KR20180039974A

KR20180039974A - 병렬형 메커니즘을 이용한 관절 구조체 및 이를 구비한 로봇

Info

Publication number: KR20180039974A
Application number: KR1020160131443A
Authority: KR
Inventors: 이성온; 류우석; 유범재; 조성택; 신현수
Original assignee: 한양대학교 에리카산학협력단; 재단법인 실감교류인체감응솔루션연구단
Priority date: 2016-10-11
Filing date: 2016-10-11
Publication date: 2018-04-19
Also published as: KR101914153B1

Abstract

본 발명의 일 실시예에 의한 병렬형 메커니즘을 가지는 관절 구조체는 운동 플랫폼, 상기 운동 플랫폼과 이격되어 배치되는 고정 플랫폼, 상기 고정 플랫폼에 결합되며 구동력을 발생시키는 복수의 구동부 및상기 구동부와 상기 운동 플랫폼 사이에 배치되는 복수의 커넥터를 포함하고, 상기 커넥터는, 상기 구동부에 결합되며 소정 각도의 범위 내에서 회전 운동하는 회전 조인트, 상기 회전 조인트에 연장되어 형성되며 원호 형상으로 굴곡지게 형성되는 병진 조인트 및 상기 병진 조인트에 연장되어 형성되며 상기 운동 플랫폼과 결합되어 상기 운동 플랫폼을 동작시키는 구 조인트를 포함할 수 있다.

Description

병렬형 메커니즘을 이용한 관절 구조체 및 이를 구비한 로봇{A JOINT STRUCTURE USING PARALLEL MECHANISM AND A ROBOT HAVING THE SAME}

본 발명은 병렬형 메커니즘을 이용한 관절 구조체 및 이를 구비한 로봇에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고정 플랫폼에 대한 운동 플랫폼의 자세 제어가 가능한 관절 구조체와 이를 관절로 채용한 로봇에 관한 것이다.

휴머노이드 로봇의 손목 관절은 손 하중의 지지와 자세를 구현하는 중요한 역할을 한다.

이를 위한 관절 구조체는 손의 다양한 자세와 복합적인 운동이 가능하도록 3자유도를 가진 방향 메커니즘 형태로 구성되며, 손의 끝단에 가해지는 힘을 지지하는 역할을 수행한다.

이러한 관절 구조체에 의해 구현되는 손은 그 특성상 미세한 움직임부터 큰 움직임까지도 구현하기 때문에 정확성과 광범위한 범위의 움직임이 동시에 구현되어야 한다.

하지만, 손목 관절 구조체는 위치하는 공간에 따른 제약이 크므로, 동작 범위나 구조체 크기가 중요한 요소에 해당한다.

종래에는 이러한 손목 관절 구조체를 직렬형 메커니즘을 이용하여 구성하였다.

직렬형 메커니즘은 구동 축이 독립적으로 설계되어 있어 동력 전달이 효율적인 반면에, 끝단에 가해지는 힘이 커질수록 직렬 형태의 메커니즘 특성상 구동기의 크기가 커지는 단점이 있어 공간 제약에 따른 설치상 문제점을 가지고 있다.

이에 따라, 병렬형이나 구형 형태의 메커니즘이 고안되고 있는데, 메커니즘 특성상 고 하중 지지에 용이하고 모든 자세의 구현이 가능한 장점이 있지만, 설계상 조인트 조합에 따른 간섭문제가 있고, 조인트 축들이 서로 영향을 미치도록 설계되어 동력 전달 효율이 떨어지는 단점이 있다.

또한, 텐던(tendon)을 이용한 메커니즘은 크기나 움직임 구현 측면에서 매우 효율적이지만, 특성상 동력 전달 효율이나 정확성은 떨어지는 측면이 있다.

따라서, 최적의 공간 효율을 가지는 조인트 조합을 이용하여 최소의 크기로 최대의 동력 전달 성능을 가지는 손목 관절 등에 적용될 수 있는 메커니즘에 대한 요구가 증대되고 있다.

관련 기술에는 대한민국등록특허공보 제10-1483081호 "차동기어를 이용한 병렬 로봇의 손목 조립체"(공고일자: 2015.01.09)가 있다.

본 발명은 최적의 공간 효율을 가지는 조인트 조합을 이용하여 최소의 크기로 최대의 동력 전달 성능을 가지는 병렬형 메커니즘을 이용한 관절 구조체 및 이를 구비한 로봇을 제공한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 의한 병렬형 메커니즘을 가지는 관절 구조체는 운동 플랫폼, 상기 운동 플랫폼과 이격되어 배치되는 고정 플랫폼, 상기 고정 플랫폼에 결합되며 구동력을 발생시키는 복수의 구동부 및상기 구동부와 상기 운동 플랫폼 사이에 배치되는 복수의 커넥터를 포함하고, 상기 커넥터는, 상기 구동부에 결합되며 소정 각도의 범위 내에서 회전 운동하는 회전 조인트, 상기 회전 조인트에 연장되어 형성되며 원호 형상으로 굴곡지게 형성되는 병진 조인트 및 상기 병진 조인트에 연장되어 형성되며 상기 운동 플랫폼과 결합되어 상기 운동 플랫폼을 동작시키는 구 조인트를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 구동부는 동일 간격으로 이격되어 배치되며, 상기 복수의 커넥터는 상기 구동부와 결합되어 독립적으로 구동되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 병진 조인트는 상기 고정 플랫폼의 외측 방향으로 굴곡지게 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 회전 조인트는 상기 구동부로부터 전달받은 구동력에 의해 회전하는 구동 조인트이고, 상기 병진 조인트 및 상기 구 조인트는 상기 구동 조인트에 의해 동작하는 수동 조인트인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 회전 조인트는 상기 회전 조인트의 일단에서 연장되며 상기 구동부의 반대방향으로 절곡되는 연결부재를 포함하며, 상기 병진 조인트는 상기 연결부재의 일단에서 상기 연결부재가 절곡된 방향을 기준으로 수직 방향으로 연장되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 구동부는 일단에 회전 샤프트가 돌출되어 형성되며, 상기 회전 조인트는 상기 회전 샤프트가 관통 결합되는 관통 홀이 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 구동부는 상기 회전 샤프트를 회전시키기 위한 동력을 제공하는 모터 및 상기 모터의 출력을 감속시키는 하모닉 드라이브를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 운동 플랫폼 및 상기 고정 플랫폼은, 상기 복수의 커넥터에 대응하는 개수로 외측 방향을 향해 수평으로 연장되는 연결체가 형성된 평평한 플레이트 형상을 가지며, 상기 운동 플랫폼의 연결체는 상기 구 조인트와 결합되고, 상기 고정 플랫폼의 연결체는 상기 구동부와 결합되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 회전 조인트는 상기 회전 샤프트를 제1 회전축으로 하여 회전 가능하도록 형성되고, 상기 병진 조인트는 상기 원호의 중심을 통과하는 제2 회전축을 기준으로 병진하도록 형성되고, 상기 제1 회전축 및 상기 제2 회전축은 하나의 회전 중심점에서 교차하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 구 조인트는 구의 중심을 통과하는 하나의 연장 축이 상기 회전 중심점에서 교차하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 제1 회전축, 상기 제2 회전축 및 상기 연장 축이 각각 수직으로 교차하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 제1 회전축, 상기 제2 회전축 및 상기 연장 축은, 상기 커넥터가 작동되는 동안에 서로 교차하는 축 각도를 항상 수직으로 유지되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 병렬형 메커니즘을 가지는 관절 구조체를 구비한 로봇은 상술한 병렬형 메커니즘 구조를 가지는 관절 구조체, 상기 운동 플랫폼의 상부에 고정된 결합 부재 및 상기 결합 부재에 고정되는 몸체부를 포함하며, 상기 운동 플랫폼의 동작에 의해 상기 몸체부에 대한 자세가 제어되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 몸체부는 인간형 로봇의 손이고, 상기 관절 구조체는 상기 인간형 로봇의 손목 관절을 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 최적의 공간 효율을 가지는 조인트 조합을 이용하여 최소의 크기로 최대의 동력 전달 성능을 구현할 수 있다.

또한, 최적의 손목 동작 구현을 위하여 조인트의 모든 회전축이 오차 범위 내에 있도록 설계하고, 이때 발생할 수 있는 과 구속을 구 조인트를 사용하여 해결할 수 있다.

또한, 적은 용량의 모터로 휴머노이드 손목에 가해지는 무게를 지지할 수 있고, 조인트 간의 간섭을 최소화하는 동시에 원하는 동작과 자세를 얻을 수 있어 메커니즘의 소형화와 경량화를 동시에 달성할 수 있다.

또한, 각 커넥터는 RPS 형태의 조인트 조합을 사용하여 과 구속을 해결함으로써 구동 시 안정성이 향상될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 메커니즘을 이용한 관절 구조체의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구동부의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 커넥터의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 구동부와 커넥터가 결합된 모습을 나타내기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 커넥터 축을 나타내기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 조인트의 구동 방식을 나타내기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 메커니즘의 역기구학 해석을 나타내기 위한 개념도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 구조체의 시제품을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 구조체를 구비한 로봇의 시제품을 나타낸 도면이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 메커니즘을 이용한 관절 구조체의 횡단 회전 동작을 나타낸 도면이다.
도 11a 내지 도 11c는 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 메커니즘을 이용한 관절 구조체를 구비한 로봇의 횡단 회전 동작을 순서대로 나타낸 도면이다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 메커니즘을 이용한 관절 구조체의 가로 굽힘 동작을 나타낸 도면이다.
도 13a 내지 도 13c는 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 메커니즘을 이용한 관절 구조체를 구비한 로봇의 가로 굽힘 동작을 순서대로 나타낸 도면이다.
도 14a 및 도 14b는 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 메커니즘을 이용한 관절 구조체의 세로 굽힘 동작을 나타낸 도면이다.
도 15a 내지 도 15e는 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 메커니즘을 이용한 관절 구조체를 구비한 로봇의 세로 굽힘 동작을 순서대로 나타낸 도면이다.
도 16a 내지 16d는 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 메커니즘을 이용한 관절 구조체를 구비한 로봇의 복합 운동을 나타낸 도면이다.

본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 메커니즘을 이용한 관절 구조체의 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 관절 구조체(10)는 운동 플랫폼(100), 상기 운동 플랫폼(100)과 소정의 거리에서 이격 배치되는 고정 플랫폼(200), 상기 고정 플랫폼(200)에 결합되며 구동력을 발생시키는 복수의 구동부(300), 및 상기 구동부(300)와 상기 운동 플랫폼(100) 사이에 배치되어 두 플랫폼을 연결하는 복수의 커넥터(400)를 포함할 수 있다.

복수의 커넥터(400)는 고정 플랫폼(200)의 중심을 기준으로 방사형으로 배치될 수 있으며, 구동부(300)와 대응되는 개수로 포함되고, 고정 플랫폼(200)의 중심을 기준으로 방사형으로 배치될 수 있다.

구동부(300)는 고정 플랫폼(200)에 결합되고, 상기 고정 플랫폼(200)을 둘러싸도록 동일 간격으로 이격되어 배치됨에 따라 병렬형 메커니즘을 구현하며, 복수의 커넥터(400)는 상기 구동부(300)와 결합되어 독립적으로 구동될 수 있다.

구동부(300)가 일정 간격으로 이격되어 배치됨에 따라 상기 구동부(300)와 결합되는 각각의 커넥터(400) 또한 일정 간격으로 이격되어 배치되어 상기 커넥터(400) 간의 간섭을 최소화할 수 있다.

예를 들면, 구동부(300)는 고정 플랫폼(200)을 기준으로 상기 고정 플랫폼(200)을 둘러싸도록 120도 간격으로 이격되어 배치될 수 있으며, 상기 구동부(300) 각각에 커넥터(400)가 결합될 수 있다.

구동부(300)와 고정 플랫폼(200)의 결합 구조와 관련하여, 관절 구조체(10)의 전체 부피를 최소화하기 위해 상기 구동부(300)는 상기 고정 플랫폼(200)의 중심 방향으로 경사지게 결합되는 것이 바람직하다.

구동부(300)가 고정 플랫폼(200)의 중심 방향으로 소정 각도를 가지도록 경사지게 결합되면, 상기 구동부(300)에 결합되는 커넥터(400) 또한 상기 고정 플랫폼(200)의 중심 방향으로 경사지게 배치되며, 복수의 커넥터(400)는 서로 간의 간섭이 없는 범위에서 교차되도록 배치되어 관절 구조체(10)의 전체 부피를 최소화할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구동부의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 커넥터의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 구동부와 커넥터가 결합된 모습을 나타내기 위한 도면이다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 구동부(300)는 제1 모듈을 형성하고, 커넥터(400)는 제2 모듈을 형성하며, 상기 제1 모듈과 상기 제2 모듈의 결합에 의해 도 4에 도시된 RPS 커넥터(400)를 형성한다.

커넥터(400)는 구동부(300)로부터 구동력을 전달받아 운동 플랫폼(100)을 동작시키기 위한 것으로서 상기 구동부(300)와 상기 운동 플랫폼(100)을 결합시키기 위해 그 사이에 배치될 수 있으며, 회전 조인트(410), 병진 조인트(420) 및 구 조인트(430)를 포함할 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 커넥터(400)는 회전 조인트(410, Rotational joint), 병진 조인트(420, Parallel joint), 및 구 조인트(430, Spheral joint)를 포함하는 RPS 커넥터(400)에 해당한다.

회전 조인트(410)는 구동부(300)에 결합되며 소정 각도의 범위 내에서 회전 운동한다.

병진 조인트(420)는 회전 조인트(410)에 연장되어 형성되며 원호 형상으로 굴곡지게 형성된다.

이때, 병진 조인트(420)는 고정 플랫폼(200)의 외측 방향으로 굴곡지게 형성될 수 있다.

회전 조인트(410)는 구동부(300)로부터 전달받은 구동력에 의해 회전하는 구동 조인트이고, 병진 조인트(420) 및 구 조인트(430)는 상기 구동 조인트에 의해 동작하는 수동 조인트이다.

병진 조인트(420)가 고정 플랫폼(200)의 외측 방향으로 굴곡지게 형성됨에 따라 동일 공간 내에서도 커넥터(400)의 동작 범위를 최대한 효율적으로 확보할 수 있으며, 커넥터(400) 간의 간섭을 최소화할 수 있다.

구 조인트(430)는 병진 조인트(420)에 연장되어 형성되며 운동 플랫폼(100)과 결합되어 상기 운동 플랫폼(100)을 동작시킨다.

구 조인트(430)는 병진 조인트(420)로부터 연장되어 형성될 수 있는데, 상기 병진 조인트(420)의 일 부분에서 비스듬히 연장되어 특정 위치에 배치될 수 있으며, 돌출부재(431)가 상기 병진 조인트(420)로부터 돌출되어 형성되고, 상기 돌출부재(431)의 일단에 상기 구 조인트(430)가 형성될 수 있다.

회전 조인트(410)는 연결부재(411)를 포함할 수 있는데, 상기 연결부재(411)는 상기 회전 조인트(410)의 일단에서 연장되어 구동부(300)의 반대 방향으로 절곡된다.

연결부재(411)는 회전 조인트(410)와 병진 조인트(420)를 연결하기 위한 판 형상의 부재에 해당하며, 상기 병진 조인트(420)는 상기 연결부재(411)의 일단에서 상기 연결부재(411)가 절곡된 방향을 기준으로 수직 방향으로 연장되어 형성될 수 있다.

병진 조인트(420)가 연결부재(411)의 일단에서 수직 방향으로 연장되어 형성됨에 따라 동일 공간 내에서도 커넥터(400)의 동작 범위를 최대한 효율적으로 확보할 수 있으며, 커넥터(400) 간의 간섭을 최소화할 수 있다.

구동부(300)는 일단에 모터(320)로부터 동력을 전달받아 회전하는 회전 샤프트(310)가 돌출되어 형성될 수 있으며, 회전 조인트(410)는 상기 회전 샤프트(310)가 관통 결합되기 위한 관통 홀(412)이 형성될 수 있다.

즉, 회전 조인트(410)의 관통 홀(412)과 구동부(300)의 회전 샤프트(310)가 관통 결합됨에 따라 커넥터(400)와 구동부(300)의 결합이 가능하며, 관통 후 결합 방식은 볼트 결합이 바람직하나, 이에 한정되는 것은 아니다.

구동부(300)는 플랫 모터(flat motor)인 모터(320), 상기 모터(320)의 모터(320) 축에 연결되어 회전을 감속하는 하모닉 드라이브(330)를 포함하며, 추가로 각종 센서 등을 포함할 수 있다.

모터(320)는 회전 샤프트(310)를 회전시키기 위한 동력을 제공할 수 있으며, 하모닉 드라이브(330)는 상기 모터(320)의 출력을 감속시킬 수 있다.

하모닉 드라이브(330)와 모터(320)의 감속비는 100:1로 형성되어 높은 토크가 회전 샤프트(310)로 전달될 수 있도록 한다.

구동부(300) 내 모터(320)의 동력은 회전 샤프트(310)를 통해 커넥터(400)로 전달될 수 있으며, 복수의 커넥터(400) 동작이 조합됨에 따라 최종적으로 운동 플랫폼(100)의 자세를 제어할 수 있다.

운동 플랫폼(100) 및 고정 플랫폼(200)은 복수의 커넥터(400)에 대응하는 개수로 외측 방향을 향해 연장되는 가지 형상의 연결체가 형성될 수 있다.

운동 플랫폼(100)의 연결체는 구 조인트(430)와 결합되고, 고정 플랫폼(200)의 연결체는 구동부(300)와 결합될 수 있다.

구동부(300)는 일단에 판 형상의 결합 플레이트(301)가 형성되고, 상기 결합 플레이트(301)에는 결합 홀(302)이 형성되어 고정 플랫폼(200)과 결합될 수 있는데, 볼트 결합이나 핀 결합 등 다양한 결합 방식이 적용될 수 있다.

고정 플랫폼(200)은 구동부(300)를 고정시켜 전체 결합 구조를 결정하며, 운동 플랫폼(100)은 상기 구동부(300)에 입력된 정보에 따라 동작하여 최종 자세를 구현하게 된다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 커넥터 축을 나타내기 위한 도면이다.

도 5를 참조하면, 회전 조인트(410)는 모터(320) 축에 해당하는 회전 샤프트(310)를 제1 회전축(S1)으로 하여 회전 가능하도록 형성되고, 병진 조인트(420)는 원호의 중심을 통과하는 제2 회전축(S2)을 기준으로 병진하도록 형성된다.

예를 들어, 구동부(300)에 의해 회전 조인트(410)가 제1 회전축(S1)을 기준으로 회전하게 되면 상기 회전 조인트(410)에서 연장되어 형성되는 병진 조인트(420)가 수동적으로 동작하게 되는데, 상기 병진 조인트(420)는 상기 회전 조인트(410)와 상기 병진 조인트(420)의 결합 구조와, 상기 병진 조인트(420)의 형상으로 인해 제2 회전축(S2)을 기준으로 회전 내지 병진하도록 형성된다.

바람직하게, 제1 회전축(S1)과 제2 회전축(S2)은 하나의 회전 중심점(O)에서 교차하도록 설계된다.

구 조인트(430)는 구의 중심을 통과하는 하나의 연장 축(S3)이 회전 중심점(O)에서 교차도록 설계된다.

이때, 제1 회전축(S1), 제2 회전축(S2) 및 연장 축(S3)이 각각 수직으로 교차하도록 설계된다.

게다가, 제1 회전축(S1), 제2 회전축(S2) 및 연장 축(S3)은 커넥터(400)가 작동되는 동안에 서로 교차하는 축 각도를 항상 수직으로 유지될 수 있으며, 이에 따라 최적의 공간 활용과 동력 전달 효율을 극대화할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 조인트의 구동 방식을 나타내기 위한 도면이다.

도 6을 참조하면, 회전 조인트(410)는 시계 방향 혹은 반시계 방향으로 회전할 수 있고, 상기 회전 조인트(410)의 회전에 따라 병진 조인트(420)가 원호의 중심을 기준으로 회전 혹은 병진하게 되며, 구 조인트(430)는 세 방향으로 회전될 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 메커니즘의 역기구학 해석을 나타내기 위한 개념도이다.

도 7에 도시된 바와 같이 원점 좌표계를 설정했을 때, 이동 플랫폼의 회전변환행렬 R이 주어지면, 운동 플랫폼상의 구 조인트(B_i)로의 회전변환행렬 Q_i(i=1,2,3)는 하기 수식 1으로부터 얻을 수 있다.

[수식 1]

여기서, ρ_i는 B_l에서 B_i(i=1,2,3) 사이의 각도를 나타내고, β는 운동 플랫폼과 곡선 형상으로 굴곡지게 형성되는 병진 조인트의 회전 중심에 수직하고 구 조인트의 중심을 지나는 축 사이의 각도를 나타낸다.

또한, 원점 좌표계로부터 운동 플랫폼상의 구 조인트로의 회전변환행렬(T_i)은 구동부의 입력 Θ_i2에 의해서도 아래 수식 2와 같이 나타낼 수 있다.

[수식 2]

여기서, ρ_i는 A_l에서 A_i(i=1,2,3) 사이의 각도를 나타내고, α는 고정 플랫폼과 회전 조인트 사이의 각도를 나타낸다.

상기 수식 2에서 R(axis,value)은 각각 축 방향으로 지정한 값만큼 축에 대해 회전 이동하는 좌표변환 행렬을 나타낸다.

상기 수식 2에서 세 개의 커넥터들의 회전 중심이 한 점에서 만나도록 설계한다면, Θi4와 θi5의 변위는 0이 된다.

상기 수식 2에서 변환행렬 T_i의 3열 1-3행은 Q_i의 3열 1-3행과 같으며, 아래 수식 3으로 나타낼 수 있다.

[수식 3]

상기 수식 3에서 C는 cos을 S는 sin을 나타낸다.

상기 수식 3을 연립하여 계산하면 구동부의 입력 Θ_i2를 다음과 같이 얻을 수 있다.

[수식 4]

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 구조체의 시제품을 나타낸 도면이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 구조체를 구비한 로봇의 시제품을 나타낸 도면이다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 구조체(10)는 세 커넥터(400)에 연결된 구동부(300) 각각의 모터(320)를 독립적으로 제어함으로써, 고정 플랫폼(200)에 대한 운동 플랫폼(100)의 자세를 변화시킬 수 있다.

따라서, 운동 플랫폼(100)에 결합된 물체의 자세를 변화시킬 수 있으므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 관절 구조체(10)는 로봇의 관절 등에 이용될 수 있다.

구체적으로, 로봇은 상술한 병렬형 메커니즘을 이용한 관절 구조체(10), 운동 플랫폼(100)의 상부에 고정된 결합부재(20), 및 상기 결합부재(20)에 고정되는 몸체부(30)를 포함할 수 있다.

결합부재(20)와 몸체부(30)는 각각 후술할 도 8 및 도 9에 도시되어 있다.

이러한 로봇은 운동 플랫폼(100)의 동작에 의해 몸체부(30)에 대한 자세가 제어되는 것을 특징으로 한다.

예를 들어, 몸체부(30)는 인간형 로봇의 손에 해당하고, 관절 구조체(10)는 상기 인간형 로봇의 손목 관절을 형성할 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 병렬형 메커니즘을 이용한 관절 구조체(10)에 대해 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.

먼저, 장치를 동작시키기 위해 GUI 상에 원하는 장치의 자세를 입력한다.

입력된 자세는 제어장치에 입력되며, 상기 제어장치에서 상술한 역기구학 해석을 통해 구동부(300) 내 모터(320)의 제어입력을 연산하여 입력한다.

마지막으로, 모터(320)를 구동시켜 운동 플랫폼(100) 혹은 몸체부(30)를 원하는 자세로 이동시킬 수 있다.

도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 메커니즘을 이용한 관절 구조체의 횡단 회전 동작을 나타낸 도면이고, 도 11a 내지 도 11c는 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 메커니즘을 이용한 관절 구조체를 구비한 로봇의 횡단 회전 동작을 순서대로 나타낸 도면이다.

이하에서는 모터 1은 도면을 기준으로 뒤쪽에 배치되어 가려진 모터에 해당하며, 모터 2 및 모터 3은 상기 모터 1을 기준으로 반시계 방향으로 배치된 모터에 해당한다.

상기 도면을 참조하면, 관절 구조체(10) 및 이를 구비한 로봇은 Z축을 중심으로 회전하는 횡단 회전 동작을 하게 된다.

본 실시예에 따른 관절 구조체 및 로봇은 -50° 내지 50° 범위의 횡단 회전 범위를 가진다.

이때, +Z축 방향으로 회전 시에는 모터 1 내지 3을 시계 방향으로 회전하고, -Z축 방향으로 회전 시에는 모터 1 내지 3을 반 시계 방향으로 회전한다.

도 12a 및 도 12b는 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 메커니즘을 이용한 관절 구조체의 가로 굽힘 동작을 나타낸 도면이고, 도 13a 내지 도 13c는 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 메커니즘을 이용한 관절 구조체를 구비한 로봇의 가로 굽힘 동작을 순서대로 나타낸 도면이다.

상기 도면을 참조하면, 관절 구조체(10) 및 이를 구비한 로봇은 Y축을 중심으로 회전하는 가로 굽힘 동작을 하게 된다.

본 실시예에 따른 관절 구조체 및 로봇은 -45° 내지 45° 범위의 가로 굽힘 동작 범위를 가진다.

이때, +Y축 방향 회전 시에는 모터 1이 반 시계 방향으로 회전하고, 모터 2 및 3이 시계 방향으로 회전하며, -Y축 방향 회전 시에는 모터 1이 시계 방향으로 회전하고, 모터 2 및 3이 반 시계 방향으로 회전한다.

도 14a 및 도 14b는 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 메커니즘을 이용한 관절 구조체의 세로 굽힘 동작을 나타낸 도면이고, 도 15a 내지 도 15e는 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 메커니즘을 이용한 관절 구조체를 구비한 로봇의 세로 굽힘 동작을 순서대로 나타낸 도면이다.

상기 도면을 참조하면, 관절 구조체(10) 및 이를 구비한 로봇은 X축을 중심으로 회전하는 세로 굽힘 동작을 하게 된다.

본 실시예에 따른 관절 구조체 및 로봇은 -30° 내지 45° 범위의 세로 굽힘 동작 범위를 가진다.

이때, +X축 방향 회전 시에는 모터 1이 시계 방향으로 회전하고, 모터 2 및 3이 반 시계 방향으로 회전하고, -X축 방향 회전 시에는 모터 1이 반 시계 방향으로 회전하고 모터 2 및 3이 시계 방향으로 회전한다.

도 16a 내지 16d는 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 메커니즘을 이용한 관절 구조체를 구비한 로봇의 복합 운동을 나타낸 도면이다.

모터(320)의 회전 방향과 회전 각은 수많은 조합으로 제어될 수 있으며, 도시된 바와 같이 관절 구조체(10)가 허용하는 공간 내에서 롤(roll), 요(yaw) 및 피치(pitch)와 같은 복합 운동을 구현할 수 있다.

각 모터(320)의 출력을 모두 동일하게 하면 로봇의 몸체부(30)는 X,Y,Z축 중 어느 하나의 축에 대해 굽힘 동작하지만, 각 모터(320)의 출력을 달리 조절하면, 각 모터(320)의 회전 방향에 대해 복합 굽힘 운동이 가능하다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 손목이라는 공간 제약이 있는 설계 조건을 고려하여 공간 효율과 동력 전달 효율을 극대화한 새로운 형태의 병렬 메커니즘을 가지며, 원호 형상 혹은 곡선으로 굴곡지게 형성된 병진 조인트를 수동 조인트로 사용하여 설계함으로써 공간 효율을 극대화시킬 수 있다. 또한, 축 간의 수직 결합이 가능하도록 하여 동력 전달을 극대화시킬 수 있다.

본 발명에 따른 관절 구조체는 병진 엑츄에이터를 사용한 병렬형 방향 메커니즘으로 3개의 RPS 커넥터로 구성되어 총 3 자유도를 가진다.

본 발명에 따른 관절 구조체는 공간 활용과 동력 전달을 극대화하며, 적은 용량의 모터로 휴머노이드 팔의 끝단에 가해지는 무게를 지지하고, 조인트 간의 간섭을 최소화하는 동시에 원하는 동작과 자세를 자유롭게 구현할 수 있어 메커니즘의 소형화와 경량화를 함께 달성할 수 있다.

결론적으로, 본 실시예에 따르면 병렬로 배치된 구동부에 의해 운동 플랫폼의 자세를 제어하도록 구성함으로써, 모든 자세를 지지할 수 있으면서도, 동력 전달 효율이 우수하고, 크기가 작은 관절 구조체를 형성할 수 있으며, 이를 통해 비교적 무게가 무겁고 큰 출력을 요하는 로봇의 관절에 적합하게 이용할 수 있다.

지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

S1: 제1 회전축
S2: 제2 회전축
S3: 연장 축
O: 회전 중심점
10: 관절 구조체
20: 결합부재
30: 몸체부
100: 운동 플랫폼
101: 연결체
200: 고정 플랫폼
201: 연결체
300: 구동부
301: 결합 플레이트
302: 결합 홀
310: 회전 샤프트
320: 모터
330: 하모닉 드라이브
400: 커넥터
410: 회전 조인트
411: 연결부재
412: 관통 홀
420: 병진 조인트
430: 구 조인트
431: 돌출부재

Claims

운동 플랫폼;
상기 운동 플랫폼과 이격되어 배치되는 고정 플랫폼;
상기 고정 플랫폼에 결합되며 구동력을 발생시키는 복수의 구동부; 및
상기 구동부와 상기 운동 플랫폼 사이에 배치되는 복수의 커넥터를 포함하고,
상기 커넥터는,
상기 구동부에 결합되며 소정 각도의 범위 내에서 회전 운동하는 회전 조인트;
상기 회전 조인트에 연장되어 형성되며 원호 형상으로 굴곡지게 형성되는 병진 조인트; 및
상기 병진 조인트에 연장되어 형성되며 상기 운동 플랫폼과 결합되어 상기 운동 플랫폼을 동작시키는 구 조인트를 포함하는 것을 특징으로 하는 병렬형 메커니즘을 가지는 관절 구조체.
제1항에 있어서,
상기 구동부는 동일 간격으로 이격되어 배치되며,
상기 복수의 커넥터는 상기 구동부와 결합되어 독립적으로 구동되는 것을 특징으로 하는 병렬형 메커니즘을 가지는 관절 구조체.
제2항에 있어서,
상기 병진 조인트는 상기 고정 플랫폼의 외측 방향으로 굴곡지게 형성되는 것을 특징으로 하는 병렬형 메커니즘을 가지는 관절 구조체.
제3항에 있어서,
상기 회전 조인트는 상기 구동부로부터 전달받은 구동력에 의해 회전하는 구동 조인트이고,
상기 병진 조인트 및 상기 구 조인트는 상기 구동 조인트에 의해 동작하는 수동 조인트인 것을 특징으로 하는 병렬형 메커니즘을 가지는 관절 구조체.
제3항에 있어서,
상기 회전 조인트는,
상기 회전 조인트의 일단에서 연장되며 상기 구동부의 반대방향으로 절곡되는 연결부재를 포함하며,
상기 병진 조인트는 상기 제2 연결부재의 일단에서 상기 연결부재가 절곡된 방향을 기준으로 수직 방향으로 연장되어 형성되는 것을 특징으로 하는 병렬형 메커니즘을 가지는 관절 구조체.
제3항에 있어서,
상기 구동부는 일단에 회전 샤프트가 돌출되어 형성되며,
상기 회전 조인트는 상기 회전 샤프트가 관통 결합되는 관통 홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 병렬형 메커니즘을 가지는 관절 구조체.
제6항에 있어서,
상기 구동부는,
상기 회전 샤프트를 회전시키기 위한 동력을 제공하는 모터; 및
상기 모터의 출력을 감속시키는 하모닉 드라이브를 포함하는 것을 특징으로 하는 병렬형 메커니즘을 가지는 관절 구조체.
제3항에 있어서,
상기 운동 플랫폼 및 상기 고정 플랫폼은,
상기 복수의 커넥터에 대응하는 개수로 외측 방향을 향해 수평으로 연장되는 연결체가 형성된 평평한 플레이트 형상을 가지며,
상기 운동 플랫폼의 연결체는 상기 구 조인트와 결합되고,
상기 고정 플랫폼의 연결체는 상기 구동부와 결합되는 것을 특징으로 하는 병렬형 메커니즘을 가지는 관절 구조체.
제3항에 있어서,
상기 회전 조인트는 상기 회전 샤프트를 제1 회전축으로 하여 회전 가능하도록 형성되고,
상기 병진 조인트는 상기 원호의 중심을 통과하는 제2 회전축을 기준으로 병진하도록 형성되고,
상기 제1 회전축 및 상기 제2 회전축은 하나의 회전 중심점에서 교차하는 것을 특징으로 하는 병렬형 메커니즘을 가지는 관절 구조체.
제9항에 있어서,
상기 구 조인트는 구의 중심을 통과하는 하나의 연장 축이 상기 회전 중심점에서 교차하는 것을 특징으로 하는 병렬형 메커니즘을 가지는 관절 구조체.
제9항에 있어서,
상기 제1 회전축, 상기 제2 회전축 및 상기 연장 축이 각각 수직으로 교차하는 것을 특징으로 하는 병렬형 메커니즘을 가지는 관절 구조체.
제11항에 있어서,
상기 제1 회전축, 상기 제2 회전축 및 상기 연장 축은,
상기 커넥터가 작동되는 동안에 서로 교차하는 축 각도를 항상 수직으로 유지되는 것을 특징으로 하는 병렬형 메커니즘을 가지는 관절 구조체.
제1항 내지 12항 중 어느 한 항에 따른 병렬형 메커니즘 구조를 가지는 관절 구조체;
상기 운동 플랫폼의 상부에 고정된 결합 부재; 및
상기 결합 부재에 고정되는 몸체부를 포함하며,
상기 운동 플랫폼의 동작에 의해 상기 몸체부에 대한 자세가 제어되는 것을 특징으로 하는 로봇.
제13항에 있어서,
상기 몸체부는 인간형 로봇의 손이고,
상기 관절 구조체는 상기 인간형 로봇의 손목 관절을 형성하는 것을 특징으로 하는 로봇.