KR102032052B1 - 로봇핸드 - Google Patents

로봇핸드

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KR102032052B1
KR102032052B1 KR1020180041864A KR20180041864A KR102032052B1 KR 102032052 B1 KR102032052 B1 KR 102032052B1 KR 1020180041864 A KR1020180041864 A KR 1020180041864A KR 20180041864 A KR20180041864 A KR 20180041864A KR 102032052 B1 KR102032052 B1 KR 102032052B1
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한성현
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경남대학교 산학협력단
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    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/10—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/1085—Programme-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements positioning by means of shape-memory materials

Abstract

본 발명은 소형화가 가능하여 의수에 적용할 수 있고, 손가락 각각이 개별적으로 움직임과 동시에 손가락의 마디 각각이 개별적으로 움직이며, 손가락 및 손가락 마디 각각의 움직임 반응속도가 빠르고, 정밀하게 움직이며, 유지 및 보수가 용이할 뿐만 아니라 제작비용이 낮은 로봇핸드에 관한 것으로, 사람의 손바닥 형상에 대응되도록 형성된 팜부재와, 사람의 손가락 형상에 대응되도록 상기 팜부재의 바닥면을 향해 각각 회전 가능하게 결합된 복수의 파지부와, 상기 팜부재를 기준으로 상기 파지부 각각을 회전 구동하도록 제어하는 제어부와, 각각이 상기 제어부로부터 전류를 공급받고, 전류가 인가되는 경우 초기 상태로 수축되며, 전류가 차단되는 경우 이완되는 형상기억합금으로 형성되어 상기 파지부 각각을 회전 구동시키는 복수의 회전구동부를 포함하여 이루어진다.

Description

로봇핸드{ROBOT HAND}
본 발명은 로봇핸드에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 온도에 따른 이완 및 수축 변화하는 형상기억합금을 이용하여 종래의 회전모터를 대체하여 회전 구동력을 생성함으로서 사람의 손 마디의 미세한 움직임과 유사한 움직임을 형성하는 로봇핸드에 관한 것이다.
일반적으로 로봇핸드는 사람의 손과 유사한 외형을 가지고, 유사한 움직임을 형성하는 기계적 장치로써, 다양한 분야에 적용되어 사용되고 있다. 예컨대, 사람의 머리, 몸, 팔 및 다리 등과 같은 사람의 형상과 유사한 외형을 가지는 휴머노이드의 손에 적용되어 사람이 수행하는 작업을 보조하거나 또는 사람에게 다양한 서비스를 제공하는 자동화 장치에 적용되어 사용되고 있다.
또한, 휴머노이드, 산업용 로봇 및 서비스용 로봇뿐만 아니라 로봇핸드는 사고 등으로 인하여 팔이 잘린 절단 장애인들이 일상생활 영역에서 일반적인 사람과 동일한 활동을 수행할 수 있도록 보조하는 의수로도 사용되고 있다.
먼저, 휴머노이드, 산업용 로봇 및 서비스용 로봇에 적용되는 로봇핸드의 경우 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 일단이 상기 팜부재(10)의 일측면에 회전 가능하게 결합되는 제1 마디부재(21)와, 상기 제1 마디부재(21)의 타단에 회전 가능하게 결합되는 제2 마디부재(22)를 포함하여 이루어진다. 또한, 회전구동부(30)는 일단이 상기 회전구동부(30)에 권취되고, 타단이 상기 제1 마디부재(21) 및 제2 마디부재(22)를 통과하여 상기 제2 마디부재(22)의 내부끝단에 고정 결합되는 복수의 구동와이어(40)를 포함하여 이루어지고, 이때, 회전구동부(30)는 회전모터로 구성된다.
즉, 로봇핸드의 작동은 회전구동부(30)의 회전력에 의해 파지부(20) 각각이 회전 구동하게 되는데 이때, 회전구동부(30)을 통하여 파지부(20) 각각이 작동되는 과정은 다음과 같다.
먼저, 로봇핸드를 통하여 대상물을 파지하고자 하는 경우 회전구동부(30)가 회전하여 구동와이어(40)를 권취하게 된다. 이후 구동와이어(40)가 제2 마디부재(22)를 팜부재(10) 방향으로 잡아당기게 된다. 따라서, 제2 마디부재(22)는 제1 마디부재(21)의 타단을 기준으로 제1 마디부재(21)의 바닥면을 향해 회전하게 된다.
계속하여 회전구동부(30)가 회전하게 되면 제1 마디부재(21)가 팜부재(10)를 기준으로 팜부재(10)의 바다면을 향해 회전하게 되어 사람이 손의 쥔 형상과 동일하게 제1 마디부재(21) 및 제2 마디부재(22) 각각이 회전하게 된다.
다음으로 파지된 대상물을 이탈시키고자 하는 경우 회전구동부(30)의 회전이 멈추게 되고, 이후 제1 마디부재(21) 및 제2 마디부재(22) 각각에 결합된 탄성체에 의해 회전 복귀하게 된다. 여기서, 탄성체는 일단이 팜부재(10)의 내부에 고정 결합되고, 타단이 제1 마디부재(21) 및 제2 마디부재(22)를 통과하여 상기 제2 마디부재(22)의 내부끝단 상방에 결합되는 복수의 탄성부재이거나 또는 팜부재(10)와 제1 마디부재(21) 사이에 설치되어 상기 팜부재(10)를 기준으로 상기 제1 마디부재(21)를 탄성 복귀시키는 제1 토션스프링과, 제1 마디부재(21)와 제2 마디부재(22) 사이에 설치되어 상기 제1 마디부재(21)를 기준으로 상기 제2 마디부재(22)를 탄성 복귀시키는 제2 토션스프링을 포함하여 이루어진다.
여기서, 파지부(20) 각각의 움직임을 정밀하게 움직이고자 하는 경우 파지부(20)의 마디 각각에 회전모터를 설치해야 되는데, 이 경우 로봇핸드의 제작비용이 증가하게 되고, 중량이 늘어나게 되며, 소형화의 한계가 있음으로 산업용 로봇, 서비스용 로봇 및 의수에는 적용할 수 없게 된다. 또한, 회전모터를 설치함으로서 부수적인 기계부품들이 설치되어 고장률이 높아지게 된다. 따라서, 회전모터가 설치되어 파지부(20)의 마디 각각이 개별적으로 움직이는 로봇핸드의 경우 휴머노이드와 같이 전시용으로만 사용되고 있다.
다음으로 로봇핸드 기술을 적용한 의수의 경우 파지부(20)의 마디 각각이 개별적으로 움직이도록 회전모터를 파지부(20) 각각의 마디에 설치하게 되면 의수의 제작비용이 증가하게 됨으로 의수를 사용하고자 하는 사람들이 높은 구매비용을 지불해야 된다. 따라서, 일반적으로 로봇핸드 기술이 적용된 의수의 경우 도 2에 도시된 바와 같이 사람의 손가락에 대응되는 파지부(20) 각각을 구동하는 회전모터를 각각 설치하여 파지부(20)의 제1 마디부재(21) 및 제2 마디부재(22) 각각을 개별적으로 회전 구동시키지 않고, 동시에 회전시키는 방식을 사용하고 있다.
따라서, 대다수의 의수를 사용하는 사람들의 경우 움직임이 형성되는 의수보다는 사용자의 손실된 팔의 외형을 복원하여 절단부위를 가려 미관상의 효과를 위하여 제작된 미관용 의수를 사용하고 있다. 하지만, 미관형 의수의 경우 운동기능이 없음으로 일상생활영역에서 대상물을 잡거나 또는 사용자가 원하는 모션을 수행할 수 없어 일상생활이 불편하다는 단점이 있다.
즉, 다양한 운동 기능을 수행하고 일상생활영역에서 편의성을 제공하는 전자의수를 제작할 수 있음에도 높은 구매비용으로 인해 사용자들이 운동 기능이 구비되지 않은 미관의수를 사용하고 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 목적은, 소형화가 가능하여 의수에 적용할 수 있고, 손가락 각각이 개별적으로 움직임과 동시에 손가락의 마디 각각이 개별적으로 움직이며, 손가락 및 손가락 마디 각각의 움직임 반응속도가 빠르고, 정밀하게 움직이며, 유지 및 보수가 용이할 뿐만 아니라 제작비용이 낮은 로봇핸드를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 로봇핸드는, 사람의 손바닥 형상에 대응되도록 형성된 팜부재와, 사람의 손가락 형상에 대응되도록 상기 팜부재의 바닥면을 향해 각각 회전 가능하게 결합된 복수의 파지부와, 상기 팜부재를 기준으로 상기 파지부 각각을 회전 구동하도록 제어하는 제어부와, 각각이 상기 제어부로부터 전류를 공급받고, 전류가 인가되는 경우 초기 상태로 수축되며, 전류가 차단되는 경우 이완되는 형상기억합금으로 형성되어 상기 파지부 각각을 회전 구동시키는 복수의 회전구동부를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 파지부 각각은, 일단이 상기 팜부재의 일측면에 회전 가능하게 결합되는 제1 마디부재와, 상기 제1 마디부재의 타단에 회전 가능하게 결합되는 제2 마디부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 회전구동부 각각은, 일단이 상기 팜부재의 일측면에 고정 결합되는 제1 주동링크와, 일단이 상기 제1 주동링크의 타단에 회전 가능하게 결합되고, 타단이 상기 제1 마디부재의 일단에 결합되는 제1 종동링크와, 와이어 형상으로 일단이 상기 제1 주동링크에 고정 결합되고, 타단이 상기 제1 종동링크의 일단에 고정 결합되며, 상기 제어부에서 공급된 전류에 의해 이완 및 수축되도록 형상기억합금으로 형성되는 제1 회전부재와, 일단이 상기 제1 마디부재의 타단에 고정 결합되는 제2 주동링크와, 일단이 상기 제2 주동링크의 타단에 회전 가능하게 결합되고, 타단이 상기 제2 마디부재의 일단에 결합되는 제2 종동링크와, 와이어 형상으로 일단이 상기 제2 주동링크의 타단에 고정 결합되고, 타단이 상기 제2 종동링크의 일단에 고정 결합되며, 상기 제어부에서 공급된 전류에 의해 이완 및 수축되도록 형상기억합금으로 형성되는 제2 회전부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 파지부 각각이 회전하는 경우 상기 제1 회전부재가 수축하여 상기 제1 주동링크의 타단을 기준으로 상기 팜부재의 바닥면을 향해 상기 제1 종동링크가 회전 구동하고, 상기 제2 회전부재가 수축하여 상기 제2 주동링크의 타단을 기준으로 상기 제2 주동링크의 하면을 향해 상기 제2 종동링크가 회전하도록 상기 제1 회전부재 및 제2 회전부재 각각에 전류공급을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 회전부재 및 제2 회전부재 각각이 수축되어 상기 제1 마디부재 및 제2 마디부재 각각이 회전하는 경우 상기 제1 마디부재 및 제2 마디부재가 회전 복귀하도록 보조하는 복수의 복귀보조부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 마디부재 및 제2 마디부재 각각은, 내측 상부에 와이어홀이 관통 형성되고, 상기 복귀보조부 각각은, 일단이 상기 팜부재의 내부에 고정 결합되고, 전류가 인가되면 초기 상태로 복귀되며, 전류가 차단되면 인장되는 형상기억합금으로 형성된 스프링과, 일단이 상기 스프링의 타단에 결합되고, 타단이 상기 제1 마디부재 및 제2 마디부재의 와이어홀 각각을 통과하여 상기 제2 마디부재의 내부에 고정 결합되는 복귀와이어를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 제1 마디부재 및 제2 마디부재가 회전 복귀하는 경우 상기 스프링이 수축함과 동시에 상기 복귀와이어를 상기 팜부재의 내측 방향으로 잡아당겨 상기 제1 주동링크의 타단을 기준으로 상기 제1 종동링크를 회전 복귀시키고, 상기 제2 주동링크의 타단을 기준으로 상기 제2 종동링크를 회전 복귀시키도록 상기 스프링에 전류공급을 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 로봇핸드는, 형상기억합금으로 형성된 회전구동부를 통하여 파지부 각각을 구동시킴으로 별도의 회전모터를 설치하지 않게 되어 로봇핸드의 소형화가 가능하고, 진동 및 소음이 발생하지 않게 되며, 복수의 기계부품을 설치하지 않게 되어 로봇핸드의 고장률을 낮춤과 동시에 제작비용이 절감되는 효과가 있다.
또한, 회전구동부를 팜부재와 제1 마디부재 사이에 결합하고, 제1 마디부재와 제2 마디부재 사이에 각각 결합함으로써 제1 마디부재 및 제2 마디부재 각각이 개별적으로 움직일 수 있게 되어 파지부가 다양한 움직임을 가질 뿐만 아니라 제1 마디부재 및 제2 마디부재 각각의 반응속도를 높일 수 있게 된다.
또한, 복귀보조부의 스프링이 형상기억합금으로 형성되어 제1 마디부재 및 제2 마디부재 각각을 제어부를 통하여 회전 복귀시킴으로 파지부 각각의 회전력을 조절할 수 있어 로봇핸드의 파지력을 미세 조절할 수 있을 뿐만 아니라 부드러운 움직임을 형성할 수 있게 된다.
도 1은 종래 기술에 따른 로봇핸드를 도시한 사시도이고,
도 2는 도 1의 실시예 중 제1 마디부재 및 제2 마디부재가 회전구동부에 의해 작동되는 과정을 도시한 예시도이며,
도 3은 본 발명에 따른 로봇핸드를 도시한 사시도이고,
도 4는 도 3의 실시예 중 제1 주동링크, 제1 종동링크 및 제1 회전부재를 통하여 파지부가 팜부재에 결합되는 과정을 도시한 사시도이며,
도 5는 도 4의 실시예 중 파지부를 분해 도시한 분해 사시도이고,
도 6 및 도 7은 형상기억합금 와이어를 통한 회전 구동 과정을 설명하는 개념도이며,
도 8은 도 4의 실시예 중 회전구동부를 팜부재의 바닥면에서 바라본 저면도이고,
도 9는 도 8의 실시예 중 제1 회전부재 및 제2 회전부재에 전류가 공급되는 경우 제1 회전부재 및 제2 회전부재가 수축하여 제1 주동링크에 대하여 제1 종동링크를 회전시키는 과정을 도시한 사시도이며,
도 10은 도 3의 실시예 중 파지부 각각이 개별적으로 움직이는 과정을 도시한 사시도이고,
도 11은 파지부에 복귀보조부의 복귀와이어가 결합된 상태를 도시한 사시도이며,
도 12는 파지부가 팜부재의 바닥면을 향해 회전하여 스프링이 인장된 상태를 도시한 평면도이고,
도 13은 인장된 스프링에 전류가 공급된 후 스프링이 수축되어 파지부가 회전 복귀하는 과정을 도시한 평면도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 로봇핸드의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 로봇핸드는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 팜부재(100), 파지부(200), 제어부(300) 및 회전구동부(40))를 포함하여 이루어지고, 파지부(200)는 제1 마디부재(210) 및 제2 마디부재(220)를 포함하여 이루어진다.
팜부재(100)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 사람의 손바닥 형상에 대응되도록 형성되는데, 이때, 팜부재(100)는 사람의 손바닥 움직임과 유사한 움직임이 형성되도록 상기 팜부재(100)의 일측면에 회전 가능하게 결합되고, 엄지손가락의 손허리뼈에 대응되는 제1 손가락구동부재와, 상기 팜부재의 타측면에 회전 가능하게 결합되고, 약지 및 소지 손가락의 손허리뼈에 대응되는 제2 손가락구동부재를 포함하여 이루어진다.
따라서, 팜부재(100)는 사람의 손바닥이 형성하는 움직임과 유사한 움직임을 가질 수 있게 된다. 즉, 파지하고자 하는 대상물의 크기나 형상에 무관하게 파지할 수 있게 되는 것이다.
파지부(200)는 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이 사람의 손가락 형상에 대응되도록 상기 팜부재(100)의 바닥면을 향해 각각 회전 가능하게 결합된다. 여기서, 파지부(200)는 사람의 엄지손가락, 검지손가락, 중지손가락, 약지손가락 및 소지손가락에 대응되도록 5개의 파지부(200)가 구비된다. 이때, 파지부(200)는 사람의 손가락과 유사하도록 제1 마디부재(210) 및 제2 마디부재(220)를 포함하여 이루어지고, 각각의 구성은 다음과 같다.
먼저, 제1 마디부재(210)는 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이 일단이 상기 팜부재(100)의 일측면에 회전 가능하게 결합된다. 이때, 제1 마디부재(210)의 하중을 줄이기 위하여 내부가 중공으로 형성되고, 하면에는 파지하는 대상물과의 마찰력을 높이는 패드가 결합될 수도 있다. 또한, 제1 마디부재(210)의 일단 상부에 제1 마디부재(210)가 팜부재(100)를 기준으로 회전 복귀하는 경우 팜부재(100)의 등면을 향해 회전을 제한하는 회전제한부재가 돌출 형성된다.
즉, 제1 마디부재(210)는 팜부재(100)를 기준으로 등면을 향해 소정의 각도만큼 회전 가능하고, 팜부재(100)의 바닥면을 향해 사람의 손가락과 유사하게 회전 가능하게 된다.
다음으로 제2 마디부재(220)는 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이 상기 제1 마디부재의 타단에 회전 가능하게 결합된다. 여기서, 제2 마디부재(220)는 손가락의 중간마디와 끝마디가 하나로 결합된 형상으로 형성된다. 즉, 제2 마디부재(220)는 도 5에 도시된 바와 같이 손가락의 중간마디와 대응 되는 중간마디부재와, 손가락의 끝마디와 대응되고, 상기 중간마디부재의 일단에 연장 형성되는 끝마디부재를 포함하여 이루어진다. 이때, 끝마디부재는 팜부재(100)의 바닥면을 향해 경사지도록 상기 중간마디부재에 형성된다.
이는 사람이 대상물을 잡는 경우 손가락의 첫번째마디와 중간마디가 대상물의 외주면을 감싸게 되고, 손가락의 끝마디는 대상물을 잡기 위해 필요한 파지력을 형성하게 되는데, 로봇핸드의 경우 대상물을 파지하기 위한 파지력이 회전구동부를 통하여 생성됨으로 파지력을 생성하는 사람의 손가락 끝마디와 대응되는 끝마디부재가 개별적으로 회전 가능한 마디로 형성되지 않아도 무관하다.
따라서, 상기 파지부(200)는 다양한 움직임을 형성하는 최소한의 구조를 가짐으로 제작비용이 절감될 뿐만 아니라 파지부(200) 각각의 하중을 줄여 움직임에 필요한 동력 손실을 줄일 수 있게 되는 것이다. 또한, 제2 마디부재(220)의 하중을 줄이기 위하여 내부가 중공으로 형성되고, 제2 마디부재(220)의 하면에는 파지하는 대상물과의 마찰력을 높이기 위해 패드가 결합될 수도 있다.
즉, 파지부(200)는 제1 마디부재(210) 및 제2 마디부재(220) 각각이 개별적으로 회전 가능하게 결합됨으로 파지하고자 하는 대상물의 크기나 형상에 무관하게 파지할 수 있게 된다.
제어부(300)는 도 4에 도시된 바와 같이 상기 팜부재(100)를 기준으로 상기 파지부(200) 각각을 회전 구동하도록 제어하게 된다. 이때, 제어부(300)는 후술하는 회전구동부(400)를 제어함으로서 제1 마디부재(210) 및 제2 마디부재(220) 각각을 회전 구동시키게 된다. 또한, 제어부(300)는 팜부재(100)의 내부에 충전배터리가 구비되어 후술하는 회전구동부(400)에 전력을 공급할 수도 있다.
따라서, 의수로 사용할 경우 의수를 착용하는 사용자가 의수를 해체하고 수면을 취하는 시간 동안에 충전하고, 사용자가 활동하는 시간에 충분히 사용할 수 있게 됨으로 편의성이 높아지는 효과가 있게 된다.
회전구동부(400)는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 각각이 상기 제어부(300)로부터 전류를 공급받고, 전류가 인가되는 경우 초기 상태로 수축되며, 전류가 차단되는 경우 이완되는 형상기억합금으로 형성되어 상기 파지부(200) 각각을 회전 구동시키게 된다. 여기서, 형상기억합금이란, 일정 온도이상에의 분자배열이 항상 일정한 물질로써 외력을 작용하여 형상이 변형되어도 열을 투입하게 되면 분자들이 초기 분자배열 상태로 복원되어 형상이 초기 상태로 복구되는 합금을 지칭한다.
즉, 본 발명에 따른 로봇핸드는 종래 기술과 달리 회전모터를 회전구동부(400)로 사용하지 않음으로 첫째, 복수의 회전모터를 설치함으로써 로봇핸드의 중량을 감소시켜 파지부(200) 각각을 구동하는데 소비되는 전류를 감소시킬 수 있게 된다.
둘째, 회전모터가 회전시 발생하는 진동 및 소음이 발생하지 않게 된다. 이는 로봇핸드를 의수로 사용하는 경우 의수의 착용감을 높이게 되고, 사용자가 느끼는 이질감을 없앨 수 있게 된다. 셋째, 회전모터를 사용하지 않음으로 기계적인 고장률이 낮아지게 된다. 이는 로봇핸드의 유지 및 보수 비용을 절감시킬 뿐만 아니라 의수로 사용하는 경우 의수의 수명이 길어지는 효과를 가지게 되어 사용자에게 경제적인 부담을 줄일 수 있게 된다.
이러한 효과를 갖지 위하여 상기 회전구동부(400)는 제1 주동링크(410), 제1 종동링크(420), 제1 회전부재(430), 제2 주동링크(440), 제2 종동링크(450) 및 제2 회전부재(460)를 포함하여 이루어지고, 각각의 구성들은 다음과 같다.
먼저, 제1 주동링크(410)는 도 4에 도시된 바와 같이 일단이 상기 팜부재(100)의 일측면에 고정 결합되는데, 이때, 제1 주동링크(410)는 후술하는 제1 종동링크(420)가 회전하는 경우 제1 종동링크(420)를 회전 지지하는 역할을 수행하게 된다.
다음으로 제1 종동링크(420)는 도 4에 도시된 바와 같이 일단이 상기 제1 주동링크(410)의 타단에 회전 가능하게 결합되고, 타단이 상기 제1 마디부재(410)의 일단에 결합된다. 즉, 제1 종동링크(420)는 팜부재(100)를 기준으로 제1 마디부재(410)를 팜부재(100)의 바닥면을 향해 회전 구동시키는 링크가 되는 것이다.
따라서, 제1 주동링크(410)의 타단 및 제1 종동링크(420)의 일단 각각에는 조인트가 형성되어 제1 주동링크(410) 즉, 팜부재(100)를 기준으로 제1 종동링크(420)가 회전하는 구조를 가지게 되는 것이다.
계속하여 제1 회전부재(430)는 도 4에 도시된 바와 같이 와이어 형상으로 일단이 상기 제1 주동링크(410)에 고정 결합되고, 타단이 상기 제1 종동링크(420)의 일단에 고정 결합되며, 상기 제어부(300)에서 공급된 전류에 의해 이완 및 수축되도록 형상기억합금으로 형성된다. 즉, 제1 회전부재(430)는 형상기억합금 와이어와 유사한 효과를 가지게 된다.
여기서, 형상기억합금 와이어란, 형상기억합금으로 형성된 와이어로서 도 6에 도시된 바와 같이 기준이 되는 기준부재에 형상기억합금 와이어의 일단을 고정 결합하고, 형상기업합금 와이어의 타단에 움직임이 형성되는 이동부재를 결합시킨다. 이후, 도 6에 도시된 바와 같이 외력을 가하여 기준부재 및 이동부재 각각을 원하는 위치 또는 형상으로 위치시킨 후 형상기억합금 와이어의 일단이 고정 결합된 기준부재에 전류를 가하게 되면 저항열에 의해 형상기억합금 와이어의 온도가 상승하게 된다.
계속하여, 온도가 상승하여 일정 온도가 되면 도 7에 도시된 바와 같이 형상기억합금 와이어가 초기 형상으로 수축 변형하게 되고, 이때, 형상기억합금 와이어의 타단에 결합된 이동부재가 형상기억합금 와이어가 당기는 힘에 의해 이동하게 되는 것이다.
즉, 제1 주동링크(410)에 대하여 제1 종동링크(420)가 수직하게 위치한 상태에서 제1 회전부재(430)의 양단을 제1 주동링크(410) 및 제1 종동링크(420) 각각에 결합시킨 후 도 8에 도시된 바와 같이 외력을 작용하여 제1 주동링크(410)와 제1 종동링크(420)가 수평하게 위치하도록 제1 주동링크(410)를 기준으로 제1 종동링크(420)를 회전시키게 된다.
이후 제어부(300)와 연결된 전선이 제1 주동링크(410)에 고정 결합된 제1 회전부재(430)와 연결되고, 제어부(300)에서 전류를 인가하게 되면 도 9에 도시된 바와 같이 제1 회전부재(430)가 전항열에 의해 초기 상태로 수축 변형함과 동시에 제1 회전부재(430)의 타단에 결합된 제1 종동링크(420)를 당기게 되어 제1 주동링크(410)의 타단을 중심으로 제1 종동링크(420)의 일단이 회전하게 되는 것이다.
여기서, 도 8 및 도 9에 도시된 제1 주동링크(410), 제1 종동링크(420) 및 제1 회전부재(430)는 팜부재(100)의 바닥면에서 바라본 것이다. 즉, 제1 회전부재(430)의 일단은 제1 주동링크(410)의 타단 하면에 고정 결합되고, 제1 회전부재(430)의 타단은 제1 종동링크(420)의 일단 하면에 결합되는 것이다.
계속하여 제2 주동링크(440)는 도 5에 도시된 바와 같이 일단이 상기 제1 마디부재(210)의 타단에 고정 결합되는데, 이때, 제2 주동링크(440)는 후술하는 제2 종동링크(450)가 회전하는 경우 제2 종동링크(450)를 회전 지지하는 역할을 수행하게 된다.
다음으로 제2 종동링크(450)는 도 5에 도시된 바와 같이 일단이 상기 제2 주동링크(440)의 타단에 회전 가능하게 결합되고, 타단이 상기 제2 마디부재(220)의 일단에 결합된다. 즉, 제2 종동링크(450)는 제1 마디부재(210)를 기준으로 제2 마디부재(220)를 제1 마디부재(210)의 하면을 향해 회전 구동시키는 링크 역할을 수행하게 되는 것이다.
따라서, 제2 주동링크(440)의 타단 및 제2 종동링크(450)의 일단 각각에는 조인트가 형성되어 제2 주동링크(440) 즉, 제1 마디부재(210)를 기준으로 제2 종동링크(450)가 회전하게 되어 제2 마디부재(220)가 회전 구동하게 되는 것이다.
마지막으로 제2 회전부재(460)는 도 5에 도시된 바와 같이 와이어 형상으로 일단이 상기 제2 주동링크(440)의 타단에 고정 결합되고, 타단이 상기 제2 종동링크(450)의 일단에 고정 결합되며, 상기 제어부(300)에서 공급된 전류에 의해 이완 및 수축되도록 형상기억합금으로 형성된다. 따라서, 제2 회전부재(460)는 제1 회전부재(430)와 동일한 효과를 가지게 된다.
또한, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이 제2 회전부재(460)의 일단은 제2 주동링크(440)의 타단 하면에 고정 결합되고, 제2 회전부재(460)의 타단은 제2 종동링크(450)의 일단 하면에 결합되는 것이다.
따라서, 제1 주동링크(410), 제1 종동링크(420) 및 제1 회전부재(430)를 통하여 팜부재(100)를 기준으로 제1 마디부재(210)가 팜부재(100)의 바닥면을 향해 회전하게 되고, 제2 주동링크(440), 제2 종동링크(450), 및 제2 회전부재(460)를 통하여 제1 마디부재(210)를 기준으로 제2 마디부재(220)가 제1 마디부재(210)의 하면을 향해 회전하게 되는 것이다.
또한, 제1 회전부재(430) 및 제2 회전부재(460)를 통하여 제1 마디부재(210) 및 제2 마디부재(220) 각각이 개별적으로 움직일 수 있게 될 뿐만 아니라 제1 마디부재(210) 및 제2 마디부재(220) 각각의 회전 구동 반응속도를 높일 수 있게 되는 것이다.
여기서, 상기 제어부(300)는 상기 파지부(200) 각각이 회전하는 경우 상기 제1 회전부재(430)가 수축하여 상기 제1 주동링크(410)의 타단을 기준으로 상기 팜부재(100)의 바닥면을 향해 상기 제1 종동링크(420)가 회전 구동하고, 상기 제2 회전부재(460)가 수축하여 상기 제2 주동링크(440)의 타단을 기준으로 상기 제2 주동링크(440)의 하면을 향해 상기 제2 종동링크(450)가 회전하도록 상기 제1 회전부재(430) 및 제2 회전부재(460) 각각에 전류공급을 제어하게 된다.
따라서, 도 10에 도시된 바와 같이 제1 마디부재(210) 및 제2 마디부재(220) 각각이 개별적으로 회전 구동하는 구조를 가지게 됨으로 다양한 움직임을 형성할 수 있게 되는 것이다. 뿐만 아니라 제1 회전부재(430) 및 제2 회전부재(460) 각각에 인가되는 전류의 양을 제어하여 발생하는 저항열을 조절함으로서 제1 마디부재(210) 및 제2 마디부재(220) 각각의 회전량을 조절할 수 있게 되고, 회전모터 보다 높은 반응속도를 가질 수 있게 되는 것이다.
더욱이, 제1 회전부재(430) 및 제2 회전부재(460) 각각에 전류가 인가되어 초기 상태로 수축 변형하는 경우 수축 변형시 제1 회전부재(430) 및 제2 회전부재(460) 각각의 타단에 고정 결합된 제1 종동링크(420) 및 제2 종동링크(450) 각각을 당김과 동시에 회전시킴으로 제1 회전부재(430) 및 제2 회전부재(460)의 변형량 만큼 제1 마디부재(210) 및 제2 마디부재(220)의 회전력이 발생하게 되는 것이다.
즉, 제어부(300)를 통하여 제1 회전부재(430) 및 제2 회전부재(460) 각각에 인가되는 전류량을 제어함으로서 파지부(200)가 대상물을 파지하는 파지력을 조절할 수 있게 되는 것이다.
한편, 제1 마디부재(210) 및 제2 마디부재(220) 각각이 회전하여 대상물을 파지하여 사용자가 원하는 위치에 대상물을 위치시킨 후 제어부(300)에서 제1 회전부재(430) 및 제2 회전부재(460) 각각에 인가되는 전류를 차단하게 되면 제1 회전부재(430) 및 제2 회전부재(460)의 온도가 낮아지게 되고, 제1 회전부재(430) 및 제2 회전부재(460) 각각은 온도가 상승하기 전 변형상태로 변형하게 된다.
이때, 제1 회전부재(430) 및 제2 회전부재(460) 각각의 온도가 낮아지는 속도가 느림으로 제1 마디부재(210) 및 제2 마디부재(220) 각각이 온도가 상승하기 전 변형상태로 복귀하는 속도가 느려지게 되어 파지부(200)가 팜부재(100)의 등면을 향해 펴지는 시간이 오래 걸리게 되거나 또는 외력을 가하여 회전 복귀시켜야 된다.
따라서, 상기와 같은 문제점을 보완하기 위해 상기 제1 회전부재(430) 및 제2 회전부재(460) 각각이 수축되어 상기 제1 마디부재(210) 및 제2 마디부재(220) 각각이 회전하는 경우 상기 제1 마디부재(210) 및 제2 마디부재(220)가 회전 복귀하도록 보조하는 복수의 복귀보조부(500)를 더 포함할 수도 있다.
이때, 복귀보조부(500)는 도 11 내지 도 13에 도시된 바와 같이 스프링(510) 및 복귀와이어(520)를 포함하여 이루어지고, 제1 마디부재(210) 및 제2 마디부재(220) 각각의 내측 상부에는 와이어홀(230)이 관통 형성되며, 복귀보조부(500)의 각각의 구성은 다음과 같다.
먼저, 스프링(510)은 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이 일단이 상기 팜부재(100)의 내부에 고정 결합되고, 전류가 인가되면 초기 상태로 복귀되며, 전류가 차단되면 인장되는 형상기억합금으로 형성된다. 따라서, 스프링(510)은 외력을 가하여 인장시킨 후 열을 가하게 되면 초기 상태로 수축 변형하게 된다.
다음으로 복귀와이어(520)는 도 11 내지 도 13에 도시된 바와 같이 일단이 상기 스프링(510)의 타단에 결합되고, 타단이 상기 제1 마디부재(210) 및 제2 마디부재(220)의 와이어홀(230) 각각을 통과하여 상기 제2 마디부재(220)의 내부에 고정 결합된다. 이때, 복귀와이어(520)는 일반적으로 사용되는 와이어와 동일한 재질과 효과를 가지게 된다.
즉, 제1 회전부재(430) 및 제2 회전부재(460) 각각이 수축 변형하여 제1 마디부재(210) 및 제2 마디부재(220) 각각이 회전하는 경우 제2 마디부재(220)의 내부에 고정 결합된 복귀와이어(520)가 스프링(510)의 타단을 당기게 되고, 스프링(510)은 인장 변형되는 것이다. 이후 스프링(510)에 열을 가하게 되면 스프링(510)이 수축 변형함과 동시에 복귀와이어(520)을 당기게 되어 제2 마디부재(220)가 제1 마디부재(210)의 타단을 기준으로 제1 마디부재(210)의 상면을 항해 회전 복귀하게 된다.
계속하여 스프링(510)이 수축 변형하게 되면 제1 마디부재(210)가 팜부재(100)를 기준으로 팜부재(100)의 등면을 향해 회전 복귀하게 되어 파지부(200)의 회전 복귀가 완료되는 것이다.
이때, 제어부(300)는 상기 제1 마디부재(210) 및 제2 마디부재(220)가 회전 복귀하는 경우 상기 스프링(510)이 수축함과 동시에 상기 복귀와이어(520)를 상기 팜부재(100)의 내측 방향으로 잡아당겨 상기 제1 주동링크(410)의 타단을 기준으로 상기 제1 종동링크(420)를 회전 복귀시키고, 상기 제2 주동링크(440)의 타단을 기준으로 상기 제2 종동링크(450)를 회전 복귀시키도록 상기 스프링(510)에 전류공급을 제어하게 된다.
따라서, 제어부(300)에서 제1 회전부재(430) 및 제2 회전부재(460) 각각에 전류를 인가하여 제1 회전부재(430) 및 제2 회전부재(460) 각각이 수축변형한 후 전류가 차단되는 경우 제어부(300)에서 스프링(510)에 전류를 인가하여 스프링(510)을 수축 변경시키게 되고, 스프링(510)의 타단에 결합된 복귀와이어(520)에 의해 제1 회전부재(430) 및 제2 회전부재(460) 각각이 수축 변형하기 전 인장 변형된 상태로 복귀하도록 보조하게 되는 것이다.
뿐만 아니라, 스프링(510)에 인가되는 전류량을 조절하게 되면 제1 회전부재(430) 및 제2 회전부재(460) 각각이 수축변형하는 변형량을 조절할 수 있게 됨으로 파지부(200)가 대상물의 외주면과 접촉하는 접촉력 즉, 파지력을 미세 조절할 수 있게 되는 것이다.
또한, 스프링(510)이 파지부(200) 각각에 대응되도록 복수의 스프링(510)이 팜부재(100)의 내부에 설치될 수도 있다. 이 경우 복귀와이어(520) 각각은 대응되는 스프링(510)의 타단 각각에 고정 결합된다.
따라서, 파지부(200) 각각을 개별적으로 움직일 수 있을 뿐만 아니라 파지부(200) 각각의 파지력 또한 미세 조절할 수 있게 되어 사용자가 일상생활 영역에서 보다 더 다양한 편리함을 제공받을 수 있게 된다.
앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
100 : 팜부재
200 : 파지부 210 : 제1 마디부재
220 : 제2 마디부재 230 : 와이어홀
300 : 제어부
400 : 회전구동부
410 : 제1 주동링크 420 : 제1 종동링크
430 : 제1 회전부재 440 : 제2 주동링크
450 : 제2 종동링크 460 : 제2 회전부재
500 : 복귀보조부
510 : 스프링 520 : 복귀와이어

Claims (7)

  1. 사람의 손바닥 형상에 대응되도록 형성된 팜부재와, 사람의 손가락 형상에 대응되도록 상기 팜부재의 바닥면을 향해 각각 회전 가능하게 결합된 복수의 파지부와, 상기 팜부재를 기준으로 상기 파지부 각각을 회전 구동하도록 제어하는 제어부와, 각각이 상기 제어부로부터 전류를 공급받고, 전류가 인가되는 경우 초기 상태로 수축되며, 전류가 차단되는 경우 이완되는 형상기억합금으로 형성되어 상기 파지부 각각을 회전 구동시키는 복수의 회전구동부를 포함하고,
    상기 파지부 각각은,
    일단이 상기 팜부재의 일측면에 회전 가능하게 결합되는 제1 마디부재와, 상기 제1 마디부재의 타단에 회전 가능하게 결합되는 제2 마디부재를 포함하고,
    상기 회전구동부 각각은,
    일단이 상기 팜부재의 일측면에 고정 결합되는 제1 주동링크와, 일단이 상기 제1 주동링크의 타단에 회전 가능하게 결합되고, 타단이 상기 제1 마디부재의 일단에 결합되는 제1 종동링크와, 와이어 형상으로 일단이 상기 제1 주동링크에 고정 결합되고, 타단이 상기 제1 종동링크의 일단에 고정 결합되며, 상기 제어부에서 공급된 전류에 의해 이완 및 수축되도록 형상기억합금으로 형성되는 제1 회전부재와, 일단이 상기 제1 마디부재의 타단에 고정 결합되는 제2 주동링크와, 일단이 상기 제2 주동링크의 타단에 회전 가능하게 결합되고, 타단이 상기 제2 마디부재의 일단에 결합되는 제2 종동링크와, 와이어 형상으로 일단이 상기 제2 주동링크의 타단에 고정 결합되고, 타단이 상기 제2 종동링크의 일단에 고정 결합되며, 상기 제어부에서 공급된 전류에 의해 이완 및 수축되도록 형상기억합금으로 형성되는 제2 회전부재를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 파지부 각각이 회전하는 경우 상기 제1 회전부재가 수축하여 상기 제1 주동링크의 타단을 기준으로 상기 팜부재의 바닥면을 향해 상기 제1 종동링크가 회전 구동하고, 상기 제2 회전부재가 수축하여 상기 제2 주동링크의 타단을 기준으로 상기 제1 주동링크의 하면을 향해 상기 제2 종동링크가 회전하도록 상기 제2 회전부재 및 제2 회전부재 각각에 전류공급을 제어하고,
    상기 제1 회전부재 및 제2 회전부재 각각이 수축되어 상기 제1 마디부재 및 제2 마디부재 각각이 회전하는 경우 상기 제1 마디부재 및 제2 마디부재가 회전 복귀하도록 보조하는 복수의 복귀보조부를 더 포함하고,
    상기 제1 마디부재 및 제2 마디부재 각각은,
    내측 상부에 와이어홀이 관통 형성되고,
    상기 복귀보조부 각각은,
    일단이 상기 팜부재의 내부에 고정 결합되고, 전류가 인가되면 초기 상태로 복귀되며, 전류가 차단되면 인장되는 형상기억합금으로 형성된 스프링과,
    일단이 상기 스프링의 타단에 결합되고, 타단이 상기 제1 마디부재 및 제2 마디부재의 와이어홀 각각을 통과하여 상기 제2 마디부재의 내부에 고정 결합되는 복귀와이어를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 제1 마디부재 및 제2 마디부재가 회전 복귀하는 경우 상기 스프링이 수축함과 동시에 상기 복귀와이어를 상기 팜부재의 내측 방향으로 잡아당겨 상기 제1 주동링크의 타단을 기준으로 상기 제1 종동링크를 회전 복귀시키고, 상기 제2 주동링크의 타단을 기준으로 상기 제2 종동링크를 회전 복귀시키도록 상기 스프링에 전류공급을 제어하는 것을 특징으로 하는 로봇핸드.
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