KR20150138747A - 가변 토크 보상기 및 이를 이용하는 로봇 암 - Google Patents

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KR20150138747A
KR20150138747A KR1020140067157A KR20140067157A KR20150138747A KR 20150138747 A KR20150138747 A KR 20150138747A KR 1020140067157 A KR1020140067157 A KR 1020140067157A KR 20140067157 A KR20140067157 A KR 20140067157A KR 20150138747 A KR20150138747 A KR 20150138747A
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김갑일
김정훈
오성남
이범주
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명지대학교 산학협력단
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    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/06—Programme-controlled manipulators characterised by multi-articulated arms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
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Abstract

가변 토크 보상기 및 이를 이용하는 로봇 암이 제공된다. 본 발명의 일측면에 따른 로봇 암은, 제1 링크; 제1 링크에 대하여 회전가능하게 결합된 제2 링크; 제2 링크를 제1 링크에 대하여 상대적으로 회전시키도록 구성된 구동모터부; 일단이 제2 링크에 결합된 탄성 부재; 탄성 부재의 타단에 형성되는 기어 부재; 기어 부재와 치합하여 제1 링크에 대하여 상대적으로 기어 부재의 위치 또는 회전각을 조절하도록 구성되고 제1 링크에 결합된 보상모터부; 및 구동모터부와 보상모터부의 구동을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다. 본 발명의 일부 실시예에 따르면 로봇 암에 가해지는 다양한 토크에 유연하게 대응할 수 있고, 로봇 암을 구동하는 모터가 로봇 암에 가해지는 하중으로 인해 손상되는 것을 방지할 수 있는 가변 토크 보상기 및 이를 이용한 로봇 암이 제공된다.

Description

가변 토크 보상기 및 이를 이용하는 로봇 암 {VARIABLE TORQUE COMPENSATOR AND ROBOT ARM USING THE SAME}
본 발명은 관절형 로봇 암에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가변 토크에 대응하기 위한 가변 토크 보상기 및 이를 이용한 로봇 암에 관한 것이다.
로봇 암(robotic arm)이란 사람의 팔과 유사한 기능을 수행하도록 구성된 기계 장치의 일종으로서, 특정 동작을 수행하도록 프로그램되어 사용된다. 로봇 암은 자체적으로 하나의 기계 장치를 이룰 수도 있고, 더 큰 로봇의 일부일 수도 있다.
로봇 암은 다수의 링크를 포함할 수 있고, 두 개의 인접한 링크는 관절부에 의해 회동가능하게 결합된다. 이러한 관절형(articulated) 로봇 암은 다수의 링크 및 관절을 포함할 수 있고, 로봇 암의 말단에는 이펙터(effector)가 장착되어 필요한 기능을 수행한다. 이와 같은 로봇 암은 큰 힘, 높은 정밀성 및 높은 생산성을 제공할 수 있어 로봇 암은 제조, 건설, 의료 등 다양한 분야에서 이용되고 있다.
한편, 로봇 암은 일반적으로 매우 큰 크기 및/또는 무게로 구현되므로, 로봇 암의 자중(自重)이 로봇 암을 지지 또는 구동하는 모터에 부담을 줄 수 있다. 로봇 암의 어느 두 링크가 회전가능하게 결합된 관절부에서, 두 링크 중 움직여지는 링크의 무게중심이 중력 방향으로 해당 관절부와 일직선으로 정렬된 경우에는 중력에 의해 링크의 무게가 가하는 토크는 0에 가깝겠지만, 그 외의 경우, 예를 들어 로봇 암이 수평 방향으로 펼쳐져 링크의 무게중심이 관절부로부터 멀어지는 경우에는 링크의 무게가 가하는 토크가 상당히 클 수 있다. 링크를 회전시키기 위한 모터가 링크의 자중으로 인한 이러한 토크를 전적으로 부담해야 한다면 모터는 매우 큰 부하를 담당해야 하며 이로 인해 크기 및 출력이 과도하게 큰 모터를 사용해야 한다.
이러한 문제를 해소하기 위해 대한민국 특허공고번호 특1996-0008259호 등의 문헌에서는 로봇의 중력 토크를 보상하기 위한 장치가 제안된 바 있다. 이러한 토크 보상기에서는 탄성력을 가하는 탄성 부재를 사용하며, 로봇 암이 펼쳐져 자중으로 인한 중력 토크가 증가하는 경우 탄성 부재가 중력 토크의 반대 방향으로 보상 토크를 가하여 모터가 부담해야 하는 부하를 감소시키도록 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 토크 보상기가 설치된 로봇 암의 일부를 도시하는 개념도이다.
도 1에 도시된 종래의 토크 보상기에서는 탄성 부재로서 스프링(4')의 일단(이동지지단, 5')이 회전 링크(2')에 고정되어 있고 타단(고정지지단(6'))은 고정 링크(1')에 고정되어 있다. 회전 링크(2')의 회전 각도에 따라 이동지지단(5')과 고정지지단(6')과의 거리(L)가 변화하게 되는데, 자중에 의한 중력 토크가 발생하는 경우 이동지지단(5')과 고정지지단(6') 사이의 스프링(4')이 그 복원력에 의해 회전관절(3)을 구동하는 모터(미도시)에 걸리는 중력 토크를 보상한다.
스프링(4')의 자유길이를 LN, 스프링 상수를 K, 초기장력을 F라 하면, 스프링(4')에 의한 보상토크 Tc는 아래와 같이 구해진다.
Tc = {K(L-LN)+F}ㆍ1ㆍrㆍsinθ/L
L2 = 12 + r2 - 2ㆍ1ㆍrㆍcosθ
도 2는 도 1의 로봇 암이 설치되는 위치 및 회전 링크의 각도에 따라 링크에 가해지는 중력 토크 및 보상 토크를 도시하는 그래프이다.
도 2를 참조하면, 도 1의 로봇 암은 바닥에 설치되도록 설계된 것으로서, 로봇 암이 바닥에 설치되면 스프링(4')에 의한 토크는 중력 토크를 보상하여 모터가 부담하는 토크가 감소됨을 볼 수 있다. 다만, 도 1의 로봇 암이 천장에 설치되는 경우(중력 가속도가 7b'의 방향으로 작용하는 경우), 스프링(4')에 의한 토크는 중력 토크와 같은 방향으로 작용하여 모터가 부담하는 토크를 오히려 증가시킴을 볼 수 있다. (토크의 (-)부호는 (+)부호에 대하여 반대 방향으로 토크가 작용함을 나타낸다.)
특히, 스프링(4')의 양단이 각 링크(1', 2')의 고정된 위치에 결합되어 있으므로, 스프링(4')이 올바로 보상 토크를 제공하더라도(중력 가속도가 7a'의 방향으로 작용하는 경우) 중력 토크가 완전히 보상되어 모터가 부담하는 토크가 0이 되는 경우는 드물며, 회전 링크(2')의 회전 각도에 따라 항상 어느 정도의 중력 토크가 모터에 작용할 수 있다.
더욱이, 도 1 및 도 2는 로봇 암에 추가의 하중이 가해지지 않는 경우를 가정한 것이며, 관절형 로봇이 어떤 물체를 들어 운반하는 경우와 같이 추가의 하중이 가해지는 경우 이러한 추가 하중에 의한 토크는 구동 모터에 부담을 주게 된다. 이로 인해 로봇 암의 링크를 구동하는 데 있어 보다 큰 규모 및 성능의 모터가 요구될 수 있으며, 충분한 성능의 모터가 사용되지 않는 경우 모터의 오작동 및 손상으로 이어져 큰 손실을 초래할 수도 있다.
본 발명의 일측면은 다양한 토크에 유연하게 대응할 수 있는 가변 토크 보상기 및 이를 이용한 로봇 암을 제공하려는 것이다.
본 발명의 다른 일측면은 로봇 암을 구동하는 모터가 로봇 암에 가해지는 하중으로 인해 손상되는 것을 방지할 수 있는 가변 토크 보상기 및 이를 이용한 로봇 암을 제공하려는 것이다.
본 발명의 일측면에 따르면, 제1 링크; 제1 링크에 대하여 회전가능하게 결합된 제2 링크; 제2 링크를 제1 링크에 대하여 상대적으로 회전시키도록 구성된 구동모터부; 일단이 제2 링크에 결합된 탄성 부재; 탄성 부재의 타단에 형성되는 기어 부재; 기어 부재와 치합하여 제1 링크에 대하여 상대적으로 기어 부재의 위치 또는 회전각을 조절하도록 구성되고 제1 링크에 결합된 보상모터부; 및 구동모터부와 보상모터부의 구동을 제어하는 제어부를 포함하는 로봇 암이 제공된다.
탄성 부재는 스파이럴 스프링을 포함할 수 있고, 보상모터부는 제1 링크에 대하여 상대적으로 기어 부재의 회전각을 조절하도록 구성될 수 있다.
이 경우, 기어 부재는 피니언을 포함할 수 있고, 보상모터부는 피니언과 치합하여 웜기어 구조로 결합되는 스크류 샤프트를 포함할 수 있다.
탄성 부재는 코일 스프링을 포함할 수도 있고, 보상모터부는 제1 링크에 대하여 상대적으로 기어 부재의 위치를 조절하도록 구성될 수도 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 로봇 암은 구동모터부가 부담해야 하는 토크 값을 감지하는 센서부를 더 포함할 수 있다.
센서부는 구동모터부의 전력 소비를 감지하고 이에 기초하여 상기 토크 값을 감지할 수도 있다. 제어부는 센서부의 감지 결과에 기초하여 보상모터부의 구동을 제어할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 로봇 암은 제1 링크에 대하여 제2 링크를 고정시키도록 구성된 브레이크부를 더 포함할 수 있고, 토크 값이 소정의 임계치를 초과하면 제어부는 브레이크부를 작동시켜 제1 링크에 대하여 제2 링크를 상대적으로 고정시킬 수 있다.
본 발명의 다른 일측면에 따르면, 서로 회전가능하게 결합된 제1 링크 및 제2 링크를 포함하는 로봇 암을 위한 토크 보상기로서, 일단이 상기 제2 링크에 결합된 탄성 부재; 탄성 부재의 타단에 형성되는 기어 부재; 기어 부재와 치합하여 제1 링크에 대하여 상대적으로 기어 부재의 위치 또는 회전각을 조절하도록 구성되고 제1 링크에 결합된 보상모터부를 포함하는 가변 토크 보상기가 제공된다.
본 발명의 일부 실시예에 따르면 로봇 암에 가해지는 다양한 토크에 유연하게 대응할 수 있는 가변 토크 보상기 및 이를 이용한 로봇 암이 제공된다.
또한, 로봇 암을 구동하는 모터가 로봇 암에 가해지는 하중으로 인해 손상되는 것을 방지할 수 있는 가변 토크 보상기 및 이를 이용한 로봇 암이 제공된다.
도 1은 종래 기술에 따른 토크 보상기가 설치된 로봇 암의 일부를 도시하는 개념도이다.
도 2는 도 1의 로봇 암이 설치되는 위치 및 회전 링크의 각도에 따라 링크에 가해지는 중력 토크 및 보상 토크를 도시하는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 가변 토크 보상기를 나타내는 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 가변 토크 보상기를 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 가변 토크 보상기를 나타내는 사시도이다.
도 6은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 가변 토크 보상기를 나타내는 개념도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 가변 토크 보상기가 장착된 로봇 암의 일부를 나타내는 개념도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 가변 토크 보상기를 나타내는 블록도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 자세히 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 구성요소에 대해 유사한 참조부호를 사용하였다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 가변 토크 보상기를 나타내는 개념도이고, 도 4 및 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 가변 토크 보상기를 나타내는 사시도이다. 가변 토크 보상기(500)는 예를 들어 제1 링크(10)와 제2 링크(20)가 서로 회전가능하게 결합되는 관절부에 설치될 수 있다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 가변 토크 보상기(500)는 크게 탄성 부재(100), 보상모터부(200), 및 기어 부재(240)를 포함하여 구성될 수 있다.
탄성 부재(100)는 금속 등의 탄성 재료로 형성되어 외부 토크가 가해지는 경우 탄성적 복원력으로써 보상 토크를 가할 수 있다. 예를 들어 제2 링크(20)에 중력에 의한 토크가 가해지면, 탄성 부재(100)는 중력 토크의 반대 방향으로 토크를 제공하여 제2 링크(20)를 구동하기 위한 구동모터부(600)에 과도한 부하가 걸리는 것을 방지할 수 있다.
탄성 부재(100)의 일단에는 링크 결합부(120)가 형성될 수 있고, 링크 결합부(120)는 하나의 링크, 예를 들어 제2 링크(20)에 결합될 수 있다. 탄성 부재(100)의 타단에는 기어 결합부(140)가 형성될 수 있고, 기어 결합부(140)는 기어 부재(240)에 결합될 수 있다. 달리 표현하자면, 탄성 부재(100)의 일단은 링크에 결합되고 타단은 기어 부재(240)에 결합되는 것이다.
도 3 내지 도 5의 실시예에서는 탄성 부재(100)의 일례로서 스파이럴 스프링이 도시되어 있으나, 탄성 부재(100)가 이러한 구조에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 탄성 부재(100)는 압축 또는 인장 코일 스프링 등으로 구현될 수도 있다.
스파이럴 스프링으로 구현된 탄성 부재(100)는 외부에서 가해지는 토크에 대하여 반대 방향으로 탄성력을 가할 수 있다. 예를 들어 링크 결합부(120)가 제2 링크(20)에 결합되어 있고 중력 토크가 제2 링크(20)에 반시계방향으로 가해진다면, 탄성 부재(100)는 이에 저항하는 방향, 즉 시계방향으로 탄성력을 가하여 중력 토크를 보상하는 토크를 제공할 것이다. 이러한 스파이럴 스프링은 나선형의 스프링이 감겨지는 방향 및 펴지는 방향 모두로 탄성력을 가할 수 있다.
기어 부재(240)는 탄성 부재(100)의 타단에 결합되어 탄성 부재(100)와 보상모터부(200) 사이의 매개체 역할을 할 수 있다. 도 3의 실시예에서는 탄성 부재(100)가 스파이럴 스프링의 형태로 구현되고, 보상모터부(200)의 동력으로 스파이럴 스프링을 제어할 수 있도록 기어 부재(240)는 피니언의 형태로 구현될 수 있다. 도 3에는 탄성 부재(100)와 기어 부재(240)가 개별 구성요소로서 서로 결합되는 것으로 도시되어 있지만 탄성 부재(100)와 기어 부재(240)가 일체형으로 제조될 수 있음은 물론이다.
보상모터부(200)는 로봇 암(1000)의 두 링크 중 링크 결합부(120)가 결합되지 않은 다른 하나의 링크에 결합될 수 있다. 즉, 링크 결합부(120)가 제2 링크(20)에 결합되어 있으면 보상모터부(200)는 제1 링크(10)에 결합될 수 있다. 보상모터부(200)는 기어 부재(240)의 위치 또는 회전각을 조절하는 역할을 한다. 예를 들어, 보상모터부(200)는 기어 부재(240)와 치합하는 스크류 샤프트(250)를 포함할 수 있고, 보상모터부(200)가 작동하여 스크류 샤프트(250)가 회전함에 따라 이에 치합된 기어 부재(240)가 이동 또는 회전할 수 있다.
도 3에 도시된 실시예의 경우, 스크류 샤프트(250)가 회전함에 따라 기어 부재(240)의 회전 각도가 변경된다. 기어 부재(240)가 피니언의 형태로 구현된 경우, 기어 부재(240)와 스크류 샤프트(250)의 결합은 웜기어 구조에 해당한다.
웜기어 구조에서 "웜(worm)"에 대응하는 스크류 샤프트(250)가 샤프트의 축을 중심으로 보상모터부(200)에 의해 회전됨에 따라, 스크류 샤프트(250)에 치합된 기어 부재(240)가 회전하고, 기어 부재(240)에 결합된 탄성 부재(100)의 타단의 위치가 변경될 수 있다.
도 3에서 기어 부재(240)가 시계방향으로 회전하게 되면, 스파이럴 스프링 형태의 탄성 부재(100)가 더 감겨지게 되므로 링크 결합부(120)가 결합된 링크(20)에는 스파이럴 스프링이 펴지는 방향으로, 즉 시계방향으로, 토크가 더 가해지게 되거나 또는 반시계방향으로 가해지고 있던 토크가 감소하게 된다.
로봇 암(1000)이 어떠한 물건을 집어 들거나 운반하는 경우처럼 추가적 하중의 부담이 요구될 수 있으므로, 탄성 부재(100)는 로봇 암(1000)의 자중뿐만 아니라 추가의 하중에 의해 발생할 수 있는 중력 토크를 보상할 수 있을 정도의 탄성력을 제공하는 것으로 선택되는 것이 유리할 수 있다.
보상모터부(200)는 스크류 샤프트(250) 이외에도 기어 부재(240)에 동력을 전달하는 다양한 결합 구조를 이용할 수 있으며, 스크류 샤프트(250)와 기어 부재(240) 사이에 다양한 기어 등의 구성요소가 개재될 수도 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 제2 링크(20)에 과도한 힘이 가해지더라도 이로 인해 보상모터부(200)의 모터 구조에 무리가 가지는 않는다. 제2 링크(20)에 외부 토크가 가해지면 우선적으로는 탄성 부재(100)가 해당 토크를 흡수하여 보상모터부(200)로 힘이 전달되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 만일의 경우 탄성 부재(100)가 토크를 흡수하지 못하여 기어 부재(240)가 회전하게 되더라도, 기어 부재(240)의 회전은 스크류 샤프트(250)의 축방향으로 힘을 가하고 보상모터부(200)가 구동력을 가하는 회전 방향으로 힘을 가하지 않으므로 외부 힘으로 인해 보상모터부(200)에 무리를 가하여 모터의 오작동 또는 손상이 발생하는 경우가 방지될 수 있다.
탄성 부재(100)의 각 단부의 위치, 즉 링크 결합부(120)와 기어 결합부(140)의 위치로부터 탄성 부재(100)가 가하는 토크를 계산할 수 있다. 일반적으로 토션 스프링이 가하는 힘(τ)은 τ=-κθ으로 표현되는데, 여기서 θ는 초기 위치로부터 이동한 라디안 단위의 각도이고, κ는 스프링 상수이다. 탄성 부재(100)의 탄성력을 직접 측정하는 센서를 사용하여 탄성 부재(100)가 가하는 토크를 측정할 수도 있다. 이와 같이 계산 또는 측정된 탄성 부재(100)의 토크는 보상모터부(200)의 구동을 위한 정보로 사용될 수도 있고 다른 용도로 사용될 수도 있다.
로봇 암(1000)의 여러 동작을 제어하는 제어부(400)는 보상모터부(200)의 구동을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(400)는 로봇 암(1000)의 자세, 관련된 각 링크의 위치 및 각도 등으로부터 요구되는 보상 토크를 계산하고 이에 근거하여 보상모터부(200)의 구동을 제어하여 탄성 부재(100)가 가하는 보상 토크를 조절할 수 있다. 또 다른 예에서는, 로봇 암(1000)이 센서부(300)를 더 포함할 수 있고, 센서부(300)의 감지 결과를 기초로 하여 요구되는 보상 토크를 측정하고 제공되는 보상 토크를 조절할 수 있다. 제어부(400)는 로봇 암(1000)의 구성요소들을 전반적으로 제어하는 제어 유닛일 수도 있고, 가변 토크 보상기(500)의 구성요소들만을 제어하는 제어 유닛일 수도 있다.
이와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 가변 토크 보상기는 로봇 암의 두 링크가 어떠한 자세로 배치되든, 또 어떠한 추가 하중이 가해지든, 요구되는 보상 토크를 제공할 수 있다. 가변하는 중력 토크에 대하여 유연하게 보상 토크를 제공할 수 있으므로, 모든 경우에 있어 보상 토크의 크기를 최적화할 수 있고, 이에 따라 로봇 암을 이동 또는 유지시키기 위한 동력을 최소화할 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 가변 토크 보상기를 나타내는 개념도이다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 일실시예에 따른 가변 토크 보상기(500) 또한 크게 탄성 부재(101), 보상모터부(200), 및 기어 부재(241)를 포함하여 구성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 탄성 부재가 반드시 스파이럴 스프링으로 한정되는 것은 아니다. 도 6에는 탄성 부재(101)가 코일 스프링, 특히 인장 코일 스프링으로 구현된 예가 도시되어 있다.
탄성 부재(101)는 금속 등의 탄성 재료로 형성되어 제2 링크(20)의 회전 각도에 따라 필요한 경우 탄성적 복원력을 가함으로써 보상 토크를 가할 수 있다.
탄성 부재(101)의 타단에는 제1 기어 결합부(141)가 형성될 수 있고, 제1 기어 결합부(141)는 하나의 링크, 예를 들어 제1 링크(10)에 결합된 제1 기어 부재(241)에 결합될 수 있다. 탄성 부재(101)의 반대측 일단에는 제2 기어 결합부(142)가 형성될 수 있고, 제2 기어 결합부(142)는 나머지 링크, 예를 들어 제2 링크(20)에 결합된 제2 기어 부재(242)에 결합될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 탄성 부재(101)의 제1 기어 결합부(141)는 탄성 부재(101)가 제1 링크(10)에 대하여 상대적으로 회전할 수 있도록 구성될 수 있다. 이를 위해 탄성 부재(101)가 제1 기어 결합부(141)에 대하여 회전가능하게 결합될 수도 있고, 제1 기어 결합부(141)가 제1 링크(20)에 대하여 회전가능하게 결합될 수도 있다.
마찬가지로, 탄성 부재(101)의 제2 기어 결합부(142)는 탄성 부재(101)가 기어 부재(242)에 대하여 상대적으로 회전할 수 있도록 구성될 수 있다. 즉, 탄성 부재(101)가 제2 기어 결합부(142)에 대하여 회전가능하게 결합될 수도 있고, 제2 기어 결합부(142)가 제2 기어 부재(242)에 대하여 회전가능하게 결합될 수도 있다.
도 6의 실시예에서는 탄성 부재(101)가 코일 스프링으로 구현되어 있다. 물론, 탄성 부재는 탄성적 복원력을 가하여 중력 토크를 보상할 수 있는 다양한 다른 형태로 구현될 수 있다.
코일 스프링으로 구현된 탄성 부재(101)는 외부에서 가해지는 토크에 대하여 반대 방향으로 보상 토크가 가해지도록 탄성력을 가할 수 있다. 예를 들어 탄성 부재(101)의 일단이 제2 링크(20) 측에 결합되어 있고 중력 토크가 제2 링크(20)에 반시계방향으로 가해진다면, 탄성 부재(101)가 가하는 인장력은 제2 링크(20)가 관절부에 대하여 시계방향으로 회전하게 하는 토크를 발생시키도록 하여 중력 토크를 보상할 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 가변 토크 보상기는 제1 기어 부재(241)의 위치를 조절하기 위한 제1 보상모터부(200) 및 제2 기어 부재(242)의 위치를 조절하기 위한 제2 보상모터부(202)를 포함할 수 있다.
공간에 제약이 있는 경우 또는 기타 필요한 경우 베벨 기어(247, 257) 등 다양한 기어를 사용하여 보상모터부(200) 및 기어 부재(241)의 배치를 변경시킬 수 있다.
예를 들어, 제1 보상모터부(200)는 스크류 샤프트(251)를 회전시키도록 구성될 수 있고, 스크류 샤프트(251)는 제1 기어 부재(241)가 치합하는 스크류 샤프트(245)로 회전력을 전달할 수 있다. 이를 위해 각 스크류 샤프트(245, 251)의 단부에는 베벨 기어(247, 257) 등이 형성될 수 있다. 제1 보상모터부(200)가 구동하면, 베벨 기어(247, 257) 결합에 의해 스크류 샤프트(245)가 회전하게 되며, 스크류 샤프트(245)의 축을 중심으로 회전하지 못하도록 구성된 제1 기어 부재(241)는 스크류 샤프트(245)를 따라 축방향으로 이동할 수 있다.
스크류 샤프트(245)의 축방향을 따른 기어 부재(241)의 위치는 탄성 부재(101)의 신장 정도를 결정하고 따라서 탄성 부재(101)가 가하는 탄성력을 결정할 수 있다. 일반적으로 코일 스프링이 가하는 힘(F)은 F=-kx로 표현되는데, 여기서 x는 초기 위치로부터 이동한 거리이고, k는 스프링 상수이다. 제어부(400)는 어느 정도의 보상 토크가 요구되는지 판단하고, 제1 보상모터부(200)의 구동을 제어하여 기어 부재(241)의 위치를 조절함으로써 탄성 부재(101)가 가하는 탄성력을 제어할 수 있다.
제2 보상모터부(202)는 스크류 샤프트(249)를 직접 회전시킬 수 있고, 스크류 샤프트(249)의 축을 중심으로 회전하지 못하도록 구성된 제2 기어 부재(242)는 스크류 샤프트(249)를 따라 축방향으로 이동할 수 있다.
스크류 샤프트(249)는 제1 링크(10)와 제2 링크(20)가 회전가능하게 결합된 관절부의 양측을 가로질러 관절부의 양측에 그 일부가 위치하도록 연장될 수 있다. 이는, 코일 스프링으로 구현된 탄성 부재(101)가 제2 링크의 일 지점에 고정되어 있으면 탄성 부재(101)를 사용하여 양방향의 토크를 제공하기 어려울 수 있기 때문이다.
스크류 샤프트(249)가 관절부의 양측을 가로질러 형성되므로, 예를 들어 반시계방향으로 보상 토크를 제공해야 하는 경우에는 도 6에서 제2 기어 부재(242)가 스크류 샤프트(249)의 좌측에 위치하게 하고, 시계방향으로 보상 토크를 제공해야 하는 경우에는 도 6에서 제2 기어 부재(242)가 스크류 샤프트(249)의 우측에 위치하게 할 수 있다.
탄성 부재(101)의 신장 정도를 조절하여 토크의 크기를 조절하기 위한 제1 기어 부재(141) 측은 보상 토크의 세밀한 제어가 가능하도록 제1 기어 부재(141)의 위치가 스크류 샤프트(245)의 허용 범위 내에서 연속적으로 이동할 수 있게 구성되는 것이 유리할 수 있다.
반면에, 탄성 부재(101)가 토크를 제공하는 방향을 조절하기 위한 제2 기어 부재(142) 측은 제2 기어 부재(142)가 연속적으로 이동할 필요가 없다. 따라서 스크류 샤프트(249)를 사용하는 대신 제2 기어 부재(142)가 관절부 양측의 두 위치만으로 변경되도록 구성될 수도 있을 것이다.
도 6를 참조하여 설명된 본 발명의 일실시예에 따른 가변 토크 보상기는 로봇 암의 두 링크가 어떠한 자세로 배치되든, 또 어떠한 추가 하중이 가해지든, 요구되는 보상 토크를 제공할 수 있다. 가변하는 중력 토크에 대하여 유연하게 보상 토크를 제공할 수 있으므로, 모든 경우에 있어 보상 토크의 크기를 최적화할 수 있고, 이에 따라 로봇 암을 이동 또는 유지시키기 위한 동력을 최소화할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 가변 토크 보상기가 장착된 로봇 암의 일부를 나타내는 개념도이고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 가변 토크 보상기를 나타내는 블록도이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 로봇 암(1000)은 서로 회전가능하게 결합된 제1 링크(10)와 제2 링크(20)를 포함할 수 있고, 또한 탄성 부재(100), 보상모터부(200), 기어 부재(240), 센서부(300), 브레이크부(350) 및 구동모터부(600)를 포함할 수 있다.
도 3 내지 도 5를 참조하여 설명한 바와 같이, 탄성 부재(100)는 그 일단이 링크 결합부(120)로 형성되어 제2 링크(20)에 결합될 수 있고, 그 타단은 기어 결합부(140)로 형성되어 기어 부재(240)에 결합될 수 있으며, 보상모터부(200)는 스크류 샤프트(250) 등을 매개로 하여 기어 부재(240)를 회전시킴으로써 요구되는 보상 토크를 제공하게 할 수 있다. 보상모터부(200)는 제어부(400)의 제어 하에 필요한 보상 토크가 제공되도록 기어 부재(240)의 회전 각도를 조절할 수 있고, 이에 따라 탄성 부재(100)가 가하는 토크의 크기 및 방향을 조절할 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제1 링크(10)와 제2 링크(20)가 회전가능하게 결합된 관절부에서 일측에는 보상 토크를 가하기 위한 탄성 부재(100)와 보상모터부(200) 등이 배치될 수 있고, 타측에는 링크들 자체를 움직이기 위한 구동모터부(600)가 배치될 수 있다. 구동모터부(600)는 예를 들어 제2 링크(20)에 토크를 제공하여 제2 링크(20)가 제1 링크(10)에 대하여 회전하게 하거나 정지된 상태를 유지하게 할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 가변 토크 보상기는 센서부(300)를 포함할 수 있는데, 센서부(300)는 요구되는 보상 토크를 감지할 수 있다. 예를 들어, 제1 링크(10)에 대하여 제2 링크(20)가 움직이도록 구동되는 경우, 센서부(300)는 제2 링크(20)의 자중 및 제2 링크(20)에 가해진 추가 하중으로 인한 중력 토크를 감지할 수 있다. 본 발명의 일실시예에서는, 센서부(300)에는 토크 센서, 압전 센서 등 다양한 종류의 센서가 포함될 수 있다.
본 발명의 다른 일실시예에서는, 센서부(300)가 구동모터부(600)의 출력을 기초로 하여 요구되는 보상 토크를 감지할 수 있다. 제2 링크(20)에 가해지는 중력 토크에서 탄성 부재(100)가 가하는 보상 토크를 제외한 값의 토크는 구동모터부(600)가 부담해야 하므로, 구동모터부(600)가 부담하고 있는 토크의 양이 더 보상되어야 하는 토크의 양으로 볼 수 있다. 따라서 센서부(300)는 구동모터부(600)에서 소비하는 전력량, 전류량 등을 바탕으로 요구되는 보상 토크를 감지할 수 있다.
도 7에서는 구동모터부(600)가 로봇 암의 관절부에 인접하여 구비된 예가 도시되어 있으나, 구동모터부(600)의 위치가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 구동모터부(600)는 관절부 외의 위치에 구비되고 다양한 와이어 혹은 텐든(tendon) 등을 이용하여 관절부의 링크에 토크를 제공할 수 있다. 마찬가지 이유로, 센서부(300) 역시 반드시 로봇 암의 관절부에 인접하여 구비될 필요는 없고, 또한 반드시 구동모터부(600)에 인접하여 구비될 필요도 없다.
구동모터부(600)에 가해지는 부하를 기초로 하여 요구되는 보상 토크의 양을 감지하는 경우, 급작스럽게 과도한 하중이 가해지면 해당 하중으로 인한 부하로 인해 구동모터부(600)의 모터에 무리가 가서 모터의 오작동 및 손상을 초래할 수 있을 것이다. 이러한 경우를 방지하기 위해, 본 발명의 일실시예에 따른 가변 토크 보상기의 제어부(400)는 센서부(300)의 감지 결과를 모니터링하여 요구되는 보상 토크의 값, 즉 제2 링크(20)에 가해지는 하중으로 인한 토크의 값이 소정의 임계치를 초과하면 브레이크부(350)를 작동시킬 수 있다.
브레이크부(350)는 저항력을 가하여 제2 링크(20)가 회전하는 것을 방지하고 제2 링크(20)가 제1 링크(10)에 대하여 고정되도록 할 수 있다. 임계치를 초과하는 토크가 제2 링크(20)에 가해진 경우, 제어부(400)에 의해 작동된 브레이크부(350)는 제2 링크(20)를 고정시켜 과도한 양의 토크가 구동모터부(600)에 전달되는 것을 우선적으로 방지할 수 있다. 브레이크부(350)에 의해 제2 링크(20)가 고정된 상태에서, 제어부(400)는 보상모터부(200)를 제어하여 탄성 부재(100)가 가하는 보상 토크의 양을 증가시킬 수 있으며, 이로 인해 제2 링크(20) 및 구동모터부(600)가 부담하는 중력 토크의 양이 감소될 수 있다.
브레이크부(350)를 작동시키기 위한 임계치는 구동모터부(600)의 모터가 가지는 특성을 고려하여 결정될 수 있으며, 구동모터부(600)의 모터에 무리가 가지 않는 범위 내에서 결정될 수 있다.
전술한 바와 같이 본 발명의 일부 실시예에 따른 가변 토크 보상기 및 로봇 암은 링크들이 어떠한 자세로 배치되든 그리고 어떠한 추가 하중이 가해지든 유연하게 대처하여 요구되는 보상 토크를 제공할 수 있다. 가변하는 중력 토크에 대하여 유연하게 보상 토크를 제공할 수 있으므로, 모든 경우에 있어 보상 토크의 크기를 최적화할 수 있고, 이에 따라 로봇 암을 이동 또는 유지시키기 위한 동력을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명의 일부 실시예에 따른 가변 토크 보상기 및 로봇 암은 링크에 가해지는 중력 토크를 감지하여 로봇 암을 구동하는 모터가 과도한 부하로 인해 손상되는 것을 방지할 수 있다는 장점을 제공한다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10: 제1 링크 20: 제2 링크
100: 탄성 부재 120: 링크 결합부
140: 기어 결합부 200: 보상모터부
240: 기어 부재 250: 스크류 샤프트
300: 센서부 350: 브레이크부
400: 제어부

Claims (16)

  1. 제1 링크;
    상기 제1 링크에 대하여 회전가능하게 결합된 제2 링크;
    상기 제2 링크를 상기 제1 링크에 대하여 상대적으로 회전시키도록 구성된 구동모터부;
    일단이 상기 제2 링크에 결합된 탄성 부재;
    상기 탄성 부재의 타단에 형성되는 기어 부재;
    상기 기어 부재와 치합하여 상기 제1 링크에 대하여 상대적으로 상기 기어 부재의 위치 또는 회전각을 조절하도록 구성되고 상기 제1 링크에 결합된 보상모터부; 및
    상기 구동모터부 및 상기 보상모터부의 구동을 제어하는 제어부를 포함하는 로봇 암.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성 부재는 스파이럴 스프링을 포함하고,
    상기 보상모터부는 상기 제1 링크에 대하여 상대적으로 상기 기어 부재의 회전각을 조절하는 것을 특징으로 하는 로봇 암.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 기어 부재는 피니언을 포함하고,
    상기 보상모터부는 상기 피니언과 치합하여 웜기어 구조로 결합되는 스크류 샤프트를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 암.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성 부재는 코일 스프링을 포함하고,
    상기 보상모터부는 상기 제1 링크에 대하여 상대적으로 상기 기어 부재의 위치를 조절하는 것을 특징으로 하는 로봇 암.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 탄성 부재의 상기 일단에는 제2 기어 부재가 형성되고,
    상기 로봇 암은 상기 제2 링크에 대하여 상대적으로 상기 제2 기어 부재의 위치를 조절하는 제2 보상모터부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 암.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동모터부가 부담해야 하는 토크 값을 감지하는 센서부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 암.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 센서부는 상기 구동모터부의 전력 소비를 감지하고 이에 기초하여 상기 토크 값을 감지하는 것을 특징으로 하는 로봇 암.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 제1 링크에 대하여 상기 제2 링크를 상대적으로 고정시키도록 구성된 브레이크부를 더 포함하되,
    상기 토크 값이 소정의 임계치를 초과하면 상기 제어부는 상기 브레이크부를 작동시켜 상기 제1 링크에 대하여 상기 제2 링크를 상대적으로 고정시키는 것을 특징으로 하는 로봇 암.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 센서부의 감지 결과에 기초하여 상기 보상모터부의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 로봇 암.
  10. 서로 회전가능하게 결합된 제1 링크 및 제2 링크를 포함하는 로봇 암을 위한 토크 보상기로서,
    일단이 상기 제2 링크에 결합된 탄성 부재;
    상기 탄성 부재의 타단에 형성되는 기어 부재;
    상기 기어 부재와 치합하여 상기 제1 링크에 대하여 상대적으로 상기 기어 부재의 위치 또는 회전각을 조절하도록 구성되고 상기 제1 링크에 결합된 보상모터부를 포함하는 가변 토크 보상기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 탄성 부재는 스파이럴 스프링을 포함하고,
    상기 보상모터부는 상기 제1 링크에 대하여 상대적으로 상기 기어 부재의 회전각을 조절하는 것을 특징으로 하는 가변 토크 보상기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 기어 부재는 피니언을 포함하고,
    상기 보상모터부는 상기 피니언과 치합하여 웜기어 구조로 결합되는 스크류 샤프트를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 토크 보상기.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 탄성 부재는 코일 스프링을 포함하고,
    상기 보상모터부는 상기 제1 링크에 대하여 상대적으로 상기 기어 부재의 위치를 조절하는 것을 특징으로 하는 가변 토크 보상기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 탄성 부재의 상기 일단에는 제2 기어 부재가 형성되고,
    상기 가변 토크 보상기는 상기 제2 링크에 대하여 상대적으로 상기 제2 기어 부재의 위치를 조절하는 제2 보상모터부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 토크 보상기.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 제2 링크에 가해지는 하중을 산출하는 센서부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 토크 보상기.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 보상모터부는 상기 센서부의 산출 결과에 기초하여 상기 기어 부재의 위치 또는 회전각을 조절하는 것을 특징으로 하는 가변 토크 보상기.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200082635A (ko) * 2018-12-31 2020-07-08 만드로 주식회사 전자의수의 팔꿈치 구조
KR20220164994A (ko) * 2021-06-07 2022-12-14 한국항공우주연구원 드론 및 드론 반토크 보상 방법
KR20230115594A (ko) * 2022-01-27 2023-08-03 성균관대학교산학협력단 중력 보상 장치

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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KR20220164994A (ko) * 2021-06-07 2022-12-14 한국항공우주연구원 드론 및 드론 반토크 보상 방법
EP4101758A1 (en) * 2021-06-07 2022-12-14 Korea Aerospace Research Institute Drone and drone torque compensation method
KR20230115594A (ko) * 2022-01-27 2023-08-03 성균관대학교산학협력단 중력 보상 장치

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