KR20230067383A - 로봇팔의 중력 보상 구조 및 이를 포함하는 로봇팔 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 로봇팔의 중력 보상 구조 및 이를 포함하는 로봇팔에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제2감속기 및 탄성체를 포함하는 로봇팔의 중력 보상 구조 및 이를 포함하는 로봇팔에 관한 것이다. 이러한 본 발명에 따르면, 로봇팔의 중력 보상 구조 및 이를 포함하는 로봇팔은 제2감속기와 탄성체를 포함하여, 소형화가 가능하면서도 강성을 높여 높은 정확성 및 신뢰성의 보상토크를 형성할 수 있다는 효과가 있다.

Description

로봇팔의 중력 보상 구조 및 이를 포함하는 로봇팔{Gravity compensation structure of robot arm and robot arm including the same}
본 발명은 로봇팔의 중력 보상 구조 및 이를 포함하는 로봇팔에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제2감속기 및 탄성체를 포함하는 로봇팔의 중력 보상 구조 및 이를 포함하는 로봇팔에 관한 것이다.
최근 다양한 로봇들이 개발되고 있다. 그 중에서도 관절을 구비하여 높은 자유도를 가진 다관절 구조의 로봇팔이 생활 및 산업 분야에서 널리 보급되고 있다. 로봇팔은 작업물을 지지하거나 운반하기 위해 사용될 수 있다.
이러한 로봇팔은 구동을 위해서 토크를 제공하는 구동모터를 포함한다. 로봇팔에는 크게 두가지의 부하 토크가 작용하는데, 그 중 하나는 작업물의 중량에 의한 것이며, 나머지 하나는 로봇팔 자중에 의한 것이다. 이 중 로봇팔 자중에 의한 부하 토크가 큰 비중을 차지하며, 이로 인해 구동모터의 용량이 커져야 한다는 문제가 있다.
중력 보상 장치는 로봇팔의 자중에 의한 중력 토크를 보상하여 구동에 필요한 토크를 절감시키는 장치이다. 로봇팔에 중력 보상 장치가 적용될 경우, 구동모터의 소형화가 가능하다는 장점이 있다.
종래의 중력 보상 장치 중에는, 도 1에 도시된 바와 같이, 코일스프링(16)을 포함하는 것이 있다. 구체적으로, 로봇팔(10)에는 중력에 의하여 하측으로 부하 토크가 작용하고, 베이스(11)에 연결된 커넥팅로드(13)는 티바(14)를 잡아당겨 고정부(15)에 일단이 고정된 코일스프링(16)을 압축시킨다. 압축된 코일스프링(16)은 티바(14)를 밀어내어 링크(12)에 중력방향과 반대되는 방향의 보상 토크를 가하게 된다. 이로써 링크(12)의 자중에 의한 부하 토크는 보상될 수 있다.
도 2는 도 1의 중력 보상 장치가 적용된 다관절 로봇팔의 개념도를 나타낸 것이다. 도 1의 베이스(11), 링크(12)는 각각 도 2의 제n관절하우징(21), 제n+1관절하우징(22)와 대응되고, 도 1의 티바(14), 고정부(15), 코일스프링(16) 결합체는 도 2의 코일스프링유닛(26)에 대응된다. 다관절 로봇팔에는 일반적으로 모터(23), 감속기(24), 관절토크센서(25)가 필수적으로 구비된다.
그러나, 코일스프링의 경우 그 부피가 크기 때문에, 모터, 감속기, 관절토크센서가 배치된 협소한 로봇팔의 내부 공간에, 추가적으로 배치되는 것이 매우 비효율적이라는 문제가 있다. 또한, 무거운 무게의 코일스프링이 링크에 배치될 경우, 링크의 자중을 오히려 증가시킨다는 문제도 있다.
뿐만 아니라, 코일스프링은 강성이 낮아 변위가 크고, 때문에 진동 등에 취약하여 보상 토크 값의 정확성과 신뢰성이 떨어진다는 문제도 있다.
대한민국 공개특허 10-2017-0086862
상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 소형화가 가능하면서도 강성을 높인 로봇팔의 중력 보상 구조 및 이를 포함하는 로봇팔을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조는 적어도 하나 이상의 관절을 구비한 로봇팔에 있어서, 구동모터, 제1감속기, 관절토크센서, 출력링크, 제2감속기, 탄성체를 포함한다. 구동모터는 제n관절하우징에 고정된다. 제1감속기는 구동모터와 연결되고, 구동모터의 회전수를 감속시킨다. 관절토크센서는 제1감속기에 연결되고, 스트레인게이지가 배치된다. 출력링크는 관절토크센서에 연결되고, 제n+1관절하우징에 고정된다. 제2감속기는 출력링크와 연결되고, 출력링크의 회전수를 감속시킨다. 탄성체는 일측이 제2감속기에 연결되고, 타측이 제n관절하우징에 고정된다. 탄성체는, 제2감속기에, 로봇팔의 자중에 의한 회전방향과 반대되는 방향의 회전 토크를 가한다.
또한, 제2감속기는 출력링크를 기준으로 제1감속기의 반대 측에 배치될 수 있다.
또한, 제2감속기의 감속비는 90:1 이상일 수 있다.
또한, 탄성체의 회전 변위의 크기는 1도 이하의 범위로 형성될 수 있다.
또한, 제2감속기는 하모닉드라이브 감속기일 수 있다.
또한, 관절토크센서에는 관절토크센서의 변형을 측정하는 스트레인게이지가 배치되고, 탄성체는 스트레인게이지를 제외하고는 관절토크센서와 동일한 형상일 수 있다.
또한, 관절토크센서는 내측에 배치된 이너허브, 외측에 배치된 아우터허브, 및 이너허브와 아우터허브를 연결시키고 스트레인게이지가 배치된 허브브릿지를 포함하고, 탄성체는 내측에 배치된 이너바디, 외측에 배치된 아우터바디 및 이너바디와 아우터바디를 연결하는 커넥팅바디를 포함하며, 이너허브, 아우터허브, 허브브릿지는 각각, 이너바디, 아우터바디, 커넥팅바디와 동일한 형상일 수 있다.
또한, 탄성체는 토션스프링일 수 있다.
또한, 토션스프링은 내측에 배치된 이너바디, 외측에 배치된 아우터바디, 및 이너바디와 아우터바디를 연결하는 커넥팅바디를 포함하고, 커넥팅바디는 나선형의 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔은 적어도 하나 이상의 관절을 구비한 로봇팔에 있어서, 베이스프레임, 구동모터, 제1감속기, 관절토크센서, 출력링크, 제2감속기, 탄성체를 포함한다. 베이스프레임은 제n관절하우징에 고정된다. 구동모터는 베이스프레임에 고정된다. 제1감속기는 구동모터와 연결되고, 구동모터의 회전수를 감속시킨다. 관절토크센서는 제1감속기에 연결되고, 스트레인게이지가 배치된다. 출력링크는 관절토크센서에 연결되고, 제n+1관절하우징에 고정된다. 제2감속기는 출력링크와 연결되고, 출력링크의 회전수를 감속시킨다. 탄성체는 일측이 제2감속기에 연결되고, 타측이 베이스프레임에 고정된다. 탄성체는, 제2감속기에, 출력링크의 자중과 반대되는 방향으로의 회전 토크를 가한다.
또한, 탄성체는 스트레인게이지를 제외하고는 관절토크센서와 형상이 동일할 수 있다.
본 발명에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조 및 이를 포함하는 로봇팔은 제2감속기와 탄성체를 포함하여, 소형화가 가능하면서도 강성을 높여 높은 정확성 및 신뢰성의 보상 토크를 형성할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 종래의 중력 보상 장치가 배치된 로봇팔을 나타낸 측면도이다.
도 2는 종래의 중력 보상 장치가 배치된 로봇팔을 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조를 나타낸 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조를 나타낸 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조에 배치된 관절토크센서를 나타낸 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조에 배치된 탄성체를 나타낸 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조에 배치된 토션스프링을 나타낸 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조를 포함하는 로봇팔을 분해한 분해사시도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명에서 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 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서 상에 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 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조 및 이를 포함하는 로봇팔에 대하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조를 나타낸 개략도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조를 나타낸 개념도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조에 배치된 관절토크센서를 나타낸 사시도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조에 배치된 탄성체를 나타낸 사시도이다.
도 3 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조를 상세히 설명한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조는 제n관절하우징(110), 제n+1관절하우징(210), 구동모터(130), 제1감속기(140), 출력링크(220), 제2감속기(160), 탄성체(170)를 포함하고, 관절토크센서(150)을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조를 포함하는 로봇팔은 m개의 관절을 포함하는 다관절 로봇팔일 수 있다. 여기서 m은 자연수이고, 아래에서 언급되는 n은 m 이하의 자연수이다. m과 n은 특정 값에 한정되지 않는다.
제n관절하우징(110)과 제n+1관절하우징(210)은 본 발명의 일 실시예에 따른 m개의 관절을 갖는 다관절 로봇팔에서, n번째 관절이 배치되는 하우징들이다. 제n관절하우징(110)과 제n+1관절하우징(210)은 로봇팔의 외형을 형성하고, 제n관절하우징(110)과 제n+1관절하우징(210)의 사이에 n번째 관절이 배치된다. 제n관절하우징(110)과 제n+1관절하우징(210)은 n번째 관절에 의해 서로 상대 회전 가능하도록 연결될 수 있다.
제n관절하우징(110)에는 구동모터(130)가 배치된다. 구동모터(130)는 다른 구성에 구동력을 제공할 수 있다. 구동모터(130)는 제n관절하우징(110)에 고정 배치된다. 구동모터(130)는 회전축을 구비하고, 회전축이 배치된 부분의 반대 측이 제n관절하우징(110)에 고정 배치될 수 있다.
제1감속기(140)는 구동모터(130)의 회전수를 감속시키기 위한 구성이다. 제1감속기(140)는 일측이 구동모터(130)의 회전축과 연결되어 구동모터(130)와 동일한 회전수로 회전할 수 있다. 제1감속기(140)의 타측은 구동모터(130)의 회전수보다 낮은 회전수로 회전한다. 즉, 제1감속기(140)는 일측에서 구동모터(130)로부터 회전 토크를 입력 받아, 타측에서 감속된 회전 토크를 출력한다. 제1감속기(140)는 적어도 두 개의 회전축을 구비할 수 있다. 제1감속기(140)가 두 개의 회전축을 구비한 경우, 두 개의 회전축 중 어느 하나의 회전축은 제1감속기(140)의 일측에 배치될 수 있고, 나머지 하나의 회전축은 제1감속기(140)의 타측에 배치될 수 있다. 이 경우, 제1감속기(140)의 타측에 배치된 회전축은 구동모터(130)보다 낮은 회전수로 회전하게 된다. 제1감속기(140)는 하모닉드라이브(Harmonic Drive) 감속기일 수 있다. 이 경우, 백래쉬(Backlash)가 최소화되고, 매우 정교하게 컨트롤이 가능하다는 장점이 있다.
출력링크(220)는 구동모터(130)로부터 제1감속기(140) 등을 거쳐 전달된 회전 토크를 입력 받아 최종적으로 회전 토크를 출력하는 구성이다. 출력링크(220)는 제n+1관절하우징(210)에 고정 배치된다. 출력링크(220)는 제n+1관절하우징(210)과 별개의 구성으로 구비되어 제n+1관절하우징(210)에 고정될 수 있다. 또한, 출력링크(220)는 제n+1관절하우징(210)과 일체로 형성될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조는 관절센서토크(150)를 더 포함할 수 있다. 관절토크센서(150)는 출력링크(220)에 작용하는 회전 토크를 측정하기 위한 구성이다. 관절토크센서(150)는 여러 가지 방식의 관절토크센서 일 수 있다. 예를 들어 관절토크센서(150)는 스트레인게이지 방식일 수 있고, 정전용량 방식일 수도 있다. 관절토크센서(150)의 외형이나 방식은 이에 제한되지 않는다.
관절토크센서(150)는 구동모터(130), 제1감속기(140) 및 출력링크(220) 중 어느 하나 이상에 연결될 수 있다. 관절토크센서(150)는 제1감속기(140) 및 출력링크(220)의 사이에 배치될 수 있다. 관절토크센서(150)는 제1감속기(140) 및 출력링크(220)와 각각 연결될 수 있다. 관절토크센서(150)는 일측이 제1감속기(140)의 타측에 연결될 수 있다. 관절토크센서(150)의 타측에는 출력링크(220)가 연결될 수 있다. 즉, 관절토크센서(150)는 일측에서 제1감속기(140)로부터 출력된 회전 토크를 입력 받고, 입력된 회전 토크를 타측을 통해 출력링크(220)로 전달할 수 있다.
관절토크센서(150)는 이너허브(151), 아우터허브(152), 허브브릿지(153)를 포함할 수 있다. 아우터허브(152)는 환형으로 형성될 수 있고, 이너허브(151)는 원판형으로 형성될 수 있다. 이너허브(151)는 아우터허브(152)의 내측에 배치된다. 허브브릿지(153)는 이너허브(151)의 외경과 아우터허브(152)의 내경을 연결하도록 배치될 수 있다. 허브브릿지(153)는 변형이 가능하도록 탄성 재질로 형성되거나 탄성을 갖는 형상일 수 있고, 이를 통해서 탄성복원력을 가질 수 있다. 여기서, 탄성 재질은 고무, 엘라스토머, 우레탄, 플라스틱 등과 같이 재료 특성 상 탄성을 갖는 소재를 의미한다. 그리고, 탄성을 갖는 형상은 재료 자체가 아닌 형상의 특성 상 탄성을 갖는 형상을 의미한다. 예를 들어, 알루미늄, SUS 등과 같은 금속은 탄성이 작은 재질이지만, 허브브릿지(153)에 중공(中空) 등을 추가로 형성한 경우, 허브브릿지(153)의 탄성이 증가할 수 있다.
이때, 이너허브(151) 및 아우터허브(152)가 관절토크센서(150)의 일측 및 타측일 수 있고, 또는 아우터허브(152) 및 이너허브(151)가 관절토크센서(150)의 일측 및 타측일 수 있다. 이너허브(151), 아우터허브(152), 허브브릿지(153) 등의 구성은 예시적으로 나타낸 것일 뿐이며, 관절토크센서(150)의 형태 내지 형상이 이에 제한되는 것은 아니다.
관절토크센서(150)가 스트레인게이지 방식인 경우, 관절토크센서(150)의 일측과 타측 사이에는 스트레인게이지(154)가 배치된다. 관절토크센서(150)는 적어도 일부가 탄성 재질 또는 탄성을 갖는 형상으로 형성되어, 외력이 가해질 때 변형이 가능하다. 관절토크센서(150)가 제1감속기(140)에 의해서 회전하는 경우, 회전에 의해서 일측과 타측 간의 변위차가 발생하고, 스트레인게이지(154)는 변형된다. 스트레인게이지(154)가 변경되는 경우, 전기 저항값이 변화하고, 상기 전기 저항값의 변화량을 통해서 상기 변위차를 측정할 수 있다. 그리고, 상기 변위차 측정을 통해, 출력링크(220)에 작용하는 회전 토크 값이 간접적으로 측정할 수 있다.
스트레인게이지(154)는 허브브릿지(153) 상에 배치될 수 있다. 허브브릿지(153)는 탄성 재질로 형성되어, 외력이 가해질 때 변형이 가능할 수 있다. 제1감속기(140)에 의해서 관절토크센서(150)가 회전하는 경우, 이너허브(151)와 아우터허브(152) 간에는 변위차가 발생하여 허브브릿지(153)가 변형될 수 있다. 스트레인게이지(154)는 허브브릿지(153)의 변형을 측정하고, 이를 통해 출력링크(220)에 연결된 이너허브(151) 또는 아우터허브(152)에 작용하는 토크 값이 간접적으로 측정될 수 있다.
제2감속기(160)는 출력링크(220)의 회전수를 감속시키기 위한 구성이다. 출력링크(220)에는 제2감속기(160)의 일측이 연결될 수 있다. 출력링크(220)는 관절토크센서(150)와 제2감속기(160) 사이에 배치될 수 있으며, 제2감속기(160)는 출력링크(220)를 기준으로 제1감속기(140)의 반대 측에 배치될 수 있다. 제2감속기(160)는 일측이 출력링크(220)와 연결되어 출력링크(220)와 동일한 회전수로 회전한다. 제2감속기(160)의 타측은 출력링크(220)보다 낮은 회전수로 회전한다. 즉, 제2감속기(160)는 일측에서 출력링크(220)로부터 회전 토크를 입력받아, 타측에서 감속된 회전수의 회전 토크를 출력한다.
제2감속기(160)는 감속비가 90:1 이상일 수 있다. 감속비는 입력 회전속도 대 출력 회전속도의 비를 의미한다. 제2감속기(160)의 감속비가 90:1 이상인 경우, 제2감속기(160)의 타측의 회전수는, 일측의 회전수의 1/90 이하의 크기로 형성된다. 이 경우, 예를 들어, 출력링크(220)가 90도 회전한 경우, 제2감속기(160)의 타측은 1도로 회전하게 된다. 일반적으로 출력링크(220)의 회전 범위는 수직 방향을 기준으로 양방향 90도 내지 음방향 90도의 범위로 형성된다. 따라서, 예를 들어, 제2감속기(160)의 감속비가 90:1 이상인 경우, 제2감속기(160) 타측의 회전 범위가 1도 이하의 크기로 형성되어, 제2감속기(160)가 매우 정교한 회전 토크를 출력할 수 있다. 또한, 이상적인 경우, 제2감속기(160)의 타측에서 형성되는 출력 토크의 크기는, 일측에 입력된 입력 토크의 크기의 90배 이상으로 형성될 수 있으므로, 제2감속기(160)로부터 매우 큰 크기의 회전 토크가 출력될 수 있다. 상기에서 언급한 제2감속기(160)의 감속비와 제2감속기(160) 타측의 회전 범위는 일예시일 뿐, 이에 한정되지 않는다. 제2감속기(160)의 감속비는 구동 조건 및 설계 변경에 따라 달라질 수 있다.
제2감속기(160)는 제1감속기(140)와 마찬가지로, 적어도 두 개의 회전축을 구비할 수 있고, 두 개의 회전축은 제2감속기(160)의 일측과 타측에 각각 배치될 수 있다. 또한, 제2감속기(160)도 하모닉드라이브(Harmonic Drive) 감속기일 수 있다. 이 경우, 앞서 설명한 바와 같이, 백래쉬(Backlash)가 최소화되고 매우 정교한 컨트롤이 가능하다는 장점이 있다.
제2감속기(160)는 하모닉드라이브(Harmonic Drive) 감속기가 아닌 다른 감속기일 수도 있다. 이 경우, 제2감속기(160)는 하모닉드라이브(Harmonic Drive) 감속기에 비해 비교적 저렴한 감속기로 대체될 수 있어, 생산 비용을 절감시킬 수 있다는 장점이 있다.
제2감속기(160)의 타측에는 탄성체(170)의 일측이 연결된다. 탄성체(170)는 제2감속기(160)에 의해서 변형되고, 변형에 의해 형성되는 반작용 회전 토크를 제2감속기(160)에 가하는 구성이다. 탄성체(170)는 탄성을 갖는 재질로 형성된다. 탄성체(170)는 제n관절하우징(110)에 고정 배치된다. 탄성체(170)가 제n관절하우징(110)에 고정된 상태에서 제2감속기(160)가 회전하는 경우, 제2감속기(160)는 탄성체(170)를 회전 변형시킨다. 회전 변형된 탄성체(170)는 제2감속기(160)에, 제2감속기(160)가 회전하는 방향의 반대 방향으로 반작용 회전 토크를 가하게 된다.
탄성체(170)는 외형이 관절토크센서(150)의 외형과 동일하게 형성될 수 있다. 예를 들어, 관절토크센서(150)가 정전용량 방식인 경우, 탄성체(170)는 관절토크센서(150)와 외형이 동일할 수 있다. 그리고, 관절토크센서(150)가 스트레인게이지 방식인 경우, 스트레인게이지(154)를 제외한 관절토크센서(150)의 외형과 동일할 수 있다. 이 경우, 스트레인게이지(154)를 제외한 관절토크센서(150)를 탄성체(170)로 이용할 수 있다는 장점이 있다.
탄성체(170)는 이너바디(171), 아우터바디(172), 커넥팅바디(173)를 포함할 수 있다. 아우터바디(172)는 환형으로 형성될 수 있고, 이너바디(171)는 원판형으로 형성될 수 있다. 이너바디(171)는 아우터바디(172)의 내측에 배치될 수 있다. 이 때, 이너바디(171)와 아우터바디(172) 중 어느 하나가 제2감속기(160)와 연결되고, 나머지 하나가 제n관절하우징(110)에 고정될 수 있다. 이너바디(171), 아우터바디(172), 커넥팅바디(173) 등의 구성은 예시적으로 나타낸 것일 뿐이며, 탄성체(170)의 형태 내지 형상이 이에 제한되는 것은 아니다.
커넥팅바디(173)는 이너바디(171)의 외경과 아우터바디(172)의 내경을 연결하도록 배치될 수 있다. 탄성체(170)는 적어도 일부가 탄성 재질로 형성되어 변형이 가능하다. 커넥팅바디(173)는 탄성 재질로 형성되거나 탄성을 갖는 형상일 수 있고, 이를 통해서 탄성복원력을 가질 수 있다. 여기서, 탄성 재질은 고무, 엘라스토머, 우레탄, 플라스틱 등과 같이 재료 특성 상 탄성을 갖는 소재를 의미한다. 그리고, 탄성을 갖는 형상은 재료 자체가 아닌 형상의 특성 상 탄성을 갖는 형상을 의미한다. 예를 들어, 알루미늄, SUS 등과 같은 금속은 탄성이 작은 재질이지만, 커넥팅바디(173)에 중공(中空) 등을 추가로 형성한 경우, 커넥팅바디(173)의 탄성이 증가할 수 있다.
이 경우, 제2감속기(160)가 회전하면, 이너바디(171)와 아우터바디(172) 사이에 배치된 커넥팅바디(173)가 변형될 수 있고, 이로 인해 커넥팅바디(173)에 탄성 에너지가 축적될 수 있다.
관절토크센서(150)가 이너허브(151), 아우터허브(152), 허브브릿지(153)를 포함하는 경우, 탄성체(170)의 이너바디(171), 아우터바디(172), 커넥팅바디(173)는 각각, 관절토크센서(150)의 이너허브(151), 아우터허브(152), 허브브릿지(153)와 동일한 형상으로 형성될 수 있다. 이 경우, 기존의 관절토크센서(150)에서 스트레인게이지(154)를 제거한 것을 탄성체(170)로 적용할 수 있어, 로봇팔의 중력 보상 구조를 단순화할 수 있고, 생산 비용을 절감시킬 수 있다는 장점이 있다. 탄성체(170)는 스트레인게이지(154)를 제외한 관절토크센서(150)와 다른 재질로 형성될 수도 있다. 이 경우에도, 탄성체(170)는 관절토크센서(150)와 동일한 금형으로 제작할 수 있어, 생산 비용이 절감될 수 있다는 장점이 있다.
출력링크(220)가 회전하는 경우, 제2감속기(160)는 출력링크(220)의 회전 토크를 입력 받아 이를 감속시켜 출력한다. 탄성체(170)는 제2감속기(160)로부터 출력된 회전 토크를 입력 받고 회전 변형된다. 회전 변형된 탄성체(170)는 제2감속기(160)에 출력링크(220)의 회전 방향과 반대인 방향으로 회전 토크를 가하게 된다.
탄성체(170)가 변형되지 않은 초기 상태에서, 출력링크(220)는 바닥을 기준으로 상측 방향을 향하여 수직으로 배치될 수 있다. 이 때, 출력링크(220)가 회전하게 되면, 출력링크(220)에는 자중에 의해서, 중력 방향으로 회전 토크가 작용한다. 그리고, 탄성체(170)는 제2감속기(160)에 출력링크(220)의 회전 방향과 반대인 방향으로 회전 토크를 가하게 되므로, 출력링크(220)에 작용하는 자중에 의한 회전 토크가 상쇄되게 된다.
출력링크(220)의 회전 토크는 제2감속기(160)를 거쳐서 감속된 상태로 탄성체(170)에 전달되기 때문에, 탄성체(170)의 회전 변위는 매우 작게 형성된다. 이 경우, 출력링크(220)의 회전 속도가 매우 빠르거나, 출력링크(220)에 작용하는 회전 토크가 매우 크더라도, 탄성체(170)의 회전 변위가 매우 작게 형성될 수 있다. 이에 따라, 탄성체(170)가 매우 정밀하게 변형될 수 있으며, 회전에 따른 진동도 거의 발생하지 않아, 높은 강성을 유지할 수 있다는 장점이 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조에 배치된 토션스프링을 나타낸 사시도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 탄성체(170)는 토션스프링(170')일 수도 있다. 토션스프링(170')은 회전 변위를 따라 변형 및 복원되는 스프링을 지칭한다. 토션스프링(170')은 이너바디(171'), 아우터바디(172'), 커넥팅바디(173')를 포함할 수 있다. 아우터바디(172')는 환형 형상으로 형성될 수 있고, 이너바디(171')는 원판형으로 형성될 수 있다. 이너바디(171')는 아우터바디(172')의 내측에 배치될 수 있다. 이 때, 이너바디(171')와 아우터바디(172') 중 어느 하나가 제2감속기(160)와 연결되고, 나머지 하나가 제n관절하우징(110)에 고정될 수 있다. 이너바디(171'), 아우터바디(172'), 커넥팅바디(173') 등의 구성은 예시적으로 나타낸 것일 뿐이며, 토션스프링(170')의 형태 내지 형상이 이에 제한되는 것은 아니다.
커넥팅바디(173')는 이너바디(171')의 외경과 아우터바디(172')의 내경을 연결하도록 배치될 수 있다. 토션스프링(170')은 적어도 일부가 탄성 재질로 형성되어 변형이 가능하다. 커넥팅바디(173')는 탄성 재질로 형성되어 변형이 가능할 수 있다. 이 경우, 제2감속기(160)가 회전하면, 이너바디(171')와 아우터바디(172') 사이에 배치된 커넥팅바디(173')가 변형될 수 있고, 이로 인해 커넥팅바디(173')에 탄성 에너지가 축적될 수 있다.
커넥팅바디(173')는 나선형으로 형성될 수 있다. 구체적으로, 커넥팅바디(173')는 이너바디(171')로부터 아우터바디(172')를 향해 연장되되, 아우터바디(172')를 향할수록 특정 회전 방향으로 기울여지도록 나선형으로 형성될 수 있다. 이와 같이 커넥팅바디(173')가 나선형으로 형성되는 경우, 커넥팅바디(173')는 인장 변형되는 것이 압축 변형되는 것보다 안정적이다. 나선형의 커넥팅바디(173')는 이너바디(171')를 기준으로 아우터바디(172')가 상기 특정 방향으로 상대 회전하는 경우 인장 변형될 수 있다. 따라서, 나선형의 커넥팅바디(173')는 제2감속기(160)가 아우터바디(172')를 상기 특정 방향으로 회전시키거나, 제2감속기(160)가 이너바디(171')를 상기 특정 방향의 반대 방향으로 회전시킬 때, 보다 안정적으로 변형될 수 있다는 장점이 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조를 포함하는 로봇팔을 분해한 분해사시도이다.
도 8을 더 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조가 적용된 로봇팔의 구체적인 예시를 설명한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇팔의 중력 보상 구조를 포함하는 로봇팔은 제n관절하우징(110), 베이스프레임(120), 구동모터(130), 제1감속기(140), 제2감속기(160), 탄성체(170), 제n+1관절하우징(210), 출력링크(220)를 포함하고, 관절토크센서(150)를 더 포함할 수 있다. 베이스프레임(120)을 제외한 나머지 구성에 대해서, 중복되는 설명은 이하 생략한다.
베이스프레임(120)은 제n관절하우징(110)에 고정 배치될 수 있다. 베이스프레임(120)은 제1베이스프레임(121)과 제2베이스프레임(122)을 포함할 수 있다. 제1베이스프레임(121)과 제2베이스프레임(122)은 각각 별개의 구성으로 구비되어, 서로 고정 결합될 수 있다. 뿐만 아니라, 제1베이스프레임(121)과 제2베이스프레임(122)은 하나의 베이스프레임(120)으로서 일체로 형성될 수도 있다.
제1베이스프레임(121)과 제2베이스프레임(122)의 사이에는 구동모터(130), 제1감속기(140), 출력링크(220), 제2감속기(160), 탄성체(170)가 배치될 수 있다. 구동모터(130)는 제1베이스프레임(121)에 고정 배치될 수 있다. 탄성체(170)는 일측이 제2감속기(160)에 연결되고, 타측이 제2베이스프레임(122)에 고정 배치될 수 있다.
출력링크(220)는 구동모터(130), 제1감속기(140) 등을 거쳐 전달된 회전 토크에 의해 회전할 수 있다. 출력링크(220)가 회전하는 경우, 제2감속기(160)를 통해서, 감속된 회전 토크가 탄성체(170)에 전달된다. 이 경우, 타측이 제2베이스프레임(122)에 고정된 탄성체(170)는 회전 변형된다. 회전 변형된 탄성체(170)는 제2감속기(160)를 통해 출력링크(220)에, 출력링크(220)의 회전 방향과 반대인 방향으로 회전 토크를 가하게 된다. 출력링크(220)는 제n+1관절하우징(210)과 고정되어 있으므로, 제n관절하우징(110)에도 출력링크(220)의 회전 방향과 반대인 방향으로 회전 토크가 가해진다.
제1감속기(140) 및 출력링크(220)의 사이에는 관절토크센서(150)가 배치될 수 있다. 관절토크센서(150)는 제1감속기 및 출력링크(220)에 각각 연결될 수 있다.
탄성체(170)의 외형은 앞서 설명한 바와 같이, 관절토크센서(150)의 외형과 동일하게 형성될 수 있다. 예를 들어 관절토크센서(150)가 정전용량 방식인 경우, 탄성체(170)는 관절토크센서(150)와 외형이 동일할 수 있다. 그리고, 관절토크센서(150)가 스트레인게이지 방식인 경우, 스트레인게이지(154)를 제외한 관절토크센서(150)의 형상과 동일할 수 있다. 이 경우, 생산 비용을 매우 절감할 수 있고, 제n관절하우징(110)과 제n+1관절하우징(210) 사이의 협소한 공간에 매우 효율적으로 배치될 수 있다는 장점이 있다.
도 8에서는 탄성체(170)의 형상이 스트레인게이지(154)를 제외한 관절토크센서(150)의 형상과 동일한 것으로 형성되어 있으나, 탄성체(170)의 형상은 이에 제한되지 않는다. 앞서 도 7을 참조하여 설명한 바와 같이, 탄성체(170)는 토션스프링(170')으로 구성될 수 있고, 토션스프링(170')은 특정 방향으로 기울여진 나선형의 커넥팅바디(173')를 포함할 수도 있다. 이 경우, 출력링크(220)가 상기 특정 방향 또는 상기 특정 방향의 반대 방향 중 어느 한 방향으로 회전할 때, 커넥팅바디(173')가 인장 변형될 수 있어, 커넥팅바디(173')의 변형이 안정적으로 형성될 수 있다는 장점이 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이러한 수정, 변경 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
1000 : 로봇팔
110 : 제n관절하우징
120 : 베이스프레임 121 : 제1베이스프레임
122 : 제2베이스프레임
130 : 구동모터
140 : 제1감속기
150 : 관절토크센서 151 : 이너허브
152 : 아우터허브 153 : 허브브릿지
154 : 스트레인게이지
160 : 제2감속기
170 : 탄성체 171 : 이너바디
172 : 아우터바디 173 : 커넥팅바디
170' : 토션스프링 171' : 이너바디
172' : 아우터바디 173' : 커넥팅바디
210 : 제n+1관절하우징
220 : 출력링크

Claims (15)

  1. 적어도 하나 이상의 관절을 구비한 로봇팔에 있어서,
    제n관절하우징에 고정되는 구동모터;
    상기 구동모터와 연결되고, 상기 구동모터의 회전수를 감속시키는 제1감속기;
    상기 제1감속기에 연결되고, 제n+1관절하우징에 고정되는 출력링크;
    상기 출력링크와 연결되고, 상기 출력링크의 회전수를 감속시키는 제2감속기; 및
    일측이 상기 제2감속기에 연결되고, 타측이 상기 제n관절하우징에 고정되는 탄성체를 포함하고,
    상기 탄성체는,
    상기 제2감속기에, 상기 로봇팔의 자중에 의한 회전방향과 반대되는 방향의 회전 토크를 가하는 로봇팔의 중력 보상 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1감속기 및 상기 출력링크에 각각 연결되는 관절토크센서를 더 포함하는 로봇팔의 중력 보상 구조.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 탄성체는 상기 관절토크센서와 동일한 형상인 로봇팔의 중력 보상 구조.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2감속기는
    상기 출력링크를 기준으로 제1감속기의 반대 측에 배치된 로봇팔의 중력 보상 구조.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2감속기의 감속비는 90:1 이상인 로봇팔의 중력 보상 구조.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성체의 회전 변위의 크기는 1도 이하의 범위로 형성되는 로봇팔의 중력 보상 구조.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2감속기는 하모닉드라이브 감속기인 로봇팔의 중력 보상 구조.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 관절토크센서는 상기 관절토크센서의 변형을 측정하는 스트레인게이지를 포함하고,
    상기 탄성체는 상기 스트레인게이지를 제외하고는 상기 관절토크센서와 동일한 형상인 로봇팔의 중력 보상 구조.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 관절토크센서는
    내측에 배치된 이너허브, 외측에 배치된 아우터허브, 및 상기 이너허브와 상기 아우터허브를 연결시키고 상기 스트레인게이지가 배치된 허브브릿지를 포함하고,
    상기 탄성체는
    내측에 배치된 이너바디, 외측에 배치된 아우터바디 및 상기 이너바디와 상기 아우터바디를 연결하는 커넥팅바디를 포함하며,
    상기 이너허브, 상기 아우터허브, 상기 허브브릿지는 각각, 상기 이너바디, 상기 아우터바디, 상기 커넥팅바디와 동일한 형상인 로봇팔의 중력 보상 구조.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 탄성체는 토션스프링인 로봇팔의 중력 보상 구조.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 토션스프링은
    내측에 배치된 이너바디, 외측에 배치된 아우터바디, 및 상기 이너바디와 상기 아우터바디를 연결하는 커넥팅바디를 포함하고,
    상기 커넥팅바디는 나선형의 형상으로 형성된 로봇팔의 중력 보상 구조.
  12. 적어도 하나 이상의 관절을 구비한 로봇팔에 있어서,
    제n관절하우징에 고정되는 베이스프레임;
    상기 베이스프레임에 고정되는 구동모터;
    상기 구동모터와 연결되고, 상기 구동모터의 회전수를 감속시키는 제1감속기;
    상기 제1감속기에 연결되고, 제n+1관절하우징에 고정되는 출력링크;
    상기 출력링크와 연결되고, 상기 출력링크의 회전수를 감속시키는 제2감속기; 및
    일측이 상기 제2감속기에 연결되고, 타측이 상기 베이스프레임에 고정되는 탄성체를 포함하고,
    상기 탄성체는,
    상기 제2감속기에, 상기 로봇팔의 자중에 의한 회전방향과 반대되는 방향의 회전 토크를 가하는 로봇팔.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1감속기 및 상기 출력링크에 각각 연결되는 관절토크센서를 더 포함하는 로봇팔.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 탄성체는 상기 관절토크센서와 동일한 형상인 로봇팔.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 관절토크센서는 상기 관절토크센서의 변형을 측정하는 스트레인게이지를 포함하고,
    상기 탄성체는 상기 스트레인게이지를 제외하고는 상기 관절토크센서와 형상이 동일한 로봇팔.
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