WO2017146404A1 - 중력보상장치를 구비한 수직다관절 로봇 머니퓰레이터 - Google Patents

중력보상장치를 구비한 수직다관절 로봇 머니퓰레이터 Download PDF

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WO2017146404A1
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송재복
안국현
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Korea University Research and Business Foundation
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B25J18/00—Arms
    • B25J18/02—Arms extensible
    • B25J18/04—Arms extensible rotatable

Definitions

  • the present invention relates to a robot manipulator, and more particularly, to provide a driving torque required for a joint by providing a spring-based gravity compensator capable of canceling the gravity torque applied to the joint by its own weight when maintaining and driving the robot manipulator.
  • a vertical articulated robotic manipulator having a gravity compensator capable of minimizing drive power by reducing it.
  • the vertical articulated robot manipulator is used for various tasks such as transporting, assembling, welding, and painting heavy materials, and has been developed and used in various sizes according to the target work.
  • Gravity torque due to its own weight is applied to the joint moving the link in the direction of gravity when the posture of the vertical articulated robot manipulator is maintained or driven.
  • some industrial robots install weights on opposite sides of the working point to reduce the center of gravity, or use a spring to compensate for the weight of the link and apply the torque to the joint. A method of reducing this is being used.
  • weights increases the weight of the robot manipulator and increases the influence of inertia.
  • various methods of applying gravity compensation to joints of a multiple degree of freedom robot based on mechanical elements, such as springs and wires are limited to be applied to robot manipulators due to their complicated structure. Compensation device is required.
  • the gravity compensation performance is easily degraded due to the deformation of the spring according to the long-term operation, and in this case, the robot manipulator needs to be disassembled to replace the spring. not.
  • the present invention is to solve the above problems, by applying a reliable mechanical element-based multi-degree of freedom gravity compensation device is a vertical having a gravity compensation device that can implement an effective gravity compensation for the joint to which a lot of gravity torque is applied
  • An object is to provide an articulated robotic manipulator.
  • the first link A second link connected to the first link and a first joint so as to rotate relative to the first link; A third link connected to the second link and a second joint spaced apart from the first joint to rotate about the second link; An input link coupled with the first link to rotate relative to the first link separately from the second link; A coupler link having one side rotatably connected with the third link and the other side rotatably connected with the input link; A first joint driver installed in the first link to provide a driving force to the second link to rotate the second link about the first joint; A second joint driver installed in the first link to rotate the input link to rotate the third link about the second joint through the input link and the coupler link; And apply an elastic force to at least one of the second link and the input link to compensate for gravity torque caused by the weight of a link mechanism comprising the second link, the third link, the input link and the coupler link. And a gravity compensating device installed at the first link.
  • the gravity compensating device may include an elastic member supported on the first link and a rotation center of the first link of either the second link or the input link to transmit the elastic force of the elastic member to the link mechanism.
  • a connecting rod rotatably connected to a portion spaced from the connecting rod, and the connecting rod is rotatably connected and movable with respect to the first link to elastically deform the elastic member in response to the movement of the connecting rod. It may include a movable member is installed.
  • the gravity compensating apparatus may further include a support frame that is prefabricated to the first link, the elastic member may be coupled to the support frame, and the movable member may be slidably coupled to the support frame.
  • the gravity compensation device further includes a guide bar coupled to the support frame to extend in the sliding direction of the movable member, wherein the elastic member has a spring structure wound around an outer circumference of the guide bar, and the movable member includes the guide bar. It can be slidably coupled to the guide bar to compress the elastic member.
  • the connecting rod of the gravity compensator includes a first rotating rod having a first head portion rotatably coupled to either the second link or the input link, and a first rod body extending from the first head portion. And a second rotating rod having a second head portion rotatably coupled to the movable member, and a second rod body extending from the second head portion to be assembled with the first rod body of the first rotating rod. It may include.
  • the gravity compensator includes a first elastic member supported by the first link and a rotational center spaced from the rotation center of the second link with respect to the first link to transmit the elastic force of the first elastic member to the second link.
  • a first connecting rod rotatably connected to the first portion, and the first link so that the first connecting rod is rotatably connected and elastically deforms the first elastic member in response to the movement of the first connecting rod.
  • a first counter balancer having a first movable member operatively mounted relative to the second counter, a second elastic member supported on the first link, and the input for transmitting an elastic force of the second elastic member to the input link.
  • a second connecting rod rotatably connected to a portion spaced from a center of rotation of the link with respect to the first link, and the second connecting rod rotatably connected; And it may include a second counter balancer having a second movable member in association with the movement of the second connecting rod being able to be movable relative to the first link to install the second so that the elastic member can be elastically deformed.
  • the first counter balancer further includes a first support frame prefabricated to the first link, the first elastic member is coupled to the first support frame, and the first movable member is the first support frame.
  • the second counter balancer further includes a second support frame assembleably coupled to the first link, wherein the second elastic member is coupled to the second support frame, and the second movable frame is movable. The member may be slidably coupled to the second support frame.
  • the first connecting rod is rotatable to the first movable member having a first head portion rotatably coupled to the second link, a first rod body extending from the first head portion, and the first movable member. And a second rotating rod having a second head portion possibly coupled thereto and a second rod body extending from the second head portion and prefabricatedly coupled to the first rod body of the first rotating rod.
  • the second connecting rod is rotatable to the first movable portion having a first head portion rotatably coupled to the input link, a first rotating rod having a first rod body extending from the first head portion, and the second movable member. And a second rotating rod having a second head portion coupled to each other, and a second rod body extending from the second head portion to be assembled with the first rod body of the first rotating rod.
  • the first counter balancer and the second counter balancer may be disposed to face each other such that the movable direction of the first movable member and the movable direction of the second movable member are parallel to each other.
  • the vertical articulated robot manipulator according to the present invention may further include a multiple joint unit having a plurality of joints and coupled to the third link.
  • the vertical articulated robot manipulator according to the present invention may further include a base unit connected to the first link and the base joint to rotate the first link about the base joint.
  • a vertical articulated robot manipulator having a gravity compensating device provides a compensating torque to a link mechanism with a counter balancer including an elastic member for providing an elastic force, a movable member and a connecting rod for transmitting an elastic force of the elastic member.
  • the vertical articulated robot manipulator according to the present invention implements gravity compensation by using a gravity compensation device having a simple structure, thereby maximizing payload, and minimizing rotational force by reducing torque load in joints, thereby providing high power. Accurate operation is possible without using the driving unit.
  • the vertical articulated robot manipulator according to the present invention can significantly reduce the capacity of the joint drive part such as a motor and a reducer when applied to the actual multi-axis joint robot, it can significantly lower the manufacturing cost.
  • the vertical articulated robot manipulator according to the present invention by enabling a compact structure in addition to stable gravity compensation through a simple balance of the counter balancer, it is possible to maximize the utility in a variety of fields by the compact structure.
  • the vertical articulated robot manipulator according to the present invention by designing the gravity compensation device in a modular structure to facilitate the installation of the gravity compensation device and replacement according to the component life, it can significantly reduce the time and cost of maintenance.
  • FIG. 1 is a side view showing a vertical articulated robot manipulator according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a rear view showing a vertical articulated robot manipulator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 and 4 are perspective views showing the vertical articulated robotic manipulator according to an embodiment of the present invention from different angles.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram briefly shown to explain the four-section link structure of the vertical articulated robot manipulator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view illustrating a vertical articulated robot manipulator having a gravity compensator separately from a gravity compensator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is for explaining the coupling structure of the first counter balancer of the vertical articulated robot manipulator having a gravity compensation device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is for explaining the coupling structure of the second counter balancer of the vertical articulated robot manipulator having a gravity compensation device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is an exploded view of a second counter balancer of a vertical articulated robot manipulator having a gravity compensation device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a simplified conceptual diagram to explain an operation principle of a gravity compensator of a vertical articulated robot manipulator having a gravity compensator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a graph showing the compensation torque according to the joint rotation angle when the design variable is properly selected to explain the effect of the gravity compensator of the vertical articulated robot manipulator having a gravity compensator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a conceptual diagram briefly shown to explain the gravity torque applied to each pitch joint of the vertical articulated robot manipulator having a gravity compensation device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a side view showing a vertical articulated robot manipulator having a gravity compensation device according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a vertical articulated robot manipulator having a gravity compensation device according to an embodiment of the present invention
  • 3 and 4 are perspective views showing a vertical articulated robot manipulator having a gravity compensation device according to an embodiment of the present invention from different angles
  • FIG. 5 is a view showing an embodiment of the present invention.
  • 4 is a conceptual diagram briefly illustrated to describe a four-section link structure of a vertical articulated robot manipulator having a gravity compensating device
  • FIG. 6 is a vertical articulated robotic manipulator having a gravity compensating device according to an embodiment of the present invention. The compensation device is shown separately.
  • a vertical articulated robot manipulator 100 having a gravity compensation device includes a first link 110, a first link 110, and a first link 110.
  • Link mechanism 115 connected to the joint (J1), and the gravity compensation device 142 to compensate for the gravity torque caused by the weight of the link mechanism 115.
  • the first link 110 is connected to the base unit 180 and the base joint Jb, and one end of the link mechanism 115 is connected to the multiple joint unit 182.
  • An end effector (not shown), which may be implemented as a roll motor or a gripper, may be installed at an end of the multiple joint unit 182.
  • the vertical articulated robot manipulator 100 includes an arm part (base unit 180, made of three joints of roll-pitch-pitch, which can determine the position of the robot distal end in space). It is possible to take a structure having one link 110, a link mechanism 115, and a wrist part (multiple joint unit 182) composed of three joints for determining the orientation of the robot distal end.
  • the gravity compensation device 142 can be connected to the link mechanism 115 to offset the gravity torque applied to the first joint (J1) and the second joint (J2).
  • the first link 110 may be connected to the base unit 180 and the base joint Jb to rotate with respect to the base unit 180. That is, the first link 110 may rotate with the axis (Z axis) perpendicular to the ground as the rotation center axis.
  • the base unit 180 may include a driving unit for providing a driving force to the first link 110.
  • the first link 110 may include a bottom frame 111 connected to the base unit 180, a first sidewall frame 112 and a second sidewall frame 112 disposed to be spaced apart from each other on the top of the bottom frame 111. 113).
  • the link mechanism 115 is connected with the first link 110 to be movable relative to the first link 110.
  • the link mechanism 115 includes a second link 120 connected to one side of the first link 110, a third link 127 connected to the second link 120, and another of the first link 110.
  • An input link 130 connected to one side and a coupler link 136 connecting the third link 127 and the input link 130.
  • the second link 120 may be connected to the first link 110 and the first joint J1 to rotate about the first link 110. That is, the second link 120 may rotate within a predetermined angle range using an axis (X axis) horizontal to the ground as the rotation center axis.
  • the second link 120 is spaced apart from the second link right body 121 and the second link right body 121 rotatably connected to the first side wall frame 112 of the first link 110 to face each other. Connecting the second link left body 122, the second link right body 121, and the second link left body 122 to be rotatably connected to the second side wall frame 113 of the first link 110. It includes a connecting body 123.
  • the second link pivot connector 125 is for connecting the first connecting rod 158 provided in the first counter balancer 144 of the gravity compensator 142 which will be described later. It is disposed at a position eccentrically spaced from the center of rotation of the two links 120.
  • the third link 127 is connected to the second joint J2 spaced apart from the second link 120 and the first joint J1 so as to rotate about the second link 120.
  • the third link 127 may rotate within a predetermined angle range using an axis (X axis) horizontal to the ground as the rotation center axis.
  • the multi-joint unit 182 is coupled to the third link 127, and the multi-joint unit 182 moves along with the movement of the third link 127.
  • the input link 130 is connected to the first link 110 so as to rotate relative to the first link 110 separately from the second link 120.
  • the input link 130 may rotate within a predetermined angle range using an axis horizontal to the ground (X axis) as a rotation center axis.
  • the central axis of rotation of the input link 130 and the central axis of rotation of the second link 120 are the same.
  • the input link 130 includes a rotating part 131 rotatably coupled to the second side wall frame 113 of the first link 110 and an eccentricity extending in the radial direction of the rotating part 131 on the outer circumferential surface of the rotating part 131. It includes a connector 132.
  • One side of the rotating part 131 is provided with an input link pivot connection part 134 (see FIG. 8).
  • the input link pivot connection unit 134 is for connection of the second connecting rod 177 provided in the second counter balancer 170 of the gravity compensator 142 which will be described later.
  • 131 is disposed at a position eccentrically spaced apart
  • the coupler link 136 is rotatably connected to one side of the third link 127, and the other side is rotatably connected to the input link 130, thereby connecting the third link 127 and the input link 130.
  • One end of the coupler link 136 is rotatably connected to a portion spaced from the second joint J2 of the third link 127, and the other end of the coupler link 136 is an eccentric connection 132 of the input link 130. Is rotatably connected.
  • the link mechanism 115 forms a four-section link structure in which the second link 120, the third link 127, the input link 130, and the coupler link 136 are connected.
  • the second link 120 and the input link 130 have respective ends rotatably connected to the first link 110
  • the third link 127 is connected to the second link ( 120 is rotatably connected
  • the coupler link 136 has both ends rotatably connected to each of the third link 127 and the input link 130. Connect it.
  • the link mechanism 115 of the four-section link structure is moved by the first joint driver 138 and the second joint driver 140 installed in the first link 110.
  • the first joint driver 138 is installed on the first side wall frame 112 of the first link 110 to rotate the second link 120 of the link mechanism 115 about the first joint J1.
  • the second joint driver 140 is installed on the second side wall frame 113 of the first link 110 to rotate the input link 130 of the link mechanism 115 with respect to the first link 110.
  • the driving force of the second joint driver 140 is transmitted to the third link 127 through the input link 130 and the coupler link 136 in turn, and the third link 127 is the driving force of the second joint driver 140.
  • Received may be rotated about the second joint (J2) with respect to the second link 120. That is, the second joint driver 140 may rotate the third link 127 about the second joint J2 through the input link 130 and the coupler link 136.
  • the link mechanism 115 may have various postures changed by the action of the first joint driver 138 and the second joint driver 140. In addition, the link mechanism 115 changes the angle of the second link 120 with respect to the first link 110 by the first joint driver 138, and the second link 120 by the second joint driver 140. By varying the angle of the third link 127 relative to the third link 127, the position of the multiple joint unit 182 coupled to the third link 127 may be variously adjusted.
  • the first joint drive 138 and the second joint drive 140 need to provide driving torque necessary for movement. If the posture changes, the required torque of the first joint drive unit 138 and the second joint drive unit 140 also changes due to the change of the gravity torque caused by its own weight.
  • a method of compensating gravity torque by measuring the position and attitude of the robot manipulator through an encoder mounted on the joint of the robot manipulator and measuring the rotation angle, calculating the required gravity torque and generating the required torque through the control of the driving unit. was used.
  • the present invention uses gravity compensation device 142 that can provide elastic force, thereby automatically gravity for all positions and postures of the vertical articulated robot manipulator 100 without the help of a separate sensor, controller, and drive unit. Torque can be mechanically generated to compensate the torque. Therefore, the required torque of the joint drives 138 and 140 for compensating gravity torque can be made close to zero.
  • the gravity compensating device 142 may include a first force to provide the link mechanism 115 with an elastic force for compensating gravity torque caused by the weight of the link mechanism 115. It is installed in the link 110.
  • the gravity compensator 142 is a first counter balancer 144 for applying an elastic force for gravity compensation to the second link 120 of the link mechanism 115, and gravity to the input link 130 of the link mechanism 115 And a second counter balancer 170 for applying an elastic force for compensation.
  • the first counter balancer 144 and the second counter balancer 170 differ only in the installation position or the position of the portion connected to the link mechanism 115, and the overall structure and function are the same.
  • the first counter balancer 144 includes a first support frame 145 fixed to the first link 110, a first elastic member 148 supported by the first support frame 145, and a first support frame ( A first movable member 152 installed movably on the 145 and a first connecting rod 158 connecting the first movable member 152 and the second link 120 of the link mechanism 115. .
  • the second counter balancer 170 includes a second support frame 171 fixed to the first link 110, a second elastic member 173 supported by the second support frame 171, and a second support frame ( The second movable member 175 is installed in the movable type 171, and the second connecting rod 177 for connecting the second movable member 175 and the input link 130 of the link mechanism 115.
  • the components constituting the gravity compensator 142 are classified by attaching the first and the second according to the first counter balancer 144 and the second counter balancer 170.
  • the division of names does not indicate any difference in structure or function.
  • the components of the second counter balancer 170 shown in FIG. 9 will be referred to for some components.
  • the first support frame 145 of the first counter balancer 144 is coupled to the first side wall frame 112 of the first link 110.
  • the first support frame 145 may be detachably coupled to the first side wall frame 112 through fixing members such as screws or bolts.
  • the first support frame 145 is provided on the guide rail 146 for guiding the movement of the first movable member 152.
  • the pair of first elastic members 148 are spaced apart from each other on the first support frame 145.
  • the guide bar 149 is coupled to the first support frame 145 to install the first elastic member 148.
  • the guide bar 149 is disposed in parallel with the pair spaced apart from each other. These guide bars 149 are coupled to the holder 150, one end of which is fixed to the first support frame 145.
  • the first elastic member 148 has a spring structure that is wound around the outer circumference of the guide bar 149.
  • the first movable member 152 is installed on the first support frame 145 so as to be slidable.
  • the first movable member 152 may linearly reciprocate along the guide rail 146 of the first support frame 145.
  • the first movable member 152 is coupled to the pair of guide bars 149 so as to be slidably movable, and connected to the pressurizing unit 153 to be slidably coupled to the guide rail 146.
  • the connecting rod connector 154 is included.
  • One side of the connecting rod connecting portion 154 is provided with a slider pivot connecting portion 156 for coupling the first connecting rod 158.
  • the first movable member 152 may be moved by the first connecting rod 158 and may be elastically deformed by pressing the first elastic member 148 with the pressing unit 153.
  • the first connecting rod 158 connects the second link 120 and the first movable member 152 of the link mechanism 115.
  • the first connecting rod 158 has a first head portion 159 connected to the second link 120 and a second head portion 160 connected to the slider pivot connecting portion 156 of the first movable member 152. And a body portion 161 connecting the first head portion 159 and the second head portion 160.
  • the first head portion 159 of the first connecting rod 158 is connected to the second link 120 through the second link pivot connecting portion 125 provided in the second link right body 121 of the second link 120. Is rotatably connected. Since the second link pivot connecting portion 125 is eccentric from the center of rotation of the second link 120, when the second link 120 rotates, the first head portion 159 of the first connecting rod 158 becomes second. It may move along the center of rotation of the link 120.
  • the second head portion 160 of the first connecting rod 158 is rotatably connected to the first movable member 152 through the slider pivot connecting portion 156 of the first movable member 152.
  • the first head portion 159 of the first connecting rod 158 moves around the center of rotation of the second link 120, whereby the first of the first connecting rod 158 is moved.
  • the second head 160 may move the first movable member 152 along the guide bar 149.
  • the elastic force of the first elastic member 148 may be reduced through the first movable member 152 and the first connecting rod 158.
  • Two links 120 Therefore, when the second link 120 rotates, it is possible to provide the second link 120 with a compensating torque that can compensate for the gravity torque caused by the weight of the link mechanism 115, and to move the second link 120. It is possible to reduce the driving torque of the first joint driver 138.
  • the first connecting rod 158 may be separated into a first rotating rod 163 having a first head portion 159 and a second rotating rod 166 having a second head portion 160.
  • the first rotating rod 163 has a first head portion 159 and a first rod body 164 extending from the first head portion 159.
  • the second rotating rod 166 has a second head portion 160 and a second rod body 167 extending from the second head portion 160.
  • the first rod body 164 of the first rotary rod 163 and the second rod body 167 of the second rotary rod 166 may be detachably coupled through a fixing member such as a screw or a bolt.
  • the first connecting rod 158 of the first counter balancer 144 is formed by a detachable structure in which a portion coupled to the second link 120 and a portion coupled to the first movable member 152 can be separated. Easy assembly and disassembly
  • the first rotating rod 163 and the second rotating rod 166 of the first connecting rod 158 may be connected to the second link 120 and the first movable member 152.
  • the first counter balancer by coupling the first support frame 145 to the first link 110 and then coupling the first rotary rod 163 and the second rotary rod 166. 144 can be assembled.
  • the first rotating rod 163 and the second rotating rod 166 of the first connecting rod 158 are first separated, and then the first support is performed. By separating the frame 145 from the first link 110, the first counter balancer 144 may be easily removed.
  • the first counter balancer 144 has a modular structure in which the first counter balancer 144 is assembled to the first link 110, the first counter balancer ( 144 is easily removable and easily assembled. This saves time and money for maintenance.
  • the second counter balancer 170 is installed in the first link 110 and the link mechanism 115 separates from the first counter balancer 144 a compensation torque that can compensate for the gravity torque caused by the weight of the link mechanism 115.
  • the input link 130 may be provided.
  • the second counter balancer 170 is mutually different from the first counter balancer 144 such that the movable direction of the second movable member 175 is parallel to the movable direction of the first movable member 152 of the first counter balancer 144. Are placed facing each other.
  • the second support frame 171 of the second counter balancer 170 is coupled to the bottom frame 111 of the first link 110.
  • the second support frame 171 may be detachably coupled to the bottom frame 111 through fixing members such as screws or bolts.
  • the second support frame 171 is provided on the guide rail 146 for guiding the movement of the second movable member 175.
  • the second support frame 171 may be coupled to a portion other than the bottom frame 111 of the first link 110, such as the second sidewall frame 113.
  • the pair of second elastic members 173 are spaced apart from each other on the second support frame 171.
  • the guide bar 149 is coupled to the second support frame 171 to install the second elastic member 173.
  • the guide bar 149 is disposed in parallel with the pair spaced apart from each other.
  • These guide bars 149 are coupled to the holder 150, each end of which is fixed to the second support frame 171.
  • the second elastic member 173 has a spring structure wound around the outer circumference of the guide bar 149.
  • the second movable member 175 is mounted to the second support frame 171 so as to be slidable.
  • the second movable member 175 may linearly reciprocate along the guide rail 146 of the second support frame 171.
  • the second movable member 175 is coupled to the pair of guide bars 149 to be slidably movable, and is connected to the pressing unit 153 to be slidably coupled to the guide rail 146.
  • the connecting rod connector 154 is included.
  • One side of the connecting rod connecting portion 154 is provided with a slider pivot connecting portion 156 for coupling the second connecting rod 177.
  • the second movable member 175 is moved by the second connecting rod 177, and can be elastically deformed by pressing the second elastic member 173 with the pressing unit 153.
  • the second connecting rod 177 connects the input link 130 of the link mechanism 115 and the second movable member 175.
  • the second connecting rod 177 may include a first head portion 159 connected to the input link 130 and a second head portion 160 connected to the slider pivot connection portion 156 of the second movable member 175. And a body portion 161 connecting the first head portion 159 and the second head portion 160.
  • the first head portion 159 of the second connecting rod 177 is rotatably connected to the input link 130 through an input link pivot connecting portion 134 provided in the rotating portion 131 of the input link 130. Since the input link pivot connection 134 is eccentric from the center of rotation of the input link 130, when the input link 130 rotates, the first head 159 of the second connecting rod 177 is connected to the input link 130. Can move around the center of rotation.
  • the second head portion 160 of the second connecting rod 177 is rotatably connected to the second movable member 175 through the slider pivot connecting portion 156 of the second movable member 175.
  • the first head portion 159 of the second connecting rod 177 moves around the rotation center of the input link 130, whereby the second head of the second connecting rod 177 is rotated.
  • the unit 160 may move the second movable member 175 along the guide bar 149.
  • the elastic member 173 is elastically deformed by the movement of the second movable member 175, the elastic force of the second elastic member 173 is input through the second movable member 175 and the second connecting rod 177. May be communicated to link 130. Therefore, when the input link 130 rotates, it is possible to provide the input link 130 with a compensating torque for compensating the gravity torque caused by the weight of the link mechanism 115, and the second link for moving the input link 130.
  • the driving torque of the joint driver 140 can be reduced.
  • the second connecting rod 177 may be separated into a first rotating rod 163 having a first head portion 159 and a second rotating rod 166 having a second head portion 160.
  • the first rotating rod 163 has a first head portion 159 and a first rod body 164 extending from the first head portion 159.
  • the second rotating rod 166 has a second head portion 160 and a second rod body 167 extending from the second head portion 160.
  • the first rod body 164 of the first rotary rod 163 and the second rod body 167 of the second rotary rod 166 may be detachably coupled through a fixing member such as a screw or a bolt.
  • the second counterbalancer 170 is assembled by the second connecting rod 177 having a detachable structure in which a portion coupled to the input link 130 and a portion coupled to the second movable member 175 can be separated. But disassembly becomes easy.
  • the second counter balancer 170 has a modular structure that is prefabricated to the first link 110, the second counter balancer (when repairing or replacing a part of the second counter balancer 170) 170) can be easily removed and assembled easily. This saves time and money for maintenance.
  • FIG. 10 is a simplified conceptual diagram for explaining the operation principle of the gravity compensation device of the vertical articulated robot manipulator having a gravity compensation device according to an embodiment of the present invention
  • Figure 11 is a gravity according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 12 is according to an embodiment of the present invention. It is a conceptual diagram briefly shown to explain the gravity torque applied to each pitch joint of a vertical articulated robot manipulator having a gravity compensation device.
  • the length of the connecting rods 158 and 177 of the gravity compensator 142 is the length of the rod between the points where the connecting rods 158 and 177 are connected from the rotation center of the link mechanism 115.
  • R, the spring constant of the elastic members 148 and 173 are k
  • the rotation angle of the link mechanism 115 is ⁇
  • the rotation angle of the connecting rods 158, 177 is ⁇ .
  • the moving distance s of the movable members 152 and 175 according to the rotation may be expressed by the following equation.
  • the compression distance of the elastic members 148 and 173 due to the movement of the movable members 152 and 175 is the initial compression distance of the elastic members 148 and 173 to the moving distance of the movable members 152 and 175.
  • the restoring force Fr of the elastic members 148 and 173 according to the compression of the elastic members 148 and 173 is multiplied by the compression distance of the elastic members 148 and 173 by the stiffness of the elastic members 148 and 173. It can be expressed as an expression.
  • the moment arm lm which is the distance between the force transmitted through the connecting rods 158 and 177 and the center O of the first joint J1 is as follows.
  • the first joint J1 generates a compensating torque Tc, which is expressed as the product of the moment arm and the force transmitted through the connecting rods 158 and 177 as follows.
  • the compensation torque Tc generated by the gravity compensator 142 according to the rotation angle ⁇ of the link mechanism 115 is determined by four design variables R, k, si, and lrod, and the link mechanism 115 is selected through appropriate parameter selection. ) As a result of rotation, the gravity torque Tg, which appears in the form of a sine wave, can be offset.
  • the graph shows the compensation torque generated when R is 25 mm, lrod is 100 mm, k is 2.9 N / mm, and si is 75 mm
  • the shape of the sine wave is shown in FIG. 11.
  • the gravity compensator 142 developed in the present invention, since the formula of the compensation torque does not coincide mathematically with the formula mgsin ⁇ of the gravity torque, the gravity compensator 142 completely cancels the gravity torque due to the weight of the manipulator. I can't.
  • the gravity compensator is designed by optimizing the design variables, the error between the gravity torque and the compensating torque is insignificant. Therefore, it is possible to compensate the gravity torque and lower the driving unit power of the manipulator.
  • the pitch joint 2 Jp1 and the pitch joint 3 Jp2 are provided on the roll joint 1 Jr.
  • Each of the pitch joints Jp1 and Jp2 may be represented by the following gravity torque.
  • m2 is the mass of each link (L2) (L3)
  • lc2 is the center of gravity distance of each link (L2) (L3)
  • l2 is between pitch joint 2 (Jp1) and pitch joint 3 (Jp2) Distance
  • ⁇ 2 and ⁇ 3 are rotation angles of the pitch joints Jp1 and Jp2.
  • the present invention can solve this problem by constructing parallel four-section links between two pitch joints J1 and J2, as shown in FIG.
  • the rotational reference of the input link 130 constituting the parallel four-section link is above the first link 110, as in the second link 120, and thus is not affected by the rotation of the second link 120. Therefore, when the gravity compensation device 142 is applied to the input link 130 of the parallel four-section link, it is possible to always operate the second joint J2 based on the gravity direction.
  • the first joint J1 is the gravity of the second joint J2. Since it is not affected by the torque, only the components according to the rotation angle of the first joint J1 remain in the first joint J1, and a simple gravity compensator 142 may be applied. As such, by configuring two pitch joints J1 and J2 in a parallel four-section link structure, it is possible to apply gravity compensation through elastic force to both joints J1 and J2.
  • the second joint drive 140 is positioned on the first link 110 like the first joint drive 138 so that the rotation of the second joint J2 does not affect the rotation of the first joint J1. . Since the torque of the second joint J2 is transmitted to the first link 110 through the coupler link 136 and the input link 130, the torque of the second joint J2 acts on the first joint J1. I never do that.
  • the vertical articulated robot manipulator 100 follows the structure of a general industrial articulated articulated robot and compensates gravity torque for two joints J1 and J2 most affected by gravity torque. can do. Therefore, the amount of torque required at each joint J1 and J2 during the posture maintenance and driving of the vertical articulated robot manipulator 100 can be drastically reduced to lower the power required at the joint driving units 138 and 140. The manufacturing cost of the articulated robot manipulator 100 can be lowered.
  • the articulated robotic manipulator 100 according to the present invention can use much smaller power to perform the same work due to gravity compensation, it is possible to obtain an effect of saving energy when operating the robot.
  • the gravity compensator 142 in a modular manner to facilitate the installation and replacement of the gravity compensator 142 according to the life of the component, it is possible to solve the maintenance problem of the vertical articulated robot manipulator (100).
  • the vertical articulated robot manipulator 100 is shown as being implemented in the form of a robot arm having an arm part having a multi-joint structure and a wrist part having a multi-joint structure, the vertical articulated robot of the present invention
  • the manipulator can be modified to a variety of different structures with varying numbers of links and number of joints.
  • link mechanism 115 is shown as having a four-section link structure, the link mechanism may be changed to another structure including links having various numbers of various shapes.
  • the rotation center of the second link constituting the link mechanism and the rotation center of the input link may be disposed at positions displaced from each other.
  • a gravity counter 142 a first counter balancer 144 providing compensation torque to the second link 120 of the link mechanism 115 and a second counter providing compensation torque to the input link 130.
  • the gravity compensation device can be changed to another structure having one counter balancer to provide a compensation torque to at least one of the second link 120 and the input link 130. have.
  • the structures of the first counter balancer 144 and the second counter balancer 170 constituting the gravity compensator 142 are not limited to those shown in the drawings and may be variously changed.
  • the elastic member constituting the counter balancer may be changed to another structure capable of providing an elastic force to the link mechanism in addition to the coil spring structure as shown, and connecting with the movable member for transmitting the elastic force of the elastic member to the link mechanism.
  • the structure of the rod can also be changed in various ways.

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Abstract

본 발명에 따른 수직다관절 로봇 머니퓰레이터는, 제 1 링크와, 제 1 링크에 대해 회전할 수 있도록 제 1 링크와 제 1 관절로 연결되는 제 2 링크와, 제 2 링크에 대해 회전할 수 있도록 제 2 링크와 제 1 관절로부터 이격되어 배치되는 제 2 관절로 연결되는 제 3 링크와, 제 2 링크와 별도로 제 1 링크에 대해 회전할 수 있도록 제 1 링크와 연결되는 입력 링크와, 일측이 제 3 링크와 회전 가능하게 연결되고 다른 일측이 입력 링크와 회전 가능하게 연결되는 커플러 링크와, 제 2 링크를 제 1 관절을 중심으로 회전시킬 수 있도록 제 1 링크에 설치되어 제 2 링크에 구동력을 제공하는 제 1 관절 구동부와, 입력 링크 및 커플러 링크를 통해 제 3 링크를 제 2 관절을 중심으로 회전시킬 수 있도록 제 1 링크에 설치되어 입력 링크를 회전시키는 제 2 관절 구동부와, 제 2 링크와 입력 링크 중 적어도 어느 하나에 탄성력을 가하도록 제 1 링크에 설치되는 중력보상장치를 포함한다.

Description

중력보상장치를 구비한 수직다관절 로봇 머니퓰레이터
본 발명은 로봇 머니퓰레이터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 로봇 머니퓰레이터의 자세 유지 및 구동 시 자중에 의해 관절에 인가되는 중력 토크를 상쇄시킬 수 있는 스프링 기반의 중력보상장치를 구비하여 관절에 필요한 구동 토크를 감소시킴으로써 구동부 동력을 최소화할 수 있는 중력보상장치를 구비한 수직다관절 로봇 머니퓰레이터에 관한 것이다.
현재 다양한 산업 현장에서는 효율성 향상을 위해 공정 자동화가 활발히 수행되고 있으며, 이에 따라 여러 작업에 유연하게 사용될 수 있는 로봇 머니퓰레이터의 중요성이 커지고 있다. 특히, 수직다관절 로봇 머니퓰레이터는 중량물의 운반이나 조립, 용접, 도색 등 다양한 작업에 사용되고 있으며, 대상 작업에 따라 다양한 크기로 개발되어 사용되고 있다.
수직다관절 로봇 머니퓰레이터의 자세를 유지하거나 구동할 때에 중력 방향으로 링크를 움직이는 관절에는 그 자중에 의한 중력 토크가 인가된다. 로봇 머니퓰레이터가 대형화될수록 그 크기는 더욱 커지고, 관절에는 더욱 큰 구동부 동력이 요구된다. 이러한 동력을 낮추어 필요한 모터 및 감속기의 용량을 감소시키기 위해 일부 산업용 로봇에는 무게 추를 작용점의 반대편에 설치하여 무게중심의 거리를 줄이거나, 스프링을 통해 링크의 무게를 보상하여 관절에 인가되는 중력 토크를 줄이는 방법이 사용되고 있다.
그러나 무게 추의 사용은 로봇 머니퓰레이터의 자중 증가로 인해서 관성에 의한 영향을 증가시켜 다자유도 로봇에 적용하는 데에는 어려움이 있다. 그리고 종래의 스프링과 와이어 등의 기계요소를 기반으로 다자유도 로봇의 관절에 중력보상을 적용하는 여러 방법들은 복잡한 구조로 인해 로봇 머니퓰레이터에 적용하기에는 한계가 있으므로, 보다 간단하고 신뢰성 높은 다자유도 중력보상장치가 요구된다. 또한 종래의 코일 스프링 기반의 중력보상장치의 경우, 장기간 운용에 따른 스프링의 변형으로 인해 중력보상 성능이 저하되기 쉬우며, 이 경우 로봇 머니퓰레이터를 분해하여 스프링을 교체해야 하는데 분해가 어려워 유지 보수가 쉽지 않다.
본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 신뢰성 높은 기계요소 기반의 다자유도 중력보상장치를 적용하여 중력 토크가 많이 인가되는 관절에 대하여 효과적인 중력 보상을 구현할 수 있는 중력보상장치를 구비한 수직다관절 로봇 머니퓰레이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 모듈식 설계를 통해 중력보상장치의 분해나 조립을 용이하게 함으로써 유지 보수 문제를 줄일 수 있는 중력보상장치를 구비한 수직다관절 로봇 머니퓰레이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 바와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명에 따른 수직다관절 로봇 머니퓰레이터는, 제 1 링크; 상기 제 1 링크에 대해 회전할 수 있도록 상기 제 1 링크와 제 1 관절로 연결되는 제 2 링크; 상기 제 2 링크에 대해 회전할 수 있도록 상기 제 2 링크와 상기 제 1 관절로부터 이격되어 배치되는 제 2 관절로 연결되는 제 3 링크; 상기 제 2 링크와 별도로 상기 제 1 링크에 대해 회전할 수 있도록 상기 제 1 링크와 연결되는 입력 링크; 일측이 상기 제 3 링크와 회전 가능하게 연결되고 다른 일측이 상기 입력 링크와 회전 가능하게 연결되는 커플러 링크; 상기 제 2 링크를 상기 제 1 관절을 중심으로 회전시킬 수 있도록 상기 제 1 링크에 설치되어 상기 제 2 링크에 구동력을 제공하는 제 1 관절 구동부; 상기 입력 링크 및 상기 커플러 링크를 통해 상기 제 3 링크를 상기 제 2 관절을 중심으로 회전시킬 수 있도록 상기 제 1 링크에 설치되어 상기 입력 링크를 회전시키는 제 2 관절 구동부; 및 상기 제 2 링크, 상기 제 3 링크, 상기 입력 링크 및 상기 커플러 링크를 포함하는 링크 기구의 자중에 의한 중력 토크를 보상하기 위해 상기 제 2 링크와 상기 입력 링크 중 적어도 어느 하나에 탄성력을 가하도록 상기 제 1 링크에 설치되는 중력보상장치;를 포함한다.
상기 중력보상장치는, 상기 제 1 링크에 지지되는 탄성부재와, 상기 링크 기구에 상기 탄성부재의 탄성력을 전달하기 위해 상기 제 2 링크 또는 상기 입력 링크 중 어느 하나의 상기 제 1 링크에 대한 회전 중심으로부터 이격된 부분에 회전 가능하게 연결되는 커넥팅로드와, 상기 커넥팅로드가 회전 가능하게 연결되고 상기 커넥팅로드의 움직임에 연동하여 상기 탄성부재를 탄성 변형시킬 수 있도록 상기 제 1 링크에 대해 가동할 수 있게 설치되는 가동부재를 포함할 수 있다.
상기 중력보상장치는, 상기 제 1 링크에 조립식으로 결합되는 지지 프레임을 더 포함하며, 상기 탄성부재는 상기 지지 프레임에 결합되고, 상기 가동부재는 상기 지지 프레임에 슬라이딩 가능하게 결합될 수 있다.
상기 중력보상장치는, 상기 가동부재의 슬라이딩 방향으로 연장되도록 상기 지지 프레임에 결합되는 가이드바를 더 포함하며, 상기 탄성부재는 상기 가이드바의 외주에 감기는 스프링 구조로 이루어지고, 상기 가동부재는 상기 탄성부재를 압축할 수 있도록 상기 가이드바에 슬라이딩 가능하게 결합될 수 있다.
상기 중력보상장치의 커넥팅로드는, 상기 제 2 링크 또는 상기 입력 링크 중 어느 하나에 회전 가능하게 결합되는 제 1 헤드부와, 상기 제 1 헤드부에서 연장되는 제 1 로드 바디를 갖는 제 1 회전 로드와, 상기 가동부재에 회전 가능하게 결합되는 제 2 헤드부와, 상기 제 2 헤드부에서 연장되어 상기 제 1 회전 로드의 제 1 로드 바디와 조립식으로 결합되는 제 2 로드 바디를 갖는 제 2 회전 로드를 포함할 수 있다.
상기 중력보상장치는, 상기 제 1 링크에 지지되는 제 1 탄성부재와, 상기 제 2 링크에 상기 제 1 탄성부재의 탄성력을 전달하기 위해 상기 제 2 링크의 상기 제 1 링크에 대한 회전 중심으로부터 이격된 부분에 회전 가능하게 연결되는 제 1 커넥팅로드와, 상기 제 1 커넥팅로드가 회전 가능하게 연결되고 상기 제 1 커넥팅로드의 움직임에 연동하여 상기 제 1 탄성부재를 탄성 변형시킬 수 있도록 상기 제 1 링크에 대해 가동할 수 있게 설치되는 제 1 가동부재를 갖는 제 1 카운터밸런서와, 상기 제 1 링크에 지지되는 제 2 탄성부재와, 상기 입력 링크에 상기 제 2 탄성부재의 탄성력을 전달하기 위해 상기 입력 링크의 상기 제 1 링크에 대한 회전 중심으로부터 이격된 부분에 회전 가능하게 연결되는 제 2 커넥팅로드와, 상기 제 2 커넥팅로드가 회전 가능하게 연결되고 상기 제 2 커넥팅로드의 움직임에 연동하여 상기 제 2 탄성부재를 탄성 변형시킬 수 있도록 상기 제 1 링크에 대해 가동할 수 있게 설치되는 제 2 가동부재를 갖는 제 2 카운터밸런서를 포함할 수 있다.
상기 제 1 카운터밸런서는 상기 제 1 링크에 조립식으로 결합되는 제 1 지지 프레임을 더 포함하고, 상기 제 1 탄성부재는 상기 제 1 지지 프레임에 결합되고, 상기 제 1 가동부재는 상기 제 1 지지 프레임에 슬라이딩 가능하게 결합되며, 상기 제 2 카운터밸런서는 상기 제 1 링크에 조립식으로 결합되는 제 2 지지 프레임을 더 포함하고, 상기 제 2 탄성부재는 상기 제 2 지지 프레임에 결합되고, 상기 제 2 가동부재는 상기 제 2 지지 프레임에 슬라이딩 가능하게 결합될 수 있다.
상기 제 1 커넥팅로드는, 상기 제 2 링크에 회전 가능하게 결합되는 제 1 헤드부와, 상기 제 1 헤드부에서 연장되는 제 1 로드 바디를 갖는 제 1 회전 로드와, 상기 제 1 가동부재에 회전 가능하게 결합되는 제 2 헤드부와, 상기 제 2 헤드부에서 연장되어 상기 제 1 회전 로드의 제 1 로드 바디와 조립식으로 결합되는 제 2 로드 바디를 갖는 제 2 회전 로드를 포함할 수 있다.
상기 제 2 커넥팅로드는, 상기 입력 링크에 회전 가능하게 결합되는 제 1 헤드부와, 상기 제 1 헤드부에서 연장되는 제 1 로드 바디를 갖는 제 1 회전 로드와, 상기 제 2 가동부재에 회전 가능하게 결합되는 제 2 헤드부와, 상기 제 2 헤드부에서 연장되어 상기 제 1 회전 로드의 제 1 로드 바디와 조립식으로 결합되는 제 2 로드 바디를 갖는 제 2 회전 로드를 포함할 수 있다.
상기 제 1 카운터밸런서와 상기 제 2 카운터밸런서는 상기 제 1 가동부재의 가동 방향과 상기 제 2 가동부재의 가동 방향이 상호 평행하도록 서로 마주하여 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 수직다관절 로봇 머니퓰레이터는, 복수의 관절을 갖고 상기 제 3 링크에 결합되는 다중 관절 유닛;을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 수직다관절 로봇 머니퓰레이터는, 상기 제 1 링크와 베이스 관절로 연결되어 상기 제 1 링크를 상기 베이스 관절을 중심으로 회전시키는 베이스 유닛;을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 중력보상장치를 구비한 수직다관절 로봇 머니퓰레이터는, 탄성력을 제공하는 탄성부재와, 탄성부재의 탄성력을 전달하는 가동부재 및 커넥팅로드를 포함하는 카운터밸런서로 링크 기구에 보상 토크를 제공함으로써, 링크 기구 등 무게를 가지는 부품에서 중력으로 인해 발생하는 토크를 기계적으로 보상할 수 있다. 따라서 관절 구동부로부터 중력 토크를 상쇄하기 위한 토크를 제공받지 않아도 되어 관절 구동부에서 발생하여야 하는 하중을 줄일 수 있고, 동일한 출력의 관절 구동부를 사용하여 보다 큰 하중을 감당하거나, 필요 하중에 대하여 작은 출력의 관절 구동부를 사용할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 수직다관절 로봇 머니퓰레이터는, 단순한 구조의 중력보상장치를 이용하여 중력 보상을 구현함으로써, 가반하중을 극대화시킬 수 있고, 관절에서의 토크 부하를 경감시켜 회동력을 최소화시킴으로써, 고출력의 구동부를 사용하지 않고도 정확한 동작이 가능하다.
또한 본 발명에 따른 수직다관절 로봇 머니퓰레이터는, 실제 다축관절 로봇으로 적용하면 모터와 감속기 등 관절 구동부 부품의 용량을 크게 줄일 수 있으므로, 제조 비용을 획기적으로 낮출 수 있다.
또한 본 발명에 따른 수직다관절 로봇 머니퓰레이터는, 단순한 구조의 카운터밸런서를 통한 안정적인 중력 보상과 더불어 컴팩트한 구조를 가능하게 함으로써, 컴팩트한 구조가 가능하여 다양한 분야에서의 활용성을 극대화시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따른 수직다관절 로봇 머니퓰레이터는, 중력보상장치의 설치 및 부품 수명에 따른 교체가 용이하도록 중력보상장치를 모듈식 구조로 설계함으로써, 유지 보수에 따른 시간과 비용을 크게 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 수직다관절 로봇 머니퓰레이터를 나타낸 측면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 수직다관절 로봇 머니퓰레이터를 나타낸 후면도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 수직다관절 로봇 머니퓰레이터를 각기 다른 각도에서 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 수직다관절 로봇 머니퓰레이터의 4절 링크 구조를 설명하기 위해 간략하게 나타낸 개념도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 중력보상장치를 구비한 수직다관절 로봇 머니퓰레이터를 중력보상장치를 분리하여 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 중력보상장치를 구비한 수직다관절 로봇 머니퓰레이터의 제 1 카운터밸런서의 결합 구조를 설명하기 위한 것이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 중력보상장치를 구비한 수직다관절 로봇 머니퓰레이터의 제 2 카운터밸런서의 결합 구조를 설명하기 위한 것이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 중력보상장치를 구비한 수직다관절 로봇 머니퓰레이터의 제 2 카운터밸런서를 분해하여 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 중력보상장치를 구비한 수직다관절 로봇 머니퓰레이터의 중력보상장치의 작동 원리를 설명하기 위해 간략화한 개념도이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 중력보상장치를 구비한 수직다관절 로봇 머니퓰레이터의 중력보상장치의 효과를 설명하기 위해 설계변수를 적절히 선정했을 때 관절 회전각도에 따른 보상 토크를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 중력보상장치를 구비한 수직다관절 로봇 머니퓰레이터의 각 피치 관절에 인가되는 중력 토크를 설명하기 위해 간략하게 나타낸 개념도이다.
이하, 본 발명에 따른 중력보상장치를 구비한 수직다관절 로봇 머니퓰레이터를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 중력보상장치를 구비한 수직다관절 로봇 머니퓰레이터를 나타낸 측면도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 중력보상장치를 구비한 수직다관절 로봇 머니퓰레이터를 나타낸 후면도이고, 도 3 및 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 중력보상장치를 구비한 수직다관절 로봇 머니퓰레이터를 각기 다른 각도에서 나타낸 사시도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 중력보상장치를 구비한 수직다관절 로봇 머니퓰레이터의 4절 링크 구조를 설명하기 위해 간략하게 나타낸 개념도이며, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 중력보상장치를 구비한 수직다관절 로봇 머니퓰레이터를 중력보상장치를 분리하여 나타낸 것이다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 중력보상장치를 구비한 수직다관절 로봇 머니퓰레이터(100)는, 제 1 링크(110)와, 제 1 링크(110)와 제 1 관절(J1)로 연결되는 링크 기구(115)와, 링크 기구(115)의 자중에 의한 중력 토크를 보상하는 중력보상장치(142)를 포함한다. 제 1 링크(110)는 베이스 유닛(180)과 베이스 관절(Jb)로 연결되고, 링크 기구(115)의 일단에는 다중 관절 유닛(182)이 연결된다. 다중 관절 유닛(182)의 단부에는 롤모터 또는 그립퍼 등으로 구현될 수 있는 엔드이펙터(미도시)가 설치될 수 있다.
본 발명에 따른 수직다관절 로봇 머니퓰레이터(100)는 도면에 나타낸 것과 같이, 공간 상에서 로봇 말단부의 위치를 결정할 수 있는 롤-피치-피치의 3개 관절로 구성된 팔 파트(베이스 유닛(180), 제 1 링크(110), 링크 기구(115))와, 로봇 말단부의 방위를 결정하기 위한 3개 관절로 구성된 손목 파트(다중 관절 유닛(182))를 갖는 구조를 취할 수 있다. 팔 파트의 2개의 피치 관절(제 1 관절(J1) 및 제 2 관절(J2))에 대해 중력 보상을 구현하기 위해 제 1 관절(J1)과 제 2 관절(J2) 사이를 평행 4절 링크 구조의 링크 기구(115)로 구성하며, 중력보상장치(142)를 링크 기구(115)에 연결하여 제 1 관절(J1) 및 제 2 관절(J2)에 인가되는 중력 토크를 상쇄할 수 있다.
제 1 링크(110)는 베이스 유닛(180)과 베이스 관절(Jb)로 연결되어 베이스 유닛(180)에 대해 회전할 수 있다. 즉, 제 1 링크(110)는 지면에 대해 수직인 축(Z축)을 회전 중심축으로 하여 회전할 수 있다. 베이스 유닛(180)에는 제 1 링크(110)에 구동력을 제공하기 위한 구동부가 구비될 수 있다. 제 1 링크(110)는 베이스 유닛(180)과 연결되는 바닥 프레임(111)과, 바닥 프레임(111)의 상측에 상호 이격되어 마주하도록 배치되는 제 1 측벽 프레임(112) 및 제 2 측벽 프레임(113)을 포함한다.
링크 기구(115)는 제 1 링크(110)에 대해 움직일 수 있도록 제 1 링크(110)와 연결된다. 링크 기구(115)는 제 1 링크(110)의 일측에 연결되는 제 2 링크(120)와, 제 2 링크(120)와 연결되는 제 3 링크(127)와, 제 1 링크(110)의 다른 일측에 연결되는 입력 링크(130)와, 제 3 링크(127)와 입력 링크(130)를 연결하는 커플러 링크(136)를 포함한다.
제 2 링크(120)는 제 1 링크(110)와 제 1 관절(J1)로 연결되어 제 1 링크(110)에 대해 회전할 수 있다. 즉, 제 2 링크(120)는 지면에 대해 수평한 축(X축)을 회전 중심축으로 하여 일정 각도 범위 내에서 회전할 수 있다. 제 2 링크(120)는 제 1 링크(110)의 제 1 측벽 프레임(112)에 회전 가능하게 연결되는 제 2 링크 우측 바디(121)와, 제 2 링크 우측 바디(121)와 이격되어 서로 마주하도록 제 1 링크(110)의 제 2 측벽 프레임(113)에 회전 가능하게 연결되는 제 2 링크 좌측 바디(122)와, 제 2 링크 우측 바디(121)와 제 2 링크 좌측 바디(122)를 연결하는 연결 바디(123)를 포함한다. 제 2 링크 우측 바디(121)의 일측에는 제 2 링크 피봇 연결부(125;도 7 참조)가 구비된다. 제 2 링크 피봇 연결부(125)는 후술할 중력보상장치(142)의 제 1 카운터밸런서(144)에 구비되는 제 1 커넥팅로드(158)의 연결을 위한 것으로, 제 1 링크(110)에 대한 제 2 링크(120)의 회전 중심축으로부터 일정 간격 편심된 위치에 배치된다.
제 3 링크(127)는 제 2 링크(120)에 대해 회전할 수 있도록 제 2 링크(120)와 제 1 관절(J1)로부터 이격되어 배치되는 제 2 관절(J2)로 연결된다. 제 3 링크(127)는 지면에 대해 수평한 축(X축)을 회전 중심축으로 하여 일정 각도 범위 내에서 회전할 수 있다. 제 3 링크(127)에는 다중 관절 유닛(182)이 결합되며, 다중 관절 유닛(182)은 제 3 링크(127)의 움직임을 따라 움직이게 된다.
입력 링크(130)는 제 2 링크(120)와 별도로 제 1 링크(110)에 대해 회전할 수 있도록 제 1 링크(110)와 연결된다. 입력 링크(130)는 지면에 대해 수평한 축(X축)을 회전 중심축으로 하여 일정 각도 범위 내에서 회전할 수 있다. 입력 링크(130)의 회전 중심축과 제 2 링크(120)의 회전 중심축은 같다. 입력 링크(130)는 제 1 링크(110)의 제 2 측벽 프레임(113)에 회전 가능하게 결합되는 회전부(131)와, 회전부(131)의 외주면에 회전부(131)의 반경 방향으로 연장된 편심 연결부(132)를 포함한다. 회전부(131)의 일측에는 입력 링크 피봇 연결부(134;도 8 참조)가 구비된다. 입력 링크 피봇 연결부(134)는 후술할 중력보상장치(142)의 제 2 카운터밸런서(170)에 구비되는 제 2 커넥팅로드(177)의 연결을 위한 것으로, 제 1 링크(110)에 대한 회전부(131)의 회전 중심축으로부터 일정 간격 편심된 위치에 배치된다.
커플러 링크(136)는 일측이 제 3 링크(127)와 회전 가능하게 연결되고 다른 일측이 입력 링크(130)와 회전 가능하게 연결되어 제 3 링크(127)와 입력 링크(130)를 연결한다. 커플러 링크(136)의 일단은 제 3 링크(127)의 제 2 관절(J2)로부터 이격된 부분에 회전 가능하게 연결되고, 커플러 링크(136)의 타단은 입력 링크(130)의 편심 연결부(132)에 회전 가능하게 연결된다.
이와 같이, 링크 기구(115)는 제 2 링크(120)와, 제 3 링크(127), 입력 링크(130) 및 커플러 링크(136)가 연결된 4절 링크 구조를 이룬다. 도 5에 간략화하여 나타낸 것과 같이, 제 2 링크(120)와 입력 링크(130)는 각각의 끝단이 제 1 링크(110)에 회전 가능하게 연결되고, 제 3 링크(127)는 제 2 링크(120)에 회전 가능하게 연결되며, 커플러 링크(136)는 그 양쪽 끝단이 제 3 링크(127)와 입력 링크(130) 각각과 회전 가능하게 연결되어 제 3 링크(127)와 입력 링크(130)를 연결한다.
이러한 4절 링크 구조의 링크 기구(115)는 제 1 링크(110)에 설치되는 제 1 관절 구동부(138) 및 제 2 관절 구동부(140)에 의해 움직인다. 제 1 관절 구동부(138)는 제 1 링크(110)의 제 1 측벽 프레임(112)에 설치되어 링크 기구(115)의 제 2 링크(120)를 제 1 관절(J1)을 중심으로 회전시킨다. 제 2 관절 구동부(140)는 제 1 링크(110)의 제 2 측벽 프레임(113)에 설치되어 링크 기구(115)의 입력 링크(130)를 제 1 링크(110)에 대해 회전시킨다. 제 2 관절 구동부(140)의 구동력은 입력 링크(130)와 커플러 링크(136)를 차례로 거쳐 제 3 링크(127)에 전달되며, 제 3 링크(127)는 제 2 관절 구동부(140)의 구동력을 제공받아 제 2 링크(120)에 대해 제 2 관절(J2)을 중심으로 회전할 수 있다. 즉, 제 2 관절 구동부(140)는 입력 링크(130) 및 커플러 링크(136)를 통해 제 3 링크(127)를 제 2 관절(J2)을 중심으로 회전시킬 수 있다.
링크 기구(115)는 제 1 관절 구동부(138) 및 제 2 관절 구동부(140)의 작용으로 그 자세가 다양하게 변할 수 있다. 그리고 링크 기구(115)는 제 1 관절 구동부(138)에 의해 제 1 링크(110)에 대한 제 2 링크(120)의 각도가 변하고, 제 2 관절 구동부(140)에 의해 제 2 링크(120)에 대한 제 3 링크(127)의 각도가 가변함으로써, 제 3 링크(127)에 결합된 다중 관절 유닛(182)의 위치를 다양하게 조절할 수 있다.
링크 기구(115)가 공간 상에서 어떤 위치 및 자세를 유지하기 위해서는 제 1 관절 구동부(138) 및 제 2 관절 구동부(140)가 움직임에 필요한 구동 토크를 제공해야 하는데, 링크 기구(115)의 위치 및 자세가 변하면 자중에 의한 중력 토크의 변화로 제 1 관절 구동부(138) 및 제 2 관절 구동부(140)의 필요 토크도 변하게 된다. 종래에는 로봇 머니퓰레이터의 관절에 장착되어 회전 각도를 측정하는 엔코더를 통하여 로봇 머니퓰레이터의 위치와 자세를 측정하고, 필요한 중력 토크를 계산한 후에 구동부의 제어를 통하여 필요한 토크를 발생시킴으로써 중력 토크를 보상하는 방법을 이용하였다.
이에 반해, 본 발명은 탄성력을 제공할 수 있는 중력보상장치(142)를 이용함으로써, 별도의 센서, 제어기, 구동부의 도움 없이도 수직다관절 로봇 머니퓰레이터(100)의 모든 위치 및 자세에 대하여 자동으로 중력 토크를 보상하는 토크를 기계적으로 발생할 수 있다. 따라서 중력 토크를 보상하기 위한 관절 구동부(138)(140)의 필요 토크를 0에 가깝게 할 수 있다.
도 2 내지 도 4, 도 6 내지 도 9를 참조하면, 중력보상장치(142)는 링크 기구(115)의 자중에 의한 중력 토크를 보상하기 위한 탄성력을 링크 기구(115)에 제공하기 위해 제 1 링크(110)에 설치된다. 이러한 중력보상장치(142)는 링크 기구(115)의 제 2 링크(120)에 중력 보상을 위한 탄성력을 가하는 제 1 카운터밸런서(144)와, 링크 기구(115)의 입력 링크(130)에 중력 보상을 위한 탄성력을 가하는 제 2 카운터밸런서(170)를 포함한다. 이들 제 1 카운터밸런서(144)와 제 2 카운터밸런서(170)는 설치 위치나, 링크 기구(115)와 연결되는 부분의 위치에서 차이가 있을 뿐, 전체적인 구조와 기능은 동일하다.
제 1 카운터밸런서(144)는 제 1 링크(110)에 고정되는 제 1 지지 프레임(145)과, 제 1 지지 프레임(145)에 지지되는 제 1 탄성부재(148)와, 제 1 지지 프레임(145)에 가동형으로 설치되는 제 1 가동부재(152)와, 제 1 가동부재(152)와 링크 기구(115)의 제 2 링크(120)를 연결하는 제 1 커넥팅로드(158)를 포함한다. 제 2 카운터밸런서(170)는 제 1 링크(110)에 고정되는 제 2 지지 프레임(171)과, 제 2 지지 프레임(171)에 지지되는 제 2 탄성부재(173)와, 제 2 지지 프레임(171)에 가동형으로 설치되는 제 2 가동부재(175)와, 제 2 가동부재(175)와 링크 기구(115)의 입력 링크(130)를 연결하는 제 2 커넥팅로드(177)를 포함한다. 여기에서, 중력보상장치(142)를 구성하는 구성 요소들을 제 1 카운터밸런서(144)와 제 2 카운터밸런서(170)에 따라 제 1과 제 2를 붙여 구분한 것은 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 이러한 명칭의 구분이 구조나 기능의 차이점이 있음을 나타내는 것은 아니다. 이하에서 제 1 카운터밸런서(144)를 설명함에 있어서, 일부 구성 요소에 대해서는 도 9에 나타낸 제 2 카운터밸런서(170)의 구성 요소를 참조하기로 한다.
제 1 카운터밸런서(144)의 제 1 지지 프레임(145)은 제 1 링크(110)의 제 1 측벽 프레임(112)에 결합된다. 제 1 지지 프레임(145)은 나사나 볼트 등의 고정부재를 통해 제 1 측벽 프레임(112)에 분리 가능하게 결합될 수 있다. 제 1 지지 프레임(145)에는 제 1 가동부재(152)의 움직임을 가이드하기 위한 가이드 레일(146)에 구비된다.
제 1 탄성부재(148)는 제 1 지지 프레임(145)에 한 쌍이 상호 이격되어 설치된다. 제 1 탄성부재(148)의 설치를 위해 제 1 지지 프레임(145)에는 가이드바(149)가 결합된다. 가이드바(149)는 한 쌍이 상호 이격되어 평행하게 배치된다. 이들 가이드바(149)는 각각의 일단이 제 1 지지 프레임(145)에 고정되는 고정대(150)에 결합된다. 제 1 탄성부재(148)는 가이드바(149)의 외주에 감기는 스프링 구조로 이루어지진다.
제 1 가동부재(152)는 제 1 지지 프레임(145)에 슬라이드 이동 가능하게 설치된다. 제 1 가동부재(152)는 제 1 지지 프레임(145)의 가이드 레일(146)을 따라 직선 왕복 이동할 수 있다. 제 1 가동부재(152)는 한 쌍의 가이드바(149)에 슬라이드 이동 가능하게 결합되는 가압부(153)와, 가압부(153)와 연결되어 가이드 레일(146)에 슬라이드 이동 가능하게 결합되는 커넥팅로드 연결부(154)를 포함한다. 커넥팅로드 연결부(154)의 일측에는 제 1 커넥팅로드(158)의 결합을 위한 슬라이더 피봇 연결부(156)가 구비된다. 이러한 제 1 가동부재(152)는 제 1 커넥팅로드(158)에 의해 움직이며, 가압부(153)로 제 1 탄성부재(148)를 가압하여 탄성 변형시킬 수 있다.
제 1 커넥팅로드(158)는 링크 기구(115)의 제 2 링크(120)와 제 1 가동부재(152)를 연결한다. 제 1 커넥팅로드(158)는 제 2 링크(120)에 연결되는 제 1 헤드부(159)와, 제 1 가동부재(152)의 슬라이더 피봇 연결부(156)에 연결되는 제 2 헤드부(160)와, 제 1 헤드부(159)와 제 2 헤드부(160)를 연결하는 바디부(161)를 포함한다.
제 1 커넥팅로드(158)의 제 1 헤드부(159)는 제 2 링크(120)의 제 2 링크 우측 바디(121)에 구비되는 제 2 링크 피봇 연결부(125)를 통해 제 2 링크(120)에 회전 가능하게 연결된다. 제 2 링크 피봇 연결부(125)가 제 2 링크(120)의 회전 중심으로부터 편심되어 있으므로, 제 2 링크(120)의 회전 시 제 1 커넥팅로드(158)의 제 1 헤드부(159)는 제 2 링크(120)의 회전 중심 둘레를 따라 이동할 수 있다. 제 1 커넥팅로드(158)의 제 2 헤드부(160)는 제 1 가동부재(152)의 슬라이더 피봇 연결부(156)를 통해 제 1 가동부재(152)에 회전 가능하게 연결된다.
제 2 링크(120)의 회전 시 제 1 커넥팅로드(158)의 제 1 헤드부(159)가 제 2 링크(120)의 회전 중심 둘레를 따라 움직이고, 이에 의해 제 1 커넥팅로드(158)의 제 2 헤드부(160)가 제 1 가동부재(152)를 가이드바(149)를 따라 이동시킬 수 있다. 제 1 가동부재(152)의 움직임으로 제 1 탄성부재(148)가 탄성 변형되면, 제 1 탄성부재(148)의 탄성력이 제 1 가동부재(152)와 제 1 커넥팅로드(158)를 통해 제 2 링크(120)에 전달될 수 있다. 따라서 제 2 링크(120)의 회전 시 링크 기구(115)의 자중에 의한 중력 토크를 보상할 수 있는 보상 토크를 제 2 링크(120)에 제공할 수 있고, 제 2 링크(120)를 움직이기 위한 제 1 관절 구동부(138)의 구동 토크를 줄일 수 있다.
제 1 커넥팅로드(158)는 제 1 헤드부(159)를 갖는 제 1 회전 로드(163)와 제 2 헤드부(160)를 갖는 제 2 회전 로드(166)로 분리될 수 있다. 제 1 회전 로드(163)는 제 1 헤드부(159)와, 제 1 헤드부(159)에서 연장되는 제 1 로드 바디(164)를 갖는다. 제 2 회전 로드(166)는 제 2 헤드부(160)와, 제 2 헤드부(160)에서 연장되는 제 2 로드 바디(167)를 갖는다. 제 1 회전 로드(163)의 제 1 로드 바디(164)와 제 2 회전 로드(166)의 제 2 로드 바디(167)는 나사나 볼트 등의 고정부재를 통해 분리 가능하게 결합될 수 있다. 이렇게 제 1 커넥팅로드(158)가 제 2 링크(120)와 결합되는 부분과 제 1 가동부재(152)와 결합되는 부분이 분리될 수 있는 분리식 구조로 이루어짐으로써 제 1 카운터밸런서(144)의 조립이나 분해 작업이 쉬워진다.
예컨대, 제 1 카운터밸런서(144)의 조립 시, 제 1 커넥팅로드(158)의 제 1 회전 로드(163)와 제 2 회전 로드(166)를 제 2 링크(120)와 제 1 가동부재(152)에 각각 별도로 결합하고, 제 1 지지 프레임(145)을 제 1 링크(110)에 결합한 후, 제 1 회전 로드(163)와 제 2 회전 로드(166)를 결합하는 방법으로 제 1 카운터밸런서(144)를 조립할 수 있다.
또한 제 1 카운터밸런서(144)의 부품을 수리하거나 교체해야 할 경우, 먼저 제 1 커넥팅로드(158)의 제 1 회전 로드(163)와 제 2 회전 로드(166)를 분리한 후, 제 1 지지 프레임(145)을 제 1 링크(110)에서 분리하는 방법으로 제 1 카운터밸런서(144)를 손쉽게 분리할 수 있다.
이와 같이, 제 1 카운터밸런서(144)가 제 1 링크(110)에 조립식으로 설치되는 모듈형 구조를 취함으로써, 제 1 카운터밸런서(144)의 부품을 수리하거나 교체할 때, 제 1 카운터밸런서(144)를 쉽게 분리할 수 있고, 또한 쉽게 조립할 수 있다. 따라서 유지 보수에 따른 작업 시간과 비용을 절감할 수 있다.
제 2 카운터밸런서(170)는 제 1 링크(110)에 설치되어 링크 기구(115)의 자중에 의한 중력 토크를 보상할 수 있는 보상 토크를 제 1 카운터밸런서(144)와 별도로 링크 기구(115)의 입력 링크(130)에 제공할 수 있다. 제 2 카운터밸런서(170)는 제 2 가동부재(175)의 가동 방향이 제 1 카운터밸런서(144)의 제 1 가동부재(152)의 가동 방향과 상호 평행하도록 제 1 카운터밸런서(144)와 서로 마주하여 배치된다.
제 2 카운터밸런서(170)의 제 2 지지 프레임(171)은 제 1 링크(110)의 바닥 프레임(111)에 결합된다. 제 2 지지 프레임(171)은 나사나 볼트 등의 고정부재를 통해 바닥 프레임(111)에 분리 가능하게 결합될 수 있다. 제 2 지지 프레임(171)에는 제 2 가동부재(175)의 움직임을 가이드하기 위한 가이드 레일(146)에 구비된다. 제 2 지지 프레임(171)은 제 2 측벽 프레임(113) 등 제 1 링크(110)의 바닥 프레임(111) 이외의 다른 부분에 결합될 수도 있다.
제 2 탄성부재(173)는 제 2 지지 프레임(171)에 한 쌍이 상호 이격되어 설치된다. 제 2 탄성부재(173)의 설치를 위해 제 2 지지 프레임(171)에는 가이드바(149)가 결합된다. 가이드바(149)는 한 쌍이 상호 이격되어 평행하게 배치된다. 이들 가이드바(149)는 각각의 일단이 제 2 지지 프레임(171)에 고정되는 고정대(150)에 결합된다. 제 2 탄성부재(173)는 제 1 탄성부재(148)와 마찬가지로 가이드바(149)의 외주에 감기는 스프링 구조로 이루어지진다.
제 2 가동부재(175)는 제 2 지지 프레임(171)에 슬라이드 이동 가능하게 설치된다. 제 2 가동부재(175)는 제 2 지지 프레임(171)의 가이드 레일(146)을 따라 직선 왕복 이동할 수 있다. 제 2 가동부재(175)는 한 쌍의 가이드바(149)에 슬라이드 이동 가능하게 결합되는 가압부(153)와, 가압부(153)와 연결되어 가이드 레일(146)에 슬라이드 이동 가능하게 결합되는 커넥팅로드 연결부(154)를 포함한다. 커넥팅로드 연결부(154)의 일측에는 제 2 커넥팅로드(177)의 결합을 위한 슬라이더 피봇 연결부(156)가 구비된다. 이러한 제 2 가동부재(175)는 제 2 커넥팅로드(177)에 의해 움직이며, 가압부(153)로 제 2 탄성부재(173)를 가압하여 탄성 변형시킬 수 있다.
제 2 커넥팅로드(177)는 링크 기구(115)의 입력 링크(130)와 제 2 가동부재(175)를 연결한다. 제 2 커넥팅로드(177)는 입력 링크(130)에 연결되는 제 1 헤드부(159)와, 제 2 가동부재(175)의 슬라이더 피봇 연결부(156)에 연결되는 제 2 헤드부(160)와, 제 1 헤드부(159)와 제 2 헤드부(160)를 연결하는 바디부(161)를 포함한다.
제 2 커넥팅로드(177)의 제 1 헤드부(159)는 입력 링크(130)의 회전부(131)에 구비되는 입력 링크 피봇 연결부(134)를 통해 입력 링크(130)에 회전 가능하게 연결된다. 입력 링크 피봇 연결부(134)가 입력 링크(130)의 회전 중심으로부터 편심되어 있으므로, 입력 링크(130)의 회전 시 제 2 커넥팅로드(177)의 제 1 헤드부(159)는 입력 링크(130)의 회전 중심 둘레를 따라 이동할 수 있다. 제 2 커넥팅로드(177)의 제 2 헤드부(160)는 제 2 가동부재(175)의 슬라이더 피봇 연결부(156)를 통해 제 2 가동부재(175)에 회전 가능하게 연결된다.
입력 링크(130)의 회전 시 제 2 커넥팅로드(177)의 제 1 헤드부(159)가 입력 링크(130)의 회전 중심 둘레를 따라 움직이고, 이에 의해 제 2 커넥팅로드(177)의 제 2 헤드부(160)가 제 2 가동부재(175)를 가이드바(149)를 따라 이동시킬 수 있다. 제 2 가동부재(175)의 움직임으로 제 2 탄성부재(173)가 탄성 변형되면, 제 2 탄성부재(173)의 탄성력이 제 2 가동부재(175)와 제 2 커넥팅로드(177)를 통해 입력 링크(130)에 전달될 수 있다. 따라서 입력 링크(130)의 회전 시 링크 기구(115)의 자중에 의한 중력 토크를 보상할 수 있는 보상 토크를 입력 링크(130)에 제공할 수 있고, 입력 링크(130)를 움직이기 위한 제 2 관절 구동부(140)의 구동 토크를 줄일 수 있다.
제 2 커넥팅로드(177)는 제 1 헤드부(159)를 갖는 제 1 회전 로드(163)와 제 2 헤드부(160)를 갖는 제 2 회전 로드(166)로 분리될 수 있다. 제 1 회전 로드(163)는 제 1 헤드부(159)와, 제 1 헤드부(159)에서 연장되는 제 1 로드 바디(164)를 갖는다. 제 2 회전 로드(166)는 제 2 헤드부(160)와, 제 2 헤드부(160)에서 연장되는 제 2 로드 바디(167)를 갖는다. 제 1 회전 로드(163)의 제 1 로드 바디(164)와 제 2 회전 로드(166)의 제 2 로드 바디(167)는 나사나 볼트 등의 고정부재를 통해 분리 가능하게 결합될 수 있다. 이렇게 제 2 커넥팅로드(177)가 입력 링크(130)와 결합되는 부분과 제 2 가동부재(175)와 결합되는 부분이 분리될 수 있는 분리식 구조로 이루어짐으로써 제 2 카운터밸런서(170)의 조립이나 분해 작업이 쉬워진다.
이와 같이, 제 2 카운터밸런서(170)가 제 1 링크(110)에 조립식으로 설치되는 모듈형 구조를 취함으로써, 제 2 카운터밸런서(170)의 부품을 수리하거나 교체할 때, 제 2 카운터밸런서(170)를 쉽게 분리할 수 있고, 또한 쉽게 조립할 수 있다. 따라서 유지 보수에 따른 작업 시간과 비용을 절감할 수 있다.
이하에서는, 도면을 참조하여 상술한 중력보상장치(142)의 작동 원리에 대하여 설명한다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 중력보상장치를 구비한 수직다관절 로봇 머니퓰레이터의 중력보상장치의 작동 원리를 설명하기 위해 간략화한 개념도이고, 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 중력보상장치를 구비한 수직다관절 로봇 머니퓰레이터의 중력보상장치의 효과를 설명하기 위해 설계변수를 적절히 선정했을 때 관절 회전각도에 따른 보상 토크를 나타낸 그래프이며, 도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 중력보상장치를 구비한 수직다관절 로봇 머니퓰레이터의 각 피치 관절에 인가되는 중력 토크를 설명하기 위해 간략하게 나타낸 개념도이다.
도 10에 나타낸 것과 같이, 중력보상장치(142)의 커넥팅로드(158)(177)의 길이를 lrod, 링크 기구(115)의 회전 중심으로부터 커넥팅로드(158)(177)가 연결된 점 사이의 길이를 R, 탄성부재(148)(173)의 스프링 상수를 k, 링크 기구(115)의 회전각도를 θ, 커넥팅로드(158)(177)의 회전 각도를 φ라고 하면, 링크 기구(115)의 회전에 따른 가동부재(152)(175)의 이동거리 s는 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2017001480-appb-I000001
여기에서, 가동부재(152)(175)의 움직임에 의한 탄성부재(148)(173)의 압축거리는 가동부재(152)(175)의 이동거리에 탄성부재(148)(173)의 초기 압축거리 si를 더한 값과 같다. 따라서 탄성부재(148)(173)의 압축에 따른 탄성부재(148)(173)의 복원력 Fr은 탄성부재(148)(173)의 강성에 탄성부재(148)(173) 압축거리를 곱하여 다음의 식과 같이 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2017001480-appb-I000002
커넥팅로드(158)(177)에 인가되는 힘을 F라고 하면, F와 Fr 사이에는 다음의 관계가 성립한다.
Figure PCTKR2017001480-appb-I000003
또한 커넥팅로드(158)(177)를 통해 전달되는 힘과 제 1 관절(J1)의 중심 O 사이의 거리인 모멘트암 lm은 다음과 같다.
Figure PCTKR2017001480-appb-I000004
최종적으로, 제 1 관절(J1)에는 다음과 같이 커넥팅로드(158)(177)를 통해 전달되는 힘과 모멘트암의 곱으로 나타나는 보상 토크 Tc가 발생한다.
Figure PCTKR2017001480-appb-I000005
한편, 커넥팅로드(158)(177)의 회전각도 φ와 링크 기구(115)의 회전각도 θ는 다음 식에 의해 구속된다.
Figure PCTKR2017001480-appb-I000006
따라서 링크 기구(115)의 회전각도 θ에 따라 중력보상장치(142)에서 생성되는 보상 토크 Tc는 4개의 설계변수 R, k, si, lrod에 의해 결정되며, 적절한 변수 선정을 통해 링크 기구(115) 회전에 따라 정현파 모양으로 나타나는 중력 토크 Tg를 상쇄할 수 있다.
일예로, R이 25mm, lrod가 100mm, k가 2.9N/mm, si가 75mm일 때 발생하는 보상 토크를 그래프로 나타나면 도 11과 같이 정현파의 모양을 갖는다. 본 발명에서 개발한 중력보상장치(142)의 경우, 보상 토크의 수식이 중력 토크의 수식 mgsinθ와 수학적으로 완전히 일치하지는 않으므로, 중력보상장치(142)로 머니퓰레이터의 자중에 의한 중력 토크를 완전하게 상쇄하지는 못 한다. 그러나 설계변수를 최적화하여 중력보상장치를 설계하면 중력 토크와 보상 토크의 오차가 미미하게 나타나므로, 중력 토크를 보상하여 머니퓰레이터의 구동부 동력을 낮추는 것이 가능하다.
도 12에 나타낸 것과 같이, 세 개의 링크(L1)(L2)(L3)를 구비하여 롤 관절 1(Jr) 위에 피치 관절 2(Jp1)과 피치 관절 3(Jp2)이 구비된 로봇 머니퓰레이터의 경우, 각 피치 관절(Jp1)(Jp2)에는 다음과 같은 중력 토크가 인가되는 것으로 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2017001480-appb-I000007
Figure PCTKR2017001480-appb-I000008
여기서 m2, m3는 각 링크(L2)(L3)의 질량, lc2, lc3는 각 링크(L2)(L3)의 무게중심 거리, l2은 피치 관절 2(Jp1)와 피치 관절 3(Jp2) 사이의 거리이며, θ2, θ3는 각 피치 관절(Jp1)(Jp2)의 회전각도이다. 피치 관절 2(Jp1)의 중력 토크 식을 보면, 첫 번째 성분인 (m2glc2+m3gl2)sinθ2는 각도 θ2만의 함수이므로, 중력보상장치의 설계변수를 적절히 조절하여 보상하는 것이 가능하다. 그러나 두 번째 성분 m3glc3sin(θ2+θ3)은 피치 관절 2(Jp1)와 피치 관절 3(Jp2)에 대한 각도를 모두 반영해야 하므로 단순한 중력보상장치의 적용으로 보상하기는 어렵다. 이 항을 살펴보면, 피치 관절 3(Jp2)에 인가되는 중력 토크의 식과 동일한 것을 알 수 있으며, 이는 작용-반작용으로 인해 피치 관절 3(Jp2)에 인가된 중력 토크와 같은 크기의 토크가 링크(L2)를 통해 피치 관절 2(Jp1)로 전달되기 때문이다. 따라서 이러한 작용-반작용에 의한 토크를 링크가 아닌 다른 구조를 통해 베이스 쪽으로 전달한다면 피치 관절 2(Jp1)에 인가되는 토크는 피치 관절 2(Jp1)의 회전각도에만 의존하는 항만 남게 되어 중력보상장치를 적용하여 중력 토크를 보상하는 것이 가능하다.
피치 관절 3(Jp2)에 걸리는 중력 토크 Tg3의 경우, 위 식과 같이 피치 관절 2(Jp1)과 피치 관절 3(Jp2)의 회전각도의 합인 (θ2+θ3)에 의해 결정되는데, 이는 도 12에서 나타낸 것과 같이 중력 방향을 기준으로 링크 3(L3)의 회전각을 나타낸 값이다. 따라서 피치 관절 3(Jp2)에서 중력방향을 기준으로 하여 중력보상장치를 적용하면 링크 3(L3)에 의한 중력 토크를 보상하는 것이 가능하다.
위의 내용을 정리하면, 2개의 피치 관절(Jp1)(Jp2)로 구성된 로봇 머니퓰레이터의 중력 토크를 보상하기 위해서는, 중력 토크의 작용-반작용에 의해 발생하는 토크를 다른 관절에 인가하지 않으면서 링크 1(L1)로 전달할 수 있는 메커니즘과 다른 관절의 회전에 관계없이 항상 중력 방향을 기준으로 작동하는 중력보상장치의 구현이 필요하다.
본 발명은 도 5에 나타낸 것과 같이, 2개의 피치 관절(J1)(J2) 사이를 평행 4절 링크로 구성함으로써 이 문제를 해결할 수 있다. 평행 4절 링크를 구성하는 입력 링크(130)의 회전 기준은 제 2 링크(120)와 마찬가지로 제 1 링크(110) 위에 있으므로 제 2 링크(120)의 회전에 영향을 받지 않는다. 따라서 평행 4절 링크의 입력 링크(130)에 중력보상장치(142)를 적용하면 항상 중력 방향을 기준으로 제 2 관절(J2)을 동작시키는 것이 가능하다.
또한 제 2 관절(J2)에 인가되는 중력 토크를 평행 4절 링크의 커플러 링크(136)를 통해 제 1 링크(110)로 전달하므로, 제 1 관절(J1)은 제 2 관절(J2)의 중력 토크에 영향을 받지 않아 제 1 관절(J1)에는 제 1 관절(J1)의 회전각도에 따른 성분만 남고 단순한 중력보상장치(142)의 적용이 가능하다. 이와 같이, 평행 4절 링크 구조로 두 피치 관절(J1)(J2)을 구성함으로써, 두 관절(J1)(J2)에 대해 모두 탄성력을 통한 중력보상을 적용하는 것이 가능하다.
또한 제 2 관절 구동부(140)를 제 1 관절 구동부(138)와 같이 제 1 링크(110) 상에 위치시켜 제 2 관절(J2)의 회전이 제 1 관절(J1)의 회전에 영향을 주지 않는다. 그리고 제 2 관절(J2)의 토크를 커플러 링크(136)와 입력 링크(130)를 통해 제 1 링크(110)에 전달하므로, 제 2 관절(J2)의 토크가 제 1 관절(J1)에 작용하지 않는다.
상술한 것과 같이, 본 발명에 따른 수직다관절 로봇 머니퓰레이터(100)는 일반적인 산업용 수직다관절 로봇의 구조를 따르면서 중력 토크의 영향을 가장 많이 받는 두 관절(J1)(J2)에 대해 중력 토크를 보상할 수 있다. 따라서 수직다관절 로봇 머니퓰레이터(100)의 자세 유지 및 구동 시에 각 관절(J1)(J2)에서 필요한 토크의 크기가 획기적으로 감소하여 관절 구동부(138)(140)에서 필요한 동력을 낮출 수 있으므로 수직다관절 로봇 머니퓰레이터(100)의 제조 단가를 낮출 수 있다.
또한 본 발명에 따른 수직다관절 로봇 머니퓰레이터(100)는, 중력 보상으로 인해서 동일한 작업을 수행하는 데 훨씬 작은 동력을 사용할 수 있으므로, 로봇 운영 시의 에너지를 절감하는 효과를 얻을 수 있다. 또한 중력보상장치(142)의 설치 및 부품 수명에 따른 교체가 용이하도록 중력보상장치(142)를 모듈식으로 설계함으로써, 수직다관절 로봇 머니퓰레이터(100)의 유지 보수 문제를 해결할 수 있다.
이상 본 발명에 대해 바람직한 예를 들어 설명하였으나 본 발명의 범위가 앞에서 설명되고 도시되는 형태로 한정되는 것은 아니다.
예를 들어, 도면에는 수직다관절 로봇 머니퓰레이터(100)가 다관절 구조의 팔 파트와, 다관절 구조의 손목 파트를 갖는 로봇 팔의 형태로 구현된 것으로 나타냈으나, 본 발명의 수직다관절 로봇 머니퓰레이터는 다양한 개수의 링크와 관절 수를 갖는 다양한 다른 구조로 변경될 수 있다.
또한 도면에는 링크 기구(115)가 4절 링크 구조로 이루어지는 것으로 나타냈으나, 링크 기구는 다양한 개수의 다양한 모양을 갖는 링크를 포함하는 다른 구조로 변경될 수 있다. 다른 예로, 링크 기구를 구성하는 제 2 링크의 회전 중심과 입력 링크의 회전 중심은 서로 어긋난 위치에 배치될 수도 있다.
또한 도면에는 중력보상장치(142)가 링크 기구(115)의 제 2 링크(120)에 보상 토크를 제공하는 제 1 카운터밸런서(144)와 입력 링크(130)에 보상 토크를 제공하는 제 2 카운터밸런서(170)를 포함하는 것으로 나타냈으나, 중력보상장치는 제 2 링크(120)와 입력 링크(130) 중 적어도 어느 하나에 보상 토크를 제공하는 하나의 카운터밸런서를 갖는 다른 구조로 변경될 수 있다.
또한 중력보상장치(142)를 구성하는 제 1 카운터밸런서(144)와 제 2 카운터밸런서(170)의 구조는 도시된 것으로 한정되지 않고 다양하게 변경될 수 있다. 다른 예로, 카운터밸런서를 구성하는 탄성부재는 도시된 것과 같은 코일 스프링 구조 이외에 링크 기구에 탄성력을 제공할 수 있는 다른 구조로 변경될 수 있고, 탄성부재의 탄성력을 링크 기구에 전달하는 가동부재와 커넥팅로드의 구조도 다양하게 변경될 수 있다.
이상, 본 발명을 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려 첨부된 청구범위의 사상 및 범위를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.

Claims (12)

  1. 제 1 링크;
    상기 제 1 링크에 대해 회전할 수 있도록 상기 제 1 링크와 제 1 관절로 연결되는 제 2 링크;
    상기 제 2 링크에 대해 회전할 수 있도록 상기 제 2 링크와 상기 제 1 관절로부터 이격되어 배치되는 제 2 관절로 연결되는 제 3 링크;
    상기 제 2 링크와 별도로 상기 제 1 링크에 대해 회전할 수 있도록 상기 제 1 링크와 연결되는 입력 링크;
    일측이 상기 제 3 링크와 회전 가능하게 연결되고 다른 일측이 상기 입력 링크와 회전 가능하게 연결되는 커플러 링크;
    상기 제 2 링크를 상기 제 1 관절을 중심으로 회전시킬 수 있도록 상기 제 1 링크에 설치되어 상기 제 2 링크에 구동력을 제공하는 제 1 관절 구동부;
    상기 입력 링크 및 상기 커플러 링크를 통해 상기 제 3 링크를 상기 제 2 관절을 중심으로 회전시킬 수 있도록 상기 제 1 링크에 설치되어 상기 입력 링크를 회전시키는 제 2 관절 구동부; 및
    상기 제 2 링크, 상기 제 3 링크, 상기 입력 링크 및 상기 커플러 링크를 포함하는 링크 기구의 자중에 의한 중력 토크를 보상하기 위해 상기 제 2 링크와 상기 입력 링크 중 적어도 어느 하나에 탄성력을 가하도록 상기 제 1 링크에 설치되는 중력보상장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직다관절 로봇 머니퓰레이터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 중력보상장치는,
    상기 제 1 링크에 지지되는 탄성부재와,
    상기 링크 기구에 상기 탄성부재의 탄성력을 전달하기 위해 상기 제 2 링크 또는 상기 입력 링크 중 어느 하나의 상기 제 1 링크에 대한 회전 중심으로부터 이격된 부분에 회전 가능하게 연결되는 커넥팅로드와,
    상기 커넥팅로드가 회전 가능하게 연결되고 상기 커넥팅로드의 움직임에 연동하여 상기 탄성부재를 탄성 변형시킬 수 있도록 상기 제 1 링크에 대해 가동할 수 있게 설치되는 가동부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직다관절 로봇 머니퓰레이터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 중력보상장치는,
    상기 제 1 링크에 조립식으로 결합되는 지지 프레임을 더 포함하며,
    상기 탄성부재는 상기 지지 프레임에 결합되고, 상기 가동부재는 상기 지지 프레임에 슬라이딩 가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 수직다관절 로봇 머니퓰레이터.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 중력보상장치는,
    상기 가동부재의 슬라이딩 방향으로 연장되도록 상기 지지 프레임에 결합되는 가이드바를 더 포함하며,
    상기 탄성부재는 상기 가이드바의 외주에 감기는 스프링 구조로 이루어지고, 상기 가동부재는 상기 탄성부재를 압축할 수 있도록 상기 가이드바에 슬라이딩 가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 수직다관절 로봇 머니퓰레이터.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 중력보상장치의 커넥팅로드는,
    상기 제 2 링크 또는 상기 입력 링크 중 어느 하나에 회전 가능하게 결합되는 제 1 헤드부와, 상기 제 1 헤드부에서 연장되는 제 1 로드 바디를 갖는 제 1 회전 로드와,
    상기 가동부재에 회전 가능하게 결합되는 제 2 헤드부와, 상기 제 2 헤드부에서 연장되어 상기 제 1 회전 로드의 제 1 로드 바디와 조립식으로 결합되는 제 2 로드 바디를 갖는 제 2 회전 로드를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직다관절 로봇 머니퓰레이터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 중력보상장치는,
    상기 제 1 링크에 지지되는 제 1 탄성부재와, 상기 제 2 링크에 상기 제 1 탄성부재의 탄성력을 전달하기 위해 상기 제 2 링크의 상기 제 1 링크에 대한 회전 중심으로부터 이격된 부분에 회전 가능하게 연결되는 제 1 커넥팅로드와, 상기 제 1 커넥팅로드가 회전 가능하게 연결되고 상기 제 1 커넥팅로드의 움직임에 연동하여 상기 제 1 탄성부재를 탄성 변형시킬 수 있도록 상기 제 1 링크에 대해 가동할 수 있게 설치되는 제 1 가동부재를 갖는 제 1 카운터밸런서와,
    상기 제 1 링크에 지지되는 제 2 탄성부재와, 상기 입력 링크에 상기 제 2 탄성부재의 탄성력을 전달하기 위해 상기 입력 링크의 상기 제 1 링크에 대한 회전 중심으로부터 이격된 부분에 회전 가능하게 연결되는 제 2 커넥팅로드와, 상기 제 2 커넥팅로드가 회전 가능하게 연결되고 상기 제 2 커넥팅로드의 움직임에 연동하여 상기 제 2 탄성부재를 탄성 변형시킬 수 있도록 상기 제 1 링크에 대해 가동할 수 있게 설치되는 제 2 가동부재를 갖는 제 2 카운터밸런서를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직다관절 로봇 머니퓰레이터.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 카운터밸런서는 상기 제 1 링크에 조립식으로 결합되는 제 1 지지 프레임을 더 포함하고, 상기 제 1 탄성부재는 상기 제 1 지지 프레임에 결합되고, 상기 제 1 가동부재는 상기 제 1 지지 프레임에 슬라이딩 가능하게 결합되며,
    상기 제 2 카운터밸런서는 상기 제 1 링크에 조립식으로 결합되는 제 2 지지 프레임을 더 포함하고, 상기 제 2 탄성부재는 상기 제 2 지지 프레임에 결합되고, 상기 제 2 가동부재는 상기 제 2 지지 프레임에 슬라이딩 가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 수직다관절 로봇 머니퓰레이터.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 커넥팅로드는,
    상기 제 2 링크에 회전 가능하게 결합되는 제 1 헤드부와, 상기 제 1 헤드부에서 연장되는 제 1 로드 바디를 갖는 제 1 회전 로드와,
    상기 제 1 가동부재에 회전 가능하게 결합되는 제 2 헤드부와, 상기 제 2 헤드부에서 연장되어 상기 제 1 회전 로드의 제 1 로드 바디와 조립식으로 결합되는 제 2 로드 바디를 갖는 제 2 회전 로드를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직다관절 로봇 머니퓰레이터.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 커넥팅로드는,
    상기 입력 링크에 회전 가능하게 결합되는 제 1 헤드부와, 상기 제 1 헤드부에서 연장되는 제 1 로드 바디를 갖는 제 1 회전 로드와,
    상기 제 2 가동부재에 회전 가능하게 결합되는 제 2 헤드부와, 상기 제 2 헤드부에서 연장되어 상기 제 1 회전 로드의 제 1 로드 바디와 조립식으로 결합되는 제 2 로드 바디를 갖는 제 2 회전 로드를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직다관절 로봇 머니퓰레이터.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 카운터밸런서와 상기 제 2 카운터밸런서는 상기 제 1 가동부재의 가동 방향과 상기 제 2 가동부재의 가동 방향이 상호 평행하도록 서로 마주하여 배치되는 것을 특징으로 하는 수직다관절 로봇 머니퓰레이터.
  11. 제 1 항에 있어서,
    복수의 관절을 갖고 상기 제 3 링크에 결합되는 다중 관절 유닛;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직다관절 로봇 머니퓰레이터.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 링크와 베이스 관절로 연결되어 상기 제 1 링크를 상기 베이스 관절을 중심으로 회전시키는 베이스 유닛;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수직다관절 로봇 머니퓰레이터.
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