KR102402776B1 - 곡선형 레버를 갖는 가변 중력보상모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 곡선형 레버를 갖는 가변 중력보상모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하우징; 상기 하우징에 하중에 의해 회전가능하게 설치되는 연동캠; 상기 연동캠의 회전에 연동하여 회전되고, 상기 연동캠이 초기 위치로 회전되도록 탄성력을 제공하는 곡선형 레버; 상기 곡선형 레버의 회전중심인 피봇이 하중의 세기에 따라 이동되도록 위치를 조절하는 조절유닛; 상기 곡선형 레버에 탄성력을 제공하기 위해 상기 하우징 내에 구비되는 탄성유닛;을 포함하고, 상기 곡선형 레버는 상기 피봇을 기준으로 일단부에는 상기 연동캠에 밀착되는 구동단부가 형성되고, 타단부에는 상기 탄성유닛에 구비된 탄성팔로워에 밀착되는 종동단부가 형성되고, 상기 종동단부는 상기 피봇에서 상기 탄성팔로워로 이어지는 측단면이 특정곡률을 갖는 곡선형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 곡선형 레버를 갖는 가변중력보상 장치에 관한 것이다.

Description

곡선형 레버를 갖는 가변 중력보상모듈{Compact Variable Gravity Compensation Apparatus with Curve Lever}

본 발명은 곡선형 레버를 갖는 가변 중력보상모듈에 관한 것이다.

중력 토크는 기계 시스템의 조인트에 큰 부담을 주는 요인으로 중력 토크를 보상하여 감소시키게 되면 기계 시스템의 에너지 효율 향상이 가능하다.

특히 모바일 매니퓰레이션 로봇과 같은 모바일 시스템은 동력원을 모두 탑재한 배터리에 의존하기 때문에 에너지 효율이 매우 중요하며 이에 중력 보상 기능이 절실히 요구된다.

모바일 매니퓰레이션 로봇은 이동하며 작업하기 때문에 비정형적인 환경에 노출될 여지가 많고 다루는 하중물의 무게가 빈번하게 바뀌게 된다.

따라서 단순 고정 하중을 보상하는 중력보상장치를 뛰어 넘어 가변 하중에 대응 가능한 가변 중력보상 장치의 필요성이 대두된다.

더 나아가 모바일 매니퓰레이션 로봇의 경우 모바일 플랫폼의 가반 부피 및 하중 성능이 제한되기 때문에 가변 중력보상 장치가 초소형 컴팩트 모듈로 개발이 되어야만 효과적으로 사용될 수 있다.

중력보상 장치 및 가변 중력보상 장치는 오래 전부터 공장에서 사용되는 산업용 매니퓰레이터, 엘리베이터등에 사용되어 왔다.

최근들어 중력보상 장치, 가변 중력보상 장치가 중요하게 요구되는 기술 분야는 상기한 모바일 매니퓰레이션 로봇 분야로 1) 모바일 매니퓰레이터, 2) 산업용 외골격 로봇이다.

도 1 및 도 2는 종래 링크 크레임 공간을 활용하여 차지 부피를 절감한 중력보상장치의 구성도를 도시한 것이다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 매니플레이터의 에너지 절감을 위해 중력보상장치가 적용되며, 중력보상장치의 차지 부피를 절감하기 위해 링크의 내부에 중력보상 매커니즘을 삽입 또는 링크의 외부에 스프링이 배치됨을 알 수 있다. 그러나 도 1 및 도 2에 도시된 중력보상장치와 같이, 부피를 절감하는 방식으로 링크공간을 사용하게 되면 매니플레이터의 무게중심이 변하여 동적 성능 저하가 발생되며, 모듈형이 아니기 때문에 기존에 존재하는 매니플레이터에 쉽게 적용하기가 어렵고, 가변성이 존재하지 않아 하중의 무게변화에 대응이 불가능한 한계 및 문제점이 존재한다.

도 3 내지 도 5는 추가적인 매커니즘을 적용하여 가변성을 확보한, 종래 중력보상장치를 도시한 것이다. 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 가변중력보상장치를 위해 1) 스프링의 부착위치를 변경 2) 스프링의 초기압축량을 변경하는 방식을 적용하여 중력보상 토크의 가변성을 확보하고 있음을 알 수 있다.

그러나, 토크가변방식에 에너지가 요구될 수 밖에 없는 구조로 가변성이 중력 보상장치의 전체적인 에너지효율을 저하시키게 되고, 토크가변방식에 에너지가 요구되어 가변을 자동화하기 위해서는 상대적으로 큰 구동기가 사용되어야 하고(장치의 부피증가), 모듈형이 아니기 때문에 기존에 존재하는 모바일 매니플레이션 로봇에 적용하기 어려운 문제가 존재한다.

도 6은 종래 가변 에너지를 최소화하기 위한 중력보강장치의 모식도를 도시한 것으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 추가적인 에너지 저장 매커니즘으로 가변시 필요한 에너지를 절감하기 위하여 에너지를 미리 내부 스프링 구조에 저장해 두어 가변시 필요한 에너지를 절감하고 있음을 알 수 있다.

그러나 이는 복잡한 구조를 지닌 매커니즘이 추가되어야 하고, 병렬형 매니플레이터에만 적용이 가능한 단점이 존재한다.

도 7은 컴팩트 보상모듈의 사시도, 도 8은 가변중력보상모듈의 정면도로서, 본원발명의 발명자에 의한 선등록특허에 해당한다. 도 7은 기존로봇에 쉽게 탈부착이 가능한 컴팩트한 조인트 모듈에 해당하나 가변성이 없다는 한계가 있으며, 도 8은 가변성을 가지면서 컴팩트한 조인트 모듈에 해당하나, 토크 가변시 요구되는 에너지가 존재하여 초소형화에 불리한 단점이 존재하며,‘최대 보상 토크’가 너무 낮고, ‘가변시 요구되는 에너지’가 존재하여 실용적인 성능이 부족한 한계점을 지닌다.

대한민국 등록특허 10-2152163 대한민국 등록특허 10-1841171 대한민국 등록특허10-2154922 대한민국 등록특허 10-1772285

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 가변 중력보상 성능이 극대화되며 장치의 부피를 획기적으로 감소시킬수 있는 곡선형 레버를 구비한 가변 중력보상 모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 기존의 크고, 모듈형이 아닌 가변 중력보상 장치들에 비해 모바일 매니퓰레이션 시스템의 에너지 효율과 조인트 구동기의 토크 성능 향상을 비약적으로 증가시키는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명의 실시예에 따르면, 모듈형으로 개발되어 기존의 시스템의 구조 변경 없이 쉽게 설치 및 사용 될 수 있고, 상기한 기존 가변 중력보상 장치의 한계점을 극복하기 위해 혁신적인 곡선형 레버가 적용되는 가변중력보상장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 곡선형 레버는 ‘라그랑지안 역학 원리’에 기반한 체계적인 알고리즘을 통해 모양이 결정되며, 그 외 복합 스프링을 창안 및 적용하여 저장 가능한 탄성 에너지량을 높임으로서 최대 보상 토크의 크기를 증대시킬 수 있는 목적을 갖는다.

또한 본 발명의 실시예에 따르면, 장치를 구성하는 세부 기계 요소들을 3차원적인 형상으로 설계하여 압축적인 초소형 설계를 가능하며, 곡선형 레버를 적용하게 됨으로써, 1)최대 보상 토크의 크기를 극대화 할 수 있고, 2) 보상 토크 가변 범위를 확장할 수 있으며, 3) 가변에 필요한 에너지를 극소화 할 수 있는, 곡선형 레버를 갖는 가변 중력보상모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.

그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 부피대비 최대 보상 토크와 가변범위를 극대화할 수 있고, 곡선형 레버를 통해 가변시 요구되는 에너지를 제거할 수 있고 이에 에너지 효율 극대화, 가변을 위한 구동부 부피 및 질량 최소화를 실현할 수 있으며, 결과적으로 혁신적인 요소기술로서의 개발이 가능하여 다양한 로봇에 적용될 수 있고, 다양한 가변 하중에 대한 중력보상을 작은 소모 에너지를 사용하여 원활하게 이루어질 수 있으며 이를 통해 적용된 시스템의 에너지 효율을 극대화 할 수 있는, 곡선형 레버를 갖는 가변 중력보상모듈을 제공하는데 그 목적이 있다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 목적은, 하우징; 상기 하우징에 하중에 의해 회전가능하게 설치되는 연동캠; 상기 연동캠의 회전에 연동하여 회전되고, 상기 연동캠이 초기 위치로 회전되도록 탄성력을 제공하는 곡선형 레버; 상기 곡선형 레버의 회전중심인 피봇이 하중의 세기에 따라 이동되도록 위치를 조절하는 조절유닛; 상기 곡선형 레버에 탄성력을 제공하기 위해 상기 하우징 내에 구비되는 탄성유닛;을 포함하고, 상기 곡선형 레버는 상기 피봇을 기준으로 일단부에는 상기 연동캠에 밀착되는 구동단부가 형성되고, 타단부에는 상기 탄성유닛에 구비된 탄성팔로워에 밀착되는 종동단부가 형성되고, 상기 종동단부는 상기 피봇에서 상기 탄성팔로워로 이어지는 측단면이 특정곡률을 갖는 곡선형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 곡선형 레버를 갖는 가변중력보상 장치로서 달성될 수 있다.

그리고 연동캠의 외면에 형성된 캠면은 중심선을 기준으로 좌우 방향으로 대칭되게 형성되고, 상기 하우징에는 상기 연동캠의 회전에 연동하여 슬라이딩되는 캠 팔로워가 설치되고, 상기 구동단부는 상기 캠 팔로워에 밀착되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 조절유닛은, 하우징 내에 설치되는 조절부 가이드와, 상기 피봇에 고정설치되며 상기 조절부 가이드를 따라 슬라이딩되는 조절부재와, 상기 조절부재를 구동시키는 구동모터를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 상기 곡선형 레버의 곡선면은, 상기 조절유닛에 의해 상기 피봇의 위치가 가변되는 토크가변모드시, 상기 캠팔로워와 상기 탄성팔로워가 이동되지 않는 형태를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 하우징에는, 상기 캠 팔로워가 슬라이딩되는 캠 팔로워 슬롯; 및 상기 탄성유닛의 일측에 구비되며 제1탄성 팔로워가 설치된 제1탄성가이드가 슬라이딩되는 탄성부재 슬롯;이 각각 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 상기 탄성유닛은 서로 다른 탄성부재가 결합된 복합탄성유닛으로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 복합탄성유닛은 적어도 하나의 코일스프링이 병렬로 연결된 코일스프링세트와, 상기 코일스프링세트와 직렬로 배치되는 적어도 하나의 판스프링으로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 상기 코일스프링 세트는, 코일스프링 각각이 삽입되어 지는 적어도 하나의 탄성스프링 슬롯과, 상기 코일스프링 일측 끝단에 결합되는 제1탄성팔로워와 타측 끝단에 결합되는 제2탄성팔로워를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 코일스프링 세트는, 일측에 상기 제1탄성팔로워가 결합되며 상기 코일스프링의 일단에 결합되는 제1가이드와, 타측에 상기 제2탄성팔로워가 결합되며 상기 코일스프링의 타단에 결합되는 제2가이드를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 상기 판스프링의 일측 끝단은 상기 제2탄성팔로워에 접촉되며, 타측 끝단은 상기 하우징에 고정된 판스프링고정부에 결합되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 토크가변 모드시, 상기 구동모터의 구동에 의해 상기 조절부재가 상기 조절부 가이드를 따라 이동하며 상기 피봇위치가 가변되고, 상기 캠팔로워와 상기 제1탄성팔로워와 상기 제2탄성팔로워의 위치는 가변되지 않는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 곡선형 레버를 갖는 가변 중력보상모듈에 따르면, 가변 중력보상 성능이 극대화되며 장치의 부피를 획기적으로 감소시킬수 있는 효과를 갖는다.

본 발명의 실시예에 따른 곡선형 레버를 갖는 가변 중력보상모듈에 따르면, 기존의 크고, 모듈형이 아닌 가변 중력보상 장치들에 비해 모바일 매니퓰레이션 시스템의 에너지 효율과 조인트 구동기의 토크 성능 향상을 비약적으로 증가시킬 수 있는 효과를 갖는다.

또한 본 발명의 실시예에 따른 곡선형 레버를 갖는 가변 중력보상모듈에 따르면, 모듈형으로 개발되어 기존의 시스템의 구조 변경 없이 쉽게 설치 및 사용 될 수 있고, 혁신적인 곡선형 레버를 적용하여, 상기한 기존 가변 중력보상 장치의 한계점을 극복할 수 있는 효과를 갖는다.

그리고 본 발명의 실시예에 따른 곡선형 레버를 갖는 가변 중력보상모듈에 따르면, 곡선형 레버는 ‘라그랑지안 역학 원리’에 기반한 체계적인 알고리즘을 통해 모양이 결정되며, 그 외 복합 스프링을 창안 및 적용하여 저장 가능한 탄성 에너지량을 높임으로서 최대 보상 토크의 크기를 증대시킬 수 있는 효과를 갖는다.

또한 본 발명의 실시예에 따른 곡선형 레버를 갖는 가변 중력보상모듈에 따르면, 장치를 구성하는 세부 기계 요소들을 3차원적인 형상으로 설계하여 압축적인 초소형 설계를 가능하며, 곡선형 레버를 적용하게 됨으로써, 1)최대 보상 토크의 크기를 극대화 할 수 있고, 2) 보상 토크 가변 범위를 확장할 수 있으며, 3) 가변에 필요한 에너지를 극소화 할 수 있는 효과를 갖는다.

그리고 본 발명의 실시예에 따른 곡선형 레버를 갖는 가변 중력보상모듈에 따르면, 부피대비 최대 보상 토크와 가변범위를 극대화할 수 있고, 곡선형 레버를 통해 가변시 요구되는 에너지를 제거할 수 있고 이에 에너지 효율 극대화, 가변을 위한 구동부 부피 및 질량 최소화를 실현할 수 있으며, 결과적으로 혁신적인 요소기술로서의 개발이 가능하여 다양한 로봇에 적용될 수 있고, 다양한 가변 하중에 대한 중력보상을 작은 소모 에너지를 사용하여 원활하게 이루어질 수 있으며 이를 통해 적용된 시스템의 에너지 효율을 극대화 할 수 있는 효과를 갖는다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1 및 도 2는 종래 링크 크레임 공간을 활용하여 차지 부피를 절감한 중력보상장치의 구성도,
도 3 내지 도 5는 추가적인 매커니즘을 적용하여 가변성을 확보한, 종래 중력보상장치,
도 6은 종래 가변 에너지를 최소화하기 위한 중력보강장치의 모식도,
도 7은 종래 컴팩트 보상모듈의 사시도, 도 8은 종래 가변중력보상모듈의 정면도,
도 9은 본 발명의 실시예에 따른 곡선형 레버를 갖는 가변 중력보상모듈의 평면도,
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 곡선형 레버를 갖는 가변 중력보상모듈의 사시도,
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 곡선형 레버의 사시도,
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 곡선형 레버의 측면도,
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 곡선형 레버를 갖는 가변 중력보상모듈의 평면도,
도 14는 도 13에서 연동캠이 180°회전한 상태의 곡선형 레버를 갖는 가변 중력보상모듈의 평면도,
도 15는 고토크 모드에서의 곡선형 레버를 갖는 가변 중력보상모듈의 평면도,
도 16은 저토크 모드에서의 곡선형 레버를 갖는 가변 중력보상모듈의 평면도,
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 탄성유닛의 설치공간 영역에 코일스크링과, 하이브리드 스프링이 설치된 상태의 평면도,
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 탄성유닛 설치공간 영역이 표시된 곡선형 레버를 갖는 가변 중력보상모듈의 평면도,
도 19은 본 발명의 실시예에 따라 설치된 복합탄성유닛의 평면도,
도 20은 본 발명의 실시예에 따라 설치된 복합탄성유닛의 사시도,
도 21은 본 발명의 실시예에 따른 복합탄성유닛의 사시도,
도 22는 본 발명의 실시예에 따른 복합탄성유닛의 분해 사시도,
도 23은 본 발명의 실시예에 따른 코일스프링 세트의 분해 사시도,
도 24는 본 발명의 실시예에 따른 복합탄성유닛의 설치방법의 흐름도,
도 25는 본 발명의 실시예에 따른 판 스프링 최적화방법의 흐름도,
도 26은 본 발명의 실시예에 따른 곡선형 레버를 갖는 가변 중력보상모듈이 적용된 어깨 외골격 로봇,
도 26은 본 발명의 실시예에 따른 곡선형 레버를 갖는 가변 중력보상모듈이 적용된 매니풀레이터를 도시한 것이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 곡선형 레버를 갖는 가변 중력보상모듈의 구성, 기능 및 그 작동방법에 대해 설명하도록 한다.

먼저, 도 9은 본 발명의 실시예에 따른 곡선형 레버를 갖는 가변 중력보상모듈의 평면도를 도시한 것이다. 그리고 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 곡선형 레버를 갖는 가변 중력보상모듈의 사시도를 도시한 것이다.

그리고 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 곡선형 레버의 사시도를 도시한 것이고, 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 곡선형 레버의 측면도를 도시한 것이다.

또한 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 곡선형 레버를 갖는 가변 중력보상모듈의 평면도를 도시한 것이며, 도 14는 도 13에서 연동캠이 180°회전한 상태의 곡선형 레버를 갖는 가변 중력보상모듈의 평면도를 도시한 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 곡선형 레버를 갖는 가변중력보상 장치(100)는 도 9 내지 도 14에 도시된 바와 같이, 하우징(10); 상기 하우징(10)에 하중에 의해 회전가능하게 설치되는 연동캠(20); 상기 연동캠(20)의 회전에 연동하여 회전되고, 상기 연동캠(20)이 초기 위치로 회전되도록 탄성력을 제공하는 곡선형 레버(40); 상기 곡선형 레버(40)의 회전중심인 피봇(41)이 하중의 세기에 따라 이동되도록 위치를 조절하는 조절유닛(80); 및 상기 곡선형 레버(40)에 탄성력을 제공하기 위해 상기 하우징(10) 내에 구비되는 탄성유닛(50);등을 포함하여 구성됨을 알 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 곡선형 레버(40)는 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 피봇(41)을 기준으로 일단부에는 상기 연동캠(20)에 밀착되는 구동단부(42)가 형성되고, 타단부에는 상기 탄성유닛(50)에 구비된 탄성팔로워(61)에 밀착되는 종동단부(43)가 형성되고, 상기 종동단부(43)는 상기 피봇(41)에서 상기 탄성팔로워(61)로 이어지는 측단면이 특정곡률을 갖는 곡선형으로 구성됨을 알 수 있다.

곡선형 레버(40)는 ‘라그랑지안 역학 원리’에 기반한 체계적인 알고리즘을 통해 모양이 결정되며, 곡선형 레버(40)를 적용하게 됨으로써, 1)최대 보상 토크의 크기를 극대화 할 수 있고, 2) 보상 토크 가변 범위를 확장할 수 있으며, 3) 가변에 필요한 에너지를 극소화 할 수 있게 된다.

하우징(10)은 가변 중력보상 장치(100)의 전체적인 외관을 형성하는 부분으로서, 본 실시예에서는 도 9 및 도 10에서와 같이 하우징(10)은 원판 형상의 2개의 외관 플레이트(12)로 구성되고, 외관 플레이트(12)의 사이 및 외면에 각종 구성 부품들이 설치된다. 본 도면에서는 하우징(10)을 2개의 외관 플레이트(12)를 중심으로 구성하였으나, 이에 제한되는 것은 아니고 하나로 구성될 수도 있고 다른 형태의 플레이트 형상으로 구성될 수도 있다.

하우징(10)에는 연동캠(20)이 캠축(24)을 중심으로 회전가능하게 설치되는데, 연동캠(20)은 실제 하중이 입력되는 관절부재(미도시) 등과 결합되어 상기 관절부재의 회전에 연동하여 회전된다. 연동캠(20)의 외주면에는 캠면(22)이 형성되어 있는데, 캠면(22)은 중심선을 기준으로 좌우 방향으로 대칭되게 형성된다. 이와 같이 캠면(22)이 좌우 방향으로 대칭되게 형성되면 하중에 의해 연동캠(20)이 어떠한 방향으로 회전되더라도 중력보상이 가능한 장점이 있다. 예를 들어, 본 가변 중력보상 장치(100)가 로봇암에 적용되었을 경우에 팔을 접는 방향 또는 펴는 방향으로 자유롭게 방향의 제한없이 사용될 수 있다.

또한, 하우징(10)에는 연동캠(20)의 회전에 연동하여 슬라이딩되는 캠 팔로워(30)가 설치된다. 캠 팔로워(30)는 하우징(10)을 구성하는 외관 플레이트(12) 상에 형성된 캠 팔로워 슬롯(32)을 따라 슬라이딩된다. 캠 팔로워(30)는 연동캠(20)의 캠면(22)에 밀착되어 있다가 연동캠(20)이 회전되면 초기 위치보다 연동캠(20)에서 멀어지는 방향으로 슬라이딩된다.

곡선형 레버(40) 또한 하우징(10) 상에 설치되는 것으로서, 피봇(41)을 중심으로 회전될 수 있다. 곡선형 레버(40)는 연동캠(20)이 초기 위치로 회전되도록 탄성력을 제공하는 역할을 하는데, 실질적으로는 복합탄성유닛(50)로부터 탄성력을 제공받도록 연동되게 설치된다.

앞서 언급한 바와 같이, 곡선형 레버(40)는 피봇(41)을 기준으로 일단부에는 상기 연동캠(20)에 밀착되는 구동단부(42)가 형성되고, 타단부에는 상기 탄성유닛(50)에 구비된 탄성팔로워(61)에 밀착되는 종동단부(43)가 형성되고, 상기 종동단부(43)는 상기 피봇(41)에서 상기 탄성팔로워(61)로 이어지는 측단면이 특정곡률을 갖는 곡선형으로 구성된다.

또한 곡선형 레버(40)의 곡선면(44)은, 후에 설명되는 바와 같이, 조절유닛(80)에 의해 상기 피봇(41)의 위치가 가변되는 토크가변모드시, 상기 캠팔로워(30)와 상기 탄성팔로워(61, 66)가 이동되지 않는 형태를 갖는다.

즉, 토크가변 모드시, 상기 구동모터(83)의 구동에 의해 상기 조절부재(81)가 상기 조절부 가이드(82)를 따라 이동하며 상기 피봇(41)위치가 가변되고, 상기 캠팔로워(30)와 상기 제1탄성팔로워(61)와 상기 제2탄성팔로워(66)의 위치는 가변되지 않는다.

따라서 곡선형 레버(40)는 ‘라그랑지안 역학 원리’에 기반한 체계적인 알고리즘을 통해 모양이 결정되며, 곡선형 레버(40)를 적용하게 됨으로써, 1)최대 보상 토크의 크기를 극대화 할 수 있고, 2) 보상 토크 가변 범위를 확장할 수 있으며, 3) 가변에 필요한 에너지를 극소화 할 수 있게 된다.

도 15는 고토크 모드에서의 곡선형 레버를 갖는 가변 중력보상모듈의 평면도를 도시한 것이고, 도 16은 저토크 모드에서의 곡선형 레버를 갖는 가변 중력보상모듈의 평면도를 도시한 것이다.

조절유닛(80)은, 하우징(10) 내에 설치되는 조절부 가이드(82)와, 피봇(41)에 고정설치되며 조절부 가이드(82)를 따라 슬라이딩되는 조절부재(81)와, 기어(84), 및 조절부재(81)를 구동시키는 구동모터(83)를 포함하여 구성될 수 있다. 또하 이러한 구동모터(83)에 전원을 공급하기 위한 배터리(90)가 하우징(10)내에 구비될 수 있으며, 작동을 제어하기 위한 제어부(110) 역시 하우징(10) 내에 구비될 수 있다.

피봇(41)의 위치 조절은 매우 중요한데, 이는 피봇(41)의 위치에 따라 작용하는 토크가 달라 질 수 있기 때문이다. 피봇(41)은 캠 팔로워(30) 쪽과 가까워지거나 멀어지도록 이동될 수 있는데, 캠 팔로워(30) 쪽에 가까워질수록 고토크의 힘을 보상하고 멀어질수록 저토크의 힘을 보상하게 된다. 따라서, 사용자는 고토크의 힘을 보상해야 할 경우에는 피봇(41)을 캠 팔로워(30) 쪽에 가깝게 이동시켜 세팅한 후에 가변 중력보상 장치(100)를 사용하면 되고, 저토크의 힘을 보상해야 할 경우에는 반대방향으로 이동시켜 세팅한 후에 이를 사용하면 된다.

따라서 토크 크기에 대한 가변이 필요한 경우(토크가변모드) 구동모터(83)를 구동시켜 조절부재(81)는 조절부 가이드(82)를 따라 슬라이딩 이동시켜 피봇(41)을 이동시켜 토크크기를 가변시킬 수 있다.

이때, 도 15 및 도 16에 도시된 바와 같이, 토크 가변시 즉 피봇(41) 위치를 가변하더라도 캠팔로워(30)와 상기 제1탄성팔로워(61)와 상기 제2탄성팔로워(66)의 위치는 가변되지 않음을 알 수 있다.

따라서 토크가변시 제1탄성팔로워(61)의 위치가 가변되지 않으므로 복합탄성유닛(50)의 탄성에너지가 조절유닛(80)측으로 인가되지 않아 최소의 에너지를 통해 토크를 가변시킬 수 있게 된다.

또한, 도 13은 연동캠(20)에 하중이 작용하지 않은 가변 중력보상 장치(100)의 초기 상태이다. 초기 상태에서 도 13에서와 같이 하중이 작용하면 연동캠(20)이 시계방향으로 회전된다. 물론, 연동캠(20)은 하중(연동캠(20)에 결합된 곡선형 레버(40)의 회전)의 작용방향에 따라 반시계방향으로도 회전될 수 있지만, 본 도면에서는 시계방향으로 회전되는 것을 예로 들어 설명한다.

연동캠(20)이 도 14에서와 같이 시계방향으로 180°만큼 회전되면 이에 연동하여 캠 팔로워(30)가 우측 방향으로 슬라이딩된다. 그리고, 캠 팔로워(30)의 슬라이딩에 연동하여 곡선형 레버(40)는 시계방향으로 회전된다. 이는 캠 팔로워(30)에 밀착된 구동단부(42)의 회전에 의해 이루어진다.

곡선형 레버(40)는 상술한 바와 같이 회전되면서 복합탄성유닛(50)을 위쪽 방향으로 압축시키게 되고, 복합탄성유닛(50)은 최초 위치로 탄성력을 계속하여 제공하게 된다.

다음으로, 연동캠(20)에 계속하여 하중이 작용하면 연동캠(20)은 더 회전되고 곡선형 레버(40) 또한 시계방향으로 더 회전되면서 탄성력으로 연동캠(20)을 지지하게 된다. 본 실시예에서는 이와 같이 연동캠(20)에 작용하는 하중에 대하여 캠면(22)에 연동하여 회전되는 곡선형 레버(40)가 지렛대 역할을 함으로써, 좁은 공간 내에서 중력을 보상할 수 있기 때문에 장치의 소형화, 모듈화가 가능해지는 장점이 있다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 복합탄성유닛(50)의 구성, 기능 및 그 설치방법에 대해 설명하도록 한다. 도 17은 본 발명의 실시예에 따른 탄성유닛의 설치공간 영역에 코일스크링과, 하이브리드 스프링이 설치된 상태의 평면도를 도시한 것이다. 도 18은 본 발명의 실시예에 따른 탄성유닛 설치공간 영역이 표시된 곡선형 레버를 갖는 가변 중력보상모듈의 평면도를 도시한 것이다.

또한 도 19은 본 발명의 실시예에 따라 설치된 복합탄성유닛의 평면도를 도시한 것이다. 그리고 도 20은 본 발명의 실시예에 따라 설치된 복합탄성유닛의 사시도를 도시한 것이다.

또한 도 21은 본 발명의 실시예에 따른 복합탄성유닛의 사시도, 도 22는 본 발명의 실시예에 따른 복합탄성유닛의 분해 사시도를 도시한 것이다. 그리고 도 23은 본 발명의 실시예에 따른 코일스프링 세트의 분해 사시도를 도시한 것이다.

그리고 도 24는 본 발명의 실시예에 따른 복합탄성유닛의 설치방법의 흐름도를 도시한 것이다. 또한 도 25는 본 발명의 실시예에 따른 판 스프링 최적화방법의 흐름도를 도시한 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 탄성유닛(50)은 서로 다른 탄성부재가 결합된 복합탄성유닛(50)으로 구성되게 된다.

먼저, 복합탄성유닛(50)의 설치방법은, 복합탄성유닛(50) 외의 가변중력보상장치(100)의 구성요소를 설치하여 조립하게 된다(S10).

그리고 이러한 가변중력보상장치(100) 내에 복합탄성유닛(50)에 대한 설치가 허용가능한 설치영역(120)을 설정하게 된다(S20). 실시예에서 이러한 설치영역(120)은 도 14 및 도 15에 도시된 바와 같이, ‘L ’자형태일 수 있다.

그리고 이러한 설치영역(120)을 힘의 전달방향을 기준으로 복수의 영역을 분할하게 된다(S30). 본 발명의 실시예에서는 힘의 전달방향을 기준으로 평행한 방향으로 공간이 확보되는 제1분할영역(121)과, 전달방향과 수직방향으로 공간이 확보된 영역을 제2분할영역(122)으로 구획할 수 있다.

그리고 연결부위와 연결방식을 결정하게 된다(S40). 연결부위와 연결방식이 결정되면 이에 부합되는 탄성부재의 종류와, 길이, 파라미터를 결정할 수 있다(S50). 즉, 각 분할 영역(121, 122)에 대응되는 탄성부재를 선정한다. 본 발명의 실시예에서 힘의 전달방향과 평행하는 영역인 제1분할영역(121)에는 코일스트링세트(60)가 선정되며, 힘의 전달방향과 수직하는 영역인 제2분할영역(122)에는 판스프링(70)이 선정되어 적용되게 된다.

그리고 탄성부재의 형상을 최적화하게 된다. 제1분할영역(121)에서의 코일스프링의 길이와, 파라미터를 연결부위의 크기에 따라 결정할 수 있다.

또한 제2분할영역(122)에 배치되는 판스프링(70)은 스프링의 특성 상 설계 자유도가 높아 곡선 형상 및 단면 최적화를 진행한다(S60).

그리고 탄성부재의 개수를 결정한다(S70). 본 발명의 실시예에서는 코일스프링(65)과 판스프링(70)을 직렬로 배치하고, 코일스프링(65)들은 병렬연결하고, 판스프링(70) 들간에 병렬연결을 통해 탄성에너지를 최대화하였다. 그리고 설계된 복합탄성유닛(50)을 설치영역(120)에 설치하게 된다(S80).

판스프링(70)의 곡선 형상과 단면을 최적화하여 해당 판스프링(70)에 저장 가능한 탄성 에너지를 최대화할 수 있게 된다. 판스프링(70)은 FEA(ex. ABAQUS, ANSYS 등)와 컴퓨팅 소프트웨어(ex. Matlab 등)을 활용하여 최적화를 진행하게 된다.

본 발명의 실시예에 따른 판스프링(70) 최적화단계는 도 22에 도시된 바와 같이, 먼저 판스프링(70)의 파라미터를 결정하고(S61), 판스프링(70)이 설치공간에서 자유단과, 고정단의 위치를 결정하게 된다(S62)

그리고, 판스프링(70)의 강성이 허용되는 범위에서 최대 탄성에너지를 가질 수 있는 목표변위를 설정한다(S63). 그리고 자유단에서 고정단으로 이어지는 임의의 지점들로 이루어지는 곡선 및 곡선의 임의의 지점들에 대한 두께값에 대해 반복알고리즘을 수행하여(S64) 목표 변위에 기반하여 최적화될 수 있는 판스프링의 곡선형상 및 단면두께를 도출하게 된다(S65).

본 최적화의 목적은 판스프링의 형상 및 단면 프로파일의 최적 설계를 통해 yield stress를 넘지 않으면서 스프링에 저장되는 탄성 에너지의 크기를 최대화하는 것이다. 해당 최적화는 기본적으로 전체 스프링 시스템에서 만족해야 하는 변위가 정해진 이후, 코일스프링에서 담당하는 변위가 결정된 이후 진행되게 된다(그 후, 판스프링의 목표 변위가 결정된다).

판스프링의 최적화는 MATLAB와 ABAQUS의 연동을 통해 이루어진다. ATLAB에서 설계 변수 내 임의의 B-Spline을 생성하여 이를 기반으로 longitudinal shape을 형성한다. 형성된 shape이 CVGC의 요소들과 간섭 발생 여부를 확인하기 위해서 다양한 제한 조건이 존재하며 제한 조건에 위배되는 경우 penalty를 부과한다. 만일 제한 조건에 위배되지 않는다면 해당 형상을 ABAQUS에 전달하여 해석을 진행한다. 이를 통해 해석된 결과를 통해 목적함수(Φ = -F_spring)가 최소화 되는 방향으로 최적화가 진행된다. 이때 사용되는 최적화 알고리즘은 GA이다.

ABAQUS에서 해당 형상을 해석할 때 사용되는 위에서 정해진 판스프링의 변위를 발생시켜 해석을 하며 이때 변위 발생량 대비 판스프링의 maximum stress와 reaction force를 얻어내는 것이 가능하다. 이때 판스프링의 재질인 SUP₁₀의 yield stress를 넘을 경우 해당 스프링 형상에 penalty를 부과한다. 더불어 CVGC의 케이스와의 접촉 여부를 판단하여 케이스와 접촉이 발생한 경우 마찬가지로 해당 스프링 형상에 penalty를 부과한다.

따라서 본 발명의 실시예에서는 서로 다른 탄성부재들을 복합적으로 활용함으로써 제한된 설계 공간을 최대로 이용해 시스템의 성능을 극대화할 수 있게 된다.

그리고 본 발명의 실시예에 따르면, 기계 시스템 내부에 존재하는 여유공간을 활용하여 탄성부재가 설치되기 때문에 기계 시스템이 전체적으로 소형화될 수 있고, 이때 각 공간에 최적화된 탄성부재를 사용함으로써 탄성부재에 저장되는 탄성 에너지를 최대화하는 설계가 가능하며, 결과적으로 제한된 공간 내에서 탄성부재를 활용하는 기계 시스템의 소형화가 가능하며, 저장가능한 탄성 에너지의 최대화를 통한 성능 향상이 가능하게 된다.

복합탄성유닛(50)의 구성을 보다 상세하게 설명하면, 복합탄성유닛(50)은 적어도 하나의 코일스프링(65)이 병렬로 연결된 코일스프링세트(60)와, 이러한 코일스프링세트(60)와 직렬로 배치되는 적어도 하나의 판스프링(70)으로 구성될 수 있다.

그리고 코일스프링 세트(60)는, 코일스프링(65) 각각이 삽입되어지는 탄성스프링 슬롯(64)과, 코일스프링 일측 끝단에 결합되는 제1탄성팔로워(61)와 타측 끝단에 결합되는 제2탄성팔로워(66)를 포함하여 구성될 수 있다. 제1탄성팔로워(61)는 곡선형 레버(40)의 종동단부의 곡선면(44)에 접촉되며, 제2탄성팔로워(66)는 판스프링(70)의 자유단에 접촉되게 된다.

또한 코일스프링 세트(60)는, 일측에 제1탄성팔로워(61)가 결합되며 코일스프링(65)의 일단에 결합되는 제1가이드(62)를 포함하여 제1탄성팔로워(61)는 제1조립부(63)를 통해 제1가이드(62)에 조립될 수 있다.

그리고 코일스프링 세트(60)의 타측에는 제2가이드(67)가 설치되며, 이러한 제2가이드(67)에는 제2조립부(68)를 통해 제2탄성팔로워(66)가 결합되게 된다.

또한 판스프링(70)의 일측 끝단인 자유단은 제2탄성팔로워(66)에 접촉되며, 타측 끝단인 고정단은 하우징(10)에 고정된 판스프링고정부(71)에 결합되어진다.

도 26은 본 발명의 실시예에 따른 곡선형 레버를 갖는 가변 중력보상모듈이 적용된 어깨 외골격 로봇을 도시한 것이고, 도 26은 본 발명의 실시예에 따른 곡선형 레버를 갖는 가변 중력보상모듈이 적용된 매니풀레이터를 도시한 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 곡선형 레버를 갖는 가변 중력보상모듈은 독립적인 모듈이자 핵심 요소기술로 가변 중력보상이 필요한 다양한 기계-로봇 시스템에 적용가능하다. 대표적인 실시예로 ‘가변중력보상모듈 일체형 엑추에이터’, 도 26에 도시된 바와 같이,‘가변중력보상모듈 기반 어깨 외골격 로봇’, 도 27에 도시된 바와 같이, ‘가변 중력보상 모듈 기반 매니퓰레이터’가 있다.

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

10:하우징
12:외관플레이트
20:연동캠
22:캠면
24:캠축
30:캠팔로워
32:캠팔로워 슬롯
40:곡선형 레버
41:피봇
42:구동단부
43:종동단부
44:종동단부 곡선면
50:복합탄성유닛
60:코일스프링세트
61:제1탄성팔로워
62:제1가이드
63:제1조립부
64:탄성스프링 슬롯
65:코일스프링
66:제2탄성팔로워
67:제2가이드
68:제2조립부
70:판스프링
71:판스프링 고정부
80:조절유닛
81:조절부재
82:조절부 가이드
83:구동모터
84:기어
90:배터리
100:곡선형 레버를 갖는 가변중력보상 장치
110:제어부
120:특정영역(설치공간)
121:제1분할영역
122:제2분할영역

Claims (11)

1. 하우징;
   상기 하우징에 하중에 의해 회전가능하게 설치되는 연동캠;
   상기 연동캠의 회전에 연동하여 회전되고, 상기 연동캠이 초기 위치로 회전되도록 탄성력을 제공하는 곡선형 레버;
   상기 곡선형 레버의 회전중심인 피봇이 하중의 세기에 따라 이동되도록 위치를 조절하는 조절유닛;
   상기 곡선형 레버에 탄성력을 제공하기 위해 상기 하우징 내에 구비되는 탄성유닛;을 포함하고,
   상기 곡선형 레버는 상기 피봇을 기준으로 일단부에는 상기 연동캠에 밀착되는 구동단부가 형성되고, 타단부에는 상기 탄성유닛에 구비된 탄성팔로워에 밀착되는 종동단부가 형성되고, 상기 종동단부는 상기 피봇에서 상기 탄성팔로워로 이어지는 측단면이 특정곡률을 갖고,
   연동캠의 외면에 형성된 캠면은 중심점을 기준으로 원주방향을 따라 반경거리가 변화되도록 형성되고, 상기 하우징에는 상기 연동캠의 회전에 연동하여 슬라이딩되는 캠 팔로워가 설치되고, 상기 구동단부는 상기 캠 팔로워에 밀착되며,
   상기 조절유닛은, 하우징 내에 설치되는 조절부 가이드와, 상기 피봇에 고정설치되며 상기 조절부 가이드를 따라 슬라이딩되는 조절부재와, 상기 조절부재를 이동시키는 구동부를 포함하고,
   상기 곡선형 레버의 곡선면은, 상기 조절유닛에 의해 상기 피봇의 위치가 가변되는 토크가변모드시, 상기 캠팔로워와 상기 탄성팔로워가 이동되지 않는 형태를 갖지며,
   상기 하우징에는, 상기 캠 팔로워가 슬라이딩되는 캠 팔로워 슬롯과, 상기 탄성유닛의 일측에 구비되며 제1탄성 팔로워가 설치된 제1탄성가이드가 슬라이딩되는 탄성부재 슬롯;이 각각 형성되고,
   상기 탄성유닛은 서로 다른 탄성부재가 결합된 복합탄성유닛으로 구성되고,
   상기 복합탄성유닛은, 적어도 하나의 코일스프링이 병렬로 연결된 코일스프링세트와, 상기 코일스프링세트와 직렬로 배치되는 적어도 하나의 판스프링으로 구성되며,
   상기 코일스프링 세트는,
   코일스프링 각각이 삽입되어 지는 적어도 하나의 탄성스프링 슬롯과, 상기 코일스프링 일측 끝단에 결합되는 제1탄성팔로워와 타측 끝단에 결합되는 제2탄성팔로워를 포함하고, 일측에 상기 제1탄성팔로워가 결합되며 상기 코일스프링의 일단에 결합되는 제1가이드와, 타측에 상기 제2탄성팔로워가 결합되며 상기 코일스프링의 타단에 결합되는 제2가이드를 포함하며,
   상기 판스프링의 일측은 상기 제2탄성팔로워에 접촉되며, 타측 끝단은 상기 하우징에 고정된 판스프링고정부에 결합되고,
   토크가변 모드시, 상기 구동부의 구동에 의해 상기 조절부재가 상기 조절부 가이드를 따라 이동하며 상기 피봇위치가 가변되고, 상기 캠팔로워와 상기 제1탄성팔로워와 상기 제2탄성팔로워의 위치는 가변되지 않는 것을 특징으로 하는 곡선형 레버를 갖는 가변중력보상 장치.
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제

Images