WO2015194806A1 - 로봇 손가락 구조체 - Google Patents

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WO2015194806A1
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김기훈
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한국과학기술연구원
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J13/00Controls for manipulators
    • B25J13/02Hand grip control means
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J15/00Gripping heads and other end effectors
    • B25J15/08Gripping heads and other end effectors having finger members

Abstract

로봇 손가락 구조체는 모터와, 상기 모터에 의해 회전하는 크랭크축과, 상기 크랭크축에 연결되어 상기 크랭크축을 중심으로 회전하는 크랭크와, 제1조인트에서 상기 크랭크와 연결되는 제1마디 링크와, 제4조인트에서 상기 제1마디 링크와 연결되는 제2마디 링크와, 제2조인트에서 상기 크랭크와 연결되며 상기 크랭크의 회전력을 상기 제2마디 링크에 전달하는 제1연결 링크 및 상기 제1마디 링크가 상기 크랭크에 대해 자유 회전하는 것을 구속하는 제1강성을 부여하는 제1강성 부여 기구를 포함하고, 물체와 접촉하지 않은 상태에서 상기 크랭크가 회전하면 상기 제1마디 링크와 상기 제2마디 링크가 서로 상대적 위치를 유지하며 상기 크랭크와 함께 회전하고,상기 제1마디 링크가 물체에 접촉하여 상기 제1마디 링크의 회전이 저지되면 상기 크랭크가 상기 제1강성을 극복하며 회전하여 상기 제2마디 링크를 상기 제1마디 링크에 대해 회전시킨다.

Description

로봇 손가락 구조체
본 발명은 로봇 손가락 구조체에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 로봇을 이용한 물체의 파지 작업이 요구되는 각종 분야에 적용될 수 있는 로봇의 손가락 구조체에 관한 것이다.
[국가지원 연구개발에 대한 설명]
본 연구는 한국과학기술연구원의 주관 하에 미래창조과학부 한국연구재단(글로벌프론티어사업, 원격존재를 통한 감각-운동 작업을 위한 근전도 신호 기반의 동작의도 예측 및 능동 축감 복원 기술 개발, 과제고유번호: 1345201314)의 지원에 의해 이루어진 것이다.
사람의 손가락은 구부러질 수 있는 마디가 있어 물체를 집거나 파지하기가 용이하다.
로봇 암을 이용한 작업 수행시 물체의 용이한 파지를 위해 사람의 손가락과 유사한 구조의 손가락 구조체가 이용되고 있다.
하지만, 종래에 로봇에 이용되는 손가락 구조체는 복수의 마디로 이루어진 구조를 채용하고는 있으나, 실제 사람의 손가락과 유사한 동작을 구현하고 있지 못하다.
도 1은 사람의 손가락이 물체를 파지하는 과정을 도시한 개략도이고, 도 2는 종래 기술에 따른 로봇의 손가락 구조체를 이용해 물체를 파지하는 과정을 도시한 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 실제 사람이 물체를 감싸쥘 때의 동작을 살펴보면, 먼저 손가락이 전체적으로 물체를 향해 다가가고 손가락의 첫마디가 먼저 물체에 접촉하면 중간 마디가 첫마디에 대해 구부러지고 동시에 끝 마디가 중간 마디에 대해 구부러지는 동작이 함께 수행되면서 물체를 감싸게 된다. 중간 마디가 물체에 접촉하면 끝 마디가 중간 마디에 대해 구부러져 물체를 완전히 감싸쥐게 된다.
이와 비교하여, 도 2에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 손가락 구조체를 이용해 물체를 감싸쥘 때의 동작을 살펴보면, 손가락의 첫마디가 물체에 접촉한 뒤 중간 마디와 끝 마디가 서로 상대적인 위치를 그대로 유지하면서 첫마디에 대해 구부러지고, 중간 마디가 물체에 접촉하면 끝 마디가 중간 마디에 대해 구부러지는 방식으로 파지 동작을 수행한다.
이러한 종래 기술의 손가락 구조체는, 파지 동작 메커니즘이 실제 사람의 파지 동작과 일치하지 않으므로, 의수 등에 적용하는 경우 동작이 매우 부자연스럽게 된다. 또한, 안정적이고 세밀한 파지 동작이 수행되기 어렵다.
나아가, 종래의 손가락 구조체는 기어 및 볼 스크류 등을 이용하여 구조가 복잡하여 소형화가 어렵고, 사용자의 안전성 면에서도 바람직하지 않은 경우가 많다.
본 발명은 파지시 사람의 손가락 동작에 최대한 근접하여 자연스러운 동작을 구현할 수 있고, 추가적인 링크구조를 사용하지 않고도 손가락 마디마다 직접적인 힘 전달이 가능하여 사람의 근력보조장치, 의수 등에도 적절히 사용될 수 있는 로봇 손가락 구조체를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 모터와, 상기 모터에 의해 회전하는 크랭크축과, 상기 크랭크축에 연결되어 상기 크랭크축을 중심으로 회전하는 크랭크와, 제1조인트에서 상기 크랭크와 연결되는 제1마디 링크와, 제4조인트에서 상기 제1마디 링크와 연결되는 제2마디 링크와, 제2조인트에서 상기 크랭크와 연결되며 상기 크랭크의 회전력을 상기 제2마디 링크에 전달하는 제1연결 링크 및 상기 제1마디 링크가 상기 크랭크에 대해 자유 회전하는 것을 구속하는 제1강성을 부여하는 제1강성 부여 기구를 포함하고, 물체와 접촉하지 않은 상태에서 상기 크랭크가 회전하면 상기 제1마디 링크와 상기 제2마디 링크가 서로 상대적 위치를 유지하며 상기 크랭크와 함께 회전하고,상기 제1마디 링크가 물체에 접촉하여 상기 제1마디 링크의 회전이 저지되면 상기 크랭크가 상기 제1강성을 극복하며 회전하여 상기 제2마디 링크를 상기 제1마디 링크에 대해 회전시키는 로봇 손가락 구조체가 제공된다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1연결 링크는, 상기 제1조인트에서 상기 크랭크와 연결되는 제1전달 링크와, 일단이 제3조인트에서 상기 제1전달 링크와 연결되고, 타단이 상기 제4조인트에 연결되는 제2전달 링크를 포함하고, 상기 제2마디 링크가 상기 제2전달 링크에 대해 자유 회전하는 것을 구속하는 제2강성을 부여하는 제2강성 부여 기구가 구비된다.
일 실시예에 따르면, 로봇 손가락 구조체는 제7조인트에서 상기 제2마디 링크와 연결되는 제3마디 링크와, 상기 크랭크의 회전력을 상기 제3마디 링크에 전달하는 제2연결 링크를 더 포함하고, 물체와 접촉하지 않은 상태에서 상기 크랭크가 회전하면 상기 제1마디 링크, 상기 제2마디 링크 및 상기 제3마디 링크가 서로 상대적 위치를 유지하며 상기 크랭크와 함께 회전하고, 상기 제2마디 링크가 물체에 접촉하여 상기 제2마디 링크의 회전이 저지되면 상기 크랭크가 상기 제2강성을 극복하며 회전하여 상기 제3마디 링크를 상기 제2마디 링크에 대해 회전시킨다.
일 실시예에 따르면, 상기 제2연결 링크는, 크랭크와 함께 회전하는 제3전달 링크와, 일단이 제6조인트에서 상기 제3전달 링크와 연결되고, 타단이 상기 제7조인트에 연결되는 제4전달 링크를 포함하고, 상기 제3마디 링크가 상기 제4전달 링크에 대해 자유 회전하는 것을 구속하는 제3강성을 부여하는 제3강성 부여 기구가 구비된다.
일 실시예에 따르면, 상기 제3전달 링크는 제5조인트에서 상기 크랭크와 연결된다.
일 실시예에 따르면, 상기 제3마디 링크가 물체와 접촉하면 상기 크랭크가 상기 제1강성 및 제2강성을 극복하며 회전하여 상기 제1마디 링크, 제2마디 링크 및 제3마디 링크에 힘을 전달한다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1강성 부여 기구, 상기 제2강성 부여 기구 및 상기 제3강성 부여 기구는 토션 스프링일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1강성 부여 기구, 상기 제2강성 부여 기구 및 상기 제3강성 부여 기구의 스프링 계수는 1: 0.5: 0.1이다.
일 실시예에 따르면, 상기 모터는 상기 크랭크축과 수직하게 연장되는 입력축을 포함하고, 상기 입력축과 상기 크랭크축은 구형 조인트(spherical joint) 기구에 의해 연결된다.
일 실시예에 따르면, 상기 구형 조인트 기구는, 제1회전 조인트에서 상기 입력축에 고정되어 상기 입력축에 의해 회전하며 상기 입력축과 다른 방향으로 연장되는 만곡된 입력링크와, 제2회전 조인트에서 상기 입력링크와 연결되는 만곡된 커플러 링크와, 제3회전 조인트에서 상기 커플러 링크와 연결되는 만곡된 출력링크를 포함하고, 상기 출력링크는 제4회전 조인트에서 상기 크랭크축과 연결되고, 상기 모터의 회전 운동이 상기 입력링크의 회전을 발생시키고, 상기 입력링크의 회전력은 상기 커플러 링크를 통해 상기 출력링크의 회전을 발생시키며, 상기 출력링크의 회전에 의해 상기 크랭크축이 회전하여 상기 크랭크를 회전시킨다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1회전 조인트, 제2회전 조인트, 제3회전 조인트 및 제4회전 조인트에서의 각 회전 중심축의 연장선은 한 점에서 만난다.
일 실시예에 따르면, 로봇 손가락 구조체는 상기 제1마디 링크 및 상기 제2마디 링크를 사람의 손가락 마디에 고정할 수 있는 장착 보조구를 더 포함하여, 사람의 손에 부착 가능하다.
도 1은 사람의 손가락이 물체를 파지하는 과정을 도시한 개략도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 로봇의 손가락 구조체를 이용해 물체를 파지하는 과정을 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 손가락 구조체의 구성을 기구학적 모델로 표현한 개략도이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 손가락 구조체를 서로 다른 각도에서 도시한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 손가락 구조체의 일부 구성을 분리한 분리 사시도이다.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명의 일 실시예에 따른 손가락 구조체를 이용해 물체를 파지하는 과정을 도시한 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 손가락 구조체를 이용해 안정적인 집기 동작(pulp-pinch) 동작을 수행하는 모습을 도시한 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 구형 조인트 기구의 기구학적 구조를 나타낸 도면이다.
도 11 내지 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 손가락 구조체를 외골격 형태로 형성한 모습을 도시한 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용은 제한되지 않는다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 손가락 구조체의 구성을 기구학적 모델로 표현한 개략도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 손가락 구조체는 모터(80)(도 4 참조)에 의해 회전하는 크랭크축(2)과, 상기 크랭크축(2)에 연결되어 크랭크축(2)을 중심으로 회전하는 크랭크(60)와, 크랭크(60)로부터 차례로 직렬로 연결되는 제1마디 링크(10), 제2마디 링크(20) 및 제3마디 링크(30)를 포함한다.
제1마디 링크(10), 제2마디 링크(20) 및 제3마디 링크(30)는 각각 손가락의 마디를 구성하게 된다.
제1마디 링크(10)는 제1조인트(J1)에서 크랭크(60)와 연결된다. 제1마디 링크(10)는 크랭크(60)에 대해 자유 회전 가능하게 연결되며, 본 실시예에서 제1조인트(J1)는 크랭크축(5) 상에 형성된다.
제2마디 링크(20)는 제4조인트(J4)에서 제1마디 링크(10)와 연결된다. 제2마디 링크(20)는 제1마디 링크(10)에 대해 자유회전 가능하다.
제3마디 링크(30)는 제7조인트(J7)에서 제2마디 링크(20)와 연결된다. 제3마디 링크(30)는 제2마디 링크(20)에 대해 자유회전 가능하다.
본 실시예에 따르면 하나의 크랭크(60)를 이용해 제1마디 링크(10), 제2마디 링크(20) 및 제3마디 링크(30)에 힘을 전달하여 파지 동작을 수행할 수 있다.
이를 위해, 손가락 구조체는 크랭크(60)의 회전력을 제2마디 링크(20)와 제3마디 링크(30)로 각각 전달하는 제1연결 링크(40) 및 제2연결 링크(50)를 포함한다.
제1연결 링크(40)는 제2조인트(J2)에서 크랭크(60)와 연결되어 크랭크(60)와 함께 회전하는 제1전달 링크(41)와, 일단이 제3조인트(J3)에서 제1전달 링크(41)와 연결되고 타단이 제4조인트(J4)에 연결되는 제2전달 링크(42)를 포함한다.
제2연결 링크(50)는 제5조인트(J5)에서 크랭크(60)와 연결되어 크랭크(60)와 함께 회전하는 제3전달 링크(51)와, 일단이 제6조인트(J6)에서 제3전달 링크(51)와 연결되고 타단이 제7조인트(J7)에 연결되는 제4전달 링크(52)를 포함한다.
본 실시예에서는 제3전달 링크(51)가 제5조인트(J5)에서 크랭크(60)와 연결되어 있지만, 다르게는 제3전달 링크(51)는 제3조인트(J3)에 연결될 수도 있다. 제3전달 링크(50)가 제3조인트(J3)에 연결된 경우 크랭크(60)의 회전력은 제1전달 링크(41)를 통해 제3전달 링크(50)로 전달된다.
크랭크(60) 상에 형성된 제1조인트(J1), 제2조인트(J2) 및 제5조인트(J5)는 크랭크(60)에서 서로 다른 위치에 형성된다. 본 실시예에서는 대략 삼각형으로 형성된 크랭크(60)의 각 꼭지점에 제1조인트(J1), 제2조인트(J2) 및 제5조인트(J5)가 형성된다.
본 실시예에서 "조인트"에 연결된 부재들은 해당 조인트 상에 형성되는 회전 중심축을 중심으로 서로에 대해 상대 회전이 가능하다는 점이 이해되어야 할 것이다.
본 실시예에 따르면, 제1마디 링크(10), 제2마디 링크(20) 및 제3마디 링크(30)가 적절히 지지되도록 하는 한편, 하나의 크랭크(60)를 이용해 마디 링크(10, 20, 30)들의 상대 움직임을 유발시키기 위해 소정의 강성(stiffness)을 부여하는 강성 부여 기구가 구비된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제1강성 부여 기구(71), 제2강성 부여 기구(72) 및 제3강성 부여 기구(73)가 구비되며, 각각의 강성 부여 기구는 소정의 스프링 계수(k1, k2, k3)를 가지는 스프링이다.
제1강성 부여 기구(71)는 크랭크(60)와 제1마디 링크(10)와 관련되어, 제1마디 링크(10)가 크랭크(60)에 대해 자유 회전하는 것을 구속하는 제1강성을 부여한다.
제2강성 부여 기구(72)는 제2전달 링크(42)와 제2마디 링크(20)와 관련되어, 제2마디 링크(20)가 제2전달 링크(42)에 대해 자유 회전하는 것을 구속하는 제2강성을 부여한다.
제3강성 부여 기구(73)는 제4전달 링크(52)와 제3마디 링크(30)와 관련되어, 제3마디 링크(30)가 제4전달 링크(52)에 대해 자유 회전하는 것을 구속하는 제3강성을 부여한다.
이하, 도 4 내지 도 6을 참조하여, 본 실시예에 따른 로봇 손가락 구조체의 구성을 더 구체적으로 설명한다.
도 4 내지 도 6은 본 실시예에 따른 로봇 손가락 구조체를 서로 다른 각도에서 도시한 사시도이다.
도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 로봇 손가락 구조체는 크랭크 축(5)과 모터(80)를 고정 지지하기 위한 기초 프레임(81)을 포함한다.
도 6에 가장 잘 도시된 바와 같이, 기초 프레임(81)은 크랭크축(5)을 회전 가능하게 고정하기 위한 축 고정부(83)와, 모터(80) 및 고정 링크(82)를 지지하는 몸체부(84)를 포함한다. 고정 링크(82)는 로봇의 엄지 손가락의 역할을 하게 된다.
고정 링크(82)는 이동체(823)에 의해 기초 프레임(81)의 몸체부(84)에 고정되며, 이동체(823)를 이동시켜 고정 링크(82)를 기초 프레임(81)에 대해 전후방으로 위치 이동시킬 수도 있다.
고정 링크(82)는 이동체(823)로부터 연장되는 수직부(822)와 상기 수직부(822)로부터 구부러져 연장되는 수평부(821)를 포함한다. 수평부(821)에는 수평부(821)에 물체가 접촉하는지 여부를 감지할 수 있는 접촉 센서(미도시)가 구비될 수도 있다. 수평부(821)에 물체가 접촉하는 경우, 모터(80)를 구동하여 해당 물체를 파지하는 동작을 시작하도록 할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 기초 프레임(81)의 축 고정부(83)에는 제1마디 링크(10)가 입력축(801)의 연장 방향으로부터 30도 이상 회전하는 것을 방지하기 위한 스토퍼(920)가 형성되어 있다. 제1마디 링크(10)가 물체와 접촉하지 않아도 스토퍼(920)에 접촉하는 경우 제1마디 링크(10)의 회전은 저지된다.
모터(80)는 크랭크축(5)과 수직한 방향으로 연장되는 입력축(801)을 포함한다.
입력축(801)과 크랭크축(5)은 구형 4절 조인트 기구(90)에 의해 연결된다. 구형 4절 조인트 기구(90)의 구체적인 구성은 후술한다.
크랭크(60)는 크랭크축(5)에 고정되어 크랭크축(5)과 함께 회전한다. 제1마디 링크(10)는 크랭크(60)의 위쪽에서 크랭크축(5)에 자유회전 가능하게 연결된다.
제2마디 링크(20)는 대략 비대칭한 "工"자 형태를 가진다. 제4조인트(J4)에 위치하는 제2마디 링크(20)의 일 단부에는 축(86)(도 7 참조)이 상방으로 연장되고, 축(86)에 차례로 제2전달 링크(42)와 제1마디 링크(10)가 연결된다.
자세히 도시하지는 않았지만, 제7조인트(J7)에 위치하는 제3마디 링크(30)의 단부에는 축이 상방으로 연장되고, 그 축에 제4전달 링크(52)와 제2마디 링크(20)가 연결된다.
제1연결 링크(40)와 제2연결 링크(50)가 서로의 움직임을 간섭하지 않도록, 제1연결 링크(40)의 제1전달 링크(41)는 크랭크(60)의 위쪽 면에서 연결되고, 제2연결 링크(50)의 제3전달 링크(51)는 크랭크(60)의 아래쪽 면에서 연결된다.
도시된 바와 같이, 각 링크 부재들은 서로의 움직임을 간섭하지 않으면서 구성이 간소화되도록 적절한 형태로 굴절 또는 만곡될 수 있다.
도 7은 본 실시예에 따른 로봇 손가락 구조체의 일부 구성을 분리한 분리 사시도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 크랭크축(5)에 고정된 크랭크(60)의 제1조인트(J1)에는 제1강성 부여 기구로서 제1토션 스프링(710)이 배치된다. 제1토션 스프링(710)은 크랭크(60)와 제1마디 링크(10)에 연결된다.
제1토션 스프링(710)의 탄성력이 제공하는 강성에 의해 크랭크(60)와 제1마디 링크(10)의 자유회전을 구속하게 된다.
이와 유사하게, 제4조인트(J4)에는 제2강성 부여 기구로서 제2토션 스프링(720)이 배치된다. 제2토션 스프링(720)은 제2전달 링크(42)와 제2마디 링크(20)에 연결된다.
제2토션 스프링(720)의 탄성력이 제공하는 강성에 의해 제2전달 링크(42)와 제2마디 링크(20)의 자유회전을 구속하게 된다.
또한, 자세히 도시하지는 않았지만, 제7조인트(J7)에는 제3강성 부여 기구로서 제3토션 스프링(730)이 배치된다. 제3토션 스프링(730)은 제4전달 링크(52)와 제3마디 링크(30)에 연결된다. .
제3토션 스프링(730)의 탄성력이 제공하는 강성에 의해 제4전달 링크(52)와 제3마디 링크(30)의 자유회전을 구속하게 된다.
이와 같은 구성에 따르면, 사람의 손가락의 실제 동작과 매우 유사한 동작을 수행할 수 있다.
도 3 및 도 8a 내지 도 8d를 참조하여, 손가락 구조체를 이용해 물체를 파지하는 과정을 설명한다.
도 8a 내지 도 8d는 본 실시예에 따른 손가락 구조체를 이용해 물체를 파지하는 과정을 도시한 것이다.
물체와의 접촉 등에 의한 외력이 작용하지 않은 상태에서는 제1강성 부여 기구(71), 제2강성 부여 기구(72) 및 제3강성 부여 기구(73)가 부여하는 강성에 의해 손가락 구조체의 링크들의 상대 운동이 모두 구속된다.
따라서, 마디 링크들(10, 20, 30)에 물체가 접촉하지 않은 상태에서 크랭크(60)가 크랭크축(2)을 중심으로 (도 3에서 반시계 방향으로) 회전하면, 제1마디 링크(10), 제2마디 링크(20) 및 제3마디 링크(30)가 서로 상대적 위치를 유지하며 크랭크(60)와 함께 동일 방향으로 전체적으로 회전한다(도 8a -> 도 8b).
제1마디 링크(10), 제2마디 링크(20) 및 제3마디 링크(30)가 함께 회전하는 도중, 파지하고자 하는 물체가 제1마디 링크(10)에 먼저 접촉하게 되면 제1마디 링크(10)는 더 이상의 회전이 저지되어 움직임이 구속된다.
본 실시예에 따른 크랭크(60)의 회전력은 제1강성 부여 기구(71)가 제공하는 제1강성, 제2강성 부여 기구(71)가 제공하는 제2강성 및 제3강성 부여 기구(71)가 제공하는 제3강성을 극복하여 회전할 수 있을 만큼 크다.
따라서, 제1마디 링크(10)의 움직임이 물체에 의해 구속된 경우에도, 크랭크(60)는 제1강성 부여 기구(71)가 제공하는 제1강성을 극복하여 제1강성 부여 기구(71)를 구부리면서 계속 회전 가능하다.
크랭크(60)가 회전하면, 제2조인트(J2)가 크랭크축(2)을 중심으로 회전하면서 그에 연결된 제1전달 링크(41)를 밀어낸다.
제1전달 링크(41)가 이동하면서 위치가 고정되어 있는 제4조인트(J4)를 기준으로 제2전달 링크(42)를 (도 3에서 반시계 방향으로) 회전시킨다.
제2전달 링크(42)와 제2마디 링크(20) 사이에는 제2강성 부여 기구(72)에 의한 제2강성에 작용하므로, 제2전달 링크(42)와 제2마디 링크(20)의 상대적인 위치가 그대로 유지되면서 제2마디 링크(20)가 제4조인트(J4)를 기준으로 (도 3에서 반시계 방향으로) 회전한다. 즉, 제2마디 링크(20)가 제1마디 링크(10)에 대해 (도 3에서 반시계 방향으로) 회전하게 된다.
한편, 위와 동시에, 크랭크(60)가 회전하면, 제5조인트(J5)가 크랭크축(2)을 중심으로 회전하면서 그에 연결된 제3전달 링크(51)를 밀어낸다.
제3전달 링크(51)가 이동하면서 제7조인트(J7)를 기준으로 제4전달 링크(52)를 (도 3에서 반시계 방향으로) 회전시킨다.
제4전달 링크(52)와 제3마디 링크(30) 사이에는 제3강성 부여 기구(73)에 의한 제3강성에 작용하므로, 제4전달 링크(52)와 제3마디 링크(30)의 상대적인 위치가 그대로 유지되면서 제3마디 링크(30)가 제7조인트(J7)를 기준으로 (도 3에서 반시계 방향으로) 회전한다. 즉, 제3마디 링크(30)가 제2마디 링크(20)에 대해 (도 3에서 반시계 방향으로) 회전하게 된다(도 8b -> 도 8c).
즉, 제1마디 링크(10)가 물체에 접촉한 뒤, 제2마디 링크(20)가 제1마디 링크(10)에 대해 구부러지고, 동시에 제3마디 링크(30)가 제2마디 링크(20)에 대해 구부러진다. 이러한 동작은 도 1을 참조하여 앞에서 설명한 실제 사람의 손가락의 파지 동작 과정과 매우 유사한 것을 알 수 있다.
다음으로, 제2마디 링크(20)에도 접촉하게 되면, 제1마디 링크(10)와 제2마디 링크(20)의 회전이 저지되어 움직임이 구속된다.
제2마디 링크(20)의 움직임이 물체에 의해 구속된 경우에도, 크랭크(60)는 제2강성 부여 기구(72)가 제공하는 제2강성을 극복하여 제2강성 부여 기구(72)를 구부리면서 계속 회전 가능하다.
크랭크(60)가 회전하면, 제5조인트(J5)가 크랭크축(2)을 중심으로 회전하면서 그에 연결된 제3전달 링크(51)를 밀어낸다.
제3전달 링크(51)가 이동하면서 제7조인트(J7)를 기준으로 제4전달 링크(52)를 (도 3에서 반시계 방향으로) 회전시킨다.
제4전달 링크(52)와 제3마디 링크(30) 사이에는 제3강성 부여 기구(73)에 의한 제3강성에 작용하므로, 고정되어 있는 제4전달 링크(52)와 제3마디 링크(30)의 상대적인 위치가 그대로 유지되면서 제3마디 링크(30)가 제7조인트(J7)를 기준으로 (도 3에서 반시계 방향으로) 회전한다. 즉, 제3마디 링크(30)가 제2마디 링크(20)에 대해 (도 3에서 반시계 방향으로) 더 회전하게 된다(도 8c -> 도 8d).
제3마디 링크(30)가 물체와 접촉할 때까지 회전하게 되면, 더 이상의 마디 링크의 운동을 발생하지는 않으며, 대신 크랭크(60)가 제3강성까지 극복하며 회전하여 제1마디 링크(10), 제2마디 링크(20) 및 제3마디 링크(30)의 모든 마디 링크에 힘을 전달하여, 손가락 구조체가 물체를 강하게 파지하도록 한다.
이와 같은 구성에 따르면, 사람의 손가락의 파지 방식과 매우 유사한 파지 메커니즘을 구현하여 안정적이고 세밀한 파지 동작이 가능하며, 하나의 모터를 이용해 모든 마디 링크에 힘을 동시에 전달함으로써 높은 파지력을 낼 수 있다.
또한, 본 실시예에 따르면, 제1마디 링크(10), 제2마디 링크(20) 및 제3마디 링크(30)가 일 방향으로만 회전하도록 제한되어 있지 않으므로, 강성 부여 기구의 강성의 크기와 링크의 구조 파라미터를 적절히 조정하여 더 세밀한 동작이 가능하다.
도 9는 본 실시예에 따른 손가락 구조체를 이용해 안정적인 집기 동작(pulp-pinch) 동작을 수행하는 모습을 도시한 것이다.
"집기 동작"은 최말단에 위치한 제3마디 링크(30)를 이용해 물체를 잡는 동작을 의미한다.
도 9에 도시한 바와 같이, 제3마디 링크(30)의 끝단에 물체가 접촉한 상태에서 크랭크(60)가 회전하는 경우, 연결 링크(40, 50)와 마디 링크(10, 20, 30)의 기구학적 관계에 의해 제1마디 링크(10), 제2마디 링크(20) 및 제3마디 링크(30)의 상대 회전이 발생하면서 추가적인 링크 메커니즘을 가지지 않고도 핀치 그립이 가능하다.
이때, 강성 부여 기구(71, 72, 73)가 제공하는 강성의 크기는 핀치 그립의 안정성을 좌우한다. 다른 물성이 동일한 경우 스프링으로 형성되는 강성 부여 기구(71, 72, 73)의 강성은 스프링 계수의 크기에 의해 결정된다.
다시 도 1을 참조하면, 예를 들어, 제1조인트(J1)와 제4조인트(J4) 사이의 거리(l14)를 45.45mm, 제4조인트(J4)와 제7조인트(J7) 사이의 거리(l47)를 26.51mm, 제3마디 링크(30)의 길이(le)를 22.09mm, 제1조인트(J1)와 제2조인트(J2) 사이의 거리(l12)를 12mm, 제1조인트(J1)와 제5조인트(J5) 사이의 거리(l15)를 8.65mm, 제3조인트(J3)와 제4조인트(J4) 사이의 거리(l34)를 9.21mm, 제6조인트(J6)와 제7조인트(J7) 사이의 거리(l67)를 8mm, 제5조인트(J5)와 제6조인트(J6) 사이의 거리(l56)를 74.49mm, 제2조인트(J2)와 제3조인트(J3) 사이의 거리(l23)를 43.5mm로 하였을 때, 제1강성 부여 기구(71)의 스프링 계수(k1), 제2강성 부여 기구(72)의 스프링 계수(k2) 및 제3강성 부여 기구(73)의 스프링 계수(k3)의 비율이 1: 0.5: 0.1일 때 추가적인 메커니즘을 사용할 필요없이 안정적인 집기 동작이 구현이 가능하였다.
다시 도 7을 참조하면, 구형 조인트 기구(90)는 입력링크(91), 커플러 링크(92) 및 출력링크(93)를 포함한다.
입력링크(91)는 입력축(801)에 고정되는 원통형의 고정체(911)로부터 입력축(801)의 연장방향과는 다른 방향으로 연장된다. 고정체(911)는 입력링크(801)의 회전 중심이 되는 제1회전 조인트(Js1)를 형성한다. 입력링크(801)는 제1회전 조인트(Js1)를 중심으로 입력축(801)과 함께 회전한다. 입력링크(91)는 만곡된 형태를 가진다.
커플러 링크(92)는 제2회전 조인트(Js2)에서 입력링크(91)와 연결되며, 만곡된 형상을 가진다. 출력링크(93)의 일단은 제3회전 조인트(Js3)에서 커플러 링크(92)와 연결되며, 만곡된 형상을 가진다.
출력링크(93)의 타단은 제4회전 조인트(JS4)에서 크랭크축(5)과 연결된다. 본 실시예에서 제4회전 조인트(JS4)는 제1조인트(J1)이다.
도 10은 본 실시예에 따른 구형 조인트 기구(90)의 기구학적 구조를 나타낸 도면이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 제1회전 조인트(JS1)에서의 회전 중심축(Ss1)(즉, 입력축(801), 제2회전 조인트(JS2)에서의 회전 중심축(Ss2), 제3회전 조인트(JS3)에서의 회전 중심축(Ss3) 및 제4회전 조인트(JS4)에서의 회전 중심축(Ss4)의 연장선은 점(O)에서 만난다.
모터(80)에 의한 입력축(801)의 회전 운동이 입력링크(91)의 회전을 발생시키고, 입력링크(91)의 회전은 커플러 링크(92)를 통해 출력링크(93)의 회전을 발생시킨다. 출력링크(92)가 제4회전 조인트(JS4)의 회전 중심축(Ss4)을 중심으로 회전하면서 크랭크축(5)을 회전시키게 되고, 크랭크축(5)이 회전하여 크랭크(60)를 회전시키게 된다.
도 8a 내지 도 8d에 도시된 바와 같이, 모터(80)가 회전하면 입력링크(91), 커플러 링크(92) 및 출력링크(93)는 서로 상대적으로 회전하여 위치가 변화하면서, 입력축(801)의 회전력을 그와 수직한 크랭크축(5)에 전달하게 되는 것이다.
구형 조인트 기구(90)를 동력전달 기구로 이용함으로써, 직각을 이루는 모터의 입력축(801)과 크랭크축(5) 간에도 효과적으로 동력 전달이 가능하며, 모터(80)의 파워가 마디 링크에서 직접 전달되는 모터(80)의 회전 구간에서 토크 증폭 효과가 발생하며, 핀치 동작으로 제3마디 링크를 통해 물체를 잡을 때 미세한 움직임 조정이 가능하다.
본 실시예에 따른 로봇 손가락 구조체는, 사람의 손가락과 동작 메커니즘이 매우 유사하여 손의 일부나 전부가 절단된 환자들의 손 기능 부여를 위한 의수로 이용되기 적합하다.
또한, 높은 파지력을 내기에 효과적인 구조이고, 안정적인 집기 동작(pulp-pinch)도 가능하며, 세밀한 파지 동작을 기구학적으로 제어 가능하며, 컴팩트한 구조를 가진다.
나아가, 외골격 형태로 제작함으로써, 파지 동작이 불가능한 환자들의 파지 동작 보조용으로 적절히 이용될 수 있다.
도 11 내지 도 13은 본 실시예에 따른 로봇 손가락 구조체를 외골격 형태로 형성한 모습을 도시한 것이다.
도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 고정 링크(82)와, 마디 링크(10, 20, 30) 및 연결 링크(40, 50)의 외부에는 손가락 장착 보조구(1001, 1002, 1003, 1004, 1005)가 결합된다. 또한, 기초 프레임(81)에는 사용자의 손등을 지지할 수 있는 손등 장착 보조구(1006)가 결합된다.
마디 링크(10, 20, 30) 및 연결 링크(40, 50)의 외부에 결합되는 손가락 장착 보조구(1003, 1004, 1005)는 그 내부에서 마디 링크(10, 20, 30)와 연결 링크(40, 50)가 동작하는 것을 간섭하지 않도록 형성된다.
손가락 장착 보조구(1001)에는 엄지 손가락(1011)의 끝 마디를 지지하기 위한 지지부(1011)가 형성되고, 손가락 장착 보조구(1003, 1004, 1005) 각각에는 검지 손가락의 각 마디를 지지할 수 있는 지지부(1013, 1014, 1015)가 형성된다.
도 13에 도시된 바와 같이, 지지부(1011, 1012, 1013, 1014, 1015)에는 밸크로(1016)이 형성되어, 사용자의 손을 손가락 구조체에 결속할 수 있다.
손가락 구조체가 외골격 형태로 사용자의 손에 장착된 상태에서, 사용자의 근육 움직임을 센싱하는 동작 센서(1017)와, 근육 동작 센서(1017)로부터 센싱된 신호를 통해 모터(80)를 동작시키는 제어기(1018)를 구비함으로써, 사용자의 파지 동작을 보조할 수도 있다.

Claims (12)

  1. 모터;
    상기 모터에 의해 회전하는 크랭크축;
    상기 크랭크축에 연결되어 상기 크랭크축을 중심으로 회전하는 크랭크;
    제1조인트에서 상기 크랭크와 연결되는 제1마디 링크;
    제4조인트에서 상기 제1마디 링크와 연결되는 제2마디 링크;
    제2조인트에서 상기 크랭크와 연결되며, 상기 크랭크의 회전력을 상기 제2마디 링크에 전달하는 제1연결 링크; 및
    상기 제1마디 링크가 상기 크랭크에 대해 자유 회전하는 것을 구속하는 제1강성을 부여하는 제1강성 부여 기구를 포함하고,
    물체와 접촉하지 않은 상태에서 상기 크랭크가 회전하면 상기 제1마디 링크와 상기 제2마디 링크가 서로 상대적 위치를 유지하며 상기 크랭크와 함께 회전하고,
    상기 제1마디 링크가 물체에 접촉하여 상기 제1마디 링크의 회전이 저지되면 상기 크랭크가 상기 제1강성을 극복하며 회전하여 상기 제2마디 링크를 상기 제1마디 링크에 대해 회전시키는 것을 특징으로 하는 로봇 손가락 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1연결 링크는,
    상기 제1조인트에서 상기 크랭크와 연결되는 제1전달 링크와,
    일단이 제3조인트에서 상기 제1전달 링크와 연결되고, 타단이 상기 제4조인트에 연결되는 제2전달 링크를 포함하고,
    상기 제2마디 링크가 상기 제2전달 링크에 대해 자유 회전하는 것을 구속하는 제2강성을 부여하는 제2강성 부여 기구가 구비된 것을 특징으로 하는 로봇 손가락 구조체.
  3. 제2항에 있어서,
    제7조인트에서 상기 제2마디 링크와 연결되는 제3마디 링크;
    상기 크랭크의 회전력을 상기 제3마디 링크에 전달하는 제2연결 링크를 더 포함하고,
    물체와 접촉하지 않은 상태에서 상기 크랭크가 회전하면 상기 제1마디 링크, 상기 제2마디 링크 및 상기 제3마디 링크가 서로 상대적 위치를 유지하며 상기 크랭크와 함께 회전하고,
    상기 제2마디 링크가 물체에 접촉하여 상기 제2마디 링크의 회전이 저지되면 상기 크랭크가 상기 제2강성을 극복하며 회전하여 상기 제3마디 링크를 상기 제2마디 링크에 대해 회전시키는 것을 특징으로 하는 로봇 손가락 구조체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2연결 링크는,
    크랭크와 함께 회전하는 제3전달 링크와,
    일단이 제6조인트에서 상기 제3전달 링크와 연결되고, 타단이 상기 제7조인트에 연결되는 제4전달 링크를 포함하고,
    상기 제3마디 링크가 상기 제4전달 링크에 대해 자유 회전하는 것을 구속하는 제3강성을 부여하는 제3강성 부여 기구가 구비된 것을 특징으로 하는 로봇 손가락 구조체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제3전달 링크는 제5조인트에서 상기 크랭크와 연결되는 것을 특징으로 하는 로봇 손가락 구조체.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제3마디 링크가 물체와 접촉하면 상기 크랭크가 상기 제1강성 및 제2강성을 극복하며 회전하여 상기 제1마디 링크, 제2마디 링크 및 제3마디 링크에 힘을 전달하는 것을 특징으로 하는 로봇 손가락 구조체.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1강성 부여 기구, 상기 제2강성 부여 기구 및 상기 제3강성 부여 기구는 토션 스프링인 것을 특징으로 하는 로봇 손가락 구조체.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1강성 부여 기구, 상기 제2강성 부여 기구 및 상기 제3강성 부여 기구의 스프링 계수는 1: 0.5: 0.1인 것을 특징으로 하는 로봇 손가락 구조체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 모터는 상기 크랭크축과 수직하게 연장되는 입력축을 포함하고,
    상기 입력축과 상기 크랭크축은 구형 조인트(spherical joint) 기구에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 로봇 손가락 구조체.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 구형 조인트 기구는,
    제1회전 조인트에서 상기 입력축에 고정되어 상기 입력축에 의해 회전하며, 상기 입력축과 다른 방향으로 연장되는 만곡된 입력링크;
    제2회전 조인트에서 상기 입력링크와 연결되는 만곡된 커플러 링크;
    제3회전 조인트에서 상기 커플러 링크와 연결되는 만곡된 출력링크를 포함하고,
    상기 출력링크는 제4회전 조인트에서 상기 크랭크축과 연결되고,
    상기 모터의 회전 운동이 상기 입력링크의 회전을 발생시키고, 상기 입력링크의 회전력은 상기 커플러 링크를 통해 상기 출력링크의 회전을 발생시키며,
    상기 출력링크의 회전에 의해 상기 크랭크축이 회전하여 상기 크랭크를 회전시키는 것을 특징으로 하는 로봇 손가락 구조체.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1회전 조인트, 제2회전 조인트, 제3회전 조인트 및 제4회전 조인트에서의 각 회전 중심축의 연장선은 한 점에서 만나는 것을 특징으로 하는 로봇 손가락 구조체.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1마디 링크 및 상기 제2마디 링크를 사람의 손가락 마디에 고정할 수 있는 장착 보조구를 더 포함하여, 사람의 손에 부착 가능한 것을 특징으로 하는 로봇 손가락 구조체.
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