KR102609031B1 - 로봇팔 중력 보상 구조 및 이를 포함하는 로봇팔 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로봇팔의 중력 보상 구조 및 이를 포함하는 로봇팔에 관한 것으로, 보다 상세하게는 판스프링을 포함하는 로봇팔의 중력 보상 구조 및 이를 포함하는 로봇팔에 관한 것이다. 이러한 본 발명에 따르면, 로봇팔의 중력 보상 구조 및 이를 포함하는 로봇팔은 판스프링 및 슬라이딩부재를 포함하여, 간단한 구조이면서도, 거꾸로 매달려 설치되더라도 효과적인 중력 보상이 가능하다는 효과가 있다.

Description

로봇팔 중력 보상 구조 및 이를 포함하는 로봇팔{Gravity compensation structure for robot arm and robot arm including the same}

본 발명은 로봇팔의 중력 보상 구조 및 이를 포함하는 로봇팔에 관한 것으로, 보다 상세하게는 판스프링을 포함하는 로봇팔의 중력 보상 구조 및 이를 포함하는 로봇팔에 관한 것이다.

최근 높은 자유도를 가진 다관절 구조의 로봇팔이 생활 및 산업 분야에서 널리 보급되고 있다. 로봇팔은 작업물을 지지하거나 운반하기 위해 사용될 수 있다. 로봇팔은 설치되는 위치에 따라서 바닥에 설치되는 바닥형 로봇팔과, 천장에 설치되는 천장형 로봇팔로 구분될 수 있으며, 경우에 따라서 로봇팔이 벽면에 설치될 수도 있다.

이러한 로봇팔은 구동을 위해서 토크를 제공하는 구동모터를 포함한다. 로봇팔에는 크게 두가지의 부하 토크가 작용하는데, 그 중 하나는 작업물의 중량에 의한 것이며, 나머지 하나는 로봇팔 자중에 의한 것이다. 이 중 로봇팔 자중에 의한 부하 토크가 큰 비중을 차지하며, 이로 인해 구동모터의 용량이 커져야 한다는 문제가 있다.

중력 보상 장치는 로봇팔의 자중에 의한 중력 토크를 보상하여 구동에 필요한 토크를 절감시키는 장치이다. 로봇팔에 중력 보상 장치가 적용될 경우, 구동모터의 소형화가 가능하다는 장점이 있다.

종래의 중력 보상 장치 중에는, 도 1에 도시된 바와 같이, 코일스프링(16)을 포함하는 것이 있다. 구체적으로, 로봇팔(10)에는 중력에 의하여 하측으로 부하 토크가 작용하고, 베이스(11)에 연결된 커넥팅로드(13)는 티바(14)를 잡아당겨 고정부(15)에 일단이 고정된 코일스프링(16)을 압축시킨다. 압축된 코일스프링(16)은 티바(14)를 밀어내어 링크(12)에 중력방향과 반대되는 방향의 토크를 가하게 된다. 이로써 링크((12)의 자중에 의한 부하 토크는 보상될 수 있다.

그러나, 종래의 중력 보상 장치는 바닥형 로봇팔에 최적화되어 있어, 로봇팔이 천장이나 벽면에 설치될 경우에는 중력 보상이 어렵다는 문제가 있다.

구체적으로, 도 1의 중력 보상 장치를 포함하는 로봇팔이 천장에 거꾸로 매달려 설치되었다 가정하면, 링크(12)가 회전하면서, 압축된 코일스프링(16)이 티바(14)를 밀어내게 되어, 링크(12)에는 중력방향과 같은 방향의 토크가 작용하게 된다. 이 경우, 링크(12)의 자중에 의한 부하 토크는 보상되지 않고, 오히려 코일스프링(16)에 의해 더욱 가중된다는 문제가 있다.

대한민국 공개특허 10-2017-0086862

상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 거꾸로 매달려 설치되더라도 효과적인 중력 보상이 가능한 로봇팔의 중력 보상 구조 및 이를 포함하는 로봇팔을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조는 베이스, 링크, 커넥팅로드, 판스프링, 슬라이딩부재, 가이드부재를 포함한다. 베이스는 고정된 설치부에 설치되고, 제1회전축 및 제2회전축이 형성된다. 링크는 일단이 제1회전축에 회전 가능하게 연결된다. 커넥팅로드는 일단이 제2회전축에 회전 가능하게 연결된다. 판스프링은 일단이 커넥팅로드의 타단에 회전 가능하게 연결되고, 탄성을 갖는다. 슬라이딩부재는 판스프링의 타단과 접촉 가능하도록 배치되고, 링크의 일단과 타단을 잇는 직선을 기준으로 적어도 일부가 경사지게 형성된다. 가이드부재는 판스프링의 이동을 안내한다. 판스프링은, 링크가 회전시, 커넥팅로드에, 링크의 자중과 반대되는 방향으로의 회전힘을 가한다.

또한, 설치부는 천장일 수 있다.

또한, 제2회전축은, 제1회전축을 기준으로 설치부의 반대 측에 배치될 수 있다.

또한, 가이드부재는, 판스프링이 링크의 길이방향과 나란하게 이동하도록 안내할 수 있다.

또한, 가이드부재는, 판스프링과 접촉된 상태에서 회전 가능하게 배치되는 적어도 한개의 가이드롤러를 포함할 수 있다.

또한, 판스프링은, 복수 개가 구비되어 서로 겹치도록 배치된 겹판 구조일 수 있다.

또한, 판스프링은, 타단에 회전 가능하게 배치된 롤러를 포함하고, 롤러는 슬라이딩부재와 접촉한 채 회전 가능할 수 있다.

또한, 슬라이딩부재는, 링크의 길이방향과 수직되는 방향으로 연장되어 형성된 제1평탄부, 제1평탄부와 나란한 방향으로 연장되어 형성되되, 제1평탄부와 이격 배치된 제2평탄부, 및 제1평탄부와 제2평탄부 사이에 배치되고, 제1평탄부에서부터 제2평탄부까지 경사지게 형성된 경사부를 포함할 수 있다.

또한, 슬라이딩부재는, 중앙 부분에 링크의 일단을 향하여 연장된 마루부가 형성되고, 마루부로부터 외측으로 갈수록 링크의 일단과 멀어지도록 경사지게 형성될 수 있다.

또한, 슬라이딩부재는, 마루부를 중심으로 서로 대칭되도록 형성될 수 있다.

또한, 판스프링은 두 개가 구비되어, 각각의 일단들이 모두 커넥팅로드의 타단에 연결되며, 각각의 타단들의 사이에 마루부가 배치될 수 있다.

또한, 슬라이딩부재는, 적어도 일부분의 단면이 곡률을 갖는 곡면으로 형성될 수 있다.

또한, 슬라이딩부재는, 중앙부가 링크의 일단을 향하여 볼록하게 형성될 수 있다.

또한, 슬라이딩부재는, 중앙부가 링크의 일단을 향하여 오목하게 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔은 로봇팔의 중력 보상 구조를 포함한다.

본 발명에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조 및 이를 포함하는 로봇팔은 판스프링 및 슬라이딩부재를 포함하여, 간단한 구조이면서도, 거꾸로 매달려 설치되더라도 효과적인 중력 보상이 가능하다는 효과가 있다.

도 1은 종래의 중력 보상 장치가 배치된 로봇팔을 나타낸 측면도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조의 전체적인 모습을 나타낸 측면도이다.
도 3은 도 2의 로봇팔의 중력 보상 구조에 있어서 링크가 회전된 상태를 나타낸 측면도이다.
도 4는 도 3에서 판스프링 타단의 모습을 확대하여 나타낸 측면도이다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조에 있어서 로봇팔에 작용하는 여러 회전 토크 값을 링크의 회전 범위에 따라 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조에 있어서 판스프링이 겹판 구조로 구비된 것을 나타낸 측면도이다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조를 나타낸 측면도이다.
도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조를 나타낸 측면도이다.
도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조에 있어서, 판스프링이 두 개가 배치된 모습을 나타낸 측면도이다.
도 10은 본 발명의 제4실시예에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조에 있어서, 슬라이딩부재의 단면이 볼록하게 형성된 것을 나타낸 측면도이다.
도 11은 본 발명의 제4실시예에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조에 있어서, 슬라이딩부재의 단면이 오목하게 형성된 것을 나타낸 측면도이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 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 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 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, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 로봇팔 중력 보상 구조 및 이를 포함하는 로봇팔에 대하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조의 전체적인 모습을 나타낸 측면도이고, 도 3은 도 2의 로봇팔의 중력 보상 구조에 있어서 링크가 회전된 상태를 나타낸 측면도이며, 도 4는 도 3에서 판스프링 타단의 모습을 확대하여 나타낸 측면도이고, 도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조에 있어서 로봇팔에 작용하는 여러 회전 토크 값을 링크의 회전 범위에 따라 나타낸 그래프이며, 도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조에 있어서 판스프링이 겹판 구조로 구비된 것을 나타낸 측면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 로봇팔(100)의 중력 보상 구조는 베이스(110), 링크(120), 커넥팅로드(130), 판스프링(140), 슬라이딩부재(150), 가이드부재(160)를 포함한다.

베이스(110)는 설치부(W)에 설치된다. 설치부(W)는 특정 방향으로 폐쇄된 물체로서 특정 위치에 고정된 대상을 지칭한다. 설치부(W)는 바람직하게는 상방향으로 폐쇄된 천장이나, 측방향으로 폐쇄된 벽면일 수 있다.

베이스(110)에는 제1회전축(111)과 제2회전축(112)이 형성된다. 제1회전축(111)은 베이스(110)의 대략 중앙부에 위치할 수 있다. 제2회전축(112)은 제1회전축(111)과 이격된 위치에 형성된다. 제2회전축(112)은 제1회전축(111)을 기준으로, 설치부(W)의 반대 측에 위치할 수 있다.

링크(120)는 일단(121)이 베이스(110)의 제1회전축(111)에 회전 가능하게 연결된다. 링크(120)는 일단(121)으로부터 타단(122)으로 길게 연장될 수 있다. 링크(120)의 내부에는 내부 공간이 형성되고, 링크(120)의 내부에 커넥팅로드(130), 판스프링(140), 슬라이딩부재(150), 가이드부재(160)가 배치된다.

커넥팅로드(130)는 일단(131)이 제2회전축(112)에 회전 가능하게 연결된다. 커넥팅로드(130)는 일단(131)으로부터 타단(132)으로 길게 연장되어 형성될 수 있다.

판스프링(140)은 탄성을 갖는 스프링으로서 전체적인 형상이 판형인 스프링이다. 판스프링(140)은 일단(141)이 커넥팅로드(130)의 타단(132)에 회전 가능하게 연결된다. 판스프링(140)의 타단(142)에는 접촉부(143)가 형성될 수 있다. 접촉부(143)는 판스프링(140)에서 후술하는 슬라이딩부재(150)에 접촉될 수 있는 부분을 지칭한다.

슬라이딩부재(150)는 적어도 일부분이 경사지게 형성된 부재이다. 슬라이딩부재(150)의 적어도 일부분에는 경사면이 형성될 수 있다. 경사면은 단면이 직선으로 형성될 수도 있고, 단면이 곡률을 갖는 곡면으로 형성될 수도 있다. 경사면은 링크(120)의 일단(121)으로부터 타단(122)을 잇는 직선을 기준으로, 접선각도가 경사각(Ai)을 갖도록 경사지게 형성된다.

슬라이딩부재(150)는 판스프링(140)의 타단(142)과 접촉 가능하도록 배치된다. 슬라이딩부재(150)는 링크(120)에 배치될 수 있다. 링크(120)의 링크(120)의 내부에 배치될 수 있다. 예를 들어, 슬라이딩부재(150)는 링크(120)의 내부에서 링크(120)의 타단(122) 측에 가깝게 배치될 수 있고, 경우에 따라 다른 위치에 배치될 수도 있다. 슬라이딩 부재(150)는 링크(120)에 위치가 고정되도록 배치될 수 있다. 이 경우 슬라이딩 부재(150)는 링크(120)에 분리 가능하게 또는 착탈 가능하게 배치될 수도 있다. 슬라이딩부재(150)의 경사면에는 판스프링(140)의 접촉부(143)가 접촉될 수 있다.

가이드부재(160)는 판스프링(140)의 이동을 안내한다. 보다 상세하게는, 가이드부재(160) 판스프링(140)이 링크(120)의 길이 방향을 따라 왕복 운동하는 것을 안내한다. 가이드부재(160)는 판스프링(140)의 적어도 일부분이 링크(120)의 일단(121)과 타단(122)을 잇는 직선 방향을 따라 이동하도록 안내할 수 있다. 판스프링(140)의 일단(141)과 커텍팅로드(130)의 타단(132)은 서로 힌지결합에 의해 구속될 수 있다. 판스프링(140)의 타단(142)은 슬라이딩부재(150)의 경사면을 따라 슬라이딩 이동하도록 구속되고, 판스프링(140)은 가이드부재(160)에 의해 링크(120)의 길이방향을 따라서 왕복 운동하도록 안내될 수 있다.

가이드부재(160)는 링크(120)의 일단(121)과 타단(122)을 잇는 직선 방향과 나란하도록 연장되어 형성될 수 있다. 가이드부재(160)는 링크(120)의 내부에 고정 배치될 수 있다. 가이드부재(160)는 판스프링(140)의 적어도 일부를 둘러싸도록 배치될 수 있다. 가이드부재(160)는 복수 개가 구비되어 판스프링(140)을 기준으로 판스프링(140)의 양면 측에 각각 배치될 수 있다. 가이드부재(160)는 판스프링(140)의 적어도 일부와 접촉될 수 있다. 가이드부재(160)는 판스프링(140)의 적어도 일부와 접촉되되, 판스프링(140)의 접촉부(143)와 이격되도록 배치될 수 있다. 이 때, 가이드부재(160)와 접촉부(143) 간의 이격된 거리는 제1길이(L1)로 형성된다.

가이드부재(160)는 가이드롤러(161)를 포함할 수 있다. 가이드롤러(161)는 판스프링(140)과 접촉된 상태에서 회전할 수 있다. 가이드롤러(161)는 판스프링(140)과 가이드부재(160) 사이에 발생하는 마찰력을 감소시킬 수 있다. 가이드롤러(161)는 복수 개가 구비되어 판스프링(140)을 기준으로 판스프링(140)의 양면 측에 각각 배치될 수 있다. 가이드롤러(161)는 복수 개가 구비되고, 복수 개의 가이드롤러(161)가 링크(120)의 일단(121)과 타단(122)을 잇는 직선 방향을 따라서 나란히 배치될 수 있다.

판스프링(140)의 타단(142)에는 롤러(170)가 배치될 수 있다. 롤러(170)는 슬라이딩부재(150)의 경사면에 접촉될 수 있다. 롤러(170)는 슬라이딩부재(150)와 타단(142) 사이에 발생하는 마찰력을 감소시킬 수 있다. 롤러(170)가 배치될 경우, 접촉부(143)는 판스프링(140)의 타단(142)이 아닌, 롤러(170) 상에 형성될 수 있다.

이하, 도 2 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 제1실시예에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조의 동작에 대하여 상세히 설명한다.

도 2에서 도 3으로, 즉, 예를 들어 링크(120)의 타단(122)이 제1회전축(111)을 중심으로 반시계방향으로 회전하는 경우, 커넥팅로드(130)의 타단(132)은 제2회전축(112)을 중심으로 회전한다. 커넥팅로드(130)가 회전하면, 커넥팅로드(130)의 타단(132)에 결합된 판스프링(140)을 제1회전축(111)방향으로 가깝게 끌어당기게 된다. 이로 인해, 판스프링(140)은 링크(120)의 일단(121) 측으로 이동하게 된다.

여기서, 판스프링(14)을 일종의 캔틸레버(Cantilever) 보로 가정하여 판스프링(140)의 복원력(Spring Force)를 계산할 수 있다. 보다 상세하게 설명하면, 가이드부재(160)의 슬라이딩부재(150) 측 끝단부에 위치한, 판스프링(140) 부분이 고정단(fixed end)이고, 판스프링(140)의 접촉부(143)가 자유단(free end)이며, 자유단이 고정단을 기준으로 휨 변형된 상태인 캔틸레버(Cantilever) 보로 가정할 수 있다.

캔틸레버(Cantilever) 보에서 자유단이 복원되려는 복원력(Fs)의 크기는 이다. 이 때, EI는 판스프링(140)의 휨강성으로서 그 크기가 일정하다고 가정하고, δ는 판스프링(140)의 자유단의 처짐량이며, L은 보의 길이로서 가이드부재(160)와 접촉부(143) 간의 이격된 거리로 가정한다. 이 경우, 판스프링(140)의 자유단인 접촉부(143)의 복원력(Fs)의 크기는 처짐(δ)에 비례하며, 보의 길이(L)의 세제곱에 반비례한다.

판스프링(140)이 링크(120)의 일단(121) 측으로 이동하면서, 판스프링(140)의 보의 길이(L)가 제1길이(L1)에서 제2길이(L2)로 감소한다. 그리고, 판스프링(140)의 접촉부(143)의 처짐(δ)은 접촉부(143)가 슬라이딩부재(150)의 경사면을 따라 이동하면서 δ1에서 δ2로 감소하게 된다.

이 때, 복원력(Fs)의 크기 변화는 이고, 복원력(Fs)의 크기 변화는 슬라이딩부재(150)의 설계에 따라 0보다 클 수 있다. 따라서, 슬라이딩부재(150)의 경사면의 형상이 적절히 설계된다면, 판스프링(140)이 링크(120)의 일단(121) 측으로 이동할수록 복원력(Fs)도 증가하도록 형성될 수 있다.

판스프링(140)의 이동에 따른 처짐(δ)의 변화량은 슬라이딩부재(150)의 경사각(Ai)에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 슬라이딩부재(150)의 경사각(Ai)의 설계에 따라, 판스프링(140)의 접촉부(143)의 복원력(Fs)의 변화량도 적절하게 조절될 수 있다. 본 발명의 제1실시예에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조는 판스프링(140)이 링크(120)의 일단(121) 측으로 이동함에 따라, 판스프링(140)의 접촉부(143)의 복원력(Fs)의 점점 크기가 증가하도록 설계된 예시이다.

판스프링(140)에 복원력(Fs)이 형성됨에 따라, 접촉부(143)는 슬라이딩부재(150)의 경사면을 밀어내게 되고, 접촉부(143)에는 슬라이딩부재(150)의 반작용 힘이 작용한다. 이에 따라, 접촉부(143)에서는 판스프링(140)을 링크(120)의 일단(121)으로 밀어내는 힘(Fl)이 분력으로 작용하게 된다. 힘(Fl)은 커넥팅로드(130)를 링크(120)의 일단(121) 측으로 밀어내게 되고, 커넥팅로드(130)에는 일단(131)으로부터 타단(132)을 향하는 반작용 힘(Fr)이 작용하게 된다. 커넥팅로드(130)에 힘(Fr)가 작용함에 따라, 커넥팅로드(130)의 타단(132)에는 중력 방향과 반대되는 방향으로의 분력을 갖는 보상 힘(Fc)이 작용하게 된다.

보상 힘(Fc)는 보상 토크(Tc)를 형성한다. 보상 토크(Tc)는 보상 힘(Fc)과 커넥팅로드(130)의 유효회전팔길이(Lr)의 곱이다. 커넥팅로드(130)의 일단(131)과 타단(132)을 잇는 직선과, 링크(120)의 일단(121)과 타단(122)을 잇는 직선 사이의 각도는 로드경사각(Ar) 만큼 형성되고, 이에 따라 유효회전팔길이(Lr)가 결정된다.

링크(120)에는 자중에 의해 중력 방향으로의 회전 토크가 작용한다. 보상 토크(Tc)는 중력 방향과 반대되는 방향으로의 분력을 갖는 보상 힘(Fc)에 의해 중력 방향으로의 회전 토크와 반대 방향으로 형성된다. 커넥팅로드(130)의 타단(132)에 보상 토크(Tc)가 작용함에 따라, 링크(120)에도 보상 토크(Tc)가 작용한다. 예를 들어, 커넥팅로드(130)의 타단(132)에 작용하는 보상 토크(Tc)에 의해서, 판스프링(140)이 가이드부재(160)를 중력 방향과 반대 방향으로 밀어내게 되고, 이에 따라 가이드부재(160)가 고정된 링크(120)에도 보상 토크(Tc)가 작용할 수 있다. 링크(120)에 보상 토크(Tc)가 작용함에 따라, 링크(120)에 작용하는 자중에 의한 회전 토크는 보상될 수 있다.

이하, 도 5를 참조하여, 본 발명의 제1실시예에 따른 로봇팔(100)의 중력 보상 구조에서 로봇팔(100)에 작용하는 여러 회전 토크 값들을 비교하여 설명한다.

Tg는 링크(120)의 자중에 의해서 작용하는 회전 토크를 나타낸 것이고, Tmax는 유효회전팔길이가 R[mm]이고 최대 페이로드로서 P[kg]의 하중이 적용될 때 작용되는 회전 토크와 Tg의 합을 나타낸 것이며, Tc는 보상 토크를 나타낸 것이다.

도 5의 가로축은 링크(120)의 회전 범위(θ)를 나타낸 것이며, 세로축은 회전 토크의 크기를 나타낸 것이다. 이 때, 회전 범위(θ)는 설치부(W)가 천장이고 링크(120)의 타단(122)이 직하 방향을 향해 배치된 것을 기준으로 했을 때의 링크(120)의 회전 각도를 나타낸 것이다.

Tg와 Tmax의 크기는 링크(120)의 회전 범위(θ)의 크기가 커질수록 증가함을 알 수 있다. 또한, Tc의 크기도 링크(120)의 회전 범위(θ)의 크기가 커질수록 증가함을 알 수 있다. 이 때, Tc는 Tg 및 Tmax와 회전 토크의 방향이 반대로 형성되므로, Tc는 Tg 또는 Tmax를 보상하게 된다. 이에 따라, 링크(120)에는 Tg-Tc 내지 Tmax-Tc의 회전 토크가 작용하게 된다. Tg-Tc 및 Tmax-Tc는 링크(120)의 회전 범위(θ)에 따른 기울기가, Tg, Tmax, Tc의 기울기에 비해 완만하게 형성된다. 이 경우, 링크(120)를 구동시키는 구동모터(미도시)를 소형화할 수 있다는 장점이 있다.

그리고, Tg-Tc 및 Tmax-Tc는 서로 다른 방향으로 형성된다. 만약, 페이로드가 0과 최대 페이로드 사이의 값이고 이 때 링크(120)에 작용하는 회전 토크를 T라고 한다면, T-Tc는 Tg-Tc 및 Tmax-Tc의 사이 값으로 결정된다. T-Tc는 링크(120)의 회전 범위(θ)에 따른 기울기가 Tg-Tc 및 Tmax-T의 기울기보다 더욱 더 완만하게 형성될 수 있다.

이하, 도 6을 참조하여, 본 발명의 제1실시예의 변형례에 따른 로봇팔(100)의 중력 보상 구조에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 제1실시예의 변형례에 따른 로봇팔(100)의 중력 보상 구조는 판스프링(140)을 제외하고는 본 발명의 제1실시예에 따른 로봇팔(100)의 중력 보상 구조와 동일하므로 이에 대한 중복 설명은 생략한다.

본 발명의 제1실시예의 변형례에 따른 로봇팔(100)의 중력 보상 구조는 판스프링(140)이 겹판 구조로 구비된다. 겹판 구조의 판스프링(140)은 복수 개의 판스프링이 겹쳐져 구비될 수 있다. 예를 들어, 판스프링(140)은 두 개의 판스프링을 구비하여, 제1판스프링(140-1)과 제2판스프링(140-2)을 포함할 수 있다. 제1판스프링(140-1)과 제2판스프링(140-2)은 서로 동일한 형상으로 형성될 수 있다.

만약 제1판스프링(140-1)과 제2판스프링(140-2)을 포함하여, n 개의 판스프링을 구비하는 경우, 겹판 구조인 판스프링(140)의 복원력은 한개의 판스프링(140)의 복원력(Fs)보다 n배 큰, nFs로 형성될 수 있다. 이에 따라, 접촉부(143)가 판스프링(140)을 밀어내는 힘과, 보상 토크는 각각 nFl과 nTc로 형성될 수 있다. 즉, 겹판 구조의 판스프링(140)이 구비될 경우, 보상 토크의 크기가 증가한다는 장점이 있다. 또한, 판스프링(140)의 강성도 높아질 수 있다는 장점도 있다.

도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조를 나타낸 측면도이다.

이하, 도 7을 참조하여, 본 발명의 제2실시예에 따른 로봇팔(100)의 중력 보상 구조에 대하여, 상세히 설명한다. 본 발명의 제2실시예에 따른 로봇팔(100)의 중력 보상 구조는 슬라이딩부재(150)를 제외하고는 본 발명의 제1실시예에 따른 로봇팔(100)의 중력 보상 구조와 동일하므로 이에 대한 중복 설명은 생략한다.

본 발명의 제2실시예에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조는 슬라이딩부재(150)가 경사면을 구비한 경사부(152)와 하나 이상의 평탄부를 포함한다. 평탄부는 링크(120)의 일단(121)과 타단(122)을 잇는 직선과 수직으로 평탄하게 형성된 부분이다. 평탄부는 복수 개로 구비될 수 있으며, 두 개로 구비될 경우, 제1평탄부(151)와 제2평탄부(153)를 포함할 수 있다.

경사부(152)는 적어도 일부분이 경사지게 형성된 부분이다. 경사부는(152)는 단면이 직선으로 형성될 수 있고, 단면이 곡률을 갖는 곡면으로 형성될 수도 있다. 경사부(152)는 적어도 일부분의 접선각도가 경사각(Ai)을 갖도록 형성될 수 있다. 제1평탄부(151)는 경사부(152)의 단부 중 가이드부재(160)와 가장 가까운 부분에 형성될 수 있다. 제2평탄부(153)는 경사부(152)의 단부 중 가이드부재(160)와 가장 먼 부분에 형성될 수 있다. 경사부(152)는 제1평탄부(151) 또는 제2평탄부(152)와 연속되도록 형성될 수 있다. 경사부(152)는 제1평단부(151)와 제2평탄부(152) 사이에 배치될 수 있다.

판스프링(140)의 접촉부(143)는 제1평탄부(151)와 경사부(152)의 사이 부분에서 가이드부재(160)와 가장 가깝게 위치할 수 있다. 때문에, 경사부(152)가 제1평탄부(151)의 부분까지 연장되어 형성되는 것은 불필요할 수 있다. 제1평탄부(151)가 구비됨에 따라, 슬라이딩부재(150)가 링크(120)의 내부에서 차지하는 공간을 최소화할 수 있다.

판스프링(140)의 접촉부(143)는 제2평탄부(153)와 경사부(152)의 사이 부분에서 가이드부재(160)와 가장 멀게 위치할 수 있다. 때문에, 경사부(152)가 제2평탄부(153)의 부분까지 연장되어 형성되는 것을 불필요할 수 있다. 제2평탄부(153)가 구비됨에 따라, 제1평탄부(151)와 마찬가지로, 슬라이딩부재(150)가 링크(120)의 내부에서 차지하는 공간을 최소화할 수 있다.

도 8은 본 발명의 제3실시예에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조를 나타낸 측면도이고, 도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조에 있어서, 판스프링이 두 개가 배치된 모습을 나타낸 측면도이다.

이하, 도 8 및 도 9를 참조하여, 본 발명의 제3실시예에 따른 로봇팔(100)의 중력 보상 구조에 대하여, 상세히 설명한다. 본 발명의 제3실시예에 따른 로봇팔(100)의 중력 보상 구조는 슬라이딩부재(150)를 제외하고는 본 발명의 제1실시예에 따른 로봇팔(100)의 중력 보상 구조와 동일하므로 이에 대한 중복 설명은 생략한다.

본 발명의 제3실시예에 따른 로봇팔(100)의 중력 보상 구조는 슬라이딩부재(150)에 마루부(154)가 형성될 수 있다. 마루부(154)는 슬라이딩부재(150)의 중앙 부분에 형성되고, 마루부(154)의 외측으로 갈수록 슬라이딩부재(150)가 링크(120)의 일단(121)과 멀어지도록 형성될 수 있다. 또한, 슬라이딩부재(150)는 마루부(154)를 중심으로 서로 대칭적으로 형성될 수도 있다. 마루부(154)는 둥글게 형성될 수도 있고, 뾰족하게 첨단부로 형성될 수도 있다.

슬라이딩부재(150)에 마루부(154)가 형성됨에 따라, 판스프링(140)의 접촉부(143)는 마루부(154)를 기준으로 슬라이딩부재(150)의 양측 모두와 접촉될 수 있다. 도 8을 기준으로, 판스프링(140)의 접촉부(143)는 링크(120)가 회전할 때, 슬라이딩부재(150)의 마루부(154) 좌측에서 이동하거나, 슬라이딩부재(150)의 마루부(154) 우측에서 이동할 수 있다. 이와 같이 판스프링(140)의 접촉부(143)가 마루부(154)를 기준으로 하여 슬라이딩부재(150)를 좌우로 모두 이동할 수 있는 경우, 피로에 의하여 판스프링(140)이 어느 한 쪽으로 휨 변형되는 것을 최소화할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 제3실시예에 따른 로봇팔(100)의 중력 보상 구조는 판스프링(140)이 두 개가 구비될 수 있다. 두 개의 판스프링(140)은 각각의 일단(141)들이 모두 커넥팅로드(130)의 타단(132)에 회전 가능하게 연결될 수 있다. 두 개의 판스프링(140)은 각각의 타단(142)들의 사이에 슬라이딩부재(150)의 마루부(154)가 배치될 수 있다. 즉, 두 개의 판스프링(140)의 각각의 타단(142)들은 마루부(154)를 기준으로 마루부(154)의 양쪽에 각각 배치될 수 있다. 또한, 슬라이딩부재(150)가 마루부(154)를 중심으로 대칭적으로 형성되고, 두 개의 판스프링(140)의 타단(142)들도 마루부(154)를 중심으로 대칭적으로 배치될 수 있다. 이 경우, 가이드부재(160)에 작용하는 응력의 크기가 줄어들어 내구성이 증가하고, 판스프링(140)이 겹판 구조로 형성되어 보상 토크의 크기와 판스프링(140)의 강성이 증가한다는 장점이 있다.

도 10은 본 발명의 제4실시예에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조에 있어서, 슬라이딩부재의 단면이 볼록하게 형성된 것을 나타낸 측면도이고, 도 11은 본 발명의 제4실시예에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조에 있어서, 슬라이딩부재의 단면이 오목하게 형성된 것을 나타낸 측면도이다.

이하, 도 10 및 도 11을 참조하여, 본 발명의 제4실시예에 따른 로봇팔(100)의 중력 보상 구조에 대하여, 상세히 설명한다. 본 발명의 제4실시예에 따른 로봇팔(100)의 중력 보상 구조는 슬라이딩부재(150)를 제외하고는 본 발명의 제1실시예에 따른 로봇팔(100)의 중력 보상 구조와 동일하므로 이에 대한 중복 설명은 생략한다.

본 발명의 제4실시예에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조는 슬라이딩부재(150)의 적어도 일부분의 단면이 곡률을 갖는 곡면으로 형성된다. 슬라이딩부재(150)는 적어도 일부분이 링크(120)의 일단(121)을 향하여 볼록하거나 오목하게 형성된다. 슬라이딩부재(150)는 중앙부가 볼록하게 형성되거나, 중앙부가 오목하게 형성될 수 있다.

접촉부(143)는 링크(120)가 회전할수록 슬라이딩부재(150)의 중앙부 측으로 이동한다. 그리고, 접촉부(143)가 이동하면서, 판스프링(140)의 처짐(δ)이 점차 감소한다. 앞서 설명한 바와 같이, 판스프링(140)의 접촉부(143)에 작용하는 복원력(Fs)은 처짐(δ)에 비례한다. 링크(120)의 회전에 따른 판스프링(140)의 처짐(δ)의 감소 정도는, 슬라이딩부재(150) 단면의 형상에 따라 달라질 수 있다. 복원력(Fs)의 증가 정도는 판스프링(140)의 처짐(δ)의 감소 정도에 따라 변화한다.

예를 들어, 도 10에 도시된 바와 같이, 슬라이딩부재(150)가 볼록하게 형성될 경우, 그렇지 않은 경우보다 처짐(δ)의 감소 정도가 더 작게 형성되고, 판스프링(140)의 접촉부(143)에 작용하는 복원력(Fs)이 증가 가 정도는 더욱 증대될 수 있다. 이와 달리, 도 11과 도시된 바와 같이, 슬라이딩부재(150)가 오목하게 형성될 경우, 그렇지 않은 경우보다 처짐(δ)의 감소 정도가 더 크게 형성되어, 판스프링(140)의 접촉부(143)에 작용하는 복원력(Fs)의 증가 정도는 더욱 감소될 수 있다.

따라서, 슬라이딩부재(150)는 경우에 따라 적어도 일부분의 단면 형상이 볼록 또는 오목 등의 곡면으로 다양하게 형성될 수 있고, 이 경우 링크(120)의 회전에 따른 판스프링(140)의 복원력(Fs)의 증가 정도가 다양하게 형성될 수 있다는 장점이 있다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이러한 수정, 변경 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

100 : 로봇팔
110 : 베이스 111 : 제1회전축
112 : 제2회전축
120 : 링크 121 : 링크 일단
122 : 링크 타단
130 : 커넥팅로드 131 : 커넥팅로드 일단
132 : 커넥팅로드 타단
140 : 판스프링 141 : 판스프링 일단
142 : 판스프링 타단 143 : 접촉부
140-1 : 제1판스프링 140-2 : 제2판스프링
150 : 슬라이딩부재 151 : 제1평탄부
152 : 경사부 153 : 제2평탄부
154 : 마루부
160 : 가이드부재 161 : 가이드롤러
170 : 롤러
Ai : 경사각
Ar : 로드경사각
Fs : 복원력
L1 : 제1길이 L2 : 제2길이
W : 설치부

Claims (15)

1. 고정된 설치부에 설치되고, 제1회전축 및 제2회전축이 형성된 베이스;
   일단이 상기 제1회전축에 회전 가능하게 연결되는 링크;
   일단이 상기 제2회전축에 회전 가능하게 연결되는 커넥팅로드;
   일단이 상기 커넥팅로드의 타단에 회전 가능하게 연결되고, 탄성을 갖는 판스프링;
   상기 판스프링의 타단과 접촉 가능하도록 배치되고, 상기 링크의 상기 일단과 타단을 잇는 직선을 기준으로 적어도 일부가 경사지게 형성된 슬라이딩부재; 및
   상기 판스프링의 이동을 안내하는 가이드부재를 포함하고,
   상기 판스프링은,
   상기 링크가 회전 시, 상기 커넥팅로드에, 상기 링크의 자중과 반대되는 방향으로의 회전힘을 가하는 로봇팔의 중력 보상 구조.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 설치부는 천장인 로봇팔의 중력 보상 구조.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제2회전축은,
   상기 제1회전축을 기준으로 상기 설치부의 반대 측에 배치된 로봇팔의 중력 보상 구조.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 가이드부재는,
   상기 판스프링이 상기 링크의 길이방향과 나란하게 이동하도록 안내하는 로봇팔의 중력 보상 구조.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 가이드부재는,
   상기 판스프링과 접촉된 상태에서 회전 가능하게 배치되는 적어도 한개의 가이드롤러를 포함하는 로봇팔의 중력 보상 구조.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 판스프링은,
   복수 개가 구비되어 서로 겹치도록 배치된 겹판 구조인 로봇팔의 중력 보상 구조.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 판스프링은,
   상기 타단에 회전 가능하게 배치된 롤러를 포함하고,
   상기 롤러는 상기 슬라이딩부재와 접촉한 채 회전 가능한 로봇팔의 중력 보상 구조.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 슬라이딩부재는,
   상기 링크의 길이방향과 수직되는 방향으로 연장되어 형성된 제1평탄부,
   상기 제1평탄부와 나란한 방향으로 연장되어 형성되되, 상기 제1평탄부와 이격 배치된 제2평탄부, 및
   상기 제1평탄부와 상기 제2평탄부 사이에 배치되고, 상기 제1평탄부에서부터 상기 제2평탄부까지 경사지게 형성된 경사부를 포함하는 로봇팔의 중력 보상 구조.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 슬라이딩부재는,
   중앙 부분에 상기 링크의 상기 일단을 향하여 연장된 마루부가 형성되고, 상기 마루부로부터 외측으로 갈수록 상기 링크의 상기 일단과 멀어지도록 경사지게 형성된 로봇팔의 중력 보상 구조.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 슬라이딩부재는,
    상기 마루부를 중심으로 서로 대칭되도록 형성된 로봇팔의 중력 보상 구조.
11. 제 9항에 있어서,
    상기 판스프링은 두 개가 구비되어,
    각각의 상기 일단들이 모두 상기 커넥팅로드의 상기 타단에 연결되며, 각각의 상기 타단들의 사이에 상기 마루부가 배치되는 로봇팔의 중력 보상 구조.
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬라이딩부재는,
    적어도 일부분의 단면이 곡률을 갖는 곡면으로 형성된 로봇팔의 중력 보상 구조.
13. 제12항에 있어서,
    상기 슬라이딩부재는,
    중앙부가 상기 링크의 일단을 향하여 볼록하게 형성된 로봇팔의 중력 보상 구조.
14. 제12항에 있어서,
    상기 슬라이딩부재는,
    중앙부가 상기 링크의 일단을 향하여 오목하게 형성된 로봇팔의 중력 보상 구조.
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조를 포함하는 로봇팔.

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