KR20110052891A

KR20110052891A - 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치 및 이를 이용한 자동화 로봇

Info

Publication number: KR20110052891A
Application number: KR1020090109613A
Authority: KR
Inventors: 김성태; 강동수; 박영준; 조기수
Original assignee: 삼성중공업 주식회사
Priority date: 2009-11-13
Filing date: 2009-11-13
Publication date: 2011-05-19
Also published as: KR101052519B1

Abstract

케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치는 제1모터에 의해 회전하는 제1입력체와, 제1입력체의 전방에 제1입력체의 회전축과 동심축으로 설치되며 제2모터에 의해 회전하는 제2입력체와, 제1입력체의 회전축과 직교하는 회전축을 갖고 제1입력체와 연결된 제1케이블에 의해 회전하는 제1입력 회전체와, 제1입력 회전체의 회전축과 동일축으로 배치되어 제2입력체와 직교하게 설치되며 제2입력체와 연결된 제2케이블에 의해 회전하는 제2입력 회전체와, 제1입력 회전체와 이격되어 제1입력체의 회전축과 직교하는 회전축을 갖고 제1입력 회전체와 제1전달부재로 연결되어 회전하는 제1출력 회전체와, 제2입력체의 회전축을 기준으로 제1출력 회전체와 대칭으로 배치되고 제2입력 회전체와 제2전달부재로 연결되어 회전하는 제2출력 회전체와, 상기 제1출력 회전체 및 상기 제2출력 회전체의 회전축과 직교하는 회전축을 갖고 상기 제1출력 회전체와 연결된 제3케이블과 상기 제2출력 회전체와 연결된 제4케이블의 상호 연동에 의해 작동하는 출력체를 포함한다. 이러한 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치는 Pitch-Yaw 운동을 구현할 수 있으며, 케이블 구동 방식을 적용하였기에 Zero backlash와 low friction을 구현할 수 있다. 또한 모터를 링크의 길이방향으로 배치할 수 있기에 링크 폭이 넓어지는 문제가 없어서 로봇팔의 손목축으로 사용 가능한 구조이다. 그리고 pitch 축과 yaw 축이 한 점에서 일치하기에 로봇 기구학이 간단해지므로 제어 및 해석적인 해를 구하는데 용이한 장점이 있다.

로봇, 관절, 손목, 모터, 회전체, 출력체, Pitch, Yaw

Description

케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치 및 이를 이용한 자동화 로봇 {CABLE-DRIVEN JOINT MECHANISM AND AUTOMATIC ROBOT OF USE IT}

본 발명은 케이블 구동 방식의 로봇의 관절 장치 및 이를 이용한 자동화 로봇에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 케이블에 의해 구동력이 전달되면서 Pitch-Yaw 운동의 구현이 가능한 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치 및 이를 이용한 자동화 로봇에 관한 것이다.

일반적으로 산업화가 진행됨에 따라 작업환경이 어렵거나 단순 반복적인 작업이 진행되는 곳에서는 작업자를 대체하여 로봇이 설치되고 있다.

일반적으로 로봇에는 다수의 관절이 구비되어 있고, 이 관절을 구동시키기 위한 다양한 로봇 관절 장치가 설치된다.

종래의 로봇 관절 장치는 서로 맞물리는 기어들이 배치되고, 모터에 의해 기어들을 구동시켜 관절을 작동시킨다. 또한, 복수개의 기어를 배치하는 방식에 따라 다양한 조합의 운동 구현이 가능하다.

그런데 이러한 종래의 로봇 관절 장치는 기어들 사이의 공차와, 기어치들에 형성되는 백래쉬 및 마찰에 의해 정밀제어가 어려운 단점이 있다.

이에 따라 최근에는 케이블을 이용하여 동력을 전달하는 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치가 개발되어 사용되고 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 Pitch-Roll 운동의 구현을 위한 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치의 일부를 도시한 정면도이다.

종래의 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치는 로봇 암(1)에 제1모터(10)와 제2모터(20)가 설치되어 있고, 제1모터(10)에 의해 회전되는 제1입력체(12)와, 제1입력체(12)의 상부에 설치되어 제2모터(20)에 의해 회전되는 제2입력체(22)를 포함한다.

제2입력체(22)는 제1입력체(12)와 동일한 회전축으로 회전 가능하게 설치되고, 제1입력체(12)에 대해 독립적으로 회전하도록 구성되어 있다.

제1입력체(12)의 회전축과 동일평면에는 이 회전축과 수직한 회전축을 갖는 제1회전체(14)가 설치된다. 그리고, 제2입력체(22)의 회전축과 동일평면에는 제1입력체(12)의 회전축을 기준으로 제1회전체(14)와 대칭으로 제2회전체(24)가 설치된다.

그리고, 제1회전체(14) 및 제2회전체(24)의 회전축과 수직한 평면상에 회전축을 갖는 출력체(30)가 설치된다. 출력체(30)는 제1회전체(14)와 제2회전체(24)의 상호 연동에 의해 롤링(Rolling : 회전 구현) 또는 피칭(Pitching : 선회 구현)가 가능하다.

또한, 제1입력체(12)와 제1회전체(14), 제1회전체(14)와 출력체(30), 제2입력체(22)와 제2회전체(24) 및 제2회전체(24)와 출력체(30)에는 각각 다른 회전방향으로 감긴 한 쌍의 케이블이 설치되어 있다.

그러나 종래 기술은 피치(pitch)-롤(roll)의 2자유도 운동을 구현하기 위해 제안된 것이기에 피치(pitch)-요(yaw) 운동을 구현하는데 적용시 피치(pitch : 선회)운동범위에 제한이 생기는 문제가 있다. 그리하여 종래 기술을 이용하여 피치(pitch)-요(yaw) 운동을 구현한다면 출력체(30)가 피칭(pitching : 선회)하는 과정에서 제1입력체(12) 및 제2입력체(22)와 닿게 되며, 이에 따라 피칭(pitching : 선회) 가능 범위가 0도에서 150도 정도가 되어 (-)각도 방향으로의 운동을 구현하는 것이 불가능한 제한점이 있다.

본 발명은, -90도 내지 +90도의 Pitch(선회) 운동 범위와 -90도 내지 +90도의 Yaw(요) 운동 범위의 구현이 가능하며, 구동력 전달시 백래쉬가 발생하지 않고 마찰이 적어 정밀제어가 가능하고, 구동 모터가 링크의 길이방향으로 배치되어 전체적인 크기를 작게 할 수 있으며, 제어가 용이한 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치는 제1모터에 의해 회전하는 제1입력체와, 제1입력체의 전방에 제1입력체의 회전축과 동심축으로 설치되며 제2모터에 의해 회전하는 제2입력체와, 제1입력체의 회전축과 직교하는 회전축을 갖고 제1입력체와 연결된 제1케이블에 의해 회전하는 제1입력 회전체와, 제1입력 회전체의 회전축과 동일축으로 배치되어 제2입력체와 직교하게 설치되며 제2입력체와 연결된 제2케이블에 의해 회전하는 제2입력 회전체와, 제1입력 회전체와 이격되어 제1입력체의 회전축과 직교하는 회전축을 갖고 제1입력 회전체와 제1전달부재로 연결되어 회전하는 제1출력 회전체와, 제2입력체의 회전축을 기준으로 제1출력 회전체와 대칭으로 배치되고 제2입력 회전체와 제2전달부재로 연결되어 회전하는 제2출력 회전체와, 상기 제1출력 회전체 및 상기 제2출력 회전체의 회전축과 직교하는 회전축을 갖고 상기 제1출력 회전체와 연결된 제3케이블과 상기 제2출력 회전체와 연결된 제4케이블의 상호 연동에 의해 작동하는 출력체를 포함한다.

제1전달부재 및 제2전달부재는 벨트부재 또는 구동용 케이블 부재를 포함할 수 있다.

제1케이블, 제2케이블, 제3케이블 및 제4케이블은 각각 서로 다른 회전 방향으로 감긴 한 쌍의 케이블을 포함할 수 있다.

출력체에는 용접토치 또는 도장용 스프레이건을 포함하는 로봇 말단 장치(end-effector) 또는 로봇 매니퓰레이터를 구성하는 링크가 설치될 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 자동화 로봇은 로봇 암과, 상기 로 봇 암에 설치된 청구항 1 또는 청구항 2에 따른 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치와, 상기 로봇 관절 장치를 제어하는 제어부를 포함한다.

본 발명을 통해 Pitch-Yaw의 2자유도 운동이 가능한 로봇의 관절부를 구현할 수 있다. 또한, 로봇의 관절이 케이블에 의해 구동되므로 백래쉬가 없어 백래쉬에 의한 작동오차를 줄일 수 있으며, 마찰저항이 매우 작은 기계적 특성을 보이므로 정밀 제어에 탁월한 효과를 보여준다. 관절의 작동 영역 또한 넓어서 (-90도~+90도의 Pitch 운동 범위, -90도~+90도의 Yaw 운동 범위) 다양한 작업에 적용 가능하다. 그리고, 모터를 로봇 링크의 길이방향으로 설치할 수 있어 로봇의 폭을 작게 할 수 있으며, 이에 따라 로봇의 손목 관절의 구성에 유리하다. 또한, Pitch-Yaw 2자유도 운동의 회전축이 한점에서 교차하기에 기구학 식이 간단해지므로 기구학 해석 및 제어가 용이한 효과가 있다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 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 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발 명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

이하, 본 발명에 따른 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치 및 이를 이용한 자동화 로봇의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치를 도시한 정면도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치를 도시한 평면도이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치를 도시한 분해사시도이다.

도 2 내지 도 5를 참고하면, 로봇 암(100), 프레임(102), 제1축지지부(104), 제2축지지부(106), 제1모터(110), 제1입력체(112), 제1입력 회전체(114), 제1전달부재(116), 제1출력 회전체(118), 제2모터(120), 제2입력체(122), 제2입력 회전체(124), 제2전달부재(126), 제2출력 회전체(128), 출력체(130), 도장용 스프레이건(140), 브래킷(142)이 도시되어 있다.

본 실시예에 따른 Pitch-Yaw 운동을 위한 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치는 다양한 방향으로 움직이는 로봇 암(100)을 포함할 수 있고, 로봇 암(100)의 단부에 용접토치나 도장용 스프레이건(140)과 같은 로봇 말단 장치(end-effector)가 설치되거나, 로봇 매니퓰레이터를 구성하는 다른 링크가 더 추가될 수 있다.

로봇 암(100)에는 이러한 장치들을 자유롭게 움직이기 위한 로봇 관절 장치 가 구비된다.

로봇 관절 장치는 로봇 암(100)의 프레임(102)에 설치되며, 이 프레임(102)의 후방으로 병렬로 설치된 제1모터(110)와 제2모터(120)를 포함할 수 있다.

프레임(102)은 전방 및 상, 하부가 개방되어 있으며, 이 프레임(102)의 후면에는 제1모터(110)에 의해 회전하는 제1입력체(112)가 설치된다. 그리고, 제1입력체(112)의 전방에는 제2입력체(122)가 회전가능하게 설치된다.

제1입력체(112)와 제2입력체(122)는 서로 독립적으로 회전할 수 있도록 설치된다.

보다 상세하게는 제1입력체(112)는 후방으로 내부가 중공된 실린더(113)가 구비된다. 그리고, 이 실린더(113)의 외측에는 제1모터(110)의 구동축과 연결되어 회전력을 전달하는 벨트(111) 또는 케이블 부재가 설치된다.

그리고, 제2입력체(122)의 후방에는 제1입력체(112)의 실린더(113)와 동심축으로 배치되는 축부재(123)가 구비되며, 이 축부재(123)는 제1입력체(112)의 실린더(113)에 관통하여 배치된다. 이 축부재(123)는 제2모터(120)의 회전축에 연결되어 회전력을 전달한다.

프레임(102)의 일 측면에는 제1입력 회전체(114)가 설치된다. 제1입력 회전체(114)는 제1입력체(112)의 회전축과 직교하는 회전축을 갖는다.

또한, 프레임(102)의 타 측면에는 제2입력 회전체(124)가 제1입력 회전체(114)와 대향되게 설치된다. 제2입력 회전체(124)의 회전축은 제1입력 회전체(114)의 회전축과 동일축으로 배치되고, 제2입력체(122)의 회전축과는 직교한다.

제1입력체(112)와 제1입력 회전체(114)에는 제1케이블(115)이 연결된다. 제1케이블(115)은 제1입력체(112)와 제1입력 회전체(114)에 감겨져 끝단이 고정되어 연결되며, 제1입력체(112)가 회전함에 따라 제1케이블(115)이 당겨지며 제1입력 회전체(114)를 회전시킨다.

보다 상세하게는, 제1케이블(115)은 양 방향으로 회전력을 전달하기 위해서 각각 한 쌍으로 이루어진다. 이와 같이 쌍으로 이루어진 케이블들은 서로 다른 회전 방향으로 감겨 설치된다.

즉, 제1케이블 중 하나(115a)는 제1입력체(112)의 원주면 윗면으로 감겨진 후, 제1입력 회전체(114)의 원주면과 만나는 지점에서 제1입력 회전체(114)의 원주면 아랫면으로 부드럽게 넘어가 감겨진다.

또한, 제1케이블 중 다른 하나(115b)는 제1입력체(112)의 원주면 아랫면으로 감겨진 후, 제1입력 회전체(114)의 원주면과 만나는 지점에서 제1입력 회전체(114)의 원주면 윗면으로 부드럽게 넘어가 감겨진다.

또한, 제2입력체(122)와 제2입력 회전체(124)에는 제2케이블(125)이 연결된다. 제2케이블(125)은 제2입력체(122)와 제2입력 회전체(124)에 감겨져 연결되며, 제2입력체(122)가 회전함에 따라 제2케이블(125)이 당겨지며 제2입력 회전체(124)를 회전시킨다.

보다 상세하게는, 제2케이블(125)은 양 방향으로 회전력을 전달하기 위해서 각각 한 쌍으로 이루어진다. 이와 같이 쌍으로 이루어진 케이블들은 서로 다른 회전 방향으로 감겨 설치된다.

즉, 제2케이블 중 하나(125a)는 제2입력체(122)의 원주면 윗면으로 감겨진 후, 제2입력 회전체(124)의 원주면과 만나는 지점에서 제2입력 회전체(124)의 원주면 아랫면으로 부드럽게 넘어가며 감겨진다.

또한, 제2케이블 중 다른 하나(125b)는 제2입력체(122)의 원주면 아랫면으로 감겨진 후, 제2입력 회전체(124)의 원주면과 만나는 지점에서 제2입력 회전체(124)의 원주면 윗면으로 부드럽게 넘어가며 감겨진다.

이와 같이 본 실시예에서 회전력을 전달하는 케이블(115, 125)들은 당겨지는 방향에 대해서만 회전력을 전달할 수 있기 때문에, 양 방향으로 회전력을 전달하기 위해서 각각 한 쌍으로 이루어진다. 이와 같이 쌍으로 이루어진 케이블들은 서로 다른 회전 방향으로 감겨 설치된다.

더불어, 제1입력 회전체(114)와 제2입력 회전체(124) 사이에는, 제1입력 회전체(114)와 제2입력 회전체(124) 사이를 지지하여 이탈을 방지하고 제1입력 회전체(114)와 제2입력 회전체(124)의 회전축을 동일선상에 유지하기 위한 제1축지지부(104)가 설치될 수 있다. 또한, 이 제1축지지부(104)에는 제2입력체(122)로 연장된 연장보(104a)가 더 설치될 수 있다.

한편, 프레임(102)은 양 측면이 길이방향으로 길게 형성되며, 제1입력 회전체(114) 및 제2입력 회전체(124)와 이격되어 제1출력 회전체(118) 및 제2출력 회전체(128)가 각각 설치될 수 있다.

즉, 제1출력 회전체(118)는 제1입력 회전체(114)와 이격되어 프레임(102)의 일측면에 설치되며, 제1입력체(112)의 회전축과 직교하는 회전축을 갖는다.

제2출력 회전체(128)는 제1출력 회전체(118)와 대향되게 설치된다. 또한, 제2출력 회전체(128)는 제2입력 회전체(124)와 이격되어 프레임(102)의 타측면에 설치된다. 제2출력 회전체(128)의 회전축은 제2입력체(122)의 회전축과는 직교하고 제1출력 회전체(118)의 회전축과는 동일축으로 배치된다.

여기서, 제1출력 회전체(118)는 제1입력 회전체(114)와 제1전달부재(116)로 연결되고, 제2출력 회전체(128)는 제2입력 회전체(124)와 제2전달부재(126)로 연결된다. 제1출력 회전체(118)와 제2출력 회전체(128)는 각각 제1전달부재(116)와 제2전달부재(126)에 의해 제1입력 회전체(114)와 제2입력 회전체(124)의 회전력이 전달된다.

본 실시예에서 제1전달부재(116)와 제2전달부재(126)는 벨트부재로 이루어질 수 있다. 일례로, 벨트부재는 타이밍 벨트(timing belt)로 이루어질 수 있으며, 이에 따라 회전력을 오차 없이 전달할 수 있다. 또한, 제1전달부재(116)와 제2전달부재(126)는 케이블로 이루어지는 것도 가능하고, 이 경우 제로 백래쉬뿐 아니라 아주 작은 마찰저항을 구현할 수 있다.

또한, 프레임(102)의 전방에는 제1출력 회전체(118) 및 제2출력 회전체(128)의 회전축과 직교하는 회전축(Yaw축)과, 제1출력 회전체(118) 및 제2출력 회전체(128)의 회전축과 동일한 선회축(Pitch축)을 갖는 출력체(130)가 설치된다.

이 출력체(130)는 제3케이블에 의해 제1출력 회전체(118)와 연결되고, 제4케이블(129)에 의해 제2출력 회전체(128)와 연결된다. 제1출력 회전체(118) 또는 제2출력 회전체(128)가 각각 회전하면 제3케이블(119) 또는 제4케이블(129)이 당겨지 며, 이에 연동하여 출력체(130)의 Pitch 운동 또는 Yaw 운동이 구현된다.

제3케이블(119)과 제4케이블(129)의 연결구조는 제1케이블(115)과 제2케이블(125)의 연결구조와 동일하게 설치된다.

더불어, 제1출력 회전체(118)와 제2출력 회전체(128) 사이에는, 제1출력 회전체(118)와 제2출력 회전체(128) 사이를 지지하여 이탈을 방지하고, 제1출력 회전체(118)와 제2출력 회전체(128)의 회전축을 동일선상에 유지하기 위한 제2축지지부(106)가 설치될 수 있다. 또한, 이 제2축지지부(106)에는 출력체(130)가 회전 가능하게 설치되는 제2연장보가 형성된다.

또한, 입력체, 회전체 및 출력체는 점차적으로 단면적이 좁아지는 단턱부가 형성될 수 있으며, 각 케이블들이 이 단턱부에 각각 감겨짐에 따라 서로 간섭되지 않고, 케이블들이 이탈되는 것을 막을 수 있다.

한편, 이 출력체(130)는 실질적인 동작이 이루어지는 부재로서, 이 출력체(130)의 단부에는 도장용 스프레이건(140)이나 용접 토치, 검사용 카메라 등과 같은 부가 장치가 더 설치될 수 있다.

본 실시예에서, 출력체(130)의 단부에는 브래킷(142)이 설치되고, 이 브래킷(142)에 도장용 스프레이건(140)이 설치된다.

전술된 바와 같이 구성된 Pitch-Yaw 운동을 위한 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치(100)의 작용을 살펴보면 다음과 같다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치가 정방향 요 운동하는 상태의 작동도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치가 정방향 요 운동한 상태의 평면도이다.

도 6과 도 7을 참고하면, 제1모터(110) 및 제2모터(120)가 정회전하면, 제1모터(110)와 연결된 제1입력체(112)가 정방향으로 회전하고 제2모터(120)와 연결된 제2입력체(122)가 정방향으로 회전한다.

그리고 제1입력체(112)가 정방향으로 회전하면, 아래쪽으로 설치된 제1케이블(115b)에 장력이 가해져 제1입력체(112)의 원주면에 감겨지면서 제1입력 회전체(114)의 위쪽으로 감긴 제1케이블(115b)을 당긴다. 이에 따라 제1입력 회전체(114)는 도시된 화살표와 같이 역방향으로 구동된다. 또한 제1입력체(112)의 위에 감긴 제1케이블(115a)은 풀리면서 제1입력 회전체(114)의 원주면을 따라 감겨지게 된다.

그리고, 제1입력 회전체(114)의 역방향 회전력은 제1전달부재(116)인 타이밍 벨트(116)로 전달되고, 이에 따라 타이밍 벨트(116)가 역회전하며 제1출력 회전체(118)를 역방향으로 회전시킨다.

제1출력 회전체(118)는 역방향으로 회전함에 따라 제1출력 회전체(118)의 위쪽으로 감긴 제3케이블(119a)을 당기게 된다.

한편, 제2입력체(122)가 정방향으로 회전하면, 위쪽으로 설치된 제2케이블(125a)에 장력이 가해져 제2입력체(122)의 원주면에 감겨지면서 제2입력 회전체(124)의 아래쪽으로 감긴 제2케이블(125a)을 당긴다. 이에 따라 제2입력 회전체(124)는 도시된 화살표와 같이 정방향으로 회전한다. 또한, 제2입력체(122)의 아래쪽으로 감긴 제2케이블(125b)은 풀리면서 제2입력 회전체(124)의 원주면을 따라 감겨지게 된다.

그리고, 제2입력 회전체(124)의 정방향 회전력은 제2전달부재(126)인 타이밍 벨트(126)로 전달되고, 이에 따라 타이밍 벨트(126)가 정회전하며 제2출력 회전체(128)를 정방향으로 회전시킨다.

제2출력 회전체(128)는 정방향으로 회전함에 따라 제2출력 회전체(128)의 아래쪽으로 감긴 제4케이블(129a)을 당기게 된다.

전술된 바와 같이, 제3케이블(119a)과 제4케이블(129a)은 출력체(130)를 서로 회전시키게 되며, 제1모터(110)와 제2모터(120)가 동일한 속도로 정방향 회전하면 출력체(130)는 도시한 화살표와 같이 정방향의 요(yaw)운동만 하게 된다.

또한, 이와 반대로 제1모터(110)와 제2모터(120)가 동일한 속도로 역방향 회전하면, 출력체(130)은 도 7에 도시한 화살표와 같이 역방향의 요 운동만 하게 된다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치가 역방향 요 운동하는 상태도의 작동도이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치가 역방향 요 운동한 상태의 평면도이다.

도 8과 도 9를 참고하면, 제1입력체(112)가 역방향으로 회전하면, 위쪽으로 설치된 제1케이블(115a)에 장력이 가해져 제1입력체(112)의 원주면에 감겨지면서 제1입력 회전체(114)의 아래쪽으로 감긴 제1케이블(115a)을 당긴다.

이에 따라 제1입력 회전체(114)는 도시한 화살표와 같이 정방향으로 구동된 다. 또한, 제1입력체(112)의 아래에 감긴 제1케이블(115b)은 풀리면서 제1입력 회전체(114)의 원주면을 따라 감겨지게 된다.

그리고, 제1입력 회전체(114)의 정방향 회전력은 제1전달부재(116)인 타이밍 벨트(116)로 전달되고, 이에 따라 타이밍 벨트(116)가 정회전하며 제1출력 회전체(118)를 정방향으로 회전시킨다.

제1출력 회전체(118)는 정방향으로 회전함에 따라 제1출력 회전체(118)의 아래쪽으로 감긴 제3케이블(119b)을 당기게 된다.

한편, 제2입력체(122)가 역방향으로 회전하면, 아래쪽으로 설치된 제2케이블(125b)에 장력이 가해져 제2입력체(122)의 원주면에 감겨지면서 제2입력 회전체(124)의 위쪽으로 감긴 제2케이블(125b)을 당긴다. 이에 따라 제2입력 회전체(124)는 도시한 화살표와 같이 역방향으로 회전한다. 또한 제2입력체(122)의 위쪽으로 감긴 제2케이블(125a)은 풀리면서 제2입력 회전체(124)의 원주면을 따라 감겨지게 된다.

그리고, 제2입력 회전체(124)의 역방향 회전력은 제2전달부재인 타이밍 벨트(126)로 전달되고, 이에 따라 타이밍 벨트(126)가 역회전하며 제2출력 회전체(128)를 역방향으로 회전시킨다.

제2출력 회전체(128)는 역방향으로 회전함에 따라 제2출력 회전체(128)의 위쪽으로 감긴 제4케이블(129b)을 당기게 된다.

전술된 바와 같이, 제3케이블(119b)과 제4케이블(129b)은 출력체(130)를 서로 회전시키게 되며, 제1모터(110)와 제2모터(120)가 동일한 속도로 역방향 회전하 면 출력체(130)는 도시한 화살표와 같이 역방향의 요(yaw)운동만 하게 된다.

한편, Pitch-Yaw 운동을 위한 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치(100)가 피치 방향으로 운동하는 과정을 살펴보면 다음과 같다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치가 정방향 피치 운동하는 상태도의 작동도이고, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치가 정방향 피치 운동한 상태의 평면도이다.

도 10과 도 11을 참고하면, 제1모터(110)가 정회전하고, 제2모터(120)가 제1모터(110)와 역회전하면, 제1모터(110)와 연결된 제1입력체(112)가 정방향으로 회전하고, 제2모터(120)와 연결된 제2입력체(122)는 역방향으로 회전한다.

제1입력체(112)가 정방향으로 회전하면, 아래쪽으로 설치된 제1케이블(115b) 에 장력이 가해져 제1입력체(112)의 원주면에 감겨지면서 제1입력 회전체(114)의 위쪽으로 감긴 제1케이블(115b)을 당긴다. 이에 따라 제1입력 회전체(114)는 도시된 화살표와 같이 역방향으로 구동된다. 또한 제1입력체(112)의 위에 감긴 제1케이블(115a)은 풀리면서 제1입력 회전체(114)의 원주면을 따라 감겨지게 된다.

그리고, 제1입력 회전체(114)의 역방향 회전력은 제1전달부재인 타이밍 벨트(116)로 전달되고, 이에 따라 타이밍 벨트(116)가 역회전하며 제1출력 회전체(118)를 역방향으로 회전시킨다.

한편, 제2입력체(122)가 역방향으로 회전하면, 아래쪽으로 설치된 제2케이 블(125b)에 장력이 가해져 제2입력체(122)의 원주면에 감겨지면서 제2입력 회전체(124)의 위쪽으로 감긴 제2케이블(125b)을 당긴다. 이에 따라 제2입력 회전체(124)는 도시한 화살표와 같이 역방향으로 회전한다. 또한 제2입력체(122)의 위쪽으로 감긴 제2케이블(125a)은 풀리면서 제2입력 회전체(124)의 원주면을 따라 감겨지게 된다.

전술한 바와 같이, 제3케이블(119a)과 제4케이블(129b)은 출력체(130)의 위쪽을 서로 당기게 되며, 제1모터(110)는 정방향으로 회전하고 제2모터(120)는 역방향으로 제1모터(110)와 동일 속도로 회전하는 경우, 출력체(130)는 수직방향인 피치(pitch) 방향으로 정회전(도면의 전면방향)한다.

또한, 이와 반대로 제1모터(110)가 역방향으로 회전하고, 제2모터(120)가 제1모터(110)와 동일한 속도로 정방향으로 회전하면, 출력체(130)는 아래쪽이 당겨지게 되며 이에 따라 출력체(130)는 도 9와 같이 반대방향의 피치 방향으로 회전한다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치가 역방향 피치 운동하는 상태의 작동도이고, 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치가 역방향 피치 운동한 상태의 평면도이다.

즉, 도 12와 도 13을 참고하면, 제1모터(110)가 역회전하고, 제2모터(120)가 제1모터(110)와 동일한 속도로 정회전하면, 제1모터(110)와 연결된 제1입력체(112)가 역방향으로 회전하고, 제2모터(120)와 연결된 제2입력체(122)는 정방향으로 회전한다.

제1입력체(112)가 역방향으로 회전하면, 위쪽으로 설치된 제1케이블(115a)에장력이 가해져 제1입력체(112)의 원주면에 감겨지면서 제1입력 회전체(114)의 아래쪽으로 감긴 제1케이블(115a)을 당긴다. 이에 따라 제1입력 회전체(114)는 도시한 화살표와 같이 정방향으로 구동된다. 또한, 제1입력체의 아래에 감긴 제1케이블(115b)은 풀리면서 제1입력 회전체(114)의 원주면을 따라 감겨지게 된다.

그리고, 제1입력 회전체(114)의 정방향 회전력은 제1전달부재인 타이밍 벨트(116)로 전달되고, 이에 따라 타이밍 벨트(116)가 정회전하며 제1출력 회전체(118)를 정방향으로 회전시킨다.

한편, 제2입력체(122)가 정방향으로 회전하면, 위쪽으로 설치된 제2케이블(125a)에 장력이 가해져 제2입력체(122)의 원주면에 감겨지면서 제2입력 회전체(124)의 아래쪽으로 감긴 제2케이블(125a)을 당긴다. 이에 따라 제2입력 회전체(124)는 도시된 화살표와 같이 정방향으로 회전한다. 또한, 제2입력체(122)의 아래쪽으로 감긴 제2케이블(125b)은 풀리면서 제2입력 회전체(124)의 원주면을 따 라 감겨지게 된다.

그리고, 제2입력 회전체(124)의 정방향 회전력은 제2전달부재인 타이밍 벨트(126)로 전달되고, 이에 따라 타이밍 벨트(126)가 정회전하며 제2출력 회전체(128)를 정방향으로 회전시킨다.

전술한 바와 같이, 제3케이블(119b)과 제4케이블(129a)은 출력체(130)의 아래쪽을 서로 당기게 되고, 제1모터(110)는 역방향으로 제2모터(120)는 정방향으로 동일 속도로 회전하는 경우, 출력체(130)는 수직방향인 피치(pitch) 방향으로 역회전(도면의 후면방향)한다.

한편, 본 실시예의 Pitch-Yaw 운동을 위한 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치(100)는 제1모터(110) 또는 제2모터(120) 중 어느 하나만이 작동하거나 제1모터(110) 또는 제2모터(120)의 회전속도에 차이가 나면, 요 운동과 피치 운동이 동시에 발생한다.

또한, Pitch-Yaw 운동을 위한 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치(100)의 피치(Pitch) 운동과 요(Yaw) 운동은 제1모터(110) 또는 제2모터(120)의 회전방향에 따라 회전하는 정방향 또는 역방향으로 그 회전하는 방향이 제어될 수 있다.

이와 같이 구성된 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치(100)는 자동화 로봇에 설치될 수 있다.

본 실시예에서 자동화 로봇은 로봇 암을 포함하며, 이 로봇 암에는 전술된 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치(100)가 설치될 수 있다.

또한, 자동화 로봇은 로봇 암 및 로봇 관절 장치(100)의 작동을 제어하기 위한 제어부를 갖는다.

이 제어부는 제1모터(110)과 제2모터(120)의 작동을 제어하여 로봇 관절 장치(100)를 피치 또는 요 운동시킬 수 있다. 또한, 제어부는 로봇 관절 장치(100)의 작동과 함께 로봇 암을 작동시켜 자동화 공정을 수행할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치의 일부를 도시한 정면도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치를 사시도.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치의 관절부를 도시한 정면도.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치의 관절부를 도시한 평면도.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치의 관절부를 도시한 분해사시도.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치가 정방향 요 운동하는 상태의 작동도.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치가 정방향 요 운동한 상태의 평면도.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치가 역방향 요 운동하는 상태도의 작동도.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치가 역방향 요 운동한 상태의 평면도.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치가 정방향 피치 운동하는 상태도의 작동도.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치가 정방향 피치 운동한 상태의 평면도.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치가 역방향 피치 운동하는 상태의 작동도.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치가 역방향 피치 운동한 상태의 평면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 로봇 암 102 : 프레임

104 : 제1축지지부 106 : 제2축지지부

110 : 제1모터 112 : 제1입력체

114 : 제1입력 회전체 116 : 제1전달부재

118 : 제1출력 회전체 120 : 제2모터

122 : 제2입력체 124 : 제2입력 회전체

126 : 제2전달부재 128 : 제2출력 회전체

130 : 출력체 140 : 도장용 스프레이건

142 : 브래킷

Claims

제1모터에 의해 회전하는 제1입력체와,

상기 제1입력체의 전방에 상기 제1입력체의 회전축과 동심축으로 설치되며 제2모터에 의해 회전하는 제2입력체와,

상기 제1입력체의 회전축과 직교하는 회전축을 갖고 상기 제1입력체와 연결된 제1케이블에 의해 회전하는 제1입력 회전체와,

상기 제1입력 회전체의 회전축과 동일축으로 배치되어 상기 제2입력체와 직교하게 설치되며 상기 제2입력체와 연결된 제2케이블에 의해 회전하는 제2입력 회전체와,

상기 제1입력 회전체와 이격되어 상기 제1입력체의 회전축과 직교하는 회전축을 갖고 상기 제1입력 회전체와 제1전달부재로 연결되어 회전하는 제1출력 회전체와,

상기 제2입력체의 회전축을 기준으로 상기 제1출력 회전체와 대칭으로 배치되고 상기 제2입력 회전체와 제2전달부재로 연결되어 회전하는 제2출력 회전체와,

상기 제1출력 회전체 및 상기 제2출력 회전체의 회전축과 직교하는 회전축을 갖고 상기 제1출력 회전체와 연결된 제3케이블과 상기 제2출력 회전체와 연결된 제4케이블의 상호 연동에 의해 작동하는 출력체를 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 제1전달부재 및 상기 제2전달부재는 벨트부재 또는 구동용 케이블 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

상기 제1케이블, 상기 제2케이블, 상기 제3케이블 및 상기 제4케이블은 각각 서로 다른 회전 방향으로 감긴 한 쌍의 케이블을 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

상기 출력체에는 용접토치 또는 도장용 스프레이건을 포함하는 로봇 말단장치 또는 로봇 매니퓰레이터를 구성하는 링크가 설치되는 것을 특징으로 하는 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치.
로봇 암과,

상기 로봇 암에 설치된 청구항 1 또는 청구항 2에 따른 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치와,

상기 로봇 관절 장치를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 자동화 로봇.