KR102214202B1 - 중력보상장치가 구비된 로봇 암의 링크 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중력보상장치가 구비된 로봇 암의 링크 구조에 관한 것으로, 로봇 암을 회전시키도록 구비된 관절부, 상기 관절부와 연결되는 외부링크, 상기 외부링크 내부에 삽입되는 내부링크, 상기 내부링크 내부에 삽입되어 스트로크 운동하는 스프링가이드, 상기 스프링가이드와 상기 내부링크 사이에 배치되고, 중력에 의한 토크 발생시 상기 스프링가이드를 탄성지지하여 보상 토크를 발생시키는 보상스프링, 상기 내부링크의 축 방향 일측 단부에 결합되어 상기 보상스프링에 예압을 인가하고 상기 스프링가이드를 축방향에서 접촉지지하는 어퍼커버, 및 상기 내부링크의 축 방향 타측 단부에 결합되고 상기 보상스프링에 탄성지지되는 로워커버를 포함하여 생산성을 향상시키고 중력보상효율을 향상시키며 스프링에 균일한 예압을 인가시키는 효과가 있다.

Description

중력보상장치가 구비된 로봇 암의 링크 구조 {LINK STRUCTURE FOR ROBOT ARM WITH GRAVITY COMPENSATION DEVICE}

본 발명은 중력보상장치가 구비된 로봇 암의 링크 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 로봇 암의 자세 유지 및 구동 시에 로봇 암의 자중에 의해서 관절에 인가되는 중력토크를 상쇄시킬 수 있는 중력보상장치가 구비된 로봇 암의 링크 구조에 관한 것이다.

현재 다양한 산업 현장에서는 효율성 향상을 위해 공정 자동화가 활발히 수행되고 있으며, 이에 따라 여러 작업에 유연하게 사용될 수 있는 로봇 암의 중요성이 커지고 있다. 로봇 암은 중량물의 운반이나 조립, 용접, 도색등 다양한 작업에 사용되고 있으며, 대상 작업에 따라 다양한 크기의 로봇 암이 개발되어 사용되고 있다.

이러한 로봇 암이 자세를 유지하거나 구동할 때, 링크를 연결하는 관절에는 중력 방향으로 로봇 암의 자중에 의한 중력토크가 인가된다. 로봇 암이 대형화될수록 중력토크의 크기는 더욱 커지며 관절에 큰 구동부 동력이 필요하게 된다. 따라서 대형 로봇 암은 큰 용량의 모터 및 감속기를 구비해야 해서 제작 비용이 증가하고 작업에 소모되는 전력 역시 크게 증가하는 문제점이 있다.

이를 해결하기 위해 로봇 암의 관절에 무게 추나 스프링을 이용한 중력보상장치를 설치하여 기계식으로 중력토크를 상쇄시키는 다양한 방법이 활용되고 있다. 가장 간단하게는 무게 추 또는 스프링을 이용한 1자유도 중력보상장치를 이용하는 방법이 있다. 그러나 이러한 1자유도 중력보상장치는 다자유도의 로봇 암에 적용하기에 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해, 평행 4절 링크 구조를 이용한 다자유도 중력보상장치가 제안된 바 있다. 그런데 평행 4절 링크 구조의 중력보상장치는 평행 4절 링크 구조의 사점 때문에 관절의 가동 범위가 180도 미만으로 제한된다는 문제가 있다. 또한 종래의 평행 4절 링크 기반의 로봇 암은 몸체 외부에 추가적인 링크가 돌출되어 로봇 암의 부피가 커지는 단점도 가지고 있다.

이러한 문제점들을 해결하기 위해 와이어와 벨트-풀리를 사용하여 관절 제한을 없애고 부피를 최소화한 다자유도 중력보상장치가 제안되었으나, 이 방법은 와이어와 벨트의 낮은 내구성과 재현성으로 인한 문제점을 가지고있다.

한편, 한국등록특허 제10-1935144호에는 커넥팅로드를 스프링을 연결하여, 중력에 의하여 링크가 회전할 경우 커넥팅로드가 스프링을 당기고, 스프링의 복원력에 의하여 중력을 보상하는 중력보상장치를 구비한 로봇 암이 개시되어 있다.

그러나 이러한 중력보상장치의 경우에는 링크 내부에 구비된 다수의 부품을 직접 조립하여 생산성이 저하되고, 커넥팅로드에 의하여 코일스프링이 압축 및 팽창하면서 코일스프링과 스프링가이드가 회전하는 현상이 발생한다. 그 결과 탄성력의 일부가 모두 축방향으로 전달되지 아니하여 충분한 중력보상이 이루어지지 않는 문제가 있다.

또한, 나사를 돌려 코일스프링에 예압을 인가하는 방식으로 구성되어 있는 바, 나사부의 피치에 의존하여 예압이 인가되므로 균일한 예압을 인가하는 데에 한계가 있다.

따라서, 조립성을 향상시킴과 동시에, 스프링의 복원력이 중력보상에만 작용하는 구성이 필요하며, 균일하게 예압을 인가시킬 수 있는 중력보상장치가 구비된 로봇 암의 링크 구조 개발이 필요하다.

한국등록특허 제10-1935144호

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 중력보상장치가 구비된 로봇 암의 링크 구조가 가지는 문제점들을 개선하기 위해 창출된 것으로 중력보상효율이 향상되고, 균일한 예압이 인가될 수 있는 중력보상장치가 구비된 로봇 암의 링크 구조를 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 중력보상장치가 구비된 로봇 암의 링크 구조는 로봇 암을 회전시키도록 구비된 관절부, 상기 관절부와 연결되는 외부링크, 상기 외부링크 내부에 삽입되는 내부링크, 상기 내부링크 내부에 삽입되어 스트로크 운동하는 스프링가이드, 상기 스프링가이드와 상기 내부링크 사이에 배치되고, 중력에 의한 토크 발생시 상기 스프링가이드를 탄성지지하여 보상 토크를 발생시키는 보상스프링, 상기 내부링크의 축 방향 일측 단부에 결합되어 상기 보상스프링에 예압을 인가하고 상기 스프링가이드를 축방향에서 접촉지지하는 어퍼커버, 및 상기 내부링크의 축 방향 타측 단부에 결합되고 상기 보상스프링에 탄성지지되는 로워커버를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 어퍼커버 및 상기 로워커버와 결합되고 상기 스프링가이드의 축방향 이동을 가이드하도록 상기 스프링가이드와 평행하게 레일 형태로 형성된 엘엠가이드를 더 포함하는 것도 가능하다.

또한, 상기 스프링가이드에 고정결합되고, 상기 엘엠가이드를 따라 슬라이드 이동 가능하도록 형성된 엘엠블럭을 더 포함하는 것도 가능하다.

또한, 일측 단부가 상기 스프링가이드와 결합되고, 타측 단부가 상기 관절부에 결합되는 커넥팅로드를 더 포함하는 것도 가능하다.

이때, 상기 스프링가이드는, 상기 내부링크 내부에 삽입되는 기둥 형태의 가이드 본체, 상기 가이드 본체의 축 방향 일측 단부에 원판 형태로 형성되고 상기 어퍼커버와 접촉지지되는 어퍼플레이트, 및 상기 가이드 본체의 축 방향 타측에 형성되고 상기 커넥팅로드가 체결되도록 형성된 로드체결부를 포함하는 것도 가능하다.

이때, 상기 어퍼플레이트는 상기 어퍼커버와 접촉지지되도록 원판 형태로 형성된 플레이트 본체, 상기 플레이트 본체에서 상기 가이드 본체 방향으로 원기둥 형태로 돌출 형성되고 상기 보상스프링의 일측 단부가 외주면 상에 결합되는 제1스프링결합부, 및 상기 플레이트 본체 및 상기 제1스프링결합부에 형성되고 상기 엘엠가이드가 관통하도록 홀 형태로 형성된 엘엠관통홀을 포함하는 것도 가능하다.

한편, 상기 어퍼커버는 상기 내부링크의 축 방향 일측 단부를 덮도록 원판 형태로 형성된 커버 본체, 및 상기 커버 본체에서 상기 어퍼플레이트 방향으로 축 방향을 따라 연장 형성된 커버 브릿지를 포함하는 것도 가능하다.

이때, 상기 커버 브릿지는 상기 엘엠가이드가 고정 결합되는 전방 브릿지, 및 상기 전방 브릿지와 함께 상기 어퍼플레이트를 접촉지지하는 후방 브릿지를 포함하는 것도 가능하다.

한편, 상기 로워커버는 상기 내부링크의 축 방향 타측 단부를 덮도록 디스크 형태로 형성된 로워커버 플레이트, 상기 로워커버 플레이트에서 상기 가이드 본체 방향으로 단을 이루어 돌출 형성되고 상기 보상스프링의 타측 단부가 외주면 상에 결합되는 제2스프링결합부, 상기 로워커버 플레이트 및 상기 제2스프링결합부에 형성되고 상기 엘엠가이드를 수용하도록 형성된 엘엠수용홈, 및 상기 로워커버 플레이트 및 상기 제2스프링결합부에 형성되고 상기 스프링가이드가 관통하도록 홀 형태로 형성된 가이드관통홀을 포함하는 것도 가능하다.

또한, 상기 로워커버는 상기 로워커버 플레이트와 연결되고 상기 커넥팅로드가 내부에서 피봇운동 가능하도록 원통 형태로 형성된 커버 실린더를 더 포함하는 것도 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 중력보상장치가 구비된 로봇 암의 링크 구조에 의하면, 내부링크를 통하여 모듈화에 의한 생산성 향상 효과가 있다.

또한, 스프링가이드가 회전하는 것을 방지하여 중력보상효율을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 링크에 커버를 조립하여 스프링에 균일한 예압을 인가시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 중력보상장치가 구비된 로봇 암의 링크 구조의 결합사시도,
도 2는 도 1의 분해사시도,
도 3은 도 1의 단면도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 중력보상장치가 구비된 로봇 암의 링크 구조에서 스프링가이드 및 엘엠블럭이 결합된 상태의 사시도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 중력보상장치가 구비된 로봇 암의 링크 구조에서 스프링가이드를 다른 각도에서 바라본 사시도,
도 6은 도4의 측면도,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 중력보상장치가 구비된 로봇 암의 링크 구조에서 엘엠가이드에 대한 사시도,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 중력보상장치가 구비된 로봇 암의 링크 구조에서 엘엠가이드와 엘엠블럭이 결합된 상태의 측면도,
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 중력보상장치가 구비된 로봇 암의 링크 구조에서 엘엠블럭에 대한 사시도,
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 중력보상장치가 구비된 로봇 암의 링크 구조에서 어퍼커버에 대한 사시도,
도 11은 도 10의 저면도,
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 중력보상장치가 구비된 로봇 암의 링크 구조에서 로워커버에 대한 사시도,
도 13은 도 12의 단면도,
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 중력보상장치가 구비된 로봇 암의 링크 구조에서 커넥팅로드에 대한 사시도,
도 15a는 본 발명의 일 실시예에 따른 중력보상장치가 구비된 로봇 암의 링크 구조에서 하중이 인가되기 전 상태에 대한 작동상태도,
도 15b는 본 발명의 일 실시예에 따른 중력보상장치가 구비된 로봇 암의 링크 구조에서 하중이 인가 중인 상태에 대한 작동상태도,
도 15c는 본 발명의 일 실시예에 따른 중력보상장치가 구비된 로봇 암의 링크 구조에서 하중이 최대로 인가된 상태에 대한 작동상태도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 의도는 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명을 설명함에 있어서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

"및/또는"이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함할 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.

본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않을 수 있다.

아울러, 이하의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것으로서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

본 실시예에서의 로봇 암은 한국등록특허 제10-1935144호에 개시된 로봇 암과 같이 복수의 링크가 복수의 관절로 연결된 다중관절 구조를 갖는 것으로, 관절의 구성은 로봇 말단부의 위치를 결정하기 위한 주요 관절과, 로봇 말단부의 방향을 결정하기 위한 손목부 관절을 포함한다. 그리고 중력토크가 가장 크게 걸리는 관절에 대한 중력보상을 수행하기 위해 스프링 기반의 중력보상장치가 장착된다. 이하, 한국등록특허 제10-1935144호에 개시된 다중 관절 구조와 구성 면에서 동일한 본 발명의 로봇 암의 다중 관절 구조에 대해서는 자세한 설명은 생략한다.

도 1 내지 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 중력보상장치가 구비된 로봇 암의 링크 구조는, 로봇 암(도면 미기재)에 장착되며 관절부(100), 외부링크(200), 내부링크(300), 스프링가이드(400), 보상스프링(500), 어퍼커버(600), 로워커버(700), 엘엠가이드(800) 및 엘엠블럭(900)을 포함한다.

이때, 상기 관절부(100)와 상기 외부링크(200)가 관절회전부(110)를 통하여 연결되고, 상기 외부링크(200)의 내부에는 상기 내부링크(300)가 삽입되어 구비된다. 또한, 상기 내부링크(300)의 축 방향 일측 단부에는 상기 어퍼커버(600)가 결합되고, 상기 내부링크(300)의 축 방향 타측 단부에는 상기 로워커버(700)가 결합되며, 상기 내부링크(300)의 내부에는 상기 스프링가이드(400) 및 상기 엘엠가이드(800)가 삽입된다. 이때, 상기 스프링가이드(400)는 상기 내부링크(300)의 반경방향 중심에 배치되고, 상기 스프링가이드(400)에는 축 방향을 따라 복수 개의 상기 엘엠블럭(900)이 고정결합되며, 상기 엘엠블럭(900)은 상기 엘엠가이드(800)와 슬라이드 이동 가능하게 결합된다. 또한, 상기 스프링가이드(400)와 상기 내부링크(300)의 내주면 사이에는 상기 보상스프링(500)이 구비되고, 상기 보상스프링(500)의 일측 단부는 상기 스프링가이드(400)에 접촉되며, 상기 보상스프링(500)의 타측 단부는 상기 로워커버(700)에 지지된다.

상기 관절부(100)는 로봇 암을 회전시킬 수 있도록 베이스(도면 미기재)에 결합되고, 관절회전부(110), 관절구동부(120) 및 커넥팅로드(130)를 포함한다.

이때, 상기 관절회전부(110)는 상기 외부링크(200)와 연결되고, 상기 로워커버(700)가 수용 가능하도록 연결홀(도면 미기재)이 형성되어 있으며, 내부에 관절구동부(120)를 수용하도록 중공형으로 형성된다.

상기 관절구동부(120)는 상기 관절회전부(110)의 내부에 구비되고, 상기 커넥팅로드(130)가 결합되며, 상기 관절회전부(110) 및 상기 외부링크(200)를 회전시키기 위한 구동력을 제공하는 다양한 구조를 취할 수 있다.

상기 커넥팅로드(130)는 아령과 유사한 형태로 형성되고, 한 쌍의 링크체결부(131), 베어링부(132) 및 연결부(133)를 포함한다. 이때, 한 쌍의 상기 링크체결부(131)의 사이에 상기 연결부(133)가 일체로 형성되고 상기 링크체결부(131)의 중심에는 상기 베어링부(132)가 구비되며, 상기 베어링부의 중심에는 결합홀이 형성되어 있다(도 14 참조). 한 쌍의 상기 링크체결부(131) 중에서 하나는 상기 스프링가이드(400)에 회전 가능하게 결합되고, 다른 하나는 상기 관절구동부(120)에 회전 가능하게 결합된다. 즉, 상기 커넥팅로드(130)의 일측은 상기 스프링가이드(400)와 결합되고, 타측은 상기 관절구동부(120)와 결합되며, 상기 베어링부(132)를 구비하여 상기 스프링가이드(400) 및 상기 관절구동부(120)와 상대회전 가능하게 결합된다.

상기 외부링크(200)는 상기 관절부(100)의 관절회전부(110)와 결합되고, 내부에 상기 내부링크(300) 및 상기 로워커버(700)를 수용하며, 외부링크 본체(210) 및 외부링크 결합부(220)를 포함한다. 이때, 상기 외부링크 본체(210)는 중공형의 관 형태로 형성된다. 한편, 본 실시예에서는 상기 외부링크 본체(210)가 원통형태로 형성되어 있으나, 이에 구속되는 것은 아니고 상기 내부링크(300) 및 상기 로워커버(700)를 수용할 수 있는 다양한 형태를 모두 포함한다. 상기 외부링크 결합부(220)는 상기 외부링크 본체(210)의 축 방향 양측 단부에 디스크 형태로 구비되며, 관절부(100) 및 그 외의 관절(도면 미기재)과 연결된다.

상기 내부링크(300)는 상기 외부링크(200)의 내부에 구비(수용)되고, 내부링크 본체(310) 및 내부링크 결합부(320)를 포함한다. 이때, 상기 내부링크 본체(310)는 중공형의 관 형태로 형성된다. 한편, 본 실시예에서는 상기 내부링크 본체(310)가 원통형태로 형성되어 있으나, 이에 구속되는 것은 아니고 상기 스프링가이드(400)와 상기 보상스프링(500)과 상기 엘엠가이드(800)를 수용할 수 있는 다양한 형태로 변형 가능하다. 상기 내부링크 결합부(320)는 상기 내부링크 본체(310)의 축 방향 양측 단부에 디스크 형태로 구비되며, 축 방향 일측의 상기 내부링크 결합부(320)는 상기 어퍼커버(600)와 결합되고, 축 방향 타측의 상기 내부링크 결합부(320)는 상기 로워커버(700)와 결합된다.

도 4 내지 6을 참조하면, 상기 스프링가이드(400)는 상기 내부링크(300)의 내부에 삽입되고, 가이드 본체(410), 어퍼플레이트(420) 및 로드체결부(430)를 포함한다.

이때, 상기 가이드 본체(410)는 다각 기둥 형태의 프레임으로 형성되고, 상기 가이드 본체(410)의 축 방향 일측 단부에 상기 어퍼플레이트(420)가 연결되며, 상기 가이드 본체(410)의 축 방향 타측에는 상기 로드체결부(430)가 형성된다. 또한, 상기 가이드 본체(410)에는 상기 엘엠블럭(900)이 축 방향을 따라 복수 개 고정 결합된다. 한편, 본 실시예에서는 상기 엘엠 블럭(900)이 3개 결합되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 어퍼플레이트(420)는 상기 가이드 본체(410)의 축 방향 일측 단부에 형성되고, 플레이트 본체(421), 제1스프링결합부(422) 및 엘엠관통홀(423)을 포함한다.

이때, 상기 플레이트 본체(421)는 상기 가이드 본체(410)와 수직한 평판 형태로 형성되어 일면은 상기 어퍼커버(600)와 접촉지지 가능하고, 타면(배면)은 상기 보상스프링(500)과 탄성 지지된다. 한편, 본 실시예에서 상기 플레이트 본체(421)는 원판 형태로 형성되어 있으나 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 내부링크(300)의 형태 및 상기 어퍼커버(600)의 형태에 대응하여 변형 가능하다.

상기 제1스프링결합부(422)는 상기 플레이트 본체(421)에서 상기 가이드 본체(410) 방향으로 원기둥 형태로 돌출 형성되고, 상기 보상스프링(500)의 일측 단부가 외주면 상에 결합된다. 즉, 상기 스프링 결합부(422)의 직경은 상기 플레이트 본체(421)의 직경보다 작도록 형성되되, 코일스프링 형태의 상기 보상스프링(500)이 상기 스프링 결합부의 외주면을 감쌀 수 있도록 상기 보상스프링(500)의 내경에 대응한 직경을 갖는다.

상기 엘엠관통홀(423)은 상기 플레이트 본체(421) 및 상기 제1스프링결합부(422)에 형성되고, 상기 엘엠가이드(800)가 관통하도록 홀 형태로 형성된다. 즉, 상기 엘엠관통홀(423)은 상기 가이드 본체(410)와 나란하게 배치된 상기 엘엠가이드(800)가 상기 어퍼플레이트(420)를 관통하여 상기 어퍼커버(600)에 결합되도록 홀 형태로 형성된다. 한편, 본 실시예에서 상기 엘엠관통홀(423)은 사각형의 구멍으로 형성되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 엘엠가이드(800)의 형상에 대응하여 변형 가능한 것을 포함한다.

상기 로드체결부(430)는 상기 가이드 본체(410)의 외주면에 형성되고, 상기 가이드 본체(410)의 축 방향 타측에 위치되며, 상기 커넥팅로드(130)가 결합되는 위치를 가이드하도록 홈 형태로 형성된다. 따라서, 상기 로드체결부(430)와 상기 커넥팅로드(130)의 상기 링크체결부(131)가 서로 접촉된 상태에서 피스 또는 볼트 등의 결합 부재를 통하여 서로 회전 가능하게 결합된다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 보상스프링(500)은 코일스프링 형태로 형성되고, 축 방향 일측 단부는 상기 스프링가이드(400)의 상기 어퍼플레이트(420)에 지지되고, 축 방향 타측 단부는 상기 로워커버(700)에 지지된다. 따라서, 상기 보상스프링(500)은 상기 스프링가이드(400)와 상기 로워커버(700) 사이에 구비되어, 상기 스프링가이드(400)와 상기 로워커버(700)를 서로 탄성지지시킨다.

도 10 및 도 11을 참조하면, 상기 어퍼커버(600)는 상기 내부링크(300)의 축 방향 일측 단부에 결합되고, 상기 스프링가이드(400)의 상기 어퍼플레이트(420)와 접촉지지되며, 커버 본체(610), 커버 브릿지(620) 및 커버 결합부(630)를 포함한다.

상기 커버 본체(610)는 상기 내부링크(300)의 축 방향 일측 단부를 덮도록 평판 형태로 형성된다. 한편, 본 실시예에서는 상기 커버 본체(610)는 원판 형태로 형성되나, 이에 한정되는 것은 아니고 상기 내부링크(300)의 형태에 대응하여 변형 가능한 것을 모두 포함한다.

상기 커버 브릿지(620)는 상기 커버 본체(610)에서 상기 어퍼플레이트(420) 방향으로 축 방향을 따라 기둥 형태로 연장 형성되고, 전방 브릿지(621) 및 후방 브릿지(622)를 포함한다. 이때, 상기 전방 브릿지(621)는 상기 엘엠가이드(800)와 서로 고정결합된다(도 3 참조). 한편, 본 실시예에서는 상기 전방 브릿지(621)는 사각 기둥 형태로 1개 형성되고, 상기 후방 브릿지(622)는 삼각 기둥 형태로 2개 대칭하여 형성되나 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 어퍼플레이트(420)를 접촉지지할 수 있는 다양한 형태를 모두 포함한다.

상기 커버 결합부(630)는 상기 커버 본체(610)에서 반경방향 외측으로 연장 형성되고, 상기 외부링크(200)와 상기 내부링크(300) 사이에 배치된다. 즉, 상기 커버 결합부(630)는 상기 내부링크(300)의 상기 내부링크 결합부(320)와 서로 접촉되어 지지되고, 상기 외부링크(200)의 내주면에 돌출 형성된 결합턱에 걸려 지지된다(도 3 참조). 한편 상기 커버 결합부(630)에는 상기 외부링크(200) 및 상기 내부링크(300)와 결합하기 위한 제1홈(631) 및 제2홈(632)이 형성되어 있다.

도 12 및 도 13을 참조하면, 상기 로워커버(700)는 상기 내부링크(300)의 축 방향 타측 단부에 결합되고, 상기 외부링크(200)의 내주면에 수용되며, 로워커버 플레이트(710), 제2스프링결합부(720), 엘엠수용홈(730), 가이드관통홀(740), 커버 실린더(750) 및 결합면(760)을 포함한다.

상기 로워커버 플레이트(710)는 상기 내부링크(300)의 축 방향 타측 단부를 덮도록 평판 형태로 형성된다. 한편, 본 실시예에서는 상기 로워커버 플레이트(710)는 원형 디스크 형태로 형성되나, 이에 한정되는 것은 아니고 상기 내부링크(300)의 형태에 대응하여 변형 가능한 것을 모두 포함한다.

상기 제2스프링결합부(720)는 상기 로워커버 플레이트(710)에서 상기 가이드 본체(410) 방향으로 단을 이루어 돌출 형성되고, 상기 보상스프링(500)의 타측 단부가 외주면 상에 결합된다. 즉, 상기 제2스프링결합부(720)의 직경은 상기 로워커버 플레이트(710)의 직경보다 작도록 형성되되, 코일스프링 형태의 상기 보상스프링(500)이 상기 제2스프링결합부(720)의 외주면을 감쌀 수 있도록 상기 보상스프링(500)의 내경에 대응한 직경을 갖는다. 즉, 상기 보강스프링(500)은 상기 스프링 안착부(720)의 외주면을 감싸도록 결합되고, 상기 로워커버 플레이트(710)의 상기 어퍼커버(600) 방향의 면에 접촉지지된다.

상기 가이드관통홀(740)은 상기 스프링가이드(400)가 스트로크 이동 가능하도록 상기 로워커버 플레이트(710) 및 상기 제2스프링결합부(720)에 형성되고, 상기 로워커버 플레이트(710) 및 상기 제2스프링결합부(720)의 축 방향을 따라 홀 형태로 형성된다. 즉, 상기 가이드관통홀(740)은 상기 스프링가이드(400) 및 상기 엘엠블럭(900)가 스트로크 이동할 수 있는 충분한 크기의 홀 형태로 형성된다.

상기 엘엠수용홈(730)은 상기 가이드관통홀(740)에서 상기 로워커버 플레이트(710) 및 상기 제2스프링결합부(720)의 내측 벽면 방향으로 오목하게 형성되어 상기 엘엠가이드(800)가 수용 및 안착된다.

상기 커버 실린더(750)는 상기 결합면(760)을 통하여 상기 로워커버 플레이트(710) 및 상기 제2스프링결합부(720)와 연결되고, 원통 형태로 형성되어 내부에 상기 스프링가이드(400) 및 상기 엘엠가이드(800)이 삽입되며, 상기 커넥팅로드(130)가 회전 가능하게 수용되고, 조립을 위한 원형홀(751) 및 장홀(753)이 외주면 상에 형성되며, 상기 외부링크(200)와의 고정 결합을 위하여 결합홀(752)이 복수 개 형성된다.

상기 결합면(760)은 상기 로워커버 플레이트(710) 및 제2스프링결합부(720)와 일체로 연결되는 상기 커버 실린더(750)의 축 방향 단부 면을 의미한다. 이때, 상기 결합면(760)에는 상기 내부링크(300)의 상기 내부링크 결합부(320)가 안착되어 서로 접촉 지지한다.

도 3 및 도 7을 참조하면, 상기 엘엠가이드(800)는 상기 로워커버(700) 및 상기 어퍼커버(600)에 고정되고, 상기 스프링가이드(400) 및 상기 보상스프링(500)을 관통하여 구비되며, 엘엠가이드 본체(810), 레일부(820) 및 고정부(830)를 포함한다.

이때, 상기 엘엠가이드 본체(810)는 직선형의 다각형 봉(또는 프레임) 형태로 형성되고, 상기 엘엠가이드 본체(810)의 축 방향 일측 단부는 상기 어퍼커버(600)의 상기 전방 브릿지(621)에 고정결합되며, 상기 엘엠가이드 본체(810)의 축 방향 타측 단부는 상기 고정부(830)와 고정결합된다. 즉, 상기 엘엠가이드 본체(810)의 축 방향 양측에는 피스 또는 볼트 등에 의하여 고정결합 가능한 복수 개의 홈 또는 홀이 소정 간격을 두고 축 방향을 따라 연속하여 형성되어 있다.

상기 레일부(820)는 다각형 봉 형태의 상기 엘엠가이드 본체(810)의 마주보는 양 측면이 축 방향을 따라 오목하게 깎여 형성된다. 따라서, 상기 레일부(820)는 오목한 부분과 볼록한 부분으로 이루어지며, 상기 레일부(820)의 형상에 대응하는 상기 엘엠블럭(900)이 슬라이드 가능하게 결합된다. 한편, 본 실시예에서 레일부(820)는 홈이 축 방향을 따라 길게 한번 형성되어 있으나, 이에 한정되는 것이 아니고, 다양한 형태로 변형이 가능하다.

상기 고정부(830)는 일종의 판 형태로 형성되어, 한쪽 면은 상기 엘엠가이드 본체(810)의 축 방향 타측에 고정 결합되고, 다른쪽 면은 상기 로워커버(700)의 상기 커버실린더(750) 내주면에 고정 결합된다. 즉, 피스 또는 볼트 등의 결합부재가 상기 결합홀(752)을 통하여 상기 로워커버(700)와 상기 고정부(830)를 고정결합시킨다(도 3 참조).

도 4와 도 8 및 도 9를 참조하면, 상기 엘엠블럭(900)은 상기 스프링가이드(400)에 고정결합되고, 상기 엘엠가이드(800)와 슬라이드 가능하게 결합되며, 블럭 본체(910), 가이드수용홈(930), 레일수용홈(940) 및 윤활부(950)를 포함한다. 한편, 본 실시예에서 상기 엘엠블럭(900)은 상기 스프링가이드(400)에 3개 결합하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고 다양한 갯수를 적용시키는 것도 가능하다.

상기 블럭 본체(910)는 직육면체와 유사한 형태의 블럭 형태로 형성된다. 이때, 상기 블럭 본체(910)의 일면(이하 '스프링가이드 결합면'이라 한다.)은 상기 스프링가이드(400)에 고정 결합되고, 상기 블럭 본체(910)의 축 방향 양측 단부에는 상기 윤활부(950)가 구비되며, 스프링가이드 결합면과 마주보는 면(이하 '엘엠가이드 결합면'이라 한다.)에는 축 방향을 따라 길게 상기 가이드수용홈(930)이 레일 형태로 오목하게 형성되고, 레일 형태로 오목하게 파인 상기 가이드수용홈(930)의 양 측벽에는 축 방향을 따라 길게 상기 레일수용홈(940)이 형성된다(도 9 참조).

상기 윤활부(950)는 상기 블럭 본체(910)의 축 방향 양측 단부에 구비되며, 상기 윤활부(950) 내부에는 윤활성분이 저장되어 있다. 한편, 본 실시예에서는 3개의 상기 엘엠블럭(900) 중에서 축 방향 양측 끝에 있는 상기 엘엠블럭(900)에만 상기 윤활부(950)가 구비되고 중간에 구비된 상기 엘엠블럭(900)에는 상기 윤활부(950)를 생략하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 중력보상장치가 구비된 로봇 암의 링크 구조의 조립과정을 설명하면, 상기 스프링가이드(400)의 상기 엘엠관통홀(423)에 상기 엘엠가이드(800)을 삽입하고, 상기 엘엠관통홀(423)을 관통하여 상기 어퍼플레이트(420) 외측으로 돌출된 상기 엘엠가이드(800)의 일측 단부를 상기 어퍼커버(600)의 상기 전방 브릿지(621)와 고정결합시킨다. 이때, 상기 커버 브릿지(620)와 상기 어퍼플레이트(420)는 서로 접촉지지된다.

그 다음, 상기 보상스프링(500)을 하방(상기 스프링가이드(400) 및 상기 엘엠가이드(800)의 타측 단부 방향)에서부터 축 방향을 따라 삽입하여 상기 스프링가이드(400) 및 상기 엘엠가이드(800)의 외부를 둘러싸도록 결합시킨다. 그 결과 상기 보상스프링(500)의 축 방향 일측 단부는 상기 어퍼플레이트(420)의 상기 플레이트 본체(421)에 접촉됨과 동시에 상기 제1스프링결합부(422)의 외주면에 결합된다.

그 다음, 상기 내부링크(300)가 축 방향을 따라 하방(상기 스프링가이드(400) 및 상기 엘엠가이드(800)의 타측 단부 방향)에서부터 상기 어퍼커버(600) 방향으로 끼워지면 상기 어퍼커버(600)의 상기 커버 결합부(630)와 상기 내부링크(300)의 상기 내부링크 결합부(320)가 서로 결합된다.

그 다음, 상기 로워커버(700)를 하방에서부터 상기 어퍼커버 방향으로 밀어 넣어 결합시키면, 상기 보상스프링(500)의 축 방향 타측 단부가 상기 로워커버(700)의 상기 로워커버 플레이트(710)에 접촉되고, 상기 제2스프링결합부(720)의 외주면 상에 상기 보상스프링(500)이 결합된다. 이때, 상기 로워커버(700)의 상기 결합면(760)과 상기 내부링크(300)의 축 방향 타측에 구비된 상기 내부링크 결합부(320)가 서로 맞닿을 때까지 상기 로워커버(700)를 가압하면, 상기 보상스프링(500)은 상기 스프링가이드(400)의 상기 어퍼플레이트(420)와 상기 로워커버(700)의 상기 로워커버 플레이트(710) 사이에서 압축되어 예압이 인가된다.

최종적으로, 상기 내부링크(300) 및 상기 로워커버(700)의 외부에 상기 외부링크(200)를 장착(상기 외부링크(200) 내부에 결합된 상기 내부링크(300)와 상기 로워커버(700)를 삽입)하고, 상기 커넥팅로드(130)를 통하여 상기 관절부(100)와 연결시킨다.

도 15a 내지 도 15c를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 중력보상장치가 구비된 로봇 암의 링크 구조의 작동 및 효과를 설명하면, 상기 외부링크(200)가 회전하여 로봇 암(도면 미기재)의 중력 토크가 인가되기 전에는 상기 보상스프링(500)은 상기 스프링가이드(400)의 상기 어퍼플레이트(420)와 상기 로워커버(700)의 상기 로워커버 플레이트(710) 사이에서 압축되어 예압이 인가된다. 즉, 상기 보상스프링(500)의 축 방향 길이보다 상기 어퍼플레이트(420)의 플레이트 본체(421)에서부터 상기 로워커버 플레이트(710)까지의 거리가 짧게 구비되어 상기 보상스프링(500)이 미리 압축되어 있다(도 15a).

종래의 중력보상장치의 경우, 예압을 인가하기 위하여 스프링의 축 방향을 따라 구비된 나사를 회전시켜 스프링을 압축하였고, 스프링의 예압은 나사의 피치에 의존하였다. 그 결과 나사의 회전 수에 미세한 차이가 발생하거나 나사의 조임이 약해진 경우에는 예압이 균일하게 인가되지 아니하여 정확한 중력보상이 어려운 문제가 있었다.

이와 대비하여 본 발명에서는 상기 보상스프링(500)의 예압 크기를 상기 어퍼플레이트(420)의 플레이트 본체(421)에서부터 상기 로워커버 플레이트(710)까지의 거리로 정할 수 있도록 하였고, 이는 상기 어퍼커버(600)의 상기 커버 브릿지(620)의 길이 또는 상기 내부링크(300)의 축 방향 길이를 조절하면 상기 보상스프링(500)의 예압 조절이 가능하다는 것을 의미한다. 따라서, 본 발명에서는 양산된 부품을 조립하는 것 만으로도 스프링에 일정한 예압을 인가할 수 있는 효과가 있다.

도 15b 및 15c와 같이 상기 관절구동부(120)가 작동하면, 상기 외부링크(200)는 상기 관절회전부(110)를 축으로 상기 관절회전부(110)와 함께 회전하기 시작한다. 이때, 상기 커넥팅로드(130)의 일측은 상기 스프링가이드(400)에 상대회전 가능하게 체결되어 있고, 상기 커넥팅로드(130)의 타측은 상기 관절구동부(120)와 상대회전 가능하게 결합되어 있으며, 상기 관절구동부(120)는 회전하지 않고 고정되어 있다. 따라서 상기 커넥팅로드(130)는 상기 관절구동부(120)와 체결된 상기 링크체결부(131)를 축으로 피봇운동한다. 그 결과 상기 커넥팅로드(130)가 상기 스프링가이드(400)를 상기 관절구동부(120) 방향으로 당기고, 상기 보상스프링(500)은 점점 압축되며, 상기 보상스프링(500)의 복원력이 점차 증가된다.

그러므로, 상기 관절구동부(120)의 작동에 따라 중력 방향으로 자중에 의한 중력 토크(Tg)가 인가되더라도 상기 보상스프링(500)의 압축에 대한 복원력이 중력 토크의 역방향으로 인가되어 균형을 맞추어준다(보상 토크(Tc) 발생).

한편, 종래 중력보상장치의 경우에는 커넥팅로드가 당겨질 경우에 코일스프링이 압축됨과 동시에 스프링가이드가 회전하는 현상이 발생하였고, 이는 불필요한 모멘트 및 진동을 발생시키는 원인이 되었다.

이와 대비하여 본 발명의 중력보상장치에서는 상기 스프링가이드(400)에 상기 엘엠블럭(900)을 결합시키고, 상기 엘엠블럭(900)이 상기 엘엠가이드(800)를 따라 슬라이드 이동하도록 설계하여 상기 스프링가이드(400)의 회전을 예방하였다. 따라서, 상기 스프링가이드(400)의 회전에 의한 복원력 손실을 방지하여 중력보상의 효율을 향상시키는 효과가 있다.

그러므로 본 발명은 상기한 바와 같이 상기 내부링크(300)의 조립 후 이를 상기 외부링크와 결합 가능하도록 모듈화하여 생산성을 향상시켰고, 별도의 예압 인가 과정 없이 부품의 조립만으로 균일한 예압을 인가할 수 있으며, 스프링가이드의 회전에 의한 중력보상 손실을 방지하는 효과가 있다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명은 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

100 : 관절부
120 : 관절구동부
130 : 커넥팅로드
200 : 외부링크
300 : 내부링크
400 : 스프링가이드
420 : 어퍼플레이트
500 : 보상스프링
600 : 어퍼커버
610 : 커버 본체
620 : 커버 브릿지
700 : 로워커버
710 : 로워커버 플레이트
800 : 엘엠가이드
900 : 엘엠블럭

Claims (10)

1. 로봇 암을 회전시키도록 구비된 관절부;
   상기 관절부와 연결되는 외부링크;
   상기 외부링크 내부에 삽입되는 내부링크;
   상기 내부링크 내부에 삽입되어 스트로크 운동하는 스프링가이드;
   상기 스프링가이드와 상기 내부링크 사이에 배치되고, 중력에 의한 토크 발생 시 상기 스프링가이드를 탄성지지하여 보상 토크를 발생시키는 보상스프링;
   상기 내부링크의 축 방향 일측 단부에 결합되어 상기 보상스프링에 예압을 인가하고, 상기 스프링가이드를 축방향에서 접촉지지하는 어퍼커버; 및
   상기 내부링크의 축 방향 타측 단부에 결합되고, 상기 보상스프링에 탄성지지되는 로워커버;
   를 포함하는 중력보상장치가 구비된 로봇 암의 링크 구조.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 어퍼커버 및 상기 로워커버와 결합되고, 상기 스프링가이드의 축방향 이동을 가이드하도록 상기 스프링가이드와 평행하게 레일 형태로 형성된 엘엠가이드;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중력보상장치가 구비된 로봇 암의 링크 구조.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 스프링가이드에 고정결합되고, 상기 엘엠가이드를 따라 슬라이드 이동 가능하도록 형성된 엘엠블럭;
   을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중력보상장치가 구비된 로봇 암의 링크 구조.
   
4. 제3항에 있어서,
   일측 단부가 상기 스프링가이드와 결합되고, 타측 단부가 상기 관절부에 결합되는 커넥팅로드;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중력보상장치가 구비된 로봇 암의 링크 구조.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 스프링가이드는,
   상기 내부링크 내부에 삽입되는 기둥 형태의 가이드 본체;
   상기 가이드 본체의 축 방향 일측 단부에 원판 형태로 형성되고, 상기 어퍼커버와 접촉지지되는 어퍼플레이트; 및
   상기 가이드 본체의 축 방향 타측에 형성되고, 상기 커넥팅로드가 체결되도록 형성된 로드체결부;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 중력보상장치가 구비된 로봇 암의 링크 구조.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 어퍼플레이트는,
   상기 어퍼커버와 접촉지지되도록 원판 형태로 형성된 플레이트 본체;
   상기 플레이트 본체에서 상기 가이드 본체 방향으로 원기둥 형태로 돌출 형성되고, 상기 보상스프링의 일측 단부가 외주면 상에 결합되는 제1스프링결합부; 및
   상기 플레이트 본체 및 상기 제1스프링결합부에 형성되고, 상기 엘엠가이드가 관통하도록 홀 형태로 형성된 엘엠관통홀;
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 중력보상장치가 구비된 로봇 암의 링크 구조.
   
7. 제5항에 있어서,
   상기 어퍼커버는,
   상기 내부링크의 축 방향 일측 단부를 덮도록 원판 형태로 형성된 커버 본체; 및
   상기 커버 본체에서 상기 어퍼플레이트 방향으로 축 방향을 따라 연장 형성된 커버 브릿지;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 중력보상장치가 구비된 로봇 암의 링크 구조.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 커버 브릿지는,
   상기 엘엠가이드가 고정 결합되는 전방 브릿지; 및
   상기 전방 브릿지와 함께 상기 어퍼플레이트를 접촉지지하는 후방 브릿지;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 중력보상장치가 구비된 로봇 암의 링크 구조.
   
9. 제4항에 있어서,
   상기 로워커버는,
   상기 내부링크의 축 방향 타측 단부를 덮도록 디스크 형태로 형성된 로워커버 플레이트;
   상기 로워커버 플레이트에서 상기 가이드 본체 방향으로 단을 이루어 돌출 형성되고, 상기 보상스프링의 타측 단부가 외주면 상에 결합되는 제2스프링결합부;
   상기 로워커버 플레이트 및 상기 제2스프링결합부에 형성되고, 상기 엘엠가이드를 수용하도록 형성된 엘엠수용홈; 및
   상기 로워커버 플레이트 및 상기 제2스프링결합부에 형성되고, 상기 스프링가이드가 관통하도록 홀 형태로 형성된 가이드관통홀;
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 중력보상장치가 구비된 로봇 암의 링크 구조.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 로워커버는,
    상기 로워커버 플레이트와 연결되고, 상기 커넥팅로드가 내부에서 피봇운동 가능하도록 원통 형태로 형성된 커버 실린더;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중력보상장치가 구비된 로봇 암의 링크 구조.

Images