KR102357609B1 - Counterbalance manipulator based on gear - Google Patents

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KR102357609B1
KR102357609B1 KR1020200020059A KR20200020059A KR102357609B1 KR 102357609 B1 KR102357609 B1 KR 102357609B1 KR 1020200020059 A KR1020200020059 A KR 1020200020059A KR 20200020059 A KR20200020059 A KR 20200020059A KR 102357609 B1 KR102357609 B1 KR 102357609B1
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도현민
박동일
최태용
김의겸
박종우
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한국기계연구원
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Abstract

본 발명은 베이스; 상기 베이스에 일측이 회동 가능하게 결합되되 수평방향인 피치(pitch)방향 회전축인 제1관절로 연결된 제1링크; 및 상기 제1링크에 구비되고, 상기 베이스에 일측이 연결되며 상기 제1링크에 타측이 연결되어, 상기 베이스를 기준으로 제1링크가 회전될 때 상기 제1링크의 자중에 대한 보상토크를 발생시키는 제1보상토크 발생부; 를 포함하여 이루어지고, 상기 제1보상토크 발생부에서는 기어를 활용하여 스프링을 압축시키도록 함으로써 원하는 보상토크를 얻을 수 있도록 한 기어 기반 자중보상 매니퓰레이터에 관한 것이다.The present invention is a base; a first link having one side rotatably coupled to the base and connected to a first joint that is a horizontal pitch direction rotation axis; and provided in the first link, one end connected to the base, and the other end connected to the first link to generate a compensation torque for the weight of the first link when the first link is rotated with respect to the base a first compensation torque generating unit to It relates to a gear-based self-weight compensation manipulator that is made including, and the first compensation torque generating unit uses a gear to compress a spring to obtain a desired compensation torque.

Description

기어 기반 자중보상 매니퓰레이터 {Counterbalance manipulator based on gear}Gear-based self-weight compensation manipulator {Counterbalance manipulator based on gear}

본 발명은 링크의 자중에 의한 중력토크를 보상할 수 있는 매니퓰레이터에 관한 것이다.The present invention relates to a manipulator capable of compensating for gravitational torque caused by the weight of a link.

최근 다양한 분야에서 로봇에 대한 필요성이 급증하고 있다.Recently, the need for robots in various fields is rapidly increasing.

그런데 로봇의 가격 및 안전성 등의 문제로 인해 인간-로봇 간의 공존이 불가능하므로 로봇 산업은 기존의 제조업용 로봇에 국한되고 있으며, 서비스 로봇의 경우 청소 로봇 등만 상용화된 실정이다.However, because coexistence between humans and robots is impossible due to problems such as price and safety of robots, the robot industry is limited to existing manufacturing robots, and in the case of service robots, only cleaning robots have been commercialized.

일반적인 로봇의 경우 구동 및 작업에 필요한 토크를 제공하고자 높은 사양의 모터 및 감속기가 필수적으로 사용되는데, 이는 충돌 위험성 및 로봇의 가격을 높이는 주요 원인이 되고 있다. 반면에 낮은 사양의 저가 부품으로는 로봇 작업에 필요한 토크를 제공할 수 없다.In the case of a general robot, a high-spec motor and reducer are essential to provide the torque required for driving and work, which is a major cause of increasing the risk of collision and the price of the robot. On the other hand, low-end, low-cost parts cannot provide the torque required for robot work.

이를 위하여 로봇 구동 시 필요한 토크의 대부분을 차지하는 로봇의 자중으로부터 인가되는 중력토크를 보상할 수 있는 자중보상장치(중력보상장치)가 개발되어 있다.To this end, a self-weight compensating device (gravity compensating device) that can compensate for the gravitational torque applied from the robot's own weight, which accounts for most of the torque required for driving the robot, has been developed.

그러나 종래의 자중보상장치 및 이를 탑재한 매니퓰레이터의 경우, 와이어(케이블)를 사용하여 스프링을 압축시키거나 인장시키는 방법으로 중력토크를 보상할 수 있는 보상토크를 발생시키는 방법을 이용하였으나, 이는 와이어의 파손 등으로 인하여 실제 현장에 적용하는데 어려움이 있었다. 또한, 4절 링크 기반의 자중보상장치는 와이어의 파손은 방지할 수 있으나 중력토크의 완전한 보상이 어려운 단점이 있다.However, in the case of a conventional self-weight compensator and a manipulator equipped with the same, a method of generating a compensation torque capable of compensating for gravity torque was used by compressing or tensioning a spring using a wire (cable). It was difficult to apply to the actual field due to damage, etc. In addition, the 4-bar link-based self-weight compensator can prevent wire breakage, but has a disadvantage in that it is difficult to completely compensate for gravity torque.

JP 2003-181789 A (2003.07.02.)JP 2003-181789 A (2003.07.02.)

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 기존의 와이어 기반의 자중보상장치의 내구성 및 조립성 등을 개선하기 위하여, 기어를 활용하여 스프링을 압축시키도록 함으로써 원하는 보상토크를 얻을 수 있는 기어 기반 자중보상 매니퓰레이터를 제공하는 것이다.The present invention has been devised to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to improve the durability and assemblyability of the existing wire-based self-weight compensator by compressing the spring using a gear. It is to provide a gear-based self-weight compensation manipulator that can obtain the desired compensation torque.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기어 기반 자중보상 매니퓰레이터는, 베이스; 상기 베이스에 일측이 회동 가능하게 결합되되 피치(pitch)방향 회전축인 제1관절로 연결된 제1링크; 및 상기 제1링크에 구비되고, 상기 베이스에 일측이 연결되며 상기 제1링크에 타측이 연결되어, 상기 베이스를 기준으로 제1링크가 회전될 때 상기 제1링크의 자중에 대한 보상토크를 발생시키는 제1보상토크 발생부; 를 포함하며, 상기 제1보상토크 발생부는, 상기 베이스에 결합되어 고정된 된 제1기준 기어; 상기 제1링크에 회동 가능하게 결합되며, 상기 제1기준 기어에 맞물려 결합된 제1보상 기어; 상기 제1보상 기어의 중심축으로부터 이격되어 배치되며, 상기 제1보상 기어에 회동 가능하게 결합된 제1롤러; 상기 제1링크를 따라 슬라이딩 가능하게 결합되며, 상기 제1롤러에 접하여 배치된 제1슬라이딩 블록; 상기 제1슬라이딩 블록으로부터 이격되어 상기 제1링크에 고정된 제1고정 블록; 및 상기 제1슬라이딩 블록에 일단이 연결되고 상기 제1고정 블록에 타단이 연결되며, 상기 제1슬라이딩 블록의 이동에 따라 탄성 변형되어 보상토크를 발생시키는 제1탄성부재; 를 포함하여 이루어질 수 있다.Gear-based self-weight compensation manipulator of the present invention for achieving the object as described above, the base; a first link having one side rotatably coupled to the base and connected to a first joint that is a rotation axis in a pitch direction; and provided in the first link, one end connected to the base, and the other end connected to the first link to generate a compensation torque for the weight of the first link when the first link is rotated with respect to the base a first compensation torque generating unit to It includes, wherein the first compensation torque generating unit, a first reference gear coupled to the base and fixed; a first compensation gear rotatably coupled to the first link and engaged with the first reference gear; a first roller arranged to be spaced apart from the central axis of the first compensation gear and rotatably coupled to the first compensation gear; a first sliding block coupled to be slidable along the first link and disposed in contact with the first roller; a first fixed block spaced apart from the first sliding block and fixed to the first link; and a first elastic member having one end connected to the first sliding block and the other end connected to the first fixed block, the first elastic member being elastically deformed according to the movement of the first sliding block to generate a compensating torque; may be included.

또한, 상기 제1보상토크 발생부의 제1기준 기어와 제1보상 기어의 기어비는 1:2로 형성될 수 있다.In addition, a gear ratio of the first reference gear and the first compensation gear of the first compensation torque generating unit may be 1:2.

또한, 상기 제1보상토크 발생부의 제1롤러는 한 쌍이 구비되고, 상기 한 쌍의 제1롤러는 제1보상 기어의 중심축을 기준으로 양측에 대칭으로 배치되며, 상기 제1링크가 수직방향으로 세워져 있을 때 상기 한 쌍의 제1롤러가 제1슬라이딩 블록에 접하여 배치될 수 있다.In addition, a pair of first rollers of the first compensation torque generating unit is provided, and the pair of first rollers are symmetrically disposed on both sides with respect to the central axis of the first compensation gear, and the first link is in the vertical direction. When standing, the pair of first rollers may be disposed in contact with the first sliding block.

또한, 상기 제1보상토크 발생부의 제1슬라이딩 블록에 일측이 각각 결합되어 고정되며 타측은 상기 제1고정 블록을 관통하여 이동 가능하게 결합된 한 쌍의 제1가이드 로드를 더 포함하고, 상기 제1탄성부재인 코일 스프링이 제1슬라이딩 블록과 제1고정 블록의 사이에 배치되어, 상기 제1탄성부재가 한 쌍의 제1가이드 로드에 각각 끼워져 결합될 수 있다.In addition, one side of the first compensation torque generating unit is coupled to and fixed to the first sliding block, and the other side further includes a pair of first guide rods movably coupled through the first fixing block, A coil spring, which is a first elastic member, is disposed between the first sliding block and the first fixed block, so that the first elastic member may be fitted and coupled to the pair of first guide rods, respectively.

또한, 상기 제1보상토크 발생부의 제1보상 기어에는 제1롤러가 결합되는 제1롤러 결합공이 복수개가 형성되되, 상기 제1롤러 결합공들은 제1보상 기어의 중심축을 기준으로 반경방향 거리가 서로 다르게 형성될 수 있다.In addition, a plurality of first roller coupling holes to which a first roller is coupled are formed in the first compensation gear of the first compensation torque generating unit, and the first roller coupling holes have a radial distance based on the central axis of the first compensation gear. They may be formed differently.

또한, 상기 제1링크에 일측이 회동 가능하게 결합되되 피치(pitch)방향 회전축인 제2관절로 연결된 제2링크; 및 상기 제2링크에 구비되고, 상기 제1링크에 일측이 연결되며 상기 제2링크에 타측이 연결되어, 상기 제1링크를 기준으로 제2링크가 회전될 때 상기 제2링크의 자중에 대한 보상토크를 발생시키는 제2보상토크 발생부; 를 더 포함하며, 상기 제2보상토크 발생부는, 상기 제1링크에 회동 가능하게 결합되며, 상기 제1보상토크 발생부의 제1기준 기어와 연동되는 제2기준 기어; 상기 제2링크에 회동 가능하게 결합되며, 상기 제2기준 기어에 맞물려 결합된 제2보상 기어; 상기 제2보상 기어의 중심축으로부터 이격되어 배치되며, 상기 제2보상 기어에 회동 가능하게 결합된 제2롤러; 상기 제2링크를 따라 슬라이딩 가능하게 결합되며, 상기 제2롤러에 접하여 배치된 제2슬라이딩 블록; 상기 제2슬라이딩 블록으로부터 이격되어 상기 제1링크에 고정된 제2고정 블록; 및 상기 제2슬라이딩 블록에 일단이 연결되고 상기 제2고정 블록에 타단이 연결되며, 상기 제2슬라이딩 블록의 이동에 따라 탄성 변형되어 보상토크를 발생시키는 제2탄성부재; 를 포함하여 이루어질 수 있다.In addition, a second link coupled to the first link rotatably on one side by a second joint that is a rotation axis in a pitch direction; and provided in the second link, one end connected to the first link and the other end connected to the second link, so that when the second link is rotated based on the first link, the weight of the second link a second compensation torque generator for generating compensation torque; Further comprising: a second reference gear rotatably coupled to the first link and interlocked with the first reference gear of the first compensation torque generator; a second compensation gear rotatably coupled to the second link and engaged with the second reference gear; a second roller disposed to be spaced apart from the central axis of the second compensation gear and rotatably coupled to the second compensation gear; a second sliding block coupled to be slidable along the second link and disposed in contact with the second roller; a second fixed block spaced apart from the second sliding block and fixed to the first link; and a second elastic member having one end connected to the second sliding block and the other end connected to the second fixed block, elastically deformed according to the movement of the second sliding block to generate a compensating torque; may be included.

또한, 상기 제1보상토크 발생부의 제1기준 기어 및 상기 제2보상토크 발생부의 제2기준 기어에는 각각 타이밍 풀리가 결합되고 상기 타이밍 풀리들은 타이밍 벨트로 연결되어 상기 제1기준 기어와 제2기준 기어가 연동될 수 있다.In addition, timing pulleys are respectively coupled to the first reference gear of the first compensation torque generator and the second reference gear of the second compensation torque generator, and the timing pulleys are connected by a timing belt, so that the first reference gear and the second reference gear Gears may be interlocked.

또한, 상기 제2보상토크 발생부의 제2기준 기어와 제2보상 기어의 기어비는 1:2로 형성될 수 있다.In addition, a gear ratio of the second reference gear and the second compensation gear of the second compensation torque generating unit may be 1:2.

또한, 상기 제2보상토크 발생부의 제2롤러는 한 쌍이 구비되고, 상기 한 쌍의 제2롤러는 제2보상 기어의 중심축을 기준으로 양측에 대칭으로 배치되며, 상기 제2링크가 수직방향으로 세워져 있을 때 상기 한 쌍의 제2롤러가 제2슬라이딩 블록에 접하여 배치될 수 있다.In addition, a pair of second rollers of the second compensation torque generating unit is provided, and the pair of second rollers are symmetrically disposed on both sides with respect to the central axis of the second compensation gear, and the second link is vertically aligned. When standing, the pair of second rollers may be disposed in contact with the second sliding block.

또한, 상기 제2보상토크 발생부의 제2슬라이딩 블록에 일측이 각각 결합되어 고정되며 타측은 상기 제2고정 블록을 관통하여 이동 가능하게 결합된 한 쌍의 제2가이드 로드를 더 포함하고, 상기 제2탄성부재인 코일 스프링이 제2슬라이딩 블록과 제2고정 블록의 사이에 배치되어, 상기 제2탄성부재가 한 쌍의 제2가이드 로드에 각각 끼워져 결합될 수 있다.In addition, one side of the second compensation torque generating unit is coupled to and fixed to the second sliding block, and the other side further includes a pair of second guide rods movably coupled through the second fixing block, A coil spring, which is a second elastic member, is disposed between the second sliding block and the second fixed block, so that the second elastic member may be fitted and coupled to a pair of second guide rods, respectively.

또한, 상기 제2보상토크 발생부의 제2보상 기어에는 제2롤러가 결합되는 제2롤러 결합공이 복수개가 형성되되, 상기 제2롤러 결합공들은 제2보상 기어의 중심축을 기준으로 반경방향 거리가 서로 다르게 형성될 수 있다.In addition, a plurality of second roller coupling holes to which a second roller is coupled are formed in the second compensation gear of the second compensation torque generating unit, and the second roller coupling holes have a radial distance based on the central axis of the second compensation gear. They may be formed differently.

본 발명의 기어 기반 자중보상 매니퓰레이터는 기어를 이용해 스프링을 압축시켜 적절한 보상토크를 발생시킬 수 있어, 자중보상장치의 내구성 및 조립성이 향상되는 장점이 있다. The gear-based self-weight compensation manipulator of the present invention can generate an appropriate compensation torque by compressing a spring using a gear, thereby improving durability and assembly of the self-weight compensation device.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기어 기반 자중보상 매니퓰레이터를 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기어 기반 자중보상 매니퓰레이터의 제1링크가 베이스를 기준으로 상측 방향으로 세워져 있는 상태를 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기어 기반 자중보상 매니퓰레이터의 제1링크가 베이스를 기준으로 우측으로 90도 회전된 상태를 나타낸 개략도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 기어 기반 자중보상 매니퓰레이터의 제1보상 기어(또는 제2보상 기어)를 나타낸 도면이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 기어 기반 자중보상 매니퓰레이터의 중력보상 메커니즘을 나타낸 개념도이다.1 and 2 are perspective views illustrating a gear-based self-weight compensation manipulator according to an embodiment of the present invention.
3 is a schematic diagram illustrating a state in which the first link of the gear-based self-weight compensation manipulator according to an embodiment of the present invention is erected in an upward direction with respect to the base.
4 is a schematic diagram illustrating a state in which the first link of the gear-based self-weight compensation manipulator is rotated 90 degrees to the right with respect to the base according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating a first compensation gear (or a second compensation gear) of the gear-based self-weight compensation manipulator according to an embodiment.
6 to 8 are conceptual views illustrating a gravity compensation mechanism of a gear-based self-weight compensation manipulator according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 중공 구조를 활용한 자중보상 매니퓰레이터를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, a self-weight compensation manipulator using the hollow structure of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기어 기반 자중보상 매니퓰레이터를 나타낸 사시도이다.1 and 2 are perspective views illustrating a gear-based self-weight compensation manipulator according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 기어 기반 자중보상 매니퓰레이터는 크게 베이스(B), 제1링크(L1) 및 제1보상토크 발생부(100)로 구성될 수 있으며, 제2링크(L2), 제2보상토크 발생부(200) 및 가반하중(L3)을 더 포함하여 구성될 수 있다. 이하에서는 상기한 구성요소들이 모두 포함된 실시예를 기준으로 설명하기로 한다.1 and 2, the gear-based self-weight compensation manipulator according to an embodiment of the present invention may be largely composed of a base (B), a first link (L1), and a first compensation torque generating unit (100). , the second link (L2), the second compensation torque generating unit 200 and may be configured to further include a payload (L3). Hereinafter, it will be described based on an embodiment in which all of the above components are included.

베이스(B)는 고정되어 기준이 되는 부분이며, 베이스(B)는 지면 또는 벽면에 설치되어 고정되거나 설비에 장착되어 고정될 수도 있다. 이외에도 베이스(B)는 다양한 대상 및 위치에 결합되어 고정될 수 있다.The base (B) is a fixed and standard part, and the base (B) may be fixed by being installed on the ground or wall, or may be fixed by being installed in the equipment. In addition, the base (B) may be fixed by being coupled to various objects and positions.

제1링크(L1)는 일측인 하단부가 베이스(B)의 상측에 제1관절(J1)로 연결될 수 있으며, 제1관절(J1)은 지면과 나란한 수평방향을 따라 형성된 피치(pitch)방향 회전축으로 형성되어 베이스(B)를 기준으로 제1링크(L1)가 회동 가능하게 형성될 수 있다.The first link (L1), the lower end of one side may be connected to the upper side of the base (B) by a first joint (J1), the first joint (J1) is a pitch direction rotation axis formed along a horizontal direction parallel to the ground. The first link (L1) may be formed to be rotatable with respect to the base (B).

제1보상토크 발생부(100)는 제1링크(L1)의 내부에 구비될 수 있으며, 제1보상토크 발생부(100)는 베이스(B)에 일측이 연결되고 제1링크(L1)에 타측이 연결되어, 제1보상토크 발생부(100)에서는 베이스(B)를 기준으로 제1링크(L1)가 회전될 때 제1링크(L1)의 자중에 대한 보상토크를 발생시킬 수 있다. 그리고 제1보상토크 발생부(100)는 제1기준 기어(110), 제1보상 기어(120), 제1롤러(130), 제1슬라이딩 블록(140), 제1고정 블록(150) 및 제1탄성부재(160)로 구성될 수 있으며, 제1가이드 로드(170)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 제1기준 기어(110)는 베이스(B)에 결합되어 고정될 수 있으며, 베이스(B)에 고정된 고정축에 제1기준 기어(110)가 결합되어 제1링크(L1)가 회전되더라도 제1기준 기어(110)는 회전되지 않고 고정된 상태로 유지될 수 있다. 제1보상 기어(120)는 제1기준 기어(110)로부터 상측으로 이격된 위치에 배치되며, 제1보상 기어(120)는 제1링크(L1)에 회동 가능하게 회전축으로 결합될 수 있다. 그리고 제1보상 기어(120)는 제1기준 기어(110)에 맞물려 결합될 수 있다. 또한, 일례로 제1기준 기어(110)와 제1보상 기어(120)의 기어비는 1:2로 형성될 수 있다. 여기에서 제1기준 기어(110)의 고정축과 제1보상 기어(120)의 회전축은 모두 제1관절(J1)인 피치방향 회전축과 나란하게 형성될 수 있다. 제1롤러(130)는 한 쌍이 구비될 수 있고, 한 쌍의 제1롤러(130)는 제1보상 기어(120)의 회전축방향 일면에 배치될 수 있으며, 한 쌍의 제1롤러(130)는 제1보상 기어(120)의 중심축인 회전축으로부터 수평방향 양쪽으로 각각 이격되게 배치되어 제1보상 기어(120)의 회전축을 기준으로 양측에 제1롤러(130)들이 대칭으로 배치될 수 있다. 그리고 한 쌍의 제1롤러(130)들은 제1보상 기어(120)에 회동 가능하게 결합될 수 있다. 제1슬라이딩 블록(140)은 제1링크(L1)를 따라 상하방향 직선으로 슬라이딩 가능하게 제1링크(L1)에 결합되며, 제1슬라이딩 블록(140)은 일측인 하면이 한 쌍의 제1롤러(130)에 접하여 배치될 수 있다. 제1고정 블록(150)은 제1슬라이딩 블록(140)으로부터 상측으로 이격된 위치에 배치되며, 제1고정 블록(150)은 제1링크(L1)에 결합되어 고정될 수 있다. 그리고 제1고정 블록(150)은 상하를 관통하는 한 쌍의 관통공이 형성될 수 있으며, 관통공들에는 각각 부쉬(151)가 삽입되어 고정될 수 있다. 또한, 제1슬라이딩 블록(140)에는 한 쌍의 제1가이드 로드(170)의 일측인 하단부가 결합되어 고정되고, 제1가이드 로드(170)들은 각각 제1고정 블록(150)에 형성된 부쉬(151)를 통과하여 슬라이딩 가능하게 결합되어, 제1슬라이딩 블록(140)이 상하방향으로 직선 이동하도록 안내될 수 있다. 제1탄성부재(160)는 한 쌍이 구비될 수 있으며, 제1탄성부재(160)는 제1슬라이딩 블록(140)에 일단이 연결되고 제1고정 블록(150)에 타단이 연결되어 제1슬라이딩 블록(140)의 이동에 따라 탄성 변형되어 보상토크를 발생시킬 수 있다. 일례로 제1탄성부재(160)들은 압축 코일스프링으로 형성되어 각각 제1가이드 로드(170)의 외측에 끼워질 수 있으며, 제1탄성부재(160)는 제1슬라이딩 블록(140)과 제1고정 블록(150)의 사이에 개재될 수 있다. 즉, 제1탄성부재(160)의 하단이 제1슬라이딩 블록(140)에 접촉하여 받쳐지고 제1탄성부재(160)의 상단이 제1고정 블록(150)에 접촉하여 받쳐질 수 있다.The first compensation torque generator 100 may be provided inside the first link L1, and the first compensation torque generator 100 has one side connected to the base B and the first link L1. The other side is connected, and the first compensation torque generating unit 100 may generate a compensation torque for the weight of the first link L1 when the first link L1 is rotated with respect to the base B. And the first compensation torque generating unit 100 is the first reference gear 110, the first compensation gear 120, the first roller 130, the first sliding block 140, the first fixed block 150 and It may be composed of a first elastic member 160 , and may further include a first guide rod 170 . The first reference gear 110 may be coupled to the base B and fixed, and even if the first reference gear 110 is coupled to the fixed shaft fixed to the base B, the first link L1 is rotated, the first reference gear 110 is The first reference gear 110 may be maintained in a fixed state without being rotated. The first compensation gear 120 is disposed at a position spaced upward from the first reference gear 110 , and the first compensation gear 120 may be rotatably coupled to the first link L1 as a rotational shaft. In addition, the first compensation gear 120 may be engaged with and coupled to the first reference gear 110 . In addition, as an example, the gear ratio of the first reference gear 110 and the first compensation gear 120 may be 1:2. Here, both the fixed shaft of the first reference gear 110 and the rotational shaft of the first compensation gear 120 may be formed in parallel with the pitch direction rotational shaft which is the first joint J1. A pair of first rollers 130 may be provided, and a pair of first rollers 130 may be disposed on one surface in the rotational axis direction of the first compensation gear 120 , and a pair of first rollers 130 . is arranged to be spaced apart from each other in the horizontal direction from the axis of rotation, which is the central axis of the first compensation gear 120 , so that the first rollers 130 are symmetrically disposed on both sides with respect to the axis of rotation of the first compensation gear 120 . . In addition, the pair of first rollers 130 may be rotatably coupled to the first compensation gear 120 . The first sliding block 140 is coupled to the first link L1 so as to be slidably slidable in an up-down direction along the first link L1, and the first sliding block 140 has a lower surface of a pair of first It may be disposed in contact with the roller 130 . The first fixing block 150 may be disposed at a position spaced upward from the first sliding block 140 , and the first fixing block 150 may be fixedly coupled to the first link L1 . In addition, the first fixing block 150 may have a pair of through-holes penetrating up and down, and a bush 151 may be inserted into each of the through-holes to be fixed thereto. In addition, the lower end, which is one side of the pair of first guide rods 170, is coupled and fixed to the first sliding block 140, and the first guide rods 170 are bushes formed on the first fixing block 150, respectively. 151) to be slidably coupled, the first sliding block 140 may be guided to move in a straight line in the vertical direction. A pair of the first elastic member 160 may be provided, and the first elastic member 160 has one end connected to the first sliding block 140 and the other end connected to the first fixing block 150 for the first sliding It is elastically deformed according to the movement of the block 140 to generate a compensation torque. For example, the first elastic members 160 are formed of a compression coil spring and can be fitted to the outside of the first guide rod 170, respectively, and the first elastic member 160 is the first sliding block 140 and the first It may be interposed between the fixing blocks 150 . That is, the lower end of the first elastic member 160 may be supported in contact with the first sliding block 140 , and the upper end of the first elastic member 160 may be supported in contact with the first fixing block 150 .

제2링크(L2)는 일측인 하단부가 제1링크(L1)의 타측인 상단부에 제2관절(J2)로 연결될 수 있으며, 제2관절(J2)은 지면과 나란한 수평방향을 따라 형성된 피치(pitch)방향 회전축으로 형성되어 제1링크(L1))를 기준으로 제2링크(L2)가 회동 가능하게 형성될 수 있다.The second link (L2) may be connected to the second joint (J2) at the upper end of which is the other side of the first link (L1), the lower end of which is one side, and the second joint (J2) has a pitch formed along the horizontal direction in parallel with the ground ( pitch) direction, so that the second link L2 can be rotatably formed with respect to the first link L1).

제2보상토크 발생부(200)는 제2링크(L2)의 내부에 구비될 수 있으며, 제2보상토크 발생부(200)는 제1링크(L1)에 일측이 연결되고 제2링크(L2)에 타측이 연결되어, 제2보상토크 발생부(200)에서는 제1링크(L1)를 기준으로 제2링크(L2)가 회전될 때 제2링크(L2)의 자중에 대한 보상토크를 발생시킬 수 있다. 그리고 제2보상토크 발생부(200)는 제2기준 기어(210), 제2보상 기어(220), 제2롤러(230), 제2슬라이딩 블록(240), 제2고정 블록(250) 및 제2탄성부재(260)로 구성될 수 있으며, 제2가이드 로드(270)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 제2기준 기어(210)는 제1링크(L1)에 회동 가능하게 결합될 수 있으며, 제1링크(L1)에 회전 가능하게 결합된 회전축에 제2기준 기어(210)가 결합되어 제1링크(L1)를 기준으로 제2기준 기어(210)가 회전 가능하도록 구성될 수 있다. 그리고 제2기준 기어(210)는 제1보상토크 발생부(100)의 제1기준 기어(110)와 연결되어 연동되도록 구성될 수 있다. 제2보상 기어(220)는 제2기준 기어(210)로부터 상측으로 이격된 위치에 배치되며, 제2보상 기어(220)는 제2링크(L2)에 회동 가능하게 회전축으로 결합될 수 있다. 그리고 제2보상 기어(220)는 제2기준 기어(210)에 맞물려 결합될 수 있다. 또한, 일례로 제2기준 기어(210)와 제2보상 기어(220)의 기어비는 1:2로 형성될 수 있다. 여기에서 제2기준 기어(210)의 회전축과 제2보상 기어(220)의 회전축은 모두 제2관절(J2)인 피치방향 회전축과 나란하게 형성될 수 있다. 제2롤러(230)는 한 쌍이 구비될 수 있고, 한 쌍의 제2롤러(230)는 제2보상 기어(220)의 회전축방향 일면에 배치될 수 있으며, 한 쌍의 제2롤러(230)는 제2보상 기어(220)의 중심축인 회전축으로부터 수평방향 양쪽으로 각각 이격되게 배치되어 제2보상 기어(220)의 회전축을 기준으로 양측에 제2롤러(230)들이 대칭으로 배치될 수 있다. 그리고 한 쌍의 제2롤러(230)들은 제2보상 기어(220)에 회동 가능하게 결합될 수 있다. 제2슬라이딩 블록(240)은 제2링크(L2)를 따라 상하방향 직선으로 슬라이딩 가능하게 제2링크(L2)에 결합되며, 제2슬라이딩 블록(240)은 일측인 하면이 한 쌍의 제2롤러(230)에 접하여 배치될 수 있다. 제2고정 블록(250)은 제2슬라이딩 블록(240)으로부터 상측으로 이격된 위치에 배치되며, 제2고정 블록(250)은 제2링크(L2)에 결합되어 고정될 수 있다. 그리고 제2고정 블록(250)은 상하를 관통하는 한 쌍의 관통공이 형성될 수 있으며, 관통공들에는 각각 부쉬(251)가 삽입되어 고정될 수 있다. 또한, 제2슬라이딩 블록(240)에는 한 쌍의 제2가이드 로드(270)의 일측인 하단부가 결합되어 고정되고, 제2가이드 로드(270)들은 각각 제2고정 블록(250)에 형성된 부쉬(251)를 통과하여 슬라이딩 가능하게 결합되어, 제2슬라이딩 블록(240)이 상하방향으로 직선 이동하도록 안내될 수 있다. 제2탄성부재(260)는 한 쌍이 구비될 수 있으며, 제2탄성부재(260)는 제2슬라이딩 블록(240)에 일단이 연결되고 제2고정 블록(250)에 타단이 연결되어 제2슬라이딩 블록(240)의 이동에 따라 탄성 변형되어 보상토크를 발생시킬 수 있다. 일례로 제2탄성부재(260)들은 압축 코일스프링으로 형성되어 각각 제2가이드 로드(270)의 외측에 끼워질 수 있으며, 제2탄성부재(260)는 제2슬라이딩 블록(240)과 제2고정 블록(250)의 사이에 개재될 수 있다. 즉, 제2탄성부재(260)의 하단이 제2슬라이딩 블록(240)에 접촉하여 받쳐지고 제2탄성부재(260)의 상단이 제2고정 블록(250)에 접촉하여 받쳐질 수 있다. 또한, 제2기준 기어(210)가 결합된 회전축에는 타이밍 풀리(211)들이 결합될 수 있으며, 하나의 타이밍 풀리는 제1링크(L1)의 내부에 배치되고 다른 하나의 타이밍 풀리는 제2링크(L2)의 내부에 배치될 수 있다. 또한, 제2기준 기어(210)가 결합된 회전축에 결합되어 있으며 제1링크(L1)의 내부에 구비된 타이밍 풀리(211)는 제1보상토크 발생부(100)의 제1기준 기어(110)와 결합된 타이밍 풀리(111)와 타이밍 벨트(112)로 연결될 수 있다.The second compensation torque generator 200 may be provided inside the second link L2, and the second compensation torque generator 200 has one side connected to the first link L1 and the second link L2. ) is connected to the other side, and the second compensation torque generating unit 200 generates a compensation torque for the weight of the second link L2 when the second link L2 is rotated based on the first link L1. can do it And the second compensation torque generating unit 200 is the second reference gear 210, the second compensation gear 220, the second roller 230, the second sliding block 240, the second fixed block 250 and The second elastic member 260 may be configured, and a second guide rod 270 may be further included. The second reference gear 210 may be rotatably coupled to the first link L1 , and the second reference gear 210 is coupled to a rotation shaft rotatably coupled to the first link L1 , such that the first link Based on (L1), the second reference gear 210 may be configured to be rotatable. And the second reference gear 210 may be configured to be connected to the first reference gear 110 of the first compensation torque generating unit 100 to be interlocked. The second compensation gear 220 is disposed at a position spaced upward from the second reference gear 210 , and the second compensation gear 220 may be rotatably coupled to the second link L2 as a rotation shaft. In addition, the second compensation gear 220 may be engaged with and coupled to the second reference gear 210 . In addition, as an example, the gear ratio of the second reference gear 210 and the second compensation gear 220 may be 1:2. Here, both the rotation shaft of the second reference gear 210 and the rotation shaft of the second compensation gear 220 may be formed in parallel with the pitch direction rotation shaft which is the second joint J2. A pair of the second rollers 230 may be provided, and the pair of second rollers 230 may be disposed on one surface in the rotation axis direction of the second compensation gear 220 , and a pair of second rollers 230 . is spaced apart from each other in the horizontal direction from the axis of rotation, which is the central axis of the second compensation gear 220 , so that the second rollers 230 are symmetrically disposed on both sides with respect to the axis of rotation of the second compensation gear 220 . . And the pair of second rollers 230 may be rotatably coupled to the second compensation gear 220 . The second sliding block 240 is coupled to the second link L2 to be slidably slidable in an up-down direction along the second link L2, and the second sliding block 240 has a pair of second surfaces, the lower surface of which is one side. It may be disposed in contact with the roller 230 . The second fixing block 250 may be disposed at a position spaced upward from the second sliding block 240 , and the second fixing block 250 may be fixedly coupled to the second link L2 . In addition, the second fixing block 250 may have a pair of through-holes penetrating up and down, and a bush 251 may be inserted into each of the through-holes to be fixed thereto. In addition, the lower end, which is one side of the pair of second guide rods 270, is coupled and fixed to the second sliding block 240, and the second guide rods 270 are bushes formed on the second fixing block 250, respectively. 251) and slidably coupled thereto, the second sliding block 240 may be guided to move in a straight line in the vertical direction. A pair of the second elastic member 260 may be provided, and the second elastic member 260 has one end connected to the second sliding block 240 and the other end connected to the second fixing block 250 for the second sliding. It is elastically deformed according to the movement of the block 240 to generate a compensation torque. For example, the second elastic members 260 are formed of a compression coil spring and can be fitted to the outside of the second guide rod 270 , respectively, and the second elastic member 260 is the second sliding block 240 and the second It may be interposed between the fixing blocks 250 . That is, the lower end of the second elastic member 260 may be supported in contact with the second sliding block 240 , and the upper end of the second elastic member 260 may be supported in contact with the second fixing block 250 . In addition, timing pulleys 211 may be coupled to the rotation shaft to which the second reference gear 210 is coupled, one timing pulley is disposed inside the first link L1 and the other timing pulley is coupled to the second link L2. ) can be placed inside the In addition, the second reference gear 210 is coupled to the coupled rotation shaft, and the timing pulley 211 provided in the first link L1 is the first reference gear 110 of the first compensation torque generator 100 . ) and the combined timing pulley 111 and the timing belt 112 may be connected.

또한, 가반하중(L3)은 제2링크(L2)의 타측인 상단부에 제3관절(J3)로 연결될 수 있으며, 제3관절(J3)은 지면과 나란한 수평방향을 따라 형성된 피치(pitch)방향 회전축으로 형성되어 제2링크(L2)를 기준으로 가반하중(L3)이 회동 가능하게 형성될 수 있다. 여기에서 가반하중(L3)은 특정한 무게를 갖는 링크와 같은 구조물이 될 수 있으며, 가반하중(L3)에 결합된 회전축에 타이밍 풀리가 결합되어 제2링크(L2)의 내부 상단부에 배치될 수 있으며, 이 타이밍 풀리는 제2보상토크 발생부(200)의 제2기준 기어(210)에 결합된 타이밍 풀리(211)에 타이밍 벨트(212)로 연결될 수 있다. 그리고 가반하중(L3) 대신에 추가적인 링크들이 결합되어 연결될 수 있으며, 링크들이 연결된 최종단에는 물체 등을 파지하거나 툴을 장착할 수 있는 그리퍼 등의 엔드 이펙터가 장착될 수도 있다.In addition, the payload (L3) may be connected to the third joint (J3) at the upper end of the second link (L2), the third joint (J3) is formed along the horizontal direction parallel to the ground pitch (pitch) direction It is formed as a rotating shaft, and the payload L3 may be rotatably formed based on the second link L2. Here, the payload (L3) may be a structure such as a link having a specific weight, and a timing pulley is coupled to the rotation shaft coupled to the payload (L3) and may be disposed at the inner upper end of the second link (L2), , this timing pulley may be connected to the timing belt 212 to the timing pulley 211 coupled to the second reference gear 210 of the second compensation torque generating unit 200 . In addition, instead of the payload L3, additional links may be coupled and connected, and an end effector such as a gripper capable of gripping an object or mounting a tool may be mounted at the last end to which the links are connected.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기어 기반 자중보상 매니퓰레이터의 제1링크가 상하방향으로 세워져 있는 상태를 나타낸 개략도이다.3 is a schematic diagram illustrating a state in which the first link of the gear-based self-weight compensation manipulator is erected in the vertical direction according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 베이스(B)를 기준으로 제1링크(L1)가 상측을 향해 수직으로 세워져 있는 상태에서는 중력이 수직방향으로 작용하여 제1링크(L1)에는 자중에 의한 토크가 발생하지 않을 수 있다. 이때, 제1보상토크 발생부(100)의 한 상의 제1롤러(130)들은 제1보상 기어(120)의 회전축 중심을 통과하는 수평방향 선상에 배치되어, 한 쌍의 제1롤러(130)들이 제1슬라이딩 블록(140)의 하면에 접촉될 수 있다. 그리고 이 상태에서 한 쌍의 제1탄성부재(160)인 압축 코일스프링은 제1슬라이딩 블록(140)에 하단이 접촉되어 있고 제1고정 블록(150)에 상단이 접촉되어 있을 수 있다. 또는 압축 코일스프링들이 약간 압축된 상태가 될 수도 있다.Referring to FIG. 3 , in a state in which the first link L1 is vertically erected toward the upper side with respect to the base B, gravity acts in the vertical direction to generate torque by its own weight in the first link L1. it may not be At this time, the first rollers 130 of one phase of the first compensation torque generating unit 100 are arranged on a horizontal line passing through the center of the rotation axis of the first compensation gear 120 , and a pair of first rollers 130 . These may be in contact with the lower surface of the first sliding block 140 . And in this state, the compression coil spring, which is the pair of first elastic members 160 , may have a lower end in contact with the first sliding block 140 and an upper end in contact with the first fixing block 150 . Alternatively, the compression coil springs may be in a slightly compressed state.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기어 기반 자중보상 매니퓰레이터의 제1링크가 베이스를 기준으로 우측으로 90도 회전된 상태를 나타낸 개략도이다.4 is a schematic diagram illustrating a state in which the first link of the gear-based self-weight compensation manipulator is rotated 90 degrees to the right with respect to the base according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 베이스(B)를 기준으로 제1링크(L1)가 우측인 시계방향으로 90도 회전되면 제1링크(L1)를 기준으로 제1보상 기어(120)가 시계방향으로 45도 만큼 회전된다. 즉, 제1링크(L1)가 회전되면 제1링크(L1)를 기준으로 제1보상 기어(120)가 회전되고 제1보상 기어(120)에 결합된 제1롤러(130)가 제1슬라이딩 블록(140)을 우측으로 밀어서 제1탄성부재(160)들이 압축되어 보상토크가 발생된다. 이때, 제1링크(L1)가 회전되는 각도에 따라 제1링크(L1)에 걸리는 자중에 의한 중력토크와 제1탄성부재(160)들에 의해 발생하는 보상토크는 서로 방향은 반대이면서 크기가 같아, 결국 제1링크(L1)가 베이스(B)를 기준으로 회전되는 경우 제1링크(L1)는 회전된 상태 그대로의 자세로 유지될 수 있으며, 제1링크(L1)를 회전시키는데 필요한 토크를 최소화시킬 수 있다.Referring to Figure 4, when the first link (L1) is rotated 90 degrees clockwise relative to the base (B) to the right, the first compensation gear 120 is rotated 45 degrees clockwise with respect to the first link (L1). rotated by degrees. That is, when the first link (L1) is rotated, the first compensation gear 120 is rotated based on the first link (L1), and the first roller 130 coupled to the first compensation gear 120 is the first sliding By pushing the block 140 to the right, the first elastic members 160 are compressed to generate a compensation torque. At this time, depending on the angle at which the first link (L1) is rotated, the gravitational torque due to its own weight applied to the first link (L1) and the compensation torque generated by the first elastic members (160) are opposite to each other in the direction and have a size. Similarly, when the first link (L1) is eventually rotated with respect to the base (B), the first link (L1) can be maintained in the rotated state as it is, and the torque required to rotate the first link (L1) can be minimized.

또한, 베이스(B)를 기준으로 제1링크(L1)가 회전되는 경우 제1링크(L2)에 연결되어 있는 제2링크(L2)도 제1링크(L1)와 함께 회전되는데, 이때 제1링크(L1) 및 제2링크(L2)에 모두 중력토크가 작용하게 된다. 그러므로 제1보상토크 발생부(100)의 제1기준 기어(110)와 제2보상토크 발생부(200)의 제2기준 기어(210)가 연동되어, 제1보상토크 발생부(100)에 의해 제1링크(L1)에 보상토크가 발생되며 제2보상토크 발생부(200)에 의해 제2링크(L2)에 보상토크가 발생하게 된다. 여기에서 제1보상토크 발생부(100)의 제1기준 기어(110)는 베이스(B)에 고정되어 있으며, 제2보상토크 발생부(200)의 제2기준 기어(210)는 제1보상토크 발생부(100)의 제1기준 기어(110)와 연동되므로, 베이스(B)를 기준으로 제1링크(L1)가 회전되면 제1링크(L1)를 기준으로 제1링크(L1)의 회전방향과 반대방향으로 제2기준 기어(210)가 회전되어 제2링크(L2)에 대한 적절한 보상토크를 발생시킬 수 있다.In addition, when the first link (L1) is rotated with respect to the base (B), the second link (L2) connected to the first link (L2) is also rotated together with the first link (L1). Gravity torque acts on both the link L1 and the second link L2. Therefore, the first reference gear 110 of the first compensation torque generator 100 and the second reference gear 210 of the second compensation torque generator 200 are interlocked, and the first compensation torque generator 100 is Accordingly, a compensation torque is generated in the first link L1 and a compensation torque is generated in the second link L2 by the second compensation torque generating unit 200 . Here, the first reference gear 110 of the first compensation torque generating unit 100 is fixed to the base B, and the second reference gear 210 of the second compensation torque generating unit 200 is the first compensation Since it is interlocked with the first reference gear 110 of the torque generating unit 100, when the first link L1 is rotated with respect to the base B, the first link L1 is rotated with respect to the first link L1. The second reference gear 210 may be rotated in a direction opposite to the rotation direction to generate an appropriate compensation torque for the second link L2.

또한, 베이스(B)를 기준으로 제1링크(L1)가 상측을 향해 세워져 있는 형태로 펴져있는 상태에서 제1링크(L1)를 기준으로 제2링크(L2)만 회전되는 경우에는, 상기한 베이스(B)를 기준으로 제1링크(L1)가 회전되는 경우와 동일한 원리로 제2보상토크 발생부(200)에 의해 제2링크(L2)에 보상토크가 발생될 수 있다.In addition, when only the second link (L2) is rotated with respect to the first link (L1) in a state in which the first link (L1) is opened in a state in which it is erected toward the upper side with respect to the base (B), the above-described Compensating torque may be generated in the second link L2 by the second compensation torque generating unit 200 on the same principle as when the first link L1 is rotated with respect to the base B.

도 5는 일 실시예에 따른 기어 기반 자중보상 매니퓰레이터의 제1보상 기어(또는 제2보상 기어)를 나타낸 도면이다.5 is a diagram illustrating a first compensation gear (or a second compensation gear) of the gear-based self-weight compensation manipulator according to an embodiment.

도 5를 참조하면, 제1보상토크 발생부(100)의 제1보상 기어(120)에는 제1롤러(130)가 결합되는 제1롤러 결합공(121)이 복수개가 형성될 수 있으며, 제1롤러 결합공(121)들은 제1보상 기어(120)의 중심축을 기준으로 반경방향 거리(R)가 서로 다르게 형성될 수 있다. 즉, 제2링크(L2)의 타단에 결합된 가반하중(L3)의 무게가 달라질 수 있으므로, 가반하중(L3)에 따라 보상토크의 크기를 조절할 수 있도록 제1보상기어의 중심축을 기준으로 반경방향 거리(R)가 다른 복수의 제1롤러 결합공(121)을 형성할 수 있다. 여기에서 가반하중(L3)의 무게가 무거울수록 반경방향 거리(R)가 큰 제1롤러 결합공(121)에 제1롤러(130)를 결합하여 사용함으로써, 가반하중의 무게에 따른 적절한 보상토크를 발생시킬 수 있다. 마찬가지로 제2보상토크 발생부(200)의 제2보상 기어(220)에도 제2롤러(230)가 결합되는 제2롤러 결합공(221)이 복수개 형성되며, 제2롤러 결합공(221)들은 제2보상 기어(220)의 중심축을 기준으로 반경방향 거리(R)가 서로 다르게 형성될 수 있다.Referring to FIG. 5 , a plurality of first roller coupling holes 121 to which the first roller 130 is coupled may be formed in the first compensation gear 120 of the first compensation torque generating unit 100 , The one-roller coupling holes 121 may be formed to have different radial distances R relative to the central axis of the first compensation gear 120 . That is, since the weight of the payable load L3 coupled to the other end of the second link L2 may vary, the radius relative to the central axis of the first compensating gear so that the size of the compensating torque can be adjusted according to the payable load L3. A plurality of first roller coupling holes 121 having different directional distances R may be formed. Here, as the weight of the payable load L3 is heavier, the first roller 130 is coupled to the first roller coupling hole 121 having a larger radial distance R, and thus an appropriate compensation torque according to the weight of the payable load. can cause Similarly, a plurality of second roller coupling holes 221 to which the second roller 230 is coupled are formed in the second compensation gear 220 of the second compensation torque generating unit 200, and the second roller coupling holes 221 are The radial distance R relative to the central axis of the second compensation gear 220 may be formed differently.

도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 기어 기반 자중보상 매니퓰레이터의 중력보상 메커니즘을 나타낸 개념도이다.6 to 8 are conceptual views illustrating a gravity compensation mechanism of a gear-based self-weight compensation manipulator according to an embodiment of the present invention.

도 6 내지 도 8을 참조하면, 링크(10)가 θ1만큼 회전할 때 발생하는 중력토크 τg는 링크(10)의 질량이 m, 모멘트 팔 길이가 L일 때, 아래의 식(1)과 같다.6 to 8, when the link 10 is rotated by θ 1 , the gravitational torque τ g generated when the mass of the link 10 is m and the moment arm length is L, the following equation (1) same as

τg = mgLsinθ1 식(1)τ g = mgLsinθ 1 Equation (1)

따라서 중력토크를 완전하게 상쇄하기 위해서는 스프링(60)의 압축으로인하여 제1기어(20)에 인가되는 보상토크(τ1)가 중력토크(τg)와 같아야 한다. 또한 상기한 바와 같이 제1기어(20)와 제2기어(30)의 사이에는 n의 기어비가 존재하므로, 제2기어(30)에는 스프링(60)의 압축으로부터 아래의 식(2)와 같은 토크(τ2)가 인가되어야 한다.Therefore, in order to completely cancel the gravitational torque, the compensation torque τ 1 applied to the first gear 20 due to the compression of the spring 60 must be equal to the gravitational torque τ g . In addition, since a gear ratio of n exists between the first gear 20 and the second gear 30 as described above, the second gear 30 has the following equation (2) from the compression of the spring 60 A torque τ 2 must be applied.

τ2 = τ1/n 식(2)τ 2 = τ 1 /n Equation (2)

또한 제2기어(30)가 회전 할 때, 제2기어(30)의 회전 중심으로부터 R 만큼 떨어져서 결합된 롤러(40)가 가압판(50)을 밀어 스프링(60)을 Fs의 힘으로 압축시킨다. 따라서 스프링(60)의 강성이 k, 압축 길이가 x 일 때, 기하학적 조건에 의하여 제2기어(30)에 인가되어야 하는 토크(τ2)는 아래의 식(3)과 같이 롤러(4)가 회전된 각도(θ2)와의 관계식으로 나타낼 수 있다.Also, when the second gear 30 rotates, the roller 40 coupled at a distance from the center of rotation of the second gear 30 by R pushes the pressure plate 50 to compress the spring 60 with the force of F s . . Therefore, when the stiffness of the spring 60 is k and the compression length is x, the torque (τ 2 ) to be applied to the second gear 30 according to the geometric condition is determined by the roller 4 as shown in Equation (3) below. It can be expressed as a relational expression with the rotated angle (θ 2 ).

τ2 = FsRcosθ2 = kR2sinθ2cosθ2 = kR2sin2θ2/2 식(3)τ 2 = F s Rcosθ 2 = kR 2 sinθ 2 cosθ 2 = kR 2 sin2θ 2 /2 Equation (3)

상기한 바와 같이 중력보상을 위해서는 중력토크 τg 와 스프링으로부터 제1기어(20)에 인가되는 보상토크 τ1 이 같아야 하므로 아래의 식(4)와 같이 나타낼 수 있다.As described above, for gravity compensation, the gravitational torque τ g and the compensation torque τ 1 applied from the spring to the first gear 20 must be the same, so it can be expressed as Equation (4) below.

mgLsinθ1 = kR2sin2θ2/2n 식(4)mgLsinθ 1 = kR 2 sin2θ 2 /2n Equation (4)

또한 식(4)에서 2θ2=θ1 이라고 가정할 때, 기어비 n=2 이므로 아래의 식(5)와 같이 정리할 수 있다.Also, assuming that 2θ 2 =θ 1 in Equation (4), the gear ratio n = 2 can be summarized as in Equation (5) below.

mgL = kR2/4 식(5)mgL = kR 2 /4 Equation (5)

따라서 중력보상기구 설계를 위한 설계 변수 R 및 k를 선정할 수 있다.Therefore, design variables R and k for the gravity compensating mechanism design can be selected.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.The present invention is not limited to the above-described embodiments, and the scope of application is varied, and anyone with ordinary knowledge in the field to which the present invention pertains without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims It goes without saying that various modifications are possible.

B : 베이스
L1 : 제1링크 L2 : 제2링크
L3 : 가반하중
J1 : 제1관절 J2 : 제2관절
J3 : 제3관절
100 : 제1보상토크 발생부
110 : 제1기준 기어 111 : 타이밍 풀리
112 : 타이밍 벨트 120 : 제1보상 기어
121 : 제1롤러 결합공 130 : 제1롤러
140 : 제1슬라이딩 블록 150 : 제1고정 블록
151 : 부쉬
160 : 제1탄성부재 170 : 제1가이드 로드
200 : 제2보상토크 발생부
210 : 제2기준 기어 211 : 타이밍 풀리
212 : 타이밍 벨트 220 : 제2보상 기어
221 : 제2롤러 결합공 230 : 제2롤러
240 : 제2슬라이딩 블록 250 : 제2고정 블록
251 : 부쉬
260 : 제2탄성부재 270 : 제2가이드 로드
10 : 링크 20 : 제1기어
30 : 제2기어 40 : 롤러
50 : 가압판 60 : 스프링B: base
L1: 1st link L2: 2nd link
L3 : Payload
J1 : Joint 1 J2 : Joint 2
J3: Joint 3
100: first compensation torque generating unit
110: first reference gear 111: timing pulley
112: timing belt 120: first compensation gear
121: first roller coupling hole 130: first roller
140: first sliding block 150: first fixed block
151 : Bush
160: first elastic member 170: first guide rod
200: second compensation torque generating unit
210: second reference gear 211: timing pulley
212: timing belt 220: second compensation gear
221: second roller coupling hole 230: second roller
240: second sliding block 250: second fixed block
251 : Bush
260: second elastic member 270: second guide rod
10: link 20: first gear
30: second gear 40: roller
50: pressure plate 60: spring

Claims (11)

베이스; 상기 베이스에 일측이 회동 가능하게 결합되되 피치(pitch)방향 회전축인 제1관절로 연결된 제1링크; 및 상기 제1링크에 구비되고, 상기 베이스에 일측이 연결되며 상기 제1링크에 타측이 연결되어, 상기 베이스를 기준으로 제1링크가 회전될 때 상기 제1링크의 자중에 대한 보상토크를 발생시키는 제1보상토크 발생부; 를 포함하며,
상기 제1보상토크 발생부는,
상기 베이스에 결합되어 고정된 된 제1기준 기어;
상기 제1링크에 회동 가능하게 결합되며, 상기 제1기준 기어에 맞물려 결합된 제1보상 기어; 상기 제1보상 기어의 중심축으로부터 이격되어 배치되며, 상기 제1보상 기어에 회동 가능하게 결합된 제1롤러; 상기 제1링크를 따라 슬라이딩 가능하게 결합되며, 상기 제1롤러에 접하여 배치된 제1슬라이딩 블록; 상기 제1슬라이딩 블록으로부터 이격되어 상기 제1링크에 고정된 제1고정 블록; 및 상기 제1슬라이딩 블록에 일단이 연결되고 상기 제1고정 블록에 타단이 연결되며, 상기 제1슬라이딩 블록의 이동에 따라 탄성 변형되어 보상토크를 발생시키는 제1탄성부재; 를 포함하여 이루어지며,
상기 베이스는 고정되고, 상기 베이스를 기준으로 상기 제1링크가 회전될 때 상기 제1보상 기어, 제1롤러, 제1슬라이딩 블록, 제1고정 블록 및 제1탄성부재가 상기 제1링크와 함께 회전되며, 상기 제1보상토크 발생부에서는 상기 제1링크에 걸리는 자중에 대한 보상토크를 발생시키는 것을 특징으로 하는 기어 기반 자중보상 매니퓰레이터.
Base; a first link having one side rotatably coupled to the base and connected to a first joint that is a rotation axis in a pitch direction; and provided in the first link, one end connected to the base, and the other end connected to the first link to generate a compensation torque for the weight of the first link when the first link is rotated with respect to the base a first compensation torque generating unit to includes,
The first compensation torque generating unit,
a first reference gear coupled to and fixed to the base;
a first compensation gear rotatably coupled to the first link and engaged with the first reference gear; a first roller arranged to be spaced apart from the central axis of the first compensation gear and rotatably coupled to the first compensation gear; a first sliding block coupled to be slidable along the first link and disposed in contact with the first roller; a first fixed block spaced apart from the first sliding block and fixed to the first link; and a first elastic member having one end connected to the first sliding block and the other end connected to the first fixed block, the first elastic member being elastically deformed according to the movement of the first sliding block to generate a compensating torque; is made, including
The base is fixed, and when the first link is rotated with respect to the base, the first compensation gear, the first roller, the first sliding block, the first fixing block, and the first elastic member together with the first link The gear-based self-weight compensation manipulator, characterized in that it is rotated, and the first compensation torque generator generates compensation torque for its own weight applied to the first link.
 제1항에 있어서,
상기 제1보상토크 발생부의 제1기준 기어와 제1보상 기어의 기어비는 1:2인 것을 특징으로 하는 기어 기반 자중보상 매니퓰레이터.
According to claim 1,
A gear-based self-weight compensation manipulator, characterized in that the gear ratio of the first reference gear and the first compensation gear of the first compensation torque generator is 1:2.
 제1항에 있어서,
상기 제1보상토크 발생부의 제1롤러는 한 쌍이 구비되고, 상기 한 쌍의 제1롤러는 제1보상 기어의 중심축을 기준으로 양측에 대칭으로 배치되며, 상기 제1링크가 수직방향으로 세워져 있을 때 상기 한 쌍의 제1롤러가 제1슬라이딩 블록에 접하여 배치된 것을 특징으로 하는 기어 기반 자중보상 매니퓰레이터.
According to claim 1,
A pair of first rollers of the first compensation torque generating unit is provided, and the pair of first rollers are symmetrically disposed on both sides with respect to the central axis of the first compensation gear, and the first link may be erected in the vertical direction. When the pair of first rollers are gear-based self-weight compensation manipulator, characterized in that disposed in contact with the first sliding block.
 제1항에 있어서,
상기 제1보상토크 발생부의 제1슬라이딩 블록에 일측이 각각 결합되어 고정되며 타측은 상기 제1고정 블록을 관통하여 이동 가능하게 결합된 한 쌍의 제1가이드 로드를 더 포함하고,
상기 제1탄성부재인 코일 스프링이 제1슬라이딩 블록과 제1고정 블록의 사이에 배치되어, 상기 제1탄성부재가 한 쌍의 제1가이드 로드에 각각 끼워져 결합된 것을 특징으로 하는 기어 기반 자중보상 매니퓰레이터.
According to claim 1,
A pair of first guide rods each having one side coupled and fixed to the first sliding block of the first compensation torque generating unit and movably coupled to the other side through the first fixing block are further included,
Gear-based self-weight compensation, characterized in that the coil spring, which is the first elastic member, is disposed between the first sliding block and the first fixed block, and the first elastic member is fitted and coupled to the pair of first guide rods, respectively. manipulator.
 제1항에 있어서,
상기 제1보상토크 발생부의 제1보상 기어에는 제1롤러가 결합되는 제1롤러 결합공이 복수개가 형성되되, 상기 제1롤러 결합공들은 제1보상 기어의 중심축을 기준으로 반경방향 거리가 서로 다르게 형성된 것을 특징으로 하는 기어 기반 자중보상 매니퓰레이터.
According to claim 1,
A plurality of first roller coupling holes to which a first roller is coupled are formed in the first compensation gear of the first compensation torque generating unit, and the first roller coupling holes have different radial distances based on the central axis of the first compensation gear. Gear-based self-weight compensation manipulator, characterized in that formed.
 제1항에 있어서,
상기 제1링크에 일측이 회동 가능하게 결합되되 피치(pitch)방향 회전축인 제2관절로 연결된 제2링크; 및 상기 제2링크에 구비되고, 상기 제1링크에 일측이 연결되며 상기 제2링크에 타측이 연결되어, 상기 제1링크를 기준으로 제2링크가 회전될 때 상기 제2링크의 자중에 대한 보상토크를 발생시키는 제2보상토크 발생부; 를 더 포함하며,
상기 제2보상토크 발생부는,
상기 제1링크에 회동 가능하게 결합되며, 상기 제1보상토크 발생부의 제1기준 기어와 연동되는 제2기준 기어; 상기 제2링크에 회동 가능하게 결합되며, 상기 제2기준 기어에 맞물려 결합된 제2보상 기어; 상기 제2보상 기어의 중심축으로부터 이격되어 배치되며, 상기 제2보상 기어에 회동 가능하게 결합된 제2롤러; 상기 제2링크를 따라 슬라이딩 가능하게 결합되며, 상기 제2롤러에 접하여 배치된 제2슬라이딩 블록; 상기 제2슬라이딩 블록으로부터 이격되어 상기 제1링크에 고정된 제2고정 블록; 및 상기 제2슬라이딩 블록에 일단이 연결되고 상기 제2고정 블록에 타단이 연결되며, 상기 제2슬라이딩 블록의 이동에 따라 탄성 변형되어 보상토크를 발생시키는 제2탄성부재; 를 포함하여 이루어지는 기어 기반 자중보상 매니퓰레이터.
According to claim 1,
a second link having one side rotatably coupled to the first link and connected to a second joint that is a rotation axis in a pitch direction; and provided in the second link, one end connected to the first link and the other end connected to the second link, so that when the second link is rotated based on the first link, the weight of the second link a second compensation torque generator for generating compensation torque; further comprising,
The second compensation torque generating unit,
a second reference gear rotatably coupled to the first link and interlocking with the first reference gear of the first compensation torque generating unit; a second compensation gear rotatably coupled to the second link and engaged with the second reference gear; a second roller disposed to be spaced apart from the central axis of the second compensation gear and rotatably coupled to the second compensation gear; a second sliding block coupled to be slidable along the second link and disposed in contact with the second roller; a second fixed block spaced apart from the second sliding block and fixed to the first link; and a second elastic member having one end connected to the second sliding block and the other end connected to the second fixed block, elastically deformed according to the movement of the second sliding block to generate a compensating torque; A gear-based self-weight compensation manipulator comprising a.
 제6항에 있어서,
상기 제1보상토크 발생부의 제1기준 기어 및 상기 제2보상토크 발생부의 제2기준 기어에는 각각 타이밍 풀리가 결합되고 상기 타이밍 풀리들은 타이밍 벨트로 연결되어 상기 제1기준 기어와 제2기준 기어가 연동되는 것을 특징으로 하는 기어 기반 자중보상 매니퓰레이터.
7. The method of claim 6,
Timing pulleys are respectively coupled to the first reference gear of the first compensation torque generator and the second reference gear of the second compensation torque generator, and the timing pulleys are connected by a timing belt so that the first reference gear and the second reference gear are Gear-based self-weight compensation manipulator, characterized in that it is linked.
 제6항에 있어서,
상기 제2보상토크 발생부의 제2기준 기어와 제2보상 기어의 기어비는 1:2인 것을 특징으로 하는 기어 기반 자중보상 매니퓰레이터.
7. The method of claim 6,
Gear-based self-weight compensation manipulator, characterized in that the gear ratio of the second reference gear and the second compensation gear of the second compensation torque generator is 1:2.
 제6항에 있어서,
상기 제2보상토크 발생부의 제2롤러는 한 쌍이 구비되고, 상기 한 쌍의 제2롤러는 제2보상 기어의 중심축을 기준으로 양측에 대칭으로 배치되며, 상기 제2링크가 수직방향으로 세워져 있을 때 상기 한 쌍의 제2롤러가 제2슬라이딩 블록에 접하여 배치된 것을 특징으로 하는 기어 기반 자중보상 매니퓰레이터.
7. The method of claim 6,
A pair of second rollers of the second compensation torque generator is provided, and the pair of second rollers are symmetrically disposed on both sides with respect to the central axis of the second compensation gear, and the second link may be erected in the vertical direction. When the pair of second rollers are gear-based self-weight compensation manipulator, characterized in that disposed in contact with the second sliding block.
 제6항에 있어서,
상기 제2보상토크 발생부의 제2슬라이딩 블록에 일측이 각각 결합되어 고정되며 타측은 상기 제2고정 블록을 관통하여 이동 가능하게 결합된 한 쌍의 제2가이드 로드를 더 포함하고,
상기 제2탄성부재인 코일 스프링이 제2슬라이딩 블록과 제2고정 블록의 사이에 배치되어, 상기 제2탄성부재가 한 쌍의 제2가이드 로드에 각각 끼워져 결합된 것을 특징으로 하는 기어 기반 자중보상 매니퓰레이터.
7. The method of claim 6,
Further comprising a pair of second guide rods, one side of which is coupled to and fixed to the second sliding block of the second compensation torque generating unit, and the other side is movably coupled through the second fixing block,
Gear-based self-weight compensation, characterized in that the second elastic member, a coil spring, is disposed between the second sliding block and the second fixed block, and the second elastic member is fitted and coupled to a pair of second guide rods, respectively. manipulator.
 제6항에 있어서,
상기 제2보상토크 발생부의 제2보상 기어에는 제2롤러가 결합되는 제2롤러 결합공이 복수개가 형성되되, 상기 제2롤러 결합공들은 제2보상 기어의 중심축을 기준으로 반경방향 거리가 서로 다르게 형성된 것을 특징으로 하는 기어 기반 자중보상 매니퓰레이터.7. The method of claim 6,
A plurality of second roller coupling holes to which a second roller is coupled are formed in the second compensation gear of the second compensation torque generating unit, and the second roller coupling holes have different radial distances based on the central axis of the second compensation gear. Gear-based self-weight compensation manipulator, characterized in that formed.
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