KR102567980B1 - 인간형 로봇 핸드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인간형 로봇 핸드에 관한 것이다.
본 발명의 로봇 핸드는 엄지, 검지, 중지, 약지, 소지가 정해진 위치에 배열된 손바닥 플레이트를 구비하고, 엄지, 검지, 중지, 약지, 소지는 각각 핑거조립체로 형성되어 있고, 또한 핑거조립체는 긴마디 프레임, 중간마디 프레임, 짧은마디 프레임으로 이루어져서 긴마디 프레임의 축에 장착된 정역모터로 구동되는 로봇 핸드이며, 각각의 마디 프레임에 설치된 축으로 유체클러치와 풀리를 설치하여 긴마디 프레임, 중간마디 프레임 및 짧은마디 프레임을 통해 전달되는 반력에 따라 정역모터의 동력이 자동 단속되도록 한 것이다.

Description

인간형 로봇 핸드{ROBOT HAND FOR HUMANOID}

본 발명은 로봇 핸드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인체의 손에 흡사한 구조 및 손 동작을 나타낼 수 있는 인간형 로봇 핸드에 관한 것이다.

로봇에 관한 기술은 물체의 조립이나 운반을 위한 2차원 또는 3차원 이동을 하게 되는 산업용 로봇과, 인체에 흡사한 외형과 행동을 나타내도록 하는 인간형 로봇으로 발전하고 있다.

산업용 로봇에 채택되고 있는 핸드는 물체를 쥐고 이동하고 그 위치에서 기계적 가공이 종료될 때까지 잡고 있거나, 물체를 놓아주는 간단한 움직임으로 작동한다.

이것과 대비하여, 인간형 로봇의 각부 구조는 인체의 사지 관절 기능을 나타낼 수 있어야 하므로 산업용 로봇과는 차원이 다른 기술이 필요하고, 특히 인간형 로봇 핸드는 인간의 손동작과 유사하게 작동되면서도 어떤 형상의 물체라도 자연스럽게 쥘 수 있고, 또 연약한 물체에 대해서는 손상을 주지 않고 안정적으로 쥘 수 있어야 한다.

이와 같은 조건을 충족하고자 종래의 로봇 핸드 장치에서는 통상적으로 관절 축과 모터 사이에 감속기가 연결된 손가락 관절 구조를 채용하고 있다.

또한, 이 구조는 센서를 통해 측정되는 대상 물체의 강약 정도에 따라 프로그램이 모터의 출력을 증감하여 쥐는 힘을 조절하기 때문에, 구조가 복잡하게 되고 손 동작의 힘 조절도 센서의 정밀도에 따라 큰 차이를 나타내게 된다.

다음 선행기술문헌에서 특허문헌 1로 소개하는 로봇 핸드는 손가락 관절의 연결을, 축으로 힌지 하거나 볼 조인트로 연결하여 굽힐 수 있게 하고, 액추에이터의 전 후진과 회전 모터를 통해 각각의 관절 마디가 작동되도록 한 로봇 핸드가 개시되어 있으나, 이 방식은 부드럽고 자연스런 손동작을 담보하는 것이라 하여도 그 구조는 매우 복잡하게 된다.

인간의 손동작을 나타내는 로봇 핸드로서 특허문헌 2에서는 손가락 마디마다 풀리를 배치하고, 각 풀리 사이를 벨트 연결한 것을 액추에이터로 작동되게 한 비교적 간단한 구조를 통해 쥐고 펴는 동작을 할 수 있는 것이 개시되어 있다.

특허문헌 2의 로봇 핸드에서 모든 손가락은 액추에이터로 회전되는 첫 번째 풀리마다 토크리미터가 동축으로 장치되어 있고, 이 토크리미터는 각 손가락의 첫 번째 마디를 연동 선회시키게 되어 있다. 따라서 액추에이터의 회전력으로 첫 번째 풀리가 회전할 때, 첫 번째 마디가 펼쳐진 위치라면 토크리미터를 통해 회전력이 전달되어 선회하면서 물체를 쥐게 되고, 물체를 쥐었을 때 작용하는 반력은 토크리미터로 전달되고, 그 반력이 일정 이상으로 증대하면 그 시점에서 토크리미터는 반력 전달을 차단하여 물체를 쥐고 있는 상태로 유지하고 있게 되어 있다.

개시된 특허문헌 2에서는 토크리미터의 구조가 복잡하고 사용에 의한 반력의 차단 작동을 반복함에 따라 생기게 되는 내부 부품의 마모가 쉽게 고장의 원인으로 되는 구조적 단점을 안고 있다.

한국 공개특허 10-2010-0112670호 한국 공개특허 10-2010-0030879

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 본 발명의 목적은 로봇 핸드의 작동 시에 발생하는 반력의 차단을 간단한 구조와 마모 없는 정확한 동작으로 할 수 있도록 개량한 인간형 로봇 핸드를 제공하려는 것이다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 엄지, 검지, 중지, 약지, 소지가 정해진 위치마다 배치되는 손바닥 플레이트, 그리고 엄지, 검지, 중지, 약지, 소지를 형성하는 각각의 핑거조립체를 구비하고, 또한 핑거조립체는 긴마디 프레임, 중간마디 프레임, 짧은마디 프레임과, 각각의 마디 프레임에 설치되는 축, 그리고 축에 동심으로 배치되는 유체클러치와 풀리로 이루어지며, 각각의 마디 프레임에 구비되는 풀리 사이는 벨트로 동력 연결되고, 긴마디 프레임의 축에만 정역모터가 장치된 구성으로 된다.

본 발명의 인간형 로봇 핸드에서, 유체클러치는 반 분할되고 나사 결합되는 케이싱과 캡으로 이루어지고, 또한 축에 일체로 연결되는 구동 동심벽체와, 축에 회전 가능하게 지지가 되고 나사 축으로 마디 프레임과 일체로 연결되는 종동 동심벽체가 상호 엇갈리게 동심 배열되는 내부 공간으로 댐핑오일을 만충한 구성으로 된다.

이와 같은 구성에서, 유체 클러치의 케이싱에는 댐핑오일을 주입하기 위한 체크밸브가 외부에 부착될 수 있다.

본 발명의 로봇 핸드 장치에 의하면, 손바닥 플레이트에 엄지, 검지, 중지, 약지, 소지로 배치된 핑거조립체의 긴마디 프레임에 부착된 정역모터의 정역회전으로, 각각의 마디 프레임은 선회 이동하여 쥐는 동작과 펴는 동작을 하게 되는 것이며, 쥐는 동작 중에 물체로부터 전달되는 반력과, 정역모터에서 전달되는 회전력이 평형을 이루는 시점에서 유체클러치가 동력전달을 차단하여, 모든 마디 프레임은 물체를 쥔 채로 유지된다.

여기서 유체클러치는 축 방향으로 마주보는 구동 동심벽체와 종동 동심벽체, 그리고 구동 동심벽체에 나사결합되는 케이싱을 구비한 간단한 구조이면서도, 내부 공간에 수용된 댐핑오일을 매개로한 클러치 작동이 확실하게 나타날 뿐만 아니라, 구조적으로 마모를 일으키는 부분도 없기 때문에 장기간 사용에도 고장이 발생하지 않는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 로봇 핸드를 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 로봇 핸드를 구성하는 핑거조립체의 측단면도이다.
도 3은 도 2의 핑거조립체를 분해하여 도시한 사시도이다.
도 4는 핑거조립체에 배치되는 유체클러치의 구조를 나타내는 단면도이다.

이어서 첨부 도면을 통해 본 발명의 인간형 로봇 핸드에 관하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 로봇 핸드를 나타내는 사시도로서, 손바닥 플레이트(1)에는 엄지(2), 검지(3), 중지(4), 약지(5), 소지(6)를 형성하는 핑거조립체(7)가 해당 위치마다 배치되어 있다.

이 핑거조립체(7)는 엄지(2), 검지(3), 중지(4), 약지(5), 소지(6)에 설치되었을 때, 길이가 길고 짧은 차이만 있고 기본적 구조는 동일하므로 하나의 핑거조립체(7)를 대표로 하여 설명한다.

핑거조립체(7)는 도 2에 묘사되어 있듯이, 긴마디 프레임(8), 중간마디 프레임(9), 짧은마디 프레임(10)을 구비하며, 이것은 인체의 손가락과 동일한 형태인 것이다.

긴마디 프레임(8)의 한쪽 끝에는 긴 축(11)이 배치되고, 그 양 끝은 도 1의 손바닥 플레이트(1)에 부착 고정되는 1쌍의 브라켓(12)에 의해 회전 가능하게 지지가 된다.

또, 중간마디 프레임(9)의 한쪽 끝과 긴마디 프레임(8)의 반대 끝 사이에는 중간 축(13)이 회전 가능하게 지지가 되고, 마찬가지로 짧은마디 프레임(9)의 한쪽 끝과 중간마디 프레임(9)의 반대 끝 사이에는 짧은 축(14)이 회전 가능하게 지지가 된다.

이러한 구성에서, 도시한 바와 같이 중간마디 프레임(9)의 한쪽 끝은 긴마디 프레임(8)의 반대 끝 사이로 위치하고, 짧은 마디 프레임(9)의 한쪽 끝은 중간마디 프레임(9)의 반대 끝 사이로 위치하도록 조립되어야 한다.

긴 축(11)은 다른 중간 축(13)이나 짧은 축(14)과는 다르게 정역모터(15)의 출력 축을 겸하고 있다. 그리고 긴 축(11)에는 유체클러치(16)와 풀리(17)가 축 설치되고, 동일하게 중간 축(13)에도 유체클러치(18)와 풀리(19)가 조를 이루어 축 설치되고, 짧은 축(14)에도 유체클러치(20)와 풀리(21)가 조를 이루어 설치된다.

풀리(17)와 풀리(19) 사이는 벨트(22)로 동력 연결되고, 풀리(19)와 풀리(21) 사이는 벨트(23)로 동력 연결된다. 따라서 풀리(19)는 이중 풀리로 설치된다.

도 3의 도시에서, 긴 축(11)과 중간 축(13), 짧은 축(14)은 모두 베어링(BR)을 개재하여 축 지지가 되는 것을 보여 주고 있고, 또한 유체클러치(16)(18)(20)는 한쪽 중심이 각각 나사축(24)(25)(26)으로 형성되어 있으며, 또한 이들 나사축(24)(25)(26)의 주위에는 각각 미케니컬 시일(27)(28)(29)이 설치된 것을 보여주고 있다.

유체클러치(16)(18)(20)의 내부 구조는 모두 동일하게 되어 있고, 도 4는 대표적으로 중간 축(13)에 설치된 유체클러치(18)의 내부 구조를 묘사하고 있다.

도 4에서, 유체클러치(18)는 외부가 반으로 분할되고 나사 결합되는 케이싱(31)과 캡(32)으로 구성된다.

케이싱(31)의 내부에는 다수 겹으로 구동 동심벽체(33)가 형성되어서 중심의 중간 축(13)에 일체로 연결되고, 캡(32)의 내부에는 나사축(25)과 일체로 되는 종동 동심벽체(34)가 다수 겹으로 형성되고, 이들은 구동 동심벽체(33)와 어긋나게 배치되어서 상호 겹쳐지게 설치된다.

이와 같은 구조에 의하면, 유체클러치(18)에서 구동 동심벽체(33)와 풀리(19)는 중간 축(13)에 일체로 연결되고, 종동 동심벽체(34)는 중간 축(13)과는 별개의 부품으로 축 지지가 된 상태에서 중간마디 프레임(9)에 일체로 연결된다.

또한, 케이싱(31)과 캡(32)으로 둘러싸인 유체클러치(18)의 내부공간에는 댐핑오일(35)이 만충된다.

댐핑오일(35)은 기존의 제동유로는 기대 이하의 성능이 나타나므로, 폴리알파올레핀 베이스의 플라스틱용 그리스가 적합하다. 또, 플라스틱용 그리스로는 시판되고 있는 "몰리코트(M0LYKOTE) EM-50L"이나 "SK 623"을 권장할 수 있다.

댐핑오일(35)을 내부 공간으로 주입하기 위하여, 케이싱(31) 또는 캡(32)의 외부에 체크밸브(36)가 부착될 수 있다.

이상 설명한 구성으로 되는 본 발명의 인간형 로봇 핸드는 다음과 같이 동작한다.

도 1에서, 엄지(2), 검지(3), 중지(4), 약지(5), 소지(6)를 형성하는 5개의 핑거조립체(7)는 각각 도 2와 같이 긴마디 프레임(8)을 손바닥 플레이트(1)에서 선회 가능하게 지지하는 브라켓(12)에 개별 장치된 정역모터(15)의 동력으로 작동하게 된다.

정역모터(15)가 정방향(쥐는 방향)으로 구동하면, 그 회전력이 유체클러치(16)와 풀리(17)를 종동 회전하게 하고, 풀리(17)의 회전은 벨트(22)(23)를 통해 풀리(19)(21)로 전달되어 종동 회전하게 한다. 이러한 회전력의 전달로 중간마디 프레임(9)의 유체클러치(18)와 짧은마디 프레임(10)의 유체클러치(20)도 함께 회전 작동하게 된다.

그런데 모든 풀리(17)(19)(21)는 각각 소속된 마디 프레임(8)(9)(10)과는 별도로 자전하게 되어 있기 때문에, 각 풀리(17)(19)(21)의 회전력으로 소속된 마디 프레임(8)(9)(10)이 움직이지는 않는다.

또 각각의 마디 프레임(8)(9)(10)에 소속된 유체클러치(16)(18)(20)는 비회전시에 동력 차단상태로 되기 때문에, 정역모터(15)의 회전 초기에는 각각의 마디 프레임(8)(9)(10)으로 동력이 전달되지 않는다.

다만, 각각의 유체클러치(16)(18)(20)의 회전은 소속된 풀리(17)(19)(21)의 회전에 동기하여, 각 풀리(17)(19)(21)와 일체로 연결된 케이싱(31), 그 내부의 구동 동심벽체(33), 캡(32)이 동시에 회전하고, 구동 동심벽체(33)에 마주보게 배치된 종동 동심벽체(34)는 아직 회전하지 않게 된다.

구동 동심벽체(33)의 회전으로 그 표면은 접하고 있는 댐핑오일(35)과 마찰을 일으키게 되므로 댐핑오일(35)도 선회를 시작하여 소용돌이를 일으키게 되고, 다음에는 댐핑오일(35)이 종동 동심벽체(34)의 표면과 마찰을 일으키면서 이를 종동 회전시키게 된다. 이렇게 댐핑오일(35)이 종동 동심벽체(34)를 회전시켜줌에 따라, 소속된 마디 프레임(8)(9)(10)의 선회가 시작되고, 결과적으로 도 1의 엄지(2), 검지(3), 중지(4), 약지(5), 소지(6)의 손가락 다섯개는 쥐는 방향으로 선회 작동하게 된다.

엄지(2), 검지(3), 중지(4), 약지(5), 소지(6)의 쥐는 방향 작동으로, 물체를 쥐거나 또는 인간과 악수하거나 할 때, 엄지(2), 검지(3), 중지(4), 약지(5), 소지(6)는 각각 접촉되는 물체로부터 반력을 받게 되고, 이 반력은 엄지(2), 검지(3), 중지(4), 약지(5), 소지(6)의 선회에 저항하는 힘으로 작용하게 된다.

이 경우, 엄지(2), 검지(3), 중지(4), 약지(5), 소지(6)의 어느 것에 작용하는 저항력이 선회력과 평형을 이루도록 증대되면 선회작동은 멈추게 되지만, 이때에도 정역모터(15)의 회전력은 계속해서 마디 프레임(8)(9)(10)으로 전달 유지된다.

즉, 작동이 멈춘 마디 프레임(8)(9)(10)에 소속된 유체클러치(16)(18)(20)의 내부에서 종동 동심벽체(34)가 그 표면에서 댐핑오일(35)과 미끄럼마찰을 일으키면서 정지상태로 되고, 마주 보는 방향의 케이싱(31), 구동 동심벽체(33), 캡(32)은 계속 회전하고 있는 상태로 되어 각각의 마디 프레임(8)(9)(10)은 정지상태에서도 동력 전달은 지속하고 있게 된다.

이러한 작동으로, 각각의 유체클러치(16)(18)(20)는 소속된 정역모터(15)의 회전력과 소속된 마디 프레임(8)(9)(10) 사이에서 이루어지는 동력전달의 밸런스에 따라 자동으로 단속 작동하여, 엄지(2), 검지(3), 중지(4), 약지(5), 소지(6)의 쥐는 동작상태를 유지하고 있게 된다.

엄지(2), 검지(3), 중지(4), 약지(5), 소지(6)의 펼침 동작은 정역모터(15)의 역방향 구동으로 진행되고, 펼침 동작의 완료시점은 마디프레임(8)(9)(10)이 일자로 펼쳐지면서 연결부위가 서로 맞닿아 정지되었을 때, 각각의 유체클러치(16)(18)에서 동력 차단작용이 일어나는 시기로 된다.

본 발명에서 정역모터(15)의 작동 제어는 인간형 로봇의 전체 시스템 제어에 관련되는 것이므로 그에 관한 상세 내용은 생략하고 있다.

다만, 정역모터(15)의 작동 제어에는 동작 검출용 센서의 입력신호에 따라 모드 별로 제어신호가 출력되도록 한 프로그램이 수록된 마이컴 등이 요구될 수 있다.

이상의 설명을 통하여, 본 발명의 로봇 핸드가 인간의 손과 흡사한 동작을 수행할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

또, 본 발명의 로봇 핸드에서 동력을 단속하는 매개체는 부품의 마모를 일으키지 않는 댐핑오일이므로 장기간 사용에도 고장 날 염려가 없고, 구조가 간단하여 로봇 핸드에 용이하게 적용할 수 있다.

1: 손바닥 플레이트 2: 엄지 3: 검지
4: 중지 5: 약지 6: 소지 7: 핑거조립체
8: 긴마디 프레임 9: 중간마디 프레임 10: 짧은마디 프레임
15: 정역모터 16,18,20: 유체클러치 17,19,21: 풀리
24,25,26: 나사축 27,28,29:미케니컬 시일 31: 케이싱
32: 캡 33: 구동 동심벽체 34: 종동 동심벽체
35: 댐핑오일 36: 체크밸브 BR: 베어링

Claims (3)

1. 엄지, 검지, 중지, 약지, 소지가 정해진 위치에 배열된 손바닥 플레이트를 구비하고, 엄지, 검지, 중지, 약지, 소지는 각각 핑거조립체로 형성되어 있고, 또한 핑거조립체는 긴마디 프레임, 중간마디 프레임, 짧은마디 프레임으로 이루어져서 긴마디 프레임의 축에 장착된 정역모터로 구동되는 로봇 핸드이며, 각각의 마디 프레임에 설치된 축으로 유체클러치와 풀리를 설치하여 긴마디 프레임, 중간마디 프레임 및 짧은마디 프레임을 통해 전달되는 반력에 따라 정역모터의 동력이 자동 단속되도록 하되, 유체클러치는 상호 나사결합되는 케이싱과 캡으로 반 분할되고, 케이싱의 내부에는 축 방향으로 나란하게 다수 형성된 구동 동심벽체가 축과는 별개로 자전 가능하게 지지가 되고, 마디 프레임으로 나사결합되는 나사축에는 종동 동심벽체가 다수 일체로 형성되어서 구동 동심벽체와 엇갈리게 동심 배열되어, 내부공간에서 상호 마주보도록 배치되고, 내부공간에는 체크밸브를 통하여 주입되는 댐핑오일이 만충된 구성으로 되어 있는 인간형 로봇 핸드.
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