KR20050056254A

KR20050056254A - 로봇의 관절 구조

Info

Publication number: KR20050056254A
Application number: KR1020057006730A
Authority: KR
Inventors: 젠타 스가와라; 히로시 마츠다
Original assignee: 혼다 기켄 고교 가부시키가이샤
Priority date: 2002-10-22
Filing date: 2003-10-17
Publication date: 2005-06-14
Also published as: US7581465B2; JP2004141976A; EP1586424A4; JP4236900B2; WO2004037499A1; EP1586424B1; EP1586424A1; US20060015214A1; KR100629224B1

Abstract

로봇의 관절 구조에 있어서, 제1 주 링크(42)와 제2 주 링크(44)를 제1 가동 링크(70)와 제2 가동 링크(72)의 2개의 가동 링크를 통해 접속하는 동시에, 이들 2개의 가동 링크를 교차하여 배치한다. 이에 따라, 입력에 대한 관절(36) 전체의 구동 각도를 크게 할 수 있고, 관절의 굴곡 방향의 가동 범위를 증대시키는 동시에, 구동 속도(회전 속도)의 한계치를 높일 수 있다.

Description

로봇의 관절 구조{JOINT STRUCTURE OF ROBOT}

본 발명은 로봇의 관절 구조에 관한 것이다.

산업용 로봇의 관절 구조로서, 종래부터, 4링크 혹은 그 이상의 링크로 이루어지는 평행 링크 기구를 통해 팔 끼리를 연결하는 기술이 알려져 있다(예를 들면, 일본국 특개평 10-296680호 공보(단락 0002, 0008, 0012, 도 2, 3, 5 및 6) 참조).

또한, 링크끼리 1축으로 연결한 로봇의 관절 구조도 알려져 있다. 일반적으로 로봇은 링크의 바깥쪽을 커버로 덮어, 내부 구조를 노출시키지 않는 것이 방진성 혹은 안전성 등의 관점에서 바람직하다. 이 때문에, 예를 들면 2족 보행식 이동 로봇에 있어서, 링크끼리(예를 들면 상부 대퇴 링크와 하부 대퇴 링크)를 1축으로 연결하는 (즉, 상부 대퇴 링크와 하부 대퇴 링크를 다른 링크 기구를 통하지 않고 직접 연결한다) 동시에, 한쪽 링크를 덮는 커버의 단부를 상기 1축을 중심으로 한 구면 형상으로 하고, 다른쪽 링크를 덮는 커버의 단부를 상기 구면 형상에 대응한 오목 형상으로 함으로써, 관절을 회전시켜도 커버와 커버의 사이에 간극이 생기지 않도록 한 로봇의 관절 구조가 제안되어 있다(예를 들면, 일본국 특개 2002-210682호 공보(도 4) 참조).

공장 등에서의 다양한 작업에 사용되는 직립형 산업용 로봇에 있어서, 작업 핸드의 가동 범위를 크게 하여 도달 가능한 공간을 증대시키는 동시에, 구동 속도의 한계치를 높이기 위해서는, 기체(基體)로부터 작업 핸드까지의 관절의 수나 아암(링크)의 길이, 액추에이터의 구동력 등을 적절히 설정함으로써, 대처하는 것이 가능하다. 한편, 2족 보행식 이동 로봇, 특히 인간의 형상을 모방한 휴먼노이드형의 로봇 등에 있어서는, 외관상이나 기능상의 관점에서, 산업용 로봇에 비해 관절의 수나 링크 길이의 설계에 제약이 발생한다. 또한, 자율형의 로봇에 있어서는, 소비 전력이나 설치 공간 등의 관계에서, 사용할 수 있는 액추에이터에도 제한이 있다. 따라서, 자율형의 2족 보행식 이동 로봇 등에 있어서는, 예를 들면 팔부나 다리부의 가동 범위를 증대시키고, 또한 구동 속도의 한계치를 높이기 위해서는, 이들을 구성하는 개개의 관절의 가동 범위(회전 각도)를 증대시키는 동시에, 개개의 관절의 회전 속도의 한계치를 높일 필요가 있다.

2족 보행식 이동 로봇에 있어서, 일반적인 상기 1축의 관절을 구비하는 경우, 링크나 이를 덮는 커버가 물리적인 간섭을 피하기 위해서, 도 23에 도시하는 바와 같이, 회전축(100)을 링크(102, 104)의 중심에서 바깥쪽으로 오프셋(offset)시키는 경우가 있다. 회전축을 바깥쪽으로 오프셋함으로써, 오프셋한 측에서의 링크나 커버의 간섭이 발생하기 어려워, 가동 범위를 크게 할 수 있다.

그런데, 다관절형의 로봇에 있어서는, 도 24에 도시하는 바와 같이, 복수 개의 회전축(관절)(110, 112, 114)이 동일 직선상에 위치하는 자세는 특이점 자세가 된다. 로봇은 특이점 자세를 취할 때 제어가 발산되기 때문에, 특이점이 발생하지 않도록, 관절의 회전 각도를 제약할 필요가 있다. 예를 들면, 휴먼노이드형 로봇의 팔부의 팔꿈치 관절에 있어서는, 팔꿈치 관절(회전축(112)에 상당)을 조금 구부린 상태에서 최대 굴곡각까지가 가동 범위가 된다.

여기서, 도 23에 도시하는 바와 같이, 링크나 커버가 물리적인 간섭을 피하기 위해서 회전축(100)을 바깥쪽으로 오프셋하면, 링크(102, 104)를 다 신장시킨 상태(관절을 기구상 가능한 위치까지 신장 방향으로 구동시킨 상태)로부터 회전축(100, 106, 108)이 동일 직선상에 위치하는, 즉, 특이점 자세를 취할때까지는, 도 25에 도시하는 바와 같이, 회전각(θos)이 필요로 된다. 따라서, 제어상 이용할 수 있는 회전축(100)의 가동 범위(회전 각도)는, 기구상 결정되는 가동 범위로부터 θos를 뺀 범위로 된다. 이 회전각(θos)은 회전축(100)의 오프셋량이 커짐에 따라서 증가하기 때문에, 종래 기술에서는, 굴곡 방향의 가동 범위를 크게 하기 위해서 회전축을 오프셋하면, 신장 방향의 가동 범위가 크게 제약되어 감소한다는 문제가 있었다.

도 1은, 본 발명의 하나의 실시 형태에 관한 로봇의 관절 구조를 2족 보행식 이동 로봇을 예로 들어 설명할 때의 로봇의 정면도이다.

도 2는 도 1에 도시하는 로봇의 우측면도이다.

도 3은 도 1에 도시하는 로봇을 개략적으로 도시하는 설명도이다.

도 4는 도 3에 도시하는 팔꿈치 관절 부근의 사시도이다.

도 5는 도 4에 도시하는 팔꿈치 관절을 상부 팔 제1 플레이트와 하부 팔 제1 플레이트를 제거하여 도시하는 사시도이다.

도 6은 도 5에 도시하는 팔꿈치 관절의 확대 평면도이다.

도 7은 도 6에 도시하는 팔꿈치 관절을 커버도 포함해 도시하는 평면도이다.

도 8은 도 7에 도시하는 팔꿈치 관절의 구동 상태의 평면도이다.

도 9는 도 7에 도시하는 팔꿈치 관절의 구동 상태의, 도 8과 동일한 평면도이다.

도 10은 도 6에 도시하는 팔꿈치 관절을 신장시킨 상태의 팔부 링크를 모식적으로 도시하는 설명도이다.

도 11은 도 6에 도시하는 팔꿈치 관절을 굴곡시킨 상태의 팔부 링크를 모식적으로 도시하는 설명도이다.

도 12는 도 6에 도시하는 팔꿈치 관절에 있어서 θCD를 45도로 하여 θAB를 변화시켰을 때의 θ1와 θ2의 관계를 대비하여 도시하는 그래프이다.

도 13은 도 3에 도시하는 로봇의 어깨 관절부터 손목 관절까지의 직선 거리(R)와 팔꿈치 관절의 구동 각도(θ1+θ2)의 관계를 도시하는 그래프이다.

도 14는 도 13에 도시하는 로봇의 어깨 관절부터 손목 관절까지의 직선 거리(R)의 최대치(Rmax) 등을 설명하는 설명도이다.

도 15는 도 7에 도시하는 팔꿈치 관절의 구동 상태의, 도 8과 동일한 평면도이다.

도 16은 본 발명의 제2 실시의 형태에 관한 로봇의 관절 구조를 도시하는, 도 7과 동일한 평면도이다.

도 17은 도 16에 도시하는 팔꿈치 관절의 구동 상태의 평면도이다.

도 18은 도 16에 도시하는 팔꿈치 관절의 구동 상태의, 도 17과 동일한 평면도이다.

도 19는 도 16에 도시하는 팔꿈치 관절의 구동 상태의, 도 17과 동일한 평면도이다.

도 20은 도 16에 도시하는 팔꿈치 관절에서 θAB를 -15.5도로 하여 θCD를 변화시켰을 때의 θ1와 θ2의 관계를 대비하여 도시하는 그래프이다.

도 21은 제2 실시의 형태에 있어서의 도 13과 동일한 그래프이다.

도 22는 본 발명의 제3 실시의 형태에 관한 로봇의 관절 구조를 도시하는, 도 16과 동일한 평면도이다.

도 23은 종래의 로봇의 관절 구조를 도시하는 설명도이다.

도 24는 다관절 로봇의 특이점을 도시하는 설명도이다.

도 25는 종래의 로봇의 관절 구조의 문제를 도시하는 설명도이다.

따라서 본 발명의 목적은, 상기한 과제를 해결하여, 링크나 이를 덮는 커버의 물리적인 간섭이 발생하지 않고 관절의 굴곡 방향의 가동 범위(회전 각도)를 증대하는 동시에, 특이점에 기인하는 신장 방향의 가동 범위의 감소를 억제하고, 나아가 회전 속도(구동 속도)의 한계치를 높이도록 한 로봇의 관절 구조를 제공하는 것에 있다.

본 발명은, 상기한 목적을 달성하기 위해서, 후술하는 청구의 범위 제1항에 기재하는 바와 같이, 제1 주 링크와 제2 주 링크를 제1 가동 링크와 제2 가동 링크를 통해 연결하는 동시에, 상기 제1 주 링크에 배치된 액추에이터로 상기 제1 가동 링크를 구동하여 상기 제1 주 링크와 제2 주 링크를 상대 변위시키는 로봇의 관절 구조에서, 상기 제1 주 링크에 회전축(A)과 회전축(B)을 구비하는 동시에, 상기 제2 주 링크에 회전축(C)과 회전축(D)을 구비하고, 상기 회전축(A, B, C, D)을 정점(頂点)으로 하는 사각형에서 대각하는 회전축을 각각 회전축(A)과 회전축(C), 회전축(B)과 회전축(D)으로 하였을 때, 상기 회전축(A)과 회전축(C)을 상기 제1 가동 링크를 통해 접속하는 한편, 상기 회전축(B)과 회전축(D)을 상기 제2 가동 링크로 접속하여 상기 제1 가동 링크와 제2 가동 링크를 교차시켜 배치하는 동시에, 상기 회전축(A)을 상기 액추에이터로 구동하고, 따라서 상기 제1 가동 링크를 구동하여 상기 제1 주 링크와 제2 주 링크를 상대 변위시키도록 구성했다.

이와 같이, 제1 주 링크(예를 들면 상부 팔 링크)와 제2 주 링크(예를 들면 하부 팔 링크)를 제1 가동 링크와 제2 가동 링크의 2개의 가동 링크를 통해 접속하는 동시에, 이들 2개의 가동 링크를 교차하여 배치하도록 하였으므로, 입력에 대한 관절(예를 들면 팔꿈치 관절) 전체의 구동 각도를 크게 할 수 있어, 관절의 굴곡 방향의 가동 범위를 증대시키는 동시에, 구동 속도(회전 속도)의 한계치를 높일 수 있다.

또한, 2개의 가동 링크의 바깥쪽으로의 돌출량이 작아지므로, 가동 링크와 이들을 덮는 커버의 물리적인 간섭이 발생하기 어렵게 되는 동시에, 관절이 2개의 회전축을 지점으로 하여 2단계에 걸쳐 굴곡되게 되어, 제1 주 링크를 덮는 커버와 제2 주 링크를 덮는 커버가 간섭하기 어렵게 되고, 따라서 관절의 굴곡 방향의 가동 범위를 한층 더 증대시킬 수 있다. 또한, 관절의 회전축을 관절 바깥쪽으로 오프셋할 필요가 없기 때문에, 특이점에 기인하는 신장 방향의 가동 범위의 감소를 억제할 수 있다.

또한, 본 발명은, 후술하는 청구의 범위 제2항에 기재하는 바와 같이, 상기 회전축(A)과 회전축(B)을, 상기 제1 주 링크의 길이 방향과 직교하는 동일 직선상 혹은 그 근방에 형성하도록 구성했다.

이와 같이, 회전축(A)과 회전축(B)을, 제1 주 링크의 길이 방향과 직교하는 동일 직선상 혹은 그 근방에 형성하도록 구성하였으므로, 관절의 굴곡 방향의 가동 범위를 한층 더 효과적으로 증대시킬 수 있는 동시에, 회전 속도의 한계치를 높일 수 있다.

또한, 본 발명은, 후술하는 청구의 범위 제3항에 기재하는 바와 같이, 상기 회전축(C)과 회전축(D)을, 상기 제2 주 링크의 길이 방향과 직교하는 동일 직선상 혹은 그 근방에 형성하도록 구성했다.

이와 같이, 회전축(C)과 회전축(D)을, 제2 주 링크의 길이 방향과 직교하는 동일 직선상 혹은 그 근방에 형성하도록 구성했으므로, 관절의 굴곡 방향의 가동 범위를 한층 더 효과적으로 증대시킬 수 있는 동시에, 회전 속도의 한계치를 높일 수 있다.

또한, 본 발명은, 후술하는 청구의 범위 제4항에 기재하는 바와 같이, 상기 제1 가동 링크 및 제2 가동 링크 중 적어도 하나를, 다른쪽 가동 링크의 회전축과 간섭하지 않도록 만곡시키도록 구성했다.

이와 같이, 제1 가동 링크 및 제2 가동 링크 중 적어도 어느 하나를, 다른쪽 가동 링크의 회전축과 간섭하지 않도록 만곡시키도록 구성하였으므로, 제1 가동 링크와 제2 가동 링크가 다른쪽 회전축과 간섭하지 않고, 따라서 관절의 가동 범위를 보다 한층 증대시킬 수 있다.

또한, 본 발명은, 후술하는 청구의 범위 제5항에 기재하는 바와 같이, 상기 제1 가동 링크 및 제2 가동 링크 중 적어도 어느 하나에, 상기 관절이 소정의 각도 이상 회전하는 것을 방지하는 과회전 방지 기구를 설치하도록 구성했다.

이와 같이, 제1 가동 링크 및 제2 가동 링크 중 적어도 어느 하나에, 관절이 소정 각도 이상 회전하는 것을 방지하는 과회전 방지 기구를 설치하도록 구성하였으므로, 특이점에 기인하는 제어의 발산이나 관절의 과도한 굴곡에 의해서 커버가 손상되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명은, 후술하는 청구의 범위 제6항에 기재하는 바와 같이, 상기 관절에, 상기 제1 주 링크, 제1 가동 링크, 제2 가동 링크, 제2 주 링크 및 액추에이터의 바깥쪽을 덮는 커버를 형성하는 동시에, 상기 커버는, 상기 제1 주 링크와 액추에이터를 덮는 제1 커버와, 상기 제2 주 링크를 덮는 제2 커버와, 상기 제1 커버와 제2 커버의 사이에 슬라이드 자유롭게 삽입되어, 상기 제1 가동 링크와 제2 가동 링크를 덮는 동시에, 상기 관절의 회전에 따라 발생하는 상기 제1 커버와 제2 커버의 간극을 피복하는 제3 커버로 구성되도록 구성했다.

이와 같이, 관절을 덮는 커버를, 제1 커버와, 제2 커버와, 상기 제1 커버와 제2 커버의 사이에 슬라이드 자유롭게 삽입되는 동시에, 관절의 회전에 따라 발생하는 상기 제1 커버와 제2 커버의 간극을 피복하는 제3 커버로 구성되도록 구성했으므로, 관절의 내부 구조가 노출되지 않고, 따라서 전술의 효과에 추가하여, 관절의 방진성 및 안전성을 향상시킬 수 있는 동시에, 미관을 향상시킬 수 있다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 하나의 실시 형태에 관한 로봇의 관절 구조에 대해서, 2족 보행식 이동 로봇, 보다 구체적으로는 휴먼노이드형의 로봇(인체 형상을 모방한 2족 보행식 이동 로봇)을 예로 들어 설명한다.

도 1은 그 실시 형태에 관한 로봇의 정면도이고, 도 2는 그 우측면도이다.

도 1에 도시하는 바와 같이, 로봇(1)은, 2개의 다리부 링크(2)를 구비하는 동시에, 그 위쪽에는 상체(기체)(3)가 설치된다. 상체(3)의 더 윗쪽에는 머리부(4)가 형성되는 동시에, 상체(3)의 양측에는 2개의 팔부 링크(5)가 연결된다. 또한, 도 2에 도시하는 바와 같이, 상체(3)의 등부에는 격납부(6)가 구비되고, 그 내부에는 전자 제어 유닛이나 배터리 전원 등이 수용된다. 또한, 도 1 및 도 2에 도시하는 로봇(1)은 내부 구조를 보호하기 위한 커버로 피복된다.

도 3은 로봇(1)을 개략적으로 도시하는 설명도이다. 동 도면을 참조하여 관절의 개수와 위치를 설명하면, 도시와 같이, 로봇(1)은, 좌우 각각의 다리부 링크(2)에 6개의 관절을 구비하는 동시에, 팔부 링크(5)에 5개의 관절을 구비한다.

다리부 링크(2)에 있어서, 6개의 관절은 중력 방향에서 윗쪽으로부터 순서대로, 대퇴(허리부)의 다리부 회전용(Z축 방향)의 관절(10R, 10L)(우측을 R, 좌측을 L로 한다. 이하 동일), 대퇴(허리부)의 피치 방향(Y축 방향)의 관절(12R, 12L), 동 롤 방향(X축 방향)의 관절(14R, 14L), 무릎부의 피치 방향의 관절(16R, 16L), 발목의 피치 방향의 관절(18R, 18L) 및 동 롤 방향의 관절(20R, 20L)로 구성된다. 즉, 대퇴 관절(혹은 허리 관절)은 관절(10R(L), 12R(L), 14R(L))로, 무릎 관절은 관절(16R(L))로, 발목 관절은 관절(18R(L), 20R(L))로 구성된다.

발목 관절(18R(L), 20R(L))의 하부에는 발(22R, L)이 부착되는 동시에, 대퇴 관절(10R(L), 12R(L), 14R(L))과 무릎 관절(16R(L))은 대퇴 링크(24R, L)로 연결되고, 무릎 관절(16R(L))과 발목 관절(18R(L), 20R(L))은 하부 대퇴 링크(26R, L)로 연결된다.

한편, 팔부 링크(5)에서, 5개의 관절은 중력 방향에서 윗쪽으로부터 순서대로, 어깨부의 피치 방향의 관절(30R, 30L), 동 롤 방향의 관절(32R, 32L), 팔부 회전용 관절(34R, 34L), 팔꿈치부의 피치 방향의 관절(36R, 36L), 손목 회전용 관절(38R, 38L)로 구성된다. 즉, 어깨 관절은 관절(30R(L), 32R(L), 34R(L))로, 팔꿈치 관절은 관절(36R(L))로, 손목 관절은 관절(38R(L))로 구성된다.

손목 관절(38R(L))의 끝에는 핸드(엔드 이펙터(end effector))(40R, 40L)가 부착되는 동시에, 어깨 관절(30R(L), 32R(L), 34R(L))과 팔꿈치 관절(36R(L))은 상부 팔 링크(42R, L)로 연결되고, 팔꿈치 관절(36R(L))과 손목 관절(38R(L))은 하부 대퇴 링크(44R, L)로 연결된다.

머리부(4)는, 연직축 방향의 목 관절(46)과, 이와 직교하는 축 방향으로 머리부(4)를 회전시키는 머리부 요동 기구(48)를 통해 상체(3)에 연결된다. 또한, 머리부(4)의 내부에는 촬상한 화상 신호를 출력하는, CCD 카메라로 이루어지는 시각 센서(50)가 배치되는 동시에, 리시버 및 마이크로폰으로 이루어지는 음성 입출력 장치(52)가 배치된다.

또한, 동 도면에 도시하는 바와 같이, 발목 관절(18, 20R(L))과 발(22R(L))의 접지단의 사이에는, 공지의 6축력 센서(상반력 검출기)(56R(L))가 부착되고, 힘의 3방향 성분(Fx, Fy, Fz)과 모멘트의 3방향 성분(Mx, My, Mz)을 표시하는 신호를 출력한다.

또한, 손목 관절(38R(L))과 핸드(40R(L))의 사이에도 동종의 6축력 센서(58R(L))가 부착되고, 로봇(1)에 작용하는 상반력 이외의 외력, 구체적으로는 핸드(40R(L))에 대상물로부터 작용하는 외력(대상물 반력)의 3방향 성분(Fx, Fy, Fz)과 모멘트의 3방향 성분(Mx, My, Mz)을 표시하는 신호를 출력한다.

또한, 상체 링크(60)에는 경사 센서(62)가 설치되고, Z축(연직 방향(중력 방향))에 대한 경사와 그 각속도를 표시하는 신호를 출력한다. 또한, 각 관절을 구동하는 전동 모터(액추에이터. 도시하지 않음)에는, 그 회전량을 표시하는 신호를 출력하는 로터리 인코더(도시하지 않음)가 구비된다.

이들 6축력 센서(56R(L), 58R(L)) 및 경사 센서(62) 등의 출력은, 격납부(6)의 내부에 설치된 제어 유닛(64)에 입력된다. 제어 유닛(64)은 마이크로컴퓨터로 이루어지고, 메모리(도시하지 않음)에 격납되어 있는 데이터 및 입력된 검출치에 의거하여, 각 관절을 구동하는 전동 모터(동 도면에서 도시하지 않음)의 제어치를 산출한다.

이와 같이, 로봇(1)은 좌우의 다리부 링크(2R(L))의 각각에 대해 6개의 자유도가 주어지고, 이들 6×2=12개의 관절을 구동하는 전동 모터를 제어 유닛(64)에서 산출된 제어치에 의거해 동작시킴으로써, 발 전체에 원하는 움직임을 줄 수 있어, 로봇(1)을 임의로 3차원 공간을 이동시킬 수 있다. 또한, 좌우의 팔부 링크(5R(L))의 각각에 대해서도 5개의 자유도(핸드(40R(L))를 제외한다)가 주어지고, 이들 5×2=10개의 관절을 구동하는 전동 모터를 제어 유닛(64)에서 산출된 제어치에 의거해 동작시킴으로써, 팔 전체에 원하는 움직임을 부여할 수 있어, 임의의 동작(작업)을 행하게 할 수 있다.

이어서, 도 4 이후를 참조하여 로봇(1)의 관절 구조에 대해서 상세하게 설명한다. 또한, 이하, 팔꿈치 관절(36R)(L)을 예로 들어 설명하는데, 팔꿈치 관절(36R(L))의 구조는 좌우 대칭이므로, 이하의 설명에서 부호(R, L)는 생략한다.

도 4는, 팔꿈치 관절(36) 부근의 사시도이다. 또한, 동 도면은 내부 구조를 보호하기 위한 커버를 제거한 상태로 도시한다.

도시와 같이, 상부 팔 링크(42)는, 제1 플레이트(이하, 「상부 팔 제1 플레이트」라고 부른다)(42a)와 제2 플레이트(이하, 「상부 팔 제2 플레이트」라고 부른다)(42b)로 구성된다. 상부 팔 제1 플레이트(42a)와 상부 팔 제2 플레이트(42b)는 도시하지 않는 볼트로 고정된다. 또한, 하부 팔 링크(44)는, 마찬가지로 제1 플레이트(이하, 「하부 팔 제1 플레이트」라고 부른다)(44a)와 제2 플레이트(이하, 「하부 팔 제2 플레이트」라고 부른다)(44b)로 구성되고, 이들도 도시하지 않은 볼트로 고정된다.

도 5는 도 4에 도시하는 팔꿈치 관절(36)을, 상부 팔 제1 플레이트(42a)와 하부 팔 제1 플레이트(44a)를 제거하여 도시하는 사시도이다.

동 도면에 도시하는 바와 같이, 상부 팔 링크(42)에는, 회전축(A)과 회전축(B)이 형성된다. 회전축(A)은 상부 팔 제1 플레이트(42a) 및 상부 팔 제2 플레이트(42b)에 형성된 돌출부와, 그 외주에 배치된 베어링(모두 도시하지 않음)으로 이루어진다. 또한, 회전축(B)은 상부 팔 제1 플레이트(42a)에 형성된 돌출부와, 그 외주에 배치된 베어링으로 이루어진다. 회전축(A)과 회전축(B)의 회전 중심(선)을 각각 Ac, Bc로 표시한다.

또한, 하부 팔 링크(44)에는, 회전축(C)과 회전축(D)이 구비된다. 회전축(C)은 하부 팔 제1 플레이트(44a) 및 하부 팔 제2 플레이트(44b)에 형성된 돌출부와, 그 외주에 배치된 베어링으로 이루어진다. 회전축(D)도 동일하다. 회전축(C)과 회전축(D)의 회전 중심(선)을 각각 Cc, Dc로 표시한다.

팔꿈치 관절(36)은, 제1 가동 링크(70)와 제2 가동 링크(72)를 구비한다. 제1 가동 링크(70)의 일단은 회전축(A)에 고정되는 동시에, 타단은 회전축(C)에 회전 자유롭게 접속된다. 한편, 제2 가동 링크(72)의 일단은 회전축(B)에 회전 자유롭게 접속되는 동시에, 타단은 회전축(D)에 회전 자유롭게 접속된다. 즉, 상부 팔 링크(42)와 하부 팔 링크(44)는, 제1 가동 링크(70)와 제2 가동 링크(72)를 통해 상대 변위 자유롭게 접속된다.

또한, 상부 팔 링크(42)에서, 회전축(A) 및 회전축(B)보다 위쪽(어깨부 방향)에는, 전동 모터(액추에이터)(76)가 배치된다. 전동 모터(76)의 출력은, 도시하지 않은 감속기를 통해 회전축(A)에 전달되어, 회전축(A)에 고정된 제1 가동 링크(70)를 구동한다. 이에 따라, 상부 팔 링크(42)와 하부 팔 링크(44)는 상대 변위된다.

도 6은, 도 5에 도시하는 팔꿈치 관절(36)을 확대하여 도시하는 평면도이다. 또한, 동 도면에서 부호 78은 회전축(B)을 상부 팔 제1 플레이트(42a)로 지지하기 위한 부재를 도시하고, 부호 80은 회전축(D)을 하부 팔 제1 플레이트(44a)로 지지하기 위한 부재를 도시한다. 이들 부재(78, 80)는, 도 4 및 도 5에서 도시를 생략했다.

도 6에 도시하는 바와 같이, 회전축(A, B, C, D)의 회전 중심(Ac, Bc, Cc, Dc)을 정점으로 하는 사각형에서, 대각하는 회전축은 각각 회전축(A)과 회전축(C), 회전축(B)와 회전축(D)으로 된다. 즉, 회전축(A)과 회전축(C)을 제1 가동 링크(70)로 접속하는 동시에, 회전축(B)과 회전축(D)을 제2 가동 링크(72)로 접속함으로써, 이들 제1 가동 링크(70)와 제2 가동 링크(72)를 교차하여 배치하도록 했다. 또한, 제2 가동 링크(72)는, 회전축(A)에 간섭하지 않도록 회전축(A)을 회피하는 만곡 형상, 보다 구체적으로는 S자 형상으로 형성된다.

도 7은 도 6에 도시하는 팔꿈치 관절(36)을 커버도 포함해 도시하는 평면도이다.

동 도면에 도시하는 바와 같이, 팔꿈치 관절(36)에는, 각 링크의 외측을 덮는 커버(케이싱)가 구비된다. 커버는, 상부 팔 링크(42)와 전동 모터(76)를 덮는 제1 커버(84)와, 하부 팔 링크(44)를 덮는 제2 커버(86)와, 상기 제1 커버(84)와 제2 커버(86)의 사이에 슬라이드 자유롭게 삽입되어 제1 가동 링크(70)와 제2 가동 링크(72)를 덮는 제3 커버(88)로 이루어진다.

도 8 및 도 9는 도 7에 도시하는 팔꿈치 관절(36)을 구동한 상태를 도시하는 평면도이다.

도 8 및 도 9에 도시하는 바와 같이, 회전축(A)을 회전시켜 제1 가동 링크(70)를 굴곡 방향으로 구동하면, 회전축(B)과 회전축(C)을 연결하는 직선의 거리가 짧아진다. 이 때, 회전축(B)과 회전축(D)을 연결하는 직선의 거리 및 회전축(C)과 회전축(D)의 상대 위치 관계는 불변이므로, 하부 대퇴 링크(44)는, 회전축(C)을 지점으로 하여, 다시 굴곡 방향으로 구동된다.

도 10은 팔꿈치 관절(36)이 다 신장된 상태의 팔부 링크(5)를 모식적으로 도시하는 설명도이다. 여기서, 팔꿈치 관절이 다 신장된 상태란, 기구상 결정되는 신장 방향의 가동 한계까지 팔꿈치 관절(36)을 구동한 상태를 의미한다(어깨 관절과 손목 관절을 연결하는 직선이 최장으로 된 상태와 반드시 일치하지는 않는다).

동 도면에서, EL1은 팔꿈치 관절(36) 중 회전축(A)을 의미하고, EL2는 팔꿈치 관절(36) 중 회전축(C)을 의미한다. 또한, 각도(α)는 도 6에 도시하는 바와 같이, 팔꿈치 관절(36)이 다 신장된 상태에 있어서의 상부 팔 링크(42)의 길이 방향(42z로 표시한다)과 제1 가동 링크(70)의 길이 방향(70z로 표시한다)이 이루는 각도이고, 각도(β)는 제1 가동 링크(70)의 길이 방향과 하부 팔 링크(44)의 길이 방향(44z로 표시한다)이 이루는 각도이다.

도 10에 도시하는 팔부 링크(5)에서, 전동 모터에 의해서 EL1, 즉, 회전축(A)을 θ1만큼 구동하면, 도 11에 도시하는 바와 같이, 상부 팔 링크(42)의 길이 방향과 제1 가동 링크(70)의 길이 방향이 이루는 각도는, α+θ1이 된다. 또한, EL2, 즉, 회전축(C)을 지점으로 하여 하부 팔 링크(44)가 구동됨으로써, 제1 가동 링크(70)의 길이 방향과 하부 팔 링크(44)의 길이 방향이 이루는 각도는, θ2-β이 된다. 따라서, 팔꿈치 관절(36) 전체로서의 구동 각도는 θ1+θ2가 된다. 여기서, θ2는 이하의 수식 1로 표시하는 식으로 표시할 수 있다.

… 수식 1

상기 식에서, θAB는, 도 6에 도시하는 바와 같이, 상부 팔 링크(42)의 길이 방향(42z)과 직교하는 방향(42x로 표시한다)과, 회전축(A)과 회전축(B)의 회전 중심(Ac)과 (Bc)를 연결하는 선이 이루는 각도이고, 이 실시 형태에 있어서는 30도(회전축(A)보다 회전축(B)을 중력 방향 윗쪽(어깨부측)에 배치한 경우를 정(正)의 각도로 하고, 반대의 경우를 부(負)의 각도로 한다)이다. 또한, θCD는 하부 팔 링크(44)의 길이 방향(44z로 표시한다)과 직교하는 방향(44x로 표시한다)과, 회전축(C)과 회전축(D)의 회전 중심(Cc, Dc)을 연결하는 선이 이루는 각도이고, 이 실시의 형태에 있어서는 45도(회전축(C)보다 회전축(D)을 중력 방향 윗쪽(어깨부측)에 배치한 경우를 정의 각도로 하고, 반대의 경우를 부의 각도로 한다)이다.

또한, 값(a, b, b’, c, c’) 및 (d)는, 회전축(A)과 회전축(C)의 축간 거리(구체적으로는, 회전 중심(Ac)과 (Cc)의 직선 거리. 즉, 제1 가동 링크(70)의 축간 거리)를 rAC, 회전축(B)과 회전축(D)의 축간 거리(구체적으로는, 회전 중심(Bc)과 (Dc)의 직선 거리. 즉, 제2 가동 링크(72)의 축간 거리)를 rBD, 회전축(A)과 회전축(B)의 축간 거리를 rAB, 회전축(C)과 회전축(D)의 축간 거리를 rCD로 하였을 때, 이하의 수식 2에 표시하는 각 식으로 나타낼 수 있다.

a= rAC²+rAB²+rCD²-rBD²

b= 2rAC ×rAB

b’= 2rAC ×rCD

c= 2rAB ×rCD

c’= 2rCD²

d= 2rBD² …수식 2

또한, 회전축(A)과 회전축(B)의 축간 거리(rAB)와, 회전축(C)과 회전축(D)의 축간 거리(rCD)가 동일할 때는, 값(b)와 (b’)가 동일하게 되는 동시에, 값(c)과 (c’)가 동일하게 되므로, 상기 θ2를 이하의 수식 3에 표시하는 식으로 나타낼 수 있다.

… 수식 3

여기서, 수식 3으로 표시하는 식 중의 값(a, b, c) 및 (d)는 이하의 수식 4에 표시하는 각 식으로 표시된다.

a= rAC²+2rAB²-rBD²= rAC²+2rCD²-rBD²

b= 2rAC×rAB= 2rAC×rCD

c= 2rAB²= 2rCD²

d= 2rBD² … 수식 4

도 12는 θCD를 45도로 하여 θAB를 변화시켰을 때의 θ1와 θ2의 관계를 대비하여 표시하는 그래프이다.

동 도면에 도시하는 바와 같이, θCD를 45도, θAB를 30도로 하였을 때, θ1의 증가에 대략 비례하여, 대략 1대 1의 관계로 θ2가 증가하는 것을 알 수 있다. 즉, 감속기를 통해 전동 모터(76)로부터 입력되는 회전 각도(회전축(A)의 회전 각도. 즉, θ1)에 대해 배의 회전 각도(팔꿈치 관절(36) 전체의 회전 각도. 즉, θ1+θ2)가 출력되게 된다. 따라서, 팔꿈치 관절(36)의 굴곡 방향의 가동 범위를 증대하는 동시에, 동일 입력에 대한 팔꿈치 관절(36)의 구동 속도(회전 속도)의 한계치를 높일 수 있다.

또한, 종전의 도 8은, θ1이 30도, θ2가 19.2도, 즉, θ1+θ2가 49.2도일 때의 팔꿈치 관절(36)을 도시한다. 또한, 도 9는 θ1이 55도, θ2가 44도, 즉, θ1+θ2가 99도일 때의 팔꿈치 관절(36)을 도시한다.

도 8 및 도 9의 설명을 계속하면, 제1 가동 링크(70)와 제2 가동 링크(72)의 2개의 가동 링크를 교차하여 배치하고 있으므로, 팔꿈치 관절(36)이 크게 구동되어도, 가동 링크(70, 72)의 관절 바깥쪽으로의 돌출량이 작고, 따라서 가동 링크(70, 72)와 커버의 물리적인 간섭이 발생하기 어렵게 된다. 또한, 팔꿈치 관절(36)이 2단계에 걸쳐 굴곡되므로(지점이 되는 회전축이 2개(회전축(A)와 회전축(C)) 존재한다), 제1 커버(84)와 제2 커버(86)의 간섭의 가능성도 저감시킬 수 있다.

또한, 제2 가동 링크(72)가 S자 형상으로 형성되어 있으므로, 팔꿈치 관절(36)을 구동하였을 때, 제2 가동 링크(72)가 제1 가동 링크(70)가 접속되는 회전축(A) 및 회전축(C)에 간섭하지 않으므로, 팔꿈치 관절(36)의 굴곡 방향의 가동 범위를 한층 증대시킬 수 있다.

또한, 팔꿈치 관절(36)을 구동(회전)시키면, 제1 커버(84)와 제2 커버(86)가 상대 변위하기 때문에, 이들 사이에 간극이 발생하는데(간극의 크기가 변화한다), 상기한 바와 같이, 제3 커버(88)가 제1 커버(84)와 제2 커버(86) 사이에 슬라이드 자유롭게 삽입되기 때문에, 상기 간극을 제3 커버(88)로 피복할 수 있고, 따라서 팔꿈치 관절(36)의 방진성 및 안전성을 향상시킬 수 있다. 또한, 로봇(1)의 미관을 향상시킬 수 있다.

이어서, 팔부 링크(5)의 특이점에 대해서 설명한다. 도 13은 어깨 관절(30, 32, 34)부터 손목 관절(38)까지의 직선 거리(R로 한다)와 팔꿈치 관절(36)의 구동 각도(θ1+θ2)의 관계를 표시하는 그래프이다. 또한, 동 도면에서, θ1+θ2가 0도라 함은, 팔부 링크(5)가 다 신장된 상태(팔꿈치 관절(36)을 기구상 가능한 위치까지 신장 방향으로 구동시킨 상태. 도 14의 상단에서, R1mt로 표시한다)를 의미한다.

도 14의 상단에 도시하는 상태(팔꿈치 관절(36)을 기구상 가능한 위치까지 신장 방향으로 구동시킨 상태)에서, 팔꿈치 관절(36)을 굴곡 방향으로 구동하면, 팔부 링크(5)의 각 관절(어깨 관절, 팔꿈치 관절 및 손목 관절)이 동일 직선상에 위치하여 특이점 자세를 취한다. 이 때, 어깨 관절(30, 32, 34)부터 손목 관절(38)까지의 직선 거리(R)는 최대치가 된다(도 14의 중단에서, Rmax로 표시한다).

로봇이 특이점 자세를 취할 때, 그 위치 자세 제어의 제어량이 발산되므로, 기구상 결정되는 가동 범위(도 14의 하단에서, θELm으로 표시한다) 중, 특이점 자세를 통과하지 않는 범위가 제어상 이용할 수 있는 회전 각도(θELc로 표시한다)로 된다. 환언하면, θ1+θ2 중, 0도(R= R1mt)에서 R이 최대치(Rmax)로 되는 각도까지는, 제어상 이용할 수 없는 회전 각도(θELcerr로 표시한다)로 된다.

이 실시의 형태에 있어서는, 도 13에 도시하는 바와 같이, θ1+θ2가 약 2.8도일 때에 R이 최대치(Rmax)로 되므로, 0도부터 2.8도까지가 제어상 이용할 수 없는 회전 각도로 된다. 이 값은, 종래의 일반적인 1축의 관절에 비해 1/4정도로 작다. 이는, 상부 팔 링크(42)와 하부 팔 링크(44)를 제1 가동 링크(70)와 제2 가동 링크(72)의 2개의 가동 링크를 통해 접속하는 동시에, 이들 2개의 가동 링크(70, 72)를 교차하여 배치함으로써, 제1 커버(84)와 제2 커버(86)의 간섭이 발생하기 어렵게 되어, 팔꿈치 관절(36)의 회전축선을 관절 바깥쪽으로 오프셋할 필요가 없어진 것에 기인한다.

이와 같이, 이 실시의 형태에 관한 로봇(1)의 관절 구조에 있어서는, 상부 팔 링크(42)와 하부 팔 링크(44)를 제1 가동 링크(70)와 제2 가동 링크(72)의 2개의 가동 링크를 통해 접속하는 동시에, 이들 2개의 가동 링크(70, 72)를 교차하여 배치하도록 하였으므로, 입력에 대한 팔꿈치 관절(36) 전체의 구동 각도를 크게 할 수 있어, 팔꿈치 관절(36)의 굴곡 방향의 가동 범위를 증대시키는 동시에, 동일 입력에 대한 팔꿈치 관절(36)의 구동 속도(회전 속도)의 한계치를 높일 수 있다.

또한, 2개의 가동 링크(70, 72)의 바깥쪽으로의 돌출량이 작아지므로, 가동 링크(70, 72)와 이들을 덮는 제3 커버(88)가 물리적인 간섭의 가능성을 저하할 수 있는 동시에, 팔꿈치 관절(36)이 2개의 회전축(A, C)을 지점으로 하여 2단계에 걸쳐 굴곡되기 때문에, 제1 커버(84)와 제2 커버(86)가 간섭하기 어렵게 되고, 따라서 팔꿈치 관절(36)의 굴곡 방향의 가동 범위를 한층 더 증대시킬 수 있다. 또한, 팔꿈치 관절(36)의 회전축을 관절 바깥쪽으로 오프셋할 필요가 없기 때문에, 팔꿈치 관절(36)의 신장 방향의 가동 범위의 감소를 억제할 수 있다.

또한, 팔꿈치 관절(36)을 구동하였을 때, 제2 가동 링크(72)가 제1 가동 링크(70)가 접속되는 회전축(A) 및 회전축(C)에 간섭하지 않도록, 제2 가동 링크(72)를 회전축(A) 및 회전축(C)을 회피하는 만곡 형상, 보다 구체적으로는, S자 형상으로 만곡시켜 형성하였기 때문에, 팔꿈치 관절(36)의 가동 범위를 보다 한층 증대시킬 수 있다.

또한, 제3 커버(88)가, 제1 커버(84)와 제2 커버(86)의 사이에 슬라이드 자유롭게 삽입되므로, 팔꿈치 관절(36)의 회전에 따라 발생하는 제1 커버(84)와 제2 커버(86)의 간극을 제3 커버(88)로 피복할 수 있으므로, 팔꿈치 관절(36)을 구동해도 관절의 내부 구조가 노출되지 않고, 따라서 전술의 효과에 추가하여, 팔꿈치 관절(36)의 방진성 및 안전성을 향상시킬 수 있다. 또한, 로봇(1)의 미관을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기에서 관절로서 팔꿈치 관절(36)을 예로 들어 설명했는데, 이 실시 형태에 관한 로봇의 관절 구조는, 무릎 관절(16) 등에도 동일하게 타당하다.

또한, 도 12에 도시하는 바와 같이, θAB를 0도 부근에 설정했을 때, θ1의 증가량에 대한 θ2의 증가량은 가장 커진다. 따라서, θAB를 0도 부근에 설정하는, 즉, 상부 팔 링크(42)의 길이 방향(42z)과 직교하는 동일 직선상(42x) 혹은 그 근방에 회전축(A)과 회전축(B)을 구비함으로써, 팔꿈치 관절(36)의 굴곡 방향의 가동 범위를 보다 한층 증대시킬 수 있는 동시에, 동일 입력에 대한 팔꿈치 관절(36)의 구동 속도를 높일 수 있다. 단, θ1의 증가량에 대한 θ2의 증가량이 커질수록 팔꿈치 관절(36)의 구동 토크는 작아지므로, 사용하는 액추에이터나 목적으로 하는 동작(작업)에 따라서 θAB를 적절히 설정해야 하는 것은 말할 필요도 없다. 이 실시의 형태에 있어서는, 가동 범위의 증대와 구동 속도의 향상, 나아가 구동 토크의 확보를 최적으로 균형잡게 하기 위해서, θAB를 30도로 설정했다.

한편, 이 실시의 형태에 있어서는, 상기한 바와 같이 제2 가동 링크(72)를 S자 형상으로 형성하였으므로, 도 15에 도시하는 바와 같이, 팔꿈치 관절(36)을 크게 구동하면, 제2 가동 링크(72)의 S자 형상의 볼록부가 제1 커버(84)에 간섭해 버린다((1)로 표시한다). 이 간섭은 제1 커버(84)의 단부를 잘라냄으로써도 해소할 수 있지만, 제1 커버(84)의 단부를 잘라내면, 그에 따라 생기는 간극을 피복하기 위해서 제3 커버(88)의 단부를 상부 팔 방향으로 연장시킬 필요가 있다. 그러나, 제3 커버(88)의 단부를 상부 팔 방향으로 연장시키면, 팔꿈치 관절(36)을 크게 구동하였을 때에 상부 팔에 배치된 전동 모터(76)와 간섭해 버린다((2)로 표시한다).

제3 커버(88)의 단부와 전동 모터(76)의 간섭은, 전동 모터(76)를 아래쪽으로 이동시킴으로써 해소할 수 있는데, 전동 모터(76)를 아래쪽에 배치하면, 제1 커버(84)의 아래쪽을 오목 형상((3)으로 표시한다)으로 형성할 수 없게 되므로, 제3 커버(88)의 슬라이드량이 작아지고, 따라서 팔꿈치 관절(36)을 크게 구동했을 때에 제1 커버(84)와 제3 커버(88)의 사이에 간극이 생기는 문제가 있다((4)로 표시한다). 또한, 도 15는 θ1이 75도, θ2가 75도, 즉, θ1+θ2가 150도일 때의 팔꿈치 관절(36)을 도시한다.

따라서, 이하에 설명하는 본 발명의 제2 실시의 형태에 있어서는, 관절의 가동 범위를 증대하면서, 링크와 커버의 간섭을 방지하도록 구성했다.

이하, 본 발명의 제2 실시의 형태에 관한 로봇의 관절 구조에 대해서 설명한다.

도 16은, 본 발명의 제2 실시의 형태에 관한 로봇의 관절 구조를 도시하는, 도 7과 동일한 평면도이다.

제1 실시의 형태와 다른 구성에 초점을 두고 설명하면, 제2 실시의 형태에 있어서는, 도시와 같이, 제2 링크(72a)를 く자 형상으로 만곡시켜 형성하는 동시에, θAB를 -15.5도, θCD를 30도로 설정했다.

도 17부터 도 19는, 도 16에 도시하는 팔꿈치 관절(36)을 구동한 상태를 도시하는 평면도이다. 또한, 도 17은 θ1이 24도, θ2가 25.7도, 즉, θ1+θ2가 49.7도일 때의 팔꿈치 관절(36)을 도시하고, 도 18은 θ1이 45도, θ2가 55도, 즉, θ1+θ2가 100도일 때의 팔꿈치 관절(36)을 도시한다. 또한, 도 19는 θ1이 68도, θ2가 82.2도, 즉, θ1+θ2가 150.2도일 때의 팔꿈치 관절(36)을 도시한다.

상기한 바와 같이, θAB를 -15.5도로 하는, 즉, 회전축(B)을 회전축(A)보다 하부 대퇴 링크(44)측에 구비함으로써, 제2 가동 링크(72a)가 회전축(A)과 간섭하지 않으므로, 제1 실시 형태와 같이, 제2 가동 링크(72a)를 제1 커버(84)측에 돌출하는 형상(회전축(A)을 회피하는 형상)으로 할 필요가 없다. 이 때문에, 도 17에서 도 19에 도시하는 바와 같이, 팔꿈치 관절(36)을 크게 구동해도, 제2 가동 링크(72a)와 제1 커버(84)가 간섭하지 않는다. 또한, 제2 가동 링크(72a)를 く자 형상으로 만곡시켜 형성하였으므로, 팔꿈치 관절(36)을 크게 구동해도 제2 가동 링크(72a)가 회전축(C)에 간섭하지 않는다. 따라서, 제1 실시의 형태에 비해, 팔꿈치 관절(36)의 굴곡 방향의 가동 범위를 한층 더 크게 할 수 있다.

도 20은 θAB를 -15.5도로 하여 θCD를 변화시켰을 때의 θ1와 θ2의 관계를 대비하여 도시하는 그래프이다. 동 도면에 도시하는 바와 같이, θAB를 -15.5도, θCD를 30도로 하였을 때, θ1의 증가에 대략 비례하여, 1대1 이상의 비율로 θ2가 증가하는 것을 알 수 있다. 즉, 감속기를 통해 전동 모터(76)로부터 입력되는 회전 각도(회전축(A)의 회전 각도. 즉, θ1)에 대해 배 이상의 회전 각도(팔꿈치 관절(36) 전체의 회전 각도. 즉, θ1+θ2)가 출력되게 된다. 따라서 제1 실시의 형태 이상으로 팔꿈치 관절(36)의 굴곡 방향의 가동 범위를 증대시킬 수 있는 동시에, 동일 입력에 대한 팔꿈치 관절(36)의 구동 속도(회전 속도)의 한계치를 높일 수 있다.

또한, 도시와 같이, θCD를 작게 설정함에 따라서 θ1의 증가량에 대한 θ2의 증가량은 커진다. 따라서, θCD를 0도 부근에 설정하는, 즉, 하부 팔 링크(44)의 길이 방향(44z)과 직교하는 동일 직선상(44x) 혹은 그 근방에 회전축(C)과 회전축(D)을 구비함으로써, 팔꿈치 관절(36)의 굴곡 방향의 가동 범위를 한층 더 증대시킬 수 있는 동시에, 동일 입력에 대한 팔꿈치 관절(36)의 구동 속도를 높일 수 있다. 단, θ1의 증가량에 대한 θ2의 증가량이 커질수록 팔꿈치 관절(36)의 구동 토크는 작아지므로, 사용하는 액추에이터나 목적으로 하는 동작(작업)에 따라서 θCD를 적절히 설정해야 하는 것은 전술과 같다. 이 실시의 형태에서는, 가동 범위의 증대와 구동 속도의 향상, 나아가 구동 토크의 확보를 최적으로 균형잡게 하기 위해서, θCD를 30도로 설정했다.

이와 같이, 제2 실시의 형태에 관한 로봇의 관절 구조에 있어서는, 제2 링크(72a)를 く자 형상으로 만곡시켜 형성했으므로, 팔꿈치 관절(36)을 크게 구동해도, 제2 가동 링크(72a)가 제1 커버(84) 및 회전축(C)에 간섭하지 않고, 따라서 팔꿈치 관절(36)의 굴곡 방향의 가동 범위를 보다 한층 증대시킬 수 있다.

또한, θAB를 -15.5도, θCD를 30도로 설정하였으므로, 제1 실시의 형태 이상으로 팔꿈치 관절(36)의 굴곡 방향의 가동 범위를 증대시킬 수 있는 동시에, 동일 입력에 대한 팔꿈치 관절(36)의 구동 속도(회전 속도)의 한계치를 높일 수 있다.

또한, 도 21에 도시하는 바와 같이, 본 실시의 형태에 있어서는 θ1+θ2가 약 3.9도일 때에 R이 최대치(Rmax)로 되므로, 0도에서 3.9도까지가 제어상 이용할 수 없는 회전 각도로 된다. 이 값은, 종래의 일반적인 l축의 관절에 비해 1/3정도로 작다. 따라서, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 특이점에 기인하는 신장 방향의 가동 범위의 감소를 억제시킬 수 있다.

또한, 나머지 구성은 제1 실시의 형태와 동일하므로, 설명을 생략한다.

이어서, 본 발명의 제3 실시의 형태에 관한 로봇의 관절 구조에 대해서 설명한다.

제1 및 제2 실시의 형태와 다른 구성에 초점을 두고 설명하면, 제3 실시 형태에 있어서는, 팔꿈치 관절(36)의 과회전(구동)을 방지하기 위한 기계적인 과회전 방지 기구를 설치했다.

도 22에 도시하는 바와 같이, 제1 가동 링크(70) 상에 핀(90)이 설치되고, 핀(90)은 스토퍼(92)에 형성된 원호형상의 구멍(94)에 삽입된다. 또한, 스토퍼(92)는 상부 팔 제1 플레이트(42a)(도시하지 않음)에 고정된다.

구멍(94)은, 제1 가동 링크(70)가 구동됨으로써 핀(90)이 그리는 궤적과 동일한 원호형상으로 형성된다. 또한, 구멍(94)의 한쪽 종단(94a)은 팔꿈치 관절(36)을 구동하였을 때, 제1 커버(84)와 제2 커버(86)가 간섭하지 않는 위치에서 제1 가동 링크(70)의 회전이 종료하도록 설정되는 동시에, 다른쪽 종단(94b)은 θ1+θ2가 팔부 링크(5)가 특이점 자세를 취하는 각도가 되지 않도록 설정된다. 즉, 제1 실시의 형태에 있어서는 θ1+θ2가 2.8도 이하로, 제2 실시의 형태에 있어서는 θ1+θ2가 3.9도 이하가 되지 않도록 설정된다.

이에 따라, 제1 가동 링크(70)의 과회전이 방지되고, 따라서 팔꿈치 관절(36)의 과회전이 방지되어 제1 커버(84)와 제2 커버(86)가 간섭하여 손상되는 것을 방지할 수 있는 동시에, 팔부 링크(5)가 특이점 자세를 취하는 것을 방지할 수 있다.

또한, 나머지 구성 및 효과는 제1 및 제2 실시 형태와 동일하므로, 설명을 생략한다.

이상과 같이, 제1부터 제3 실시 형태에 관한 로봇의 관절 구조에 있어서는, 제1 주 링크(상부 팔 링크(42))와 제2 주 링크(하부 팔 링크(44))를 제1 가동 링크(70)와 제2 가동 링크(72(72a))를 통해 연결하는 동시에, 상기 제1 주 링크에 배치된 액추에이터(전동 모터(76))로 상기 제1 가동 링크(70)를 구동하여 상기 제1 주 링크와 제2 주 링크를 상대 변위시키는 로봇(1)의 관절(팔꿈치 관절(36)) 구조에서, 상기 제1 주 링크에 회전축(A)과 회전축(B)을 구비하는 동시에, 상기 제2 주 링크에 회전축(C)과 회전축(D)을 구비하고, 상기 회전축(A, B, C, D)을 정점으로 하는 사각형에서 대각하는 회전축을 각각 회전축(A)과 회전축(C), 회전축(B)과 회전축(D)으로 했을 때, 상기 회전축(A)과 회전축(C)을 상기 제1 가동 링크(70)를 통해 접속하는 한편, 상기 회전축(B)과 회전축(D)을 상기 제2 가동 링크(72(72a))로 접속하여 상기 제1 가동 링크(70)와 제2 가동 링크(72(72a))를 교차시켜 배치하는 동시에, 상기 회전축(A)을 상기 액추에이터로 구동하고, 따라서 상기 제1 가동 링크(70)를 구동하여 상기 제1 주 링크와 제2 주 링크를 상대 변위시키도록 구성했다.

또한, 상기 회전축(A)과 회전축(B)을, 상기 제1 주 링크의 길이 방향(42z)과 직교하는 동일 직선(42x)상 혹은 그 근방에 설치하도록 구성했다.

또한, 상기 회전축(C)과 회전축(D)을, 상기 제2 주 링크의 길이 방향(44z)과 직교하는 동일 직선(44x)상 혹은 그 근방에 설치하도록 구성했다.

또한, 상기 제1 가동 링크(70) 및 제2 가동 링크(72(72a)) 중 적어도 어느 하나를, 다른쪽 가동 링크의 회전축과 간섭하지 않도록 만곡시켜(S자 형상 또는 く자 형상으로 형성한다) 구성했다.

또한, 상기 제1 가동 링크(70) 및 제2 가동 링크(72(72a)) 중 적어도 어느 하나에, 상기 관절이 소정 각도 이상 회전하는 것을 방지하는 과회전 방지 기구(핀(90), 스토퍼(92), 구멍(94))를 형성하도록 구성했다.

또한, 상기 관절에, 상기 제1 주 링크, 제1 가동 링크(70), 제2 가동 링크(72(72a)), 제2 주 링크 및 액추에이터의 바깥쪽을 덮는 커버를 형성하는 동시에, 상기 커버는, 상기 제1 주 링크와 액추에이터를 덮는 제1 커버(84)와, 상기 제2 주 링크를 덮는 제2 커버(86)와, 상기 제1 커버(84)와 제2 커버(86)의 사이에 슬라이드 자유롭게 삽입되고, 상기 제1 가동 링크(70)와 제2 가동 링크(72(72a))를 덮는 동시에, 상기 관절의 회전에 따라 발생하는 상기 제1 커버(84)와 제2 커버(86)의 간극을 피복하는 제3 커버(88)로 구성되도록 구성했다.

또한, 상기에서, 본 발명에 관한 로봇의 관절 구조를 2족 보행식 이동 로봇, 보다 구체적으로는 휴먼노이드형 로봇을 예로 들어 설명했는데, 본 발명은 다른 형식의 이동 로봇 및 산업용 로봇에도 타당하다.

또한, 사용하는 액추에이터도 전동 모터에 한정되지 않고, 다른 액추에이터라도 된다.

또한, θAB나 θCD는 상기한 구체예에 한정되지 않고, 목적으로 하는 로봇의 작업(동작)에 따라서 적당한 값으로 설정해야 하는 것은 말할 것도 없다.

또한, 제1 가동 링크(70)와 제2 가동 링크(72(72a)) 중, 제2 가동 링크(72(72a))를 회전축(A) 및 회전축(C)에 간섭하지 않도록 만곡시켰는데, 제1 가동 링크(70)를 회전축(B) 및 회전축(D)에 간섭하지 않도록 만곡시켜도 된다. 또한, 만곡 형상도 도시의 예에 한정되지 않는 것은 말할 필요도 없다

본 발명에 의하면, 로봇의 관절 구조에 있어서, 제1 주 링크(예를 들면 상부 팔 링크)와 제2 주 링크(예를 들면 하부 팔 링크)를 제1 가동 링크와 제2 가동 링크의 2개의 가동 링크를 통해 접속하는 동시에, 이들 2개의 가동 링크를 교차하여 배치하도록 하였으므로, 입력에 대한 관절(예를 들면 팔꿈치 관절) 전체의 구동 각도를 크게 할 수 있어, 관절의 굴곡 방향의 가동 범위를 증대시키는 동시에, 구동 속도(회전 속도)의 한계치를 높일 수 있다.

또한, 2개의 가동 링크의 바깥쪽으로의 돌출량이 작아지므로, 가동 링크와 이들을 덮는 커버의 물리적인 간섭이 생기기 어려워지는 동시에, 관절이 2개의 회전축을 지점으로 하여 2단계에 걸쳐 굴곡되게 되어, 제1 주 링크를 덮는 커버와 제2 주 링크를 덮는 커버가 간섭하기 어렵게 되고, 따라서 관절의 굴곡 방향의 가동 범위를 한층 더 증대시킬 수 있다. 또한, 관절의 회전축을 관절 바깥쪽으로 오프셋할 필요가 없기 때문에, 특이점에 기인하는 신장 방향의 가동 범위의 감소를 억제할 수 있다.

Claims

제1 주 링크와 제2 주 링크를 제1 가동 링크와 제2 가동 링크를 통해 연결하는 동시에, 상기 제1 주 링크에 배치된 액추에이터로 상기 제1 가동 링크를 구동하여 상기 제1 주 링크와 제2 주 링크를 상대 변위시키는 로봇의 관절 구조에 있어서, 상기 제1 주 링크에 회전축(A)과 회전축(B)을 구비하는 동시에, 상기 제2 주 링크에 회전축(C)과 회전축(D)을 구비하고, 상기 회전축(A, B, C, D)을 정점으로 하는 사각형에서 대각하는 회전축을 각각 회전축(A)과 회전축(C), 회전축(B)과 회전축(D)으로 했을 때, 상기 회전축(A)과 회전축(C)을 상기 제1 가동 링크를 통해 접속하는 한편, 상기 회전축(B)과 회전축(D)을 상기 제2 가동 링크로 접속하여 상기 제1 가동 링크와 제2 가동 링크를 교차시켜 배치하는 동시에, 상기 회전축(A)을 상기 액추에이터로 구동하고, 따라서 상기 제1 가동 링크를 구동하여 상기 제1 주링크와 제2 주 링크를 상대 변위시키는 것을 특징으로 하는 로봇의 관절 구조.
제1항에 있어서, 상기 회전축(A)과 회전축(B)을, 상기 제1 주 링크의 길이 방향과 직교하는 동일 직선상 혹은 그 근방에 설치한 것을 특징으로 하는 로봇의 관절 구조.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 회전축(C)과 회전축(D)을, 상기 제2 주 링크의 길이 방향과 직교하는 동일 직선상 혹은 그 근방에 설치한 것을 특징으로 하는 로봇의 관절 구조.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제1 가동 링크 및 제2 가동 링크 중 적어도 어느 하나를, 다른쪽 가동 링크의 회전축과 간섭하지 않도록 만곡시킨 것을 특징으로 하는 로봇의 관절 구조.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제1 가동 링크 및 제2 가동 링크 중 적어도 어느 하나에, 상기 관절이 소정 각도 이상 회전하는 것을 방지하는 과회전 방지 기구를 설치한 것을 특징으로 하는 로봇의 관절 구조.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 관절에, 상기 제1 주 링크, 제1 가동 링크, 제2 가동 링크, 제2 주 링크 및 액추에이터의 바깥쪽을 덮는 커버를 구비하는 동시에, 상기 커버는, 상기 제1 주 링크와 액추에이터를 덮는 제1 커버와, 상기 제2 주 링크를 덮는 제2 커버와, 상기 제1 커버와 제2 커버의 사이에 슬라이드 자유롭게 삽입되고, 상기 제1 가동 링크와 제2 가동 링크를 덮는 동시에, 상기 관절의 회전에 따라 생기는 상기 제1 커버와 제2 커버의 간극을 피복하는 제3 커버로 구성되는 것을 특징으로 하는 로봇의 관절 구조.