KR20200060664A

KR20200060664A - 초소형 소형 결합부

Info

Publication number: KR20200060664A
Application number: KR1020180145774A
Authority: KR
Inventors: 송철; 이명호; 프리에토 존
Original assignee: 재단법인대구경북과학기술원
Priority date: 2018-11-22
Filing date: 2018-11-22
Publication date: 2020-06-01
Also published as: KR102164384B1

Abstract

본 발명은 종말 작동체(10)와, 동력을 발생시키는 복수의 구동부(20)와, 상기 복수의 구동부(20) 각각에 연결되고 구동부(20)의 동력에 의해 작동되는 작동부(30)를 포함하여 이루어지는 평형식 매니퓰레이터(1)가 구비될 때, 상기 종말 작동체(10)와 상기 작동부(30)를 연결하는 링크부(100)가 더 구비되되, 상기 링크부(100)는 로드(rod) 형상이면서 탄성재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 초정밀 소형 구조를 갖는 평형식 매니퓰레이터의 링크부가 제공된다.

Description

초소형 소형 결합부{Precision and miniature joint}

본 발명은 초소형 소형 결합부에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종말 작동체와 작동부 사이를 연결하는 초정밀 소형 구조를 갖는 평형식 매니퓰레이터의 링크부에 관한 것이다.

최근에 들어서는 인간이 할 수 없는 위험한 작업이나, 초정밀을 요구하는 작업 또는 프린트 기판 상에 수많은 전자 부품을 실장하는 작업 또는 외과용 수술에 각종 의료용 기구를 장착할 수 있는 의료용 로봇 등과 같이 다양한 기능 및 형상을 갖는 로봇을 투입하여 사용되고 있다.

통상 매니퓰레이터는 목표물을 3차원 공간에서 이동시키고 또한 작업을 수행하는 일을 하는 산업용 로봇이다.

도 1의 (a),(b)에 도시한 바와 같이, 다수의 축(1)과, 상기 축(1)의 내측에 종말 작동체(2)가 배치된다.

그리고 상기 축(1)에는 축(1)을 따라 구동하는 구동부(3)가 결합되고, 이 구동부(3)와 종말 작동체(2)를 연결하는 링크부(4)가 결합된다.

또한, 종말 작동체(2)에는 아크 용접 토치 등과 같은 다양한 툴(tool)이 장착되어 구동부(3)의 동작에 의해 종말 작동체(2)의 위치/자세를 제어함으로써 작업 대상물에 소요의 작업을 진행한다.

이때, 링크부(4)는 병진 조인트, 유니버셜 조인트 및 스페리컬 조인트의 조합으로 결합 연결되어 다수의 관절을 갖는 구조이다.

따라서 상기와 같은 다수의 조인트 조합으로 이루어지는 링크부(4)의 구조는 조인트로 연결되는 각 관절마다 많은 마찰이 발생하며, 진동 특성이 이상적이지 못하여 많은 위치 오차를 가져오게 된다.

따라서 상기와 같은 구조의 매니퓰레이터는 종말 작동체(2)를 원하는 위치로 이동시킬 수는 있으나, 정밀하게 제어하는 데는 어려움이 있으며, 조인트로 연결된 링크부(4)의 구조에 의해 큰 마찰이 발생하기 때문에 소형화하기 어려운 문제가 있다.

대한민국 공개특허공보 공개번호 제10-2014-0099537호 대한민국 공개특허공보 공개번호 특1999-0038264호 대한민국 공개특허공보 공개번호 제10-2009-0086656호 Pandilov Z., Dukovski V., "Parallel kinematics machine tools: overview ?? from history to the future," Annals of faculty engineering hunedoara - International journal of engineering, Vol. 10, 2012, pp. 111-124. K. H. Wurst, C. R. Boer, L. Molinari-Tosatti, and K. S. Smith, "LINAPOD-machine tools as parallel link systems based on a modular design", Parallel Kinematic Machines: Theoretical Aspects and Industrial Requirements, pp. 377-394, 1999, Springer-Verlag G. Pritschow and K. H. Wurst, "Systematic design of hexapods and other parallel link systems", Ann. CIRP, vol. 46, no. 1, pp. 541-548, 1997

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 마찰력을 감소시키기 위해 탄성재질로 이루어지면서 홈이 파인 관절부를 형성함으로써 휘어질 수 있는 초정밀 소형 구조를 갖는 평형식 매니퓰레이터의 링크부를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 종말 작동체(10)와, 동력을 발생시키는 복수의 구동부(20)와, 상기 복수의 구동부(20) 각각에 연결되고 구동부(20)의 동력에 의해 작동되는 작동부(30)를 포함하여 이루어지는 평형식 매니퓰레이터(1)가 구비될 때, 상기 종말 작동체(10)와 상기 작동부(30)를 연결하는 링크부(100)가 더 구비되되, 상기 링크부(100)는 로드(rod) 형상이면서 탄성재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 초정밀 소형 구조를 갖는 평형식 매니퓰레이터의 링크부가 제공된다.

또한, 상기 링크부(100)에는 링크부(100)의 중심축(C1) 주위를 회전 가능하게 지지하는 관절부(110)가 하나 이상 형성되어 상기 작동부(30)의 동작에 의해 상기 링크부(100)의 관절부(110)가 상기 중심축(C1) 주위를 회전 지지함으로써 상기 종말 작동체(10)의 위치 및 자세를 변화시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 관절부(110)에는 환형으로 내입된 힌지홈(111)이 형성되며 상기 작동부(30)가 동작될 때, 상기 관절부(110)는 상기 힌지홈(111)에 의해 꺽여 상기 링크부(100)가 휘어지거나 비틀려 각도를 조절함으로써 상기 종말 작동체(10)의 위치 및 자세를 변화시키는 것을 특징으로 한다.

즉 위치와 자세를 변화시키는 것은 종말 작동체(30)와 작동부(10) 사이에서 링크부가 구비되며, 상기 링크부에 의해 상기 종말 작동체(30)와 상기 작동부(10) 의 상대적인 운동이 어떠한 형태로도 가능함을 의미한다.

따라서 관절부는 6자유도(3 개의 수직축인 x,y,z축으로의 변형과 각축의 회전)로 변형이 가능하므로 간단하면서도 최소형의 유니버셜 조인트 기능을 수행할 수 있어 상기 링크부에 의해 상기 종말 작동체(30)와 상기 작동부(10) 의 상대적인 운동이 어떠한 형태로도 가능하게 된다.

이때, 상기 힌지홈(111)의 길이(L2)는 상기 링크부(100)의 길이(L1)의 1/8 내지 1/10로 형성된다.

또한, 상기 힌지홈(111)의 지름(D2)은 상기 링크부(100)의 지름(D1)의 1/2 내지 1/3로 형성된다.

그리고 상기 힌지홈(111)의 형상은 반원 형상이되, 상기 반원의 지름(D3)은 상기 링크부(100)의 지름(D1)의 1/2 내지 1/3로 형성된다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부 도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따르면, 소형화된 크기에 의해 병렬 구조의 경량화가 이루어져 휴대성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 링크부를 탄성 재질의 소재로 정밀가공을 통해 소형화를 실현할 수 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 매니퓰레이터의 일례를 나타낸 도면,
도 2 내지 도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 링크부를 개략적으로 도시한 정면도,
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 평형식 매니퓰레이터를 개략적으로 도시한 사시도,
도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 평형식 매니퓰레이터를 개략적으로 도시한 정면도,
도 7은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 작동부와 종말 작동체 및 링크부의 결합구조를 개략적으로 도시한 (a)평면도, (b)정면도, (c)저면도,
도 8은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 작동부의 동작에 따른 링크부의 구동을 개략적으로 도시한 정면도이다.
도 9은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 관절부의 단면을 도시한 그림이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.

아울러, 아래의 실시 예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하며, 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술사상에 포함되고 청구범위의 구성요소에서 균등물로서 치환 가능한 구성요소를 포함하는 실시예는 본 발명의 권리범위에 포함될 수 있다.

첨부된 도 2 내지 도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 링크부를 개략적으로 도시한 정면도, 도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 평형식 매니퓰레이터를 개략적으로 도시한 사시도, 도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 평형식 매니퓰레이터를 개략적으로 도시한 정면도, 도 7은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 작동부와 종말 작동체 및 링크부의 결합구조를 개략적으로 도시한 (a)평면도, (b)정면도, (c)저면도, 도 8은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 작동부의 동작에 따른 링크부의 구동을 개략적으로 도시한 정면도이다.

도 2 이하에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 평형식 매니퓰레이터(1)는 종말 작동체(10)와, 동력을 발생시키는 복수의 구동부(20)와, 상기 복수의 구동부(20) 각각에 연결되고 구동부(20)의 동력에 의해 작동되는 작동부(30)를 포함하여 이루어진다.

이때, 상기 구동부(20)는 일실시예로써 압전모터로 구비될 수 있다.

또한, 상기 작동부(30)는 판 형상으로 상기 구동부(20)의 구동축과 결합된다.

또한, 상기 종말 작동체(10)의 바닥면에는 소정의 작업을 행하는 디바이스(device)가 장착되며, 가이드핀(guide pin)의 내측에 배치된다.

또한, 상기 작동부(30)는 상기 구동부(20) 작동에 의해 가이드핀(guide pin)을 따라 슬라이드 이동된다.

그리고 상기 매니퓰레이터(1)는 상기 종말 작동체(10)와 상기 작동부(30)를 연결하는 링크부(100)가 더 구비되며 상기 링크부(100)는 로드(rod) 형상이면서 탄성재질로 이루어진다.

이때, 상기 매니퓰레이터(1)는 6개의 구동부(20)와 6개의 링크부(100)를 구비함으로써 상기 종말 작동체(10)는 6자유도를 갖는다.

또한, 상기 탄성재질은 고무(rubber) 또는 폴리프로필렌(Polypropylene) 중 어느 하나로 이루어진다.

또한, 상기 링크부(100)의 단면은 다각형이거나 원형 또는 타원형으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 링크부(100)의 지름(D1)은 1mm 내지 2mm 이고, 길이(L1)는 8mm 내지 12mm로 정밀가공을 통해 가공 성형됨으로써 소형화된 크기에 의해 경량화가 이루어진다.

또한, 상기 링크부(100)에는 링크부(100)의 중심축(C1) 주위를 회전 가능하게 지지하는 관절부(110)가 하나 이상 형성된다.

따라서 상기 작동부(30)의 동작에 의해 상기 링크부(100)의 관절부(110)가 상기 중심축(C1) 주위를 회전 지지함으로써 상기 종말 작동체(10)의 위치 및 자세를 변화시키게 된다.

즉, 상기 작동부(30)는 상기 구동부(30)의 구동축에 볼베어링을 매개로 연결되어 구동축 구동에 의해 상하로 이동된다.

따라서 상기 작동부(30)의 상하로의 동작에 의해 상기 링크부(100)의 관절부(110)는 링크부(100)의 중심축(C1) 주위를 회전 지지하여 상기 종말 작동체(10)의 위치/자세를 제어한다.

또한, 상기 관절부(110)에는 환형으로 내입된 힌지홈(111)이 형성되며, 상기 작동부(30)가 동작될 때, 상기 관절부(110)는 상기 힌지홈(111)에 의해 꺾여 상기 링크부(100)가 휘어져 상기 종말 작동체(10)의 위치 및 자세를 변화시키게 된다.

따라서 본 발명에 따른 링크부(100)는 탄성 재질의 소재로 정밀가공을 통해 소형화를 실현할 수 있다.

즉, 도 8에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 일실시예로써, 상기 링크부(100)는 양측에 환형의 힌지홈(111)이 파인 관절부(110)가 형성되어 2자유도를 갖는다.

이에 상기 링크부(100)는 환형의 힌지홈(111)이 파인 관절부(110)에 의해 링크부(100) 중심축(C2)과 상기 작동부(30)에 결합 고정된 링크부(100)의 일측단부 중심축(C3) 사이의 각도가 θ1만큼 꺾일 수 있도록 지지한다.

마찬가지로 상기 관절부(110)는 링크부(100) 중심축(C2)과 상기 종 작동체(10)에 결합 고정된 링크부(100)의 타측단부 중심축(C4) 사이의 각도가 θ2만큼 꺾일 수 있도록 지지한다.

또한, 상기 힌지홈(111)의 형상과 지름(D2,D3) 및 길이(L2)에 따라 상기 링크부(100)의 휘어짐이 달라질 수 있다.

따라서 상기 힌지홈(111)의 형상과 지름(D2,D3) 및 길이(L2) 값을 다르게 설계함으로써 상기 링크부(100)의 휘어짐 각도 조절이 가능하다.

이에 본 발명의 일실시예로써, 상기 힌지홈(111)의 길이(L2)는 상기 링크부(100)의 길이(L1)의 1/8 내지 1/10로 형성하고, 상기 힌지홈(111)의 지름(D2)은 상기 링크부(100)의 지름(D1)의 1/2 내지 1/3로 형성할 수 있다.

또한, 상기 힌지홈(111)의 형상은 반원 형상이되, 상기 반원의 지름(D3)은 상기 링크부(100)의 지름(D1)의 1/2 내지 1/3로 형성되는 것이 바람직하다.

도 9는 링크의 관절부(원으로 도시한부분) 단면의 형상을 도시하고 있다.

도시한 바와 같이 관절부의 단면의 형상은 원형(아래 좌측그림)일 수도 있고 타원이나 다각형 또는 비대칭의 다양한 형태(아래 우측그림)로 될 수 있다.

이는 관절부가 꺽기거나, 비틀림이 발생하되 링크가 어느위치에 부착되느냐에 따라 어느방향으로 꺽이거나, 비틀림이 다른부위보다 과도하게 생성되는 경우 이를 효과적으로 대응하기 위함이다.

즉 단면적의 형상에 따라 꺽임이나 비틀림이 어느방향에 대해서는 강하게 버틸 수 있어, 사용용도와 위치에 따라 다양한 단면형상을 구사할 수 있다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 범주에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 명확해질 것이다.

100 : 링크부 110 : 관절부
111 : 힌지홈

Claims

종말 작동체(10)와, 동력을 발생시키는 복수의 구동부(20)와, 상기 복수의 구동부(20) 각각에 연결되고 구동부(20)의 동력에 의해 작동되는 작동부(30)를 포함하여 이루어지는 평형식 매니퓰레이터(1)가 구비될 때,
상기 종말 작동체(10)와 상기 작동부(30)를 연결하는 링크부(100)가 더 구비되되,
상기 링크부(100)는 로드(rod) 형상이면서 탄성재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 초정밀 소형 구조를 갖는 평형식 매니퓰레이터의 링크부.
제1항에 있어서,
상기 링크부(100)에는 링크부(100)의 중심축(C1) 주위를 회전 가능하게 지지하는 관절부(110)가 하나 이상 형성되어,
상기 작동부(30)의 동작에 의해 상기 링크부(100)의 관절부(110)가 상기 중심축(C1) 주위를 회전 지지함으로써 상기 종말 작동체(10)의 위치 및 자세를 변화시키는 것을 특징으로 하는 초정밀 소형 구조를 갖는 평형식 매니퓰레이터의 링크부.
제2항에 있어서,
상기 관절부(110)에는 내입된 힌지홈(111)이 형성되며,
상기 작동부(30)가 동작될 때, 상기 관절부(110)는 상기 힌지홈(111)에 의해 꺾여 상기 링크부(100)가 휘어져 상기 종말 작동체(10)의 위치 및 자세를 변화시키는 것을 특징으로 하는 초정밀 소형 구조를 갖는 평형식 매니퓰레이터의 링크부.
제3항에 있어서,
상기 힌지홈(111)의 길이(L2)는 상기 링크부(100)의 길이(L1)의 1/8 내지 1/10인 것을 특징으로 하는 초정밀 소형 구조를 갖는 평형식 매니퓰레이터의 링크부.
제3항에 있어서,
상기 힌지홈(111)의 지름(D2)은 상기 링크부(100)의 지름(D1)의 1/2 내지 1/3인 것을 특징으로 하는 초정밀 소형 구조를 갖는 평형식 매니퓰레이터의 링크부.
제3항에 있어서,
상기 힌지홈(111)의 형상은 반원 형상이되, 상기 반원의 지름(D3)은 상기 링크부(100)의 지름(D1)의 1/2 내지 1/3인 것을 특징으로 하는 초정밀 소형 구조를 갖는 평형식 매니퓰레이터의 링크부.