KR101862023B1

KR101862023B1 - 적응형 파지가 가능한 로봇 핸드용 그리퍼

Info

Publication number: KR101862023B1
Application number: KR1020160081884A
Authority: KR
Inventors: 김병수; 이정호
Original assignee: (주)로보티즈
Priority date: 2016-06-29
Filing date: 2016-06-29
Publication date: 2018-05-30
Also published as: KR20180002950A; US9782902B1; CA3046772A1; WO2018004033A1

Abstract

본 발명은 적응형 파지가 가능한 로봇 핸드용 그리퍼에 관한 것이다.
본 발명의 일실시예는 적응형 파지가 가능한 로봇 핸드용 그리퍼로서, 하나 이상의 핑거를 가진 핑거부를 포함하며, 상기 핑거는, 일단이 케이싱에 회동 가능하게 고정된 제1 링크와, 일단이 상기 제1 링크의 타단과 조인트 결합된 제2 링크와, 일단이 상기 케이싱에 회동 가능하게 고정되며, 외부로부터 구동력을 전달받아 가동하는 제3 링크와, 일단이 상기 제3 링크의 타단과 조인트 결합된 제4 링크와, 상기 제2 링크의 타단 및 상기 제4 링크의 타단과 조인트 결합된 파지부재를 포함하며, 상기 제1 링크, 제2링크, 제3 링크, 제4 링크, 및 파지부재 중 두 개의 부재의 구동이 제한됨으로써, 집게 잡기와 감싸 잡기가 선택적으로 또는 순차적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 적응형 파지가 가능한 로봇 핸드용 그리퍼를 제공한다.

Description

적응형 파지가 가능한 로봇 핸드용 그리퍼{GRIPPER FOR ROBOT HAND CAPABEL OF ADAPTIVE GRASP}

본 발명은 적응형 파지가 가능한 로봇 핸드용 그리퍼에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다수개의 링크와 탄성부재를 이용하여 다양한 형태와 크기의 물체를 안정적으로 파지할 수 있는 로봇 핸드용 그리퍼에 관한 것이다.

현재 다양한 분야에서 로봇의 이용이 증대하고 있다. 특히 다관절 로봇은 산업자동화 공정, 부품의 조립과 이송, 물체의 선별, 의료 장비, 원격 조종 등의 다양한 분야에서 이용되고 있다. 또한, 범용 목적으로 사용되는 휴머노이드형 다관절 로봇의 개발도 이어지고 있다.

이러한 로봇, 특히 다관절 로봇의 말단은 로봇 핸드(robot hand)로 불리며, 로봇 핸드에는 보통 물체를 잡거나 고정하기 위한 그리퍼(gripper)가 장착된다. 그리퍼는 보통 한 쌍의 핑거(finger)로 이루어지며, 이 핑거의 동작 방식에 따라 그리퍼의 그립은 크게 집게 잡기와 감싸 잡기로 구분할 수 있다. 집게 잡기는 핀치 그립(pinch grip)으로도 불리며, 핑거의 끝단을 수직으로 유지하며 서로 접근하는 방식으로 물체를 파지하는 방식이다. 감싸 잡기는 인컨패싱 그립(encompassing grip)으로도 불리며, 관절구조 혹은 링크구조를 이용하여 물체를 감싸서 파지하는 방식이다.

그런데, 집게 잡기 방식은 물체가 육면체 형태이거나 그 크기가 일정한 경우가 아니라면 안정적으로 파지하기 힘든 문제가 있다.

그에 반해, 감싸 잡기 방식은 다양한 물체를 파지하는 것이 가능하기는 하나, 관절(링크)의 길이에 의해 파지할 수 있는 물체의 크기가 제한된다. 특히 원통형 물체를 파지하는 경우, 제한된 크기보다 작다면 물체의 파지가 어렵거나 파지가 가능하다 하더라도 적정한 그립력을 확보하기가 어렵다.

이를 해결하기 위해 그리퍼의 핑거를 교체하는 방식으로 링크의 길이를 조절하는 방법이 있을 수 있다. 그러나 이 경우 파지 가능한 물체의 크기 범위를 넓힐 수는 있으나, 그리퍼 자체의 허용 파지 스트로크를 감소시킬 수 있으며, 무엇보다 공정 비용과 시간을 낭비하게 된다.

대한민국 공개특허공보 제10-2012-0033611호 (2012. 04. 09. 공개) 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0089657호 (2015. 08. 05. 공개)

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 전술한 종래기술의 문제점을 해결하여, 적응형 파지가 가능한 로봇 핸드용 그리퍼를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 적응형 파지(adaptive grasp)가 가능한 로봇 핸드용 그리퍼(gripper)로서, 하나 이상의 핑거를 가진 핑거부를 포함하며, 상기 핑거는, 일단이 케이싱에 회동 가능하게 고정된 제1 링크와, 일단이 상기 제1 링크의 타단과 조인트 결합된 제2 링크와, 일단이 상기 케이싱에 회동 가능하게 고정되며, 외부로부터 구동력을 전달받아 가동하는 제3 링크와, 일단이 상기 제3 링크의 타단과 조인트 결합된 제4 링크와, 상기 제2 링크의 타단 및 상기 제4 링크의 타단과 조인트 결합된 파지부재를 포함하며, 상기 제1 링크, 제2링크, 제3 링크, 제4 링크, 및 파지부재 중 두 개의 부재의 구동이 제한됨으로써, 집게 잡기와 감싸 잡기가 선택적으로 또는 순차적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 적응형 파지가 가능한 로봇 핸드용 그리퍼를 제공한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1 링크와 제2 링크의 사이, 또는 상기 제2 링크와 파지부재의 사이에 제1 탄성 부재가 마련되어 파지방향으로 바이어스되고, 상기 제3 링크와 제4 링크의 사이, 또는 상기 제4 링크와 파지부재의 사이에 제2 탄성 부재가 마련되어 파지방향과 반대 방향으로 바이어스될 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 핑거부는 서로 대향하는 한 쌍의 핑거로 이루어질 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 한 쌍의 핑거는 물체와 접하는 접촉면을 가지고, 각 핑거에 마련된 접촉면은 상호 접촉 가능할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 한 쌍의 핑거는 서로 대향하는 브랜치를 가지고, 각 핑거의 브랜치는 물체와 접하는 접촉면을 가지며, 각 브랜치의 접촉면은 서로 교차하되 상호 접촉하지는 않을 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1 탄성 부재와 제2 탄성 부재는 토션 스프링 또는 코일 스프링일 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제3 링크는 모터 및 감속부를 통해 구동력을 전달받는 피동기어에 일체 또는 별개로 장착될 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 피동기어에는 절대 위치값이 센싱 가능한 위치 엔코더가 장착될 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 케이싱에는 상기 제3 링크의 구동을 제어하는 제어부가 내장될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 다수개의 링크와 탄성부재를 이용하여 다양한 형태와 크기를 가진 물체를 안정적으로 파지할 수 있는 로봇 핸드용 그리퍼를 제공할 수 있다.

또한, 그리퍼의 집게 잡기와 감싸 잡기 동작을 선택적으로 또는 순차적으로 구현함으로써, 허용 파지 스트로크를 감소시키지 않으면서도 높은 그립력으로 다양한 물체를 파지할 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 의한 로봇 핸드용 그리퍼의 사시도이다.
도 3은 도 1에 따른 그리퍼의 정면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 로봇 핸드용 그리퍼의 상세 구성도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 핸드용 그리퍼의 상세 구성도이다.
도 6은 그리퍼의 집게 잡기와 감싸 잡기 동작에 대한 개념 설명도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 로봇 핸드용 그리퍼의 집게 잡기 동작도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 로봇 핸드용 그리퍼의 적응형 파지 동작도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 로봇 핸드용 그리퍼의 구동 모듈을 설명한 구성도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 로봇 핸드용 그리퍼에 제어부가 장착된 모습을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 핸드용 그리퍼의 파지부 모습을 나타낸 사시도이다.
도 12는 도 11에 따른 그리퍼의 측면도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 의한 로봇 핸드용 그리퍼의 사시도, 도 3은 도 1에 따른 그리퍼의 정면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 로봇 핸드용 그리퍼(1)는 케이싱(200)에 장착된 한 쌍의 핑거(100a, 100b)를 포함한다. 케이싱(200) 내에는 모터, 감속부, 제어부 등이 내장되며, 이들과 전기적으로 연결하기 위한 케이블 등이 설치될 수도 있다.

그리퍼(1)는 물체를 잡기(파지) 위하여 로봇 핸드의 말단에 설치되며, 보통 다관절 로봇에 설치되어 물체/부품의 이송, 분류, 조립을 위시한 다양한 동작에 이용된다. 로봇, 로봇 핸드, 또는 다관절 로봇의 구조는 잘 알려져 있으므로, 이에 대한 상세 설명은 생략하기로 한다. 그리퍼(1)에는 물체, 부품, 조립품, 공구 등이 파지될 수 있는데, 이들을 통칭하여 "물체"라 하기로 한다.

도 3을 참조하면, 한 쌍의 핑거(100a, 100b)에는 각각 접촉면(101)이 마련되며, 이 접촉면(101) 사이에 물체가 파지될 수 있다. 이 접촉면(101)은 보통의 상태, 즉 물체를 잡기 전인 대기 상태에서는 서로 수평 대향하는 형태를 이루고 있다. 한편, 집게 잡기 동작에서는 접촉면(101) 사이에만 물체가 파지되는 것도 가능하나, 감싸 잡기 동작에서는 접촉면(101) 뿐만 아니라 링크에도 물체가 접촉하여 파지될 수 있다. 이에 대한 상세는 후술하기로 한다.

도면에서는 한 쌍의 핑거(100a, 100b)가 서로 대향하는 형태로 마련되고, 이러한 핑거(100a, 100b)에 의해 핑거부를 이루는 것으로 한다. 즉, 핑거부에는 한 쌍의 핑거(100a, 100b)가 포함될 수 있다. 그러나, 핑거부는 하나 이상의 핑거를 포함하는 것으로 충분하며, 예컨대 구동 가능한 1개의 핑거와 그에 대향하는 고정된 부재가 마련되는 것도 가능하고, 또한 3개 이상의 구동 가능한 핑거가 중심 라인을 중심으로 이격 배치되는 것도 가능하다. 따라서, 이러한 여러 가지 타입의 핑거부 구성이 가능하다는 의미에서, 어느 하나의 핑거를 설명할 때는 도면부호 100으로 나타내기로 한다. 또한, 각각의 핑거는 독립하여 회전 구동될 수도 있다. 이 경우 비대칭적인 구조를 갖는 물체를 효과적이고 안정적으로 파지하는 것이 가능하게 된다. 또한, 독립하여 회전 구동 가능한 핑거 구조를 이용하는 경우, 사용 환경에 따라 또는 작업자의 선택에 따라, 상이한 타입의 잡기 동작 모드로 변경되는 것도 가능하게 된다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 핑거의 구성과 동작을 살펴보기로 한다. 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 로봇 핸드용 그리퍼의 상세 구성도, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 핸드용 그리퍼의 상세 구성도이다.

먼저 도 4를 참조하면, 도시된 바와 같이, 핑거(100)는 서로 연결된 제1 링크(120), 제2 링크(130), 제3 링크(140), 제4 링크(150), 및 파지부재(110)를 포함한다. 즉, 본 발명에 따른 그리퍼의 핑거는 링크 구조(링키지)를 이룬다.

제1 링크(120)는, 그 일단이 케이싱(200)에 회동 가능하게 고정되며, 타단이 제2 링크(130)와 조인트 결합된다. 여기서, "회동 가능하게 고정"된다는 것은 그 위치는 고정되나 회전은 가능하게 결합되는 것을 의미하며, "조인트 결합"은 핀이나 축 또는 기타 방식으로 회전이 가능하게 결합되되, 공간 상의 위치가 고정되어 있지는 않은 것을 의미한다.

제2 링크(130)는, 그 일단이 제1 링크(120)의 타단과 조인트 결합되고, 타단이 파지부재(110)와 조인트 결합된다.

제3 링크(140)는, 그 일단이 케이싱(200)에 회동 가능하게 고정되며, 타단이 제4 링크(150)와 조인트 결합된다.

제4 링크(150)는, 그 일단이 제3 링크(140)의 타단과 조인트 결합되고, 타단이 파지부재(110)와 조인트 결합된다.

파지부재(110)에는 물체와 접하는 영역에 접촉부(111)가 일체 또는 별개 요소로서 마련될 수 있다. 이 접촉부(111)에서 물체와 접하는 접촉면(101)의 전부 또는 일부는 물체와의 그립력을 높이기 위한 재질로 마련될 수 있다.

전술한 파지부재(110), 제1 링크(120), 제2 링크(130), 제3 링크(140), 제4 링크(150), 및 케이싱(200)은 6절 링크 구조를 이루게 된다.

한편, 제1 링크(120)와 케이싱(200)의 결합부는 제1 조인트(102)에 의해 연결된다. 제1 조인트(102)는 핀이나 축과 같이 링크와는 별개의 요소일 수 있으며, 이와 달리 링크에 마련된 오목/볼록 결합부와 같이 링크와 일체화된 요소일 수도 있다. 이는 타 조인트도 마찬가지이다.

제1 링크(120)와 제2 링크(130)의 결합부는 제2 조인트(103)에 의해 연결되며, 제3 링크(140)와 케이싱의 결합부는 제3 조인트(105)에 의해 연결되고, 제3 링크(140)와 제4 링크(150)의 결합부는 제4 조인트(106)에 의해 연결된다. 또한, 제2 링크(130)와 파지부재(110)의 결합부는 제1 말단 조인트(104)에 의해 연결되고, 제4 링크(150)와 파지부재(110)의 결합부는 제2 말단 조인트(107)에 의해 연결된다.

제3 링크(140)의 중간 부분에는 핀 부재(108)가 마련될 수 있다. 이 핀 부재(108)는 케이싱(200)에 마련된 가이드 홈(210)을 따라 이동하여, 그 회동범위가 적절히 제약될 수 있다. 또한, 각 링크의 위치와 길이에 의해 허용 파지 스트로크만큼 제3 링크의 회전이 규제될 수 있다. 제3 링크(140)는 유일한 구동 링크이며, 나머지 링크는 모두 피동 링크이다. 제3 링크(140)는 모터, 액추에이터 등의 구동장치에 의해 구동력을 전달 받을 수 있으며, 그 상세는 후술하기로 한다. 도시된 바와 같이 제3 링크(140)는 구동방향(r)을 따라서 일정 범위 내에서 회동 가능하다.

한편, 전술한 파지부재(110), 각 링크(120, 130, 140, 150), 및 케이싱(200)은 6절 링크를 이루고, 제1 조인트(102) 및 제3 조인트(105)의 위치가 고정되므로, 모두 3개의 자유도가 존재한다. 따라서 2개의 잉여 자유도를 규제하기 위하여, 제1 링크(120), 제2링크(130), 제3 링크(140), 제4 링크(150), 및 파지부재(110) 중 두 개의 부재의 구동이 제한되도록 한다. 부재(또는 링크)의 구동이 제한되도록 하기 위하여, 인접한 각 부재의 사이에 탄성부재를 설치하여 어느 일측방향으로 바이어스되도록 할 수 있다. 예컨대, 케이싱(200)과 제1 링크(120)의 사이, 제1 링크(120)와 제2 링크(130)의 사이, 제2 링크(130)와 파지부재(110)의 사이, 제3 링크(140)와 제4 링크(150)의 사이, 및 제4 링크(150)와 파지부재(110)의 사이 중, 어느 2개소를 선택하여 그 부위에 탄성부재를 설치하여, 인접한 각 부재(링크)의 상호 운동을 규제할 수 있다. 이를 통해 핑거의 집게 잡기 및 감싸 잡기 동작이 선택적으로 또는 순차적으로 이루어질 수 있다. 이하에서는, 제1 링크(120)와 제2 링크(130)의 상호 운동, 및 제3 링크(140)와 제4 링크(150)의 상호 운동이 탄성 부재에 의해 각각 제약된느 실시예로 설명하기로 한다.

도 4를 참조하면, 제1 링크(120)와 제2 링크(130) 사이의 제2 조인트(103) 부위에 제1 토션 스프링(160)이 마련된다. 제1 토션 스프링(160)은 제1 링크(120)와 제2 링크(130)가 물체가 위치하는 방향, 즉 파지방향(d)으로 바이어스(bias)되도록 배치된다. 다만 제1 링크(120)와 제2 링크(130)가 정해진 각도 이상으로 바이어스되지 않도록 제1 링크(120)와 제2 링크(130)의 어느 하나 또는 양자에 제1 스토퍼(165)가 마련된다. 도 4에 의하면, 제1 링크(120)와 제2 링크(130)는 제1 토션 스프링(160)에 의해 탄성 지지되면서도, 제1 스토퍼(165)에 의해 대략 180도 정도의 각도로 유지된다. 이러한 유지 각도가 어느 하나의 수치로 정해지는 것이 아님은 당연하다.

이상에서는 제1 링크(120)와 제2 링크(130) 사이의 제2 조인트(103) 부위에 제1 토션 스프링(160)이 마련되는 구성을 설명하였으나, 이와 달리 제2 링크(130)와 파지부재(110) 사이의 제1 말단 조인트(104) 부위에 제1 토션 스프링(160)이 마련되어 제2 링크(130)와 파지부재(110)의 상대 운동을 탄성력으로 규제하는 것도 가능하다. 이에 따라 제1 스토퍼(165)의 설치 위치나 형상이 변경될 수 있음은 물론이다.

다음으로, 제3 링크(140)와 제4 링크(150) 사이의 제4 조인트(106) 부위에 제2 토션 스프링(170)이 마련된다. 제2 토션 스프링(170)은 제3 링크(140)와 제4 링크(150)가 파지방향(d)의 반대 방향으로 바이어스되도록 배치된다. 다만 제3 링크(140)와 제4 링크(150)가 정해진 각도 이상으로 바이어스되지 않도록 제3 링크(140)와 제4 링크(150)의 어느 하나 또는 양자에 제2 스토퍼(175)가 마련된다. 도 4에 의하면, 제3 링크(140)와 제4 링크(150)는 제2 토션 스프링(170)에 의해 탄성 지지되면서도, 제2 스토퍼(175)에 의해 대략 135도 정도의 각도로 유지된다. 이러한 유지 각도가 어느 하나의 수치로 정해지는 것이 아님은 당연하다.

이상에서는 제3 링크(130)와 제4 링크(150) 사이의 제4 조인트(106) 부위에 제2 토션 스프링(170)이 마련되는 구성을 설명하였으나, 이와 달리 제4 링크(150)와 파지부재(110) 사이의 제2 말단 조인트(107) 부위에 제2 토션 스프링(170)이 마련되어 제4 링크(150)와 파지부재(110)의 상대 운동을 탄성력으로 규제하는 것도 가능하다. 이에 따라 제2 스토퍼(175)의 설치 위치나 형상도 변경될 수 있음은 물론이다.

위 실시예에서는 링크 사이의 탄성력 바이어스를 위해 토션 스프링이 사용되었으나, 본 발명이 이러한 구성으로 한정되는 것은 아니다.

예컨대, 도 5를 참조하면, 제1 링크(120)와 제2 링크(130)의 사이에 제1 코일 스프링(161)이 장착되는 것도 가능하다. 제1 코일 스프링(161)의 일단(162)은 제1 링크(120)에 고정되고, 그 타단(163)은 제2 링크(130)에 고정됨으로써, 제1 링크(120) 및 제2 링크(130)가 파지방향(d)으로 바이어스될 수 있다.

또한, 제1 링크(120)의 타단 단부에는 파지방향(d) 외측을 향하여 돌출 형성된 제1 돌출부(121)가 마련되고, 제2 링크(130)의 일단 단부에는 파지방향(d) 외측을 향하여 돌출 형성된 제2 돌출부(131)가 마련된다. 이러한 제1 돌출부(121)와 제2 돌출부(131)는 제1 링크(120)와 제2 링크(130)가 일정 각도 이상으로 움직이지 못하도록 하며, 따라서 제1 돌출부(121)와 제2 돌출부(131)를 합하여 제1 스토퍼(165)로 볼 수 있다.

계속하여 도 5를 참조하면, 제3 링크(140)와 제4 링크(150)의 사이에 제2 코일 스프링(171)이 장착되는 것도 가능하다. 제2 코일 스프링(171)의 일단(172)은 제3 링크(140)에 고정되고, 그 타단(173)은 제4 링크(150)에 고정됨으로써, 제3 링크(140) 및 제4 링크(150)가 파지방향(d)의 반대 방향으로 바이어스될 수 있다. 전술한 바와 유사하게, 제2 코일 스프링(171)이 제3 링크(140)와 제4 링크(150)의 사이가 아닌, 제4 링크(150)와 파지부재(110)의 사이에 장착되는 것도 가능하다.

또한, 제3 링크(140)의 타단 단부에는 파지방향(d) 내측을 향하여 돌출 형성된 제3 돌출부(141)가 마련된다. 제3 돌출부(141)와 제4 링크(150)의 접촉에 의해, 제3 링크(140)와 제4 링크(150)가 일정 각도 이상으로 움직이지 못하도록 하며, 따라서 제3 돌출부(141)를 제2 스토퍼(175)로 볼 수 있다.

위 실시예에서는 스토퍼의 일례로서, 서로 결합되는 링크의 어느 하나 또는 양측에 돌출부가 마련되고, 이 돌출부에 의해 회동 각도가 제한되는 것으로 설명하였으나, 이러한 기능을 가지는 다른 구성이 사용될 수도 있음은 물론이다.

또한, 위 실시예에서는 링크 사이의 탄성력 바이어스를 위해 토션 스프링 또는 코일 스프링이 사용될 수 있음을 보였으며, 제1 토션 스프링(160)과 제1 코일 스프링(161)을 통칭하여 제1 탄성 부재로 칭하기로 한다. 마찬가지로 제2 토션 스프링(170)과 제2 코일 스프링(171)을 제2 탄성 부재로 칭하기로 한다. 제1 및 제2 탄성 부재로 다른 형태의 스프링 또는 탄성부재가 사용되거나, 상이한 스프링이 동시에 사용될 수 있음은 물론이다.

다음으로, 본 발명에 의한 로봇 핸드용 그리퍼의 동작에 대해 살펴보기로 한다. 도 6은 그리퍼의 집게 잡기와 감싸 잡기 동작에 대한 개념 설명도, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 로봇 핸드용 그리퍼의 집게 잡기 동작도, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 로봇 핸드용 그리퍼의 적응형 파지 동작도이다.

도 6의 (a)는 집게 잡기(pinch grip) 동작을 나타낸다. 한 쌍의 핑거(100a, 100b)가 서로 대향하는 방향(a 방향)으로 케이싱(200)에 대해서 병진 이동하고, 이에 의해 물체(O)가 파지된다.

집게 잡기 동작은 간단하고 쉽게 구현이 가능하나, 물체를 안정적으로 파지하기가 어렵고 파지 가능한 물체의 크기나 형태에도 제약이 많다.

다음으로, 도 6의 (b)는 감싸 잡기(encompassing grip) 동작을 나타낸다. 한 쌍의 핑거(100a, 100b)가 케이싱(200)에 대해 회전 방향(b 방향)으로 구동하고, 이에 의해 물체(O)가 파지된다.

감싸 잡기 동작은 다양한 형태의 물체를 파지할 수 있으나, 링크 길이에 의해 파지 가능한 물체의 크기가 제한되고, 허용 파지 스트로크에도 제한이 있다.

본 발명에 의한 로봇 핸드용 그리퍼는 위와 같은 집게 잡기와 감싸 잡기 동작이 선택적으로 이루어지거나, 또는 순차적으로 이루어짐으로써, 다양한 형태와 크기의 물체를 높은 그립력으로 안정적으로 파지하는 것이 가능하게 된다.

도 7 및 도 8은 본 발명의 실시예에 의한 로봇 핸드용 그리퍼의 링크 구조를 간략화하여 그 동작 과정을 설명한 도면이다.

도 7에는, 핑거(100)의 링크 구조를 이루는 제1 링크(120), 제2 링크(130), 제3 링크(140), 제4 링크(150), 및 파지부재(110)를 통해 집게 잡기 동작이 구현되는 모습이 나타나 있다. 이 도면에는 탄성 부재의 도시는 생략하였으나, 제1 및 제2 탄성부재에 의해 제1 링크(120)와 제2 링크(130)의 상대운동, 그리고 제3 링크(140)와 제4 링크(150)의 상대운동이 제한된다. 제1 조인트(102) 및 제3 조인트(105)는 미도시된 케이싱에 회동 가능하게 고정되고, 나머지 조인트(103, 104, 106, 107)는 자유 결합(조인트 결합)된다.

제1 조인트(102), 제1 말단 조인트(104), 제3 조인트(105), 제2 말단 조인트(107)로 이루어진 내부 형상(도면에서 점선으로 표시)은 평행 사변형을 이루며, 이러한 형상에 의해 집게 잡기 동작이 이루어진다.

즉, 도 7의 (a)의 상태에서, 핑거(100)의 제3 링크(140)가 구동방향(r)을 따라 회동함으로써, 파지부재(110)가 파지방향(d)으로 이동하면 도 7의 (b)의 상태가 되는데, 도 7의 (a)와 (b)의 경우 모두 내부 형상이 평행 사변형을 이루기 때문에, 파지부재(110)가 물체(O)와 접하는 각도가 일정하게 유지된다. 이러한 집게 잡기 동작은 물체(O)가 육면체 등의 다면체 형상일 때의 그립에 유리하다.

다음으로, 도 8을 참조하여 원통형 형상의 물체(O)를 파지하는 동작을 설명한다. 먼저, 도 8의 (a)와 같이 원통형 물체(O)가 핑거(100)의 제1 링크(120)와 제1 접촉점(P1)에서 접하게 된다.

이어서, 제3 링크(140)를 계속해서 물체 측으로 회전 구동시키게 되면, 도 8의 (b)에서와 같이 물체(O)가 제2 링크(130)와도 제2 접촉점(P2)에서 접하게 된다.

계속해서 제3 링크(140)를 더욱 물체 측으로 회전시키게 되면, 도 8의 (c)에서와 같이 물체(O)가 파지부재(110)의 접촉면(101)의 제3 접촉점(P3)에서 접하게 된다. 이상에서는 물체(O)와의 접촉이 제1 접촉점(P1), 제2 접촉점(P2) 및 제3 접촉점(P3)의 순서로 발생하는 것으로 설명하였으나, 물체(O)의 크기와 초기 위치 등에 따라 접촉 순서가 변경되는 것도 가능하다. 예컨대, 제2 접촉점(P2), 제1 접촉점(P1), 및 제3 접촉점(P3)의 순서로 물체(O)와 접촉하거나, 제2 접촉점(P2), 제3 접촉점(P3), 및 제1 접촉점(P1)의 순서로 물체(O)와 접촉할 수 있다. 물론 위와 다른 순서로 물체(O)와의 순차적 접촉이 이루어질 수도 있다. 또한, 예컨대 물체(O)가 제1 접촉점(P1)과 제2 접촉점(P2)에 동시에 접하는 것과 같이 순차 접촉이 아닌 동시 접촉 동작도 가능하다.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 로봇 핸드용 그리퍼에서는 6절 링크 구조를 채택함으로써, 감싸 잡기 동작이 가능하게 되며, 특히 탄성 부재의 작용에 의해 하나의 핑거(100)가 원통형 물체(O)와 3곳 이상의 접촉점에서 그립이 이루어질 수 있다. 이에 따라 높은 그립력으로 안정적으로 물체(O)를 파지할 수 있게 된다. 특히 제1 링크(120)와 제2 링크(130)가 서로 분절되어 있기 때문에 링크 자체의 교체 없이도 보다 작고 복잡한 물체를 안정적으로 파지할 수 있으며, 따라서 상대적으로 높은 허용 파지 스트로크를 실현할 수 있다. 즉, 보다 큰 물체 또는 보다 작은 물체도 쉽게 안정적으로 파지할 수 있게 된다.

이와 같이 본 발명에 의한 로봇 핸드용 그리퍼에서는 집게 잡기 동작은 물론 감싸 잡기 동작이 선택적으로 또는 순차적으로 이루어질 수 있으며, 이러한 다기능 파지 동작이 가능하다는 의미에서 적응형 파지(adaptive grasp)로 칭하기로 한다.

다음으로, 제3 링크의 구동 과정을 설명하기로 한다. 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 로봇 핸드용 그리퍼의 구동 모듈을 설명한 구성도, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 로봇 핸드용 그리퍼에 제어부가 장착된 모습을 나타낸 도면이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 케이싱 내에는 구동원인 모터(10), 감속부(20), 및 피동기어(30)가 설치된다. 감속부(20)는 모터(10)로부터 전달되는 구동력을 피동기어(30)로 전달하며, 속도를 낮추고 토크는 증대시키기 위하여 2단 이상의 기어부 연결로 구현될 수 있다.

피동기어(30)에는 제3 링크(140)가 일체로 또는 별개로 고정 장착되며, 이러한 피동기어(30)의 회전에 따라 제3 링크(140)의 회동 동작이 이루어지고, 이에 의해 그리퍼의 잡기 동작이 이루어질 수 있다. 피동기어(30)와 제3 링크(140)가 일체로 고정된다는 것은, 피동기어(30)와 제3 링크(140)가 하나의 구성요소로 제작될 수 있음을 의미한다.

위 실시예에서 감속부(20)로는 일반 원통형 기어는 물론, 웜 기어, 랙-피니언, 유성 기어 등이 사용될 수 있다.

한편, 피동기어(30)에는 위치 엔코더(40)가 장착될 수 있다. 이 위치 엔코더(40)는 피동기어(30)의 회전각도의 절대 위치값을 센싱할 수 있으며, 센싱된 절대 위치값을 피드백하여 링크의 위치 피드백이 가능하게 된다.

또한, 케이싱의 내부에는 제어부(50)가 내장될 수 있다. 도 9 및 도 10을 참조하면, 제3 링크(140)의 구동을 제어하는 제어부(50)는 제어보드의 형태로 마련될 수 있으며, 이러한 제어부(50)는 케이싱의 내부에 내장됨으로써, 그리퍼(1)가 독립 구동이 가능한 통합형 그리퍼로서 작용하게 된다. 제어부(50)는 외부와 무선 또는 유선으로 통신 연결되기 위한 인터페이스를 가질 수 있다.

이상 설명한 실시예에서 핑거부(100)는 서로 대향하는 한 쌍의 핑거(100a, 100b)로 이루어져 있다(도 1 및 도 4 등 참조). 여기서, 한 쌍의 핑거(100a, 100b)는 각각 물체와 접하는 접촉면(101)을 가진다. 각 핑거(100a, 100b)에 마련된 접촉면(101)은 상호 접촉 가능하며, 이는 물체가 없는 경우에 각 핑거(100a, 100b)의 접촉면(101)이 실제로 서로 접촉할 수 있다는 것을 의미한다.

그러나 핑거부(100)의 구성이 위 실시예로 한정되는 것은 아니므로, 이에 대해 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇 핸드용 그리퍼의 파지부 모습을 나타낸 사시도, 도 12는 도 11에 따른 그리퍼의 측면도이다.

본 실시예에 따른 그리퍼(1)는 케이싱(200)에 연결된 한 쌍의 핑거(300a, 300b)를 가진다. 이 한 쌍의 핑거(300a, 300b)는 서로 대향하는 브랜치(310, 320; 330)를 가지고, 각 핑거의 브랜치(310, 320; 330)는 물체와 접하는 접촉면(311, 321; 331)을 각각 가진다. 각 브랜치(310, 320; 330)의 접촉면(311, 321; 331)은 서로 교차하되 상호 접촉하지는 않는다. 즉, 본 실시예에서는 1개 또는 2개 이상의 브랜치(310, 320, 330)가 조합되어 하나의 파지부재를 이루는 것으로 볼 수 있다. 또한, 파지부재 또는 브랜치는 다양한 형상과 수를 가지고 교체 가능한 옵션형으로 마련되는 것도 가능하다. 즉, 물체의 형상이나 크기, 로봇 핸드의 용도 등에 따라 적절한 파지부재 또는 브랜치를 사용하거나 교체 또는 변경하는 것이 가능하다.

도 11을 참조하면, 도면에서 좌측에 위치하는 어느 하나의 핑거(300a)는 2개의 브랜치(310, 320)로 이루어진 파지부재 구조를 갖는다. 그에 반하여 도면에서 우측에 위치하는 다른 하나의 핑거(300b)는 1개의 브랜치(330)로 이루어진 파지부재 구조를 갖는다. 이들 브랜치(310, 320, 330)에는 각각 물체와 접하는 접촉면(311, 321, 331)이 마련되며, 좌측 핑거(300a)의 브랜치(310, 320)에 마련된 접촉면(311, 321)과 우측 핑거(300b)의 브랜치(330)에 마련된 접촉면(331)은, 도 12에서와 같이, 물체가 없는 경우에, 서로 교차하되 상호 접촉하지는 않는다. 이러한 구조를 가짐으로써, 보다 작은 물체에 대해서 감싸 잡기 동작이 가능하게 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 로봇 핸드용 그리퍼에서는 6절 링크 구조와 탄성 부재를 이용하여, 다양한 형태와 크기를 가진 물체에 대해 집게 잡기 동작 및 감싸 잡기 동작이 선택적으로 또는 순차적으로 이루어지게 된다. 즉, 적응형 파지가 가능하다. 이러한 적응형 파지를 통해 그립력이 증대하고, 허용 파지 스트로크가 커지게 된다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1 로봇 핸드용 그리퍼 10 모터
20 감속부 30 피동기어
40 위치 엔코더 50 제어부
100 핑거부 100a, 100b 핑거
110 파지부재 111 접촉부
101 접촉면 120 제1 링크
130 제2 링크 140 제3 링크
150 제4 링크 102 제1 조인트
103 제2 조인트 104 제1 말단 조인트
105 제3 조인트 106 제4 조인트
107 제2 말단 조인트 108 핀부재
160 제1 토션 스프링 165 제1 스토퍼
170 제2 토션 스프링 175 제2 스토퍼
161 제1 코일 스프링 171 제2 코일 스프링
200 케이싱 210 가이드 홈
300a, 300b 핑거

Claims

적응형 파지(adaptive grasp)가 가능한 로봇 핸드용 그리퍼(gripper)로서,
하나 이상의 핑거를 가진 핑거부를 포함하며,
상기 핑거는,
일단이 케이싱에 회동 가능하게 고정된 제1 링크와,
일단이 상기 제1 링크의 타단과 조인트 결합된 제2 링크와,
일단이 상기 케이싱에 회동 가능하게 고정되며, 외부로부터 구동력을 전달받아 가동하는 제3 링크와,
일단이 상기 제3 링크의 타단과 조인트 결합된 제4 링크와,
상기 제2 링크의 타단 및 상기 제4 링크의 타단과 조인트 결합된 파지부재를 포함하며,
상기 제1 링크, 제2링크, 제3 링크, 제4 링크, 및 파지부재 중 두 개의 부재의 구동이 제한됨으로써, 집게 잡기와 감싸 잡기가 선택적으로 또는 순차적으로 이루어지며,
상기 제1 링크와 제2 링크의 사이, 또는 상기 제2 링크와 파지부재의 사이에 제1 탄성 부재가 마련되어 파지방향으로 바이어스되고,
상기 제3 링크와 제4 링크의 사이, 또는 상기 제4 링크와 파지부재의 사이에 제2 탄성 부재가 마련되어 파지방향과 반대 방향으로 바이어스되는 것을 특징으로 하는, 적응형 파지가 가능한 로봇 핸드용 그리퍼.
삭제
제1항에 있어서,
상기 핑거부는 서로 대향하는 한 쌍의 핑거로 이루어진 것을 특징으로 하는, 적응형 파지가 가능한 로봇 핸드용 그리퍼.
제3항에 있어서,
상기 한 쌍의 핑거는 물체와 접하는 접촉면을 가지고, 각 핑거에 마련된 접촉면은 상호 접촉 가능한 것을 특징으로 하는, 적응형 파지가 가능한 로봇 핸드용 그리퍼.
제3항에 있어서,
상기 한 쌍의 핑거는 서로 대향하는 브랜치를 가지고, 각 핑거의 브랜치는 물체와 접하는 접촉면을 가지며, 각 브랜치의 접촉면은 서로 교차하되 상호 접촉하지는 않는 것을 특징으로 하는, 적응형 파지가 가능한 로봇 핸드용 그리퍼.
제1항에 있어서,
상기 제1 탄성 부재와 제2 탄성 부재는 토션 스프링 또는 코일 스프링인 것을 특징으로 하는, 적응형 파지가 가능한 로봇 핸드용 그리퍼.
제1항에 있어서,
상기 제3 링크는 모터 및 감속부를 통해 구동력을 전달받는 피동기어에 일체 또는 별개로 장착되는 것을 특징으로 하는, 적응형 파지가 가능한 로봇 핸드용 그리퍼.
제7항에 있어서,
상기 피동기어에는 절대 위치값이 센싱 가능한 위치 엔코더가 장착되는 것을 특징으로 하는, 적응형 파지가 가능한 로봇 핸드용 그리퍼.
제1항에 있어서,
상기 케이싱에는 상기 제3 링크의 구동을 제어하는 제어부가 내장되는 것을 특징으로 하는, 적응형 파지가 가능한 로봇 핸드용 그리퍼.