KR20100118414A

KR20100118414A - 로봇용 안구의 회전장치

Info

Publication number: KR20100118414A
Application number: KR1020090037249A
Authority: KR
Inventors: 오경균; 김승종; 장명수; 정찬열
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2009-04-28
Filing date: 2009-04-28
Publication date: 2010-11-05
Also published as: US20100271540A1; KR101095927B1; US8648963B2

Abstract

본 발명은 어느 하나의 액츄에이터가 다른 하나의 액츄에이터의 모션에 영향을 받지 않고 독립적으로 구동가능한 로봇용 안구의 회전장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇용 안구의 회전장치는 안구와, 카메라가 장착되는 본체와, 본체에 대하여 좌우방향으로 회전가능하게 본체에 결합되는 제1 부분과 안구를 상하방향으로 회전가능하게 지지하는 제2 부분을 구비하는 프레임과, 본체에 각각 고정되어 회전구동하는 제1 및 제2 액츄에이터와, 일단이 프레임의 제1 부분에 연결되고 타단이 제1 액츄에이터에 연결되어 제1 액츄에이터의 회전구동을 전달하는 링크와, 일단이 안구에 연결되고 타단이 제2 액츄에이터에 연결되어 제2 액츄에이터의 회전구동을 전달하는 탄성와이어를 포함할 수 있다. 안구 및 프레임은 제1 액츄에이터의 회전구동에 의해 본체에 대하여 좌우방향으로 회전하고, 안구는 제2 액츄에이터의 회전구동에 의해 프레임 및 본체에 대하여 상하방향으로 회전할 수 있다.

휴머노이드, 로봇, 안구장치, 회전장치, 다자유도

Description

로봇용 안구의 회전장치{DEVICE OF ROTATING AN EYEBALL FOR A ROBOT}

본 발명은 로봇용 안구의 회전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 어느 하나의 액츄에이터가 다른 하나의 액츄에이터의 모션에 영향을 받지 않고 독립적으로 구동가능한 로봇용 안구의 회전장치에 관한 것이다.

다자유도 회전장치는 크게 개별 회전 자유도 모션에 의해 다른 회전 자유도 모션을 유발하지 않는 직렬형과, 개별 회전 자유도 모션에 의해 다른 회전 자유도 모션이 수반되는 병렬형으로 분류될 수 있다.

직렬형 다자유도 회전장치는 산업용 로봇의 80%를 차지하고 있을 정도로 많이 이용되고 있다. 직렬형 다자유도 회전장치는 각 회전 자유도가 독립적으로 제어될 수 있기 때문에, 제어 및 동역학적 해석이 편리하며 전체 자유도가 적을 경우에 설계가 용이한 장점을 갖는다. 하지만, 다자유도에서 각 회전 자유도 모션의 독립을 유지하기 위해 다른 회전 자유도 모션과 함께 액츄에이터가 이동해야 하므로, 각 회전운동에 의해 회전관성이 커져서 시스템의 구동 효율이 저하되는 문제점이 있다. 또한, 액츄에이터가 이동할 수 있는 공간이 고려되어야 하므로, 공간활용상에 있어서도 불리한 면이 있다. 따라서, 자유도가 증가함에 따라 시스템 전체 의 구조가 복잡해지고 회전관성이 증가하는 문제점을 가져올 수 있다. 뿐만 아니라, 링크들의 직렬적 배치로 인해 내구성이 약하고, 각 링크에서의 측정 오차가 누적되어 정밀한 제어가 어려운 단점이 있다.

병렬형 다자유도 회전장치는 각 액츄에이터가 개별적으로 고정되어 구동가능하고, 각 액츄에이터에 병렬적으로 연결된 링크로 인해 내구성이 높고 각 링크에서의 측정 오차가 누적되지 않는 장점이 있다. 하지만, 하나의 회전 자유도 모션이 다른 회전 자유도 모션을 수반하게 되므로, 시스템의 제어가 복잡해지고 구조가 복잡해진다. 그리고, 정위치 해석에서 단일해(unique solution)가 존재하지 않아 실시간 제어가 어렵고 특이점(singular point: 로봇의 자유도가 줄어들어 정상제어가 불가능한 지점)이 고려되어야 하는 기술적인 어려움이 있다.

이와 관련하여, 병렬형 다자유도 회전장치의 단점을 보완하기 위해 최근 연구되고 있는 하이브리드형 다자유도 회전장치의 경우, 여러 개의 병렬형 구조를 순서적으로 연결하는 구조를 가짐으로써 직렬형과 병렬형의 장점을 살리고 단점을 보완하려는 구조이지만 아직은 연구가 미진한 수준이다.

다자유도 회전장치의 일 예로서, 도 1 및 도 2에는 한국등록특허 제10-0724792호에 개시된 로봇 안구장치가 도시되어 있다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 로봇 안구장치는 안구볼(11)과 유니버셜조인트 특성을 가지는 안구(10)와 카메라(30)와 카메라 지지대(31)로 구성되는 인공적인 시각장치와, 카메라를 회전(roll)구동시키는 모터(20)와, 안구볼(11)을 상하(tilt) 및 좌우(pan)구동시키는 모터(21, 22)와, 모터(21, 22)와 안구볼(11)을 서로 연결하는 연결로드(40A, 40B, 41A, 41B)와 볼앤드(42), 볼(43), 모터암(44A, 44B)으로 구성되는 연결장치를 포함한다. 모터(21, 22)는 연결로드(40A, 40B, 41A, 41B)와 볼앤드(42), 볼(43), 모터암(44A, 44B)을 통해 로봇 안구의 상하운동과 좌우운동을 담당한다.

하지만, 도 1 및 도 2에 도시된 로봇 안구장치는 모터(21, 22)에 연결된 연결로드(40A, 40B, 41A, 41B)가 안구볼(11) 및 안구회전틀과 접촉하지 않고 직선을 유지하기 위해서는 작동범위가 제한될 뿐만 아니라 넓은 공간을 차지하게 되는 문제점을 갖는다. 또한, 도 1 및 도 2에 도시된 로봇 안구장치는 유니버셜조인트와 링크부재로 구성되어 모터(21, 22)는 각각의 회전에 의해 서로에게 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 안구볼(11)이 상하로 회전된 상태에서 좌우로 회전되는 경우 또는 안구볼(11)이 좌우로 회전된 상태에서 상하로 회전되는 경우에, 안구볼(11)은 의도하지 않은 롤링모션을 수반하는 문제점이 있다. 안구볼(11)이 롤링모션을 수반하지 않는 경우에도, 제1 방향으로 회전된 상태에서 제2 방향으로 회전시의 최대 회전범위가 극히 제한되는 단점이 있다.

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 어느 하나의 액츄에이터가 다른 하나의 액츄에이터의 모션에 영향을 받지 않고 독립적으로 구동가능한 로봇용 안구의 회전장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로봇용 안구의 회전장치는 안구와, 카메라가 장착되는 본체와, 본체에 대하여 좌우방향으로 회전가능하게 본체에 결합되는 제1 부분과 안구를 상하방향으로 회전가능하게 지지하는 제2 부분을 구비하는 프레임과, 본체에 각각 고정되어 회전구동하는 제1 및 제2 액츄에이터와, 일단이 프레임의 제1 부분에 연결되고 타단이 제1 액츄에이터에 연결되어 제1 액츄에이터의 회전구동을 전달하는 링크와, 일단이 안구에 연결되고 타단이 제2 액츄에이터에 연결되어 제2 액츄에이터의 회전구동을 전달하는 탄성와이어를 포함할 수 있다. 안구 및 프레임은 제1 액츄에이터의 회전구동에 의해 본체에 대하여 좌우방향으로 회전하고, 안구는 제2 액츄에이터의 회전구동에 의해 프레임 및 본체에 대하여 상하방향으로 회전할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로봇용 안구의 회전장치는 안구와 제2 액츄에이터 사이에서 탄성와이어를 가이드하는 관형부재를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로봇용 안구의 회전장치는 관형부재의 양단에 배치되는 볼형 피봇을 더 포함할 수 있다.

상기 탄성와이어의 일단은 안구에 구비된 제1 원통형 피봇에 연결되고 그 타단은 제2 액츄에이터의 아암에 구비된 제2 원통형 피봇에 연결될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로봇용 안구의 회전장치에 따르면, 본체에 결합되어 각각 독립적으로 회전구동하는 제1 및 제2 액츄에이터를 구비하고, 제1 액츄에이터와 프레임 사이에는 링크가 연결되고 제2 액츄에이터와 안구 사이에는 탄성와이어가 연결되어, 어느 하나의 액츄에이터의 구동이 다른 하나의 액츄에이터 구동에 영향을 미치지 않는다. 따라서, 안구가 상하로 회전된 상태에서 좌우로 회전되는 경우 또는 안구가 좌우로 회전된 상태에서 상하로 회전되는 경우에, 안구는 의도하지 않은 롤링모션을 수반하지 않는다. 또한, 이러한 구성으로 인해서, 직렬형 다자유도 회전장치와 비교하여 회전관성을 최소화하고 내구성을 향상시킬 수 있으며, 병렬형 다자유도 회전장치와 비교하여 시스템의 제어가 간단하게 이루어질 수 있다. 더욱이, 제2 액츄에이터와 안구 사이에서 탄성와이어를 사용함으로써, 안구가 좌우방향으로 회전된 상태에서 상하방향으로 회전하는 경우에 그 회전가능 범위가 향상될 수 있는 장점을 갖는다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로봇용 안구의 회전장치는 탄성와이어를 감싸는 관형부재와 관형부재의 양단에 배치된 볼형 피봇을 구비함으로써 탄성와이어의 이동경로를 결정하고 탄성와이어의 좌굴을 방지함과 동시에 관형부재 양단에서 탄성와이어의 곡률변화를 최소화할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇용 안구의 회전장치는 탄성와이어의 양단을 원통형 피봇에 의해 각각 안구와 제2 액츄에이터의 아암에 결합함으로써 탄성와이어의 좌굴을 방지하고 곡률변화를 최소화할 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇용 안구의 회전장치를 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇용 안구의 회전장치의 사시도이고, 도 4는 도 3의 안구의 회전장치를 다른 측면에서 바라본 분해사시도이다. 도 5는 도 3의 프레임과 볼형 피봇을 보인 분해사시도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇용 안구의 회전장치(100)는 안구(110)와, 카메라(121)가 장착되는 본체(120)와, 본체(120)에 대하여 좌우방향으로 회전가능하게 본체(120)에 결합되는 제1 부분(131)과 안구(110)를 상하방향으로 회전가능하게 지지하는 제2 부분(132)을 구비하는 프레임(130)과, 본체(120)에 각각 고정되어 회전구동하는 제1 및 제2 액츄에이터(141, 142)와, 일단이 프레임(130)의 제1 부분(131)에 연결되고 타단이 제1 액츄에이터(141)에 연결되어 제1 액츄에이터(141)의 회전구동을 전달하는 링크(151)와, 일단이 안구(110)에 연결되고 타단이 제2 액츄에이터(142)에 연결되어 제2 액츄에이터(142)의 회전구동을 전달하는 탄성와이어(152)를 포함한다. 안구(110) 및 프레임(130)은 제1 액츄에이터(141)의 회전구동에 의해 본체(120)에 대하여 좌우방향으로 회전한다. 그리고, 안구(110)는 제2 액츄에이터(142)의 회전구동에 의해 프레임(130) 및 본체(120)에 대하여 상하방향으로 회전한다.

안구(110)는 중공의 반구형상을 가지며, 안구(110)에는 돌출부(111)가 형성되어 있다. 돌출부(111)는 프레임(130)의 제2 부분(132)과 회전가능하게 결합된다. 돌출부(111)에는 지지축(111a)이 관통하도록 축공이 형성되어 있으며, 또한 지지축(111a)을 돌출부(111)에 고정하기 위해 볼트(111b)와 맞물리는 결합공이 형성되어 있다. 그리고 제1 원통형 피봇(170)이 결합될 수 있는 결합홈(113)이 형성되어 있다. 안구(110)는 인간의 동공과 유사한 형상의 캡(115)을 더 포함하여, 안구(110)의 회전을 더욱 명확하게 표현할 수도 있다.

본체(120)는 로봇(도시되지 않음)의 임의의 부분에 고정될 수 있으며, 내부에 카메라(121)가 장착되어 있다. 본체(120)에는 제1 및 제2 액츄에이터(141,142)가 각각 고정될 수 있다. 프레임(130)을 좌우방향으로 회전가능하게 결합시키기 위해 본체(120)의 상하부에는 축베어링(131b)이 결합되는 축공(120a)이 형성되어 있다.

프레임(130)은 판재를 절곡하여 제조될 수 있으며, 절곡된 부분은 본체(120)에 대하여 좌우방향으로 회전가능하게 본체(120)에 결합되는 제1 부분(131)과 안구(110)를 상하방향으로 회전가능하게 지지하는 제2 부분(132)으로 구분될 수 있다. 제1 부분(131)은 상하에 서로 평행하게 배치되며, 제2 부분(132)은 좌우에 서로 평행하게 배치될 수 있다. 또한 제1 부분(131)과 제2 부분(132)은 서로에 대하여 수직하게 배치될 수 있다. 제1 부분(131)에는 본체(120)의 축공(120a)에 대응하는 관통공이 형성되어 있다. 프레임(130)과 본체(120)는 축베어링(131b)에 의해 서로 회전가능하게 결합된다. 더욱 상세하게는, 축베어링(131b)의 일단이 제1 부 분(131)의 관통공에 결합되고 그 타단은 본체(120)의 축공(120a)에 결합된다. 제2 부분(132)에는 돌출부(111)의 축공에 대응하는 관통공이 형성되어 있다. 지지축(111a)은 볼트(111b)에 의해 돌출부(111)에 결합되며, 지지축(111a)의 일단이 베어링(111c)의 내측에 결합되고 베어링(111c)의 외측은 프레임(130)의 제2 부분(132)의 관통공에 결합된다. 따라서, 안구(110)는 프레임(130)에 대하여 상하방향으로 회전가능하도록 프레임(130)에 결합된다.

제1 및 제2 액츄에이터(141, 142)는 각각 본체(120)에 고정되고 각 회전축을 중심으로 회전구동하도록 형성된다. 제1 및 제2 액츄에이터(141, 142)는 각각 회전축으로부터 원주방향으로 연장된 아암(143, 144)을 더 구비하여, 제1 및 제2 액츄에이터(141, 142)의 회전에 의해 아암(143, 144)의 타단은 소정의 범위에서 회동하도록 구성된다.

링크(151)의 일단은 프레임(130)의 제1 부분(131) 하측에 회동가능하게 결합되고 그 타단이 제1 액츄에이터(141)의 아암(143)에 회동가능하게 결합된다. 제1 액츄에이터(141)가 회전구동함에 따라 아암(143)에 연결된 링크(151)의 타단이 회동하여 링크(151)의 일단을 회동시킨다. 따라서, 링크(151) 일단의 회동에 의해 안구(110)는 축베어링(120a)을 중심으로 본체(120)에 대하여 좌우방향으로 회전할 수 있다.

탄성와이어(152)의 일단은 안구(110)에 연결되고 그 타단이 제2 액츄에이터(142)의 아암(144)에 연결된다. 아암(144)은 제2 액츄에이터(142)의 회전구동에 의해 탄성와이어(152)를 밀거나 당긴다. 따라서, 안구(110)는 지지축(111a)을 중 심으로 프레임(130)에 대하여 상하방향으로 회전한다. 탄성와이어(152)는 동작상태에 따라 경로가 변형될 수 있으며, 그 일단을 밀거나 당길 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로봇용 안구의 회전장치(100)는 안구(110)와 제2 액츄에이터(142) 사이에서 탄성와이어(152)를 가이드하는 관형부재(155)를 더 포함할 수 있다. 탄성와이어(152)는 관형부재(155)의 중공부에서 관형부재(155)의 경로를 따라 선형적으로 이동가능하다. 관형부재(155)는 안구(110)의 회전시 탄성와이어(152)가 변형되는 정도를 고려하여 적절하게 위치될 수 있다. 관형부재(155)의 양단에는 후술하게 될 볼형 피봇(180)이 결합된다. 관형부재(155)는 탄성와이어(152)가 안구 회전장치 또는 로봇의 다른 부품의 작동에 방해가 되지 않도록 탄성와이어(152)의 경로를 결정할 뿐만 아니라, 탄성와이어(152)를 밀고 당길 때 탄성와이어(152)의 좌굴을 방지하는 역할을 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇용 안구의 회전장치(100)는 관형부재(155)의 양단에 배치되는 볼형 피봇(180)을 더 포함할 수 있다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 볼형 피봇(180)은 상부 및 하부에서 고정되는 상부 및 하부홀더(181, 182)와, 상부홀더(181)과 하부홀더(182) 사이에 배치되어 자유롭게 회전가능한 볼(183)을 포함한다. 볼(183)에는 탄성와이어(152)가 관통하기 위한 관통공이 형성되어 있다. 볼형 피봇(180)은 관형부재(155)를 소정의 위치에서 고정할 뿐만 아니라, 안구(110)의 회전시 관형부재(155)의 양단에서 탄성와이어(152)의 좌굴을 방지하고 탄성와이어(152)의 곡률변화를 최소화하는 역할을 한다.

게다가, 탄성와이어(152)의 일단은 안구(110)에 구비된 제1 원통형 피 봇(170)에 결합되고 그 타단은 제2 액츄에이터(142)의 아암(144)에 구비된 제2 원통형 피봇(175)에 결합될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 원통형 피봇(170)은 안구(110)의 결합홈(113)에 결합되는 커플링(171)과, 외측이 커플링(171)에 결합되는 베어링(172)과, 베어링(172)의 내측에 결합되어 회전가능한 원통부(173)를 포함한다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 원통형 피봇(175)은 제2 액츄에이터(142)의 아암(144)에 회전가능하게 결합된다. 제1 및 제2 원통형 피봇(170, 175)은 각각 회전가능하게 구성되어 탄성와이어(152)의 좌굴을 방지하고 탄성와이어(152)의 곡률변화를 최소화하는 역할을 한다.

도 6은 도 3의 안구가 회전되지 않은 상태를 보인 저면도이고, 도 7은 도 3의 안구가 좌측으로 회전된 상태를 보인 저면도이다.

이 실시예의 로봇용 안구의 회전장치(100)는 제1 액츄에이터(141)의 회전운동에 의해 링크(151)가 회동하여 프레임(130)과 결합된 안구(110)를 본체(120)에 대하여 좌우방향으로 회전시킬 수 있다. 또한, 로봇용 안구의 회전장치(100)는 제2 액츄에이터(142)의 회전운동에 의해 탄성와이어(152)가 안구(110)를 밀고 당김으로써 안구(110)를 프레임(130)에 대하여 상하방향으로 회전시킬 수 있다. 도 6에서 제1 원통형 피봇(170) 측의 탄성와이어(152)는 직선을 이루는 반면, 도 7에서 제1 원통형 피봇(170) 측의 탄성와이어(152)는 안구(110)의 회전에 의해 좌측으로 완만하게 휘어진다.

게다가, 로봇용 안구의 회전장치(100)는 안구(110)가 좌우방향으로 회전된 상태에서 제2 액츄에이터(142)의 회전에 의해 안구(110)를 상하방향으로 회전시킬 수 있다. 이와 반대로, 로봇용 안구의 회전장치(100)는 안구(110)가 상하방향으로 회전된 상태에서 제1 액츄에이터(141)의 회전에 의해 안구(110)를 좌우방향으로 회전시킬 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

도 1은 종래의 로봇 안구장치를 보인 사시도이다.

도 2는 도 1의 로봇 안구장치의 분해사시도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇용 안구의 회전장치의 사시도이다.

도 4는 도 3의 안구의 회전장치를 다른 측면에서 바라본 분해사시도이다.

도 5는 도 3의 프레임과 볼형 피봇을 보인 분해사시도이다.

도 6은 도 3의 안구가 회전되지 않은 상태일 때를 보인 저면도이다.

도 7은 도 3의 안구가 좌측으로 회전된 상태일 때를 보인 저면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

110 : 안구

120 : 본체

130 : 프레임

141, 142 : 제1, 제2 액츄에이터

151 : 링크

152 : 탄성와이어

155 : 관형부재

170,175 : 제1, 제2 원통형 피봇

180 : 볼형 피봇

Claims

안구와,

카메라가 장착되는 본체와,

상기 본체에 대하여 좌우방향으로 회전가능하게 상기 본체에 결합되는 제1 부분과 상기 안구를 상하방향으로 회전가능하게 지지하는 제2 부분을 구비하는 프레임과,

상기 본체에 각각 고정되어 회전구동하는 제1 및 제2 액츄에이터와,

일단이 상기 프레임의 제1 부분에 연결되고 타단이 상기 제1 액츄에이터에 연결되어 상기 제1 액츄에이터의 회전구동을 전달하는 링크와,

일단이 상기 안구에 연결되고 타단이 상기 제2 액츄에이터에 연결되어 상기 제2 액츄에이터의 회전구동을 전달하는 탄성와이어를 포함하고,

상기 안구 및 상기 프레임은 상기 제1 액츄에이터의 회전구동에 의해 상기 본체에 대하여 좌우방향으로 회전하고,

상기 안구는 상기 제2 액츄에이터의 회전구동에 의해 상기 프레임 및 상기 본체에 대하여 상하방향으로 회전하는

로봇용 안구의 회전장치.
제1항에 있어서,

상기 안구와 상기 제2 액츄에이터 사이에서 상기 탄성와이어를 가이드하는 관형부재를 더 포함하는

로봇용 안구의 회전장치.
제2항에 있어서,

상기 관형부재의 양단에 배치되는 볼형 피봇을 더 포함하는

로봇용 안구의 회전장치.
제1항에 있어서,

상기 탄성와이어의 일단은 상기 안구에 구비된 제1 원통형 피봇에 연결되고 그 타단은 상기 제2 액츄에이터의 아암에 구비된 제2 원통형 피봇에 연결되는

로봇용 안구의 회전장치.