KR20190128353A - 인체모사 관절 및 이를 가지는 인체모사 로봇 팔 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일실시예는 더욱 상세하게는 외부 충격이 발생하더라도 구조 손상이 없이 복구가 가능한 인체모사 관절 및 이를 가지는 인체모사 로봇 팔을 제공한다. 여기서, 인체모사 관절은 제1프레임, 제1소켓, 제2소켓, 축, 제1결합부, 제2프레임, 탄성인대, 충격흡수부 그리고 제1힘전달부를 포함한다. 제1프레임은 일방향으로 연장 형성되고, 제1소켓은 제1프레임의 일단부에 구비되고 상부가 개방되는 제1삽입홈을 가진다. 제2소켓은 제1삽입홈의 내측에 구비되고 상부가 개방되는 제2삽입홈을 가지며, 축은 제1소켓 및 제2소켓과 독립적으로 구비된다. 제1결합부에는 축이 삽입 결합되고 제2삽입홈에 삽입되며 축을 중심으로 회전하는 제1볼을 가진다. 제2프레임은 일단부가 제1결합부에 연결되며, 탄성인대는 축을 제2삽입홈 방향으로 잡아당긴다. 충격흡수부는 제1삽입홈 및 제2소켓의 사이에 구비되고 제2소켓이 이동 시 압축되면서 충격을 흡수하며, 제1힘전달부는 제2프레임을 기준으로 제1프레임이 접히거나 펴지도록 제1프레임에 힘을 전달한다.

Description

인체모사 관절 및 이를 가지는 인체모사 로봇 팔{HUMANOID JOINT AND HUMANOID ROBOT ARM}

본 발명은 인체모사 관절 및 이를 가지는 인체모사 로봇 팔에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외부 충격이 발생하더라도 구조 손상이 없이 복구가 가능한 인체모사 관절 및 이를 가지는 인체모사 로봇 팔에 관한 것이다.

일반적으로, 산업용 로봇은 인간의 동작 기능과 비슷한 동작 기능을 갖든가, 또는 감각 기능 및 인식 기능에 의하여 자율적으로 행동할 수 있는 로봇을 말한다. 산업용 로봇은 생산 공정에 있어서의 물품의 이동, 가공, 용접, 도장 등의 직접 작업을 수행하며, 능력 및 방식에는 여러 종류가 있다.

한편, 종래의 로봇 조인트 구조의 경우 일방향으로 왕복 회전될 수 있는 구조가 대부분이고, 이 경우에도 동작 방향 및 반경이 고정되어 있다. 따라서, 정해진 자유도(DOF) 외의 방향에서 조인트로 외부 충돌이 발생할 경우 조인트의 파손이 발생할 수 있는 문제점이 있다.

또한 작업자가 관절부에 충돌했을 때, 작업자는 그 충격을 그대로 받게 되어 작업자 등의 부상으로 이어지는 경우가 존재할 수 있다.

그리고, 종래의 조인트 구조로는 인체의 동작 특성을 구현하기 어려운 문제점이 있다.

따라서, 외부에서 충격이 가해지더라도 충격을 흡수하여 구조 손상이 없이 복구가 가능하고, 인체의 동작을 구현할 수 있는 기술이 요구된다.

대한민국 공개특허공보 제2013-0029914호(2013.03.26. 공개)

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 더욱 상세하게는 외부 충격이 발생하더라도 구조 손상이 없이 복구가 가능한 인체모사 관절 및 이를 가지는 인체모사 로봇 팔을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 일방향으로 연장 형성되는 제1프레임; 상기 제1프레임의 일단부에 구비되고, 상부가 개방되는 제1삽입홈을 가지는 제1소켓; 상기 제1삽입홈의 내측에 구비되고, 상부가 개방되는 제2삽입홈을 가지는 제2소켓; 상기 제1소켓 및 상기 제2소켓의 상부에 상기 제1삽입홈 및 제2삽입홈을 가로질러 밀착되도록 구비되되, 상기 제1소켓 및 상기 제2소켓과 독립적으로 구비되는 축; 상기 축이 삽입 결합되고 상기 제2삽입홈에 삽입되며 상기 축을 중심으로 회전하는 제1볼을 가지는 제1결합부; 일단부가 상기 제1결합부에 연결되어 상기 제1결합부와 함께 회전하는 제2프레임; 상기 제1소켓의 하부를 감싸면서 상기 축의 양단부에 결합되고, 상기 축을 상기 제2삽입홈 방향으로 잡아당기는 탄성인대; 상기 제1삽입홈 및 상기 제2소켓의 사이에 구비되고, 상기 제2소켓이 이동 시 압축되면서 충격을 흡수하는 충격흡수부; 그리고 상기 제2프레임을 기준으로 상기 제1프레임이 접히거나 펴지도록 상기 제1프레임에 힘을 전달하는 제1힘전달부를 포함하는 인체모사 관절을 제공한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 탄성인대는 신장되어 초기탄성복원력이 발생된 상태로 구비되고, 상기 초기탄성복원력을 초과하는 외력이 가해지면 추가 신장되어 상기 제1볼은 상기 제2소켓의 외측으로 이동되고, 추가 신장된 상태에서 상기 외력이 상기 초기탄성복원력 미만의 크기가 되면 이격된 상기 제1볼이 상기 제2소켓에 삽입되도록 수축될 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1소켓의 상부에는 상기 제1삽입홈의 중심을 가로지르도록 안착홈이 함몰 형성되고, 상기 축의 양단부는 상기 안착홈에 안착될 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1소켓은 상기 제1소켓의 하부에 상기 축과 동일한 방향으로 구비되고, 상기 탄성인대가 결합되는 지지프레임을 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1힘전달부는 일단부는 상기 제1프레임의 전방부에 연결되고, 타단부는 상기 제2프레임에 연결되어 당겨지거나 수축하면서 상기 제1프레임을 상기 제2프레임 방향으로 접히도록 하는 제1인공근육부와, 일단부는 상기 제1소켓의 후방부에 연결되고, 타단부는 상기 제2프레임에 연결되어 당겨지거나 수축하면서 상기 제2프레임으로부터 상기 제1프레임이 펴지도록 하는 제2인공근육부를 가질 수 있다.

한편, 상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 인체모사 관절; 상기 제2프레임의 일단부에 구비되고, 상기 축의 길이 방향을 따라 상기 제1결합부와 나란하게 구비되며, 결합홈을 가지는 제2결합부; 상기 제1프레임의 타단부에 구비되는 제2볼과, 상기 제2볼에 회전 가능하게 결합되는 제3소켓을 가지는 조인트; 일단부는 상기 제3소켓에 연결되고, 타단부는 상기 제2결합부에 회전 가능하게 결합되며 상기 제1프레임과 나란하게 구비되는 제3프레임; 그리고 상기 제3프레임이 상기 제1프레임의 상측으로 포개지거나, 상기 제1프레임과 나란하게 젖혀지도록 힘을 전달하는 제2힘전달부를 포함하는 인체모사 로봇 팔을 제공한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제2결합부는 상기 결합홈에 결합되고 금속 재질로 이루어지는 제3볼을 가지고, 상기 제3프레임은, 상기 제3프레임의 타단부에 구비되고 제4삽입홈이 형성되는 제4소켓과, 상기 제4삽입홈에 삽입되고 상기 제3볼이 부착되도록 제5삽입홈이 형성되는 자석을 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제2힘전달부는 일단부가 상기 제3프레임에 연결되고, 상기 제3프레임이 상기 제1프레임의 상측으로 회내(Pronation)되는 방향으로 상기 제3프레임에 감기도록 구비되며, 당겨지거나 수축하면서 상기 제3프레임을 제1프레임의 상측으로 회내시키는 제3인공근육부와, 일단부가 상기 제4소켓에 연결되고, 상기 제3인공근육부와 반대방향으로 상기 제4소켓에 감기도록 구비되며, 당겨지거나 수축하면서 상기 제3프레임을 제1프레임과 나란하게 회외(Supination)시키는 제4인공근육부를 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 제1볼에 결합된 축은 제1소켓에 독립적으로 구비되고, 탄성인대에 의해 결합되어 외력이 가해지면 이동되면서 충력이 흡수될 수 있다. 따라서, 외부로부터 제1결합부 및 제1소켓으로 이루어지는 관절부분에 충격 등의 큰 외력이 가해지더라도, 관절부분의 구조적 손상이 방지될 수 있고, 관절부분의 형상이 변형된 후에도 초기 상태로 복귀가 가능하다. 또한, 한계외력을 초과하는 힘이 관절부분에 가해질 경우에는 인체 골격에서 탈구와 같은 동작이 구현되도록 할 수 있으며, 이를 통해 작업자에 가해지는 충격이 감소되도록 하여 작업자를 보호할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 제3프레임 및 제2결합부는 자석 및 제3볼이 자력으로 부착됨에 따라 결합되기 때문에, 충격 등의 큰 외력이 자석 및 제3볼로 구현되는 관절부분에 가해질 경우에는 인체 골격에서 탈구와 같은 동작이 구현되도록 할 수 있으며, 이를 통해, 작업자에 가해지는 충격이 감소되도록 하여 작업자를 보호할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 인체모사 로봇 팔은 회내(Pronation) 동작 및 회외(Supination) 동작과 같이 실제 인체의 팔과 유사한 동작을 구현할 수 있기 때문에, 종래의 1자유도 구조의 로봇에서 구현하기 어려운 동작의 작업이 가능하다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 인체모사 관절을 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 인체모사 관절을 나타낸 분해사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 인체모사 관절을 나타낸 단면예시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 인체모사 관절의 안착홈에서의 축의 작동예를 나타낸 단면예시도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 인체모사 관절의 안착홈을 중심으로 나타낸 단면예시도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 인체모사 관절의 제1힘전달부를 중심으로 개략적으로 나타낸 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 인체모사 로봇 팔을 나타낸 사시도이다.
도 8 및 도 9는 발명의 일실시예에 따른 인체모사 로봇 팔을 나타낸 분해사시도이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 인체모사 로봇 팔이 회내된 상태를 나타낸 사시도이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 인체모사 로봇 팔의 제2힘전달부를 중심으로 나타낸 작동예시도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 “연결(접속, 접촉, 결합)”되어 있다고 할 때, 이는 “직접적으로 연결”되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 “간접적으로 연결”되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, “포함하다” 또는 “가지다” 등의 용어는 명세서상에 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 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 인체모사 관절을 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 인체모사 관절을 나타낸 분해사시도이다.

도 1 및 도 2에서 보는 바와 같이, 인체모사 관절(100)은 제1프레임(110), 제1소켓(120), 제2소켓(130), 축(140), 제1결합부(150), 제2프레임(160), 탄성인대(170), 충격흡수부(180) 그리고 제1힘전달부(190)를 포함할 수 있다.

제1프레임(110)은 일방향으로 연장 형성될 수 있다. 제1프레임(110)은 인체의 하박(Forearm)에 해당하는 부분일 수 있다.

제1소켓(120)은 제1프레임(110)의 일단부에 구비될 수 있으며, 제1삽입홈(121)을 가질 수 있다. 제1삽입홈(121)은 상부가 개방되도록 형성될 수 있다.

제2소켓(130)은 제1삽입홈(121)의 내측에 구비될 수 있다. 제2소켓(130)은 상부가 개방되는 제2삽입홈(131)을 가질 수 있다.

축(140)은 제1소켓(120) 및 제2소켓(130)의 상부에 구비될 수 있다. 축(140)은 제1삽입홈(121) 및 제2삽입홈(131)을 가로질러 제1소켓(120) 및 제2소켓(130)의 상부에 밀착되도록 구비될 수 있다. 축은 제1삽입홈(121) 및 제2삽입홈(131)의 중심을 가로지르도록 구비될 수 있다.

축(140)은 제1프레임(110)의 길이방향에 교차되도록 구비될 수 있으며, 일 예로, 축(140)은 제1프레임(110)의 길이방향에 수직하게 구비될 수 있다.

이와 같이, 축(140)은 제1소켓(120) 및 제2소켓(130)에 삽입 결합되지 않으며, 제1소켓(120) 및 제2소켓(130)에 독립적으로 구비될 수 있다. 축(140)의 양단부에는 걸이홈(141)이 형성될 수 있다.

제1소켓(120)의 상부에는 제1삽입홈(121)의 중심을 가로지르도록 안착홈(122)이 함몰 형성될 수 있다. 다시 말하면, 안착홈(122)은 제1소켓(120)의 상부에 한 쌍이 형성될 수 있으며, 한 쌍의 안착홈(122)의 연장선은 제1삽입홈(121)의 중심을 가로지를 수 있다. 그리고, 축(140)의 양단부는 각각 안착홈(122)에 안착될 수 있다.

제1결합부(150)는 제1볼(151)을 가질 수 있으며, 제1볼(151)은 제2삽입홈(131)에 삽입될 수 있다. 제1볼(151)은 구의 형태를 이룰 수 있으며, 제2삽입홈(131)은 제1볼(151)에 대응되도록 형성될 수 있다.

제1볼(151)에는 제1관통공(152)이 관통 형성될 수 있으며, 제1관통공(152)에는 축(140)이 삽입될 수 있다. 제1볼(151)은 축(140)을 중심으로 양방향으로 회전될 수 있다.

제1볼(151)이 제2삽입홈(131)에 삽입되어 회전됨으로써, 제1결합부(150) 및 제2소켓(130)은 관절로 기능될 수 있다.

제2소켓(130)은 멤브레인(Membrane) 형태로 이루어질 수 있다. 그리고, 제2소켓(130)은 제1볼(151)과의 마찰력이 감소되어 제1볼(151)이 자연스럽게 회전될 수 있도록 마찰계수가 낮은 소재로 이루어질 수 있다. 제2소켓(130)은 윤활액이 분비되는 막(Synovial Membrane)으로 이루어질 수 있으며, 예를 들면 테플론(Teflon) 막이 사용될 수 있다.

제2프레임(160)은 일단부가 제2결합부(210)에 연결될 수 있다. 따라서, 축(140)을 중심으로 제1볼(151)이 회전되면 제1결합부(150)도 회전하게 되고, 제1프레임(110)도 회전하게 된다. 제2프레임(160)은 인체의 상박(Upper arm)에 해당하는 부분일 수 있다.

전술한 바와 같이, 축(140)은 제1프레임(110)의 길이 방향에 수직한 방향으로 구비될 수 있기 때문에, 제1프레임(110)이 축(140)을 중심으로 상측으로 회전하면 제1프레임(110)은 제2프레임(160)에 접히도록 동작될 수 있다. 그리고, 제1프레임(110)이 축(140)을 중심으로 하측으로 회전하면 제1프레임(110)은 제2프레임(160)으로부터 펴지도록 동작될 수 있다. 즉, 제2프레임(160)이 고정된 상태에서, 제2프레임(160)을 기준으로 제1프레임(110)은 접히거나 펴지도록 회전될 수 있다.

탄성인대(170)는 축(140)을 제2삽입홈(131) 방향으로 잡아당길 수 있다. 탄성인대(170)는 축(140)의 양단부에 형성되는 걸이홈(141)에 결합되어 축(140)을 제2삽입홈(131) 방향으로 잡아당길 수 있으며, 이를 통해, 제1볼(151)이 제2삽입홈(131)에 삽입된 상태로 유지되도록 할 수 있다.

제1소켓(120)의 하부에는 지지프레임(125)이 구비될 수 있다. 탄성인대(170)는 축(140)과 함께 지지프레임(125)에 결합되면서 더욱 안정적으로 결합될 수 있고, 축(140)을 더욱 안정적으로 고정시킬 수 있다. 지지프레임(125)은 축(140)과 동일한 방향으로 구비될 수 있다.

탄성인대(170)는 제1볼(151)이 제2삽입홈(131)에 지속적으로 삽입되도록 하는 탄성력을 발생할 수 있다면 만족되며, 탄성인대(170)가 축(140)에 결합되는 형태는 특정하게 한정되지는 않는다.

그리고, 도 2에서는 탄성인대(170)가 축(140)의 양단부에 각각 마련되는 것으로 도시되었으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 탄성인대(170)는 하나가 축(140)의 양단부에 연결되도록 결합될 수도 있다.

탄성인대(170)는 신장되어 초기탄성복원력이 발생된 상태로 구비될 수 있다. 따라서, 초기탄성복원력을 초과하는 외력이 가해지지 않는 한, 축(140)은 초기 위치에 고정될 수 있다.

탄성인대(170)에 의해 축(140)이 고정 상태에서, 초기탄성복원력을 초과하는 외력이 가해지면, 탄성인대(170)가 추가 신장되면서 축(140)은 초기 위치에서 이동될 수 있다. 예를 들어, 축(140)이 제2삽입홈(131)으로부터 멀어지는 방향으로 초기탄성복원력을 초과하는 외력이 가해지게 되면, 축(140)은 제2삽입홈(131)에서 빠져 나오는 방향으로 이동하게 된다. 그러면 제1볼(151)도 제2삽입홈(131)에서 빠져 나오는 방향으로 이동되어 제2소켓(130)의 외측, 즉, 도면을 참조하면 상측으로 이동될 수 있다.

초기탄성복원력은 예상되는 임계외력의 크기에 맞게 설정될 수 있다. 여기서, 임계외력은 제1결합부(150) 및 제1소켓(120)으로 이루어지는 관절부분의 형상이 변형되도록 하는 힘, 즉, 축(140)의 이동이 시작되도록 하는 힘으로, 초기탄성복원력은 임계외력의 크기와 동일할 수 있다.

또한, 탄성인대(170)는 요구되는 제1한계외력에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 여기서, 제1한계외력은 탄성인대(170)가 끊어지도록 하는 힘일 수 있다.

탄성인대(170)는 예상되는 임계외력의 크기 및 요구되는 제1한계외력의 크기에 따라 복수 개로 구비되거나, 또는 적절한 강도를 가지는 것이 사용될 수 있다. 이를 통해, 외부로부터 임계외력을 초과하는 힘이 가해질 경우, 관절부분의 변형이 발생되어 충격이 흡수되도록 할 수 있다.

또한, 제1한계외력을 초과하는 힘이 관절부분에 가해질 경우에는 인체 골격에서 탈구와 같은 동작이 구현되도록 할 수 있다. 예를 들어 제1한계외력을 초과하는 힘이 작업자에 의해 관절부분에 가해질 경우, 해당 관절부분에서 인체 골격에서 탈구와 같은 동작이 구현되도록 함으로써, 작업자에 가해지는 충격이 감소되도록 하여 작업자를 보호할 수 있다.

탄성인대(170)가 추가 신장된 상태에서 외력이 감소하거나 해제되어 초기탄성복원력 미만의 크기가 되면 탄성인대(170)는 수축하게 되고, 축(140)이 제2삽입홈(131)의 방향으로 당겨지면서 제1볼(151)은 제2소켓(130)에 삽입될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 인체모사 관절을 나타낸 단면예시도인데, 이하에서는 도 3을 더 포함하여 설명한다.

먼저, 도 3의 (a)에서 보는 바와 같이, 충격흡수부(180)는 제1삽입홈(121) 및 제2소켓(130)의 사이에 구비될 수 있다. 충격흡수부(180)는 외력에 의해 제2소켓(130)이 이동 시 압축되면서 충격을 흡수할 수 있다.

예를 들어, 제1결합부(150) 및 제1소켓(120)으로 이루어지는 관절부분에 외력이 가해지고, 제1볼(151)이 일방향으로 이동되면, 제1볼(151)이 이동되는 부분의 충격흡수부(180)는 압축되면서 제1볼(151)의 이동을 완화시켜 충격을 흡수할 수 있다.

이처럼, 탄성인대(170)는 제1볼(151)이 제1소켓(120)으로부터 분리되는 방향의 반대 방향으로 완충력을 제공하고, 충격흡수부(180)는 제1볼(151)이 제1소켓(120)으로 압입되는 방향의 반대 방향으로 완충력을 제공할 수 있으며, 이를 통해, 제1결합부(150) 및 제1소켓(120)으로 이루어지는 관절부분에서의 충격 흡수가 더욱 안정적으로 이루어질 수 있다.

한편, 도 3의 (b)에서 보는 바와 같이, 제1소켓(120)의 하부에는 추가지지프레임(126)이 더 구비될 수 있으며, 추가지지프레임(126)은 지지프레임(125)에 수직하게 구비될 수 있다. 그리고, 추가지지프레임(126) 및 축(140)에는 제1추가탄성인대(171)가 결합될 수 있다. 제1추가탄성인대(171)는 추가지지프레임(126)의 전방부와 축(140)에 결합될 수 있다. 더하여, 추가지지프레임(126) 및 축(140)에는 제2추가탄성인대(172)가 더 결합될 수 있으며, 제2추가탄성인대(172)는 추가지지프레임(126)의 후방부와 축(140)에 결합될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 인체모사 관절의 안착홈에서의 축의 작동예를 나타낸 단면예시도이다.

도 4의 (a)에서 보는 바와 같이, 제1소켓(120)의 안착홈(122)은 기울기가 완만하게 증가하도록 형성될 수 있으며, 제1소켓(120)의 안착홈(122)에 축(140)이 위치되고, 지지프레임(125)과 축(140)의 걸이홈(141)에 탄성인대(170)가 결합된 초기상태에서 축(140)은 안착홈(122)에 안정적으로 위치될 수 있다. 그러다가, 외력(F)이 가해지면 도 4의 (b)에서 보는 바와 같이, 축(140)이 이동하게 된다. 이때, 외력(F)은 탄성인대(170)의 초기탄성복원력을 초과하는 크기일 수 있다. 탄성인대(170)의 초기탄성복원력을 초과하는 크기의 외력(F)이 가해지면 관절부가 비틀리는 과정에서 축(140)의 위치가 변동되게 되며, 이에 따라 탄성인대(170)는 신장되게 된다.

도 4에 도시된 안착홈(122)은 기울기가 완만하게 증가하도록 형성되기 때문에, 초기상태의 축(140)이 이동되도록 하기 위해 요구되는 외력의 크기는 상대적으로 작을 수 있다. 따라서, 도 4의 (b)에서 보는 바와 같이, 외력이 인가되는 초기에는 탄성인대(170)의 급격한 신장이 이루어질 수 있고, 축(140)은 빠르게 이동(M1)될 수 있다.

그러다가, 도 4의 (c)에서 보는 바와 같이, 축(140)이 안착홈(122)의 최상단 근처에 위치되었을 때, 이때의 안착홈(122)의 기울기는 가장 크게 증가하기 때문에, 축(140)이 안착홈(122)으부터 완전히 이탈되기 위해서는 상대적으로 큰 힘이 요구될 수 있다. 따라서, 이때에는 탄성인대(170)의 완만한 신장이 이루어질 수 있고, 축(140)의 이동(M2)이 상대적으로 느려질 수 있다.

즉, 안착홈(122)이 완만하게 증가하는 기울기 변화를 가지도록 형성되면, 탄성인대(170)의 초기탄성복원력을 초과하는 크기의 외력이 가해질 때, 초기에는 탄성인대(170)가 급격하게 신장되고 축(140)이 쉽게 이동되다가 점차 탄성인대(170)의 완만한 신장이 일어나게 되고 안착홈(122)으로부터 축(140)의 이탈도 비교적 어려워질 수 있다. 따라서, 외력이 가해질 때, 축(140)이 초기에는 신속하게 이동되나, 축(140)이 안착홈(122)에서 잘 이탈되지 않도록 하고자 하는 경우에는 이러한 형태의 안착홈(122)을 형성하는 것이 유리할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 인체모사 관절의 안착홈을 중심으로 나타낸 단면예시도이다.

도 5의 (a)에서 보는 바와 같이, 안착홈(122a)은 일정한 기울기를 가지도록 형성될 수 있다. 이러한 형태의 안착홈(122a)에서는 외력에 따라 축(140)이 이동되는 형태가 비교적 선형적일 수 있다.

한편, 도 5의 (b)에서 보는 바와 같이, 안착홈(122b)이 초기에는 급격하게 증가하는 기울기에서 점차 감소하는 기울기를 가지도록 형성되는 경우에는, 일정 조건의 외력이 인가될 때까지는 축(140)이 이동되지 않다가, 외력이 일정 조건을 초과하게 되면 축(140)이 쉽게 안착홈(122b)으로부터 이탈될 수 있다. 따라서, 외력이 가해질 때, 축(140)의 초기 이탈에 요구되는 힘이 크도록 하고자 하는 경우에는 이러한 형태의 안착홈(122a)을 형성하는 것이 유리할 수 있다. 이와 같이 안착홈의 기울기 변화에 따라 축(140)의 이탈 과정에서 소요되는 힘의 크기 및 특성이 변화될 수 있기 때문에, 관절부에 요구되는 동작 특성에 따라 안착홈의 형태를 적절하게 선택할 수 있다.

그리고, 제1힘전달부(190)는 제2프레임(160)을 기준으로 제1프레임(110)이 접히거나 펴지도록 제1프레임(110)에 힘을 전달할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 인체모사 관절의 제1힘전달부를 중심으로 개략적으로 나타낸 예시도이다.

먼저, 도 6의 (a)에서 보는 바와 같이, 제1힘전달부(190)는 제1인공근육부(191) 및 제2인공근육부(192)를 가질 수 있다.

제1인공근육부(191)는 일단부가 제1프레임(110)의 전방부에 연결되고, 타단부는 제2프레임(160)에 연결될 수 있다.

그리고, 제2인공근육부(192)는 일단부가 제1소켓(120)의 후방부에 연결되고, 타단부는 제2프레임(160)에 연결될 수 있다.

여기서, 제1인공근육부(191) 및 제2인공근육부(192)는 각각 외부로부터 전류의 인가여부에 따라 가변되는 온도에 의해 수축하는 형상기억합금을 포함할 수 있다. 여기서, 형상기억합금은 코일 형태로 이루어질 수도 있다.

따라서, 제2프레임(160)이 고정된 상태에서 제1인공근육부(191)가 수축하면 제1프레임(110)은 축(140)을 중심으로 상향 이동되고, 제1프레임(110)이 제2프레임(160) 방향으로 접히도록 동작될 수 있다. 그리고, 제2프레임(160)이 고정된 상태에서 제2인공근육부(192)가 수축하면 제1프레임(110)은 축(140)을 중심으로 하향 이동되고, 제1프레임(110)은 펴지도록 동작될 수 있다.

한편, 도 6의 (b)에서 보는 바와 같이, 제1힘전달부(190a)는 와이어 형태의 제1인공근육부(191a) 및 제2인공근육부(192a)를 가질 수 있다.

이 경우, 제1인공근육부(191a)는 일단부가 제1프레임(110)의 전방부에 연결되고, 타단부는 고정부(195)에 의해 제2프레임(160)에 연결되어 외측으로 연장될 수 있다.

그리고, 제2인공근육부(192a)는 일단부가 제1소켓(120)의 후방부에 연결되고, 타단부는 고정부(195)에 의해 제2프레임(160)에 연결되어 외측으로 연장될 수 있다.

따라서, 제2프레임(160)이 고정된 상태에서 제1인공근육부(191a)가 당겨지면 제1프레임(110)은 제2프레임(160) 방향으로 접히도록 동작될 수 있고, 제2인공근육부(192a)가 당겨지면 제1프레임(110)은 펴지도록 동작될 수 있다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 인체모사 로봇 팔을 나타낸 사시도이고, 도 8 및 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 인체모사 로봇 팔을 나타낸 분해사시도이다. 여기서, 도 9는 도 8을 다른 방향에서 나타낸 것이다.

도 7 내지 도 9에서 보는 바와 같이, 인체모사 로봇 팔은 인체모사 관절(100), 제2결합부(210), 조인트(220), 제3프레임(230) 그리고 제2힘전달부(250)를 포함할 수 있다.

인체모사 관절(100)에 대해서는 전술하였으므로 설명은 생략한다.

제2결합부(210)는 제2프레임(160)의 일단부에 구비될 수 있다. 제2결합부(210)는 축(140)의 길이 방향을 따라 제1결합부(150)와 나란하게 구비될 수 있다. 그리고, 제2결합부(210)는 하단부에 결합홈(211)을 가질 수 있으며, 결합홈(211)의 중앙에는 제2관통공(212)이 형성될 수 있다.

조인트(220)는 제2볼(221) 및 제3소켓(222)을 가질 수 있다.

제2볼(221)은 제1프레임(110)의 타단부에 구비될 수 있다.

제3소켓(222)은 제3삽입홈(224)을 가질 수 있으며, 제3삽입홈(224)에는 제2볼(221)이 결합될 수 있다. 제2볼(221)은 제3삽입홈(224)에 회전 가능하게 결합될 수 있다. 그리고, 제3소켓(222)은 연장바(223)를 가질 수 있다.

제3프레임(230)은 일단부가 제3소켓(222)의 연장바(223)에 연결될 수 있으며, 타단부는 제2결합부(210)에 회전 가능하게 결합될 수 있다. 제3프레임(230)은 제1프레임(110)과 나란하게 구비될 수 있으며, 제3프레임(230)은 굴곡지게 형성될 수 있다.

구체적으로, 제2결합부(210)는 제3볼(215)을 가질 수 있다. 제3볼(215)은 일방향으로 연장되는 결합바(216)를 가질 수 있다. 결합바(216)는 제2관통공(212)으로 삽입될 수 있으며, 제3볼(215)은 결합홈(211)에 결합될 수 있다. 제3볼(215)은 금속 재질로 이루어질 수 있다.

그리고, 제3프레임(230)의 타단부에는 제4소켓(231)이 형성될 수 있으며, 제4소켓(231)에는 제4삽입홈(232)이 형성될 수 있다. 그리고, 제4삽입홈(232)에는 자석(235)이 구비될 수 있다.

자석(235)은 일단부에 제5삽입홈(236)을 가질 수 있으며, 제5삽입홈(236)은 제4소켓(231)의 외측으로 노출될 수 있다. 그리고, 제5삽입홈(236)에는 제3볼(215)이 부착될 수 있다.

제3볼(215)은 자력에 의해 제5삽입홈(236)에 부착될 수 있으며, 제3볼(215)이 제2결합부(210)의 결합홈(211)에 고정된 상태에서 자석(235)은 제3볼(215)에 부착된 상태로 다양한 방향으로 회전되거나 이동될 수 있다.

제3프레임(230)은 제3볼(215) 및 제2볼(221)을 기준으로 회전 이동될 수 있다.

자석(235)의 자력의 강도는 예상되는 제2한계외력에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 여기서, 제2한계외력은 자석(235)과 제3볼(215)이 분리되도록 하는 힘일 수 있다.

제2한계외력을 초과하는 힘이 자석(235) 및 제3볼(215)로 구현되는 관절부분에 가해질 경우에는 인체 골격에서 탈구와 같은 동작이 구현되도록 할 수 있으며, 이를 통해, 작업자에 가해지는 충격이 감소되도록 하여 작업자를 보호할 수 있다.

도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 인체모사 로봇 팔이 회내된 상태를 나타낸 사시도인데, 도 10에서 보는 바와 같이, 제3프레임(230)은 적어도 일부분이 제1프레임(110)의 상측으로 포개질 수 있다. 즉, 제3프레임(230)은 회내(Pronation)되도록 동작될 수 있다. 제1프레임(110)은 인체의 자뼈(Ulna)에 대응될 수 있고, 제3프레임(230)은 인체의 노뼈(Radius)에 대응될 수 있다.

그리고, 도 7에 도시된 바와 같이, 제3프레임(230)은 회외(Supination)되도록 동작될 수 있어 인체의 팔의 동작이 구현될 수 있다.

제2힘전달부(250)는 제3프레임(230)이 제1프레임(110)의 상측으로 포개지거나, 즉, 회내 동작되거나, 제1프레임(110)과 나란하게 젖혀지도록, 즉, 회외 동작되도록 힘을 전달할 수 있다.

도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 인체모사 로봇 팔의 제2힘전달부를 중심으로 나타낸 작동예시도이다.

도 11에서 보는 바와 같이, 제2힘전달부(250)는 제3인공근육부(251) 및 제4인공근육부(252)를 가질 수 있다.

먼저, 도 11의 (a)에서 보는 바와 같이, 제3인공근육부(251)는 일단부가 제3프레임(230)에 연결될 수 있으며, 제3프레임(230)이 제1프레임(110)의 상측으로 회내되는 방향으로 제3프레임(230)에 감기도록 구비될 수 있다. 이 상태에서 제3인공근육부(251)가 당겨지면 제3프레임(230)은 회전하면서 당겨지게 되면서 회내 동작을 하게 되고, 도 11의 (b)의 상태로 회내되게 된다.

그리고, 도 11의 (b)에서 보는 바와 같이, 제4인공근육부(252)는 일단부가 제4소켓(231)에 연결될 수 있으며, 제3인공근육부(251)와 반대방향으로 제4소켓(231)에 감기도록 구비될 수 있다. 이 상태에서 제4인공근육부(252)가 당겨지면 제4소켓(231)이 회전하게 되고, 연동하여 제3프레임(230)도 회전하면서 펴지게 되면서 회외 동작을 하게 되고, 도 11의 (a)의 상태로 회외되게 된다.

본 실시예에 따른 인체모사 로봇 팔은 제1힘전달부(190, 도 6 참조)에 의해 제2프레임(160)을 기준으로 제1프레임(110)이 접히거나 펴지는 동작과 함께, 제2힘전달부(250)에 의해 제3프레임(230)이 제1프레임(110)의 상측으로 포개지는 회내 동작이나, 제1프레임(110)과 나란하게 젖혀지는 회내 동작이 동시에 이루어질 수 있기 때문에, 인체의 팔의 동작과 더욱 유사한 동작이 구현될 수 있다.

특히, 자석(235)은 제3볼(215)과 자력에 의해 부착되어, 부착된 상태에서 다양한 방향으로 회전되거나 이동될 수 있기 때문에, 관절부의 펴짐 및 접히는 동작이 이루어지는 상태에서도 회내 동작이나 회외 동작이 동시에 안정적으로 이루어질 수 있다.

더하여, 조인트(220)에는 다양한 형태의 엔드 이펙터 또는 그리퍼가 결합될 수 있으며, 인체모사 로봇 팔은 실제 인체의 팔과 유사한 동작을 구현할 수 있기 때문에, 종래의 1자유도 구조의 로봇에서 구현하기 어려운 동작의 작업이 가능하다.

전술한 제2힘전달부(250)는 제3인공근육부(251) 및 제4인공근육부(252)가 와이어 형태인 경우로 설명하였으나, 제3인공근육부(251) 및 제4인공근육부(252)는 스프링 형태의 형상기억합금을 가지는 형태로도 구현될 수 있음은 물론이다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 인체모사 관절 110: 제1프레임
120: 제1소켓 125: 지지프레임
130: 제2소켓 140: 축
150: 제1결합부 151: 제1볼
160: 제2프레임 170: 탄성인대
180: 충격흡수부 190, 190a: 제1힘전달부
191, 191a: 제1인공근육부 192, 192a: 제2인공근육부
210: 제2결합부 215: 제3볼
220: 조인트 230: 제3프레임
231: 제4소켓 235: 자석
250: 제2힘전달부 251: 제3인공근육부
252: 제4인공근육부

Claims (8)

1. 일방향으로 연장 형성되는 제1프레임;
   상기 제1프레임의 일단부에 구비되고, 상부가 개방되는 제1삽입홈을 가지는 제1소켓;
   상기 제1삽입홈의 내측에 구비되고, 상부가 개방되는 제2삽입홈을 가지는 제2소켓;
   상기 제1소켓 및 상기 제2소켓의 상부에 상기 제1삽입홈 및 제2삽입홈을 가로질러 밀착되도록 구비되되, 상기 제1소켓 및 상기 제2소켓과 독립적으로 구비되는 축;
   상기 축이 삽입 결합되고 상기 제2삽입홈에 삽입되며 상기 축을 중심으로 회전하는 제1볼을 가지는 제1결합부;
   일단부가 상기 제1결합부에 연결되어 상기 제1결합부와 함께 회전하는 제2프레임;
   상기 제1소켓의 하부를 감싸면서 상기 축의 양단부에 결합되고, 상기 축을 상기 제2삽입홈 방향으로 잡아당기는 탄성인대;
   상기 제1삽입홈 및 상기 제2소켓의 사이에 구비되고, 상기 제2소켓이 이동 시 압축되면서 충격을 흡수하는 충격흡수부; 그리고
   상기 제2프레임을 기준으로 상기 제1프레임이 접히거나 펴지도록 상기 제1프레임에 힘을 전달하는 제1힘전달부를 포함하는 인체모사 관절.
2. 제1항에 있어서,
   상기 탄성인대는 신장되어 초기탄성복원력이 발생된 상태로 구비되고, 상기 초기탄성복원력을 초과하는 외력이 가해지면 추가 신장되어 상기 제1볼은 상기 제2소켓의 외측으로 이동되고, 추가 신장된 상태에서 상기 외력이 상기 초기탄성복원력 미만의 크기가 되면 이격된 상기 제1볼이 상기 제2소켓에 삽입되도록 수축되는 것을 특징으로 하는 인체모사 관절.
3. 제2항에 있어서,
   상기 제1소켓의 상부에는 상기 제1삽입홈의 중심을 가로지르도록 안착홈이 함몰 형성되고, 상기 축의 양단부는 상기 안착홈에 안착되는 것을 특징으로 하는 인체모사 관절.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1소켓은 상기 제1소켓의 하부에 상기 축과 동일한 방향으로 구비되고, 상기 탄성인대가 결합되는 지지프레임을 가지는 것을 특징으로 하는 인체모사 관절.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제1힘전달부는
   일단부는 상기 제1프레임의 전방부에 연결되고, 타단부는 상기 제2프레임에 연결되어 당겨지거나 수축하면서 상기 제1프레임을 상기 제2프레임 방향으로 접히도록 하는 제1인공근육부와,
   일단부는 상기 제1소켓의 후방부에 연결되고, 타단부는 상기 제2프레임에 연결되어 당겨지거나 수축하면서 상기 제2프레임으로부터 상기 제1프레임이 펴지도록 하는 제2인공근육부를 가지는 것을 특징으로 하는 인체모사 관절.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 기재된 인체모사 관절;
   상기 제2프레임의 일단부에 구비되고, 상기 축의 길이 방향을 따라 상기 제1결합부와 나란하게 구비되며, 결합홈을 가지는 제2결합부;
   상기 제1프레임의 타단부에 구비되는 제2볼과, 상기 제2볼에 회전 가능하게 결합되는 제3소켓을 가지는 조인트;
   일단부는 상기 제3소켓에 연결되고, 타단부는 상기 제2결합부에 회전 가능하게 결합되며 상기 제1프레임과 나란하게 구비되는 제3프레임; 그리고
   상기 제3프레임이 상기 제1프레임의 상측으로 포개지거나, 상기 제1프레임과 나란하게 젖혀지도록 힘을 전달하는 제2힘전달부를 포함하는 인체모사 로봇 팔.
7. 제6항에 있어서,
   상기 제2결합부는 상기 결합홈에 결합되고 금속 재질로 이루어지는 제3볼을 가지고,
   상기 제3프레임은, 상기 제3프레임의 타단부에 구비되고 제4삽입홈이 형성되는 제4소켓과, 상기 제4삽입홈에 삽입되고 상기 제3볼이 부착되도록 제5삽입홈이 형성되는 자석을 가지는 것을 특징으로 하는 인체모사 로봇 팔.
8. 제6항에 있어서,
   상기 제2힘전달부는
   일단부가 상기 제3프레임에 연결되고, 상기 제3프레임이 상기 제1프레임의 상측으로 회내(Pronation)되는 방향으로 상기 제3프레임에 감기도록 구비되며, 당겨지거나 수축하면서 상기 제3프레임을 제1프레임의 상측으로 회내시키는 제3인공근육부와,
   일단부가 상기 제4소켓에 연결되고, 상기 제3인공근육부와 반대방향으로 상기 제4소켓에 감기도록 구비되며, 당겨지거나 수축하면서 상기 제3프레임을 제1프레임과 나란하게 회외(Supination)시키는 제4인공근육부를 가지는 것을 특징으로 하는 인체모사 로봇 팔.

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