KR102411478B1 - 모듈 로봇 - Google Patents

Abstract

모듈 로봇(100)은, 제1 링크(1)와, 제1 링크(1)에 상대 이동 가능하게 연결된 제2 링크(2)와, 제1 링크(1)와 제2 링크(2)를 상대 이동시키는 유압 실린더(3)를 갖는 모듈(101)이 복수 연결되어 구성된다.

Description

모듈 로봇

본 발명은, 모듈 로봇에 관한 것이다.

근년, 산업용 로봇이나, 반송용 로봇, 지원용 로봇 등, 다양한 로봇이 개발되고 있다. JP2018-192607A에는, 케이블의 교환 작업을 행하는 산업용 로봇이 개시되어 있다. JP2017-40594A에는, 짐을 운반하는 반송용 로봇이 개시되어 있다. JP2018-153542A에는, 유저의 보행을 지원하는 보행 지원용 로봇이 개시되어 있다.

일반적으로 로봇은, 특허문헌 1 내지 3에 기재된 로봇과 같이, 어느 용도를 위해 제조되며, 다른 용도로는 유용할 수 없다.

또한, 어느 용도에 특화된 로봇은, 구조가 복잡하여 조립하는 것이 곤란한 경우가 있고, 또한 로봇의 부피가 커 반송이 곤란한 경우가 있다.

본 발명은, 다양한 용도에 대응할 수 있으며, 또한 조립 및 반송이 용이한 모듈 로봇을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 양태에 의하면, 모듈 로봇은, 제1 부재와, 제1 부재에 상대 이동 가능하게 연결된 제2 부재와, 제1 부재와 제2 부재를 상대 이동시키는 액압 실린더를 갖는 모듈이 복수 연결되어 구성된다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 모듈 로봇의 모듈의 사시도이다.
도 2는 모듈 로봇의 시스템 구성도이다.
도 3은 모듈의 연결 예를 도시하는 도면이다.
도 4는 모듈의 연결 예를 도시하는 도면이다.
도 5는 모듈의 연결 예를 도시하는 도면이다.
도 6은 모듈을 연결하여 다리부를 구성하는 모듈 로봇의 측면도이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시 형태의 변형예를 도시하는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 모듈의 모식도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대해 설명한다.

<제1 실시 형태>

먼저, 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 제1 실시 형태에 관한 모듈 로봇(100)에 대해 설명한다.

모듈 로봇(100)(도 6 참조)은, 도 1에 도시하는 모듈(101)이 복수 연결되어 구성된다.

먼저, 도 1을 참조하여 모듈(101)에 대해 설명한다. 도 1은 모듈(101)의 사시도이다.

모듈(101)은, 제1 부재로서의 제1 링크(1)와, 제1 링크(1)에 상대 이동 가능하게 연결된 제2 부재로서의 제2 링크(2)와, 제1 링크(1)와 제2 링크(2)를 상대 이동시키는 액압 실린더로서의 유압 실린더(3)를 갖는다.

제1 링크(1)와 제2 링크(2)는, 회전축(4)을 통해 회전 가능하게 연결된다. 모듈(101)은, 제1 링크(1)와 제2 링크(2)를 회전 가능하게 연결하는 제3 링크로서의 V자 링크(5)를 더 갖는다. V자 링크(5)는, 회전축(6)을 통해 회전 가능하게 연결되는 제1 레버(5a)와 제2 레버(5b)로 이루어진다. 제1 레버(5a)는 회전축(7)을 통해 제1 링크(1)에 회전 가능하게 연결되고, 제2 레버(5b)는 회전축(8)을 통해 제2 링크(2)에 회전 가능하게 연결된다.

유압 실린더(3)는, 작동액 공급원으로서의 펌프(10)(도 2 참조)로부터 공급되는 작동유(작동액)에 의해 신축 작동하는 액추에이터이다. 유압 실린더(3)는, 통 형상의 실린더 튜브(3a)와, 실린더 튜브(3a)에 미끄럼 이동 가능하게 삽입된 피스톤 로드(3b)를 갖는다. 실린더 튜브(3a)의 단부는, 회전축(9)을 통해 제1 링크(1)에 회전 가능하게 연결되고, 피스톤 로드(3b)의 단부는, V자 링크(5)의 회전축(6)에 회전 가능하게 연결된다. 또한, 실린더 튜브(3a)의 단부를 V자 링크(5)의 회전축(6)에 회전 가능하게 연결하고, 피스톤 로드(3b)의 단부를 회전축(9)을 통해 제1 링크(1)에 회전 가능하게 연결하도록 해도 된다. 이와 같이, 유압 실린더(3)는, 그 일단부가 제1 링크(1)에 회전 가능하게 연결된다.

피스톤 로드(3b)에는, 실린더 튜브(3a)에 미끄럼 이동 가능하게 삽입된 피스톤이 연결된다. 실린더 튜브(3a)의 내부는, 피스톤에 의해 로드측실과 로드 반대측실로 구획된다. 실린더 튜브(3a)에는, 로드측실에 연통되는 제1 급배 포트(3c)와, 로드 반대측실에 연통되는 제2 급배 포트(3d)가 마련된다.

유압 실린더(3)는, 펌프(10)로부터 제1 급배 포트(3c)를 통해 로드측실에 작동유가 공급됨과 함께, 로드 반대측실의 작동유가 제2 급배 포트(3d)를 통해 탱크(15)(도 2 참조)로 배출됨으로써 수축 작동한다. 한편, 유압 실린더(3)는, 펌프(10)로부터 제2 급배 포트(3d)를 통해 로드 반대측실에 작동유가 공급됨과 함께, 로드측실의 작동유가 제1 급배 포트(3c)를 통해 탱크(15)로 배출됨으로써 신장 작동한다. 유압 실린더(3)가 신축 작동함으로써 V자 링크(5)의 각도(제1 레버(5a)와 제2 레버(5b)가 이루는 각도)가 변화되고, 제1 링크(1)와 제2 링크(2)는 회전축(4)을 중심으로 하여 상대 회전한다. 이와 같이, 유압 실린더(3)를 구동함으로써, 제1 링크(1)와 제2 링크(2)를 상대 회전시킬 수 있다. 모듈(101)은, 회전축(4)을 중심으로 하는 1 자유도의 회전 자유도를 갖고 있고, 제1 링크(1), 제2 링크(2), 및 유압 실린더(3)는 단일의 자유도를 형성하도록 연결되어 있다.

V자 링크(5)의 길이(제1 레버(5a) 및 제2 레버(5b)의 길이), 및 제1 링크(1)와 제2 링크(2)에 대한 V자 링크(5)의 설치 위치(회전축(7, 8)의 위치)를 조정함으로써, 유압 실린더(3)의 스트로크 길이 및 스트로크 속도에 대한 제1 링크(1)와 제2 링크(2)의 상대 회전 각도 및 상대 회전 속도가 조정된다.

유압 실린더(3)는 단통 타입이므로, 제1 급배 포트(3c)와 제2 급배 포트(3d)는, 도 1에 도시하는 바와 같이 실린더 튜브(3a)의 양단에 각각 마련된다. 이 대신에, 유압 실린더(3)는 복통 타입이어도 된다. 이 경우에는, 제1 급배 포트(3c)와 제2 급배 포트(3d)를 실린더 튜브(3a)의 일단에 집약할 수 있으므로, 제1 급배 포트(3c)와 제2 급배 포트(3d) 각각에 접속되는 배관(도시하지 않음)의 배열이 용이해진다. 또한, 유압 실린더(3)가 단통 타입이라도, 로드측실 및 로드 반대측실에 각각 연통되는 한 쌍의 오일 통로를 피스톤 로드(3b) 내에 형성함으로써, 제1 급배 포트(3c)와 제2 급배 포트(3d)를 피스톤 로드(3b)의 선단측에 집약할 수 있다. 또한, 유압 실린더(3)가 단통 타입이라도, 로드측실에 연통하는 오일 통로를 실린더 튜브(3a)의 동체부 내에 길이 방향으로 형성함으로써, 제1 급배 포트(3c)와 제2 급배 포트(3d)를 실린더 튜브(3a)의 단부측에 집약할 수 있다. 이 형태의 경우에는, 실린더 튜브(3a)의 성형에 3D 프린터를 이용하면, 실린더 튜브(3a)의 동체부 내에 로드측실에 연통하는 오일 통로를 용이하게 형성할 수 있다.

다음으로, 도 2를 참조하여 모듈 로봇(100)의 시스템 구성에 대해 설명한다. 도 2는 모듈 로봇의 시스템 구성도이다.

모듈 로봇(100)은, 모듈(101) 외에도, 유압 실린더(3)에 작동유를 공급하는 펌프(10)와, 펌프(10)로부터 유압 실린더(3)에 대한 작동유의 급배를 제어하는 제어 밸브로서의 서보 밸브(11)와, 모듈(101)의 상태량을 검출하는 상태량 검출기로서의 센서(12)와, 센서(12)의 검출 결과에 기초하여 서보 밸브(11)의 동작을 제어하여 모듈(101)의 운동을 제어하는 컨트롤러(13)를 구비한다.

서보 밸브(11)는, 각 모듈(101)의 유압 실린더(3)마다 마련된다. 즉, 각 모듈(101)의 유압 실린더(3)는, 대응하여 마련되는 서보 밸브(11)에 의해 개별로 제어된다. 서보 밸브(11)를, 제1 링크(1)에 결합하여 마련함으로써, 제1 링크(1), 제2 링크(2), 및 유압 실린더(3)와 함께 모듈화해도 된다. 즉, 서보 밸브(11)를 모듈(101)의 일 부품으로서 구성해도 된다. 이와 같이 구성함으로써, 유압 실린더(3)의 제1 급배 포트(3c) 및 제2 급배 포트(3d)와 서보 밸브(11)를 접속하는 배관의 길이를 짧게 할 수 있다.

본 실시 형태에서는, 센서(12)로서, 모듈(101)의 상태량으로서 제1 링크(1)와 제2 링크(2)의 상대 회전 각도를 검출하는 인코더(12a)와, 모듈(101)의 상태량으로서 유압 실린더(3)의 압력을 검출하는 압력 센서(12b)를 갖는다. 인코더(12a) 및 압력 센서(12b)는, 모듈(101)의 일 부품으로서 구성된다.

인코더(12a)는, 회전축(4)에 마련되며, 제1 링크(1)와 제2 링크(2)의 상대 회전을 검출한다. 인코더(12a)의 검출 결과는, 모듈(101)의 위치 제어에 사용된다. 인코더(12a) 대신에, 유압 실린더(3)에 스트로크양을 검출하는 스트로크 센서를 마련하여, 유압 실린더(3)의 스트로크양에 기초하여 제1 링크(1)와 제2 링크(2)의 상대 회전 각도를 연산해도 된다.

압력 센서(12b)는, 실린더 튜브(3a)의 제1 급배 포트(3c) 및 제2 급배 포트(3d)에 마련되며, 실린더 튜브(3a) 내의 로드측실 및 로드 반대측실의 압력을 검출한다. 압력 센서(12b)의 검출 결과는, 모듈(101)의 하중 제어에 사용된다. 압력 센서(12b) 대신에, 모듈(101)의 상태량으로서 유압 실린더(3)에 작용하는 하중을 검출하는 하중 센서를 유압 실린더(3)에 마련해도 된다.

센서(12)에 의해 검출하는 모듈(101)의 상태량으로서는, 상술한 제1 링크(1)와 제2 링크(2)의 상대 회전 각도, 유압 실린더(3)의 압력, 유압 실린더(3)의 하중 외에, 유압 실린더(3)의 스트로크 속도, 유압 실린더(3)에 공급되는 작동유의 유량 등이어도 된다. 유압 실린더(3)의 스트로크 속도를 검출하는 경우에는, 센서(12)로서 유압 실린더(3)에 스트로크 센서를 마련하면 되고, 유압 실린더(3)에 공급되는 작동유의 유량을 검출하는 경우에는, 제1 급배 포트(3c) 및 제2 급배 포트(3d)에 유량 센서를 마련하면 된다. 센서(12)에 의해 검출하는 모듈(101)의 상태량은, 모듈(101)의 운동 제어에 따라서 적절하게 선택하면 된다.

컨트롤러(13)는, 출력 장치(14)로부터 출력된 지령 신호와 센서(12)로부터의 피드백 신호의 편차를 연산하고, 그 편차가 제로가 되도록 서보 밸브(11)를 제어한다. 이와 같이, 컨트롤러(13)는, 센서(12)의 검출 결과에 기초하여 피드백 제어를 행한다. 출력 장치(14)와 컨트롤러(13)는 유선 또는 무선으로 접속되고, 컨트롤러(13)와 서보 밸브(11)도 유선 또는 무선으로 접속된다.

컨트롤러(13)는, 서보 밸브(11)마다 마련해도 되고, 1개의 컨트롤러(13)로 복수의 서보 밸브(11)를 제어하도록 해도 된다. 또한, 1개의 메인 컨트롤러를 설치함과 함께, 메인 컨트롤러로부터의 지령 신호를 받아 각 서보 밸브(11)를 제어하는 서브 컨트롤러를 서보 밸브(11)마다 마련하도록 해도 된다. 컨트롤러(13)를 서보 밸브(11)마다 마련하는 경우에는, 컨트롤러(13)를, 서보 밸브(11)나 제1 링크(1)에 결합하여 마련함으로써, 제1 링크(1), 제2 링크(2), 및 유압 실린더(3)와 함께 모듈화해도 된다. 즉, 컨트롤러(13)를 모듈(101)의 일부품으로서 구성해도 된다.

출력 장치(14)로부터 출력되는 지령 신호는, 모듈(101)의 운동을 규정하는 정보이다. 출력 장치(14)로부터 출력되는 지령 신호는, 출력 장치(14)에 직접 입력된 정보나, 통신 회선을 통해 출력 장치(14)에 송신된 정보, 기억 매체로부터 판독된 정보 등이다.

다음으로, 도 1, 도 3 내지 도 5를 참조하여 제1 링크(1) 및 제2 링크(2)의 구성, 및 모듈(101)끼리의 연결에 대해 상세하게 설명한다.

제1 링크(1)는, 직육면체의 6면 중 2면이 개방되어 형성된 형상이며, 유압 실린더(3)의 길이 방향을 따라 연장되는 저판(1a)과, 저판(1a)에 대해 수직이며 서로 대향하고, 유압 실린더(3)를 사이에 두도록 형성된 한 쌍의 측판(1b, 1c)과, 저판(1a) 및 측판(1b, 1c)에 대해 수직이며 유압 실린더(3)의 저부에 대향하는 배판(1d)의, 4면을 갖는다.

제1 링크(1)의 한 쌍의 측판(1b, 1c)에는, 회전축(4, 7, 9)이 양자에 걸쳐 마련된다. 저판(1a) 및 한 쌍의 측판(1b, 1c)에는, 경량화를 위한 대경의 구멍(20)이 복수 형성된다.

제1 링크(1)는, 저판(1a), 한 쌍의 측판(1b, 1c), 및 배판(1d)에 의해 둘러싸인 내부 공간을 갖는다. 유압 실린더(3)는 일부가 제1 링크(1)의 내부 공간 내에 수용되므로, 제1 링크(1)는 유압 실린더(3)의 케이스로서도 기능한다. 제1 링크(1)의 내부 공간 내에, 컨트롤러(13)를 수용해도 된다.

제1 링크(1)의 내부 공간은, 저판(1a)에 대향하는 면이 개방되어 있고, 유압 실린더(3)는 신축 작동에 수반하여, 그 개방면을 통해 제1 링크(1)에 대해 드나들도록 이동한다. 구체적으로는, 유압 실린더(3)는, 신축 작동하면, 회전축(9)을 중심으로 하여 제1 링크(1) 내에 수용되는 방향 또는 제1 링크(1)로부터 노출되는 방향으로 요동 운동을 행한다.

유압 실린더(3)의 제1 급배 포트(3c) 및 제2 급배 포트(3d)와 서보 밸브(11)를 접속하는 배관은, 그 일부가 제1 링크(1)의 내부 공간 내에 수용된다. 유압 실린더(3)는, 제1 급배 포트(3c) 및 제2 급배 포트(3d)가 저판(1a)에 대향하는 방향으로 제1 링크(1)에 설치된다. 따라서, 제1 급배 포트(3c) 및 제2 급배 포트(3d)에 접속되는 배관을 제1 링크(1)의 내부 공간 내에 수용하기 쉽다. 그 배관은, 구멍(20)을 통해 제1 링크(1)의 내부 공간 내로부터 외부로 배열된다. 이와 같이, 제1 링크(1)에 형성된 경량화를 위한 구멍(20)은 배관보다 큰 직경을 가짐으로써, 배관의 배열에도 이용된다.

제2 링크(2)는, 저판(2a)과, 저판(2a)에 대해 수직이며 서로 대향하여 형성된 한 쌍의 측판(2b, 2c)을 갖는다. 한 쌍의 측판(2b, 2c)에는, 회전축(4, 8)이 양자에 걸쳐 마련된다.

제1 링크(1) 및 제2 링크(2)는 금속제인데, 모듈(101)의 용도로서 강성이 요구되지 않는 경우에는 수지제여도 된다.

제2 링크(2)의 한 쌍의 측판(2b, 2c)의 단부는, 제1 링크(1)의 한 쌍의 측판(1b, 1c)의 단부 사이에 삽입되고, 한 쌍의 측판(2b, 2c)과 한 쌍의 측판(1b, 1c)은 회전축(4)을 통해 서로 미끄럼 접촉하도록 상대 회전한다. 또한, 제1 링크(1)의 한 쌍의 측판(1b, 1c)의 단부가, 제2 링크(2)의 한 쌍의 측판(2b, 2c)의 단부 사이에 삽입되는 형태여도 된다.

제1 링크(1)의 저판(1a), 측판(1b, 1c), 및 배판(1d)에는, 모듈(101)끼리를 연결하기 위한 체결구가 삽입되는 복수의 체결 구멍(21)이 서로 등간격으로 형성된다. 마찬가지로, 제2 링크(2)의 저판(2a)에도 모듈(101)끼리를 연결하기 위한 체결구가 삽입되는 복수의 체결 구멍(21)이 서로 등간격으로 형성된다. 체결구는, 예를 들어 볼트이다. 체결 구멍(21)과 경량화를 위한 구멍(20)을 동일 직경으로 하여 공통의 구멍으로 해도 된다. 또한, 복수의 체결 구멍(21)은 서로 등간격이 아니어도 된다.

2개의 모듈(101)을 서로 연결할 때에는, 도 3 내지 도 5에 도시하는 바와 같이, 한쪽 모듈(101A)의 제1 링크(1)의 저판(1a), 측판(1b, 1c), 배판(1d), 및 제2 링크(2)의 저판(2a) 중 어느 하나를 연결판(31A)으로 함과 함께, 다른 쪽 모듈(101B)의 제1 링크(1)의 저판(1a), 측판(1b, 1c), 배판(1d), 및 제2 링크(2)의 저판(2a) 중 어느 하나를 연결판(31B)으로 하고, 연결판(31A)과 연결판(31B)을 서로 면 접촉시킨 상태에서, 연결판(31A)의 체결 구멍(21)과 연결판(31B)의 체결 구멍(21)에 걸쳐 체결구를 삽입하여 연결판(31A)과 연결판(31B)을 결합한다. 여기서, 제1 링크(1) 및 제2 링크(2)에 형성된 복수의 체결 구멍(21)은 서로 등간격으로 형성되어 있으므로, 연결판(31A)과 연결판(31B)을 용이하게 결합할 수 있다. 이와 같이, 2개의 모듈(101A, 101B)은, 모듈(101A)의 제1 링크(1) 또는 제2 링크(2)와, 모듈(101B)의 제1 링크(1) 또는 제2 링크(2)가 결합됨으로써 연결된다.

도 3 내지 도 5에, 모듈 로봇(100)을 구성하는 2개의 모듈(101A, 101B)의 연결 예에 대해 설명한다. 도 3 내지 도 5는, 서로 동일한 모듈(101A)과 모듈(101B)을 연결하는 경우에 대해 설명한다. 여기서, 본 명세서에 있어서, 동일한 모듈이란, 모듈을 구성하는 부품이 서로 동일하며, 또한 그 부품들의 형상 및 치수가 서로 동일한 것을 의미한다. 즉, 동일한 모듈이란, 동일 규격품이라고 할 수도 있다.

도 3은 모듈(101A)의 연결판(31A)과 모듈(101B)의 연결판(31B)이 모두 제1 링크(1)의 저판(1a)이며, 모듈(101A)과 모듈(101B)의 배면끼리를 연결한 배면 연결의 예이다. 또한, 모듈(101A) 및 모듈(101B)의 저판(1a)에 형성된 체결 구멍(21)은 등간격으로 복수 형성되어 있으므로, 모듈(101A)과 모듈(101B)의 상대 위치를 도 3의 상태로부터 어긋나게 하여 연결하는 것도 가능하다.

도 4는 모듈(101A)의 연결판(31A)이 제2 링크(2)의 저판(2a)이고, 모듈(101B)의 연결판(31B)이 제1 링크(1)의 저판(1a)이고, 모듈(101A)과 모듈(101B)을 직렬로 연결한 직렬 연결의 예이다. 직렬 연결의 다른 예로서, 모듈(101A)의 연결판(31A)을 제2 링크(2)의 저판(2a)으로 하고, 모듈(101B)의 연결판(31B)을 제1 링크(1)의 배판(1d)으로 하여, 모듈(101A)과 모듈(101B)을 연결해도 된다. 또한, 모듈(101A)의 연결판(31A) 및 모듈(101B)의 연결판(31B)을 제1 링크(1)의 배판(1d)으로 하여, 모듈(101A)과 모듈(101B)을 연결해도 된다.

도 5는 모듈(101A)의 연결판(31A)과 모듈(101B)의 연결판(31B)이 모두 제2 링크(2)의 저판(2a)이며, 모듈(101A)과 모듈(101B)을 90도 어긋나게 하여 연결한 비틀림 연결의 예이다.

도 3 및 도 4에 도시하는 예에서는, 모듈(101A)과 모듈(101B)의 운동은 동일 평면 내이므로, 모듈 로봇(100)은 전체적으로 2차원의 운동을 한다. 한편, 도 5에 도시하는 바와 같이, 모듈(101A)과 모듈(101B)을 비틀림 연결함으로써, 모듈 로봇(100)은 전체적으로 3차원의 운동을 한다.

도 3 내지 도 5는 모듈(101A, 101B)의 연결 예이며, 모듈(101A)과 모듈(101B)은, 모듈 로봇(100)의 원하는 운동에 따라서 자유롭게 연결된다. 예를 들어, 도 3 내지 도 5는 모듈(101A)과 모듈(101B)을 직렬로 연결하는 예인데, 모듈(101A)의 제1 링크(1)의 측판(1b)과 모듈(101B)의 제1 링크(1)의 측판(1c)을 결합함으로써, 모듈(101A)과 모듈(101B)을 병렬로 연결하는 것도 가능하다. 복수의 모듈(101)을 병렬 연결한 후, 각 유압 실린더(3)를 동기 제어함으로써, 모듈 로봇의 출력을 증폭시킬 수 있다. 병렬 연결의 경우에는, 회전축(4, 6, 7, 8, 9)을 공통화해도 되고, 또한 서보 밸브(11)를 공통화하여 1개의 서보 밸브(11)로 복수의 유압 실린더(3)를 제어해도 된다.

또한, 모듈(101A)의 제1 링크(1) 또는 제2 링크(2)와, 모듈(101B)의 제1 링크(1) 또는 제2 링크(2)를 결합할 때, 조목 구조를 이용하여 양 링크를 결합함으로써, 체결용 볼트의 개수를 저감시킬 수 있다. 또한, 볼트를 사용하지 않고, 전자석이나 유압 클램프를 이용하여 양 링크를 결합해도 된다. 또한, 모듈(101A)의 연결판(31A) 및 모듈(101B)의 연결판(31B) 중 한쪽에 핀을 마련하고, 다른 쪽에 핀이 삽입되는 구멍을 마련해도 된다. 볼트로 모듈(101A)과 모듈(101B)을 연결하기 전에, 핀을 통해 모듈(101A)과 모듈(101B)의 상대 위치를 조정할 수 있으므로, 모듈(101A)과 모듈(101B)의 연결 작업이 용이해진다.

다음으로, 도 6을 참조하여 모듈 로봇(100)의 일례에 대해 설명한다. 도 6에 도시하는 모듈 로봇(100)은, 3개의 동일한 모듈(101A, 101B, 101C)이 각각 발목 관절, 무릎 관절, 고관절에 대응하도록 연결되어 다리부 로봇을 구성하는 예를 도시하고 있다. 구체적으로는, 모듈(101A, 101B, 101C)의 각각의 회전축(4)이 발목 관절, 무릎 관절, 고관절에 대응한다. 이와 같이, 1개의 모듈(101)이 단관절 모듈을 구성하고, 모듈 로봇(100)은 3 자유도를 갖는다.

모듈(101A)과 모듈(101B)은, 도 4에 도시하는 바와 같이 직렬 연결되고, 모듈(101B)과 모듈(101C)은, 도 3에 도시하는 바와 같이 배면 연결된다. 모듈(101A)의 제2 링크(2)에는, 발에 상당하는 족부재(31)가 어태치먼트로서 설치된다.

모듈(101A, 101B, 101C)의 각 컨트롤러(13)는, 회전축(4)에 마련된 각 인코더(12a)의 검출 결과에 기초하여, 각 유압 실린더(3)를 신축 작동시켜 제1 링크(1)와 제2 링크(2)의 상대 회전 각도가 원하는 각도가 되도록 모듈(101A, 101B, 101C)의 운동을 제어한다. 각 모듈(101A, 101B, 101C)의 운동이 개별로 제어됨으로써, 모듈 로봇(100)의 자세가 제어된다.

또한, 모듈(101A, 101B, 101C)의 각 컨트롤러(13)는, 유압 실린더(3)에 마련된 압력 센서(12b)의 검출 결과에 기초하여, 각 관절의 토크를 제어한다. 예를 들어, 모듈 로봇(100)의 자중을 캔슬하도록 각 유압 실린더(3)를 제어하는 중력 보상 제어를 행한다.

모듈 로봇(100)은, 자율 보행 로봇이나, 사람에게 장착하여 사람의 보행이나 자세를 지원하는 로봇으로서 사용된다.

모듈 로봇(100)은, 도 6에 도시하는 다리부 로봇에 한정되지 않는다. 예를 들어, 모듈(101A)의 제2 링크(2)에, 족부재(31) 대신에 어태치먼트로서 버킷이나 로드를 설치함으로써 다른 용도, 기능을 갖는 모듈 로봇(100)으로 할 수 있다. 또한, 도 6에 도시하는 다리부 로봇 외에도, 또한 복수의 모듈(101)을 연결함으로써 휴머노이드 로봇을 구성할 수 있다. 이와 같이, 복수의 모듈(101)을 연결하는 것만으로, 용도, 기능에 따른 다양한 로봇을 간단하게 구성할 수 있다.

이상의 제1 실시 형태에 의하면, 이하에 나타내는 작용 효과를 발휘한다.

제1 링크(1), 제2 링크(2), 및 유압 실린더(3)를 갖는 모듈(101)을 복수 연결함으로써 다양한 용도에 대응하는 모듈 로봇(100)을 간단하게 구성할 수 있다. 또한, 모듈 로봇(100)은, 복수의 모듈(101)을 연결하는 것만으로 구성할 수 있으므로 조립이 용이하고, 반송 시에는, 각 모듈(101)로 분할하면 되므로, 조립 및 반송이 용이하다. 따라서, 다양한 용도에 대응할 수 있으며, 또한 조립 및 반송이 용이한 모듈 로봇(100)을 구성할 수 있다.

또한, 모듈(101)의 구동원은 유압이므로, 구동원이 전동 모터인 경우와 비교하여 모듈 중량비의 출력이 크다. 따라서, 고출력을 요하는 용도의 모듈 로봇(100)이라도 대형화를 방지할 수 있다. 또한, 유압 실린더(3)의 신축 작동은 서보 밸브(11)에 의해 제어되므로, 모듈(101)의 운동을 고정밀도로 제어할 수 있다.

이하에, 상기 실시 형태의 변형예에 대해 설명한다. 이하와 같은 변형예도 본 발명의 범위 내이며, 이하의 변형예와 상기 실시 형태의 구성을 조합하거나, 이하의 변형예끼리를 조합하거나 하는 것도 가능하다.

(1) 상기 실시 형태에서는, 모듈(101)이 1 자유도(단관절)를 갖는 형태에 대해 설명하였다. 이 대신에, 모듈은 복수의 자유도를 갖는 형태여도 된다. 복수의 자유도로 하는 경우에는, 링크의 수를 증가시키거나, 유압 실린더를 양 로드 타입으로 변경하면 된다.

(2) 상기 실시 형태에서는, 모듈(101)이 회전 자유도를 갖는 형태에 대해 설명하였다. 이 대신에, 모듈은 병진 자유도를 갖는 형태여도 된다. 이 경우에는, 서로 미끄럼 이동 가능하게 연결된 제1 부재와 제2 부재 사이에 유압 실린더(3)가 마련된다.

(3) 상기 실시 형태에서는, 서로 동일한 모듈(101)을 연결하는 형태에 대해 설명하였다. 이 대신에, 연결하는 모듈은 동일한 것(동일 규격)이 아니어도 된다. 예를 들어, 형상이나 치수가 서로 다른 제1 링크 및 제2 링크를 갖는 모듈을 연결하거나, 스트로크 길이가 서로 다른 유압 실린더를 갖는 모듈을 연결하거나 해도 된다. 즉, 규격이 다른 모듈을 각각 복수 준비하여, 모듈 로봇의 원하는 운동이나 모듈 로봇의 용도, 기능에 따라서 자유롭게 모듈을 연결하면 된다. 단, 동일 규격의 복수의 모듈을 연결하여 모듈 로봇을 구성함으로써, 모듈 로봇을 저비용으로 제조할 수 있다.

(4) 상기 실시 형태에서는, 모듈(101)의 제1 링크(1) 및 제2 링크(2)가 복수의 판을 갖고, 도 3 내지 도 5에 도시하는 바와 같이, 모듈(101A)의 연결판(31A)과 모듈(101B)의 연결판(31B)을 서로 면 접촉시켜 결합하는 형태에 대해 설명하였다. 이 대신에, 도 7에 도시하는 바와 같이, 모듈(101)의 제1 링크(1) 및 제2 링크(2)는, 일부가 개방된 원통 형상이어도 된다. 도 7은 모듈(101A)과 모듈(101B)을, 제1 링크(1)의 배면을 서로 대향시켜 연결한 예를 도시한다. 이 형태에 있어서, 모듈(101A)과 모듈(101B)을 연결하려면, 모듈(101A)의 제1 링크(1)와 모듈(101B)의 제1 링크(1) 사이에 스페이서(40)를 개재시킴과 함께, 모듈(101A) 및 모듈(101B)의 제1 링크(1)의 내부에 각각 스페이서(41, 42)를 마련한다. 스페이서(40)는, 모듈(101A)의 제1 링크(1)의 외주면과 모듈(101B)의 제1 링크(1)의 외주면에 각각 접촉하는 곡면부(40a, 40b)를 갖는다. 스페이서(41)는 모듈(101A)의 제1 링크(1)의 내주면에 접촉하는 곡면부(41a)를 갖고, 스페이서(42)는 모듈(101B)의 제1 링크(1)의 내주면에 접촉하는 곡면부(41b)를 갖는다. 스페이서(41), 모듈(101A)의 제1 링크(1), 및 스페이서(40)에 걸쳐 볼트(43)를 체결함과 함께, 스페이서(42), 모듈(101B)의 제1 링크(1), 및 스페이서(40)에 걸쳐 볼트(44)를 체결함으로써, 모듈(101A)과 모듈(101B)은 연결된다. 이와 같이, 제1 링크(1) 및 제2 링크(2)의 형상은 원통 형상이어도 된다. 또한, 제1 링크(1) 및 제2 링크(2)의 형상은, 구면 형상이어도 되고, 원통 형상과 구면 형상을 조합한 형상이어도 된다.

(5) 상기 실시 형태에서는, 모듈(101A)의 연결판(31A)과 모듈(101B)의 연결판(31B)을 서로 면 접촉시켜 결합하는 형태에 대해 설명하였다. 이 대신에, 모듈(101A)의 연결판(31A)과 모듈(101B)의 연결판(31B) 사이에 스페이서를 개재시키고, 그 스페이서를 통해 모듈(101A)과 모듈(101B)을 연결하도록 해도 된다. 스페이서를 개재시킴으로써 모듈(101A)과 모듈(101B) 사이에 간극을 마련할 수 있다.

(6) 상기 실시 형태에서는, 모듈(101A)과 모듈(101B)이 상대 이동 불가능해지도록 연결하는 형태에 대해 설명하였다. 이 대신에, 모듈(101A)과 모듈(101B)을, 상대 이동 가능하도록 연결하게 해도 된다. 예를 들어, 모듈(101A)과 모듈(101B)을 핀을 통해 연결하고, 핀을 중심으로 하여 서로 회전 가능하거나 요동 가능하게, 혹은 회전 가능하면서 요동 가능하게 구성해도 된다. 이 형태의 경우에는, 모듈(101A)과 모듈(101B)을 서로 회전 또는 요동하기 위한 동력원을 마련해도 된다.

(7) 상기 실시 형태에서는, 제1 링크(1)와 제2 링크(2)를 회전 가능하게 연결하는 V자 링크(5)를 갖는 형태에 대해 설명하였다. V자 링크(5)는 본 발명의 필수적인 구성은 아니며, 제1 링크(1)와 제2 링크(2)에 걸쳐 유압 실린더(3)를 직접 연결해도 된다. 단, 제1 링크(1)와 제2 링크(2)가 V자 링크(5)로 연결되는 상기 실시 형태에서는, 제1 링크(1)와 제2 링크(2)의 회전축(4)이 V자 링크(5)의 회전축(7, 8) 사이에 위치하고, 제1 링크(1)와 제2 링크(2)의 상대 회전에 수반하여 V자 링크(5)의 각도가 변화되는 구조이므로, 유압 실린더(3)의 스트로크 길이를 짧게 할 수 있어, 유압 실린더(3)를 콤팩트하게 할 수 있다.

(8) 상기 실시 형태에서는, 펌프(10)로부터 유압 실린더(3)에 대한 작동유의 급배를 제어하는 제어 밸브가 서보 밸브(11)인 형태에 대해 설명하였다. 제어 밸브는, 서보 밸브(11)에 한정되는 것은 아니며, 전자 파일럿 타입의 제어 밸브 등이어도 된다. 또한, 제어 밸브(서보 밸브(11))를 마련하지 않고, 펌프(10)에 의해 유압 실린더(3)에 대한 작동유의 급배를 제어해도 된다. 그 경우에는, 펌프의 회전수나 펌프 용량을 제어하면 된다.

(9) 상기 실시 형태에서는, 유압 실린더(3)의 로드측실에 연통되는 제1 급배 포트(3c)는, 도 1에 도시하는 바와 같이, 실린더 튜브(3a)의 외주에 마련된다. 이 대신에, 제1 급배 포트(3c)를 실린더 튜브(3a)의 저부에 마련한 후, 회전축(9) 내에 형성한 오일 통로에 연통되도록 구성해도 된다. 이와 같이 구성함으로써, 회전축(9)의 단부면에 형성된 오일 통로의 개구부와 서보 밸브(11)를 배관으로 접속하면 되므로, 배관의 배열이 용이해진다. 이 형태의 경우에는, 실린더 튜브(3a)의 성형에 3D 프린터를 이용하면, 실린더 튜브(3a)의 저부에 제1 급배 포트(3c)를 용이하게 형성할 수 있다.

(10) 상기 실시 형태에서는, 액압 실린더로서 작동액이 작동유인 유압 실린더(3)인 형태에 대해 설명하였지만, 작동액으로서 작동유 대신에, 작동수 등의 다른 유체를 사용해도 된다.

<제2 실시 형태>

다음으로, 도 8을 참조하여 본 발명의 제2 실시 형태에 대해 설명한다. 도 8은 본 발명의 제2 실시 형태에 관한 모듈(102)의 모식도이다. 이하에서는, 상기 제1 실시 형태와 다른 점에 대해 설명하고, 상기 제1 실시 형태와 마찬가지의 기능을 갖는 구성에는, 도면 중에 동일한 부호를 붙여 설명을 생략한다.

상기 제1 실시 형태에 관한 모듈(101)에서는, 유압 실린더(3)의 일단부가 제1 링크(1)에 회전 가능하게 연결된다. 이에 비해, 제2 실시 형태에 관한 모듈(102)에서는, 유압 실린더(3)는 제1 링크(1) 내에 내장되고, 제1 링크(1)에 회전 불가능하게 연결된다. 이하에 상세하게 설명한다.

모듈(102)에서는, 실린더 튜브(3a)가 제1 링크(1)에 회전 불가능하게 연결된다. 즉, 실린더 튜브(3a)는 제1 링크(1)에 대해 상대 이동하지 않도록, 제1 링크(1)에 고정된다.

피스톤 로드(3b)의 단부는, 크랭크(51)를 통해 제3 링크로서의 V자 링크(5)에 연결된다. 크랭크(51)는, 일단부가 회전축(52)을 통해 피스톤 로드(3b)의 단부에 회전 가능하게 연결되고, 타단부가 V자 링크(5)의 회전축(6)에 회전 가능하게 연결된다. 제1 링크(1)에는, 피스톤 로드(3b)의 축 방향을 따라 리니어 가이드(50)가 마련되고, 피스톤 로드(3b)는 리니어 가이드(50)를 따라 이동한다.

유압 실린더(3)가 신축 작동함으로써, 피스톤 로드(3b)와 크랭크(51)가 이루는 각도 및 V자 링크(5)의 각도가 변화되고, 제1 링크(1)와 제2 링크(2)는 회전축(4)을 중심으로 하여 상대 회전한다. 이와 같이, 유압 실린더(3)를 구동함으로써, 제1 링크(1)와 제2 링크(2)를 상대 회전시킬 수 있다.

크랭크(51)의 길이를 조정함으로써, 제1 링크(1)와 제2 링크(2)의 회전 토크를 조정할 수 있다.

상기 제1 실시 형태에 관한 모듈(101)에서는, 유압 실린더(3)는 신축 작동에 수반하여 제1 링크(1)에 대해 드나들도록 이동한다. 이에 비해, 모듈(102)에서는, 유압 실린더(3)가 제1 링크(1)에 내장되어 회전 불가능하게 연결되므로, 유압 실린더(3)는 신축 작동에 수반하여 제1 링크(1)에 대해 드나들지 않는다. 따라서, 모듈(102)을 콤팩트하게 구성할 수 있다.

모듈(102)은, 펌프(10)로부터 유압 실린더(3)에 대한 작동유의 급배를 제어하는 제어 밸브로서의 서보 밸브(11)와, 모듈(101)의 상태량을 검출하는 상태량 검출기로서의 센서(12)와, 센서(12)의 검출 결과에 기초하여 서보 밸브(11)의 동작을 제어하여 모듈(102)의 운동을 제어하는 컨트롤러(13)를 구비한다. 서보 밸브(11), 센서(12), 및 컨트롤러(13)는, 모듈(102)의 일부품으로서 구성된다.

서보 밸브(11)는, 각 모듈(102)에 마련되고, 유압 실린더(3)를 개별로 제어한다.

본 실시 형태에서는, 센서(12)로서, 모듈(101)의 상태량으로서 유압 실린더(3)의 압력(실린더 튜브(3a) 내의 로드측실 및 로드 반대측실의 압력)을 검출하는 압력 센서(12b)와, 피스톤 로드(3b)의 변위를 검출하는 리니어 인코더(12c)를 갖는다.

모듈(102)에서는, 실린더 튜브(3a)가 제1 링크(1)에 고정되어 상대 이동하지 않으므로, 서보 밸브(11), 압력 센서(12b), 리니어 인코더(12c), 및 컨트롤러(13)를 제1 링크(1) 내에 내장할 수 있다. 따라서, 모듈(102)을 콤팩트하게 구성할 수 있음과 함께, 이들 부품의 파손을 방지할 수 있다.

또한, 크랭크(51) 및 V자 링크(5)는 본 발명의 필수적인 구성은 아니다. V자 링크(5)를 생략하고, 크랭크(51)를 제2 링크(2)에 회전 가능하게 연결해도 되고, 크랭크(51) 및 V자 링크(5)를 생략하고, 피스톤 로드(3b)의 단부를 제2 링크(2)에 회전 가능하게 연결해도 된다.

이하, 본 발명의 실시 형태의 구성, 작용, 및 효과를 통합하여 설명한다.

모듈 로봇(100)은, 제1 링크(1)(제1 부재)와, 제1 링크(1)에 상대 이동 가능하게 연결된 제2 링크(2)(제2 부재)와, 제1 링크(1)와 제2 링크(2)를 상대 이동시키는 유압 실린더(3)(액압 실린더)를 갖는 모듈(101)이 복수 연결되어 구성된다.

이 구성에서는, 제1 링크(1), 제2 링크(2), 및 유압 실린더(3)를 갖는 모듈(101)을 복수 연결함으로써 다양한 용도에 대응하는 모듈 로봇(100)을 구성할 수 있다. 또한, 모듈 로봇(100)은, 복수의 모듈(101)을 연결하는 것만으로 구성할 수 있으므로 조립이 용이하고, 반송 시에는 각 모듈(101)로 분할하면 되므로, 조립 및 반송이 용이하다. 따라서, 다양한 용도에 대응할 수 있으며, 또한 조립 및 반송이 용이한 모듈 로봇(100)을 구성할 수 있다.

또한, 모듈 로봇(100)은, 동일한 모듈(101)이 적어도 2개 연결되어 구성된다.

이 구성에서는, 모듈 로봇(100)을 저비용으로 제조할 수 있다.

또한, 제1 부재 및 제2 부재는, 회전 가능하게 연결된 제1 링크(1) 및 제2 링크(2)이다.

또한, 유압 실린더(3)는, 제1 링크(1)에 회전 불가능하게 연결된다.

이 구성에서는, 모듈(102)을 콤팩트하게 구성할 수 있다.

또한, 모듈(101, 102)은, 제1 링크(1)와 제2 링크(2)를 회전 가능하게 연결하는 V자 링크(5)(제3 링크)를 더 갖고, 유압 실린더(3)는 일단부가 제1 링크(1)에 연결되고, 타단부가 V자 링크(5)에 연결된다.

이 구성에서는, 유압 실린더(3)의 스트로크 길이를 짧게 할 수 있어, 유압 실린더(3)를 콤팩트하게 할 수 있다.

또한, 모듈 로봇(100)은, 유압 실린더(3)에 작동액을 공급하는 펌프(10)(작동액 공급원)와, 펌프(10)로부터 유압 실린더(3)에 대한 작동유(작동액)의 급배를 제어하는 서보 밸브(11)(제어 밸브)를 더 구비한다.

또한, 모듈(101, 102)은, 모듈(101)의 상태량을 검출하는 센서(12)(상태량 검출기)와, 센서(12)의 검출 결과에 기초하여 서보 밸브(11)의 동작을 제어하여 모듈(101)의 운동을 제어하는 컨트롤러(13)를 더 갖는다.

이들 구성에서는, 모듈 로봇(100)의 운동을 제어할 수 있다.

또한, 2개의 모듈(101A, 101B)은, 한쪽 모듈(101A)의 제1 링크(1) 또는 제2 링크(2)와, 다른 쪽 모듈(101B)의 제1 링크(1) 또는 제2 링크(2)가 결합됨으로써 연결되고, 제1 링크(1) 또는 제2 링크(2)는 서로 면 접촉하여 결합되는 연결판(31A, 31B)을 갖는다.

또한, 연결판(31A, 31B)에는, 연결판(31A, 31B)끼리를 연결하기 위한 체결구가 삽입되는 복수의 체결 구멍(21)이 서로 등간격으로 형성된다.

이들 구성에서는, 한쪽 모듈(101A)의 연결판(31A)과 다른 쪽 모듈(101B)의 연결판(31B)을 용이하게 결합할 수 있다.

또한, 유압 실린더(3)는, 제1 링크(1)에 내장된다.

또한, 모듈(102)은, 펌프(10)(작동액 공급원)로부터 유압 실린더(3)에 대한 작동액의 급배를 제어하는 서보 밸브(11)(제어 밸브)와, 모듈(102)의 상태량을 검출하는 센서(12)(상태량 검출기)와, 센서(12)의 검출 결과에 기초하여 서보 밸브(11)의 동작을 제어하여 모듈(102)의 운동을 제어하는 컨트롤러(13)를 더 갖고, 서보 밸브(11), 센서(12), 및 컨트롤러(13)는 제1 링크(1)에 내장된다.

이들 구성에서는, 모듈(102)을 콤팩트하게 구성할 수 있다.

또한, 모듈 로봇(100)은, 3개의 모듈(101A, 101B, 101C)이 발목 관절, 무릎 관절, 고관절에 대응하도록 연결되어 다리부를 구성한다.

이 구성에서는, 3개의 모듈(101A, 101B, 101C)을 연결하는 것만으로 다리부 로봇을 구성할 수 있다.

이상, 본 발명의 실시 형태에 대해 설명하였는데, 상기 실시 형태는 본 발명의 적용예의 일부를 나타낸 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 범위를 상기 실시 형태의 구체적 구성에 한정하는 취지는 아니다.

본원은 2019년 6월 27일에 일본 특허청에 출원된 일본 특허 출원 제2019-119950호에 기초하는 우선권을 주장하고, 이 출원의 모든 내용은 참조에 의해 본 명세서에 포함된다.

Claims (12)

1. 제1 링크와, 상기 제1 링크에 회전 가능하게 연결된 제2 링크와, 상기 제1 링크와 상기 제2 링크를 상대 회전시키는 액압 실린더를 갖는 모듈이 복수 연결되어 구성되고,
   상기 액압 실린더는, 상기 제1 링크에 회전 불가능하게 연결되고,
   상기 제1 링크 및 상기 제2 링크는 복수의 판을 가지며,
   2개의 상기 모듈은, 한쪽의 상기 모듈의 상기 제1 링크 및 상기 제2 링크의 상기 복수의 판 중의 어느 하나를 연결판으로 함과 동시에, 다른 쪽의 상기 모듈의 상기 제1 링크 및 상기 제2 링크의 상기 복수의 판 중의 어느 하나를 연결판으로 하고, 두 연결판을 서로 접촉시켜 결합함으로써 연결되고,
   상기 연결판에는, 당해 연결판끼리를 연결하기 위한 체결구가 삽입되는 복수의 체결 구멍이 서로 등간격으로 형성되는 것을 특징으로 하는 모듈 로봇.
2. 제1항에 있어서,
   동일한 상기 모듈이 적어도 2개 연결되어 구성되는 것을 특징으로 하는 모듈 로봇.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 모듈은, 상기 제1 링크와 상기 제2 링크를 회전 가능하게 연결하는 제3 링크를 더 갖고,
   상기 액압 실린더는, 일단부가 상기 제1 링크에 연결되고, 타단부가 상기 제3 링크에 연결되는 것을 특징으로 하는 모듈 로봇.
4. 제1항에 있어서,
   상기 액압 실린더에 작동액을 공급하는 작동액 공급원과,
   상기 작동액 공급원으로부터 상기 액압 실린더에 대한 작동액의 급배를 제어하는 제어 밸브를 구비하는 것을 특징으로 하는 모듈 로봇.
5. 제4항에 있어서,
   상기 모듈은,
   상기 모듈의 상태량을 검출하는 상태량 검출기와,
   상기 상태량 검출기의 검출 결과에 기초하여 상기 제어 밸브의 동작을 제어하여 상기 모듈의 운동을 제어하는 컨트롤러를 더 갖는 것을 특징으로 하는 모듈 로봇.
6. 제1항에 있어서,
   상기 액압 실린더는, 상기 제1 링크에 내장되는 것을 특징으로 하는 모듈 로봇.
7. 제6항에 있어서,
   상기 모듈은,
   작동액 공급원으로부터 상기 액압 실린더에 대한 작동액의 급배를 제어하는 제어 밸브와,
   상기 모듈의 상태량을 검출하는 상태량 검출기와,
   상기 상태량 검출기의 검출 결과에 기초하여 상기 제어 밸브의 동작을 제어하여 상기 모듈의 운동을 제어하는 컨트롤러를 더 갖고,
   상기 제어 밸브, 상기 상태량 검출기, 및 상기 컨트롤러는, 상기 제1 링크에 내장되는 것을 특징으로 하는 모듈 로봇.
8. 제1항에 있어서,
   3개의 상기 모듈이 발목 관절, 무릎 관절, 고관절에 대응하도록 연결되어 다리부를 구성하는 것을 특징으로 하는 모듈 로봇.
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