KR20180010943A - 다관절 플렉시블 로봇암 및 이에 적용된 다관절 플렉시블 로봇암용 제동기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수 개의 푸시로드를 구동하여 왕복 직선운동하도록 하는 구동부; 직교방식으로 교차연결된 종방향 회전관절과 횡방향 회전관절을 포함하되, 종방향 회전관절의 피봇축과 횡방향 회전관절의 피봇축은 서로 수직되며, 종방향 회전관절과 횡방향 회전관절은 각각 자체의 피봇축을 중심으로 회전 및 정지 가능하게 구성된 회전관절; 복수 개의 와이어로 구성되어 회전관절의 주변에서 순서대로 각 회전관절을 통과하되, 대응하는 푸시로드와 각각 연결되고, 타단부는 최전단의 회전관절을 통과하여 고정되는 와이어; 각 회전관절에 장착되는 제동기를 포함하며, 제동기와 협력하여, 푸시로드의 왕복 직선운동을 이용하여 와이어를 긴장 또는 이완시킴으로써, 회전관절의 회전을 제어하는 다관절 플렉시블 로봇암을 제공한다. 관절 모터를 생략함으로써 관절구조의 복잡성과 전기에너지 소모를 감소 가능하며, 푸시로드 신축 검출 장치를 설치함으로써, 로봇암의 모든 관절 검출 장치를 대체할 수 있어 비용을 절감한다.

Description

다관절 플렉시블 로봇암 및 이에 적용된 다관절 플렉시블 로봇암용 제동기{Articulated flexible robot arm and braking device for articulated flexible robot arm thereof}

본 발명은 로봇 기술분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다관절 플렉시블 로봇암 및 이에 적용된 제동기에 관한 것이다.

로봇암은 공업에서 가장 흔히 사용되는 로봇의 일종으로서, 산업의 수준 및 요구가 끊임없이 제고됨에 따라, 로봇암에 대한 요구도 높아지고 있다. 자유도가 높은 로봇은 유연성을 구비하므로 적용범위와 작업공간 및 원격처리 능력이 대폭 향상되어, 협소하고 만곡된 공간에 진입하여 결함검측이 가능한 동시에 장애물 회피 능력을 구비하는데, 이는 일반 로봇으로서는 실현하기 어려운 것이다.

또한, 기계설비 검측시 박스를 탈착할 필요가 없이 관찰 구멍을 통해 내부에 진입하여 기계의 운행 상황 점검 또는 관건적 부품의 세척, 유지 보수, 곡선형 파이프 연결부위의 밀봉, 검측, 최소침습 등의 작업을 실시할 수 있다. 뱀 형태의 다관절 플렉시블 로봇암은 일반적으로 이송용 카트 또는 자동화 라인에서 작업을 진행하며, 그 끝단에는 여러가지 도구, 예를 들어 카메라, 탐조등, 절단장치 및 브러시가 조립되어 밀봉성 검사를 진행할 수 있으며, 비행기 화물칸 내의 제한된 공간에서도 안전검사를 진행할 수 있다.

현재의 대다수 로봇암은 관절 모터를 적용하여 각각의 관절이 운동하도록 구동시킨다. 따라서, 각 관절마다 하나의 관절 모터가 필요하므로 장착구조가 복잡하고, 고장율이 높으며, 복수 모터간의 협동 제어도 매우 복잡하다. 상기 문제점에 대하여, 현재까지 좋은 해결책이 제기되지 못하고 있다.

대한민국 등록특허 제10-0771241호

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 적어도 기존 기술 중 복수 모터간의 협동 제어 로봇암의 장착구조가 복잡하고, 에너지 소모가 크고, 제어 시스템이 복잡한 문제점들을 해결하기 위한 다관절 플렉시블 로봇암과 이에 적용되는 제동기를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은, 다관절 플렉시블 로봇암에 있어서, 복수 개의 푸시로드를 구동하여 왕복 직선운동하도록 하는 구동부; 직교방식으로 교차연결된 종방향 회전관절과 횡방향 회전관절을 포함하되, 종방향 회전관절의 피봇축과 횡방향 회전관절의 피봇축은 서로 수직되며, 종방향 회전관절과 횡방향 회전관절은 각각 자체의 피봇축을 중심으로 회전 및 정지가 가능한 회전관절; 복수 개의 와이어로 형성되어 회전관절의 주변에서 순서대로 각 회전관절을 통과하되, 대응하는 푸시로드와 각각 연결되고, 타단부는 최전단의 회전관절을 통과하여 고정되는 와이어; 각 회전관절에 장착되는 제동기를 포함하며, 제동기의 협력하에, 푸시로드의 왕복 직선운동을 이용하여 와이어를 긴장 또는 이완시킴으로써, 회전관절의 회전을 제어하는 다관절 플렉시블 로봇암을 제공한다.

본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기의 다관절 플렉시블 로봇암에 적용되는 다관절 플렉시블 로봇암용 제동기에 있어서, 회전관절과 동축으로 고정 연결되고, 2개의 단면이 톱니면으로 구성된 고정링; 2개의 회전링으로 형성되어 스플라인과 피봇축을 통하여 상기 고정링의 양단에 슬라이딩 가능하게 연결되고, 고정링에 근접한 단면도 톱니면으로 구성되고, 축방향 외측에는 회전링과 고정링의 톱니면이 서로 치합되도록 가압하는 복수 개의 스프링이 구비되는 회전링; 회전링의 축방향 외측에 설치되는 솔레노이드 코일을 포함하며, 솔레노이드 코일이 통전될 경우, 회전링을 흡인하여 고정링과 분리되는 상태로 슬라이딩하도록 함으로써, 회전관절이 비제동상태에 처하도록 하며, 솔레노이드 코일이 단전될 경우, 회전링은 스프링 힘의 작용 하에 고정링의 톱니면과 치합되는 상태에로 슬라이딩함으로써 회전관절이 제동 상태에 처하도록 하는 다관절 플렉시블 로봇암용 제동기를 제공한다.

위에서 살핀 바와 같은 본 발명에 의한 다관절 플렉시블 로봇암 및 이에 적용된 다관절 플렉시블 로봇암용 제동기에는 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명에 의한 다관절 플렉시블 로봇암은 푸시로드를 적용하여 와이어를 움직이며, 제동기와 결합하여 각 관절이 회전하도록 구동시키며, 푸시로드에 위치 센서를 설치하여 푸시로드의 변위량을 감지함으로써, 각 관절의 회전각을 정밀하게 제어한다.

재래식 공업 로봇과 비교 시, 모듈화 설계 단일성을 구비하고, 구조가 컴팩트하고 호환성이 양호하여 제조 및 유지 보수 비용을 절감하며, 자유도 및 유연성이 강하므로 적용범위와 작업공간을 확대 가능하고, 관절각도를 변화시켜 최적의 자세에 도달함으로써 다양한 작업임무와 주변 환경의 변화에 적응 가능하다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다관절 플렉시블 로봇 암을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 구동부를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 회전관절을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 회전관절의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다관절 플렉시블 로봇 암을 개략적으로 도시한 동작도이다.

이하, 본 발명의 일부 실시례들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시례를 설명함에 있어, 관련된 공지구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시례에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 실시례의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 1은 직교방식으로 교차연결된 종방향 회전관절(2)과 횡방향 회전관절(3)을 도시하였다. 본 실시예에서는, 회전관절이 구동부로부터 순서대로 연결 연장되는 방향을 전단으로, 전단의 반대측을 후단으로 규정한다. 종방향 회전관절(2)은 관절 베이스(4)를 통하여 후단의 횡방향 회전관절(3)과 연결되며, 다른 관절 베이스(4)를 통하여 그 전단의 횡방향 회전관절(3)과 연결된다. 관절 베이스(4)는 평판형태이며, 보다 상세하게는 외측이 원형이고 내측에 직사각형의 홀이 구비된 평판형태로서, 관절 제어 전선이 내측 직사각형 홀을 통과한다. 회전관절과 관절 베이스(4)는 볼트를 통하여 연결될 수 있다. 상기 종방향 회전관절(2)은 그의 종방향 피봇축(21)을 중심으로 회전 및 제동이 가능하며, 상기 횡방향 회전관절(3)은 그의 횡방향 피봇축(31)을 중심으로 회전 및 제동이 가능하다. 제동기의 구조에 관해서는 후술하기로 한다. 본 실시예에서는 와이어(5~8)가 4개인 경우를 예로 들었지만, 더 많은 와이어, 예를 들어 8개, 12개 등을 사용할 수도 있다. 와이어의 수량이 많을수록 출력이 커지며, 회전 모멘트도 커진다. 관절 베이스(4)에는 와이어의 수량과 대응되게 와이어 홀이 가공되어 있다. 4개의 와이어 홀은 관절 베이스의 둘레방향을 따라 균일하게 배치되며, 대칭되게 설치된 와이어 홀의 원심 연결선은 각각 피봇축의 축선과 평행을 이룬다. 4개의 와이어는 각각 4개의 와이어 홀을 관통하며, 와이어가 이러한 종방향 회전관절과 횡방향 회전관절을 전부 연결시킬 때까지 순서대로 대응되는 와이어 홀을 관통한다. 상기 구조적 연결을 통하여 로봇암의 동작부분을 구성하여, 구동부가 와이어를 구동시키면 로봇암의 동작을 구동시킬수 있다. 와이어가 모든 종방향 회전관절과 횡방향 회전관절을 관통 (본 실시예에서는 12개의 종방향 회전관절과 11개의 횡방향 회전관절을 사용)하여, 암이 S자 형태로 만곡될 수 있도록 하였으므로, 대다수의 복잡한 동작도 완성 가능하다. 와이어의 후단은 연결 헤드(12)를 통하여 푸시로드(11)와 연결되고, 구동부(1)의 출력단은 푸시로드(11)와 연결되어, 푸시로드(11)가 왕복 직선운동을 할 수 있도록 푸시로드(11)에 동력을 제공한다. 푸시로드(11)의 전단에는 회로판(14), 위치 고정 링(13)이 설치되어 있으며, 위치 고정 링(13)은 전동 푸시로드(11)의 축선 위치와 와이어 홀의 위치가 정밀하게 얼라인되도록 4개의 전동 푸시로드의 축선 위치와 관절 베이스의 4개의 와이어 홀의 위치를 정확하게 고정한다. 4개의 전동 푸시로드의 전단과 와이어는 연결 헤드(12)를 통하여 연결된다. 와이어의 전단, 즉 최전단의 회전관절의 관절 베이스(4)에서, 잠금 헤드를 사용하여 와이어를 고정하며, 구동부(1)의 푸시로드(11)를 구동 하여 와이어의 긴장 및 이완을 제어함으로써, 종방향 회전관절(2) 또는 횡방향 회전관절(3)의 회전을 제어할 수 있다.

아래에 그 제어 과정을 상세히 설명하기로 한다. 와이어는 각각 상측 와이어(5), 하측 와이어(6), 좌측 와이어(7), 우측 와이어(8)로 형성된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 푸시로드(11)는 상측 푸시로드(111), 하측 푸시로드(112), 좌측 푸시로드(113), 우측 푸시로드(114)를 포함하며, 각각 와이어와 대응된다. 상측 와이어(5)와 하측 와이어(6)는 종방향 회전관절을 제어하여 관절을 중심으로 상하 회전하도록 한다. 좌측 와이어(7)와 우측 와이어(8)는 횡방향 회전관절의 전후 스윙을 제어한다. 푸시로드(11)는 와이어에 동력을 제공하여 연신 운동을 구현하며, 전동 푸시로드를 앞으로 밀고 뒤로 당기는 이동량은 상, 하측 와이어의 긴장 및 이완을 제어하며, 나아가 관절 베이스 상의 와이어 홀을 이용하여 필요한 관절의 회전각도로 전환된다. 예를 들어, 로봇암의 수직 평면내에서의 상향 스윙을 구현하려면, 우선 모든 종방향 회전관절과 횡방향 회전관절을 제동시킨 후, 회전이 필요한 관절의 제동을 해제하며, 이때, 상측 푸시로드(111)는 상측 와이어(5)를 뒤로 당겨 상측 푸시로드(111)는 뒤로 긴장되고, 하측 와이어(6)는 앞으로 이완, 즉 하측 푸시로드(112)는 앞으로 이동한다. 좌측 와이어(7)와 우측 와이어(8)는 정지 상태를 유지한다. 와이어(5)는 뒤로 긴장되므로, 와이어(5)는 와이어 홀을 통하여 관절 베이스(4)를 위측으로 견인하며, 이와 동시에 와이어(6)는 앞으로 이완되기에, 와이어(5)와 와이어(6)의 협력 동작 하에 회전관절을 상측으로 견인한다. 와이어의 긴장과 이완을 통하여 스윙 각도를 제어하며, 스윙 각도가 요구에 도달될 때 다시 그 회전관절을 제동하면, 로봇암이 수직평면 내에서 상향 스윙 동작을 완성하도록 할 수 있다. 하향 스윙이 필요할 경우, 와이어(5)는 이완되도록 하고, 와이어(6)는 긴장되도록 하며, 좌측 와이어(7)와 우측 와이어(8)가 정지 상태를 유지하면, 로봇암이 수직평면 내에서 하향 스윙 동작을 하도록 할 수 있다. 일반적인 다관절 로봇암은 각 관절에 각도 검출 장치가 설치되는데, 그 구조가 복잡하고 제어가 복잡하다. 하지만, 본 실시예의 다관절 로봇암의 전동 푸시로드는 서보모터, 감속기, 스크류 너트로 구성되며, 전동 푸시로드 상에는 푸시로드의 신축량, 즉 푸시로드의 앞으로 밀거나 뒤로 당기는 이동량을 검출할 수 있는 위치 센서(15)가 더 설치되어 있으며, 상하 두개의 전동 푸시로드의 뒤로 당기는 양과 앞으로 미는 양이 대체적으로 동일하다. 이외에, 전동 푸시로드 상에는 서버모터의 회전수를 검출할 수 있는 인코더를 더 설치하여, 푸시로드의 신축 정확도를 검출하도록 할 수 있다. 이로서 푸시로드의 신축량을 정밀하게 제어할 수 있으며, 나아가 회전관절의 회전각도를 정밀하게 제어할 수 있다. 위치센서가 구비된 전동 푸시로드를 적용하여 와이어의 동작을 구동하면, 대량의 관절센서를 절약할 수 있다.

또 예를 들어, 로봇암이 수평평면 내에서 좌향 스윙(도면에서 지면 내측 방향)하도록 하려면, 우선 모든 종방향 회전관절과 횡방향 회전관절을 제동시킨 후, 회전이 필요한 회전관절의 제동을 해제한다. 와이어(5)와 와이어(6)의 긴장도를 그대로 유지하면서, 구동부(1)의 푸시로드(113)는 와이어(7)를 당기고, 푸시로드(114)는 와이어(8)가 이완되도록 하면, 로봇암이 수평평면 내에서 좌향 스윙한다.

각 제어시점마다 동일한 회전방향의 회전관절은 오직 하나만 회전 동작을 할 수 있고, 동일한 회전방향의 기타 회전관절은 제동기에 의해 록킹된다. 하지만, 종방향 회전관절과 횡방향 회전관절은 동시에 동작할 수 있다. 즉, 상기의 상향 스윙과 좌향 스윙은 동시에 동작할 수 있는 바, 우선 모든 종방향 회전관절과 횡방향 회전관절을 제동시킨 후, 1개의 종방향 회전관절과 1개의 횡방향 회전관절의 제동을 해제한다. 동시에 와이어(5), 와이어(7)를 당기고 와이어(6), 와이어(8)가 이완되게 하면, 상향 스윙과 좌향 스윙 동작을 완성할 수 있다.

본 발명의 로봇암은 관절모터를 생략하였으며 전동 푸시로드로 와이어를 제어하여 회전관절을 회전시키되 제동기와 협력하여, 로봇암이 공간적 동작을 완성할 수 있도록 구동한다. 본 발명이 설계한 다관절 로봇암은 재래식 공업 로봇과 비교 시, 모듈화 설계 단일성이 우수하고, 구조가 컴팩트하고 호환성이 양호하여 제조와 유지 보수의 비용을 절감 가능하며 자유도가 높아 유연성이 강하고, 적용범위와 작업공간을 확대 가능하며, 자체 관절각도를 변화시켜 최적의 자세에 도달가능하므로 다양한 작업임무와 주변 환경의 변화에 적응 가능하다. 비행기 화물칸, 자동차 트렁크, 곡선형 파이프 등과 같은 구조가 협소한 공간 내에서 검사 임무를 완성할 수 있는바, 이는 일반적인 로봇으로서는 불가능한 것이다. 또한 암의 끝단에 환경 감지 센서를 설치하고, 자체의 기억 기능을 이용하여 장애물을 회피할 수 있으며, 끝단의 실행부재를 교체하면 비행기 내부에 대한 접착제 도포, 이물 검출 및 배출 등을 실시할 수 있으며, 그밖에 미지의 환경, 위험한 환경 등에서 원격제어작업을 진행 가능한 장점을 갖는다. 와이어식 다관절 암을 적용하면 강도를 향상시킬 수 있다.

종방향 회전관절과 횡방향 회전관절의 구조는 같을 수 있는바, 장착되는 축선이 서로 수직되는 조건을 충족하면 된다. 도 3은 회전관절의 구조도로서, 2개의 관절 베이스(4)는 각각 연결부재를 통하여 피봇축(100)과 연결된다. 연결부재는 강철박판을 관절 베이스(4)와 연결된 부위에서 수직으로 절곡하여 형성된 것으로서, 보다 상세하게는 상부 관절 베이스(41)와 상부 연결부재(411)는 볼트로 연결되고, 상부 연결부재(411)가 베어링(미도시)을 통하여 피봇축(100)에 장착되어 회전 조인트를 형성하며, 베어링은 주로 반지름 방향의 힘을 받는다. 피봇축(100)의 축방향 중심 부위에는 고정링(103)이 씌워져 있으며, 제동기의 하우징(107)은 리벳(105)을 통하여 고정링(103) 및 상부 연결부재(411)와 일체로 연결된다. 즉, 고정링(103)과 상부 연결 부재(411) 사이에는 상대적 회전이 없도록 형성된다. 고정링(103)의 내경이 피봇축(100)의 외경보다 크므로, 고정링(103)과 피봇축(100) 사이에는 연결 및 고정관계가 없다.

하부 관절 베이스(42)와 하부 연결부재(421)는 볼트 연결된다. 하부 연결부재(421)는 연결부재(102), 테이퍼 핀(101)을 통하여 피봇축(100)에 고정 연결된다. 따라서, 피봇축(100)과 하부 관절 베이스 사이에는 상대적인 회전이 없도록 일체로 고정된다. 관절 내부 제동 구조는 고정링(103)을 기준으로 양측이 대칭되고, 2개의 회전링(104)은 피봇축(100) 중단의 스플라인과 슬라이딩 연결되며 고정링(103)의 양측에 배치된다. 즉, 회전링(104)과 피봇축(100)은 둘레방향에서 위치 고정되며, 양자 사이에는 상대적인 운동이 없다.

고정링(103)의 2개의 측단면에는 톱니(1031)가 설치되어 있다. 회전링(104)은 고정링(103)과 맞물리는 톱니(1041)를 구비하며, 고정링(103)과 회전링(104)은 톱니면의 치합을 통하여 관절 제동을 구현한다. 하우징(107)의 원주방향에는 계단 형태의 홀이 균일하게 복수 개 배치되어 있고, 홀 내에는 리프트 로드(1073), 스프링(1072) 및 프리텐션 스크류(1071)가 설치되어 있다. 회전링(104)의 축방향 양측에는 각각 코일(106)이 설치되어 있으며, 코일(106)은 외부회로와 연결된다.

제동 시, 코일(106)의 전류가 차단되면, 스프링(1072)의 프리텐션 스크류(1071)의 압력에 의해, 회전링(104)은 피봇축(100)의 축선방향을 따라 고정링(103)의 단면을 향하여 이동하며, 나아가 단면이 치합함으로써, 회전링(104)과 고정링(103)이 상대 회전할 수 없으므로, 회전관절은 회전 불가능한 제동상태에 처하게 된다.

제동 해제 시, 코일(106)이 통전되면, 코일이 회전링(104)을 흡인하여 회전링(104)이 피봇축(100)의 축선방향을 따라 고정링(103)과 멀어지는 방향으로 슬라이딩하도록 함으로써, 톱니(1031)와 톱니(1041)간의 치합 상태가 해제되어, 와이어 홀(412)을 통과하는 와이어를 통해 상부 관절 베이스(41)를 견인하면, 상부 관절 베이스(41)와 일체로 연결된 상부 연결부재(411) 및 고정링(103)이 함께 회전하게 된다.

일반적인 제동기와 달리, 본 실시예의 전자기 제동기는 단전 제동 방식을 적용한다. 회전관절이 비교적 많고, 동일한 회전방향(횡방향 또는 종방향)에서 오직 1개의 회전관절만이 회전하고 기타는 모두 제동상태이기 때문에, 본 실시예는 단전 제동 방식을 적용하여 전기에너지의 소비를 감소시킬 수 있다. 상술한 예는 일 형태의 제동기 구조일 뿐, 제동기는 예를 들어 디스크식 제동, 드럼식 제동 등 여러가지 형태일 수 있으며, 모두 본 발명의 와이어식 다관절의 로봇암과 협동하여 사용할 수 있다.

이외에, 전단의 회전관절 상에는 환경 감지 센서(9)가 더 설치되어 물체의 위치정보를 피드백한다. 또한, 암 제어 시스템을 이용하여 각 관절의 회전과 로봇암의 전체적인 이동이 협동하여 협소한 공간 내에 진입 가능하도록 한다. 로봇암이 수직 평면 내에서 두 점을 주위를 회전하는 통과운동을 예로 들면, 도 5 중의 점B와 점A는 동일한 수직 평면내에 위치하며, 도 5는 로봇암이 점B와 점A주위를 돈 후의 상태도를 도시한 것으로서, 로봇암은 점B의 우측 하방에서부터 점B를 따라 돌고, 점B와 점A 사이를 통과한 후, 점B의 좌측 상방에서부터 점A를 따라 돈 후 점A의 상측으로 나온다. 카트의 상면에 장착된 로봇암의 초기상태는 종방향 회전관절이 수평으로 연장되며 전부 제동상태에 처해 있다. 로봇 이송 카트의 시작점은 점B의 좌측 하방이며, 로봇암의 최전단은 점B의 좌측 하방에 위치한다. 환경 감지 센서(9)는 점B의 위치정보를 암 제어 시스템에 피드백한다. 로봇암을 탑재한 카트는 수평방향을 따라 우측으로 이동하여, 첫번째 종방향 회전관절(201)이 점B를 경과 시(점B의 정하측을 경과), 카트는 정지하고, 관절(201)은 제동이 정지되며, 와이어는 해당 관절이 시계바늘 반대 방향으로 뒤로 45° 회전 후 제동되도록 제어하고; 카트는 계속하여 수평방향으로 전진하여, 두번째 종방향 회전관절(202)이 점B를 경과 시 카트는 정지하고, 관절(202)은 제동이 정지되며, 와이어는 당해 관절이 시계바늘 반대방향으로 뒤로 45° 회전 후 제동되도록 제어하고; 카트는 계속하여 수평방향으로 전진하여, 관절(204)이 시계바늘 반대방향으로 뒤로 45° 회전 후 제동될 때까지 순서대로 상기 운동을 반복한 후, 카트는 정지된다. 이때, 로봇암의 전단은 점B와 점A 사이에 위치하고, 전단은 수평왼쪽 방향을 가리키며; 점B를 도는 과정에서 카트는 한번 정지하고, 하나의 종방향 회전관절을 회전시킨다.

이어서, 로봇암의 후단은 계속하여 점B를 따라 이동하고, 이미 점B와 점A 사이를 통과한 전단은 점A를 따라 이동한다.

카트는 계속하여 수평방향 우측으로 이동하고, 다섯번째 종방향 회전관절(205)이 점B를 경과 시, 카트는 정지되고 관절(205)은 제동이 정지되며, 관절(205)이 시계바늘 반대방향으로 45° 회전하고 제동되며, 그 다음 관절(201)의 제동이 정지되고, 와이어가 관절(201)이 시계바늘 방향으로 90° 회전하고 제동되도록 제어하며; 카트는 계속하여 수평방향 우측으로 이동한다 로봇암의 전단이 수평방향 오른쪽으로 나올 때까지 상기 순서대로 유추한다.

암의 후단이 점B를 도는 운동과 암의 전단이 점A를 도는 운동은 연속적인 동작으로, 카트가 한번 정지할 때마다 2개의 관절을 순서대로 회전시킨다.

관절 제어 과정을 더욱 명확하게 설명하기 위하여, 카트는 간헐적 운동을 하는것으로 한다. 실제 다관절 암 조종과정에서는, 카트의 직선운동과 비제동 관절 회전의 협동성을 만족하기만 하면, 카트가 적당한 등속도로 행진하는 경우에도 관절이 동시에 회전을 완성하여 장애물을 통과할수 있다.

상기에서 로봇암이 수직 평면내에서 두 점 주위를 통과하는 이동 과정을 설명하였다. 이로부터 알 수 있듯이, 다음번 관절과 카트의 협동운동은 앞의 관절과 카트의 협동운동을 반복하므로, 관절 구동 프로그램의 기억 기능을 이용하여 간단하고 신뢰성이 높은 제어를 구현 가능하다. 푸리에 급수(Fourier series)에 의하면, 임의의 복잡한 주기의 파형 궤적은 모두 간단한 코사인 혹은 사인 파형을 중첩하여 형성 가능한바, 도 5의 다관절 암을 S자형(횡방향에서 관찰 시 코사인 파형과 유사함)으로 변환시킬 수 있다. 즉, 대부분의 궤적 또는 자세를 생성 가능하므로 작업공간이 협소하고 만곡된 경로를 통과해야 하는 수요를 충족 가능하다.

본 발명에서는 종방향 회전관절과 횡방향 회전관절의 연결 순서를 제한하지 않는다. 예를 들어, 순서대로 하나 이상의 종방향 회전관절을 연결하고, 그 다음 횡방향 회전관절을 연결할 수 있다. 공간적 제한 및 동작 요구에 따라 임의로 회전관절을 조합할 수 있다. 예를 들면, 오직 평면 운동만 필요할 경우, 복수 개의 종방향 회전관절 또는 복수 개의 횡방향 회전관절만 연결할 수도 있다.

본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 본 발명은 다관절 플렉시블 로봇암용 제동기에 관한 것이다. 본 발명은 상부 관절 베이스(41)와 상부 연결 부재(411)가 볼트 연결되고, 상부 연결 부재(411)가 베어링을 통하여 피봇축(100)에 장착되어 회전 조인트를 형성하며, 베어링은 주로 반지름 방향 힘을 받도록 구성된 로봇암용 제동기를 제공한다. 피봇축(100)의 축방향 중심부위에는 고정링(103)이 씌워져 있고, 제동기의 하우징(107)은 리벳(105)을 통하여 고정링(103), 상부 연결부재(411)와 일체로 연결된다. 고정링(103)의 내경이 피봇축(100)의 외경보다 크므로, 고정링(103)과 피봇축(100) 사이에는 연결 및 고정관계가 없다.

하부 관절 베이스(42)와 하부 연결 부재(421)는 볼트 연결되고, 하부 연결 부재(421)는 연결부재(102), 테이퍼 핀(101)을 통하여 피봇축(100)에 고정 연결된다. 따라서, 피봇축(100)은 하부 관절 베이스와 상대적 회전이 없이 고정 연결된다. 고정링(103) 양측의 피봇축에는 각각 회전링(104)이 더 쓰워져 있으며, 회전링(104)과 피봇축(100)은 스플라인 슬라이딩 연결 방식을 적용한다. 즉, 회전링과 피봇축은 둘레방향에서 위치고정되며, 양자 사이에는 상대적인 운동이 없다.

고정링(103)의 2개의 측면에는 톱니(1031)가 설치되어 있다. 회전링(104)은 고정링(103)과 맞물리는 톱니(1041)를 구비하며, 회전링과 고정링은 톱니면의 치합을 통하여 제동을 구현한다. 하우징(107)의 원주방향에는복수 개의 계단 형태의 홀이 균일하게 배치되어 있고, 홀 내에는 리프트 로드(1073), 스프링(1072) 및 프리텐션 스크류(1071)가 설치되어 있다. 회전링(104)의 축방향 양측에는 각각 코일(106)이 더 설치되어 있으며, 코일(106)은 외부회로와 연결된다.

제동 시, 코일(106)의 전류가 차단되면, 스프링(1072)의 압력에 의해 회전링(104)의 톱니(1041)와 고정링(103)의 톱니(1031)는 치합상태에 처하여 피봇축(100)이 회전할 수 없으므로, 회전링과 고정링의 회전이 제한되어, 회전관절은 회전 불가능한 제동상태에 처한다.

제동 해제 시, 코일(106)에 전류가 흐르면, 코일이 회전링(104)을 흡인하여 회전링(104)이 피봇축(100)의 축선방향을 따라 양측으로 슬라이딩하도록 함으로써, 톱니(1031)와 톱니(1041) 사이의 치합이 해제되며, 와이어 홀(412)을 통과하는 와이어를 통해 상부 관절 베이스(41)를 견인하면, 상부 관절 베이스(41)와 일체로 연결된 상부 연결부재(411) 및 고정링(103)이 함께 회전하게 된다.

본 발명의 다관절 로봇암은 재래식 공업 로봇과 비교 시, 모듈화 설계 단일성이 양호하고, 구조가 컴팩트하고 호환성이 양호하여 제조와 유지 보수의 비용을 절감하며, 자유도가 높고 유연성이 강하므로, 적용범위와 작업공간을 확대 가능하며, 자체의 관절각도를 변화시켜 최적의 자세에 도달함으로써 다양한 작업과 주변 환경의 변화에 적응 가능하다. 와이어식 다관절 암을 적용하여 강도를 향상시킬 수 있다. 다관절 플렉시블 로봇암에서 관절모터를 생략하고 전동 푸시로드를 적용하여 와이어를 구동함으로써 회전관절을 회전시키며, 와이어와 제동기를 결합시킨 구조로 관절모터를 대체하여, 관절 구조 복잡성과 에너지소모를 감소시키며, 제어 설계가 간단하고 구현이 용이하다.

이상에서, 본 발명에 따른 실시례를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시례에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시례들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시례에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

2: 종방향회전관절 3: 횡방향 회전관절
4: 관절 베이스 5~8: 와이어
11: 푸시로드 12: 연결헤드
13: 위치 고정 링 14: 회로판
15: 위치 센서 21: 종방향 피봇축
31: 횡방향 피봇축 41: 상부 관절 베이스
42: 하부 관절 베이스 101: 테이퍼 핀
102: 연결부재 103: 고정링
104: 회전링 106: 코일
107: 하우징 111: 상측 푸시로드
112: 하측 푸시로드 113: 좌축 푸시로드
114: 우측푸시로드 411: 상부 연결부재
421: 하부 연결부재 1031,1041: 톱니

Claims (8)

1. 다관절 플렉시블 로봇암에 있어서,
   복수 개의 푸시로드를 구동하여 왕복 직선운동하도록 하는 구동부;
   직교방식으로 교차연결된 종방향 회전관절과 횡방향 회전관절을 포함하되, 종방향 회전관절의 피봇축과 횡방향 회전관절의 피봇축은 서로 수직되며, 종방향 회전관절과 횡방향 회전관절은 각각 자체의 피봇축을 중심으로 회전 및 정지 가능하게 구성된 회전관절;
   복수 개의 와이어로 구성되어 회전관절의 주변에서 순서대로 각 회전관절을 통과하되, 대응하는 푸시로드와 각각 연결되고, 타단부가 최전단의 회전관절을 통과하여 고정되는 와이어; 및
   각 회전관절에 장착되는 제동기를 포함하며,
   제동기와 협력하여, 푸시로드의 왕복 직선운동을 이용하여 와이어를 긴장 또는 이완시킴으로써, 회전관절의 회전을 제어하는 것을 특징으로 하는 다관절 플렉시블 로봇암.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제동기는 전자기식 단전 제동기 (electromagnetic power off brake)인 것을 특징으로 하는 다관절 플렉시블 로봇암.
3. 제 1 항에 있어서,
   동일한 제어 시점에서, 종방향 회전관절과 횡방향 회전관절 중 하나만 회전하는 것을 특징으로 하는 다관절 플렉시블 로봇암.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   최전단의 회전관절에 환경 감지 센서가 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 다관절 플렉시블 로봇암.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 푸시로드에 위치 센서가 더 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 다관절 플렉시블 로봇암.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 푸시로드에는 푸시로드의 모터 회전수를 검출하는 인코더가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 다관절 플렉시블 로봇암.
   
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 다관절 플렉시블 로봇암에 적용되는 다관절 플렉시블 로봇암용 제동기에 있어서,
   회전관절과 동축으로 고정 연결되고, 2개의 단면이 톱니면으로 구성된 고정링;
   2개의 회전링으로 구성되어 스플라인과 피봇축을 통하여 상기 고정링의 양단에 슬라이딩 가능하게 연결되고, 고정링에 근접한 회전링의 단면도 톱니면으로 구성되며, 상기 회전링의 축방향 외측에는 회전링과 고정링의 톱니면이 서로 치합되도록 가압하는 복수 개의 스프링이 구비되는 회전링; 및
   회전링의 축방향 외측에 설치되는 솔레노이드 코일을 포함하며,
   솔레노이드 코일이 통전되면, 회전링을 흡인하여 고정링과 분리되는 상태로 슬라이딩하도록 함으로써 회전관절이 비 제동상태에 처하도록 하며, 솔레노이드 코일이 단전되면, 회전링이 스프링 힘의 작용 하에 고정링의 톱니면과 치합되는 상태로 슬라이딩함으로써 회전관절이 제동 상태에 처하도록 하는 것을 특징으로 하는 다관절 플렉시블 로봇암용 제동기.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   프리텐션 스크류를 이용하여 스프링의 압축량을 조절함으로써, 회전링과 고정링의 프리텐션 정도를 조절하는 것을 특징으로 하는 다관절 플렉시블 로봇암용 제동기.

Images