KR20110133309A - 토크 보상용 로드 밸런서를 구비한 다관절 로봇의 관절 구조 - Google Patents

토크 보상용 로드 밸런서를 구비한 다관절 로봇의 관절 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 토크 보상용 로드 밸런서를 구비한 다관절 로봇의 관절 구조에 관한 것으로서, 특히 다관절 로봇의 관절부를 구성하는 회전축 상에 장착되어 상기 관절부의 구동에 상대적으로 큰 토크가 필요한 경우에 부족한 토크를 보상하며 상기 관절부에 가해지는 하중의 균형을 유지하는 로드 밸런서 및 이를 구비한 다관절 로봇의 관절 구조에 관한 것이다.

Description

토크 보상용 로드 밸런서를 구비한 다관절 로봇의 관절 구조{Joint structure for articulated robot having load balancer for torque compensation}
본 발명은 토크 보상용 로드 밸런서를 구비한 다관절 로봇의 관절 구조에 관한 것으로서, 특히 다관절 로봇의 관절부를 구성하는 회전축 상에 장착되어 상기 관절부의 구동에 상대적으로 큰 토크가 필요한 경우에 부족한 토크를 보상하며 상기 관절부에 가해지는 하중의 균형을 유지하는 로드 밸런서 및 이를 구비한 다관절 로봇의 관절 구조에 관한 것이다.
뼈와 뼈 사이를 회전가능하게 연결하여 주는 사람의 관절과 유사하게 다관절 로봇의 관절부도 2개의 부재를 회전가능하게 연결하는 회전축을 포함하는 구조로 형성된다.
이러한 구조의 다관절 로봇의 일 예로 본 출원의 출원인이 출원한 한국 특허출원 제10-2005-0045316호의 만능결합구조를 가진 다관절 로봇을 들 수 있다. 위 출원에서 로봇의 관절부는 액츄에이터의 구동축에 회전가능하게 결합된 연결부재를 포함하도록 구성된다.
또 다른 다관절 로봇의 일 예로 도 1에 도시된 바와 같은 로봇 암을 들 수 있다. 도 1의 로봇 암은 다양한 길이를 가진 연결부재가 액츄에이터 구동축에 연결되거나 다양한 형태의 연결부재들이 회전축을 사이에 두고 상호연결되는 방식으로 구성되는 다양한 형태의 관절부들(도 1에서 점원으로 표시된 부분)을 구비하고 있다.
이러한 다관절 로봇의 관절부의 회전축에 가해지는 하중은 관절의 회전 방향에 따라 서로 다른 경우가 일반적이다. 예컨대 휴머노이드형 다관절 로봇의 무릎 관절의 경우 로봇 자체의 무게와 중력으로 인해 무릎을 굽힐 때보다 무릎을 펼 때 훨씬 많은 하중이 관절부에 가해지게 되며, 로봇 암의 경우에도 중력 방향으로 관절 회전축이 회전할 때보다 중력 반대 방향으로 관절 회전축이 회전할 때 더 많은 하중이 관절부에 가해지게 된다.
그런데, 종래의 통상적인 다관절 로봇들의 경우 관절부의 회전 동작이 액츄에이터의 구동력에 전적으로 의존하는 형태이므로 중력 반대 방향으로 관절을 회전 시킬 때 액츄에이터에는 더 많은 토크가 필요하게 되며, 이에 따라 큰 토크를 발생시키기 위해서는 용량이 큰 액츄에이터를 사용해야 하고 또 관절의 회전 방향에 따른 액츄에이터 구동부의 토크 조절을 매우 정밀하게 수행해야 하므로, 다관절 로봇의 소형화 및 액츄에이터 구동부의 제어를 위한 제어 프로그래밍이 용이하지 않게 된다. 아울러, 비교적 큰 토크를 필요로 하는 관절 부위에서는 액추에이터 구동부의 과부하 및 이에 따른 전력소모, 오작동 내지 고장의 위험이 커지게 된다.
따라서, 본 발명은 다관절 로봇의 관절부에 가해지는 하중에 따라 필요한 토크를 보상 내지 조절할 수 있는 로드 밸런서를 구비한 다관절 로봇의 관절 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 다관절 로봇의 관절부에 필요한 토크를 보상 내지 조정할 수 있는 로드 밸런서를 구비함에 의해 다관절 로봇의 소형화, 액츄에이터 구동부의 제어를 위한 프로그래밍의 용이화를 도모하고 액추에이터 구동부의 과부하 및 이에 따른 전력소모, 오작동 내지 고장의 위험을 방지 또는 최소화할 수 있는 다관절 로봇의 관절 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 다관절 로봇의 관절부를 구성하는 회전축에 직접 장착되므로 어떠한 종류의 로봇 관절부에도 적용가능한 범용 로드 밸런서 및 이를 구비한 다관절 로봇의 관절 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 다관절 로봇의 관절 구조는 회전축을 공유하는 제1관절부재와 제2관절부재를 포함하여 구성되는 관절부; 및 상기 회전축 상에 장착되어 상기 회전축의 회전시 일방향으로만 보상 토크를 발생시키는 로드 밸런서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 로드 밸런서는 상기 제1관절부재에 고정 장착되는 고정부재; 상기 제2관절부재에 장착되며 상기 고정부재와 회전가능하게 결합되는 회전부재; 및 상기 고정부재와 회전부재 사이에 구비되어 상기 회전부재의 회전 방향과 반대 방향으로 상기 보상 토크를 발생시키는 탄성수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 탄성수단은 토션스프링이며, 상기 고정부재는 내측면에 상기 토션스프링의 고정단부를 고정하기 위한 고정부를 구비하며, 상기 회전부재는 상기 토션스프링의 이동단부에 걸려서 상기 회전부재의 회전시에 상기 토션스프링의 상기 이동단부를 이동시키는 고정돌기를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고정부재는 상기 토션스프링에서 발생하는 보상 토크를 조절할 수 있도록 상기 이동단부의 초기 위치를 설정하기 위한 기준돌기와 상기 기준돌기가 삽입될 수 있도록 복수개로 나란히 형성된 제1삽입홀을 상기 내측면에 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 회전부재는 상기 기준돌기가 삽입될 수 있도록 상기 제1삽입홀에 대응되어 복수개로 나란히 형성된 제2삽입홀을 상기 내측면에 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고정부재와 회전부재는 각각 원형판 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1관절부재는 상기 다관절 로봇에 구동력을 제공하는 액츄에이터 모듈이며, 상기 회전축은 상기 액츄에이터의 구동축인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1관절부재는 상기 다관절 로봇에 구동력을 제공하는 액츄에이터 모듈과 이격되어 기계적으로 결합된 감속수단이며, 상기 회전축은 감속수단의 구동축인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 다관절 로봇의 관절부에 가해지는 하중에 따라 필요한 토크를 보상 내지 조절할 수 있는 로드 밸런서를 구비한 다관절 로봇의 관절 구조가 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 다관절 로봇의 관절부에 필요한 토크를 보상 내지 조정할 수 있는 로드 밸런서를 구비함에 의해 다관절 로봇의 소형화, 액츄에이터 구동부의 제어를 위한 프로그래밍의 용이화를 도모하고 액추에이터 구동부의 과부하 및 이에 따른 전력소모, 오작동 내지 고장의 위험을 방지 또는 최소화할 수 있는 다관절 로봇의 관절 구조가 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 다관절 로봇의 관절부를 구성하는 회전축에 직접 장착되므로 어떠한 종류의 로봇 관절부에도 적용가능한 범용 로드 밸런서 및 이를 구비한 다관절 로봇의 관절 구조가 제공된다.
도 1은 다관절 구조를 구비한 로봇 암의 예시도.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 로드 밸런서가 장착된 다관절 로봇의 관절 구조의 예시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로드 밸런서의 분해사시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로드 밸런서의 결합도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 로드 밸런서의 단면도
도 6 및 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 로드 밸런서의 동작 설명도.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 로드 밸런서가 장착된 다관절 로봇의 관절 구조의 예시도이다.
도 2에서 도시된 관절부는 회전축(200c)을 공유하는 제1관절부재(200a)와 제2관절부재(200b)를 포함하여 구성되며, 로드 밸런서(100)는 고정부재(110)와 회전부재(120)로 구성되어 회전축(220c)에 동축 장착되어 있다.
상기 제1관절부재(200a)는 다관절 로봇에 구동력을 제공하는 액츄에이터 모듈 또는 액츄에이터 모듈과 이격되어 기계적으로 결합된 감속수단(예컨대, 풀리, 감속기어, 하모닉 드라이브 등)으로 구성되는 소정의 구동부재이며, 상기 제2관절부재(200b)는 상기 구동부재들 간을 연결하는 다양한 결합수단들(예컨대, 힌지, 바, 결합판 등)로 구성되는 소정의 연결부재이다.
상기 회전축(200c)은 상기 관절부의 회전의 중심이 되는 가상의 축을 의미하며, 대체로 제1관절부재(200a)의 구동축이 상기 회전축(200c) 상에 놓이게 된다.
로드 밸런서(100)는 고정부재(110)와 회전부재(120)로 구성되어 회전축(220c)에 동축 장착되며, 고정부재(110)와 회전부재(120)는 각기 상기 관절부재들(200a, 200b) 중의 하나에 장착되어 관절부재들의 회전 이동에 맞추어 상호 반대방향으로 회전된다. 따라서, '고정'과 '회전'이란 용어는 설명의 편의상 설정된 용어에 불과함을 이해해야 한다.
상기 로드 밸런서(100)는 관절부의 회전시 한 방향으로만 보상 토크를 생성하는데, 대체로 중력 방향과 반대되는 방향(또는 하중이 더 많이 걸리는 방향)으로 보상 토크를 발생시킨다. 도 2를 휴머노이드의 무릎 관절부라 하면, 로봇 자체의 무게 및 중력의 영향 등으로 인해서 무릎 관절이 굽혀지는 과정(즉, 중력 방향)보다 무릎 관절이 펴지는 과정(즉, 중력 반대 방향)에서 더 큰 토크가 요구되므로, 로드 밸런서(100)는 무릎 관절의 펴지는 과정에서 필요한 전체 토크의 량 중 상당 부분을 보상하는 구조로 형성된다.
이하, 로드 밸런서(100)의 일 실시예를 구체적으로 도시한 도 3 내지 도 7을 설명하기로 한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로드 밸런서의 분해사시도이며, 도 4는 결합도이며, 도 5는 단면도이며, 도 6 및 도 7은 동작 설명도이다.
로드 밸런서(100)는 제1관절부재(200a) 일단에 장착되는 고정부재(110)와, 제2관절부재(220b) 일단에 장착되는 회전부재(120), 그리고 고정부재(110)와 회전부재(120) 사이에 설치되어 회전부재(120)의 회전 방향과 반대되는 방향으로 토크를 형성하는 탄성수단(130)을 포함하여 형성된다.
고정부재(110)와 회전부재(1120)는 납작한 판형부재(주: 원판이 바람직하지만 반드시 원판형으로 한정될 필요는 없다)로 형성되고, 중심부에 회전축(200c)과의 결합을 위한 축삽입홀(123)이 형성되어 있다. 고정부재(110)와 회전부재(120) 사이에는 토션스프링 형태의 탄성수단(130)과 베어링 형태의 회전결합수단(114)이 장착되며, 고정부재(110)의 내측면에는 회전결합수단(114)을 지지하며 고정부재(110)와 회전부재(120)를 상호 결합시키기 위한 지지부(113)가 형성된다. 고정부재(110)의 외주에는 단턱(115)이 형성되어 탄성수단(130)과 회전결합수단(114) 등을 수용할 내부 공간이 마련된다. 이때, 당업자의 설계에 따라 지지부와 단턱 등의 구성요소는 회전부재(120)에 형성되거나 고정부재(110)와 회전부재(120) 양측에 모두 형성될 수 있다.
고정부재(110)와 회전부재(120) 중 적어도 하나의 내측면에는 가상의 동심원을 따라 복수의 삽입홀(111, 121)이 천공되어 기준돌기(112)가 삽입된다.
고정부재(110)의 내측면에는 탄성수단(130)의 고정단부(132)를 고정하기 위한 고정부(132)가 형성되며, 탄성수단의 이동단부(131)는 기준돌기(112)에 걸린다. 로드 밸런서(100)의 초기 위치 또는 기준 위치에서의 탄성수단(130) 양단부 사이의 거리는 기준돌기(112)가 삽입된 삽입홀들(111, 121)의 위치에 따라 결정된다. 기준돌기(112)의 삽입위치는 사용자가 임의로 조정가능하며 삽입위치 및 탄성수단(130)의 탄성력에 따라 로드 밸런서(100)에 의해 보상되는 토크의 양이 결정된다.
회전부재(120)의 내측면에는 회전부재(120)의 회전시에 탄성수단의 이동단부(131)를 함께 이동시키기 위한 고정돌기(122)가 형성되어 있다.
로드 밸런서(100)의 동작을 설명하기에 앞서서 관절부가 굽혀지는 방향(또는 하중이 적은 방향 또는 중력 방향)을 정방향으로 정하고, 관절부가 펴지는 방향(또는 하중이 많은 방향 또는 중력 반대 방향)을 역방향으로 정한다.
도 7에서, 회전부재(120)가 도시된 화살표 방향으로 정방향 회전되면, 회전부재(120)에 장착된 회전돌기(122)가 동시에 정방향 회전되면서 탄성수단(130)인 토션스프링의 이동단부(131)를 정방향으로 밀게 된다. 이에 따라, 탄성수단(130)의 이동단부(131)는 역방향으로 토크를 발생하면서 이동된다. 이는 예컨대 관절부가 중력 방향으로 굽혀지는 경우에 해당하며, 관절부재(200a, 200b) 자체의 구동력에 의해 발생하는 정방향 토크 외에 중력과 같은 외력에 의해 추가로 발생되는 정방향 토크가 로드 밸런서(100)에 의한 역방향 토크와 적절한 균형을 이루게 되므로, 자연스러운 관절부의 회전 동작이 가능하다.
한편, 예컨대 관절부가 중력 방향으로 펴지는 경우에는 회전부재(120)가 도시된 화살표 반대 방향으로 역방향 회전을 시작하는데, 관절부재(200a, 200b) 자체의 구동력에 의해 발생하는 역방향 토크 외에 로드 밸런서(100)에 의해 발생된 역방향 보상 토크가 상호 결합되므로, 중력과 같은 외력에 의해 발생된 정방향 토크가 존재하는 상황에서도 충분한 역방향 토크를 얻을 수 있다.
관절부에 구동 토크가 많이 필요한 경우에 상기한 방식으로 로드 밸런서(100)을 이용하여 보상 토크를 얻게 되면 소형 액츄에이터를 이용하더라도 관절부를 구성할 수 있게 되며, 관절부 구동 방향에 따른 구동 토크의 차이가 감소되므로 액추에이터 구동부의 과부하 및 이에 따른 전력소모, 오작동 내지 고장의 위험이 방지 또는 최소화되며, 기준돌기(112)가 삽입되는 삽입홀들(111, 121)의 위치에 따라 보상 토크량이 예측가능하게 되므로 액츄에이터의 구동부 제어를 위한 프로그래밍이 용이해진다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같은 본 발명의 기술적 범위를 벗어남이 없이도 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다. 아울러, 본 발명에 따른 로드 밸런서는 동일 회전축을 통해 결합되는 제1관절부와 제2관절부를 포함하여 구성되는 다양한 종류의 관절 구조에 모두 적용가능하다.
100 : 로드 밸런서 110 : 고정부재
111, 121 : 삽입홀 112 : 기준돌기
113 : 지지부 114 : 회전결합수단
115 : 단턱 120 : 회전부재
122 : 고정돌기 123 : 축 삽입홀
130 : 탄성수단 131: 이동단부
132 : 고정단부 133 : 고정부
200a : 제1관절부재 200b : 제2관절부재
200c : 회전축

Claims (6)

  1. 다관절 로봇의 관절 구조에 있어서,
    회전축을 공유하는 제1관절부재와 제2관절부재를 포함하여 구성되는 관절부; 및
    상기 회전축 상에 장착되어 상기 회전축의 회전시 일방향으로만 보상 토크를 발생시키는 로드 밸런서를 포함하는 것을 특징으로 하는 다관절 로봇의 관절 구조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 로드 밸런서는 상기 제1관절부재에 고정 장착되는 고정부재;
    상기 제2관절부재에 장착되며 상기 고정부재와 회전가능하게 결합되는 회전부재; 및
    상기 고정부재와 회전부재 사이에 구비되어 상기 회전부재의 회전 방향과 반대 방향으로 상기 보상 토크를 발생시키는 탄성수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 다관절 로봇의 관절 구조.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 탄성수단은 토션스프링이며, 상기 고정부재는 내측면에 상기 토션스프링의 고정단부를 고정하기 위한 고정부를 구비하며, 상기 회전부재는 상기 토션스프링의 이동단부에 걸려서 상기 회전부재의 회전시에 상기 토션스프링의 상기 이동단부를 이동시키는 고정돌기를 구비하는 것을 특징으로 하는 다관절 로봇의 관절 구조.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 고정부재는 상기 토션스프링에서 발생하는 보상 토크를 조절할 수 있도록 상기 이동단부의 초기 위치를 설정하기 위한 기준돌기와 상기 기준돌기가 삽입될 수 있도록 복수개로 나란히 형성된 제1삽입홀을 상기 내측면에 구비하며, 상기 회전부재는 상기 기준돌기가 삽입될 수 있도록 상기 제1삽입홀에 대응되어 복수개로 나란히 형성된 제2삽입홀을 상기 내측면에 구비하는 것을 특징으로 하는 다관절 로봇의 관절 구조.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1관절부재는 상기 다관절 로봇에 구동력을 제공하는 액츄에이터 모듈이며, 상기 회전축은 상기 액츄에이터의 구동축인 것을 특징으로 하는 다관절 로봇의 관절 구조.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1관절부재는 상기 다관절 로봇에 구동력을 제공하는 액츄에이터 모듈과 이격되어 기계적으로 결합된 감속수단이며, 상기 회전축은 감속수단의 구동축인 것을 특징으로 하는 다관절 로봇의 관절 구조.
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