KR101910889B1 - 로봇 관절 구동기 - Google Patents

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KR101910889B1
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Abstract

본 발명은 모터, 상기 모터와 연결되어 회전력을 전달받는 제1 연결부, 상기 제1 연결부의 측면과 측면이 서로 마주보도록 위치하는 제2 연결부, 상기 제1 연결부의 외주면의 일 영역과 상기 제2 연결부의 외주면의 일 영역을 감싸며, 상기 모터의 구동력을 상기 제2 연결부로 전달하는 벨트, 상기 제1 연결부의 회전력을 전달받도록 일측 단부가 연결되며, 타측 단부는 제1 이동부와 연결되는 제1 스트링, 상기 제2 연결부의 회전력을 전달받도록 일측 단부가 연결되며, 타측 단부는 제2 이동부와 연결되는 제2 스트링, 상기 제1 이동부와 상기 제2 이동부는 연결하는 와이어 및 상기 와이어가 측면에 삽입되어 회전하며, 상기 제1 스트링과 상기 제2 스트링의 길이 가변을 보상하기 위한 가변 반경을 구비하는 풀리를 포함하며, 상기 제1 연결부의 회전에 의한 상기 제1 스트링의 꼬임 방향과 상기 제2 스트링의 꼬임 방향은 서로 반대방향인 것을 특징으로 하는 로봇 관절 구동기를 제공한다.

Description

로봇 관절 구동기{ROBOT JOINT ACTUATOR}
실시예는 로봇 관절 구동기에 관한 것이다. 보다 상세하게는 단일 모터와 연결된 두 개의 스트링의 꼬임 구동을 통해 회전 관절을 구동하는 로봇 관절 구동기에 관한 것이다.
현대 사회에서 로봇은 산업용, 수술용 및 군사용 등 다양한 응용분야에서 광범위하게 이용되고 있다. 산업용, 수술용 및 군사용 로봇을 구현하기 위해서는 목적에 맞는 구동기의 사용이 필수적이며, 이를 위한 다양한 구동기의 개발이 진행되고 있다.
기존의 로봇들은 높은 감속비의 무거운 기계적 감속기를 사용하고 있다.
하지만, 인간 친화적인 로봇(human-friendly robot)의 개발을 위해서는 무겁고 마찰이 큰 감속기를 대체할 수 있는 안전한 구동기술의 개발이 필수적이다.
저렴하고 안전한 구동기술 중 하나로, 스트링 꼬임 기반 구동기술(Twisted String Actuator, TSA)이 소개되었다. 그러나 종래의 스트링 꼬임 구동기는 한 개의 모터가 하나의 스트링과 연결되어 구동하는 구조를 가졌다. 이러한 스트링 꼬임 구동기를 로봇 관절에 적용하기 위해서는 두 개의 모터가 필요하다. 두 개의 모터를 사용하는 경우 제어복잡성 및 시스템의 무게가 증가되는 단점이 있다.
기존의 로봇 관절들은 원형 풀리를 사용하기 때문에 스트링 꼬임 구동기와 같이 비대칭적인 구동 특성을 가지는 구동기를 사용하기에는 부적합하였다. 원형 풀리 만을 사용하는 경우, 작동범위가 감소하고 토크 성능이 균일하지 않기 때문에 복합한 제어가 추가적으로 필요하며, 최종적으로 각도에 따른 최대 토크 값이 저하되는 문제가 있다.
대한민국 등록특허 제10-1664622호.
실시예는 하나의 모터로 복수의 스트링을 구동시키는 로봇 관절 구동기를 제공한다.
또한, 가변 반경 풀리를 이용하여 스트링 꼬임 구동기의 비대칭적 구동 특성을 보완하는 로봇 관절 구동기를 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제에 국한되지 않으며 여기서 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예는, 모터; 상기 모터와 연결되어 회전력을 전달받는 제1 연결부; 상기 제1 연결부의 측면과 측면이 서로 마주보도록 위치하는 제2 연결부; 상기 제1 연결부의 외주면의 일 영역과 상기 제2 연결부의 외주면의 일 영역을 감싸며, 상기 모터의 구동력을 상기 제2 연결부로 전달하는 벨트; 상기 제1 연결부의 회전력을 전달받도록 일측 단부가 연결되며, 타측 단부는 제1 이동부와 연결되는 제1 스트링; 상기 제2 연결부의 회전력을 전달받도록 일측 단부가 연결되며, 타측 단부는 제2 이동부와 연결되는 제2 스트링; 상기 제1 이동부와 상기 제2 이동부는 연결하는 와이어; 및 상기 와이어가 측면에 삽입되어 회전하며, 상기 제1 스트링과 상기 제2 스트링의 길이 가변을 보상하기 위한 가변 반경을 구비하는 풀리;를 포함하며, 상기 제1 연결부의 회전에 의한 상기 제1 스트링의 꼬임 방향과 상기 제2 스트링의 꼬임 방향은 서로 반대방향인 것을 특징으로 한다.
상기 제1 연결부와 상기 제1 스트링 사이에는 제1 고정부가, 상기 제2 연결부와 상기 제2 스트링 사이에는 제2 고정부가 배치될 수 있다.
상기 제1 고정부와 상기 제2 고정부는 후크 형상으로 구비될 수 있다.
상기 제1 고정부의 외측면에는 제1 베어링이, 상기 제2 고정부의 외측면에는 제2 베어링이 위치할 수 있다.
상기 제1 이동부는 직선형의 제1 레일과 상기 제2 이동부는 직선형의 제2 레일에 안착되어 이동하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 풀리는 상기 와이어의 접촉면이 타원의 구조로 마련되며, 상기 모터의 미동작시 좌우 대칭구조로 마련되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 풀리는 상기 제1 스트링과 상기 제2 스트링의 변위 차의 보상과 상기 풀리와 상기 와이어에 의해 작용하는 힘의 차를 보상하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 풀리의 반경 r1,r2는,
Figure 112016116342312-pat00001
Figure 112016116342312-pat00002
여기서, 변수는
Figure 112016116342312-pat00003
Figure 112016116342312-pat00004
Figure 112016116342312-pat00005
Figure 112016116342312-pat00006
(
Figure 112018039113730-pat00007
: 스트링의 꼬이기 전의 시작길이,
Figure 112018039113730-pat00008
: pre-twisting된 후의 길이(no movement),
Figure 112018039113730-pat00009
: pre-twisting 된 후의 길이에서부터 움직이는 거리,
Figure 112018039113730-pat00048
: 풀리의 회전각도의 미분변화,
Figure 112018039113730-pat00010
: 로봇 관절 구동기에 사용되는 스트링의 반지름,
Figure 112018039113730-pat00011
: 모터의 회전각,
Figure 112018039113730-pat00012
: L에서 Li 까지 줄어들기 위한 모터 회전각(프리-트위스팅이 되기 위한 모터 회전각),
Figure 112018039113730-pat00013
: 모터의 효율,
Figure 112018039113730-pat00014
: 모터의 토크) 의 수식을 만족하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제1 이동부와 상기 제2 이동부는 로드셀이 사용되는 것을 특징으로 할 수 있다.
실시예에 따르면, 스트링 꼬임 구동기의 큰 단점인 비대칭적 구동문제를 가변 반경 풀리를 통해 해결하여 단일 모터로 로봇 관절을 구동할 수 있는 효과가 있다.
또한, 기존의 2개의 모터로 2축 구동하는 방식과 비교할 때, 저렴하고 무게를 감소시킬 수 있으며, 제어복잡성을 감소할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 로봇 관절 구동기의 전체 구조를 나타내는 도면이고,
도 2는 도 1의 동작을 나타내는 도면이고,
도 3은 도 1의 스트링이 감기기 전 상태를 나타내는 도면이고,
도 4는 도 3의 스트링이 감긴 상태를 나타내는 도면이고,
도 5는 도 1의 구성요소인 가변 반경 풀리를 나타내는 도면이고,
도 6은 스트링의 변위량을 측정하는 과정을 나타내는 도면이다
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예를 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명 실시 예를 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 실시 예의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제 1, 제 2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 실시 예의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 2 구성 요소는 제 1 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 1 구성 요소도 제 2 구성 요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명 실시 예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
실시 예의 설명에 있어서, 어느 한 element가 다른 element의 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1 내지 도 5는, 본 발명을 개념적으로 명확히 이해하기 위하여, 주요 특징 부분만을 명확히 도시한 것이며, 그 결과 도해의 다양한 변형이 예상되며, 도면에 도시된 특정 형상에 의해 본 발명의 범위가 제한될 필요는 없다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 로봇 관절 구동기의 전체 구조를 나타내는 도면이고, 도 2는 로봇 관절 구동기의 동작을 나타내는 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 로봇 관절 구동기(1)는 모터(100), 제1 연결부(310), 제2 연결부(410), 벨트(200), 제1 스트링(330), 제2 스트링(430), 연결부 및 풀리(600)를 포함할 수 있다.
모터(100)는 로봇 관절 구동기(1)를 동작시키며, 회전을 통해 제1 연결부(310)를 회전시킬 수 있다. 일실시예로, 모터(100)는 직류 모터(100)가 사용될 수 있다. 도면에는 모터(100)가 제1 연결부(310)에 연결되는 것으로 나타나고 있으나, 제1 연결부(310) 또는 제2 연결부(410) 중 하나에 연결되어 회전력이 전달될 수 있다. 아래의 실시 예에서는 제1 연결부(310)에 모터(100)가 연결되는 구성을 예를 들어 설명하도록 한다.
제1 연결부(310)는 원통의 형상으로 마련되며, 모터(100)와 연결되어 모터(100)로부터 회전력을 전달받아 함께 회전할 수 있다. 제1 연결부(310)는 벨트(200)와 연결되며 제2 연결부(410)로 회전력을 전달하기 위해 원통의 형상으로 마련될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 타이밍 풀리 또는 다각형의 기둥형상으로 마련되어 벨트(200)와 결합시 미끄러짐을 방지할 수도 있다.
제2 연결부(410)는 제1 연결부(310)의 측면과 측면이 마주보도록 위치할 수 있다. 이는 벨트(200)로 연결시 동일선상에 위치하여 제1 연결부(310)의 회전력이 전달되도록 하기 위함이다. 제2 연결부(410)는 제1 연결부(310)와 마찬가지로 타이밍 풀리, 원통형 또는 다각형의 기둥 형상 등 다양한 형상으로 변형실시될 수 있다.
벨트(200)는 제1 연결부(310) 외주 면의 일 영역과 제2 연결부(410) 외주 면의 일 영역을 감싸며, 모터(100)의 회전력을 제2 연결부(410)로 전달할 수 있다. 본 발명의 로봇 관절 구동기는 하나의 모터(100)를 이용하여 복수의 스트링을 구동하는 것을 특징으로 하는바, 벨트(200)는 모터(100)의 회전력을 전달하기 위한 동력 전달 수단이다.
벨트(200)는 일정 폭을 가지며, 제1 연결부(310)의 일 영역과 제2 연결부(410)의 일 영역을 감쌀 수 있다. 벨트(200)는 서로 마주보도록 위치하는 제1 연결부(310)와 제2 연결부(410)에 밀착결합할 수 있다. 일실시예로, 벨트(200)의 내측면에는 복수의 돌기가 형성될 수 있으며, 제1 연결부(310)와 제2 연결부(410)의 외주면에는 돌기를 수용하기 위한 복수의 홈부가 형성될 수 있다. 벨트(200)의 접촉면의 형상은 벨트(200)와 연결부의 접촉력을 향상시키기 위한 다양한 방법으로 변형실시될 수 있다. 또한, 제1 연결부(310)와 제2 연결부(410)는 이격된 거리를 구비하여 벨트(200)가 회전시 이물질이 삽입되는 경우에도 자연적으로 배출될 수 있는 장점이 있다.
제1 스트링(330)은 제1 연결부(310)의 회전력을 전달받도록 일측 단부가 제1 연결부(310)에 연결되며, 타측 단부는 제1 이동부(350)와 연결될 수 있으며, 제2 스트링(430)은 제2 연결부(410)의 회전력을 전달받도록 제2 연결부(410)에 일측 단부가 연결되며, 타측 단부는 제2 이동부(450)와 연결될 수 있다.
제1 스트링(330)과 제2 스트링(430)은 모터(100)의 회전의 의해 꼬임과 풀림을 반복하여 풀리(600)를 회전시킬 수 있다.
제1 스트링(330)과 제2 스트링(430)은 서로 반대 방향으로 프리-트위스팅(pre-twisting)되어 있어 풀리(600)가 일 방향으로 회전하더라도 일측 스트링은 꼬이며, 타측 스트링은 풀리는 구조를 가질 수 있다. 이는 서로 반대방향의 구동을 하도록 별도의 구조가 필요하지 않아 구동기의 구조를 간단하게 할 수 있으며, 구동기의 중량을 감소할 수 있다.
제1 이동부(350)와 제2 이동부(450)는 스트링과 와이어를 연결할 수 있다.
제1 이동부(350)는 제1 레일(340)에 안착되며, 일측에는 제1 스트링(330)을 고정하기 위한 제1 스트링 고정부(352)가 연결되며, 타측에는 와이어(500)과 연결되기 위한 제1 와이어 고정부(356)를 구비할 수 있다.
제2 이동부(450)는 제2 레일(440)에 안착되며, 일측에는 제2 스트링(430)을 고정하기 위한 제2 스트링 고정부(452)가 연결되며, 타측에는 와이어(500)과 연결되기 위한 제2 와이어 고정부(456)를 구비할 수 있다.
제1 이동부(350)와 제2 이동부(450)는 제1 스트링(330)과 제2 스트링(430)의 동작, 즉 꼬임과 풀림에 따른 움직임을 와이어(500)를 통해 서로 연동시킨다.
또한 제1 이동부(350)와 제2 이동부(450)는 직선형의 제1 레일(340)과 제2 레일(440)에 안착되어 이동할 수 있다. 제1 레일(340)과 제2 레일(440)은 제1 이동부(350)와 제2 이동부(450)를 고정하여 제1 스트링(330)과 제2 스트링(430)의 꼬임에 따른 뒤틀림을 방지할 수 있으며, 제1 이동부(350)과 제2 이동부(450)의 이동을 가이드 할 수 있다.
일실시예로, 제1 이동부(350)와 제2 이동부(450) 각각은 제1 레일(340)과 제2 레일(440)에 연결되어 이탈을 방지할 수 있다. 제1 이동부(350)와 제2 이동부(450)의 결합구조는 레일을 따라 이동하는 다양한 물체의 결합구조가 사용될 수 있다.
또한, 제1 이동부(350)와 제2 이동부(450)는 로드셀이 사용되어 와이어에 작용하는 하중을 측정할 수도 있다.
와이어(500)는 제1 이동부(350)와 제2 이동부(450)를 연결할 수 있다. 와이어(500)는 제1 스트링(330)과 제2 스트링(430)의 꼬임과 풀림에 따라 좌우로 움직이게 되며, 풀리(600)를 회전시킬 수 있다.
풀리(600)는 와이어(500)가 측면으로 삽입되어 회전하며, 제1 스트링(330)과 제2 스트링(430)의 길이 가변을 보상하기 위해 가변 반경을 구비할 수 있다. 가변반경이란 중심축(610)을 기준으로 반지름이 불균일한 것을 의미한다. 풀리(600)는 회전축(610)으로 고정되며, 와이어(500)의 움직임에 따라 좌우로 회전하게 되며, 이를 통해 관절을 구동할 수 있다. 풀리(600)의 가변 반경 형상은 고정되어 있지 않으며, 관절의 구동범위에 따라서 다양한 형상으로 변형 실시될 수 있다.
일 실시예로, 풀리(600)는 타원의 형상으로 마련되며 준비상태, 즉 모터(100)의 미구동 상태에서 좌우가 대칭되도록 마련될 수 있다. 좌우가 대칭되는 풀리(600)의 형상은 회전축(610)이 0도인 상태를 의미하며, 이는 관절의 구동범위가 대칭되는 경우를 의미한다. 풀리(600)의 형상은 제1 스트링(330)과 제2 스트링(430)의 변위 차의 보상 및 풀리(600)와 와이어(500)에 의해 발생하는 힘의 차이를 보상할 수 있다. 구체적이 형상에 대해서는 아래에 다시 설명하도록 한다.
도 3은 로봇 관절 구동기의 스트링이 감기기 전 상태를 나타내는 도면이고, 도 4는 로봇 관절 구동기의 스트링이 꼬인 상태를 나타내는 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 로봇 관절 구동기는 제1 고정부(320) 및 제2 고정부(420)를 더 포함할 수 있다.
제1 고정부(320)는 제1 연결부(310)와 제1 스트링(330) 사이에 배치될 수 있으며, 제2 고정부(420)는 제2 연결부(410)와 제2 스트링(430) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 제1 고정부(320)의 외측면에는 제1 베어링(362)이, 제2 고정부(420)의 외측면에는 제2 베어링(462)이 위치할 수 있다. 제1 베어링(362)과 제2 베어링(462) 각각은 모터(100)의 구동에 따른 제1 고정부(320)와 제2 고정부(420)의 회전을 용이하게 한다. 제1 베어링(362)은 제1 지지부(360)에 의해 지지되며, 제2 베어링(462)은 제2 지지부(460)에 의해 지지될 수 있다. 제1 지지부(360)와 제2 지지부(460)는 각각의 베어링을 고정하며, 모터(100) 및 연결부를 지지하는 역할을 수행할 수 있다.
제1 고정부(320)와 제2 고정부(420)는 동일 구조를 구비하는 바, 이하에서는 제1 고정부(320)에 대해서만 설명하도록 한다.
제1 고정부(320)는 제1 연결부(310)와 연결되어 모터(100)의 회전력을 제1 스트링(330)으로 전달할 수 있다. 제1 고정부(320)는 후크 형상으로 마련되어 제1 스트링(330)이 고정될 수 있다. 스트링의 꼬임 구조를 가지는 경우 단부에는 많은 토크가 걸리게 되며, 이는 스트링의 수명을 짧게 할 수 있다. 이를 방지하기 위해 스트링의 고정부를 후크 구조로 마련하여, 회전력이 가해지는 접촉 면적을 증대할 수 있으며, 뒤틀림 구조를 안정적으로 지지할 수 있다.
또한, 제1 고정부(320) 외측면에 연결되는 제1 베어링(362)은 모터(100)의 구동에 따른 회전을 용이하게 할 수 있다. 제1 베어링(362)은 핀 베어링, 트러스트 베어링 등 회전을 용이하게 하는 다양한 종류의 베어링이 사용될 수 있다.
제1 지지부(360)는 제1 베어링(362)과 제1 베어링(326)에 연결되는 제1 연결부(310)를 안정적으로 지지할 수 있다. 제1 지지부(360)의 형상에는 제한이 없으며, 제1 베어링(362)이 안착될 수 있는 다양한 형상으로 변형실시될 수 있다.
도 5는 로봇 관절 구동기의 구성요소인 가변 반경 풀리를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 가변 반경을 구비하는 풀리(600)는 제1 스트링(330)과 제2 스트링(430)의 변위 차를 보상하고, 풀리(600)와 와이어(500)에 의해 작용하는 힘의 차이를 보상할 수 있다.
스트링 꼬임 구동기에서는 회전수가 증가하면, 작용하는 힘이 감소한다. 또한, 단일 모터(100) 구동기에서는 한 축(스트링)의 길이가 감소하면, 반대 축의 길이가 증가한다. 이는 일측에 힘이 감소하면, 타측에 힘이 증가하는 것과 동일한 의미를 가진다. 따라서 정확한 구동을 위해서는 이러한 차이에 대한 보상이 필요하게 된다.
도 5는 본 발명의 실시예의 구성요소인 풀리(600)는 모터(100) 미구동시, 즉 회전축(610)이 0도인 상태에서 좌우 대칭구조를 가지며, 고정축을 중심으로 일측을 r1, 타측을 r2로 정의한다.
r1과 r2는 스트링의 길이 가변량과 풀리(600)에 작용하는 모멘트 량을 이용하여 구할 수 있다.
Figure 112016116342312-pat00015
Figure 112016116342312-pat00016
수학식 1은 스트링 길이의 변화량에 기초한 것이고, 수학식 2는 풀리에 작용하는 모멘트 합이 일정함에 기초한 것이다.
여기서, 변수는 하기의 수학식 3 내지 6에 의해 정해질 수 있다.
Figure 112016116342312-pat00017
수학식 3은 제1 스트링의 변위량을 나타낸다.
Figure 112016116342312-pat00018
수학식 4는 제2 스트링의 변위량을 나타낸다.
도 6은 스트링의 변위량을 측정하는 과정을 나타내는 도면이다. 도 6의 (a)는 스트링이 정상상태인 경우를 나타내는 도면이고, 도 6의 (b)는 스트링이 꼬인 상태를 나타내는 도면이고, 도 6의 (c)는 스트링의 꼬인 상태에서 길이의 변화량을 확인하기 위한 피타고라스 정리를 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 스트링이 꼬이기전의 길이(L)와 스트링이 짧아진 길이를
Figure 112018039113730-pat00049
라 할 때, 나머지 한 변은 호의 길이를 구하기 위해 rs와 회전각 θ의 곱으로 길이가 구해진다.
이를 평면상태에서 피타고라스 정리를 이용하여 계산하면, 스트링의 변위량이 구해질 수 있다.
Figure 112016116342312-pat00019
수학식 5는 제1 스트링에 작용하는 힘을 나타낸다.
Figure 112016116342312-pat00020
수학식 6은 제2 스트링에 작용하는 힘을 나타낸다.
각 수학식에서,
Figure 112018039113730-pat00021
: 스트링의 꼬이기 전의 시작길이,
Figure 112018039113730-pat00022
: pre-twisting된 후의 길이(no movement),
Figure 112018039113730-pat00023
: pre-twisting 된 후의 길이에서부터 움직이는 거리,
Figure 112018039113730-pat00050
: 풀리의 회전각도 미분변화,
Figure 112018039113730-pat00024
: 로봇 관절 구동기에 사용되는 스트링의 반지름,
Figure 112018039113730-pat00025
: 모터의 회전각,
Figure 112018039113730-pat00026
: L에서 Li 까지 줄어들기 위한 모터 회전각(프리-트위스팅이 되기 위한 모터 회전각),
Figure 112018039113730-pat00027
: 모터의 효율,
Figure 112018039113730-pat00028
: 모터의 토크를 의미한다.
여기서 사용되는
Figure 112018039113730-pat00051
는 각도 변화에 따른 풀리의 둘레를 적분하기 위해 사용된다.
이상으로 본 발명의 실시 예에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 살펴보았다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 : 로봇 관절 구동기
100 : 모터
200 : 벨트
310 : 제1 연결부 320 : 제1 고정부
330 : 제1 스트링 340 : 제1 레일
350 : 제1 이동부 352 : 제1 스트링 고정부
356 : 제1 와이어 고정부 360 : 제1 지지부
362 : 제1 베어링
410 : 제2 연결부 420 : 제2 고정부
430 : 제2 스트링 440 : 제2 레일
450 : 제2 이동부 452 : 제2 스트링 고정부
456 : 제2 와이어 고정부 460 : 제2 지지부
462 : 제2 베어링
500 : 와이어
600 : 풀리 610 : 회전축

Claims (9)

  1. 모터;
    상기 모터와 연결되어 회전력을 전달받는 제1 연결부;
    상기 제1 연결부의 측면과 측면이 서로 마주보도록 위치하는 제2 연결부;
    상기 제1 연결부의 외주면의 일 영역과 상기 제2 연결부의 외주면의 일 영역을 감싸며, 상기 모터의 구동력을 상기 제2 연결부로 전달하는 벨트;
    상기 제1 연결부의 회전력을 전달받도록 일측 단부가 연결되며, 타측 단부는 제1 이동부와 연결되는 제1 스트링;
    상기 제2 연결부의 회전력을 전달받도록 일측 단부가 연결되며, 타측 단부는 제2 이동부와 연결되는 제2 스트링;
    상기 제1 이동부와 상기 제2 이동부를 연결하는 와이어; 및
    상기 와이어가 측면에 삽입되어 회전하며, 상기 제1 스트링과 상기 제2 스트링의 길이 가변을 보상하기 위한 가변 반경을 구비하는 풀리;
    를 포함하며,
    상기 제1 연결부의 회전에 의한 상기 제1 스트링의 꼬임 방향과 상기 제2 스트링의 꼬임 방향은 서로 반대방향인 것을 특징으로 하는 로봇 관절 구동기.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 연결부와 상기 제1 스트링 사이에는 제1 고정부가,
    상기 제2 연결부와 상기 제2 스트링 사이에는 제2 고정부가
    배치되는 로봇 관절 구동기.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 고정부와 상기 제2 고정부는 후크 형상으로 구비되는 로봇 관절 구동기.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 고정부의 외측면에는 제1 베어링이,
    상기 제2 고정부의 외측면에는 제2 베어링이 위치하는 로봇 관절 구동기.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 이동부는 직선형의 제1 레일과 상기 제2 이동부는 직선형의 제2 레일에 안착되어 이동하는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 구동기.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 풀리는 상기 와이어의 접촉면이 타원의 구조로 마련되며, 상기 모터의 미동작시 좌우 대칭구조로 마련되는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 구동기.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 풀리는
    상기 제1 스트링과 상기 제2 스트링의 변위 차의 보상과
    상기 풀리와 상기 와이어에 의해 작용하는 힘의 차를 보상하는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 구동기.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 풀리의 반경 r1,r2는,
    Figure 112018039113730-pat00029

    Figure 112018039113730-pat00030

    여기서, 변수는
    Figure 112018039113730-pat00031

    Figure 112018039113730-pat00032

    Figure 112018039113730-pat00033

    Figure 112018039113730-pat00034

    (
    Figure 112018039113730-pat00035
    : 스트링의 꼬이기 전의 시작길이,
    Figure 112018039113730-pat00036
    : pre-twisting된 후의 길이(no movement),
    Figure 112018039113730-pat00037
    : pre-twisting 된 후의 길이에서부터 움직이는 거리,
    Figure 112018039113730-pat00052
    : 풀리의 회전각도의 미분변화,
    Figure 112018039113730-pat00038
    : 로봇 관절 구동기에 사용되는 스트링의 반지름,
    Figure 112018039113730-pat00039
    : 모터의 회전각,
    Figure 112018039113730-pat00040
    : L에서 Li 까지 줄어들기 위한 모터 회전각(프리-트위스팅이 되기 위한 모터 회전각),
    Figure 112018039113730-pat00041
    : 모터의 효율,
    Figure 112018039113730-pat00042
    : 모터의 토크)
    의 수식을 만족하는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 구동기.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 이동부와 상기 제2 이동부는 로드셀이 사용되는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 구동기.

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