KR101841171B1 - 가반하중 보상이 가능한 가변형 중력보상장치 및 이의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 로봇의 정해진 무게인 자중에 대한 보상뿐만 아니라 로봇에 의해 파지되는 변화되는 무게인 가반하중에 대한 보상이 이루어질 수 있도록 하되, 용이하게 보상토크를 변화시킬 수 있으며 자중 및 가반하중에 대한 적절한 보상토크를 발생시킬 수 있도록 하는 가반하중 보상이 가능한 가변형 중력보상장치 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.

Description

가반하중 보상이 가능한 가변형 중력보상장치 및 이의 제어 방법 {Adjustable counterbalance mechanism and control method thereof}
본 발명은 로봇의 정해진 무게인 자중에 대한 보상뿐만 아니라 로봇에 의해 파지되는 변화되는 무게인 가반하중에 대한 보상이 이루어질 수 있도록 보상토크를 변화시킬 수 있는 가반하중 보상이 가능한 가변형 중력보상장치 및 이의 제어 방법에 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 있다. 이러한 자중 보상 장치는 도 1과 같이 기대(1)에 일측이 회전 가능하도록 링크(2)가 결합되고, 스프링 부재(3)는 일단이 와이어(4)와 연결되어 와이어(4)가 기대(1)의 상측인 작용점(B)에 고정되며 스프링 부재(3)의 타단이 링크(2)에 고정되며, 와이어(4)는 링크(2)에 결합된 풀리(5)들 사이를 통과하도록 결합되어, 링크(2)의 회전에 따른 자중에 대한 보상토크를 발생시키도록 구성되어 있다.
그러나 상기와 같은 자중보상장치는 설계 당시 정해진 일정한 무게의 링크(또는 로봇 암)의 정해진 자중만을 보상할 수 있으므로, 링크의 무게가 변하거나 링크의 회전 중심으로부터 무게 중심까지의 거리가 변하거나 링크에 작용하는 가반 하중이 변하는 경우에 이에 대한 원활한 보상이 이루어질 수 없다. 즉, 변화되는 무게에 대하여 적절한 보상토크를 발생시키기 위해서는 스프링 부재를 교체하는 등의 번거로운 방법이 필요한 문제점이 있다.
JP 2003-181789 A (2003.07.02.)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 로봇의 정해진 무게인 자중에 대한 보상뿐만 아니라 로봇에 의해 파지되는 변화되는 무게인 가반하중에 대한 보상이 이루어질 수 있도록 하되, 용이하게 보상토크를 변화시킬 수 있으며 자중 및 가반하중에 대한 적절한 보상토크를 발생시킬 수 있도록 하는 가반하중 보상이 가능한 가변형 중력보상장치 및 이의 제어 방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가반하중 보상이 가능한 가변형 중력보상장치는, 기준면; 상기 기준면에 일단이 회동 가능하게 연결되어 회전중심을 형성하며, 무게중심이 상기 회전중심으로부터 이격되어 배치되는 링크; 상기 링크에 일단이 결합되는 탄성 수단; 상기 탄성 수단의 타단에 일측이 결합되고 타측이 기준면에 결합된 와이어; 상기 링크에 결합되어 와이어의 양단 사이를 지지하는 아이들 롤러; 및 상기 링크에 설치되어 아이들 롤러의 위치 및 탄성 수단의 탄성력을 조절할 수 있는 보상토크 조절부; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 탄성 수단은 링크의 길이방향을 따라 배치된 코일 스프링이며, 상기 코일 스프링의 초기 압축 거리에 따라 탄성력이 조절되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 링크에 결합되어 링크의 길이방향으로 이동 및 고정이 가능하며 상기 탄성 수단의 일단이 지지되는 스프링 고정면을 포함하여 이루어지며, 상기 아이들 롤러는 링크에 결합되되, 상기 링크의 길이방향을 따라 이동 및 고정이 가능하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 링크에 결합되어 링크의 길이방향을 따라 이동 및 고정이 가능하도록 형성되는 슬라이딩 블록을 포함하여 이루어져, 상기 슬라이딩 블록에 스프링 고정면이 결합되어 고정되고, 상기 슬라이딩 블록에 아이들 롤러가 결합되어 고정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 링크에 일측 또는 양측이 회전 가능하도록 결합되며 상기 슬라이딩 블록에 나사결합되는 리드 스크류를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 리드 스크류는 링크의 길이방향에 수직한 방향에 2개 이상 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 링크에 고정되며 리드 스크류에 연결되어, 상기 리드 스크류를 회전시키는 구동 모터를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 링크에 부착되는 무게 측정 센서를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명의 가반하중 보상이 가능한 가변형 중력보상장치의 제어 방법은, 기준면에 링크의 일단이 회동 가능하게 연결되어 회전중심을 형성하며, 상기 링크는 무게중심이 회전중심으로부터 이격되어 배치되며, 코일 스프링의 일단이 상기 링크에 결합되고 코일 스프링의 타단에 결합된 와이어가 기준면에 연결되되 링크에 결합된 아이들 롤러에 의해 와이어의 양단 사이가 지지되어, 링크가 회전중심을 기준으로 회전하는 경우 링크에 대한 보상토크를 발생시키되, 상기 링크에 설치된 보상토크 조절부에 의해 아이들 롤러의 위치 및 코일 스프링의 탄성력을 조절할 수 있는 가변형 중력보상장치를 제어하는 방법에 있어서, 상기 링크의 타단에 작용하는 무게가 증가하면 상기 코일 스프링의 초기 압축 거리(so) 및 상기 회전중심에서 와이어 지지점까지의 거리(b)가 함께 증가되도록 조절되며, 상기 링크의 타단에 작용하는 무게가 감소하면 상기 코일 스프링의 초기 압축 거리(so) 및 상기 회전중심에서 와이어 지지점까지의 거리(b)가 함께 감소되도록 조절되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 링크의 타단에 작용하는 무게의 변화에 따라, 상기 코일 스프링의 초기 압축 거리(so)와 상기 회전중심에서 와이어 지지점까지의 거리(b)가 서로 동일한 크기로 증가 또는 감소하도록 조절되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 링크의 타단에 작용하는 무게를 측정하여, 측정된 무게에 따라 보상토크가 수동 또는 자동으로 조절되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 가반하중 보상이 가능한 가변형 중력보상장치 및 이의 제어 방법은, 로봇에 의해 파지되는 무게인 가반하중의 변화에 대하여 용이하게 보상토크를 변화시킬 수 있으며, 가반하중에 대한 적절한 보상토크를 발생시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 로봇 암의 무게가 변하거나 로봇 암의 관절로부터 무게 중심까지의 거리가 변하는 경우에도 이에 대하여 적절한 보상토크를 발생시킬 수 있어 원활한 보상이 이루어질 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 기계적 자중 보상 장치를 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가반하중 보상이 가능한 가변형 중력보상장치를 나타낸 정면 개략도.
도 3은 도 2에서 본 발명에 따른 보상토크를 산출하기 위한 원리를 나타낸 개념도.
도 4는 본 발명에 따른 가반하중이 변하는 경우 보상토크 조절부의 작동을 비교하여 나타낸 정면 개략도.
도 5는 본 발명에 따른 가변무게의 무게가 기준무게에 비해 증가한 경우 및 링크가 수평이 되도록 회전된 경우를 나타낸 정면 개략도.
도 6은 본 발명에 따른 가변무게의 무게가 기준무게에 비해 감소한 경우 및 링크가 수평이 되도록 회전된 경우를 나타낸 정면 개략도.
도 7은 본 발명에 따른 중력토크 및 보상토크를 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명에 따른 구동 모터 및 무게 측정 센서가 장착된 보상토크 조절부를 나타낸 정면 개략도.
이하, 상기한 바와 같은 본 발명의 가반하중 보상이 가능한 가변형 중력보상장치 및 이의 제어 방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
[실시예]
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가반하중 보상이 가능한 가변형 중력보상장치를 나타낸 정면 개략도이고, 도 3은 도 2에서 본 발명에 따른 보상토크를 산출하기 위한 원리를 나타낸 개념도이며, 도 4는 본 발명에 따른 가반하중이 변하는 경우 보상토크 조절부의 작동을 비교하여 나타낸 정면 개략도이며, 도 5 및 도 6은 본 발명에 따른 가변무게의 무게가 기준무게에 비해 증가 또는 감소한 경우 및 링크가 수평이 되도록 회전된 경우를 나타낸 정면 개략도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 가반하중 보상이 가능한 가변형 중력보상장치는, 기준면(100); 상기 기준면(100)에 일단이 회동 가능하게 연결되어 회전중심(O)을 형성하며, 무게중심(M)이 상기 회전중심(O)으로부터 이격되어 배치되는 링크(200); 상기 링크(200)에 일단이 결합되는 탄성수단(410); 상기 탄성수단(410)의 타단에 일측이 결합되고 타측이 기준면(100)에 결합된 와이어(440); 상기 링크(200)에 결합되어 와이어(440)의 양단 사이를 지지하는 아이들 롤러(450); 및 상기 링크(200)에 설치되어 아이들 롤러(450)의 위치 및 탄성 수단(410)의 탄성력을 조절할 수 있는 보상토크 조절부(500); 를 포함하여 이루어질 수 있다.
우선, 기준면(100)은 고정되어 기준이 되는 부재이며, 지면 등에 설치되어 고정된 베이스가 기준면이 될 수도 있고 고정된 베이스에 기준면(100)이 결합되어 고정된 상태로 유지될 수 있다.
링크(200)는 로봇의 암에 해당되는 부분으로, 링크(200)의 길이방향 일단이 기준면(100)에 연결되되 회전 가능하도록 결합되어 회전중심(O)이 형성될 수 있다. 이때, 링크(200)가 회전되는 회전중심(O)을 형성하는 회전축은 중력방향에 수직인 지면에 대해 수평으로 형성될 수 있다. 그리고 링크(200)는 길이방향으로 길게 형성되어 무게중심(M)이 회전중심(O)으로부터 이격되어 배치될 수 있다.
탄성 수단(410)은 일단이 링크(200)에 결합되며, 타단에는 링크(200)의 길이방향을 따라 이동 가능한 스프링 블록(430)이 결합되고 스프링 블록(430)이 기준면(100)에 연결되어, 링크(200)가 회전됨에 따라 탄성력이 발생하여 보상토크를 발생시키는 역할을 할 수 있다. 이때, 링크(200)가 회전되는 각도에 따라 탄성 수단(410)에 의한 탄성력이 변하여, 링크(200)의 회전 각도에 따른 적절한 보상토크를 발생시킬 수 있다. 그리고 탄성 수단(410)은 링크(200)의 길이방향과 나란하게 배치될 수 있으며, 도시된 바와 같이 정면으로 바라본 도면상에서 탄성 수단(410)의 길이방향 중심축이 회전중심(O)을 향하도록 배치될 수 있다.
와이어(440)는 탄성 수단(410)과 기준면(100)을 연결하는 역할을 하며, 와이어(440)의 일측이 탄성 수단(410)의 타단에 결합된 스프링 블록(430)에 결합되고 와이어(440)의 타측이 기준면(100)의 기준점(S)에 결합될 수 있다. 이때, 기준면(100)에 외이어(440)가 결합되는 기준점(S)은 회전중심(O)으로부터 수직 상측의 위치에 형성될 수 있으며, 회전중심(O)을 기준으로 중력방향에 반대방향 상측에 형성될 수 있다.
아이들 롤러(450)는 링크(200)에 결합되며, 아이들 롤러(450)가 와이어(440)의 양단 사이에 배치되어 와이어(440)가 지지되도록 할 수 있다. 이때, 도시된 바와 같이 아이들 롤러(450)는 한 쌍으로 형성될 수 있으며, 한 쌍의 아이들 롤러(450) 사이를 통과하도록 와이어(440)가 삽입된 형태로 결합되어 아이들 롤러(450)에 의해 와이어(440)의 길이방향으로의 이동은 가능하나 그 이외의 이동은 제한될 수 있다. 또한, 탄성 수단(410)에 결합된 부분에서 아이들 롤러(450)까지의 부분에 해당되는 와이어(440)는 어떠한 경우에도 길이방향의 이동만 가능할 수 있다. 이에 따라 탄성 수단(410)에 결합된 부분에서 아이들 롤러(450)까지의 부분에 해당되는 와이어(440)에는 탄성 수단(410)에 의한 모든 탄성력이 장력으로 작용될 수 있다.
보상토크 조절부(500)는 링크(200)에 설치될 수 있고, 보상토크 조절부(500)에 의해 아이들 롤러(450)의 위치가 조절될 수 있으며, 보상토크 조절부(500)에 의해 탄성 수단(410)의 탄성력이 조절될 수 있다.
여기에서 링크(200)에 작용하는 보상토크는 아이들 롤러(450)가 배치된 와이어 지지점(I)과 기준점(S)을 연결하는 와이어(440)상에 걸리는 장력에 비례하며, 회전중심(O)으로부터 상기 와이어 지지점(I)과 기준점(S)을 연결하는 와이어(440)상에 수직인 거리인 모멘트 암(보상토크를 발생시키려는 힘이 회전중심으로부터 이격된 수직 거리)에 비례하게 된다. 이에 따라 보상토크 조절부(500)는 탄성 수단(410)에 의한 탄성력의 크기를 조절할 수 있으며, 아이들 롤러(450)의 위치를 조절하여 모멘트 암의 크기를 조절할 수 있다.
그리하여 본 발명의 가반하중 보상이 가능한 가변형 중력보상장치는, 로봇에 의해 파지되는 무게인 가반하중의 변화에 대하여 보상토크 조절부(500)를 이용해 용이하게 보상토크를 변화시킬 수 있으며, 가반하중에 대한 적절한 보상토크를 발생시킬 수 있는 장점이 있다. 또한, 로봇 암의 무게가 변하거나 로봇 암의 관절로부터 무게 중심까지의 거리가 변하는 경우에도 이에 대하여 적절한 보상토크를 발생시킬 수 있어 원활한 중력토크에 대핸 보상이 이루어질 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 탄성 수단(410)은 링크(200)의 길이방향을 따라 배치된 코일 스프링이며, 상기 코일 스프링의 초기 압축 거리에 따라 탄성력이 조절될 수 있다.
즉, 탄성 수단(410)은 코일 스프링이 될 수 있으며, 도시된 바와 같이 코일 스프링은 길이방향으로 압축되는 거리에 비례하여 탄성력의 크기가 달라지는 압축 코일 스프링이 될 수 있으며, 이외에도 인장 코일 스프링이 사용될 수도 있다. 여기에서 링크가 수직 상측을 향하도록 세워져 있는 경우에는 중력토크가 작용하지 않게 되는데, 이때 모멘트 암이 0이며 코일 스프링은 미리 특정한 거리만큼 압축되어 있는 상태가 될 수 있다. 그러므로 링크(200)의 타단쪽에 작용하는 가변무게(300)가 있는 경우(즉, 링크에 걸리는 무게가 달라지거나 변하는 경우) 코일 스프링이 초기에 압축된 거리인 초기 압축 거리(so)를 조절함으로써 코일 스프링의 탄성력이 조절될 수 있다. 이때, 가변무게(300)의 무게가 증가하면 코일 스프링의 초기 압축 거리(so)를 증가시켜 탄성력이 커지도록 함으로써 보상토크를 크게 할 수 있고, 반대로 가변무게(300)의 무게가 감소하면 코일 스프링의 초기 압축 거리(so)를 감소시켜 탄성력이 작아지도록 함으로써 보상토크를 작게 조절할 수 있다.
또한, 상기 보상토크 조절부(500)는, 상기 링크(200)에 결합되어 링크(200)의 길이방향으로 이동 및 고정이 가능하며 상기 탄성 수단(410)의 일단이 지지되는 스프링 고정면(420)을 포함하여 이루어지며, 상기 아이들 롤러(450)는 링크(200)에 결합되되, 상기 링크(200)의 길이방향을 따라 이동 및 고정이 가능하도록 형성될 수 있다.
즉, 탄성 수단(410)인 코일 스프링의 일단이 지지되도록 링크(200)에 스프링 고정면(420)이 결합될 수 있으며, 이때 스프링 고정면(420)은 링크(200)에 결합되되 링크(200)의 길이방향으로 이동이 가능하며 이동된 상태에서 위치의 고정이 가능하도록 링크(200)에 결합될 수 있다. 또한, 아이들 롤러(450) 역시 링크(200)에 결합될 수 있으며, 아이들 롤러(450)도 링크(200)에 결합되되 링크(200)의 길이방향으로 이동이 가능하며 이동된 상태에서 위치의 고정이 가능하도록 링크(200)에 결합될 수 있다. 이때, 스프링 고정면(420)과 아이들 롤러(450)는 링크(200)의 길이방향을 따라 직선으로 안내되어 이동될 수 있는 다양한 형태로 구성될 수 있다. 그리고 탄성 수단(410)인 코일 스프링의 타단은 와이어(440)에 결합되되, 코일 스프링의 타단에 스프링 블록(430)이 결합되도록 하고 스프링 블록(430)에 와이어가 결합되도록 할 수 있다. 그리하여 와이어(440)가 당겨지거나 느슨해질 때 스프링 브록(430)이 링크(200)의 길이방향을 따라 이동되면서 스프링 고정면(420)과 스프링 블록(430) 사이에서 코일 스프링이 압축되거나 복원될 수 있다.
[세부 실시예]
또한, 상기 보상토크 조절부(500)는, 상기 링크(200)에 결합되어 링크(200)의 길이방향을 따라 이동 및 고정이 가능하도록 형성되는 슬라이딩 블록(510)을 더 포함하여 이루어져, 상기 슬라이딩 블록(510)에 스프링 고정면(420)이 결합되어 고정되고, 상기 슬라이딩 블록(510)에 아이들 롤러(450)가 결합되어 고정될 수 있다.
즉, 슬라이딩 블록(510)이 링크(200)에 결합되되, 링크(200)의 길이방향을 따라 슬라이딩되어 이동 가능하도록 형성되고 이동된 상태에서 슬라이딩 블록(510)이 링크(200)에 고정 가능하도록 형성될 수 있다. 그리고 슬라이딩 블록(510)에 스프링 고정면(420)이 결합되어 고정되고 아이들 롤러(450)가 결합되어 고정될 수 있다. 그리하여 슬라이딩 블록(510)에 스프링 고정면(420)과 아이들 롤러(450)가 함께 결합되어 고정되어 있으므로, 슬라이딩 블록(510)을 이동시키면 스프링 고정면(420) 및 아이들 롤러(450)가 함께 이동될 수 있으며, 슬라이딩 블록(510)을 링크(200)에 고정시키면 스프링 고정면(420) 및 아이들 롤러(450)가 함께 고정될 수 있다.
또한, 상기 보상토크 조절부(500)는, 상기 링크(200)에 일측 또는 양측이 회전 가능하도록 결합되며 상기 슬라이딩 블록(510)에 나사결합되는 리드 스크류(520)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
즉, 리드 스크류(520)는 일측 또는 양측이 링크(200)에 회전 가능하도록 결합된 상태에서 슬라이딩 블록(510)에 나사결합되어, 리드 스크류(520)를 회전시키는 방향에 따라 슬라이딩 블록(510)이 링크(200)의 길이방향으로 일측 또는 타측 방향으로 이동되어 위치가 조절될 수 있다. 그리고 리드 스크류(520)는 링크(200)에 회전 가능하도록 결합되면서 링크(200)의 길이방향으로는 이동되지 않도록 위치가 고정될 수 있다. 또는 반대로 리드 스크류(520)가 링크(200)에 나사결합되어 리드 스크류(520)가 회전되면 길이방향으로 이동될 수 있도록 하고, 리드 스크류(520)에 슬라이딩 블록(510)이 결합되되 회전은 가능하면서 길이방향으로의 움직임이 고정되도록 결합될 수도 있다. 또한, 리드 스크류(520)는 일반적인 나사로 형성될 수도 있으며, 슬라이딩 블록(510)을 이동시켜 위치가 고정되도록 할 수 있는 다양한 형태로 형성될 수 있다. 그리하여 리드 스크류(520)를 이용해 슬라이딩 블록(510)을 링크(200)의 길이방향으로 용이하게 이동시킬 수 있고 슬라이딩 블록(510)의 위치를 정확하게 조절할 수 있으며, 위치가 조절된 후 변경된 위치에 그대로 고정될 수 있다.
또한, 상기 리드 스크류(520)는 링크(200)의 길이방향에 대해 수직한 방향쪽에 2개 이상 구비될 수 있다.
즉, 코일 스프링(410)이나 와이어(440)의 배치로 인해 리드 스크류(520)의 위치가 슬라이딩 블록(430)의 중심 위치를 밀어줄 수 있는 위치에 형성되기 어려울 수 있으므로, 리드 스크류(520)를 링크(200)의 길이방향에 대해 수직인 방향쪽인 높이방향이나 폭방향에 링크(200)와 나란하도록 2개 이상 배치할 수 있다. 그리하여 리드 스크류(520)가 다른 부품들과 간섭이 발생하지 않도록 할 수 있으며, 리드 스크류(520)를 조절하기 용이하도록 할 수 있다. 그리고 링크(200)의 외측에 돌출부(210)들을 형성하고 돌출부(210)에 리드 스크류(520)가 결합되도록 할 수 있으며, 슬라이딩 블록(510)에도 돌출된 형태의 돌출부를 형성하여 리드 스크류(520)가 결합되도록 할 수 있다.
또한, 상기 보상토크 조절부(500)는, 상기 링크(200)에 고정되며 리드 스크류(520)에 연결되어 상기 리드 스크류(520)를 회전시키는 구동 모터(530)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
즉, 리드 스크류(520)에는 스텝모터나 서보모터 등의 구동 모터(530, 액추에이터)가 연결되어 리드 스크류(520)를 용이하게 회전시킬 수 있으며 슬라이딩 블록(510)의 이동 위치를 정밀하게 조절할 수도 있다. 그리고 리드 스크류(520)가 2개 이상 구비되는 경우에는 리드 스크류(520)들이 서로 벨트나 기어 등 다양한 형태로 연결되어, 하나의 리드 스크류를 회전시키면 모든 리드 스크류들이 동일한 방향 및 각도로 회전되도록 할 수도 있다.
또한, 상기 보상토크 조절부(500)는, 상기 링크(200)에 부착되는 무게 측정 센서(540)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
즉, 링크(200)에 파지된 가변무게(300)의 무게를 측정할 수 있도록 링크(200)에 무게 측정 센서(540)가 부착될 수 있다. 그리하여 무게 변화를 측정하여 이에 따라 보상토크 조절부(500)를 조절하여 보상토크의 크기를 적절하게 조절할 수 있다. 이때, 도시된 바와 같이 무게 측정 센서(540)는 링크(200)의 타단에 설치될 수 있나, 이외에도 가변무게(300)의 무게를 측정할 수 있도록 링크(200)의 다른 위치될 수도 있으며, 기준면(100)이나 기준면(100)이 설치되는 베이스와 같은 부재들에 다양하게 설치될 수 있다.
[제어 방법 실시예]
그리고 본 발명의 가반하중 보상이 가능한 가변형 중력보상장치의 제어 방법은, 기준면(100)에 링크(200)의 일단이 회동 가능하게 연결되어 회전중심(O)을 형성하며, 상기 링크(200)는 무게중심(M)이 회전중심(O)으로부터 이격되어 배치되며, 코일 스프링(410)의 일단이 상기 링크(200)에 결합되고 코일 스프링(410)의 타단에 결합된 와이어(440)가 기준면(100)에 연결되되 링크(200)에 결합된 아이들 롤러(450)에 의해 와이어(440)의 양단 사이가 지지되어, 링크(200)가 회전중심(O)을 기준으로 회전하는 경우 링크에 대한 보상토크를 발생시키되, 상기 링크(200)에 설치된 보상토크 조절부(500)에 의해 아이들 롤러(450)의 위치 및 코일 스프링(410)의 탄성력을 조절할 수 있는 가변형 중력보상장치를 제어하는 방법에 있어서, 상기 링크(200)의 타단에 작용하는 무게가 증가하면 상기 코일 스프링(410)의 초기 압축 거리(so) 및 상기 회전중심(O)에서 와이어 지지점(I)까지의 거리(b)가 함께 증가되도록 조절되며, 상기 링크(200)의 타단에 작용하는 무게가 감소하면 상기 코일 스프링(410)의 초기 압축 거리(so) 및 상기 회전중심(O)에서 와이어 지지점(I)까지의 거리(b)가 함께 감소되도록 조절될 수 있다.
즉, 보상토크 조절부(500)에 의해 아이들 롤러(450)의 위치 및 코일 스프링(410)의 탄성력을 조절함으로써 가반하중의 무게에 따라 보상토크의 크기가 조절되도록 제어할 수 있다. 이때, 가변무게(300)의 무게가 증가하면 코일 스프링(410)의 초기 압축 거리(so)를 증가시키고 회전중심(O)에서 와이어 지지점(I)까지의 거리(b)가 함께 증가되도록 하여 보상토크가 커지도록 할 수 있다. 반대로 가변무게(300)의 무게가 감소하면 코일 스프링(410)의 초기 압축 거리(so)를 감소시키고 회전중심(O)에서 와이어 지지점(I)까지의 거리(b)도 함께 감소되도록 조절되어 보상토크가 작아지도록 할 수 있다. 여기에서 기준무게에 대해 코일 스프링(410)은 특정한 초기 압축 거리만큼 압축되어 있을 수 있으며, 초기 압축 거리(so)는 코일 스프링이 압축되어 있지 않은 상태의 길이와 코일 스프링에 예압이 가해져 압축된 상태의 길이의 차이가 될 수 있다. 그리하여 기준무게 보다 무게가 증가하면 상기 기준무게에 대한 코일 스프링의 초기 압축 거리보다 상대적으로 많이 압축되도록 코일 스프링(410)의 초기 압축 거리(so)를 증가시키고, 반대로 기준무게 보다 무게가 감소하면 상기 기준무게에 대한 코일 스프링의 초기 압축 거리보다 상대적으로 덜 압축되도록 코일 스프링(410)의 초기 압축 거리(so)를 줄일 수 있다.
보다 상세하게는 링크가 회전중심(O)을 기준으로 중력방향에 반대방향인 수직 상측방향에 대해 반시계 방향으로 θ만큼 회전되어 있는 상태를 가정하면, 그 상태에서 링크(200)가 움직이지 않고 그대로 정지해있어야 중력에 대한 보상이 정확하게 이루어지는 것이므로, 이를 위해서는 중력에 의해 회전중심(O)을 기준으로 링크(200)에 작용하는 중력토크{Tg(θ)}와 이에 대한 보상토크{Tc(θ)}는 같아야 한다. 그러므로 중력토크와 보상토크와의 관계식은 아래의 수식 1과 같이 계산될 수 있다.
[수식 1]
Figure 112016032869414-pat00001
여기에서,
θ : 링크가 회전중심을 기준으로 수직 상측방향으로부터 회전된 각도
a : 회전중심에서 기준점까지의 거리
b : 회전중심에서 와이어 지지점까지의 거리
c(θ) : 링크가 θ만큼 회전하였을 때 와이어 지지점에서 기준점까지의 거리
α : 회전중심에서 와이어 지지점을 잇는 선과 와이어 지지점에서 기준점을 잇는 선이 이루는 각도
so : 코일 스프링의 초기 압축 거리
m : 가변무게에 의해 무게중심에 작용하는 총 무게
g : 중력가속도
lc : 회전중심으로부터 무게중심까지의 거리
Fs(θ) : 코일 스프링의 압축에 의해 발생되는 힘(와이어에 걸리는 장력)
k : 코일 스프링의 탄성계수
그러므로 상기 수식을 이용해 이에 따른 코일 스프링(410)의 탄성계수(k)를 설정할 수 있고 코일 스프링(410)의 초기 압축 거리(so), 회전중심(O)에서 기준점(S)까지의 거리(a), 회전중심(O)에서 와이어 지지점(I)까지의 거리(b)를 설정할 수 있다. 그리고 가변무게(300)에 대하여 코일 스프링(410)의 초기 압축 거리(so) 및 상기 회전중심(O)에서 와이어 지지점(I)까지의 거리(b)가 함께 증가되거나 감소되도록 함으로써, 보상토크를 정밀하게 조절할 수 있다.
이때, 상기 링크(200)의 타단에 작용하는 무게의 변화에 따라, 상기 코일 스프링(410)의 초기 압축 거리(so)와 상기 회전중심(O)에서 와이어 지지점(I)까지의 거리(b)가 서로 동일한 크기로 증가 또는 감소하도록 조절될 수 있다.
이는 도 7에 도시된 그래프와 같이 링크(200)가 회전되는 각도에 따라 중력토크는 싸인(sine) 형태로 형성되므로, 이 싸인 형태의 중력토크를 완전히 보상하기 위해서 는 반드시 so = b - a 의 조건을 만족시켜야 한다. 즉, 링크(200)가 회전되는 각도인 θ가 0°인 경우, c(θ)가 0이며 기준점(S)은 고정되어 있으므로 a 값이 일정하다. 그러므로 so 와 b가 동일한 크기로 증가되거나 감소되도록 함으로써 변화되는 무게에 따른 중력토크에 대하여 방향은 반대이면서 크기가 동일한 보상토크를 발생시킬 수 있다. 이에 따라 링크가 θ만큼 회전되어 있는 상태를 가정하면, 그 상태에서 링크(200)가 움직이지 않고 그대로 정지해 있을 수 있다.
또한, 상기 링크(200)의 타단에 작용하는 무게를 측정하여, 측정된 무게에 따라 보상토크가 수동 또는 자동으로 조절될 수 있다.
즉, 무게 측정 센서(540)를 통해 가변무게(300)의 무게를 측정한 후 측정된 무게에 따라 적절한 보상토크가 발생하도록 보상토크 조절부(500)를 수동으로 조절하거나 리드 스크류(520) 및 구동 모터(530)를 이용해 자동으로 보상토크 조절부(500)가 조절되도록 할 수 있다. 이때, 구동 모터(530)와 무게 측정 센서(540)는 제어부에 연결되어 작업자가 수동으로 보상토크를 조절할 수 있거나 자동으로 보상토크가 조절되도록 할 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.
100 : 기준면 S : 기준점
200 : 링크 O : 회전중심
210 : 돌출부
300 : 가변무게 M : 무게중심
410 : 탄성 수단(코일 스프링) 420 : 스프링 고정면
430 : 스프링 블록 440 : 와이어
450 : 아이들 롤러 I : 와이어 지지점
500 : 보상토크 조절부
510 : 슬라이딩 블록 520 : 리드 스크류
530 : 구동 모터 540 : 무게 측정 센서

Claims (11)

  1. 기준면;
    상기 기준면에 일단이 회동 가능하게 연결되어 회전중심을 형성하며, 무게중심이 상기 회전중심으로부터 이격되어 배치되는 링크;
    상기 링크에 일단이 결합되며, 타단에 링크의 길이방향을 따라 이동 가능한 스프링 블록이 결합된 탄성 수단;
    상기 스프링 블록에 일측이 결합되고 타측이 기준면에 결합된 와이어;
    상기 링크에 결합되어 와이어의 양단 사이를 지지하는 아이들 롤러; 및
    상기 링크에 설치되어 아이들 롤러의 위치 및 탄성 수단의 탄성력을 조절할 수 있는 보상토크 조절부; 를 포함하고,
    상기 탄성 수단은 링크의 길이방향을 따라 배치된 코일 스프링이며, 상기 코일 스프링의 초기 압축 거리에 따라 탄성력이 조절되며,
    상기 보상토크 조절부는,
    상기 링크에 결합되어 링크의 길이방향으로 이동 및 고정이 가능하며 상기 탄성 수단의 일단이 지지되는 스프링 고정면을 포함하여 이루어지며, 상기 아이들 롤러는 링크에 결합되되 상기 링크의 길이방향을 따라 이동 및 고정이 가능하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 가반하중 보상이 가능한 가변형 중력보상장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 보상토크 조절부는,
    상기 링크에 결합되어 링크의 길이방향을 따라 이동 및 고정이 가능하도록 형성되는 슬라이딩 블록을 더 포함하여 이루어져,
    상기 슬라이딩 블록에 스프링 고정면이 결합되어 고정되고, 상기 슬라이딩 블록에 아이들 롤러가 결합되어 고정되는 것을 특징으로 하는 가반하중 보상이 가능한 가변형 중력보상장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 보상토크 조절부는,
    상기 링크에 일측 또는 양측이 회전 가능하도록 결합되며 상기 슬라이딩 블록에 나사결합되는 리드 스크류를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가반하중 보상이 가능한 가변형 중력보상장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 리드 스크류는 링크의 길이방향에 수직한 방향에 2개 이상 구비되는 것을 특징으로 하는 가반하중 보상이 가능한 가변형 중력보상장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 보상토크 조절부는,
    상기 링크에 고정되며 리드 스크류에 연결되어 상기 리드 스크류를 회전시키는 구동 모터를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가반하중 보상이 가능한 가변형 중력보상장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 보상토크 조절부는,
    상기 링크에 부착되는 무게 측정 센서를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가반하중 보상이 가능한 가변형 중력보상장치.
  9. 기준면에 링크의 일단이 회동 가능하게 연결되어 회전중심을 형성하며, 상기 링크는 무게중심이 회전중심으로부터 이격되어 배치되며, 코일 스프링의 일단이 상기 링크에 결합되고 코일 스프링의 타단에 결합된 와이어가 기준면에 연결되되 링크에 결합된 아이들 롤러에 의해 와이어의 양단 사이가 지지되어, 링크가 회전중심을 기준으로 회전하는 경우 링크에 대한 보상토크를 발생시키되, 상기 링크에 설치된 보상토크 조절부에 의해 아이들 롤러의 위치 및 코일 스프링의 탄성력을 조절할 수 있는 가변형 중력보상장치를 제어하는 방법에 있어서,
    상기 링크의 타단에 작용하는 무게가 증가하면 상기 코일 스프링의 초기 압축 거리(so) 및 상기 회전중심에서 와이어 지지점까지의 거리(b)가 함께 증가되도록 조절되며,
    상기 링크의 타단에 작용하는 무게가 감소하면 상기 코일 스프링의 초기 압축 거리(so) 및 상기 회전중심에서 와이어 지지점까지의 거리(b)가 함께 감소되도록 조절되는 것을 특징으로 하는 가반하중 보상이 가능한 가변형 중력보상장치의 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 링크의 타단에 작용하는 무게의 변화에 따라, 상기 코일 스프링의 초기 압축 거리(so)와 상기 회전중심에서 와이어 지지점까지의 거리(b)가 서로 동일한 크기로 증가 또는 감소하도록 조절되는 것을 특징으로 하는 가반하중 보상이 가능한 가변형 중력보상장치의 제어 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 링크의 타단에 작용하는 무게를 측정하여, 측정된 무게에 따라 보상토크가 수동 또는 자동으로 조절되는 것을 특징으로 하는 가반하중 보상이 가능한 가변형 중력보상장치의 제어 방법.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102402776B1 (ko) 2020-12-15 2022-05-30 중앙대학교 산학협력단 곡선형 레버를 갖는 가변 중력보상모듈
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Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102129317B1 (ko) * 2018-12-31 2020-07-03 중앙대학교 산학협력단 줄 꼬임 구동기
KR102548148B1 (ko) * 2021-08-17 2023-06-27 에이치엘만도 주식회사 파워 스티어링 장치
KR102609031B1 (ko) * 2021-10-27 2023-12-04 두산로보틱스 주식회사 로봇팔 중력 보상 구조 및 이를 포함하는 로봇팔
KR102611470B1 (ko) * 2022-03-31 2023-12-06 한국로봇융합연구원 로봇 다리 구조

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101332694B1 (ko) * 2011-05-18 2013-11-25 레드원테크놀러지 주식회사 중력 보상 기능을 가지는 햅틱 장치

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101332694B1 (ko) * 2011-05-18 2013-11-25 레드원테크놀러지 주식회사 중력 보상 기능을 가지는 햅틱 장치

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102402776B1 (ko) 2020-12-15 2022-05-30 중앙대학교 산학협력단 곡선형 레버를 갖는 가변 중력보상모듈
US11890752B2 (en) 2020-12-15 2024-02-06 Chung Ang University Industry Academic Cooperation Foundation Complex elastic unit for maximizing space utilization and elastic energy storage within limited space and variable gravity compensation module with the complex elastic unit and curved lever

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