KR20230092571A - 가변 자세 유지 기능을 갖는 관절 로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가변 자세 유지 기능을 갖는 관절 로봇에 관한 것으로, 로봇 본체와; 상기 로봇 본체에 설치되는 장력 발생부와; 일측이 중력 방향으로 회전 가능하게 상기 로봇 본체에 결합되고, 회전 방향으로 중력에 따른 하중이 발생하는 회전 링크부와; 일측이 상기 장력 발생부에 연결되고, 타측이 상기 회전 링크부에 연결되어, 상기 장력 발생부에 의해 인가되는 장력을 상기 회전 링크부에 전달하여 상기 회전 링크부의 회전 위치를 유지시키는 텐션 와이어와; 상기 장력 발생부에 의해 인가되는 장력의 크기를 조절하는 장력 조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 자세 유지 기능을 갖는 관절 로봇에 의해서 달성된다.

Description

가변 자세 유지 기능을 갖는 관절 로봇{JOINT ROBOT WITH ADJUSTABLE POSTURE MAINTENANCE FUNCTION}

본 발명은 가변 자세 유지 기능을 갖는 관절 로봇에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 질량과 부피가 작은 컴팩트한 가변 자세 유지 기능을 갖는 관절 로봇에 관한 것이다.

현재의 산업 현장에서는 로봇을 이용한 자동화가 많이 수행되고 있지만, 아직까지는 단순한 반복 작업 위주로만 로봇이 이용된다. 복합적인 감각과 지능이 필요한 작업은 아직까지 인간의 노동력에 의존하고 있다.

고중량의 물체를 다루는 작업은 주로 사람이 기계를 조종하여 운반한 후에 조립만 손으로 수행하며, 저중량의 물체 또는 공구를 다루는 작업은 사람이 직접 손으로 들어서 작업을 하는 경우가 대부분이다.

그러나, 저중량의 물체나 공구를 다루는 작업을 장시간 반복 수행할 경우, 작업자의 근피로 누적에 의해 사고 위험이 높아지거나 작업 효율이 낮아지는 등의 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 중력 보상 장치로 물체를 들고 작업하는 작업자의 근력을 보조하는 수동식의 외골격 장치가 개발되고 있다. 이러한 외골격 장치는 모터 및 센서가 사용되어 가격이 높았던 기존의 착용식 로봇에 비해서, 더 경제적으로 작업자의 근력을 보조 가능하다는 장점을 갖지만, 작업자가 외골격 장치를 직접 몸에 착용해야 하므로 등과 허리에 부담이 가해지며, 자유로운 팔 동작에도 제약이 생기는 단점이 있어 널리 사용되지 못하고 있다.

또 다른 방안으로, 수동식 관절 로봇의 각 관절에 코일 스프링 기반의 중력보상 장치를 장착함으로써 파지된 물체의 자세를 어느 위치와 방위에서든지 유지 가능한 자세 유지 기능을 갖는 관절 로봇이 개발되었다. 이와 같은 자세 유지 기능을 갖는 관절 로봇은 작업자가 작은 힘으로 쉽게 물체를 이동시키고 다룰 수 있게 하여 근력의 부담을 덜어주는 기능을 가진다.

그러나 이와 같은 자세 유지 기능을 갖는 관절 로봇은 각 관절의 중력 보상 장치가 특정 가반하중에 맞추어 설계될 수밖에 없어, 다관절 로봇의 말단에 장착되는 물체의 무게가 달라지면 장치가 자세를 유지할 수 없어 사용이 어렵다.

따라서 다관절 로봇의 각 관절에 인가되는 중력 보상 세기의 조절이 가능하여 변화하는 가반 하중에도 대응 가능한 자세 유지 기능이 적용된다면, 이러한 문제점을 해결하고 효과적으로 작업자의 근력을 보조할 수 있을 것이다.

한국등록특허공보 제10-1903904호 한국등록특허공보 제10-1382149호

이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 질량과 부피가 작은 컴팩트한 자유 유지 구조의 구현이 가능한 관절 로봇을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 가반 하중의 변화에 따라 중력 보상 세기의 조절이 가능한 가변 자세 유지 기능을 갖는 관절 로봇을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

상기 목적은 본 발명에 따라, 가변 자세 유지 기능을 갖는 관절 로봇에 있어서, 로봇 본체와; 상기 로봇 본체에 설치되는 장력 발생부와; 일측이 중력 방향으로 회전 가능하게 상기 로봇 본체에 결합되고, 회전 방향으로 중력에 따른 하중이 발생하는 회전 링크부와; 일측이 상기 장력 발생부에 연결되고, 타측이 상기 회전 링크부에 연결되어, 상기 장력 발생부에 의해 인가되는 장력을 상기 회전 링크부에 전달하여 상기 회전 링크부의 회전 위치를 유지시키는 텐션 와이어와; 상기 장력 발생부에 의해 인가되는 장력의 크기를 조절하는 장력 조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 자세 유지 기능을 갖는 관절 로봇에 의해서 달성된다.

여기서, 상기 회전 링크부에 설치되어, 상기 회전 링크부의 회전에 대한 보조 보상 토크를 제공하는 보조 토크 보상부를 더 포함할 수 있다.

그리고, 상기 장력 발생부는 태엽 스프링의 탄성력에 따라 상기 텐션 스프링으로 장력을 인가하는 스프링 밸런서를 포함하며; 상기 장력 조절부는 상기 태엽 스프링의 탄성력을 조절할 수 있다.

그리고, 상기 회전 링크부는 일측이 상기 로봇 본체에 중력 방향으로 회전 가능하게 결합되는 제1 링크부와, 일측이 상기 제1 링크부의 타측에 회전 가능하게 결합되고, 타측에 가반 하중을 형성하는 하중체가 설치되는 제2 링크부를 포함하며; 상기 텐션 스프링은 상기 장력 발생부로부터 상기 제1 링크부를 거쳐 말단이 상기 제2 링크부에 고정될 수 있다.

그리고, 상기 제1 링크부는 일측이 제1 회전축을 중심으로 상기 로봇 본체에 회동 가능하게 설치되는 제1 링크 바디와, 상기 제1 회전축과 동축으로 상기 제1 링크 바디의 회전에 독립하여 상기 제1 링크 바디에 상대적으로 회전 가능하게 상기 로봇 본체에 축 고정되어, 제1 기준면을 형성하는 제1 기준면 회전체와, 상기 제1 기준면 회전체에 회전 가능하게 설치되되, 상기 제1 회전축으로부터 이격된 상태로 상기 제1 기준면 상에 설치되는 제1 기준면 아이들러와, 상기 제1 링크 바디의 말단 측에 회전 가능하게 설치되는 제1 링크 아이들러를 포함하며; 상기 텐션 와이어는 상기 장력 발생부로부터 연장되어, 상기 제1 기준면 아이들러와 상기 제1 링크 아이들러를 1회 이상 권선한 상태로 상기 제1 기준 아이들러로부터 상기 제2 링크부로 연장되어, 상기 제1 기준면과 상기 제1 링크 바디 간의 각도 변화에 따른 보상 토크를 제공하여 상기 제1 링크 바디의 회전 위치를 유지시킬 수 있다.

또한, 상기 제2 링크부는 일측이 제2 회전축을 중심으로 상기 제1 링크 바디에 회전 가능하게 결합되고, 타측에 상기 하중체가 설치되는 제2 링크 바디와, 상기 제2 회전축과 동축으로 상기 제1 링크 바디 및 상기 제2 링크 바디의 회전에 독립하여 상기 제1 링크 바디 및 상기 제2 링크 바디에 상대적으로 회전 가능하게 상기 제1 링크 바디 및 상기 제2 링크 바디에 결합되고, 제2 기준면을 형성하는 제2 기준면 회전 어셈블리와, 상기 제1 기준면 회전 어셈블리에 회전 가능하게 설치되되, 상기 제2 회전축으로부터 이격된 상태로 상기 제2 기준면 상에 설치되는 제2 기준면 아이들러와, 상기 제2 링크 바디의 말단 측에 회전 가능하게 설치되는 제2 링크 아이들러를 포함하고; 상기 제1 링크부는 상기 제1 링크 바디의 회전에 따른 상기 제1 기준면 회전체의 상대적인 회전을 상기 제2 기준면 회전 어셈블리에 전달하여 상기 제2 기준면을 상기 중력 방향에 대향하게 유지시키는 제1 기준면 회전 전달부재를 더 포함하며; 상기 제1 링크부로부터 연장되는 상기 텐션 와이어는 상기 제2 기준면 아이들러와 상기 제2 링크 아이들러를 1회 이상 권선하여, 상기 제2 기준면과 상기 제2 링크 바디 간의 각도 변화에 따른 보상 토크를 제공하여 상기 제2 링크 바디의 회전 위치를 유지시킬 수 있다.

그리고, 상기 제2 링크부는 상기 제2 링크 바디의 말단 측에 회전 가능하게 결합되고, 제3 기준면을 형성하는 제3 기준면 회전체와; 상기 제3 기준면 회전체에 축 결합되어 상기 제3 기준면 회전체의 회전에 동기되어 회전하고, 상기 하중체가 설치되는 하중 설치부와; 상기 제2 링크 바디의 회전에 따른 상기 제2 기준면 회전 어셈블리의 상대적인 회전을 상기 제3 기준면 회전체에 전달하여 상기 제3 기준면을 중력 방향에 대향하게 유지시키는 제2 기준면 회전 전달부재를 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제1 기준면 회전 전달부재는 상기 제1 기준면 회전체의 상대적인 회전을 상기 제2 기준면 회전 어셈블리로 전달하는 제1 기준면 전달 벨트를 포함하며; 상기 제2 기준면 회전 전달부재는 상기 제2 기준면 회전 어셈블리의 상대적인 회전을 상기 제3 기준면 회전체로 전달하는 제2 기준면 전달 벨트를 포함할 수 있다.

그리고, 상기 제2 기준면 회전 어셈블리는 상기 제1 링크 바디에 회전 가능하게 설치되고 제2 기준면 전달 벨트에 의해 상기 제1 기준면 회전체와 연결되는 제2 기준면 전달 회전체와, 상기 제2 링크 바디에 회전 가능하게 설치되되, 상기 제2 기준면 전달 회전체와 축 결합되어 회전하며, 상기 제2 기준면 전달 벨트에 의해 상기 제3 기준면 회전체와 연결되는 제2 기준면 회전체를 포함하며; 상기 제2 기준면 아이들러는 상기 제2 기준면 회전체에 회전 가능하게 결합될 수 있다.

그리고, 상기 보조 토크 보상부는 일측이 상기 제1 기준면 회전체의 상기 제1 기준면 상에 결합되고, 타측이 상기 제1 링크 바디의 말단 측에 연결되어 상기 제1 링크 바디의 중력 방향으로의 회전을 탄성적으로 지지하여, 상기 제1 링크 바디의 회전에 대한 보조 보상 토크를 제공할 수 있다.

여기서, 상기 보조 토크 보상부는 상기 제1 기준면 회전체에 접근 및 이격 가능하게 상기 제1 링크 바디에 설치되는 슬라이더와, 일측이 상기 슬라이더에 접하고 상기 슬라이더에 상기 제1 기준면 회전체로부터 이격되는 방향으로 탄성력을 인가하는 보상 스프링과, 일측이 상기 제1 기준면 아이들러에 회전 가능하게 결합되고, 타측이 상기 슬라이더에 회전 가능하게 결합되는 커넥팅 로드를 포함하며; 상기 제1 기준면과 상기 제1 링크 바디가 이루는 각도에 따라 상기 커넥팅 로드에 연결된 상기 슬라이더의 위치가 가변되어 상기 보상 스프링으로부터 상기 보조 보상 토크가 생성될 수 있다.

또는, 상기 보조 토크 보상부는 상기 제1 기준면 회전체에 접근 및 이격 가능하게 상기 제1 링크 바디에 설치되는 슬라이더와, 일측이 상기 슬라이더에 접하고 상기 슬라이더에 상기 제1 기준면 회전체로부터 이격되는 방향으로 탄성력을 인가하는 보상 스프링과, 상기 슬라이더와 상기 제1 기준면 회전체 사이에 설치되는 보조 아이들러와, 일측이 상기 제1 기준면 아이들러에 결합되고, 타측이 상기 보조 아을러를 거쳐 상기 슬라이더에 결합되는 보조 와이어를 포함하며; 상기 제1 기준면과 상기 제1 링크 바디가 이루는 각도에 따라 상기 보조 와이어에 연결된 상기 슬라이더의 위치가 가변되어 상기 보상 스프링으로부터 상기 보조 보상 토크가 생성될 수 있다.

상기와 같은 구성에 따라, 본 발명에 따르면 질량과 부피가 작은 컴팩트한 자유 유지 구조의 구현이 가능한 관절 로봇이 제공된다.

또한 본 발명에 따르면, 가반 하중의 변화에 따라 중력 보상 세기의 조절이 가능한 가변 자세 유지 기능을 갖는 관절 로봇이 제공된다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가변 자세 유지 기능을 갖는 관절 로봇의 구성을 나타낸 도면이고,
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 텐션 와이어의 장력이 증폭되는 개념을 설명하기 위한 도면이고,
도 3 및 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가변 자세 유지 기능을 갖는 관절 로봇의 중력 보상 원리를 설명하기 위한 도면이고,
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가변 자세 유지 기능을 갖는 관절 로봇의 구성을 나타낸 도면이고,
도 6 내지 도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 가변 자세 유지 기능을 갖는 관절 로봇의 구성을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가변 자세 유지 기능을 갖는 관절 로봇(10)의 구성을 나타낸 도면이다. 본 발명의 실시예에 따른 관절 로봇(10)은 가반 하중의 크기에 따라 자세가 유지된 가변 자세 유지 기능을 갖는다.

도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 관절 로봇(10)은 로봇 본체(100), 장력 발생부(112), 회전 링크부(300), 텐션 와이어(150) 및 장력 조절부(113)를 포함할 수 있다.

로봇 본체(100)는 지면이나 받침대(170)(170, 도 ? 참조)에 안착되어 본 발명의 실시에에 따른 관절 로봇(10) 전체를 지지한다.

장력 발생부(112)는 로봇 본체(100)에 설치되어, 일 방향으로 지속적인 힘, 예컨대, 중력 방향에 대향하게 잡아 당기는 방향으로 지속적인 힘을 제공한다.

본 발명의 실시예에 따른 회전 링크부(300)는 일측이 중력 방향으로 회전 가능하게 로봇 본체(100)에 결합된다. 따라서, 회전 링크부(300)에는 회전 방향으로 중력에 따른 하중이 발생하게 된다.

텐션 와이어(150)는 일측이 장력 발생부(112)에 연결되고, 타측이 회전 링크부(300)에 연결된다. 여기서, 텐션 와이어(150)는 장력 발생부(112)에 의해 인가되는 지속적인 힘, 즉 장력을 회전 링크부(300)에 전달함으로써, 회전 링크부(300)의 회전 위치, 즉 자세를 유지시킨다.

여기서, 본 발명의 실시예에서는 장력 조절부(113)가 장력 발생부(112)에 의해 인가되는 장력의 크기를 조절함으로써, 회전 링크부(300)의 말단에 설치되는 부품이나 장비 등에 의한 가반 하중이 변하더라도 자세 유지를 위한 적절한 장력의 제공, 즉 중력 보상이 가능하게 된다.

본 발명의 실시예에서는 장력 발생부(112)가 태엽 스프링의 탄성력에 따라 텐션 스프링에 장력을 인가하는 스프링 밸런서를 포함하는 것을 예로 한다. 그리고, 장력 조절부(113)는 스프링 밸런서를 구성하는 태엽 스프링의 탄성력을 조절함으로써, 텐션 와이어(150)에 인가되는 장력을 조절하는 것을 예로 한다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 회전 링크부(300)는 제1 링크부(310) 및 제2 링크부(330)를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 제1 링크부(310)는 일측이 로봇 본체(100)에 중력 방향으로 회전 가능하게 결합된다. 그리고, 제2 링크부(330)는 일측이 제1 링크부(310)의 타측에 회전 가능하게 결합되고, 타측에 가반 하중을 형성하는 하중체(720)가 설치된다.

여기서, 텐션 스프링은 장력 발생부(112)로부터 제1 링크부(310)를 거쳐 말단이 제2 링크부(330)에 고정되어, 제1 링크부(310)의 회전과 제2 링크부(330)의 회전 각각에 가해지는 중력 토크를 텐션 스프링의 장력에 의한 보상 토크로 보상하게 된다. 즉, 하나의 텐션 와이어(150)를 이용하여 2관절 구조의 회전 링크부(300)를 구성하는 제1 링크부(310) 및 제2 링크부(330)에 가해지는 중력에 따른 하중을 보상하게 된다.

본 발명의 실시예에 따른 제1 링크부(310)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 링크 바디(311), 제1 기준면 회전체(312), 제1 기준면 아이들러(313), 및 제1 링크 아이들러(314)를 포함할 수 있다.

제1 링크 바디(311)는 일측이 제1 회전축을 중심으로 로봇 본체(100)에 회동 가능하게 설치되며, 본 발명의 실시예에 따른 제1 링크부(310)의 전체 외관을 형성하게 된다.

제1 기준면 회전체(312)는 제1 회전축과 동축 상에서 회전 가능하게 설치되는데, 제1 링크 바디(311)의 회전에 독립하여 제1 링크 바디(311)에 대해 상대적으로 회전 가능하게 로봇 본체(100)에 축 고정된다.

즉, 제1 기준면 회전체(312)는 로봇 본체(100)에 축 고정되어, 로봇 본체(100)에 대해서는 회전하지 않으나, 제1 링크 바디(311)가 제1 회전축을 중심으로 회전할 때 제1 링크 바디(311)에 상대적으로 회전하게 된다.

따라서, 제1 링크 바디(311)와의 관계에서는 제1 링크 바디(311)의 회전과 무관하게 회전하지 않아, 제1 기준면 회전체(312)의 축으로부터 중력 방향에 대향하는 방향이 제1 링크 바디(311)의 회전에 대한 제1 기준면이 된다.

본 발명의 실시예에 따른 제1 기준면 아이들러(313)는 제1 기준면 회전체(312)에 회전 가능하게 설치된다. 여기서, 제1 기준면 아이들러(313)는 제1 회전축으로부터 중력 방향에 대향하는 방향, 즉 제1 기준면 상에 설치된다.

그리고, 제1 링크 아이들러(314)는 제1 링크 바디(311)의 말단 측에 회전 가능하게 설치된다. 또한, 제1 링크 아이들러(314)는 제1 회전축으로부터 제1 링크 바디(311)의 길이 방향으로 연장된 위치에 설치될 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 텐션 와이어(150)가 장력 발생부(112)로부터 연장되어, 제1 기준면 아이들러(313)와 제1 링크 아이들러(314)를 1회 이상 권선한 상태로 제1 기준 아이들러로부터 제2 링크부(330)로 연장되는 것을 예로 한다. 이를 통해, 제1 기준면과, 제1 링크 바디(311) 간의 각도 변화에 따른 보상 토크를 제공하여 제1 링크 바디(311)의 회전 위치를 유지시키게 된다.

본 발명의 실시예에서는 텐션 와이어(150)가 제1 기준면 아이들러(313)와 제1 링크 아이들러(314)를 복수회 권선하는 것을 예로 한다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 텐션 와이어(150)가 제1 기준면 아이들러(313)와 제2 링크 아이들러(334)를 복수회 권선할 때, 장력이 증폭되는 개념을 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하여 설명하면, 제1 기준면 아이들러(313)를 거쳐 제1 링크 아이들러(314)에 텐션 와이어(150)가 단순히 연결된 경우, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 장력 발생부(112)가 인가하는 장력이 그대로 제1 링크 아이들러(314)로 인가된다.

반면, 텐션 와이어(150)가, 도 2의 (b) 및 (c)에 도시된 바와 같이, 제1 링크 아이들러(314)를 1회 권선하게 되면, 장력 발생부(112)가 인가하는 장력은 2배가 될 것이다.

그리고, 텐션 와이어(150)가, 도 2의 (d)에 도시된 바와 같이, 제1 링크 아이들러(314)를 2회 권선하게 되면, 장력 발생부(112)가 인기하는 장력은 4배가 될 것이다.

즉, 도 2의 (e)에 도시된 바와 같이, 텐션 와이어(150)가 제1 링크 아이들러(314)를 n회 권선하게 되면, 장력 발생부(112)에 인가되는 장력은 2n배로 증폭되어, 중력 토크를 보상하기 위한 보상 토크로 작용하게 된다.

여기서, 본 발명의 실시예에 따른 제1 기준면 아이들러(313)와 제1 링크 아이들러(314)의 외주면에는 권선되는 횟수에 따른 텐션 와이어(150)가 상호 독립적인 위치에서 제1 기준면 아이들러(313) 및 제1 링크 아이들러(314)를 감싸도록 복수의 홈(미도시)이 형성되는 것을 예로 한다.

상기와 같은 구성에 따라 제1 기준면과 제1 링크 바디(311) 간의 각도 변화에 따라 달라지는 중력 토크에 따른 보상 토크가 제공 가능하게 되어, 제1 링크 바디(311)의 회전 위치, 즉 제1 링크부(310)의 회전 위치가 유지될 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 제2 링크부(330)는 제2 링크 바디(331), 제2 기준면 회전 어셈블리(350), 제2 기준면 아이들러(333), 및 제2 링크 아이들러(334)를 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 제2 링크 바디(331)는 일측이 제2 회전축을 중심으로 제1 링크 바디(311)의 말단에 회전 가능하게 결합된다. 그리고, 제2 링크 바디(331)의 타측에는 하중체(720)가 설치된다.

제2 기준면 회전 어셈블리(350)는 제2 회전축과 동축으로 제1 링크 바디(311) 및 상기 제2 링크 바디(331)의 회전에 독립하여 제1 링크 바디(311) 및 상기 제2 링크 바디(331)에 상대적으로 회전 가능하게 제1 링크 바디(311) 및 상기 제2 링크 바디(331)에 결합된다.

여기서, 본 발명의 실시예에서는 제1 링크부(310)가 제1 기준면 회전 전달부재(371)를 포함하는 것을 예로 한다.

제1 기준면 회전 전달부재(371)는 제1 링크 바디(311)의 회전에 따른 제1 기준면 회전체(312)의 상대적인 회전을 제2 기준면 회전 어셈블리(350)에 전달하여, 제2 기준면을 중력 방향에 대향하는 방향으로 유지시킨다.

따라서, 제1 링크부(310)가 로봇 본체(100)에 대해 회전하더라고, 제1 링크부(310)의 회전에 따른 제1 기준면 회전체(312)의 상대적인 회전에 제1 기준면 회전 전달부재(371)를 통해 제1 기준면 회전 어셈블리에 전달됨으로써, 제1 기준면 회전 어셈블리에 의해 형성되는 제2 기준면이 중력 방향에 대향하는 방향을 유지하게 된다.

또한, 제1 기준면 회전 어셈블리가 제2 링크 바디(331)에 대해서도 독립하여 회전 가능하게 설치되어, 제2 링크 바디(331)가 제1 링크 바디(311)에 대해 회전하더라도, 제1 기준면 회전 어셈블리에 의해 형성되는 제2 기준면이 중력 방향에 대향하는 방향을 유지하게 된다.

본 발명의 실시예에 따른 제2 기준면 아이들러(333)는 제2 기준면 회전 어셈블리(350)에 회전 가능하게 설치된다. 여기서, 제2 기준면 아이들러(333)는 제2 회전축으로부터 중력 방향에 대향하는 방향, 즉 제2 기준면 상에 설치된다.

그리고, 제2 링크 아이들러(334)는 제2 링크 바디(331)의 말단 측에 회전 가능하게 설치된다. 또한, 제2 링크 아이들러(334)는 제2 회전축으로부터 제2 링크 바디(331)의 길이 방향으로 연장된 위치에 설치될 수 있다.

여기서, 제1 링크부(310)로부터 연장되어 온 텐션 와이어(150)는 제2 기준면 아이들러(333)와 제2 링크 아이들러(334)를 1회 이상 권선한 상태를 유지하게 된다. 이를 통해, 제2 기준면과, 제2 링크 바디(331) 간의 각도 변화에 따른 보상 토크를 제공하여 제2 링크 바디(331)의 회전 위치를 유지시키게 된다.

본 발명의 실시예에서는 텐션 와이어(150)가 제2 기준면 아이들러(333)와 제2 링크 아이들러(334)를 복수회 권선하는 것을 예로 한다. 이는 제1 기준면 아이들러(313) 및 제1 링크 아이들러(314)를 권선하는 텐션 와이어(150)의 원리에 대응하는 바, 그 상세한 설명은 생략한다.

여기서, 본 발명의 실시예에 따른 제2 기준면 아이들러(333)와 제2 링크 아이들러(334)의 외주면에는 권선되는 횟수에 따른 텐션 와이어(150)가 상호 독립적인 위치에서 제2 기준면 아이들러(333) 및 제2 링크 아이들러(334)를 감싸도록 복수의 홈(미도시)이 형성되는 것을 예로 한다.

상기와 같은 구성에 따라 제2 기준면과 제2 링크 바디(331) 간의 각도 변화에 따라 달라지는 중력 토크에 따른 보상 토크가 제공 가능하게 되어, 제2 링크 바디(331)의 회전 위치, 즉 제2 링크부(330)의 회전 위치가 유지될 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 제2 링크부(330)는 제3 기준면 회전체(391), 하중 설치부(392), 및 제2 기준면 회전 전달부재(372)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

제3 기준면 회전체(391)는 제2 링크 바디(331)의 말단 측에 회전 가능하게 결합된다. 여기서, 제3 기준면 회전체(391)는 제3 기준면을 형성하게 된다.

하중 설치부(392)는 제3 기준면 회전체(391)에 축 결합되어 제3 기준면 회전체(391)의 회전에 동기되어 회전하게 된다. 여기서, 하중 설치부(392)에는 하중체(720)가 설치된다.

그리고, 제2 기준면 회전 전달부재(372)는 제2 링크 바디(331)의 회전에 따른 제2 기준면 회전 어셈블리(350)의 상대적인 회전을 제3 기준면 회전체(391)에 전달하여, 제3 기준면을 중력 방향에 대향하게 유지시키게 된다.

이를 통해, 제1 기준면 회전체(312)에 의한 제1 기준면, 제2 기준면 회전 어셈블리(350)에 의한 제2 기준면, 그리고 제3 기준면 회전체(391)에 의한 제3 기준면이 모두 중력 방향에 대향하는 방향으로 유지되어, 제3 기준면 회전체(391)에 축 결합된 하중 설치부(392)가 제1 링크부(310) 및 제2 링크부(330)의 회전과 무관하게 일정한 자세로 유지가 가능하게 된다.

이하에서는 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 관절 로봇(10)의 가변 자세 유지의 원리에 대해 설명한다.

도 2를 참조하여 설명하면, m ₂, m ₃, m은 제1 링크부(310), 제2 링크부(330), 그리고 하중체(720)에 의한 가반하중의 질량이고, θ ₂와 θ ₃는 각각 제1 기준면 및 제2 기준면에 대해 제1 링크부(310) 및 제2 링크부(330)가 이루는 각도의 변위이다. 그리고, l ₂와 l ₃는 제1 링크부(310)와 제2 링크부(330)의 길이로, 각각 제1 회전축과 제2 회전축 간의 거리, 제2 회전축과 제3 회전축 간의 거리로 나타낸다.

그리고, l _{c 2}와 l _{c 3}는 각각 제1 회전축으로부터 제1 링크부(310)의 질량 중심까지의 거리와, 제2 회전축으로부터 제2 링크부(330)의 질량 중심까지의 거리이다. 그리고, a ₂와 a ₃는 각각 제1 회전축으로부터 제1 기준면 아이들러(313)까지의 거리와, 제2 회전축으로부터 제2 기준면 아이들러(333)까지의 거리이다. 그리고, b ₂와 b ₃ 는 각각 제1 회전축으로부터 제1 링크 아이들러(314)까지의 거리와, 제2 회전축으로부터 제2 링크 아이들러(334)까지의 거리이다.

F는 장력 발생부(112), 즉 스프링 밸런서가 인가하는 텐션 와이어(150)의 장력으로, n ₂와 n ₃는 텐션 와이어(150)가 제1 기준면 아이들러(313)와 제1 링크 아이들러(314)를 권선한 횟수, 그리고 제2 기준면 아이들러(333)와 제2 링크 아이들러(334)를 권선한 횟수라고 하면, 제1 링크부(310)에서 제1 기준면 아이들러(313)와 제1 링크 아이들러(314) 사이에 발생하는 힘, 그리고 제2 링크부(330)에서 제2 기준면 아이들러(333)와 제2 링크 아이들러(334) 사이에 발생하는 힘은 각각 2n ₂ F와 2n ₃ F으로 표현할 수 있다.

여기서, 로봇 본체(100)와 제1 링크부(310) 간의 제1 회전축을 관절 2라하고, 제1 링크부(310)와 제2 링크부(330) 간의 제2 회전축을 관절 3라고 정의한다.

관절 3에 인가되는 중력 토크는 제2 링크부(330)와 가반하중의 질량인 m ₃과 m에 의해서 발생하며, 관절 3의 변위 θ ₃에만 영향을 받는다. 관절 3에 인가되는 보상 토크는 관절 3의 제2 기준면 아이들러(333)와 제2 링크 아이들러(334) 사이에 발생하는 힘 2n ₃ F에 의해서 발생하며, 역시 관절 3의 변위 θ ₃에만 영향을 받는다.

한편, 관절 3에 인가되는 토크 성분은 제2 기준면을 포함하는 제2 기준면 회전 어셈블리(350), 제3 기준면 회전체(391) 및 제2 기준면 회전 전달부재(372)의 연결 관계(평행 4절 링크 구조에 대응함)에 의해 흡수되어, 관절 3에 영향을 미치지 않는다.

이는, 관절 2의 관점에서 제2 링크부(330)와 가반하중의 질량 m ₃과 m이 제1 링크부(310)의 말단에 집중되어 있는 것처럼 취급할 수 있다. 따라서 관절 2에 인가되는 중력 토크는 제1 링크부(310), 제2 링크부(330), 그리고 가반하중의 질량인 m ₂, m ₃, m에 의해 발생되며, 관절 2의 변위 θ ₂에만 영향을 받는다.

관절 2에 인가되는 보상 토크는 제1 기준면 아이들러(313)와 제1 링크 아이들러(314) 사이에서 발생하는 힘인 2n ₂ F에 의해서 발생하며, 역시 관절 2의 변위 θ ₂에만 영향을 받는다.

따라서, 관절 2와 3에 인가되는 중력 토크 T _{g 2} , T _{g 3}과 보상 토크 T _{c 2} , T _{c 3}는 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 1]

본 발명의 실시예에서는 하중체(720)에 의한 가반하중인 m이 변함에 따라, 스프링 밸런서가 인가하는 텐션 와이어(150)의 장력 F를 장력 조절부(113)에 의해 조절함으로써, 가변하는 하중에 적합한 장력을 제공하게 된다.

보다 구체적으로 설명하면, 여러 설계 변수들이 적절히 선정되는 경우에도, 도 4에 도시된 그래프와 같이, 관절 2 및 관절 3 각각에서의 중력 토크와 보상 토크들은 정현파의 형태로 나타난다.

[수학식 1]에서 b ₂>>a ₂ 이고, b ₃>>a ₃ 이면, 관절 2 및 관절 3에서의 보상 토크는 각각 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 2]

상기와 같은 원리를 통해, 관절 2에 인가되는 중력 토크 T _{g 2}와 보상 토크 T _{c 2}는 관절 2의 변위 θ ₂에 대한 sin 함수이며, T _{g 2} ≒ T _{c 2}, 즉 m ₂ gl _{c 2} + m ₃ gl ₂ + mgl ₂ = 2n ₂ a ₂ F을 이루도록 설계 변수들을 선정하면 적절한 중력보상이 가능하다.

마찬가지로, 관절 3에 인가되는 중력 토크 T _{g 3}와 보상 토크 T _{c 3}는 관절 3의 변위 θ ₃에 대한 sin 함수이며, T _{g 3} ≒ T _{c 3}, 즉 m ₃ gl _{c 3} + mgl ₃ = 2n ₃ a ₃ F을 이루도록 설계변수들을 선정하면 적절한 중력 보상이 가능하다.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는 가반 하중 m이 가변될 때, 스프링 밸런서의 장력 F가 적절히 조절되며 중력 보상이 수행되어야 하므로, 추가적인 설계 변수가 고려된다.

보다 구체적으로 설명하면, 최소 가반하중 m _min 이 인가될 때 장력 조절부(113)의 조작에 따라 텐션 와이어(150)에 최소 장력 F _min 이 인가되어 관절 2 및 관절 3에 모두 적절한 중력 보상이 수행되고, 최대 가반하중 m _max 가 인가되었을 시에 장력 조절부(113)의 조작에 따라 텐션 와이어(150)에 최대 장력 F _max 가 인가되어 관절 2와 관절 3에 모두 적절한 중력 보상이 수행된다고 가정하면, [수학식 3]과 같은 관계식이 성립될 수 있다.

[수학식 3]

[수학식 3]을 정리하면, [수학식 4]와 같은 관계식이 도출될 수 있다.

[수학식 4]

[수학식 4]를 다시 정리하면, [수학식 5]와 같은 관계식의 도출이 가능하다.

[수학식 5]

따라서, [수학식 5]를 만족하는 설계 변수들이 선정되는 경우, 임의의 가반하중 m이 인가되었을 때, 적절한 장력 F가 인가되어 중력 보상이 가능하게 된다.

예컨대, 앞서 설명한 수식 m ₂ gl _{c 2} + m ₃ gl ₂ + mgl ₂ = 2n ₂ a ₂ F 또는 m ₃ gl _{c 3} + mgl ₃ = 2n ₃ a ₃ F를 기반으로 하여, m이 가변됨에 따라 장력 F를 장력 조절부(113)를 통해 조절함으로써, 보다 안정적인 자세 유지가 가능하게 된다.

한편, [수학식 5]에서, 우변의

항은 도 3의 구조에서는 음수(-)가 되므로, 이를 보완하기 위해서는 제1 링크 바디(311)의 제1 회전축의 후방으로 질량 중심이 형성되어야 한다. 따라서, 제1 링크 바디(311)의 제1 회전축의 후방 측에 추가적인 질량을 인가하기 위한 구조가 적용될 수 있다.

다른 예로, 본 발명의 제2 실시예에 따른 관절 로봇(10)은 보조 토크 보상부(500)를 더 포함하여, [수학식 5]의 우변이 양수(+)가 되도록 구성하는 것을 예로 한다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가변 자세 유지 기능을 갖는 관절 로봇(10)의 구성을 나타낸 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 관절 로봇(10)은 보조 토크 보상부(500)를 더 포함하여 구성된다.

본 발명의 실시예에 따른 보조 토크 보상부(500a)는 제1 회전 링크부(300)에 설치되어 제1 회전 링크부(300)의 회전에 대한 보조 보상 토크를 제공할 수 있다. 즉, 텐션 와이어(150)에 의한 보상 토크와, 보조 토크 보상부(500a)에 의한 보조 보상 토크가 관절 2에 가해지는 중력 토크를 보상함으로써, [수학식 5]의 우변이 음수가 되는 상황을 해소하게 된다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 보조 토크 보상부(500a)는 일측이 제1 기준면 회전체(312)의 제1 기준면 상에 결합되고, 타측이 제1 링크 바디(311)의 말단 측에 연결된다. 그리고, 제1 링크 바디(311)의 중력 방향으로의 회전력을 탄성적으로 지지하여, 제1 링크 바디(311)의 회전에 대한 보조 보상 토크를 제공하게 된다.

본 발명의 제2 실시예에서는 보조 토크 보상부(500a)가 보조 와이어(530a), 슬라이더(510a), 보상 스프링(520a), 보조 아이들러(550a) 및 스프링 지지부재(540a)를 포함하는 것을 예로 하고 있다.

보조 아이들러(550a)는 제1 회전축으로부터 제1 링크 바디(311)의 길이 방향으로 이격된 위치, 즉 b ₂ ' 거리의 위치에 설치된다. 그리고, 슬라이더(510a)는 제1 회전축 방향으로 접근 및 이격 가능하게 제1 링크 바디(311)에 설치된다.

보상 스프링(520a)은 제1 링크 바디(311)에 위치가 고정된 스프링 지지부재(540a)와 슬라이더(510a) 사이에 배치되어, 슬라이더(510a)를 스프링 지지부재(540a)로부터 밀어내는 방향으로 탄성력을 제공한다.

그리고, 보조 와이어(530a)는 일측이 제1 기준면 아이들러(313)에 체결되고, 타측이 보조 아이들러(550a)를 거쳐 슬라이더(510a)에 체결된다.

상기와 같은 구성에 따라, 보조 토크 보상부(500a)가 제공하는 보조 보상 토크는 [수학식 6]과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 6]

상기와 같은 보조 보상 토크의 제공에 의해, [수학식 2]에서 관절 2에서의 보상 토크는 [수학식 7]과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 7]

[수학식 7]을 이용하여, 앞서 설명한 바와 같이, 관계식들을 정리하면, [수학식 5]는 보조 보상 토크가 반영되어 [수학식 8]과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 8]

따라서, [수학식 8]을 만족하는 설계 변수들이 선정되는 경우, 임의의 가반하중 m이 인가되었을 때, 적절한 장력 F가 인가되어 중력 보상이 가능하게 된다.

여기서, 앞서 설명한 수식 m ₂ gl _{c 2} + m ₃ gl ₂ + mgl ₂ = 2n ₂ a ₂ F는 m ₂ gl _{c 2} + m ₃ gl ₂ + mgl ₂ = 2n ₂ a ₂ F+a ₂ b ₂ 'ksinθ ₂로 나타낼 수 있다.

이하에서는, 도 6 내지 도 11을 참조하여, 본 발명의 제3 실시예에 따른 가변 자세 유지 기능을 갖는 관절 로봇(10)에 대해 상세히 설명한다. 본 발명의 제3 실시예에 따른 관절 로봇(10)은 앞서 설명한 제2 실시예가 실제 적용된 구성으로, 보조 토크 보상부(500)의 구성이 다른 예를 나타내고 있다. 여기서, 본 발명의 제3 실시예예에서는 제1 실시예 및 제2 실시예와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조번호를 사용하여 설명한다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 관절 로봇(10)은 로봇 본체(100), 장력 발생부(112), 회전 링크부(300), 텐션 와이어(150) 및 장력 조절부(113)를 포함할 수 있다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 로봇 본체(100)는 로봇 베이스(110) 및 제3 링크부(130)를 포함하는 것을 예로 한다. 이는 상술한 제1 실시예 및 제2 실시예에도 동일하게 적용 가능하다.

본 발명의 실시예에 따른 로봇 베이스(110)는 지면이나 받침대(170)에 안착되어, 본 발명의 실시예에 따른 관절 로봇(10) 전체를 지지한다. 도 6에서는 받침대(170)에 로봇 베이스(110)가 지지되는 것을 예로 하고 있다.

여기서, 받침대(170)는 작업자의 작업 위치를 고려하여 설치될 수 있으며, 도 6에서는 다리(173)와, 기둥(172), 그리고 지지판(171)으로 구성되는 것을 예로 하고 있다. 이외에도, 다양한 구조의 받침대(170)나 지지구조가 적용 가능함은 물론이다.

여기서, 장력 발생부(112)는 로봇 베이스(110) 내부에 설치되는데, 그 구체적인 구성에 대해서는 후술한다.

본 발명의 실시예에 따른 제3 링크부(130)는 로봇 베이스(110)의 상부 측에 설치되어, 제1 링크부(310)를 회전 가능하게 지지한다. 본 발명에서는 제3 링크부(130)가 로봇 베이스(110)에 대해 중력 방향을 축으로 회전 가능하게 설치되는 것을 예로 한다. 여기서, 제3 링크부(130)는 중력 방향을 축으로 회전하는 바, 중력에 따른 회전 방향으로의 중력 토크가 작용하지 않는다.

본 발명의 실시예에 따른 로봇 베이스(110) 및 제3 링크부(130)의 구체적인 구성에 대해서는 후술한다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 회전 링크부(300)는, 제1 실시예 및 제2 실시예서와 마찬가지로, 제1 링크부(310) 및 제2 링크부(330)를 포함할 수 있다.

도 8을 참조하여 설명하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 제1 링크부(310)는 제1 링크 바디(311), 제1 기준면 회전체(312), 제1 기준면 아이들러(313), 및 제1 링크 아이들러(314)를 포함할 수 있다.

제1 링크 바디(311)는 일측이 제1 회전축을 중심으로 로봇 본체(100)의 제3 링크부(130)에 회전 가능하게 설치된다.

제1 기준면 회전체(312)는 제1 회전축과 동축 상에서 회전 가능하게 설치되며, 제1 링크 바디(311)의 회전에 독립하여 제1 링크 바디(311)에 대해 상대적으로 회전 가능하게 로봇 본체(100)의 제3 링크부(130)에 축 고정된다.

이를 통해, 제1 실시예 및 제2 실시예에서와 마찬가지로, 제1 기준면 회전체(312) 의해 형성되는 제1 기준면은 중력 방향에 대향하는 방향을 유지하게 된다.

제1 기준면 아이들러(313)는 제1 기준면 회전체(312)에 회전 가능하게 설치된다. 그리고, 제1 기준면 아이들러(313)는 제1 회전축으로부터 중력 방향에 대향하는 방향, 즉 제1 기준면 상에 설치된다.

제1 링크 아이들러(314)는 제1 링크 바디(311)의 말단 측에 회전 가능하게 설치된다. 또한, 제1 링크 아이들러(314)는 제1 회전축으로부터 제1 링크 바디(311)의 길이 방향으로 연장된 위치에 설치될 수 있다.

여기서, 텐션 와이어(150)가 장력 발생부(112)로부터 연장되어, 제1 기준면 아이들러(313)와 제1 링크 아이들러(314)를 1회 이상 권선한 상태로 제1 기준 아이들러로부터 제2 링크부(330)로 연장되어, 보상 토크를 제공하게 된다.

본 발명의 실시예에 따른 제1 링크부(310)는 텐선 와이어의 연장 경로를 안내하기 위한 복수의 제1 경로 아이들러(315)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

상기와 같은 구성에 따라, 앞서 설명한 제1 실시예 및 제2 실시예에서와 동일하게, 보상 토크의 발생이 가능하게 된다.

한편, 제1 링크부(310)에는 보조 토크 보상부(500)가 설치될 수 있다. 제2 실시예에서는 보조 토크 보상부(500)가 보조 와이어를 이용하는 것을 예로 하였으나, 본 발명의 제3 실시예에서는 커넥팅 로드(530)가 적용되는 것을 예로 한다.

도 8을 참조하여 보다 구체적으로 설명하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 보조 토크 보상부(500)는 제2 실시예에서와 마찬가지로, 일측이 제1 기준면 회전체(312)의 제1 기준면 상에 결합되고, 타측이 제1 링크 바디(311)의 말단 측에 연결된다. 그리고, 제1 링크 바디(311)의 중력 방향으로의 회전력을 탄성적으로 지지하여, 제1 링크 바디(311)의 회전에 대한 보조 보상 토크를 제공하게 된다.

보다 구체적으로 설명하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 보조 토크 보상부(500)는 슬라이더(510), 보상 스프링(520) 및 커넥팅 로드(530)를 포함할 수 있다. 또한 보조 토크 보상부(500)는 스프링 지지부재(540)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

슬라이더(510)는 제1 기준면 회전체(312)에 접근 및 이격 가능하게 제1 링크 바디(311)에 설치된다. 그리고, 보상 스프링(520)은 스프링 지지부재(540)에 의해 지지된 상태로 일측이 슬라이더(510)에 접하여 슬라이더(510)에 제1 기준면 회전체(312)로부터 이격되는 방향으로 탄성력을 인가한다.

커넥팅 로드(530)는 일측이 제1 기준면 아이들러(313)에 회전 가능하게 결합되고, 타측이 슬라이더(510)에 회전 가능하게 결합된다.

이를 통해, 제1 기준면과 제1 링크 바디(311)가 이루는 각도에 따라 커넥팅 로드(530)에 연결된 슬라이더(510)의 위치가 가변되어, 보상 스프링(520)으로부터 보조 보상 토크가 생성된다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 보조 토크 보상부(500)에 의해 제공되는 보조 보상 토크의 원리는 본원 출원인에 의해 출원되어 등록된 한국등록특허 제10-1662883호에 개시되어 있는 바, 그 상세한 설명은 생략한다.

한편, 본 발명의 제3 실시예에 따른 제2 링크부(330)는, 도 9에 도시된 바와 같이, 제2 링크 바디(331), 제2 기준면 회전 어셈블리(350), 제2 기준면 아이들러(333), 및 제2 링크 아이들러(334)를 포함하여 구성될 수 있다.

제2 링크 바디(331)는 일측이 제2 회전축을 중심으로 제1 링크 바디(311)의 말단에 회전 가능하게 결합된다. 그리고, 제2 링크 바디(331)의 타측에는 하중체(720)가 설치된다.

제2 기준면 회전 어셈블리(350)는 제2 회전축과 동축으로 제1 링크 바디(311) 및 상기 제2 링크 바디(331)의 회전에 독립하여 제1 링크 바디(311) 및 상기 제2 링크 바디(331)에 상대적으로 회전 가능하게 제1 링크 바디(311) 및 상기 제2 링크 바디(331)에 결합된다.

그리고, 본 발명의 실시예에서는 제1 링크부(310)가 제1 기준면 회전 전달부재(371)를 포함하는 것을 예로 한다.

제1 기준면 회전 전달부재(371)는 제1 링크 바디(311)의 회전에 따른 제1 기준면 회전체(312)의 상대적인 회전을 제2 기준면 회전 어셈블리(350)에 전달하여, 제2 기준면을 중력 방향에 대향하는 방향으로 유지시킨다.

또한, 제1 기준면 회전 어셈블리가 제2 링크 바디(331)에 대해서도 독립하여 회전 가능하게 설치되어, 제2 링크 바디(331)가 제1 링크 바디(311)에 대해 회전하더라도, 제1 기준면 회전 어셈블리에 의해 형성되는 제2 기준면이 중력 방향에 대향하는 방향을 유지하게 된다.

본 발명의 실시예에 따른 제2 기준면 아이들러(333)는 제2 기준면 회전 어셈블리(350)에 회전 가능하게 설치된다. 여기서, 제2 기준면 아이들러(333)는 제2 회전축으로부터 중력 방향에 대향하는 방향, 즉 제2 기준면 상에 설치된다.

그리고, 제2 링크 아이들러(334)는 제2 링크 바디(331)의 말단 측에 회전 가능하게 설치된다. 또한, 제2 링크 아이들러(334)는 제2 회전축으로부터 제2 링크 바디(331)의 길이 방향으로 연장된 위치에 설치될 수 있다.

여기서, 제1 링크부(310)로부터 연장되어 온 텐션 와이어(150)는 제2 기준면 아이들러(333)와 제2 링크 아이들러(334)를 1회 이상 권선한 상태를 유지하게 된다. 이를 통해, 제2 기준면과, 제2 링크 바디(331) 간의 각도 변화에 따른 보상 토크를 제공하여 제2 링크 바디(331)의 회전 위치를 유지시키게 된다.

본 발명의 실시예에서는 텐션 와이어(150)가 제2 기준면 아이들러(333)와 제2 링크 아이들러(334)를 복수회 권선하는 것을 예로 한다. 이는 제1 기준면 아이들러(313) 및 제1 링크 아이들러(314)를 권선하는 텐션 와이어(150)의 원리에 대응하는 바, 그 상세한 설명은 생략한다.

여기서, 본 발명의 제3 실시예에 따른 제2 링크부(330)는 제1 링크부(310)에 대응하여, 텐션 와이어(150)의 이동 경로를 안내하기 위한 다수의 제2 경로 아이들러(335)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기와 같은 구성에 따라 제2 기준면과 제2 링크 바디(331) 간의 각도 변화에 따라 달라지는 중력 토크에 따른 보상 토크가 제공 가능하게 되어, 제2 링크 바디(331)의 회전 위치, 즉 제2 링크부(330)의 회전 위치가 유지될 수 있다.

본 발명의 제3 실시예에서는 제1 링크 바디(311)와 제2 링크 바디(331)가 제2 회전축 방향으로 접하여 회전한다. 이를 위해, 본 발명의 제3 실시예에 따른 제2 기준면 회전 어셈블리(350)는, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 제2 기준면 전달 회전체(351) 및 제2 기준면 회전체(352)를 포함하는 것을 예로 한다.

제2 기준면 전달 회전체(351)는 제1 링크 바디(311)의 말단 측에 회전 가능하게 설치된다. 그리고, 제2 기준면 전달 회전체(351)는 제1 기준면 회전 전달부재(371)에 의해 제1 기준면 회전체(312)와 연결되어 제1 기준면 회전체(312)의 상대적인 회전에 따라 함께 회전하게 된다.

본 발명의 제3 실시예에서는 제2 기준면 전달 회전체(351)와 제1 기준면 회전체(312)가 풀리 형태로 마련되고, 제1 기준면 회전 전달부재(371)가 풀리 형태에 감기는 제1 기준면 전달 벨트 형태로 마련되는 것을 예로 한다.

제2 기준면 회전체(352)는 제2 링크 바디(331)에 회전 가능하게 설치된다. 여기서, 제2 기준면 회전체(352)는 제2 기준면 전달 회전체(351)와 제2 회전축을 중심으로 축 결합되어 회전하게 된다. 그리고, 제2 기준면 회전체(352)는 제2 기준면 회전 전달부재(372)에 의해 후술할 제3 기준면 회전체(391)와 연결된다.

제2 기준면 회전체(352)와 제3 기준면 회전체(391)도 동일하게, 풀리 형태로 마련되고, 제2 기준면 회전 전달부재(372)가 풀리 형태에 감기는 제2 기준면 전달 벨트 형태로 마련되는 것을 예로 한다.

여기서, 제2 기준면 아이들러(333)는, 도 9에 도시된 바와 같이, 제2 기준면 회전체(352)에 회전 가능하게 결합된다.

한편, 본 발명의 제3 실시예에 따른 제2 링크부(330)는 제3 기준면 회전체(391), 하중 설치부(392), 및 제2 기준면 회전 전달부재(372)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

제3 기준면 회전체(391)는, 도 9에 도시된 바와 같이, 제2 링크 바디(331)의 말단 측에 회전 가능하게 결합된다. 여기서, 제3 기준면 회전체(391)는 제3 기준면을 형성하게 된다.

하중 설치부(392)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 제3 기준면 회전체(391)의 반대측에서 제3 기준면 회전체(391)에 축 결합되어 제3 기준면 회전체(391)의 회전에 동기되어 회전하게 된다. 여기서, 하중 설치부(392)에는 하중체(720)가 설치된다.

그리고, 제2 기준면 회전 전달부재(372)는 제2 링크 바디(331)의 회전에 따른 제2 기준면 회전 어셈블리(350)의 상대적인 회전을 제3 기준면 회전체(391)에 전달하여, 제3 기준면을 중력 방향에 대향하게 유지시키게 된다.

본 발명의 실시예에서는, 도 7에 도시된 바와 같이, 하중 설치부(392)에 짐벨(710)이 결합되고, 짐벨(710)에 공구와 같은 하중체(720)가 설치되는 것을 예로 한다.

도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 로봇 베이스(110)의 내부를 나타낸 도면이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 로봇 베이스(110)는 대략 직육면체 형상의 베이스 하우징(111)을 포함할 수 있다.

그리고, 베이스 하우징(111) 내부에는 장력 발생부(112)가 설치될 수 있다. 제1 실시예 및 제3 실시예에 대응하여, 본 발명의 제3 실시예에 따른 장력 발생부(112)가 스프링 밸런서 형태로 마련되는 것을 예로 한다.

여기서, 본 발명의 제3 실시예에 따른 장력 조절부(113)는 스프링 밸런서 내부의 태엽 스프링의 탄성력을 회전을 통해 조절하는 회전 레버 형태로 마련되는 것을 예로 한다.

그리고, 베이스 하우징(111) 내부에는 장력 발생부(112)로부터 연장되는 텐션 스프링을 안내하기 위한 다수의 베이스 아이들러(114)가 설치되는 것을 예로 한다.

도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 제3 링크부(130)의 분해 사시도이다. 앞서 설명한 바와 같이, 제3 링크부(130)는 로봇 베이스(110)에 대해 중력 방향을 축으로 회전 가능하게 설치되는 것을 예로 한다.

도 11을 참조하여 설명하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 제3 링크부(130)는 제3 링크 바디(131), 제3 링크 회전 지지부(132), 및 제3 경로 아이들러(133)를 포함할 수 있다.

제3 링크 바디(131)는 제1 링크부(310)의 제1 링크 바디(311)를 회전 가능하게 지지한다. 그리고, 제3 링크 바디(131)에는 로봇 베이스(110)로부터 연장된 텐션 와이어(150)를 제1 링크부(310)로 안내하기 위한 다수의 제3 경로 아이들러(133)가 설치될 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 제3 링크 회전 지지부(132)가 제1 링크 바디(311)의 양측 방향으로 형성된 결합공(310a)에 각각 삽입되어, 제1 링크부(310)를 회전 가능하게 지지하는 것을 에로 한다.

비록 본 발명의 몇몇 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.

10 : 관절 로봇 100 : 로봇 본체
110 : 로봇 베이스 130 : 제3 링크부
150 : 텐션 와이어 300 : 회전 링크부
310 : 제1 링크부 330 : 제2 링크부
500 : 보조 토크 보상부

Claims (12)

1. 가변 자세 유지 기능을 갖는 관절 로봇에 있어서,
   로봇 본체와
   상기 로봇 본체에 설치되는 장력 발생부와;
   일측이 중력 방향으로 회전 가능하게 상기 로봇 본체에 결합되고, 회전 방향으로 중력에 따른 하중이 발생하는 회전 링크부와;
   일측이 상기 장력 발생부에 연결되고, 타측이 상기 회전 링크부에 연결되어, 상기 장력 발생부에 의해 인가되는 장력을 상기 회전 링크부에 전달하여 상기 회전 링크부의 회전 위치를 유지시키는 텐션 와이어와;
   상기 장력 발생부에 의해 인가되는 장력의 크기를 조절하는 장력 조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 자세 유지 기능을 갖는 관절 로봇.
2. 제1항에 있어서,
   상기 회전 링크부에 설치되어, 상기 회전 링크부의 회전에 대한 보조 보상 토크를 제공하는 보조 토크 보상부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 자세 유지 기능을 갖는 관절 로봇.
3. 제2항에 있어서,
   상기 장력 발생부는 태엽 스프링의 탄성력에 따라 상기 텐션 스프링으로 장력을 인가하는 스프링 밸런서를 포함하며;
   상기 장력 조절부는 상기 태엽 스프링의 탄성력을 조절하는 것을 특징으로 하는 가변 자세 유지 기능을 갖는 관절 로봇.
4. 제2항에 있어서,
   상기 회전 링크부는
   일측이 상기 로봇 본체에 중력 방향으로 회전 가능하게 결합되는 제1 링크부와,
   일측이 상기 제1 링크부의 타측에 회전 가능하게 결합되고, 타측에 가반 하중을 형성하는 하중체가 설치되는 제2 링크부를 포함하며;
   상기 텐션 스프링은 상기 장력 발생부로부터 상기 제1 링크부를 거쳐 말단이 상기 제2 링크부에 고정되는 것을 특징으로 하는 가변 자세 유지 기능을 갖는 관절 로봇.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제1 링크부는
   일측이 제1 회전축을 중심으로 상기 로봇 본체에 회동 가능하게 설치되는 제1 링크 바디와,
   상기 제1 회전축과 동축으로 상기 제1 링크 바디의 회전에 독립하여 상기 제1 링크 바디에 상대적으로 회전 가능하게 상기 로봇 본체에 축 고정되어, 제1 기준면을 형성하는 제1 기준면 회전체와,
   상기 제1 기준면 회전체에 회전 가능하게 설치되되, 상기 제1 회전축으로부터 이격된 상태로 상기 제1 기준면 상에 설치되는 제1 기준면 아이들러와,
   상기 제1 링크 바디의 말단 측에 회전 가능하게 설치되는 제1 링크 아이들러를 포함하며;
   상기 텐션 와이어는 상기 장력 발생부로부터 연장되어, 상기 제1 기준면 아이들러와 상기 제1 링크 아이들러를 1회 이상 권선한 상태로 상기 제1 기준 아이들러로부터 상기 제2 링크부로 연장되어, 상기 제1 기준면과 상기 제1 링크 바디 간의 각도 변화에 따른 보상 토크를 제공하여 상기 제1 링크 바디의 회전 위치를 유지시키는 것을 특징으로 하는 가변 자세 유지 기능을 갖는 관절 로봇.
6. 제5항에 있어서,
   상기 제2 링크부는
   일측이 제2 회전축을 중심으로 상기 제1 링크 바디에 회전 가능하게 결합되고, 타측에 상기 하중체가 설치되는 제2 링크 바디와,
   상기 제2 회전축과 동축으로 상기 제1 링크 바디 및 상기 제2 링크 바디의 회전에 독립하여 상기 제1 링크 바디 및 상기 제2 링크 바디에 상대적으로 회전 가능하게 상기 제1 링크 바디 및 상기 제2 링크 바디에 결합되고, 제2 기준면을 형성하는 제2 기준면 회전 어셈블리와,
   상기 제1 기준면 회전 어셈블리에 회전 가능하게 설치되되, 상기 제2 회전축으로부터 이격된 상태로 상기 제2 기준면 상에 설치되는 제2 기준면 아이들러와,
   상기 제2 링크 바디의 말단 측에 회전 가능하게 설치되는 제2 링크 아이들러를 포함하고;
   상기 제1 링크부는
   상기 제1 링크 바디의 회전에 따른 상기 제1 기준면 회전체의 상대적인 회전을 상기 제2 기준면 회전 어셈블리에 전달하여 상기 제2 기준면을 상기 중력 방향에 대향하게 유지시키는 제1 기준면 회전 전달부재를 더 포함하며;
   상기 제1 링크부로부터 연장되는 상기 텐션 와이어는 상기 제2 기준면 아이들러와 상기 제2 링크 아이들러를 1회 이상 권선하여, 상기 제2 기준면과 상기 제2 링크 바디 간의 각도 변화에 따른 보상 토크를 제공하여 상기 제2 링크 바디의 회전 위치를 유지시키는 것을 특징으로 하는 가변 자세 유지 기능을 갖는 관절 로봇.
7. 제6항에 있어서,
   상기 제2 링크부는
   상기 제2 링크 바디의 말단 측에 회전 가능하게 결합되고, 제3 기준면을 형성하는 제3 기준면 회전체와;
   상기 제3 기준면 회전체에 축 결합되어 상기 제3 기준면 회전체의 회전에 동기되어 회전하고, 상기 하중체가 설치되는 하중 설치부와;
   상기 제2 링크 바디의 회전에 따른 상기 제2 기준면 회전 어셈블리의 상대적인 회전을 상기 제3 기준면 회전체에 전달하여 상기 제3 기준면을 중력 방향에 대향하게 유지시키는 제2 기준면 회전 전달부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 자세 유지 기능을 갖는 관절 로봇.
8. 제7항에 있어서,
   상기 제1 기준면 회전 전달부재는 상기 제1 기준면 회전체의 상대적인 회전을 상기 제2 기준면 회전 어셈블리로 전달하는 제1 기준면 전달 벨트를 포함하며;
   상기 제2 기준면 회전 전달부재는 상기 제2 기준면 회전 어셈블리의 상대적인 회전을 상기 제3 기준면 회전체로 전달하는 제2 기준면 전달 벨트를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 자세 유지 기능을 갖는 관절 로봇.
9. 제8항에 있어서,
   상기 제2 기준면 회전 어셈블리는
   상기 제1 링크 바디에 회전 가능하게 설치되고 제2 기준면 전달 벨트에 의해 상기 제1 기준면 회전체와 연결되는 제2 기준면 전달 회전체와,
   상기 제2 링크 바디에 회전 가능하게 설치되되, 상기 제2 기준면 전달 회전체와 축 결합되어 회전하며, 상기 제2 기준면 전달 벨트에 의해 상기 제3 기준면 회전체와 연결되는 제2 기준면 회전체를 포함하며;
   상기 제2 기준면 아이들러는 상기 제2 기준면 회전체에 회전 가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 가변 자세 유지 기능을 갖는 관절 로봇.
10. 제5항에 있어서,
    상기 보조 토크 보상부는 일측이 상기 제1 기준면 회전체의 상기 제1 기준면 상에 결합되고, 타측이 상기 제1 링크 바디의 말단 측에 연결되어 상기 제1 링크 바디의 중력 방향으로의 회전을 탄성적으로 지지하여, 상기 제1 링크 바디의 회전에 대한 보조 보상 토크를 제공하는 것을 특징으로 흐는 가변 자세 유지 기능을 갖는 관절 로봇.
11. 제10항에 있어서,
    상기 보조 토크 보상부는
    상기 제1 기준면 회전체에 접근 및 이격 가능하게 상기 제1 링크 바디에 설치되는 슬라이더와,
    일측이 상기 슬라이더에 접하고 상기 슬라이더에 상기 제1 기준면 회전체로부터 이격되는 방향으로 탄성력을 인가하는 보상 스프링과,
    일측이 상기 제1 기준면 아이들러에 회전 가능하게 결합되고, 타측이 상기 슬라이더에 회전 가능하게 결합되는 커넥팅 로드를 포함하며;
    상기 제1 기준면과 상기 제1 링크 바디가 이루는 각도에 따라 상기 커넥팅 로드에 연결된 상기 슬라이더의 위치가 가변되어 상기 보상 스프링으로부터 상기 보조 보상 토크가 생성되는 것을 특징으로 하는 가변 자세 유지 기능을 갖는 관절 로봇.
12. 제10항에 있어서,
    상기 보조 토크 보상부는
    상기 제1 기준면 회전체에 접근 및 이격 가능하게 상기 제1 링크 바디에 설치되는 슬라이더와,
    일측이 상기 슬라이더에 접하고 상기 슬라이더에 상기 제1 기준면 회전체로부터 이격되는 방향으로 탄성력을 인가하는 보상 스프링과,
    상기 슬라이더와 상기 제1 기준면 회전체 사이에 설치되는 보조 아이들러와,
    일측이 상기 제1 기준면 아이들러에 결합되고, 타측이 상기 보조 아을러를 거쳐 상기 슬라이더에 결합되는 보조 와이어를 포함하며;
    상기 제1 기준면과 상기 제1 링크 바디가 이루는 각도에 따라 상기 보조 와이어에 연결된 상기 슬라이더의 위치가 가변되어 상기 보상 스프링으로부터 상기 보조 보상 토크가 생성되는 것을 특징으로 하는 가변 자세 유지 기능을 갖는 관절 로봇.

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