KR102336399B1 - 임계 토크 가변 가능한 로봇 관절 안전장치 - Google Patents

Abstract

제1 회전부; 제1 회전부와 상대 회전이 가능하도록 결합된 제2 회전부; 일측은 탄성부재를 통해 제1 회전부에 연결되고, 타측은 탄성부재를 통한 가압에 의해 제2 회전부에 접하는 연결핀;을 포함하고, 평상시에는 탄성부재의 가압에 의해 제1 회전부와 제2 회전부가 함께 회전하고, 제1 회전부와 제2 회전부의 상대적인 토크 차이가 일정수준 이상일 경우 제1 회전부와 제2 회전부는 상대 회전하는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 안전장치 및 이를 이용한 안전시스템이 소개된다.

Description

임계 토크 가변 가능한 로봇 관절 안전장치{ROBOT JOINT SAFETY DEVICE WITH CHANGABLE THRESHOLD TORQUE}

본 발명은 로봇이 다른 물체와 충돌을 일으키는 경우 안전하게 동작을 멈추도록 하는 안전장치 및 이를 이용한 안전 시스템에 관한 것으로, 특히 관절 사이의 임계 토크를 자유롭게 조절할 수 있는 로봇 관절 안전장치 및 이를 이용한 안전시스템에 관한 것이다.

다양한 산업 현장에서 인간을 대신하여 작업을 수행하는 많은 산업용 로봇들이 이미 개발되었다. 그뿐만 아니라, 인간의 생활공간에도 인간에게 서비스를 제공하는 다양한 서비스 로봇들도 많이 개발되고 있다.

서비스 로봇은 의료, 복지, 건설, 극한작업 등 비제조업에서 사용되는 로봇및 인간 공존형 대인지원 로봇인 개인용 로봇은 통칭하여 서비스 로봇이라 불리며 우리의 생활 속에 훨씬 가까워지고 있다. 서비스 로봇은 향후 더욱 다양한 형태로 우리 앞에 등장할 것으로 기대되고 있다.

특히, 다양한 서비스 로봇들은 인간들과 같은 생활공간을 공유하면서 인체 또는 다른 물체들과 충돌을 일으키는 경우가 많이 발생한다. 이 경우 로봇이 동작을 중단하지 않는다면 인체나 다른 물체에 상해를 입힐 수 있는 문제가 발생한다.

이를 방지하기 위하여 기존의 로봇은 다른 물체와 충돌시 전류의 상승을 검출하고, 이에 따라 동작을 멈추거나 안전 모드로 진입하도록 제어되었다. 다만, 기존의 제어방법은 전류의 상승 등을 검출하고, 이에 따라 제어 연산을 통한 안전 모드로 진입하는 등 안전 모드에 진입하는데 시간이 걸리는 문제가 있어 즉각적으로 안전 모드에 진입할 필요가 있었다.

도 1은 로봇 관절 시스템을 도시한 사시도이다. 도 1을 참조하면, 도 1에 표시한 것과 같은 관절로 이어진 관절형 로봇에 물리적인 메커니즘을 도입하여 안전 모드에 진입할 수 있어 충돌 직후 안전 모드로 진입할 수 있는 안전 관절 메커니즘이 연구되고 있다.

그러나 기존에 개발된 안전 관절 메커니즘은 안전 모드로 진입하는 임계 토크가 사용자가 지정한 특정 값으로 고정되어 있고, 이를 변경하기 위해서는 부품을 달리하거나 메커니즘 자체를 변경해야하는 문제가 있다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR 10-2011-0072094 A

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 간단한 구조로 로봇의 충돌시 즉시 안전 모드에 돌입하는 물리적인 메커니즘을 제공하고, 안전 모드에 진입하는 임계 토크를 쉽게 가변 가능한 로봇 관절 안전장치를 제공하고자 함이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 로봇 관절 안전장치는 제1 회전부; 제1 회전부와 상대 회전이 가능하도록 제1 회전부와 결합된 제2 회전부; 일측은 탄성부재를 통해 제1 회전부에 연결되고, 타측은 탄성부재를 통한 가압에 의해 제2 회전부에 접하는 연결핀;을 포함하고, 평상시에는 탄성부재의 가압에 의해 제1 회전부와 제2 회전부가 함께 회전하고, 제1 회전부와 제2 회전부의 상대적인 토크 차이가 일정수준 이상일 경우 제1 회전부와 제2 회전부는 상대 회전하는 것을 특징으로 한다.

연결핀은 서로 이격된 복수로 마련되어 제1 회전부 또는 제2 회전부에 각각 연결되거나 접할 수 있다.

제2 회전부에 접하는 연결핀의 타측은 반구형 형상이고, 제2 회전부에는 연결핀의 타측이 삽입되는 삽입홈이 형성될 수 있다.

제1 회전부와 제2 회전부의 상대적인 토크 차이가 일정수준 이상일 경우 연결핀의 타측은 제2 회전부의 삽입홈에서 이탈되고, 연결핀이 제2 회전부에 의해 반대방향으로 가압되며 탄성부재가 압축됨으로써 제1 회전부와 제2 회전부가 상대 회전될 수 있다.

제1 회전부에는 탄성부재를 지지하는 레버부가 마련되고, 레버부는 제1 회전부 상에서 탄성부재측 또는 그 반대측으로 위치이동이 가능함으로써 탄성부재에 저장되는 탄성력이 가변가능할 수 있다.

제1 회전부에는 관통홀이 형성된 바디가 마련되고, 연결핀은 일측이 레버부와 탄성부재로 지지되고 타측이 관통홀을 관통하여 제2 회전부에 접할 수 있다.

레버부는 제1 회전부의 바디에 나사결합되어 제1 회전부 상에서 탄성부재측 또는 그 반대측으로 위치이동이 가능할 수 있다.

바디에는 형성된 관통홀을 따라 연결핀이 직선운동하도록 하는 가이드부가 마련될 수 있다.

바디의 외측은 제2 회전부의 내측에 삽입되어 상대 회전이 가능하도록 결합되고 바디에는 연결핀이 위치하는 내부 공간이 마련되면서 연결핀의 탄성부재측은 개방되어있고, 레버부는 연결핀의 탄성부재를 지지하면서 개방된 바디를 막도록 형성될 수 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 로봇 관절 안전장치가 구비된 안전시스템은 제1 회전부; 제1 회전부를 구동하는 액추에이터; 제1 회전부와 상대 회전이 가능하도록 결합된 제2 회전부; 일측은 탄성부재를 통해 제1 회전부에 연결되고, 타측은 탄성부재를 통한 가압에 의해 제2 회전부에 접하는 연결핀; 및 액추에이터를 제어함으로써 제1회전부가 회전되도록 하는 제어부;를 포함하고, 평상시에는 탄성부재의 가압에 의해 제1 회전부와 제2 회전부가 함께 회전하고, 제1 회전부와 제2 회전부의 상대적인 토크 차이가 일정수준 이상일 경우 제1 회전부와 제2 회전부는 상대 회전하는 것을 특징으로 한다.

제2 회전부에 접하는 연결핀의 타측은 반구형 형상이고, 제2 회전부에는 연결핀의 타측이 삽입되는 삽입홈이 형성될 수 있다.

제1 회전부에는 탄성부재를 지지하는 레버부가 마련되고, 레버부는 제1 회전부 상에서 탄성부재측 또는 그 반대측으로 위치이동이 가능함으로써 탄성부재에 저장되는 탄성력이 가변가능할 수 있다.

본 발명의 로봇의 관절 안전장치 및 이를 이용한 안전시스템에 따르면, 아래와 같은 효과가 있다.

첫째, 다양한 서비스 로봇 및 산업용 로봇에 적용하여 다른 물체와 충돌시 즉각적인 안전 모드 돌입으로 상해 및 피해를 최소화할 수 있다.

둘째, 안전 모드에 돌입하는 임계 토크를 쉽게 가변 가능하고, 매우 세밀하게 임계 토크를 가변시킬 수 있어 다양한 상황에서 이용 가능하다.

셋째, 간단한 구조의 물리적인 메커니즘으로 관절 안전장치의 생산 단가를 낮출 수 있다.

도 1은 로봇 관절 시스템을 도시한 사시도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 안전장치의 외형을 도시한 사시도이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 안전장치의 단면을 도시한 사시도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 안전장치의 평상시 구동모습을 도시한 단면도이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 안전장치의 제1 회전부와 제2 회전부가 서로 상대 회전하는 모습을 도시한 단면도이다.
도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 안전장치의 임계 토크 가변모습을 도시한 단면도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 알아본다.

도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 안전장치의 외형을 도시한 사시도이고, 도 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 안전장치의 단면을 도시한 사시도이다.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 발명의 로봇 관절 안전장치는 제1 회전부(100); 제1 회전부(100)와 상대 회전이 가능하도록 결합된 제2 회전부(200); 일측은 탄성부재를 통해 제1 회전부(100)에 연결되고, 타측은 탄성부재(310)를 통한 가압에 의해 제2 회전부(200)에 접하는 연결핀(300);을 포함하고, 평상시에는 탄성부재(310)의 가압에 의해 제1 회전부(100)와 제2 회전부(200)가 함께 회전하고, 제1 회전부(100)와 제2 회전부(200)의 상대적인 토크 차이가 일정수준 이상일 경우 제1 회전부(100)와 제2 회전부(200)는 상대 회전하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 로봇의 관절을 이루어 회전력을 전달하는 제1 회전부(100) 및 제2 회전부(200)는 어느 한쪽은 회전력이 입력되는 입력부가 되고 다른쪽은 회전력을 전달받는 출력부가 될 수 있다. 여기서는 제1 회전부(100)를 입력부, 제2 회전부(200)를 출력부로 가정한 것이나, 반대로 구성되는 것도 가능할 것이다.

제1 회전부(100)와 제2 회전부(200)는 사이에 베어링 등의 구성을 포함하도록 결합하여 서로 상대 회전이 가능할 수 있다. 제1 회전부(100)는 제2 회전부(200)와 직접 결합되는 바디(120)과 바디에 결합되는 레버부(110)으로 구성될 수 있다.

제1 회전부(100)와 제2 회전부(200)는 연결핀(300)을 통해 연결될 수 있다. 연결핀(300)은 일측에는 탄성부재(310)가 마련되고, 탄성부재(310)를 통해 제1 회전부(100)에 연결될 수 있다. 연결핀(300)은 일측에 마련된 탄성부재(310)의 복원력에 의하여 제2 회전부(200)에 접할 수 있다. 탄성부재(310)는 대표적으로 스프링으로 형성될 수 있고, 압축된 상태에서 복원력을 가질 수 있는 다른 탄성부재로 형성되는 것도 가능할 것이다.

연결핀(300)에 의한 제1 회전부(100)와 제2 회전부(200)의 연결에 따라 평상시에는 탄성부재(310)의 가압에 의해 제1 회전부(100)와 제2 회전부(200)는 함께 회전할 수 있다. 여기서 평상시란 제1 회전부(100)와 제2 회전부(200)의 상대적인 토크 차이가 일정수준 미만인 때를 의미한다.

그러나 제1 회전부(100)와 제2 회전부(200)의 상대적인 토크 차이가 일정수준 이상일 경우에는 제1 회전부(100)와 제2 회전부(200)는 상대 회전할 수 있다. 즉, 제1 회전부(100)와 제2 회전부(200)가 상대회전하기 시작하는 상대적인 토크 차이는 안전 모드에 진입하는 임계 토크가 된다.

연결핀(300)은 서로 이격된 복수로 마련되어 제1 회전부(100) 또는 제2 회전부(200)에 각각 연결되거나 접할 수 있다. 연결핀(300)의 개수는 임계 토크를 고려하여 적절하게 조절 가능한 것으로 통상적으로는 안정성 등을 고려하여 2개 내지 4개로 구성될 수 있다.

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 안전장치의 평상시 구동모습을 도시한 단면도이고, 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 안전장치의 제1 회전부와 제2 회전부가 서로 상대 회전하는 모습을 도시한 단면도이며, 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 안전장치의 임계 토크 가변모습을 도시한 단면도이다.

도 3a를 참조하면, 제2 회전부(200)에 접하는 연결핀(300)의 타측은 반구형 형상이고, 제2 회전부(200)에는 연결핀(300)의 타측이 삽입되는 삽입홈이 형성될 수 있다. 이에 따라, 평상시 구동될 때는 제2 회전부(200)에 형성된 삽입홈에 반구형 형상의 연결핀(300) 타측이 삽입되어 제1 회전부(100)와 제2 회전부(200)가 연결되고, 제1 회전부(100)와 제2 회전부(200)는 함께 회전할 수 있다.

도 3b를 더 참조하면, 제1 회전부(100)와 제2 회전부(200)의 상대적인 토크 차이가 일정수준 이상일 경우 연결핀(300)의 타측은 제2 회전부(200)의 삽입홈에서 이탈하고 연결핀(300) 일측의 탄성부재(310)는 압축됨으로써 제1 회전부(100)와 제2 회전부(200)가 상대 회전 될 수 있다. 제1 회전부(100)와 제2 회전부(200)의 상대적인 토크 차이가 발생하고, 제2 회전부(200)의 삽입홈에서 반구형 형상의 연결핀(300) 타측으로 가해지는 힘에 의해 연결핀(300) 일측의 탄성부재(310)는 압축된다. 즉, 제1 회전부(100)와 제2 회전부(200)의 상대적인 토크 차이가 일정수준 이상일 경우에는 연결핀(300)의 타측은 제2 회전부(200)의 삽입홈에서 이탈하게되고, 이에 따라 제1 회전부(100)와 제2 회전부(200)가 상대 회전할 수 있다.

제1 회전부(100)에는 탄성부재(310)를 지지하는 레버부(120)가 마련되고, 레버부(120)는 제1 회전부(100) 상에서 탄성부재(310)측 또는 그 반대측으로 위치이동이 가능함으로써 탄성부재(130)에 저장되는 탄성력이 가변 가능할 수 있다. 이에 따라 제1 회전부(100)와 제2 회전부(200)가 상대 회전하기 시작하는 임계토크가 가변될 수 있다.

또한, 제1 회전부(100)에는 관통홀(130)이 형성된 바디(110)가 마련되고, 연결핀(300)은 일측이 레버부(120)와 탄성부재(310)로 지지되고, 타측이 관통홀(130)을 관통하여 제2 회전부(200)에 접할 수 있다.

구체적으로, 제1 회전부(100)는 관통홀(130)이 형성된 바디(110)와 연결핀(300)의 탄성부재(310)를 지지하는 레버부(120)로 구성될 수 있다. 레버부(120)는 바디(110)에 나사 결합되어 제1 회전부(100) 상에서 회전을 통해 탄성부재(310)측 또는 그 반대측으로 위치이동이 가능할 수 있다. 이에 따라, 탄성부재(130)의 길이가 가변될 것이고, 탄성부재(130)에 저장되는 탄성력이 가변될 수 있는 것이다. 즉, 레버부(120)가 제1 회전부(100) 상에서 탄성부재(310)측으로 이동하면 탄성부재(310)는 더 압축되어 탄성력이 커지고, 이에 따라 제1 회전부(100)와 제2 회전부(200)가 서로 상대 회전하게 되는 임계토크가 커지게 된다.

레버부(120)는 제1 회전부(100) 상에서 회전하는 것이므로 연결핀(300) 일측의 탄성부재(310)는 레버부(120)의 고정된 위치에 연결되는 것이 아니라 레버부(120)의 회전에 따라 달라지는 위치에서 지지되어 연결핀(300)이 길이 방향으로 직선이 되도록 연결될 수 있다.

레버부(120)의 외측과 바디(110)의 내측에는 나사산 및 나사홈이 형성될 수 있고, 임계토크 가변의 민감도에 따라 피치 및 리드 등은 설계를 통해 조정할 수 있다. 즉, 리드를 짧게 설계함에 따라 임계토크를 더 세밀하게 가변할 수 있다.

레버부(120)는 나사 결합 이외에도 제1 회전부(100) 상에서 탄성부재(310)측 또는 그 반대측으로 위치이동할 수 있는 다른 결합에 의해 바디(110)와 결합할 수도 있다.

바디(110)에는 형성된 관통홀(130)을 따라 연결핀(300)이 직선운동하도록 하는 가이드부(140)가 마련될 수 있다. 연결핀(300)은 바디(110)의 관통홀(130)을 통과하면서 일측의 탄성부재(310)가 다른 방향이 아닌 연결핀(300) 길이 방향으로만 압축 또는 신장되도록 하기 위하여 연결핀(300)이 직선방향으로만 운동하도록 가이드 하는 가이드부(140)가 마련될 수 있다.

구체적으로, 바디(110)의 외측은 제2 회전부(200)의 내측에 삽입되어 상대 회전이 가능하도록 결합될 수 있다. 또한, 바디(110)에는 연결핀(300)이 길이방향으로 위치하도록 내부에 공간이 마련될 수 있고, 연결핀(300)의 탄성부재(310)측은 개방되어있고, 레버부(120)가 연결핀(300)의 탄성부재(310)를 지지하면서 개방된 바디(120)를 막도록 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 관절 안전장치가 구비된 안전시스템은 제1 회전부; 제1 회전부를 구동하는 액추에이터; 제1 회전부와 상대 회전이 가능하도록 결합된 제2 회전부; 일측은 탄성부재를 통해 제1 회전부에 연결되고, 타측은 탄성부재를 통한 가압에 의해 제2 회전부에 접하는 연결핀; 및 액추에이터를 제어함으로써 제1회전부가 회전되도록 하는 제어부;를 포함하고, 평상시에는 탄성부재의 가압에 의해 제1 회전부와 제2 회전부가 함께 회전하고, 제1 회전부와 제2 회전부의 상대적인 토크 차이가 일정수준 이상일 경우 제1 회전부와 제2 회전부는 상대 회전하는 것을 특징으로 한다.

로봇 관절 안전장치가 구비된 안전시스템은 상기 설명한 로봇 관절 안전장치와 같이, 제2 회전부에 접하는 연결핀의 타측은 반구형 형상이고, 제2 회전부에는 연결핀의 타측이 삽입되는 삽입홈이 형성될 수 있다.

로봇 관절 안전장치가 구비된 안전시스템은 상기 설명한 로봇 관절 안전장치와 같이, 제1 회전부에는 탄성부재를 지지하는 레버부가 마련되고, 레버부는 제1 회전부 상에서 탄성부재측 또는 그 반대측으로 위치이동이 가능함으로써 탄성부재에 저장되는 탄성력이 가변가능할 수 있다.

본 발명의 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

100 : 제1 회전부 110 : 바디
120 : 레버부 130 : 관통홀
140 : 가이드부 200 : 제2 회전부
300 : 연결핀 310 : 탄성부재

Claims (12)

1. 제1 회전부;
   제1 회전부와 상대 회전이 가능하도록 제1 회전부와 결합된 제2 회전부;
   일측은 탄성부재를 통해 제1 회전부에 연결되고, 타측은 탄성부재를 통한 가압에 의해 제2 회전부에 접하는 연결핀을 포함하고;
   탄성부재에 지지된 연결핀이 직접 이동해서 제1회전부와 제2회전부가 서로 연결되거나 또는 연결이 해제되고;
   평상시 연결핀에 의해 제1회전부와 제2회전부가 연결된 상태에서는 제1 회전부와 제2 회전부가 함께 회전하고, 제1 회전부와 제2 회전부의 상대적인 토크 차이가 일정수준 이상일 경우 제1회전부와 제2회전부의 연결이 해제되어서 제1 회전부와 제2 회전부는 상대 회전을 하며;
   제1회전부에는 탄성부재의 설치 및 연결핀의 이동을 위한 가이드부가 마련되고;
   탄성부재는 제1 회전부와 제2 회전부사이에 위치하도록 구성된 것을 특징으로 하는 로봇 관절 안전장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   연결핀은 서로 이격된 복수로 마련되어 제1 회전부 또는 제2 회전부에 각각 연결되거나 접하는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 안전장치.
3. 청구항 1에 있어서,
   제2 회전부에 접하는 연결핀의 타측은 반구형 형상이고, 제2 회전부에는 연결핀의 타측이 삽입되는 삽입홈이 형성된 것을 특징으로 하는 로봇 관절 안전장치.
4. 청구항 3에 있어서,
   제1 회전부와 제2 회전부의 상대적인 토크 차이가 일정수준 이상일 경우 연결핀의 타측은 제2 회전부의 삽입홈에서 이탈되고, 연결핀이 제2 회전부에 의해 반대방향으로 가압되며 탄성부재가 압축됨으로써 제1 회전부와 제2 회전부가 상대 회전되는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 안전장치.
5. 청구항 1에 있어서,
   제1 회전부에는 탄성부재를 지지하는 레버부가 마련되고, 레버부는 제1 회전부 상에서 탄성부재측 또는 그 반대측으로 위치이동이 가능함으로써 탄성부재에 저장되는 탄성력이 가변가능한 것을 특징으로 하는 로봇 관절 안전장치.
6. 청구항 5에 있어서,
   제1 회전부에는 관통홀이 형성된 바디가 마련되고, 연결핀은 일측이 레버부와 탄성부재로 지지되고 타측이 관통홀을 관통하여 제2 회전부에 접하는 것을 특징으로 하는 로봇 관절 안전장치.
7. 청구항 6에 있어서,
   레버부는 제1 회전부의 바디에 나사결합되어 제1 회전부 상에서 탄성부재측 또는 그 반대측으로 위치이동이 가능한 것을 특징으로 하는 로봇 관절 안전장치.
8. 청구항 6에 있어서,
   가이드부는 관통홀을 따라 연결핀이 직선운동을 할 수 있도록 바디에 마련된 것을 특징으로 하는 로봇 관절 안전장치.
9. 청구항 6에 있어서,
   바디의 외측은 제2 회전부의 내측에 삽입되어 상대 회전이 가능하도록 결합되고 바디에는 연결핀이 위치하는 내부 공간이 마련되면서 연결핀의 탄성부재측은 개방되어있고, 레버부는 연결핀의 탄성부재를 지지하면서 개방된 바디를 막도록 형성된 것을 특징으로 하는 로봇 관절 안전장치.
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