KR20200070340A

KR20200070340A - 조인트 기구 및 이를 제어하기 위한 방법, 멀티 암 장치 및 로봇

Info

Publication number: KR20200070340A
Application number: KR1020207014118A
Authority: KR
Inventors: 와이 만 리; 틴 췅 웡; 틴 ?? 웡
Original assignee: 광동 오-매틱 인텔리전트 로봇 리미티드
Priority date: 2017-10-20
Filing date: 2018-08-30
Publication date: 2020-06-17
Also published as: CN107553481B; JP2020537731A; US20210187758A1; CN107553481A; EP3695940A4; EP3695940A1; KR102512154B1; JP6960190B2; WO2019076146A1; EP3695940C0; US11254016B2; EP3695940B1

Abstract

본 발명은 조인트 기구(100), 상기 조인트 기구(100)를 제어하는 방법, 상기 조인트 기구(100)를 포함하는 멀티 암 장치(200) 및 로봇에 관한 것이다. 상기 조인트 기구(100)는 피봇 샤프트(pivot shaft)(41)를 가지는 베이스(4); 제1 단부(11)가 상기 피봇 샤프트(41) 상에 장착된 스윙 암(swinging arm)(1); 자기 유변 유체(magnetorheological fluid)를 통해 상기 스윙 암(1)과 상호작용하기 위해 상기 피봇 샤프트(41) 상에 장착된 제1 구동 부재(driving member)(2) 및 제2 구동 부재(3); 및 상기 자기 유변 유체의 위상 상태(phase state)를 변화시키도록 구성된 제1 전자 부품(22) 및 제2 전자 부품(32)을 포함한다. 상기 제1 구동 부재(2) 및 상기 제2 구동 부재(3)는 상기 스윙 암(1)을 선택적으로 구동하여 제1 방향 또는 제 2방향을 따라 회전하도록 할 수 있다.

Description

조인트 기구 및 이를 제어하기 위한 방법, 멀티 암 장치 및 로봇

본 출원은 2017년 10월 20일자로 출원된 " 조인트 기구 및 이를 제어하기 위한 방법, 멀티 암 장치 및 로봇" 이라는 명칭의 중국 특허 출원번호 201710983085.3의 우선권을 주장하며, 그 전체 내용은 본원에 참조로 포함된다.

본 발명은 조인트 기구, 특히 로봇을 위한 조인트 기구 및 상기 조인트 기구를 제어하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 조인트 기구를 포함하는 멀티 암 장치(multi-arm device), 및 상기 조인트 기구 또는 상기 멀티 암 장치를 포함하는 로봇에 관한 것이다.

로봇은 산업 분야에서 널리 사용되고 있다. 그 중에서도 조인트 로봇은, 넓은 작동 범위, 유연한 움직임, 조밀한 구조 등과 같은 많은 장점을 가지고 있어, 특히 인기가 있다. 로봇의 조인트는 회전 가능한 스윙 암(swinging arm) 및 상기 스윙 암이 회전하도록 구동되는 구동 기구를 일반적으로 포함한다.

현재의 조인트 로봇에서, 로봇의 각 조인트는 모터, 예를 들어, 스테퍼 모터(stepper motor), 직류 서보모터(DC servo motor), 교류 서보모터(AC servo motor) 및 유압 서보모터(hydraulic servo motor) 등에 의하여 직접 구동된다. 그러나, 이들 모터의 고유 특성으로 인해, 이러한 설계는 로봇의 각 조인트의 스윙 암에 큰 관성을 유발하여, 고속 왕복 스윙 운동(reciprocating swing movement)을 해내기 어렵게 된다.

본 발명은, 자기 유변 유체(magnetorheological fluid)에 의해 조인트 기구의 운동 상태가 빠르게 변화되는 것을 실현할 수 있는, 조인트 기구를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 또한, 상기 조인트 기구, 이러한 조인트 기구를 포함하는 멀티 암 장치 및 이러한 조인트 기구 또는 멀티 암 장치를 포함하는 로봇을 제어하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 제1 양태에 따르면, 피봇 샤프트(pivot shaft)를 가지는 베이스; 제1 단부가 상기 피봇 샤프트 상에 장착된 스윙 암(swinging arm); 상기 피봇 샤프트 상에 각각 장착되어 구동원으로부터 구동력을 전달받고, 자기 유변 유체(magnetorheological fluid)를 통해 스윙 암과 각각 상호작용하는, 제1 구동 부재(driving member) 및 제2 구동 부재; 및 자기 유변 유체의 위상 상태(phase state)를 변화시키도록 구성되어, 제1 구동 부재 및 제2 구동 부재가, 스윙 암을 선택적으로 구동하여 제1 방향 또는 제 2방향(제1 방향은 제2 방향과 반대 방향임)을 따라 회전하도록 할 수 있는, 제1 전자 부품 및 제2 전자 부품을 포함하는 조인트 기구가 제안된다.

자기 유변 유체는 비자성 액체(예를 들어, 미네랄 오일, 실리콘 오일 등)에 미크론 범위의 크기를 가지는 자기 편광(magnetically polarized)된 입자를 분산시킴으로써 형성된 일종의 현탁액(suspension)이다. 자기장이 없을 때, 자기 유변 유체는 우수한 유동성을 가진 액체로서의 행동을 보이며 겉보기 점도는 매우 낮다. 그러나, 강한 자기장 하에서, 자기 유변 유체의 겉보기 점도는 짧은 시간(예를 들어, 밀리초(millisecond) 단위 내)에 100배 이상 증가하며, 이에 따라 자기 유변 유체는 고체와 유사한 특성을 나타내게 된다. 또한, 위상 상태의 변화는 연속적이며 가역적이다. 즉, 자기장이 제거된 후, 자기 유변 유체는 본래의 위상 상태로 되돌아가게 된다. 자기장 하에서 자기 유변 유체의 유변(rheology) 은 순간적이고 가역적이며, 유변 후 자기 유변 유체의 전단 항복 강도(shear yield strength)는 자기장의 강도에 대해 안정적인 대응 관계를 유지하기 때문에, 자기 유변 유체는 뛰어난 성능을 가진 스마트 소재로서 널리 사용되어 왔다. 자기 유변 유체의 점도가 자기장의 강도 변화에 따라 변하는 과정은 보통 자기 유변 유체의 위상 상태 변화로 지칭된다.

본 발명에 따르면, 조인트 기구, 특히 로봇을 위한 조인트 기구에서, 구동 부재는 자기 유변 유체를 통해 스윙 암과 상호작용(즉, 구동 연결 관계를 형성)하고, 자기 유변 유체로 하여금 전자 부품에 의해 생성된 자기장에 의해 위상 상태가 변화할 수 있도록 한다. 전자 부품이 자기장을 생성시키지 않으면, 자기 유변 유체는 우수한 유동성을 가진 액체로서의 행동을 보인다. 이 경우, 구동 부재와 스윙 암 사이에는 구동 연결이 전혀 형성되지 않는다. 즉, 구동 부재는 스윙 암이 회전하도록 구동할 수 없다. 전자 부품 중 임의의 하나가 자기장을 생성할 때, 자기 유변 유체는 위상 상태의 변화를 겪고, 이에 따라 반고체로서의 행동을 보인다. 이 경우, 대응하는 구동 부재와 스윙 암 사이에 구동 연결이 형성된다. 즉, 대응하는 구동 부재는 스윙 암이 회전하도록 구동할 수 있다. 전자 부품은 단시간에 켜고 끌 수 있고, 자기 유변 유체의 반응 시간 역시 매우 빠르기 때문에, 구동 부재와 스윙 암 사이의 구동 연결은 단시간 내에 형성되거나 사라질 수 있다. 따라서, 2개의 구동 부재가 상이한 방향으로 회전하도록 하고, 필요에 따라 하나 또는 2 개의 구동 부재와 스윙 암 사이에 구동 연결을 형성하거나 또는 형성하지 않음으로써, 스윙 암은 필요에 따라 다양한 움직임을 수행할 수 있고, 빠른 전환을 해낼 수 있다.

일 실시예에서, 제1 구동 부재 및 제2 구동 부재는 스윙 암과 함께, 각각 자기 유변 유체로 채워진 제1 폐쇄 액체 캐비티(liquid cavity) 및 제2 폐쇄 액체 캐비티를 각각 형성한다.

특정 실시예에서, 스윙 암의 제1 단부는, 반경 방향을 따라 연장되는 격벽(partition wall)을 통해 2개의 리세스(recess)로 분할되는 슬리브(sleeve)로서 형성된다. 상기 2개의 리세스의 개방 단부는, 제1 액체 캐비티 및 제2 액체 캐비티를 형성하도록, 제1 구동 부재 및 제2 구동 부재에 의해 각각 폐쇄된다.

특정 실시예에서, 제1 구동 부재 및 제2 구동 부재는 각각 개방 단부 및 폐쇄 단부를 가지는 중공 샤프트(hollow shaft)로서 형성된다. 제1 구동 부재 및 제2 구동 부재의 개방 단부는 그 위에 피봇 샤프트가 장착될 수 있도록 구성되고, 제1 구동 부재 및 제2 구동 부재의 폐쇄 단부는 각각 리세스 속으로 연장된다. 각각의 중공 샤프트의 외주부(outer periphery)에는 환형 숄더(annular shoulder)가 위치하며, 상기 환형 숄더는 베어링을 통해 각각의 리세스의 개방 단부와 밀봉 연결되어 제1 액체 캐비티 또는 제2 액체 캐비티를 폐쇄한다.

일 실시예에서, 제1 전자 부품 및 제2 전자 부품은 각각 제1 액체 캐비티 및 제2 액체 캐비티에 배열된 환형 부재(annular members)로서 구성되며, 각각 제1 구동 부재 및 제2 구동 부재의 폐쇄 단부에 슬리브(sleeve)되어 있다.

특정 실시예에서, 리세스 속으로 연장되는 제1 구동 부재 및 제2 구동 부재의 일부는 연자성 재료(soft magnetic material)로 제조된다.

특정 실시예에서, 제1 전자 부품 및 제2 전자 부품은 각각 제1 액체 캐비티 및 제2 액체 캐비티의 측면에 배열된다.

일 실시예에서, 구동원은 전달 기구(상기 전달 기구는 풀리(pulley), 기어, 스프로킷(sprocket) 및 벨트로 구성된 그룹 내에서 선택됨)를 통해, 제1 구동 부재 및 제2 구동 부재를 구동하여 각각 제1 방향 및 제2 방향으로 회전하도록 한다.

특정 실시예에서, 구동원은 제1 벨트 및 제1 풀리를 통해 제1 구동 부재를 구동하고, 제2 벨트 및 제2 풀리를 통해 제2 구동 부재를 구동한다. 제1 벨트가 크로스 벨트 구동 모드(cross-belt drive mode) 및 오픈 벨트 구동 모드(open-belt drive mode) 중 하나를 채택할 때, 제2 벨트는 크로스 벨트 구동 모드 및 오픈 벨트 구동 모드 중 다른 하나를 채택한다. 대안적으로, 제1 벨트 및 제2 벨트는 모두 세미 크로스 벨트 구동 모드(semi-cross-belt drive mode)를 채택한다.

일 실시예에서, 제1 구동 부재 및 제2 구동 부재에는 각각 스윙 암의 회전각(rotating angle)을 탐지하기 위한 센서가 위치한다.

본 발명의 제2 양태에 따르면, 멀티 암 장치는 전술한 제1 조인트 기구; 상기 제1 조인트 기구의 스윙 암의 제2 단부에 배열된, 전술한 제2 조인트 기구를 포함하는 것으로 제안된다. 제2 조인트 기구의 베이스는 제1 조인트 기구의 스윙 암의 제2 단부에 의해 형성되고, 제2 조인트 기구의 구동원은 제1 조인트 기구의 제1 구동 부재 및 제2 구동 부재에 의해 형성된다.

본 발명의 제3 양태에 따르면, 자기 유변 유체의 위상 상태를 변화시키기 위해 제1 전자 부품 및/또는 제2 전자 부품에 전류를 인가하는 단계를 포함하는, 전술한 조인트 기구를 제어하는 방법이 제안되며, 이에 따라, 제1 구동 부재 및 제2 구동 부 중 적어도 하나가, 스윙 암을 선택적으로 구동하여 상기 스윙 암이 제1 방향 또는 제2방향을 따라 회전하도록 할 수 있다.

본 방법의 일 작동 모드에서, 제1 전자 부품에 제1 전류만이 인가되어, 제1 액체 캐비티 내의 자기 유변 유체의 위상 상태가 변화한다. 이에 따라, 제1 구동 부재가 스윙 암을 구동하여 제1 방향으로 회전하도록 할 수 있다.

본 방법의 다른 작동 모드에서, 제2 전자 부품에 제2 전류만이 인가되어, 제2 액체 캐비티 내의 자기 유변 유체의 위상 상태가 변화한다. 이에 따라, 제2 구동 부재가 스윙 암을 구동하여 제2 방향으로 회전하도록 할 수 있다.

본 방법의 추가적인 작동 모드에서, 제1 전자 부품 및 제2 전자 부품에 각각 제3 전류 및 제4 전류가 연속적으로 인가되어, 제1 액체 캐비티 및 제2 액체 캐비티 내의 자기 유변 유체의 위상 상태가 각각 변화한다. 이에 따라, 제1 구동 부재에 의해 스윙 암에 가해지는 구동력은 제2 구동 부재에 의해 스윙 암에 가해지는 구동력과 동일하여, 스윙 암이 자연 정지 상태에 있도록 한다.

본 발명의 또 다른 추가적인 작동 모드에서, 제1 전자 부품 및/또는 제2 전자 부품에 각각 제5 전류 및 제6 전류가 연속적으로 인가되어, 제1 액체 캐비티 및/또는 제2 액체 캐비티 내의 자기 유변 유체의 위상 상태가 변화한다. 이에 따라, 제1 구동 부재 및/또는 제2 구동 부재에 의해 스윙 암에 가해지는 구동력이 상기 스윙 암의 중력을 상쇄하고, 이에 따라 스윙 암은 자연 정지 상태에 있게 된다. 제5 전류 및 제6 전류는 각각 펄스 전류이다.

본 발명의 또 다른 추가적인 작동 모드에서, 제1 전자 부품 및 제2 전자 부품에 제7 전류 및 제8 전류가 교대로 인가되어, 제1 액체 캐비티 및 제2 액체 캐비티 내의 자기 유변 유체의 위상 상태가 교대 방식으로 변화한다. 이에 따라, 제1 구동 부재 및 제2 구동 부재가 스윙 암을 교대 방식으로 구동하여, 스윙 암의 왕복 스윙 운동(reciprocating swing movement)을 발생시킨다.

본 발명의 제4 양태에 따르면, 전술된 조인트 기구 또는 전술된 멀티 암 장치를 포함하는 로봇이 또한 제공된다.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예는 다음의 도면을 참조하여 비제한적인 예에 의해 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 2개의 조인트 기구를 포함하는, 본 발명에 따른 멀티 암 장치의 사시도를 도시한다.
도 2는 본 발명에 따른 조인트 기구의 단면도를 도시한다.

본 발명은 도면을 참조하여 이하에서 상세하게 설명된다.

도 1은 본 발명에 따른 멀티 암 장치(multi-arm device)(200)의 사시도를 도시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 멀티 암 장치(200)는 본 발명에 따른, 서로 연결된 2개의 조인트 기구(100)를 포함한다. 멀티 암 장치(200)는 서로 연결된 조인트 기구(100)를 더 포함할 수 있다는 사실을 쉽게 이해할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 조인트 기구(100)는 피봇 샤프트(pivot shaft)(41)를 가지는 베이스(4)와, 피봇 샤프트(41) 상에 장착된 스윙 암(swinging arm)(1)을 포함한다(도 2 참조). 도 2에 도시된 바와 같이, 스윙 암(1)의 제1 단부(11)는 슬리브형(sleeve-shaped) 구조로서 형성되며, 그 중심에는 반경 방향으로 연장되는 격벽(12)이 위치한다. 슬리브형 제1 단부(11)는 격벽(12)에 의해 축방향으로 서로 인접한 2개의 리세스(recess), 즉 제1 리세스(13) 및 제2 리세스(14)로 분할된다. 본 발명에서, 용어 "축방향" 및 "방사형" 은 피봇 샤프트(41)에 대한 것으로 규정된다. 이 경우, 피봇 샤프트(41)는 제1 리세스(13) 및 제2 리 세스(14)에 각각 장착되는 2개의 피봇 부분을 사실상 포함한다.

본 발명에 따르면, 조인트 기구(100)는 피봇 샤프트(41)상에 나란히 장착되는 제1 구동 부재(driving member)(2) 및 제2 구동 부재(3)를 더 포함한다. 제1 구동 부재(2)와 제2 구동 부재(3)는 모두 구동원(미도시)으로부터의 구동력 하에서 회전할 수 있다. 그러나, 제1 구동 부재(2)와 제2 구동 부재(3)의 회전 방향은 서로 다르게 설정된다. 도 1에 도시된 실시예에서, 제1 구동 부재(2)는 시계 방향으로 회전할 수 있는 반면, 제2 구동 부재(3)는 반시계 방향으로 회전할 수 있다. 구동원은, 예를 들어, 모터일 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 제1 구동 부재(2)는 중공 샤프트(hollow shaft)로서 형성되며, 그 일단은 개방되고 타단은 폐쇄된다. 이러한 방식으로, 피봇 샤프트(41)는 제1 구동 부재(2)의 개방 단부 속으로 연장될 수 있으며, 이에 따라 제1 구동 부재(2)는 피봇 샤프트(41)에 장착되어 피봇 샤프트(41)를 중심으로 회전할 수 있다. 또한, 제1 구동 부재(2)의 폐쇄 단부는 스윙 암(1)의 제1 단부(11)의 제1 리세스(13) 속으로 연장되며, 이에 따라 제1 구동 부재(2)와 스윙 암(1)은 함께 자기 유변 유체로 채워진 제1 폐쇄 액체 캐비티(21)를 형성한다. 도 2에 도시된 실시예에서, 제1 구동 부재(2)의 외주부(outer periphery) 상에는 반경 방향 외측으로 연장되는 환형 숄더(annular shoulder)(25)가 더 위치한다. 환형 숄더(25)는 베어링(26)을 통해 스윙 암(1)의 제1 단부(11)에 연결된다. 이를 위해, 베어링(26)을 장착하기 위한 베어링 스톱(bearing stop)(15)이, 스윙 암의 제1 단부(11)의 제1 리세스(13)의 자유 단부에 위치한다. 이에 따라, 스윙 암(1)은 제1 구동 부재(2)의 구동력 하에서 회전할 수 있다. 밀봉을 위한 목적으로, 밀봉 요소(미도시)가 베어링(26)에 위치한다.

이상으로부터, 제1 구동 부재(2)와 스윙 암(1)은 제1 액체 캐비티(21) 내의 자기 유변 유체를 통해 상호작용하여, 구동 연결 관계를 형성할 수 있음을 알 수 있다.

본 발명의 도해된 실시예에 따르면, 제1 액체 캐비티(21)에는 제1 전자 부품(22)이 위치한다. 상기 제1 전자 부품(22)은, 예를 들어, 제1 리세스(13) 속으로 연장되는 제1 구동 부재(2)의 일부분(28) 상에 슬리브(sleeve)된 링형(ring-shaped) 부재로서 구성될 수 있다. 미도시된 실시예에서, 제1 전자 부품(22)은 제1 액체 캐비티(21)의 내부에 배치되지 않고, 제1 액체 캐비티(21)의 외부, 예를 들어, 제1 액체 캐비티(21)의 측면에 배치된다. 제1 전자 부품(22)이 제 1 액체 캐비티(21) 내 자기 유변 유체의 위상 상태를 변화시키도록 작용할 수 있는 한, 그 위치는 당업자에 의해 특정 구조의 필요에 따라 임의로 선택될 수 있다는 사실을 쉽게 이해할 수 있다. 그러나, 제1 전자 부품(22)을 제1 액체 캐비티(21) 내에 배열함으로써, 전체 조인트 기구(100)의 구조를 보다 조밀하게 할 수 있으며, 자기 유변 유체는 제1 전자 부품(22)의 효과를 더욱 직접적으로 받게 된다. 따라서, 이러한 배열이 선호된다.

일 실시예에서, 제1 전자 부품(22)은 모터의 고정자(stator)(제1 리세스(13) 속으로 연장되는 제1 구동 부재(2)의 일부분(28) 상에 직접 슬리브될 수 있음)에 의해 형성될 수 있기 때문에, 조립이 매우 간단하다. 또한, 기성품의 고품질 모터 고정자(stator)를 시장에서 직접 얻을 수 있다. 따라서, 고정자를 독립적으로 설계할 필요가 없으므로, 비용의 큰 부분을 절약할 수 있다. 물론, 샤프트리스(shaftless) 모터 고정자도 사용할 수 있다.

제1 구동 부재(2)와 제2 구동 부재(3)는 유사한 구조를 가진다. 따라서, 제1 구동 부재(2)의 구조에 관한 설명이 제2 구동 부재(3)에 유사하게 적용될 수 있다는 사실을 쉽게 이해할 수 있다. 구체적으로, 제2 구동 부재(3) 또한, 개방 단부 및 폐쇄 단부를 가지는 중공 샤프트로서 형성된다. 피봇 샤프트(41)는 제2 구동 부재(3)의 개방 단부 속으로 연장되며, 이에 따라 상기 제2 구동 부재(3)는 피봇 샤프트(41) 상에 장착되어 상기 피봇 샤프트(41)를 중심으로 회전할 수 있다. 또한, 제2 구동 부재(3)의 폐쇄 단부는 제2 리세스(14) 속으로 연장되며, 이에 따라 상기 제2 구동 부재(3)는 스윙 암(1)과 함께 자기 유변 유체로 채워진 제2 폐쇄 액체 캐비티(31)를 형성한다. 도 2에 도시된 바와 같은 실시예에서, 제2 구동 부재(3)의 외주부에는 반경 방향 외측으로 연장되는 환형 숄더(35)가 더 위치한다. 환형 숄더(35)는 베어링(36)을 통해 스윙 암(1)의 제1 단부(11)에 연결된다. 이를 위해, 베어링(36)을 장착하기 위한 베어링 스톱이, 스윙 암의 제1 단부(11)의 제2 리세스(14)의 자유 단부에 위치한다. 따라서, 스윙 암(1)은 제2 구동 부재(3)의 구동력 하에서 회전할 수 있다. 밀봉을 위한 목적으로, 밀봉 요소(미도시)가 베어링(36)에 위치한다. 따라서, 제2 구동 부재(3)와 스윙 암(1)은 제2 액체 캐비티(31) 내의 자기 유변 유체를 통해 상호작용하여, 구동 연결 관계를 형성할 수 있다.

본 발명에 도시된 실시예에 따르면, 제2 액체 캐비티(31)에는 제2 전자 부품(32)이 위치한다. 상기 제2 전자 부품(32)은, 예를 들어, 제2 리세스(14) 속으로 연장되는 제2 구동 부재(3)의 일부분 상에 슬리브(sleeve)된 링형(ring-shaped) 부재로서 구성될 수 있다. 제2 전자 부품(32)이 제 2 액체 캐비티(31) 내 자기 유변 유체의 위상 상태를 변화시키도록 작용할 수 있는 한, 다른 위치에도 배열될 수 있다는 사실을 쉽게 이해할 수 있다. 유사하게, 제2 전자 부품(31)은 모터의 고정자에 의해 형성될 수 있다.

본 발명에 따르면, 제1 전자 부품(31) 또는 제2 전자 부품(32)에 전력이 공급되지 않아 자기장이 생성되지 않으면, 제1 액체 캐비티(21) 또는 제2 액체 캐비티(31) 내의 자기 유변 유체는 유동성이 우수한 액체로서의 행동을 보일 것이다. 이 경우, 제1 구동 부재(2) 또는 제2 구동 부재(3)와 스윙 암(1) 사이에는 구동 연결이 형성되지 않을 것이다. 즉, 제1 구동 부재(2) 또는 제2 구동 부재(3)가 회전하더라도, 스윙 암(1)은 회전 구동되지 않을 것이다. 그러나, 제1 전자 부품(31) 또는 제2 전자 부품(32)에 전력이 공급되어 자기장을 생성하는 경우, 제1 액체 캐비티(21) 또는 제2 액체 캐비티(31) 내의 자기 유변 유체는 자기장의 영향 하에서 고체로서 작용할 것이다. 이 경우, 제1 구동 부재(2) 또는 제2 구동 부재(3)와 스윙 암(1) 사이에는 구동 연결이 형성될 것이다. 즉, 제1 구동 부재(2) 또는 제2 구동 부재(3)가 회전하면, 스윙 암(1)은 회전 구동된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 제1 구동 부재(2)와 스윙 암(1) 사이에 구동 연결이 형성되는 경우, 제1 구동 부재(2)가 시계 방향으로 회전할 때 스윙 암(1)도 시계 방향으로 회전할 것이다. 제2 구동 부재(3)와 스윙 암(1) 사이에 구동 연결이 형성되는 경우, 제2 구동 부재(3)가 반시계 방향으로 회전할 때 스윙 암(1)도 반시계 방향으로 회전할 것이다. 자기 유변 유체의 반응 속도가 매우 빠르기 때문에, 스윙 암(1)은 매우 빠르게 제1 구동 부재(2) 또는 제2 구동 부재(3)를 따라 2 개의 상이한 회전 방향으로 회전할 수 있다. 따라서, 제1 구동 부재(2) 및 제2 구동 부재(3)의 회전 방향 및 제1 전자 부품(22) 및 제2 전자 부품(32)의 켜짐/꺼짐 상태를 적절하게 제어함으로써, 본 발명에 따른 조인트 기구(100)는 스윙 암(1)의 정방향 회전 및 역방향 회전을 실현할 뿐만 아니라, 2 개의 상이한 회전 방향 사이의 빠른 전환도 실현할 수 있다. 본 발명에 따른 조인트 기구(100)의 특정 이동 모드가 아래에서 상세하게 설명될 것이다.

바람직한 실시예에서, 제1 리세스(13) 및 제2 리세스(14) 속으로 각각 연장되는 제1 구동 부재(2) 및 제2 구동 부재(3)의 일부는, 자력의 전달을 용이하게 하기 위해 연자성 재료(soft magnetic material)로 만들어질 수 있다.

다른 바람직한 실시예에서, 제1 구동 부재(2) 및 제2 구동 부재(3) 상에, 스윙 암의 회전각을 판독 및 제어할 수 있는 엔코더(encoder) 및 코드 판독기가 위치할 수 있다.

본 발명에 따르면, 구동원은 전달 기구를 통해 제1 구동 부재(2) 또는 제2 구동 부재(3)에 연결되고, 이에 따라 제1 구동 부재(2) 또는 제2 구동 부재(3)에 구동력이 전달되어, 제1 구동 부재(2) 또는 제2 구동 부재(3)가 회전하게 된다. 바람직하게는, 전달 기구는 풀리, 기어, 스프로킷 및 타이밍 벨트(timing belt) 등일 수 있다. 따라서, 전체 구동 구조의 관성은 매우 약하며, 이로 인해 스윙 암(1)이 이동 방향을 빠르게 전환하기에 유리하다.

도시된 실시예에서, 전달 기구는 풀리 및 전달 벨트(transmission belt)이다. 구체적으로, 구동원은 제1 구동 벨트(24) 및 그와 공조하는 제1 구동 풀리(27)를 통해 제1 구동 부재(2)를 구동하고, 제2 구동 벨트(34) 및 그와 공조하는 제2 구동 풀리(37)를 통해 제2 구동 부재(3)를 구동한다. 일 실시예에서, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 구동 벨트(24)는 크로스 벨트 구동을 채택하고, 제2 구동 벨트(34)는 오픈 벨트 구동을 채택하여, 이에 따라 제1 구동 부재(2) 및 제2 구동 부재(3)의 회전 방향은 서로 반대가 된다. 이러한 설계에 의해, 구동원의 회전축에 2 개의 풀리가 나란히 배열될 수 있으며, 이에 따라, 제1 구동 부재(2)의 회전 방향이 제2 구동 부재(3)의 회전 방향과 확실하게 반대가 되도록 하는 추가적인 조종 기구가 필요하지 않다. 이 설계는 구조가 간단하고 비용이 적게 들며, 공간도 작게 차지한다.

제1 전달 벨트(24)가 오픈 벨트 구동을 채택하고, 제2 전달 벨트(34)는 크로스 벨트 구동을 채택하여, 전술한 효과를 또한 달성할 수 있다는 사실을 쉽게 이해할 수 있다.

다른 실시예에서, 제1 구동 벨트(24)는 세미 크로스 벨트 구동을 채택하고, 제2 구동 벨트(34) 또한 세미 크로스 벨트 구동을 채택함으로써, 제1 구동 부재(2)의 회전 방향이 제2 구동 부재의(3)의 회전 방향과 확실하게 반대가 되도록 한다. 이러한 배열에 의해, 구동원의 회전축은 임의의 방향으로 설정될 수 있고, 전달 벨트의 크로스 벨트 구동에 의해 야기되는 자기 마찰(self-friction)의 문제도 방지할 수 있다.

다른 실시예에서, 전달 기구는 기어 세트이다. 당업자는 상기 기어 세트 내에서 기어의 수를 적절히 선택함으로써, 제1 구동 부재(2)의 회전 방향이 제2 구동 부재(3)의 회전 방향과 반대가 될 수 있다는 사실을 쉽게 이해할 수 있다. 이러한 설계로 인해 구동원의 회전 샤프트의 배열이 매우 유연해진다.

이하에서는 조인트 기구(100)를 제어하는 방법이 설명된다.

전술한 바와 같이, 제1 전자 부품(22) 및/또는 제2 전자 부품(32)에 전류를 인가하여, 제1 액체 캐비티(21) 및/또는 제2 액체 캐비티(31) 내의 자기 유변 유체의 위상 상태(phase state)가 변화하고, 이에 따라, 제1 구동 부재(2) 및/또는 제2 구동 부재(3)가 스윙 암(1)을 선택적으로 구동하여 상기 스윙 암(1)이 각각 제1 방향 및 제2 방향을 따라 회전하도록 한다. 본 발명에 따른 조인트 기구(100)는, 후술하는 바와 같이, 특히 몇 가지의 작동 모드에서 작동할 수 있다.

제1 작동 모드에서는, 제1 전자 부품(22)에 제1 전류만이 인가되어, 제1 액체 캐비티(21) 내의 자기 유변 유체는 고점도의 위상 상태에 있게 된다. 이러한 방식으로, 구동 연결은 제1 구동 부재(2)와 스윙 암(1) 사이에만 형성된다. 따라서, 제1 구동 부재(2)는 스윙 암(1)을 구동하여 제1 방향(즉, 도시된 실시예에서 시계 방향)으로 회전하도록 할 수 있다.

제2 작동 모드에서는, 제2 전자 부품(32)에 제2 전류만이 인가되고, 제2 액체 캐비티(31) 내의 자기 유변 유체는 고점도의 위상 상태에 있게 된다. 이러한 방식으로, 구동 연결은 제2 구동 부재(3)와 스윙 암(1) 사이에만 형성된다. 따라서, 제2 구동 부재(3)는 스윙 암(1)을 구동하여 제2 방향(즉, 도시된 실시예에서 반시계 방향)으로 회전하도록 할 수 있다.

제3 작동 모드에서는, 제1 전자 부품(22) 및 제2 전자 부품(32)에 각각 제3 전류 및 제4 전류가 연속적으로 인가된다. 이러한 방식으로, 제1 액체 캐비티(21) 및 제2 액체 캐비티(31) 내의 자기 유변 유체는 고점도의 위상 상태에 있게 되고, 제1 구동 부재(2)와 스윙 암(1) 사이 및 제2 구동 부재(3)와 스윙 암(1) 사이에 구동 연결이 형성된다. 제3 전류 및 제4 전류의 크기를 적절히 선택함으로써, 제1 구동 부재(2)에 의하여 스윙 암(1) 상에 가해지는 구동력이 제2 구동 부재(3)에 의하여 스윙 암(1) 상에 가해지는 구동력과 동일하게 되어, 스윙 암(1)이 자연 정지 상태에 있도록 할 수 있다. 바람직하게는, 제3 전류는 제1전류 이하이고, 제4 전류는 제2 전류 이하이다.

제4 작동 모드에서는, 제1 전자 부품(22) 및/또는 제2 전자 부품(32)에 각각 제5 전류 및 제6 전류가 연속적으로 인가된다. 이러한 방식으로, 제1 액체 캐비티(21) 및 제2 액체 캐비티(31) 내의 자기 유변 유체는 고점도의 위상 상태에 있게 되고, 제1 구동 부재(2)와 스윙 암(1) 사이 및 제2 구동 부재(3)와 스윙 암(1) 사이에 구동 연결이 형성된다. 제5 전류 및 제6 전류의 크기를 적절히 선택함으로써, 제1 구동 부재(2)에 의하여 스윙 암(1) 상에 가해지는 구동력 및/또는 제2 구동 부재(3)에 의하여 스윙 암(1) 상에 가해지는 구동력이 상기 스윙 암(1)의 중력을 상쇄하여, 스윙 암(1)이 자연 정지 상태에 있도록 할 수 있다. 바람직하게는, 제5 전류 및 제6 전류는 모두 펄스 전류이다.

제5 작동 모드에서는, 제1 전자 부품(22) 및 제2 전자 부품(32)에 제7 전류 및 제8 전류가 교대로 인가된다. 이러한 방식으로, 제1 액체 캐비티(21) 및 제2 액체 캐비티(31) 내의 자기 유변 유체는 교대로 고점도 상태로 존재하고, 이에 따라 제1 구동 부재(2)와 스윙 암(1) 사이 및 제2 구동 부재(3)와 스윙 암(1) 사이에 구동 연결이 교대 방식으로 형성된다. 따라서, 제1 구동 부재(2) 및 제2 구동 부재(3)는 스윙 암(1)이 상이한 방향으로 회전하도록 상기 스윙 암(1)을 교대 방식으로 구동할 수 있다. 즉, 스윙 암(1)의 왕복 스윙 운동(reciprocating swing movement)이 실현된다.

상기 작동 모드 중 하나 이상은 실제 필요에 따라 순차적으로 선택 될 수 있으며, 스윙 암(1)의 다양한 기능이 필요에 따라 달성될 수 있다.

본 발명에 따른 멀티 암 장치(200)는 서로 연결된 복수의 조인트 기구(100)를 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 실시예에서, 2 개의 조인트 기구(100)가 서로 연결된다. 구조를 단순화하기 위해, 상부 조인트 기구(100)의 스윙 암(1)의 제2 단부(19)는 하부 조인트 기구(100)의 베이스로서 형성된다. 또한, 하부 조인트 기구(100)의 전달 기구는 상부 조인트 기구(100)의 제1 구동 부재(2) 및 제2 구동 부재(3)에 연결된다. 즉, 상부 조인트 기구(100)의 제1 구동 부재(2) 및 제2 구동 부재(3)는 하부 조인트 기구(100)의 구동원으로서 작용한다. 멀티 암 장치(200)가 복수의 조인트 기구(100)를 포함하는 경우, 상기 조인트 기구(100)는 전술한 바와 같이 하나씩 순차적으로 연결된다. 엔드 이펙터(end effector) 역할을 하는 암(110)은 마지막 조인트 기구(100)(즉, 도 1의 상부)에 배열될 수 있다.

이러한 설계에 의해, 멀티 암 장치(200)는 매우 조밀한 구조를 가지며, 보다 복잡한 운동을 해낼 수 있다. 또한, 제1 조인트 기구(100)에 구동력을 제공하는 하나의 구동원만으로, 모든 조인트 기구를 구동할 수 있다. 따라서, 멀티 암 장치(200)의 비용이 절감되며, 전력 소비도 크게 감소한다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 본 발명에 따른 조인트 기구(100) 또는 본 발명에 따른 멀티 암 장치(200)를 포함하는 로봇이 또한 제공된다. 상기 로봇은 단일 조인트 로봇 또는 다중 조인트 로봇일 수 있다.

마지막으로, 상기 설명은 본 발명의 바람직한 실시예일뿐이며, 본 발명을 어떠한 방식으로도 제한하지 않는다는 것을 알아야 한다. 본 발명은 전술한 실시예들을 참조하여 상세하게 설명되었지만, 당업자는 전술한 실시예들에서 설명된 기술적 해결방안을 수정하거나 그 안의 동등한 기술적 특징들을 대체할 수 있다. 본 발명의 사상 및 원리 내에서 이루어진 임의의 수정, 균등한 대체 또는 개선은 본 발명의 보호 범위 내에 속한다.

Claims

조인트 기구(100)로서,
피봇 샤프트(pivot shaft)(41)를 가지는 베이스(4);
제1 단부(11)가 상기 피봇 샤프트(41) 상에 장착된 스윙 암(swinging arm)(1);
상기 피봇 샤프트(41) 상에 각각 장착되어 구동원으로부터 구동력을 전달받고, 자기 유변 유체(magnetorheological fluid)를 통해 상기 스윙 암(1)과 각각 상호작용하는, 제1 구동 부재(driving member)(2) 및 제2 구동 부재(3); 및
상기 자기 유변 유체의 위상 상태(phase state)를 변화시키도록 구성되어, 상기 제1 구동 부재(2) 및 상기 제2 구동 부재(3)가, 상기 스윙 암(1)을 선택적으로 구동하여 제1 방향 또는 제 2방향 - 상기 제1 방향은 상기 제2 방향과 반대 방향임 - 을 따라 회전하도록 할 수 있는, 제1 전자 부품(22) 및 제2 전자 부품(32);
을 포함하는, 조인트 기구.
제1항에 있어서,
상기 제1 구동 부재(2) 및 상기 제2 구동 부재(3)가, 상기 스윙 암(1)과 함께, 각각 상기 자기 유변 유체로 채워진 제1 폐쇄 액체 캐비티(liquid cavity)(21) 및 제2 폐쇄 액체 캐비티(31)를 각각 형성하는, 조인트 기구.
제2항에 있어서,
상기 스윙 암(1)의 상기 제1 단부(11)는, 슬리브(sleeve) - 상기 슬리브는 반경 방향을 따라 연장되는 격벽(partition wall)(12)을 통해 2개의 리세스(recess)(13, 14)로 분할됨 - 로서 형성되되,
상기 2개의 리세스(13, 14)의 개방 단부는, 상기 제1 액체 캐비티(21) 및 상기 제2 액체 캐비티(31)를 형성하기 위해, 각각 상기 제1 구동 부재(2) 및 상기 제2 구동 부재(3)에 의해 폐쇄되는, 조인트 기구.
제3항에 있어서,
상기 제1 구동 부재(2) 및 상기 제2 구동 부재(3)는, 각각 개방 단부 및 폐쇄 단부를 가지는 중공 샤프트(hollow shaft)로서 형성되되,
상기 제1 구동 부재(2) 및 상기 제2 구동 부재(3)의 상기 개방 단부는 상기 피봇 샤프트(41)가 그 위에 장착되도록 구성되며, 상기 제1 구동 부재(2) 및 상기 제2 구동 부재(3)의 상기 폐쇄 단부는 각각 상기 리세스(13, 14)속으로 연장되고,
각각의 상기 중공 샤프트의 외주부(outer periphery)에는, 환형 숄더(annular shoulder)(25, 35) - 상기 환형 숄더는 베어링(26, 36)을 통해 각각의 리세스(13, 14)의 상기 개방 단부와 밀봉 연결되어 상기 제1 액체 캐비티(21) 또는 상기 제2 액체 캐비티(31)를 폐쇄함 - 가 위치하는, 조인트 기구.
제4항에 있어서,
상기 제1 전자 부품(22) 및 상기 제2 전자 부품(32)이, 각각 상기 제1 액체 캐비티(21) 및 상기 제2 액체 캐비티(31)에 배열된 환형 부재(annular members)로서 구성되며, 각각 상기 제1 구동 부재(2) 및 상기 제2 구동 부재(3)의 상기 폐쇄 단부 상에 슬리브(sleeve) 되어 있는, 조인트 기구.
제4항에 있어서,
상기 리세스 속으로 연장되는 상기 제1 구동 부재(2) 및 상기 제2 구동 부재(3)의 일부는 연자성 재료(soft magnetic material)로 제조되는, 조인트 기구.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 전자 부품(22) 및 상기 제2 전자 부품(32)이 각각 상기 제1 액체 캐비티(21) 및 상기 제2 액체 캐비티(31)의 측면에 배열된, 조인트 기구.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 구동원이, 전달 기구 - 상기 전달 기구는 풀리(pulley), 기어, 스프로킷(sprocket) 및 벨트로 구성된 그룹 내에서 선택됨 - 를 통해, 상기 제1 구동 부재(2) 및 상기 제2 구동 부재(3)를 구동하여 각각 상기 제1 방향 및 상기 제2 방향으로 회전하도록 하는, 조인트 기구.
제8항에 있어서,
상기 구동원은 제1 벨트 및 제1 풀리를 통해 상기 제1 구동 부재(2)를 구동하고, 제2 벨트 및 제2 풀리를 통해 상기 제2 구동 부재(3)를 구동하되,
상기 제1 벨트가 크로스 벨트 구동 모드(cross-belt drive mode) 및 오픈 벨트 구동 모드(open-belt drive mode) 중 하나를 채택할 때 상기 제2 벨트가 상기 크로스 벨트 구동 모드 및 상기 오픈 벨트 구동 모드 중 다른 하나를 채택하거나, 상기 제1 벨트 및 상기 제2 벨트 모두 세미 크로스 벨트 구동 모드(semi-cross-belt drive mode)를 채택하는, 조인트 기구.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 구동 부재(2) 및 상기 제2 구동 부재(3)에는 각각 상기 스윙 암(1)의 회전각(rotating angle)을 탐지하기 위한 센서가 위치하는, 조인트 기구.
멀티 암 장치(multi-arm device)(20)로서,
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 제1 조인트 기구; 및
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 제2 조인트 기구 - 상기 제2 조인트 기구는 상기 제1 조인트 기구의 상기 스윙 암(swinging arm)(1)의 제2 단부(19)에 배열됨 - 를 포함하되,
상기 제2 조인트 기구의 베이스는 상기 제1 조인트 기구의 상기 스윙 암(1)의 상기 제2 단부(19)에 의해 형성되고, 상기 제2 조인트 기구의 상기 구동원은 상기 제1 조인트 기구의 상기 제1 구동 부재(driving member)(2) 및 상기 제2 구동 부재(3)에 의해 형성되는,
멀티 암 장치.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 조인트 기구의 제어 방법으로서,
상기 제1 전자 부품(22) 및/또는 상기 제2 전자 부품(32)에 전류를 인가하여 상기 자기 유변 유체(magnetorheological fluid)의 위상 상태(phase state)를 변화시키고, 이에 따라, 상기 제1 구동 부재(2) 및 상기 제2 구동 부재(3) 중 적어도 하나가, 상기 스윙 암(1)을 선택적으로 구동하여 상기 스윙 암(1)이 상기 제1 방향 또는 상기 제2 방향을 따라 회전하도록 하는 단계를 포함하는 방법.
제12항에 있어서,
상기 제1 전자 부품(22)에 제1 전류만이 인가되어, 상기 제1 액체 캐비티 내의 상기 자기 유변 유체의 위상 상태가 변화하고, 이에 따라 상기 제1 구동 부재(2)가 상기 스윙 암(1)을 구동하여 상기 제1 방향으로 회전하도록 할 수 있는, 제1 작동 모드;
상기 제2 전자 부품(32)에 제2 전류만이 인가되어, 상기 제2 액체 캐비티 내의 상기 자기 유변 유체의 위상 상태가 변화하고, 이에 따라 상기 제2 구동 부재(3)가 상기 스윙 암(1)을 구동하여 상기 제2 방향으로 회전하도록 할 수 있는, 제2 작동 모드;
상기 제1 전자 부품(22) 및 상기 제2 전자 부품(32)에 각각 제3 전류 및 제4 전류가 연속적으로 인가되어, 상기 제1 액체 캐비티(21) 및 상기 제2 액체 캐비티(31) 내의 상기 자기 유변 유체의 위상 상태가 각각 변화하고, 상기 제1 구동 부재(2)에 의해 상기 스윙 암(1)에 가해지는 구동력이 상기 제2 구동 부재(3)에 의해 상기 스윙 암(1)에 가해지는 구동력과 동일하여, 이에 따라 상기 스윙 암(1)이 자연 정지 상태에 있게 되는, 제3 작동 모드;
상기 제1 전자 부품(22) 및/또는 상기 제2 전자 부품(32)에 각각 제5 전류 및 제6 전류가 연속적으로 인가되어, 상기 제1 액체 캐비티(21) 및/또는 상기 제2 액체 캐비티(31) 내의 상기 자기 유변 유체의 위상 상태가 변화하고, 상기 제1 구동 부재(2) 및/또는 상기 제2 구동 부재(3)에 의해 상기 스윙 암(1)에 가해지는 구동력이 상기 스윙 암(1)의 중력을 상쇄하여, 이에 따라 상기 스윙 암(1)은 자연 정지 상태에 있게 되고, 상기 제5 전류 및 상기 제6 전류는 펄스 전류가 되는, 제 4 작동 모드; 및
상기 제1 전자 부품(22) 및 상기 제2 전자 부품(32)에 각각 제7 전류 및 제8 전류가 교대로 인가되어, 상기 제1 액체 캐비티(21) 및 상기 제2 액체 캐비티(31) 내의 상기 자기 유변 유체의 위상 상태가 교대 방식으로 변화하고, 상기 제1 구동 부재(2) 및 상기 제2 구동 부재(3)가 상기 스윙 암(1)을 교대 방식으로 구동하여, 이에 따라 상기 스윙 암(1)의 왕복 스윙 운동(reciprocating swing movement)을 발생시키는, 제5 작동 모드;
중 하나 이상의 작동 모드를 포함하는 방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 조인트 기구(100)를 포함하거나, 제11항에 따른 적어도 하나의 멀티 암 장치(200)를 포함하는 로봇.