KR20190063925A - 유연 관절 장치 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로봇의 매니퓰레이터에 적용되는 유연 관절 장치 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 일측에 관절결합홈이 마련된 관절블록을 포함하는 제1 관절본체와, 상기 관절블록의 관절결합홈에 회전 가능하게 결합되는 결합관절을 포함하는 제2 관절본체와, 상기 관절블록과 상기 제2 관절본체를 감싸도록 형성되어 상기 결합관절의 회전 시 상기 제2 관절본체를 탄력적으로 지지하고, 내부에는 상기 관절블록에 대한 상기 결합관절의 상대속도에 따라 점성이 변하는 윤활액이 충진되는 윤활액 충진공간부가 마련된 인대유닛 및 상기 인대유닛을 상기 관절블록 및 상기 제2 관절본체에 고정시키기 위한 고정수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 유연 관절 장치 및 이의 제조방법을 제공한다.

Description

유연 관절 장치 및 이의 제조방법{FLEXIBLE JOINT APPARATUS AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 유연 관절 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 로봇의 매니퓰레이터에 적용되는 유연 관절 장치 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

매니퓰레이터란, 인간의 상지(上肢)와 유사한 기능을 보유하고, 그 선단부위에 해당하는 기계 손(mechanicalhand) 등에 의해 물체를 파지하여 공간(空間)적으로 이동시키는 작업 또는 그 선단부위에 부착된 도장용 스프레이 건(spray gun), 용접 토치 등의 공구에 의한 도장, 용접 등의 작업을 실시할 수 있는 것을 말한다.

특히 한 쌍의 매니퓰레이터를 이용한 양팔 로봇 개발 분야는 크게 생산 공정에 적용하기 위한 공업용 양팔 로봇기술과, 가사 및 공공 분야 등에서 인간의 보조 역할을 수행할 수 있는 서비스 양팔 로봇 기술로 나누어진다.

최근에는 생산 현장이나 가정과 같이 예측 가능한 구조와 조건을 가지고 있는 실내 환경에서 적용할 수 있는 양팔 로봇의 개발이 활발히 진행되고 있다.

이러한 종래의 매니퓰레이터는 복수개의 관절부로 이루어진 관절 장치가 적용되고 있다. 지금까지 알려진 매니퓰레이터는 X축, Y축, Z축에서 회전하는 회전모터와 병진 운동하는 병진모터가 구비된 관절 장치가 적용하여 팔과 유사한 작동을 구현시킬 수 있도록 개발되어 왔다.

그런데 종래의 매니퓰레이터에 적용된 관절 장치는 외부의 충격이 각 관절부가 작동되는 방향과 다른 방향으로 가해질 경우, 각 관절부가 충격을 흡수하지 못하여 각 관절부 및 각 관절부에 연결된 구성들이 변형되거나 파손될 수 있는 문제점이 있었다.

또한, 인체와 충돌하는 경우에도 충격력이 적절히 흡수되지 못하기 때문에 인체에 상해를 입힐 수 있는 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허공보 제10-1517822호(2015.05.06. 등록공고, 발명의 명칭 : 유연 관절 로봇)

본 발명의 목적은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 탄성복원력을 가지는 유연재질로 형성된 인대유닛을 구비함으로써, 관절의 작동방향과 다른 방향에 대한 충격을 흡수할 수 있도록 하여 장치의 변형 및 파손을 최대한 줄일 수 있도록 하는 유연 관절 장치 및 이의 제조방법을 제공하고자 한 것이다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 관절 장치는 일측에 관절결합홈이 마련된 관절블록을 포함하는 제1 관절본체; 상기 관절블록의 관절결합홈에 회전 가능하게 결합되는 결합관절을 포함하는 제2 관절본체; 상기 관절블록과 상기 제2 관절본체를 감싸도록 형성되어 상기 결합관절의 회전 시 상기 제2 관절본체를 탄력적으로 지지하고, 내부에는 상기 관절블록에 대한 상기 결합관절의 상대속도에 따라 점성이 변하는 윤활액이 충진되는 윤활액 충진공간부가 마련된 인대유닛; 및 상기 인대유닛을 상기 관절블록 및 상기 제2 관절본체에 고정시키기 위한 고정수단;을 포함한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 관절 장치에 있어서, 상기 제1 관절본체는, 상기 관절결합홈의 내측면과 상기 결합관절 간의 마찰을 방지하기 위하여 상기 관절결합홈의 내측면에 배치되는 제1 연골부재;를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 관절 장치에 있어서, 상기 제2 관절본체는, 상기 제1 연골부재와 상기 결합관절 간의 마찰을 방지하기 위하여, 상기 결합관절의 외주면을 감싼 상태로 배치되는 제2 연골부재;를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 관절 장치에 있어서, 상기 제1 연골부재 및 상기 제2 연골부재는 탄성복원력을 가지는 유연재질로 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 관절 장치에 있어서, 상기 윤활액은 딜러던트(Dilatant) 특성을 가진 액체 또는 요변성(Thixotropy) 특성을 가진 액체 중 어느 하나의 액체가 사용된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 관절 장치에 있어서, 상기 인대유닛은, 상기 관절블록의 상면과 상기 제2 관절본체의 상면이 연결되도록 제공되는 제1 인대부재; 상기 관절블록의 하면과 상기 제2 관절본체의 하면이 연결되도록 제공되는 제2 인대부재; 및 상기 관절블록과 상기 제2 관절본체의 양측면 부위가 밀폐되도록 제공되는 한쌍의 덮개부재;를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 관절 장치에 있어서, 상기 제1 인대부재 및 상기 제2 인대부재는 탄성복원력을 가지는 유연재질로 형성되고, 상기 한쌍의 덮개부재는 상기 제1 인대부재 및 제2 인대부재보다 강성이 낮은 유연재질로 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 관절 장치에 있어서, 상기 고정수단은, 상기 제1 인대부재 및 상기 제2 인대부재의 일측 내측면으로부터 반경방향을 향해 각각 돌출 형성된 한쌍의 제1 고정돌기; 상기 관절블록의 일측 상하면에 오목하게 형성되어 상기 한쌍의 제1 고정돌기가 결합되는 한쌍의 제1 고정홈; 상기 제1 인대부재 및 상기 제2 인대부재의 타측 내측면으로부터 반경방향을 향해 돌출 형성된 한쌍의 제2 고정돌기; 및 상기 제2 관절본체의 상하면에 오목하게 형성되어 상기 한쌍의 제2 고정돌기가 결합되는 한쌍의 제2 고정홈;을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유연 관절 장치에 있어서, 상기 제2 관절본체는, 상기 제2 관절본체에 관통 형성된 윤활유 이동통로를 더 포함하고, 상기 윤활유 이동통로를 통해 상기 제2 관절본체를 기준으로 상부영역에 충진된 윤활유 및 하부영역에 충진된 윤활유가 선택적으로 이동될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 유연 관절 장치의 제조방법은, 제1항에 기재된 유연 관절 장치를 제조하기 위한 제조방법에 있어서, 상기 관절결합홈이 마련된 관절블록과, 상기 관절결합홈의 내측면에 배치된 제1 연골부재를 포함하는 제1 관절본체를 제작하는 제1 관절본체 제작단계; 상기 결합관절과, 상기 결합관절의 외주면을 감싸도록 배치된 제2 연골부재를 포함하는 제2 관절본체 제작단계; 상기 관절블록의 관절결합홈에 상기 제2 관절본체의 결합관절을 결합시키는 관절 결합단계; 상기 관절 결합단계에서 결합된 상기 관절블록과 상기 제2 관절본체를 감싸서 밀폐시키고, 내부에는 상기 윤활액 충진공간부를 형성하는 인대유닛 형성단계; 및 상기 윤활유 충진공간부에 윤활유를 충진하는 윤활유 충진단계;를 포함한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 관절 장치의 제조방법에 있어서, 상기 제1 관절본체 제작단계는, 상기 관절블록을 포함하는 제1 관절본체를 제작하는 단계; 제1 몰드에 상기 제1 관절본체를 배치하는 단계; 및 상기 관절결합홈의 내측면에 상기 제1 연골부재를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 관절 장치의 제조방법에 있어서, 상기 제2 관절본체 제작단계는, 상기 결합관절을 포함하는 제2 관절본체를 제작하는 단계; 제2 몰드에 상기 제1 관절본체를 배치하는 단계; 및 상기 결합관절의 외주면에 상기 제2 연골부재를 형성하는 단계;를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 관절 장치의 제조방법에 있어서, 상기 인대유닛 형성 단계는, 제3 몰드에 상기 관절 결합단계에서 서로 결합된 상기 제1 관절본체와 상기 제2 관절본체를 배치하는 단계; 상기 관절블록의 상면과 상기 제2 관절본체의 상면이 연결되도록 제1 인대부재를 형성하는 단계; 상기 관절블록의 하면과 상기 제2 관절본체의 하면을 연결되도록 제2 인대부재를 형성하는 단계; 및 상기 제3 몰드를 제거한 후, 상기 한쌍의 덮개부재를 서로 결합된 상기 관절블록과 상기 제2 관절부재의 양측면에 고정시키는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 유연 관절 장치 및 이의 제조방법은 탄성복원력을 가지는 유연재질로 형성된 인대유닛을 구비함으로써, 관절의 작동방향과 다른 방향에 대해 충격을 흡수할 수 있어 장치의 변형 및 파손을 최대한 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 인체와 충돌하는 경우에 인대유닛이 충격을 적절히 흡수하여 인체에 대한 상해 위험성을 현저히 낮출 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 관절의 작동방향과 다른 방향의 외력에 의한 충돌이 발생될 경우, 관절블록의 관절결합홈에 결합된 결합관절이 탈구됨으로써, 작업자에 가해지는 충격을 최소화 할 수 있어 작업자에 대한 상해의 위험성을 더욱 낮출 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따르면, 탈구된 결합관절은 관절결합홈에 다시 끼움으로써, 유연 관절 장치를 계속해서 사용할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 제1 연골부재 및 제2 연골부재가 구비된 것에 의해 결합관절의 마모를 최대한 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 간단한 구조의 몰드를 이용하여 장치를 제작함에 따라, 제작 공정 및 제작비용을 최대한 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 관절블록에 대한 결합관절의 상대속도에 따라 점성이 변하는 윤할액을 사용함에 따라 관절강성을 요구상황에 맞게 변화시킬 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 윤활유 이동통로로 윤활유가 이동되도록 함으로써, 윤활유의 이동에 대한 저항력 변화를 저하시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 관절 장치의 구조를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 관절 장치의 내부구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인대유닛의 작동 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 관절 장치의 제조방법을 단계별로 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유연 과절 장치의 내부 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.

이하, 상술한 해결하고자 하는 과제가 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시 예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시 예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 하기에서 생략된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 관절 장치의 구조를 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 관절 장치의 내부구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 관절 장치는 제1 관절본체(100)와, 제2 관절본체(200)와, 인대유닛(300) 및 고정수단(400)을 포함한다.

상기 제1 관절본체(100)는 수지재질로 제작될 수 있으며, 인체의 자뼈(Ulna)에 해당되는 동작을 수행한다. 이러한 상기 제1 관절본체(100)는 관절블록(110)을 포함할 수 있다.

상기 관절블록(110)의 일측에는 후술할 제2 관절본체(200)의 결합관절(210)이 결합되는 관절결합홈(111)이 마련된다.

상기 제2 관절본체(200)는 상기 제1 관절본체(100)와 동일하게 수지재질로 재작될 수 있으며, 인체의 위팔뼈(Humerus)에 해당되는 동작을 수행한다. 이러한 상기 제2 관절본체(200)는 결합관절(210)을 포함할 수 있다.

상기 결합관절(210)은 상기 제1 관절본체(100)의 상기 관절결합홈(111)에 회전 가능하게 결합될 수 있다.

즉, 상기 제1 관절본체(100)와 상기 제2 관절본체(200)가 서로 결합되면 인체의 팔과 같은 형태로 구성되어 팔과 같은 동작을 수행하게 된다.

상기 제1 관절본체(100)는 제1 연골부재(120)를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 연골부재(120)는 상기 관절결합홈(111)의 내측면에 배치될 수 있으며, 상기 관절결합홈(111)의 내측면과 상기 결합관절(210) 간의 마찰을 방지한다.

상기 제2 관절본체(200)는 제2 연골부재(220)를 더 포함할 수 있다.

상기 제2 연골부재(220)는 상기 결합관절(210)의 외주면을 감싼 상태로 배치되어, 상기 제1 연골부재(120)와 상기 결합관절(210) 간의 마찰을 방지한다.

상기 제1 연골부재(120) 및 상기 제2 연골부재(220)는 탄성복원력을 가진 유연재질로 형성되는 것이 바람직하다.

이때, 상기 유연재질은 고분자 탄성체인 우레탄 폴리머 등이 사용될 수 있다.

즉, 탄성복원력을 가진 유연재질로 형성된 상기 제1 연골부재(120) 및 상기 제2 연골부재(220)에 기설정된 범위 내에서 충격이 인가되는 경우, 기설정된 상태로 작동되어 상기 관절블록(110)과 상기 결합관절(210)의 마찰을 방지하는 역할을 수행한다.

또한, 상기 제1 연골부재(120) 및 상기 제2 연골부재(220)에 기설정된 범위 이상의 충격이 인가되는 경우, 인체의 관절열골과 같은 역할인 충격을 흡수하는 역할을 수행한다. 이에 따라, 유연 관절 장치의 파손을 방지할 수 있다.

또한, 도시되지는 않았지만, 작업자에 의해 상기 제1 연골부재(120) 및 상기 제2 연골부재(220)에 기설정된 범위 이상의 충격이 인가되는 경우, 상기 관절블록(110)의 상기 관절결합홈(111)에 결합된 상기 결합관절(210)이 탈구되면서, 작업자에 가해지는 충격을 최소화 할 수 있어 작업자에 대한 상해의 위험성을 낮출 수 있게 된다.

이때, 탈구된 상기 결합관절(210)은 상기 관절결합홈(111)에 다시 끼움으로써, 유연 관절 장치를 계속해서 사용할 수 있는 이점이 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인대유닛의 작동 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다. 이때, 도 3의 (a)는 인대유닛이 작동되기 전 상태를 나타낸 것이고, 도 3의 (b) 및 도 3의 (c)는 인대유닛이 각각 다른 방향의 외력에 의해 작동된 상태를 나타낸 것이다.

도 1 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 인대유닛의 구성에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

상기 인대유닛(도 1의 300)은 상기 관절블록(110)과 상기 제2 관절본체(200)를 감싸도록 형성되어 상기 결합관절(210)의 회전 시, 상기 제2 관절본체(200)를 탄력적으로 지지한다. 이러한 상기 인대유닛(300)은 제1 인대부재(310)와, 제2 인대부재(320) 및 한쌍의 덮개부재(330)를 포함한다.

한편, 상기 제1 인대부재(310)와 상기 제2 인대부재(320)는 탄성복원력을 가진 유연재질로 형성될 수 있다. 또한, 상기 한쌍의 덮개부재(330)는 상기 제1 인대부재(310) 및 상기 제2 인대부재(320)보다 강성이 낮은 유연재질로 형성될 수 있다.

이때, 상기 유연재질은 상기 제1 연골부재(120) 및 상기 제2 연골부재(220)와 동일하게 고분자 탄성체인 우레탄 폴리머 등이 사용될 수 있다.

도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 제1 인대부재(310)는 상기 관절블록(110)의 상면과 상기 제2 관절본체(200)의 상면이 연결되도록 형성될 수 있다.

즉, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 제1 인대부재(310)는 외력이 인가되어 상기 제2 관절본체(200)에 대해 상기 관절블록(110)이 하측방향으로 작동될 경우 상기 관절블록(110)의 상면을 탄성적으로 지지하게 되며, 외력이 해제되었을 경우 상기 제1 인대부재(310)의 탄성복원력에 의해 상기 관절블록(110)을 초기 위치로 복원시키게 된다.

다시 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 제2 인대부재(320)는 상기 관절블록(110)의 하면과 상기 제2 관절본체(200)의 하면이 연결되도록 형성될 수 있다.

즉, 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이, 상기 제2 인대부재(320)는 외력이 인가되어 상기 제2 관절본체(200)에 대해 상기 관절블록(110)이 상측방향으로 작동될 경우 상기 관절블록(110)의 하면을 탄성적으로 지지하게 되며, 외력이 해제되었을 경우 상기 제2 인대부재(320)의 탄성복원력에 의해 상기 관절블록(110)을 초기 위치로 복원시키게 된다.

상기 한쌍의 덮개부재(도 1의 330)는 상기 관절블록(110)과 상기 제2 관절본체(200)의 양측면 부위를 밀폐시킨다.

한편, 상기 한쌍의 덮개부재(330)가 상기 제1 인대부재(310) 및 상기 제2 인대부재(320) 보다 강성이 낮은 유연재질로 형성됨에 따라, 상기 관절블록(110) 및 상기 제2 관절본체(200)가 작동될 경우, 상기 제1 인대부재(310) 및 상기 제2 인대부재(320)를 지지하여 상기 인대유닛(300)의 형상을 유지할 수 있게 된다.

결과적으로, 상기 인대유닛(300)의 상기 제1 인대부재(310) 및 상기 제2 인대부재(320)에 의해 서로 결합된 상기 관절블록(110)과 상기 제2 관절본체(200)의 상하측 부위가 밀폐되고, 상기 한쌍의 덮개부재(330)에 의해 양측면 부위가 밀폐됨으로써, 상기 인대유닛(300)은 인체의 관절주머니와 같은 역할을 수행하게 된다.

한편, 상기 인대유닛(300)은 윤활유(W)가 충진되는 윤활유 충진공간부(340)를 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 윤활유 충진공간부(340)는 상기 인대유닛(300)에 의해 내부공간에 형성되어 상기 윤활유(W)가 충진될 수 있다.

상기 윤활유(W)는 전단 속도가 증가함에 따라 유체 점성이 급격히 증가하는 특성을 가진 딜러던트(Dilatant) 액체 또는 전단 속도가 낮을 경우에는 점도가 높지만 전단 속도가 증가함에 따라 유체 점성이 낮아지는 특성을 가진 요변성(Thixotropy) 액체 중 어느 하나의 액체가 사용될 수 있다.

즉, 상기 윤활유(W)로 상기 딜러던트 특성을 가진 액체가 사용될 경우, 일반적인 구동 속도로 상기 관절블록(110) 및 상기 제2 관절본체(200)가 작동될 때에는 해당 액체의 점성이 낮아 작동에 영향을 주지 않지만 상기 관절블록(110) 및 상기 제2 관절본체(200)에 이상 동작 발생하여 급격한 구동 속도록 작동되면 해당 액체의 점성이 급격히 높아지면서 상기 관절블록(110) 및 상기 제2 관절본체(200)의 작동을 제한하게 된다.

또한, 상기 윤활유(W)로 상기 요변성 특성을 가진 액체가 사용될 경우, 상기 관절블록(110) 및 상기 제2 관절본체(200)가 저속의 정밀작동이 요구되는 상황에서는 저속 상태에서 해당 액체의 점성이 높기 때문에 상기 관절블록(110)과 제2 관절본체(200) 간의 강성이 증가되어 정밀제어가 가능하고, 반대로 고속 작동이 요구되는 상황에서는 고속 상태로 갈수록 해당 액체의 점성이 낮아지기 때문에 상기 관절블록(110)과 상기 제2 관절본체(200) 간의 강성이 낮아지게 되어 고속 작동이 가능해진다.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 유연 관절 장치는 장치의 특성에 맞게 상기 제시된 두 가지 종류의 윤활유(W) 중 어느 하나의 윤활유(W)를 적절히 선택하여 사용할 수 있다.

결과적으로, 관절블록에 대한 결합관절의 상대속도에 따라 점성이 변하는 윤할액을 사용함에 따라 관절강성을 요구상황에 맞게 변화시킬 수 있게 된다.

상기 고정수단(400)은 상기 인대유닛(300)을 상기 관절블록(110) 및 상기 제2 관절본체(200)에 고정시킨다. 이러한 상기 고정수단(400)은 한쌍의 제1 고정돌기(410)와, 한쌍의 제1 고정홈(420)과, 한쌍의 제2 고정돌기(430) 및 한쌍의 제2 고정홈(440)을 포함할 수 있다.

상기 한쌍의 제1 고정돌기(410)는 상기 제1 인대부재(310) 및 상기 제2 인대부재(320)의 일측 내측면으로부터 반경방향을 향해 각각 돌출 형성될 수 있다.

상기 한쌍의 제1 고정홈(420)은 상기 관절블록(110)의 상하면에 오목하게 형성되어 상기 한쌍의 제1 고정돌기(410)가 결합된다.

상기 한쌍의 제2 고정돌기(430)는 상기 제1 인대부재(310) 및 상기 제2 인대부재(220)의 타측 내측면으로부터 반경방향을 향해 돌출 형성될 수 있다.

상기 한쌍의 제2 고정홈(440)은 상기 제2 관절본체(200)의 상하면에 오목하게 형성되어 상기 한쌍의 제2 고정돌기(430)가 결합된다.

즉, 상기 제1 인대부재(310) 및 상기 제2 인대부재(320)의 일측은 상기 한쌍의 제1 고정돌기(410)와 상기 한쌍의 제1 고정홈(420) 간의 결합에 의해 상기 관절블록(110)에 고정된다.

또한, 상기 제1 인대부재(310) 및 상기 제2 인대부재(320)의 타측은 상기 한쌍의 제2 고정돌기(430)와 상기 한쌍의 제2 고정홈(440) 간의 결합에 의해 상기 제2 관절본체(200)에 고정된다.

또한, 도시되지는 않았지만, 상기 한쌍의 제1 고정돌기(410)와 상기 한쌍의 제1 고정홈(420)이 결합된 부위 및 상기 한쌍의 제2 고정돌기(430)와 상기 한쌍의 제2 고정홈(440)이 결합된 부위는 상호 간을 접착제 등을 이용한 본딩공정에 의해 분리되지 않도록 완전히 고정시킬 수 있다.

지금부터는 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 관절 장치의 제조방법을 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 관절 장치의 제작과정을 단계별로 나타낸 도면이다. 이때, 도 4의 (a)는 제1 몰드를 이용하여 제1 관절본체를 제작하는 과정을 나타낸 것이고, 도 4의 (b)는 제2 몰드를 이용하여 제2 관절본체를 제작하는 과정을 나타낸 것이며, 도 4의 (c)는 제1 관절본체와 제2 관철본체가 결합되는 과정을 나타낸 것이다.

또한, 도 4의 (d)는 제3 몰드를 이용하여 인대유닛의 제1 인대부재 및 제2 인대부재를 형성하는 과정을 나타낸 것이고, 도 4의 (e)는 서로 결합된 제1 관절본체 및 제2 관절본체의 양측면에 인대유닛의 한쌍의 덮개부재 고정하여 완성하는 과정을 나타낸 것이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 관절 장치의 제조방법은 제1 관절본체 제작단계와, 제2 관절본체 제작단계와, 인대유닛 형성단계 및 윤활유 충진단계를 포함할 수 있다.

상기 제1 관절본체 제작단계에서는 상기 관절결합홈(111)이 마련된 상기 관절블록(110)과, 상기 관절결합홈(111)의 내측면에 배치된 상기 제1 연골부재(120)를 포함하는 상기 제1 관절본체(100)의 제작이 수행된다.

상기 제1 관절본체 제작단계는 상기 관절블록(110)을 포함하는 상기 제1 관절본체(100)를 제작하는 단계와, 제1 몰드(500)에 상기 제1 관절본체(100)를 배치하는 단계 및 상기 관절결합홈(111)의 내측면에 제1 연골부재(120)를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.

먼저, 상기 제1 몰드(500)의 구조를 설명하면, 상기 제1 몰드(500)는 외관을 이루는 제1 몰드본체(510)와, 상기 제1 몰드본체(510)의 내부공간에 형성되어 상기 제1 관절본체(100)가 수용되는 제1 수용홈부(520)와, 상기 제1 수용홈부(520)의 일측에 마련되어 상기 제1 연골부재(120)를 형성하기 위한 제1 연골부재 형성 돌기(530)를 포함하여 구성될 수 있다.

도 4의 (a)를 참조하여, 상기 제1 관절본체 제작단계를 보다 상세히 설명하면, 상기 관절블록(110)을 포함하는 상기 제1 관절본체(100)를 제작한 다음, 상기 관절블록(110)을 포함한 상기 제1 관절본체(100)를 상기 제1 몰드본체(510)의 상기 제1 수용홈부(520)에 수용되도록 배치시킨다.

이때, 상기 관절블록(110)에 형성된 관절결합홈(111)과 상기 제1 연골부재 형성 돌기(530) 사이에는 일정 간격을 가진 제1 연골부재 형성 공간(미도시)이 마련된다.

다음, 상기 제1 연골부재 형성 공간에 액상의 고분자 탄성체를 주입한 후, 액상의 고분자 탄성체를 경화시키면, 상기 관절결합홈(111)의 내측면에 상기 제1 연골부재(120)가 코팅된 상태로 배치된다.

이후, 상기 제1 몰드본체(510)로부터 상기 제1 연골부재(120)가 형성된 제1 관절본체(100)를 분리시킴으로써, 상기 제1 연골부재(120)를 포함하는 상기 제1 관절본체(100)의 제작이 완료된다.

다음으로, 상기 제2 관절본체 제작단계에서는 상기 결합관절(210)과, 상기 결합관절(210)의 외주면을 감싸도록 배치된 제2 연골부재(220)를 포함하는 제2 관절본체(200)의 제작이 수행된다.

상기 제2 관절본체 제작단계는 상기 결합관절(210)을 포함하는 제2 관절본체(200)를 제작하는 단계와, 제2 몰드(600)에 상기 제1 관절본체(100)를 배치하는 단계 및 상기 결합관절(210)의 외주면에 상기 제2 연골부재(220)를 형성하는 단계를 포함한다.

먼저, 상기 제2 몰드(600)의 구조를 설명하면, 상기 제2 몰드(600)는 외관을 이루는 제2 몰드본체(610)와, 상기 제2 몰드본체(610)의 내부공간에 형성되어 상기 제2 관절본체(200)가 수용되는 제2 수용홈부(620)와, 상기 제2 수용홈부(620)의 일측에 마련되어 상기 제2 연골부재(220)를 형성하기 위한 제2 연골부재 형성 홈부(630)를 포함하여 구성될 수 있다.

도 4의 (b)를 참조하여, 상기 제2 관절본체 제작단계를 보다 상세히 설명하면, 상기 결합관절(210)을 포함하는 상기 제2 관절본체(200)를 제작한 다음, 상기 결합관록(210)을 포함한 상기 제2 관절본체(100)를 상기 제2 몰드본체(610)의 상기 제2 수용홈부(620)에 수용되도록 배치시킨다.

이때, 상기 결합관절(210)과 상기 제2 연골부재 형성 홈부(630) 사이에는 일정 간격을 가진 상기 제2 연골부재 형성 공간(미도시)이 마련된다.

다음, 상기 제2 연골부재 형성 공간에 액상의 고분자 탄성체를 주입한 후, 액상의 고분자 탄성체를 경화시키면 상기 결합관절(210)의 외주면에 상기 제2 연골부재(220)가 코팅된 상태로 배치된다.

이후, 상기 제2 몰드본체(610)로부터 상기 제2 연골부재(220)가 형성된 제2 관절본체(200)를 분리시킴으로써, 상기 제2 연골부재(220)를 포함하는 상기 제2 관절본체(200)의 제작이 완료된다.

다음으로, 도 4의 (c)를 참조하면, 상기 관절 결합단계에서는 상기 관절블록(110)의 관절결합홈(111)에 상기 제2 관절본체(200)의 결합관절(210)을 결합시키는 과정이 수행된다.

다음으로, 상기 인대유닛 형성단계에서는 상기 관절 결합단계에서 결합된 상기 관절블록(110)과 상기 제2 관절본체(200)를 감싸서 밀폐시키고, 내부에는 상기 윤활액 충진공간부(340)를 형성하는 과정이 수행된다.

이러한, 상기 인대유닛 형성단계는 제3 몰드(700)에 상기 관절 결합단계에서 서로 결합된 상기 제1 관절본체(100)와 상기 제2 관절본체(200)를 배치하는 단계와, 상기 관절블록(110)의 상면과 상기 제2 관절본체(200)의 상면이 연결되도록 제1 인대부재(310)를 형성하는 단계와, 상기 관절블록(110)의 하면과 상기 제2 관절본체(200)의 하면이 연결되도록 제2 인대부재(320)를 형성하는 단계 및 상기 제3 몰드(700)를 제거한 후, 상기 관절블록(110)과 상기 제2 관절본체(200)의 양측면에 한쌍의 덮개부재(330)를 고정시키는 단계를 포함할 수 있다.

먼저, 상기 제3 몰드(700)의 구조를 설명하면, 외관을 이루는 제3 몰드(700) 본체와, 상기 제3 몰드본체(710)의 내부공간에 형성되어 서로 결합된 상기 제1 관절본체(100) 및 상기 제2 관절본체(200)가 수용되는 제3 수용홈부(720)와, 상기 제3 몰드본체(710)의 내부공간 상측부위에 마련되어 상기 제1 인대부재(310)를 형성하기 위한 제1 인대부재 형성 홈부(730) 및 상기 제3 몰드본체(710)의 내부공간 하측부위에 마련되어 상기 제2 인대부재(320)를 형성하기 위한 제2 인대부재 형성 홈부(740)를 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기 제3 몰드(700)는 상기 제3 몰드본체(710)의 내부공간에 마련되어 상기 윤활유 충진공간부(340)를 형성하기 위한 윤활유 충진공간부 형성 홈부(750)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

도 4의 (d)를 참조하여, 상기 인대유닛 형성 단계를 보다 상세히 설명하면, 상기 제3 몰드(700)의 제3 수용홈부(720)에 상기 관절 결합단계에서 결합된 상기 제1 관절본체(100) 및 상기 제2 관절본체(200)가 수용될 수 있도록 배치시킨다.

다음, 상기 제1 인대부재 형성 홈부(730)에 액상의 고분자 탄성체를 주입한 후, 액상의 고분자 탄성체를 경화시키면 상기 관절블록(110)의 상면과 상기 제2 관절본체(200)의 상면이 연결된 상태로 상기 제1 인대부재(310)가 형성된다.

이와 동시에, 상기 제2 인대부재 형성 홈부(740)에 액상의 고분자 탄성체를 주입한 후, 액상의 고분자 탄성체를 경화시키면 상기 관절블록(110)의 하면과 상기 제2 관절본체(200)의 하면이 연결된 상태로 상기 제2 인대부재(320)가 형성된다.

이때, 상기 한쌍의 제1 고정돌기(410)는 상기 한쌍의 제1 고정홈(420)에 결합된 상태가 되고, 상기 한쌍의 제2 고정돌기(430)는 상기 한쌍의 제2 고정홈(440)에 결합된 상태로 상기 제1 인대부재(310) 및 상기 제2 인대부재(320)가 상기 관절블록(110) 및 상기 제2 관절본체(200)의 상하면에 고정된다.

한편, 상기 한쌍의 제1 고정돌기(410)와 상기 한쌍의 제1 고정홈(420)이 결합된 부위 및 상기 한쌍의 제2 고정돌기(430)와 상기 한쌍의 제2 고정홈(440)이 결합된 부위는 상호 간을 본딩에 의해 분리되지 않도록 완전히 고정시킨다.

다음으로, 도 4의 (e)에 도시된 바와 같이, 상기 제3 몰드(700)를 제거한 다음, 상기 한쌍의 덮개부재(330)를 서로 결합된 상기 관절블록(110)과 상기 제2 관절부재의 양측면에 본딩에 의해 접착 고정시킨다.

이와 같은 과정을 거치게 되면, 상기 인대유닛(400)이 상기 관절블록(110)과 상기 제2 관절본체(200)를 감싼 상태가 되며, 내부는 밀폐된 상태가 된다.

다음으로, 도시되지는 않았지만, 상기 윤활액 충진단계에서는 상기 윤활유 충진공간부(340)에 윤활유(W)를 충진하는 과정이 수행된다. 이때, 상기 한쌍의 덮개부재(330) 중 어느 하나의 덮개부재(330)에 윤활유 주입구(미도시)가 형성될 수 있다.

이상 상술한 바와 같은 과정을 거치게 되면 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 관절 장치의 제작이 완료된다.

상기한 바와 같이 제작된 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 관절 장치는 로봇의 매니퓰레이터에 적용하여 사용될 수 있다.

지금부터는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유연 관절 장치를 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유연 관절 장치의 내부 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다. 이때, 도 5의 (a)는 제2 관절본체에 윤활액 이동통로가 형성된 구조를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 5의 (b)는 윤활액 이동통로를 통해 윤활액이 이동되는 상태를 나타낸 도면이다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 유연 관절 장치는 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 과절 장치 중 제2 관절본체(200)에 윤활액 이동통로(230)가 형성된 특징만 다르다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유연 관절 장치는 상기 제2 관절본체(200)에 관통 형성된 윤활유 이동통로(230)를 더 포함할 수 있다.

도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 윤활유 이동통로(230)를 통해 상기 제2 관절본체(200)를 기준으로 상부영역에 충진된 윤활유(W) 및 하부영역에 충진된 윤활유(W)가 선택적으로 이동될 수 있다.

더욱 구체적으로, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 제2 인대부재(320)는 외력이 인가되어 상기 제2 관절본체(200)에 대해 상기 관절블록(110)이 상측방향으로 작동될 경우, 밴딩되는 영역 즉, 상기 윤활유 충진 공간부(340) 중 상기 제2 관절본체(200)를 기준으로 상부영역의 윤활유 충진공간부(341)에 충된진 윤활유(W)가 상기 윤활유 이동통로(230)를 통해서 인장되는 영역 즉, 하부영역의 윤활유 충진 공간부(342)로 이동될 수 있다.

즉, 상기 윤활유 이동통로(230)가 형성되지 않을 상태에서는 한쌍의 덮개부재(330)와 상기 제2 관절본체(200) 간의 틈 사이로 상기 윤활유(W)가 이동되면서 윤활유(W)의 점성 변화로 인해 윤활유(W)의 이동에 대한 저항력 변화가 발생하게 되어 상기 제2 관절본체(200)와 상기 관절블록(110) 간의 작동에 영향을 주게 된다.

그러나, 상기 윤활유 이동통로(230)가 형성된 것에 의해 상기 윤활유(W)가 이동통로고 이동되도록 함으로써, 상기 윤활유(W)의 이동에 대한 저항력 변화가 저하되어 상기 제2 관절본체(200)와 상기 관절블록(110) 간의 작동에 영향을 주지 않게 되는 이점이 있다.

이상 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 유연 관절 장치 및 이의 제조방법은 탄성복원력을 가지는 유연재질로 형성된 인대유닛을 구비함으로써, 관절의 작동방향과 다른 방향에 대해 충격을 흡수할 수 있어 장치의 변형 및 파손을 최대한 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 인체와 충돌하는 경우에 인대유닛이 충격을 적절히 흡수하여 인체에 대한 상해 위험성을 현저히 낮출 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 작업자에 의해 충돌이 발생될 경우, 관절블록의 관절결합홈에 결합된 결합관절이 탈구됨으로써, 작업자에 가해지는 충격을 최소화 할 수 있어 작업자에 대한 상해의 위험성을 더욱 낮출 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따르면, 탈구된 결합관절은 관절결합홈에 다시 끼움으로써, 유연 관절 장치를 계속해서 사용할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 제1 연골부재 및 제2 연골부재가 구비된 것에 의해 결합관절의 마모를 최대한 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 간단한 구조의 몰드를 이용하여 장치를 제작함에 따라, 제작 공정 및 제작비용을 최대한 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 관절블록에 대한 결합관절의 상대속도에 따라 점성이 변하는 윤할액을 사용함에 따라 관절강성을 요구상황에 맞게 변화시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 윤활유 이동통로로 윤활유가 이동되도록 함으로써, 윤활유의 이동에 대한 저항력 변화를 저하시킬 수 있는 효과가 있다.

상술한 바와 같이 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면, 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있다.

100: 제1 관절본체 110: 관절블록
111: 관절결합홈 120: 제1 연골부재
200: 제2 관절본체 210: 결합관절
220: 제2 연골부재 300: 인대유닛
310: 제1 인대부재 320: 제2 인대부재
330: 한쌍의 덮개부재 340: 윤활액 충진공간부
400: 고정수단 410: 한쌍의 제1 고정돌기
420: 한쌍의 제1 고정홈 430: 한쌍의 제2 고정돌기
440: 한쌍의 제2 고정홈 500: 제1 몰드
510: 제1 몰드본체 520: 제1 수용홈부
530: 제1 연골부재 형성 돌기 600: 제2 몰드
610: 제2 몰드본체 620: 제2 수용홈부
630: 제2 연골부재 형성 홈부 700: 제3 몰드
710: 제3 몰드본체 720: 제3 수용홈부
730: 제1 인대부재 형성 홈부 740: 제2 인대부재 형성 홈부
750: 윤활유 충진공간부 형성 홈부

Claims (13)

1. 일측에 관절결합홈이 마련된 관절블록을 포함하는 제1 관절본체;
   상기 관절블록의 관절결합홈에 회전 가능하게 결합되는 결합관절을 포함하는 제2 관절본체;
   상기 관절블록과 상기 제2 관절본체를 감싸도록 형성되어 상기 결합관절의 회전 시 상기 제2 관절본체를 탄력적으로 지지하고, 내부에는 상기 관절블록에 대한 상기 결합관절의 상대속도에 따라 점성이 변하는 윤활액이 충진되는 윤활액 충진공간부가 마련된 인대유닛; 및
   상기 인대유닛을 상기 관절블록 및 상기 제2 관절본체에 고정시키기 위한 고정수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 유연 관절 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 관절본체는,
   상기 관절결합홈의 내측면과 상기 결합관절 간의 마찰을 방지하기 위하여 상기 관절결합홈의 내측면에 배치되는 제1 연골부재;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유연관절 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제2 관절본체는,
   상기 제1 연골부재와 상기 결합관절 간의 마찰을 방지하기 위하여, 상기 결합관절의 외주면을 감싼 상태로 배치되는 제2 연골부재;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유연 관절 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1 연골부재 및 상기 제2 연골부재는 탄성복원력을 가지는 유연재질로 형성된 것을 특징으로 하는 유연 관절 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 윤활액은 딜러던트(Dilatant) 특성을 가진 액체 또는 요변성(Thixotropy) 특성을 가진 액체 중 어느 하나의 액체가 사용된 것을 특징으로 하는 유연 관절 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 인대유닛은,
   상기 관절블록의 상면과 상기 제2 관절본체의 상면이 연결되도록 제공되는 제1 인대부재;
   상기 관절블록의 하면과 상기 제2 관절본체의 하면이 연결되도록 제공되는 제2 인대부재; 및
   상기 관절블록과 상기 제2 관절본체의 양측면 부위가 밀폐되도록 제공되는 한쌍의 덮개부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유연 관절 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 제1 인대부재 및 상기 제2 인대부재는 탄성복원력을 가지는 유연재질로 형성되고,
   상기 한쌍의 덮개부재는 상기 제1 인대부재 및 제2 인대부재보다 강성이 낮은 유연재질로 형성된 것을 특징으로 하는 유연 관절 장치.
8. 제6항에 있어서,
   상기 고정수단은,
   상기 제1 인대부재 및 상기 제2 인대부재의 일측 내측면으로부터 반경방향을 향해 각각 돌출 형성된 한쌍의 제1 고정돌기;
   상기 관절블록의 일측 상하면에 오목하게 형성되어 상기 한쌍의 제1 고정돌기가 결합되는 한쌍의 제1 고정홈;
   상기 제1 인대부재 및 상기 제2 인대부재의 타측 내측면으로부터 반경방향을 향해 돌출 형성된 한쌍의 제2 고정돌기; 및
   상기 제2 관절본체의 상하면에 오목하게 형성되어 상기 한쌍의 제2 고정돌기가 결합되는 한쌍의 제2 고정홈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 유연 관절 장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 제2 관절본체는,
   상기 제2 관절본체에 관통 형성되된 윤활유 이동통로를 더 포함하고,
   상기 윤활유 이동통로를 통해 상기 제2 관절본체를 기준으로 상부영역에 충진된 윤활유 및 하부영역에 충진된 윤활유가 선택적으로 이동될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 유연 관절 장치.
10. 제1항에 기재된 유연 관절 장치를 제조하기 위한 제조방법에 있어서,
    상기 관절결합홈이 마련된 관절블록과, 상기 관절결합홈의 내측면에 배치된 제1 연골부재를 포함하는 제1 관절본체를 제작하는 제1 관절본체 제작단계;
    상기 결합관절과, 상기 결합관절의 외주면을 감싸도록 배치된 제2 연골부재를 포함하는 제2 관절본체 제작단계;
    상기 관절블록의 상기 관절결합홈에 상기 제2 관절본체의 상기 결합관절을 결합시키는 관절 결합단계;
    상기 관절 결합단계에서 서로 결합된 상기 관절블록과 상기 제2 관절본체를 감싸서 밀폐시키고, 내부에는 상기 윤할액 충진공간부를 형성하는 인대유닛 형성단계; 및
    상기 윤활유 충진공간부에 윤활유를 충진하는 윤활유 충진단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유연 관절 장치의 제조방법.
11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 관절본체 제작단계는,
    상기 관절블록을 포함하는 상기 제1 관절본체를 제작하는 단계;
    제1 몰드에 상기 제1 관절본체를 배치하는 단계; 및
    상기 관절결합홈의 내측면에 상기 제1 연골부재를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유연 관절 장치의 제조방법.
12. 제10항에 있어서,
    상기 제2 관절본체 제작단계는,
    상기 결합관절을 포함하는 상기 제2 관절본체를 제작하는 단계;
    제2 몰드에 상기 제1 관절본체를 배치하는 단계; 및
    상기 결합관절의 외주면에 상기 제2 연골부재를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유연 관절 장치의 제조방법.
13. 제10항에 있어서,
    상기 인대유닛 형성 단계는,
    제3 몰드에 상기 관절 결합단계에서 서로 결합된 상기 제1 관절본체와 상기 제2 관절본체를 배치하는 단계;
    상기 관절블록의 상면과 상기 제2 관절본체의 상면이 연결되도록 제1 인대부재를 형성하는 단계;
    상기 관절블록의 하면과 상기 제2 관절본체의 하면을 연결되도록 제2 인대부재를 형성하는 단계; 및
    상기 제3 몰드를 제거한 후, 상기 한쌍의 덮개부재를 서로 결합된 상기 관절블록과 상기 제2 관절부재의 양측면에 고정시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유연 관절 장치의 제조방법.

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