KR102450832B1 - 줄 꼬임 구동용 구조체 및 이를 이용한 줄 꼬임 구동기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 줄 꼬임 구동용 구조체 및 이를 이용한 줄 꼬임 구동기에 관한 것이다. 본 발명은 줄의 꼬임을 발생시켜 구동력을 발생시키는 줄 꼬임 구동기에 사용되는 줄 꼬임 구동용 구조체에 있어서, 상기 줄이 관통하여 감아지는 원통형상의 하우징을 포함하되, 상기 하우징은 상기 줄이 관통하여 삽입되는 입구구간, 상기 줄이 상기 하우징의 외면에 감아지는 권선구간, 및 상기 줄이 배출되는 출구구간으로 나누어지고, 상기 줄은 상기 입구구간 및 출구구간보다 상기 권선구간에서 큰 곡률로 감아질 수 있다.

Description

줄 꼬임 구동용 구조체 및 이를 이용한 줄 꼬임 구동기{STRUCTURE FOR ACTUATING TWISTED STRING AND TWISTED STRING ACTUATOR USING THE SAME}

본 발명은 줄 꼬임 구동용 구조체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 줄 꼬임 구동 매커니즘을 이용한 줄 꼬임 구동기에 사용되는 줄 꼬임 구동용 구조체에 관한 것이다.

현재 시중에 판매되고 있는 사람과 협업하는 로봇들(human-robot interaction)은 높은 감속비의 무거운 기계적 감속기가 사용되고 있다. 하지만 인간 친화적인 로봇(human-friendly robot)은 무겁고 마찰이 큰 감속기를 대체할 수 있는 안전한 구동 기술이 필요하다. 그 중에서 줄 꼬임을 기반으로 한 구동기술은 가볍고 저렴한 섬유재질의 줄을 사용하고 유연성(compliance)를 보유해서 원천적으로 안전하다.

이와 같은 특성을 가진 줄 꼬임 기반의 구동기술에서 줄은 모터의 회전운동을 병진운동으로 변환시켜 주는 기어의 역할을 한다. 여기에서 줄의 길이가 감속비를 결정하는데 중요한 요소 중에 하나인데 줄의 길이가 길어질수록 감속비가 증가하는 것이다. 줄 꼬임 기반 구동기술이 실용적인 힘을 발휘하려면 충분한 길이가 확보가 되어야 한다. 하지만 이러한 방법은 로봇의 크기를 비대하게 만들기 때문에 효율적인 설계가 어렵다.

따라서 줄의 길이를 최대한 길게 하면서 구동기를 수형화시킬 수 있는 새로운 작동 매커니즘의 개발이 필요하다.

대한민국 등록특허공보 제10-1370375호(2014.02.27)

본 발명은 줄 꼬임 구동기에 사용되는 줄의 길이를 길게 유지하면서 소형화할 수 있는 구조를 가진 줄 꼬임 구동용 구조체 및 이를 이용한 줄 꼬임 구동기를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은 줄의 꼬임을 발생시켜 구동력을 발생시키는 줄 꼬임 구동기에 사용되는 줄 꼬임 구동용 구조체에 있어서, 상기 줄이 관통하여 감아지는 원통형상의 하우징을 포함하되, 상기 하우징은 상기 줄이 관통하여 삽입되는 입구구간, 상기 줄이 상기 하우징의 외면에 감아지는 권선구간, 및 상기 줄이 배출되는 출구구간으로 나누어지고, 상기 줄은 상기 입구구간 및 출구구간보다 상기 권선구간에서 큰 곡률로 감아질 수 있다.

상기 줄은 상기 하우징의 원형 단면의 중심으로 관통하여 삽입되었다가 원형 단면의 중심을 관통하여 배출될 수 있다.

상기 권선구간과 출구구간은 후단으로 갈수록 직경이 작아지도록 테이퍼지게 형성될 수 있다.

상기 권선구간 중 일부는 후단으로 갈수록 직경이 작아지도록 테이퍼지게 형성될 수 있다.

상기 출구구간에서의 줄의 권선수는 상기 입구구간에서의 줄의 권선수보다 큰 것일 수 있다.

상기 하우징은 상기 줄 꼬임 구동기의 구동원 쪽에 가까운 부분에 배치될 수 있다.

상기 하우징에는 상기 줄이 관통하여 감아지는 관통채널이 형성되는데, 상기 관통채널은 상기 입구구간 및 출구구간에서는 상기 하우징의 내부를 관통하여 형성되고, 상기 권선구간에서는 상기 하우징의 외면을 따라 나선형으로 형성될 수 있다.

상기 관통채널에는 상기 줄과의 마찰을 줄이기 위해 표면이 코팅될 수 있다.

상기 관통채널에는 상기 줄과의 마찰을 줄이기 위해 표면에 테이프가 부착될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 발명은 줄의 꼬임을 발생시켜 구동력을 발생시키는 줄 꼬임 구동기에 사용되는 줄 꼬임 구동용 구조체에 있어서, 하우징; 및 상기 하우징의 내부에 회전가능하게 설치되고, 상기 줄이 감아지는 복수개의 도르래를 포함하고, 상기 도르래는 상기 줄의 권선방향을 따라 지그재그 형태로 배치될 수 있다.

상기 하우징에는 상기 줄이 관통하여 삽입되는 입구와, 상기 줄이 관통하여 배출되는 출구가 개방되어 형성될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명은 줄 꼬임 구동용 구조체가 줄의 경로 상에 설치되고, 상기 줄에 동력을 전달하여 줄의 꼬임을 발생시키는 줄 꼬임 구동기를 제공할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 원통형상의 하우징, 도르래를 이용한 하우징 등의 구조체를 이용함으로써, 줄의 길이를 최대화하면서 구동기의 소형화도 가능하다.

또한 하우징의 관통채널 상에 마찰을 줄이기 위해 테이프 부착, 코팅 등을 함으로써, 줄과 하우징의 마찰을 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 줄 꼬임 구동용 구조체의 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 줄 꼬임 구동용 구조체의 사시도.
도 3은 줄 꼬임 구동용 구조체의 관통채널을 보인 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 줄 꼬임 구동기를 개략적으로 보인 도면.
도 5 및 도 6은 도 1에 도시된 줄 꼬임 구동용 구조체의 다른 실시예를 개략적으로 보인 도면.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 줄 꼬임 구동용 구조체의 사시도.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 줄 꼬임 구동용 구조체의 단면도.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명에 의한 하이브리드 구동을 위한 줄 꼬임 구동기의 일 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 줄 꼬임 구동용 구조체의 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 줄 꼬임 구동용 구조체의 사시도이며, 도 3은 줄 꼬임 구동용 구조체의 관통채널을 보인 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 줄 꼬임 구동용 구조체는 원통형상의 하우징(10)으로 만들어질 수 있다. 하우징(10)은 줄이 관통하여 감아지는 구조체로서 본 실시예에서는 원통형상을 제시하였으나 이에 반드시 한정되는 것은 아니고 줄이 감아질 수 있는 형상이라면 어떠한 형상이라도 채용될 수 있다.

본 실시예에서 이와 같이 줄이 감아지는 구조체를 제안한 것은 줄의 길이를 최대한 길게 유지하면서 구동기를 소형화하기 위함이다. 보다 구체적으로 설명하면, 줄 꼬임 구동기에서는 줄의 길이를 최대한 길게 유지하여야 감속비가 증가하고 충분한 크기의 토크를 발생시킬 수 있다. 이를 위해 본 실시예에서는 하우징(10)과 같은 구조체를 통해 줄이 직선 경로가 아니고 곡선 경로를 따라 감아질 수 있도록 하여 제한된 공간 내에서 길이를 최대화하였다.

하우징(10)은 줄이 관통하여 삽입되는 입구구간, 줄이 하우징(10)의 외면에 감아지는 권선구간, 및 줄이 배출되는 출구구간으로 나누어질 수 있다. 하우징(10)의 일단부에는 원형 단면의 중심에 입구(12)가 형성되고, 타단부에는 출구(14)가 개방되어 형성된다. 그리고 하우징(10)에는 입구(12)를 따라 줄이 관통하여 감아지는 관통채널(20)이 형성된다. 관통채널(20)은 입구구간 및 출구구간에서는 하우징(10)의 내부를 관통하여 형성되고, 권선구간에서는 하우징(10)의 외면을 따라 나선형으로 형성될 수 있다. 물론 관통채널(20)은 권선구간에서도 하우징(10)의 내부에 나선형으로 형성될 수도 있다.

상술한 바와 같이, 줄은 입구구간에서는 하우징(10)의 일단부에 형성된 입구(12)를 통하여 삽입되는데, 이와 같이 형성한 것은 줄이 처음부터 하우징(10)의 외면에 감아지게 되면 줄이 경로를 이탈하거나 마찰력이 강하게 작용하여 동력 전달의 손실이 커지는 문제가 있기 때문이다. 그리고 입구구간을 지나 권선구간에서는 상대적으로 곡률을 크게 하여 하우징(10)의 외면에 감아지도록 함으로써, 줄이 길이를 충분히 늘려주도록 구성하였다.

한편 입구구간 및 출구구간에서는 권선구간과 달리 상대적으로 작은 곡률을 가지고 직선 경로에 가깝게 형성하는 것이 바람직하다. 이는 줄의 꼬임이 구동원(40)에 가까운 부분에서 가장 심하게 발생하기 때문에, 입구구간에서는 줄의 꼬임이 최대한 발생하도록 곡률을 작게 함으로써 전체적으로 줄의 꼬임 전달이 후단까지 잘 이루어질 수 있도록 하기 위함이다.

도 3을 참조하면, 관통채널(20)의 표면에는 줄과의 마찰을 줄이기 위해 테이프(30)가 부착될 수 있다. 하우징(10)에 줄을 감게 되면 표면과 마찰이 많이 발생하게 되는데, 이와 같이 관통채널(20)의 표면에 테이프(30)를 부착하게 되면 마찰을 최소화할 수 있어 줄의 꼬임 전달이 후단까지 잘 이루어질 수 있다. 테이프(30)로는 예를 들어 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE) 소재의 테이프(30)가 사용될 수 있다. 도 3에서는 테이프(30)가 부착되는 경우만 도시하였으나, 이에 제한되는 것은 아니고 마찰을 줄이기 위해 관통채널(30)의 표면을 저마찰 소재로 코팅하는 것도 가능할 것이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 줄 꼬임 구동기를 개략적으로 보인 도면이다. 이를 참조하면, 줄 꼬임 구동기는 전기 모터와 같은 구동원(40)을 포함한다. 구동원(40)의 출력축에는 후크(42)가 구비되고, 후크(42)에 줄(S)의 일단부가 걸어지며 줄(S)의 타단부는 리니어 가이드(50)에 고정된다.

그리고 리니어 가이드(50)와 로드(60) 사이에는 풀리(52)가 구비되어 와이어를 통해 동력을 전달할 수 있다. 하우징(10)은 길게 늘여진 줄(S) 중에서 구동원(40) 쪽에 가까운 부분에 배치되는 것이 바람직하다. 이는 실질적으로 구동원(40)에 가까운 부분의 줄(S)의 꼬임이 가장 심하게 발생하기 때문에 이 부분의 줄(S)의 길이를 늘려 줄(S)의 꼬임이 후단으로 잘 전달될 수 있도록 하기 위함이다. 또한 위와 같이 하우징(10)을 배치하는 것은 감속비를 실질적으로 증가시키는 효과도 있다.

다음으로 도 5 및 도 6은 도 1에 도시된 줄 꼬임 구동용 구조체의 다른 실시예를 개략적으로 보인 도면이다. 참고로 본 도면은 원활한 설명을 위하여 하우징(10)을 개략적으로 도시한 것이다.

도 5를 참조하면, 본 실시예에서는 줄의 길이를 최대화하기 위하여 도 1에 도시된 것과 달리 권선구간에서의 권선수를 많이 증가시켰다. 이와 같이 되면 제한된 공간 내에서 하우징(10)에 감기는 줄의 길이가 상대적으로 길어지기 때문에 감속비가 증가되는 효과가 있다.

또한 출구구간에서의 줄의 권선수는 입구구간에서의 줄의 권선수보다 많을 수 있다. 이는 줄이 꼬임이 심한 입구구간보다 상대적으로 영향이 덜한 출구구간에서 권선수를 상대적으로 크게 하여 줄의 길이를 최대화하기 위함이다.

도 6을 참조하면, 본 실시예에서는 줄의 꼬임이 시작 구간일수록 많이 발생한다는 것을 감안하여 권선구간 중에서 초반 부분은 원통형상으로 하여 줄이 감기는 길이를 길게 하였다.

반면에 권선구간 중에서 중후반 부분은 후단으로 갈수록 직경이 작아지도록 테이퍼지게 형성하였다. 이와 같이 되면, 권선구간과 출구구간에서 곡률이 심하게 차이가 나서 줄의 꼬임 전달이 원활하지 않은 것을 보상할 수 있고, 줄의 꼬임 전달이 후단까지 원활하게 이루어질 수 있다.

이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 대하여 도 7 및 도 8을 참조하여 설명하기로 한다. 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 줄 꼬임 구동용 구조체의 사시도이고, 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 줄 꼬임 구동용 구조체의 단면도이다.

이에 도시된 바에 따르면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 줄 꼬임 구동용 구조체는 하우징(100); 및 상기 하우징(100)의 내부에 회전가능하게 설치되고, 줄이 감아지는 복수개의 도르래(110)를 포함하고, 상기 도르래(110)는 상기 줄의 권선방향을 따라 지그재그 형태로 배치될 수 있다.

본 실시예에서는 줄의 길이를 늘리기 위해 도르래(110)를 지그재그 형태로 배치하고 줄이 감아지도록 하여 줄이 직선 경로를 따라 배치되지 않도록 하였다. 이와 같이 줄이 도르래(110)를 따라 경로가 전환됨으로써 줄의 길이가 실질적으로 길어질 수 있고, 각각의 도르래(110)에서의 변환되는 곡률을 적절히 설계하여 감속비를 조절할 수 있게 된다.

한편 하우징(100)에는 회전축(102)에 도르래(110)가 설치될 수 있고, 하우징(100)에는 줄이 관통하여 삽입되는 입구(120)와 줄이 관통하여 배출되는 출구(130)가 개방되어 형성될 수 있다.

이상에서 설명한 도르래(110)를 적용한 하우징(100)은 일 실시예로 제시한 것이며, 도르래(110)의 배치, 개수 등에 따라 다양한 형태로 하우징(100)을 구성할 수 있음은 당연하다고 할 것이다.

상기에서는 본 발명의 특정의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10 : 하우징 12 : 입구
14 : 출구 20 : 관통채널
30 : 테이프 40 : 구동원
42 : 후크 50 : 리니어 가이드
52 : 풀리 60 : 로드
100 : 하우징 102 : 회전축
110 : 도르래 120 : 입구
130 : 출구

Claims (12)

1. 줄의 꼬임을 발생시켜 구동력을 발생시키는 줄 꼬임 구동기에 사용되는 줄 꼬임 구동용 구조체에 있어서,
   상기 줄이 관통하여 감아지는 원통형상의 하우징을 포함하되,
   상기 하우징은 상기 줄이 관통하여 삽입되는 입구구간, 상기 줄이 상기 하우징의 외면에 감아지는 권선구간, 및 상기 줄이 배출되는 출구구간으로 나누어지고,
   상기 줄은 상기 입구구간 및 출구구간보다 상기 권선구간에서 큰 곡률로 감아지는 것을 특징으로 하는 줄 꼬임 구동용 구조체.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 줄은 상기 하우징의 원형 단면의 중심으로 관통하여 삽입되었다가 원형 단면의 중심을 관통하여 배출되는 것을 특징으로 하는 줄 꼬임 구동용 구조체.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 권선구간과 출구구간은 후단으로 갈수록 직경이 작아지도록 테이퍼지게 형성되는 것을 특징으로 하는 줄 꼬임 구동용 구조체.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 권선구간 중 일부는 후단으로 갈수록 직경이 작아지도록 테이퍼지게 형성되는 것을 특징으로 하는 줄 꼬임 구동용 구조체.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 출구구간에서의 줄의 권선수는 상기 입구구간에서의 줄의 권선수보다 큰 것을 특징으로 하는 줄 꼬임 구동용 구조체.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 하우징은 상기 줄 꼬임 구동기의 구동원 쪽에 가까운 부분에 배치되는 것을 특징으로 하는 줄 꼬임 구동용 구조체.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 하우징에는 상기 줄이 관통하여 감아지는 관통채널이 형성되는데,
   상기 관통채널은 상기 입구구간 및 출구구간에서는 상기 하우징의 내부를 관통하여 형성되고, 상기 권선구간에서는 상기 하우징의 외면을 따라 나선형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 줄 꼬임 구동용 구조체.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 관통채널에는 상기 줄과의 마찰을 줄이기 위해 표면이 코팅되는 것을 특징으로 하는 줄 꼬임 구동용 구조체.
9. 제 7 항에 있어서,
   상기 관통채널에는 상기 줄과의 마찰을 줄이기 위해 표면에 테이프가 부착되는 것을 특징으로 하는 줄 꼬임 구동용 구조체.
10. 삭제
11. 삭제
12. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 줄 꼬임 구동용 구조체가 줄의 경로 상에 설치되고, 상기 줄에 동력을 전달하여 줄의 꼬임을 발생시키는 줄 꼬임 구동기.

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