KR20160047021A

KR20160047021A - 로봇 핸드

Info

Publication number: KR20160047021A
Application number: KR1020140142443A
Authority: KR
Inventors: 박병윤; 조정산; 박상덕
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2014-10-21
Filing date: 2014-10-21
Publication date: 2016-05-02
Also published as: KR101639723B1

Abstract

본 발명은 로봇 핸드에 관한 것으로, 특히 로봇 몸체에 유압 발생부를 형성하고 핸드 본체에 구동수단을 형성하여 무게는 줄이고 손가락 프레임의 파지력과 움직임을 향상시킬 수 있도록 하는 로봇 핸드에 관한 것이다. 구성은 본체와 회전축을 갖는 복수 개의 링크로 이루어지는 손가락 프레임을 포함하여 접힘과 펼침 동작하는 로봇 핸드로서, 상기 손가락 프레임의 접힘과 펼침 동작을 지지하는 연결수단과; 상기 연결수단과 연결되어 손가락 프레임이 물체를 신속하게 파지하도록 동력을 제공하는 모터를 포함하여 이루어지는 제 1 구동수단과; 상기 모터의 일 측으로 위치하도록 구비되는 유압 구동기와, 로봇의 몸체 또는 팔의 일 측으로 위치하도록 구비되는 유압 발생부로 이루어져 상기 손가락 프레임의 파지력을 증가시키는 제 2 구동수단; 을 포함하여 이루어진다.

Description

로봇 핸드{a robot hand}

본 발명은 로봇 핸드에 관한 것으로, 특히 로봇 몸체 또는 팔에 유압 발생부를 형성하고 핸드 본체에 구동수단을 형성하여 무게는 줄이고 손가락 프레임의 파지력을 향상시킬 수 있도록 하는 로봇 핸드에 관한 것이다.

일반적으로 의료 분야, 자동차산업분야, 군수산업분야, 메카트로닉스 분야 등에는 인간을 대신하거나 보조하여 작업이나 조작을 자동적으로 수행하는 로봇이 활용되고 있고, 이러한 로봇에는 모터, 실린더 등에 의해 사람의 손에 대응하도록 조작되는 매니퓰레이터(manipulator : 인간의 상지(上肢)와 유사한 기능을 보유하고, 그 선단부위에 해당하는 기계 손(mechanical hand) 등에 의해 물체를 「파지」(파악, 흡착, 유지하는 것들을 말한다.)하여 공간(空間)적으로 이동시키는 작업 또는 그 선단부위에 부착된 도장용 스프레이 건(spray gun), 용접 토오치 등의 공구에 의한 도장, 용접 등의 작업을 실시할 수 있는 것을 말한다. 「인간의 상지와 유사한」것이란 팔(arm)에 손(hand)이 붙어있는 것을 말하지만, 손이 없고 직접 암에 공구가 부착되어 있는 것, 손에 공구를 파지(把持)해서 작업을 실시하는 것과 같기 때문에 이것도 인간의 상지와 유사한 것으로 취급한다.)라 불리는 로봇 핸드가 설치되어 있다.

이와 같은 로봇 핸드는 손바닥과 손등 역할을 하는 본체와, 상기 본체에 형성되어 물체를 파지할 수 있도록 관절역할을 하는 회전축을 형성한 복수 개의 링크로 이루어지는 손가락 프레임을 포함하여 이루어진다.

그리고, 상기 로봇 핸드에는 손가락 프레임이 물체를 파지할 수 있도록 동작시키기 위한 모터, 실린더, 감속기 등과 같은 구동수단이 장착된다.

그러나, 종래의 로봇 핸드는 모터나 실린더로 요구되는 손가락 프레임의 파지력을 증가시킬 수 없었기 때문에 파지력을 증가시키기 위해서는 모터의 토크(torque : 물체에 작용하여 물체를 회전시키는 원인이 되는 물리량으로서 비틀림모멘트라고도 함.)가 큰 대형의 모터를 사용해야 하므로 로봇 핸드의 중량과 부피가 증가하게 되는 문제점이 있었다.

또, 로봇 핸드의 중량과 부피가 증가하게 되면 손가락 프레임의 움직임이 느려져 작업성이 저하되며 소형화를 이룰 수 없는 문제점이 있다.

또한, 종래의 로봇 핸드는 동력전달을 위해 사용되는 연결수단인 실린더가 손가락 프레임에 장착되기 때문에 동작이 섬세하지 못하고 중량이 무거워지며 피스톤과 로드의 길이가 길어지는 문제점이 있다.

등록특허 제10-1201455호

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 유압 발생부를 로봇 몸체(몸통) 또는 팔에 형성하고 손가락 프레임의 구동수단은 핸드 본체에 구비하여 작은 움직임으로도 손가락 프레임의 파지력을 증가시킴과 동시에 핸드의 무게와 부피를 줄이고, 손가락 프레임의 움직임을 신속하게 이루도록 하는 로봇 핸드를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 본체와 회전축을 갖는 복수 개의 링크로 이루어지는 손가락 프레임을 포함하여 접힘과 펼침 동작하는 로봇 핸드로서, 상기 손가락 프레임의 접힘과 펼침 동작을 지지하는 연결수단과; 상기 연결수단과 연결되어 손가락 프레임이 물체를 신속하게 파지하도록 동력을 제공하는 모터를 포함하여 이루어지는 제 1 구동수단과; 상기 모터의 일 측으로 위치하도록 구비되는 유압 구동기와, 로봇의 몸체 또는 팔의 일 측으로 위치하도록 구비되는 유압 발생부로 이루어져 상기 손가락 프레임의 파지력을 증가시키는 제 2 구동수단; 을 포함하여 이루어진다.

상기 모터는 손가락 프레임의 무게만큼만 움직이도록 작은 크기와 토크로 형성된다.

상기 제 1 구동수단은 모터와 연동하도록 결합 되어 백 드리븐(back driven) 현상 또는 백 래시(back lash) 현상을 방지하지 위한 백 드리븐 방지부를 더 포함한다.

상기 유압 구동기는 연결수단의 일 측과 연결되어 연결수단의 장력을 증가시키거나, 모터와 연결되어 연결수단의 장력을 증가시키도록 구성된다.

상기 손가락 프레임에는 복수 개의 탄성 부재가 설치된다.

상기 백 드리븐 방지부는 수나사와 암나사로 이루어지는 피드 스크류(feed screw) 또는 웜 휠과 웜으로 이루어지는 웜 기어 중, 어느 하나로 이루어진다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 로봇 몸체 또는 팔에 유압 발생부를 구비하고 핸드 본체의 일 측으로는 유압 구동기를 구비하여 로봇 핸드의 무게와 부피는 줄이고, 작은 동력으로도 손가락 프레임의 물체 파지력을 현저히 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

또, 본 발명은 모터를 포함하는 제 1 구동수단으로 손가락 프레임의 무게만 움직이도록 하고, 파지력의 증가는 유압 발생부와 유압 구동기로 이루어지는 제 2 구동수단에 의해 이루어지도록 함으로써 소형화가 가능하며 빠른 속도로 물체를 파지할 수 있어 작업성 향상을 이루도록 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 로봇 핸드의 연결수단과, 제 1 구동수단 및 제 2 구동수단을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 연결수단과 제 1 구동수단 및 제 2 구동수단을 장착한 로봇 핸드를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 제 2 구동수단의 유압 구동기가 연결수단을 밀거나 당기도록 장착된 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 제 2 구동수단의 유압 구동기가 모터를 당기거나 밀도록 장착된 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 로봇 핸드의 손가락 프레임이 펼쳐진 상태를 개략적으로 나타낸 측면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 제 1 구동수단인 모터에 의해 로봇 핸드의 손가락 프레임이 굽혀져 물체를 가볍게 파지하는 상태를 나타낸 도면이다.
도 7은 제 1 구동수단인 모터에 의해 가볍게 파지된 물체를 제 2 구동수단인 유압 구동기로 모터를 당겨 연결수단의 장력을 높여 손가락 프레임이 물체를 더 견고하게 파지하는 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 제 1 구동수단의 백 드리븐 방지부를 웜 기어로 형성하여 모터에 의해 손가락 프레임이 물체를 가볍게 파지하는 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 9는 제 1 구동수단인 모터에 의해 가볍게 파지된 물체를 제 2 구동수단인 유압 구동기로 모터를 당겨 연결수단의 장력을 높여 손가락 프레임이 물체를 더 견고하게 파지하는 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 제 2 구동수단의 유압 구동기가 연결수단과 직접 연결되어 연결수단의 장력을 높이는 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 로봇 핸드의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 보다 구체적으로 설명한다.

여기서, 하기의 모든 도면에서 동일한 기능을 갖는 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 반복적인 설명은 생략하며, 아울러 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이것은 고유의 통용되는 의미로 해석되어야 함을 명시한다.

도 1 내지, 도 10에 도시된 바와 같이 본 발명은 연결수단(110)과, 제 1 구동수단(120)과, 제 2 구동수단(130)으로 대별되어 이루어진다.

상기 연결수단(110)은 로봇 핸드(100)의 본체(140)에 장착되는 제 1 구동수단(120) 또는 제 2 구동수단(130)과 손가락 프레임(150)으로 연결되어 손가락 프레임(150)의 접힘과 펼침 동작을 지지하는 것으로서, 예컨대 케이블(cable : 실이나 철사 따위를 꼬아서 만든 굵은 줄), 와이어(wire : 여러 가닥의 강철 철사를 합쳐 꼬아 만든 줄), 체인(chain : 사슬, 쇠줄, 띠), 회전력을 정확하게 전달할 수 있는 타이밍벨트(timing belt : 기어처럼 등간격의 홈을 가진 벨트 풀리의 홈에 정확히 맞물리도록 내측에 같은 간격의 홈을 가진 벨트.) 중, 어느 하나로 이루어진다.

여기서, 상기 손가락 프레임(150)은 일단으로 관절역할을 하는 회전축(151)을 갖는 링크(152)가 복수 개 연결되어 구성된다.

그리고, 상기 연결수단(110)은 상기 제 1 구동수단(120) 또는 제 2 구동수단(130)의 동작에 연동하여 손가락 프레임(150)을 구성하는 각 회전축(151)과 링크(152)에 연결되어 상기 각 회전축(151)의 정회전과 역회전(접힘과 펼침) 동작을 지지한다.

즉, 좀 더 구체적으로는 상기 연결수단(110)은 일단이 상기 제 1 구동수단(120) 또는 제 2 구동수단(130)에 연결되고, 타 일단은 상기 손가락 프레임(150)을 구성하는 링크(152)의 선단 부분에 연결된다.

그리고, 중간 부분은 상기 각 회전축(151)에 감겨 전후로 회전이동가능하게 설치된다.

이에 따라, 상기 제 1 구동수단(120) 또는 제 2 구동수단(130)의 동작에 연동하여 전후로 이동하면서 로봇 핸드(100)를 구성하는 손가락 프레임(150)의 접힘과 펼침 동작을 이루도록 지지하게 한다.

상기 제 1 구동수단(120)은 상기 연결수단(110)과 연결되어 손가락 프레임(150)이 물체(200)를 신속하게 파지하도록 동력을 제공하는 모터(121)와 상기 모터(121)와 연동하도록 결합 되어 백 드리븐(back driven) 현상 또는 백 래시(back lash) 현상을 방지하지 위한 백 드리븐 방지부(122)로 이루어진다.

상기와 같은 구성의 모터(121)와 백 드리븐 방지부(122)는 각 손가락 프레임(150)이 물체(200)의 파지 동작을 빠르고 정확하게 이루기 위해 작은 크기로 로봇 핸드(100)의 본체(140)를 통해 설치된다.

여기서, 상기 모터(121)와 백 드리븐 방지부(122)는 각 손가락 프레임(150)에 대응되는 개수로 설치되는 것이 바람직하다.

또, 상기 모터(121)는 손가락 프레임(150)의 무게만큼만 움직이도록 작은 크기와 토크로 형성되므로 로봇 핸드(100)의 소형화를 이룰 수 있다.

그리고, 상기 백 드리븐 방지부(122)는 수나사(11)와 암나사(12)로 이루어지는 피드 스크류(feed screw)(10) 또는 웜 휠(21)과 웜(22)으로 이루어지는 웜 기어(20) 중, 어느 하나로 이루어지는 것이 바람직하다.

이러한 구성의 제 1 구동수단(120)은 상기 모터(121)를 정회전 또는 역회전 동작시키면 상기 모터(121)에 연동하도록 결합 되어 있는 예컨대, 피드 스크류(10)의 수나사(11)가 정, 역회전하게 되고 상기 수나사(11)의 정,역회전 동작에 의해 암나사(12)가 전,후진 동작하게 된다.

또, 상기 모터(121)를 정회전 또는 역회전 동작시키면 상기 모터(121)에 연동하도록 결합 되어 있는 예컨대, 웜 기어(20)의 웜 휠(21)이 정, 역회전하게 되고 상기 웜 휠(21)의 정,역회전 동작에 의해 웜(22)이 전,후진 동작하게 된다.

이와 동시에, 상기 암나사(12) 또는 웜(22)에 일단이 연결되어 있는 연결수단(110)이 당겨지거나 밀쳐지게 되면서 손가락 프레임(150)을 접혀지게 하거나 펼쳐지게 한다.

이때, 상기 백 드리븐 방지부(122)를 구성하는 피드 스크류(10) 또는 웜 기어(20)에 의해 상기 연결수단(110)의 백래시 현상이 방지되어 손가락 프레임(150)의 정밀한 동작을 이룰 수 있다.

따라서, 상기와 같은 구성의 제 1 구동수단(120)은 로봇 핸드(100)의 무게를 현저하게 줄임은 물론 정밀한 동작과 소형화를 이룰 수 있다.

상기 제 2 구동수단(130)은, 모터(121)의 일 측으로 위치하도록 구비되는 유압 구동기(131)와, 로봇의 몸체(미도시) 또는 팔의 일 측으로 위치하도록 구비되는 유압펌프, 유압 밸브를 포함하는 유압 발생부(132)로 구성된다.

이러한 구성의 상기 유압 구동기(131)는 상기 연결수단(110)의 일 측과 연결되어 연결수단(110)을 직접 밀거나 당겨 장력을 증가시키거나, 상기 모터(121)와 연결되어 모터(121)를 전후로 이동시켜 연결수단(110)의 장력을 증가시키도록 구성될 수 있다.

상기 제 2 구동수단(130)의 동작 관계를 설명하면, 상기 제 1 구동수단(120)의 모터(121)와 백 드리븐 방지부(122)에 의해 동작하는 손가락 프레임(150)이 움직여 물체(200)를 가볍게 파지한 후에는, 상기 제 2 구동수단(130)을 동작시킨다.

그러면, 상기 유압 구동기(131)가 상기 연결수단(110)을 직접 밀어 물체(200)를 가볍게 파지하고 있는 손가락 프레임(150)의 파지력을 더욱더 증가시키거나, 또는 유압 구동기(131)가 모터(121)를 전후로 이동시켜서 연동하는 연결수단(110)이 당겨지도록 함으로써 물체(200)를 파지하고 있는 손가락 프레임(150)의 파지력을 증가시킨다.

즉, 상기 제 2 구동수단(130)의 유압 구동기(131)는 아주 작은 움직임으로도 상기 손가락 프레임(150)의 동작을 지지하고 있는 상기 연결수단(110)의 장력을 크게 높일 수 있기 때문에 작고 가벼운 유압 구동기(131)로도 손가락 프레임(150)의 파지력을 크게 증가시킬 수 있다.

이에 따라, 본 발명에 따른 로봇 핸드(100)는 무게와 부피를 증가시키지 않고도 손가락 프레임의 움직임을 신속하게 함과 동시에 파지력을 크게 높여 소형화를 이루고 작업성 향상을 이룰 수 있다.

한편, 상기 로봇 핸드(100)를 구성하는 본체(140)와 회전축(151)을 갖는 복수 개의 링크(152)로 이루어지는 손가락 프레임(150)에는 고무줄, 스프링 등과 같은 복수 개의 탄성 부재(160)가 설치된다.

상기 탄성 부재(160)는, 통상적으로는 상기 손가락 프레임(150)의 펼침 상태를 탄성 지지하도록 설치된다.

그리고, 상기 손가락 프레임(150)이 물체(200)를 파지하기 위해 내측으로 굽힘 동작을 할 경우에는 각 회전축(151)과 링크(152)의 움직임에 연동,반발하여 내측으로 압축 탄성 변형되거나 팽창변형되게 된다.

또, 상기 탄성 부재(160)는, 손가락 프레임(150)의 파지력이 해제될 경우에는 손가락 프레임(150)이 펼침 상태를 이루도록 복원되려는 탄성력이 작용하게 된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 로봇 핸드의 동작 관계를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명에 따른 로봇 핸드(100)를 이용하여 물체(200)를 견고하게 파지하고자 할 경우에는 도 4에 도시된 바와 같이 상기 제 1 구동수단(120)의 모터(121)를 정회전 구동시킨다.

이와 동시에 상기 모터(121)에 연동하도록 결합 되어 있는 예컨대, 피드 스크류(10)의 수나사(11)가 정 회전하게 되고 상기 수나사(11)의 정 회전 동작에 의해 암나사(12)가 수나사(11)를 통해 후진, 이동하게 된다.

그리고, 상기 암나사(12)에 일단이 연결되고 타 일단은 상기 손가락 프레임(150)을 구성하는 링크(152)의 선단 부분에 연결되며, 중간 부분은 상기 각 회전축(151)에 감겨 전후로 회전이동가능하게 설치되어 있는 상기 연결수단(110)이 당겨지면서 상기 손가락 프레임(150)의 접힘 동작이 이루어지도록 하여 물체(200)를 가볍게 파지한다.

이때, 상기 백 드리븐 방지부(122)를 구성하는 피드 스크류(10) 또는 웜 기어(20)에 의해 상기 연결수단(110)의 백래시 현상이 방지되므로 파지하고 있는 물체(200)의 파지 상태가 풀리는 것을 방지할 수 있다.

다음, 상기 제 2 구동수단(130)을 동작시켜 유압 구동기(131)가 상기 연결수단(110)을 직접 밀어 물체(200)를 가볍게 파지하고 있는 손가락 프레임(150)의 파지력을 더욱더 증가시키거나, 또는 유압 구동기(131)가 모터(121)를 당겨서 연동하는 연결수단(110)이 당겨지도록 함으로써 물체(200)를 파지하고 있는 손가락 프레임(150)의 파지력을 요구되는 힘으로 증가시켜 물체(200)를 견고하게 파지시켜 다음 공정으로 이송한다.

이에 따라, 본 발명에 따른 로봇 핸드(100)의 무게와 부피를 증가시키지 않고도 손가락 프레임(150)의 움직임을 신속하게 함과 동시에 파지력을 크게 높여 소형화를 이루고 작업성 향상을 이룰 수 있다.

반대로, 로봇 핸드(100)의 손가락 프레임(140)의 파지 동작을 해제시키고자 할 경우에는 상기 제 1 구동수단(120)의 모터(121)를 역회전 구동시킨다.

이와 동시에 상기 모터(121)에 연동하도록 결합 되어 있는 예컨대, 피드 스크류(10)의 수나사(11)가 역회전하게 되고 상기 수나사(11)의 역회전 동작에 의해 암나사(12)가 수나사(11)를 통해 전진, 이동하게 된다.

이때, 상기 손가락 프레임(150)의 각 회전축(151)과 링크(152)의 움직임에 반발하여 내측으로 압축 탄성 변형되거나 팽창변형되어 있던 상기 탄성 부재(160)가 탄성 복원력에 의해 복원된다.

그리고, 상기 암나사(12)에 일단이 연결되고 타 일단은 상기 손가락 프레임(150)을 구성하는 링크(152)의 선단 부분에 연결되며, 중간 부분은 상기 각 회전축(151)에 감겨 전후로 회전이동가능하게 설치되어 있는 상기 연결수단(110)이 풀려 지면서 상기 손가락 프레임(150)의 파지 상태를 해제하는 펼침 동작이 이루어져 물체를 내려놓게 된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 로봇 핸드는 무게와 부피를 줄여 소형화를 이루도록 함과 동시에 손가락 프레임의 동작 속도를 향상시키며, 아주 작은 동력에도 파지력을 월등히 증가시킬 수 있기 때문에 동일한 크기의 로봇 핸드에 비해 가볍고 작은 크기로 큰 힘을 발휘할 수 이점이 있는 것이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 치환, 변형 및 균등한 타 실시 예로의 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

100 : 로봇 핸드 110 : 연결수단
120 : 제 1 구동수단 121 : 모터
122 : 백 드리븐 방지부 10 : 피드 스크류
11 : 수나사 12 : 암나사
20 : 웜 기어 21 : 웜 휠
22 : 웜 130 : 제 2 구동수단
131 : 유압 구동기 132 : 유압 발생기
140 : 본체 150 : 손가락 프레임
151 : 회전축 152 : 링크
200 : 물체

Claims

본체와 회전축을 갖는 복수 개의 링크로 이루어지는 손가락 프레임을 포함하여 접힘과 펼침 동작하는 로봇 핸드로서,
상기 손가락 프레임의 접힘과 펼침 동작을 지지하는 연결수단과;
상기 연결수단과 연결되어 손가락 프레임이 물체를 신속하게 파지하도록 동력을 제공하는 모터를 포함하여 이루어지는 제 1 구동수단과;
상기 모터의 일 측으로 위치하도록 구비되는 유압 구동기와, 로봇의 몸체 또는 팔의 일 측으로 위치하도록 구비되는 유압 발생부로 이루어져 상기 손가락 프레임의 파지력을 증가시키는 제 2 구동수단; 을 포함하여 이루어지는 로봇 핸드.
청구항 1에 있어서,
상기 모터는 손가락 프레임의 무게만큼만 움직이도록 작은 크기와 토크로 형성되는 로봇 핸드.
청구항 1에 있어서,
상기 제 1 구동수단은 모터와 연동하도록 결합 되어 백 드리븐(back driven) 현상 또는 백 래시(back lash) 현상을 방지하지 위한 백 드리븐 방지부를 더 포함하는 로봇 핸드.
청구항 1에 있어서,
상기 유압 구동기는 연결수단의 일 측과 연결되어 연결수단의 장력을 증가시키거나, 모터와 연결되어 연결수단의 장력을 증가시키도록 구성되는 로봇 핸드.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 손가락 프레임에는 복수 개의 탄성 부재가 설치되는 로봇 핸드.
청구항 3에 있어서,
상기 백 드리븐 방지부는 수나사와 암나사로 이루어지는 피드 스크류(feed screw) 또는 웜 휠과 웜으로 이루어지는 웜 기어 중, 어느 하나로 이루어지는 로봇 핸드.