KR102108674B1

KR102108674B1 - 회전운동 전달 메카니즘이 구비된 병렬로봇

Info

Publication number: KR102108674B1
Application number: KR1020190005147A
Authority: KR
Inventors: 김한성; 김기성
Original assignee: 경남대학교 산학협력단
Priority date: 2019-01-15
Filing date: 2019-01-15
Publication date: 2020-05-07

Abstract

본 발명은 엔드이펙터에 회전운동이 가능하도록 회전운동 전달 메카니즘을 구비하되, 조립이나 설치가 용이하고, 이동프레임의 가감속 성능을 저하시키지 않으면서도 정밀한 제어를 달성할 수 있는 회전운동 전달 메카니즘이 구비된 병렬로봇에 관한 것으로, 고정프레임과, 엔드이펙터가 구비된 이동프레임과, 구동링크 및 한 쌍의 평행한 수동링크를 구비하는 복수의 이동링크부와, 상기 이동링크부 각각의 구동링크에 동력을 전달하는 복수의 제1 엑추에이터와, 상기 이동프레임에 구비된 상기 엔드이펙터에 1 자유도 이상의 회전운동을 전달하도록 상기 이동링크부 중 적어도 어느 하나 이상에 설치되는 회전운동전달부를 포함하고, 상기 회전운동전달부는, 상기 이동링크부의 구동링크와 평행사변형 링크구조를 가지도록 설치되고, 제2 엑추에이터를 통해 구동하는 제1 평행링크수단과, 상기 이동링크부의 한 쌍의 수동링크와 평행사변형 링크구조를 가지도록 설치되고, 상기 제1 평행링크수단으로부터 연결링크를 매개로 구동력을 전달받는 제2 평행링크수단과, 상기 이동프레임에 설치되고, 상기 제2 평행링크수단의 구동을 상기 엔드이펙터에 회전운동으로 변환하여 전달하는 회전변환전달수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

회전운동 전달 메카니즘이 구비된 병렬로봇{PARALLEL ROBOT HAVING TRANSMISSION MECHANISM OF ROTATIONAL MOTION}

본 발명은 병렬로봇에 관한 것으로, 보다 상세하게는 엔드이펙터에 회전운동이 가능하도록 회전운동 전달 메카니즘이 구비된 병렬로봇에 관한 것이다.

현재 산업 현장에서는 다양한 로봇을 이용하여 많은 부분에서 작업의 자동화가 이루어져 왔다. 원활한 작업의 자동화를 위해서는 로봇의 움직임을 정밀하게 제어할 수 있어야 한다는 것이 기본적인 조건이 되며, 이외에도 작업 내용이나 환경에 따른 여러 조건들을 충족시킬 수 있도록 로봇이 설계되어 사용되고 있다.

이와 같이 산업 현장에서 사용되는 로봇에 있어서, 직렬로봇(Serial Robot)이 더욱 많은 분야에서 사용되고 있고, 이러한 직렬로봇은 구동장치를 포함한 링크들이 연속적으로 연결되어 최종의 엔드이펙터(end-effector)가 다수의 자유도를 구사하는 로봇으로 큰 작업 공간에서 사용되기 적절하며, 상대적으로 제작 및 운용에 드는 비용이 저렴하고, 다양한 작업에 적용될 수 있는 유연성을 가지는 등의 장점이 있다.

종래에 널리 사용되고 있는 직렬로봇의 경우 제조 및 조립 공정에서 야기된 기구학적 오차를 다루기가 상대적으로 쉽다는 장점이 있다. 그러나, 정밀도와 연관된 강성을 향상시키는 것은 매우 어려운데, 예를 들어 동일한 작업 공간을 유지하면서 강성을 증가시키는 것은 기계 구조에 사용된 재료의 양을 증가시키는 것을 의미하는바 비용의 증가를 직접적으로 초래하며, 또한 무게의 증가에 따라 엑추에이터, 관절 및 동력전달수단 등에 더 높은 사양이 요구되기 때문에 공학적 어려움과 비용 증가를 야기하게 된다.

갈수록 더 높은 정밀도가 요구되고 있는 산업 현장에서, 이와 같이 직렬로봇의 한계가 점차 드러나고 있고, 이러한 문제점을 해소하기 위하여 다른 형태의 로봇 설계가 이루어져 왔다. 그 중 한 예가 병렬로봇(Parallel Robot)으로, 병렬로봇은 본질적으로 무게의 증가가 거의 없이 강성을 크게 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 정밀도 역시 높일 수 있다는 장점을 갖는다.

즉, 병렬로봇은 제한된 작업공간 내에서 제품이나 부품을 고속으로 이송하는데 주로 사용되는 것으로서, 링크부의 개수의 개수에 따라 3개인 델타(delta)형 병렬로봇 또는 4개인 쿼트로(quattro)형 병렬 로봇 등으로 불린다.

병렬로봇의 일반적인 구조는 도 1에 도시된 바와 같이 고정프레임(10), 이동프레임(20) 및 고정프레임(10)과 이동프레임(20)을 연결하는 복수의 링크부(30)를 포함하며, 이동프레임(20)에는 엔드이펙터(40)가 구비된다. 도면상 링크부(30)가 3개인 델타형 병렬로봇으로서, 각각의 링크부(30)의 구조는 동일하다. 즉, 링크부(30)는 구동링크(31)와 2개의 수동링크(32, 33)를 포함하고, 구동링크(31)의 일단은 고정프레임(10)에 설치된 엑추에이터(11)와 연결된다. 이때, 2개의 수동링크(32, 33)의 각 일단은 구동링크(31)의 타단에 볼조인트 결합되고, 각 타단은 이동프레임(20)에 볼조인트 결합되면서 평행사변형 링크구조를 가진다. 따라서, 각각의 링크부(30)는 각각의 구동링크(31)와 연결된 엑추에이터(11)에 의해 개별적으로 제어되며, 이동프레임(20)은 고정프레임(10)를 기준으로 3축 이동을 통해 위치결정이 가능해진다.

그런데, 이러한 병렬로봇은 이동프레임의 3축 직선이동만이 가능하므로 최근에는 엔드이펙터(40)에 회전운동을 전달할 수 있도록 회전운동 전달 메카니즘이 구비된 다양한 병렬로봇이 소개되고 있다.

예컨대, 일본공표특허공보 제2002-532269호 및 본 출원인이 출원 및 등록한 한국등록특허공보 제10-1383878호와 같이 고정프레임(10)를 관통하는 신축 가능한 별도의 회전전달링크부를 구비하는 구조인데, 회전전달링크부의 길이에 의해 이동프레임(20)의 이동이 제한되는 등의 문제가 있다. 또한, 미국특허공보 제4976582호나 일본공개특허공보 제2011-88262호와 같이 이동프레임(20)이나 수동링크(32, 33)에 엔드이펙터(40)를 회전시키는 별도의 회전엑추에이터를 직접 설치하는 등의 구조는 이동프레임(20)의 가감속 성능이 크게 저하되고, 이동프레임(20)를 이동시키는 엑추에이터(11)에 걸리는 부하가 커진다는 문제가 있다.

한편, 한국등록특허공보 제10-1269187호의 '와이어로프를 이용하여 추가 자유도를 부여한 병렬 링크 로봇'의 경우에는 와이어로프를 이용해 엔드이펙터에 회전운동을 전달하고자 한다. 그러나, 와이어로프의 경우에는 첫째, 꺾이는 지점마다 가이드풀리가 설치되어야 하므로 공간활용성 저하 및 조립이나 설치에 큰 어려움이 있고, 둘째 와이어로프 자체가 동력전달에 있어서나 자체적인 신축성에 의해 정밀제어에는 전혀 맞지가 않다는 문제가 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 목적은, 엔드이펙터에 회전운동이 가능하도록 회전운동 전달 메카니즘을 구비하되, 조립이나 설치가 용이하고, 이동프레임의 가감속 성능을 저하시키지 않으면서도 정밀한 제어를 달성할 수 있는 회전운동 전달 메카니즘이 구비된 병렬로봇을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 회전운동 전달 메카니즘이 구비된 병렬로봇은, X-Y-Z의 3축으로 된 고정좌표계의 고정원점이 정의되는 고정프레임과, 상기 고정프레임으로부터 이격되어 이동 가능하게 설치되고, x-y-z의 3축으로 된 이동좌표계의 이동원점이 정의되며, 엔드이펙터가 구비된 이동프레임과, 상기 고정프레임과 상기 이동프레임을 연결하고, 각각이 상기 고정프레임에 대하여 1 자유도를 갖는 구동링크 및 상기 구동링크와 상기 이동프레임을 연결하는 한 쌍의 평행한 수동링크를 구비하는 복수의 이동링크부와, 상기 고정프레임에 각각 설치되고, 상기 이동링크부 각각의 구동링크에 동력을 전달하는 복수의 제1 엑추에이터와, 상기 이동프레임에 구비된 상기 엔드이펙터에 1 자유도 이상의 회전운동을 전달하도록 상기 이동링크부 중 적어도 어느 하나 이상에 설치되는 회전운동전달부를 포함하고, 상기 회전운동전달부는, 상기 이동링크부의 구동링크와 평행사변형 링크구조를 가지도록 설치되고, 제2 엑추에이터를 통해 구동하는 제1 평행링크수단과, 상기 이동링크부의 한 쌍의 수동링크와 평행사변형 링크구조를 가지도록 설치되고, 상기 제1 평행링크수단으로부터 연결링크를 매개로 구동력을 전달받는 제2 평행링크수단과, 상기 이동프레임에 설치되고, 상기 제2 평행링크수단의 구동을 상기 엔드이펙터에 회전운동으로 변환하여 전달하는 회전변환전달수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 평행링크수단은, 일단이 상기 제2 엑추에이터의 출력축과 함께 회전 가능하게 결합되는 제1 평행구동링크와, 일단이 상기 제1 평행구동링크의 타단에 회전 가능하게 결합되고, 상기 이동링크부의 구동링크와 평행하게 설치되는 제1 평행수동링크와, 상기 제1 평행구동링크와 평행하게 설치되도록 일단이 상기 제1 평행수동링크의 타단에 회전 가능하게 결합되고, 타단이 상기 구동링크의 끝단에 회전 가능하게 결합되는 제1 평행종동링크를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 연결링크는, 일단이 상기 제1 평행종동링크의 일단에 고정 결합되어 함께 회전하고, 상기 제2 평행링크수단은, 일단이 상기 제1 평행종동링크의 타단에 고정 결합되어 함께 회전하고, 타단이 상기 연결링크의 타단부에 고정 결합되어 함께 회전하는 제2 평행종동링크와, 상기 이동링크부의 한 쌍의 수동링크와 평행하게 설치되도록 일단이 상기 연결링크의 타단에 제1 유니버셜조인트를 매개로 결합되고, 타단이 상기 회전변환전달수단과 제2 유니버셜조인트를 매개로 결합되는 제2 평행수동링크를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 회전변환전달수단은, 상기 이동프레임에 직선 이동 가능하게 설치되고, 상기 제2 평행수동링크의 타단과 상기 제2 유니버셜조인트를 매개로 결합되며, 상기 이동프레임의 내부를 향해 삽입되는 볼스크류가 구비된 직선구동프레임과, 상기 이동프레임의 내부에 설치되고, 상기 직선구동프레임의 볼스크류와 결합되어 상기 볼스크류의 직선왕복이동에 따라 좌우로 회전하는 볼너트와, 상기 볼너트의 회전력을 상기 이동프레임에 구비된 상기 엔드이펙터에 회전운동으로 전달하는 기어연결 메카니즘을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 이동링크부는, 3개의 델타형 구조이고, 상기 회전운동전달부는, 상기 이동프레임에 구비된 상기 엔드이펙터에 3 자유도의 회전운동을 전달하도록 상기 이동링크부 각각에 설치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 회전운동 전달 메카니즘이 구비된 병렬로봇은, 회전운동전달부를 통해 엔드이펙터에 회전운동이 가능하도록 회전운동 전달 메카니즘을 구비하되, 회전운동전달부를 제1 평행링크수단 및 제2 평행링크수단과 같이 이동링크부에 새로운 방식의 링크구조를 접목하여 조립이나 설치가 용이하고, 이동프레임의 가감속 성능을 저하시키지 않으면서도 정밀한 제어를 달성할 수 있다.

특히, 회전운동전달부의 제1 평행링크수단 및 제2 평행링크수단으로부터 발생된 구동력을 회전변환전달수단을 통해 엔드이펙터에 회전운동으로 변환하여 전달할 수 있고, 회전변환전달수단은 직선구동프레임에 구비된 볼스크류의 직선구동을 볼너트의 회전운동으로 변환하고, 볼너트의 회전운동을 기어연결 메카니즘을 통해 엔드이펙터에 원하는 회전운동으로 전달할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 병렬로봇을 개략적으로 도시한 사시도이고,
도 2는 본 발명에 따른 회전운동 전달 메카니즘이 구비된 병렬로봇의 일 실시예를 도시한 사시도이며,
도 3은 도 2의 실시예의 측면도이고,
도 4는 도 2의 실시예 중 단일의 이동링크부 및 회전운동전달부를 도시한 요부 사시도이며,
도 5는 도 4의 실시예에서 회전변환전달수단의 직선구동프레임을 분리한 요부 사시도이고,
도 6은 도 5의 실시예 중 이동프레임 및 직선구동프레임을 확대 도시한 요부 사시도이며,
도 7은 도 4의 실시예에서 단일의 이동링크부 및 회전운동전달부의 링크 연결관계를 개략적으로 도시한 링크연결도이고,
도 8은 도 7의 실시예에서 이동링크부의 작동과정을 도시한 링크연결도이며,
도 9는 도 7의 실시예에서 회전운동전달부의 작동과정을 도시한 링크연결도이고,
도 10 내지 12는 도 2의 실시예에서 엔드이펙터의 3 자유도 회전운동 각각을 표현하기 위해 회전변환전달수단의 작동과정을 도시한 단면도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 회전운동 전달 메카니즘이 구비된 병렬로봇의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 회전운동 전달 메카니즘이 구비된 병렬로봇은, 도 3 내지 12에 도시된 바와 같이 고정프레임(100), 이동프레임(200), 이동링크부(300), 제1 엑추에이터(400) 및 회전운동전달부(500)를 포함하여 이루어지고, 상기 회전운동전달부(500)는 제1 평행링크수단(510), 제2 평행링크수단(520), 연결링크(530) 및 회전변환전달수단(540)을 포함한다.

고정프레임(100)은 도 2 및 3에 도시된 바와 같이 X-Y-Z의 3축으로 된 고정좌표계의 고정원점(110)이 정의된다. 보통 고정프레임(100)은 정해진 작업공간의 상부에 고정 설치되는데, 작업좌표계의 원점과 고정프레임(100)의 고정원점(110)의 위치를 일치하도록 설치하는 것이 좋다.

이동프레임(200)은 도 2 내지 5에 도시된 바와 같이 상기 고정프레임(100)으로부터 이격되어 이동 가능하게 설치되고, x-y-z의 3축으로 된 이동좌표계의 이동원점(210)이 정의되며, 엔드이펙터(220)가 구비된다. 이동프레임(200)의 이동좌표계는 상기 고정프레임(100)의 고정좌표계를 기준으로 표현되는 좌표계이다. 즉, 이동좌표계의 이동원점(210)의 위치 이동에 대한 기준을 정의하기 위해 고정프레임(100)의 고정좌표계가 정의되어야 하고, 고정좌표계를 기준으로 이동좌표계의 이동원점(210)의 위치 이동을 확인할 수 있어 제어를 용이하게 한다.

이러한 이동프레임(200)에는 엔드이펙터(220)가 구비되는데, 즉 엔드이펙터(220)는 가공공구(working tool)일 수 있고, 이송을 위해 제품을 파지하는 그리퍼(gripper)일 수 있다. 이러한 엔드이펙터(220)의 구동을 위한 회전운동을 전달하기 위한 메카니즘이 필요하며, 엔드이펙터(220) 자체에 직접 구동엑추에이터를 설치하지 않고, 고정프레임(100)에 엔드이펙터(220)의 회전운동을 발생하는 구동엑추에이터를 설치한 후 구동엑추에이터로부터 엔드이펙터(220)에 회전운동을 전달하기 위한 메카니즘을 구현하기 위한 것이 본 발명의 목적이며, 이는 후술하는 회전운동전달부(500)를 통해 달성될 수 있다.

이동링크부(300)는 도 2 내지 5 및 8에 도시된 바와 같이 복수가 구비되어 상기 고정프레임(100)과 이동프레임(200)을 연결하고, 각각이 상기 고정프레임(100)에 대하여 1 자유도를 갖는 구동링크(310) 및 상기 구동링크(310)와 상기 이동프레임(200)을 연결하는 한 쌍의 평행한 수동링크(320)를 구비한다. 이때, 제1 엑추에이터(400)는 역시 복수가 구비되어 상기 이동링크부(300) 각각의 구동링크(310)에 동력을 전달한다.

상기 이동링크부(300)는 도면상 3개의 델타형 병렬로봇을 도시하고 있으나, 이동링크부(300)의 개수는 4개 또는 5개의 병렬로봇을 구성할 수도 있다. 즉, 이동프레임(200)에 구비되는 엔드이펙터(220)의 필요한 회전운동의 자유도 수에 따라 이동링크부(300)의 수를 정할 수 있는 것이다.

상술한 고정프레임(100), 이동프레임(200), 복수의 이동링크부(300) 및 복수의 제1 엑추에이터(400)의 구조만을 살펴볼 때, 도 1에 도시된 바와 같이 종래의 일반적인 병렬로봇과 동일하므로 제1 엑추에이터(400)의 작동으로 이동링크부(300)의 구동에 의해 고정프레임(100)을 기준으로 이동프레임(200)의 3축 위치이동 과정에 관한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명은 앞서 살핀 바와 같이, 상기와 같은 병렬로봇에 있어서 이동프레임(200)에 구비된 엔드이펙터(220)에 회전운동을 전달하기 위한 메카니즘을 구현하기 위한 것으로, 회전운동전달부(500)를 통해 달성될 수 있으며 이러한 회전운동전달부(500)에 대하여 보다 구체적으로 살펴본다.

회전운동전달부(500)는 도 2 내지 12에 도시된 바와 같이 상기 이동프레임(200)에 구비된 상기 엔드이펙터(220)에 1 자유도 이상의 회전운동을 전달하도록 상기 이동링크부(300) 중 적어도 어느 하나 이상에 설치된다. 도 2 및 3에 도시된 바와 같이 이동링크부(300)가 3개인 델타형 병렬로봇으로, 각각의 이동링크부(300)에 회전운동전달부(500)가 각각 설치되어 엔드이펙터(220)에 3 자유도의 회전운동을 전달할 수 있다. 만일, 엔드이펙터(220)에 1 자유도의 회전운동만을 전달하는 경우에는 복수의 이동링크부(300) 중 하나의 이동링크부(300)에만 회전운동전달부(500)를 설치하면 되고, 특히 엔드이펙터(220)에 4 또는 5자유도의 회전운동이 필요한 경우에는 이동링크부(300)의 개수를 4개 또는 5개로 설치하고, 회전운동전달부(500)를 각 이동링크부(300)에 설치하면 될 것이다.

이러한 회전운동전달부(500)의 구체적인 구조는 새로운 링크구조이고, 제1 평행링크수단(510) 및 제2 평행링크수단(520)을 통한 2개의 평행사변형 링크구조를 연결하여 링크구조의 최종단에 직선변위를 발생시키고, 회전변환전달수단(540)을 통해 직선변위를 회전운동으로 변환시켜 엔드이펙터(220)에 회전운동을 전달하고자 하는 것이다.

제1 평행링크수단(510)은 도 4, 5, 7 및 9에 도시된 바와 같이 상기 이동링크부(300)의 구동링크(310)와 평행사변형 링크구조를 가지도록 설치되고, 제2 엑추에이터(511)를 통해 구동한다. 보다 구체적으로, 상기 제1 평행링크수단(510)은 구동링크(310)와 평행사변형 링크구조를 이루기 위해 제1 평행구동링크(512), 제1 평행수동링크(513) 및 제1 평행종동링크(514)를 포함한다.

즉, 제1 평행구동링크(512)는 일단이 상기 제2 엑추에이터(511)의 출력축과 함께 회전 가능하게 결합되며, 제1 평행수동링크(513)는 일단이 상기 제1 평행구동링크(512)의 타단에 회전 가능하게 결합되고, 상기 이동링크부(300)의 구동링크(310)와 평행하게 설치된다. 또한, 제1 평행종동링크(514)는 상기 제1 평행구동링크(512)와 평행하게 설치되도록 일단이 상기 제1 평행수동링크(513)의 타단에 회전 가능하게 결합되고, 타단이 상기 구동링크(310)의 끝단에 회전 가능하게 결합된다. 따라서, 제2 엑추에이터(511)의 구동으로 제1 평행구동링크(512)가 회전하면 제1 평행수동링크(513)를 거쳐 제1 평행종동링크(514)가 회전하게 된다. 이때, 평행사변형 링크구조를 이루고 있으므로 제1 평행구동링크(512)의 회전각도와 제1 평행종동링크(514)의 회전각도는 동일하다.

제2 평행링크수단(520)은 도 4, 5, 7 및 9에 도시된 바와 같이 상기 이동링크부(300)의 한 쌍의 수동링크(320)와 평행사변형 링크구조를 가지도록 설치되고, 상기 제1 평행링크수단(510)으로부터 연결링크(530)를 매개로 구동력을 전달받는다. 보다 구체적으로, 상기 제2 평행링크수단(520)은 수동링크(320)와 평행사변형 링크구조를 이루기 위해 제2 평행종동링크(521), 제2 평행수동링크(522) 및 제1 평행종동링크(514)를 포함한다. 이때, 상기 연결링크(530)는 일단이 상기 제1 평행종동링크(514)의 일단에 고정 결합되어 함께 회전하고, 상기 제2 평행종동링크(521)와 결합된다. 즉, 제1 평행링크수단(520)의 최종 구동단인 제1 평행종동링크(514)의 구동력은 연결링크(530)를 거쳐 제2 평행종동링크(521)로 전달되는 것이다

보다 구체적으로, 상기 제2 평행종동링크(521)는 일단이 상기 제1 평행종동링크(514)의 타단에 고정 결합되어 함께 회전하고, 타단이 상기 연결링크(530)의 타단부에 고정 결합되어 함께 회전하다. 바꿔말해서 제2 평행종동링크(521)는 제1 평행종동링크(514) 및 연결링크(530)와 함께 삼각형상을 가지며, 상호 고정 결합되어 하나의 몸체로서 움직인다.

상기 제2 평행수동링크(522)는 상기 이동링크부(300)의 한 쌍의 수동링크(320)와 평행하게 설치되도록 일단이 상기 연결링크(530)의 타단에 제1 유니버셜조인트(522a)를 매개로 결합되고, 타단이 상기 회전변환전달수단(540)과 제2 유니버셜조인트(522b)를 매개로 결합된다. 제2 평행수동링크(522)의 양단에 제1 유니버셜조인트(522a) 및 제2 유니버셜조인트(522b)를 통해 결합하는 이유는, 상기 회전변환전달수단(540)에 회전변위를 제거한 상태로 직선변위만을 전달하기 위한 것이다.

따라서, 제1 평행링크수단(510)의 제1 평행종동링크(514)와 함께 회전하는 제2 평행종동링크(521)는 제2 평행수동링크(522)를 회전시키고, 제2 평행수동링크(522)는 직선변위만을 상기 회전변환전달수단(540)에 전달하게 된다. 이렇게 제1 평행링크수단(510) 및 제2 평행링크수단(520)을 통해 회전변환전달수단(540)에 직선변위를 전달하게 되면, 회전변환전달수단(540)에서 직선변위를 회전변위로 변환하여 상기 엔드이펙터(220)에 회전력을 전달한다.

이를 위하여 회전변환전달수단(540)은 도 4 내지 6 및 10 내지 12에 도시된 바와 같이 볼스크류(541a)가 구비된 직선구동프레임(541), 볼너트(542) 및 기어연결 메카니즘(543)을 포함한다.

보다 구체적으로, 직선구동프레임(541)은 상기 이동프레임(200)에 직선 이동 가능하게 설치되고, 상기 제2 평행수동링크(522)의 타단과 상기 제2 유니버셜조인트(522b)를 매개로 결합되며, 상기 이동프레임(200)의 내부를 향해 삽입되는 볼스크류(541a)가 구비된다. 이때, 볼너트(542)는 상기 이동프레임(200)의 내부에 설치되고, 상기 직선구동프레임(541)의 볼스크류(541a)와 결합되어 상기 볼스크류(541a)의 직선왕복이동에 따라 좌우로 회전한다. 즉, 상기 직선구동프레임(541)을 통해 제2 평행링크수단(520)으로부터 직선변위를 전달받고, 직선구동프레임(541)에 구비된 볼스크류(541a)의 직선변위는 볼너트(542)를 통해 회전변위로 변환된다. 이렇게 볼너트(542)를 통해 변환된 회전변위는 기어연결 메카니즘(543)을 통해 엔드이펙터(220)에 회전운동으로 전달된다.

여기서 기어연결 메카니즘(543)이란 단순한 평기어 세트는 물론 널리 알려진 내접 또는 외접기어 세트나 웜기어세트 등을 포함하며, 복잡한 기어연결 메카니즘인 벤딕스 손목 메카니즘(bendix wrist mechanism)이나 기어식 구형 손목 메카니즘(geared spherical wrist mechanism) 등을 모두 포함한다. 즉, 기어연결 메카니즘(543)은 복수의 기어가 연결된 구조를 통칭한다.

예컨대, 엔드이펙터(220)에 1 자유도의 회전운동만이 필요한 경우라면, 단순히 볼너트(542)와 평기어 또는 베벨기어 등으로 연결하여 회전운동을 전달할 수도 있지만, 엔드이펙터(220)에 3 자유도의 회전운동이 필요한 경우 이동프레임(200) 및 엔드이펙터(220) 사이의 좁은 공간 내에 3 자유도의 회전운동을 전달하기 위하여 복잡한 기어연결 메카니즘이 필요할 수 있는 것이다.

즉, 상기 이동링크부(300)는 3개의 델타형 구조이고, 상기 회전운동전달부(500)는 상기 이동프레임(200)에 구비된 상기 엔드이펙터(220)에 3 자유도의 회전운동을 전달하도록 상기 이동링크부(300) 각각에 설치될 수 있다. 이때, 엔드이펙터(220)에 3 자유도의 회전운동을 전달하기 위하여 회전변환전달수단(540)의 기어연결 메카니즘(543)은 도 10 내지 12에 도시된 바와 같이 벤딕스 손목 메카니즘(bendix wrist mechanism)으로 구현하고 있다.

3개의 회전운동전달부(500)에 구비된 3개의 회전변환전달수단(540) 각각에 대하여 엔드이펙터(220)에 작용하는 3가지의 회전운동 전달과정을 설명한다. 즉, 도 10에 도시된 바와 같이 첫번째 회전운동전달부(500)의 작동으로 엔드이펙터(220)의 공구(too)를 회전시키는 과정이고, 도 11에 도시된 바와 같이 두번째 회전운동전달부(500)의 작동으로 엔드이펙터(220)를 전후로 회전시키는 과정이며, 도 12에 도시된 바와 같이 세번재 회전운동전달부(500)의 작동으로 엔드이펙터(220)를 좌우로 회전시키는 과정을 나타내고 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 회전운동 전달 메카니즘이 구비된 병렬로봇은, 회전운동전달부(500)를 통해 엔드이펙터(220)에 회전운동이 가능하도록 회전운동 전달 메카니즘을 구비하되, 회전운동전달부(500)를 제1 평행링크수단(510) 및 제2 평행링크수단(520)과 같이 이동링크부(300)에 새로운 방식의 링크구조를 접목하여 조립이나 설치가 용이하고, 이동프레임(200)의 가감속 성능을 저하시키지 않으면서도 정밀한 제어를 달성할 수 있다.

특히, 회전운동전달부(500)의 제1 평행링크수단(510) 및 제2 평행링크수단(520)으로부터 발생된 구동력을 회전변환전달수단(540)을 통해 엔드이펙터(220)에 회전운동으로 변환하여 전달할 수 있고, 회전변환전달수단(540)은 직선구동프레임(541)에 구비된 볼스크류(541a)의 직선구동을 볼너트(542)의 회전운동으로 변환하고, 볼너트(542)의 회전운동을 기어연결 메카니즘(543)을 통해 엔드이펙터(220)에 원하는 회전운동으로 전달할 수 있다.

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 : 고정프레임 110 : 고정원점
200 : 이동프레임
210 : 이동원점 220 : 엔드이펙터
300 : 이동링크부
310 : 구동링크 320 : 수동링크
400 : 제1 엑추에이터
500 : 회전운동전달부
510 : 제1 평행링크수단 511 : 제2 엑추에이터
512 : 제1 평행구동링크 513 : 제1 평행수동링크
514 : 제1 평행종동링크
520 : 제2 평행링크수단
521 : 제2 평행종동링크 522 : 제2 평행수동링크
522a : 제1 유니버셜조인트 522b : 제2 유니버셜조인트
530 : 연결링크
540 : 회전변환전달수단
541 : 직선구동프레임 541a : 볼스크류
542 : 볼너트 543 : 기어연결 메카니즘

Claims

X-Y-Z의 3축으로 된 고정좌표계의 고정원점이 정의되는 고정프레임과, 상기 고정프레임으로부터 이격되어 이동 가능하게 설치되고, x-y-z의 3축으로 된 이동좌표계의 이동원점이 정의되며, 엔드이펙터가 구비된 이동프레임과, 상기 고정프레임과 상기 이동프레임을 연결하고, 각각이 상기 고정프레임에 대하여 1 자유도를 갖는 구동링크 및 상기 구동링크와 상기 이동프레임을 연결하는 한 쌍의 평행한 수동링크를 구비하는 복수의 이동링크부와, 상기 고정프레임에 각각 설치되고, 상기 이동링크부 각각의 구동링크에 동력을 전달하는 복수의 제1 엑추에이터와, 상기 이동프레임에 구비된 상기 엔드이펙터에 1 자유도 이상의 회전운동을 전달하도록 상기 이동링크부 중 적어도 어느 하나 이상에 설치되는 회전운동전달부를 포함하고,
상기 회전운동전달부는,
상기 이동링크부의 구동링크와 평행사변형 링크구조를 가지도록 설치되고, 제2 엑추에이터를 통해 구동하는 제1 평행링크수단과,
상기 이동링크부의 한 쌍의 수동링크와 평행사변형 링크구조를 가지도록 설치되고, 상기 제1 평행링크수단으로부터 연결링크를 매개로 구동력을 전달받는 제2 평행링크수단과,
상기 이동프레임에 설치되고, 상기 제2 평행링크수단의 구동을 상기 엔드이펙터에 회전운동으로 변환하여 전달하는 회전변환전달수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전운동 전달 메카니즘이 구비된 병렬로봇.
제1항에 있어서,
상기 제1 평행링크수단은,
일단이 상기 제2 엑추에이터의 출력축과 함께 회전 가능하게 결합되는 제1 평행구동링크와,
일단이 상기 제1 평행구동링크의 타단에 회전 가능하게 결합되고, 상기 이동링크부의 구동링크와 평행하게 설치되는 제1 평행수동링크와,
상기 제1 평행구동링크와 평행하게 설치되도록 일단이 상기 제1 평행수동링크의 타단에 회전 가능하게 결합되고, 타단이 상기 구동링크의 끝단에 회전 가능하게 결합되는 제1 평행종동링크를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전운동 전달 메카니즘이 구비된 병렬로봇.
제2항에 있어서,
상기 연결링크는,
일단이 상기 제1 평행종동링크의 일단에 고정 결합되어 함께 회전하고,
상기 제2 평행링크수단은,
일단이 상기 제1 평행종동링크의 타단에 고정 결합되어 함께 회전하고, 타단이 상기 연결링크의 타단부에 고정 결합되어 함께 회전하는 제2 평행종동링크와,
상기 이동링크부의 한 쌍의 수동링크와 평행하게 설치되도록 일단이 상기 연결링크의 타단에 제1 유니버셜조인트를 매개로 결합되고, 타단이 상기 회전변환전달수단과 제2 유니버셜조인트를 매개로 결합되는 제2 평행수동링크를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전운동 전달 메카니즘이 구비된 병렬로봇.
제3항에 있어서,
상기 회전변환전달수단은,
상기 이동프레임에 직선 이동 가능하게 설치되고, 상기 제2 평행수동링크의 타단과 상기 제2 유니버셜조인트를 매개로 결합되며, 상기 이동프레임의 내부를 향해 삽입되는 볼스크류가 구비된 직선구동프레임과,
상기 이동프레임의 내부에 설치되고, 상기 직선구동프레임의 볼스크류와 결합되어 상기 볼스크류의 직선왕복이동에 따라 좌우로 회전하는 볼너트와,
상기 볼너트의 회전력을 상기 이동프레임에 구비된 상기 엔드이펙터에 회전운동으로 전달하는 기어연결 메카니즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전운동 전달 메카니즘이 구비된 병렬로봇.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 이동링크부는,
3개의 델타형 구조이고,
상기 회전운동전달부는,
상기 이동프레임에 구비된 상기 엔드이펙터에 3 자유도의 회전운동을 전달하도록 상기 이동링크부 각각에 설치되는 것을 특징으로 하는 회전운동 전달 메카니즘이 구비된 병렬로봇.