KR20120077453A - 로봇용 안구 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 로봇용 안구 장치는 후방 부위가 안구 지지 부재에 체결되는 볼 부재, 후방 중심 부위에 형성되어 상기 볼 부재가 수납되는 제1 조인트 셀과 후방 주변 부위에 복수로 형성되는 제2 조인트 셀과 안구 형상의 전방 부위가 구비된 볼 소켓, 상기 안구 지지 부재에 복수로 설치되는 모터 및 상기 각 제2 조인트 셀에 수납되는 볼이 일단에 형성된 제2 링크를 구비하여 상기 각 모터의 움직임을 상기 볼 소켓에 전달하는 링크를 포함함으로써, 소형화가 가능하며, 생산성을 향상시킬 수 있다.

Description

로봇용 안구 장치{ROBOT EYE BALL DEVICE}

본 발명은 로봇용 안구 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 안구의 회전을 방지함과 동시에 소형화가 가능하고 다양한 로봇에 적용할 수 있는 로봇용 안구 장치에 관한 것이다.

로봇용 안구는 인체 또는 각종 동물의 안구를 모방한 것이다.

로봇용 안구는 운동이 가능한 안구 부재와 상기 안구 부재를 머리의 다른 부재에 고정시키기 위한 고정 부재로 구성된다. 안구 부재와 고정 부재의 운동 특성, 운동 방향이 다른 관계로 로봇용 안구는 두 부재의 방향 전환을 위한 조인트의 구조를 취하고 있다.

방향 전환을 위한 대표적인 기구로 유니버셜 조인트와 등속 조인트 그리고 볼 조인트(ball joint, ball-and-socket joint, spherical joint)가 있다. 이 중에서 로봇용 안구로는 유니버셜 조인트가 주로 이용된다. 볼 조인트의 경우 축방향의 구속이 없는 특성으로 인해 부재의 자유로운 회전이 필요한 샤프트 홀더나 클램프 등에 주로 사용되고 있다.

또한, 로봇용 안구는 동물의 안구의 움직임과 같이 2안이 동일하게 움직이는 것을 용이하게 표현하기 위해 주로 2안구를 1개의 세트로 구성하고 있다. 이에 따르면 안구와 안구 사이에도 연결 부재가 구비되어야 하므로 전체적인 부피가 증가하게 된다.

이를 해소하기 위해 1안구만으로 형성된 로봇용 안구가 사용되기도 하나, 이 경우에도 유니버셜 조인트, 등속 조인트의 한계로 인하여 안구가 수납되는 하우징을 채택함으로써 하우징으로 인한 부피 증가가 불가피하다.

본 발명은 안구의 회전을 방지함과 동시에 소형화가 가능하고 다양한 로봇에 적용할 수 있는 로봇용 안구 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 로봇용 안구 장치는 후방 부위가 안구 지지 부재에 체결되는 볼 부재, 후방 중심 부위에 형성되어 상기 볼 부재가 수납되는 제1 조인트 셀과 후방 주변 부위에 복수로 형성되는 제2 조인트 셀과 안구 형상의 전방 부위가 구비된 볼 소켓, 상기 안구 지지 부재에 복수로 설치되는 모터 및 상기 각 제2 조인트 셀에 수납되는 볼이 일단에 형성된 제2 링크를 구비하여 상기 각 모터의 움직임을 상기 볼 소켓에 전달하는 링크를 포함할 수 있다.

이때, 상기 제2 링크는 상기 볼 소켓의 이동 가능 방향 중 자신이 링크하는 모터의 움직임에 따른 상기 볼 소켓의 이동 방향의 수직 방향으로는 상기 모터의 움직임과 무관하게 유동될 수 있다.

여기서, 상기 링크는, 상기 각 모터에 체결되어 모터의 회전 방향에 따라 움직이는 제1 링크, 상기 각 제2 조인트 셀에 수납되는 볼이 일단에 형성된 제2 링크, 상기 제1 링크와 상기 제2 링크의 사이에 배치되는 n(n은 0을 포함한 자연수)개의 하위 링크를 포함하고, 상기 제1 링크와 제2 링크 및 하위 링크 간의 (n+2)-1개의 연결 부위 중 적어도 하나는 볼 조인트 구조일 수 있다.

또한, 상기 제2 조인트 셀은 상기 볼 소켓의 후방 주변 부위에서 상하 부위 중 적어도 한 곳에 형성되고, 상기 볼 소켓의 후방 주변 부위에서 좌우 부위 중 적어도 한 곳에 형성될 수 있다.

또한, 상기 볼 소켓은, 상기 볼 부재에 대응하는 중공이 형성되어 상기 볼 부재의 전방에서 끼워지는 반구형의 전방 부재 및 상기 볼 부재의 후방에서 끼워져 상기 전방 부재와 체결됨으로써 상기 제1 조인트 셀과 상기 제2 조인트 셀을 형성하는 후방 부재를 포함할 수 있다.

이때, 상기 후방 주변 부위는 상기 후방 부재에서 상기 전방 부재와 체결되는 면의 반대면일 수 있다.

또한, 상기 볼 소켓은 탄성체일 수 있다.

또한, 상기 볼 부재는 절개된 전방 부위에 중공이 형성되고 상기 중공의 저면에 제1 고정부가 형성되고, 상기 볼 소켓은 상기 제1 조인트 셀에 제2 고정부가 형성되고, 각 단부가 상기 제1 고정부와 상기 제2 고정부에 고정 설치되며 상기 중공의 폭보다 작은 두께를 갖는 봉 형상의 탄성 부재를 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 제1 고정부는 상기 중공의 저면에서 상기 볼 부재와 상기 볼 소켓이 형성하는 볼 조인트의 축 상에 형성될 수 있다.

여기서, 상기 중공은 반구, 원형 기둥 및 정다각형 기둥 중 어느 하나의 형상으로 형성되고, 상기 제1 고정부는 상기 중공의 저면 중심에 형성될 수 있다.

또한, 상기 제2 고정부는 상기 제1 조인트 셀의 중심에 형성될 수 있다.

또한, 상기 제1 고정부는 상기 탄성 부재가 체결되는 돌기, 홈 및 통공 중 하나일 수 있다.

이때, 상기 제1 고정부는 통공이고, 상기 탄성 부재는 상기 안구 지지 부재에 상기 통공을 통하여 고정 설치될 수 있다.

또한, 상기 볼 부재는 상기 볼 부재와 상기 볼 소켓이 형성하는 볼 조인트의 축 상의 후방에서 상기 축 방향으로 연장되는 암(arm)을 더 구비하고, 상기 제1 고정부가 통공일 때, 상기 통공은 상기 암의 단부까지 형성될 수 있다.

이때, 상기 탄성 부재는 상기 안구 지지 부재에 상기 통공을 통하여 고정 설치될 수 있다.

이상에서 설명된 바와 같이 본 발명의 로봇용 안구 장치는 볼 부재와 볼 소켓으로 이루어진 볼 조인트의 구조를 취함으로써 볼 소켓, 즉 안구 부재를 수납하는 하우징을 요구하지 않는다. 이에 따라 하우징으로 인한 부피의 증가가 없으므로 소형화가 가능하며, 생산성을 향상시킬 수 있다.

또한, 볼 소켓을 이동시키는 모터와 링크에서 링크와 볼 소켓의 연결을 볼 조인트로 구성함으로써 볼 소켓과 링크 간의 연결 구소를 간소화할 수 있다. 이를 통해 생산성이 향상될 수 있으며 소형화가 가능하다. 특히, 볼 소켓의 뒷면 중 상하 중 한 곳과 좌우 중 한 곳에만 링크를 설치하는 것으로서 볼 소켓의 이동 제어를 수행함으로써 이와 같은 효과를 극대화할 수 있다.

또한, 1안구 구조를 취하여 각 안구를 연결하기 위한 연결 부재를 필요로 하지 않음으로써 소형화 및 생산성 향상에 기여할 수 있다.

또한, 링크와의 연결을 통해 볼 소켓이 회전하는 것을 방지함으로써 실제와 유사한 안구의 움직임을 제공할 수 있다.

특히, 볼 부재의 전방을 절개하고 절개된 전방 부위에 중공을 형성한 후 중공의 저면과 볼 소켓의 내면에 체결되는 탄성 부재를 포함함으로써, 안구 형상의 볼 소켓의 상하좌우의 자유로운 움직임을 제공함과 동시에 볼 소켓의 회전을 신뢰성 있게 방지할 수 있다.

또한, 탄성 부재가 체결되는 볼 부재의 고정부를 돌기, 홈, 통공으로 형성함으로써 생산에 적합한 방식을 선택하여 탄성 부재를 고정시킬 수 있다.

특히, 고정부를 통공으로 형성한 경우 볼 부재와 볼 소켓을 연결한 후에 통공을 통해 탄성 부재를 체결할 수 있게 되므로 생상성 향상이 기대된다.

또한, 볼 부재가 수납되는 제1 조인트 셀과 링크의 일부가 수납되는 제2 조인트 셀을 형성하는 볼 소켓을 볼 부재의 전방에서 끼워지는 전방 부재와 볼 부재의 후방에서 끼워지는 후방 부재로 나눔으로써 볼 부재와 볼 소켓을 용이하게 연결시킬 수 있다.

또한, 볼 소켓을 플라스틱과 같은 탄성체로 구성함으로써 조인트 셀을 형성하기 위해 볼 소켓을 소정 부위로 나누지 않고도 볼 부재와 링크를 용이하게 볼 소켓에 수납할 수 있다.

도 1은 본 발명의 로봇용 안구 장치를 나타낸 분해도.
도 2는 도 1의 로봇용 안구 장치가 조립된 상태에서 A-A'를 절단하여 나타낸 단면도.
도 3은 볼 부재의 전방을 절개하지 않은 상태를 나타낸 개략도.
도 4는 본 발명의 로봇용 안구 장치에서 볼 소켓의 움직임을 나타내는 개략도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇용 안구 장치를 나타낸 개략도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇용 안구 장치에서 안구에 해당하는 볼 소켓이 상방으로 이동한 상태를 나타낸 개략도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇용 안구 장치에서 안구에 해당하는 볼 소켓이 우방으로 이동한 상태를 나타낸 개략도.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇용 안구 장치를 아래 대각선 방향으로 나타낸 개략도.

이하, 본 발명의 로봇용 안구 장치에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 로봇용 안구 장치를 나타낸 분해도이고, 도 2는 도 1의 로봇용 안구 장치가 조립된 상태에서 A-A'를 절단하여 나타낸 단면도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 로봇용 안구 장치는 볼 조인트 축 상의 절개된 전방 부위에 중공(111)이 형성되고 상기 중공의 저면(113)에 제1 고정부(115)가 형성되는 볼 부재(110), 상기 볼 부재가 수납되는 제1 조인트 셀에 제2 고정부가 형성되는 안구 형상의 볼 소켓(130) 및 각 단부가 상기 제1 고정부와 상기 제2 고정부에 고정 설치되며 상기 중공의 폭보다 작은 두께를 갖는 봉 형상의 탄성 부재(150)를 포함한다.

볼 조인트는 볼(구) 형상의 볼 부재와 상기 볼 부재가 이탈이 되지 않음과 동시에 상기 볼 부재가 자유롭게 운동할 수 있도록 볼 부재를 수납하는 제1 조인트 셀이 내부에 형성된 볼 소켓으로 구성된다. 이러한 구성의 볼 조인트에 의하면 볼 부재에 의해 볼 소캣의 자유로운 운동과 이탈 방지가 보장되는 것으로 볼 수도 있다.

볼 조인트를 형성하는 볼 부재와 볼 소켓은 연장되는 암(arm)을 갖는 것이 일반적인데, 이렇게 암을 포함하는 볼 부재와 볼 소켓을 일직선으로 배치하였을 때의 각 부재를 관통하는 가상의 직선을 볼 조인트 축이라 지칭하기로 한다. 다만, 본 명세서에서 볼 소켓은 안구를 형성하는 요소이므로 암을 포함하지 않을 수 있다. 볼 부재 또한 경우에 따라 암을 포함하지 않을 수 있다.

본 발명에서는 볼 조인트 구조로써 로봇용 안구 장치를 형성하고 있다. 구체적으로 볼 소켓은 로봇용 안구 장치에서 실질적인 안구가 되고, 볼 부재는 볼 소켓, 즉 안구의 움직임을 보장함과 동시에 안구를 볼 부재 자체 또는 볼 부재에 체결되는 안구 지지 부재로부터 이탈되지 않도록 한다.

이와 같은 구성에 의해 안구 자체를 지지하는 종래의 하우징을 요구하지 않게 됨으로써 전체 크기를 감소시킬 수 있어 소형화가 가능하다.

다만, 볼 조인트 구조로서 로봇용 안구 장치를 형성할 경우 볼 소켓(안구)의 상하좌우 움직임을 보장함과 동시에 볼 소켓이 회전하는 것을 방지할 필요가 있다. 로봇용 안구 장치는 인체 또는 각종 동물의 안구를 모방한 것으로 안구가 회전하게 되면 모방성이 감소하기 때문이다.

그러나, 볼 조인트의 특성상 볼 부재에 대해 볼 소켓의 자유로운 회전이 보장된다. 이러한 볼 조인트의 특성을 제한함과 동시에 볼 소켓의 자유로운 상하좌우 움직임을 보장하는 로봇용 안구 장치를 제안한다.

볼 부재(110)는 볼 조인트 축상의 전방이 절개되고 절개된 전방 부위에 중공(111)이 형성된다. 중공(111)의 저면(113)에는 탄성 부재(15)의 일단이 고정 설치되도록 하기 위한 제1 고정부(115)가 형성된다.

중공(111)은 탄성 부재가 자유롭게 상하좌우(측면으로 모든 방향을 포함)로 움직이도록 하기 위해 탄성 부재의 두께보다 큰 폭을 갖도록 형성된다. 한편, 중공(111)이 형성되었다 하더라도 볼 부재(110)의 전방이 절개(축에 수직 방향으로의 절단)되어 있지 않다면 도 3과 같이 탄성 부재(150)가 볼 부재의 전방 부위에 의해 상하좌우 운동이 제한된다. 따라서, 볼 부재에서 전방의 일정 부분(측면에서 보았을 때 도 2의 거리 d)을 절개시킴으로써 이와 같은 현상을 방지한다.

볼 소켓(130)은 볼 부재의 전방에서 끼워지는 전방 부재(131)와 후방에서 끼워지는 후방 부재(133)의 체결에 의해 볼 부재를 수납하는 제1 조인트 셀(137)을 형성할 수 있다. 제1 조인트 셀은 전방 부재와 후방 부재의 체결에 의한 형성 외에도 다양한 방식으로 분해된 부재의 체결에 의해서도 형성 가능하다. 다만 전/후방 부재로 분해된 부재를 이용하면 외부로 드러나는 안구에 전방 부재만이 나타나므로 체결 부위가 나타나지 않게 된다.

제1 조인트 셀(137)에는 제1 고정부(115)에 일단이 고정 설치되는 탄성 부재의 타단이 고정 설치되는 제2 고정부(139)가 형성된다. 제1 조인트 셀은 볼 부재가 수납되는 볼 소켓의 내면에 의해 형성되는 공간 또는 상기 공간을 형성하는 볼 소켓의 내면을 지칭한다. 공간에 제2 고정부를 형성할 수 없으므로 제1 조인트 셀에 형성되는 제2 고정부는 볼 소켓의 내면에 형성된다.

전방 부재(131)의 외면에는 눈동자(138)가 형성될 수 있다. 눈동자의 형성 위치는 대체로 반구형으로 이루어지는 전방 부재의 외면 중심이다. 또한 눈동자를 전방 부재와 별개로 마련하고 전방 부재에 형성된 눈동자 결합 부위에 설치되도록 할 수 있다. 이때 눈동자 결합 부위가 통공인 경우 제2 고정부(139)는 실질적으로 눈동자의 배면에 형성될 수도 있다. 이러한 경우 눈동자의 배면 또한 제1 조인트 셀을 형성하는 요소가 되므로 결국 제2 고정부는 제1 조인트 셀에 형성되는 것으로 취급하도록 한다.

탄성 부재(150)는 볼 부재에 형성된 중공의 폭보다 작은 두께를 갖는 봉 형상으로 형성된다. 일단은 제1 고정부(115)에 고정 설치되고 타단은 제2 고정부(119)에 고정 설치된다. 탄성 부재는 제1 고정부 및 제2 고정부와의 고정 설치에 의하여 봉 형상의 축을 중심으로 하는 회전이 방지된다. 이에 따라 제2 고정부가 형성된 볼 소켓 역시 회전이 방지된다.

또한, 탄성 부재는 봉 형상을 취함으로써 외부 압력에 의해 측면 방향으로 용이하게 휘어진다. 따라서, 탄성 부재는 도 4에서와 같이 제2 고정부가 형성된 볼 소켓의 자유로운 상하좌우 운동을 보장하게 된다.

이상에서와 같이 절개된 전방, 전방 부위에 형성된 탄성 부재의 두께보다 큰 폭의 중공, 제1 고정부와 제2 고정부에 회전이 방지되도록 고정 설치되는 봉 형상의 탄성 부재에 의하여 안구에 해당하는 볼 소켓의 회전을 방지함과 동시에 자유로운 상하좌우 운동을 제공할 수 있다.

또한, 안구에 해당하는 볼 소켓을 지지하기 위한 별도의 하우징을 필요로 하지 않음으로써 소형화가 가능하다.

한편, 제1 고정부(115)는 볼 부재(110)의 중공(111) 저면(113)에서 볼 조인트 축 상에 형성될 수 있다. 제1 고정부는 중공의 저면(113)의 다양한 위치에 형성될 수 있다. 다만, 볼 소켓의 상하좌우 움직임시 각 움직임에 동일한 힘(탄성 부재의 반발력)이 가해지도록 볼 조인트 축 상에 형성되는 것이 바람직하다.

제1 고정부가 볼 조인트의 축 상에 형성된다 하더라도 중공의 위치 또는 형상에 따라 볼 소켓의 상하좌우 움직임이 제한될 수 있다. 예를 들어 중공이 제1 고정부를 중심으로 하지 않고 형성된 경우 중공에 의해 형성된 내벽과 제1 고정부와의 거리가 다르므로 상하좌우 움직임 범위가 측면 전 방향에 대해 동일하지 않게 된다.

이를 방지하기 위해 중공(111)은 반구, 원형 기둥 및 정다각형 기둥 중 어느 하나의 형상으로 형성되고, 이때 제1 고정부는 중공의 저면 중심에 형성될 수 있다. 이와 같은 구성에 의하면 제1 고정부와 중공은 볼 조인트 축을 중심으로 형성되므로(움직임이 없을 때의 상황) 상하좌우 움직임시 동일한 힘이 적용된다.

제2 고정부(139)는 제1 조인트 셀에 형성되며, 형성 위치는 다양할 수 있으나 적어도 절개된 전방 부위로 인하여 형성된 볼 부재와의 이격 공간 ⓐ에 접한 제1 조인트 셀에 형성될 수 있다.

용도에 따라 이격 공간 ⓐ에 접한 제1 조인트 셀에서 어느 한쪽으로 치우쳐 제2 고정부가 형성될 수 있다. 이에 따르면 안구에 해당하는 볼 소켓의 움직임 제한 범위가 각 측면 방향마다 달라지게 된다.

일반적으로 안구는 상하좌우 움직임의 정도가 유사한 경우가 많으므로 이를 모방하기 위해 제2 고정부는 제1 조인트 셀의 중심에 형성될 수 있다. 제1 조인트 셀의 중심은 앞에서 살펴보면 이격 공간 ⓐ에 접한 제1 조인트 셀의 중심과 동일하다.

제2 고정부는 탄성 부재가 체결되는 돌기 또는 홈일 수 있다. 탄성 부재에서 체결되는 부위는 단부이므로 단부를 고정 설치하기 적합한 구조를 취하면 충분하다. 필요에 따라 접착제, 나사, 볼트와 같은 체결 부재를 추가로 이용할 수도 있다.

한편, 탄성 부재(150)는 스프링 또는 고무 막대일 수 있다.

앞에서 설명된 탄성 부재의 두께는 탄성 부재가 스프링일 경우 스프링의 지름에 해당한다. 탄성 부재의 특성 상 축 방향으로 유동이 가능하다. 즉, 볼 소켓이 볼 부재에 대해서 전방으로 당겨질 수 있다. 그러나 볼 소켓의 조인트 셀에 의해 볼 부재의 전후방 움직임이 제한되므로 이러한 문제는 발생되지 않는다.

한편, 제1 고정부(115)는 탄성 부재가 체결되는 돌기, 홈 및 통공 중 하나일 수 있다. 제2 고정부에서 제1 조인트 셀의 반대면 즉, 볼 소켓의 전방 외면은 외부로 드러나는 안구의 면이 되므로 통공으로 제2 고정부를 형성할 수 없다.

그러나, 제1 고정부(115)는 통공으로 형성된다 하더라도 외부에 드러나지 않으므로 탄성 부재를 체결하기 위한 수단으로 이용될 수 있다. 더욱이 제1 고정부가 통공인 경우 조립의 편의를 도모할 수 있다. 제1 고정부가 홈 또는 돌기인 경우 볼 부재와 볼 소켓의 사이에 탄성 부재를 배치시킨 상태에서 조립을 수행해야 한다. 그러나, 제1 고정부가 통공인 경우 볼 부재와 볼 소켓을 조립한 후 통공을 통하여 탄성 부재를 삽입한 후 나사, 볼트, 접착제 등의 체결 부재를 이용하여 탄성 부재를 통공에 고정 설치시킬 수 있다.

또한, 제1 고정부가 통공인 경우 탄성 부재는 볼 부재의 후방에 체결되는 안구 지지 부재에 통공을 통하여 고정 설치될 수도 있다.

안구 지지 부재는 볼 부재를 체결하여 지지하는 부재로 볼 소켓의 운동을 위한 각종 링크와 모터가 설비될 수 있다. 또한 볼 소켓의 눈동자 또는 볼 소켓의 다른 부위에 영상 센서가 설비되는 경우 상기 영상 센서의 전력 공급, 제어, 데이터 송수신을 위한 회로가 설비될 수도 있다.

안구 지지 부재에 의해 탄성 부재가 고정 설치되는 경우 통공의 역할은 실질적으로 탄성 부재를 가이드하는 것이 되나, 결과적으로 통공을 통하여 고정이 되는 것으로 보아 본 명세서에서는 이때의 통공도 제1 고정부에 해당하는 것으로 취급한다.

한편, 볼 부재는 볼 조인트 축 상의 후방에서 상기 축 방향으로 연장되는 암(arm)(117)을 더 포함할 수 있다. 이때 제1 고정부가 통공이면 이때의 통공은 암의 단부까지 형성될 수 있다. 참고로 도 2에는 암이 구비된 볼 부재가 개시되고 있으며, 이때의 제1 고정부(115)는 중공(111)의 저면(113)으로부터 암의 단부까지 형성된 통공이다.

볼 부재가 암을 구비하는 경우 앞에서 살펴본 안구 지지 부재는 암의 단부에 체결될 수 있다. 이때 탄성 부재는 암의 단부에 체결되는 안구 지지 부재에 통공을 통하여 고정 설치될 수 있다.

이상의 구성에 의하면 볼 소켓의 회전과 축방향으로의 이동이 방지되면서 측면 방향으로의 운동이 보장되는 로봇용 안구가 제공된다.

이때 측면 방향으로 볼 소켓을 움직이기 위한 구동 수단이 필요하다. 이때의 구동 수단으로 모터가 이용될 수 있으며, 이때 모터와 볼 소켓의 사이에는 모터의 동력을 볼 소켓으로 전달하는 링크(170)가 설치된다. 링크는 복수개의 하위 링크를 포함할 수 있으며, 각 하위 링크 간의 연결은 힌지에 의해 이루어질 수 있다.

볼 소켓에는 이러한 링크가 연결되는 링크 연결부가 형성될 필요가 있다. 이때, 볼 소켓의 후방 외면에 링크 연결부(135)가 형성될 수 있다. 볼 소켓의 전방은 외부로 드러나는 안구가 되고 후방 내면은 제1 조인트 셀이 된다. 따라서 볼 소켓의 후방 외면은 볼 소켓에서 외부에 안구로서 드러나지 않으면서 제1 조인트 셀을 형성하지 않는 면을 의미한다. 일예로 볼 소켓의 후방이 도넛 형일 때 도넛의 평면이 후방 외면이 될 수 있다.

한편, 볼 소켓(130)은 볼 부재에 대응하는 중공이 형성되어 볼 부재의 전방에서 끼워지는 반구형의 전방 부재(131) 및 볼 부재의 후방에서 끼워져 전방 부재와 체결됨으로써 볼 부재의 유동을 보장함과 동시에 볼 부재의 이탈을 방지하는 제1 조인트 셀을 형성하는 후방 부재(133)를 포함할 수 있다.

이때, 후방 부재(133)는 전방 부재(131)와 체결되는 면의 반대면에 링크 연결부(135)가 형성될 수 있다.

링크 연결부는 링크의 구조에 따라 다양하게 형성될 수 있다.

예를 들어 링크(170)가 일단에 볼 부재가 형성된 볼 피벗인 경우 링크 연결부는 볼 피벗의 볼 부재를 수납하기 위한 제2 조인트 셀일 수 있다. 이때 제2 조인트 셀은 전방 부재(131)와 후방 부재(133)의 체결에 의해 형성될 수 있다. 이를 통해 볼 피벗을 용이하게 제2 조인트 셀에 수납할 수 있다.

한편, 볼 소켓은 탄성체일 수 있다. 플라스틱 또는 고무와 같은 탄성체로서 볼 소켓을 구성하면 제1 조인트 셀을 미리 형성해두고 압력을 가하여 볼 부재를 제1 조인트 셀에 삽입할 수 있다. 그 결과 제1 조인트 셀을 형성하기 위해 볼 소켓을 복수개의 부재로 나눌 필요가 없다. 마찬가지로 볼 소켓이 탄성체일 경우 제2 조인트 셀을 형성하기 위해 볼 소켓을 복수개의 부재, 예를 들어 전방 부재와 후방 부재로 나눌 필요가 없다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 로봇용 안구 장치를 나타낸 개략도이다.

설명의 편의를 위해 도 5에서 볼 소켓은 투영하여 나타내었다.

도 5에 도시된 로봇용 안구 장치는 후방 부위가 안구 지지 부재(120)에 체결되는 볼 부재(110), 후방 중심 부위에 형성되어 상기 볼 부재가 수납되는 제1 조인트 셀(137)과 후방 주변 부위에 복수로 형성되는 제2 조인트 셀(136)과 안구 형상의 전방 부위가 구비된 볼 소켓(130), 상기 안구 지지 부재에 복수로 설치되는 모터(140) 및 상기 각 제2 조인트 셀에 수납되는 볼이 일단에 형성된 제2 링크(173)를 구비하여 상기 각 모터의 움직임을 상기 볼 소켓에 전달하는 링크(170)를 포함하고 있다.

이때 전방과 후방은 볼 조인트 축 상의 전방과 후방일 수 있다. 보다 구체적으로는 안구의 움직임이 없을 때 안구가 바라보는 방향이 전방이 되고 그 반대 방향이 후방이 된다.

구형으로 이루어진 볼 부재(110)와 볼 부재가 수납되는 제1 조인트 셀이 형성된 볼 소켓(130)은 볼 조인트 구조를 형성한다. 볼 부재가 안구 지지 부재(120)에 체결되는 관계로 볼 소켓은 볼 부재에 대해 상하좌우(측면 모든 방향 포함)로 움직일 수 있으며, 또한 회전할 수 있다.

볼 소켓의 전방 부위는 안구 형상으로 이루어진다. 따라서 볼 소켓의 전방 부위는 대체로 반구형이 된다. 또한 볼 소켓의 전방 부위(대체로 전방 부위의 중심)에는 눈동자(138)가 형성될 수 있다.

볼 소켓의 움직임을 제어하기 위해 안구 지지 부재(120)에는 복수의 모터(140)가 설치된다. 이때 모터의 움직임을 볼 소켓에 전달하는 링크(170)의 단부가 연결되도록 볼 소켓에는 제2 조인트 셀(136)이 형성된다.

전방 부위가 반구형으로 이루어진 볼 소켓의 후방 부위에는 먼저 볼 부재를 수납하기 위한 제1 조인트 셀이 형성된다. 제1 조인트 셀이 후방 중심 부위에 형성되므로 제2 조인트 셀은 제1 조인트 셀의 형성 위치를 회피함과 동시에 볼 소켓의 움직임을 효과적으로 제어하기 위해 후방 주변 부위에 복수로 형성된다. 후방 주변 부위는 볼 소켓에서 외부에 안구로서 드러나는 전방 부위과 제1 조인트 셀을 제외한 부분을 지칭한다. 제2 조인트 셀의 수는 적어도 볼 소켓을 움직이기 위해 안구 지지 부재에 설치되는 모터의 수를 만족해야 한다. 제2 조인트 셀은 안구 지지 부재에서 볼 부재에 체결되는 면의 수직 방향으로 형성될 수 있다. 특히, 볼 소켓의 후방 부위가 도넛 형일 때 도넛의 평면에 제2 조인트 셀을 안구 지지 부재에 수직하게 형성함으로써 효율적으로 모터의 움직임을 전달받도록 할 수 있다.

모터(140)는 링크의 구성에 따라 회전 운동을 하거나 왕복 운동을 할 수 있다. 이러한 모터의 운동은 링크에 의해 볼 소켓에 전달되고 볼 소켓의 움직임을 제어할 수 있게 된다.

링크(170)는 몇 개의 하위 링크(가늘고 긴 막대)를 핀 이음으로 연결하고, 일정한 한정운동(限定運動)을 하게 한 장치로 링크 장치(link work)라 칭하기도 한다. 상기 링크에서 볼 소켓에 연결되는 하위 링크 즉, 제2 링크(173)는 일단에 볼이 형성된 볼 피벗의 형태를 취한다. 이때 제2 링크의 볼은 볼 소켓에 형성된 제2 조인트 셀에 수납된다. 이에 따르면 제2 링크와 볼 소켓은 볼 조인트의 구조를 취하게 되어 제2 링크와 볼 소켓의 연결에 별도의 핀 이음과 같은 연결 부재가 요구되지 않는다. 따라서, 생산성이 향상되고 소형화가 가능하다.

또한, 상기 제2 링크(173)는 볼 소켓에서 후방 주변 부위에 모터의 수만큼 설치되고 다른 하위 링크에 연결되어 종국적으로 모터에 연결된다. 따라서, 볼 소켓은 링크(170)에 의해 회전이 제한된다. 이에 따라 실제에 근접한 안구를 구현할 수 있다.

한편, 실험 결과에 따르면 각 링크는 다른 링크에 의해 움직임이 제한되는 것을 확인할 수 있었다.

예를 들어 도 6 내지 도 8과 같이 링크가 볼 소켓의 후방 주변 부위 중 좌측과 하측 2곳에 형성된 제2 조인트 셀에 연결되고, 하측의 링크에 연결되는 전방의 상하 운동 모터(141)과 좌측의 링크에 연결되는 후방의 좌우 운동 모터(143)가 구비된 로봇용 안구 장치를 살펴본다.

이때 하측의 링크는 좌우로는 움직이지 않는 구성이고 좌측의 링크는 상하로 움직이지 않는 구성이다.

도 6에서 상하 운동 모터(141)가 구동되어 하측의 링크를 전방으로 밀게 되면 볼 소켓은 도 6과 같이 상방을 지향하도록 움직이게 된다. 이때 좌측의 링크는 도 6에서와 같이 볼 소켓의 움직임이 없는 도 5에서와 같은 상태를 유지할 것으로 기대되는데 실제 실험 결과 상방으로 유동이 있는 것을 확인할 수 있었다.

마찬가지로 도 7에서 좌우 운동 모터(143)가 구동되어 좌측의 링크를 전방으로 밀게 되면 볼 소켓은 도 7과 같이 우방을 지향하도록 움직이게 된다. 이때의 하측의 링크는 도 7에서와 같이 볼 소켓의 움직임이 없는 도 5에서와 같은 상태를 유지할 것으로 기대되나 실제로는 우방으로 유동이 있는 것을 확인할 수 있다.

이러한 현상은 볼 부재와 제1 조인트 셀 간의 미세한 이격 및 볼 부재와의 마찰력, 기하학적 문제 등에 기인한 것으로 판단되는데, 결과적으로 상하로 움직이지 않는 구성의 좌측의 링크로 인하여 볼 소켓의 상방 움직임이 부드럽게 이루어지지 않는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 현상은 하방 움직임에 대해서도 동일하게 발생되었으며, 볼 소켓을 좌우로 움직일 때 하측의 링크에 대해서도 동일하게 발생되었다.

특히, 볼 소켓을 대각선 방향으로 움직일 때, 즉 하측의 링크와 좌측의 링크가 모두 모터에 의해 움직이는 경우 하측의 링크와 좌측의 링크 모두에서 현저하게 발생되었다.

본 발명의 발명자는 이와 같은 문제를 해소하기 위해 다각도로 연구한 결과 위의 예에서 좌측의 링크 중 적어도 제2 링크가 상하로 유동되도록 구성하는 것으로 볼 소켓이 부드럽게 상방 또는 하방으로 이동되는 것을 확인하였다. 마찬가지로 하측의 링크 중 적어도 제2 링크가 좌우로 유동되도록 구성하는 것으로 볼 소켓이 부드럽게 좌우로 이동되는 것을 확인하였다. 또한, 이와 같은 구성에 의해 볼 소켓이 대각선 방향으로 움직이는 경우에도 동일한 효과를 확인할 수 있었다.

구체적으로 하측의 링크는 상하 운동 모터(141)에 의해 볼 소켓을 상하로 움직이게 하는데, 하측의 링크에서 제2 링크의 좌우 유동은 상하 운동 모터의 움직임과 상관없이 이루어지도록 구성된다. 마찬가지로 좌측의 링크는 좌우 운동 모터(143)에 의해 볼 소켓을 좌우로 움직이게 하는데, 좌측의 링크에서 제2 링크의 상하 유동은 좌우 운동 모터의 움직임과 상관없이 이루어지도록 구성된다.

이를 종합하면, 제2 링크는 볼 소켓의 이동 가능 방향 중 자신이 링크하는 모터의 움직임에 따른 볼 소켓의 이동 방향의 수직 방향으로는 모터의 움직임과 무관하게 유동되도록 구성된다.

이러한 제2 링크의 구성을 만족시키기 위한 다양한 구성의 링크가 가능하다. 예를 들어 링크(170)는, 각 모터에 체결되어 모터의 회전 방향에 따라 움직이는 제1 링크(171), 각 제2 조인트 셀(136)에 수납되는 볼이 일단에 형성된 제2 링크(173), 제1 링크와 제2 링크의 사이에 배치되는 n(n은 0을 포함한 자연수)개의 하위 링크를 포함하고, 제1 링크와 제2 링크 및 하위 링크 간의 (n+2)-1개의 연결 부위 중 적어도 하나는 볼 조인트 구조일 수 있다. 도 6 내지 도 8에는 n이 0인 경우 즉, 하위 링크가 없이 제1 링크(171)와 제2 링크(173)로만 링크(170)가 형성되는 경우를 나타낸다. 이때 볼 조인트 구조는 제1 링크의 연결 부위에 링크 볼 부재(175)가 형성되고 제2 링크의 연결 부위에 링크 볼 부재(175)를 수납하는 링크 조인트 셀이 구비된 링크 볼 소켓(177)이 형성되는 구성일 수 있다. 물론 이와 반대로 형성하는 것도 가능하다.

이때 링크 볼 부재(175)는 모터의 회전에 따라 움직이는 제1 링크의 운동 방향에 수직으로 형성될 수 있다.

참고로, 도 6 내지 도 7에서 링크 볼 소켓의 상부가 절개된 일명 컵 조인트의 형태를 취하고 있는데, 이는 도 6의 화살표 방향으로 나사를 체결함으로써 제1 링크의 연결 부위와 제2 링크의 연결 부위를 고정하기 위한 것이다.

한편, 제2 조인트 셀(136)은 볼 소켓(130)의 후방 주변 부위에서 상하 부위 중 적어도 한 곳에 형성되고, 상기 볼 소켓의 후방 주변 부위에서 좌우 부위 중 적어도 한 곳에 형성될 수 있다. 이러한 구성에 의하면 도 6 내지 도 8과 같이 최소 2개에서 최대 4개의 링크만으로 볼 소켓의 움직임 제어가 가능하다.

특히, 2개의 링크만으로 볼 소켓을 움직임을 제어할 경우 링크 및 모터의 수를 줄임으로써 생산성 개선과 소형화를 극대화할 수 있다.

상기 상하 부위와 좌우 부위는 볼 소켓의 중심을 교차점으로 하는 수직 관계일 수 있다.

한편, 볼 소켓은 제2 조인트 셀에 연결되는 복수의 링크에 의해 회전이 제한된다. 이때, 볼 소켓의 회전을 제한하는 추가 방안을 마련할 수 있다. 이러한 추가 방안에 따르면 특히 볼 소켓이 상하좌우로 움직일 때 발생하는 볼 소켓의 회전과 제1 링크와 제2 링크 및 하위 링크와의 연결부위를 볼 조인트 구조로 하였을 때 예상되는 볼 소켓의 회전을 신뢰성 있게 제한할 수 있다.

이때의 추가 방안에는 생산성을 향상시킬 수 있는 방안이 포함될 수 있다.

추가 방안의 예로 도 1에서 설명된 로봇용 안구 장치의 구성을 적용하는 방안이 있다. 이하의 추가 방안에 해당하는 구성은 앞의 도 1에서 설명된 것으로 자세한 언급은 생략한다.

상기 볼 소켓(130)은 상기 볼 부재(110)에 대응하는 중공이 형성되어 상기 볼 부재의 전방에서 끼워지는 반구형의 전방 부재(131) 및 상기 볼 부재의 후방에서 끼워져 상기 전방 부재와 체결됨으로써 상기 제1 조인트 셀(137)과 상기 제2 조인트 셀(136)을 형성하는 후방 부재를 포함할 수 있다. 이에 따르면 볼 부재와 제2 링크를 볼 소켓에 용이하게 수납시킬 수 있다. 이때, 볼 소켓의 후방 주변 부위는 상기 후방 부재에서 상기 전방 부재와 체결되는 면의 반대면일 수 있다.

또한, 상기 볼 소켓(130)은 탄성체일 수 있다. 이에 따르면 볼 부재와 제2 링크에 압력을 가하여 각각 제1 조인트 셀(137)과 제2 조인트 셀(136)에 수납시킬 수 있으므로 생상성이 향상된다.

또한, 상기 볼 부재(110)는 절개된 전방 부위에 중공(111)이 형성되고 상기 중공의 저면(113)에 제1 고정부(115)가 형성되고, 상기 볼 소켓(130)은 상기 제1 조인트 셀(137)에 제2 고정부(139)가 형성되고, 각 단부가 상기 제1 고정부와 상기 제2 고정부에 고정 설치되며 상기 중공의 폭보다 작은 두께를 갖는 봉 형상의 탄성 부재(150)를 더 포함할 수 있다. 이에 따르면, 축을 중심으로 한 회전은 제한하며 축의 측면 방향으로의 유동이 가능한 탄성 부재, 특히 스프링의 특성에 의해 볼 소켓의 회전(자체 회전)을 신뢰성 있게 제한할 수 있다.

이때, 상기 제1 고정부(115)는 상기 중공의 저면에서 상기 볼 부재와 상기 볼 소켓이 형성하는 볼 조인트의 축 상에 형성될 수 있다. 여기서, 상기 중공은 반구, 원형 기둥 및 정다각형 기둥 중 어느 하나의 형상으로 형성되고, 상기 제1 고정부는 상기 중공의 저면 중심에 형성될 수 있다.

또한, 상기 제2 고정부(139)는 상기 제1 조인트 셀(137)의 중심에 형성될 수 있다.

또한, 상기 제1 고정부(115)는 상기 탄성 부재가 체결되는 돌기, 홈 및 통공 중 하나일 수 있다. 이때, 상기 제1 고정부는 통공이고, 상기 탄성 부재는 상기 안구 지지 부재(120)에 상기 통공을 통하여 고정 설치될 수 있다.

또한, 상기 볼 부재(110)는 상기 볼 부재와 상기 볼 소켓이 형성하는 볼 조인트의 축 상의 후방에서 상기 축 방향으로 연장되는 암(arm)(117)을 더 구비하고, 상기 제1 고정부가 통공일 때, 상기 통공은 상기 암의 단부까지 형성될 수 있다. 이때, 상기 탄성 부재(150)는 상기 안구 지지 부재에 상기 통공을 통하여 고정 설치될 수 있다.

한편, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

실제 인체 또는 동물과 유사한 안구를 설치할 필요가 있는 로봇에 적용할 수 있다.

특히, 소형 로봇에 적용하는 것이 유리하다.

110...볼 부재 111...중공
113...저면 115...제1 고정부
117...암 120...안구 지지 부재
130...볼 소켓 131...전방 부재
133...후방 부재 135...링크 연결부
136...제2 조인트 셀 137...제1 조인트 셀
138...눈동자 139...제2 고정부
140...모터 141...상하 운동 모터
143...좌우 운동 모터 150...탄성 부재
170...링크 171...제1 링크
173...제2 링크 175...링크 볼 부재
177...링크 볼 소켓

Claims (8)

1. 후방 부위가 안구 지지 부재에 체결되는 볼 부재;
   후방 중심 부위에 형성되어 상기 볼 부재가 수납되는 제1 조인트 셀과 후방 주변 부위에 복수로 형성되는 제2 조인트 셀과 안구 형상의 전방 부위가 구비된 볼 소켓;
   상기 안구 지지 부재에 복수로 설치되는 모터; 및
   상기 각 제2 조인트 셀에 수납되는 볼이 일단에 형성된 제2 링크를 구비하여 상기 각 모터의 움직임을 상기 볼 소켓에 전달하는 링크;
   를 포함하는 로봇용 안구 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제2 링크는 상기 볼 소켓의 이동 가능 방향 중 자신이 링크하는 모터의 움직임에 따른 상기 볼 소켓의 이동 방향의 수직 방향으로는 상기 모터의 움직임과 무관하게 유동되는 것을 특징으로 하는 로봇용 안구 장치.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 링크는,
   상기 각 모터에 체결되어 모터의 회전 방향에 따라 움직이는 제1 링크;
   상기 각 제2 조인트 셀에 수납되는 볼이 일단에 형성된 제2 링크;
   상기 제1 링크와 상기 제2 링크의 사이에 배치되는 n(n은 0을 포함한 자연수)개의 하위 링크;를 포함하고,
   상기 제1 링크와 제2 링크 및 하위 링크 간의 (n+2)-1개의 연결 부위 중 적어도 하나는 볼 조인트 구조인 것을 특징으로 하는 로봇용 안구 장치.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 제2 조인트 셀은 상기 볼 소켓의 후방 주변 부위에서 상하 부위 중 적어도 한 곳에 형성되고, 상기 볼 소켓의 후방 주변 부위에서 좌우 부위 중 적어도 한 곳에 형성되는 것을 특징으로 로봇용 안구 장치.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 볼 소켓은,
   상기 볼 부재에 대응하는 중공이 형성되어 상기 볼 부재의 전방에서 끼워지는 반구형의 전방 부재; 및
   상기 볼 부재의 후방에서 끼워져 상기 전방 부재와 체결됨으로써 상기 제1 조인트 셀과 상기 제2 조인트 셀을 형성하는 후방 부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇용 안구 장치.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 후방 주변 부위는 상기 후방 부재에서 상기 전방 부재와 체결되는 면의 반대면인 것을 특징으로 하는 로봇용 안구 장치.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 볼 소켓은 탄성체인 것을 특징으로 하는 로봇용 안구 장치.
   
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 볼 부재는 절개된 전방 부위에 중공이 형성되고 상기 중공의 저면에 제1 고정부가 형성되고,
   상기 볼 소켓은 상기 제1 조인트 셀에 제2 고정부가 형성되고,
   각 단부가 상기 제1 고정부와 상기 제2 고정부에 고정 설치되며 상기 중공의 폭보다 작은 두께를 갖는 봉 형상의 탄성 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇용 안구 장치.

Images