KR20110072094A - 로봇용 안전관절장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로봇용 안전관절장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 로봇용 안전관절장치는 고정부와, 상기 고정부에 회전 가능하도록 결합되는 회전부를 포함하는 로봇용 안전관절장치에 있어서, 상기 회전부는, 중심에 돌출되게 마련되는 캠부를 포함하고, 상기 고정부는, 일단부가 회전가능하게 결합되고, 타단부는 상기 캠부와 접촉하는 종동절; 상기 종동절에 탄성력을 가함으로써 상기 회전부의 회전운동을 억제하는 탄성부;를 포함하며, 상기 회전부에 임계토크 이상이 입력되면, 상기 캠부가 상기 종동절로부터 이탈하는 것을 특징으로 한다.

이에 의하여, 간단한 구조 및 경량화를 통하여 광범위하게 사용가능한 로봇용 안전관절장치가 제공된다.

로봇, 안전, 관절, 탄성부재, 압축스프링, 캠부

Description

로봇용 안전관절장치{apparatus for safe joint for robot}

본 발명은 로봇용 안전관절장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 중량을 줄이고 구조를 단순화 함으로서 적용범위를 확대할 수 있는 로봇용 안전관절장치에 관한 것이다.

로봇의 활용 범위 및 제반 기술이 발전함에 따라 산업현장에서 뿐 아니라 실생활에서도 인간에게 필수적인 존재가 되어가고 있다.

특히, 의료, 복지, 건설 등의 인간이 제어하는 것이 용이하지 않거나 경제적이지 않은 장소에서 사용되는 로봇 및 인간에게 편리를 제공하는 대인지원 로봇 등의 서비스 로봇은 하루가 다르게 발전하고 있다.

이러한, 서비스 로봇은 그 편리함에도 불구하고 안전성이 담보되지 않는다면 상용화가 어렵다. 특히 로봇과 인간이 공유하는 활동 공간이 증가하면, 갑작스런 충돌에 의하여 인간과 로봇의 강성의 차이에서 발생하는 안전사고가 일어나고 있으며 이러한 문제의 해결책이 시급하다.

안정성이 확보된 로봇용 안전관절장치를 개발하기 위하여 차용하는 방법으로 토크를 힘센서 기반 정보에 의해 신속하게 제어하는 전자식 제어방법과, 수동형 힘 반응 장치를 장착하는 기계식 제어방법이 있다.

다만, 이러한 종래의 기계식 제어방법을 이용하는 로봇용 안전관절장치는 크기, 중량 및 제어의 복잡하고, 전자식 제어방법을 이용하는 로봇용 안전관절장치는 센서장비가 고가이고, 제어 알고리즘이 복잡하여 상용화를 하기에는 어려움이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 수 있는 로봇용 안전관절장치를 제공함에 있다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 고정부와, 상기 고정부에 회전 가능하도록 결합되는 회전부를 포함하는 로봇용 안전관절장치에 있어서, 상기 회전부는, 중심에 돌출되게 마련되는 캠부를 포함하고, 상기 고정부는, 일단부가 회전가능하게 결합되고, 타단부는 상기 캠부와 접촉하는 종동절; 상기 종동절에 탄성력을 가함으로써 상기 회전부의 회전운동을 억제하는 탄성부;를 포함하며, 상기 회전부에 임계토크 이상이 입력되면, 상기 캠부가 상기 종동절로부터 이탈하는 것을 특징으로 하는 로봇용 안전관절장치에 의해 달성된다.

또한, 상기 고정부는, 중앙에 형성되는 회전홀을 더 포함하고, 상기 회전부는, 원판형으로 돌출되게 형성되어 상기 회전홀에 수용되는 회전축을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 탄성부는, 상기 캠부의 중심에서 힘 평형을 이루도록 하나 이상의 압축 스프링을 포함할 수 있다.

또한, 상기 탄성부는, 상기 압축스프링의 내부에 수용되어 상기 압축스프링이 이탈하지 않도록 가이드 하는 스프링가이드를 포함할 수 있다.

또한, 상기 스프링가이드는, 일단부가 회전가능하게 설치되어, 타단부의 회 동에 의한 상기 압축스프링의 변형을 방지할 수 있다.

또한, 상기 종동절은, 상기 고정부의 양단에 두 쌍이 마련되되, 각각은 상호 대향하며 상기 고정부의 중심을 기준으로 대칭을 이루며 배치될 수 있다.

또한, 상기 종동절은, 네 개가 상기 캠부를 기준으로 대칭되게 구비되고, 일단은 캠부의 외측을 각각 지지하되, 타단은 상기 고정부와 회전가능하게 결합되며, 상기 탄성부는, 네 개가 상기 캠부를 중심으로 대칭되게 구비되고, 상기 종동절의 길이방향에 수직으로 배치될 수 있다.

또한, 상기 회전부는, 상기 회전홀 내에서 상기 회전축이 용이하게 회전할 수 있도록 상기 회전축의 외주면에 설치되는 회전 베어링을 더 포함할 수 있다.

또한, 일측이 상기 고정부와 결합되어 내부에 상기 회전부를 수용하되, 타측은 로봇의 바디측에 연결되는 커버부를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 커버부는, 상기 회전부의 방향으로 돌출되게 형성되고 상기 종동절의 하방에 위치됨으로써, 상기 종동절이 상기 탄성부로부터 이탈되는 것을 방지하는 스토퍼를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 단순한 구조로서 빠르게 반응하여 안전을 확보할 수 있는 로봇용 안전관절장치가 제공된다.

또한, 스프링가이드를 포함하여 압축스프링이 가이드 될 수 있다.

또한, 스프링가이드의 단부가 회전가능하게 설치되어 압축스프링의 변형을 방지할 수 있다.

또한, 대칭구조를 이용하여 효율적으로 구조화할 수 있다.

또한, 회전 베어링을 설치하여 원활한 회전을 구현할 수 있다.

또한, 커버부를 구비함으로써 회전부를 내부에 수용하여 외부로부터 충격을 피할 수 있다.

또한, 스토퍼를 구비함으로써 캠부가 이탈된 후에도 종동절은 원위치에서 크게 이탈되지 않도록 지지해줄 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 로봇용 안전관절장치(100)에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 로봇용 안전관절장치(100)의 사시도이고, 도 2는 도 1의 로봇용 안전관절장치(100)의 분리 사시도이고, 도 3은 도 1의 로봇용 안전관절장치(100)에서 회전디스크를 제거한 후의 사시도이고, 도 4는 도 1의 로봇용 안전관절장치(100)의 단면도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 로봇용 안전관절장치(100)는 고정부(110)와, 회전부(120)와, 커버부(130)를 포함한다.

상기 고정부(110)는 후술하는 회전축(122)을 수용하고, 커버부(130)와 결합되는 부재로서, 고정디스크(111)와, 지지대(113)와, 탄성부(114)와, 종동절(117)을 포함한다.

상기 고정디스크(111)는, 소정의 두께와 직경을 가지는 원판 디스크로 형성되며, 두께와 직경은 로봇의 크기, 임계토크의 크기, 사용용도 및 장소 등을 고려 하여 결정된다.

한편, 고정디스크(111)의 중심부에는 후술할 회전축(122)이 수용되어 회전하는 공간인 회전홀(112)이 소정의 직경으로 관통되며, 회전홀(112)의 직경은 회전축(122)과 회전축(122)에 포함되는 회전베어링(123)이 수용될 수 있을 정도로 정해진다.

상기 지지대(113)는, 탄성부(114)를 지지하는 부재로서, 단면의 외곽선은 고정디스크(111)의 외곽선과 일치하게 결합되도록 소정의 곡률로서 만곡되며, 내곽선은 외곽선과 평행을 이루며 소정의 두께를 가진다.

또한, 지지대(113) 양단의 내부에는 후술하는 스프링가이드(116)의 단부가 수용되는 수용부가 형성된다. 수용부가 형성되는 지지대(113)의 전후면에는 스프링가이드(116)의 단부 양면에 형성되는 돌출편이 수용되는 구멍이 관통되게 형성되어 스프링가이드(116)은 피벗회동이 가능하다.

한편, 고정디스크(111)의 중심을 기준으로 한 쌍이 고정디스크(111)의 양단에 상호 대칭되게 배치된다.

상기 탄성부(114)는, 압축스프링(115)과, 스프링가이드(116)를 포함한다.

상기 압축스프링(115)은, 상기 지지대(113)와 후술하는 종동절(117)의 사이에 구비되어 종동절(117)을 고정디스크(111)의 중심부 방향으로 탄성지지하는 부재이다. 압축스프링(115)은 지지대(113)와 고정디스크(111)에 의하여 소정 길이 압축되며, 이러한 압축변위는 압축스프링(115)의 탄성계수와 함께 후술할 임계토크를 결정하는 요소로서 작용한다.

본 실시예에서는 탄성력을 가하기 위한 부재로서 압축스프링을 사용하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 판 스프링, 태엽 스프링, 토션 스프링 등 탄성력을 가지는 다양한 부재가 이용될 수 있다.

상기 스프링가이드(116)는, 압축스프링(115)의 내부에 수용되어 압축스프링(115)이 정해진 경로에서 압축될 수 있도록 가이드 해주는 부재로서, 일단부는 압축스프링(115)에 수용될 수 있도록 압축스프링(115)의 내경보다 작은 단면의 직경을 가지는 봉으로 형성된다.

또한, 스프링가이드(116) 타단부의 양면에는 돌출편이 형성되고 상술한 지지대(113) 단부에 관통된 구멍에 수용되므로, 이를 이용하면, 스프링가이드(116)가 압축스프링(115)과 함께 피벗회동이 가능하므로, 종동절(117)이 회전함에 따라 종동절(117)에 단부가 접촉하는 압축스프링(115)이 휘어짐, 변형 및 파손 등의 현상을 방지할 수 있다.

한편, 스프링가이드(116)는 내부에 수용되는 압축스프링(115)의 압축변위를 임의로 조절할 수 있도록 체결될 수 있다.

상기 종동절(117)은, 압축스프링(116)의 압축력을 후술하는 캠부(124)에 전달하는 부재로서, 일단부에 마련되는 관통구를 통하여 나사등의 결합부재로서 회전디스크(121)와 회전가능하도록 체결되고, 타단부는 스프링가이드(116)의 단부와 캠부(124)의 사이에서 밀착되게 배치된다.

종동절(117)은 압축스프링(115)의 개수와 동일한 개수로 마련되며, 본 실시예에서는 압축스프링(115)의 단부에 총 네 개가 고정디스크(111)의 중심을 기준으 로 상하, 좌우 대칭되게 배치되며, 각 종동절(117)은 캠부(124)의 외곽부분을 지지한다.

캠부(124)와 접촉하는 종동절(117)의 단부는 단면이 소정 직경을 가지는 원호가 되는 것이나, 캠부(124)와 접촉하는 점을 기준으로 하방으로 이동할수록 곡률(curvature)이 작아지는 것이 바람직하다. 즉, 캠부(124)가 이탈할 때 지나가는 종동절(117)의 부위을 깍아냄으로써, 캠부(124)가 이탈시에 종동절(117)과의 접촉시간을 최소화하고 반응시간을 줄여 향상된 성능을 확보할 수 있다.

도 5는 도 1의 로봇용 안전관절장치(100)의 회전부의 사시도이다.

도 5를 참조하면, 상기 회전부(120)는, 일부분이 고정부(110)와 회전가능하도록 체결되는 부재로서, 회전디스크(121)와, 회전축(122)과, 회전베어링(123)과, 캠부(124)를 포함한다.

상기 회전디스크(121)는, 고정디스크(111)의 직경보다는 작은 직경의 원판형태로 형성되어, 고정부(110)와 후술하는 커버부(130)가 결합된 공간의 내부에 수용된다.

상기 회전축(122)은, 회전홀(112)의 내부에 수용되며, 회전 운동시에 축의 역할을 하는 부재로서, 회전디스크(121)의 일면에 회전홀(112)보다 작은 직경의 원기둥이 외부로 돌출되는 형태로 형성된다. 회전축(122)은 고정부(110)에 수용된 후에도 외부로 노출되고, 노출되는 면은 로봇의 팔과 같이 구동대상이 되는 부위에 결합된다.

상기 회전베어링(123)은 회전축(122)의 외면에 체결되며, 회전홀(112)에 수 용되는 회전축(122)의 회전을 원활하게 한다.

상기 캠부(124)는, 회전홀(112)이 형성되는 회전디스크(121)의 반대면에 돌출되게 형성된다. 캠부(124)의 단면은 양단부가 반원의 형태로서, 각각의 반원에는 한 쌍의 종동절(117)의 단부와 선접촉을 하며, 총 네 개의 종동절(117)이 캠부(124)에 밀착한다.

상기 커버부(130)는, 고정부(110)와 결합하여 내부공간에 회전부(120)를 수용하며, 단부가 로봇 관절의 구동부(140)와 직접연결되어 구동력을 제공받는다. 커버부(130)는, 회전디스크(121)와 동일한 형태 및 규격의 디스크 형태로 구비되되, 회전디스크(121) 상에 체결된 지지대(113)의 반대쪽 단면과 상호 체결된다.

또한, 커버부(130)의 회전디스크(121) 쪽 단면에는 캠부(124)가 이탈하면서 종동절(117)이 압축스프링(115)의 압축력에 의하여 이탈하지 않도록 종동절(117)을 고정, 지지하는 스토퍼(131)가 돌출되게 형성된다.

지금부터는 상술한 로봇용 안전관절장치(100)의 일실시예의 작동에 대하여 설명한다.

도 7은 도 1의 로봇용 안전관절장치의 작동 단면도이다.

도 1 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 로봇용 안전관절장치(100)는 커버부(130)의 단부가 로봇의 회전 관절의 모터 등과 같은 구동부(140)와 결합되어 구동력을 인가받는다.

구동부(140)에 의하여 구동력을 인가받으면 커버부(130)는 회전하고, 커버 부(130)와 결합되는 고정부(110)도 동일하게 회전한다.

이때, 구동부(140)의 반대면에서 노출되는 회전축(122)은 상기 구동부(140)에 의해 실질적인 구동 대상이 되는 대상부재(150)가 체결된다. 한편, 커버부(130)와 고정부(110)와 사이에 수용되는 회전부(120)는 탄성부(114) 및 종동절(117)에 의하여 탄성, 가압되는 캠부(124)와 체결되어 있으므로 캠부(124)의 회동에 직접적인 영향을 받는다.

초기상태에서는 탄성부(114) 및 종동절(117)과 연동되는 캠부(124)는 압축스프링(115)의 대칭적 배치에 의하여 인가받는 힘은 평형이 되므로 회전하지 않고 정적인 상태로 고정된다.

따라서, 회전부(120)는 로봇의 구동부(140)와 결합된 커버부(130)에 의해 일체로서 제어되고, 회전축(122)에 연결된 대상부재(150)도 로봇의 구동부(140)에 의하여 제어된다.

다만, 회전축(122)과 연결된 부재에 작업자 등의 부주의 또는 과실 등으로 인하여 허용가능한 토크(이하 '임계토크'라 함) 이상의 토크가 외부에서 가해지면, 압축스프링(115)에 의하여 고정되고 있던 캠부(124)는 시계방향 또는 반시계방향으로 회전한다.

이때, 캠부(124)의 회전각도가 1˚이상이 되는 경우에 캠부(124)는 종동절(117)로부터 이탈하고, 회전부(120) 전체가 압축스프링(115)의 영향에서 벗어나는 무강성 회전을 한다.

한편, 캠부(124)가 회전하여, 캠부(124)의 회전으로 인하여 캠부(124)와 접 촉유지 상태를 상실하는 종동절(117)은 하방에 위치한 스토퍼(131)로 인하여 압축스프링과(115)으로부터 이탈되지 않고 계속적인 접촉을 유지할 수 있다.

이와 같은 회전부(120)의 무강성 회전을 통하면 한계를 넘어가는 범위의 외부 충격을 흡수함으로써, 로봇이 파손되는 현상 및 조작자가 부상을 입을 위험 등을 없애거나 최소화할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 의한 로봇용 안전관절부재(100)의 임계토크는 압축스프링의 압축력과 전달각(γ:transmission angle)에 의하여 결정된다.

압축력(F)이 커지면 캠부(124)에 가해지는 힘도 증가하여 임계토크가 커지지만, 과도하게 설정된 임계토크는 파손 및 마모의 위험을 동반한다. 또한, 압축력이 작아지면 임계토크가 작아져 외부로부터 입력받을 수 있는 힘이 작아지므로 로봇의 관절로서 부적합하다.

상기 압축스프링의 압축력(F)는, 압축스프링(115)의 탄성계수(k)와 압축스프링이 압축된 변위(d)에 의하여 정해지며, 본 실시예에서의 탄성계수(k)는 10 내지 20 kN/m 로 정해지며 압축변위(d)는 2mm로 정해지는 것이 바람직하다.

도 6은 도 1의 로봇용 안전관절장치(100)의 전달각(γ:transmission)을 설명하는 그림이다.

도 6을 참조하면, 캠부(124)와 종동절(117)의 구조는 기구학적으로 4절 링크와 동일한 메카니즘에 의해 구동되는 것으로 해석된다.

상기 전달각(γ)은 4절 링크의 각 링크간에 형성되는 네 개의 각중 하나에 해당된다. 즉, 전달각(γ)은 종동절(117)과 접촉하는 캠부(124)의 단부가 형성하는 원호의 중심이 되는 점과 종동절(117)의 단부의 곡률의 중심이 되는 점을 잇는 선분과, 종동절(117)의 길이방향 선분이 이루는 각도로 정의된다.

상술한 전달각(γ)이 증가할수록 동력 전달률이 떨어져 동일한 압축력(F)에서 캠부(124)의 정적상태를 유지하는데 더 많은 외부 토크가 필요하다. 다시 말하면, 동일한 임계토크하에서 전달각(γ)과 압축력(F)은 특정 계수에 의한 상관관계를 보여주지는 않으나, 대략적인 반비례의 관계에 있다.

도 8은 도 1의 로봇용 안전관절장치의 전달각(γ)의 크기와 임계토크의 상관관계 그래프이다.

도 8을 참조하면, 캠부(124)의 정적 상태를 유지하기 위한 전달각(γ)의 변화에 따른 임계토크의 변화를 보면 다음과 같다. 본 실시예에서는 임계토크를 1000 내지 2000 N·mm 의 범위내에서 결정하기 위하여 전달각(γ)은 160 내지 170도의 범위 내에서 정한다.

다만, 압축력(F) 및 전달각(γ)은 상술한 값에 제한되는 것은 아니고, 압축력(F)과 전달각(γ)의 상관관계, 로봇의 규모, 사용용도 및 장소, 사용되는 관절의 부위 등의 요소가 고려되어 정해진 임계토크 값에 의하여 결정된다.

본 실시예에 따른 로봇용 안전관절장치를 이용하면 압축 스프링과 종동절을 포함하는 단순구조를 이용하여, 임계토크를 간단하게 변경할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허 청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 로봇용 안전관절장치의 사시도이고,

도 2는 도 1의 로봇용 안전관절장치의 분리 사시도이고,

도 3은 도 1의 로봇용 안전관절장치에서 회전디스크를 제거한 후의 사시도이고,

도 4는 도 1의 로봇용 안전관절장치의 단면도이고,

도 5는 도 1의 로봇용 안전관절장치의 회전부의 사시도이고,

도 6은 도 1의 로봇용 안전관절장치의 전달각(γ:transmission)을 설명하는 그림이고,

도 7은 도 1의 로봇용 안전관절장치의 작동 단면도이고,

도 8은 도 1의 로봇용 안전관절장치의 전달각(γ)의 크기와 임계토크의 상관관계 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110 : 고정부 120 : 회전부

111 : 고정디스크 121 : 회전디스크

112 : 회전홀 122 : 회전축

113 : 지지대 123 : 회전베어링

114 : 탄성부 124 : 캠부

117 : 종동절 130 : 커버부

Claims (10)

1. 고정부와, 상기 고정부에 회전 가능하도록 결합되는 회전부를 포함하는 로봇용 안전관절장치에 있어서,

   상기 회전부는, 중심에 돌출되게 마련되는 캠부를 포함하고,

   상기 고정부는,

   일단부가 회전가능하게 결합되고, 타단부는 상기 캠부와 접촉하는 종동절;

   상기 종동절에 탄성력을 가함으로써 상기 회전부의 회전운동을 억제하는 탄성부;를 포함하며,

   상기 회전부에 임계토크 이상이 입력되면, 상기 캠부가 상기 종동절로부터 이탈하는 것을 특징으로 하는 로봇용 안전관절장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 고정부는, 중앙에 형성되는 회전홀을 더 포함하고,

   상기 회전부는, 원판형으로 돌출되게 형성되어 상기 회전홀에 수용되는 회전축을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇용 안전관절장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 탄성부는,

   상기 캠부의 중심에서 힘 평형을 이루도록 하나 이상의 압축 스프링을 포함 하는 것을 특징으로 하는 로봇용 안전관절장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 탄성부는,

   상기 압축스프링의 내부에 수용되어 상기 압축스프링이 이탈하지 않도록 가이드 하는 스프링가이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇용 안전관절장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 스프링가이드는,

   일단부가 회전가능하게 설치되어, 타단부의 회동에 의한 상기 압축스프링의 변형을 방지하는 것을 특징으로 하는 로봇용 안전관절장치.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 종동절은,

   상기 고정부의 양단에 두 쌍이 마련되되, 각각은 상호 대향하며 상기 고정부의 중심을 기준으로 대칭을 이루며 배치되는 것을 특징으로 하는 로봇용 안전관절장치.
7. 제6항에 있어서,

   상기 종동절은, 네 개가 상기 캠부를 기준으로 대칭되게 구비되고, 일단은 상기 캠부의 외측을 각각 지지하되, 타단은 상기 고정부와 회전가능하게 결합되며,

   상기 탄성부는, 네 개가 상기 캠부를 중심으로 대칭되게 구비되고, 상기 종동절의 길이방향에 수직으로 배치되는 것을 특징으로 하는 로봇용 안전관절장치.
8. 제2항에 있어서,

   상기 회전부는,

   상기 회전홀 내에서 상기 회전축이 용이하게 회전할 수 있도록 상기 회전축의 외주면에 설치되는 회전베어링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇용 안전관절장치.
9. 제1항에 있어서,

   일측이 상기 고정부와 결합되어 내부에 상기 회전부를 수용하되, 타측은 로봇의 바디측에 연결되는 커버부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇용 안전관절장치.
10. 제9항에 있어서,

    상기 커버부는,

    상기 회전부의 방향으로 돌출되게 형성되고 상기 종동절의 하방에 위치됨으로써, 상기 종동절이 상기 탄성부로부터 이탈되는 것을 방지하는 스토퍼를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇용 안전관절장치.

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