KR20190062016A

KR20190062016A - 하이브리드 구동을 위한 줄 꼬임 구동기

Info

Publication number: KR20190062016A
Application number: KR1020170160983A
Authority: KR
Inventors: 신동준; 이동언; 이승열
Original assignee: 중앙대학교 산학협력단
Priority date: 2017-11-28
Filing date: 2017-11-28
Publication date: 2019-06-05
Also published as: KR102456038B1

Abstract

본 발명은 하이브리드 구동을 위한 줄 꼬임 구동기에 관한 것이다. 본 발명은 한 쌍의 줄 꼬임 유닛이 각각 서로 다른 방향으로 회전되면서 줄의 꼬임을 발생시키는 줄 꼬임 구동부; 상기 줄 꼬임 구동부로부터 동력을 전달받아 양방향으로 구동 제어되는 관절부재; 및 상기 관절부재의 출력축에 연결되어 상기 출력축의 양방향 구동을 직접 제어하는 보조 구동부를 포함할 수 있다.

Description

하이브리드 구동을 위한 줄 꼬임 구동기{TWISTED STRING ACTUATOR FOR HYBRID ACTUATION}

본 발명은 하이브리드 구동을 위한 줄 꼬임 구동기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 줄 꼬임 구동 매커니즘을 이용한 줄 꼬임 구동기에 관한 것이다.

현재 시중에 판매되고 있는 사람과 협업하는 로봇들(human-robot interaction)은 높은 감속비의 무거운 기계적 감속기가 사용되고 있다. 하지만 인간 친화적인 로봇(human-friendly robot)은 무겁고 마찰이 큰 감속기를 대체할 수 있는 안전한 구동 기술이 필요하다. 그 중에서 줄 꼬임을 기반으로 한 구동기술은 가볍고 저렴한 섬유재질의 줄을 사용하고 유연성(compliance)를 보유해서 원천적으로 안전하다.

이와 같은 특성을 가진 줄 꼬임 기반의 구동기술은 원형 풀리를 사용하는 기존의 로봇 관절들은 줄 꼬임 구동기와 같이 비대칭적인 구동특성을 가지는 구동기술에는 적합하지 않다. 또한 원형 풀리 만을 사용할 경우 작동범위가 감소하고 토크 성능이 균일하지 않기 때문에 추가적인 복잡한 제어가 필요한 문제가 있다.

또한 줄 꼬임 구동기는 한 개의 모터가 한 축의 줄 꼬임을 수행하는데, 로봇 관절의 양방향 구동을 위해서는 두 개의 모터가 필수적이다. 이와 같이 두 개의 모터를 사용하게 되면 제어가 복잡해지고 시스템의 무게가 증가하는 문제가 있다.

또한 줄 꼬임 구동기 만을 사용한 로봇 관절은 제어 성능이 저하되고 빠른 응답성을 얻을 수 없기 때문에 사람의 안전을 보장하지 못하고 요구되는 성능 기준을 충족하지 못하였다. 그리고 한정된 작동범위에서 로봇 관절이 동작하기 때문에 구동기의 자유도 및 확장성이 매우 국한되는 등의 한계가 있었다.

대한민국 등록특허공보 제10-1370375호(2014.02.27)

본 발명은 제어 성능이 향상되고 빠른 응답성을 얻을 수 있도록 구동기를 조합한 하이브리드 형태의 줄 꼬임 구동기를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 의한 줄 꼬임 구동기는 한 쌍의 줄 꼬임 유닛이 각각 서로 다른 방향으로 회전되면서 줄의 꼬임을 발생시키는 줄 꼬임 구동부; 상기 줄 꼬임 구동부로부터 동력을 전달받아 양방향으로 구동 제어되는 관절부재; 및 상기 관절부재의 출력축에 연결되어 상기 출력축의 양방향 구동을 직접 제어하는 보조 구동부를 포함할 수 있다.

상기 줄 꼬임 구동부는 제1 구동원에 의해 구동되고 상기 보조 구동부는 제2 구동원에 의해 구동되는데, 상기 제2 구동원은 상기 제1 구동원에 비하여 빠른 응답속도를 가지고, 상기 제1 구동원은 상기 제2 구동원에 비하여 큰 토크를 가질 수 있다.

상기 제1 구동원의 입력축에는 한 쌍의 기어가 맞물리고, 상기 기어는 상기 줄 꼬임 유닛과 각각 연동되어 동력을 전달할 수 있다.

상기 기어는 헬리컬 기어일 수 있다.

상기 제2 구동원의 입력축은 베벨 기어를 통하여 상기 관절부재의 출력축과 연결될 수 있다.

상기 줄 꼬임 유닛의 일단부는 상기 줄 꼬임 구동부 측에 고정되고 타단부는 리니어 가이드 상에서 슬라이딩되는 로드셀에 고정되며, 상기 로드셀은 상기 줄 꼬임 구동부에 의해 발생한 토크를 감지할 수 있다. 상기 관절부재의 출력축에는 캠풀리가 결합되고, 상기 로드셀에는 상기 캠풀리에 감아진 와이어가 연결될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 줄 꼬임 구동기를 관절 구동에 이용한 로봇이 제공될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 줄 꼬임 구동기의 단점인 비대칭적 특성을 상쇄하고 응답속도 및 제어성능의 개선을 위해 하이브리드 형태의 줄 꼬임 구동기를 제공할 수 있다.

또한 줄 꼬임 구동부와 보조 구동부 간의 간섭을 최소화하고 상충관계를 보상해 줌으로써, 줄 꼬임 구동기 만의 로봇 관절의 제어성능 및 응답속도를 극대화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 형태의 줄 꼬임 구동기의 정면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 형태의 줄 꼬임 구동기의 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 줄 꼬임 구동기가 구동된 것을 보인 도면.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

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.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명에 의한 하이브리드 구동을 위한 줄 꼬임 구동기의 일 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 형태의 줄 꼬임 구동기의 정면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 형태의 줄 꼬임 구동기의 사시도이다.

이에 도시된 바에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 줄 꼬임 구동기는 한 쌍의 줄 꼬임 유닛(30)이 각각 서로 다른 방향으로 회전되면서 줄의 꼬임을 발생시키는 줄 꼬임 구동부(20); 상기 줄 꼬임 구동부(20)로부터 동력을 전달받아 양방향으로 구동 제어되는 관절부재(50); 및 상기 관절부재(50)의 출력축(52)에 연결되어 상기 출력축(52)의 양방향 구동을 직접 제어하는 보조 구동부(40)를 포함할 수 있다.

상술한 줄 꼬임 구동부(20), 보조 구동부(40) 및 관절부재(50)는 프레임(10)에 각각 설치된다. 프레임(10)은 상기 구성들이 설치될 수 있도록 일방향으로 긴 형태를 가지며 'ㄴ'자 형상으로 절곡한 형상을 가진다.

본 실시예에서 줄 꼬임 구동부(20)는 저주파의 고토크를 가지는 유연한 매크로 액츄에이션(Macro Actuation)을 수행하는 역할을 한다. 줄 꼬임 구동부(20)는 프레임(10)에 소정의 간격을 가지고 직립하게 설치된 한 쌍의 설치 프레임(24)에 결합된다. 설치 프레임(24)에는 제1 구동원(22)이 설치되는데, 제1 구동원(22)로는 예를 들어 DC/EC 전기 모터가 사용될 수 있다. 제1 구동원(22)은 상술한 바와 같이 고토크를 가져야 하므로 이하에서 설명할 제2 구동원(42)에 비하여 높은 파워와 큰 토크를 가진 모터가 사용된다. 다만 제1 구동원(22)이 제2 구동원(42)에 비하여 반드시 높은 파워와 큰 토크를 가져야 하는 것은 아니고, 동일하거나 낮은 파워와 작은 토크를 가질 수도 있다.제1 구동원(22)의 입력축에는 한 쌍의 기어(26)가 맞물리게 결합된다. 본 실시예에서 기어(26)는 헬리컬 기어로 구성되며 한 쌍으로 이루어져 제1 구동원(22)의 입력축이 회전되면 각각의 기어(26)는 서로 반대방향으로 회전을 하게 된다. 이와 같이 기어(26)가 서로 반대방향으로 회전하기 때문에, 각각의 기어(26)에 연결된 줄 꼬임 유닛(30)이 서로 반대방향으로 회전되면서 한 쪽에서는 꼬임에 의해 수축이 발생하고 다른 쪽에서는 풀림에 의해 인장이 발생하게 된다. 이러한 동작에 의하여 관절부재(50)의 양방향 제어가 원활하게 이루어질 수 있다. 다시 말해 하나의 구동원만 가지고도 한 쌍의 줄 꼬임 유닛(30)이 서로 반대방향으로 동작하도록 제어되기 때문에 관절부재(50)의 양방향 제어가 용이하다.

이상에서 설명한 기어(26)의 구성은 동력 전달 구조의 일 예로서 제시한 것이며, 이에 제한되지 않고 헬리컬 기어 외에 평기어 등이 사용될 수도 있으며 풀리-벨트의 동력 전달 구조가 사용될 수도 있다.

또한 줄 꼬임 구동부(20)는 상술한 바와 같이 줄의 꼬임에 의해 동력을 발생시키기 때문에 유연성이 뛰어나고 자체적 감속비를 가지고 있어, 큰 힘/토크의 발생이 가능하다.

줄 꼬임 구동부(20)의 출력단에는 한 쌍의 후크(28)가 구비된다. 후크(28)는 각각 줄 꼬임 유닛(30)의 단부가 걸어지는 부분으로서, 본 실시예 이외에 다양한 형태의 걸림이 가능한 구성이 채용될 수 있다.

줄 꼬임 유닛(30)은 후크(28)에 일단부가 걸어지고 타단부는 아이볼트(34)에 걸어진 상태로 제1 구동원(22)으로부터 동력을 전달받아 꼬임이 발생하면서 큰 토크를 발생시키는 역할을 한다. 줄 꼬임 유닛(30)은 토크의 크기 등을 고려하여 길이, 소재를 적절하게 설계하여야 한다. 실질적으로 줄 꼬임 유닛(30)의 길이가 길어질수록 감속비가 증가하기 때문에 필요한 토크에 따라 줄 꼬임 유닛(30)의 길이의 적절한 설계가 이루어져야 할 것이다.

줄 꼬임 유닛(30)의 타단부는 로드셀(32)의 양측에 구비된 아이볼트(34)에 걸어진다. 로드셀(32)은 줄 꼬임 유닛(30)의 꼬임에 의해 발생한 토크를 감지하여 검출하는 역할을 한다. 즉, 로드셀(32)은 줄 꼬임 유닛(30)의 꼬임에 의해 일정 토크 이상이 가해진다고 감지하면 제1 구동원(22)으로 정지 신호를 전달하거나 힘/토크 제어를 위한 센서 피드백 값도 제공할 수 있다.

로드셀(32)은 프레임(10)의 내측면에 설치된 리니어 가이드(36) 상에 슬라이딩되게 설치된다. 로드셀(32)은 줄 꼬임 유닛(30)의 수축 또는 인장에 의해 리니어 가이드(36)를 따라 슬라이딩된다. 리니어 가이드(36)는 프레임(10)의 내측면에 상하로 평행하게 설치된다.

본 실시예에서 보조 구동부(40)는 고주파의 미니 액츄에이션(Mini Actuation)을 수행하는 역할을 한다. 만약에 매크로 액츄에이션을 수행하는 줄 꼬임 구동부(20)에 의해서만 관절부재(50)의 제어를 수행하게 되면 큰 힘/토크에 의한 제어는 가능할 것이다. 하지만 상대적으로 응답성이 떨어지고 미세 제어가 어렵기 때문에, 본 실시예에서는 보조 구동부(40)를 별도로 두어 응답성을 빠르게 하고 제어성능을 높인 것이다.

보다 구체적으로 설명하면 보조 구동부(40)에는 제1 구동원(22)에 비하여 상대적으로 토크가 작지만 응답속도가 빠른 제2 구동원(42)이 구동원으로서 동작한다. 제2 구동원(42) 또한 DC/EC/STEP 등 전기 모터가 사용될 수 있는데, 제1 구동원(22)에 비하여 토크는 작지만 선형적인 구동 특성을 가지고 있고 응답성이 매우 빠르며 제어성능이 뛰어나다. 제2 구동원(42)은 상술한 전기 모터 이외에 피에조(piezo) 구동기 등이 사용될 수 있다.제2 구동원(42)의 입력축(44)은 베벨기어(46)를 통하여 관절부재(50)의 출력축(52)과 연결된다. 이와 같이 제2 구동원(42)의 출력이 직접 관절부재(50)로 전달되도록 구성함으로써, 제2 구동원(42)은 제1 구동원(22)의 단점인 제어 성능 및 응답성을 보상하고 높은 제어 영역(Hz)에서의 구동을 보상하게 된다. 결국 전체적인 구동기의 제어복잡성이 최소화되며 부족한 제어성능을 극대화할 수 있다.

한편 관절부재(50)의 출력축(52)에는 캠풀리(54)가 결합된다. 캠풀리(54)에 감아진 와이어는 로드셀(32)의 아이볼트(34)에 걸어지고, 와이어는 로드셀(32)의 슬라이딩에 연동하여 당겨지거나 풀려진다. 와이어의 당김 및 풀림 동작에 의해 줄 꼬임 구동부(20)의 동력이 관절부재(50)로 전달되며 이와 같이 전달된 동력은 상대적으로 큰 토크를 출력하게 된다.

이하에서는 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 줄 꼬임 구동기의 작동 과정을 도 3을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 3을 참조하면, 줄 꼬임 구동기의 동작은 제1 구동원(22)의 구동에 의해 시작된다. 제1 구동원(22)이 구동되면 한 쌍의 기어(24)는 서로 반대방향으로 회전하게 되고, 이에 연동하여 줄 꼬임 유닛(30)이 서로 반대방향으로 회전된다. 이때 상부에 위치한 줄 꼬임 유닛(30)은 꼬임이 발생하면서 수축되고, 하부에 위치한 줄 꼬임 유닛(30)은 꼬임이 풀어지면서 인장이 발생된다.

줄 꼬임 유닛(30)의 꼬임에 연동하여 와이어를 당기게 되면 캠풀리(54)가 회전되면서 관절부재(50)가 상방으로 회전될 수 있다. 이상에서 설명한 동작은 줄 꼬임 구동부(20)에 의한 매크로 액츄에이션이다. 매크로 액츄에이션에 의하면 큰 토크로 관절부재(50)의 회전이 이루어질 수 있다.

한편 매크로 액츄에이션에 의하면 관절부재(50)의 미세 제어가 어렵고 응답성이 느리기 때문에 이를 보상하기 위해 보조 구동부(40)가 구동된다. 제2 구동원(42)이 구동되면 관절부재(50)의 출력축(52)으로 직접 동력을 전달하게 되어 관절부재(50)의 응답성을 빠르게 할 수 있다. 이와 같이 보조 구동부(40)에 의한 고주파의 미니 액츄에이션이 이루어짐으로써, 매크로 액츄에이션을 보상하여 물리적 성능(힘, 토크)와 응답속도와 같은 제어적 성능을 극대화할 수 있고, 작동범위에 구속받지 않고 모든 작동 구간 내에서 효율적인 구동이 가능하다.

상기에서는 본 발명의 특정의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10 : 프레임 20 : 줄 꼬임 구동부
22 : 제1 구동원 24 : 설치 프레임
26 : 기어 28 : 후크
30 : 줄 꼬임 유닛 32 : 로드셀
34 : 아이볼트 36 : 리니어 가이드
40 : 보조 구동부 42 : 제2 구동원
44 : 입력축 46 : 베벨기어
50 : 관절부재 52 : 출력축
54 : 캠풀리

Claims

한 쌍의 줄 꼬임 유닛이 각각 서로 다른 방향으로 회전되면서 줄의 꼬임을 발생시키는 줄 꼬임 구동부;
상기 줄 꼬임 구동부로부터 동력을 전달받아 양방향으로 구동 제어되는 관절부재; 및
상기 관절부재의 출력축에 연결되어 상기 출력축의 양방향 구동을 직접 제어하는 보조 구동부를 포함하는 하이브리드 구동을 위한 줄 꼬임 구동기.
제1항에 있어서,
상기 줄 꼬임 구동부는 제1 구동원에 의해 구동되고 상기 보조 구동부는 제2 구동원에 의해 구동되는데,
상기 제2 구동원은 상기 제1 구동원에 비하여 빠른 응답속도를 가지고, 상기 제1 구동원은 상기 제2 구동원에 비하여 큰 토크를 가지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 구동을 위한 줄 꼬임 구동기.
제2항에 있어서,
상기 제1 구동원의 입력축에는 한 쌍의 기어가 맞물리고, 상기 기어는 상기 줄 꼬임 유닛과 각각 연동되어 동력을 전달하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 구동을 위한 줄 꼬임 구동기.
제3항에 있어서,
상기 기어는 헬리컬 기어인 것을 특징으로 하는 하이브리드 구동을 위한 줄 꼬임 구동기.
제2항에 있어서,
상기 제2 구동원의 입력축은 베벨 기어를 통하여 상기 관절부재의 출력축과 연결되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 구동을 위한 줄 꼬임 구동기.
제1항에 있어서,
상기 줄 꼬임 유닛의 일단부는 상기 줄 꼬임 구동부 측에 고정되고 타단부는 리니어 가이드 상에서 슬라이딩되는 로드셀에 고정되며, 상기 로드셀은 상기 줄 꼬임 구동부에 의해 발생한 토크를 감지하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 구동을 위한 줄 꼬임 구동기.
제6항에 있어서,
상기 관절부재의 출력축에는 캠풀리가 결합되고, 상기 로드셀에는 상기 캠풀리에 감아진 와이어가 연결되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 구동을 위한 줄 꼬임 구동기.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 줄 꼬임 구동기를 관절 구동에 이용한 로봇.