KR102245158B1

KR102245158B1 - 로봇핸드용 엄지관절 구조

Info

Publication number: KR102245158B1
Application number: KR1020190120556A
Authority: KR
Inventors: 이상호
Original assignee: 만드로 주식회사
Priority date: 2019-09-30
Filing date: 2019-09-30
Publication date: 2021-04-27
Also published as: KR102245158B9; KR20210037980A

Abstract

본 발명은 로봇핸드용 엄지관절 구조에 관한 것으로서, 엄지부를 관절 운동 시키는 동력부, 힘줄부 및 복원줄부를 포함하고, 엄지부의 관절 운동으로 인해 발생하는 복원줄부의 장력을 이용하여 동력부의 불필요한 작동을 차단할 수 있으며, 실제 사람의 악력을 물리적 구성을 통해 구현하며, 구성을 간소화하여 구현이 용이하고 제조 단가가 저렴한 로봇핸드용 엄지관절 구조에 관한 것이다.

Description

로봇핸드용 엄지관절 구조{THUMB JOINT STRUCTURE FOR ROBOT HAND}

본 발명은 로봇핸드에 관한 것이다. 보다 자세하게는 소정의 파지력을 제공하고, 불필요한 구동을 제어하여 동력 손실을 최소화하며, 저렴한 가격으로 손쉽고 용이하게 구현할 수 있는 로봇핸드의 엄지관절 구조에 관한 것이다.

절단환자의 손을 대체하는 전자 의수 또는 로봇핸드는 종류에 따라 모터를 이용해 관절 운동을 구현하거나, 끈 등을 이용해 관절 운동을 구현한다. 모터를 이용해 관절 운동을 구현하는 경우 각 관절마다 모터가 구비되기 때문에 상당한 전력을 요하게 되고, 로봇핸드 자체의 무게가 많이 나가기 때문에 착용자의 체력에 부담을 주는 등 다양한 문제점이 발생한다. 특히, 각 관절을 모터로 구현하고 이를 소프트웨어를 통해 제어하기 때문에 제조 단가가 높아지고 유지, 보수 및 관리가 용이하지 못하다는 단점이 있다. 끈 등을 이용해 관절 운동을 구현하는 경우 모터만을 이용한 로봇핸드보다 제조 단가가 저렴한 편이지만, 각 손가락이 개별적으로 제어하기 힘들다는 문제점이 있고, 각 관절이 개별 구동을 하지 않고 일체 구동을 하기 때문에 대상 물체를 파지하는데 있어 파지력 구현이 용이하지 않아 안정성이 높지 않다는 문제점이 있다. 특히, 로봇핸드는 대상 물체를 파지한 뒤, 실제 사람의 손과 같이 소정의 파지력을 구현하지 못하는 문제점이 있다.

이를 해결하기 위해 모터 등에 소정의 동력 값을 미리 저장하여 관절 운동 한곗값을 감지한 뒤, 소정의 동력만큼 더 관절 운동을 시켜 소정의 파지력을 구현할 수 있지만, 이는 센서와 미리 저장된 소정의 동력 값이 필수적으로 선행 입력되어야 한다는 문제점이 있고, 상황 또는 대상 물체에 따라 다양한 파지력을 구현하기 힘들다는 문제점이 있다.

대한민국 등록실용신안 제20-0238152호(선행문헌)는 인공기능의수에 대한 것으로서, 실제 사람의 관절과 같이 다양한 관절을 구현한 의수를 제공한다는 특징이 있다. 다만, 선행문헌의 경우 하나의 동력부를 통해 모든 손가락이 관절 운동 되기 때문에 대상 물체를 파지함에 있어서 섬세하게 파지하지 못하고, 안전성이 떨어지는 문제점이 있다. 특히, 일례를 들면 둘레면이 상이한 대상 물체를 파지할 때 각 손가락이 파지 해야 하는 둘레가 상이한 반면, 하나의 동력부로 모든 손가락을 관절 운동시키기 때문에 이를 감지하지 못해 불안전하게 대상 물체를 파지하게 되는 문제점이 있다. 또한, 선행문헌은 대상을 파지할 때 소정의 파지력을 구현할 수 있는 구성이 존재하지 않아 대상의 둘레면에 닿는 순간 관절 운동이 정지되기 때문에 대상 물체를 견고하게 파지하지 못한다는 문제점이 있다. 또한, 관절 운동의 한계점에서 동력부를 정지시키는 구성이 별도로 존재하지 않기 때문에 불필요한 동작으로 인해 동력 손실이 발생하고, 이로 인해 오류 또는 고장이 발생할 확률이 높아지기 때문에 유지, 보수 및 관리가 용이하지 못하다.

대한민국 등록실용신안 제20-0238152호 (2000.04.06. 공개)

본 발명의 기술적 과제는 구현이 용이한 로봇핸드를 제공하기 위한 것이다.

한편, 본 발명의 기술적 과제는 엄지 손가락이 과도하게 일 방향 또는 타 방향 관절 운동되지 않는 로봇핸드를 제공하기 위한 것이다.

더 나아가, 본 발명의 기술적 과제는 불필요한 동작 또는 동력을 최소화할 수 있는 로봇핸드를 제공하기 위한 것이다.

더 나아가, 본 발명의 기술적 과제는 낭비되는 동력으로 전력의 손실을 최소화할 수 있는 로봇핸드를 제공하기 위한 것이다.

더 나아가, 본 발명의 기술적 과제는 소정의 파지력을 구현하여 대상 물체를 견고하게 파지할 수 있는 로봇핸드를 제공하기 위한 것이다.

상기한 과제를 해결하기 위해 본 발명은 손 결손 환자의 환부에 장착되기 위한 로봇핸드용 엄지관절 구조에 있어서, 내부에 제1 동력부 및 제2 동력부가 구비되는 몸체부, 상기 몸체부의 일단에 위치되는 제1 관절축, 일단이 상기 제1 관절축에 연결되어 손바닥 방향 및 손등 방향으로 제1 관절 운동되는 엄지부, 일단은 상기 제1 동력부에 권취되고 타단은 상기 엄지부에 연결되되, 상기 제1 관절축을 기준으로 상기 손바닥 방향에 편심되도록 형성되는 제1 힘줄부 및 일단은 상기 제2 동력부에 권취되고 타단은 상기 엄지부에 연결되되, 상기 제1 관절축을 기준으로 상기 손등 방향에 편심되도록 형성되는 제2 힘줄부를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇핸드용 엄지관절 구조를 제공한다.

본 발명에 따르면 대상물를 견고하게 파지하고, 더 나아가 둘레가 상이한 대상 물체를 안전하게 파지할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 복합적인 손 동작을 구현할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따르면 과도하게 관절 운동되지 않도록 정지되기 때문에 동력 손실을 방지할 수 있고, 파손을 방지할 수 있어 유지 보수 및 관리가 용이하다.

한편, 본 발명에 따르면 힘줄부 및 복원줄부의 장력을 이용하기 때문에 구현이 용이하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇핸드를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇핸드용 엄지관절 구조의 각 구성의 결합 관계를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기준 방향 축, 제1 방향 축 및 제2 방향 축의 관계를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 마디 및 제2 마디의 결합관계를 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 각 동력부 및 각 관절축을 나타낸 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 각 힘줄부의 편심된 위치관계를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 엄지부를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 관절 운동을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 마디의 단면을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 관절 운동을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 마디 및 제3 마디의 단면을 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 제3 관절 운동을 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 각도센서 및 엔코더를 나타낸 사시도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 각도센서 및 엔코더의 측정결과 예시를 나타낸 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇핸드의 레터럴 그립을 나타낸 사시도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇핸드의 핀치 그립을 나타낸 사시도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇핸드의 파워 그립을 나타낸 사시도이다.

본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명의 일 실시예에 대해 구체적으로 설명하기로 한다. 본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 통해 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇핸드를 나타낸 사시도이다. 도 1에서 z0으로 표시된 방향은 기준 방향 축을 도시한 것이다. '기준 방향'이란, 이하 설명되는 각 방향을 설명하기 위해 기준이 되는 방향으로서, 본 설명에서는 손이 향하는 기준 방향으로 정의한다.

본 발명은 로봇핸드에 관한 것이다. 상세하게, 본 발명의 따른 로봇핸드는 환부에 착용되는 착용수단(2), 착용수단(2)에 체결되고 대상 물체를 파지할 수 있는 파지수단(1) 및 파지수단(1)을 제어하는 제어수단을 포함한다. 본 발명에 따른 로봇핸드는 환자의 손목을 통해 전달되는 신경신호에 따라 파지수단(1)을 작동시킴으로써 손의 역할을 수행한다. 여기서, 파지수단(1)은 복수의 손가락부를 포함할 수 있다. 또한, 각 손가락부는 몸체부(10)에 구비된 동력부에 의해 구동된다. 상세하게, 손가락부는 동력부를 통해 손바닥 방향(d1)으로 관절(회전) 운동되어 움켜잡거나, 손등 방향(d2)으로 관절 운동되어 펴는 동작을 수행할 수 있다. 보다 상세하게, 손가락부는 동력부가 작동하여 힘줄부를 권취하면 손가락부가 손바닥 방향(d1)으로 관절 운동되어 대상 물체를 움켜쥘 수 있고, 동력부가 작동하여 힘줄부를 권출하면 손가락부가 손등 방향(d2)으로 관절 운동되어 움켜쥔 대상 물체를 놓을 수 있다.

다섯 개의 손가락부 중 하나의 손가락부는 엄지부(20)일 수 있다. 엄지부(20)는 엄지부(20)를 제외한 네 개의 손가락부와 상이한 각도로 구비될 수 있고, 엄지부(20)는 나머지 손가락부와 상이한 각도로 구비되어 상호 끝단이 맞닿도록 배치될 수 있다. 즉, 다섯 개의 손가락부 중 엄지부(20)와 나머지 네 개의 손가락부는 상호 끝단이 맞닿도록 배치되어 대상 물체를 파지할 수 있다. 구체적으로, 엄지부(20)가 상이한 각도에서 대상 물체를 파지하기 때문에 보다 안전하고 견고하게 대상 물체를 파지할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇핸드용 엄지관절 구조의 각 구성의 결합 관계를 나타낸 도면이다.

도 2를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇핸드는 몸체부(10), 엄지부(20) 및 제1 관절축(31)을 포함한다. 또한, 몸체부(10)의 내부에 삽입되어 구비되는 제1 동력부(101) 및 제2 동력부(102)를 포함한다.

몸체부(10)는 엄지부(20) 및 나머지 4개의 손가락부가 연결되는 구성이다. 상세하게, 몸체부(10)의 일면은 인체의 손바닥 형상으로 구비되고 타면은 인체의 손등 형상으로 구비된다. 본 실시예에서는 손바닥부 및 손등부로 나뉘어져 구비된 것을 기준으로 도시하였다. 손바닥부 및 손등부로 나뉘어져 구비되는 경우 로봇핸드의 관리가 용이해지는 효과가 있다. 또한, 본 실시예에서 손바닥부는 엄지부(20)가 연결되는 제1 손바닥부 및 엄지부(20)를 제외한 4개 손가락부가 연결되는 제2 손바닥부로 나뉘어져 구비된 것을 기준으로 도시하였다. 몸체부(10)에는 각 손가락부의 관절축이 고정되어 구비되며, 각 손가락부는 일단이 상기 관절축에 연결되어 상기 관절축의 중심축을 기준으로 관절 운동된다.

제1 동력부(101)는, 후술할 제1 힘줄부(121)를 권취 또는 권출시킴으로써 엄지부(20)의 관절 운동을 위한 동력을 제공하는 구성이다. 바람직하게, 제1 동력부(101)는 전력을 통해 작동되는 모터일 수 있다. 제1 동력부(101)는 제어수단의 제어에 따라 제1 힘줄부(121)를 권취 또는 권출하여 엄지부(20)를 관절 운동 시키며, 제어수단은 손목을 통해 신경신호를 전달받아 제1 동력부(101)의 작동을 제어한다. 제1 동력부(101)는 기준 방향 축(z0)으로 형성될 수 있다.

제2 동력부(102)는, 후술한 제2 힘줄부(122)를 권취 또는 권출시킴으로써 엄지부(20)의 관절 운동을 위한 동력을 제공하는 구성이다. 바람직하게, 제2 동력부(102)는 전력을 통해 작동되는 모터일 수 있다. 제2 동력부(102)는 제어수단의 제어에 따라 제2 힘줄부(122)를 궈취 또는 권출하여 엄지부(20)를 관절 운동 시키며, 제어수단은 손목을 통해 신경신호를 전달받아 제2 동력부(102)의 작동을 제어한다. 제2 동력부(102)는 기준 방향 축(z0)으로 형성될 수 있다.

엄지부(20)는 인체 중 엄지 손가락의 역할을 하기 위한 구성이다. 상세하게, 엄지부(20)는 사람의 엄지 손가락의 형태로 구비되어 제1 관절축(31)을 통해 몸체부(10)에 연결되고, 상기 제1 동력부(101) 및 상기 제2 동력부(102)의 작동에 의해 관절 운동됨으로써 물건을 파지하는 등의 역할을 수행한다.

제1 관절축(31)은 몸체부(10) 및 엄지부(20)를 연결하며 엄지부(20)의 관절 운동의 중심축을 제공하는 구성이다. 상세하게, 제1 관절축(31)은 원통 형태로 형성되어 몸체부(10)의 일 단에 고정되어 구비된다. 또한, 제1 관절축(31)은 중심축이 상기 기준 방향 축(z0)에 대해 소정의 제1 각도(a1)를 갖는 제1 방향 축(z1)으로 형성된다. 상기 제1 각도(a1)는 인체의 엄지 손가락의 첫번째 관절이 갖는 각도이다. 도 3을 참조하면, 제1 방향 축(z1)은 기준 방향 축(z0)에 대하여 손등 방향으로 제1 각도(a1)만큼 기울어지도록 구비된다. 바람직하게, 제1 각도(a1)는 0° 내지 45°의 각도로 구비될 수 있다. 본 실시예에서 제1 각도(a1)는 18°인 것을 기준으로 도시되었다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 마디(21) 및 제2 마디(22)의 결합관계를 나타낸 사시도이다.

본 발명에 따른 엄지부(20)는 제1 마디(21), 제2 마디(22) 및 제2 관절축(32)을 포함할 수 있다.

제1 마디(21)는 엄지부(20)가 몸체부(10)에 연결되도록 하는 구성이다. 상세하게, 제1 마디(21)는 상기 제1 관절축(31)에 일단이 연결되어 상기 손바닥 방향(d1) 및 상기 손등 방향(d2)으로 관절 운동된다.

제2 관절축(32)은 제1 마디(21) 및 제2 마디(22)를 연결하며 제2 마디(22)의 관절 운동의 중심축을 제공하는 구성이다. 상세하게, 제2 관절축(32)은 원통 형태로 형성되어 제1 마디(21)의 타단에 고정되어 구비된다. 또한, 제2 관절축(32)은 중심축이 상기 제1 방향 축(z1)에 대해 소정의 제2 각도(a2)를 갖는 제2 방향 축(z2)으로 형성된다. 상기 제2 각도(a2)는 인체의 엄지 손가락의 두번째 관절이 갖는 각도이다. 도 3을 참조하면, 제2 방향 축(z2)은 제1 방향 축(z1)에 대하여 손등 방향으로 제2 각도(a2)만큼 기울어지도록 구비된다. 바람직하게, 제2 방향 축(z2)은 상기 기준 방향 축(z0)을 기준으로 45° 내지 135° 이내의 각도로 구비될 수 있다. 본 실시예에서 제2 각도(a2)는 56°로 구비되어, 제2 방향 축(z2)이 기준 방향 축(z0)을 기준으로 74° 각도를 갖는 것을 기준으로 도시되었다.

제2 마디(22)는 제1 마디(21)에 연결되어 관절 운동되는 구성이다. 상세하게, 제2 마디(22)는 상기 제2 관절축(32)에 일단이 연결되어 상기 손바닥 방향(d1) 및 상기 손등 방향(d2)으로 관절 운동된다.

엄지부(20)가 제1 마디(21) 및 제2 마디(22)로 나뉘어지고 제2 마디(22)는 제1 마디(21)에 제2 관절축(32)을 통해 연결됨으로써 관절 운동이 추가된다. 이하, 제1 관절축(31)을 통한 엄지부(20)의 관절 운동을 제1 관절 운동(R1), 제2 관절축(32)을 통한 제2 마디(22)의 관절 운동을 제2 관절 운동(R2)으로 정의하여 설명한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 동력부를 나타낸 사시도이다.

본 발명에 따른 로봇핸드용 엄지관절 구조는 엄지부(20)를 제1 관절 운동(R1)시키는 제1 동력부(101) 및 제2 마디(22)를 제2 관절 운동(R2)시키는 제2 동력부(102)를 포함할 수 있다. 또한, 각각 제1 동력부(101)는 제1 힘줄부(121) 및 제1 권취부(111)를 포함하고, 제2 동력부(102)는 제2 힘줄부(122) 및 제2 권취부(112)를 포함할 수 있다.

제1 힘줄부(121)는 제1 동력부(101)의 작동에 따라 엄지부(20)를 제1 방향 축(z1)을 기준으로 손바닥 방향(d1)으로 관절 운동시키기 위한 구성이다. 상세하게, 제1 동력부(101)에는 제1 권취부(111)가 구비되고, 제1 힘줄부(121)는 줄 형태로 구비되어 일단이 상기 제1 권취부(111)에 연결되고, 타단은 상기 엄지부(20)에 연결된다. 제1 동력부(101)의 작동에 따라 제1 권취부(111)가 손바닥 방향(d1)으로 회전되어 제1 힘줄부(121)를 권취시킨다. 따라서, 도 5를 기준으로 제1 힘줄부(121)는 권취 방향(d3)으로 권취됨으로써 엄지부(20)를 권취 방향(d3)으로 당긴다. 또한, 제1 힘줄부(121)는 제1 관절축(31)을 기준으로 상기 손바닥 방향(d1)에 편심되도록 형성된다. 여기서, 편심(偏心)은 일 기점을 기준으로 한 쪽으로 치우쳐 배치되는 것을 뜻한다. 따라서, 엄지부(20)는 손바닥 방향(d1)에 편심되도록 형성된 제1 힘줄부(121)가 권취됨에 따라 손바닥 방향(d1)으로 관절 운동된다.

제2 힘줄부(122)는 제2 동력부(102)의 작동에 따라 제2 마디(22)를 제2 방향 축(z2)을 기준으로 손바닥 방향(d1)으로 관절 운동시키기 위한 구성이다. 상세하게, 제2 동력부(102)에는 제2 권취부(112)가 구비되고, 제2 힘줄부(122)는 줄 형태로 구비되어 일단이 상기 제2 권취부(112)에 연결되고, 타단은 상기 제2 마디(22)에 연결된다. 제2 동력부(102)의 작동에 따라 제2 권취부(112)가 손바닥 방향(d1)으로 회전되어 제2 힘줄부(122)를 권취시킨다. 따라서, 도 5를 기준으로 제2 힘줄부(122)는 권취 방향(d3)으로 권취됨으로써 제2 마디(22)를 권취 방향(d3)으로 당긴다. 또한, 제2 힘줄부(122)는 제2 관절축(32)을 기준으로 상기 손바닥 방향(d1)에 편심되도록 형성된다. 따라서, 제2 마디(22)는 손바닥 방향(d1)에 편심되도록 형성된 제2 힘줄부(122)가 권취됨에 따라 손바닥 방향(d1)으로 관절 운동된다.

한편, 제1 힘줄부(121)와 제2 힘줄부(122)의 편심 방향 차이를 이용하여 관절 운동을 조절할 수 있다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 제1 힘줄부(121)는 상기 제1 관절축(31)을 기준으로 상기 손바닥 방향(d1) 및 상기 제2 관절축(32)을 기준으로 상기 손바닥 방향(d1)에 편심되도록 형성되고, 상기 제2 힘줄부(122)는 상기 제1 관절축(31)을 기준으로 상기 손등 방향(d2) 및 상기 제2 관절축(32)을 기준으로 상기 손바닥 방향(d1)에 편심되도록 형성된다. 즉, 제1 힘줄부(121) 및 제2 힘줄부(122)는 모두 제2 관절축(32)을 기준으로 손바닥 방향(d1)에 편심되도록 형성되되, 제1 힘줄부(121)는 제1 관절축(31)을 기준으로 손등 방향(d2)에 편심되도록 형성되고, 제2 힘줄부(122)는 제1 관절축(31)을 기준으로 손바닥 방향(d1)에 편심되도록 형성된다. 이에 따라, 제1 힘줄부(121)는 제1 관절축(31) 및 제2 관절축(32)에 대해서 엄지부(20) 및 제2 마디(22)를 손바닥 방향(d1)으로 관절 운동시킨다. 반면, 제2 힘줄부(122)는 제1 관절축(31)에 대해서는 제1 마디(21)를 손등 방향(d2)으로 관절 운동 시키고, 제2 관절축(32)에 대해서는 제2 마디(22)를 손바닥 방향(d1)으로 관절 운동 시킨다.

이에 따라, 제1 힘줄부(121) 및 제2 힘줄부(122)가 모두 권취되는 경우는 제1 관절축(31)에 대해서는 각 힘줄부의 작용 방향이 상쇄되고, 제2 관절축(32)에 대해서는 작용 방향이 더해지므로 제1 마디(21)는 정지한 채 제2 마디(22)만 손바닥 방향(d1)으로 관절 운동된다. 제1 힘줄부(121)만 권취되고 제2 힘줄부(122)는 권출되는 경우 제1 마디(21) 및 제2 마디(22)가 모두 손바닥 방향(d1)으로 관절 운동된다. 제1 힘줄부(121)는 권출되고 제2 힘줄부(122)만 권취되는 경우 제1 마디(21)가 손등 방향(d2)으로 관절 운동된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 로봇핸드는 제1 동력부(101) 및 제2 동력부(102)가 각각 구비됨으로써 제1 관절 운동(R1) 및 제2 관절 운동(R2)을 선택적으로 작동하는 것이 가능하다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 각 힘줄부의 편심된 위치관계를 나타낸 도면이다. 도 6은 제1 동력부(101) 및 제2 동력부(102)를 권취 방향(d3)으로 바라본 것을 기준으로 도시하였다. 또한, 도 6에서 제1 힘줄부(121) 및 제2 힘줄부(122)는 원형 단면으로 도시되었다. 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 힘줄부(121) 및 제2 힘줄부(122)는 모두 제2 방향 축(z2)을 기준으로 손바닥 방향(d1)에 편심되도록 형성되고, 제1 힘줄부(121)는 제1 방향 축(z1)을 기준으로 손등 방향(d2)에 편심되도록 형성되며, 제2 힘줄부(122)는 제1 방향 축(z1)을 기준으로 손바닥 방향(d1)에 편심되도록 형성된다. 이와 같이 서로 다른 편심된 위치관계를 갖게 됨에 따라 제1 마디(21) 및 제2 마디(22)를 각각 선택적으로 관절 운동 시킬수 있게 된다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 엄지부(20)를 나타낸 도면이다. 또한 도 7은 제2 방향 축(z2)을 기준으로 하였을 때 수평면을 나타낸 도면이다. 따라서, 제2 방향 축(z2)은 점으로 나타나며, 제1 방향 축(z1)은 기준 방향 축(z0)과 겹쳐져 도시된다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 관절 운동(R1)을 나타낸 도면이다. 또한 도 8은 도 7과 같은 시점을 기준으로 도시되었다. 점선은 도 7에 도시된 엄지부(20)의 자취를 도시한 것이다. 도 7 및 도 8을 참조하면, 엄지부(20)는 제1 방향 축(z1)을 기준으로 제1 관절 운동(R1) 된다. 본 실시예에서 제1 방향 축(z1)은 기준 방향 축(z0)을 기준으로 제1 각도(a1)를 갖고 있으므로 도 8에서는 제1 관절 운동(R1)이 타원 궤도로 나타나는 것을 알 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 마디(22)의 단면을 나타낸 도면이다.

상술한 바와 같이 제1 힘줄부(121) 및 제2 힘줄부(122)의 권취 또는 권출에 의해 손바닥 방향(d1)의 제1 관절 운동(R1), 손등 방향(d2)의 제1 관절 운동(R2) 및 손바닥 방향(d1)의 제2 관절 운동(R2)이 작동된다. 하지만, 제1 힘줄부(121) 및 제2 힘줄부(122)만으로는 손등 방향(d2)의 제2 관절 운동(R2)은 작동될 수 없다. 이를 해결하기 위해 복원줄부(130)가 구비될 수 있다.

복원줄부(130)는 손바닥 방향(d1)으로 관절 운동된 제2 마디(22)를 손등 방향(d2)으로 제2 관절 운동(R2)시켜 복원시키는 구성이다. 상세하게, 복원줄부(130)는 일단이 제1 마디(21)에 연결되고 타단이 제1 마디(21) 및 제2 마디(22)를 순차적으로 통과하여 제2 마디(22)에 연결된다. 복원줄부(130)는 소정의 복원력을 가진다.

바람직하게, 복원줄부(130)는 제2 관절축(32)을 기준으로 손등 방향(d2)에 편심되도록 형성된다. 따라서, 상기 손바닥 방향(d1)으로 관절 운동된 제2 마디(22)를 손등 방향(d2)으로 관절 운동시켜 복원시킨다. 구체적으로, 복원줄부(130)는 소정의 복원력을 갖기 때문에 소정의 복원력을 이용하여 제2 마디(22)를 손등 방향(d2)으로 관절 운동 시킨다. 이 때, 복원줄부(130)의 복원력을 이용해 제2 마디(22)를 손등 방향(d2)으로 관절 운동시키기 위해서는 제1 동력부(101) 및 제2 동력부(102)에 권취된 제1 힘줄부(121) 및 제2 힘줄부(122)가 권출되어야 하는 것은 당연하다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 관절 운동(R2)을 나타낸 도면이다.

제1 힘줄부(121) 및 제2 힘줄부(122)가 권취됨으로써 제2 마디(22)가 손바닥 방향(d1)으로 제2 관절 운동(R2)된다. 도 10에서는 시점이에 따라 복원줄부(130)가 신장되어 복원력에 의해 제2 마디(22)를 손등 방향(d2)으로 당기는 장력을 갖게 된다. 따라서, 제1 힘줄부(121)가 권출되는 경우 제2 마디(22)가 손등 방향(d2)으로 제2 관절 운동(R2) 된다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 마디(22) 및 제3 마디(23)의 단면을 나타낸 도면이다.

본 발명에 따른 로봇핸드의 파지력을 높이기 위해, 제3 마디(23)가 더 구비될 수 있다. 상세하게, 제2 마디(22)의 타단에 제3 관절축(33)이 더 구비되고, 제3 관절축(33)을 통해 힌지연결되는 제3 마디(23)가 더 구비된다. 제3 마디(23)는 제3 관절축(33)의 중심축을 기준으로 손바닥 방향(d1) 또는 손등 방향(d2)으로 제3 관절 운동(R3)된다.

제3 마디(23)는 심부(231) 및 캡부(232)를 포함할 수 있다.

심부(231)는 제3 관절축(33)에 힌지연결되어 제3 관절 운동(R3)되는 구성이다. 상세하게, 심부(231)는 캡부(232)에 삽입될 수 있도록 막대 형태로 구비될 수 있다. 심부(231)의 일단은 제3 관절축(33)에 힌지연결되어 손바닥 방향(d1) 및 손등 방향(d2)로 제3 관절 운동(R3) 된다.

캡부(232)는 심부(231)의 외부를 둘러싸도록 형성되어 물건을 파지하는 등의 역할을 수행하기 위한 구성이다. 상세하게, 캡부(232)의 일면은 심부(231)가 삽입되는 홈부가 구비되고, 캡부(232)의 외부 형상은 엄지손가락의 끝마디 형상으로 구비된다. 캡부(232)는 심부(231)가 제3 관절 운동(R3)됨에 따라 함께 관절 운동 된다.

심부(231)와 캡부(232)는 일체로 형성되어 구비될 수 있지만, 본 실시예에서는 구분되어 구비되는 것을 기준으로 설명하였다.

또한, 제3 마디(23)가 손바닥 방향(d1) 및 손등 방향(d2)로 제3 관절 운동(R3)될 수 있도록 하는 가압부(2311)가 더 구비될 수 있다. 상세하게, 가압부(2311)는 제3 마디(23), 정확하게는 심부(231)의 일단에서부터 연장 형성되고 제2 마디(22)의 타 방향에 일단이 고정된다. 또한, 가압부(2311)는 손바닥 방향(d1)으로 돌출된 아치 형상을 갖고, 연질로 구비된다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 제3 관절 운동(R3)을 나타낸 도면이다.

도 11 및 도 12를 참조하면, 가압부(2311)의 돌출된 부분이 손바닥 방향(d1)으로부터 파지되는 물체 등에 의해서 가압(F) 되는 경우 제3 관절축(33)이 지렛대로 작용되어 심부(231)가 제3 관절 운동(R3)되게 된다. 따라서, 물체를 파지하는 경우 가압부(2311)에 의해 제3 마디(23)가 자동적으로 관절 운동 됨으로써 물체를 보다 안정적으로 파지할 수 있게 된다. 또한, 제3 관절 운동(R3)에는 별다른 동력이 필요하지 않아 구성이 간단해져 유지 및 보수가 용이해지는 효과가 있다.

한편, 제1 관절 운동(R1) 및 제2 관절 운동(R2)의 불필요한 구동을 제어하여 동력 손실을 최소화하기 위해 센서가 구비될 수 있다. 바람직하게, 로봇핸드용 엄지관절 구조는 각도센서 및 엔코더를 더 구비할 수 있다.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 각도센서 및 엔코더를 나타낸 사시도이다. 상세하게, 상기 제1 관절축(31)의 일단에 구비되어 상기 엄지부(20)의 관절 운동의 각도를 측정하는 제1 각도센서(141)가 더 구비될 수 있다. 또한, 상기 제2 관절축(32)의 일단에 구비되어 상기 제2 마디(22)의 관절 운동의 각도를 측정하는 제2 각도센서(142)가 더 구비될 수 있다. 제1 각도센서(141) 및 제2 각도센서(142)가 각각 구비됨으로써 제어수단은 제1 관절 운동(R1) 및 제2 관절 운동(R2)의 각도를 측정하여 각 관절 운동의 범위를 제어할 수 있게 된다. 상세하게, 제1 관절 운동(R1) 또는 제2 관절 운동(R2)이 각각 일정 각도를 초과하는 경우 제1 힘줄부(121) 또는 제2 힘줄부(122)의 권취를 중단한다. 이에 따라, 초과 관절 운동에 의한 로봇핸드의 파손, 파지하는 물체의 파손 또는 착용자의 부상을 방지할 수 있게 되는 효과가 있다. 바람직하게, 제1 각도센서(141) 및 제2 각도센서(141)는 각각 제어수단에 전기적으로 연결되는 가변저항일 수 있다.

엔코더는 각 권취부의 RPM(분당 회전수) 및 회전 방향을 측정하여 권취 및 권출 상황을 측정하기 위한 구성이다. 상세하게, 제1 권취부(111)의 RPM(분당 회전수) 및 회전 방향을 측정하는 제1 엔코더(151) 및 제2 권취부(112)의 RPM(분당 회전수) 및 회전 방향을 측정하는 제2 엔코더(152)가 더 구비될 수 있다. 각 엔코더는 제어수단에 전기적으로 연결되어 각 권취부의 RPM 및 회전 방향을 제어수단에 송신한다. 각 엔코더가 구비됨으로써 제어수단은 각 권취부의 회전 상태를 알 수 있게 된다. 이에 따라, 각 동력부를 작동하더라도 각 권취부의 회전이 멈춘 것을 알 수 있게 됨으로써 물체를 파지하거나 작동 범위의 한계에 도달 했음을 알 수 있고, 각 권취부의 작동을 중지시킴으로써 초과 관절 운동에 의한 로봇핸드의 파손, 파지하는 물체의 파손 또는 착용자의 부상을 방지할 수 있게 되는 효과가 있다.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 각도센서 및 엔코더의 측정결과 예시를 나타낸 그래프이다. zone1은 일 마디의 관절 운동 중인 상태 구간이다. 일 마디가 관절 운동되어 물건을 파지하기 시작한 각도인 t1에 도달하기 전까지는 일정한 RPM으로 작동된다. zone2는 물건을 파지하는 구간이다. 물건, 엄지부(20) 및 각 힘줄부가 갖는 탄성에 의해 최초 파지하기 시작한 t1부터 최종적으로 파지를 완료하는 t2는 각도가 미세하게 차이날 수 있다. 또한, 이 탄성에 대응하여 각 동력부가 각 권취부에 가하는 출력에 의해 RPM이 감소하는 비율이 달라진다. 즉, zone2에서의 RPM 그래프의 기울기는 악력에 대응되는 값으로 해석할 수 있다. 따라서, 제어수단은 각 동력부의 출력을 제어하여 엄지부(20)가 적당한 악력을 갖도록 제어할 수 있다.

인체의 손은 크게 3종류의 작동이 가능하다. 레터럴 그립, 핀치 그립 및 파워 그립이 이에 해당된다.

도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇핸드의 레터럴 그립을 나타낸 사시도이다. 도 15에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 엄지부(20)는 제1 관절 운동(R1)되고, 다른 손가락부는 제3 마디(23)를 지지함으로써 레터럴 그립의 작동이 가능하다.

도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇핸드의 핀치 그립을 나타낸 사시도이다. 도 16에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 제1 마디(21)가 제1 관절 운동(R1)되고, 제2 마디(22)가 제2 관절 운동(R2)되며, 다른 손가락부가 제3 마디(23)를 지지함으로써 핀치 그립의 작동이 가능하다.

도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇핸드의 파워 그립을 나타낸 사시도이다. 도 17에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 제1 마디(21)가 제1 관절 운동(R1)되고, 제2 마디(22)가 제2 관절 운동(R2)되며, 제3 마디(23)가 제3 관절 운동(R3)되고, 다른 손가락부가 제2 마디(22) 또는 제3 마디(23)를 지지함으로써 파워 그립의 작동이 가능하다.

도 15 내지 도 17에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 로봇핸드용 엄지관절 구조는 제1 관절축(31), 제2 관절축(32) 및 제3 관절축(33)에 의하여 각 마디가 서로 다른 축을 기준으로 관절 운동이 가능하고, 이에 따라 복합적인 손 동작을 구현할 수 있게 된다.

상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적으로 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 상기의 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서, 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로, 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

1: 파지수단 2: 착용수단
10: 몸체부 20: 엄지부
21: 제1 마디 22: 제2 마디
101: 제1 동력부 102: 제2 동력부
111: 제1 권취부 112: 제2 권취부
121: 제1 힘줄부 122: 제2 힘줄부
130: 복원줄부
141: 제1 각도센서 142: 제2 각도센서
151: 제1 엔코더 152: 제2 엔코더
31: 제1 관절축 32: 제2 관절축
z0: 기준 방향 축
z1: 제1 방향 축 z2: 제2 방향 축
a1: 제1 각도 a2: 제2 각도
d1: 손바닥 방향 d2: 손등 방향
d3: 권취 방향
R1: 제1 관절 운동 R2: 제2 관절 운동

Claims

내부에 제1 동력부 및 제2 동력부가 구비되는 몸체부;
상기 몸체부의 일단에 위치되는 제1 관절축;
일단이 상기 제1 관절축에 연결되어 손바닥 방향 및 손등 방향으로 제1 관절 운동되는 엄지부;
일단은 상기 제1 동력부에 권취되고 타단은 상기 엄지부에 연결되되, 상기 제1 관절축을 기준으로 상기 손바닥 방향에 편심되도록 형성되는 제1 힘줄부; 및
일단은 상기 제2 동력부에 권취되고 타단은 상기 엄지부에 연결되되, 상기 제1 관절축을 기준으로 상기 손등 방향에 편심되도록 형성되는 제2 힘줄부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇핸드용 엄지관절 구조.
제 1 항에 있어서,
상기 엄지부는,
일단이 상기 제1 관절축에 연결되고, 타단에 제2 관절축이 구비되는 제1 마디; 및
상기 제2 관절축에 일단이 연결되어 상기 손바닥 방향 및 상기 손등 방향으로 제2 관절 운동되는 제2 마디;를 포함하고,
상기 제1 힘줄부 및 상기 제2 힘줄부는 상기 제2 마디에 연결되며, 상기 제2 관절축을 기준으로 상기 손바닥 방향에 편심되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 로봇핸드용 엄지관절 구조.
제2 항에 있어서,
일단은 상기 제1 마디에 연결되고 타단은 상기 제2 마디에 연결되며,
상기 제2 관절축을 기준으로 상기 손등 방향에 편심되도록 형성되고,
소정의 복원력을 갖는 복원줄을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇핸드용 엄지관절 구조.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나에 있어서,
상기 제1 동력부 및 상기 제2 동력부는 기준 방향 축으로 형성되고
상기 제1 관절축은 상기 기준 방향 축을 기준으로 0° 내지 45° 이내의 각도를 갖는 제1 방향 축으로 형성되는 것을 특징으로 하는 로봇핸드용 엄지관절 구조.
제 2 항 또는 제 3 항 중 어느 하나에 있어서,
상기 제1 동력부 및 상기 제2 동력부는 기준 방향 축으로 형성되고
상기 제2 관절축은 상기 기준 방향 축을 기준으로 45° 내지 135° 이내의 각도를 갖는 제2 방향 축으로 형성되는 것을 특징으로 하는 로봇핸드용 엄지관절 구조.
제 2 항 또는 제 3 항 중 어느 하나에 있어서,
상기 제1 동력부 및 상기 제2 동력부는 기준 방향 축으로 형성되고
상기 제1 관절축은 상기 기준 방향 축을 기준으로 0° 내지 45° 이내의 각도를 갖는 제1 방향 축으로 형성되고,
상기 제2 관절축은 상기 기준 방향 축을 기준으로 45° 내지 135° 이내의 각도를 갖는 제2 방향 축으로 형성되는 것을 특징으로 하는 로봇핸드용 엄지관절 구조.
제 2 항 또는 제 3 항 중 어느 하나에 있어서,
상기 엄지부는,
일단이 상기 제2 마디의 타단에 구비되는 제3 관절축을 통해 힌지연결되어 상기 손바닥 방향으로 제3 관절 운동되는 제3 마디를 더 포함하고,
상기 제3 마디의 일단은,
상기 제3 마디의 일단에서부터 연장 형성되고 상기 제2 마디의 타 방향에 일단이 고정되는 가압부가 더 형성되되, 상기 가압부는 상기 손바닥 방향으로 돌출된 아치 형상을 갖고 가압 시 상기 제3 관절 운동 될 수 있도록 연질로 구비되는 것을 특징으로 하는 로봇핸드용 엄지관절 구조.
제 2 항 또는 제 3 항 중 어느 하나에 있어서,
상기 제1 동력부 및 상기 제2 동력부의 각 권취 또는 권출을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇핸드용 엄지관절 구조.
제 8 항에 있어서,
상기 제1 관절축은 상기 제1 관절 운동의 각도를 측정해 상기 제어부로 전달하는 제1 각도센서가 구비되고,
상기 제2 관절축은 상기 제2 관절 운동의 각도를 측정해 상기 제어부로 전달하는 제2 각도센서가 구비되는 것을 특징으로 하는 로봇핸드용 엄지관절 구조.
제 8 항에 있어서,
상기 제1 동력부 및 상기 제2 동력부의 각 RPM(분당 회전수)을 측정해 상기 제어부로 전달하는 엔코더가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 로봇핸드용 엄지관절 구조.
제 8 항에 있어서,
상기 제1 관절축은 상기 제1 관절 운동의 각도를 측정해 상기 제어부로 전달하는 제1 각도센서가 구비되고,
상기 제2 관절축은 상기 제2 관절 운동의 각도를 측정해 상기 제어부로 전달하는 제2 각도센서가 구비되며,
상기 제1 동력부 및 상기 제2 동력부의 각 RPM(분당 회전수)을 측정해 상기 제어부로 전달하는 엔코더가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 로봇핸드용 엄지관절 구조.
제 9 항에 있어서,
상기 제1 각도센서 및 상기 제2 각도센서는 가변저항인 것을 특징으로 하는 로봇핸드용 엄지관절 구조.