KR102665883B1 - 구름 접촉 관절 및 이를 구비한 로봇 - Google Patents

구름 접촉 관절 및 이를 구비한 로봇 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 구름 접촉 관절은 상부면, 상부면에 대향하여 형성된 하부면 및 측면이 형성된 제1 세그먼트, 상부면, 상부면에 대향하여 형성된 하부면 및 측면이 형성되고, 제1 세그먼트와 접촉한 상태에서 대향하여 배치된 제2 세그먼트, 일 단부가 제1 세그먼트 및 제2 세그먼트 중 어느 하나의 상부면에 고정되고, 타 단부가 제1 세그먼트 및 제2 세그먼트 중 다른 하나의 하부면에 고정되는 제1 리가먼트 및 양 단부가 제1 세그먼트 및 제2 세그먼트 각각의 측면에 연결되는 제2 리가먼트를 포함할 수 있다.

Description

구름 접촉 관절 및 이를 구비한 로봇{Rolling contact joint and Robot comprising the same}
본 발명은 구름 접촉 관절 및 이를 구비한 로봇에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 관절의 각도에 따른 관절의 강성을 조절할 수 있는 구름 접촉 관절 및 이를 구비한 로봇에 관한 것이다.
종래에 제안된 구름 접촉 관절(Rolling Contact joint)은 두 개의 본체 부재와 두 개의 본체 부재에 고정되는 두 개의 가요성 스트랩을 포함하고 있다. 이때 종래의 구름 접촉 관절은 이론적으로 완벽하게 제작하여야 그 성능을 보장할 수 있으며, 사용 과정에서 발생하는 리가먼트(ligament)의 늘어남과 같은 문제가 발생한다.
특히, 두 개의 리가먼트가 설계한 것과 동일하게 정밀하게 제작되어야만 관절 사이의 유격이 발생하지 않으며, 동시에 두 개의 리가먼트가 두 개의 본체 부재 사이를 가로지르도록 배치되기 때문에, 종래의 구름 접촉 관절은 제작의 난이도가 큰 문제가 있다.
미국특허공보 US3,932,045
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 제작이 용이하고, 나아가 구동 방향을 제외한 나머지 방향의 강성을 조절함과 동시에 관절 각도에 따라 강성을 변화시켜 목적에 맞는 관절 설계를 가능하게 하는 구름 접촉 관절 및 이를 구비한 로봇을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 일 실시예에 따른 구름 접촉 관절은 상부면, 상부면에 대향하여 형성된 하부면 및 측면이 형성된 제1 세그먼트, 상부면, 상부면에 대향하여 형성된 하부면 및 측면이 형성되고, 제1 세그먼트와 접촉한 상태에서 대향하여 배치된 제2 세그먼트, 일 단부가 제1 세그먼트 및 제2 세그먼트 중 어느 하나의 상부면에 고정되고, 타 단부가 제1 세그먼트 및 제2 세그먼트 중 다른 하나의 하부면에 고정되는 제1 리가먼트 및 양 단부가 제1 세그먼트 및 제2 세그먼트 각각의 측면에 연결되는 제2 리가먼트를 포함할 수 있다.
또한, 제1 세그먼트는 제2 세그먼트를 향하여 돌출되는 돌출부를 포함하고, 제2 세그먼트는 돌출부를 수용하도록 돌출부의 형상과 대응되는 형상을 갖는 수용 홈을 포함할 수 있다.
또한, 돌출부의 측면들 사이의 거리는 제2 세그먼트를 향할수록 감소할 수 있다.
또한, 돌출부는 제1 세그먼트의 상부면으로부터 제2 세그먼트를 향하는 제1 연장선과 하부면으로부터 제2 세그먼트를 향하는 제2 연장선의 사이에서 연장할 수 있다.
또한, 돌출부는 제1 연장선 및 제2 연장선 중 적어도 하나 이상을 넘어서 연장할 수 있다.
또한, 돌출부의 측면들이 형성하는 각도는 제1 연장선으로부터 제2 연장선을 향하는 방향으로 진행할수록 감소할 수 있다.
또한, 제1 세그먼트와 제2 세그먼트는 서로에 대한 구름 운동을 하고, 제1 세그먼트와 제2 세그먼트가 구름 운동하는 방향을 제외한 나머지 방향에서 제1 세그먼트와 제2 세그먼트 사이의 강성은 제1 세그먼트와 제2 세그먼트의 구름 운동 정도에 따라 변화할 수 있다.
또한, 제1 세그먼트와 제2 세그먼트가 구름 운동하는 방향을 제외한 나머지 방향에서 제1 세그먼트와 제2 세그먼트 사이의 강성은 제2 리가먼트의 탄성 계수와 돌출부의 형상 중 적어도 하나 이상에 기초하여 조절 가능하다.
또한, 돌출부를 제1 세그먼트의 상부면과 평행한 평면으로 절단한 단면은 삼각형 형상이고, 돌출부의 단면에서 높이(h)는 밑변의 길이(w)의 0.4배 보다 클 수 있다.
또한, 돌출부의 단면에서 높이에 대한 밑변의 길이가 작아질수록 제1 세그먼트와 제2 세그먼트의 비틀림 강성이 증가할 수 있다.
또한, 돌출부의 단면에서 밑변을 제외한 양변은 오목하거나 볼록할 수 있다.
또한, 제1 세그먼트는 제2 세그먼트와 대향하는 면에서 제1 곡률을 갖는 제1 구름 접촉면을 포함하고, 제2 세그먼트는 제1 세그먼트와 대향하는 면에서 제2 곡률을 갖는 제2 구름 접촉면을 포함하고, 제1 리가먼트는 제1 구름 접촉면의 적어도 일부 및 제2 구름 접촉면의 적어도 일부와 접촉할 수 있다.
또한, 제1 세그먼트와 제2 세그먼트의 상대적인 구름 운동의 정도를 조절하도록 제1 곡률 및 제2 곡률을 결정할 수 있다.
또한, 제1 세그먼트는 제1 구름 접촉면 상에서 제1 리가먼트를 수용하는 제1 홈을 더 포함하고, 제2 세그먼트는 제2 구름 접촉면 상에서 제1 리가먼트를 수용하는 제2 홈을 더 포함할 수 있다.
또한, 제1 구름 접촉면의 적어도 일부와 제2 구름 접촉면의 적어도 일부는 제1 방향으로 연장되는 접촉선에서 선 접촉할 수 있다.
또한, 제1 세그먼트는 소정의 거리를 갖도록 이격하여 형성되는 복수의 제1 구름 접촉면을 포함하고, 제2 세그먼트는 각각의 제1 구름 접촉면에 대응하여 소정의 거리를 갖도록 이격하여 형성되는 복수의 제2 구름 접촉면을 포함할 수 있다.
또한, 제1 세그먼트의 측면에는 제1 관통공이 형성되고, 제2 세그먼트의 측면에는 제2 관통공이 형성되고, 제2 리가먼트는 제1 관통공및 제2 관통공을 관통하여 제1 세그먼트 및 제2 세그먼트에 연결될 수 있다.
또한, 제1 리가먼트의 탄성 계수는 제2 리가먼트의 탄성 계수보다 클 수 있다.
또한, 제1 리가먼트의 탄성 계수는 3 N/mm 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 로봇은 물체를 파지하고 하나 이상의 관절을 구비하는 파지부를 포함하고, 하나 이상의 관절은 본 발명의 실시예들에 따른 구름 접촉 관절을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 구름 접촉 관절은 관절 사이를 관통하는 리가먼트(ligament)의 개수가 1 개로 감소되어 쉽게 제작이 가능하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 구름 접촉 관절은 돌출부의 형상과 탄성 중심 인대의 탄성 계수 조절을 통해 관절의 회전 방향을 제외한 나머지 방향의 강성을 조절 가능하고, 관절의 강성을 설계 과정에서 조절할 수 있기에 목적에 맞는 설계가 가능하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 구름 접촉 관절은 관절의 회전 각도에 따라 강성이 변화하기 때문에 기존의 관절들과 차별화될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따른 구름 접촉 관절을 로봇의 관절이나 수술용 집게 등에 적용할 경우, 관절 또는 집게가 펴진 자세에서는 외부(사람)와의 충돌에 유연하게 대처하며 관절 또는 집게가 닫힌 상태에서는 강인하게 대상물을 잡을 수 있다.
실시예들에 의한 효과가 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구름 접촉 관절를 도시하는 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 구름 접촉 관절의 측면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 구름 접촉 관절의 상면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 구름 접촉 관절의 제1 세그먼트를 도시하는 사시도이다.
도 5는 도 1에 도시된 구름 접촉 관절의 제2 세그먼트를 도시하는 사시도이다.
도 6은 도 1에 도시된 구름 접촉 관절을 제1 세그먼트를 기준으로 다양한 각도에서 절단한 단면도이다.
도 7은 도 1에 도시된 구름 접촉 관절의 제1 세그먼트와 제2 세그먼트가 서로 비틀린 상태를 도시하는 도면이다.
도 8는 도 7에 도시된 제1 세그먼트와 제2 세그먼트의 비틀림 각도에 따른 세그먼트 중심 사이의 거리의 증가량을 도시한 그래프이다.
도 9는 도 7에 도시된 제1 세그먼트와 제2 세그먼트의 비틀림 정도에 따른 제2 리가먼트의 길이를 도시한 그래프이다.
도 10은 도 3에 도시된 구름 접촉 관절의 개념도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 구름 접촉 관절를 도시하는 측면도이다.
도 12은 본 발명의 실시예들에 따른 구름 접촉 관절이 구비된 로봇을 도시한다.
이하, 본 발명의 실시예들을 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구름 접촉 관절를 도시하는 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 구름 접촉 관절의 측면도이고, 도 3은 도 1에 도시된 구름 접촉 관절의 상면도이다. 또한, 도 4는 도 1에 도시된 구름 접촉 관절의 제1 세그먼트를 도시하는 사시도이고, 도 5는 도 1에 도시된 구름 접촉 관절의 제2 세그먼트를 도시하는 사시도이다.
도 1 내지 도 5을 참조하면, 구름 접촉 관절(1)은 제1 세그먼트(10), 제2 세그먼트(20), 제1 세그먼트(10)와 제2 세그먼트(20)에 각각 고정되는 제1 리가먼트(30) 및 제2 리가먼트(40)를 포함한다.
제1 세그먼트(10)는 상부면, 상부면에 대향하는 하부면 및 양 측면을 형성하고 있으며, 제2 세그먼트(20)와 접촉하는 면을 제외하고는 대략적으로 직육면체의 형상을 갖는다. 마찬가지로, 제2 세그먼트(20)는 상부면, 상부면에 대향하는 하부면 및 양 측면을 형성하고 있으며, 제1 세그먼트(10)와 접촉하는 면을 제외하고는 대략적으로 직육면체의 형상을 갖는다. 다만, 상술한 제1 세그먼트(10) 및 제2 세그먼트(20)에서 상부면, 하부면 및 측면의 한정은 후술하는 다른 구성의 결합관계를 쉽게 설명하기 위한 것에 불과한 것이며, 제1 세그먼트(10) 및 제2 세그먼트(20)의 형상은 상술한 바에 의해 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1 세그먼트(10) 및 제2 세그먼트(20)의 형상은 설계에 따라 제1 세그먼트(10) 및 제2 세그먼트(20)의 모서리가 모따기된 형상, 원통형 형상 등 다양한 형상을 가질 수 있다.
제1 세그먼트(10)와 제2 세그먼트(20)가 서로 접촉한 상태에서 접촉한 상태에서 대향하여 배치된다. 이때, 제1 세그먼트(10)와 제2 세그먼트(20)의 접촉 상태는 제1 세그먼트(10)와 제2 세그먼트(20)가 직접적으로 접촉하는 것을 의미하거나, 제1 세그먼트(10)와 제2 세그먼트(20)가 간접적으로 접촉하는 것을 의미할 수도 있다. 예를 들어, 제1 세그먼트(10)와 제2 세그먼트(20)가 간접적으로 접촉하는 것은 제1 세그먼트(10)와 제2 세그먼트(20)의 사이에 다른 부재(예를 들어, 제1 리가먼트(30))가 배치된 상태로 제1 세그먼트(10)와 제2 세그먼트(20)가 서로 접촉하는 상태를 의미한다.
제1 세그먼트(10)는 제2 세그먼트(20)와 대향하는 면에서 제1 곡률을 갖는 제1 구름 접촉면(11)과, 제2 세그먼트(20)를 향하여 돌출되는 돌출부(12)를 포함한다. 제2 세그먼트(20)는 제1 세그먼트(10)와 대향하는 면에서 제2 곡률을 갖는 제2 구름 접촉면(21)과, 구름 운동 시에 제1 세그먼트(10)의 돌출부(12)를 수용하도록 돌출부(12)의 형상과 대응되는 형상을 갖는 수용 홈(22)을 포함한다.
제1 구름 접촉면(11)은 복수의 제1 구름 접촉면(11)으로 이루어질 수 있으며, 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 구름 접촉면(11)은 제1 세그먼트(10)의 폭 방향으로 소정의 거리를 갖도록 이격하여 복수로 형성될 수 있고, 제2 구름 접촉면(21)은 각각의 제1 구름 접촉면(11)에 대응하여 제2 세그먼트(20)의 폭 방향으로 소정의 거리를 갖도록 이격하여 복수로 형성될 수 있다.
제1 세그먼트(10)와 제2 세그먼트(20)는 제1 구름 접촉면(11)과 제2 구름 접촉면(21)에서 구름 운동이 발생한다. 이와 같은 제1 세그먼트(10)와 제2 세그먼트(20)의 상대적인 구름 운동의 정도는 제1 구름 접촉면(11)의 제1 곡률과 제2 구름 접촉면(21)의 제2 곡률에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 제1 구름 접촉면(11)의 제1 곡률과 제2 구름 접촉면(21)의 제2 곡률이 동일한 경우에는 제1 세그먼트(10)와 제2 세그먼트(20)의 상대적인 구름 운동의 정도는 동일하므로, 제1 세그먼트(10)와 제2 세그먼트(20)가 회동하는 정도는 동일하다. 다른 예시로서, 제1 구름 접촉면(11)의 제1 곡률이 제2 구름 접촉면(21)의 제2 곡률과 상이할 경우에는 제1 구름 접촉면(11) 및 제2 구름 접촉면(21) 중에서 곡률이 작은 구름 접촉면의 구름 운동 정도가 더 크므로, 곡률이 작은 구름 접촉면을 갖는 세그먼트가 회동하는 정도가 더 크다.
도 1 내지 3에 도시된 실시예에서, 돌출부(12)는 제1 세그먼트(10) 상에 형성되어 제2 세그먼트(20)를 향하여 돌출되고, 수용 홈(22)은 제2 세그먼트(20) 상에 형성되어 제1 세그먼트(10)의 돌출부(12)를 수용한다. 다만, 이는 설명의 편의를 위한 것에 불과하며, 돌출부(12)는 제2 세그먼트(20)에 형성되고, 수용 홈(22)은 제1 세그먼트(10)에 형성될 수도 있다.
돌출부(12)는 제1 세그먼트(10)로부터 연장하고 있으며, 양 측면(12a, 12b)을 갖는다. 도 3에 도시된 바와 같이, 돌출부(12)는 양 측면들(12a, 12b) 사이의 거리는 제2 세그먼트(20)를 향할수록 감소한다. 예를 들어, 돌출부(12)를 제1 세그먼트(10)와 상부면과 평행한 평면으로 절단한 단면 형상은 삼각형과 같이 양 측면들(12a, 12b)이 한점으로 수렴하는 형상을 갖는다.
도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 돌출부(12)는 관절의 회전 방향을 중심으로 하는 형상을 갖고, 제1 세그먼트(10)의 상부면으로부터 제2 세그먼트(20)를 향하는 제1 연장선과 제1 세그먼트(10)의 하부면으로부터 제2 세그먼트를 향하는 제2 연장선의 사이에서 연장할 수 있다. 또한, 돌출부(12)는 상기 제1 연장선 및 상기 제2 연장선 중 적어도 하나 이상을 넘어서 연장할 수 있다. 예를 들어, 제1 세그먼트(10)와 제2 세그먼트(20) 사이의 회동 가능한 각도에 따라 돌출부(12)가 연장하는 정도를 조절할 수 있다.
제1 리가먼트(30)는 일 단부가 제1 세그먼트(10)의 상부면에 고정되고, 타 단부가 제2 세그먼트(20)의 하부면에 고정된다. 다만, 제1 리가먼트(30)의 고정 위치는 상술한 바에 의해 제한되는 것은 아니다. 즉, 제1 리가먼트(30)는 일 단부가 제1 세그먼트(10) 및 제2 세그먼트(20) 중 어느 하나의 상부면에 고정되고, 타 단부가 제1 세그먼트(10) 및 제2 세그먼트(20) 중 다른 하나의 하부면에 고정된다.
도 1 내지 도 3에 도시된 실시예에서, 제1 리가먼트(30)는 제1 세그먼트(10) 및 제2 세그먼트(20) 각각에 제1 고정 수단(51) 및 제2 고정 수단(52)에 의해 고정된다. 제1 고정 수단(51) 및 제2 고정 수단(52)은 예를 들어, 나사와 같이 제1 리가먼트(30)를 고정시킬 수 있는 부재일 수 있다. 다만, 제1 리가먼트(30)의 고정 방식은 상술한 바에 의해 제한되는 것은 아니며, 제1 리가먼트(30)는 접착 수단에 의해서도 고정될 수 있다.
제1 리가먼트(30)는 제1 구름 접촉면(11)의 적어도 일부 및 제2 구름 접촉면(21)의 적어도 일부와 접촉하도록 배치된다. 이때, 제1 리가먼트(30)가 제1 구름 접촉면(11) 및 제2 구름 접촉면(21) 각각에 접촉되는 면적은 제1 세그먼트(10) 및 제2 세그먼트(20)의 구름 운동에 따라 변한다.
제2 리가먼트(40)는 양 단부가 제1 세그먼트(10) 및 제2 세그먼트(20) 각각의 측면에 연결된다. 도 1 내지 도 5에 도시된 실시예에서는 제1 세그먼트(10)의 측면에는 제1 관통공(13)이 형성되고, 제2 세그먼트(20)의 측면에는 제2 관통공(23)이 형성되어 있다. 제2 리가먼트(40)는 제1 관통공(13) 및 제2 관통공(23)을 관통하여 제1 세그먼트(10) 및 제2 세그먼트(20)에 연결될 수 있다. 다만, 제2 리가먼트(40)의 연결 방식은 상술한 바에 의해 제한되는 것은 아니며, 제2 리가먼트(40)는 양 단부가 고정 수단 및/또는 접착 수단에 의하여 제1 세그먼트(10) 및 제2 세그먼트(20) 각각에 고정되는 등의 방식으로 제1 세그먼트(10) 및 제2 세그먼트(20)에 연결될 수 있다.
제1 리가먼트(30)의 탄성 계수는 제2 리가먼트(40)의 탄성 계수보다 크다.
제1 리가먼트(30)의 영률(young's modulus)이 클수록 구름 운동(y 방향 회전)에서 의도하지 않은 변형이 적어질 수 있다. 예를 들어, 제1 리가먼트(30)의 탄성 계수는 3 N/mm 이상일 수 있으며, 바람직하게는 비탄성 재질일 수 있다.
예를 들어, 제1 리가먼트(30)는 PLA(Polylactic Acid), ABS(acrylonitrile butadiene styrene), HDPE(high density polyethylene), 폴리카보네이트(polycarbonate, PC), Nylon, Nylon, Urethane, PEI 등과 같은 플라스틱 소재로 제작될 수 있으며, 나아가 금속 소재로도 제작될 수 있다. 다만, 제1 리가먼트(30)의 소재는 상술한 바에 의해 제한되는 것은 아니며, 높은 영률을 갖는 소재일 수 있다.
도 1 내지 3에 도시된 바와 같이, 제1 리가먼트(30)는 제1 세그먼트(10) 및 제2 세그먼트(20)의 적어도 일부를 덮는 형상일 수 있으나, 상술한 바에 의해 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 제1 리가먼트(30)는 와이어와 같은 형상일 수 있다.
제2 리가먼트(40)는 탄성을 가지고 있으며, 제2 리가먼트(40)의 탄성 계수는 돌출부(12)의 형상과 함께 도 1에서의 X 방향 비틀림 강성에 영향을 주는 동시에 X 방향 선형 강성, X 방향 비틀림 강성을 결정한다. 예를 들어, 제2 리가먼트(40)의 스프링 강성이 줄어들 수록 X 방향 비틀림 강성과 X 방향 선형 강성, Z 방향 비틀림 강성은 동시에 감소할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 구름 접촉 관절(1)이 적용되는 분야에서 요구되는 관절의 크기와 특성에 따라 제2 리가먼트(40)의 탄성 계수가 결정될 수 있다.
도 1 내지 3에 도시된 바와 같이, 제2 리가먼트(40)는 제1 세그먼트(10) 및 제2 세그먼트(20)를 연결하는 끈과 같은 형상일 수 있으나, 상술한 바에 의해 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 제2 리가먼트(40)는 양 단부가 제1 세그먼트(10) 및 제2 세그먼트(20) 각각에 연결된 스프링과 같은 탄성을 갖는 부재일 수 있다.
도 6은 도 1에 도시된 구름 접촉 관절을 제1 세그먼트를 기준으로 다양한 각도에서 절단한 단면도이다. 구체적으로, 도 6의 (a) 내지 (c)는 구름 접촉 관절(1)을 제1 세그먼트(10)의 제1 관통공(13)을 기준으로 각각 0°, 22.5°, 45°의 각도에서 절단하였다.
도 6을 참조하면, 도 6의 (a)에서 돌출부(12)의 측면들(12a, 12b)이 형성하는 각도(θ1)는 도 6의 (b)에서 돌출부(12)의 측면들(12a, 12b)이 형성하는 각도(θ2)보다 크고, 도 6의 (b)에서 돌출부(12)의 측면들(12a, 12b)이 형성하는 각도(θ2)는 도 6의 (c)에서 돌출부(12)의 측면들(12a, 12b)이 형성하는 각도(θ3)보다 크다. 즉, 돌출부(12)의 측면들(12a, 12b)이 형성하는 각도는 상술한 제1 연장선으로부터 제2 연장선을 향하는 방향으로 진행할수록 감소할 수 있다.
이와 같이, 돌출부(12)의 형상이 점진적으로 변하기 때문에, 종래의 구름 접촉 관절과 달리 관절 사이를 관통하는 리가먼트의 개수가 1 개로 감소시킬 수 있다. 구체적으로, 종래의 구름 접촉 관절은 2 개의 리가먼트를 통해 관절의 이탈을 제한하고 있으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 구름 접촉 관절(1)은 제1 및 제2 세그먼트(10, 20)가 서로 접촉한 상태에서 이탈하게 되면 돌출부(12)와 수용 홈(22)의 간섭으로 인해 제한된 방향에서 제1 및 제2 세그먼트(10, 20) 사이의 거리가 증가하게 되고, 이에 따라 제2 리가먼트(40)가 늘어난다. 제2 리가먼트(40)가 늘어남에 따라 제1 및 제2 세그먼트(10, 20) 사이에서는 복원력이 작용하게 되고, 이와 같은 복원력에 의해 제1 및 제2 세그먼트(10, 20)는 원래의 상태를 회복한다.
또한, 돌출부(12)의 형상이 변하기 때문에, 제1 세그먼트(10)와 제2 세그먼트(20)가 구름 운동하는 방향을 제외한 나머지 방향에서 제1 세그먼트(10)와 제2 세그먼트(20) 사이의 강성은 제1 세그먼트(10)와 제2 세그먼트(20)의 구름 운동 정도에 따라 변화한다.
제1 세그먼트(10)와 제2 세그먼트(20)가 구름 운동하는 방향을 제외한 나머지 방향에서 제1 세그먼트(10)와 제2 세그먼트(20) 사이의 강성은 제2 리가먼트(40)의 탄성 계수와 돌출부(12)의 형상 중 적어도 하나 이상에 기초하여 조절 가능하다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 구름 접촉 관절(1)은 관절의 강성을 설계 과정에서 조절할 수 있기에 목적에 맞는 설계가 가능하다.
도 7은 도 1에 도시된 구름 접촉 관절의 제1 세그먼트와 제2 세그먼트가 서로 비틀린 상태를 도시하는 도면이고, 도 8는 도 7에 도시된 제1 세그먼트와 제2 세그먼트의 비틀림 각도에 따른 세그먼트 중심 사이의 거리의 증가량을 도시한 그래프이고, 도 9는 도 7에 도시된 제1 세그먼트와 제2 세그먼트의 비틀림 각도에 따른 제2 리가먼트의 길이를 도시한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 도 7의 (a)는 (b)의 경우보다 제1 세그먼트(10)와 제2 세그먼트(20)가 서로에 대한 비틀림 정도가 크고, 도 7의 (b)는 (c)의 경우보다 제1 세그먼트(10)와 제2 세그먼트(20)가 서로에 대한 비틀림 정도가 크다.
도 8 및 도 9의 그래프에서 (a) 내지 (c)는 각각 제1 세그먼트(10)에서 돌출부(12)의 측면들(12a, 12b)이 형성하는 각도(θ)가 증가하는 경우의 값을 순서대로 도시한 그래프이다. 이때, 도 9의 그래프에서 (d)는 돌출부가 없는 경우의 값을 의미한다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 제1 세그먼트(10)와 제2 세그먼트(20)의 비틀림 정도가 증가하면, 제1 세그먼트(10)와 제2 세그먼트(20)의 중심 사이의 거리가 증가하고, 제2 리가먼트(40)의 길이의 증가량도 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 돌출부(12)의 측면들(12a, 12b)이 형성하는 각도(θ)가 감소할수록 같은 비틀림 각도로 제1 및 제2 세그먼트(10, 20)를 비틀 때 요구되는 힘이 커지게 되고, 이에 따라 구름 접촉 관절(1)의 강성이 증가하게 된다.
예를 들어, 도 6에서 도시한 돌출부(12)의 형상은 측면들(12a, 12b)이 형성하는 각도(θ)는 (a)에서 (c)를 향할수록 감소하고 있다. 측면들(12a, 12b)이 형성하는 각도(θ)가 감소할수록 구름 접촉 관절(1)의 강성이 증가하므로, 제1 세그먼트(10)와 제2 세그먼트(20)가 구름 운동을 하게 되면 구름 접촉 관절(1)의 강성은 증가할 수 있다. 이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 구름 접촉 관절(1)은 제1 세그먼트(10)의 돌출부(12)의 형상에 의해 구름 접촉 관절(1)의 강성을 조절할 수 있다.
도 10은 도 3에 도시된 구름 접촉 관절의 개념도이다.
도 10을 참조하면, 돌출부(12)를 제1 세그먼트(10)의 상부면과 평행한 평면으로 절단한 단면은 대략적으로 삼각형 형상일 수 있다.
돌출부(12)의 형상에 따라 제1 세그먼트(10)와 제2 세그먼트(20)의 비틀림 강성은 변할 수 있다. 예를 들어, 돌출부(12)의 단면에서 높이(h)에 대한 상기 밑변의 길이(w)가 작아질수록 수용 홈(22)의 각도(θ)는 작아지며, 제1 세그먼트(10)와 제2 세그먼트(20)의 X 방향의 비틀림 강성이 증가한다. 이때, 돌출부(12)의 단면 형상은 높이(h)는 밑변의 길이(w)의 0.4배 보다 크다. 만약, 돌출부(12)의 단면 형상에서 높이(h)가 밑변의 길이(w)의 0.4배 보다 작거나 같은 경우에서는 미소 변형에 대해 돌출부(12)가 없는 것과 유사한 결과가 발생할 수 있다.
돌출부(12)의 단면 형상은 밑변을 제외한 양변이 오목하거나 볼록할 수 있다. 즉, 돌출부(12)의 단면 형상은 돌출부(12)의 측면들(12a, 12b)이 한 점에서 수렴하는 형상을 갖는다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 구름 접촉 관절을 도시하는 측면도이다.
도 11을 참조하면, 구름 접촉 관절(1')은 도 2에 도시된 구름 접촉 관절(1)과 비교하여, 제1 세그먼트(10)가 제1 구름 접촉면(11) 상에서 제1 리가먼트(30)를 수용하는 제1 홈(14)을 더 포함하고, 제2 세그먼트(20)가 제2 구름 접촉면(21) 상에서 제1 리가먼트(30)를 수용하는 제2 홈(24)을 더 포함한다. 제1 홈(14) 및 제2 홈(24)은 제1 리가먼트(30)를 수용하기 위하여, 제1 리가먼트(30)의 형상에 대응하는 형상일 수 있다.
이를 통해, 제1 세그먼트(10)의 제1 구름 접촉면(11)의 적어도 일부와 제2 세그먼트(20)의 제2 구름 접촉면(21)의 적어도 일부는 제1 방향(Y축 방향)으로 연장되는 접촉선에서 선 접촉할 수 있다. 또한, 제1 세그먼트(10)와 제2 세그먼트(20) 사이에는 제1 리가먼트(30)에 의한 간극이 발생하지 않으므로, 제1 세그먼트(10)와 제2 세그먼트(20)에 의하여 제1 리가먼트(30)에 가해지는 힘이 분산될 수 있다.
예를 들어, 제1 리가먼트(30)가 도면에서 도시된 형상과 다른 형상(예를 들어, 단면의 형상이 원형인 경우)과 같은 경우에는 제1 리가먼트(30)가 안정적으로 힘을 버티지 못하기 때문에 제1 세그먼트(10)가 제1 구름 접촉면(11) 상에서 제1 리가먼트(30)를 수용하는 제1 홈(14)과 제2 세그먼트(20)가 제2 구름 접촉면(21) 상에서 제1 리가먼트(30)를 수용하는 제2 홈(24)의 필요성이 증가한다.
도 12은 본 발명의 실시예들에 따른 구름 접촉 관절이 구비된 로봇을 도시한다.
도 12를 참조하면, 로봇(100)은 물체를 파지하고, 하나 이상의 관절을 구비하는 파지부를 포함한다. 본 발명의 실시예에 따른 구름 접촉 관절(1)은 로봇(100)의 파지부의 관절에 적용될 수 있다. 다만, 구름 접촉 관절(1)의 적용 분야는 상술한 바에 의해 제한되는 것은 아니며, 구름 접촉 관절(1)은 수술용 집게 등과 같이 관절 구조를 구비하여 물체를 파지할 수 있는 경우에 적용될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 구름 접촉 관절
10: 제1 세그먼트
11: 제1 구름 접촉면
12: 돌출부
13: 제1 관통공
14: 제1 홈
20: 제2 세그먼트
21: 제2 구름 접촉면
22: 수용 홈
23: 제2 관통공
24: 제2 홈
30: 제1 리가먼트
40: 제2 리가먼트
51: 제1 고정 수단
52: 제2 고정 수단

Claims (20)

  1. 상부면, 상기 상부면에 대향하여 형성된 하부면 및 측면이 형성된 제1 세그먼트;
    상부면, 상기 상부면에 대향하여 형성된 하부면 및 측면이 형성되고, 상기 제1 세그먼트와 접촉한 상태에서 대향하여 배치된 제2 세그먼트;
    일 단부가 상기 제1 세그먼트 및 상기 제2 세그먼트 중 어느 하나의 상부면에 고정되고, 타 단부가 상기 제1 세그먼트 및 상기 제2 세그먼트 중 다른 하나의 하부면에 고정되는 제1 리가먼트; 및
    양 단부가 상기 제1 세그먼트 및 상기 제2 세그먼트 각각의 측면에 연결되는 제2 리가먼트를 포함하고,
    상기 제1 세그먼트는 상기 제2 세그먼트를 향하여 돌출되는 돌출부를 포함하고,
    상기 제2 세그먼트는 상기 돌출부를 수용하도록 상기 돌출부의 형상과 대응되는 형상을 갖는 수용 홈을 포함하고,
    상기 돌출부의 측면들 사이의 거리는 상기 제2 세그먼트를 향할수록 감소하는 것인,
    구름 접촉 관절.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 돌출부는 상기 제1 세그먼트의 상기 상부면으로부터 상기 제2 세그먼트를 향하는 제1 연장선과 상기 하부면으로부터 상기 제2 세그먼트를 향하는 제2 연장선의 사이에서 연장하는, 구름 접촉 관절.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 돌출부는 상기 제1 연장선 및 상기 제2 연장선 중 적어도 하나 이상을 넘어서 연장하는, 구름 접촉 관절.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 돌출부의 측면들이 형성하는 각도는 상기 제1 연장선으로부터 상기 제2 연장선을 향하는 방향으로 진행할수록 감소하는, 구름 접촉 관절.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 세그먼트와 상기 제2 세그먼트는 서로에 대한 구름 운동을 하고,
    상기 제1 세그먼트와 상기 제2 세그먼트가 구름 운동하는 방향을 제외한 나머지 방향에서 상기 제1 세그먼트와 상기 제2 세그먼트 사이의 강성은 상기 제1 세그먼트와 상기 제2 세그먼트의 구름 운동 정도에 따라 변화하는, 구름 접촉 관절.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 세그먼트와 상기 제2 세그먼트가 구름 운동하는 방향을 제외한 나머지 방향에서 상기 제1 세그먼트와 상기 제2 세그먼트 사이의 강성은 상기 제2 리가먼트의 탄성 계수와 상기 돌출부의 형상 중 적어도 하나 이상에 기초하여 조절 가능한, 구름 접촉 관절.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 돌출부를 상기 제1 세그먼트의 상부면과 평행한 평면으로 절단한 단면은 삼각형 형상이고,
    상기 돌출부의 단면에서 높이(h)는 밑변의 길이(w)의 0.4배 보다 큰, 구름 접촉 관절.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 돌출부의 단면에서 상기 높이에 대한 상기 밑변의 길이가 작아질수록 상기 제1 세그먼트와 상기 제2 세그먼트의 비틀림 강성이 증가하는, 구름 접촉 관절.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 돌출부의 단면에서 상기 밑변을 제외한 양변은 오목하거나 볼록한, 구름 접촉 관절.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 세그먼트는 상기 제2 세그먼트와 대향하는 면에서 제1 곡률을 갖는 제1 구름 접촉면을 포함하고,
    상기 제2 세그먼트는 상기 제1 세그먼트와 대향하는 면에서 제2 곡률을 갖는 제2 구름 접촉면을 포함하고,
    상기 제1 리가먼트는 상기 제1 구름 접촉면의 적어도 일부 및 상기 제2 구름 접촉면의 적어도 일부와 접촉하는, 구름 접촉 관절.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 세그먼트와 상기 제2 세그먼트의 상대적인 구름 운동의 정도를 조절하도록 상기 제1 곡률 및 상기 제2 곡률을 결정하는, 구름 접촉 관절.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제1 세그먼트는 상기 제1 구름 접촉면 상에서 상기 제1 리가먼트를 수용하는 제1 홈을 더 포함하고,
    상기 제2 세그먼트는 상기 제2 구름 접촉면 상에서 상기 제1 리가먼트를 수용하는 제2 홈을 더 포함하는, 구름 접촉 관절.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 구름 접촉면의 적어도 일부와 상기 제2 구름 접촉면의 적어도 일부는 제1 방향으로 연장되는 접촉선에서 선 접촉하는, 구름 접촉 관절.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 제1 세그먼트는 소정의 거리를 갖도록 이격하여 형성되는 복수의 제1 구름 접촉면을 포함하고,
    상기 제2 세그먼트는 상기 각각의 제1 구름 접촉면에 대응하여 소정의 거리를 갖도록 이격하여 형성되는 복수의 제2 구름 접촉면을 포함하는, 구름 접촉 관절.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 제1 세그먼트의 측면에는 제1 관통공이 형성되고, 상기 제2 세그먼트의 측면에는 제2 관통공이 형성되고,
    상기 제2 리가먼트는 상기 제1 관통공 및 상기 제2 관통공을 관통하여 상기 제1 세그먼트 및 상기 제2 세그먼트에 연결되는, 구름 접촉 관절.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 제1 리가먼트의 탄성 계수는 상기 제2 리가먼트의 탄성 계수보다 큰, 구름 접촉 관절.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제1 리가먼트의 탄성 계수는 3 N/mm 이상인, 구름 접촉 관절.
  20. 물체를 파지하고, 하나 이상의 관절을 구비하는 파지부를 포함하고,
    상기 하나 이상의 관절은 제1항, 제4항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 구름 접촉 관절을 포함하는, 로봇.
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