KR101975351B1 - 외부 토크 적응형 가변 반지름 풀리 - Google Patents

외부 토크 적응형 가변 반지름 풀리 Download PDF

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박지혁
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한상훈
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한국과학기술원
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Abstract

구동기 추가나 복잡한 구조를 사용하지 않고서, 외부 토크에 따라 적응적으로 반지름이 가변될 수 있는 풀리이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 가변 반지름 풀리는 몸체; 몸체에 대해 회전 운동 가능하도록 결합되어, 외부 토크에 따라 회전 운동하는 캠; 및 몸체에 대해 직선 운동 가능하도록 결합되어, 캠의 운동에 연동하는 직선 운동으로 곡선형 외곽과 몸체의 중심 간의 거리를 가변시키는 종동절들;을 포함한다.
이에 의해, 구동기 추가나 복잡한 구조를 사용하지 않고서, 외부 토크에 따라 적응적으로 풀리의 반지름을 수동적인 메커니즘으로 가변시킬 수 있게 된다.

Description

외부 토크 적응형 가변 반지름 풀리{Passively Adaptive Variable Radius Pulley According to External Torque}
본 발명은 풀리 메커니즘에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 텐던 기반 로봇 구동기 등에 사용 가능한 반지름이 가변하는 풀리에 관한 것이다.
기존 로봇 팔은 각 로봇 관절에 부착되는 무거운 구동기들로 구동하는 직접 구동방식을 주로 사용한다. 하지만, 이 경우 로봇 팔의 무게와 관성이 커져, 로봇팔의 성능이 좋지 않다.
이러한 문제를 해결하기 위해 풀리와 케이블을 사용하는 텐던 구동 방식을 적용한 로봇 팔이 제시되었다. 하지만, 풀리의 고정된 반지름의 크기로 인한 고정된 기어비로 인해 일정한 감속비를 갖게 되어, 로봇 구동기의 성능이 좋지 않다는 문제가 있다.
변속 메커니즘을 통해 구동기의 성능을 향상시키는 여러 가지 연구 결과들이 있지만, 추가적인 구동기와 복잡한 구조로 인해 로봇 팔에 적용하기에는 무리가 있다.
따라서, 텐던 기반 구동 로봇 팔에 적용이 가능한 간단한 구조의 변속 메커니즘이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 구동기 추가나 복잡한 구조를 사용하지 않고서, 외부 토크에 따라 적응적으로 반지름이 가변될 수 있는 풀리를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 가변 반지름 풀리는 몸체; 몸체에 대해 회전 운동 가능하도록 결합되어, 외부 토크에 따라 회전 운동하는 캠; 및 몸체에 대해 직선 운동 가능하도록 결합되어, 캠의 운동에 연동하는 직선 운동으로 곡선형 외곽과 몸체의 중심 간의 거리를 가변시키는 종동절들;을 포함한다.
가변 반지름 풀리의 반지름은, 종동절들의 곡선형 외곽과 몸체의 중심 간의 거리일 수 있다.
종동절들의 직선 운동은, 몸체의 중심으로부터 몸체의 외곽을 향하는 방향 또는 몸체의 외곽으로부터 몸체의 중심을 향하는 방향으로의 운동일 수 있다.
본 발명에 따른 가변 반지름 풀리는 외부 토크가 증가하면, 종동절들은 몸체의 중심으로부터 몸체의 외곽을 향하는 방향으로 직선 운동하고, 외부 토크가 감소하면, 종동절들은 몸체의 외곽으로부터 몸체의 중심을 향하는 방향으로 직선 운동하는 것일 수 있다.
외부 토크는, 제1 방향 또는 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 인가되는 것일 수 있다.
캠에는, 제1 방향의 외부 토크가 인가되어 제1 방향으로 회전되는 경우에, 종동절들의 직선 운동을 유도하는 제1 홈들; 및 제2 방향의 외부 토크가 인가되어 제2 방향으로 회전되는 경우에, 종동절들의 직선 운동을 유도하는 제2 홈들;이 형성되어 있을 수 있다.
몸체에는, 종동절들이 직선 운동하는 가이드들이 형성되어 있고, 가이드들에서 종동절들과 접촉하는 벽의 일부는 베어링으로 구현되어 있을 수 있다.
본 발명에 따른 가변 반지름 풀리는 캠의 회전 운동을 복원시키기 위한 탄성 복원력을 제공하는 탄성체;를 더 포함할 수 있다.
몸체는, 종동절들이 직선 운동하는 가이드들이 형성된 제1 몸체; 제1 몸체의 하부에 위치하며, 캠의 회전축을 통해 캠과 고정 결합하여 캠의 회전 운동에 연동하여 회전하는 제2 몸체;를 포함하고, 탄성체는, 일단이 제1 몸체에 고정되고, 타단이 제2 몸체에 고정된 토션 스프링인 것일 수 있다.
본 발명에 따른 가변 반지름 풀리는 캠의 중심에 고정 결합되어, 캠의 회전 운동에 연동하여 회전하는 나사; 및 몸체의 내부에 위치하며, 나사에 결합된 너트;를 더 포함하고, 탄성체는, 몸체의 내부 상면과 너트의 사이에 고정 결합된 제1 압축 스프링; 및 너트와 몸체의 내부 하면의 사이에 고정 결합된 제2 압축 스프링;을 포함할 수 있다.
가변 반지름 풀리는, 텐던 기반 구동기의 줄을 회전시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 풀리의 반지름 변경 방법은 풀리의 몸체에 대해 회전 운동 가능하도록 결합된 캠이, 외부 토크에 따라 회전 운동하는 단계: 및 몸체에 대해 직선 운동 가능하도록 결합된 종동절들이, 캠의 운동에 연동하는 직선 운동으로 종동절들을 구성하는 곡선형 외곽들과 몸체의 중심 간의 거리를 가변시키는 단계;를 포함한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 구동기 추가나 복잡한 구조를 사용하지 않고서, 외부 토크에 따라 적응적으로 풀리의 반지름을 수동적인 메커니즘으로 가변시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 수동적인 메커니즘으로 풀리의 반지름을 가변시키므로, 고속의 작업 구간과 큰 힘이 필요한 작업구간을 구분하여 지령을 입력할 필요가 없어 간단하고, 변속 메커니즘을 매우 작은 부피로 구현할 수 있게된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가변 반지름 풀리의 개념 설명에 제공되는 도면,
도 2는 외부 토크에 따른 본 발명의 실시예에 따른 풀리의 반지름 가변 상태를 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가변 반지름 풀리의 부연 설명에 제공되는 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 풀리에 대해 탄성 복원력을 제공하기 위한 구조의 설명에 제공되는 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 풀리에 대해 양방향 탄성 복원력을 제공하기 위한 구조의 설명에 제공되는 도면,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 외부 토크 적응형 가변 반지름 풀리에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프, 그리고,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 외부 토크 적응형 가변 반지름 풀리를 텐던 기반 로봇 구동기에 활용한 예를 도시한 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변 반지름 풀리의 개념 설명에 제공되는 도면이다. 본 발명의 실시예에 따른 가변 반지름 풀리는, 인가되는 외부 토크에 따라 수동적인 메커니즘으로 반지름이 적응적으로 가변하는 풀리이다.
도 1에서는 본 발명의 실시예에 따른 가변 반지름 풀리를 일 측면에서 바라보면서 도시하였는데, 도 1의 좌측에는 외부 토크가 가해지지 않은 상태에서의 가변 반지름 풀리를, 도 1의 우측에는 외부 토크가 가해진 상태에서의 가변 반지름 풀리를, 각각 도시하였다.
도 1의 좌측에 도시된 바와 같이 외부 토크가 가해지지 않은 상태에서 가변 반지름 풀리의 반지름은 작고, 도 1의 우측에 도시된 바와 같이 외부 토크가 가해진 상태에서 가변 반지름 풀리의 반지름은 길다.
보다 정확하게는, 도 2에 도시된 바와 같이, 외부 토크가 가해지지 않은 상태에서 가변 반지름 풀리의 반지름은 최소가 되고, 외부 토크가 가해지면 가변 반지름 풀리의 반지름은 증가하게 되는데, 이때 반지름은 외부 토크에 비례한다. 이에 따라, 가변의 감속 효과를 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가변 반지름 풀리는, 도 1에 도시된 바와 같이, 레버(Lever)(110), 페이스 캠(Face Cam)(120), 슬라이딩 종동절(Sliding Follower)들(130) 및 몸체(140)를 포함한다.
페이스 캠(120)은 몸체(140)에 대해 회전 운동 가능하도록 몸체(140)에 결합된다. 구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 페이스 캠(120)의 중앙 안쪽에 형성된 캠 축(125)이 몸체(140)의 중앙 홀에 회전 가능하도록 결합되어, 몸체(140)에 대해 회전 운동한다.
그리고, 도 1에 도시된 바와 같이, 페이스 캠(120)의 중앙 바깥쪽에는 레버(110)가 고정 결합되어 있다. 레버(110)는 인가되는 외부 토크에 따라 회전 운동하는데, 페이스 캠(120)의 중앙에 고정 결합되므로 캠 축(125)을 중심으로 회전 운동하게 된다.
레버(110)는 외부 토크의 방향에 따라 시계 방향 또는 반시계 방향으로 회전 운동한다. 레버(110)의 회전 운동은, 그에 고정 결합된 페이스 캠(120)의 회전 운동을 유발하는데, 유발되는 회전 운동 방향과 회전각(회전량)은 동일하다.
따라서, 페이스 캠(120)은 외부 토크 방향에 따라 외부 토크 크기에 비례하는 회전각(회전량)으로 회전 운동하게 된다.
슬라이딩 종동절들(130)은 페이스 캠(120)의 회전 운동에 연동하여 직선 운동한다. 이를 위해, 도 3의 우측에 도시된 바와 같이 슬라이딩 종동절들(130)에는 베어링들(135)이 마련되어 있고, 도 3의 좌측에 도시된 바와 같이 이 베어링들(135)은 페이스 캠(120)의 홈들의 내부에서 이동 가능하도록 결합된다.
페이스 캠(120)의 홈들은 V형 홈들로 구현된다. 즉, 페이스 캠(120)의 홈들은, 시계 방향의 외부 토크가 인가되어 페이스 캠(120)이 시계 방향으로 회전되는 경우에 슬라이딩 종동절들(130)의 직선 운동을 유도하는 홈들과, 반시계 방향의 외부 토크가 인가되어 페이스 캠(120)이 반시계 방향으로 회전되는 경우에 슬라이딩 종동절들(130)의 직선 운동을 유도하는 홈들이 각각 결합된 구조이다.
페이스 캠(120)의 V형 홈들에 의해, 외부 토크의 방향에 상관 없이, 슬라이딩 종동절들(130)은 외부 토크에 비례하는 크기 만큼의 직선 운동이 가능하다.
외부 토크가 증가하는 경우, 슬라이딩 종동절들(130)의 직선 운동은, 캠 축(125)으로부터 몸체(140)의 외곽을 향하는 방향이다. 이에 의해, 슬라이딩 종동절들(130)의 곡선형 외곽체들과 몸체(140)의 중심 간의 거리가 길어진다.
본 발명의 실시예에 따른 풀리의 반지름은 슬라이딩 종동절들(130)의 곡선형 외곽체들과 몸체(140)의 중심 간의 거리이므로, 슬라이딩 종동절들(130)의 곡선형 외곽체들이 몸체(140)의 중심으로부터 멀어지면, 풀리의 반지름은 증가하게 된다.
외부 토크가 감소하는 경우, 슬라이딩 종동절들(130)의 직선 운동은, 몸체(140)의 외곽으로부터 캠 축(125)을 향하는 방향이다. 이에 의해, 슬라이딩 종동절들(130)의 곡선형 외곽체들과 몸체(140)의 중심 간의 거리가 짧아진다.
이와 같이, 슬라이딩 종동절들(130)의 곡선형 외곽체들이 몸체(140)의 중심에 가까워지면, 풀리의 반지름은 감소한다.
한편, 슬라이딩 종동절들(130)의 원활한 직선 운동을 위해, 도 3의 우측에 도시된 바와 같이, 몸체(140)에서 슬라이딩 종동절들(130)의 직선 운동을 유도하는 슬라이딩 가이드들에서 슬라이딩 종동절들(130)과 접촉하는 벽의 일부는 베어링들로 구현되어 있다.
한편, 레버(100)를 통해 인가되던 외부 토크의 세기가 작아지거나 제거되면, 레버(110)와 페이스 캠(120)은 도 1의 좌측과 도 2의 좌측에 도시된 상태로 점차 복원한다.
이를 위해, 도 4에 도시된 바와 같이, 페이스 캠(120)의 캠 축(125)은 하부 몸체(142)에 고정 결합되고, 상부 몸체(141)와 하부 몸체(142)는 토션 스프링(150)으로 결합된다.
구체적으로, 토션 스프링(150)의 일 단은 상부 몸체(141)에 고정 결합되고, 타 단은 하부 몸체(142)에 고정 결합된다.
로봇 팔(미도시) 등에 고정되어 있는 상부 몸체(141)와 달리, 하부 몸체(142)는 외부 토크에 의한 레버(110)와 페이스 캠(120)의 회전에 연동하여 회전한다.
하지만, 토션 스프링(150)에 의한 탄성 복원력으로 인해, 외부 토크가 작아지거나 제거되면 하부 몸체(142)는 회전 전의 상태로 복원하며, 하부 몸체(142)에 고정된 레버(110)와 페이스 캠(120)도 함께 회전 전의 상태로 복원히게 된다.
도 5에는 본 발명의 실시예에 따른 풀리의 반지름 복원을 위한 또 다른 메커니즘을 제시하였다. 양방향으로 동일한 회전 탄성 복원력을 제공하기 위한 구조이다.
구체적으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 캠 축을 나사(161)로 구현하여, 몸체(140)의 내부에서 너트(162)에 결합시키고, 몸체(140)의 내부 상면과 너트(162)의 사이에 압축 스프링(163)을 고정 결합시키고, 너트(162)와 몸체(140)의 내부 하면의 사이에 압축 스프링(164)을 고정 결합시킨다.
이에 따라, 외부 토크에 의한 레버(110)와 페이스 캠(120)의 회전에 연동하여 회전 운동하는 나사(161)에 결합된 너트(162)의 위치가 외부 토크의 방향에 따라 위쪽 또는 아래 쪽으로 이동하게 된다.
너트(162)가 위쪽으로 이동한 경우에는, 상부에 위치한 압축 스프링(163)에 의한 탄성 복원력에 의해, 외부 토크가 작아지거나 제거되면 레버(110)와 페이스 캠(120)이 회전 전의 상태로 복원하게 된다.
반면, 너트(162)가 아래쪽으로 이동한 경우에는, 하부에 위치한 압축 스프링(164)에 의한 탄성 복원력에 의해, 외부 토크가 작아지거나 제거되면 레버(110)와 페이스 캠(120)은 회전 전의 상태로 복원하게 된다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 외부 토크 적응형 가변 반지름 풀리에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 토션이 증가할수록 회전각이 증가하고 회전각이 증가함에 따라 풀리의 반지름이 점차 증가함으로써 감속비가 점차 증가함을 확인할 수 있다.
지금까지, 외부 토크 적응형 가변 반지름 풀리에 대해 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였다.
본 발명의 실시예에 따른 외부 토크 적응형 가변 반지름 풀리는, 도 7에 제시된 바와 같이, 텐던 기반 로봇 구동기의 줄을 회전시키는 용도로 활용가능하다. 하지만, 이는 예시적인 것으로, 로봇 이외의 다른 기구 장치의 구동기에 있어서도 사용될 수도 있음은 물론이다.
본 발명의 실시예에 따른 외부 토크 적응형 가변 반지름 풀리는, 변속 메커니즘의 장점인 가변 감속 효과는 그대로 유지하면서, 힘의 평형을 통하여 외부 토크의 크기에 따라 추가 구동기 없이 수동적인 수단으로 작동할 수 있는 간단한 메커니즘이다.
이를 통해, 로봇 팔을 소형화시킬 수 있으며, 기존의 상용 변속기에서 발생했던 로봇 성능 감소 문제에 대한 해결을 기대할 수 있다.
한편, 위 실시예에서 종돌절의 개수를 3개로 구현하였는데 예시적인 것에 불과하다. 3개 이외의 다른 개수로 종돌절을 구현하는 경우에도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있음은 물론이다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
110 : 레버(Lever)
120 : 페이스 캠(Face Cam)
130 : 슬라이딩 종동절(Sliding Follower)
140 : 몸체

Claims (12)

  1. 몸체;
    몸체에 대해 회전 운동 가능하도록 결합되어, 외부 토크에 따라 회전 운동하는 캠; 및
    몸체에 대해 직선 운동 가능하도록 결합되어, 캠의 운동에 연동하는 직선 운동으로 곡선형 외곽과 몸체의 중심 간의 거리를 가변시키는 종동절들;을 포함하고,
    외부 토크는,
    제1 방향 또는 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 인가되며,
    캠에는,
    제1 방향의 외부 토크가 인가되어 제1 방향으로 회전되는 경우에, 종동절들의 직선 운동을 유도하는 제1 홈들; 및
    제2 방향의 외부 토크가 인가되어 제2 방향으로 회전되는 경우에, 종동절들의 직선 운동을 유도하는 제2 홈들;이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 가변 반지름 풀리.
  2. 청구항 1에 있어서,
    가변 반지름 풀리의 반지름은,
    종동절들의 곡선형 외곽과 몸체의 중심 간의 거리인 것을 특징으로 하는 가변 반지름 풀리.
  3. 청구항 2에 있어서,
    종동절들의 직선 운동은,
    몸체의 중심으로부터 몸체의 외곽을 향하는 방향 또는 몸체의 외곽으로부터 몸체의 중심을 향하는 방향으로의 운동인 것을 특징으로 하는 가변 반지름 풀리.
  4. 청구항 3에 있어서,
    외부 토크가 증가하면, 종동절들은 몸체의 중심으로부터 몸체의 외곽을 향하는 방향으로 직선 운동하고,
    외부 토크가 감소하면, 종동절들은 몸체의 외곽으로부터 몸체의 중심을 향하는 방향으로 직선 운동하는 것을 특징으로 하는 가변 반지름 풀리.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 몸체;
    몸체에 대해 회전 운동 가능하도록 결합되어, 외부 토크에 따라 회전 운동하는 캠; 및
    몸체에 대해 직선 운동 가능하도록 결합되어, 캠의 운동에 연동하는 직선 운동으로 곡선형 외곽과 몸체의 중심 간의 거리를 가변시키는 종동절들;을 포함하고,
    몸체에는,
    종동절들이 직선 운동하는 가이드들이 형성되어 있고,
    가이드들에서 종동절들과 접촉하는 벽의 일부는 베어링으로 구현되어 있는 것을 특징으로 하는 가변 반지름 풀리.
  8. 청구항 1에 있어서,
    캠의 회전 운동을 복원시키기 위한 탄성 복원력을 제공하는 탄성체;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 반지름 풀리.
  9. 몸체;
    몸체에 대해 회전 운동 가능하도록 결합되어, 외부 토크에 따라 회전 운동하는 캠;
    몸체에 대해 직선 운동 가능하도록 결합되어, 캠의 운동에 연동하는 직선 운동으로 곡선형 외곽과 몸체의 중심 간의 거리를 가변시키는 종동절들; 및
    캠의 회전 운동을 복원시키기 위한 탄성 복원력을 제공하는 탄성체;를 포함하고,
    몸체는,
    종동절들이 직선 운동하는 가이드들이 형성된 제1 몸체;
    제1 몸체의 하부에 위치하며, 캠의 회전축을 통해 캠과 고정 결합하여 캠의 회전 운동에 연동하여 회전하는 제2 몸체;를 포함하고,
    탄성체는,
    일단이 제1 몸체에 고정되고, 타단이 제2 몸체에 고정된 토션 스프링인 것을 특징으로 하는 가변 반지름 풀리.
  10. 몸체;
    몸체에 대해 회전 운동 가능하도록 결합되어, 외부 토크에 따라 회전 운동하는 캠; 및
    몸체에 대해 직선 운동 가능하도록 결합되어, 캠의 운동에 연동하는 직선 운동으로 곡선형 외곽과 몸체의 중심 간의 거리를 가변시키는 종동절들;
    캠의 회전 운동을 복원시키기 위한 탄성 복원력을 제공하는 탄성체;
    캠의 중심에 고정 결합되어, 캠의 회전 운동에 연동하여 회전하는 나사; 및
    몸체의 내부에 위치하며, 나사에 결합된 너트;를 포함하고,
    탄성체는,
    몸체의 내부 상면과 너트의 사이에 고정 결합된 제1 압축 스프링; 및
    너트와 몸체의 내부 하면의 사이에 고정 결합된 제2 압축 스프링;을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 반지름 풀리.
  11. 청구항 1에 있어서,
    가변 반지름 풀리는,
    텐던 기반 구동기의 줄을 회전시키는 것을 특징으로 하는 가변 반지름 풀리.
  12. 풀리의 몸체에 대해 회전 운동 가능하도록 결합된 캠이, 외부 토크에 따라 회전 운동하는 단계: 및
    몸체에 대해 직선 운동 가능하도록 결합된 종동절들이, 캠의 운동에 연동하는 직선 운동으로 종동절들을 구성하는 곡선형 외곽들과 몸체의 중심 간의 거리를 가변시키는 단계;를 포함하고,
    외부 토크는,
    제1 방향 또는 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 인가되며,
    캠에는,
    제1 방향의 외부 토크가 인가되어 제1 방향으로 회전되는 경우에, 종동절들의 직선 운동을 유도하는 제1 홈들; 및
    제2 방향의 외부 토크가 인가되어 제2 방향으로 회전되는 경우에, 종동절들의 직선 운동을 유도하는 제2 홈들;이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 풀리의 반지름 변경 방법.
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KR20230171710A (ko) 2022-06-14 2023-12-21 재단법인대구경북과학기술원 교차 보 메커니즘을 지닌 가변형 바퀴

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