한다.

본 발명에 따른 윈치모듈은, 케이블을 권취 또는 권출하게 되는 드럼의 회전 운동과 연동되어 드럼으로 안내되는 케이블의 장력을 일정하게 유지할 수 있는 구동력전달부를 갖는 장력조절부가 구비되어 윈치의 오동작 시 드럼에서 케이블이 장력을 상실하여 풀어지는 것을 방지할 수 있으며, 드럼 회전 시에 피치만큼 케이블의 길이 누적 오차가 발생되는 것을 최소화하여 엔드 이펙터의 위치 제어 정밀도를 개선할 수 있는 효과가 있다.

도 1의 (a)(b)는 일반적인 케이블 로봇의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 윈치모듈의 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 윈치모듈의 요부 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 윈치모듈의 바람직한 실시예를 보여주는 사시도.

본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2를 참고하면, 본 발명의 윈치모듈은, 케이블(1)의 권취 또는 권출이 이루어지는 드럼(110)과, 드럼(110)을 정회전 또는 역회전 구동하기 위한 모터(120)와; 서로 접하여 회전 구동이 이루어지는 한 쌍의 구동롤러(131)와 피동롤러(132)로 이루어진 장력조절부(130)와; 드럼(110)의 회전구동력을 구동롤러(131)로 동기화하여 전달하는 구동력전달부;를 포함한다.

드럼(110)과 장력조절부(130) 사이에는 케이블(1)을 안내하기 위한 복수의 풀리(151)(152)가 마련된다. 본 실시예에서 풀리(151)(152)는 장력조절부(130)에서 인출된 케이블(1)을 드럼(110)과 나란한 방향으로 안내하게 되는 제1풀리(151)와, 제1풀리(151)에 의해 안내된 케이블(1)을 드럼(110)에 일정 간격(pitch)으로 귄취(winding)될 수 있도록 케이블(1)을 안내하게 되는 제2풀리(152)로 구성된다. 제1풀리(151)는 위치가 고정된 풀리일 수 있으며, 한편, 제2풀리(152)는 별도의 구동부가 마련되어 드럼(110)의 중심축 방향으로 전후 이동이 가능하여 케이블(1)이 드럼(110)에 일정 간격을 갖고 정렬되어 권취/귄출이 이루어질 수 있다. 즉, 제2풀리(152)는 케이블을 감거나 푸는 과정에서 드럼(110)을 따라서 전후 이동하여 케이블(1)의 권출/권취 위치를 안내함으로써 드럼(110)의 1회전당 감기거나 풀리는 케이블의 길이를 동일하여 유지하여 케이블의 길이에 대한 정밀한 제어가 가능하다. 이와 관련하여 공개특허공보 제10-2011-0070593호(공개일자: 2011.06.24)는 드럼의 1회전당 권출/권취 위치를 일정하게 안내할 수 있는 와이어 윈치를 참고할 수 있다.

장력조절부(130)는 서로 접하여 회전 구동이 이루어지는 한 쌍의 구동롤러(131)와 피동롤러(132)로 구성되어 구동롤러(131)와 피동롤러(132) 사이에 케이블(1)이 위치하게 되어 드럼(110)으로 안내되는 케이블(1)에 일정 장력을 제공하게 된다.

구동력전달부는 모터(120)에 의해 회전 구동이 이루어지는 드럼(110)의 회전구동력을 동기화하여 구동롤러(131)로 전달하는 기능을 한다.

도 2에서 구동력전달부는 드럼(110)과 동일한 회전축에 축설되는 제1타이밍풀리(141)와, 제1타이밍풀리(141)와 벨트(141a)로 연결되어 회전 구동이 이루어지는 제2타이밍풀리(142)를 포함하며, 제2타이밍풀리(142)는 구동롤러(131)와 샤프트(142a)에 의해 연결되어 구동롤러(131)에 회전 구동력을 전달한다. 본 실시예에서 제1타이밍풀리(141)와 제2타이밍풀리(142)는 벨트(141a)에 의해 구동력이 전달되는 것으로 예시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고 체인 또는 복수의 기어로 구성된 기어군과 같은 다양한 주지의 구동력 전달수단이 사용될 수 있음을 이해하여야 할 것이다.

한편, 드럼(110)의 1회당 감기는 케이블의 길이(WR)는 다음의 [수학식 1]과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 1]

;R은 드럼의 반지름이고, p는 드럼에 감기는 케이블의 피치 간격.

장력조절부(130)와 제1풀리(151) 사이의 거리는 'd'라 하고, 제1풀리(151)와 제2풀리(152) 사이의 거리를 'x0'이라 하면, 초기 케이블 길이(L1)는 [수학식 2]와 같이 표현될 수 있으며, 드럼(110)의 1회전에 대한 총 케이블의 길이(L)는 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 2]

[수학식 3]

[수학식 3]을 참고하면, 드럼(110)에 케이블(1)의 권출 또는 권취가 이루어지는 경우에 케이블의 이탈이 발생되지 않기 위해서는 드럼(110)의 회전에 의한 제1풀리(151)와 제2풀리(152) 사이의 길이 변화

가 발생될 때, L1과 L의 차이를 보정하기 위하여 장력조절부(130)에 의해

만큼 케이블(1)의 길이의 조정이 이루어지면 케이블(1)의 장력이 일정하게 유지될 수가 있다. 이때, 드럼(110)에 케이블(1)이 감기는 방향과 제2풀리(152)가 같은 방향으로 움직이면 '+' 부호를, 반대 방향으로 움직이면 '-' 부호를 취하여 보정이 이루어진다.

따라서 본 발명 구동력전달부는 이러한 조건이 만족될 수 있도록 드럼(110)의 회전 운동과 연동되어 구동롤러(131)를 회전 구동함으로써 케이블(1)의 장력을 일정하게 유지할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 윈치모듈의 요부 구성도이다.

도 3을 참고하면, 반경 'R'인 드럼(110)과 동일축 상에서 일체로 회전이 이루어지는 제1타이밍풀리(141)는 반경이 'r1'이며, 제2타이밍풀리(142)는 제1타이밍풀리(141)와 동일한 반경 'r1'을 가지며, 반경 'r'인 구동롤러(131)는 반경이 'r3'인 제3타이밍풀리(131a)가 마련된다.

제1타이밍풀리(141), 제2타이밍풀리(142) 및 제3타이밍풀리(131a)는 하나의 벨트(141a)에 의해 연결되어 회전 구동이 이루어지며, 이때, 각 풀리(141)(142)(131a)는 치형이 형성되어 체인 등과 같은 구동력 전달요소에 의해 구동력 전달이 이루어질 수도 있다.

앞서 설명한 것과 같이 케이블(1)의 장력을 일정하기 위한 조건을 도 3의 실시예에 적용하면 다음 [수학식 4]와 같이 두 개의 관계식으로 나타낼 수 있다.

[수학식 4]

[수학식 4]의 두 개 관계식으로부터 다음의 [수학식 5]를 얻을 수 있다.

[수학식 5]

따라서, [수학식 5]가 만족될 수 있도록 드럼(110)의 반경(R)과, 구동풀리(131)의 반경(r)과, 제1타이밍풀리(141), 제3타이밍풀리(131a) 등을 설정하여 드럼(110)의 회전 운동에 따라서 장력조절부(130)에 의해 케이블(1)의 장력이 일정하게 유지되어 케이블이 드럼(110)에서 이탈되는 것을 방지할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 윈치모듈의 바람직한 실시예를 보여주는 사시도이다.

도 4를 참고하면, 본 실시예에 따른 윈치모듈은, 베이스 프레임(101) 상부에 케이블(1)의 권취 또는 권출이 이루어지는 드럼(110)이 회동 가능하게 구비되며, 이 드럼(110)은 모터에 의해 정회전 또는 역회전 구동이 이루어진다.

드럼(110)에서 일체로 연장된 회전축과 연결되는 제1타이밍풀리(141)가 구비되며, 제1타이밍풀리(141)와 나란하게 제2타이밍풀리(142)가 배치된다. 바람직하게는, 도 3에서 설명한 것과 같이, 제1타이밍풀리(141)와 제2타이밍풀리(142)는 동일한 반경을 갖는다.

드럼(110)과 인접하여 케이블(1)을 안내하는 한 쌍의 구동롤러(131)와 피동롤러(132)가 구비되며, 구동롤러(131)와 동일축을 갖고 회전 가능한 제3타이밍풀리(131a)가 마련된다.

제1타이밍풀리(141), 제2타이밍풀리(142) 및 제3타이밍풀리(131a)는 벨트(141a)에 의해 연결되어 동기화되어 회전 구동이 이루어진다.

제2풀리(152)는 드럼(110) 상부에 배치되어 구동롤러(131)와 피동롤러(132)를 경유하여 드럼(110)으로 권취 또는 권출되는 케이블(1)의 위치를 안내하게 된다.

바람직하게는, 제2풀리(152)는 제2타이밍풀리(142)에 의해 드럼(110)을 따라서 전후 이동이 이루어지는 리니어 액추에이터에 의해 전후 구동이 이루어질 수 있으며, 본 실시예에서 제2풀리(152)는 드럼(110)과 나란하게 구비되어 제2타이밍풀리(142)에 축설되는 볼스크류(143)에 의해 전후 이동이 이루어지는 가동블록(153)에 고정된다.

바람직하게는, 가동블록(153)은 볼스크류(143)와 나란하게 구비되는 가이드레일(154)에 의해 전후 이동이 이루어진다.

이와 같이 구성된 제2풀리(152)는 제2타이밍풀리(142)의 회전 운동과 연동되어 드럼(110)을 따라서 전후 방향으로 이동하여 드럼(110)에 권취 또는 권출되는 케이블(1)의 위치를 안내하는 역할을 한다.

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

1 : 케이블 110 : 드럼
120 : 모터 130 : 장력조절부
131 : 구동롤러 131a : 제3타이밍풀리
132 : 피동롤러 141 : 제1타이밍풀리
141a : 벨트 142 : 제2타이밍풀리
142a : 샤프트 143 : 볼스크류
151 : 제1풀리 152 : 제2풀리
153 : 가동블록 154 : 가이드레일

Claims (5)

1. 엔드 이펙터에 연결된 케이블의 권취 또는 귄출이 이루어지는 윈치모듈에 있어서,
   케이블(1)의 권취 또는 권출이 이루어지는 드럼(110)과,
   상기 드럼(110)을 정회전 또는 역회전 구동하기 위한 모터(120)와;
   서로 접하여 회전 구동이 이루어지는 한 쌍의 구동롤러(131)와 피동롤러(132)로 이루어져 상기 드럼(110)으로 안내되는 케이블(1)에 일정 장력을 제공하기 위한 장력조절부(130)와;
   상기 드럼(110)과 동일한 회전축에 축설되어 회전 운동이 이루어지는 제1타이밍풀리(141)와, 상기 제1타이밍풀리(141)와 동일한 반경(r1)을 갖고 연동되어 상기 구동롤러(131)에 회전 운동을 전달하는 제2타이밍풀리(142)를 포함하여 상기 드럼(110)의 회전구동력을 상기 구동롤러(131)로 동기화하여 전달하는 구동력전달부와;
   상기 드럼(110)과 나란하게 구비되어 전후 이동하여 케이블(1)의 위치를 안내하게 되는 풀리(152)와;
   상기 제2타이밍풀리(142)의 회전 운동과 연동되어 상기 풀리(152)를 전후 구동하기 위한 리니어 액추에이터를 포함하며,
   상기 구동롤러(131)는, 동일한 회전축에 축설되어 회전 운동이 이루어지는 제3타이밍풀리(131a)를 더 포함하며, 상기 제1타이밍풀리(141), 상기 제2타이밍풀리(142) 및 상기 제3타이밍풀리(131a)는 하나에 구동력 전달요소에 의해 연결되어 회전 구동이 이루어지며, 상기 드럼(110)의 반경(R), 상기 제1타이밍풀리(141)의 반경(r1), 상기 제3타이밍풀리(131a)의 반경(r3) 및 상기 구동롤러(131)의 반경(r)은 다음의 수학식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 윈치모듈.
   [수학식]
   

   

   
   ; p는 드럼에 권취되는 케이블의 간격(피치).
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제

Images