KR20220121355A

KR20220121355A - Twisted String Actuator for bidirectional control

Info

Publication number: KR20220121355A
Application number: KR1020210025309A
Authority: KR
Inventors: 원준희; 강기훈
Original assignee: 한양대학교 에리카산학협력단
Priority date: 2021-02-25
Filing date: 2021-02-25
Publication date: 2022-09-01

Abstract

The present invention provides a system for driving two or more twisted string actuators by a single power source by using a spur gear. More specifically, the purpose of the present invention is to provide the twisted string actuator capable of bidirectional control by using only the single power source without using an elastic body.

Description

Twisted String Actuator for bidirectional control

본 발명은 양방향 제어를 위한 줄꼬임 구동기에 관한 것이다.The present invention relates to a twist string actuator for bidirectional control.

줄꼬임 구동기 (Twisted String Actuator)는 모터의 회전에 의한 줄의 꼬임을 이용하여, 장거리까지 동력을 전달할 수 있는 액추에이터를 의미한다.Twisted String Actuator refers to an actuator that can transmit power over long distances using twisted strings caused by the rotation of a motor.

Pulley를 통해 줄을 당기는 방식(String-Drive)에 비해, 감속기처럼 높은 힘 전달이 가능하며, 기어에 비해 Backlash가 적다는 것이 장점을 갖는다.Compared to the method of pulling a string through a pulley (String-Drive), it has the advantage of being able to transmit high power like a reducer and having less backlash compared to gears.

그러나 비선형성과 단방향으로만 제어가 가능하다는 문제가 존재하고, 추가 동력원을 배치한 양방향 제어 방식의 경우, 자유도 측면에서 비효율적이고, 탄성체를 이용한 양방향 제어 방식의 경우 탄성체의 변위에 줄의 변위가 종속되는 문제가 존재한다.However, there are problems of non-linearity and unidirectional control. In the case of the bidirectional control method with an additional power source, it is inefficient in terms of freedom. In the case of the bidirectional control method using an elastic body, the displacement of the string is dependent on the displacement of the elastic body. there is a problem that

본 발명은 탄성체를 사용하지 않고, 단일 동력원만을 사용하여 양방향 제어가 가능한 줄꼬임 구동기를 제공한다.The present invention provides a twisted string actuator capable of bidirectional control using only a single power source without using an elastic body.

본 발명은 평기어를 사용하여 단일 동력원으로 2개 이상의 줄꼬임 구동기를 구동하는 시스템을 제공한다.The present invention provides a system for driving two or more twisted string actuators with a single power source using spur gears.

또한, 본 발명은 앱솔루트 엔코더를 사용하여 줄꼬임 구동기의 초기 위치로 제어가 가능하며, 인크리멘탈 엔코더를 사용하여 줄꼬임 구동기의 위치 제어가 가능한 시스템을 제공한다.In addition, the present invention provides a system capable of controlling the initial position of the twisted-line actuator using an absolute encoder, and capable of controlling the position of the twisted-line actuator using an incremental encoder.

또한, 본 발명은 상기 줄꼬임 구동기 시스템은 스트레인게이지 센서가 있어, 줄의 길이가 스트레스로 인해 변화하더라도 장력의 변화를 이용하여 변화된 줄의 길이만큼 위치제어에서 보상하는 시스템을 제공한다.In addition, the present invention provides a system for compensating in position control by the change in the length of the string by using the change in tension even if the length of the string changes due to stress, since the twisted string actuator system has a strain gauge sensor.

또한, 본 발명은 실험을 통해 줄의 Snap(지속적인 스트레스로 인해 본래의 형태가 유지되지 못하고 파열됨) 직전의 장력변화를 알 수 있다면, 장력변화를 이용하여 줄의 수명을 예측하여 사용자에게 경고하는 알림을 구비한 시스템을 제공한다.In addition, the present invention predicts the lifespan of the string by using the change in tension and warns the user if the change in tension just before the snap (the original shape cannot be maintained and ruptured due to continuous stress) of the string can be known through the experiment. A system with notifications is provided.

본 발명에 의하면, 기어를 통해 단일 동력원으로 2개 이상의 줄꼬임 구동기를 제어할 수 있다.According to the present invention, it is possible to control two or more twisted string actuators with a single power source through a gear.

또한, 본 발명에 의하면, 여러 요인들로 줄의 길이가 초기 상태와 다르게 변화하는 경우, 구동축에 장착된 스트레인게이지 센서를 통해 장력 변화를 측정하고 장력변화에 따라 변화된 줄의 길이를 추산하여 위치제어기에서 보상할 수 있다.In addition, according to the present invention, when the length of the string is changed differently from the initial state due to various factors, the change in tension is measured through the strain gauge sensor mounted on the drive shaft and the length of the string changed according to the change in tension is estimated by the position controller. can be compensated in

또한, 본 발명에 의하면, Pulley의 회전축으로부터 회전운동을 검출하여 줄꼬임 구동기를 위치제어 할 수 있다. 이 때, 스트레인게이지에서 측정한 장력변화를 기반으로 줄의 변화까지도 고려할 수 있어 기존 시스템보다 더 정확하게 위치제어가 가능하다.In addition, according to the present invention, it is possible to control the position of the twisted string actuator by detecting the rotational motion from the rotational shaft of the pulley. At this time, based on the change in tension measured by the strain gauge, even the change of the string can be considered, enabling more accurate position control than the existing system.

도 1은 은 주 동력원에 연결된 Pulley 구조와 위치 제어를 위한 센서 클러스터에 관한 도면이다.
도 2는 주 동력원에서 Pulley 까지의 동력 전달 구조와 관한 도면이다.
도 3은 Pulley의 구조에 관한 도면이다.
도 4는 스트레인게이지 센서가 장착된 구동축에 관한 도면이다.
도 5는 전체 시스템에 대한 도면이다.1 is a view of a pulley structure connected to a main power source and a sensor cluster for position control.
2 is a view related to the power transmission structure from the main power source to the Pulley.
3 is a view of the structure of the Pulley.
4 is a view of a drive shaft on which a strain gauge sensor is mounted.
5 is a diagram of the entire system.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the technical spirit of the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed content may be thorough and complete, and the spirit of the present invention may be sufficiently conveyed to those skilled in the art.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. In this specification, when a component is referred to as being on another component, it may be directly formed on the other component or a third component may be interposed therebetween. In addition, in the drawings, the thicknesses of the films and regions are exaggerated for effective description of technical contents.

또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.Also, in various embodiments of the present specification, terms such as first, second, third, etc. are used to describe various components, but these components should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another. Accordingly, what is referred to as a first component in one embodiment may be referred to as a second component in another embodiment. Each embodiment described and illustrated herein also includes a complementary embodiment thereof. In addition, in this specification, 'and/or' is used in the sense of including at least one of the elements listed before and after.

명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다. In the specification, the singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In addition, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate that a feature, number, step, element, or a combination thereof described in the specification exists, and one or more other features, numbers, steps, or configurations It should not be construed as excluding the possibility of the presence or addition of elements or combinations thereof. In addition, in this specification, "connection" is used in a sense including both indirectly connecting a plurality of components and directly connecting a plurality of components.

또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.In addition, in the following description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related well-known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

도 1은 은 주 동력원에 연결된 Pulley 구조와 위치 제어를 위한 센서 클러스터에 관한 도면이고, 도 2는 주 동력원에서 Pulley 까지의 동력 전달 구조와 관한 도면이고, 도 3은 Pulley의 구조에 관한 도면이고, 도 4는 스트레인게이지 센서가 장착된 구동축에 관한 도면이고, 도 5는 전체 시스템에 대한 도면이다.1 is a view related to the pulley structure connected to the main power source and a sensor cluster for position control, FIG. 2 is a view related to the power transmission structure from the main power source to the Pulley, and FIG. 3 is a view related to the structure of the Pulley, 4 is a view of a drive shaft on which a strain gauge sensor is mounted, and FIG. 5 is a view of the entire system.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 줄꼬임(Twisted String) 작용이 이루어지는 Pulley를 포함하여 이 Pulley 들은 동력원과 연결된 기어와 맞물린 기어에 연결되어 동력원 방향과 일치하게 움직이는 Pulley 와 반대방향으로 움직이는 Pulley 로 구성된다.1 to 5, these pulleys, including the pulley with twisted string action, are connected to the gear connected to the power source and the gear meshed with the power source. do.

Pulley 에는 줄이 통과할 수 있는 2개의 구멍이 있어 Pulley 가 회전하면 줄이 꼬이면서 TSA가 작동하게 된다.The pulley has two holes through which the string can pass. When the pulley rotates, the string is twisted and the TSA is activated.

Pulley가 고정된 회전축에는 타이밍벨트를 통해 앱솔루트 엔코더와 엔크리멘탈 엔코더로 회전운동을 전달하게 되며, 엔코더를 통해서 초기위치 세팅과 위치제어를 수행하게 된다. 줄이 감기는 축의 반경과 길이를 각각 r과 L, 축의 회전수를 n으로 두면 다음과 같은 수식 1을 통해 줄의 전체길이를 계산할 수 있다.The rotational motion is transmitted to the absolute encoder and the incremental encoder through the timing belt on the rotating shaft where the pulley is fixed, and the initial position setting and position control are performed through the encoder. If the radius and length of the axis on which the string is wound are set to r and L, respectively, and the number of revolutions to be n, the total length of the string can be calculated through Equation 1 below.

(수식 1)

(Formula 1)

줄 꼬임 작용으로 인한 변위는 다음과 같이 수식 2를 통해 계산할 수 있다.The displacement due to the twisting action of the string can be calculated through Equation 2 as follows.

(수식 2)

(Equation 2)

동력이 전달되는 구동축에는 스트레인게이지 센서가 있어, 지속적인 스트레스로 인해 줄의 길이가 변화하더라도 장력의 변화를 이용하여 변화된 줄의 길이만큼 위치제어에서 보상할 수 있도록 제어한다.The drive shaft to which power is transmitted has a strain gauge sensor, so even if the length of the string changes due to continuous stress, the change in tension is used to compensate for the change in the length of the string in position control.

실험을 통해 줄의 Snap(지속적인 스트레스로 인해 본래의 형태가 유지되지 못하고 파열됨) 직전의 장력변화를 알 수 있다면, 장력변화를 이용하여 줄의 수명을 예측하여 사용자에게 경고할 수 있다.If it is possible to know the change in tension just before the snap of the string (the original shape is not maintained and ruptured due to continuous stress) through the experiment, the user can be warned by predicting the lifespan of the string using the change in tension.

상술한 TSA는 안정성 확보를 위한 매니퓰레이터(협동로봇)에 적용될 수 있다.The above-described TSA can be applied to a manipulator (cooperative robot) for securing stability.

주로 전기 모터를 사용하는 협동로봇의 경우, 동력 전달을 위해 각 조인트마다 모터가 설치되어야 하는데 조인트에 요구되는 토크나 속도가 커질수록 모터의 부피나 질량이 커질 수밖에 없다.In the case of a cooperative robot that mainly uses an electric motor, a motor must be installed in each joint to transmit power. As the torque or speed required for the joint increases, the volume or mass of the motor inevitably increases.

모터의 질량이 커질수록 로봇 자체의 모멘트가 커지므로, 모터는 같은 거리를 움직이기 위해 더 많은 에너지를 요구한다.As the mass of the motor increases, the moment of the robot itself increases, so the motor requires more energy to move the same distance.

강성이 증가하기 때문에 의도치 않은 충돌이 일어났을 때 로봇뿐만 아니라 로봇과 부딪힌 사람 혹은 사물도 큰 상해 혹은 파손이 일어날 수 있다.Because of the increased rigidity, when an unintentional collision occurs, not only the robot but also the person or object colliding with the robot may be seriously injured or damaged.

본 발명에 따른 TSA를 사용하면 원거리에서 동력전달이 가능하므로 배치위치에 따라서 로봇의 모멘트를 최소화시킬 수 있어, 상대적으로 적은 에너지만으로 이동하고, 의도치 않은 충돌사고에서 피해를 최소화할 수 있다.When the TSA according to the present invention is used, power transmission is possible from a long distance, so the moment of the robot can be minimized according to the arrangement position, so that it can move with relatively little energy, and damage can be minimized in an unintentional collision accident.

또한, 상술한 TSA는 협소한 공간에 액추에이터 배치가 필요한 웨어러블 로봇에 적용될 수 있다.In addition, the above-described TSA may be applied to a wearable robot requiring an actuator arrangement in a narrow space.

TSA는 장거리 동력전달이 가능하여, 작용점과 떨어진 공간에 액추에이터를 배치하여 사용 가능하다. 그리고 협소한 공간에서도 줄의 지름보다 크기만 하면 동력 전달이 가능하고, 동력원을 원하는 곳에 배치할 수 있으므로, 공간활용성을 높이며, 수리 및 교체에 용이 할 것으로 판단된다.TSA can transmit power over long distances, so it can be used by arranging the actuator in a space away from the point of action. And even in a narrow space, as long as it is larger than the diameter of the string, power transmission is possible, and the power source can be placed at a desired place, so it is judged to improve space utilization and facilitate repair and replacement.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.As mentioned above, although the present invention has been described in detail using preferred embodiments, the scope of the present invention is not limited to specific embodiments and should be construed according to the appended claims. In addition, those skilled in the art should understand that many modifications and variations are possible without departing from the scope of the present invention.

Claims

A system that uses spur gears to drive two or more twisted string actuators with a single power source.