KR101876897B1 - 밸런서 장치 - Google Patents

Abstract

제1 암(4)과 수평 방향으로 연장되는 제1 축선(L1)을 중심 축으로 가지는 베어링 부재(53)를 통해 제1 암(4)의 기단부를 회동 가능하게 지지하는 암 지지부(32)를 포함하는 로봇(100)에 설치되고, 제1 각도 위치(P1)와 수직 방향에 대한 경사가 제1 각도 위치보다 큰 제2 각도 위치(P2) 사이에서 제1 암에 작용하는 중력에 의해 발생하는 제1 축선을 중심으로 하는 토크와는 반대 방향의 제1 축선을 중심으로 하는 토크를 탄성적 신장 또는 탄성적 수축에 의해 제1 암에 발생시키는 가스 스프링 기구(11)를 포함하는 밸런서 장치로서, 제1 단부(1a)가 제1 암으로부터 독립적인 밸런서 연결부(33)에 수평 방향으로 연장되는 제2 축선(L2)을 중심으로 회동 가능하게 연결되고, 제2 단부(1b)가 제1 암에 설치되어 있는 밸런서 연결부(43)에 수평 방항으로 연장되는 제3 축선(L3)을 중심으로 회동 가능하게 연결되고, 하나의 단부 및 다른 하나의 단부가 제1 축선(L1)의 연장 방향에서 베어링 부재가 위치하고 있는 범위에 위치하도록 배치되어 있다.

Description

밸런서 장치{BALANCER DEVICE}

본 발명은 로봇에 사용하는 밸런서(balancer) 장치에 관한 것이다.

종래에는 로봇 암의 회동에 의해 발생하는 중력 토크의 변동을 상쇄하기 위한 밸런서 장치가 알려져 있다(예를 들면 특허문헌 1 참조).

이 밸런서 장치는 제1 암과 베이스가 연결되어 있다. 그리고 밸런서의 로드 단부는 제1 암의 측방으로 돌출되는 고정축에 연결되고, 실린더 쪽의 타단부는 베이스의 하부에 설치된 고정축에 연결되어 있다. 따라서 제1 암의 회동이 보조될 수 있다.

일본 공개특허공보 특개2005-319550호

특허문헌 1에 기재된 밸런서 장치에 따르면, 제1 암과 밸런서의 로드 단부는 제1 암과 베이스 사이에 개재된 베어링 부재의 축선 방향에서 베어링 부재의 바깥쪽 위치에 연결되어 있기 때문에 베어링에 큰 굽힘 모멘트가 작용하므로 허용 굽힘 모멘트가 큰 베어링 부재를 사용할 필요가 있었다. 그 결과 로봇 암의 무게가 증가하여 출력이 큰 모터를 사용할 필요가 있으며, 이에 따라 소비 전력의 증가를 초래하는 문제가 있었다.

이러한 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 예에 따른 밸런서 장치는 로봇 암과 수평 방향으로 연장되는 제1 축선을 중심 축으로 가지는 베어링 부재를 통해 상기 로봇 암의 기단부를 회동 가능하게 지지하는 암 지지부를 포함하는 로봇에 설치되고, 제1 각도 위치와 수직 방향에 대한 경사가 상기 제1 각도 위치보다 큰 제2 각도 위치 사이에서 상기 로봇 암에 작용하는 중력에 의해 발생하는 상기 제1 축선을 중심으로 하는 토크와는 반대 방향의 상기 제1 축선을 중심으로 하는 토크(이하 밸런스 토크라고 한다)를 탄성적 신장 또는 탄성적 수축에 의해 상기 로봇 암에 발생시키는 탄성 구조체를 포함하는 밸런서 장치로서, 하나의 단부가 상기 로봇 암으로부터 독립적인 제1 고정부에 수평 방향으로 연장되는 제2 축선을 중심으로 회동 가능하게 연결되고, 다른 하나의 단부가 상기 로봇 암에 설치되어 있는 제2 고정부에 수평 방향으로 연장되는 제3 축선을 중심으로 회동 가능하게 연결되고, 상기 하나의 단부 및 다른 하나의 단부가 상기 제1 축선의 연장 방향에서 상기 베어링 부재가 위치하고 있는 범위에 위치하도록 배치되어 있다.

이 구성에 따르면, 베어링 부재에 작용하는 굽힘 모멘트를 줄일 수 있으며, 허용 굽힘 모멘트가 작은 베어링 부재를 사용할 수 있다. 따라서 로봇의 무게를 가볍게 할 수 있으며, 로봇 구동부의 출력을 줄일 수 있다. 따라서 로봇의 소비 전력을 감소시킬 수 있다.

상기 탄성 구조체는 가스 스프링 기구일 수 있다.

이 구성에 따르면, 소형의 기구에서 큰 스프링력을 발생시킬 수 있다.

상기 로봇 암이 제1 각도 위치에 위치하는 상태에서 상기 제2 축선과 상기 제3 축선의 간격보다 상기 로봇 암이 제2 각도 위치에 위치하는 상태에서 상기 제2 축선과 상기 제3 축선의 간격이 넓어지도록 구성될 수 있다.

이 구성에 따르면, 밸런서 장치를 신장시킴으로써 밸런스 토크를 발생시킬 수 있다.

상기 가스 스프링 기구는 신장시킴으로써 작동 유체를 팽창시키도록 구성되어 상기 작동 유체를 팽창시킴으로써 발생하는 반력에 의해 상기 밸런스 토크를 발생시킬 수도 있다.

이 구성에 따르면, 팽창형 가스 스프링 기구를 이용하여 밸런스 토크를 발생시킬 수 있다.

상기 가스 스프링 기구는 신장시킴으로써 작동 유체가 압축되도록 구성되고, 상기 작동 유체가 압축됨으로써 발생하는 반력에 의해 상기 밸런스 토크를 발생시킬 수도 있다.

이 구성에 따르면, 압축형 가스 스프링 기구를 이용하여 큰 밸런스 토크를 발생시킬 수 있다.

상기 가스 스프링 기구는 단축시킴으로써 작동 유체가 압축되도록 구성되고, 상기 로봇 암이 상기 제1 각도 위치로부터 상기 제2 각도 위치를 향해 회동함으로써 상기 가스 스프링 기구를 단축시키는 변환 기구를 가지며, 상기 작동 유체가 압축됨으로써 발생하는 반력에 의해 상기 밸런스 토크를 발생시킬 수도 있다.

이 구성에 따르면, 압축형 가스 스프링 기구를 이용하여 큰 밸런스 토크를 발생시킬 수 있다. 또한, 가스 스프링 기구의 내구성을 향상시킬 수 있다.

상기 가스 스프링 기구는, 상기 탄성 구조체의 하나의 단부로부터 다른 하나의 단부로 향하는 방향으로 연장되며, 일단부에 개구부가 있고 타단부가 폐쇄되어 있는 실린더와, 상기 실린더의 내벽면에 상대적으로 슬라이딩하는 피스톤과, 상기 실린더와 상기 피스톤 사이의 공간에 봉입된 작동 유체와, 일단부가 상기 피스톤에 연결되며, 해당 피스톤에 연결된 공간 위치로부터 상기 실린더의 개구부를 통해 상기 실린더의 외부까지 연장되는 피스톤 로드를 구비하며, 상기 변환 기구는 상기 실린더와, 상기 제1 고정부 및 상기 제2 고정부 중 해당 실린더의 타단부로부터 일단부로 향하는 방향에 위치하는 어느 하나를 연결하는 제1 연결 부재와, 상기 피스톤 로드의 다른 하나의 단부와, 상기 제1 고정부 및 상기 제2 고정부 중 다른 하나를 상기 실린더 및 상기 제1 연결 부재와 간섭하지 않도록 연결하는 제2 연결 부재를 구비할 수도 있다.

이 구성에 따르면, 압축형 가스 스프링 기구를 적절하게 로봇 암에 장착할 수 있다.

상기 가스 스프링 기구는 상기 실린더와 상기 피스톤 사이의 공간에 봉입된 씰 오일을 더 포함하며, 상기 가스 스프링 기구는 상기 실린더의 타단부로부터 일단부로 향하는 방향에 상기 제1 고정부가 위치하도록 배치될 수도 있다.

이 구성에 따르면, 가스 스프링 기구의 내구성을 더욱 향상시킬 수 있다.

상기 제3 축선은 상기 실린더를 통과하도록 구성될 수도 있다.

이 구성에 따르면, 로봇 암의 동작 범위를 넓힐 수 있다.

본 발명은 로봇의 소비 전력을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 밸런서 장치를 포함하는 로봇의 구성 예를 보여주는 배면도이다.
도 2는 도 1의 로봇의 관절부의 구성 예를 보여주는 배면도이다.
도 3은 도 1의 로봇의 밸런서 장치의 구성 예를 보여주는 배면도이다.
도 4는 도 1의 로봇의 관절부의 구성 예를 보여주는 측면도이다.
도 5는 도 1의 로봇의 관절부의 구성 예를 보여주는 측면도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 밸런서 장치를 포함하는 로봇의 구성 예를 보여주는 측면도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 밸런서 장치를 포함하는 로봇의 구성 예를 보여주는 측면도이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 밸런서 장치를 포함하는 로봇의 구성 예를 보여주는 측면도이다.
도 9는 본 발명의 제5 실시 예에 따른 밸런서 장치를 포함하는 로봇의 구성 예를 보여주는 측면도이다.

이하, 본 발명의 실시 예에 대해 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 본 실시 예에 의해 본 발명이 한정되지 않는다. 또한, 이하에서는 모든 도면에 걸쳐 동일하거나 동등한 요소에는 동일한 참조부호를 부여하고 그 중복되는 설명을 생략한다.

(제1 실시 예)

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 밸런서(밸런서 장치)(1)를 구비한 로봇(100)의 구성 예를 보여주는 배면도이다. 도 2는 로봇(100)의 후술하는 제1 관절부(5)의 구성 예를 보여주는 배면도이다. 도 3은 로봇(100)의 밸런서(1)의 구성 예를 보여주는 배면도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 로봇(100)은 다관절형 로봇으로, 밸런서(1) 외에 베이스(2), 선회부(3), 제1 암(로봇 암)(4), 및 제1 관절부(5)를 포함한다. 또한, 로봇(100)은 다관절형 로봇에 한정되지 않는다.

[로봇 전체]

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 베이스(2)는 예를 들어 재치면에 대해 고정되며 베이스(2)의 상부 구조를 지지한다.

선회부(3)는 베이스(2)에 대해 수직 방향으로 연장되는 도시하지 않은 선회 축선을 중심으로 회동 가능하게 연결되어 있다. 그리고 선회부(3)는 베이스(2)와 평행하게 연장되는 선회판(31)과, 선회판(31)의 상부에 설치되며 선회판(31)에 고정되어 있는 암 지지부(32)와, 밸런서 연결부(33)를 포함한다.

선회판(31)은 베이스(2)에 대해 선회 축선을 중심으로 회동 가능하게 연결되고, 도시하지 않은 구동부에 의해 선회 축선을 중심으로 회동 구동되도록 구성되어 있다.

암 지지부(32)는 수평 방향으로 연장되는 원통형으로 형성된 원통부(34)를 가지고 있다. 원통부(34)의 일단부는 개구되어 있으며, 개구부(34a)를 구성하고 있다. 또한, 원통부(34)의 타단부는 폐쇄되며, 바닥벽(34b)을 구성하고 있다. 바닥벽(34b)의 중앙부, 즉 원통부(34)의 축선이 통과하는 부분에는 관통 구멍(34c)이 형성되어 있다. 관통 구멍(34c)은 후술하는 제1 암 구동부(51)의 출력축(51a)이 삽입 통과되는 구멍이다. 원통부(34)의 축선이 제1 축선(L1)을 구성한다.

밸런서 연결부(33)는 암 지지부(32)의 상부에서 위쪽으로 돌출하도록 형성되어 있다. 따라서 밸런서(1)와 암 지지부(32)의 간섭을 방지하고 있다. 그리고 밸런서 연결부(33)는 제1 축선(L1)과 평행하게 연장되는 축(제1 고정부)(35)을 갖고 있다. 축(35)의 축선이 제2 축선(L2)을 구성한다. 그리고 제1 축선(L1)의 연장 방향에서 축(35)이 배치되어 있는 위치는 후술하는 위치 범위(R)를 포함하도록 구성되어 있다.

제1 암(4)은 팔 모양으로 형성되며, 기단부에 수평 방향으로 연장되는 회동축(41)과, 회동축(41)에서 선단부를 향해 연장되는 본체부(42)와, 밸런서 연결부(43)를 포함한다.

회동축(41)은 바닥이 있는 대략 원통형으로 형성되고, 그 축선을 암 지지부(32)의 원통부(34)의 축선, 즉 제1 축선(L1)과 일치시키며 원통부(34)의 내부에 위치하고 있다.

본체부(42)는 회동축(41)에서 제1 암(4)의 선단부를 향해 감에 따라 제1 축선(L1)과 직교하는 방향으로 연장되도록 구부러지며 연장되어 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 밸런서 연결부(43)는 한 쌍의 축(제2 고정부)(44)과 지지부(46)를 포함한다. 한 쌍의 축(44)은 축선이 제1 축선(L1) 및 제2 축선(L2)과 평행하게 연장되는 제3 축선(L3) 상에 위치하도록 위치하고 있으며, 이 제3 축선(L3)의 연장 방향으로 늘어서도록 위치하고 있다. 한 쌍의 축(44) 중 하나의 축(44)은 본체부(42)의 기단부와 선단부 사이의 측면에서 돌출하도록 설치되어 있다. 다른 하나의 축(44)은 지지부(46)에 지지되고 하나의 축(44)과 이격하여 위치하도록 설치되어 있다. 지지부(46)는 기단부가 제1 암(4)의 본체부(42)의 측면에 장착되고, 선단부가 다른 하나의 축(44)을 지지하고 있다. 지지부(46)는 밸런서(1)와 간섭하지 않도록 밸런서(1)의 후술하는 제2 연결 부재(72)의 바깥쪽을 돌아 들어가도록 연장되어 있다. 그리고 제1 축선(L1)의 연장 방향에서 한 쌍의 축(44)이 배치되어 있는 범위는 후술하는 위치 범위(R)를 포함하도록 구성되어 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 제1 관절부(5)는 제1 암 구동부(51), 감속 기구(52) 및 베어링 부재(53)를 포함한다.

제1 암 구동부(51)는 예를 들어, 서보 모터이며, 구동력을 출력하는 출력축(51a)을 가진다. 제1 암 구동부(51)의 케이스는 출력축(51a)의 축선이 제1 축선(L1)과 동축이 되도록 원통부(34)의 바닥벽(34b)에 고정되어 있다. 그리고 출력축(51a)은 원통부(34)의 관통 구멍(34c)에 삽입 통과되어 있다. 또한, 출력축(51a)은 회동축(41)의 개구부(41a) 통해 회동축(41)의 내부에 위치하고 있다.

감속 기구(52)는 회동축(41)의 내부에 위치하고 있다. 그리고 감속 기구(52)는 제1 암 구동부(51)의 구동력을 제1 암(4)에 전달하는 기구이며, 예를 들면 유성 기어 기구이다. 즉, 감속 기구(52)는 예를 들어, 출력축(51a)의 선단부에 고정된 태양 기어(52a)와, 제1 축선(L1) 주위에 일정한 간격으로 배치된 태양 기어(52a)와 맞물리는 복수의 유성 기어를 갖는 유성 기어 유닛(52b)과, 암 지지부(32)의 원통부(34)의 내주면에 형성되며 유성 기어 유닛(52b)과 맞물리는 내부 기어(52c)를 포함한다. 감속 기구(52)는 산업용 로봇의 주지된 감속 기구로 구성되기 때문에 더 이상의 설명을 생략한다.

베어링 부재(53)는 중심 축이 제1 축선(L1)과 일치하도록 배치되며, 선회부(3)의 원통부(34)의 내주면과 제1 암(4)의 회동축(41)의 외주면 사이에 개재하여 설치되어 있다. 따라서 제1 암(4)은 선회부(3)의 암 지지부(32)에 대해 제1 축선(L1)을 중심으로 회동하도록 구성되어 있다. 즉, 선회부(3)의 암 지지부(32)는 제1 암(4)의 회동축(41)을 회동 가능하게 지지하고 있다. 본 실시 예에서, 베어링 부재(53)는 2개 설치되고, 이것들은 제1 축선(L1)의 연장 방향으로 늘어서도록 위치하고 있다. 그리고 제1 축선(L1)의 연장 방향에서 하나의 베어링 부재(53)가 위치하고 있는 위치에서 다른 하나의 베어링 부재(53)가 위치하고 있는 위치까지가 위치 범위(R)를 구성한다. 또한, 위치 범위(R)에 위치하는 베어링 부재(53)의 개수는 이에 한정되지 않으며, 1개일 수도 있고, 또한 3개 이상일 수도 있다.

그리고 제1 암(4)은 도 5에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 제1 각도 위치(P1)와, 도 3에 나타내는 수직 방향에 대한 경사가 제1 각도 위치(P1)보다 큰 제2 각도 위치(P2) 사이의 범위를 포함한 범위에서 회동한다. 예를 들어 제1 각도 위치(P1)는 제1 암(4)이 직립하는 각도 위치이다. 그리고 제1 암(4)이 직립한 제1 각도 위치(P1)에서 제1 암(4)에 작용하는 중력에 의해 발생하는 제1 축선(L1)을 중심으로 하는 토크(이하, 제1 축선(L1)을 중심으로 하는 중력 토크라고 한다)는 실질적으로 0이 된다. 그리고 제1 암(4)이 제1 각도 위치(P1)에서 제2 각도 위치(P2)를 향해 회동하여 제1 암(4)의 경사가 커짐에 따라 제1 축선(L1)을 중심으로 하는 중력 토크는 증가한다.

그리고 본 실시 예에서, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 암(4)이 제1 각도 위치(P1)에 위치하는 상태에서 제2 축선(L2)과 제3 축선(L3)의 간격(S)보다 제1 암(4)이 제2 각도 위치(P2)에 위치하는 상태에서 제2 축선(L2)과 제3 축선(L3)의 간격(S)이 넓어지도록 선회부(3)의 축(35) 및 제1 암(4)의 한 쌍의 축(44)이 위치결정되어 있다. 즉, 로봇(100)은 제1 암(4)이 제1 각도 위치(P1)에서 제2 각도 위치(P2)를 향해 회동함으로써 제2 축선(L2)과 제3 축선(L3)의 간격(S)이 점차 넓어지도록 구성되어 있다.

[밸런서]

도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 밸런서(1)는 가스 스프링 기구(탄성 구조체)(11)와 변환 기구(12)를 가진다. 밸런서(1)는 제2 축선(L2)과 제3 축선(L3)을 연결하고 제2 축선(L2) 및 제3 축선(L3)과 직교하는 방향으로 연장되는 제4 축선(L4)의 연장 방향으로 연장된다. 그리고 밸런서(1)는 제4 축선(L4)이 위치 범위(R)의 범위 내에 위치하도록, 즉 위치 범위(R) 내에 밸런서(1)의 하나의 단부인 제1 단부(1a) 및 밸런서(1)의 다른 하나의 단부인 제2 단부(1b)가 위치하도록 로봇(100)에 장착되어 있다.

가스 스프링 기구(11)는 봉입된 고압 가스의 반력을 스프링력으로 이용한 기구이며, 코일 스프링에 비해 소형이고 큰 스프링력을 발생시킬 수 있다. 따라서 가스 스프링 기구(11)를 이용함으로써 로봇(100)을 소형화할 수 있고 이를 통해 로봇(100)의 구동부의 출력을 줄일 수 있으며 나아가서는 전력 소모를 줄일 수 있다.

가스 스프링 기구(11)는 실린더(61), 피스톤(62), 작동 유체(63) 및 피스톤 로드(64)를 가진다. 또한, 본 실시 예에서, 가스 스프링 기구(11)는 씰 오일(65)을 가진다.

실린더(61)는 제4 축선(L4)의 연장 방향으로 연장되는 바닥이 있는 원통체이다. 실린더(61)는 일단부(61a)에 개구부가 형성되어 있다. 또한, 실린더(61)의 타단부(61b)는 폐쇄되고 바닥벽이 형성되어 있다.

피스톤(62)은 원통형 블록이다. 그리고 피스톤(62)은 실린더(61)의 내벽면에 대해 상대적으로 슬라이딩한다. 그리고 피스톤(62)은 실린더(61)의 내부 공간을 제4 축선(L4)의 연장 방향으로 제1 공간(68) 및 제2 공간(69)으로 구분(compart)하고 있다. 제1 공간(68)은 피스톤(62)보다 실린더(61)의 타단부(61b) 쪽(폐쇄되어 있는 쪽)의 공간이고, 제2 공간(69)은 피스톤(62)보다 실린더(61)의 일단부(61a) 쪽(개구부가 형성되어 있는 쪽)의 공간이다. 그리고 자세한 내용은 후술하는 바와 같이, 가스 스프링 기구(11)는 제1 공간(68)이 제2 공간(69)보다 위쪽에 위치하도록 로봇(100)에 장착되어 있다.

작동 유체(63)는 실린더(61)와 피스톤(62) 사이의 공간, 즉 제1 공간(68)에 봉입된 유체이며, 예를 들어 고압 질소이다. 그리고 앞서 언급한 바와 같이, 실린더(61)의 타단부(61b)는 폐쇄되어 있기 때문에 실린더(61)의 타단부(61b)에서 작동 유체(63)가 누출되지 않도록 되어 있다. 따라서 가스 스프링 기구(11)의 내구성을 향상시킬 수 있다.

피스톤 로드(64)는 제4 축선(L4)의 연장 방향으로 연장되는 봉형체이며, 일단부(64a)가 피스톤(62)에 연결되어 있다. 그리고 피스톤 로드(64)는 피스톤(62)에서 제2 공간(69)을 지나서 실린더(61)의 일단부(61a)에 형성되어 있는 개구부를 통해 실린더(61)의 외부까지 연장되고, 타단부(64b)는 실린더(61)의 외부에 위치하고 있다.

그리고 가스 스프링 기구(11)는 피스톤 로드(64)를 제4 축선(L4)의 연장 방향으로 움직여서 피스톤 로드(64)를 실린더(61)에 밀어넣어 가스 스프링 기구(11)를 단축시킴으로써 작동 유체(63)가 압축되어 반력을 발생시키도록 구성되어 있다.

씰 오일(65)은 제1 공간(68)에서 작동 유체(63)가 누출되는 것을 방지하기 위한 오일이며, 실린더(61)의 제1 공간(68)에 봉입되어 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 가스 스프링 기구(11)는 제1 공간(68)이 제2 공간(69)보다 위쪽에 위치하도록 배치되어 있기 때문에 씰 오일(65)은 피스톤(62) 상에 모이고, 씰 오일(65)보다 비중이 작은 가스인 작동 유체(63)는 씰 오일(65)의 위쪽에 위치한다. 따라서 기체 인 작동 유체(63)와 실린더(61) 및 피스톤(62)이 맞닿는 부분의 사이에는 씰 오일(65)이 개재하여 작동 유체(63)가 제1 공간(68)에서 누출되는 것을 방지할 수 있다. 따라서 가스 스프링 기구(11)의 내구성을 향상시킬 수 있다.

변환 기구(12)는 제2 축선(L2)과 제3 축선(L3)의 간격(S)이 넓어짐에 따라 가스 스프링 기구(11)를 단축시키는 기구이다.

본 실시 예에 있어서, 변환 기구(12)는 제1 연결 부재(71)와 제2 연결 부재(72)를 구비한다.

제1 연결 부재(71)는 실린더(61)의 일단부(61a)와 선회부(3)의 축(35)을 연결하고 있다. 즉, 제1 연결 부재(71)는 실린더(61)의 타단부(61b)(폐쇄되어 있는 쪽의 단부)에서 일단부(61a)(개구부가 형성되어 있는 쪽의 단부)를 향하는 방향에 위치하는 선회부(3)의 축(35)과 실린더(61)를 연결하고 있다. 또한, 제1 연결 부재(71)는 실린더(61)의 일단부(61a) 이외의 장소에 설치될 수도 있다.

그리고 제1 연결 부재(71)는 서로 평행하게 연장되는 한 쌍의 판부(73)와, 연결부(74)를 갖는다. 판부(73)는 하나의 단부(73a)가 실린더(61)의 일단부(61a)에 연결되며, 제4 축선(L4)의 연장 방향으로 연장되어 있다. 한 쌍의 판부(73) 중 하나의 판부(73)는 제2 축선(L2) 및 제3 축선(L3)이 연장되는 방향에서 한쪽의 일단부(61a)에 설치되고 다른 하나의 판부(73)는 같은 방향에서 다른 쪽의 일단부(61a)에 설치되어 있다. 연결부(74)는 한 쌍의 판부(73)의 다른 하나의 단부(73b)를 서로 연결하는 동시에 이것들을 축(35)에 연결하고 있다. 그리고 연결부(74)는 베어링 부재를 통해 제2 축선(L2)을 중심으로 회동 가능하게 축(35)에 설치되어 있다. 이 연결부(74)가 축(35)에 설치되어 있는 부분이 밸런서(1)의 하나의 단부인 제1 단부(1a)를 구성한다. 그리고 앞서 언급한 바와 같이, 제1 축선(L1)의 연장 방향에서 축(35)이 배치되어 있는 위치는 위치 범위(R)를 포함하도록 구성되어 있기 때문에 제1 단부(1a)는 위치 범위(R) 상에 위치하도록 구성되어 있다.

제2 연결 부재(72)는 피스톤 로드(64)의 타단부(64b)와 제1 암(4)의 축(44)을 연결하고 있다. 즉, 제2 연결 부재(72)는 실린더(61)의 일단부(61a)(개구부가 형성되어 있는 쪽의 단부)에서 타단부(61b)(폐쇄되어 있는 쪽의 단부)를 향하는 방향에 위치하는 축(44)과 피스톤 로드(64)를 연결하고 있다. 따라서 가스 스프링 기구(11)는 변환 기구(12)에 의해 제1 공간(68)이 제2 공간(69)보다 위쪽에 위치하도록 로봇(100)에 설치되어 있다.

그리고 제2 연결 부재(72)는 통형부(75)와 연결부(76)를 가진다.

통형부(75)는 제4 축선(L4)의 연장 방향으로 연장되는 통형체이며, 가스 스프링 기구(11) 및 제1 연결 부재(71)의 주위를 둘러싸도록 배치되어 있다. 그리고 제2 연결 부재(72)는 통형부(75)의 하나의 단부(75a)가 위치 범위(R)에서 베어링 부재를 통해 한 쌍의 축(44)에 설치되어 있다. 이에 따라 통형부(75)는 축(44)에 대하여 제3 축선(L3)을 중심으로 회동 가능하게 연결되어 있다. 이 통형부(75)가 축(44)에 설치되어 있는 부분이 밸런서(1)의 다른 하나의 단부인 제2 단부(1b)를 구성한다. 그리고 앞서 언급한 바와 같이, 제1 축선(L1)의 연장 방향에서 한 쌍의 축(44)이 배치되어 있는 범위는 위치 범위(R)를 포함하도록 구성되어 있기 때문에 제2 단부(1b)는 위치 범위(R) 상에 위치하도록 구성되어 있다.

또한, 한 쌍의 축(44)은 제3 축선(L3)이 실린더(61)를 통과하도록 위치결정되어 있다. 따라서 실린더(61)는 제4 축선(L4)의 연장 방향으로 제2 연결 부재(72)와 제1 암(4)이 연결되는 부분에서 돌출하도록 구성되어 있기 때문에 가스 스프링 기구(11)의 스트로크를 늘릴 수 있다. 이에 따라 제1 암(4)의 동작 범위를 확대할 수 있다.

연결부(76)는 피스톤 로드(64)의 타단부(64b)에 설치되며, 제1 연결 부재(71)의 한 쌍의 판부(73) 사이에 위치하고 있다. 그리고 연결부(76)는 통형부(75)의 다른 하나의 단부(75b)의 가장자리부에 놓이도록 설치되고, 양단부가 통형부(75)의 다른 하나의 단부 쪽 가장자리부에 연결되어 있다. 연결부(76)는 제4 축선(L4)의 연장 방향으로 연장되는 한 쌍의 판부(73) 사이에 위치하고 있기 때문에 피스톤 로드(64)를 제4 축선(L4)의 연장 방향으로 움직였을 때 연결부(76)와 한 쌍의 판부(73)가 간섭하지 않도록 되어 있다.

이와 같이 구성된 변환 기구(12)는 제1 암(4)이 제1 각도 위치(P1)에서 제2 각도 위치(P2)를 향해 회동함으로써 제2 축선(L2)과 제3 축선(L3)의 간격(S)이 넓어지면 제1 연결 부재(71)의 한 쌍의 판부(73)의 하나의 단부(73a)와 제2 연결 부재(72)의 통형부(75)의 다른 하나의 단부(75b)가 서로 접근하도록 되어 있다. 이에 따라 제1 연결 부재(71)의 한 쌍의 판부(73)의 하나의 단부(73a)에 설치된 실린더(61)의 일단부(61a)와 피스톤 로드(64)의 타단부(64b)가 서로 가까워지도록 이동하여 피스톤 로드(64) 및 피스톤(62)이 밀려 들어간다. 따라서 실린더(61)와 피스톤(62) 사이의 공간에 봉입된 작동 유체(63)가 압축되어 반력을 발생시킨다.

[동작 예]

다음으로, 밸런서(1)를 구비한 로봇(100)의 동작 예를 설명한다.

제1 암(4)이 제1 각도 위치(P1)에서 제2 각도 위치(P2)를 향해 회동하여 제1 암(4)의 경사가 커짐에 따라 제1 축선(L1)을 중심으로 하는 중력 토크는 증가한다. 그리고 제1 암(4)이 제1 각도 위치(P1)에서 제2 각도 위치(P2)를 향해 회동함으로써 제2 축선(L2)과 제3 축선(L3)의 간격(S)이 넓어지면 변환 기구(12)는 가스 스프링 기구(11)를 단축시킨다. 따라서 작동 유체(63)는 압축되고 가스 스프링 기구(11)는 제4 축선(L4)의 연장 방향에서 피스톤(62)을 밀어 되돌리는 방향, 즉 가스 스프링 기구(11)를 신장시키는 방향의 반력을 발생시킨다. 가스 스프링 기구(11)를 신장시키는 방향의 반력은 변환 기구(12)에 의해 제2 축선(L2)과 제3 축선(L3)의 간격(S)을 단축시키는 방향의 힘으로서 작용하고 그 결과, 제1 축선(L1)을 중심으로 하는 중력 토크와는 반대 방향의 제1 축선(L1)을 중심으로 하는 토크(밸런스 토크)를 발생시킨다. 이 밸런스 토크는 중력 토크의 일부 또는 전부를 상쇄한다. 이에 따라 제1 암 구동부(51)의 부하를 감소시킬 수 있고, 로봇(100)의 전력 소모 증가를 방지할 수 있다.

이상으로 설명한 바와 같이, 밸런서(1)의 가스 스프링 기구(11)는 제4 축선(L4)이 제1 축선(L1)의 연장 방향에서 베어링 부재(53)가 위치하고 있는 위치 범위(R)를 포함하도록, 즉 위치 범위(R)에 밸런서(1)의 하나의 단부인 제1 단부(1a) 및 밸런서(1)의 다른 하나의 단부인 제2 단부(1b)가 위치하도록 로봇(100)에 설치되어 있다. 이에 따라 베어링 부재(53)에 작용하는 굽힘 모멘트를 줄일 수 있고, 허용 굽힘 모멘트가 작은 베어링 부재(53)를 이용할 수 있다. 따라서 로봇(100)의 무게를 가볍게 할 수 있고, 로봇(100)의 구동부의 출력, 특히 선회부(3)를 선회시키는 구동부에 출력이 작은 모터를 사용할 수 있다. 따라서 로봇(100)의 소비 전력을 감소시킬 수 있다.

(제2 실시 예)

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 밸런서(201)를 구비한 로봇(200)의 구성 예를 도시한 측면도이다.

앞서 언급한 제1 실시 예에서는 밸런서(1)는 단축시킴으로써 작동 유체(63)가 압축되어 신장시키는 방향의 반력을 발생시키는 가스 스프링 기구(11)와, 가스 스프링 기구(11)를 신장시키는 방향의 반력을 제2 축선(L2)과 제3 축선(L3)의 간격(S)을 단축시키는 방향의 힘으로 변환하는 변환 기구(12)를 구비하고 있다. 반면 본 실시 예에서는, 밸런서(201)는 도 6에 도시된 바와 같이, 신장시킴으로써 작동 유체(263)를 팽창시켜 단축시키는 방향의 반력을 발생시키는 가스 스프링 기구(211)와, 가스 스프링 기구(211)와 로봇(200)을 연결하는 연결 부재(271, 272)를 구비하고 있다.

가스 스프링 기구(211)는 작동 유체(263)가 봉입되어 있는 제1 공간(268)이 제2 공간(269)보다 아래에 위치하도록 로봇(200)에 설치되어 있다. 또한, 작동 유체(263)는, 예를 들어 상압 가스이다. 그리고 피스톤 로드(264)를 제4 축선(L4)의 연장 방향으로 움직여서 피스톤 로드(264)를 실린더(261)에서 끌어내어 가스 스프링 기구(11)를 신장시킴으로써 작동 유체(263)를 팽창시켜 가스 스프링 기구(11)를 단축시키는 방향의 반력을 발생시키도록 구성되어 있다.

그리고 연결 부재(271)는 실린더(261)의 타단부(261b)와 선회부(3)의 축(35)을 연결하고 있다. 연결 부재(271)는 베어링 부재를 통해 제2 축선(L2)을 중심으로 회동 가능하게 축(35)에 연결되어 있다.

또한, 연결 부재(272)는 피스톤 로드(264)의 타단부(264b)와 제1 암(4)의 축(44)을 연결하고 있다. 연결 부재(272)는 베어링 부재를 통해 제3 축선(L3)을 중심으로 회동 가능하게 축(44)에 연결되어 있다. 또한, 제1 실시 예에서 축(44)은 제3 축선(L3)이 실린더(61)를 지나가도록 위치결정되어 있지만, 본 실시 예에서 축(44)은 제3 축선(L3)이 제1 암(4)의 선단부를 통과하도록 위치결정되어 있다.

그 외에는 제1 실시 예와 동일하다.

[동작 예]

다음으로, 밸런서(201)를 구비한 로봇(200)의 동작 예를 설명한다.

제1 암(4)이 제1 각도 위치(P1)에서 제2 각도 위치(P2)를 향해 회동하여 제1 암(4)의 경사가 커짐에 따라 제1 축선(L1)을 중심으로 하는 중력 토크는 증가한다. 그리고 제1 암(4)이 제1 각도 위치(P1)에서 제2 각도 위치(P2)를 향해 회동함으로써 제2 축선(L2)과 제3 축선(L3)의 간격(S)이 넓어지면 변환 기구(12)는 신장한다. 이에 따라 작동 유체(263)가 팽창하여 가스 스프링 기구(211)는 제4 축선(L4)의 연장 방향에서 피스톤(62)을 밀어 되돌리는 방향, 즉 가스 스프링 기구(211)를 단축시키는 방향의 반력을 발생시킨다. 가스 스프링 기구(211)를 단축시키는 방향의 반력은 제2 축선(L2)과 제3 축선(L3)의 간격을 단축시키는 방향의 힘으로서 작용하고 그 결과, 제1 축선(L1)을 중심으로 하는 중력 토크와는 반대 방향의 제1 축선(L1)을 중심으로 하는 토크(밸런스 토크)를 발생시킨다. 이 밸런스 토크는 중력 토크의 일부 또는 전부를 상쇄한다.

(제3 실시 예)

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 밸런서(301)를 구비한 로봇(300)의 구성 예를 도시한 측면도이다.

앞서 언급한 제1 실시 예에서는 밸런서(1)는 단축시킴으로써 작동 유체(63)가 압축되어 신장시키는 방향의 반력을 발생시키는 가스 스프링 기구(11)와, 가스 스프링 기구(11)를 신장시키는 방향의 반력을 제2 축선(L2)과 제3 축선(L3)의 간격(S)을 단축시키는 방향의 힘으로 변환하는 변환 기구(12)를 구비하고 있다. 반면 본 실시 예에서는 밸런서(301)는 도 7에 도시된 바와 같이, 신장시킴으로써 작동 유체(63)를 압축하여 단축시키는 방향의 반력을 발생시키는 가스 스프링 기구(311)와, 가스 스프링 기구(311)와 로봇(300)을 연결하는 연결 부재(371, 372)를 구비하고 있다.

가스 스프링 기구(311)의 실린더(361)는 양단부가 폐쇄되고, 일단부(361a)에 피스톤 로드(364)가 삽입 통과되어 있는 삽입 통과 구멍(361c)이 형성되어 있다. 또한, 실린더(361)의 타단부(361b)에는 관통구(361d)가 형성되어 있다. 따라서 실린더(361)의 제2 공간(369)의 기압은 대기압과 같은 압력으로 되어 있다. 또한, 피스톤 로드(364)는 피스톤(62)에서 제1 공간(368) 및 실린더(361)의 삽입 통과 구멍(361c)을 통과해서 실린더(361)의 외부까지 연장되고, 타단부(364b)는 실린더(361)의 외부에 위치하고 있다. 그리고 피스톤 로드(364)를 제4 축선(L4)의 연장 방향으로 움직여서 피스톤 로드(364)를 실린더(361)에서 끌어내어 가스 스프링 기구(311)를 신장시킴으로써 작동 유체(63)를 압축하여 가스 스프링 기구(311)를 단축시키는 방향의 반력을 발생시키도록 구성되어 있다.

그리고 연결 부재(371)는 실린더(361)의 타단부(361b)와 선회부(3)의 축(35)을 연결하고 있다. 연결 부재(371)는 베어링 부재를 통해 제2 축선(L2)을 중심으로 회동 가능하게 축(35)에 연결되어 있다.

또한, 연결 부재(372)는 피스톤 로드(364)의 타단부(364b)와 제1 암(4)의 축(44)을 연결하고 있다. 연결 부재(372)는 베어링 부재를 통해 제3 축선(L3)을 중심으로 회동 가능하게 축(44)에 연결되어 있다.

따라서 가스 스프링 기구(311)는 작동 유체(63)가 봉입되어 있는 제1 공간(368)이 제2 공간(369)보다 위쪽에 위치하도록 로봇(300)에 설치되어 있다.

또한, 제1 실시 예에서 축(44)은 제3 축선(L3)이 실린더(61)를 지나가도록 위치결정되어 있지만, 본 실시 예에서 축(44)은 제3 축선(L3)이 제1 암(4)의 선단부를 지나가도록 위치결정되어 있다.

그 외에는 제1 실시 예와 동일하다.

[동작 예]

다음으로, 밸런서(301)를 구비한 로봇(300)의 동작 예를 설명한다.

제1 암(4)이 제1 각도 위치(P1)에서 제2 각도 위치(P2)를 향해 회동하여 제1 암(4)의 경사가 커짐에 따라 제1 축선(L1)을 중심으로 하는 중력 토크는 증가한다. 그리고 제1 암(4)이 제1 각도 위치(P1)에서 제2 각도 위치(P2)를 향해 회동함으로써 제2 축선(L2)과 제3 축선(L3)의 간격(S)이 넓어지면 가스 스프링 기구(311)는 신장한다. 이에 따라 작동 유체(63)가 압축되어 가스 스프링 기구(311)는 제4 축선(L4)의 연장 방향에서 피스톤(62)을 밀어 되돌리는 방향, 즉 가스 스프링 기구(311)를 단축시키는 방향의 반력을 발생시킨다. 가스 스프링 기구(311)를 단축시키는 방향의 반력은 제2 축선(L2)과 제3 축선(L3)의 간격을 단축시키는 방향의 힘으로서 작용하고 그 결과, 제1 축선(L1)을 중심으로 하는 중력 토크와는 반대 방향의 제1 축선(L1)을 중심으로 하는 토크(밸런스 토크)를 발생시킨다. 이 밸런스 토크는 중력 토크의 일부 또는 전부를 상쇄한다.

(실시 예 4)

도 8은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 밸런서(401)를 구비한 로봇(400)의 구성 예를 도시한 측면도이다.

앞서 언급한 제1 실시 예에서, 제1 연결 부재(71)는 실린더(61)의 일단부(61a)와 선회부(3)의 축(35)을 연결하고, 제2 연결 부재(72)는 피스톤 로드(64)의 타단부(64b)와 제1 암(4)의 축(44)을 연결하고 있는 것을 예시하였다. 반면 도 8에 도시된 바와 같이, 본 실시 예에서, 가스 스프링 기구(11)는 제1 공간(68)이 제2 공간(69)보다 아래에 위치하도록 로봇(100)에 설치되어 있다. 그리고 제1 연결 부재(471)는 실린더(61)의 타단부(61b)(폐쇄되어 있는 쪽의 단부)에서 일단부(61a)(개구부가 형성되어 있는 쪽의 단부)로 향하는 방향에 위치하는 제1 암(4)의 축(44)과 실린더(61)를 연결하고 있다. 또한, 제2 연결부(472)는 실린더(61)의 일단부(61a)(개구부가 형성되어 있는 쪽의 단부)에서 타단부(61b)(폐쇄되어 있는 쪽의 단부)로 향하는 방향에 위치하는 축(35)과 피스톤 로드(64)를 연결하고 있다.

또한, 제1 실시 예에서 축(44)은 제3 축선(L3)이 실린더(61)를 지나가도록 위치결정되어 있지만, 본 실시 예에서 축(44)은 제3 축선(L3)이 제1 암(4)의 선단부를 지나가도록 위치결정되어 있다. 그 외에는 제1 실시 예와 동일하다.

(제5 실시 예)

도 9는 본 발명의 제5 실시 예에 따른 밸런서(501)를 구비한 로봇(500)의 구성 예를 도시한 측면도이다.

제1 실시 예에서 축(44)은 제3 축선(L3)이 실린더(61)를 지나가도록 위치결정되어 있지만, 본 실시 예에서 축(44)은 제3 축선(L3)이 제1 암(4)의 선단부를 지나가도록 위치결정되어 있다. 그 외에는 제1 실시 예와 동일하다.

<변형 예>

상기 실시 예에서는 가스 스프링 기구를 이용했지만 이에 한정되지 않는다. 이 대신에 코일 스프링을 이용할 수도 있다.

위의 설명으로부터 당업자에게는 본 발명의 많은 개선이나 다른 실시 예가 개발될 수 있다. 따라서 상기 설명은 예시로서 해석되어야 하며, 본 발명을 실시하는 최선의 예를 당업자에게 교시할 목적으로 제공된 것이다. 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구조 및/또는 기능의 상세 내용을 변경할 수 있다.

본 발명은 산업 로봇에 적용할 수 있다.

L1: 제1 축선
L2: 제2 축선
L3: 제3 축선
L4: 제4 축선
P1: 제1 각도 위치
P2: 제2 각도 위치
1: 밸런서
1a: 제1 단부
1b: 제2 단부
2: 베이스
3: 선회부
4: 제1 암
5: 제1 관절부
11: 가스 스프링 기구
12: 변환 기구
31: 선회판
32: 암 지지부
33: 밸런서 연결부
34: 원통부
35: 축
41: 회동축
42: 본체부
43: 밸런서 연결부
44: 축
46: 지지부
51: 제1 암 구동부
52: 감속 기구
53: 베어링 부재
61: 실린더
61a: 일단부
61b: 타단부
62: 피스톤
63: 작동 유체
64: 피스톤 로드
65: 씰 오일
68: 제1 공간
69: 제2 공간
71: 제1 연결 부재
72: 제2 연결 부재
73: 판부
74: 연결부
75: 통형부
76: 연결부
100: 로봇

Claims (9)

1. 로봇 암과, 수평 방향으로 연장되는 제1 축선을 중심 축으로 가지는 베어링 부재를 통해 상기 로봇 암의 기단부를 회동 가능하게 지지하는 암 지지부를 포함하는 로봇에 설치되고, 제1 각도 위치와 수직 방향에 대한 경사가 상기 제1 각도 위치보다 큰 제2 각도 위치 사이에서 상기 로봇 암에 작용하는 중력에 의해 발생하는 상기 제1 축선을 중심으로 하는 토크와는 반대 방향의 상기 제1 축선을 중심으로 하는 토크인 밸런스 토크를 상기 로봇 암에 발생시키는 가스 스프링 기구를 포함하는 밸런서 장치로서,
   하나의 단부가 상기 로봇 암으로부터 독립적인 제1 고정부에 수평 방향으로 연장되는 제2 축선을 중심으로 회동 가능하게 연결되고,
   다른 하나의 단부가 상기 로봇 암에 설치되어 있는 제2 고정부에 수평 방향으로 연장되는 제3 축선을 중심으로 회동 가능하게 연결되고,
   상기 하나의 단부 및 다른 하나의 단부의 상기 제1 축선의 연장 방향에서의 배치 위치가 상기 베어링 부재가 위치하고 있는 위치 범위 내이며,
   상기 로봇 암이 상기 제1 각도 위치에 위치하는 상태에서의 상기 제2 축선과 상기 제3 축선의 간격보다 상기 로봇 암이 제2 각도 위치에 위치하는 상태에서의 상기 제2 축선과 상기 제3 축선의 간격이 넓어지도록 구성되고,
   상기 가스 스프링 기구는 단축시킴으로써 작동 유체가 압축되도록 구성되고,
   상기 로봇 암은 상기 제1 각도 위치로부터 상기 제2 각도 위치를 향해 회동함으로써 상기 가스 스프링 기구를 단축시키는 변환 기구를 구비하며,
   상기 작동 유체가 압축됨으로써 발생하는 반력에 의해 상기 밸런스 토크를 발생시키는 것을 특징으로 하는 밸런서 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 가스 스프링 기구는,
   상기 가스 스프링 기구의 하나의 단부로부터 다른 하나의 단부로 향하는 방향으로 연장되며, 일단부에 개구부가 있고 타단부가 폐쇄되어 있는 실린더와,
   상기 실린더의 내벽면에 상대적으로 슬라이딩하는 피스톤과,
   상기 실린더와 상기 피스톤 사이의 공간에 봉입된 상기 작동 유체와,
   일단부가 상기 피스톤에 연결되며, 해당 피스톤에 연결된 공간 위치로부터 상기 실린더의 개구부를 통해 상기 실린더의 외부까지 연장되는 피스톤 로드를 구비하며,
   상기 변환 기구는,
   상기 실린더와, 상기 제1 고정부 및 상기 제2 고정부 중 해당 실린더의 타단부로부터 일단부로 향하는 방향에 위치하는 어느 하나를 연결하는 제1 연결 부재와,
   상기 피스톤 로드의 다른 하나의 단부와, 상기 제1 고정부 및 상기 제2 고정부 중 다른 하나를 상기 실린더 및 상기 제1 연결 부재와 간섭하지 않도록 연결하는 제2 연결 부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 밸런서 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 가스 스프링 기구는 상기 실린더와 상기 피스톤 사이의 공간에 봉입된 씰 오일을 더 포함하며,
   상기 가스 스프링 기구는 상기 실린더의 타단부로부터 일단부로 향하는 방향에 상기 제1 고정부가 위치하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 밸런서 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제3 축선은 상기 실린더를 통과하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 밸런서 장치.
   
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