KR20230080330A

KR20230080330A - 스트링 액추에이터 기반 가변 반지름 이중 풀리 메커니즘

Info

Publication number: KR20230080330A
Application number: KR1020220159693A
Authority: KR
Inventors: 유지환; 성현석; 장재형; 백승준; 이진원; 권순철
Original assignee: 한국과학기술원; 에이치엠에이치 주식회사; 대한민국(국립재활원장)
Priority date: 2021-11-29
Filing date: 2022-11-24
Publication date: 2023-06-07

Abstract

본 발명의 스트링 액추에이터 기반 가변 반지름 이중 풀리 메커니즘은, 링크; 상기 링크의 길이방향 일측에 회전 가능하게 결합된 가변 반지름 풀리; 상기 링크의 길이방향 타측에 결합되고 한 쌍의 가이드홀이 관통 형성된 가이드부; 상기 가변 반지름 풀리와 가이드부의 사이에 배치되어 링크에 회전 가능하게 결합된 원형 풀리; 및 하나의 가이드홀을 통과하여 상기 원형 풀리에 권취된 다음, 상기 가변 반지름 풀리에 걸쳐진 후 다른 하나의 가이드홀을 인출된 스트링; 을 포함하여 이루어져, 필요에 따라 원하는 토크 및 각속도를 발생시킬 수 있으며, 아울러 스트링이 가이드부에 접촉되어 마모되는 것을 방지할 수 있어 구동 장치의 수명 및 효율이 향상된 스트링 액추에이터 기반 가변 반지름 이중 풀리 메커니즘에 관한 것이다.

Description

스트링 액추에이터 기반 가변 반지름 이중 풀리 메커니즘 {Double-pulley Mechanism with Variable Radius in String Actuator}

본 발명은 반지름이 가변되는 이중 풀리 메커니즘과 이를 포함하는 스트링 액추에이터에 관한 것이다.

현대 사회에서 로봇은 산업용, 군사용, 의료용 등 다양한 분야에 널리 적용되어 있다.

그리고 로봇을 구동시키는 방식은 매우 다양하며, 로봇의 구동 방식 중 하나로 스트링(와이어)을 이용해 풀리를 회전시킴으로써 토크를 발생시키는 스트링 액추에이터가 있다.

일반적인 스트링 액추에이터는 도 1과 같이 원형 풀리(10)에 스트링(20)이 감겨있는 구조인데, 이러한 구조에서는 모멘트 암의 크기(길이)가 항상 일정하다. 따라서 원형 풀리에서는 항상 일정한 크기의 토크가 발생된다.

그리하여 도 2와 같이 필요에 따라 가변적인 토크를 발생시키기 위해 회전에 따라 모멘트 암의 크기가 변하는 가변 반지름 풀리(30)가 제시되어 있다.

그러나 이러한 가변 반지름 풀리(30)를 이용한 스트링 액추에이터는 도 3과 같이 모멘트 암이 변함에 따라 스트링(20)을 안내해주는 가이드부(40)의 가이드홀(41) 끝부분인 A부분에서 스트링(20)이 접촉되어 마찰이 발생함에 따라, 스트링이 마모되어 장치의 수명이 감소하고 구동 효율이 저하되는 단점이 있다.

KR

10-1910889

B1 (2018.10.17.)

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 가변 반지름 풀리를 이용해 모멘트 암을 가변시킬 수 있으면서도 구동을 위한 스트링이 가이드부와 접촉되어 마모되는 것을 방지할 수 있는 스트링 액추에이터 기반 가변 반지름 이중 풀리 메커니즘 및 이를 포함한 스트링 액추에이터를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 스트링 액추에이터 기반 가변 반지름 이중 풀리 메커니즘은, 링크; 상기 링크의 길이방향 일측에 회전 가능하게 결합되고, 회전중심을 기준으로 반경이 가변되는 가변 반지름 풀리; 상기 링크의 길이방향 타측에 결합되고, 길이방향 일측면과 타측면을 관통하는 가이드홀이 형성된 가이드부; 상기 가변 반지름 풀리와 가이드부의 사이에 배치되고, 상기 링크에 회전 가능하게 결합되며, 회전중심을 기준으로 반경이 일정한 원형 풀리; 및 길이방향 타측에서 일측 방향으로 상기 가이드부의 가이드홀을 통과하여 상기 원형 풀리에 권취된 다음, 상기 가변 반지름 풀리에 걸쳐진 후 길이방향 타측으로 연장된 스트링; 을 포함하여 이루어질 수 있다.

또한, 상기 스트링은, 길이방향 타측에서 일측 방향으로 상기 가이드부의 가이드홀을 통과하여 상기 원형 풀리에 감겨있는 제1스트링; 상기 원형 풀리에 감겨있는 제1스트링에서 연장되어 상기 가변 반지름 풀리에 인접하여 감겨있는 제2스트링; 및 상기 제2스트링에서 연장되어 상기 가변 반지름 풀리에 감겨있으며 길이방향 일측에서 타측 방향으로 연장된 제3스트링; 을 포함할 수 있다.

또한, 상기 스트링은 제1스트링, 제2스트링 및 제3스트링이 하나로 연결된 단일의 와이어일 수 있다.

또는 상기 스트링은, 길이방향 타측에서 일측 방향으로 상기 가이드부의 가이드홀을 통과하여 상기 원형 풀리에 적어도 일부분이 감겨있고 일단이 원형 풀리에 결합된 제1스트링; 상기 제1스트링의 일단에 인접하여 상기 원형 풀리에 타단이 결합되고, 상기 가변 반지름 풀리의 최대 반경 지점에 인접하여 일단이 결합된 제2스트링; 및 상기 가변 반지름 풀리의 최대 반경 지점에 인접하여 일단이 결합되고, 길이방향 일측에서 타측 방향으로 연장된 제3스트링; 을 포함할 수 있다.

또한, 상기 스트링은 제1스트링, 제2스트링 및 제3스트링이 각각 별개로 형성되어 상기 가변 반지름 풀리 또는 원형 풀리에 결합될 수 있다.

또한, 상기 스트링은 가변 반지름 풀리와 상기 가이드부의 가이드홀 사이의 지점이 원형 풀리에 접촉되어 받쳐질 수 있다.

또한, 상기 스트링의 양단은 길이방향으로 상기 가이드부의 타측으로 각각 인출될 수 있다.

또한, 상기 가변 반지름 풀리는 캠 형태일 수 있다.

그리고 본 발명의 스트링 액추에이터는 상기 스트링 액추에이터 기반 가변 반지름 이중 풀리 메커니즘을 포함하고, 길이방향으로 상기 가이드부의 타측에 구비되고 상기 스트링에 연결되어 스트링을 구동시키는 구동기를 더 포함하여 이루어질 수 있다.

또한, 상기 스트링의 양단은 서로 연결되어 구동기에 걸쳐져 구동될 수 있다.

또는 상기 스트링의 일단 및 타단은 각각의 구동기에 연결되어 구동될 수 있다.

본 발명의 스트링 액추에이터 기반 가변 반지름 이중 풀리 메커니즘은, 가변 반지를 풀리를 이용하여 필요에 따라 원하는 토크 및 각속도를 발생시킬 수 있는 장점이 있다.

아울러 스트링이 가이드부에 접촉되어 마모되는 것을 방지할 수 있어 구동 장치의 수명이 증가하고 구동 효율이 향상되는 장점이 있다.

도 1은 종래의 일반적인 원형 풀리를 이용한 스트링 액추에이터의 개념도 및 모멘트 암의 크기를 나타낸 그래프이다.
도 2는 종래의 가변 풀리를 이용한 스트링 액추에이터의 개념도 및 모멘트 암의 크기를 나타낸 그래프이다.
도 3은 종래의 가변 풀리를 이용한 스트링 액추에이터에서 가변 반지름 풀리의 회전시 스트링과 가이드부의 접촉에 의한 마모가 발생하는 경우를 나타낸 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 스트링 액추에이터 기반 가변 반지름 이중 풀리 메커니즘을 나타낸 개념도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 스트링 액추에이터 기반 가변 반지름 이중 풀리 메커니즘의 작동 상태를 나타낸 개념도이다.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명의 스트링 액추에이터 기반 가변 반지름 이중 풀리 메커니즘을 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 tendon-driven 기반 및 줄 꼬임 기반 등 스트링 액추에이터 기반 가변 반지름 이중 풀리 메커니즘을 나타낸 개념도이다.

도시된 바와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 스트링 액추에이터 기반 가변 반지름 이중 풀리 메커니즘은 크게 링크(100), 가변 반지름 풀리(200), 가이드부(300), 원형 풀리(400) 및 스트링(500)을 포함하여 구성될 수 있다.

링크(100)는 폭방향에 비해 길이방향으로 길이가 긴 형태로 형성될 수 있으며, 기본적인 뼈대가 되는 프레임 역할을 할 수 있다.

가변 반지름 풀리(200)는 링크(100)의 길이방향 일측에 회전 가능하게 결합될 수 있다. 가변 반지름 풀리(200)는 일례로 계란 형태와 유사한 캠 형태로 형성되어 회전중심을 기준으로 원주방향을 따라가면서 일부 구간에서는 반경이 일정하고 나머지 구간에서는 반경이 점차 커졌다가 다시 작아지는 형태로 형성될 수 있다. 이외에도 가변 반지름 풀리(200)는 회전중심을 기준으로 반경이 가변될 수 있는 다양한 형태로 형성될 수 있다.

가이드부(300)는 스트링(500)이 흔들리지 않도록 스트링(500)의 이동을 안내해주는 역할을 하는 부분이다. 가이드(300)는 일례로 블록 형태로 형성되어 링크(100)의 길이방향 타측에 결합되어 고정될 수 있다. 가이드부(300)는 길이방향으로 일측면과 타측면을 관통하는 가이드홀(310)이 형성될 수 있으며, 가이드홀(310)은 한 쌍으로 구성되어 폭방향 양측에 각각 가이드홀(310)이 하나씩 형성될 수 있다. 여기에서 가이드홀(310)은 스트링(500)이 관통하며 스트링(500)이 흔들리지 않고 원활하게 이동되도록 하는 역할을 할 수 있다. 가이드홀(310)은 스트링(500)의 외경보다는 약간 크게 형성되어, 가이드홀(310)의 내주면에 스트링(500)이 접촉되지 않고 이격된 상태에서 스트링(500)이 이동되도록 할 수 있다.

원형 풀리(400)는 가변 반지름 풀리(200)와 가이드부(300)의 사이에 배치되고, 원형 풀리(400)는 가변 반지름 풀리(200) 및 가이드부(300)로부터 이격된 지점에 배치될 수 있다. 그리고 원형 풀리(400)는 링크(100)에 회전 가능하게 결합될 수 있다. 원형 풀리(400)는 일반적인 풀리와 같이 회전중심을 기준으로 원주방향을 따라가면서 반경이 모두 일정한 원형의 풀리일 수 있다.

스트링(500)은 구동력을 전달하는 역할을 하며, 벨트나 와이어 또는 로프 등 다양한 종류의 줄일 수 있다. 그리고 스트링(500)은 길이방향 타측에서 일측 방향으로 가이드부(300)의 하나의 가이드홀(310)을 통과하여 원형 풀리(400)에 1바퀴 감긴 다음, 가변 반지름 풀리(200)에 반바퀴 감긴 후 방향이 전환되어 길이방향 일측에서 타측으로 연장되어 다른 하나의 가이드홀(310)을 통과하여 타측으로 인출될 수 있다. 그리하여 구동기에 의해 스트링(500)이 구동되면, 길이방향 및 폭방향의 평면 상으로 보면 가변 반지름 풀리(200)쪽으로 연장된 스트링과 가이드부(300)쪽으로 연장된 스트링이 서로 한 지점에서 중첩되는 포인트 투 포인트 모션(piont to point motion)이 발생된다.

스트링(500)은 제1스트링(510), 제2스트링(520) 및 제3스트링(530)을 포함하여 구성될 수 있다. 일례로 제1스트링(510), 제2스트링(520) 및 제3스트링(530)은 하나로 연결된 단일의 와이어로 형성될 수 있다. 제1스트링(510)은 길이방향 타측에서 일측 방향으로 가이드부(300)의 하나의 가이드홀(310)을 통과하여 원형 풀리(400)에 1바퀴 감겨있고, 제2스트링(520)은 제1스트링(510)의 끝단에서 연장되어 가변 반지름 풀리(200)의 최대 반경 지점에 인접한 위치까지 가변 반지름 풀리(200)에 감겨있을 수 있다. 그리고 제3스트링(530)은 제2스트링(520)의 끝단에서 연장되어 가변 반지름 풀리(200에 감겨있으며, 길이방향 타측을 향해 연장 형성되어 가이드부(300)의 다른 하나의 가이드홀(310)을 통과하여 가이드부(300)의 타측으로 인출될 수 있다. 다른 예로 스트링(500)은 제1스트링(510), 제2스트링(520) 및 제3스트링(530)이 각각 별개로 형성되어 가변 반지름 풀리(200) 또는 원형 풀리(400)에 결합된 형태일 수도 있다. 여기에서 제1스트링(510)은 길이방향 타측에서 일측 방향으로 가이드부(300)의 하나의 가이드홀(310)을 통과하여 원형 풀리(400)에 적어도 일부분기 감겨있고 일단이 원형 풀리에 결합될 수 있다. 그리고 제2스트링(520)은 제1스트링(510)의 일단에 인접하여 원형 풀리(400)에 타단이 결합되고, 가변 반지름 풀리(200)의 최대 반경 지점에 인접하여 일단이 결합되며 일측은 가변 반지름 풀리(200)에 감겨있을 수 있다. 또한, 제3스트링(530)은 가변 반지름 풀리(200)의 최대 반경 지점에 인접하여 일단이 결합되고, 일측이 가변 반지름 풀리(200)에 감겨있으며, 길이방향 일측에서 타측 방향으로 가이드부(300)의 다른 하나의 가이드홀(310)을 통과하여 가이드부(300)의 타측으로 인출될 수 있다. 위 두가지의 스트링의 실시예에서 제3스트링(530)은 가변 반지름 풀리(200)와 가이드부(300)의 다른 하나의 가이드홀(310) 사이의 지점이 원형 풀리(400)에 접촉되어 받쳐질 수 있다. 그리하여 스트링(500)은 하나의 가이드홀(310)을 통과해 원형 풀리(400)에 한 바퀴 감긴 다음 가변 반지름 풀리(200)에 반 바퀴 감겨 방향이 전환된 후, 원형 풀리(400)에 접촉되어 받쳐진 다음 다른 하나의 가이드홀(310)을 통과하게 된다. 그리고 스트링(500)의 양단은 가이드부(300)에서 길이방향으로 타측으로 인출된 형태가 될 수 있다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 스트링 액추에이터 기반 가변 반지름 이중 풀리 메커니즘의 작동 상태를 나타낸 개념도이며, 스트링의 일부(제3스트링)를 제외한 상태를 나타내었다.

도시된 바와 같이 본 발명의 스트링 액추에이터 기반 가변 반지름 이중 풀리 메커니즘의 작동원리를 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 도 5와 같이 가변 반지름 풀리의 최대 반경 지점이 9시 방향을 향하고 있는 상태에서, 구동기가 작동되어 제1스트링(510)이 화살표 방향으로 당겨지면 원형 풀리(400)가 회전되는 모션이 발생하고, 이에 따라 제2스트링(520)이 당겨져 가변 반지름 풀리(200)가 회전되는 모션이 발생하게 된다. 이때, 가변 반지름 풀리(200)를 회전시키는 모멘트 암의 길이는 가변 반지름 풀리(200)의 상대적으로 반경이 작은 부분의 반경 길이가 될 수 있다. 그리고 구동기에 의해 제1스트링(510)이 더 당겨지면 도 6과 같이 가변 반지름 풀리(200)가 회전되며, 이 상태에서 가변 반지름 풀리(200)를 회전시키는 모멘트 암의 길이는 가변 반지름 풀리(200)의 상대적으로 반경이 큰 최대 반경 길이가 될 수 있다. 이때, 구동기에 의해 당겨지는 제1스트링(510)은 원형 풀리(400)에 감겨있기 때문에, 제1스트링(510)의 방향이 변하지 않아 제1스트링(510)이 가이드부(300)의 하나의 가이드홀(310) 끝부분과 마찰이 발생하지 않을 수 있다. 그리고 제2스트링(520)은 자유롭게 방향이 변할 수 있는 상태이므로 가이드부(300)와 전혀 마찰이 발생하지 않으며, 가변 반지름 풀리(200)의 회전에 따른 모멘트 암의 변경이 원활하게 이루어질 수 있다. 이를 통해 본 발명의 스트링 액추에이터 기반 가변 반지름 이중 풀리 메커니즘은 마찰에 의해 스트링(string)의 마모가 발생하는 현상이 없으며, 상황에 따라 모멘트 암을 가변할 수 있게 되는 것이다. 다시말하면 종래의 가변 반지름 풀리만 적용하는 경우, 가이드부의 도관 스트링(string)사이에 마찰이 발생할 수 있다. 하지만, 본 발명에서는 가변 반지름 풀리와 가이드부의 사이에 원형 풀리를 추가함으로써, 스트링을 안내하는 가이드부의 가이드홀과 스트링 간에 마찰이 발생하지 않도록 할 수 있는 장점과 상황에 따라 가변 모멘트 암을 형성할 수 있는 가변 반지름 풀리의 장점을 모두 가지도록 하였다.

또한, 본 발명의 스트링 액추에이터는 상기한 스트링 액추에이터 기반 가변 반지름 이중 풀리 메커니즘을 포함하고, 길이방향으로 상기 가이드부의 타측에 구비되고 상기 스트링에 연결되어 스트링을 구동시키는 구동기를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 도시되지 않았으나 구동기는 다양한 구동 장치가 적용될 수 있으며, 일례로 구동모터가 사용될 수 있다. 그리고 일례로 스트링(500)의 양단은 서로 연결될 수 있으며, 구동기의 구동축에 결합되어 회전되는 구동 풀리에 스트링(500)이 걸쳐져 감겨서 구동될 수 있다. 또는 구동기가 한 쌍으로 구성되어 스트링의 일단에 하나의 구동기가 연결되고 스트링의 타단에 다른 하나의 구동기가 연결되어 스트링을 구동시킬 수도 있다. 이외에도 다양한 형태로 구동기와 스트링이 연결될 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

100 : 링크
200 : 가변 반지름 풀리
300 : 가이드부 310 : 가이드홀
400 : 원형 풀리
500 : 스트링
510 : 제1스트링 520 : 제2스트링
530 : 제3스트링

Claims

링크;
상기 링크의 길이방향 일측에 회전 가능하게 결합되고, 회전중심을 기준으로 반경이 가변되는 가변 반지름 풀리;
상기 링크의 길이방향 타측에 결합되고, 길이방향 일측면과 타측면을 관통하는 가이드홀이 형성된 가이드부;
상기 가변 반지름 풀리와 가이드부의 사이에 배치되고, 상기 링크에 회전 가능하게 결합되며, 회전중심을 기준으로 반경이 일정한 원형 풀리; 및
길이방향 타측에서 일측 방향으로 상기 가이드부의 가이드홀을 통과하여 상기 원형 풀리에 권취된 다음, 상기 가변 반지름 풀리에 걸쳐진 후 길이방향 타측으로 연장된 스트링;
을 포함하여 이루어지는 스트링 액추에이터 기반 가변 반지름 이중 풀리 메커니즘.
제1항에 있어서,
상기 스트링은,
길이방향 타측에서 일측 방향으로 상기 가이드부의 가이드홀을 통과하여 상기 원형 풀리에 감겨있는 제1스트링;
상기 원형 풀리에 감겨있는 제1스트링에서 연장되어 상기 가변 반지름 풀리에 인접하여 감겨있는 제2스트링; 및
상기 제2스트링에서 연장되어 상기 가변 반지름 풀리에 감겨있으며 길이방향 일측에서 타측 방향으로 연장된 제3스트링;
을 포함하는 스트링 액추에이터 기반 가변 반지름 이중 풀리 메커니즘.
제2항에 있어서,
상기 스트링은 제1스트링, 제2스트링 및 제3스트링이 하나로 연결된 단일의 와이어인 것을 특징으로 하는 스트링 액추에이터 기반 가변 반지름 이중 풀리 메커니즘.
제1항에 있어서,
상기 스트링은,
길이방향 타측에서 일측 방향으로 상기 가이드부의 가이드홀을 통과하여 상기 원형 풀리에 적어도 일부분이 감겨있고 일단이 원형 풀리에 결합된 제1스트링;
상기 제1스트링의 일단에 인접하여 상기 원형 풀리에 타단이 결합되고, 상기 가변 반지름 풀리의 최대 반경 지점에 인접하여 일단이 결합된 제2스트링; 및
상기 가변 반지름 풀리의 최대 반경 지점에 인접하여 일단이 결합되고, 길이방향 일측에서 타측 방향으로 연장된 제3스트링;
을 포함하는 스트링 액추에이터 기반 가변 반지름 이중 풀리 메커니즘.
제4항에 있어서,
상기 스트링은 제1스트링, 제2스트링 및 제3스트링이 각각 별개로 형성되어 상기 가변 반지름 풀리 또는 원형 풀리에 결합된 것을 특징으로 하는 스트링 액추에이터 기반 가변 반지름 이중 풀리 메커니즘.
제1항에 있어서,
상기 스트링은 가변 반지름 풀리와 상기 가이드부의 가이드홀 사이의 지점이 원형 풀리에 접촉되어 받쳐진 것을 특징으로 하는 스트링 액추에이터 기반 가변 반지름 이중 풀리 메커니즘.
제1항에 있어서,
상기 스트링의 양단은 길이방향으로 상기 가이드부의 타측으로 각각 인출된 것을 특징으로 하는 스트링 액추에이터 기반 가변 반지름 이중 풀리 메커니즘.
제1항에 있어서,
상기 가변 반지름 풀리는 캠 형태인 것을 특징으로 하는 스트링 액추에이터 기반 가변 반지름 이중 풀리 메커니즘.
제1항 내지 제8항의 스트링 액추에이터 기반 가변 반지름 이중 풀리 메커니즘을 포함하고,
길이방향으로 상기 가이드부의 타측에 구비되고 상기 스트링에 연결되어 스트링을 구동시키는 구동기를 더 포함하여 이루어지는 스트링 액추에이터.
제9항에 있어서,
상기 스트링의 양단은 서로 연결되어 구동기에 걸쳐져 구동되는 것을 특징으로 하는 스트링 액추에이터.
제9항에 있어서,
상기 스트링의 일단 및 타단은 각각의 구동기에 연결되어 구동되는 것을 특징으로 하는 스트링 액추에이터.