KR102288174B1 - 선형운동을 회전운동으로 변환하는 장치 및 상기 장치를 포함하는 로봇 암 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선형운동을 회전운동으로 변환하는 장치 및 상기 장치를 포함하는 로봇 암에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 선형운동을 회전운동으로 변환하는 장치는 제 1 회전축을 중심으로 회전하는 제 1 풀리, 상기 제 1 회전축에 수직인 제 2 회전축을 중심으로 회전하는 제 2 풀리, 상기 제 1 풀리와 상기 제 2 풀리에 결합되고, 일단은 상기 제 1 풀리에 고정되어 상기 제 1 풀리와 상기 제 2 풀리를 회전시키는 텐던 및 상기 텐던의 타단에 고정되어 상기 제 1 회전축과 평행한 방향으로 상기 텐던을 이동시키는 선형 구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

선형운동을 회전운동으로 변환하는 장치 및 상기 장치를 포함하는 로봇 암{APPARATUS FOR CONVERTING LINEAR MOTION INTO ROTATION MOTION AND ROBOT ARM INCLUDING THE SAID APPARATUS}

본 발명은 선형운동을 회전운동으로 변환하는 장치 및 상기 장치를 포함하는 로봇 암에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 선형운동의 운동 방향과 회전운동의 축 방향이 평행하도록 선형운동을 회전운동으로 변환하는 장치 및 상기 장치를 포함하는 로봇 암에 관한 것이다.

선형운동의 운동 방향과 회전운동의 회전축 방향이 서로 평행하도록 선형운동을 회전운동으로 변환시키는 방법으로, 종래 선형 구동기 그 자체로 구현하는 방법 및 기계 구조물들을 이용하는 방법이 알려져 있다.

도 1은 종래 선형 구동기 그 자체로 구현하는 방법의 일 예를 도시하는데, 선형 구동기가 길이 방향으로 길이가 변화할 때에 선형 구동기 자체에 비틀림이 생성될 수 있는 구조를 통하여 회전운동을 구현한다. 하지만, 이 방법은 선형 구동기의 길이 대비 큰 회전각을 만들어 내지 못하는 단점이 있다.

또한, 종래의 기계 구조물들을 이용하는 방법으로는 선형 구동기에 풀리를 통해 회전운동을 만들고, 베벨 기어를 통해 상기 회전운동을 수직한 회전운동으로 변환시키고, 유성기어열을 포함하는 감속기로 사용 용도에 알맞은 토크를 생성하도록 구성된다. 이 방법은 많은 기계 구조물들을 이용하기 때문에 시스템 구성이 복잡하고 시스템의 무게 및 부피가 커지는 단점이 있다.

로봇학회 논문지 제9권 제3호(2014.9) 텐던 구동 로봇 메커니즘의 일반화된 그래프 표면

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 텐던 및 풀리를 이용하여 힘을 전달하고 방향을 전환시키도록 하여 간단하고 경량의 구조로 선형운동의 운동 방향과 회전운동의 축 방향이 평행하도록 선형운동을 회전운동으로 변환하는 장치 및 상기 장치를 포함하는 로봇 암을 제공함에 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 제 1 회전축을 중심으로 회전하는 제 1 풀리; 상기 제 1 회전축에 수직인 제 2 회전축을 중심으로 회전하는 제 2 풀리; 상기 제 1 풀리와 상기 제 2 풀리에 결합되고, 일단은 상기 제 1 풀리에 고정되어 상기 제 1 풀리와 상기 제 2 풀리를 회전시키는 텐던; 및 상기 텐던의 타단에 고정되어 상기 제 1 회전축과 평행한 방향으로 상기 텐던을 이동시키는 선형 구동부를 포함하는 선형운동을 회전운동으로 변환하는 장치에 의해 달성될 수 있다.

여기서, 상기 제 1 풀리의 접선과 상기 제 2 풀리의 접선이 일치하도록 배치되고, 일치된 접선 상에 상기 텐던이 배치될 수 있다.

여기서, 상기 제 2 풀리는 상기 제 1 풀리의 원주 방향으로 복수 개 배치되고, 각각의 제 2 풀리와 상기 제 1 풀리 사이에는 각각의 상기 텐던이 결합 및 고정될 수 있다.

여기서, 상기 제 2 풀리는 등 간격으로 배치될 수 있다.

여기서, 상기 제 2 풀리는 상기 제 1 풀리를 일방향으로 회전시키도록 상기 텐던이 결합 및 고정되는 제 2-1 풀리와 상기 제 1 풀리를 타방향으로 회전시키도록 상기 텐던이 결합 및 고정될 수 있다.

여기서, 복수의 상기 제 2-1 풀리는 등 간격으로 배치되고, 복수의 상기 제 2-2 풀리는 등 간격으로 배치될 수 있다.

여기서, 상기 선형 구동부는 복수의 상기 텐던의 타단과 각각 결합되는 단일의 선형 구동부로 형성될 수 있다.

여기서, 상기 선형 구동부는 상기 제 2-1 풀리에 결합되는 텐던의 타단과 결합되는 단일의 제 1 선형 구동부 및 상기 제 2-2 풀리에 결합되는 텐던의 타단과 결합되는 단일의 제 2 선형 구동부로 형성될 수 있다.

여기서, 상기 제 2 풀리를 회전 가능하게 지지하는 지지부; 및 상기 지지부를 고정시키는 고정 플레이트를 더 포함하고, 상기 제 1 풀리의 직경에 따라서 상기 지지부가 상기 고정 플레이트 상에 고정되는 각도가 바뀔 수 있다.

여기서, 상기 제 1 풀리는 편심 풀리로 형성될 수 있다.

여기서, 상기 편심 풀리는 반경이 일정한 제 1 구간과 반경이 점차적으로 줄어드는 제 2 구간으로 형성될 수 있다.

여기서, 상기 편심 풀리는 상기 제 1 구간과 상기 제 2 구간으로 형성되는 제 1 편심풀리부 및 상기 제 1 편심풀리부와 동축에 동일한 형상으로 형성되되 제 1 편심풀리부와 대칭으로 형성되는 제 2 편심풀리부로 형성될 수 있다.

여기서, 상기 제 1 풀리와 동일 평면 상에서 회전하며 제 1 풀리와 제 2 풀리 사이에 배치되는 제 3 풀리를 더 포함하고, 상기 제 3 풀리의 접선과 상기 제 2 풀리의 접선이 일치하도록 배치되고, 일치된 접선 상에 상기 텐던이 배치될 수 있다.

여기서, 상기 제 2 풀리는 상기 제 1 편심풀리부의 제 1 구간에 고정된 텐던과 함께 상기 제 1 풀리를 일방향으로 회전시키는 제 2-1-1 풀리 및 상기 제 2 편심풀리부의 제 1 구간에 고정된 텐던과 함께 상기 제 1 풀리를 일방향으로 회전시키는 제 2-1-2 풀리와 상기 제 1 편심풀리부의 제 1 구간에 고정된 텐던과 함께 상기 제 1 풀리를 타방향으로 회전시키는 제 2-2-1 풀리 및 상기 제 2 편심풀리부의 제 1 구간에 고정된 텐던과 함께 상기 제 1 풀리를 타방향으로 회전시키는 제 2-2-2 풀리로 형성될 수 있다.

또한, 상기 목적은, 본 발명에 따라, 전술한 선형운동을 회전운동으로 변환하는 장치; 및 제 1 풀리의 회전축 상에 결합되어 회전하는 로봇 핸드를 포함하는 로봇 암에 의해 달성될 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명의 선형운동을 회전운동으로 변환하는 장치 및 상기 장치를 포함하는 로봇 암에 따르면 텐던과 풀리를 이용하여 간단하고 경량의 구조로 선형운동의 운동 방향과 회전운동의 축 방향이 평행하도록 선형운동을 회전운동으로 변환시킬 수 있다는 장점이 있다.

또한, 회전운동을 위한 제 1 풀리의 원주 방향으로 복수의 제 2 풀리를 배치시키고, 복수의 선형 구동기를 병렬 연결하여 회전운동의 출력을 증가시킬 수 있다.

또한, 정방향 구동 및 역방향 구동을 위한 구동기 쌍을 통해 인간근육의 길항구조와 같이 양방향 움직임을 구현할 수 있다는 장점도 있다.

또한, 편심 풀리를 이용하여 정방향 구동 및 역방향 구동 제어를 보다 쉽게 구현할 수 있다는 장점도 있다.

또한, 직경이 다른 제 1 풀리로 교체시키고, 제 2 풀리의 각도를 변경시켜 고정시킴으로써 감속비를 쉽게 조절할 수 있다는 장점도 있다.

도 1은 종래 선형 구동기 그 자체로 길이가 변할 때 비틀림이 생성되도록 하는 선형 구동기를 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선형운동을 회전운동으로 변환하는 장치를 간략하게 도시하는 도면이다.
도 3은 도 2의 측면도이다.
도 4는 도 2에서 제 2 풀리를 복수 개 배치한 변형례를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 선형운동을 회전운동으로 변환하는 장치를 도시하는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따라 양방향으로 구동하는 선형운동을 회전운동으로 변환하는 장치를 간략하게 도시하는 도면이다.
도 7과 도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 양방향 구동이 가능한 선형운동을 회전운동으로 변환하는 장치를 도시하는 사시도이다.
도 9는 도 7과 도 8에서 제 1 풀리 및 제 2 풀리를 도시한다.
도 10은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 편심 풀리를 이용한 양방향 구동이 가능한 선형운동을 회전운동으로 변환하는 장치를 도시한다.
도 11과 도 12는 각각 도 10에 도시된 편심 풀리의 정면도 및 측면도이다.
도 13은 도 10의 동작을 설명하는 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 로봇 암의 사진이다.
도 15와 도 16은 본 발명에 따라 감속비의 조절을 위해 서로 다른 직경의 제 1 풀리를 교체할 때의 모습을 도시하는 도면이다.

실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다

이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 선형운동을 회전운동으로 변환하는 장치 및 상기 장치를 포함하는 로봇 암을 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선형운동을 회전운동으로 변환하는 장치를 간략하게 도시하는 도면이고, 도 3은 도 2의 측면도이고, 도 4는 도 2에서 제 2 풀리를 복수 개 배치한 변형례를 도시하고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 선형운동을 회전운동으로 변환하는 장치를 도시하는 사시도이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 선형운동을 회전운동으로 변환하는 장치는 제 1 풀리(110), 제 2 풀리(120), 텐던(130) 및 선형 구동부(140)를 포함하여 구성될 수 있다.

도 2 및 도 3에 도시되어 있는 것과 같이 제 1 풀리(110)는 회전축(이하, 제 1 회전축(112)이라고 한다.)을 중심으로 회전한다. 이때, 제 1 풀리(110)의 원주 방향 일측에 텐던(130)의 일단이 고정되고, 텐던(130)은 제 1 풀리(110)의 원주 방향을 따라 소정 길이 연장된 후 제 2 풀리(120)로 이어진다. 이때, 제 1 풀리(110)의 원주 방향 측면에는 텐던(130)의 위치를 가이드하고 텐던(130)이 이탈하지 않도록 원주 방향을 따라 홈(114)이 형성될 수 있다. 따라서, 도 2에서와 같이 텐던(130)이 아래로 당겨질 때 제 1 풀리(110)는 시계 반대 방향으로 회전할 수 있다.

제 2 풀리(120)도 회전축(이하, 제 2 회전축(122)이라고 한다.)을 중심으로 회전한다. 이때, 도시되어 있는 것과 같이 제 2 회전축(122)의 방향은 제 1 회전축(112)의 방향에 수직인 방향으로 배치된다. 보다 자세히는 제 1 회전축(112)과 제 2 회전축(122)은 서로 교차하지 않으면서 두 축의 방향이 수직인 형태이다. 제 2 풀리(120)의 원주 방향에도 제 1 풀리(110)에 고정 및 결합된 상기 텐던(130)이 연장되어 제 2 풀리(120)의 원주 방향을 따라 소정 길이 연장된 후 제 1 회전축(112)과 평행한 방향으로 연장된다. 제 2 풀리(120)의 원주 방향 측면에도 텐던(130)의 위치를 가이드하고 이탈하지 않도록 원주 방향을 따라 홈(124)이 형성될 수 있다.

이때, 제 1 풀리(110)의 접선과 제 2 풀리(120)의 접선이 일치하도록 제 1 풀리(110)와 제 2 풀리(120)가 배치되고, 상기 일치하는 접선 상에 상기 텐던(130)이 연장되도록 결합된다. 따라서, 제 1 풀리(110)와 제 2 풀리(120)의 회전축은 서로 수직인 방향이지만, 제 1 풀리(110)와 제 1 풀리(110)에서 연장되는 텐던(130)은 동일 평면 상에 존재하고 제 2 풀리(120)와 제 2 풀리(120)에서 연장되는 텐던(130)도 동일 평면 상에 존재하게 된다. 따라서, 텐던(130)에 장력이 가해져 제 1 풀리(110)와 제 2 풀리(120)가 회전할 때 텐던(130)이 제 1 풀리(110) 및 제 2 풀리(120)를 이탈하는 것을 방지할 수 있다.

제 2 풀리(120)에서 제 1 회전축(112)과 평행한 방향으로 연장되는 텐던(130)의 타단에는 선형 구동부(140)가 연결되는데, 따라서 선형 구동부(140)에 의해 제 1 풀리(110)에 고정된 텐던(130)이 당겨질 때 제 2 풀리(120) 및 제 1 풀리(110)가 함께 회전하게 된다. 따라서, 도시된 바와 같이 본 발명에서는 제 1 풀리(110), 제 2 풀리(120) 및 텐던(130)을 이용하여, 텐던(130)이 선형 운동을 할 때 텐던(130)의 선형운동 방향과 평행한 방향의 제 1 회전축(112)을 가지는 제 1 풀리(110)가 회전운동을 하도록 변환시킬 수가 있다. 참고로, 도 2에서는 선형 구동부(140)가 도시되어 있지 않다.

선형 구동부(140)는 텐턴의 타단에 고정되어 텐던(130)을 직선 방향으로 이동시킨다. 선형 구동부(140)는 유/공압식 선형 구동기, 열수축/팽창 구동기 등 텐던(130)을 직선 방향으로 이동시킬 수 있는 공지된 모든 선형 구동기가 사용될 수가 있다.

도 4에 도시되어 있는 것과 같이 제 2 풀리(120)는 복수 개 배치될 수 있다. 바람직하게는 제 1 풀리(110)의 원주 방향으로 등 간격으로 배치될 수 있다. 이때, 복수의 제 2 풀리(120) 각각에 대하여 텐던(130)이 결합 및 고정된다. 따라서, 각 텐던(130)의 타단에 각각의 선형 구동부(140)를 연결시키는 경우, 복수의 선형 구동부(140)에 의해 제 1 풀리(110)의 회전운동 출력을 증가시킬 수가 있다. 또한, 원주 방향으로 등간격으로 배치되는 복수의 텐던(130)을 이용하여 제 1 풀리(110)를 회전시키는 경우 제 1 풀리(110)를 회전시키는 힘을 원주 방향으로 균일하게 배분시켜서 회전 운동의 안정성을 높일 수가 있다. 도 4에서는 제 1 풀리(110)를 일방향(예를 들어, 시계 방향)으로 회전시키는 제 2 풀리(120)가 3개, 4개, 6개, 8개 등간격으로 배치되는 형태를 도시하나, 반드시 이러한 개수 및 배치에 한정되는 것은 아니다.

도 5에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 선형운동을 회전운동으로 변환하는 장치를 도시하는데, 본 실시예에서는 두 개의 제 2 풀리(120)가 180도 등간격으로 배치되어 제 1 풀리(110)를 일방향으로 회전시키도록 하고, 두 개의 제 2 풀리(120)에서 연장되는 두 개의 텐던(130)은 모두 단일의 선형 구동부(140)에 고정된다.

도시된 선형 구동부(140)는 공압식 선형 구동기로 내부의 공압에 의해 자바라(142)가 길이 방향으로 펼쳐지고 오므라들 때 자바라(142)의 선단에 위치하며 텐던(130)을 고정시키는 고정단(144)이 직선 운동을 하며 두 개의 텐던(130)을 한꺼번에 이동시킨다. 전술한 바와 같이 복수개의 선형 구도부(140)로 각각의 텐던(130)에 각각의 선형 구동부(140)를 결합시킬 수도 있으나, 본 실시예에서는 단일의 선형 구동부(140)를 이용하여 복수의 텐던(130)을 한꺼번에 직선 이동시키도록 한다.

이하, 제 1 풀리(110)를 양방향으로 구동시키는 선형운동을 회전운동으로 변환하는 장치에 대하여 설명하기로 한다.

도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따라 양방향으로 구동하는 선형운동을 회전운동으로 변환하는 장치를 간략하게 도시하는 도면이고, 도 7과 도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 양방향 구동이 가능한 선형운동을 회전운동으로 변환하는 장치를 도시하는 사시도이고, 도 9는 도 7과 도 8에서 제 1 풀리 및 제 2 풀리를 도시한다.

본 실시예에서는 도 6에 도시되어 있는 것과 같이 제 2 풀리(120)가 복수 개 배치되되, 제 1 풀리(110)를 일방향(예를 들어 시계 방향)으로 회전시키도록 배치되는 제 2 풀리(이하, 제 2-1 풀리(120-1)라고 함)와 제 1 풀리(110)를 타방향(예를 들어, 시계 반대 방향)으로 회전시키도록 배치되는 제 2 풀리(이하, 제 2-2 풀리(120-2)라고 함)로 나뉠 수 있다. 도 6에서는 제 2 풀리(120)가 모두 4개, 6개, 8개 배치되는 것을 예를 들고 있는데, 이 경우에도 제 2-1 풀리(120-1)들은 모두 원주 방향으로 등간격으로 배치되고, 제 2-2 풀리(120-2)들도 모두 원주 방향으로 등간격으로 배치되는 것이 바람직하다. 참고로, 도 6에서는 제 2-2 풀리(120-2)에 결합되는 텐던(130-2)은 점선으로 도시하였다.

이때, 선형 구동부(140)는 제 2-1 풀리(120-1)에 결합되는 텐던(130-1)의 타단과 결합되는 제 1 선형 구동부(미도시) 및 제 2-2 풀리(120-2)에 결합되는 텐던(130-2)의 타단과 결합되는 제 2 선형 구동부(미도시)로 구성될 수 있다. 제 2-1 풀리(120-1)가 복수 개 형성되는 경우 제 1 선형 구동부는 도 5에서와 같이 제 2-1 풀리(120-1)에 결합되는 텐던(130-1)을 한꺼번에 이동시키는 단일의 선형 구동부(140)로 형성될 수 있고, 마찬가지로 제 2 선형 구동부도 단일의 선형 구동부(140)로 각각 형성될 수 있다.

즉, 제 1 풀리(110)를 일방향으로 회전시키도록 하는 제 2-1 풀리(120-1)에 결합되는 복수의 텐던(130-1)을 한꺼번에 잡아 당기는 제 1 선형 구동부 및 제 2 풀리(120)를 타방향으로 회전시키도록 하는 제 2-2 풀리(120-2)에 결합되는 복수의 텐던(130-2)을 한꺼번에 잡아 당기는 제 2 선형 구동부로 구성되는 두 개의 선형 구동부(140)를 이용하여 제 1 선형 구동부 또는 제 2 선형 구동부의 제어에 따라서 제 1 풀리(110)를 양방향으로 회전시킬 수가 있다.

또한, 전술한 바와 같이 제 2-1 풀리(120-1)와 제 2-2 풀리(120-2)에 결합되는 복수의 텐던(130-1, 130-2) 각각에 선형 구동부를 결합시키는 방법으로 구성할 수도 있다.

도 7 내지 도 9에는 양방향 구동이 가능한 선형운동을 회전운동으로 변환하는 장치의 일 예를 도시하는데, 본 실시예에서는 제 1 풀리(110)를 일 방향으로 회전시키도록 하는 두 개의 제 2-1 풀리(120-1) 및 제 1 풀리(110)를 타 방향으로 회전시키도록 하는 하나의 제 2-2 풀리(120-2), 총 세 개의 제 2 풀리(120)로 구성된다.

또한, 본 실시예에서는 단일의 선형 구동부(140)를 이용하여 제 1 풀리(110)를 양방향으로 회전시키도록 한다. 제 2-1 풀리(120-1)에 결합되는 두 개의 텐던(130-1)은 공압식 선형 구동부(140)의 고정단(144)에 각각 고정된다. 즉, 공압식 선형 구동부(140)의 동작에 따라서 고정단(144)이 선형 운동을 할 때 고정단(144)에 결합되는 두 개의 텐던(130-1)은 동시에 선형 운동을 하게 된다. 또한, 제 2-2 풀리(120-2)에 결합되는 텐던(130-2)은 선형 구동기(140) 후방부의 두 개의 방향 전환 풀리(151, 152)를 이용하여 방향을 전환하여 자바라(142) 내측으로 연장되어 선형 구동부(140)의 내측에서 고정단(144)에 고정된다. 따라서, 제 2-1 풀리(120-1)에 결합되는 텐던(130-1)과 제 2-2 풀리(120-2)에 결합되는 텐던(130-2)은 고정단(144)의 이동에 따라 각각 반대 방향으로 이동을 하게 된다.

도 7에 도시되어 있는 것과 같이 자바라(142)가 수축하여 고정단(144)이 하강하는 경우 제 2-1 풀리(120-1)에 결합된 텐던(130-1)과 제 2-2 풀리(120-2)에 결합된 텐던(130-2)은 반대 방향으로 이동하게 되고, 이때 제 2-1 텐던(130)에 결합된 텐던(130-1)이 잡아 당겨지는 힘에 의해 제 1 풀리(110)가 시계 방향으로 회전하게 되고, 제 2-2 풀리(120-2)에 결합된 텐던(130-2)은 제 1 풀리(110)에 감기게 된다. 반대로, 자바라(142)가 팽창하여 고정단(144)이 상승하는 경우 반대로 작동하여 제 1 풀리(110)는 시계 반대 방향으로 회전할 수가 있다.

이하, 편심 풀리를 이용한 양방향 구동이 가능한 선형운동을 회전운동으로 변환하는 장치에 대하여 설명하기로 한다.

도 10은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 편심 풀리를 이용한 양방향 구동이 가능한 선형운동을 회전운동으로 변환하는 장치를 도시하고, 도 11과 도 12는 각각 도 10에 도시된 편심 풀리의 정면도 및 측면도이고, 도 13은 도 10의 동작을 설명하는 도면이고, 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 제작된 로봇 암의 사진이다.

본 실시예에서 제 1 풀리(110)로 편심 풀리가 사용된다. 도 11 및 도 12를 참조로 편심 풀리의 형태를 보다 자세히 설명을 하면, 도 12에 도시되어 있는 것과 같이 상기 편심 풀리는 제 1 편심풀리부(110-1)와 제 2 편심풀리부(110-2)가 일체로 형성되되 동축 상에 층을 달리하는 형태로 형성된다.

제 1 편심풀리부(110-1)와 제 2 편심풀리부(110-2)는 반경이 일정한 제 1 구간과 제 1 구간의 양단에서 대칭으로 반경이 점차적으로 줄어드는 형태의 제 2 구간으로 형성된다. 이때, 제 1 구간과 제 2 구간은 회전 중심으로 중심으로 등각 구간(180도 구간)에 각각 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 제 1 편심풀리부(110-1)와 제 2 편심풀리부(110-2)는 동일한 형태를 가지되, 제 1 구간과 제 2 구간이 180도 대칭이 되도록 배치된다.

본 실시예에서는 총 4개의 제 2 풀리(120)가 배치된다. 두 개의 제 2-1 풀리(120-1)는 편심 풀리를 일방향(예를 들어, 시계 방향)으로 회전시키기 위한 풀리이고, 두 개의 제 2-2 풀리(120-2)는 편심 풀리를 타방향(예를 들어, 시계 반대 방향)으로 회전시키기 위한 풀리이다.

이때, 제 2-1 풀리(120-1) 중 어느 하나의 풀리(이하, 제 2-1-1 풀리(120-1-1)는 제 1 편심풀리부(110-1)의 제 1 구간에 고정되는 텐던(130-1-1)과 연동하여 회전하고, 나머지 제 2-1 풀리(이하, 제 2-1-2 풀리(120-1-2)는 제 2-1-1 풀리(120-1-1)와 180도 대칭의 위치에서 제 2 편심풀리부(110-2)의 제 1 구간에 고정된 텐던(130-1-2)과 연동하여 회전한다. 따라서, 제 2-1-1 풀리(120-1-1)와 제 2-1-2 풀리(120-1-2)에 결합되는 텐던(130-1-1, 130-1-2)을 잡아 당기게 되면, 편심 풀리는 시계 방향으로 회전하게 된다.

또한, 제 2-2 풀리(120-2) 중 어느 하나의 풀리(이하, 제 2-2-1 풀리(120-2-1)는 제 1 편심풀리부(110-1)의 제 1 구간에 고정되는 텐던(130-2-1)과 연동하여 회전하고, 나머지 제 2-2 풀리(이하, 제 2-2-2 풀리(120-2-2)는 제 2-2-1 풀리(120-2-1)와 180도 대칭의 위치에서 제 2 편심풀리부(110-2)의 제 1 구간에 고정된 텐던(130-2-2)과 연동하여 회전한다. 따라서, 제 2-2-1 풀리(120-2-1)와 제 2-2-2 풀리(120-2-2)에 결합되는 텐던(130-2-1, 130-2-1)을 잡아 당기게 되면, 편심 풀리는 시계 반대 방향으로 회전하게 된다.

전술한 바와 같이 제 1 풀리(110)가 원형의 풀리인 경우에는 제 1 풀리(110)가 회전하여도 제 1 풀리(110)와 제 2 풀리(120)의 접선 방향은 일치한다. 하지만, 본 실시예에서와 같이 편심 풀리를 사용하게 되면 편심 풀리가 회전하여 텐던(130)이 제 2 구간에 접하게 되면 제 1 풀리(110)와 제 2 풀리(120)의 접선 방향이 계속 변할 수가 있다. 따라서, 텐던(130)이 쉽게 이탈할 수가 있다.

이때, 본 실시예에서는 제 1 풀리(110)와 제 2 풀리(120) 사이에 제 3 풀리(130)가 추가로 배치될 수가 있다. 제 3 풀리(130)는 제 1 풀리(110)와 동일 평면 상에서 회전하며, 제 3 풀리(130)의 접선과 제 2 풀리(120)의 접선이 일치하도록 배치되고, 일치된 접선 상에 텐던(130)이 배치되도록 한다. 따라서, 텐던(130)이 편심 풀리의 제 2 구간에 접하게 될 때 제 2 구간의 반경이 바뀜에 따라서 제 1 풀리(110)와 제 3 풀리 사이의 텐던(130)의 각도는 바뀌더라도 제 1 풀리(110)와 제 3 풀리(130)는 동일 평면 상에 배치되므로 제 1 풀리(110)와 제 3 풀리(130)로부터 텐던(130)은 이탈하지 않는다. 또한, 제 3 풀리(130)의 접선과 제 2 풀리(120)의 접선이 일치하도록 배치되므로 제 3 풀리와 제 2 풀리(120)의 회전축이 수직으로 배치되어도 제 3 풀리(130)와 제 2 풀리(120)로부터 텐던(130)은 이탈하지 않게 된다.

도 14에서는 전술한 바와 같이 편심 풀리를 이용한 양방향 구동이 가능한 선형운동을 회전운동으로 변환하는 장치를 이용하여 제작된 로봇 암(200)을 도시한다. 본 실시예에서는 선형 구동부(140)로 폴리우레탄 파이버를 감아서 코일 형태로 형성하여 열에 의해 수축과 이완의 변위를 생성하는 열수축/팽창 타입의 선형 구동기가 사용된다. 또한, 각각의 텐던(130)에 간각의 선형 구동기가 장착된 형태이다.

나아가, 본 실시예에서와 같이 제 1 풀리(110)의 제 1 회전축(112) 또는 제 1 회전축(112)으로부터 연장되는 축 상에 로봇 핸드(210)를 고정시켜 손목을 중심으로 로봇 핸드(210)를 회전시키는 운동을 구현할 수가 있다.

편심 풀리를 이용한 본 실시예의 장치의 동작을 도 13을 참고로 설명하기로 한다. 설명의 편의를 위해 제 2-1-1 풀리(120-1-1) 및 제 2-1-2 풀리(120-1-2)를 동작시키는 선형 구동기들을 제 1 선형 구동부, 제 2-2-1 풀리(120-2-1) 및 제 2-2-2 풀리(120-2-2)를 동작시키는 선형 구동기들을 제 2 선형 구동부라고 칭하기로 한다.

먼저, 도 13의 (a)에서와 같이 제 1 선형 구동부와 제 2 선형 구동부가 모두 동작하지 않은 상태에서는 각각의 텐던(130-1, 130-2)에 작용하는 탄성력(장력)은 동일하고, 제 2-1 풀리(120-1)에 결합된 텐던(130-1)이 편심 풀리에 작용하는 반경과 제 2-2 풀리(120-2)에 결합된 텐던(130-2)이 편심 풀리에 작용하는 반경은 동일하다. 따라서, 제 2-1 풀리(120-1)에 결합된 텐던(130-1)에 의해 가해지는 토크와 제 2-2 풀리(120-2)에 결합된 텐던(130-1)에 의해 가해지는 토크는 크기가 같고 방향이 반대인 상태를 유지하게 된다.

다음, 도 13의 (b)에서와 같이 제 1 선형 구동부가 동작하여 폴리우레탄 파이버로 형성된 제 1 선형 구동부의 길이가 줄어들게 되면, 제 1 선형 구동부의 길이가 줄어든 만큼 제 1 풀리(110)가 시계 방향으로 회전하게 된다. 이때, 제 1 선형 구동부의 길이가 줄어들면서 탄성력은 줄어들게 된다. 반대로 제 1 풀리(110)가 시계 방향으로 회전함에 따라서 제 2-2 풀리(120-2)에 결합된 텐던(130-2)들은 제 1 풀리(110)에 감기게 되면서 제 2 선형 구동부가 당겨져 길이가 늘어나 제 2 선형 구동부의 탄성력은 증가하게 된다. 하지만, 제 2-2 풀리(120-2)에 결합된 텐던(130-2)이 제 2 구간에서 편심 풀리에 작용하는 반경이 줄어들게 되므로 제 2-1 풀리(120-1)에 결합된 텐던(130-1)에 의해 가해지는 토크와 제 2-2 풀리(120-2)에 결합된 텐던(130-2)에 의해 가해지는 토크는 크기가 같고 방향이 반대인 상태를 유지할 수가 있다.

만약, 제 1 풀리(110)가 원형의 풀리로 형성된다면, 이 경우에도 제 1 선형 구동부의 동작에 따라 제 1 풀리(110)가 시계 방향으로 회전함에 따라서 제 1 선형 구동부는 길이가 수축되어 탄성력은 줄어들고 제 2 선형 구동부는 신장되어 탄성력이 증가하게 된다. 즉, 제 2-1 풀리(120-1)에 결합되는 텐던(130-1)의 장력은 줄어들게 되고, 제 2-2 풀리(120-2)에 결합되는 텐던(130-2)의 장력은 증가하게 된다. 이때, 각 텐던(130-1, 130-2)이 작용하는 제 1 풀리(110)의 반경은 동일하므로 제 2-1 풀리(120-1)에 결합된 텐던(130-1)에 의한 모멘트 값이 제 2-2 풀리(120-2)에 결합된 텐던(130-2)에 의한 모멘트 값보다 작아지게 된다. 즉, 제 선형 구동부에 의해 제 1 풀리를 시계 방향으로 회전시키는 각도가 커질수록 제 1 선형 구동부의 수축을 방해하는 힘이 커지게 된다. 또한, 제 1 선형 구동부가 수축된 후에 수축을 위해 인가된 전류를 제거하였을 때, 상기 모멘트 값의 차이로 제 1 풀리(110)가 현재의 위치를 유지하지 못하고 원래의 위치로 바로 복귀하는 문제가 발생할 수 있다.

하지만, 본 발명에서와 같이 제 1 풀리(110)를 편심 풀리로 형성하는 경우, 제 1 선형 구동부에 의해 제 1 풀리가 회전하더라도 제 2-1 풀리(120)에 결합되는 텐던(130-1)에 의한 모멘트 값과 제 2-2 풀리(120)에 결합되는 텐던(130-2)에 의한 모멘트 값이 같게 유지할 수가 있어서 상기와 같은 문제를 해결할 수가 있다.

반대로, 도 13의 (c)에서와 같이 제 2 선형 구동부가 동작하여 제 2 선형 구동부 길이가 줄어들게 되면, 제 2 선형 구동부의 길이가 줄어든 만큼 제 1 풀리(110)가 시계 반대 방향으로 회전하게 된다. 이때, 제 2 선형 구동부의 길이가 줄어들면서 탄성력은 줄어들게 된다. 또한, 제 1 풀리(110)가 시계 반대 방향으로 회전함에 따라서 제 2-1 풀리(120-1)에 결합된 텐던(130-1)들은 제 1 풀리(110)에 감기게 되면서 제 1 선형 구동부가 당겨져 제 1 선형 구동부의 탄성력은 증가하게 된다. 하지만, 제 2-1 풀리(120-1)에 결합된 텐던(130-1)이 제 2 구간에서 편심 풀리에 작용하는 반경이 줄어들게 되므로 제 2-1 풀리(120-1)에 결합된 텐던(130-1)에 의해 가해지는 토크값과 제 2-2 풀리(120-2)에 결합된 텐던(130-2)에 의해 가해지는 토크는 크기가 같고 방향이 반대인 상태를 유지할 수가 있다.

다음, 도 15 내지 도 16을 참조로 본 발명의 선형운동을 회전운동으로 변환하는 장치를 이용하여 감속비를 조절하는 구조에 관하여 설명하기로 한다.

도 15와 도 16은 본 발명에 따라 감속비의 조절을 위해 서로 다른 직경의 제 1 풀리(110)를 교체할 때의 모습을 도시하는 도면이다.

본 발명에서 제 1 풀리(110)의 직경을 달리하면 텐던(130)의 선형 이동 길이 대비 제 1 풀리(110)의 회전 각도의 크기를 조절할 수가 있다. 즉, 제 1 풀리(110)의 직경이 커질수록 텐던(130)의 선형 이동 길이 대비 제 1 풀리(110)의 회전 각도의 크기를 줄여서 감속비가 커지게 된다. 따라서, 직경이 다른 제 1 풀리(110)를 교체 장착함으로써 감속비를 조절할 수가 있다.

이 경우, 전술한 바와 같이 텐던(130)이 제 1 풀리(110)와 제 2 풀리(120)로부터 이탈하는 것을 방지하기 위해 제 1 풀리(110)의 접선과 제 2 풀리(120)의 접선이 일치하도록 하는 것이 유지되어야 한다.

지지부(172)는 제 2 풀리(120)를 회전 가능하게 지지한다. 즉, 제 2 풀리(120)의 제 2 회전축(122) 양단을 베어링 등을 이용하여 회전 가능하게 지지한다. 또한, 상기 지지부(172)는 고정 플레이트(174) 상에 각도를 달리하며 고정될 수 있다. 예를 들어, 고정 플레이트(174) 및 지지부(172) 상에 나사공을 형성하여 상기 나사공에 나사를 고정시키는 방법으로 지지부(172)를 고정 플레이트(174) 상에 고정시킬 수가 있다.

따라서, 도시되어 있는 것과 같이 직경이 다른 제 1 풀리(110)로 교체 장착하는 경우 제 2 풀리(120)의 접선과 제 1 풀리(110)의 접선이 일치하지 않게 되는데, 고정부(144)의 고정 각도를 조절하여 제 2 풀리(120)의 접선과 제 1 풀리(110)의 접선이 일치하도록 제 2 풀리(120)를 고정시킬 수가 있다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

110: 제 1 풀리
110-1: 제 1 편심풀리부
110-2: 제 2 편심풀리부
112: 제 1 회전축
114: 홈
120: 제 2 풀리
122: 제 2 회전축
124: 홈
130: 텐던
140: 선형 구동부
142: 자바라
144: 고정단
151, 152: 방향 전환 풀리
160: 제 3 풀리
172: 지지부
174: 고정 플레이트
175: 나사
200: 로봇 암
210: 로봇 핸드

Claims (15)

1. 제 1 회전축을 중심으로 회전하는 제 1 풀리;
   상기 제 1 회전축에 수직인 제 2 회전축을 중심으로 회전하는 제 2 풀리;
   상기 제 1 풀리와 상기 제 2 풀리에 결합되고, 일단은 상기 제 1 풀리에 고정되어 상기 제 1 풀리와 상기 제 2 풀리를 회전시키는 텐던; 및
   상기 텐던의 타단에 고정되어 상기 제 1 회전축과 평행한 방향으로 상기 텐던을 이동시키는 선형 구동부를 포함하고,
   상기 제 2 풀리는 상기 제 1 풀리의 원주 방향으로 복수 개 배치되고, 각각의 상기 제 2 풀리와 상기 제 1 풀리 사이에는 각각의 상기 텐던이 결합 및 고정되고,
   상기 제 2 풀리는 상기 제 1 풀리를 일방향으로 회전시키도록 상기 텐던이 결합 및 고정되는 제 2-1 풀리와 상기 제 1 풀리를 타방향으로 회전시키도록 상기 텐던이 결합 및 고정되는 제 2-2 풀리로 형성되는 선형운동을 회전운동으로 변환하는 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 풀리의 접선과 상기 제 2 풀리의 접선이 일치하도록 배치되고, 일치된 접선 상에 상기 텐던이 배치되는 선형운동을 회전운동으로 변환하는 장치.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 2 풀리는 등 간격으로 배치되는 선형운동을 회전운동으로 변환하는 장치.
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,
   복수의 상기 제 2-1 풀리는 등 간격으로 배치되고, 복수의 상기 제 2-2 풀리는 등 간격으로 배치되는 선형운동을 회전운동으로 변환하는 장치.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 선형 구동부는 복수의 상기 텐던의 타단과 각각 결합되는 단일의 선형 구동부로 형성되는 선형운동을 회전운동으로 변환하는 장치.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 선형 구동부는 상기 제 2-1 풀리에 결합되는 텐던의 타단과 결합되는 단일의 제 1 선형 구동부 및 상기 제 2-2 풀리에 결합되는 텐던의 타단과 결합되는 단일의 제 2 선형 구동부로 형성되는 선형운동을 회전운동으로 변환하는 장치.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 2 풀리를 회전 가능하게 지지하는 지지부; 및
   상기 지지부를 고정시키는 고정 플레이트를 더 포함하고,
   상기 제 1 풀리의 직경에 따라서 상기 지지부가 상기 고정 플레이트 상에 고정되는 각도가 바뀌는 선형운동을 회전운동으로 변환하는 장치.
10. 제 1 회전축을 중심으로 회전하는 제 1 풀리;
    상기 제 1 회전축에 수직인 제 2 회전축을 중심으로 회전하는 제 2 풀리;
    상기 제 1 풀리와 상기 제 2 풀리에 결합되고, 일단은 상기 제 1 풀리에 고정되어 상기 제 1 풀리와 상기 제 2 풀리를 회전시키는 텐던; 및
    상기 텐던의 타단에 고정되어 상기 제 1 회전축과 평행한 방향으로 상기 텐던을 이동시키는 선형 구동부를 포함하고,
    상기 제 1 풀리는 편심 풀리로 형성되고,
    상기 편심 풀리는 반경이 일정한 제 1 구간과 반경이 점차적으로 줄어드는 제 2 구간으로 형성되고,
    상기 편심 풀리는 상기 제 1 구간과 상기 제 2 구간으로 형성되는 제 1 편심풀리부 및 상기 제 1 편심풀리부와 동축에 동일한 형상으로 형성되되 제 1 편심풀리부와 대칭으로 형성되는 제 2 편심풀리부로 형성되고,
    상기 제 2 풀리는 상기 제 1 편심풀리부의 제 1 구간에 고정된 텐던과 함께 상기 제 1 풀리를 일방향으로 회전시키는 제 2-1-1 풀리 및 상기 제 2 편심풀리부의 제 1 구간에 고정된 텐던과 함께 상기 제 1 풀리를 일방향으로 회전시키는 제 2-1-2 풀리와,
    상기 제 1 편심풀리부의 제 1 구간에 고정된 텐던과 함께 상기 제 1 풀리를 타방향으로 회전시키는 제 2-2-1 풀리 및 상기 제 2 편심풀리부의 제 1 구간에 고정된 텐던과 함께 상기 제 1 풀리를 타방향으로 회전시키는 제 2-2-2 풀리로 형성되는 선형운동을 회전운동으로 변환하는 장치.
11. 삭제
12. 삭제
13. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 풀리와 동일 평면 상에서 회전하며 제 1 풀리와 제 2 풀리 사이에 배치되는 제 3 풀리를 더 포함하고,
    상기 제 3 풀리의 접선과 상기 제 2 풀리의 접선이 일치하도록 배치되고, 일치된 접선 상에 상기 텐던이 배치되는 선형운동을 회전운동으로 변환하는 장치.
14. 삭제
15. 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항, 제 6 항 내지 제 10 항, 제 13 항 중 어느 한 항의 선형운동을 회전운동으로 변환하는 장치; 및
    상기 제 1 풀리의 회전축 상에 결합되어 회전하는 로봇 핸드를 포함하는 로봇 암.

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