KR102198558B1 - 관절 메커니즘 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 관절 메커니즘은, 제1 관절부재; 상기 제1 관절부재에 대하여 제1 방향으로 회동하도록 마련된 제2-1 관절부재; 상기 제2-1 관절부재에 대하여 제2 방향으로 회동함에 따라, 상기 제2-1 관절부재와 교차하도록 마련된 제2-2 관절부재; 상기 제1 방향 회동 자유도를 부여하도록, 상기 제1 관절부재와 상기 제2-1 관절부재를 연결하는, 제1 스트링 셋(set); 및 상기 제2 방향 회동 자유도를 부여하도록, 상기 제1 관절부재와 상기 제2-2 관절부재를 연결하고, 상기 제2-1 관절부재와 상기 제2-2 관절부재를 연결하는, 제2 스트링 셋을 포함하여 이루어질 수 있다.

Description

관절 메커니즘{JOINT MECHANISM}
본 발명은 관절 메커니즘에 관련된 것으로, 보다 구체적으로는 관절부재들이 스트링으로 연결된 관절 메커니즘에 관련된 것이다.
산업용 로봇과는 달리 서비스용 로봇이나 재활로봇의 경우 로봇의 동작에 있어 다른 대상과의 접촉 예를 들어, 사람과의 접촉이 생기게 된다. 이 경우, 접촉에 따른 마모 뿐 아니라, 접촉에 의해 로봇에 전달되는 충격이 설계에 고려되어야 한다.
현존 하는 로봇 팔은 한 링크와 다른 링크가 단단하게 고정되어 있는 것이 보통이다. 이런 구조에서, 로봇 팔에 외부 충격이 가해지는 경우, 그 충격이 관절 메커니즘과 충격체에 온전히 전달된다. 이 충격은 결국 로봇 팔에 고스란히 전달되게 된다. 만약 로봇 팔이 로봇 의수인 경우, 로봇 착용자에게 충격이 전달되고, 말단 통증(extremity pain)이 일반인 보다 큰 절단 환자에게는 고통과 불편함을 초래한다.
또한, 사람이 착용하는 의수 로봇에 있어 로봇 팔의 무게는 사용의 편의성에 큰 부분을 차지한다. 현존 하는 로봇 팔은 전통적인 기계식의 로봇 팔로 여러 부품을 포함하는 무게를 지니고 있으며, 이는 의수 착용자의 장시간 착용에 무리를 준다.
이에 본 발명자는, 외부 충격 흡수 및 사용 편의성이 향상된 전완 관절 메커니즘을 발명하게 되었다.
대한민국 공개특허공보 제10-2019-0006421호(2019.01.18.)
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 다 자유도를 가지는 관절 메커니즘을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 외부 충격의 흡수가 가능한 관절 메커니즘을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 관절부재 간의 기계적 간섭을 최소화하는 관절 메커니즘을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 초기 자세로 복원하는 복원력을 가지는 관절 메커니즘을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는 경량화된 관절 메커니즘을 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 관절 메커니즘은, 제1 관절부재; 상기 제1 관절부재에 대하여 제1 방향으로 회동하도록 마련된 제2-1 관절부재; 상기 제2-1 관절부재에 대하여 제2 방향으로 회동함에 따라, 상기 제2-1 관절부재와 교차하도록 마련된 제2-2 관절부재; 상기 제1 방향 회동 자유도를 부여하도록, 상기 제1 관절부재와 상기 제2-1 관절부재를 연결하는, 제1 스트링 셋(set); 및 상기 제2 방향 회동 자유도를 부여하도록, 상기 제1 관절부재와 상기 제2-2 관절부재를 연결하고, 상기 제2-1 관절부재와 상기 제2-2 관절부재를 연결하는, 제2 스트링 셋을 포함하여 이루어질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 관절부재 및 상기 제2-1 관절부재는, 각각, 뼈대 및 상기 뼈대의 단부에서 양 측으로 분기하는 가지들을 가지고, 상기 제1 스트링 셋은 초기 장력을 가지며, 상기 제1 스트링 셋의 초기 장력은, 상기 제1 관절부재의 가지들의 단부를 잇는 가상선과, 상기 제2-1 관절부재의 가지들의 단부를 잇는 가상선이 교차하되, 상기 제1 관절부재와 상기 제2-1 관절부재가 서로 소정 거리 이격하도록 제공될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 스트링 셋은, 상기 제1 관절부재의 가지들의 일 측과 상기 제2-1 관절부재의 가지들의 일 측을 평행사변형으로 연결하는, 제1-1, 제1-2, 제1-3 및 제1-4 스트링, 및 상기 제1 관절부재의 가지들의 일 측과 상기 제2-1 관절부재의 가지들의 사이를 연결하는, 제1-5 및 제1-6 스트링을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 방향으로의 회동 축은, 상기 제1 관절부재에 연결된 제1-5 스트링 노드와 상기 제1 관절부재에 연결된 제1-6 스트링 노드를 잇는 가상선일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 스트링 셋은 초기 장력을 가지며, 상기 제2 스트링 셋의 초기 장력은, 상기 제2-2 관절부재가 상기 제1 관절부재 및 상기 제2-1 관절부재로부터 소정 거리 이격하도록 제공될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 스트링 셋은, 상기 제1 관절부재의 일 측과 상기 제2-2 관절부재의 일 단부측을 연결하는 제2-1 스트링, 상기 제2-1 관절부재의 일 단부측과 상기 제2-2 관절부재의 일 단부측을 연결하는 제2-2 스트링, 상기 제2-1 관절부재의 타 단부측과 상기 제2-2 관절부재의 일 단부측을 연결하는 제2-3 스트링, 및 상기 제2-1 관절부재의 타 단부측과 상기 제2-2 관절부재의 타 단부측을 연결하는 제2-4 스트링을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 스트링 셋은, 상기 제1 방향으로의 회동 후에, 회동 전으로 복원하는 복원력을 제공하고, 상기 제2 스트링 셋은, 상기 제2 방향으로의 회동 후에, 회동 전으로 복원하는 복원력을 제공할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2-1 관절부재의 타 단부 및 상기 제2-2 관절부재의 타 단부에 대하여 제3 방향으로 회동하도록 마련된 제3 관절부재; 상기 제3 방향 회동 자유도를 부여하도록, 상기 제2-1 관절부재의 단부측과 상기 제3 관절부재의 일 측을 연결하는 제3-1 스트링 및 상기 제2-2 관절부재의 단부측과 상기 제3 관절부재의 타 측을 연결하는 제3-2 스트링을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제3-1 스트링 및 상기 제3-2 스트링의 길이 방향은, 상기 제1 방향으로의 회동 축과 나란할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 관절 메커니즘은, 제1 관절부재; 상기 제1 관절부재에 대하여 제1 방향으로 회동하도록 마련된 제2-1 관절부재; 상기 제2-1 관절부재에 대하여 제2 방향으로 회동함에 따라, 상기 제2-1 관절부재와 교차하도록 마련된 제2-2 관절부재; 상기 제1 방향 회동 자유도를 부여하도록, 상기 제1 관절부재와 상기 제2-1 관절부재를 연결하는, 제1 스트링 셋(set); 및 상기 제2 방향 회동 자유도를 부여하도록, 상기 제1 관절부재와 상기 제2-2 관절부재를 연결하고, 상기 제2-1 관절부재와 상기 제2-2 관절부재를 연결하는, 제2 스트링 셋을 포함하여 이루어질 수 있다.
상기 제1 스트링 셋 및 상기 제2 스트링 셋이 관절부재들을 연결하기 때문에, 무게가 최소화될 수 있다.
상기 제1 스트링 셋 및 상기 제2 스트링 셋이 관절부재들을 연결하기 때문에, 외부 충격의 흡수가 가능케될 수 있고, 회동 후 초기 위치로의 복원력이 제공될 수 있다.
또한, 상기 제1 스트링 셋 및 상기 제2 스트링 셋이 관절부재들을 연결하기 때문에, 제1, 제2-1 및 제2-2 관절부재들이 서로 이격한 상태에서 회동할 수 있으므로, 기계적 간섭이 최소화될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 관절 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 일 측면을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 1의 일 평면을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 1의 A1의 확대도를 도시한다.
도 5는 도 1의 A2의 확대도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 관절 메커니즘의 제1 방향 회동을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 관절 메커니즘의 제2 방향 회동을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 관절 메커니즘의 제3 방향 회동을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 형상 및 크기는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 관절 메커니즘을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 도 1의 일 측면을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 도 1의 일 평면을 설명하기 위한 도면이다.
또한, 도 4는 도 1의 A1의 확대도를 도시하고, 도 5는 도 1의 A2의 확대도를 도시한다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 관절 메커니즘(100)은 제1 관절부재(110) 및 상기 제1 관절부재(100)에 대하여 제1 방향 회동 가능한 제2-1 관절부재(130)을 포함하여 이루어질 수 있다. 이하 각 구성에 대하여 설명하기로 한다.
상기 제1 관절부재(110)는 제1 뼈대(112) 및 상기 제1 뼈대(112)의 양 측으로 분기하는 제1-1 가지(114) 및 제1-2 가지(116)를 포함하여 이루어질 수 있다. 즉, 상기 제1 관절부재(110)는 "Y"자 형상을 가질 수 있다. 다만, 상기 제1 관절부재(110)의 형상은 설명의 편의를 위한 것이며, 본 발명의 기술적 사상이 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제1 관절부재(110)는 소정의 강성을 가질 수 있다. 즉, 상기 제1 관절부재(110)는 일 실시 예에 따른 관절 메커니즘(100)의 일 프레임을 구성할 수 있다.
상기 제2-1 관절부재(130)는 제2 뼈대(132) 및 상기 제2 뼈대(132)의 양 측으로 분기하는 제2-1 가지(134) 및 제2-2 가지(136)을 포함하여 이루어질 수 있다. 즉, 상기 제2-1 관절부재(130)도 "Y"자 형상을 가질 수 있다. 이 또한, 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 상기 제2-1 관절부재(130)의 형상이 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 제2-1 관절부재(130)도 소정의 강성을 가질 수 있다. 즉, 상기 제2-1 관절부재(130)도 일 실시 예에 따른 관절 메커니즘(100)의 일 프레임을 구성할 수 있다.
상기 제1 관절부재(110)와 상기 제2-1 관절부재(130)는 제1 스트링 셋(set)에 의하여 연결될 수 있다. 상기 제1 스트링 셋은, 제1-1 스트링(210), 제1-2 스트링(212), 제1-3 스트링(214), 제1-4 스트링(216), 제1-5 스트링(218) 및 제1-6 스트링(220) 중 적어도 하나를 포함하여 이루어질 수 있다. 각 스트링의 이해를 위하여, 도 1, 도 1의 A 영역을 A1 관점에서 확대한 도 4와 도 1의 A 영역을 A2 관점에서 확대한 도 5를 참조하기로 한다.
일 예에 따르면, 제1 스트링 셋을 이루는 각각의 스트링은, 탄성력이 있는 물질 예를 들어, 폴리에틸렌(PolyEthylene, PE), 나일론(Nylon) 중 적어도 하나의 물질로 이루어질 수 있다. 또는 관절에 강성을 부여하기 위하여, 강성을 가지는 물질 예를 들어, 스테인리스 스틸 와이어(Stainless steel wire), 텅스텐 와이어(Tungsten wire) 중 적어도 하나의 물질로 이루어 질 수 있다. 후술하는 제2 및 제3 스트링 셋도 이와 동일한 물질로 이루어질 수 있다.
도 1, 도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 제1-1 스트링(210)은, 제1-2 가지(116)의 일 측과 제2-2 가지(136)의 일 측을 연결할 수 있다. 상기 제1-2 스트링(212)는 제1-1 가지(114)의 일 측과 제2-2 가지(136)의 일 측을 연결할 수 있다. 상기 제1-3 스트링(214)는 제1-1 가지(114)의 일 측과 제2-1 가지(134)의 일 측을 연결할 수 있다. 또한, 상기 제1-4 스트링(216)은 제1-2 가지(116)의 일 측과 제2-1 가지(134)의 일 측을 연결할 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 제1-1 스트링(210), 제1-2 스트링(212), 제1-3 스트링(214), 제1-4 스트링(216)은 평행 사변형을 구성할 수 있다. 즉, Y 축 상(즉, Y 축과 평행한 방향)에서 보았을 때, 상기 제1-1 스트링(210)과 제1-3 스트링(214)이 서로 평행하고, 제1-2 스트링(212)과 제1-4 스트링(216)이 서로 평행할 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 제1-1 스트링(210)과 제1-4 스트링(216)은 상기 제1-2 가지(116)의 동일 노드에 결합되고, 제1-2 스트링(212), 제1-3 스트링(214)은 상기 제1-2 가지(114)의 동일 노드에 결합될 수 있다. 이와 달리, 상기 제1-1 스트링(210)과 제1-4 스트링(216)은 상기 제1-2 가지(116)에 결합되되, 소정 간격 이격하여 결합되고, 제1-2 스트링(212), 제1-3 스트링(214)은 상기 제1-2 가지(114)에 결합되되, 소정 간격 이격하여 결합될 수 있다.
또한, 상기 제1-5 스트링(218)은 도 5에 도시된 바와 같이, 제1-2 가지(116)의 일 측과 제2-1 관절부재(130)의 일 측 예를 들어, 상기 제2-1 가지(134)와 상기 제2-2 가지(136)가 상기 제2 뼈대(132)로부터 분기하는 분기점의 일 측을 연결할 수 있다. 또한 상기 제1-6 스트링(220)은 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제1-1 가지(114)의 일 측과 제2-1 관절부재(130)의 일 측 예를 들어, 상기 제2-1 가지(134)와 상기 제2-2 가지(136)가 상기 제2 뼈대(132)로부터 분기하는 분기점의 일 측을 연결할 수 있다.
제1-1 스트링(210), 제1-2 스트링(212), 제1-3 스트링(214), 제1-4 스트링(216), 제1-5 스트링(218) 및 제1-6 스트링(220)은 소정의 초기 장력을 가질 수 있다. 제1-1 스트링(210), 제1-2 스트링(212), 제1-3 스트링(214), 제1-4 스트링(216), 제1-5 스트링(218) 및 제1-6 스트링(220)의 초기 장력에 의하여, 상기 제1 관절부재(110)와 제2-1 관절부재(130)의 상대적인 초기 위치 및 회동 방향이 정의될 수 있다.
도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 스트링 셋의 초기 장력에 의하여 상기 제1 관절부재(110)와 상기 제2-1 관절부재(130)는 소정 거리 이격된 상태로 유지될 수 있다. 예를 들어, 제1 관절부재(110)의 가지들의 분기점과 제2-1 관절부재(130)의 가지들의 분기점이 서로 이격하여 마주보도록 유지될 수 있다. 이는 제2-1 관절부재(130)를 중심으로 일 측의 제1-2 스트링(212), 제1-3 스트링(214) 및 제1-6 스트링(220)이 제공하는 초기 장력과 타 측의 제1-1 스트링(210), 제1-4 스트링(216) 및 제1-5 스트링(218)이 제공하는 초기 장력이 균형을 이룬다는 것으로 이해될 수 있다. 일 예에 따르면, 상기 제1 관절부재(110)의 두 개의 가지(114, 116)을 연결하는 가상선(L1, 도 1 참조)과 상기 제2-1 관절부재(130)의 두 개의 가지(134, 136)을 연결하는 가상선(L2, 도 2 참조)이 서로 교차하도록, 제1 스트링 셋의 초기 장력이 제어될 수 있다. 보다 구체적으로 L1 가상선과 L2 가상선은 서로 90도 교차할 수 있다.
초기 장력에 의하여, 상기 제1 관절부재(110)와 상기 제2-1 관절부재(130)가 서로 이격된 상태를 유지하기 때문에, 상기 제1 관절부재(110)와 상기 제2-1 관절부재(130)의 간섭에 의한 기계적 마모가 최소화될 수 있다.
나아가, 외부 충격이 상기 제1 관절부재(110)와 상기 제2-1 관절부재(130) 중 적어도 하나에 가해지더라도, 상기 제1 관절부재(110)와 상기 제2-1 관절부재(130)를 연결하는 제1 스트링 셋이 외부 충격을 흡수하기 때문에, 충격이 가해진 관절부재에서 다른 관절부재로 전달되는 충격을 최소화할 수 있다.
또한, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 제1 관절부재(110)와 상기 제2-1 관절부재(130)가 제1-1 스트링(210), 제1-2 스트링(212), 제1-3 스트링(214), 제1-4 스트링(216), 제1-5 스트링(218) 및 제1-6 스트링(220)에 의하여 소정 거리 이격하여 연결될 수 있다. 나아가, 상기 제1-5 스트링(218)의 일 단이 제1-2 가지(116)에 연결되고, 타 단이 제2-1 가지(134) 및 제2-2 가지(136)의 분기점의 일 측에 연결되며, 제1-6 스트링(220)의 일 단이 제1-1 가지(114)에 연결되고, 타 단이 제2-1 가지(134) 및 제2-2 가지(136)의 분기점의 일 측에 연결될 수 있다.
이들 제1 스트링 셋의 배치 관계에 의하여, 상기 제2-1 관절부재(130)는 상기 제1 관절부재(110)에 대하여, 제1-1 가지(114)와 제1-2 가지(116)를 연결하는 가상선 보다 구체적으로는 제1-1 가지(114) 중 제1-5 스트링(218)이 연결된 지점과, 제1-2 가지(116) 중 제1-6 스트링(220)이 연결된 지점을 잇는 가상선(L1)을 중심으로 제1 방향으로 회동할 수 있는 축(R1)을 가질 수 있다. 즉, 상기 제2-1 관절부재(130)는 상기 제1 관절부재(130)에 대하여 제1 방향 회전축(R1)을 중심으로 회동할 수 있는 것이다.
또한, 제2-1 관절부재(130)가 상기 제1 관절부재(130)에 대하여 회동하더라도, 초기 장력의 균형 관계는 유지되기 때문에, 상기 제1 관절부재(110)와 상기 제2-1 관절부재(130)는 여전히 서로 이격된 상태를 유지할 수 있다. 따라서, 회동 중 및 회동 후에도 상기 제1 관절부재(110)와 상기 제2-1 관절부재(130)의 간섭에 의한 기계적 마모가 최소화될 수 있다. 또한, 회동 중 및 회동 후에 외부 충격이 가해지더라도 제1 스트링 셋이 충격 전달이 최소화되도록 외부 충격을 흡수할 수 있다.
또한, 제1 스트링 셋은 회동 후에, 상기 제2-1 관절부재(130)가 상기 제1 관절부재(110)에 대하여 초기 위치로 복귀하도록 복원력을 제공할 수 있다.
이상, 제1 관절부재(110) 및 제2-1 관절부재(130)에 대하여 설명하였다.
이하에서는 제2-2 관절부재(150)에 대하여 상술하기로 한다.
상기 제2-2 관절부재(150)는 상기 제2-1 관절부재(130)와 실질적으로 나란한 방향으로 배치될 수 있다.
상기 제2-2 관절부재(150)도 소정의 강성을 가지며, 일 프레임을 구성할 수 있다.
상기 제2-2 관절부재(150)는 상기 제1 관절부재(110) 및 상기 제2-1 관절부재(130)와 각각 제2 스트링 셋에 의하여 연결될 수 있다. 상기 제2 스트링 셋은, 제2-1 스트링(230), 제2-2 스트링(232), 제2-3 스트링(234) 및 제2-4 스트링(236) 중 적어도 하나를 포함하여 이루어질 수 있다.
도 1, 도 2, 도 3, 도 5를 참조하면, 상기 제2-1 스트링(230)은 제2-2 관절부재(150)와 제1 관절부재(110)를 연결할 수 있다. 구체적으로 상기 제2-1 스트링(230)은 제2-2 관절부재(150)의 일 단부측과 상기 제1-2 가지(116)의 일 측을 연결할 수 있다.
상기 제2-2 스트링(232)은 제2-2 관절부재(150)와 제2-1 관절부재(130)를 연결할 수 있다. 구체적으로 상기 제2-2 스트링(232)은 상기 제2-2 관절부재(150)의 일 단부측과 상기 제2-2 가지(136)의 일 단부측을 연결할 수 있다.
상기 제2-3 스트링(234)은 상기 제2-2 관절부재(150)와 상기 제2-1 관절부재(130)를 연결할 수 있다. 구체적으로 상기 제2-3 스트링(234)은 상기 제2-2 관절부재(150)의 일 단부측과 상기 제2-1 관절부재(130)의 타 단부측(일 단부측의 반대방향)을 연결할 수 있다.
상기 제2-4 스트링(236)은 상기 제2-2 관절부재(150)의 타 단부측과 상기 제2-1 관절부재(130)의 타 단부측을 연결할 수 있다.
제2-1 스트링(230), 제2-2 스트링(232), 제2-3 스트링(234) 및 제2-4 스트링(236)도 초기 장력을 가질 수 있으며, 이들 제2 스트링 셋의 초기 장력에 의하여, 제2-2 관절부재(150)의 초기 위치 및 회동 방향이 정의될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 제2-1 스트링(230), 제2-2 스트링(232)의 초기 장력이 균형을 이룸에 따라, 상기 제2-2 관절부재(150)의 초기 위치가, 상기 제1 관절부재(110) 및 상기 제2-1 관절부재(130)와 소정 거리 이격하여 정의될 수 있다. 이는, 제2-2 관절부재(150)도 제1 관절부재(110) 및 제2-1 관절부재(130)와 기계적 간섭을 피할 수 있다는 것을 의미한다.
상기 제2-3 스트링(234)은 상기 제2-2 관절부재(150)가 상기 제2-1 관절부재(130)에 대하여 제2 방향으로 회동할 수 있는 회동 축(R2)을 제공할 수 있다. 즉, 제2-3 스트링(234)의 길이 방향이 회동 축(R2)이 될 수 있다. 이는, 다른 관점에서, 상기 제2-2 관절부재(150)가 상기 제2-1 관절부재(130)에 대하여 제2 방향으로 회동 축(R2)을 중심으로 회동하는 경우에도, 제2-1 스트링(230), 제2-2 스트링(232)의 장력이 균형을 이룬다는 것을 의미한다.
또한 상기 제2-2 관절부재(150)가 제2 방향으로의 회동하는 경우, 상기 제2-1 관절부재(130)에 대하여 교차하도록 회동할 수 있다.
상기 제2-4 스트링(236)은, 상기 제2-2 관절부재(150)의 회동 중 및 회동 후에도, 상기 제2-2 관절부재(150)의 단부와 상기 제2-1 관절부재(130)의 단부 간의 거리가 일정하게 유지되도록 할 수 있다. 견고함을 위하여, 상기 제2-2 스트링(236)은 도 1에 도시된 바와 같이, 두 개의 스트링으로 이루어질 수 있다.
제2 스트링 셋 또한, 회동 중 및 회동 후에 외부 충격이 가해지더라도 충격 전달이 최소화되도록 외부 충격을 흡수할 수 있으며, 회동 후에 다시 제2-2 관절부재(150)가 제2-1 관절부재(130)에 대하여 초기 위치로 복귀하도록 복원력을 제공할 수 있음은 물론이다.
이상, 제2-2 관절부재(150)에 대하여 설명하였다.
이하에서는 제3 관절부재(170)에 대하여 상술하기로 한다.
상기 제3 관절부재(170)는, 제2-1 관절부재(130) 및 제2-2 관절부재(150)의 단부에 위치할 수 있다. 예를 들어, 상기 제3 관절부재(170)는, 상기 제1 관절부재(110)와 반대 방향 단부에 위치할 수 있다.
상기 제3 관절부재(170)도 소정의 강성을 가지며, 일 프레임을 구성할 수 있다.
상기 제3 관절부재(170)는 상기 제2-1 관절부재(130) 및 제2-2 관절부재(150)과 제3 스트링 셋에 의하여 연결될 수 있다. 상기 제3 스트링 셋은, 제3-1 스트링(252) 및 제3-2 스트링(254)을 포함하여 이루어질 수 있다.
도 1을 참조하면, 상기 제3-1 스트링(252)은 상기 제2-1 관절부재(130)의 단부와 상기 제3 관절부재(170)의 일 측을 연결할 수 있다. 상기 제3-2 스트링(254)는 상기 제2-2 관절부재(150)의 단부와 상기 제3 관절부재(170)의 타 측을 연결할 수 있다. 만약 상기 제3 관절부재(170)가 "ㄷ" 형상을 가지는 경우, 상기 제3-1 스트링(252)과 상기 제3-2 스트링(254)은 각각 "ㄷ" 형상의 윗 변과 아래 변에 연결될 수 있다.
상기 제3 스트링 셋은 상기 제3 관절부재(170)의 초기 위치 및 회동 방향을 정의할 수 있다.
상기 제3-1 스트링(252)과 상기 제3-2 스트링(254)의 장력이 균형을 이룸에 따라, 상기 제3 관절부재(170)는 상기 제2-1, 제2-2 관절부재(130, 150)과 소정 간격 이격하여 유지될 수 있다.
일 예에 따르면, 상기 제3-1 스트링(252)과 상기 제3-2 스트링(254)은 같은 축(L3, 도 1참조) 상에 마련될 수 있다. 이 경우, 상기 제3-1 스트링(252)과 상기 제3-2 스트링(254)은 상기 제3 관절부재(170)가 제3 방향으로 회동할 수 있는 회동 축(R3)을 제공할 수 있다. 일 예에 따르면, 회동 축(R3)는 회동 축(R1)과 서로 평행할 수 있다.
제3 스트링 셋 또한, 회동 중 및 회동 후에 외부 충격이 가해지더라도 충격 전달이 최소화되도록 외부 충격을 흡수할 수 있으며, 회동 후에 다시 제3 관절부재(170)가 초기 위치로 복귀하도록 복원력을 제공할 수 있음은 물론이다.
이상 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 관절 메커니즘(100)을 설명하였다. 이하에서는 일 실시 예에 따른 관절 메커니즘(100)의 자유도에 대하여 도 6 내지 도 8을 참조하여 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 관절 메커니즘의 제1 방향 회동을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 제2-1 관절부재(130)가 제1 스트링 셋에 의하여 제1 관절부재(110)에 대하여 소정 간격 이격된 초기 위치(S1)에서, 제1 방향인 R1을 따라 회동할 수 있음을 확인할 수 있다. 즉, 제2-1 관절부재(130)는 제1 관절부재(110)에 대하여 반 시계 방향으로 회동할 수도 있고(S2), 시계 방향으로 회동할 수도 있다(S3).
상기 제2-1 관절부재(130)의 회동 시, 제2 스트링 셋으로 연결된 제2-2 관절부재(150) 및 제3 스트링 셋으로 연결된 제3 관절부재(170)도 같이 회동할 수 있다.
이후, 제1 방향으로의 회동력이 제거되는 경우, 상기 제1 스트링 셋이 제공하는 복원력에 의하여 초기 위치인 S1으로 복귀할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 관절 메커니즘의 제2 방향 회동을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 제2-2 관절부재(150)가 제2 스트링 셋에 의하여 제2-1 관절부재(130)에 대하여 소정 간격 이격된 초기 위치(S1)에서, 제2 방향인 R2를 따라 회동할 수 있음을 확인할 수 있다. 초기 위치 S1에서는, 제2-2 관절부재(150)가 제2-1 관절부재(130)와 실질적으로 나란한 방향으로 배치되지만, 제2 방향으로의 회동이 진행됨에 따라, 즉, S2에서 S3으로 갈수록, 상기 제2-2 관절부재(150)는 상기 제2-1 관절부재(130)에 대하여 교차하게 된다.
상기 제2-2 관절부재(150)의 회동 시, 제3 스트링 셋으로 연결된 제3 관절부재(170)도 같이 회동할 수 있다. 이에 따라, S1에서 S3으로 회동이 진행됨에 따라, 제3 관절부재(170)는 약 180도 뒤집어 지게 된다.
이후, 제2 방향으로의 회동력이 제거되는 경우, 상기 제2 스트링 셋이 제공하는 복원력에 의하여 초기 위치인 S1으로 복귀할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 관절 메커니즘의 제3 방향 회동을 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 상기 제3 관절부재(170)가 제3 스트링 셋에 의하여 제2-1 및 제2-2 관절부재(130, 150)에 대하여 소정 간격 이격된 초기 위치(S1)에서, 제3 방향인 R3를 따라 회동할 수 있음을 확인할 수 있다. 즉, 제3 관절부재(170)는 제2-1 및 제2-2 관절부재(130, 150)에 대하여 반 시계 방향으로 회동할 수도 있고(S2), 시계 방향으로 회동할 수도 있다(S3).
이후, 제3 방향으로 회동력이 제거되는 경우, 상기 제3 스트링 셋이 제공하는 복원력에 의하여 초기 위치인 S3으로 복귀할 수 있다.
이상 설명한 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제1 내지 제3 스트링 셋이 제1 내지 제3 관절부재 간을 서로 이격시킨 상태에서, 제1 방향, 제2 방향 및 제3 방향 회동을 가능케 하므로, 제1 내지 제3 관절부재 간의 기계적 간섭을 최소화할 수 있다. 이는 마모를 최소화할 수 있다는 것을 의미하므로, 우수한 내구성을 제공할 수 있다.
나아가, 제1 내지 제3 관절부재가 제1 내지 제3 스트링 셋에 의하여 연결되므로, 외부 충격을 제1 내지 제3 스트링 셋이 흡수할 수 있다. 이에 따라, 관절부재를 통해 전달되는 외부 충격이 최소화될 수 있다. 만약, 일 실시 예에 따른 관절 메커니즘이 착용형 로봇에 적용되는 경우, 착용 부위에 가해지는 말단 통증을 최소화할 수 있는 것이다.
또한, 제1 내지 제3 관절부재가 제1 내지 제3 스트링 셋에 의하여 연결되므로, 무게를 최소화할 수 있어, 일 실시 예에 따른 관절 메커니즘이 착용형 로봇에 적용되는 경우, 신체가 부담하는 부하를 최소화할 수 있다.
또한, 제1 내지 제3 스트링 셋의 탄성도를 조절함으로써, 관절부재들의 회전 유연성을 쉽게 조절할 수 있고, 제1 내지 제3 스트링 셋의 부착 위치를 조절함으로써, 관절부재들의 회전 특성을 쉽게 조절할 수 있다.
일 실시 예에 따른 관절 메커니즘은, 기계적 회전 관절 예를 들어, 인공 관절, 의수 및 의족 등 로봇에 적용 가능하다. 만약 일 실시 예에 따른 관절 메커니즘이 의수로 활용되는 경우, 전완 부위에 적용되는 메커니즘으로 활용될 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100: 관절 메커니즘
110: 제1 관절부재
130: 제2-1 관절부재
150: 제2-2 관절부재
170: 제3 관절부재
210, 212, 214, 216, 218, 220 : 제1 스트링 셋
230, 232, 234, 236 : 제2 스트링 셋
252, 254: 제3 스트링 셋

Claims (9)

  1. 제1 관절부재;
    상기 제1 관절부재에 대하여 제1 방향으로 회동하도록 마련된 제2-1 관절부재;
    상기 제2-1 관절부재에 대하여 제2 방향으로 회동함에 따라, 상기 제2-1 관절부재와 교차하도록 마련된 제2-2 관절부재;
    상기 제1 방향 회동 자유도를 부여하도록, 상기 제1 관절부재와 상기 제2-1 관절부재를 연결하는, 제1 스트링 셋(set); 및
    상기 제2 방향 회동 자유도를 부여하도록, 상기 제1 관절부재와 상기 제2-2 관절부재를 연결하고, 상기 제2-1 관절부재와 상기 제2-2 관절부재를 연결하는, 제2 스트링 셋을 포함하되,
    상기 제1 관절부재 및 상기 제2-1 관절부재는, 각각, 뼈대 및 상기 뼈대의 단부에서 양 측으로 분기하는 가지들을 가지고,
    상기 제1 스트링 셋은 초기 장력을 가지며,
    상기 제1 스트링 셋의 초기 장력은, 상기 제1 관절부재의 가지들의 단부를 잇는 가상선과, 상기 제2-1 관절부재의 가지들의 단부를 잇는 가상선이 교차하되, 상기 제1 관절부재와 상기 제2-1 관절부재가 서로 소정 거리 이격하도록 제공되는, 관절 메커니즘.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 스트링 셋은,
    상기 제1 관절부재의 가지들의 일 측과 상기 제2-1 관절부재의 가지들의 일 측을 평행사변형으로 연결하는, 제1-1, 제1-2, 제1-3 및 제1-4 스트링, 및
    상기 제1 관절부재의 가지들의 일 측과 상기 제2-1 관절부재의 가지들의 사이를 연결하는, 제1-5 및 제1-6 스트링을 포함하는, 관절 메커니즘.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 방향으로의 회동 축은,
    상기 제1 관절부재에 연결된 제1-5 스트링 노드와 상기 제1 관절부재에 연결된 제1-6 스트링 노드를 잇는 가상선인, 관절 메커니즘.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 스트링 셋은 초기 장력을 가지며,
    상기 제2 스트링 셋의 초기 장력은, 상기 제2-2 관절부재가 상기 제1 관절부재 및 상기 제2-1 관절부재로부터 소정 거리 이격하도록 제공되는, 관절 메커니즘.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제2 스트링 셋은,
    상기 제1 관절부재의 일 측과 상기 제2-2 관절부재의 일 단부측을 연결하는 제2-1 스트링,
    상기 제2-1 관절부재의 일 단부측과 상기 제2-2 관절부재의 일 단부측을 연결하는 제2-2 스트링,
    상기 제2-1 관절부재의 타 단부측과 상기 제2-2 관절부재의 일 단부측을 연결하는 제2-3 스트링, 및
    상기 제2-1 관절부재의 타 단부측과 상기 제2-2 관절부재의 타 단부측을 연결하는 제2-4 스트링을 포함하는, 관절 메커니즘.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 스트링 셋은, 상기 제1 방향으로의 회동 후에, 회동 전으로 복원하는 복원력을 제공하고,
    상기 제2 스트링 셋은, 상기 제2 방향으로의 회동 후에, 회동 전으로 복원하는 복원력을 제공하는, 관절 메커니즘.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 제2-1 관절부재의 타 단부 및 상기 제2-2 관절부재의 타 단부에 대하여 제3 방향으로 회동하도록 마련된 제3 관절부재;
    상기 제3 방향 회동 자유도를 부여하도록, 상기 제2-1 관절부재의 단부측과 상기 제3 관절부재의 일 측을 연결하는 제3-1 스트링 및 상기 제2-2 관절부재의 단부측과 상기 제3 관절부재의 타 측을 연결하는 제3-2 스트링을 포함하는, 관절 메커니즘.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제3-1 스트링 및 상기 제3-2 스트링의 길이 방향은, 상기 제1 방향으로의 회동 축과 나란한, 관절 메커니즘.
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