KR102673159B1 - 전자석으로 구동축의 구속제어가 가능한 매니퓰레이터 - Google Patents

전자석으로 구동축의 구속제어가 가능한 매니퓰레이터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전자석으로 구동축의 구속제어가 가능한 매니퓰레이터에 관한 것으로서, 처리대상을 처리하기 위해 사용자가 위치되는 조작영역 및 처리대상이 위치되는 처리영역을 구획하는 차폐벽의 양측에 일부 및 나머지 일부가 배치되는 매니퓰레이터에 있어서, 처리영역에 위치되는 그리퍼; 및 조작영역에 형성되고, 그리퍼의 위치 및 상태가 제어될 수 있도록 하는 제어장치;를 포함하는, 매니퓰레이터가 제공된다.

Description

전자석으로 구동축의 구속제어가 가능한 매니퓰레이터{MANIPULATOR THAT CAN BE CONTROL OF CONSTRAINING MOTION OF DRIVE SHAFT BY ELECTROMAGNET}
본 발명은 전자석으로 구동축의 구속제어가 가능한 매니퓰레이터에 관한 것이다.
일반적으로 원전 등의 운영에 의해 발생한 부산물인 방사능에 오렴된 물질은 핫셀이라는 처리공간에서 이루어질 수 있다. 이 때 오염된 물질을 처리하는 과정에서는 인력이 직접 투입되지 않고 매니퓰레이터 등의 장치를 통해 작업자의 조작에 따라 작업자가 간접적으로 개입하여 처리되고 있다. 일 예로 원자력발전소에서 소진된 연료 및 방사능오염물질들은 핫셀에서 격리되고 추출되는 등의 작업이 진행될 수 있다. 핫셀에서는 이러한 작업과정에서 작업자에 의해 매니퓰레이터를 통해 처리될 수 있는데 통상적으로 복수의 매니퓰레이터를 통해 그리퍼의 세부 조작으로 분리되고 파지되는 등의 동작이 수행될 수 있다. 이 때 핫셀의 작업환경 특성상 전기전자제어를 통해 조작하는 것은 간섭이 발생하여 오작동을 유발할 수 있게 되고, 기계적인 결합을 통해 물리적으로 작업자가 매니퓰레이터를 조작하는 것이 현재 이용되고 있는 통상적인 방식이다. 그러나, 핫셀 내에서 처리되어야 하는 오염물 등의 처리 대상의 중량이 무거운 경우 하중이 크게 발생하므로, 작업자는 매니퓰레이터를 보다 강한 힘으로 제어해야 하고, 그에 따라 작업자의 피로도가 증가되는 문제점이 있었다. 동시에, 제어를 위한 동작이 간단하고 신뢰도 있게 이루어질 수 있어야 보다 편의성이 극대화될 수 있다는 점에서 사용자는 이러한 편의를 갖추지 못한 장비를 사용할 때 조작에 대한 불편을 느껴질 수 있다. 따라서, 근래에는 핫셀에서 사용되는 매니퓰레이터로부터 전술한 작업편의성과 조작능력의 개선을 위한 개발이 요구되는 것이 현실이다.
대한민국 등록특허공보 제 10-0857149 호 (2008. 09. 01)
본 발명의 일 실시예는 3차원 방향 중 하나의 축을 캠의 회전을 통해 락 및 언락을 실시하되, 사용자가 락 또는 언락을 실시하기 위해 조작부를 통해 간극의 정도를 조정하는 등의 인적오류가 발생하는 것을 회피할 수 있도록 전자석을 통한 락 또는 언락 상태의 실시 및 유지의 여부를 결정할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 전자석으로 구동축의 구속제어가 가능한 매니퓰레이터에 관한 것으로서, 처리대상을 처리하기 위해 사용자가 위치되는 조작영역 및 처리대상이 위치되는 처리영역을 구획하는 차폐벽의 양측에 일부 및 나머지 일부가 배치되는 매니퓰레이터에 있어서, 처리영역에 위치되는 그리퍼; 및 조작영역에 형성되고, 그리퍼의 위치 및 상태가 제어될 수 있도록 하는 제어장치;를 포함하는, 매니퓰레이터가 제공된다.
또한, 제어장치는, 사용자에 의해 조작될 수 있는 조작부, 조작부를 통해 입력된 값을 전기신호로 전달하는 전원부 및 전기신호를 수신하여 활성화되는 브레이크 모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 브레이크 모듈은, 하우징; 하우징 내를 가로지르는 고정로드; 고정로드의 측면에 위치되고 전원부와 전기적으로 연결되는 전자석; 및 전자석을 고정로드가 연장되는 방향에 대하여 직교되는 방향으로 탄성지지하는 탄성지지부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 전자석은, 전원부에 의해 전원이 인가되면, 탄성지지부로부터 발생하는 탄성지지력보다 큰 힘으로 탄성지지되는 방향의 반대방향으로 이동하여 고정로드의 측면과 접하는 것을 특징으로 한다.
또한, 고정로드와 전자석이 접촉되는 접촉면은 서로 대응되어 면접촉이 가능한 평면 또는 곡면으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 접촉면이 발생하는 전자석의 마찰영역 및 고정로드의 왕복영역의 표면에는 조도가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 왕복영역의 면적은 마찰영역의 면적보다 넓게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 고정로드의 외주연의 적어도 일부에는 전자석과 이격된 거리만큼 돌출된 한 쌍의 스토퍼가 형성되고, 전자석에 전원이 인가됨으로써 한 쌍의 스토퍼 중 하나에 접하여 고정로드의 이동이 구속되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예는 3차원 방향 중 하나의 축을 캠의 회전을 통해 락 및 언락을 실시하되, 사용자가 락 또는 언락을 실시하기 위해 조작부를 통해 간극의 정도를 조정하는 등의 인적오류가 발생하는 것을 회피할 수 있도록 전자석을 통한 락 또는 언락 상태의 실시 및 유지의 여부를 결정할 수 있도록 하는 전자석으로 구동축의 구속제어가 가능한 매니퓰레이터를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 매니퓰레이터의 개략도이다.
도 2는 매니퓰레이터에 구비된 종래기술에 따른 브레이크 모듈을 나타낸 도면이다.
도 3(a) 및 도 3(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 브레이크 모듈을 나타낸 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 브레이크 모듈에서 브레이크가 개입되기 전 후를 나타낸 도면이다.
도 6(a) 및 도 6(b)는 전자석이 원형일 때의 접촉면을 나타낸 도면이고, 도 6(c) 및 도 6(d)는 전자석이 사각형일 때의 접촉면을 나타낸 도면이다.
7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어장치의 개념도를 나타낸 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 매니퓰레이터의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 매니퓰레이터는 핫셀에서 작업물을 직접 파지하고 처리할 수 있는 그리퍼(102)를 구비하고, 그리퍼(102) 및 그리퍼(102)와 연결된 로드를 삼차원방향으로 조작할 수 있도록 조작부(150)가 마련될 수 있다. 통상적으로 도시된 매니퓰레이터는 핫셀에서 한 쌍으로 구비되어 두 개의 그리퍼(102)가 각각 대상물을 처리할 수 있도록 한다.
이 과정에서는 조작 중 조작하는 작업자가 삼차원 방향 중 한 방향 예를 들어 X 방향으로의 위치를 고정하고자 할 때 X방향으로의 이동에 대하여 락 상태로 고정할 수 있다. 다만, 락 상태로 고정하는 과정에서 개입되는 메커니즘에는 전자제어적인 요소의 개입이 어렵고 기계적인 구조에 의해 이루어지는 것이 바람직하다. 이는 방사능에 오염된 대상물을 처리하는 과정에서 대상물로부터 방출되는 방사능에 따라 전기전자물에 대해 간섭을 일으켜 정상작동 이외의 오작동을 일으킬 가능성이 높기 때문이다.
따라서, 본 발명은 처리대상을 처리하기 위해 사용자가 위치되는 조작영역(A1) 및 처리대상이 위치되는 처리영역(A2)을 구획하는 차폐벽(W)을 기준으로 양측에 일부 및 나머지 일부가 배치되는 매니퓰레이터(10)의 구성으로 마련되러 전장은 조작영역(A1)에 위치되고, 방사능에 오염된 처리물은 처리영역(A2)에 위치되는 것이 바람직하다. 이를 통해 차폐벽으로 방사능의 차폐가 가능하여 전장이 조작영역(A1)에 있는 경우에도 간섭이나 오작동의 가능성이 현저하게 줄어들거나 피할 수 있게 된다. 이를 위해 상기 처리영역(A2)에는 그리퍼(102)가 위치되고, 및 조작영역(A1)에는 그리퍼(102)의 위치 및 상태가 전장을 통해 제어될 수 있도록 하는 제어장치(P)가 위치되도록 한다.
한편, 매니퓰레이터(10)에서 삼차원 축방향 중 어느 하나 이상의 락 또는 언락 상태를 실시 및 유지하는 것은 제어장치(P)를 조작함으로써 제어할 수 있도록 하며, 이는 종래에는 이하의 도 2와 같은 구조가 적용되어 실시되었다면, 본 발명은 이하의 도 3과 같은 방식을 통해 기계쩍인 락 또는 언락을 실시할 수 있도록 하는 구조를 마련하였다.
도 2는 매니퓰레이터에 구비된 종래기술에 따른 락킹수단을 나타낸 도면이다.
종래에는 브라켓(13)과 연결된 브레이크 모듈(12)을 관통하는 고정로드(14)와 브레이크 모듈(12)과 연결된 케이블(15)을 조작할 수 있도록 하여 조작장치를 조작함으로써 케이블(15)을 브레이크 모듈(12) 측으로 제공하거나 당겨낼 수 있고, 이에 따라 락 또는 언락이 실시될 수 있다. 락 또는 언락이 실시된 후에는 특히, 락이 실시된 이후에는 고정로드(14)가 브레이크 모듈(12)이 제공하는 마찰력에 의존하여 상태가 유지될 수 있다.
그러나 이는 브레이크 모듈(12)과 고정로드(14) 간의 마찰 및 가압상태에 의존하는 것이므로, 처리해야할 대상물의 하중에 따라 락 상태의 유지가 어려울 수 있고 즉각적으로 락 또는 언락 상태로의 변화를 적용하기가 어렵다는 문제점이 있다.
도 3(a) 및 도 3(b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 브레이크 모듈(100)을 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하면, 브레이크 모듈(100)은, 하우징(101), 하우징(101) 내를 가로지르는 고정로드(14), 고정로드(14)의 측면에 위치되고 전원부(도 7의 160)와 전기적으로 연결되는 전자석(110) 및 전자석(110)을 고정로드(14)가 연장되는 방향에 대하여 직교되는 방향으로 탄성지지하는 탄성지지부(도 3의 120)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 조작부(150)를 통해 조작신호가 전원부로 전달되면 전원부(160)는 상기 조작신호에 대응되는 전원을 인가할 수 있다. 예를 들어 도 7에 도시된 바와 같이 조작부(150)를 통해 전자석이 활성화되도록 조작되는 경우에 전원부(160)는 전자석(110)에 전원을 인가할 수 있고, 전원을 인가받은 전자석(110)은 활성화되어 고정로드(14)가 연장된 방향으로 이동되는 것을 구속할 수 있다. 이와 같이 제어장치(160)는 조작부(150), 전원부(160) 및 브레이크 모듈(100)을 포함할 수 있고, 상기 브레이크 모듈(100)은 전자석(110)과 전기적인 연결이 되는 것을 의미한다. 물론, 이 이상으로 처리영역(A1)에 위치하는 다른 전장에 대해서도 조작부(150) 및 전원부(160)를 순차적으로 통해 특정 전기신호와 대응되는 전원이 인가됨으로써 제어될 수도 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 브레이크 모듈에서 브레이크가 개입되기 전후를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 전술한 바와 같이 브레이크 모듈(100)은 고정로드(14)가 가로지르도록 형성되고 탄성지지부(120)가 전자석(110)을 고정로드(14)와 이격시키도록 탄성지지할 수 있다. 이러한 구조에서 고정로드(14)는 제한없이 축방향으로 왕복이동이 가능하며, 왕복이동에 의해 삼차원 축방향 중 하나의 방향으로의 이동동력이 전달될 수 있다. 따라서, 고정로드(14)를 정지시키고 정지상태를 유지하는 것은 상기 하나의 방향으로의 이동을 구속하는 것을 의미한다.
도 4에 도시된 바는 고정로드(14)가 하우징(101)을 관통하여 하우징(101)에 의해 지지될 뿐, 회전방향 및 축방향으로는 자유이동이 가능한 상태이고 도 5에 도시된 상태는 전원부(160)에 의해 전원이 인가되어 전자석(110)이 고정로드(14)와 접한 상태가 도시되어 있다. 도 5에 도시된 상태의 경우에 전자석(110)은 전원부(160)에 의해 전원이 인가되면, 탄성지지부(120)로부터 발생하는 탄성지지력보다 큰 힘으로 탄성지지되는 방향의 반대방향으로 이동하여 고정로드(14)의 측면과 접하게 된다.
이 때, 고정로드(14)와 전자석(110)은 접촉면(CS)이 발생하게 되고, 자력에 의한 접촉에 의해 고정로드(14)가 회전방향 또는 왕복이동방향으로 구속될 수 있다. 당업자는 선택적으로 접촉면적의 마찰을 증가시키기 위한 구조를 채용할 수 있다. 상기 마찰과 관련하여 이하의 도 6을 통해 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 6(a) 및 도 6(b)는 전자석(110)이 원형일 때의 접촉면을 나타낸 도면이고, 도 6(c) 및 도 6(d)는 전자석(110)이 사각형일 때의 접촉면을 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 전자석(110)의 형태는 원형 또는 사각형일 수 있고, 고정로드(14a)는 접촉면이 평면인 사각단면 또는 곡면인 원형단면으로 형성될 수 있다. 고정로드(14)의 사각단면 구조에 의해 전자석(110a)과 평면으로 접촉될 수 있다. 즉, 이는 일 예시에 불과한 것이며, 고정로드(14)와 전자석(110)이 접촉되는 접촉면(CS)은 서로 대응되어 면접촉이 가능한 평면 또는 곡면으로 형성되는 것을 특징으로 한다. 즉, 면접촉이 이루어 질 수 있는 구조면 만족한다.
나아가, 접촉면(CS)에서의 마찰을 증가시켜 고정로드(14)의 측면에서 전자석(110)이 자력을 통해 구속하는 것 이상의 구속력을 전달하기 위한 구조를 마련할 수 있다. 이를 통해 자력을 통한 구속력 전달만으로는 방지하기 어려운 슬립을 방지할 수 있게 된다. 예를 들어, 접촉면(CS)이 발생하는 전자석(110)의 마찰영역(F1a, F2a) 및 고정로드(14a)의 왕복영역(F1b, F2b)의 표면에는 조도가 형성되도록 할 수 있다.
도 6(a)와 같이 전자석(110)이 원형이고 도 6(b)에 도시된 바와 같이 접촉면(CS)이 반원형태로 형성될 수 있다. 이에 대응되도록 고정로드(14a)에서 접촉면(CS)이 발생하는 일면에는 적어도 마찰영역(F2a)보다 넓게 형성되는 왕복영역(F2b)이 형성되도록 할 수 있다. 물론, 왕복영역(F2b)은 고정로드(14a)의 이동에도 마찰영역(F2a)과 측면에서 중첩되는 구간 내에 형성될 수 있도록 한다.
도 6(c)와 같이 전자석(110a)이 사각형이고 도 6(d)에 도시된 바와 같이 접촉면(CS)이 반원형태로 형성될 수 있다. 이에 대응되도록 고정로드(14a)에서 접촉면(CS)이 발생하는 일면에는 적어도 마찰영역(F1a)보다 넓게 형성되는 왕복영역(F1b)이 형성되도록 할 수 있다. 물론, 왕복영역(F1b)은 고정로드(14a)의 이동에도 마찰영역(F1a)과 측면에서 중첩되는 구간 내에 형성될 수 있도록 한다.
즉, 왕복영역(F1b, F2b)의 면적은 마찰영역(F1a, F1b)의 면적보다 넓게 형성되도록 설계될 수 있다.
아울러, 고정로드(14, 14a)의 외주연의 적어도 일부에는 전자석(110, 110a)과 이격된 거리만큼 돌출된 한 쌍의 스토퍼(미도시)가 형성되고, 전자석(110, 110a)에 전원이 인가됨으로써 한 쌍의 스토퍼 중 하나에 접하여 고정로드(14, 14a)의 이동이 구속되도록 하는 것을 특징으로 한다. 이는 전자석(110)으로부터 발생하는 자력, 접촉면(CS)에서 발생하는 마찰력에 더하여 물리적으로 걸림부를 형성하는 것을 목적으로 하는 것이다.
이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10 : 매니퓰레이트
11 : 브라켓
12 : 브레이크 모듈
14, 14a : 고정로드
15 : 케이블
100 : 브레이크 모듈
101 : 하우징
102 : 그리퍼
110 : 전자석
120 : 탄성지지부
150 : 조작부
160 : 전원부
A1 : 조작영역
A2 : 처리영역
W : 차폐벽
P : 제어장치
CS : 접촉면
F1a : 마찰영역
F1b : 왕복영역
F2a : 마찰영역
F3b : 왕복영역

Claims (8)

  1. 처리대상을 처리하기 위해 사용자가 위치되는 조작영역 및 상기 처리대상이 위치되는 처리영역을 구획하는 차폐벽의 양측에 일부 및 나머지 일부가 배치되는 매니퓰레이터에 있어서,
    상기 처리영역에 위치되는 그리퍼; 및
    상기 조작영역에 형성되고, 상기 그리퍼의 위치 및 상태가 제어될 수 있도록 하는 제어장치;를 포함하고,
    상기 제어장치는,
    상기 사용자에 의해 조작될 수 있는 조작부, 상기 조작부를 통해 입력된 값을 전기신호로 전달하는 전원부 및 상기 전기신호를 수신하여 활성화되는 브레이크 모듈을 포함하며,
    상기 브레이크 모듈은, 하우징, 상기 하우징 내를 가로지르는 고정로드, 상기 고정로드의 측면에 위치되고 상기 전원부와 전기적으로 연결되는 전자석 및 상기 전자석을 상기 고정로드가 연장되는 방향에 대하여 직교되는 방향으로 탄성지지하는 탄성지지부를 포함하되,
    상기 전자석은, 상기 전원부에 의해 전원이 인가되면, 상기 탄성지지부로부터 발생하는 탄성지지력보다 큰 힘으로 탄성지지되는 방향의 반대방향으로 이동하여 상기 고정로드의 측면과 접하고,
    상기 고정로드의 외주연의 적어도 일부에는 상기 전자석과 이격된 거리만큼 돌출된 한 쌍의 스토퍼가 형성되고, 상기 전자석에 전원이 인가됨으로써 상기 한 쌍의 스토퍼 중 하나에 접하여 고정로드의 이동이 구속되도록 하는, 매니퓰레이터.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정로드와 상기 전자석이 접촉되는 접촉면은 서로 대응되어 면접촉이 가능한 평면 또는 곡면으로 형성되는, 매니퓰레이터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 접촉면이 발생하는 상기 전자석의 마찰영역 및 상기 고정로드의 왕복영역의 표면에는 조도가 형성되는, 매니퓰레이터.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 왕복영역의 면적은 상기 마찰영역의 면적보다 넓게 형성되는, 매니퓰레이터.
  8. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2022504368A (ja) * 2018-10-25 2022-01-13 ウィンク・ロボティクス 美容ロボット工学のための着脱可能なエンドエフェクタ
US20230392655A1 (en) * 2021-01-22 2023-12-07 Abb Schweiz Ag Brake apparatus, motor and robot
JP2024000456A (ja) * 2022-06-20 2024-01-05 コネクテッドロボティクス株式会社 作業システム

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