KR20110075728A - 토크 센서를 갖는 로봇 손 - Google Patents

Abstract

본 발명은 외부 토크를 측정할 수 있는 토크 센서를 갖는 로봇 손에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 일정 형상의 프레임, 한 쌍의 구동부, 차동 기어, 한 쌍의 감속기 및 한 쌍의 토크 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 손을 제공한다. 상기 한 쌍의 구동부는 상기 프레임의 양측면에 서로 엇갈리게 설치된다. 상기 차동 기어는 상기 프레임의 상단에 형성된 관절부에 배치되고, 상기 구동부의 구동축에 연결된다. 상기 한 쌍의 감속기는 상기 차동 기어의 회전축의 회전을 감속하며, 상기 구동부에 이웃하는 상기 프레임의 측면에 설치된다. 그리고 한 쌍의 토크 센서는 상기 프레임과 감속기 사이에 개재되며, 상기 감속기의 회전축을 통해서 전달되는 토크를 측정한다. 특히 상기 토크 센서는, 상기 감속기의 회전축에 대칭 형성되는 적어도 하나 이상의 빔의 양측에 각각 형성되어 상기 빔의 변형량에 의한 토크를 측정하는 스트레인 게이지를 포함한다.

본 발명에 의하면, 토크 센서를 감속기와 일체화시켜 형성하여 소형화를 요하는 로봇 관절에 적용시킴으로써, 로봇 관절에 작용하는 외부 토크를 정밀하게 측정할 수 있다.

토크 센서(torque sensor), 스트레인 게이지(strain gage), 하모닉 드라이 브(harmonic drive)

Description

토크 센서를 갖는 로봇 손{Robot Hand having torque sensor}

본 발명은 로봇 손에 작용하는 외부 토크를 측정할 수 있는 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 토크 센서를 감속기와 일체화시켜 형성하여 소형화를 요하는 로봇 관절에 적용하여 로봇 관절에 작용하는 외부 토크를 정밀하게 측정할 수 있는 토크 센서를 갖는 로봇 손에 관한 것이다.

로봇 손은 인간의 손을 대체하기 위한 것으로, 산업용 로봇 손과 인간의 손동작을 모방한 휴머노이드 로봇 손으로 구분할 수 있다.

산업용 로봇 손으로는 물체를 파지하는데 사용되는 집게 형상의 그립퍼(Gripper)와 각종 공구가 부착되어 소정의 작업을 수행하는 엔드 이펙터(end effecter)가 있다. 한편, 산업용 로봇 손은 특정한 동작을 수행하는 데는 유용하지만, 인간의 손과 같이 상황에 따른 다양한 동작을 할 수 없다는 단점이 있다.

휴머노이드 로봇 손은 자연스러운 인간의 손동작을 모방한 것으로 의수 및 휴머노이드 로봇에 적용될 경우 사람들의 거부감이 적다. 휴머노이드 로봇 손이 구비해야할 기본적인 동작으로는 손가락 끝으로 물체를 집는 정밀 파지(finger tip grasp), 손가락 및 손바닥 표면을 사용하여 물체를 강하게 움켜쥐는 강력 파 지(power grasp), 및 개별 손가락을 구부려 물체를 누르는 동작이 있다. 한편, 로봇 손의 경우는 일반적인 로봇 팔(manipulator)에 비해서 상대적으로 작기 때문에 로봇 손을 구현하기 위한 메커니즘이 소형화(compact)되어야 한다.

이와 같이 소형화된 메커니즘에서, 한정된 크기의 로봇 손에 토크 센서를 적용하여 로봇 손의 관절에 작용하는 외부 토크를 정밀하게 측정할 수 있는 로봇 손 구현 기술이 필요하게 되었다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 소형화를 요하는 로봇 관절로 전달되는 외부 토크를 정밀하고 효율적으로 측정할 수 있는 토크 센서를 갖는 로봇 손을 제공함을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 일정 형상의 프레임, 한 쌍의 구동부, 차동 기어, 한 쌍의 감속기 및 한 쌍의 토크 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 손을 제공한다. 상기 한 쌍의 구동부는 상기 프레임의 양측면에 서로 엇갈리게 설치된다. 상기 차동 기어는 상기 프레임의 상단에 형성된 관절부에 배치되고, 상기 구동부의 구동축에 연결된다. 상기 한 쌍의 감속기는 상기 차동 기어의 회전축의 회전을 감속하며, 상기 구동부에 이웃하는 상기 프레임의 측면에 설치된다. 그리고 한 쌍의 토크 센서는 상기 프레임과 감속기 사이에 개재되며, 상기 감속기의 회전축을 통해서 전달되는 토크를 측정한다. 특히 상기 토크 센서는, 상기 감속기의 회전축에 대칭 형성되는 적어도 하나 이상의 빔의 양측에 각각 형성되어 상기 빔의 변형량에 의한 토크를 측정하는 스트레인 게이지를 포함한다.

본 발명에 따른 로봇 손에 있어서, 상기 토크 센서는 상기 감속기의 회전축 에 대칭 형성되는 십자형 빔을 포함할 수 있다. 이때 상기 토크 센서의 스트레인 게이지는 상기 십자형 빔 중에서 동일 선 상에 있는 한 쌍의 빔의 양측에 각각 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 로봇 손에 있어서, 상기 토크 센서의 스트레인 게이지는 최대 변형율이 일어나는 상기 빔의 지점에 각각 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 로봇 손에 있어서, 상기 토크 센서의 스트레인 게이지는, 상기 감속기의 회전축에 대칭 형성되는 십자형 빔의 일측에 각각 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 로봇 손에 있어서, 상기 감속기는 하모닉 드라이브일 수도 있다.

본 발명에 따른 로봇 손에 있어서, 상기 차동 기어의 회전축에 연결되며, 상기 차동 기어의 회전축의 회전 속도 및 회전 위치를 감지하는 엔코더와, 상기 차동 기어의 회전축의 회전에 연동되어 회전하는 제1 풀리와, 일단은 상기 제1 풀리의 회전과 연동되어 회전하고 타단은 상기 감속기의 입력단에 결합되는 제2 풀리를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 로봇 손에 있어서, 상기 제1 풀리와 제2 풀리는 벨트에 의해서 연동될 수도 있다.

그리고 본 발명에 따른 로봇 손에 있어서, 상기 구동부는 BLDC(brushless DC) 모터일 수도 있다.

본 발명에 의하면, 토크 센서를 감속기와 일체화시켜 형성하여 소형화를 요 하는 로봇 관절에 적용시켜 로봇 관절에 작용하는 외부 토크를 정밀하게 측정함으로써, 로봇 손의 관절에 외부 토크를 제공하는 목표물에 안정적인 압력을 가하여, 목표물에 대한 로봇 손의 과도한 가압으로 인한 로봇 손 또는 목표물의 손상을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 로봇 손을 포함하는 로봇의 다관절에 확장 적용하여, 소형화된 다관절에 작용되는 외부 토크를 정밀하고 효율적으로 측정하여 다관절의 손상을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다.

하기의 설명에서는 본 발명의 실시 예에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 토크 센서를 갖는 로봇 손을 보여주는 분해 사시도이다. 도 2는 도 1의 로봇 손을 보여주는 사시도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 토크 센서(150)를 갖는 로봇 손(100)은, 프레임(110)과, 구동부(120)와, 차동 기어(130)와, 감속기(140)와, 토크 센서(150)를 포함한다. 이때 구동부(120), 감속기(140) 및 토크 센서(150)의 한 쌍이 프레임(100)의 양측면에 설치될 수 있다.

프레임(frame)(110)은 인체의 손가락의 한 마디를 모방한 형상으로 형성될 수 있다. 한편, 프레임(110)의 상단에는 후술하는 차동 기어(130)가 안착 배치되는 관절부(111)가 형성된다. 프레임(110)은 관절부(111) 아래의 마주보는 양측면에 안착부(112)와 설치부(114)가 서로 등지게 형성되어 있다. 이때 안착부(112)에는 구동부(120)가 삽입 설치되고, 설치부(114)에는 토크 센서(150)가 설치된다. 프레임(110)의 양측면은 차동 기어(130)의 양쪽으로 돌출된 출력축(131)이 향하는 면이다. 프레임(110)의 양측면에는 각각 안착부(112)와 설치부(114)가 형성되어 있다.

한 쌍의 구동부(120)는 프레임(110)의 양측면에 각각 하나씩 설치되며, 서로 엇갈리게 설치되며, 로봇 손(100)을 움직일 수 있는 동력을 전달한다. 한 쌍의 구동부(120)는 각각 안착부(112)에 설치된다.

구동부(120)는 각각 프레임(110)의 측면에 다음과 같이 설치될 수 있다. 즉 프레임(110)의 일측면에는 구동부(120)의 일단에 상응하는 형상으로 만입된 안착부(112)가 형성되며, 안착부(112)에는 구동부(120)의 일단이 삽입되어 안착된다. 한편, 구동부(120)로는 BLDC(brushless DC) 모터가 사용될 수 있다. 주지하는 바와 같이, BLDC 모터는 효율성 및 신뢰성이 상대적으로 높으며, 구동시 발생되는 소음이 비교적 적으며, 수명이 반영구적이며, 저속 및 고속에서 토크가 비교적 크고, 고속 회전이 가능하여, 소형화를 요하는 로봇 손(100)의 관절의 구동부(120)로 바람직하다.

구동부(120)의 타단은 브라켓(bracket)(121)에 삽입되어 프레임(110)에 고정 설치된다. 여기서, 브라켓(121)은 프레임(110)의 측면에 결합되어 내측에 삽입 안착된 구동부(120)를 안정적으로 지지 및 보호하는 기능을 담당한다.

차동 기어(differential gear)(130)는 프레임(110)의 상단에 형성된 관절부(111)에 삽입 배치된다. 차동 기어(130)의 회전축(131) 즉, 입력축은 구동부(120)의 구동축(122)에 연결되고 차동 기어(130)의 출력축은 제1 풀리(170)에 연결된다. 회전축(131) 및 구동축(122)의 양단은 적어도 하나의 베어링을 매개로 엔코더(160) 및 풀리(170,180)에 연결될 수 있다.

감속기(140)는 차동 기어(130)의 회전축, 즉 출력축(131)의 회전을 감속하며, 구동부(120)에 이웃하는 프레임(110)의 측면에 토크 센서(150)을 매개로 설치된다. 본 실시예에서는 한 쌍의 구동부(120)가 설치되기 때문에, 감속기(140) 또한 한 쌍이 설치된다. 예컨대, 차동 기어(130)의 출력축(131)의 회전과 연동하여 제1 풀리(170)가 회전하고, 제1 풀리(170)의 회전과 연동되어 제2 풀리(180)가 회전하고, 제2 풀리(180)의 회전을 감속기(140)가 감속하게 된다. 여기서, 제2 풀리(180)의 일단은 제1 풀리(170)의 회전과 연동되어 회전하도록 연결되고, 제2 풀리(180) 의 타단은 감속기(140)의 입력단에 결합된다. 한편, 제1 풀리(170)와 제2 풀리(180)는 무한궤도 형상의 벨트(190)에 의하여 회전 연동한다. 전술한 바와 같이, 감속기(140)는 실질적으로 차동 기어(130)의 회전축의 회전을 감속하게 된다.

감속기(140)의 타단은 브라켓(121)에 삽입되어 프레임(110)에 고정 설치된다. 여기서, 브라켓(121)은 프레임(110)의 측면 쪽에 결합되는 감속기(140)를 안정적으로 지지 및 보호하는 기능을 담당한다.

한편, 본 실시예에서, 감속기(140)는 하모닉 드라이브(harmonic drive)일 수 있다. 감속기(140)는 다수의 기어로 치합 구성된 일반 감속기일 수도 있으나, 일반 감속기의 경우 기어와 기어 사이의 맞물림 공간인 백래시(backlash)가 비교적 크기 때문에 회전 토크 제어 기능이 다소 저하되므로, 백래시가 상대적으로 적은 하모닉 드라이브를 적용하는 것이 바람직하다.

엔코더(encoder)(160)는 차동 기어(130)의 회전축(131)의 회전 속도 및 회전 위치를 감지한다. 즉, 엔코더(160)는 차동 기어(130)의 회전축(131)에 결합되어서, 차동 기어(130)로부터 감속기(140)로 전달되는 회전력의 회전 속도 및 회전 위치를 감지한다.

토크 센서(torque sensor)(150)는 프레임(110)과 감속기(140)에 개재되어 설치되며, 감속기(140)의 회전축을 통해서 전달되는 토크를 측정한다. 예컨대, 토크 센서(150)는, 감속기(140)의 일단에 결합 배치되고, 감속기(140)의 회전축에 대칭 형성되는 적어도 하나 이상의 빔(151)의 양측에 각각 형성되어 빔(151)의 변형량에 의한 토크를 측정하는 스트레인 게이지(strain gage)(152)를 포함한다. 주지하는 바와 같이, 스트레인 게이지(152)는 구조체의 변형되는 변형량을 측정하기 위하여 구조체 표면에 부착하는 게이지이다. 본 실시예에 따른 토크 센서(150)는 십자형의 빔(151) 중 동일 선상에 있는 한 쌍의 빔(151)의 양측에 각각 스트레인 게이지(152)가 설치된 구조를 예시하였다. 즉 토크 센서(150)의 십자형의 빔(151)은 4개의 빔(151)을 포함하며, 동일 선상에 2개씩의 빔(151)이 위치하며, 본 실시예에서는 수평 선상에 위치하는 2개의 빔(151)의 양측에 스트레인 게이지(152)가 형성된 예를 개시하였다. 물론 반대로 수직 선상에 위치하는 2개의 빔의 양측에 스트레인 게이지를 형성할 수도 있다. 특히 스트레인 게이지(152)는 최대 변형율이 일어나는 빔(151)의 지점에 각각 형성하는 것이 바람직하다.

한편 본 실시예에서는 십자형의 빔(151)을 구비하는 토크 센서(150)를 예시하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 토크 센서의 프레임에는 적어도 2 개 이상의 빔이 형성될 수 있으며, 구동축(122)이 결합되는 부분에 대해서 적어도 2개 이상의 빔은 서로 대칭되거나 빔들 사이의 각이 동일한 위치에 형성될 수 있다.

이때 프레임(110)에 토크 센서(150)와 감속기(140)는 다음과 같이 설치될 수 있다. 즉 프레임(110)의 일측면에는 토크 센서(150)의 일단에 상응하는 형상으로 만입된 설치부(114)가 형성되어 있다. 전술된 바와 같이 설치부(114)는 안착부(112)에 등지게 프레임(110)에 형성된다. 설치부(114)는 안착부(112)에 이웃하게 형성된다. 설치부(114)에 토크 센서(150)를 삽입한 후 볼트와 같은 체결 수단을 이용하여 프레임(110)에 고정 설치한다. 다음으로 토크 센서(150)의 타측에 감속 기(140)를 볼트와 같은 체결 수단을 이용하여 체결한다. 그리고 감속기(140)에 제2 폴리(180)이 연결된다. 엔코더(160)에 연결된 제1 폴리(170)과 감속기(140)에 연결된 제2 풀리(180)은 벨트(190)을 매개로 서로 연결된다.

여기서, 스트레인 게이지(152)는 감속기(140)의 회전축으로부터 전달되는 외력에 의한 빔(151)의 변형량을 감지하고, 감지된 변형량에 의한 토크를 측정하게 된다. 한편, 본 실시예에서는, 구조체의 변형에 의한 전기 저항의 변화를 측정하여 구조체의 변형량을 정밀하게 측정하는 스트레인 게이지, 또는 구조체의 두 지점 사이의 미소한 거리변화를 측정하여 구조체의 변형량을 정밀하게 측정하는 스트레인 게이지가 선택적으로 이용될 수 있다.

전술한 바와 같이, 토크 센서(150)를 감속기(140)와 일체화시켜 결합 형성함으로써, 소형화를 요하는 로봇 손(100)의 관절에 작용하는 외부 토크를 정밀하게 측정할 수 있다. 즉, 프레임(110)과 감속기(140) 사이에 토크 센서(150)를 개재시켜 형성하여 토크 센서(150)를 구성하기 위한 공간을 최소화하여 로봇 손(100)을 효율적으로 소형화할 수 있다.

따라서 로봇 손(100)의 관절에 외부 토크를 제공하는 목표물에 안정적인 압력을 가하여, 목표물에 대한 로봇 손(100)의 과도한 가압으로 인한 로봇 손(100) 또는 목표물의 손상을 최소화할 수 있다. 한편, 로봇 손(100)을 포함하는 로봇의 다관절에 확장 적용하여, 소형화된 다관절에 작용되는 외부 토크를 정밀하고 효율적으로 측정하여 다관절의 손상을 최소화할 수도 있다.

도 3은 도 1의 토크 센서를 보여주는 평면도이다. 도 4는 도 3의 토크 센서 의 십자형 빔의 변형량을 보여주는 예시도이다.

도 1 내지 4를 참조하면, 토크 센서(150)에 의한 빔(151)의 변형량 측정을 예시하여 상술하고자 한다.

토크 센서(150)는 감속기(140)의 회전축에 교차 형성되는, 즉 십자형으로 형성되는 빔(151)과, 감속기(140)의 회전축을 대칭축으로 하여 빔(151)의 일측에 각각 형성되는 스트레인 게이지(152)로 이루어질 수 있다.

도시된 바와 같이, 빔(151)은 감속기(140)의 회전축을 중심축으로 하여 교차 형성되어 십자형으로 형성될 수 있고, 스트레인 게이지(151)는 감속기(140)의 회전축을 대칭축으로 하여 빔(151)의 일측에 각각 대칭 형성될 수 있다.

이에 따라, 감속기(140)의 회전축으로부터 전달되는 외부 토크에 의해서 빔(151)이 변형되고, 빔(151)의 변형량이 스트레인 게이지(152)에 의해 측정될 수 있다. 즉, 도 4에 예시된 바와 같이, 빔(151)에서의 외부 토크에 의한 변형되는 위치가 변형량에 따라 구분되어 다르게 표시되어 있음을 알 수 있다.

따라서 토크 센서(150)는 스트레인 게이지(152)를 통해서 외부 토크에 따른 십자형 빔(151)의 변형량을 감지하여 감속기(140)의 회전축으로부터 전달되는 외부 토크를 정밀하게 측정할 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예를 설명함에 있어 첨부된 도면을 참조하여 특정 형상과 구조를 갖는 이동 로봇의 자기위치 인식을 위한 천장영역 인식방법에 대해 설명하였으나, 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 토크 센서를 갖는 로봇 손을 보여주는 분해 사시도이다.

도 2는 도 1의 로봇 손을 보여주는 사시도이다.

도 3은 도 1의 토크 센서를 보여주는 평면도이다.

도 4는 도 3의 토크 센서의 십자형 빔의 변형량을 보여주는 예시도이다.

Claims (7)

1. 일정 형상의 프레임과,

   상기 프레임의 양측에 서로 엇갈리게 설치되는 한 쌍의 구동부와,

   상기 프레임의 상단에 형성된 관절부에 배치되고, 상기 구동부의 구동축에 연결되는 차동 기어와,

   상기 차동 기어의 회전축의 회전을 감속하며, 상기 구동부에 이웃하는 상기 프레임의 측면에 설치되는 한 쌍의 감속기와,

   상기 프레임과 감속기 사이에 개재되며, 상기 감속기의 회전축을 통해서 전달되는 토크를 측정하는 한 쌍의 토크 센서를 포함하되,

   상기 토크 센서는, 상기 감속기의 회전축에 대칭 형성되는 적어도 하나 이상의 빔의 양측에 각각 형성되어 상기 빔의 변형량에 의한 토크를 측정하는 스트레인 게이지를 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 센서를 갖는 로봇 손.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 토크 센서는 상기 감속기의 회전축에 대칭 형성되는 십자형 빔을 포함하며

   상기 토크 센서의 스트레인 게이지는,

   상기 십자형 빔 중에서 동일 선 상에 있는 한 쌍의 빔의 양측에 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 토크 센서를 갖는 로봇 손.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 토크 센서의 스트레인 게이지는,

   최대 변형율이 일어나는 상기 빔의 지점에 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 토크 센서를 갖는 로봇 손.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 감속기는 하모닉 드라이브인 것을 특징으로 하는 토크 센서를 갖는 로봇 손.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 차동 기어의 회전축에 연결되며, 상기 차동 기어의 회전축의 회전 속도 및 회전 위치를 감지하는 엔코더와,

   상기 차동 기어의 회전축의 회전에 연동되어 회전하는 제1 풀리와,

   일단은 상기 제1 풀리의 회전과 연동되어 회전하고 타단은 상기 감속기의 입력단에 결합되는 제2 풀리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 센서를 갖는 로봇 손.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 제1 풀리와 제2 풀리는 벨트에 의해서 연동되는 것을 특징으로 하는 토 크 센서를 갖는 로봇 손.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 구동부는 BLDC(brushless DC) 모터인 것을 특징으로 하는 토크 센서를 갖는 로봇 손.

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