KR20210116692A

KR20210116692A - 2자유도의 구동 기구

Info

Publication number: KR20210116692A
Application number: KR1020217029181A
Authority: KR
Inventors: 마사유키 가몬
Original assignee: 가와사끼 쥬고교 가부시끼 가이샤
Priority date: 2015-12-03
Filing date: 2016-12-05
Publication date: 2021-09-27
Also published as: KR20180088448A; US20190168400A1; EP3385571B1; US10828787B2; JP6803338B2; CN108291618A; ES2978184T3; WO2017094922A1; EP3385571A4; JPWO2017094922A1; KR102458112B1; EP3385571A1

Abstract

구동 기구(1)의 동력 전달 수단은, 기부(3)의 양측에 링크 기구(10)를 갖는다. 링크 기구(10)는, 제3 회전축선(A3) 둘레로 회전 가능하게 기부(3)에 설치된 기단부를 갖는 제1 링크 부재(11)와, 제4 회전축선(A4) 둘레로 회전 가능하게 제1 링크 부재(11)의 선단부에 연결된 기단부를 갖는 제2 링크 부재(12)와, 제5 회전축선(A5) 둘레로 회전 가능하게 피구동체(2)에 설치되며, 제2 링크 부재(12)의 선단 부가, 제5 회전축선(A5)에 직교하는 제6 회전축선(A6) 둘레로 회전 가능하게 설치된 제3 링크 부재(13)를 갖는다. 피구동체의 2자유도의 원하는 동작 각도 범위를, 피구동체가 장착된 구조체의 휘어짐을 억제하면서 콤팩트한 구성으로 확보할 수 있다.

Description

2자유도의 구동 기구{DRIVE MACHANISM OF TWO DEGREES OF FREEDOM}

본 발명은, 피구동체에 동력을 전달하여 2자유도의 동작으로 구동하기 위한 구동 기구에 관한 것으로, 특히, 로봇의 관절 구조에 적용 가능한 구동 기구에 관한 것이다.

종래, 관절 구조를 갖는 로봇에서는, 원하는 각도 범위에서 관절부를 동작시키기 위해, 각종의 구동 기구가 채용되고 있다.

예를 들면 휴머노이드형의 로봇에서는, 발목 관절 등의 관절부를 동작시키기 위한 구동 기구가 설치되어 있다. 여기서, 휴머노이드형 로봇의 관절부는, 전후방향으로 연장되는 회전축선 둘레의 경동(傾動) 동작(롤 동작)과, 좌우방향으로 연장되는 회전축선 둘레의 경동 동작(피치 동작)의 양쪽 모두의 동작을 실현할 필요가 있다.

그리고, 로봇으로 2족 보행을 실현하기 위해서는, 비교적 큰 각도 범위에서 관절부를 움직일 필요가 있으며, 이를 실현하기 위해, 유성기어 증속 기구 등을 적용하는 것이 시도되고 있다.

그러나, 유성기어 증속 기구를 이용하여, 관절부에서의 큰 동작 각도 범위를, 2자유도로 확보하려고 하면, 특히 피치 방향의 휘어짐이 커지며, 또, 필요한 관절 토크를 확보하기 위해 큰 기어가 필요해진다.

또한, 휴머노이드형 로봇의 구동 기구에 한정되지 않으며, 다른 종류의 로봇의 구동 기구나, 로봇 이외의 구동 기구에서도, 피구동체에서의 2자유도의 동작을 비교적 큰 각도 범위에서 실현하고 싶은 경우가 있다.

본 발명은, 상술한 종래 기술의 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 피구동체에서의 2자유도의 원하는 동작 각도 범위를, 피구동체가 장착된 구조체의 휘어짐을 억제하면서, 콤팩트한 구성으로 확보할 수 있는 구동 기구를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 제1 양태는, 피구동체에 동력을 전달하여 2자유도의 동작으로 구동하기 위한 구동 기구로서, 중심축선을 갖는 기부와, 상기 피구동체를 상기 기부에 경동 가능하게 연결하기 위한 유니버설 조인트와, 상기 피구동체에 상기 동력을 전달하기 위한 동력 전달 수단을 구비하고, 상기 유니버설 조인트는, 상기 중심축선에 직교하는 제1 회전축선과, 상기 제1 회전축선에 직교하고 또한 상기 제1 회전축선 둘레로 경동 가능한 제2 회전축선을 가지며, 상기 피구동체는, 상기 제2 회전축선 둘레로 회전 가능해지도록 상기 유니버설 조인트에 설치되고, 상기 동력 전달 수단은, 상기 중심축선 및 상기 제1 회전축선을 포함하는 제1 가상 평면에 관해 양측에 배치된 한 쌍의 링크 기구를 가지며, 상기 한 쌍의 링크 기구의 각각은, 상기 제1 가상 평면에 수직인 제3 회전축선 둘레로 회전 가능하게 상기 기부에 설치된 기단부를 갖는 제1 링크 부재와, 상기 제3 회전축선에 평행한 제4 회전축선 둘레로 회전 가능하게 상기 제1 링크 부재의 선단부에 연결된 기단부를 갖는 제2 링크 부재와, 상기 제2 회전축선에 수직인 제2 가상 평면 내에 있는 제5 회전축선 둘레로 회전 가능하게 상기 피구동체에 설치되며, 상기 제2 링크 부재의 선단부가, 상기 제5 회전축선에 직교하는 제6 회전축선 둘레로 회전 가능하게 설치된 제3 링크 부재를 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제2 양태는, 제1 양태에 있어서, 상기 제1 링크 부재의 상기 선단부와 상기 제2 링크 부재의 상기 기단부가, 구형 조인트에 의해 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제3 양태는, 제1 또는 제2 양태에 있어서, 상기 제2 링크 부재의 상기 선단부와 상기 제3 링크 부재가, 구형 조인트에 의해 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제4 양태는, 제1 내지 제3 중 어느 한 양태에 있어서, 상기 동력을 생성하기 위한 동력 생성 수단을 더 가지며, 상기 동력 생성 수단은, 상기 제1 가상 평면에 관해 양측에 배치된 한 쌍의 구동원을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제5 양태는, 제4 양태에 있어서, 상기 한 쌍의 구동원은, 한 쌍의 실린더를 가지며, 상기 한 쌍의 실린더의 각각의 로드의 선단이, 상기 제1 링크 부재에 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제6 양태는, 제5 양태에 있어서, 상기 한 쌍의 실린더는, 상기 제1 가상 평면에 수직인 제7 회전축선 둘레로 회전 가능하게 상기 기부에 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제7 양태는, 제5 또는 제6 양태에 있어서, 상기 실린더는, 나사축과, 상기 나사축에 나사식 장착된 너트를 갖는 전동 실린더이며, 상기 동력 생성 수단은, 상기 나사축이 회전 구동됨으로써 상기 너트가 진퇴 구동되어 상기 동력이 생성되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제8 양태는, 제1 내지 제7 중 어느 한 양태에 있어서, 상기 제3 회전축선과 상기 제4 회전축선의 거리가, 상기 제2 회전축선과, 상기 제2 회전축선에 평행한 상태에 있을 때의 상기 제6 회전축선의 거리와 다른 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 피구동체에서의 2자유도의 원하는 동작 각도 범위를, 피구동체가 장착된 구조체의 휘어짐을 억제하면서, 콤팩트한 구성으로 확보할 수 있는 구동 기구를 제공할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 한 실시형태에 의한 구동 기구를 나타낸 사시도이다.
도 2는, 도 1에 나타낸 구동 기구를 나타낸 다른 사시도이다.
도 3은, 도 1에 나타낸 구동 기구를 나타낸 다른 사시도이다.
도 4는, 도 1에 나타낸 구동 기구를 나타낸 다른 사시도이다.
도 5는, 도 1에 나타낸 구동 기구를 나타낸 다른 사시도이다.
도 6은, 도 1에 나타낸 구동 기구를 나타낸 다른 사시도이다.
도 7은, 도 1에 나타낸 구동 기구를 나타낸 다른 사시도이다.
도 8은, 구동 기구의 비교예를 나타낸 사시도이다.
도 9는, 도 8에 나타낸 구동 기구를 나타낸 다른 사시도이다.

이하, 본 발명의 한 실시형태에 의한 구동 기구에 대해, 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 본 실시형태에 의한 구동 기구는, 특히 휴머노이드형 로봇의 관절부(예를 들면 발목 관절)에서의 구동 기구에 적합한 것이다.

단, 본 발명에 의한 구동 기구는, 휴머노이드형 로봇의 관절부로의 적용에 한정되는 것이 아니라, 적어도 2자유도의 동작을 필요로 하는 피구동체에서의 구동 기구에 널리 적용 가능하다.

도 1에 나타낸 본 실시형태에 의한 구동 기구(1)는, 피구동체(2)에서 2자유도의 동작을 실현하기 위한 것이다. 피구동체(2)는, 예를 들면 휴머노이드형 로봇의 발목 관절의 구성 요소이며, 보행 시에 적어도 2자유도의 동작을 행하는 것이다.

구동 기구(1)는, 길이방향의 중심축선(A0)을 갖는 가늘고 긴 프레임 부재(기부)(3)를 구비하고 있다. 프레임 부재(3)의 하단부에는 유니버설 조인트(4)가 설치되어 있으며, 이 유니버설 조인트(4)에 의해, 피구동체(2)가 프레임 부재(3)에 경동 가능하게 연결되어 있다.

유니버설 조인트(4)는, 중심축선(A0)에 직교하는 제1 회전축선(A1)과, 제1 회전축선(A1)에 직교하고 또한 제1 회전축선(A1) 둘레로 경동 가능한 제2 회전축선(A2)을 갖는다.

유니버설 조인트(4)는, 제1 회전축선(A1)을 따라 연장되는 제1 축부재(5)와, 제2 회전축선(A2)을 따라 연장되는 제2 축부재(6)를 구비하고 있다. 제1 축부재(5)는, 프레임 부재(3)의 하단부의 전후에 설치된 부착부재(7)에 의해 지지되어 있다. 제2 축부재(6)는, 제1 축부재(5)의 중앙부에 설치된 블록편(8)으로 지지되어 있다.

피구동체(2)는, 좌우 한 쌍의 플랜지부(9)를 가지며, 피구동체(2)가 제2 회전축선(A2) 둘레로 회전 가능해지도록, 플랜지부(9)가 유니버설 조인트(4)의 제2 축부재(6)에 지지되어 있다.

상기한 바와 같이, 유니버설 조인트(4)를 개재하여 프레임 부재(3)의 하단에 피구동체(2)를 설치함으로써, 피구동체(2)는, 제1 회전축선(A1) 둘레의 경동 동작(롤 동작)과, 제2 회전축선(A2) 둘레의 경동 동작(피치 동작)을 행할 수 있다.

본 실시형태에 의한 구동 기구(1)는, 또한, 피구동체(2)에 동력을 전달하기 위한 동력 전달 수단으로서, 한 쌍의 링크 기구(10)를 구비하고 있다. 한 쌍의 링크 기구(10)는, 중심축선(A0) 및 제1 회전축선(A1)을 포함하는 제1 가상 평면에 관해 양측에 배치되어 있다. 한 쌍의 링크 기구(10)의 각각은, 제1 링크 부재(11), 제2 링크 부재(12), 및 제3 링크 부재(13)를 갖는다.

제1 링크 부재(11)는, 제1 가상 평면에 수직인 제3 회전축선(A3) 둘레로 회전 가능하게 프레임 부재(3)의 좌우 측면에 설치된 기단부를 갖는다.

제2 링크 부재(12)는, 제3 회전축선(A3)에 평행한 제4 회전축선(A4) 둘레로 회전 가능하게 제1 링크 부재(11)의 선단부에 연결된 기단부를 갖는다.

제3 링크 부재(13)는, 제2 회전축선(A2)에 수직인 제2 가상 평면 내에 있는 제5 회전축선(A5) 둘레로 회전 가능하게 피구동체(2)의 플랜지부(9)에 설치되어 있다. 제2 링크 부재(12)의 선단부가, 제5 회전축선(A5)에 직교하는 제6 회전축선(A6) 둘레로 회전 가능하게 제3 링크 부재(13)에 연결되어 있다.

제1 링크 부재(11)의 선단부와 제2 링크 부재(12)의 기단부는, 구형 조인트에 의해 연결되어 있다. 또, 제2 링크 부재(12)의 선단부와 제3 링크 부재(13)가 구형 조인트에 의해 연결되어 있다.

구동 기구(1)의 프레임 부재(3)의 좌우 양측에는, 동력 생성 수단으로서의 한 쌍의 전동 실린더(구동원)(14)가, 제1 가상 평면에 관해 대칭으로 설치되어 있다. 전동 실린더(14)의 기단부는, 프레임 부재(13)에 설치된 블록 부재(15)에, 제2 회전축선(A2)과 평행한 제7 회전축선(A7) 둘레로 회전 가능하게 연결되어 있다.

한 쌍의 전동 실린더(14)의 각각의 로드(16)의 선단이, 제1 링크 부재(11)의 선단부에, 제4 회전축선(A4) 둘레로 회전 가능하게 연결되어 있다.

한 쌍의 전동 실린더(14)의 각각은, 서로 독립적으로 구동 가능한 서보 모터(17)를 구비하고 있다. 전동 실린더(14)는, 볼스크류 기구를 내장하고 있으며, 서보 모터(17)의 동력이, 벨트(18)를 통해 볼스크류 기구에 전달된다.

도 2 내지 도 7에 나타낸 구동 기구(1)는, 전동 실린더(14)의 로드를 복수의 가늘고 긴 부재로 구성한 것인데, 그 외의 구조는 도 1에 나타낸 구동 기구(1)와 동일하다. 또한 도 3, 도 5 및 도 6에서는, 전동 실린더(14)의 내부 구조가 보이도록, 실린더 본체의 일부를 잘라내어 나타내고 있다.

도 3, 도 5 및 도 6에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태에 의한 구동 기구(1)에서는, 전동 실린더(14)의 나사축(19)을 회전 구동함으로써, 나사축(19)에 나사식 장착된 너트(20)가 나사축(19)을 따라 진퇴 구동되도록 구성되어 있다. 또한, 너트(20)에는 로드(16)의 기단부가 연결되어 있으며, 너트(20)와 일체로 로드(16)가 진퇴 구동된다.

이와 같이 나사축(19)을 회전 구동하여 너트(20)를 진퇴 구동하도록 구성함으로써, 너트를 회전 구동하여 나사축을 진퇴 구동하는 구성에 비해, 다음에 서술하는 바와 같은 여러 가지 메리트가 얻어진다.

첫 번째로, 너트를 회전 구동하여 나사축을 진퇴 구동하는 경우에 비해, 기계 효율이 높아진다. 두 번째로, 너트를 회전 구동하여 나사축을 진퇴 구동하는 경우에 비해, 구동하는 구조를 형성하기 쉬워진다. 세 번째로, 너트를 회전 구동하면, 너트를 통해 전후로 나사축이 출입하므로, 데드 스페이스가 생겨, 스페이스 팩터가 나빠진다.

도 1 및 도 2 내지 도 7에 나타낸 바와 같이, 좌우의 전동 실린더(14)의 로드(16)의 신축량을 서로 독립적으로 변경함으로써, 피구동체(2)에 있어서 롤 동작과 피치 동작을 행하게 할 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 실시형태에 의한 구동 기구(1)에서는, 유성기어 증속 기구를 이용하지 않고, 프레임 부재(3)에 장착한 한 쌍의 전동 실린더(14)의 동력을, 한 쌍의 링크 기구(10)에 의해 피구동체(2)에 전달하도록 하였으므로, 유성기어 증속 기구를 이용한 경우와 같은 큰 휘어짐을 발생시키지 않고, 피구동체(2)에서 원하는 동작 각도 범위를 확보할 수 있다.

또 구동 기구(1)에서는, 제3 회전축선(A3)과 제4 회전축선(A4)의 거리가, 제2 회전축선(A2)과, 제2 회전축선(A2)에 평행한 상태에 있을 때의 제6 회전축선(A6)의 거리보다 길어지도록 설정되어 있다. 이에 따라, 전동 실린더(14)의 로드(16)를 신축 구동하여 피구동체(2)에 경동 동작을 행하게 할 때의 증속비를 확보할 수 있다. 그 결과, 전동 실린더(14)에서 필요해지는 스트로크가 짧아져, 전동 실린더(14)의 단척화(短尺化)를 도모할 수 있다.

도 8 및 도 9는, 비교예로서의 구동 기구(100)를 나타낸 것이고, 이 예에서는, 제1 링크 부재(11) 및 제2 링크 부재(12)가 생략되어 있으며, 전동 실린더(14)의 로드(16)가 제3 링크 부재(13)에 직접 연결되어 있다. 또한, 도 8 및 도 9에서는, 전동 실린더(14)의 내부 구조가 보이도록, 실린더 본체의 일부를 잘라내어 나타내고 있다.

도 8 및 도 9에서 알 수 있는 바와 같이, 이 비교예로서의 구동 기구(100)에서는, 피구동체(2)에 있어서 경동 동작(롤 동작 및 피치 동작)을 하게 하기 위해 전동 실린더(14)의 로드(16)를 신축시키면, 이에 따라 전동 실린더(14) 전체가 좌우방향으로 요동하여 버린다.

이 때문에, 전동 실린더(14)의 좌우방향의 요동 동작의 범위 내에는 로봇의 구성 부재를 배치할 수 없으며, 예를 들면 로봇의 강도를 높이기 위한 부재나, 내부 구조를 덮기 위한 커버 부재의 배치가 곤란하였다.

이에 반해, 본 실시형태에 의한 구동 기구(1)에서는, 도 1 내지 도 7에 나타낸 바와 같이, 피구동체(2)에 있어서 경동 동작(롤 동작 및 피치 동작)을 하게 하기 위해 전동 실린더(14)의 로드(16)를 신축시켜도, 전동 실린더(14)는 좌우방향으로 요동하지 않고, 프레임 부재(3)의 중심축선(A0)과 제1 회전축선(A1)을 포함하는 제1 가상 평면에 평행한 방향으로만 요동한다.

이 때문에, 로봇의 강도를 높이기 위한 부재나, 내부 구조를 덮기 위한 커버 부재의 배치에서의 자유도가 대폭으로 향상된다. 또, 상술한 바와 같이 전동 실린더(14)의 단척화를 도모할 수도 있으므로, 이에 의해서도, 로봇의 구성 요소에서의 배치의 자유도를 높일 수 있다.

또한, 상술한 실시형태에서는, 피구동체(2)의 경동 가능 범위를 확대하기 위해, 제2 링크 부재(12)의 양단에 볼베어링을 설치하고 있지만, 제2 링크 부재(12)의 한쪽의 단부에만 볼베어링을 설치하도록 해도 된다.

또, 상술한 실시형태에서는, 서보 모터(17)에 의해 구동되는 전동 실린더(14)를 구동원으로서 사용하고 있지만, 본 발명에 의한 구동 기구에서의 구동원(동력 생성 수단)은 이것에 한정되는 것이 아니라, 제3 회전축선(A3) 둘레의 제1 링크 부재(11)의 회전 각도를 제어할 수 있는 것이면 된다.

1: 구동 기구 2: 피구동체
3: 프레임 부재(기부) 4: 유니버설 조인트
5: 제1 축부재 6: 제2 축부재
7: 부착부재 8: 블록편
9: 플랜지부 10: 링크 기구(동력 전달 수단)
11: 제1 링크 부재 12: 제2 링크 부재
13: 제3 링크 부재 14: 전동 실린더
15: 블록 부재 16: 전동 실린더의 로드
17: 서보 모터 18: 벨트
19: 전동 실린더의 나사축 20: 전동 실린더의 너트
A0: 기부의 중심축선 A1: 제1 회전축선
A2: 제2 회전축선 A3: 제3 회전축선
A4: 제4 회전축선 A5: 제5 회전축선
A6: 제6 회전축선 A7: 제7 회전축선

Claims

피구동체에 동력을 전달하여 2자유도의 동작으로 구동하기 위한 구동 기구로서,
중심축선을 갖는 기부와,
상기 피구동체를 상기 기부에 경동(傾動) 가능하게 연결하기 위한 유니버설 조인트와,
상기 피구동체에 상기 동력을 전달하기 위한 동력 전달 수단을 구비하고,
상기 유니버설 조인트는, 상기 중심축선에 직교하는 제1 회전축선과, 상기 제1 회전축선에 직교하고 또한 상기 제1 회전축선 둘레로 경동 가능한 제2 회전축선을 가지며,
상기 피구동체는, 상기 제2 회전축선 둘레로 회전 가능해지도록 상기 유니버설 조인트에 설치되고,
상기 동력 전달 수단은, 상기 중심축선 및 상기 제1 회전축선을 포함하는 제1 가상 평면에 관해 양측에 배치된 한 쌍의 링크 기구를 가지며,
상기 한 쌍의 링크 기구의 각각은, 상기 제1 가상 평면에 수직인 제3 회전축선 둘레로 회전 가능하게 상기 기부에 설치된 기단부를 갖는 제1 링크 부재와, 상기 제3 회전축선에 평행한 제4 회전축선 둘레로 회전 가능하게 상기 제1 링크 부재의 선단부에 연결된 기단부를 갖는 제2 링크 부재와, 상기 제2 회전축선에 수직인 제2 가상 평면 내에 있는 제5 회전축선 둘레로 회전 가능하게 상기 피구동체에 설치되며, 상기 제2 링크 부재의 선단부가, 상기 제5 회전축선에 직교하는 제6 회전축선 둘레로 회전 가능하게 설치된 제3 링크 부재를 가지고,
상기 동력을 생성하기 위한 동력 생성 수단을 더 가지며,
상기 동력 생성 수단은, 상기 제1 가상 평면에 관해 양측에 배치된 한 쌍의 구동원을 갖고,
상기 한 쌍의 구동원은, 한 쌍의 실린더를 가지며,
상기 한 쌍의 실린더의 각각의 로드의 선단이, 상기 제1 링크 부재에 연결되어 있고,
상기 실린더는, 나사축과, 상기 나사축에 나사식 장착된 너트를 갖는 전동 실린더이며,
상기 동력 생성 수단은, 상기 나사축이 회전 구동됨으로써 상기 너트가 진퇴 구동되어 상기 동력이 생성되도록 구성되어 있는, 구동 기구.
청구항 1에 있어서,
상기 제1 링크 부재의 상기 선단부와 상기 제2 링크 부재의 상기 기단부가, 구형 조인트에 의해 연결되어 있는, 구동 기구.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 제2 링크 부재의 상기 선단부와 상기 제3 링크 부재가, 구형 조인트에 의해 연결되어 있는, 구동 기구.
청구항 1에 있어서,
상기 한 쌍의 실린더는, 상기 제1 가상 평면에 수직인 제7 회전축선 둘레로 회전 가능하게 상기 기부에 설치되어 있는, 구동 기구.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 제3 회전축선과 상기 제4 회전축선의 거리가, 상기 제2 회전축선과, 상기 제2 회전축선에 평행한 상태에 있을 때의 상기 제6 회전축선의 거리와 다른, 구동 기구.