KR101846083B1 - 로봇 핸드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로봇 핸드에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 로봇 핸드는, 손바닥 부분에 배치되어 복수의 손가락과 손목을 각각 연결하는 복수의 손허리뼈(Metacarpal bone);와, 상기 복수의 손허리뼈 사이에 각각 배치되고, 상기 복수의 손허리뼈를 각각 손허리뼈와 나란한 축으로 회동 가능하게 연결하는 IMC(Inter-Metacarpal)관절부; 및 상기 IMC관절부의 회동을 위한 구동력을 제공하는 관절구동부;를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 손을 오므리는 동작을 가능하게 하여 정밀 파지 능력을 향상시킬 수 있는 로봇 핸드가 제공된다.

Description

로봇 핸드{ROBOT HAND}

본 발명은 로봇 핸드에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 손을 오므리는 동작을 가능하게 하여 정밀 파지 능력을 향상시킬 수 있는 로봇 핸드에 관한 것이다.

로봇손은 인간의 손을 대체하기 위한 것으로, 크게 산업용 로봇손과 인간의 손동작을 모방한 휴머노이드 로봇손으로 구분할 수 있다. 산업용 로봇손으로 물체를 파지하는데 주로 사용되는 집게 형상의 그립퍼(Gripper)와 각종 공구가 부착되어 소정의 작업을 수행하는 엔드-이펙터(End effecter) 등이 있다. 이러한 산업용 로봇손은 특정한 동작을 수행하는 데는 유용하지만, 인간의 손과 같이 상황에 따른 다양한 동작을 할 수 없을 뿐만 아니라 의수 등에 사용하는 경우 사람들의 거부감이 크다는 단점이 있다.

휴머노이드 로봇손은 자연스러운 인간의 손동작을 모방한 것으로 의수 및 휴머노이드 로봇에 적용될 경우 사람들의 거부감이 적다. 휴머노이드 로봇손이 구비해야할 기본적인 동작으로는 손가락끝으로 물체를 집는 정밀파지(fingertip grasp), 손가락 및 손바닥 표면을 사용하여 물체를 강하게 움켜쥐는 강력파지(power grasp), 그리고 개별 손가락을 구부려 물체를 누르는 동작 등이 있다.

이러한 휴머노이드 로봇손에 관한 종래기술로 대한민국등록특허 제734,173호에 '내부 모터 구동형 15관절 로봇 손'이 개시되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 종래기술에 따른 로봇손은 엄지손가락(2)을 제외한 일반손가락(1)의 경우에는 제1마디(11), 제2마디(12) 및 제3마디(13)를 구비하고 있고, 각 마디가 시작되는 부분에는 베벨기어를 구비한 제1관절(21), 제2관절(22) 및 제3관절(23)을 구비하고 있다. 그리고, 베벨기어를 회전시켜 각 마디를 회전시키기 위한 모터(31,32,33)가 내장되어 있다.

엄지손가락(2)의 경우에는 제1마디(11') 및 제2마디(12')를 구비하고 있고, 각 마디가 시작되는 부분에는 베벨기어를 구비한 제1관절(21') 및 제2관절(22')을 구비하고 있다. 그리고, 베벨기어를 회전시켜 각 마디를 회전시키기 위한 모터(31',32')가 내장되어 있다.

그러나, 종래기술에 따른 로봇손은 엄지손가락(2)과 일반손가락(1)을 구부리거나 펼쳐 대상물을 파지 또는 파지해제하는 동작을 구현할 뿐, 손허리뼈사이관절(Inter-metacarpal joint)을 포함하지 않고 있기 때문에 사람 손과 같이 손을 오므리는 동작(cupping motion)이 불가능하다.

이러한 이유로, 기존의 로봇 핸드는 다수의 손가락 끝 부분을 한 점에 모으는 것이 불가능하여 정밀 파지 능력이 부족한 문제가 있다.

특허문헌 1. 대한민국 등록특허 제734,173호 (2007.06.25. 공개)

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 손을 오므리는 동작을 가능하게 하여 정밀 파지 능력을 향상시킬 수 있는 로봇 핸드를 제공함에 있다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 손바닥 부분에 배치되어 복수의 손가락과 손목을 각각 연결하는 복수의 손허리뼈(Metacarpal bone);와, 상기 복수의 손허리뼈 사이에 각각 배치되고, 상기 복수의 손허리뼈를 각각 손허리뼈와 나란한 축으로 회동 가능하게 연결하는 IMC(Inter-Metacarpal)관절부; 및 상기 IMC관절부의 회동을 위한 구동력을 제공하는 관절구동부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 핸드에 의해 달성된다.

여기서, 상기 IMC관절부는 인접 배치된 한 쌍의 손허리뼈 중 일측 손허리뼈에 연결되는 제1연결부와, 타측 손허리뼈에 연결되고 상기 제1연결부와 회동가능하게 연결되는 제2연결부를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제1연결부와 제2연결부는 "C"자형 브라켓과 상기 "C자형 브라켓에 회전가능하게 삽입 지지되는 샤프트로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 관절구동부는 정,역방향 구동력을 제공하는 구동원과, 다수 마련되는 IMC관절부 중 어느 하나의 제2연결부와 상기 구동원을 연결하여 구동력을 전달하는 동력전달부를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 관절구동부의 구동에 의해 다수의 IMC관절부가 서로 연동하도록 다수의 IMC관절부를 연결하는 연동부재;를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 연동부재는 인접 배치된 한 쌍의 IMC관절부를 연결하되, 일단은 일측 IMC관절부의 제1연결부에 연결되고 타단은 타측 IMC관절부의 제2연결부에 연결되어 일측 IMC관절부의 회동력을 타측 IMC관절부로 전달하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 연동부재는 중앙부분이 교차된 상태에서 일측 IMC관절부의 제1연결부와 타측 IMC관절부의 제2연결부를 연결하는 복수의 와이어로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 연동부재는 복수 마련되어 인접한 한 쌍의 IMC관절부를 각각 연결하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 손바닥 부분에 배치되는 다수의 손허리뼈 사이에 IMC관절을 부가하여 손을 오므리는 동작을 구현함으로써, 다수의 손가락 끝 부분을 한 점에 모을 수 있으므로 정밀 파지 능력을 향상시킬 수 있는 로봇 핸드가 제공된다.

또한, 다수의 손허리뼈가 서로 연동하도록 하여 구동제어를 간편하게 할 수 있는 로봇 핸드가 제공된다.

도 1은 종래의 로봇 손가락을 나타낸 사시도,
도 2는 본 발명 로봇 핸드의 사시도,
도 3은 본 발명 로봇 핸드의 주요부분 확대사시도,
도 4는 본 발명 로봇 핸드의 손바닥을 펼친 상태를 나타낸 평면도,
도 5는 본 발명 로봇 핸드의 손바닥을 오므린 상태를 나타낸 평면도이다.

설명에 앞서, 여러 실시예에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예에서는 제1실시예와 다른 구성에 대해서 설명하기로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 로봇 핸드에 대하여 상세하게 설명한다.

첨부도면 중, 도 2는 본 발명 로봇 핸드의 사시도이고, 도 3은 본 발명 로봇 핸드의 주요부분 확대사시도이다.

상기 도면에서 도시하는 바와 같은 본 발명 로봇 핸드는 손오므리기(Cupping motion) 동작을 구현할 수 있는 로봇 핸드에 관한 것으로서, 손허리뼈(110)와, IMC관절부(120)와 관절구동부(130) 및 연동부재(140)를 포함하여 구성된다.

상기 손허리뼈(Metacarpal bone)(110)는 손바닥의 일측에 배치되는 복수의 손가락(F)과 손바닥의 타측에 배치되는 손목을 각각 연결하는 바(bar) 형태로 이루어진다. 본 실시예에서는 4개의 손허리뼈(110)가 손바닥에 배치되는 것으로 예를 들고, 설명의 편의를 위해, 검지 손가락과 손목을 연결하는 제1 손허리뼈(110a)와, 중지 손가락과 손목을 연결하는 제2 손허리뼈(110b)와, 약지 손가락과 손목을 연결하는 제3 손허리뼈(110c) 및 소지 손가락과 손목을 연결하는 제4 손허리뼈(110d)로 구분하여 설명한다.

상기 IMC관절부(Inter-Metacarpal Joint)(120)는 상기 복수의 손허리뼈 사이에 각각 배치되고, 상기 복수의 손허리뼈를 각각 손허리뼈와 나란한 축으로 회동 가능하게 연결하는 것으로, 인접 배치되는 한 쌍의 손허리뼈(110) 사이에서 일측 손허리뼈(110)에 연결되는 "C"자 브라켓 형태의 제1연결부(121)와, 상기 "C"자 브라켓 형태의 제1연결부(121)에 회동가능하게 삽입 지지되는 샤프트 형태로 이루어지고 타측 손허리뼈(110)에 연결되는 제2연결부(122)를 포함하여 구성된다. 이러한 IMC관절부(120)는 상기 제1 손허리뼈(110a)와 제2 손허리뼈(110b) 사이에 배치되는 제1 IMC관절부(120a)와, 상기 제2 손허리뼈(110b)와 제3 손허리뼈(110c) 사이에 배치되는 제2 IMC관절부(120b) 및 상기 제3 손허리뼈(110c)와 제4 손허리뼈(110d) 사이에 배치되는 제3 IMC관절부(120c)로 구분하여 설명한다.

상기 관절구동부(130)는 상기 IMC관절부(120)의 회동을 위한 구동력을 제공하는 것으로, 구동력을 제공하는 구동원(131)과, 다수 마련되는 IMC관절부(120) 중 어느 하나의 제2연결부(122)를 정,역방향으로 회동시키도록 상기 구동원(131)과 제2연결부(122)를 연결하는 동력전달부(132)를 포함하여 구성된다. 상기 구동원(131)은 회동제어가 가능한 서보모터가 적용될 수 있으며, 상기 동력전달부(132)는 상기 제2연결부(122)와 구동축을 연결하는 와이어가 적용될 수 있다. 한편, 상기 동력전달부(132)는 구동원(131)의 정,역방향 회전구동력을 전달할 수 있도록 구동원(131)의 회전축과 제2연결부(122)의 회전중심 양측에 각각 배치되는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 상기 관절구동부(130)가 제1 IMC관절부(120a)에 연결되는 것으로 설명하였으나, 이에 제한하는 것은 아니다.

상기 연동부재(140)는 상기 관절구동부(130)의 구동에 의해 다수의 IMC관절부(120)가 서로 연동하도록 인접한 한 쌍의 IMC관절부(120)를 각각 연결하는 것으로, 인접 배치된 한 쌍의 IMC관절부(120)를 연결하되, 일단은 일측 IMC관절부(120)의 제1연결부(121)에 고정되고 타단은 타측 IMC관절부(120)의 제2연결부(122)에 고정되어 일측 IMC관절부(120)의 회동력을 타측 IMC관절부(120)로 전달하도록 구성된다. 또한, 상기 연동부재(140)는 상기 IMC관절부(120)가 관절구동부(130)의 구동방향과 동일한 방향으로 회동할 수 있도록 중앙 부분이 서로 교차된 상태에서 일측 IMC관절부(120)의 제1연결부(121)와 타측 IMC관절부(120)의 제2연결부(122)를 연결하는 복수의 와이어로 이루어질 수 있다. 이러한 연동부재(140)는 상기 제1 IMC관절부(120a)와 제2 IMC관절부(120b)를 연결하는 제1 연동부재(140a)와, 상기 제2 IMC관절부(120b)와 제3 IMC관절부(120c)를 연결하는 제2 연동부재(140b)로 구분하여 설명한다.

지금부터는 상술한 로봇 핸드의 제1실시예의 작동에 대하여 설명한다.

첨부도면 중, 도 4는 본 발명 로봇 핸드의 손바닥을 펼친 상태를 나타낸 평면도이고, 도 5는 본 발명 로봇 핸드의 손바닥을 오므린 상태를 나타낸 평면도이다.

상기 도면에서 도시하는 바와 같이, 제1 손허리뼈(110a)와 제2 손허리뼈(110b)는 제1 IMC관절부(120a)에 의해 회동가능하게 연결되고, 제2 손허리뼈(110b)와 제3 손허리뼈(110c)는 제2 IMC관절부(120b)에 의해 회동가능하게 연결되고, 제3 손허리뼈(110c)와 제4 손허리뼈(110d)는 제3 IMC관절부(120c)에 의해 회동가능하게 연결된다.

제1 손허리뼈(110a)와 제2 손허리뼈(110b) 사이에 배치된 제1 IMC관절부(120a)는 제1 손허리뼈(110a)에 연결된 제1연결부(121)와 상기 제1연결부(121)와 회동가능하게 연결되고 제2 손허리뼈(110b)에 연결된 제2연결부(122)로 구성되며, 제2연결부(122)는 관절구동부(130)에 의해 정,역 방향으로 회동한다.

구체적으로 제1 손허리뼈(110a) 측에 지지된 구동원(131)으로부터 제공되는 정,역방향 회전력은 동력전달부(132)를 통해 제1 IMC관절부(120a)의 제2연결부(122)에 전달되므로, 제2 손허리뼈(110b)는 상기 구동원(131)의 정,역방향 회전에 따라 제1 IMC관절부(120a)를 중심으로 하여 회동하게 된다.

또한, 제2 손허리뼈(110b)와 제3 손허리뼈(110c) 사이에 배치된 제2 IMC관절부(120b)는 제1 연동부재(140a)를 통해 상기 제1 IMC관절부(120a)와 연결되어 있으므로, 제1 IMC관절부(120a)에 가해진 구동원(131)의 회전 구동력이 제1 연동부재(140a)를 통해 제2 IMC관절부(120b)로 전달된다.

즉, 제1 IMC관절부(120a)의 제1연결부(121)와 제2 IMC관절부(120b)의 제2연결부(122)를 연결하는 복수의 와이어로 구성된 제1 연동부재(140a)는, 상기 구동원(131)이 정방향으로 회전하여 제2 손허리뼈(110b)가 일측 방향으로 회동하는 과정에서, 일측 와이어가 제1 IMC관절부(120a)의 제1연결부(121)에 감기면서 상기 제2 IMC관절부(120b)의 제2연결부(122)를 일측 방향으로 잡아당겨 회전시킨다.

한편, 구동원(131)이 역방향으로 회전하여 제2 손허리뼈(110b)가 타측 방향으로 회동하면, 제1 연동부재(140a)의 타측 와이어가 제1 IMC관절부(120a)의 제1연결부(121)에 감기면서 상기 제2 IMC관절부(120b)의 제2연결부(122)를 타측 방향으로 잡아당겨 반대방향으로 회전시킨다.

여기서, 상기 제1 IMC관절부(120a)의 제2연결부(122)와 제2 IMC관절부(120b)의 제2연결부(122)는 동일한 직경을 갖는 샤프트 형태로 이루어지고, 상기 제1 연동부재(140a)를 구성하는 복수의 와이어와 상기 제2 연동부재(140b)를 구성하는 복수의 와이어는 각각 엇갈리게 각각 엇갈리게 배치된다. 따라서, 상기 제2 IMC관절부(120b)는 제1 IMC관절부(120a)와 동일한 방향 및 동일한 각도로 회동하게 되며, 이로 인해 제3 손허리뼈(110c)는 제2 손허리뼈(110b)와 함께 연동하게 된다.

마찬가지로, 제2 IMC관절부(120b)와 제3 IMC관절부(120c)는 제2 연동부재(140b)에 의해 연결되어 있으므로, 제2 IMC관절부(120b)에 가해진 회전 구동력은 제2 연동부재(140b)를 통해 제3 IMC관절부(120c)로 전달되어, 제3 IMC관절부(120c)가 제2 IMC관절부(120b)와 동일한 각도로 회동하게 된다. 이러한 제3 IMC관절부(120c)와 제2 연동부재(140b)의 작용은 상술한 제2 IMC관절부(120b)와 제1 연동부재(140a)의 작용과 동일하므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

한편, 도 5와 같이 손바닥을 오므린 상태로부터 도 4와 같이 손바닥을 펼치는 동작은, 구동원의 역방향 회전 구동에 의해 이루어지는 것으로, 손바닥을 오므리는 과정과 회동 방향이 다를 뿐, 작용 원리는 동일하므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

상기와 같이, 제1 내지 제4 손허리뼈(110a,110b,110c,110d)가 제1 내지 제3 IMC관절부(120a,120b,120c)에 의해 회동함에 따라, 손을 오므리는 동작(cupping motion)을 구현할 수 있게 된다.

즉, 도 4와 같이 다수의 손허리뼈(110)가 나란하게 펼쳐진 상태에서, 손바닥의 일측에 배치된 다수의 손가락(F)을 구부리는 경우에는, 다수의 손가락(F) 끝 부분이 한 점에 모이지 않기 때문에 비교적 크기가 큰 대상물을 파지하기 용이하다.

반면, 도 5와 같이 IMC관절부(120)를 통해 다수의 손허리뼈(110)가 회동하여 손을 오므린 상태에서, 나란하게 배치된 다수의 손가락(F)을 구부리는 경우에는, 다수의 손가락(F) 끝 부분이 한 점에 모이기 때문에 크기가 작은 대상물을 잡기 용이하다.

구체적으로, 현존하는 로봇 핸드들 중에서 대표적인 독일 German Aerospace Center(DLR)의 Anthropomorphic DLR Hand, 이탈리아 University of Bologna의 UB Hand 4, 성균관대학교의 SKKU Hand 4는 IMC 관절이 존재하지 않기 때문에 손을 오므리는 동작이 불가능하고, 이 때문에 반경 20mm 이상의 비교적 큰 물체들은 여러 개의 손가락으로 파지하는 것이 가능하지만, 다수의 손가락 끝부분을 한 점에 모으는 동작이 불가능하기 때문에 작은 물체들은 파지가 불가능하다.

반면, 본 실시예에 따른 로봇 핸드는 IMC관절부(120)를 이용해 손허리뼈(110)를 회동시켜 손을 오므리는 동작을 구현할 수 있으며, 이로 인해 다수의 손가락의 끝부분을 한 점에 모을 수 있으므로 동전이나 카드를 용이하게 파지할 수 있다. 또한, 기존의 다른 로봇 핸드에서는 불가능한 펜을 잡는 것과 같은 정밀 동작 또한 구현이 가능하다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

110:손허리뼈, 110a:제1 손허리뼈, 110b:제2 손허리뼈,
110c:제3 손허리뼈, 110d:제4 손허리뼈, 120:IMC관절부,
121:제1연결부, 122:제2연결부, 120a:제1 IMC관절부,
120b:제2 IMC관절부, 120c:제3 IMC관절부, 130:관절구동부,
131:구동원, 132:동력전달부, 140:연동부재,
140a:제1 연동부재, 140b:제2 연동부재, F:손가락

Claims (8)

1. 삭제
2. 손바닥 부분에 배치되어 복수의 손가락과 손목을 각각 연결하는 복수의 손허리뼈(Metacarpal bone);
   상기 복수의 손허리뼈 사이에 각각 배치되고, 상기 복수의 손허리뼈를 각각 손허리뼈와 나란한 축으로 회동 가능하게 연결하는 IMC(Inter-Metacarpal)관절부; 및
   상기 IMC관절부의 회동을 위한 구동력을 제공하는 관절구동부;를 포함하며,
   상기 IMC관절부는 인접 배치된 한 쌍의 손허리뼈 중 일측 손허리뼈에 연결되는 제1연결부와, 타측 손허리뼈에 연결되고 상기 제1연결부와 회동가능하게 연결되는 제2연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 핸드.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 제1연결부와 제2연결부는 "C"자형 브라켓과 상기 "C"자형 브라켓에 회전가능하게 삽입 지지되는 샤프트로 이루어지는 것을 특징으로 하는 로봇 핸드.
4. 제 2항에 있어서,
   상기 관절구동부는 정,역방향 구동력을 제공하는 구동원과, 다수 마련되는 IMC관절부 중 어느 하나의 제2연결부와 상기 구동원을 연결하여 구동력을 전달하는 동력전달부를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 핸드.
5. 제 2항에 있어서,
   상기 관절구동부의 구동에 의해 다수의 IMC관절부가 서로 연동하도록 다수의 IMC관절부를 연결하는 연동부재;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 핸드.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 연동부재는 인접 배치된 한 쌍의 IMC관절부를 연결하되, 일단은 일측 IMC관절부의 제1연결부에 연결되고 타단은 타측 IMC관절부의 제2연결부에 연결되어 일측 IMC관절부의 회동력을 타측 IMC관절부로 전달하는 것을 특징으로 하는 로봇 핸드.
7. 제 6항에 있어서,
   상기 연동부재는 중앙부분이 교차된 상태에서 일측 IMC관절부의 제1연결부와 타측 IMC관절부의 제2연결부를 연결하는 복수의 와이어로 이루어지는 것을 특징으로 하는 로봇 핸드.
8. 제 6항에 있어서,
   상기 연동부재는 복수 마련되어 인접한 한 쌍의 IMC관절부를 각각 연결하는 것을 특징으로 하는 로봇 핸드.

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