WO2017150933A1 - 가변형 중력토크 보상장치 및 이의 제어 방법 - Google Patents

가변형 중력토크 보상장치 및 이의 제어 방법 Download PDF

Info

Publication number
WO2017150933A1
WO2017150933A1 PCT/KR2017/002317 KR2017002317W WO2017150933A1 WO 2017150933 A1 WO2017150933 A1 WO 2017150933A1 KR 2017002317 W KR2017002317 W KR 2017002317W WO 2017150933 A1 WO2017150933 A1 WO 2017150933A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
link
reference plane
coupled
rotation
joint
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/KR2017/002317
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
김휘수
손영수
박찬훈
박동일
도현민
최태용
김두형
경진호
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Korea Institute of Machinery and Materials KIMM
Original Assignee
Korea Institute of Machinery and Materials KIMM
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from KR1020160026117A external-priority patent/KR101801242B1/ko
Priority claimed from KR1020160041633A external-priority patent/KR101841171B1/ko
Application filed by Korea Institute of Machinery and Materials KIMM filed Critical Korea Institute of Machinery and Materials KIMM
Priority to US16/082,254 priority Critical patent/US11192241B2/en
Publication of WO2017150933A1 publication Critical patent/WO2017150933A1/ko
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Program-controlled manipulators
    • B25J9/10—Program-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements
    • B25J9/12—Program-controlled manipulators characterised by positioning means for manipulator elements electric
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/0008—Balancing devices
    • B25J19/0016—Balancing devices using springs
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J18/00—Arms
    • B25J18/02—Arms extensible
    • B25J18/04—Arms extensible rotatable
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/02—Sensing devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Program-controlled manipulators
    • B25J9/16—Program controls
    • B25J9/1602—Program controls characterised by the control system, structure, architecture
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J13/00—Controls for manipulators
    • B25J13/08—Controls for manipulators by means of sensing devices, e.g. viewing or touching devices
    • B25J13/085—Force or torque sensors

Definitions

  • the present invention is capable of compensation of the payload, which can change the compensation torque so that compensation for the payload, which is the weight that is held by the robot, as well as the compensation for the weight of the robot, which is the fixed weight of the robot, is possible.
  • the present invention relates to a variable gravity torque compensator capable of minimizing the capacity of an actuator required to cope with two-axis ground angle changes and a control method thereof.
  • Gravity compensator a representative method developed for reducing the motor capacity used in the robot, is a mechanism that can minimize the torque required at work by offsetting the gravity torque generated by the weight of the robot joint.
  • the link 2 is coupled to the base 1 so that one side thereof is rotatable.
  • the other end of the spring member 3 is fixed to the link 2, and the wire 4 is coupled to pass between the pulleys 5 coupled to the link 2. It is configured to generate a compensation torque for its own weight due to the rotation of the link (2).
  • the self-weight compensation device as described above can compensate only the fixed weight of the link (or robot arm) of a certain weight determined at the time of design, so that the weight of the link changes, or the distance from the center of rotation of the link to the center of gravity changes, or In the event that the payload acting changes, smooth compensation cannot be made. That is, there is a problem in that a cumbersome method such as replacing the spring member is required to generate an appropriate compensation torque for the changed weight.
  • the pitch and yaw angle of the mounting surface on which the robot arm is mounted are changed.
  • the required compensation torque will change.
  • the existing technology has a problem that can not be adjusted to generate a proper compensation torque for both the pitch of the mounting surface and the yaw direction rotation.
  • the present invention has been made to solve the problems described above, the object of the present invention is to compensate for the payload of the variable weight that is held by the robot as well as the compensation for the weight of the fixed weight of the robot can be made However, it is to provide a variable gravity torque compensation device capable of carrying load compensation to easily change the compensation torque and to generate a suitable compensation torque for the own and payload.
  • Another object of the present invention to provide a control method of the gravity torque compensation device.
  • another object of the present invention is to control the reference plane by measuring the rotation angle displacement of the mounting surface or the robot base of the robot, even if the angle of the mounting surface or ground of the robot is rotated and changed in the pitch direction and yaw direction It is to provide a variable gravity torque compensation device that can provide the appropriate compensation torque for each joint and can cope with the 2-axis ground angle change that can minimize the capacity of the actuator required for driving the robot.
  • Variable gravity torque compensation apparatus according to an embodiment for achieving the object of the present invention as described above, the reference surface; A link having one end rotatably connected to the reference surface to form a rotation center, the center of gravity being spaced apart from the rotation center; Elastic means having one end coupled to the link; A wire having one side coupled to the other end of the elastic means and the other side coupled to the reference surface; An idle roller coupled to the link to support between both ends of the wire; And a compensation torque adjusting unit installed at the link to adjust the position of the idle roller and the elastic force of the elastic means.
  • the elastic means is a coil spring disposed along the longitudinal direction of the link, the elastic force can be adjusted according to the initial compression distance of the coil spring.
  • the link is movable and fixed in the longitudinal direction of the link and comprises a spring fixing surface that is supported on one end of the elastic means, the idle roller is coupled to the link, It may be formed to be movable and fixed along the longitudinal direction.
  • a spring fixing surface is coupled to the sliding block is fixed, the idle roller to the sliding block Can be combined and fixed.
  • one or both sides of the link may be rotatably coupled and may include a lead screw screwed to the sliding block.
  • the lead screw may be provided with two or more in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the link.
  • it may further include a drive motor fixed to the link and connected to the lead screw, to rotate the lead screw.
  • it may further comprise a weighing sensor attached to the link.
  • variable gravity torque compensation device is rotatably connected to one end of the link to the reference surface to form a rotation center
  • the link has a center of gravity spaced apart from the center of rotation, and one end of the coil spring is coupled to the link, and a wire coupled to the other end of the coil spring is connected to the reference plane, and both ends of the wire are coupled to the link by an idle roller.
  • the initial compression distance (s o ) of the coil spring and the distance (b) from the rotation center to the wire support point are It is adjusted to increase together, and when the weight acting on the other end of the link decreases, the initial compression distance (s o ) of the coil spring and the distance (b) from the center of rotation to the wire support point are adjusted together.
  • the initial compression distance (s o ) of the coil spring and the distance (b) from the center of rotation to the wire support point increases or decreases to the same size Can be adjusted.
  • the compensation torque may be manually or automatically adjusted according to the measured weight.
  • variable gravity torque compensation device In the variable gravity torque compensation device according to an embodiment for achieving another object of the present invention as described above, one end of the second link is rotatably connected to the first link, the pitch direction horizontal to the ground
  • the second link is a rotation axis
  • the second link has a center of gravity spaced apart from the second joint, one end of which is connected to the second joint and the other end of which is coupled to the second link, so that the second link is second.
  • a 1-1 gravity torque compensator and a 1-2 gravity torque compensator for generating a compensation torque for the own weight of the second link when the pivot is rotated about the joint;
  • a second reference plane and a first reference plane that are disposed coaxially with the rotation axis of the second joint to be rotatable about the rotation axis of the second joint, and to which one end of the 1-1 gravity torque compensator is connected and coupled;
  • a 2-2 reference plane to which one end of the gravity torque compensator is connected and coupled;
  • a first-first reference plane control device coupled to the first link and connected to the second-first reference plane to adjust and fix a rotation angle of the second-first reference plane.
  • a second reference plane control device coupled to the first link and connected to the second reference plane and capable of adjusting and fixing a rotation angle of the second reference plane.
  • the first link is rotatably connected to the base portion to form a first joint that is a yaw direction axis of rotation horizontal to the ground, the first reference plane control device, the first joint A first-first reference plane disposed coaxially with the rotary axis of the first-first reference plane, the first-first reference plane being connected to the second-first reference plane and interlocked with the second-first reference plane; And a first-first reference plane control motor connected to the first-first reference plane and fixed to the base to enable adjustment and fixation of a rotation angle of the first-first reference plane.
  • a first reference plane disposed coaxially with the rotation axis of the first joint and rotatably around the rotation axis of the first joint, the first reference plane being connected to and interlocked with the second reference plane; And a 1-2 reference plane control motor connected to the 1-2 reference plane and fixed to the base to enable adjustment and fixation of the rotation angle of the 1-2 reference plane.
  • it is installed in the first link or base portion can measure the rotation angle (tilt) around the pitch direction of the first link or base portion and the rotation angle (tilt) around the yaw direction It may further include a tilt sensor.
  • the first-first reference plane control device is connected to the first-first reference plane control device, the first-second reference plane control device, and an inclination sensor, and controls the first-first reference plane according to the inclination of the first link or the base part measured by the inclination sensor.
  • the apparatus may further include a main controller configured to automatically adjust a rotation angle of the 2-1 reference plane and a rotation angle of the 2-2 reference plane through the apparatus and the 1-2 reference plane control device.
  • the 2-1 reference surface and the 2-2 reference surface are controlled according to an angle at which the first link or the base portion is inclined about the pitch direction with respect to the ground perpendicular to the gravity direction, wherein the first link
  • the angle and size of the inclination of the base portion may be the same, but the direction may be controlled such that the 2-1 reference plane and the 2-2 reference plane are rotated in opposite directions to fix the position.
  • the second reference plane and the second reference plane is controlled according to the angle of inclination of the first link or the base portion about the yaw direction with respect to the ground perpendicular to the gravity direction, the first link
  • the degree of rotation of the 2-1 reference plane and the 2-2 reference plane is adjusted according to the inclination angle of the base part, and the 2-1 reference plane and the 2-2 reference plane are rotated in opposite directions to control the position. Can be.
  • one end of the third link is rotatably connected to the other end of the second link to form a third joint that is a pitch axis of rotation horizontal to the ground, and the third link has a center of gravity of the third link. It is arranged spaced apart from the three joints, one end is connected to the third joint and the other end is coupled to the third link to generate a compensation torque for the weight of the third link when the third link is rotated around the third joint A 2-1 gravity torque compensator and a 2-2 gravity torque compensator; And a third reference plane and a third reference plane which are disposed coaxially with the rotation axis of the third joint to be rotatable about the rotation axis of the third joint, and wherein one end of the 2-1 gravity torque compensator is connected and coupled.
  • a second reference plane coupled to one end of the second torque compensation device;
  • the 3-1 reference plane is connected to the 2-1 reference plane and the 3-2 reference plane is connected to the 2-2 reference plane, and the same angle as the rotation angle of the 2-1 reference plane
  • the 3-1 reference surface is rotated in the and direction and the 3-2 reference surface is rotated in the same angle and direction as the angle at which the 2-2 reference surface is rotated.
  • the 2-1 reference surface and the 3-1 reference surface are connected by a link mechanism in which four bars are connected in a parallelogram, and the 2-2 reference surface and the 3-2 reference plane have four bars in a parallelogram. It can be connected by means of a linked link mechanism.
  • the 2-1 reference surface and the 3-1 reference surface may be connected by a pulley and a belt
  • the 2-2 reference surface and the 3-2 reference surface may be connected by a pulley and a belt
  • the first-first reference plane and the first-second reference plane are fixed, and the angle at which the first link is rotated.
  • the same size but the 2-1 reference surface and the 2-2 reference surface may be controlled to be rotated in the opposite direction to be fixed position.
  • the first link rotary motor and the first link rotary reducer are coupled to and fixed to the base portion, and the first link is coupled to the reducer rotary shaft of the first link rotary reducer and penetrates the reducer rotary shaft.
  • the 1-2 rotation axis of the 1-2 reference plane is coupled, the 1-1 rotation axis of the 1-1 reference plane is coupled so as to pass through the 1-2 rotation axis of the 1-2 reference plane, the center of the three rotation axes
  • the axes can be formed to coincide.
  • variable gravity torque compensation device and its control method can easily change the compensation torque with respect to the change of the payload, which is the weight held by the robot, and is suitable for the payload. There is an advantage that can generate a compensation torque.
  • variable gravity torque compensation device such as a humanoid robot
  • variable gravity torque compensation device when there is a multi-degree of freedom waist joint that changes the angle of the reference plane or when the robot is mounted on the mobile platform, the angle of the ground or the waist joint to run and stop
  • the angle of the reference plane in accordance with the rotation angle in the pitch direction and yaw direction can provide an appropriate compensation torque for each joint of the robot.
  • the capacity of the actuator required to drive the robot can be minimized, thereby minimizing injuries when a human-robot collision occurs.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a mechanical self-weight compensation device according to the prior art.
  • FIG. 2 is a front view showing a variable gravity torque compensation device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating a principle for calculating a compensation torque in the variable gravity torque compensation device of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a front view illustrating the operation of the compensating torque adjusting unit when the payload is changed in the variable gravity torque compensating apparatus of FIG. 2.
  • FIG. 5 is a front view illustrating the variable gravity torque compensator of FIG. 2 when the weight of the variable weight is increased compared to the reference weight and the link is rotated to be horizontal.
  • FIG. 6 is a front view illustrating the variable gravity torque compensator of FIG. 2 when the weight of the variable weight is reduced compared to the reference weight and the link is rotated to be horizontal.
  • FIG. 7 is a graph showing gravity torque and compensation torque in the variable gravity torque compensation device of FIG. 2.
  • FIG. 8 is a front view illustrating a compensation torque adjusting unit equipped with a driving motor and a weighing sensor in the variable gravity torque compensation device of FIG. 2.
  • FIGS. 9 and 10 are perspective views showing a robot arm having a gravity torque compensation device for explaining the concept of a variable gravity torque compensation device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a graph showing gravity torque according to a rotation angle around a pitch rotation axis and a rotation angle around a yaw direction rotation axis of the robot arm.
  • 12 to 16 are a perspective view, a partially cut perspective view, a front cross-sectional view and a planar cross-sectional view showing a variable gravity torque compensation device according to another embodiment of the present invention.
  • 17 is a conceptual diagram illustrating a concept in which the variable gravity torque compensator of FIG. 12 is configured in parallel.
  • FIG. 18 is a graph illustrating the compensation torque according to the angular displacement of the link in FIG. 17.
  • FIG. 19 is a partial perspective view of the variable gravity torque compensator of FIG. 12 in which the base part is unchanged with respect to two axes (pitch direction rotation axis and yaw direction rotation axis), that is, the base part is vertically fixed in the gravity direction.
  • FIG. 20 is a partial perspective view of the variable gravity torque compensator of FIG. 12, in which a base part is rotated at an angle about a rotation axis in a pitch direction.
  • FIG. 21 is a view of the variable gravity torque compensator of FIG. 12, wherein the base link and all the portions including the first link are rotated at an angle about the rotation axis of the yaw direction such that the second link is in a state in which the rotation axis of the second joint faces the vertical direction.
  • FIG. 22 is a view of the variable gravity torque compensator of FIG. 12 including all parts including the first link except the base part, the first-first reference plane, and the first-second reference plane in a vertically fixed state in the direction of gravity; It is a partial perspective view showing the state rotated by an angle about the direction axis of rotation.
  • FIG. 23 and 24 illustrate a 1-1 gravity torque compensator and a 2-1 gravity torque compensator (or 1-1 gravity torque compensator and 2-1 gravity torque) in the variable gravity torque compensator of FIG. 12.
  • Compensation device is a conceptual diagram showing that the reference planes are linked by a link and a belt.
  • J3 Second joint 14: First link rotation motor
  • first link rotary reducer 15-1 reducer rotary shaft
  • reference plane S reference point
  • protrusion 300 variable weight
  • roller 201 2-1 reference plane
  • compensation torque adjustment unit 510 sliding block 520: lead screw 530: drive motor 540: weight measurement sensor
  • main control unit 601 2-1 gravity torque compensation device
  • variable gravity torque compensator of the present invention as described above and a control method thereof will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
  • variable gravity torque compensation device in particular, a variable gravity torque compensation device capable of payload compensation will be described in detail.
  • FIG. 2 is a front view showing a variable gravity torque compensation device according to an embodiment of the present invention.
  • 3 is a conceptual diagram illustrating a principle for calculating a compensation torque in the variable gravity torque compensation device of FIG. 2.
  • 4 is a front view illustrating the operation of the compensating torque adjusting unit when the payload is changed in the variable gravity torque compensating apparatus of FIG. 2.
  • FIG. 5 is a front view illustrating the variable gravity torque compensator of FIG. 2 when the weight of the variable weight is increased compared to the reference weight and the link is rotated to be horizontal.
  • FIG. 6 is a front view illustrating the variable gravity torque compensator of FIG. 2 when the weight of the variable weight is reduced compared to the reference weight and the link is rotated to be horizontal.
  • FIG. 7 is a graph showing gravity torque and compensation torque in the variable gravity torque compensation device of FIG. 2.
  • FIG. 8 is a front view illustrating a compensation torque adjusting unit equipped with a driving motor and a weighing sensor in the variable gravity torque compensation device of FIG
  • variable gravity torque compensator includes a reference plane 100; One end is rotatably connected to the reference surface 100 to form a rotation center (O), the center of gravity (M) is spaced apart from the rotation center (O) (200); Elastic means 410 having one end coupled to the link 200; A wire 440 having one side coupled to the other end of the elastic means 410 and the other side coupled to the reference surface 100; An idle roller 450 coupled to the link 200 to support between both ends of the wire 440; And a compensation torque adjusting part 500 installed at the link 200 to adjust the position of the idle roller 450 and the elastic force of the elastic means 410.
  • the reference plane 100 is a fixed and reference member, and the base fixed to the ground may be a reference plane or the reference plane 100 may be coupled to the fixed base and maintained in a fixed state.
  • Link 200 is a portion corresponding to the arm of the robot, one end in the longitudinal direction of the link 200 is connected to the reference surface 100 is rotatably coupled to form a center of rotation (O).
  • the rotation axis forming the center of rotation (O) in which the link 200 is rotated may be formed horizontally with respect to the ground perpendicular to the direction of gravity.
  • the link 200 is formed long in the longitudinal direction so that the center of gravity (M) may be spaced apart from the center of rotation (O).
  • One end of the elastic means 410 is coupled to the link 200 and the other end is connected to the reference surface 100, so that the elastic force is generated as the link 200 rotates to generate a compensation torque. At this time, the elastic force by the elastic means 410 is changed according to the angle at which the link 200 is rotated, thereby generating an appropriate compensation torque according to the rotation angle of the link 200.
  • the elastic means 410 may be arranged in parallel with the longitudinal direction of the link 200, so that the longitudinal center axis of the elastic means 410 toward the center of rotation (O) in the front view as shown Can be arranged.
  • the wire 440 serves to connect the elastic means 410 and the reference surface 100, one side of the wire 440 is coupled to the other end of the elastic means 410 and the other side of the wire 440 is the reference surface 100 It can be coupled to the reference point (S) of.
  • the reference point (S) to which the outer wire 440 is coupled to the reference plane 100 may be formed at a position vertically upward from the rotation center (O), and the upper side opposite to the gravity direction based on the rotation center (O). Can be formed on.
  • the idle roller 450 is coupled to the link 200, and the idle roller 450 may be disposed between both ends of the wire 440 to support the wire 440. At this time, as shown, the idle roller 450 may be formed in a pair, the wire 440 is coupled to the inserted form to pass between the pair of idle roller 450 by the idle roller 450 Movement in the longitudinal direction of the wire 440 is possible, but other movements may be limited.
  • the wire 440 corresponding to the portion from the portion coupled to the elastic means 410 to the idle roller 450 may be movable only in the longitudinal direction in any case. Accordingly, all the elastic force by the elastic means 410 may be applied to the wire 440 corresponding to the portion from the portion coupled to the elastic means 410 to the idle roller 450.
  • the compensation torque adjusting unit 500 may be installed in the link 200, the position of the idle roller 450 may be adjusted by the compensation torque adjusting unit 500, and may be elastic by the compensation torque adjusting unit 500.
  • the elastic force of the means 410 can be adjusted.
  • the compensation torque acting on the link 200 is proportional to the tension applied on the wire 440 connecting the wire support point I and the reference point S on which the idle roller 450 is disposed, and the rotation center O. It is proportional to the moment arm (the vertical distance away from the center of rotation of the force to generate the compensation torque) which is a vertical distance on the wire 440 connecting the wire support point (I) and the reference point (S).
  • the compensation torque adjusting unit 500 may adjust the magnitude of the elastic force by the elastic means 410, and may adjust the position of the moment arm by adjusting the position of the idle roller 450.
  • variable gravity torque compensator can easily change the compensation torque by using the compensation torque adjusting unit 500 with respect to the change of the payload, which is the weight held by the robot. There is an advantage that can generate an appropriate compensation torque.
  • the elastic means 410 is a coil spring disposed along the longitudinal direction of the link 200, the elastic force can be adjusted according to the initial compression distance of the coil spring.
  • the elastic means 410 may be a coil spring, and as shown, the coil spring may be a compression coil spring whose elastic force varies in proportion to the distance compressed in the longitudinal direction. It may be. In this case, when the link is erected vertically upward, gravity torque does not work. At this time, the moment arm is zero and the coil spring may be compressed in a predetermined distance in advance.
  • the compensation torque can be increased by increasing the initial compression distance (s o ) of the coil spring to increase the elastic force, and conversely, when the weight of the variable weight 300 decreases, the coil The compensation torque can be adjusted small by decreasing the initial compression distance (s o ) of the spring to make the elastic force small.
  • the link 200 is movable and fixed in the longitudinal direction of the link 200 and comprises a spring fixing surface 420 is supported one end of the elastic means 410, the idle roller
  • the 450 is coupled to the link 200, and may be formed to be movable and fixed along the longitudinal direction of the link 200.
  • the spring fixing surface 420 may be coupled to the link 200 so that one end of the coil spring, which is an elastic means 410, is supported, and the spring fixing surface 420 is coupled to the link 200, but the link 200 It is movable in the longitudinal direction of the can be coupled to the link 200 to enable the fixing of the position in the moved state.
  • the idle roller 450 may also be coupled to the link 200, and the idle roller 450 may also be coupled to the link 200, but may move in the longitudinal direction of the link 200, and fix the position in the moved state. It may be coupled to the link 200 to enable this.
  • the spring fixing surface 420 and the idle roller 450 may be configured in various forms that can be guided and moved in a straight line along the longitudinal direction of the link (200).
  • the elastic means 410 is coupled to the wire 440
  • the spring block 430 may be coupled to the other end of the coil spring and the wire may be coupled to the spring block 430.
  • the coil spring may be compressed or restored between the spring fixing surface 420 and the spring block 430.
  • the sliding block 510 is coupled to the link 200 and is formed to be movable and fixed along the longitudinal direction of the link 200, and the spring fixing surface 420 on the sliding block 510. Is coupled and fixed, the idle roller 450 is coupled to the sliding block 510 can be fixed.
  • the sliding block 510 is coupled to the link 200, but is formed to be movable by sliding along the length direction of the link 200, so that the sliding block 510 is fixed to the link 200 in the moved state Can be formed.
  • the spring fixing surface 420 may be coupled to the sliding block 510 to be fixed, and the idle roller 450 may be coupled to and fixed to the sliding block 510.
  • the spring fixing surface 420 and the idle roller 450 are coupled and fixed to the sliding block 510, the spring fixing surface 420 and the idle roller 450 move together when the sliding block 510 is moved.
  • the spring fixing surface 420 and the idle roller 450 may be fixed together.
  • one or both sides of the link 200 may be rotatably coupled to each other and include a lead screw 520 screwed to the sliding block 510.
  • the lead screw 520 is screwed to the sliding block 510 in a state in which one side or both sides are rotatably coupled to the link 200, the sliding block 510 according to the direction to rotate the lead screw 520
  • the position may be adjusted by moving in one or the other direction in the longitudinal direction of the link 200.
  • the lead screw 520 is rotatably coupled to the link 200 may be fixed in position so as not to move in the longitudinal direction of the link 200.
  • the lead screw 520 is screwed to the link 200 so that the lead screw 520 can be moved in the longitudinal direction when the lead screw 520 is rotated, and the sliding block 510 is coupled to the lead screw 520, but rotation is possible. While the movement in the longitudinal direction may be combined to be fixed.
  • the lead screw 520 may be formed of a general screw, it may be formed in various forms that can be fixed to the position by moving the sliding block 510.
  • the sliding block 510 can be easily moved in the longitudinal direction of the link 200, and the position of the sliding block 510 can be precisely adjusted, and after the position is adjusted, it remains in the changed position. Can be fixed.
  • two or more lead screws 520 may be provided in a direction perpendicular to the length direction of the link 200.
  • the lead screw 520 since the position of the lead screw 520 may be difficult to be formed in a position capable of pushing the center position of the sliding block 430 due to the arrangement of the coil spring 410 or the wire 440, the lead screw 520 At least two may be disposed parallel to the link 200 in the height direction or the width direction which is a direction perpendicular to the longitudinal direction of the link 200.
  • the lead screw 520 may be prevented from interfering with other components, and the lead screw 520 may be easily adjusted.
  • the protrusions 210 may be formed on the outer side of the link 200, and the lead screw 520 may be coupled to the protrusion 210, and the lead screw 520 may be formed on the sliding block 510 by forming a protrusion. ) Can be combined.
  • it may further include a drive motor 530 fixed to the link 200 and connected to the lead screw 520 to rotate the lead screw 520.
  • the lead screw 520 is connected to a drive motor 530 (actuator) such as a step motor or a servo motor to easily rotate the lead screw 520 and to precisely adjust the movement position of the sliding block 510.
  • a drive motor 530 actuator
  • step motor a step motor or a servo motor
  • the lead screws 520 are connected to each other in various forms such as belts and gears, and rotating one lead screw causes all lead screws to rotate in the same direction and angle. It may be.
  • the senor 200 may further include a weight sensor 540 attached to the link 200.
  • the weight measurement sensor 540 may be attached to the link 200 to measure the weight of the variable weight 300 held on the link 200.
  • the compensation torque adjusting unit 500 may be adjusted accordingly to appropriately adjust the size of the compensation torque.
  • the weight sensor 540 may be installed on the other end of the link 200, in addition to the other position of the link 200 to measure the weight of the variable weight 300, the reference plane
  • the base 100 may be installed in various ways, such as a base on which the reference surface 100 is installed.
  • variable gravity torque compensator capable of payload compensation
  • one end of the link 200 is rotatably connected to the reference plane 100 to form a rotation center (O), and the link 200 has a center of gravity (M) as the rotation center.
  • the wire 440 is spaced apart from (O), one end of the coil spring 410 is coupled to the link 200, and the other end of the coil spring 410 is connected to the reference plane 100, and the link 200 Between the both ends of the wire 440 is supported by the idle roller 450 coupled to), when the link 200 is rotated about the center of rotation (O) to generate a compensation torque for the link, the link ( The position of the idle roller 450 and the elastic force of the coil spring 410 may be adjusted by the compensation torque adjusting unit 500 installed in the 200.
  • the initial compression distance (s o ) and the rotation center (O) of the coil spring 410 are increased.
  • the compensation torque adjusting unit 500 by adjusting the position of the idle roller 450 and the elastic force of the coil spring 410 by the compensation torque adjusting unit 500 it can be controlled to adjust the size of the compensation torque in accordance with the weight of the payload.
  • the weight of the variable weight 300 increases, the initial compression distance (s o ) of the coil spring 410 is increased and the distance (b) from the rotation center (O) to the wire support point (I) is increased together.
  • the compensation torque can be increased.
  • the initial compression distance (s o ) of the coil spring 410 is reduced and the distance (b) from the center of rotation (O) to the wire support point (I) is also adjusted to decrease.
  • the compensation torque can be made small.
  • the coil spring 410 may be compressed by a specific initial compression distance with respect to the reference weight, and the initial compression distance s o is a length in a state where the coil spring is not compressed and the coil spring is compressed by being preloaded. This can be a difference in the length of the state.
  • the initial compression distance (s o ) of the coil spring 410 is increased to be compressed relatively more than the initial compression distance of the coil spring with respect to the reference weight.
  • the initial compression distance s o of the coil spring 410 may be reduced to be relatively less compressed than the initial compression distance of the coil spring with respect to the reference weight.
  • the initial compression distance (s o ) of the coil spring 410 and the distance (b) from the center of rotation (O) to the wire support point (I) ) May be adjusted to increase or decrease to the same size with each other.
  • the link 200 may stop as it is without moving.
  • the compensation torque can be manually or automatically adjusted according to the measured weight.
  • the compensation torque adjusting unit 500 may be automatically adjusted by using the driving motor 530.
  • the driving motor 530 and the weighing sensor 540 may be connected to the control unit so that the operator can manually adjust the compensation torque or automatically adjust the compensation torque.
  • variable gravity torque compensator according to another embodiment of the present invention, in particular, a multiple degree of freedom variable gravity torque compensator corresponding to a 2-axis ground angle change will be described in detail.
  • variable gravity torque compensator in particular, two axes, based on the robot arm having the gravity torque compensator with reference to FIGS. 9 to 11.
  • the concept of the multiple degree of freedom variable gravity torque compensation device corresponding to the ground angle change will be explained.
  • FIG. 9 and 10 are perspective views showing a robot arm having a gravity torque compensation device for explaining the concept of the variable gravity torque compensation device according to the present embodiment.
  • FIG. 11 is a graph showing gravity torque according to a rotation angle around a pitch rotation axis and a rotation angle around a yaw direction rotation axis of the robot arm.
  • the variable gravity torque compensator according to the present embodiment in particular, the multi-degree of freedom variable gravity torque compensator capable of responding to a change in two-axis ground angles, includes links to one or more pitch joints as shown in FIG. 9.
  • the base B of the robot arm that is connected and formed to be rotatable is rotated about the pitch axis
  • the L1 link is rotated around the JP1 joint that is the pitch joint while the base B is fixed.
  • the base B is also rotated about the yaw axis in FIG. 10.
  • the case relates to a torque-free robotic arm capable of generating an appropriate compensation torque for the gravity torque acting on the respective links for all cases.
  • the L2 link is connected to JP2 of the pitch joints with respect to the rotation angle ⁇ 2 around the pitch direction of the base B and the rotation angle ⁇ 1 around the yaw direction.
  • the gravity torque acting on the L2 link is maximum when the rotation angle ⁇ 2 of the base centered on the pitch direction is 0 °, and minimum when -90 ° and 90 °, It can be seen that the gravity torque is maximum when ⁇ 1 is 0 Hz and minimum when 90 ⁇ .
  • variable gravity torque compensator is a mechanism for canceling the gravity torque by generating an appropriate compensation torque for the gravitational torque that changes according to the angle change of the base.
  • variable gravity torque compensator according to the present embodiment, in particular, the multi-degree of freedom variable gravity torque compensator corresponding to the 2-axis ground angle change will be described in detail.
  • 12 to 16 are a perspective view, a partially cut perspective view, a front cross-sectional view and a planar cross-sectional view showing a variable gravity torque compensation device according to another embodiment of the present invention.
  • variable gravity torque compensator according to the present embodiment, the one end of the second link 12 is rotatably connected to the first link 11, the pitch is horizontal to the ground ( and a second joint J2 which is a pitch direction rotation axis.
  • the second link 12 has a center of gravity spaced apart from the second joint J2, and one end thereof is connected to the second joint J2.
  • the other end is coupled to the second link 12, when the second link 12 is rotated around the second joint (J2) the first to generate a compensation torque for the weight of the second link 12
  • a gravity torque compensator 101 and a 1-2 gravity torque compensator 102 Is disposed coaxially with the rotation axis of the second joint (J2) is formed to be rotatable around the rotation axis of the second joint (J2), one end of the 1-1 gravity torque compensation device 101 is connected and coupled A second reference plane 201 which is connected to one end of the second reference plane 201 and the first-2 gravity torque compensator 102 which are coupled to each other;
  • a first-first reference plane control device 301 coupled to the first link 11 and connected to the second-first reference plane 201 to adjust and fix the rotation angle of the second-first reference plane 201.
  • a first reference plane control device 302 coupled to the first link 11 and connected to the second reference plane 202 to adjust and fix the rotation angle of the second reference plane 202. It includes, and the rotation angle of the 2-1 reference surface 201 and the 2-2 reference surface 202 can be adjusted and fixed separately.
  • one end of the second link 12 is rotatably connected to the first link 11 to form a second joint J2 which is a pitch axis of rotation horizontal to the ground, and the second link 12
  • the center of gravity may be arranged to be spaced apart from the second joint (J2).
  • the first link 11 may be coupled to and fixed to the second link 12 rotating motor 16, and one end of the second link 12 may be connected to the second link rotating motor 16 to connect the second link 12. 12 may be configured to rotate about a second joint J2 that is a rotation axis.
  • the base unit 10 may be installed and fixed in various places such as a robot, a facility, and a mobile platform, and may be formed in various forms.
  • the second link 12 is configured to be rotatable about a second joint J2 which is a pitch axis of rotation, and the center of gravity of the second link 12 is formed at a position spaced apart from the second joint J2. Can be.
  • gravity torque is generated by the weight of the second link 12.
  • one-first gravity torque compensator 101 is coupled to one end is coupled to the 2-1 reference surface 201, the other end is coupled to the second link (12).
  • the 2-1 reference surface 201 is formed so as to be rotatable about the rotation axis of the second joint (J2), when the base portion 10 is installed on a horizontal plane is in a state of being fixed and not rotated, As the second link 12 rotates, a compensation torque capable of canceling the gravity torque may be generated.
  • one-to-two gravity torque compensator 102 is coupled to one end is connected to the second reference plane (202) and the other end is coupled to the second link (12).
  • the second reference surface 202 is formed to be rotatable about the rotation axis of the second joint (J2), but when the base portion 10 is installed on a horizontal ground is fixed and not rotated, As the second link 12 rotates, a compensation torque capable of canceling the gravity torque may be generated.
  • the first-first gravity torque compensator 101 includes a guide rod 120 coupled to both ends of the second link 12 and a coil spring 110 fitted to an outer side of the guide rod 120.
  • the sliding block 130 is coupled to be slid along the guide rod 120 and is in close contact with one end of the coil spring 110, and one end is connected to the sliding block 130 and the 2-1 reference plane 201.
  • the other end is coupled to may be made to include a wire 140 is connected.
  • both sides of the wire 140 are supported by a pair of rollers 150 so that the wire 140 may move smoothly and may not be separated.
  • the 1-2 gravity torque compensator 102 may be configured in the same manner as the 1-1 gravity torque compensator 101 and may be connected to the 2-2 reference plane 202.
  • the first-first gravity torque compensator 101 and the first-second gravity torque compensator 101 are connected in parallel to compensate for the torque that can cancel the gravity torque according to the rotation of the second link 12. Each can be generated.
  • a compensation torque as shown in FIG. 18 may be generated according to the angular displacement ⁇ of the second link 12 to act on the second link 12.
  • the first link 11 is coupled to the first-first reference plane control device 301 and the first-second reference plane control device 302, the first-one reference plane control device 301 is 2-1-1 It is connected to the reference surface 201 can adjust the rotation angle of the 2-1 reference surface 201, and may be configured to be fixed to the 2-1 reference surface 201 in the state in which the angle is adjusted, the 1-2 reference surface
  • the control device 302 is connected to the second reference plane 202 to adjust the rotation angle of the second reference plane 202 and configured to fix the second reference plane 202 in a state where the angle is adjusted Can be.
  • the 2-1 reference plane 201 and the 2-2 reference plane 202 are configured to be fixed to each other by adjusting the rotation angle separately, the two reference planes are rotated together so that the angle is adjusted or adjusted separately Compensation torque is appropriate for all two-axis direction angles in which the first link 11 is inclined about the pitch direction rotation axis, or is inclined about the yaw direction rotation axis, or inclined together about the pitch direction and the yaw direction rotation axis. Can be adjusted to occur.
  • the angle of the second link 12 Since the gravity torque is changed by the weight of the self, the 2-1 reference plane 201 and the 2-2 reference plane are controlled by the 1-1st reference plane control device 301 and the 1-2th reference plane control device 302.
  • the compensation torque may be adjusted by changing the angle of 202.
  • variable gravity torque compensator has a degree of freedom of the lumbar joint in which the angle of the reference plane is changed, such as a humanoid robot, or when the robot is mounted on the mobile platform.
  • an appropriate compensation torque may be provided to each joint of the robot by changing the angle of the reference plane according to the rotation angle in the pitch direction and yaw direction of the lumbar joint.
  • the first link 11 is rotatably connected to the base portion 10 to form a first joint J1 which is a yaw direction axis of rotation horizontal to the ground.
  • the first-first reference plane control device 301 is disposed coaxially with the rotation axis of the first joint J1 to be rotatable about the rotation axis of the first joint J1, and the second A first-first reference plane 321 connected to and interworking with the -1 reference plane 201; And a first-first reference plane control motor 311 connected to the first-first reference plane 321 and fixed to the base part 10 to adjust and fix the rotation angle of the first-first reference plane 321. do.
  • the 1-2 reference plane control device 302 is disposed coaxially with the rotation axis of the first joint (J1) is formed to be rotatable about the rotation axis of the first joint (J1) and the second reference plane A first-second reference plane 322 connected to and interlocked with the 202; And a 1-2 reference plane control motor 312 connected to the 1-2 reference plane 322 and fixed to the base part 10 to adjust and fix the rotation angle of the 1-2 reference plane 322. do.
  • the arm of the robot may be formed by connecting the first link 11 to the base 10 with the first joint J1 horizontal to the ground so as to be rotatable.
  • the first link 11 may be disposed to be perpendicular to each other on the same plane as the second joint J2, which is formed as a yaw direction rotation axis and is a pitch direction rotation axis.
  • the 1-1st reference plane control motor 311 is fixed to the base portion 10, the 1-1st reference plane 321 is coupled to the 1-1st reference plane control motor 311 is connected to the 1-1st reference plane (
  • the 321 may be formed to be rotatable about a rotation axis of the first joint J1, and may be connected to and interlocked with the second-first reference plane 201.
  • the first-first reference plane control motor 311 when the first-first reference plane control motor 311 is rotated, the first-first reference plane 321 may be rotated, and the second-first reference plane 201 may be rotated.
  • the 1-2 reference plane control motor 312 is fixed to the base unit 10
  • the 1-2 reference plane 322 is coupled to the 1-2 reference plane control motor 312 and connected to the 1-2 reference plane ( 322 may be formed to be rotatable about a rotation axis of the first joint J1, and may be connected to and interlocked with the second-two reference plane 202.
  • the 1-2 reference plane control motor 312 when the 1-2 reference plane control motor 312 is rotated, the 1-2 reference plane 322 is rotated, and with it, the second reference plane 202 may be rotated.
  • the first-first reference plane 321, the first-second reference plane 322, the second-first reference plane 201, and the second-second reference plane 202 may be formed as pulleys to form a belt or a wire. It can be connected and rotated.
  • the first-first reference plane control device 301 and the first-second reference plane control device 302 may be configured.
  • the rotation angle (tilt) and the yaw direction around the pitch direction of the first link 11 or the base 10 It may further include a tilt sensor 400 that can measure the rotation angle (tilt).
  • the first link 11 is tilted through the tilt sensor 400.
  • the compensation torques of the 1-1 gravity torque compensator 101 and the 1-2 gravity torque compensator 102 may be adjusted.
  • the first link 11 When the first link 11 is inclined about the yaw direction rotation axis or the first link 11 and the base 10 are inclined about the yaw direction rotation axis together, the first link 11 is inclined through the tilt sensor 400. By measuring the angle, the compensation torque of the 1-1 gravity torque compensator 101 and the 1-2 gravity torque compensator 102 may be adjusted.
  • the inclination sensor 400 may be mounted on the first link 11 or the base 10, and in some cases, both inclination sensors 400 may be mounted or various positions and numbers may be mounted.
  • the tilt sensor 400 may be used a variety of sensors or measuring devices, for example, a gyro sensor may be used.
  • first link 11 connected to the first-first reference plane control device 301, the first-second reference plane control device 302, and the tilt sensor 400, measured by the tilt sensor 400, or The angle of rotation of the second reference plane 201 and the second reference plane 201 through the first-first reference plane control device 301 and the first-second reference plane control device 302 according to the inclination of the base unit 10. It may further comprise a main control unit () to automatically adjust the rotation angle of the 202.
  • the rotation angle of the second reference plane 201 and the rotation angle of the second reference plane 202 according to the measured angle It can be adjusted automatically to generate appropriate compensation torque.
  • the 2-1st reference surface 201 and the 2-2nd reference surface (2) according to the angle of inclination of the first link 11 or the base portion 10 with respect to the ground perpendicular to the direction of gravity. 202 is controlled, the angle and size of the first link 11 or the base 10 is inclined in the same direction, but in the opposite direction, the second reference plane 201 and the second reference plane 202. This can be controlled to rotate so that the position is fixed.
  • the second joint reference point 211 of the second reference plane 201 and the second reference point 212 of the second reference plane 202 are connected to the second joint (
  • the first link 11 or the base portion 10 is rotated by ⁇ p about the pitch direction rotation axis in a state in which they are disposed in the vertical upper direction from the center axis of J2)
  • the second-first reference plane 201 and The second reference plane 202 may be rotated by - ⁇ p, which is the opposite direction, so that the second reference point 211 and the second reference point 212 may be positioned in the vertical upper direction, respectively.
  • the first link 11 and the base portion 10 are connected to the first joint J1 to be rotated about the yaw direction rotation axis, the first link 11 and the base part 10 are connected to the first link 11 around the pitch direction rotation axis.
  • the base portion 10 can be rotated together.
  • the 2-1 reference surface 201 and the 2-2 reference surface ( 202 is controlled, the degree of rotation of the 2-1 reference surface 201 and the 2-2 reference surface 202 is adjusted according to the angle of inclination of the first link 11 or the base portion 10,
  • the 2-1st reference plane 201 and the 2-2nd reference plane 202 may be controlled to be rotated in opposite directions to fix the position.
  • the 2-1th reference point 211 of the 2-1st reference plane 201 and the 2nd-2nd reference point 212 of the 2nd-2nd reference plane 202 are vertically upward from the central axis of the second joint J2.
  • the center of gravity of the second link 12 is the yaw axis of rotation and the roll so that the gravity torque that the second link 12 is about to rotate is disposed about the first joint J1 which is disposed in the direction and is the axis of rotation of the yaw direction.
  • the first link 11 or the first link 11, as shown in Fig. 21 and 22 in a state in which the second link 12 is disposed to face downward as shown in FIG.
  • the base portion 10 is rotated by ⁇ y about the yaw axis of rotation, the second reference plane 201 and the second reference plane 202 are rotated in opposite directions, but the angles are rotated to be the same.
  • Position can be fixed.
  • the compensation torque generated by the 1-1 gravity torque compensator 101 and the compensation torque generated by the 1-2 gravity torque compensator 102 may be gradually reduced.
  • the compensation torque acting on the second link 12 may be maximum when the second link 12 faces downward, and the second link 12 may be in a horizontal state.
  • the compensation torque may be zero, which is the minimum value.
  • the first link 11 may be rotated about the yaw direction in a state where the base portion 10 is vertically fixed with respect to the ground perpendicular to the gravity direction.
  • the reference plane 321 and the first and second reference planes 322 are coupled to the base part 10 and are not rotated and fixed, and thus, the second reference plane 201 and the second reference plane 202 are coupled to each other.
  • the bracket portion of the first link 11 can be rotated in the ⁇ y direction and the size by the operation of the first link rotary motor 14, the second second connected to the first-first reference plane 321 by wires and pulleys.
  • the first reference plane 201 is rotated by the angle ⁇ y in the direction of the arrow shown
  • the second reference plane 202 connected to the 1-2 reference plane 322 by the wire and pulley is rotated by the angle ⁇ y in the direction of the arrow shown. Can be rotated.
  • the first-first reference plane control device 301 and the first-second reference plane control device 302 are not operated, and the second-first reference plane 201 and the second-second reference plane are connected by wires and pulleys. Since the 202 is rotated in the opposite direction and the 2-1 reference point 211 and the 2-2 reference point 212 are disposed to be 180 degrees apart from each other, the compensation torque may be zero.
  • the first-first reference plane control motor 311 and the first-second reference plane control motor 312 are equipped with brakes, and in a general operating situation in which the inclination of the robot base unit 10 does not change, the first-first reference plane ( 321 and the first-second reference plane 322 may be fixed.
  • the first link 11 together with the base portion 10 is centered in the yaw direction.
  • the first-first reference plane 321 and the first-second reference plane 322 are coupled to the base unit 10, the first-first reference plane together with the bracket portion of the first link 11 may be rotated.
  • the base portion 10, the second-first reference plane 201, and the second-second reference plane 202 may be rotated in the ⁇ y direction and size.
  • first-first reference plane 321, the first-second reference plane 322, the second-first reference plane 201, and the second-second reference plane 202 all have no angular rotation about their own rotation axis.
  • 2-1 reference plane 201 and 2-2 reference plane 202 by operation of the 1-1st reference plane control device 301 and the 1st-2nd reference plane control device 302 to set the compensation torque to zero.
  • the second reference point 211 and the second reference point 212 are controlled to be rotated in opposite directions, so that the second reference point 212 is disposed in the opposite direction that is 180 degrees apart from each other or in the longitudinal direction of the second link 12 while being 0 degrees apart from each other.
  • the 2-1 reference point 211 and the 2-2 reference point 212 may be moved to arrange the compensation torque to be zero.
  • variable gravity torque compensator the third joint (J3) is a pitch axis of rotation in the pitch direction horizontal to the ground is connected to one end of the third link 13 to the other end of the second link (12) rotatably ),
  • the third link 13 is disposed so that the center of gravity is spaced apart from the third joint (J3), one end is connected to the third joint (J3) and the other end is coupled to the third link (13) 2-1 gravity torque compensator 601 and the second to generate a compensation torque for the weight of the third link 13 when the third link 13 is rotated around the third joint (J3) -2 gravity torque compensation device (602);
  • a shaft disposed coaxially with the rotation shaft of the third joint J3 to be rotatable about the rotation shaft of the third joint J3, and one end of the 2-1 gravity torque compensator 601 is connected thereto.
  • One end of the combined 3-1 reference surface 701 and the 2-2 gravity torque compensator 602 may further include a 3-2 reference surface 702 coupled to each other.
  • the 3-1 reference plane 701 is connected to the 2-1 reference plane 201 and the 3-2 reference plane 702 is connected to the 2-2 reference plane 202, and the 2-1 reference plane 201 )
  • the 3-1st reference plane 701 is rotated in the same angle and direction as the angle of rotation
  • the 2nd-3nd reference plane 702 is rotated in the same angle and direction as the angle at which the 2-2nd reference plane 202 is rotated. It may be configured to be connected to rotate.
  • the third link 13 is connected to the other end of the second link 12 by a third joint J3 which is a pitch axis of rotation that is horizontal to the ground, so that the third link J3 is a rotation axis.
  • a third joint J3 which is a pitch axis of rotation that is horizontal to the ground, so that the third link J3 is a rotation axis.
  • the robot arm is formed to generate a compensation torque for the weight of the third link 13.
  • the 3-1 reference surface 701 and the 3-2 reference surface 702 are formed to be rotated around the third joint J3 to fix the angle.
  • the 3-1 reference surface 701 is connected to the 2-1 reference surface 201 so that the 3-1 reference surface 701 is the same angle and direction according to the angle of rotation of the 2-1 reference surface 201.
  • the second reference surface 702 is configured to be rotated, and likewise, the third reference plane 702 is connected to the second reference plane 202 so that the second reference plane 202 is rotated in the same angle and direction according to the angle of the third reference plane 202.
  • the two reference planes 702 may be configured to rotate.
  • the angle of the second link 12 and the angle of the third link 13 are changed. Since the gravity torque due to its own weight changes, the angles of the 2-1 reference plane 201, the 2-2 reference plane 702, the 3-1 reference plane 701, and the 3-2 reference plane 702 are also changed. The compensation torque for each of the second link 12 and the third link 13 can be adjusted.
  • the 1st-1st reference plane Only two operations of the control device 301 and the 1-2 reference surface control device 302 may allow the angles of the multiple reference surfaces to be adjusted together.
  • the 2-1 gravity torque compensator 601 and the 2-2 gravity torque compensator 602 are combined with the 1-1 gravity torque compensator 101 and the 1-2 gravity torque compensator 102. It may be formed in the same shape and structure, and may be composed of a coil spring 610, a guide rod 620, a sliding block 630, a wire 640, and a roller 650.
  • the 3-1 reference point 711 of the 3-1 reference plane 701 and the 3-2 reference point 712 of the 3-2 reference plane 702 are also perpendicular to the central axis of the third joint J3 that is the rotation axis. It may be disposed in the 12 o'clock direction.
  • the respective reference planes can be controlled together at once according to the rotation angle displacement of the mounting surface of the robot or the robot base joint. Proper compensation torque can be provided.
  • the fourth link and more links are further connected to the third link 13. As described above, an appropriate compensation torque may be generated.
  • the second reference plane 201 and the third reference plane 701 are connected by a link mechanism in which four bars are connected in a parallelogram
  • the second reference plane 202 and the third reference plane ( 702 may be connected to a link mechanism 800 with four bars connected in parallelograms.
  • the 2-1th reference plane 201 and the 3-1th reference plane 701 are connected to the link mechanism 800, and according to the rotation of the 2-1th reference plane 201, the 3-1th reference plane ( 701 may be rotated at the same angle and direction, and likewise, the second-two reference plane 202 and the third-second reference plane 702 are connected to the link mechanism 800 to form the second-two reference plane 202. According to the rotation, the third reference surface 702 may be rotated at the same angle and direction.
  • the second reference plane 201 and the third reference plane 701 will be described as an example.
  • the first joint JA of the link mechanism 800 becomes the second joint J2 of the robot arm, and
  • the 2-1 reference point 211 and the 3-1 reference point 711 become the rotation axis, thereby forming the 2-1 reference plane ( 201) and the third reference surface 701 may be configured to rotate together at the same angle and direction.
  • the link mechanism 800 may be the second link 12, which is the arm of the robot, becomes one link, and the second-first reference plane 201 and the third-first reference plane 701 may be the second and third links. Therefore, it is possible to substantially form a link mechanism 800 connected in parallelogram using one bar by combining only one link so as to connect the 2-1 reference point 211 and the 3-1 reference point 711. have.
  • the 2-1st reference surface 201 and the 3-1th reference surface 701 may be linked to each other to be rotated at the same angle with each other in various forms.
  • the same configuration can be similarly applied to the second-two reference plane 202 and the third-two reference plane 702.
  • the 2-1 reference surface 201 and the 3-1 reference surface 701 are connected by a pulley and a belt
  • the 2-2 reference surface 202 and the 3-2 reference surface 702 are pulleys and a belt. Can be connected to.
  • the third first reference plane 701 may be rotated at the same angle and direction according to the rotation of the second reference plane 201.
  • the 2-1 pulley 221 is coupled to the 2-1 reference plane 201 and coaxially disposed, and the 3-1 pulley 721 is coupled to the 3-1 reference plane 701. It is disposed coaxially, the 2-1 pulley 221 and the 3-1 pulley 721 may be connected by a 3-1 belt 731 or a wire.
  • the 2-1 pulley 221 and the 3-1 pulley 721 may be formed to have the same diameter, the 3-1 belt 731 is pulled taut in a state that does not cross, twist or twist. Can be connected to them.
  • the pulley and the belt may use timing pulleys and timing belts so as to operate accurately without slippage, and sprockets and chains may be used.
  • the second reference plane 201 and the third reference plane 701 may be rotated together at the same angle and direction using various gears and rotation shafts.
  • the 2-1 pulley 221 may be a pulley forming the 2-1 reference plane 201
  • the 2-2 pulley 222 is a pulley forming the 2-2 reference plane 202 Can be
  • the 3-1 pulley 721 may be a pulley forming the 3-1 reference plane 701
  • the 3-2 pulley 722 may be a pulley forming the 3-2 reference plane 702. Can be.
  • the first link 11 when the first link 11 is rotated about the first joint J1 in a state in which the base part 10 is fixed, the first-first reference plane 321 and the first-second reference plane 322. ) Is fixed, and the angle and size of the first link 11 is rotated the same, but the 2-1 reference surface 201 and the 2-2 reference surface 202 are rotated in opposite directions to control the position is fixed. Can be.
  • the base portion 10 is fixed and in this state, the first link 11 may be rotated about the first joint J1 which is the yaw direction rotation axis.
  • the first-first reference plane 321 and the second-first reference plane 201 are connected to the first-first reference plane 321, the second-first reference plane 321 is connected to the wire or belt or gear, etc. Can be configured to interlock.
  • the second-first reference plane 201 is centered on the first link 11 and the first joint J1. Rotate together and at the same time rotates around the axis of rotation of the second joint (J2).
  • the 1-2 reference plane 322 is also fixed, and the 2-2 reference plane 202 rotates together about the first link 11 and the first joint J1 and at the same time the second joint J2. It will also rotate about the axis of rotation.
  • the angle and size of the first link 11 are rotated in the same manner as the 2-1 reference plane 201 and the 2-2 reference plane 202, respectively, which are oriented in the axial direction of the second joint J2.
  • the second reference plane 201 and the second reference plane 202 may be controlled to be rotated in opposite directions to fix the position.
  • the first-first reference plane control device 301 and the first-second reference plane control so as to correspond to the angle.
  • the device 302 is operated to rotate the first-first reference plane 321 and the first-second reference plane 322, and thus the second-first reference plane 201 when viewed in the axial direction of the second joint J2.
  • the second reference plane 202 may be controlled to rotate in opposite directions to fix the position.
  • a first link rotary motor 14 and a first link rotary reducer 15 are coupled to and fixed to the base unit 10, and to the reducer rotary shaft 15-1 of the first link rotary reducer 15.
  • the first link 11 is coupled, and the first-second rotation shaft 332 of the first-second reference plane 322 is coupled to penetrate the reduction shaft rotation shaft 15-1 of the first link rotation reducer 15.
  • the first-first rotation axis 331 of the first-first reference plane 321 is coupled to penetrate the second-second rotation shaft 332 of the first-second reference plane 322, and the central axis of the three rotation axes is combined. Can be formed to match.
  • the first link 11 is configured to be rotated about the first joint J1 that is the yaw direction rotation axis, and the first link rotary motor 14 and the first link to the base portion 10.
  • the link rotation reducer 15 may be coupled, and the reducer rotation shaft 15-1 of the first link rotation reducer 15 may be coupled to the first link 11 to be rotated.
  • the three rotating shafts may be inserted inwardly and sequentially formed in a penetrating shape, and the rotating shafts may be spaced apart from each other to have a gap therebetween so as to be smoothly rotated.
  • first link rotation motor 14 may be fixed to the base portion 10, and the first-first reference plane control motor 311 may rotate the first-first rotation shaft 331 to the first-first. It may be coupled to the first rotating shaft 331, the 1-1st reference plane control motor 311 may be coupled to the base portion 10 and fixed.
  • the 1-2 reference plane control motor 312 may be coupled to the 1-2 rotation axis 332 to rotate the 1-2 rotation shaft 332, and the 1-2 reference plane control motor 312 may also be rotated. It may be coupled to the base portion 10 and fixed.
  • the motor may be a general motor may be used in this case, it may be connected to the reducer with a high reduction ratio to allow the reducer to act as a brake.
  • a brake-mounted motor, step motor and servo motor may be used to more accurately control the rotation angle of the reference planes.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Abstract

가변형 중력토크 보상장치 및 이의 제어 방법에서, 상기 가변형 중력토크 보상장치는 기준면, 상기 기준면에 일단이 회동 가능하게 연결되어 회전중심을 형성하며, 무게중심이 상기 회전중심으로부터 이격되어 배치되는 링크, 상기 링크에 일단이 결합되는 탄성 수단, 상기 탄성 수단의 타단에 일측이 결합되고 타측이 기준면에 결합된 와이어, 상기 링크에 결합되어 와이어의 양단 사이를 지지하는 아이들 롤러, 및 상기 링크에 설치되어 아이들 롤러의 위치 및 탄성 수단의 탄성력을 조절할 수 있는 보상토크 조절부를 포함한다.

Description

가변형 중력토크 보상장치 및 이의 제어 방법
본 발명은 로봇의 정해진 무게인 자중에 대한 보상뿐만 아니라 로봇에 의해 파지되는 변화되는 무게인 가반하중에 대한 보상이 이루어질 수 있도록 보상토크를 변화시킬 수 있는 가반하중 보상이 가능하며, 로봇의 장착면 또는 로봇 베이스의 회전각 변위를 측정하여 기준면을 제어할 수 있도록 하여 로봇의 장착면 또는 지면의 각도가 피치 방향 및 요 방향으로 회전되어 변경되더라도 각 관절에 적절한 보상토크를 제공할 수 있으며 로봇의 구동에 필요한 액추에이터의 용량을 최소화 하여 2축 지면각 변화에 대응 가능한 가변형 중력토크 보상장치 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.
인간-로봇 협업에 대한 관심 및 수요 증가와 더불어, 현재까지 다양한 협업 로봇이 개발되었지만 기존 산업용 로봇 분야에 비해 활성화되지 않고 있는 실정이다. 이와 같은 현상의 주요 원인으로는, 아직까지 인간-로봇 간에 발생할 수 있는 충돌 위험성이 높다는 견해가 지배적이다. 인간과 격리되어 동작하는 기존 산업용 로봇과는 달리, 실제 인간과 공존하며 동작해야하는 협업 로봇의 경우, 높은 안전성이 필수이다. 이를 해결하기 위하여 다양한 방법의 충돌 예측, 감지, 대응 방법들이 구현되었으나, 일반적으로 로봇은 동작에 필요한 충분한 토크 제공을 위하여 고용량의 모터 및 감속기가 필수로 사용되므로, 오작동 및 사람의 부주의 등으로 인한 사고 발생 시에 사람에 큰 상해를 입힐 수 있다. 또한 안전을 위하여 모터 등의 사양을 낮춘다면 로봇의 동작 및 작업에 필요한 토크를 제공할 수 없다. 따라서 현재까지의 로봇의 경우 안전에 대한 근본적인 해결이 어려운 실정이다. 따라서 인간-로봇 협업 산업의 활성화를 위해서는 기존 로봇의 성능은 유지하면서, 최소한의 용량을 갖는 모터로 구성된 안전 로봇 개발이 필수이다.
로봇에 사용되는 모터 용량의 절감을 위하여 개발된 대표적인 방법인 중력보상기구는, 로봇 관절에서 자중에 의해 발생하는 중력토크를 상쇄해 줌으로써, 작업 시에 필요한 토크를 최소화 할 수 있는 기구를 말한다.
이와 관련된 기술로는 일본공개특허 2003-181789호인 "기계적 자중 보상 장치"가 있다. 이러한 자중 보상 장치는 도 1과 같이 기대(1)에 일측이 회전 가능하도록 링크(2)가 결합되고, 스프링 부재(3)는 일단이 와이어(4)와 연결되어 와이어(4)가 기대(1)의 상측인 작용점(B)에 고정되며 스프링 부재(3)의 타단이 링크(2)에 고정되며, 와이어(4)는 링크(2)에 결합된 풀리(5)들 사이를 통과하도록 결합되어, 링크(2)의 회전에 따른 자중에 대한 보상토크를 발생시키도록 구성되어 있다.
그러나 상기와 같은 자중보상장치는 설계 당시 정해진 일정한 무게의 링크(또는 로봇 암)의 정해진 자중만을 보상할 수 있으므로, 링크의 무게가 변하거나 링크의 회전 중심으로부터 무게 중심까지의 거리가 변하거나 링크에 작용하는 가반 하중이 변하는 경우에 이에 대한 원활한 보상이 이루어질 수 없다. 즉, 변화되는 무게에 대하여 적절한 보상토크를 발생시키기 위해서는 스프링 부재를 교체하는 등의 번거로운 방법이 필요한 문제점이 있다.
또한, 상기 로봇 팔이 모바일 플랫폼에 탑재되어 주행하는 상황이나 인간형 로봇에 탑재되어 허리 자세가 변화되는 경우, 로봇 팔이 장착된 장착면의 피치 및 요 각도가 변하게 되므로 이에 따라 중력에 대하여 각 관절에 필요한 보상토크가 변하게 된다. 그러나 기존의 기술은 장착면의 피치 및 요 방향 회전 모두에 대해 적절한 보상토크가 발생되도록 조절할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 로봇의 정해진 무게인 자중에 대한 보상뿐만 아니라 로봇에 의해 파지되는 변화되는 무게인 가반하중에 대한 보상이 이루어질 수 있도록 하되, 용이하게 보상토크를 변화시킬 수 있으며 자중 및 가반하중에 대한 적절한 보상토크를 발생시킬 수 있도록 하는 가반하중 보상이 가능한 가변형 중력토크 보상장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 중력토크 보상장치의 제어 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 로봇의 장착면 또는 로봇 베이스의 회전각 변위를 측정하여 기준면을 제어할 수 있도록 함으로써, 로봇의 장착면 또는 지면의 각도가 피치 방향 및 요 방향으로 회전되어 변경되더라도 각 관절에 적절한 보상토크를 제공할 수 있으며 로봇의 구동에 필요한 액추에이터의 용량을 최소화 할 수 있는 2축 지면각 변화에 대응 가능한 가변형 중력토크 보상장치를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 의한 가변형 중력토크 보상장치는, 기준면; 상기 기준면에 일단이 회동 가능하게 연결되어 회전중심을 형성하며, 무게중심이 상기 회전중심으로부터 이격되어 배치되는 링크; 상기 링크에 일단이 결합되는 탄성 수단; 상기 탄성 수단의 타단에 일측이 결합되고 타측이 기준면에 결합된 와이어; 상기 링크에 결합되어 와이어의 양단 사이를 지지하는 아이들 롤러; 및 상기 링크에 설치되어 아이들 롤러의 위치 및 탄성 수단의 탄성력을 조절할 수 있는 보상토크 조절부를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 탄성 수단은 링크의 길이방향을 따라 배치된 코일 스프링이며, 상기 코일 스프링의 초기 압축 거리에 따라 탄성력이 조절될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 링크에 결합되어 링크의 길이방향으로 이동 및 고정이 가능하며 상기 탄성 수단의 일단이 지지되는 스프링 고정면을 포함하여 이루어지며, 상기 아이들 롤러는 링크에 결합되되, 상기 링크의 길이방향을 따라 이동 및 고정이 가능하도록 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 링크에 결합되어 링크의 길이방향을 따라 이동 및 고정이 가능하도록 형성되는 슬라이딩 블록을 포함하여 이루어져, 상기 슬라이딩 블록에 스프링 고정면이 결합되어 고정되고, 상기 슬라이딩 블록에 아이들 롤러가 결합되어 고정될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 링크에 일측 또는 양측이 회전 가능하도록 결합되며 상기 슬라이딩 블록에 나사결합되는 리드 스크류를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 리드 스크류는 링크의 길이방향에 수직한 방향에 2개 이상 구비될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 링크에 고정되며 리드 스크류에 연결되어, 상기 리드 스크류를 회전시키는 구동 모터를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 링크에 부착되는 무게 측정 센서를 더 포함할 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 의한 가변형 중력토크 보상장치의 제어 방법에서, 상기 가변형 중력토크 보상장치는 기준면에 링크의 일단이 회동 가능하게 연결되어 회전중심을 형성하며, 상기 링크는 무게중심이 회전중심으로부터 이격되어 배치되며, 코일 스프링의 일단이 상기 링크에 결합되고 코일 스프링의 타단에 결합된 와이어가 기준면에 연결되되 링크에 결합된 아이들 롤러에 의해 와이어의 양단 사이가 지지되어, 링크가 회전중심을 기준으로 회전하는 경우 링크에 대한 보상토크를 발생시키되, 상기 링크에 설치된 보상토크 조절부에 의해 아이들 롤러의 위치 및 코일 스프링의 탄성력을 조절할 수 있다. 이 경우, 상기 가변형 중력토크 보상장치의 제어방법은, 상기 링크의 타단에 작용하는 무게가 증가하면 상기 코일 스프링의 초기 압축 거리(so) 및 상기 회전중심에서 와이어 지지점까지의 거리(b)가 함께 증가되도록 조절되며, 상기 링크의 타단에 작용하는 무게가 감소하면 상기 코일 스프링의 초기 압축 거리(so) 및 상기 회전중심에서 와이어 지지점까지의 거리(b)가 함께 감소되도록 조절한다.
일 실시예에서, 상기 링크의 타단에 작용하는 무게의 변화에 따라, 상기 코일 스프링의 초기 압축 거리(so)와 상기 회전중심에서 와이어 지지점까지의 거리(b)가 서로 동일한 크기로 증가 또는 감소하도록 조절될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 링크의 타단에 작용하는 무게를 측정하여, 측정된 무게에 따라 보상토크가 수동 또는 자동으로 조절될 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위한 일 실시예에 의한 가변형 중력토크 보상장치는, 제1링크에 제2링크의 일단이 회동 가능하게 연결되어 지면에 수평인 피치(pitch) 방향 회전축인 제2관절을 형성하고, 상기 제2링크는 무게중심이 제2관절로부터 이격되게 배치되며, 일단이 상기 제2관절에 연결되고 타단이 제2링크에 결합되어 상기 제2링크가 제2관절을 중심으로 회동하는 경우 제2링크의 자중에 대한 보상토크를 발생시키는 제1-1중력토크 보상장치 및 제1-2중력토크 보상장치; 상기 제2관절의 회전축과 동축상에 배치되어 제2관절의 회전축을 중심으로 회전 가능하도록 형성되며, 상기 제1-1중력토크 보상장치의 일단이 연결되어 결합되는 제2-1기준면 및 제1-2중력토크 보상장치의 일단이 연결되어 결합되는 제2-2기준면; 및 상기 제1링크에 결합되며, 상기 제2-1기준면에 연결되어 제2-1기준면의 회전각도 조절 및 고정이 가능한 제1-1기준면 제어장치; 및 상기 제1링크에 결합되며, 상기 제2-2기준면에 연결되어 제2-2기준면의 회전각도 조절 및 고정이 가능한 제1-2기준면 제어장치를 포함하며, 상기 제2-1기준면 및 제2-2기준면의 회전각도가 각각 별개로 조절되어 고정된다.
일 실시예에서, 상기 제1링크가 베이스부에 회동 가능하게 연결되어 지면에 수평인 요(yaw) 방향 회전축인 제1관절을 형성하고, 상기 제1-1기준면 제어장치는, 상기 제1관절의 회전축과 동축상에 배치되어 제1관절의 회전축을 중심으로 회전 가능하도록 형성되며 상기 제2-1기준면과 연결되어 연동되는 제1-1기준면; 및 상기 제1-1기준면에 연결되며 베이스부에 고정되어 상기 제1-1기준면의 회전각도 조절 및 고정이 가능한 제1-1기준면 제어 모터를 포함하며, 상기 제1-2기준면 제어장치는, 상기 제1관절의 회전축과 동축상에 배치되어 제1관절의 회전축을 중심으로 회전 가능하도록 형성되며 상기 제2-2기준면과 연결되어 연동되는 제1-2기준면; 및 상기 제1-2기준면에 연결되며 베이스부에 고정되어 상기 제1-2기준면의 회전각도 조절 및 고정이 가능한 제1-2기준면 제어 모터를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1링크 또는 베이스부에 설치되어 상기 제1링크 또는 베이스부의 피치 방향을 중심으로 한 회전각도(기울기) 및 요 방향을 중심으로 한 회전각도(기울기)를 측정할 수 있는 기울기 센서를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1-1기준면 제어장치, 제1-2기준면 제어장치 및 기울기 센서와 연결되어, 상기 기울기 센서에서 측정된 제1링크 또는 베이스부의 기울기에 따라 상기 제1-1기준면 제어장치 및 제1-2기준면 제어장치를 통해 제2-1기준면의 회전각도 및 제2-2기준면의 회전각도가 자동으로 조절되도록 하는 메인 제어부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 중력방향에 수직인 지면에 대해 상기 제1링크 또는 베이스부가 피치 방향을 중심으로 기울어지는 각도에 따라 상기 제2-1기준면 및 제2-2기준면이 제어되되, 상기 제1링크 또는 베이스부가 기울어지는 각도와 크기는 동일하되 방향은 반대방향으로 제2-1기준면 및 제2-2기준면이 회전되어 위치가 고정되도록 제어될 수 있다.
일 실시예에서, 중력방향에 수직인 지면에 대해 상기 제1링크 또는 베이스부가 요 방향을 중심으로 기울어지는 각도에 따라 상기 제2-1기준면 및 제2-2기준면이 제어되되, 상기 제1링크 또는 베이스부가 기울어지는 각도에 따라 제2-1기준면 및 제2-2기준면이 회전되는 정도가 조절되며, 제2-1기준면과 제2-2기준면은 서로 반대 방향으로 회전되어 위치가 고정되도록 제어될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2링크의 타단에 제3링크의 일단이 회동 가능하게 연결되어 지면에 수평인 피치(pitch) 방향 회전축인 제3관절을 형성하고, 상기 제3링크는 무게 중심이 제3관절로부터 이격되게 배치되며, 일단이 상기 제3관절에 연결되고 타단이 제3링크에 결합되어 상기 제3링크가 제3관절을 중심으로 회동하는 경우 제3링크의 자중에 대한 보상토크를 발생시키는 제2-1중력토크 보상장치 및 제2-2중력토크 보상장치; 및 상기 제3관절의 회전축과 동축상에 배치되어 제3관절의 회전축을 중심으로 회전 가능하도록 형성되며, 상기 제2-1중력토크 보상장치의 일단이 연결되어 결합되는 제3-1기준면 및 제2-2중력토크 보상장치의 일단이 연결되어 결합되는 제3-2기준면; 을 더 포함하여 이루어지며, 상기 제3-1기준면은 제2-1기준면과 연결되고 제3-2기준면은 제2-2기준면과 연결되되, 상기 제2-1기준면이 회전되는 각도와 동일한 각도 및 방향으로 제3-1기준면이 회전되고 상기 제2-2기준면이 회전되는 각도와 동일한 각도 및 방향으로 제3-2기준면이 회전되도록 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2-1기준면과 제3-1기준면은 4개의 바가 평행사변형으로 연결된 링크 기구로 연결되며, 상기 제2-2기준면과 제3-2기준면은 4개의 바가 평행사변형으로 연결된 링크 기구로 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2-1기준면과 제3-1기준면은 풀리 및 벨트로 연결되며, 상기 제2-2기준면과 제3-2기준면은 풀리 및 벨트로 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 베이스부가 고정된 상태에서 제1링크가 제1관절을 중심으로 회전되는 경우, 상기 제1-1기준면 및 제1-2기준면은 고정되고, 상기 제1링크가 회전되는 각도와 크기는 동일하되 제2-1기준면과 제2-2기준면은 서로 반대 방향으로 회전되어 위치가 고정되도록 제어될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 베이스부에는 제1링크 회전 모터 및 제1링크 회전 감속기가 결합되어 고정되고, 상기 제1링크 회전 감속기의 감속기 회전축에 제1링크가 결합되며, 상기 감속기 회전축을 관통하도록 제1-2기준면의 제1-2회전축이 결합되며, 상기 제1-2기준면의 제1-2회전축을 관통하도록 제1-1기준면의 제1-1회전축이 결합되어, 상기 3개의 회전축의 중심축이 일치하도록 형성될 수 있다.
상기한 본 발명의 실시예들에 의하면, 가변형 중력토크 보상장치 및 이의 제어 방법은, 로봇에 의해 파지되는 무게인 가반하중의 변화에 대하여 용이하게 보상토크를 변화시킬 수 있으며, 가반하중에 대한 적절한 보상토크를 발생시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 로봇 암의 무게가 변하거나 로봇 암의 관절로부터 무게 중심까지의 거리가 변하는 경우에도 이에 대하여 적절한 보상토크를 발생시킬 수 있어 원활한 보상이 이루어질 수 있는 장점이 있다.
또한, 가변 중력토크 보상장치는, 인간형 로봇과 같이 기준면의 각도가 변경되는 다자유도의 허리 관절이 있는 경우나 모바일 플랫폼에 로봇이 장착되어 사용하는 경우, 주행 및 정지하는 지면의 각도 또는 허리 관절의 피치 방향 및 요 방향에 회전각도에 따라 기준면의 각도를 변경하여 로봇의 각 관절에 적절한 보상토크를 제공할 수 있다.
또한, 로봇 구동에 필요한 액추에이터의 용량을 최소화 할 수 있어 인간-로봇 간 충돌 발생 시에 상해를 최소화 할 수 있다.
또한, 로봇이 적용되는 사용처에 따른 장착 위치에 따라 기준면의 각도가 변경되더라도 로봇의 각 관절에 적절한 보상토크를 제공할 수 있으므로, 다양한 사용처에 로봇을 장착하여 사용할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 기계적 자중 보상 장치를 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 중력토크 보상장치를 나타낸 정면도이다.
도 3은 도 2의 가변형 중력토크 보상장치에서, 보상토크를 산출하기 위한 원리를 나타낸 개념도이다.
도 4는 도 2의 가변형 중력토크 보상장치에서, 가반하중이 변하는 경우 보상토크 조절부의 작동을 비교하여 나타낸 정면도이다.
도 5는 도 2의 가변형 중력토크 보상장치에서, 가변무게의 무게가 기준무게에 비해 증가한 경우 및 링크가 수평이 되도록 회전된 경우를 나타낸 정면도이다.
도 6은 도 2의 가변형 중력토크 보상장치에서, 가변무게의 무게가 기준무게에 비해 감소한 경우 및 링크가 수평이 되도록 회전된 경우를 나타낸 정면도이다.
도 7은 도 2의 가변형 중력토크 보상장치에서, 중력토크 및 보상토크를 나타낸 그래프이다.
도 8은 도 2의 가변형 중력토크 보상장치에서, 구동 모터 및 무게 측정 센서가 장착된 보상토크 조절부를 나타낸 정면도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변형 중력토크 보상장치의 개념을 설명하기 위한 중력토크 보상장치를 갖는 로봇팔을 나타낸 사시도이다.
도 11은 로봇 팔의 피치방향 회전축을 중심으로 한 회전각도 및 요방향 회전축을 중심으로 한 회전각도에 따른 중력토크를 나타낸 그래프이다.
도 12 내지 도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변형 중력토크 보상장치를 나타낸 사시도, 부분 절개 사시도, 정면 단면도 및 평면 단면도들이다.
도 17은 도 12의 가변형 중력토크 보상장치가 병렬로 구성된 개념을 나타낸 개념도이다.
도 18은 도 17에서 링크의 각도 변위에 따른 보상토크를 나타낸 그래프이다.
도 19는 도 12의 가변형 중력토크 보상장치에서, 베이스부가 2축(피치방향 회전축 및 요방향 회전축)에 대해 변화가 없는 상태, 즉 베이스부가 중력방향인 수직으로 고정된 상태를 나타낸 부분 사시도이다.
도 20은 도 12의 가변형 중력토크 보상장치에서, 베이스부가 피치방향 회전축을 중심으로 일정각도 회전된 상태를 나타낸 부분 사시도이다.
도 21은 도 12의 가변형 중력토크 보상장치에서, 베이스부, 제1링크를 포함한 모든 부분이 요방향 회전축을 중심으로 일정각도 회전되어 제2관절의 회전축이 상하방향을 향한 상태에서 제2링크가 수평이 된 상태를 나타낸 부분 사시도이다.
도 22는 도 12의 가변형 중력토크 보상장치에서, 베이스부가 중력방향인 수직으로 고정된 상태에서 베이스부, 제1-1기준면 및 제1-2기준면을 제외하고 제1링크를 포함한 모든 부분이 요방향 회전축을 중심으로 일정각도 회전된 상태를 나태낸 부분 사시도이다.
도 23 및 도 24는 도 12의 가변형 중력토크 보상장치에서, 제1-1중력토크 보상장치와 제2-1중력토크 보상장치(또는 제1-1중력토크 보상장치와 제2-1중력토크 보상장치)가 링크 및 벨트로 연결되어 기준면들이 연동되도록 한 것을 나타낸 개념도들이다.
* 부호의 설명
10 : 베이스부 11 : 제1링크
J1 : 제1관절 12 : 제2링크
J2 : 제2관절 13 : 제3링크
J3 : 제2관절 14 : 제1링크 회전 모터
15 : 제1링크 회전 감속기 15-1 : 감속기 회전축
16 : 제2링크 회전 모터 17 : 제3링크 회전 모터
100 : 기준면 S : 기준점
200 : 링크 O : 회전중심
210 : 돌출부 300 : 가변무게
M : 무게중심
101 : 제1-1중력토크 보상장치 102 : 제1-2중력토크 보상장치
110 : 코일 스프링 120 : 가이드 로드
130 : 슬라이딩 블록 140 : 와이어
150 : 롤러 201 : 제2-1기준면
211 : 제2-1기준점 221 : 제2-1풀리
202 : 제2-2기준면 212 : 제2-2기준점
222 : 제2-2풀리 301 : 제1-1기준면 제어장치
311 : 제1-1기준면 제어 모터 321 : 제1-1기준면
331 : 제1-1회전축 302 : 제1-2기준면 제어장치
312 : 제1-2기준면 제어 모터 322: 제1-2기준면
332 : 제1-2회전축 400 : 기울기 센서
410 : 탄성 수단(코일 스프링) 420 : 스프링 고정면
430 : 스프링 블록 440 : 와이어
450 : 아이들 롤러 I : 와이어 지지점
500 : 보상토크 조절부 510 : 슬라이딩 블록 520 : 리드 스크류 530 : 구동 모터 540 : 무게 측정 센서
501 : 메인 제어부 601 : 제2-1중력토크 보상장치
602 : 제2-2중력토크 보상장치 610 : 코일 스프링
620 : 가이드 로드 630 : 슬라이딩 블록
640 : 와이어 650 : 롤러
701 : 제3-1기준면 711 : 제3-1기준점
721 : 제3-1풀리 731 : 제3-1벨트
702 : 제3-2기준면 712 : 제3-2기준점
722 : 제3-2풀리 732 : 제3-2벨트
800 : 링크 기구 JA : 제1조인트
JB : 제2조인트
이하, 상기한 바와 같은 본 발명의 가변형 중력토크 보상장치 및 이의 제어 방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
[실시예 1: 가반하중 보상이 가능한 가변형 중력토크 보상장치]
이하에서는, 도 2 내지 8을 참조하여, 가변형 중력토크 보상장치, 특히 가반하중 보상이 가능한 가변형 중력토크 보상장치에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 중력토크 보상장치를 나타낸 정면도이다. 도 3은 도 2의 가변형 중력토크 보상장치에서, 보상토크를 산출하기 위한 원리를 나타낸 개념도이다. 도 4는 도 2의 가변형 중력토크 보상장치에서, 가반하중이 변하는 경우 보상토크 조절부의 작동을 비교하여 나타낸 정면도이다. 도 5는 도 2의 가변형 중력토크 보상장치에서, 가변무게의 무게가 기준무게에 비해 증가한 경우 및 링크가 수평이 되도록 회전된 경우를 나타낸 정면도이다. 도 6은 도 2의 가변형 중력토크 보상장치에서, 가변무게의 무게가 기준무게에 비해 감소한 경우 및 링크가 수평이 되도록 회전된 경우를 나타낸 정면도이다. 도 7은 도 2의 가변형 중력토크 보상장치에서, 중력토크 및 보상토크를 나타낸 그래프이다. 도 8은 도 2의 가변형 중력토크 보상장치에서, 구동 모터 및 무게 측정 센서가 장착된 보상토크 조절부를 나타낸 정면도이다.
도 2 내지 도 8에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 가변형 중력토크 보상장치는, 기준면(100); 상기 기준면(100)에 일단이 회동 가능하게 연결되어 회전중심(O)을 형성하며, 무게중심(M)이 상기 회전중심(O)으로부터 이격되어 배치되는 링크(200); 상기 링크(200)에 일단이 결합되는 탄성수단(410); 상기 탄성수단(410)의 타단에 일측이 결합되고 타측이 기준면(100)에 결합된 와이어(440); 상기 링크(200)에 결합되어 와이어(440)의 양단 사이를 지지하는 아이들 롤러(450); 및 상기 링크(200)에 설치되어 아이들 롤러(450)의 위치 및 탄성 수단(410)의 탄성력을 조절할 수 있는 보상토크 조절부(500)를 포함한다.
우선, 기준면(100)은 고정되어 기준이 되는 부재이며, 지면 등에 설치되어 고정된 베이스가 기준면이 될 수도 있고 고정된 베이스에 기준면(100)이 결합되어 고정된 상태로 유지될 수 있다.
링크(200)는 로봇의 암에 해당되는 부분으로, 링크(200)의 길이방향 일단이 기준면(100)에 연결되되 회전 가능하도록 결합되어 회전중심(O)이 형성될 수 있다. 이때, 링크(200)가 회전되는 회전중심(O)을 형성하는 회전축은 중력방향에 수직인 지면에 대해 수평으로 형성될 수 있다. 그리고 링크(200)는 길이방향으로 길게 형성되어 무게중심(M)이 회전중심(O)으로부터 이격되어 배치될 수 있다.
탄성 수단(410)은 일단이 링크(200)에 결합되고 타단이 기준면(100)에 연결되어, 링크(200)가 회전됨에 따라 탄성력이 발생하여 보상토크를 발생시키는 역할을 할 수 있다. 이때, 링크(200)가 회전되는 각도에 따라 탄성 수단(410)에 의한 탄성력이 변하여, 링크(200)의 회전각도에 따른 적절한 보상토크를 발생시킬 수 있다. 그리고 탄성 수단(410)은 링크(200)의 길이방향과 나란하게 배치될 수 있으며, 도시된 바와 같이 정면으로 바라본 도면상에서 탄성 수단(410)의 길이방향 중심축이 회전중심(O)을 향하도록 배치될 수 있다.
와이어(440)는 탄성 수단(410)과 기준면(100)을 연결하는 역할을 하며, 와이어(440)의 일측이 탄성 수단(410)의 타단에 결합되고 와이어(440)의 타측이 기준면(100)의 기준점(S)에 결합될 수 있다. 이때, 기준면(100)에 외이어(440)가 결합되는 기준점(S)은 회전중심(O)으로부터 수직 상측의 위치에 형성될 수 있으며, 회전중심(O)을 기준으로 중력방향에 반대방향 상측에 형성될 수 있다.
아이들 롤러(450)는 링크(200)에 결합되며, 아이들 롤러(450)가 와이어(440)의 양단 사이에 배치되어 와이어(440)가 지지되도록 할 수 있다. 이때, 도시된 바와 같이 아이들 롤러(450)는 한 쌍으로 형성될 수 있으며, 한 쌍의 아이들 롤러(450) 사이를 통과하도록 와이어(440)가 삽입된 형태로 결합되어 아이들 롤러(450)에 의해 와이어(440)의 길이방향으로의 이동은 가능하나 그 이외의 이동은 제한될 수 있다.
또한, 탄성 수단(410)에 결합된 부분에서 아이들 롤러(450)까지의 부분에 해당되는 와이어(440)는 어떠한 경우에도 길이방향의 이동만 가능할 수 있다. 이에 따라 탄성 수단(410)에 결합된 부분에서 아이들 롤러(450)까지의 부분에 해당되는 와이어(440)에는 탄성 수단(410)에 의한 모든 탄성력이 장력으로 작용될 수 있다.
보상토크 조절부(500)는 링크(200)에 설치될 수 있고, 보상토크 조절부(500)에 의해 아이들 롤러(450)의 위치가 조절될 수 있으며, 보상토크 조절부(500)에 의해 탄성 수단(410)의 탄성력이 조절될 수 있다.
여기에서 링크(200)에 작용하는 보상토크는 아이들 롤러(450)가 배치된 와이어 지지점(I)과 기준점(S)을 연결하는 와이어(440)상에 걸리는 장력에 비례하며, 회전중심(O)으로부터 상기 와이어 지지점(I)과 기준점(S)을 연결하는 와이어(440)상에 수직인 거리인 모멘트 암(보상토크를 발생시키려는 힘이 회전중심으로부터 이격된 수직 거리)에 비례하게 된다.
이에 따라 보상토크 조절부(500)는 탄성 수단(410)에 의한 탄성력의 크기를 조절할 수 있으며, 아이들 롤러(450)의 위치를 조절하여 모멘트 암의 크기를 조절할 수 있다.
그리하여 본 실시예에서의 상기 가변형 중력토크 보상장치는, 로봇에 의해 파지되는 무게인 가반하중의 변화에 대하여 보상토크 조절부(500)를 이용해 용이하게 보상토크를 변화시킬 수 있으며, 가반하중에 대한 적절한 보상토크를 발생시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 로봇 암의 무게가 변하거나 로봇 암의 관절로부터 무게 중심까지의 거리가 변하는 경우에도 이에 대하여 적절한 보상토크를 발생시킬 수 있어 원활한 중력토크에 대핸 보상이 이루어질 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 탄성 수단(410)은 링크(200)의 길이방향을 따라 배치된 코일 스프링이며, 상기 코일 스프링의 초기 압축 거리에 따라 탄성력이 조절될 수 있다.
즉, 탄성 수단(410)은 코일 스프링이 될 수 있으며, 도시된 바와 같이 코일 스프링은 길이방향으로 압축되는 거리에 비례하여 탄성력의 크기가 달라지는 압축 코일 스프링이 될 수 있으며, 이외에도 인장 코일 스프링이 사용될 수도 있다. 여기에서 링크가 수직 상측을 향하도록 세워져 있는 경우에는 중력토크가 작용하지 않게 되는데, 이때 모멘트 암이 0이며 코일 스프링은 미리 특정한 거리만큼 압축되어 있는 상태가 될 수 있다.
그러므로 링크(200)의 타단쪽에 작용하는 가변무게(300)가 있는 경우(즉, 링크에 걸리는 무게가 달라지거나 변하는 경우) 코일 스프링이 초기에 압축된 거리인 초기 압축 거리(so)를 조절함으로써 코일 스프링의 탄성력이 조절될 수 있다.
이때, 가변무게(300)의 무게가 증가하면 코일 스프링의 초기 압축 거리(so)를 증가시켜 탄성력이 커지도록 함으로써 보상토크를 크게 할 수 있고, 반대로 가변무게(300)의 무게가 감소하면 코일 스프링의 초기 압축 거리(so)를 감소시켜 탄성력이 작아지도록 함으로써 보상토크를 작게 조절할 수 있다.
또한, 상기 링크(200)에 결합되어 링크(200)의 길이방향으로 이동 및 고정이 가능하며 상기 탄성 수단(410)의 일단이 지지되는 스프링 고정면(420)을 포함하여 이루어지며, 상기 아이들 롤러(450)는 링크(200)에 결합되되, 상기 링크(200)의 길이방향을 따라 이동 및 고정이 가능하도록 형성될 수 있다.
즉, 탄성 수단(410)인 코일 스프링의 일단이 지지되도록 링크(200)에 스프링 고정면(420)이 결합될 수 있으며, 이때 스프링 고정면(420)은 링크(200)에 결합되되 링크(200)의 길이방향으로 이동이 가능하며 이동된 상태에서 위치의 고정이 가능하도록 링크(200)에 결합될 수 있다.
또한, 아이들 롤러(450) 역시 링크(200)에 결합될 수 있으며, 아이들 롤러(450)도 링크(200)에 결합되되 링크(200)의 길이방향으로 이동이 가능하며 이동된 상태에서 위치의 고정이 가능하도록 링크(200)에 결합될 수 있다. 이때, 스프링 고정면(420)과 아이들 롤러(450)는 링크(200)의 길이방향을 따라 직선으로 안내되어 이동될 수 있는 다양한 형태로 구성될 수 있다.
그리고 탄성 수단(410)인 코일 스프링의 타단은 와이어(440)에 결합되되, 코일 스프링의 타단에 스프링 블록(430)이 결합되도록 하고 스프링 블록(430)에 와이어가 결합되도록 할 수 있다. 그리하여 와이어(440)가 당겨지거나 느슨해질 때 스프링 고정면(420)과 스프링 블록(430) 사이에서 코일 스프링이 압축되거나 복원될 수 있다.
또한, 상기 링크(200)에 결합되어 링크(200)의 길이방향을 따라 이동 및 고정이 가능하도록 형성되는 슬라이딩 블록(510)을 포함하여 이루어져, 상기 슬라이딩 블록(510)에 스프링 고정면(420)이 결합되어 고정되고, 상기 슬라이딩 블록(510)에 아이들 롤러(450)가 결합되어 고정될 수 있다.
즉, 슬라이딩 블록(510)이 링크(200)에 결합되되, 링크(200)의 길이방향을 따라 슬라이딩되어 이동 가능하도록 형성되고 이동된 상태에서 슬라이딩 블록(510)이 링크(200)에 고정 가능하도록 형성될 수 있다. 그리고 슬라이딩 블록(510)에 스프링 고정면(420)이 결합되어 고정되고 아이들 롤러(450)가 결합되어 고정될 수 있다.
그리하여 슬라이딩 블록(510)에 스프링 고정면(420)과 아이들 롤러(450)가 함께 결합되어 고정되어 있으므로, 슬라이딩 블록(510)을 이동시키면 스프링 고정면(420) 및 아이들 롤러(450)가 함께 이동될 수 있으며, 슬라이딩 블록(510)을 링크(200)에 고정시키면 스프링 고정면(420) 및 아이들 롤러(450)가 함께 고정될 수 있다.
또한, 상기 링크(200)에 일측 또는 양측이 회전 가능하도록 결합되며 상기 슬라이딩 블록(510)에 나사결합되는 리드 스크류(520)를 포함하여 이루어질 수 있다.
즉, 리드 스크류(520)는 일측 또는 양측이 링크(200)에 회전 가능하도록 결합된 상태에서 슬라이딩 블록(510)에 나사결합되어, 리드 스크류(520)를 회전시키는 방향에 따라 슬라이딩 블록(510)이 링크(200)의 길이방향으로 일측 또는 타측 방향으로 이동되어 위치가 조절될 수 있다. 그리고 리드 스크류(520)는 링크(200)에 회전 가능하도록 결합되면서 링크(200)의 길이방향으로는 이동되지 않도록 위치가 고정될 수 있다.
또는 반대로 리드 스크류(520)가 링크(200)에 나사결합되어 리드 스크류(520)가 회전되면 길이방향으로 이동될 수 있도록 하고, 리드 스크류(520)에 슬라이딩 블록(510)이 결합되되 회전은 가능하면서 길이방향으로의 움직임이 고정되도록 결합될 수도 있다. 또한, 리드 스크류(520)는 일반적인 나사로 형성될 수도 있으며, 슬라이딩 블록(510)을 이동시켜 위치가 고정되도록 할 수 있는 다양한 형태로 형성될 수 있다.
그리하여 리드 스크류(520)를 이용해 슬라이딩 블록(510)을 링크(200)의 길이방향으로 용이하게 이동시킬 수 있고 슬라이딩 블록(510)의 위치를 정확하게 조절할 수 있으며, 위치가 조절된 후 변경된 위치에 그대로 고정될 수 있다.
또한, 상기 리드 스크류(520)는 링크(200)의 길이방향에 대해 수직한 방향쪽에 2개 이상 구비될 수 있다.
즉, 코일 스프링(410)이나 와이어(440)의 배치로 인해 리드 스크류(520)의 위치가 슬라이딩 블록(430)의 중심 위치를 밀어줄 수 있는 위치에 형성되기 어려울 수 있으므로, 리드 스크류(520)를 링크(200)의 길이방향에 대해 수직인 방향쪽인 높이방향이나 폭방향에 링크(200)와 나란하도록 2개 이상 배치할 수 있다.
그리하여 리드 스크류(520)가 다른 부품들과 간섭이 발생하지 않도록 할 수 있으며, 리드 스크류(520)를 조절하기 용이하도록 할 수 있다. 그리고 링크(200)의 외측에 돌출부(210)들을 형성하고 돌출부(210)에 리드 스크류(520)가 결합되도록 할 수 있으며, 슬라이딩 블록(510)에도 돌출된 형태의 돌출부를 형성하여 리드 스크류(520)가 결합되도록 할 수 있다.
또한, 상기 링크(200)에 고정되며 리드 스크류(520)에 연결되어 상기 리드 스크류(520)를 회전시키는 구동 모터(530)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
즉, 리드 스크류(520)에는 스텝모터나 서보모터 등의 구동 모터(530, 액추에이터)가 연결되어 리드 스크류(520)를 용이하게 회전시킬 수 있으며 슬라이딩 블록(510)의 이동 위치를 정밀하게 조절할 수도 있다.
그리고 리드 스크류(520)가 2개 이상 구비되는 경우에는 리드 스크류(520)들이 서로 벨트나 기어 등 다양한 형태로 연결되어, 하나의 리드 스크류를 회전시키면 모든 리드 스크류들이 동일한 방향 및 각도로 회전되도록 할 수도 있다.
또한, 상기 링크(200)에 부착되는 무게 측정 센서(540)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
즉, 링크(200)에 파지된 가변무게(300)의 무게를 측정할 수 있도록 링크(200)에 무게 측정 센서(540)가 부착될 수 있다. 그리하여 무게 변화를 측정하여 이에 따라 보상토크 조절부(500)를 조절하여 보상토크의 크기를 적절하게 조절할 수 있다.
이때, 도시된 바와 같이 무게 측정 센서(540)는 링크(200)의 타단에 설치될 수 있나, 이외에도 가변무게(300)의 무게를 측정할 수 있도록 링크(200)의 다른 위치될 수도 있으며, 기준면(100)이나 기준면(100)이 설치되는 베이스와 같은 부재들에 다양하게 설치될 수 있다.
[실시예 2: 가반하중 보상이 가능한 가변형 중력토크 보상장치의 제어방법]
이하에서는, 상기 도 1 내지 도 8을 참조하여 설명한 가변형 중력토크 보상장치, 즉 가반하중 보상이 가능한 가변형 중력토크 보상장치의 제어방법에 대하여 상세히 설명한다.
즉, 상기 가변형 중력토크 보상장치는, 기준면(100)에 링크(200)의 일단이 회동 가능하게 연결되어 회전중심(O)을 형성하며, 상기 링크(200)는 무게중심(M)이 회전중심(O)으로부터 이격되어 배치되며, 코일 스프링(410)의 일단이 상기 링크(200)에 결합되고 코일 스프링(410)의 타단에 결합된 와이어(440)가 기준면(100)에 연결되되 링크(200)에 결합된 아이들 롤러(450)에 의해 와이어(440)의 양단 사이가 지지되어, 링크(200)가 회전중심(O)을 기준으로 회전하는 경우 링크에 대한 보상토크를 발생시키되, 상기 링크(200)에 설치된 보상토크 조절부(500)에 의해 아이들 롤러(450)의 위치 및 코일 스프링(410)의 탄성력을 조절할 수 있다.
이 경우, 상기 가변형 중력토크 보상장치를 제어하는 방법을 통해, 상기 링크(200)의 타단에 작용하는 무게가 증가하면 상기 코일 스프링(410)의 초기 압축 거리(so) 및 상기 회전중심(O)에서 와이어 지지점(I)까지의 거리(b)가 함께 증가되도록 조절되며, 상기 링크(200)의 타단에 작용하는 무게가 감소하면 상기 코일 스프링(410)의 초기 압축 거리(so) 및 상기 회전중심(O)에서 와이어 지지점(I)까지의 거리(b)가 함께 감소되도록 조절될 수 있다.
즉, 보상토크 조절부(500)에 의해 아이들 롤러(450)의 위치 및 코일 스프링(410)의 탄성력을 조절함으로써 가반하중의 무게에 따라 보상토크의 크기가 조절되도록 제어할 수 있다. 이때, 가변무게(300)의 무게가 증가하면 코일 스프링(410)의 초기 압축 거리(so)를 증가시키고 회전중심(O)에서 와이어 지지점(I)까지의 거리(b)가 함께 증가되도록 하여 보상토크가 커지도록 할 수 있다.
반대로 가변무게(300)의 무게가 감소하면 코일 스프링(410)의 초기 압축 거리(so)를 감소시키고 회전중심(O)에서 와이어 지지점(I)까지의 거리(b)도 함께 감소되도록 조절되어 보상토크가 작아지도록 할 수 있다. 여기에서 기준무게에 대해 코일 스프링(410)은 특정한 초기 압축 거리만큼 압축되어 있을 수 있으며, 초기 압축 거리(so)는 코일 스프링이 압축되어 있지 않은 상태의 길이와 코일 스프링에 예압이 가해져 압축된 상태의 길이의 차이가 될 수 있다.
그리하여 기준무게 보다 무게가 증가하면 상기 기준무게에 대한 코일 스프링의 초기 압축 거리보다 상대적으로 많이 압축되도록 코일 스프링(410)의 초기 압축 거리(so)를 증가시키고, 반대로 기준무게 보다 무게가 감소하면 상기 기준무게에 대한 코일 스프링의 초기 압축 거리보다 상대적으로 덜 압축되도록 코일 스프링(410)의 초기 압축 거리(so)를 줄일 수 있다.
보다 상세하게는 링크가 회전중심(O)을 기준으로 중력방향에 반대방향인 수직 상측방향에 대해 반시계 방향으로 θ만큼 회전되어 있는 상태를 가정하면, 그 상태에서 링크(200)가 움직이지 않고 그대로 정지해있어야 중력에 대한 보상이 정확하게 이루어지는 것이므로, 이를 위해서는 중력에 의해 회전중심(O)을 기준으로 링크(200)에 작용하는 중력토크{Tg(θ)}와 이에 대한 보상토크{Tc(θ)}는 같아야 한다. 그러므로 중력토크와 보상토크와의 관계식은 아래의 [수식 1]과 같이 계산될 수 있다.
[수식 1]
Figure PCTKR2017002317-appb-I000001
여기에서,
θ : 링크가 회전중심을 기준으로 수직 상측방향으로부터 회전된 각도
a : 회전중심에서 기준점까지의 거리
b : 회전중심에서 와이어 지지점까지의 거리
c(θ) : 링크가 θ만큼 회전하였을 때 와이어 지지점에서 기준점까지의 거리
α : 회전중심에서 와이어 지지점을 잇는 선과 와이어 지지점에서 기준점을 잇는 선이 이루는 각도
so : 코일 스프링의 초기 압축 거리
m : 가변무게에 의해 무게중심에 작용하는 총 무게
g : 중력가속도
lc : 회전중심으로부터 무게중심까지의 거리
Fs(θ) : 코일 스프링의 압축에 의해 발생되는 힘(와이어에 걸리는 장력)
k : 코일 스프링의 탄성계수
그러므로 상기 [수식 1]을 이용해 이에 따른 코일 스프링(410)의 탄성계수(k)를 설정할 수 있고 코일 스프링(410)의 초기 압축 거리(so), 회전중심(O)에서 기준점(S)까지의 거리(a), 회전중심(O)에서 와이어 지지점(I)까지의 거리(b)를 설정할 수 있다.
그리고 가변무게(300)에 대하여 코일 스프링(410)의 초기 압축 거리(so) 및 상기 회전중심(O)에서 와이어 지지점(I)까지의 거리(b)가 함께 증가되거나 감소되도록 함으로써, 보상토크를 정밀하게 조절할 수 있다.
이때, 상기 링크(200)의 타단에 작용하는 무게의 변화에 따라, 상기 코일 스프링(410)의 초기 압축 거리(so)와 상기 회전중심(O)에서 와이어 지지점(I)까지의 거리(b)가 서로 동일한 크기로 증가 또는 감소하도록 조절될 수 있다.
이는 도 7에 도시된 그래프와 같이 링크(200)가 회전되는 각도에 따라 중력토크는 싸인(sine) 형태로 형성되므로, 이 싸인 형태의 중력토크를 완전히 보상하기 위해서는 반드시 so = b - a 의 조건을 만족시켜야 한다. 즉, 링크(200)가 회전되는 각도인 θ가 0ㅀ 인 경우, c(θ)가 0이며 기준점(S)은 고정되어 있으므로 a 값이 일정하다.
그러므로 so 와 b가 동일한 크기로 증가되거나 감소되도록 함으로써 변화되는 무게에 따른 중력토크에 대하여 방향은 반대이면서 크기가 동일한 보상토크를 발생시킬 수 있다. 이에 따라 링크가 θ만큼 회전되어 있는 상태를 가정하면, 그 상태에서 링크(200)가 움직이지 않고 그대로 정지해 있을 수 있다.
또한, 상기 링크(200)의 타단에 작용하는 무게를 측정하여, 측정된 무게에 따라 보상토크가 수동 또는 자동으로 조절될 수 있다.
즉, 무게 측정 센서(540)를 통해 가변무게(300)의 무게를 측정한 후 측정된 무게에 따라 적절한 보상토크가 발생하도록 보상토크 조절부(500)를 수동으로 조절하거나 리드 스크류(520) 및 구동 모터(530)를 이용해 자동으로 보상토크 조절부(500)가 조절되도록 할 수 있다. 이때, 구동 모터(530)와 무게 측정 센서(540)는 제어부에 연결되어 작업자가 수동으로 보상토크를 조절할 수 있거나 자동으로 보상토크가 조절되도록 할 수 있다.
이하에서는, 도 9 내지 도 24를 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 의한 가변형 중력토크 보상장치, 특히 2축 지면각 변화에 대응한 다자유도 가변형 중력토크 보상장치에 대하여 구체적으로 설명한다.
우선, 본 실시예에 따른 가변형 중력토크 보상장치에 대한 구체적인 실시예를 설명하기 전에 도 9 내지 도 11을 참조하여 상기 중력토크 보상장치를 갖는 로봇팔을 바탕으로 상기 중력토크 보상장치, 특히 2축 지면각 변화에 대응한 다자유도 가변형 중력토크 보상장치의 개념을 설명한다.
도 9 및 도 10은 본 실시예에 따른 가변형 중력토크 보상장치의 개념을 설명하기 위한 중력토크 보상장치를 갖는 로봇팔을 나타낸 사시도이다. 도 11은 로봇 팔의 피치방향 회전축을 중심으로 한 회전각도 및 요방향 회전축을 중심으로 한 회전각도에 따른 중력토크를 나타낸 그래프이다.
도 9 내지 도 11을 참조하면, 본 실시예에 의한 가변형 중력토크 보상장치, 특히 2축 지면각 변화에 대응 가능한 다자유도 가변형 중력토크 보상장치는, 도 9와 같이 하나 이상의 피치관절로 링크들이 연결되어 회동 가능하도록 형성되는 로봇 팔의 베이스(B)가 피치방향(Pitch) 축을 중심으로 회전되는 경우, 베이스(B)가 고정된 상태에서 피치관절인 JP1 관절을 중심으로 L1 링크가 회전되는 경우, 도 10과 같이 베이스(B)는 고정된 상태에서 JP1 관절을 포함한 모든 링크들이 요방향 축을 중심으로 회전되는 경우, 및 도 10에서 베이스(B)도 함께 요방향(Yaw) 축을 중심으로 회전되는 경우 모두에 대해 각각의 링크들에 작용하는 중력토크에 대해 적절한 보상토크를 발생시킬 수 있도록 한 토크프리 로봇 팔에 관한 것이다.
즉, 관절로 연결된 모든 링크들이 회전되는 경우와 베이스가 회전되는 경우 모두를 포함하여 각각의 링크들에 작용하는 중력토크에 대해 적절한 보상토크를 발생시킬 수 있다.
일례로 도 9 및 도 10과 같이 베이스(B)의 피치방향을 중심으로 한 회전각도(θ2) 및 요방향을 중심으로 한 회전각도(θ1)에 대해 피치관절들 중 JP2로 연결된 L2 링크에 작용하는 중력토크를 보면, 도 11의 그래프와 같이 피치방향을 중심으로 한 베이스의 회전각도(θ2)가 0ㅀ일 때 L2 링크에 작용하는 중력토크는 최대이고 -90ㅀ 및 90ㅀ일 때 최소가 되며, θ1이 0ㅀ일 때 중력토크가 최대이고 90ㅀ일 때 최소가 되는 것을 알 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 의한 가변형 중력토크 보상장치는, 베이스의 각도 변화에 따라 변화되는 중력토크(gravitational torque)에 대해 적절한 보상토크를 발생시켜 중력토크를 상쇄시킬 수 있도록 하는 메커니즘이다.
[실시예 3: 2축 지면각 변화에 대응한 다자유도 가변형 중력토크 보상장치]
이하에서는, 본 실시예에 의한 가변형 중력토크 보상장치, 특히 2축 지면각 변화에 대응한 다자유도 가변형 중력토크 보상장치에 대하여 상세히 설명한다.
도 12 내지 도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가변형 중력토크 보상장치를 나타낸 사시도, 부분 절개 사시도, 정면 단면도 및 평면 단면도들이다.
도 12 내지 도 16에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 가변형 중력토크 보상장치는, 제1링크(11)에 제2링크(12)의 일단이 회동가능하게 연결되어 지면에 수평인 피치(pitch) 방향 회전축인 제2관절(J2)을 형성하고, 상기 제2링크(12)는 무게중심이 제2관절(J2)로부터 이격되게 배치되며, 일단이 상기 제2관절(J2)에 연결되고 타단이 제2링크(12)에 결합되어 상기 제2링크(12)가 제2관절(J2)을 중심으로 회동하는 경우 제2링크(12)의 자중에 대한 보상토크를 발생시키는 제1-1중력토크 보상장치(101) 및 제1-2중력토크 보상장치(102); 상기 제2관절(J2)의 회전축과 동축상에 배치되어 제2관절(J2)의 회전축을 중심으로 회전 가능하도록 형성되며, 상기 제1-1중력토크 보상장치(101)의 일단이 연결되어 결합되는 제2-1기준면(201) 및 제1-2중력토크 보상장치(102)의 일단이 연결되어 결합되는 제2-2기준면(202); 및 상기 제1링크(11)에 결합되며, 상기 제2-1기준면(201)에 연결되어 제2-1기준면(201)의 회전각도 조절 및 고정이 가능한 제1-1기준면 제어장치(301); 및 상기 제1링크(11)에 결합되며, 상기 제2-2기준면(202)에 연결되어 제2-2기준면(202)의 회전각도 조절 및 고정이 가능한 제1-2기준면 제어장치(302)를 포함하며, 상기 제2-1기준면(201) 및 제2-2기준면(202)의 회전각도가 각각 별개로 조절되어 고정될 수 있다.
우선, 제1링크(11)에 제2링크(12)의 일단이 회동 가능하게 연결되어 지면에 수평인 피치(pitch) 방향 회전축인 제2관절(J2)을 형성하고, 상기 제2링크(12)는 무게중심이 제2관절(J2)로부터 이격되게 배치될 수 있다.
그리고 제1링크(11)에는 제2링크(12) 회전 모터(16)가 결합되어 고정될 수 있으며, 제2링크 회전 모터(16)에 제2링크(12)의 일단이 연결되어 제2링크(12)가 회전축인 제2관절(J2)을 중심으로 회전되도록 구성될 수 있다.
그리고 일단이 상기 제2관절(J2)에 연결되고 타단이 제2링크(12)에 결합되어 상기 제2링크(12)가 제2관절(J2)을 중심으로 회동하는 경우 제2링크(12)의 자중에 대한 보상토크를 발생시키는 제1-1중력토크 보상장치(101) 및 제1-2중력토크 보상장치(102)가 구성될 수 있으며, 또한 로봇 팔의 제2링크(12)와 제2관절(J2)에 제1-1중력토크 보상장치(101) 및 제1-2중력토크 보상장치(102)가 병렬로 연결되어, 제2링크(12)의 자중에 대한 보상토크를 발생시킬 수 있도록 토크 프리 로봇 팔이 구성될 수 있다.
베이스부(10)는 로봇, 설비 및 모바일 플랫폼 등 다양한 곳에 설치되어 고정될 수 있으며, 다양한 형태로 형성될 수 있다. 제2링크(12)는 피치 방향 회전축인 제2관절(J2)을 중심으로 하여 회전될 수 있도록 구성되며, 제2링크(12)의 무게중심은 제2관절(J2)로부터 이격된 위치에 형성될 수 있다.
그리하여 제2링크(12)가 수직인 상태를 제외한 기울어진 상태에서는 제2링크(12)의 자중에 의한 중력토크가 발생하게 된다. 또한, 제1-1중력토크 보상장치(101)는 일단이 제2-1기준면(201)에 연결되어 결합되며 타단이 제2링크(12)에 결합된다. 이때, 제2-1기준면(201)은 제2관절(J2)의 회전축을 중심으로 회전 가능하도록 형성되되 베이스부(10)가 수평인 지면에 설치되어 있는 경우에는 고정되어 회전되지 않는 상태이며, 제2링크(12)의 회전에 따라 중력토크를 상쇄할 수 있는 보상토크를 발생시킬 수 있다.
또한, 제1-2중력토크 보상장치(102)는 일단이 제2-2기준면(202)에 연결되어 결합되며 타단이 제2링크(12)에 결합된다. 이때, 제2-2기준면(202)은 제2관절(J2)의 회전축을 중심으로 회전 가능하도록 형성되되 베이스부(10)가 수평인 지면에 설치되어 있는 경우에는 고정되어 회전되지 않는 상태이며, 제2링크(12)의 회전에 따라 중력토크를 상쇄할 수 있는 보상토크를 발생시킬 수 있다.
여기에서 제1-1중력토크 보상장치(101)는, 제2링크(12)에 양단이 결합되어 고정된 가이드 로드(120), 상기 가이드 로드(120)의 외측에 끼워지는 코일 스프링(110), 상기 가이드 로드(120)를 따라 슬라이딩 될 수 있도록 결합되며 코일 스프링(110)의 일단에 밀착되는 슬라이딩 블록(130), 상기 슬라이딩 블록(130)에 일단이 연결되고 상기 제2-1기준면(201)에 타단이 결합되어 연결되는 와이어(140)를 포함하여 이루어질 수 있다.
이때, 와이어(140)는 한 쌍의 롤러(150)에 의해 양측이 지지되어 와이어(140)가 원활하게 이동될 수 있으며 이탈되지 않을 수 있다.
마찬가지로 제1-2중력토크 보상장치(102)도 상기한 제1-1중력토크 보상장치(101)와 동일하게 구성되어 제2-2기준면(202)에 연결될 수 있다. 그리하여 제1-1중력토크 보상장치(101)와 제1-2중력토크 보상장치(101)가 병렬로 연결되어, 제2링크(12)의 회전에 따라 중력토크를 상쇄할 수 있는 보상토크를 각각 발생시킬 수 있다.
이때, 중력보상장치의 원리에 대한 개념 및 두 개의 중력토크 보상장치가 병렬로 연결된 개념을 도 17에 나타내었다.
또한, 제2링크(12)의 각도변위(θ)에 따라 도 18에 도시된 바와 같은 보상토크가 발생되어 제2링크(12)에 작용할 수 있다.
또한, 제1링크(11)에는 제1-1기준면 제어장치(301) 및 제1-2기준면 제어장치(302)가 결합되며, 상기 제1-1기준면 제어장치(301)가 제2-1기준면(201)에 연결되어 제2-1기준면(201)의 회전각도를 조절할 수 있으며 각도가 조절된 상태에서 제2-1기준면(201)이 고정되도록 구성될 수 있으며, 상기 제1-2기준면 제어장치(302)가 제2-2기준면(202)에 연결되어 제2-2기준면(202)의 회전각도를 조절할 수 있으며 각도가 조절된 상태에서 제2-2기준면(202)이 고정되도록 구성될 수 있다. 이때, 제2-1기준면(201) 및 제2-2기준면(202)은 회전각도가 각각 별개로 조절되어 고정될 수 있도록 구성되므로, 상기 두 기준면이 함께 회전되어 각도가 조절되거나 각각 별개로 조절되어 제1링크(11)가 피치 방향 회전축을 중심으로 기울어지거나 또는 요 방향 회전축을 중심으로 기울어지거나 피치 방향 및 요 방향 회전축을 중심으로 함께 기울어지는 모든 2축 방향의 지면각 변화에 대하여 적절한 보상토크가 발생되도록 조절될 수 있다.
그리하여 베이스부(10)가 설치되는 장착면이 수평이 아니거나 지면을 따라 이동하는 모바일 플랫폼 등에 베이스부(10)가 설치되어 2축 방향에 대해 지면각이 변하는 경우 제2링크(12)의 각도가 변해 자중에 의한 중력토크가 변하게 되므로, 이에 따라 제1-1기준면 제어장치(301) 및 제1-2기준면 제어장치(302)에 의해 제2-1기준면(201) 및 제2-2기준면(202)의 각도를 변경하여 보상토크가 조절되도록 할 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 의한 가변형 중력토크 보상장치는 인간형 로봇과 같이 기준면의 각도가 변경되는 다자유도의 허리 관절이 있는 경우나 모바일 플랫폼에 로봇이 장착되어 사용하는 경우, 주행 및 정지하는 지면의 각도 또는 허리 관절의 피치 방향 및 요 방향에 회전각도에 따라 기준면의 각도를 변경하여 로봇의 각 관절에 적절한 보상토크를 제공할 수 있다.
또한, 상기 가변형 중력토크 보상장치에서, 상기 제1링크(11)가 베이스부(10)에 회동 가능하게 연결되어 지면에 수평인 요(yaw) 방향 회전축인 제1관절(J1)을 형성한다.
이 경우, 상기 제1-1기준면 제어장치(301)는, 상기 제1관절(J1)의 회전축과 동축상에 배치되어 제1관절(J1)의 회전축을 중심으로 회전 가능하도록 형성되며 상기 제2-1기준면(201)과 연결되어 연동되는 제1-1기준면(321); 및 상기 제1-1기준면(321)에 연결되며 베이스부(10)에 고정되어 상기 제1-1기준면(321)의 회전각도 조절 및 고정이 가능한 제1-1기준면 제어모터(311)를 포함한다.
상기 제1-2기준면 제어장치(302)는, 상기 제1관절(J1)의 회전축과 동축상에 배치되어 제1관절(J1)의 회전축을 중심으로 회전 가능하도록 형성되며 상기 제2-2기준면(202)과 연결되어 연동되는 제1-2기준면(322); 및 상기 제1-2기준면(322)에 연결되며 베이스부(10)에 고정되어 상기 제1-2기준면(322)의 회전각도 조절 및 고정이 가능한 제1-2기준면 제어 모터(312)를 포함한다.
즉, 베이스부(10)에 제1링크(11)가 회동 가능하도록 지면에 수평인 제1관절(J1)로 연결되어 로봇의 팔이 형성될 수 있다. 이때, 제1링크(11)는 요 방향 회전축으로 형성되어 피치 방향 회전축인 제2관절(J2)과 동일한 평면상에 서로 수직이 되도록 배치될 수 있다.
그리고 제1-1기준면 제어 모터(311)가 베이스부(10)에 고정되고 제1-1기준면 제어 모터(311)에 제1-1기준면(321)이 결합되어 연결되며 제1-1기준면(321)은 제1관절(J1)의 회전축을 중심으로 회전 가능하도록 형성되어 상기 제2-1기준면(201)과 연결되어 연동되도록 구성될 수 있다.
그리하여 제1-1기준면 제어 모터(311)가 회전되면 제1-1기준면(321)이 회전되고 이와 함께 제2-1기준면(201)이 회전될 수 있다.
마찬가지로 제1-2기준면 제어 모터(312)가 베이스부(10)에 고정되고 제1-2기준면 제어 모터(312)에 제1-2기준면(322)이 결합되어 연결되며 제1-2기준면(322)은 제1관절(J1)의 회전축을 중심으로 회전 가능하도록 형성되어 상기 제2-2기준면(202)과 연결되어 연동되도록 구성될 수 있다.
그리하여 제1-2기준면 제어 모터(312)가 회전되면 제1-2기준면(322)이 회전되고 이와 함께 제2-2기준면(202)이 회전될 수 있다.
여기에서 일례로 제1-1기준면(321), 제1-2기준면(322), 제2-1기준면(201) 및 제2-2기준면(202)은 각각 풀리로 형성되어 벨트나 와이어 등으로 연결되어 회전될 수 있다.
그리하여 요 관절로 연결된 경우에도 제1-1기준면 제어장치(301) 및 제1-2기준면 제어장치(302)가 구성될 수 있다.
또한, 상기 제1링크(11) 또는 베이스부(10)에 설치되어 상기 제1링크(11) 또는 베이스부(10)의 피치 방향을 중심으로 한 회전각도(기울기) 및 요 방향을 중심으로 한 회전각도(기울기)를 측정할 수 있는 기울기 센서(400)를 더 포함할 수 있다.
즉, 제1링크(11)가 피치 방향 회전축을 중심으로 기울어지거나 제1링크(11) 및 베이스부(10)가 함께 피치 방향 회전축을 중심으로 기울어지는 경우에, 기울기 센서(400)를 통해 기울어지는 각도를 측정하여 제1-1중력토크 보상장치(101) 및 제1-2중력토크 보상장치(102)의 보상토크가 조절되도록 할 수 있다.
그리고 제1링크(11)가 요 방향 회전축을 중심으로 기울어지거나 제1링크(11) 및 베이스부(10)가 함께 요 방향 회전축을 중심으로 기울어지는 경우에, 기울기 센서(400)를 통해 기울어지는 각도를 측정하여 제1-1중력토크 보상장치(101) 및 제1-2중력토크 보상장치(102)의 보상토크가 조절되도록 할 수 있다.
이때, 기울기 센서(400)는 제1링크(11) 또는 베이스(10)에 장착될 수 있으며, 경우에 따라서 2 군데 모두 장착되거나 다양한 위치 및 개수가 장착될 수 있다. 또한, 기울기 센서(400)는 다양한 종류의 센서나 측정 장치가 사용될 수 있으며, 일례로 자이로 센서가 사용될 수 있다.
또한, 상기 제1-1기준면 제어장치(301), 제1-2기준면 제어장치(302) 및 기울기 센서(400)와 연결되어, 상기 기울기 센서(400)에서 측정된 제1링크(11) 또는 베이스부(10)의 기울기에 따라 상기 제1-1기준면 제어장치(301) 및 제1-2기준면 제어장치(302)를 통해 제2-1기준면(201)의 회전각도 및 제2-2기준면(202)의 회전각도가 자동으로 조절되도록 하는 메인 제어부()를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
즉, 메인 제어부()를 통해 피치 방향 및 요 방향 회전축을 중심으로 기울어지는 경우 그 측정된 각도에 따라 제2-1기준면(201)의 회전각도 및 제2-2기준면(202)의 회전각도가 자동으로 조절되도록 하여 적절한 보상토크를 발생시킬 수 있다.
또한, 중력방향에 수직인 지면에 대해 상기 제1링크(11) 또는 베이스부(10)가 피치방향을 중심으로 기울어지는 각도에 따라 상기 제2-1기준면(201) 및 제2-2기준면(202)이 제어되되, 상기 제1링크(11) 또는 베이스부(10)가 기울어지는 각도와 크기는 동일하되 방향은 반대방향으로 제2-1기준면(201) 및 제2-2기준면(202)이 회전되어 위치가 고정되도록 제어될 수 있다.
즉, 도 19 및 도 20을 참조하면 제2-1기준면(201)의 제2-1기준점(211)과 제2-2기준면(202)의 제2-2기준점(212)이 제2관절(J2)의 중심축에서 수직 상측 방향에 각각 배치되어 있는 상태에서, 제1링크(11) 또는 베이스부(10)가 피치방향 회전축을 중심으로 θp 만큼 회전되면, 제2-1기준면(201) 및 제2-2기준면(202)은 그 반대 방향인 -θp 만큼 회전되어 각각 수직 상측 방향에 제2-1기준점(211) 및 제2-2기준점(212)이 모두 위치하도록 제어될 수 있다.
이때, 제1링크(11)와 베이스부(10)는 요방향 회전축을 중심으로 회전될 수 있도록 제1관절(J1)로 연결되어 있으므로, 피치방향 회전축을 중심으로는 제1링크(11)와 베이스부(10)가 함께 회전될 수 있다.
또한, 중력방향에 수직인 지면에 대해 상기 제1링크(11) 또는 베이스부(10)가 요방향을 중심으로 기울어지는 각도에 따라 상기 제2-1기준면(201) 및 제2-2기준면(202)이 제어되되, 상기 제1링크(11) 또는 베이스부(10)가 기울어지는 각도에 따라 제2-1기준면(201) 및 제2-2기준면(202)이 회전되는 정도가 조절되며, 제2-1기준면(201)과 제2-2기준면(202)은 서로 반대 방향으로 회전되어 위치가 고정되도록 제어될 수 있다.
즉, 제2-1기준면(201)의 제2-1기준점(211)과 제2-2기준면(202)의 제2-2기준점(212)이 제2관절(J2)의 중심축에서 수직 상측 방향에 각각 배치되어 있고 요방향 회전축인 제1관절(J1)을 중심으로 제2링크(12)가 회전되려고 하는 중력토크가 작용하지 않도록 제2링크(12)의 무게중심이 요방향 회전축과 롤방향 회전축이 이루는 평면상에 배치되되 도 19와 같이 제2링크(12)가 하측을 향하도록 배치된 상태에서, 도 21 및 도 22와 같이 제1링크(11) 또는 제1링크(11)와 함께 베이스부(10)가 요방향 회전축을 중심으로 θy만큼 회전되면, 제2-1기준면(201) 및 제2-2기준면(202)은 서로 반대방향으로 회전되되 각도의 크기는 서로 동일하도록 회전되어 위치가 고정될 수 있다.
이때, 제1-1중력토크 보상장치(101)에서 발생되는 보상토크와 제1-2중력토크 보상장치(102)에서 발생되는 보상토크가 점점 줄어들도록 할 수 있다.
즉 요방향 회전축을 중심으로 회전되는 경우 제2링크(12)에 작용하는 보상토크는 제2링크(12)가 하측 방향을 향할 때 최대가 될 수 있으며, 제2링크(12)가 수평 상태가 될 때까지 보상토크가 점점 줄어들어 제2링크(12)가 수평 방향을 향하는 경우 보상토크는 최소값인 0이 될 수 있다.
여기에서 도 21과 같이 중력방향에 수직인 지면에 대해 상기 베이스부(10)가 수직으로 고정된 상태에서 제1링크(11)가 요방향을 중심으로 회전될 수 있으며, 이때에는 제1-1기준면(321) 및 제1-2기준면(322)은 베이스부(10)에 결합되어 회전되지 않고 고정된 상태에서, 제2-1기준면(201)과 제2-2기준면(202)이 결합되어 있는 제1링크(11)의 브라켓 부분이 제1링크 회전 모터(14)의 작동에 의해 θy 방향 및 크기로 회전될 수 있으며, 와이어 및 풀리로 제1-1기준면(321)에 연결된 제2-1기준면(201)이 도시된 화살표 방향으로 θy 각도 크기만큼 회전되고, 와이어 및 풀리로 제1-2기준면(322)에 연결된 제2-2기준면(202)이 도시된 화살표 방향으로 θy 각도 크기만큼 회전될 수 있다.
이때, 제1-1기준면 제어장치(301) 및 제1-2기준면 제어장치(302)는 작동되지 않으며, 와이어 및 풀리로 연결된 구조에 의해 제2-1기준면(201)과 제2-2기준면(202)이 서로 반대 방향으로 회전되어 제2-1기준점(211) 및 제2-2기준점(212)이 서로 180도 차이가 되도록 배치됨으로써 보상토크가 0이 될 수 있다.
즉, 제1-1기준면 제어 모터(311) 및 제1-2기준면 제어 모터(312)에는 브레이크가 장착되어, 로봇 베이스부(10)의 기울기가 변하지 않는 일반적인 동작 상황에서는 제1-1기준면(321) 및 제1-2기준면(322)이 고정될 수 있다.
또는 도 22와 같이 중력방향에 수직인 지면에 대해 상기 베이스부(10)가 요방향 회전축을 중심으로 회전되는 경우에는, 베이스부(10)와 함께 제1링크(11)가 요방향을 중심으로 회전될 수 있으며, 이때에는 제1-1기준면(321) 및 제1-2기준면(322)은 베이스부(10)에 결합되어 있으므로 제1링크(11)의 브라켓 부분과 함께 제1-1기준면(321) 및 제1-2기준면(322), 베이스부(10), 제2-1기준면(201) 및 제2-2기준면(202)이 θy 방향 및 크기로 회전될 수 있다.
이때, 제1-1기준면(321), 제1-2기준면(322), 제2-1기준면(201) 및 제2-2기준면(202)은 모두 자체의 회전축을 기준으로 한 각도 회전이 없으므로, 보상토크를 0으로 하기 위해 제1-1기준면 제어장치(301) 및 제1-2기준면 제어장치(302)의 작동에 의해 제2-1기준면(201)과 제2-2기준면(202)이 서로 반대방향으로 회전되도록 제어되어 제2-1기준점(211)과 제2-2기준점(212) 서로 180도 차이인 반대방향이거나 서로 0도 차이면서 제2링크(12)의 길이방향에 제2-1기준점(211)과 제2-2기준점(212) 배치되도록 이동되어 보상토크가 0이 되도록 할 수 있다.
또한, 상기 가변형 중력토크 보상장치는, 상기 제2링크(12)의 타단에 제3링크(13)의 일단이 회동 가능하게 연결되어 지면에 수평인 피치(pitch) 방향 회전축인 제3관절(J3)을 형성하고, 상기 제3링크(13)는 무게중심이 제3관절(J3)로부터 이격되게 배치되며, 일단이 상기 제3관절(J3)에 연결되고 타단이 제3링크(13)에 결합되어 상기 제3링크(13)가 제3관절(J3)을 중심으로 회동하는 경우 제3링크(13)의 자중에 대한 보상토크를 발생시키는 제2-1중력토크 보상장치(601) 및 제2-2중력토크 보상장치(602); 및 상기 제3관절(J3)의 회전축과 동축상에 배치되어 제3관절(J3)의 회전축을 중심으로 회전 가능하도록 형성되며, 상기 제2-1중력토크 보상장치(601)의 일단이 연결되어 결합되는 제3-1기준면(701) 및 제2-2중력토크 보상장치(602)의 일단이 연결되어 결합되는 제3-2기준면(702)을 더 포함할 수 있다.
상기 제3-1기준면(701)은 제2-1기준면(201)과 연결되고 제3-2기준면(702)은 제2-2기준면(202)과 연결되되, 상기 제2-1기준면(201)이 회전되는 각도와 동일한 각도 및 방향으로 제3-1기준면(701)이 회전되고 상기 제2-2기준면(202)이 회전되는 각도와 동일한 각도 및 방향으로 제3-2기준면(702)이 회전되도록 연결되도록 구성될 수 있다.
이는 제2링크(12)의 타단에 제3링크(13)가 지면에 수평인 피치 방향 회전축인 제3관절(J3)로 연결되어, 제3관절(J3)을 회전축으로 하여 제3링크(13)가 회동 가능하게 형성되되, 제3링크(13)와 제3관절(J3)을 연결하도록 제2-1중력토크 보상장치(601) 및 제2-2중력토크 보상장치가 병렬로 장착되어, 제3링크(13)의 자중에 대한 보상토크를 발생시키도록 로봇 팔이 형성되는 것이다.
그리고 제3관절(J3)을 중심으로 하여 회전되어 각도가 고정될 수 있도록 제3-1기준면(701) 및 제3-2기준면(702)이 형성된다. 이때, 제3-1기준면(701)은 제2-1기준면(201)과 연결되어 제2-1기준면(201)이 회전되는 각도에 따라 동일한 각도 및 방향으로 제3-1기준면(701)이 회전될 수 있도록 구성되며, 마찬가지로 제3-2기준면(702)은 제2-2기준면(202)과 연결되어 제2-2기준면(202)이 회전되는 각도에 따라 동일한 각도 및 방향으로 제3-2기준면(702)이 회전되도록 구성될 수 있다.
이에 따라 피치방향 회전축이나 요방향 회전축 또는 둘 모두에 대해 제1링크(11) 또는 베이스부(10)가 기울어지는 경우 제2링크(12)의 각도 및 제3링크(13)의 각도가 모두 변해 각각 자중에 의한 중력토크가 변하게 되므로, 제2-1기준면(201), 제2-2기준면(702), 제3-1기준면(701) 및 제3-2기준면(702)의 각도를 함께 변화시켜 제2링크(12) 및 제3링크(13) 각각에 대한 보상토크를 조절할 수 있다.
여기에서 제2-1기준면(201)과 제3-1기준면(701)이 연결되어 있고 제2-2기준면(202)과 제3-2기준면(702)이 연결되어 있으므로, 제1-1기준면 제어장치(301) 및 제1-2기준면 제어장치(302) 두 개의 작동만으로도 여러 개의 기준면의 각도가 함께 조절되도록 할 수 있다.
이에 따라 제3-1기준면(701) 및 제3-2기준면(702)의 각도 조절 및 고정을 위한 모터와 같은 추가적인 기준면 제어장치가 필요 없는 장점이 있다.
여기에서 제2-1중력토크 보상장치(601) 및 제2-2중력토크 보상장치(602)는 제1-1중력토크 보상장치(101) 및 제1-2중력토크 보상장치(102)와 동일한 형태 및 구조로 형성될 수 있으며, 코일 스프링(610), 가이드 로드(620), 슬라이딩 블록(630), 와이어(640) 및 롤러(650)로 구성될 수 있다.
그리고 제3-1기준면(701)의 제3-1기준점(711) 및 제3-2기준면(702)의 제3-2기준점(712)도 회전축인 제3관절(J3)의 중심축에서 수직 상측인 12시 방향에 배치될 수 있다.
이와 같이 로봇 팔이 다수의 관절로 연결된 다자유도 로봇 팔로 형성되는 경우에도 로봇의 장착면 또는 로봇 베이스 관절의 회전각 변위에 따라 각각의 기준면을 한 번에 함께 제어할 수 있어 로봇의 각 관절에 적절한 보상토크를 제공할 수 있다.
또한, 상기 제3링크(13)가 제2링크(12)에 연결되어 보상토크를 발생시키고 기준면들이 연동되어 각도가 조절되도록 하는 것과 같이, 추가로 제4링크 및 그 이상의 링크들이 더 연결되어 상기한 바와 같이 적절한 보상토크가 발생되도록 할 수도 있다.
또한, 상기 제2-1기준면(201)과 제3-1기준면(701)은 4개의 바가 평행사변형으로 연결된 링크 기구로 연결되며, 상기 제2-2기준면(202)과 제3-2기준면(702)은 4개의 바가 평행사변형으로 연결된 링크 기구(800)로 연결될 수 있다.
이는 도 23과 같이 제2-1기준면(201)과 제3-1기준면(701)이 링크 기구(800)로 연결되어, 제2-1기준면(201)의 회전에 따라 제3-1기준면(701)이 동일한 각도 및 방향으로 회전될 수 있으며, 마찬가지로 제2-2기준면(202)과 제3-2기준면(702)이 링크 기구(800)로 연결되어, 제2-2기준면(202)의 회전에 따라 제3-2기준면(702)이 동일한 각도 및 방향으로 회전될 수 있도록 한 예 일 수 있다.
보다 상세하게 제2-1기준면(201)과 제3-1기준면(701)을 예로 설명하면, 링크 기구(800)의 제1조인트(JA)가 로봇 팔의 제2관절(J2)이 되고 제2조인트(JB)가 제3관절(J3)이 되도록 하고, 나머지 2개의 조인트가 제2-1기준점(211) 및 제3-1기준점(711)이 회전축이 되도록 함으로써, 제2-1기준면(201)과 제3-1기준면(701)이 함께 동일한 각도 및 방향으로 회전되도록 구성될 수 있다.
이때, 링크 기구(800)는 로봇의 팔인 제2링크(12)가 하나의 링크가 되고 제2-1기준면(201)과 제3-1기준면(701)이 두 번째 및 세 번째 링크가 될 수 있으므로, 실질적으로는 제2-1기준점(211)과 제3-1기준점(711)을 연결하도록 나머지 하나의 링크만 결합하여 1개의 바를 이용해 평행사변형으로 연결된 링크 기구(800) 형태가 되도록 할 수도 있다.
이외에도 상기 평행사변형으로 연결된 링크 구조를 이용해 다양한 형태로 제2-1기준면(201)과 제3-1기준면(701)이 연동되어 서로 동일한 각도로 회전되도록 할 수 있다. 제2-2기준면(202)과 제3-2기준면(702)에 대해서도 마찬가지로 동일한 구성이 적용될 수 있다.
또한, 상기 제2-1기준면(201)과 제3-1기준면(701)은 풀리 및 벨트로 연결되며, 상기 제2-2기준면(202)과 제3-2기준면(702)은 풀리 및 벨트로 연결될 수 있다.
마찬가지로 제2-1기준면(201)과 제3-1기준면(701)을 예로 설명하면, 이는 도17과 같이 제2-1기준면(201)과 제3-1기준면(701)이 풀리 및 벨트를 이용해 연결되어, 제2-1기준면(201)의 회전에 따라 제3-1기준면(701)이 동일한 각도 및 방향으로 회전될 수 있도록 한 다른 예 일 수 있다.
보다 상세하게는 제2-1기준면(201)에 제2-1풀리(221)가 결합되어 동축상에 배치되고, 제3-1기준면(701)에 제3-1풀리(721)가 결합되어 동축상에 배치되며, 제2-1풀리(221)와 제3-1풀리(721)가 제3-1벨트(731) 또는 와이어로 연결될 수 있다.
이때, 제2-1풀리(221)와 제3-1풀리(721)는 동일한 직경을 갖도록 형성될 수 있으며, 제3-1벨트(731)는 교차되거나 비틀리거나 꼬여있지 않은 상태로 팽팽하게 풀리들에 연결될 수 있다.
그리고 풀리 및 벨트는 미끄러짐이 없이 정확하게 작동될 수 있도록 타이밍 풀리 및 타이밍 벨트가 사용될 수도 있으며, 스프라켓 및 체인이 사용될 수도 있다. 또는 다양한 기어 및 회전축을 이용해 제2-1기준면(201)과 제3-1기준면(701)이 함께 동일한 각도 및 방향으로 회전되도록 구성될 수 있다.
제2-2기준면(202)과 제3-2기준면(702)에 대해서도 마찬가지로 동일한 구성이 적용될 수 있다. 이때, 제2-1풀리(221)가 제2-1기준면(201)을 형성하는 풀리가 될 수 있고, 제2-2풀리(222)가 제2-2기준면(202)을 형성하는 풀리가 될 수 있다. 마찬가지로 제3-1풀리(721)가 제3-1기준면(701)을 형성하는 풀리가 될 수 있고, 제3-2풀리(722)가 제3-2기준면(702)을 형성하는 풀리가 될 수 있다.
또한, 상기 베이스부(10)가 고정된 상태에서 제1링크(11)가 제1관절(J1)을 중심으로 회전되는 경우, 상기 제1-1기준면(321) 및 제1-2기준면(322)은 고정되고, 상기 제1링크(11)가 회전되는 각도와 크기는 동일하되 제2-1기준면(201)과 제2-2기준면(202)은 서로 반대 방향으로 회전되어 위치가 고정되도록 제어될 수 있다.
즉, 베이스부(10)는 고정되어 있고 이 상태에서 제1링크(11)가 요 방향 회전축인 제1관절(J1)을 중심으로 회전될 수 있다. 이때, 제1-1기준면(321)에 연결되어 제2-1기준면(201)이 연동되는데, 제1-1기준면(321)과 제2-1기준면(201) 와이어나 벨트나 기어 등으로 연결되어 연동되도록 구성될 수 있다.
그러므로 제1관절(J1)과 동축상에 배치된 제1-1기준면(321)이 고정되어 있으면, 제2-1기준면(201)은 제1링크(11)와 제1관절(J1)을 중심으로 함께 회전하면서 동시에 제2관절(J2)의 회전축을 중심으로도 회전하게 된다.
마찬가지로 제1-2기준면(322)도 고정된 상태이며, 제2-2기준면(202)은 제1링크(11)와 제1관절(J1)을 중심으로 함께 회전하면서 동시에 제2관절(J2)의 회전축을 중심으로도 회전하게 된다.
여기에서 제1링크(11)가 회전되는 각도와 크기는 동일하게 제2-1기준면(201)과 제2-2기준면(202)이 각각 회전되는데, 제2관절(J2)의 축방향으로 바라보았을 때 제2-1기준면(201)과 제2-2기준면(202)은 서로 반대 방향으로 회전되어 위치가 고정되도록 제어될 수 있다.
그리하여 제1관절(J1)을 중심으로 제1링크(11)가 회전되는 경우 제2링크(12)에 작용하는 중력토크가 변하게 되고, 이때 제1-1기준면 제어장치(301) 및 제1-2기준면 제어장치(302)는 작동하지 않고 정지되어 제1-1기준면(321) 및 제1-2기준면(322)이 고정된 상태에서도 제2링크(12)에 작용하는 중력토크가 변화되는 것에 대응하여 보상토크가 조절될 수 있다.
그리고 제1링크(11)와 베이스부(10)가 함께 요 방향 회전축을 중심으로 기울어지도록 회전되는 경우에는, 그 각도에 대응되도록 제1-1기준면 제어장치(301) 및 제1-2기준면 제어장치(302)가 작동되어 제1-1기준면(321) 및 제1-2기준면(322)이 회전되고, 이에 따라 제2관절(J2)의 축방향으로 바라보았을 때 제2-1기준면(201)과 제2-2기준면(202)이 서로 반대 방향으로 회전되어 위치가 고정되도록 제어될 수 있다.
또한, 상기 베이스부(10)에는 제1링크 회전 모터(14) 및 제1링크 회전 감속기(15)가 결합되어 고정되고, 상기 제1링크 회전 감속기(15)의 감속기 회전축(15-1)에 제1링크(11)가 결합되며, 상기 제1링크 회전 감속기(15)의 감속기 회전축(15-1)을 관통하도록 제1-2기준면(322)의 제1-2회전축(332)이 결합되며, 상기 제1-2기준면(322)의 제1-2회전축(332)을 관통하도록 제1-1기준면(321)의 제1-1회전축(331)이 결합되어, 상기 3개의 회전축의 중심축이 일치하도록 형성될 수 있다.
즉, 도시된 바와 같이 제1링크(11)가 요 방향 회전축인 제1관절(J1)을 중심으로 회전될 수 있도록 구성되며, 베이스부(10)에 제1링크 회전 모터(14) 및 제1링크 회전 감속기(15)가 결합되고, 제1링크 회전 감속기(15)의 감속기 회전축(15-1)이 제1링크(11)에 결합되어 회전될 수 있도록 구성될 수 있다.
그리고 3개의 회전축들은 순서대로 내측에 삽입되어 관통된 형태로 구성될 수 있으며, 회전축들은 서로 간극을 갖도록 이격되어 각각 원활하게 회전될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 제1링크 회전 모터(14)는 베이스부(10)에 고정될 수 있고, 제1-1회전축(331)을 회전시킬 수 있도록 제1-1기준면 제어 모터(311)가 상기 제1-1회전축(331)에 결합될 수 있으며, 제1-1기준면 제어 모터(311)는 베이스부(10)에 결합되어 고정될 수 있다.
마찬가지로 제1-2회전축(332)을 회전시킬 수 있도록 제1-2기준면 제어 모터(312)가 제1-2회전축(332)에 결합될 수 있으며, 제1-2기준면 제어모터(312)도 베이스부(10)에 결합되어 고정될 수 있다.
또한, 모터들은 일반적인 모터가 사용될 수도 있으며 이 경우에는 감속비가 높은 감속기를 연결해 사용하여 감속기가 브레이크의 역할을 하도록 할 수도 있다.
또는 브레이크가 장착된 모터, 스텝모터 및 서보모터 등이 사용되어 보다 정확하게 기준면들의 회전각도를 제어할 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

Claims (22)

  1. 기준면;
    상기 기준면에 일단이 회동 가능하게 연결되어 회전중심을 형성하며, 무게중심이 상기 회전중심으로부터 이격되어 배치되는 링크;
    상기 링크에 일단이 결합되는 탄성 수단;
    상기 탄성 수단의 타단에 일측이 결합되고 타측이 기준면에 결합된 와이어;
    상기 링크에 결합되어 와이어의 양단 사이를 지지하는 아이들 롤러; 및
    상기 링크에 설치되어 아이들 롤러의 위치 및 탄성 수단의 탄성력을 조절할 수 있는 보상토크 조절부를 포함하는 가변형 중력토크 보상장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄성 수단은 링크의 길이방향을 따라 배치된 코일 스프링이며, 상기 코일 스프링의 초기 압축 거리에 따라 탄성력이 조절되는 것을 특징으로 하는 가변형 중력토크 보상장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 링크에 결합되어 링크의 길이방향으로 이동 및 고정이 가능하며 상기 탄성 수단의 일단이 지지되는 스프링 고정면을 포함하며,
    상기 아이들 롤러는 링크에 결합되되, 상기 링크의 길이방향을 따라 이동 및 고정이 가능하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 가변형 중력토크 보상장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 링크에 결합되어 링크의 길이방향을 따라 이동 및 고정이 가능하도록 형성되는 슬라이딩 블록을 포함하며,
    상기 슬라이딩 블록에 스프링 고정면이 결합되어 고정되고, 상기 슬라이딩 블록에 아이들 롤러가 결합되어 고정되는 것을 특징으로 하는 가변형 중력토크 보상장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 링크에 일측 또는 양측이 회전 가능하도록 결합되며 상기 슬라이딩 블록에 나사결합되는 리드 스크류를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변형 중력토크 보상장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 리드 스크류는 링크의 길이방향에 수직한 방향에 2개 이상 구비되는 것을 특징으로 하는 가변형 중력토크 보상장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 링크에 고정되며 리드 스크류에 연결되어, 상기 리드 스크류를 회전시키는 구동 모터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변형 중력토크 보상장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 링크에 부착되는 무게 측정 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변형 중력토크 보상장치.
  9. 기준면에 링크의 일단이 회동 가능하게 연결되어 회전중심을 형성하며, 상기 링크는 무게중심이 회전중심으로부터 이격되어 배치되며, 코일 스프링의 일단이 상기 링크에 결합되고 코일 스프링의 타단에 결합된 와이어가 기준면에 연결되되 링크에 결합된 아이들 롤러에 의해 와이어의 양단 사이가 지지되어, 링크가 회전중심을 기준으로 회전하는 경우 링크에 대한 보상토크를 발생시키되, 상기 링크에 설치된 보상토크 조절부에 의해 아이들 롤러의 위치 및 코일 스프링의 탄성력을 조절할 수 있는 가변형 중력토크 보상장치의 제어 방법에 있어서,
    상기 링크의 타단에 작용하는 무게가 증가하면 상기 코일 스프링의 초기 압축 거리(so) 및 상기 회전중심에서 와이어 지지점까지의 거리(b)가 함께 증가되도록 조절되며,
    상기 링크의 타단에 작용하는 무게가 감소하면 상기 코일 스프링의 초기 압축 거리(so) 및 상기 회전중심에서 와이어 지지점까지의 거리(b)가 함께 감소되도록 조절되는 것을 특징으로 하는 가변형 중력토크 보상장치의 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 링크의 타단에 작용하는 무게의 변화에 따라, 상기 코일 스프링의 초기 압축 거리(so)와 상기 회전중심에서 와이어 지지점까지의 거리(b)가 서로 동일한 크기로 증가 또는 감소하도록 조절되는 것을 특징으로 하는 가변형 중력토크 보상장치의 제어 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 링크의 타단에 작용하는 무게를 측정하여, 측정된 무게에 따라 보상토크가 수동 또는 자동으로 조절되는 것을 특징으로 하는 가변형 중력토크 보상장치의 제어 방법.
  12. 제1링크에 제2링크의 일단이 회동 가능하게 연결되어 지면에 수평인 피치(pitch) 방향 회전축인 제2관절을 형성하고, 상기 제2링크는 무게중심이 제2관절로부터 이격되게 배치되며, 일단이 상기 제2관절에 연결되고 타단이 제2링크에 결합되어 상기 제2링크가 제2관절을 중심으로 회동하는 경우 제2링크의 자중에 대한 보상토크를 발생시키는 제1-1중력토크 보상장치 및 제1-2중력토크 보상장치;
    상기 제2관절의 회전축과 동축상에 배치되어 제2관절의 회전축을 중심으로 회전 가능하도록 형성되며, 상기 제1-1중력토크 보상장치의 일단이 연결되어 결합되는 제2-1기준면 및 제1-2중력토크 보상장치의 일단이 연결되어 결합되는 제2-2기준면;
    상기 제1링크에 결합되며, 상기 제2-1기준면에 연결되어 제2-1기준면의 회전각도 조절 및 고정이 가능한 제1-1기준면 제어장치; 및
    상기 제1링크에 결합되며, 상기 제2-2기준면에 연결되어 제2-2기준면의 회전각도 조절 및 고정이 가능한 제1-2기준면 제어장치를 포함하며,
    상기 제2-1기준면 및 제2-2기준면의 회전각도가 각각 별개로 조절되어 고정되는 것을 특징으로 하는 가변형 중력토크 보상장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1링크가 베이스부에 회동 가능하게 연결되어 지면에 수평인 요(yaw)방향 회전축인 제1관절을 형성하고,
    상기 제1-1기준면 제어장치는,
    상기 제1관절의 회전축과 동축상에 배치되어 제1관절의 회전축을 중심으로 회전 가능하도록 형성되며 상기 제2-1기준면과 연결되어 연동되는 제1-1기준면; 및
    상기 제1-1기준면에 연결되며 베이스부에 고정되어 상기 제1-1기준면의 회전각도 조절 및 고정이 가능한 제1-1기준면 제어 모터를 포함하며,
    상기 제1-2기준면 제어장치는,
    상기 제1관절의 회전축과 동축상에 배치되어 제1관절의 회전축을 중심으로 회전 가능하도록 형성되며 상기 제2-2기준면과 연결되어 연동되는 제1-2기준면; 및
    상기 제1-2기준면에 연결되며 베이스부에 고정되어 상기 제1-2기준면의 회전각도 조절 및 고정이 가능한 제1-2기준면 제어 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 가변형 중력토크 보상장치.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 제1링크 또는 베이스부에 설치되어 상기 제1링크 또는 베이스부의 피치 방향을 중심으로 한 회전각도(기울기) 및 요 방향을 중심으로 한 회전각도(기울기)를 측정할 수 있는 기울기 센서를 더 포함하는 가변형 중력토크 보상장치.
  15. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 제1-1기준면 제어장치, 제1-2기준면 제어장치 및 기울기 센서와 연결되어, 상기 기울기 센서에서 측정된 제1링크 또는 베이스부의 기울기에 따라 상기 제1-1기준면 제어장치 및 제1-2기준면 제어장치를 통해 제2-1기준면의 회전각도 및 제2-2기준면의 회전각도가 자동으로 조절되도록 하는 메인 제어부를 더 포함하는 가변형 중력토크 보상장치.
  16. 제15항에 있어서,
    중력방향에 수직인 지면에 대해 상기 제1링크 또는 베이스부가 피치 방향을 중심으로 기울어지는 각도에 따라 상기 제2-1기준면 및 제2-2기준면이 제어되되,
    상기 제1링크 또는 베이스부가 기울어지는 각도와 크기는 동일하되 방향은 반대방향으로 제2-1기준면 및 제2-2기준면이 회전되어 위치가 고정되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 가변형 중력토크 보상장치.
  17. 제15항에 있어서,
    중력방향에 수직인 지면에 대해 상기 제1링크 또는 베이스부가 요 방향을 중심으로 기울어지는 각도에 따라 상기 제2-1기준면 및 제2-2기준면이 제어되되, 상기 제1링크 또는 베이스부가 기울어지는 각도에 따라 제2-1기준면 및 제2-2기준면이 회전되는 정도가 조절되며, 제2-1기준면과 제2-2기준면은 서로 반대 방향으로 회전되어 위치가 고정되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 가변형 중력토크 보상장치.
  18. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 제2링크의 타단에 제3링크의 일단이 회동 가능하게 연결되어 지면에 수평인 피치(pitch) 방향 회전축인 제3관절을 형성하고, 상기 제3링크는 무게중심이 제3관절로부터 이격되게 배치되며, 일단이 상기 제3관절에 연결되고 타단이 제3링크에 결합되어 상기 제3링크가 제3관절을 중심으로 회동하는 경우 제3링크의 자중에 대한 보상토크를 발생시키는 제2-1중력토크 보상장치 및 제2-2중력토크 보상장치; 및
    상기 제3관절의 회전축과 동축상에 배치되어 제3관절의 회전축을 중심으로 회전 가능하도록 형성되며, 상기 제2-1중력토크 보상장치의 일단이 연결되어 결합되는 제3-1기준면 및 제2-2중력토크 보상장치의 일단이 연결되어 결합되는 제3-2기준면을 더 포함하고,
    상기 제3-1기준면은 제2-1기준면과 연결되고 제3-2기준면은 제2-2기준면과 연결되되, 상기 제2-1기준면이 회전되는 각도와 동일한 각도 및 방향으로 제3-1기준면이 회전되고 상기 제2-2기준면이 회전되는 각도와 동일한 각도 및 방향으로 제3-2기준면이 회전되도록 연결되는 것을 특징으로 하는 가변형 중력토크 보상장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제2-1기준면과 제3-1기준면은 4개의 바가 평행사변형으로 연결된 링크 기구로 연결되며, 상기 제2-2기준면과 제3-2기준면은 4개의 바가 평행사변형으로 연결된 링크 기구로 연결되는 것을 특징으로 하는 가변형 중력토크 보상장치.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 제2-1기준면과 제3-1기준면은 풀리 및 벨트로 연결되며, 상기 제2-2기준면과 제3-2기준면은 풀리 및 벨트로 연결되는 것을 특징으로 하는 가변형 중력토크 보상장치.
  21. 제13항에 있어서,
    상기 베이스부가 고정된 상태에서 제1링크가 제1관절을 중심으로 회전되는 경우,
    상기 제1-1기준면 및 제1-2기준면은 고정되고, 상기 제1링크가 회전되는 각도와 크기는 동일하되 제2-1기준면과 제2-2기준면은 서로 반대 방향으로 회전되어 위치가 고정되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 가변형 중력토크 보상장치.
  22. 제13항에 있어서,
    상기 베이스부에는 제1링크 회전 모터 및 제1링크 회전 감속기가 결합되어 고정되고, 상기 제1링크 회전 감속기의 감속기 회전축에 제1링크가 결합되며,
    상기 감속기 회전축을 관통하도록 제1-2기준면의 제1-2회전축이 결합되며,
    상기 제1-2기준면의 제1-2회전축을 관통하도록 제1-1기준면의 제1-1회전축이 결합되어,
    상기 3개의 회전축의 중심축이 일치하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 가변형 중력토크 보상장치.
PCT/KR2017/002317 2016-03-04 2017-03-03 가변형 중력토크 보상장치 및 이의 제어 방법 Ceased WO2017150933A1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/082,254 US11192241B2 (en) 2016-03-04 2017-03-03 Variable gravitational torque compensation apparatus and control method therefor

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160026117A KR101801242B1 (ko) 2016-03-04 2016-03-04 2축 지면각 변화에 대응 가능한 다자유도 가변 중력토크 보상장치
KR10-2016-0026117 2016-03-04
KR1020160041633A KR101841171B1 (ko) 2016-04-05 2016-04-05 가반하중 보상이 가능한 가변형 중력보상장치 및 이의 제어 방법
KR10-2016-0041633 2016-04-05

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017150933A1 true WO2017150933A1 (ko) 2017-09-08

Family

ID=59744206

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2017/002317 Ceased WO2017150933A1 (ko) 2016-03-04 2017-03-03 가변형 중력토크 보상장치 및 이의 제어 방법

Country Status (2)

Country Link
US (1) US11192241B2 (ko)
WO (1) WO2017150933A1 (ko)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017203595B3 (de) * 2017-03-06 2018-07-12 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Robotergelenk
CN108673473A (zh) * 2018-06-06 2018-10-19 大连理工大学 一种柔性机械臂结构

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10821614B2 (en) 2016-11-11 2020-11-03 Sarcos Corp. Clutched joint modules having a quasi-passive elastic actuator for a robotic assembly
US10828767B2 (en) 2016-11-11 2020-11-10 Sarcos Corp. Tunable actuator joint modules having energy recovering quasi-passive elastic actuators with internal valve arrangements
US11787068B2 (en) * 2017-06-29 2023-10-17 Sony Interactive Entertainment Inc. Robot joint structure
US11241801B2 (en) 2018-12-31 2022-02-08 Sarcos Corp. Robotic end effector with dorsally supported actuation mechanism
CN113423542B (zh) * 2020-04-15 2023-03-10 上海非夕机器人科技有限公司 用于估计相对于机器人的重力方向的方法、机器人系统以及非瞬态计算机可读介质
US11833676B2 (en) 2020-12-07 2023-12-05 Sarcos Corp. Combining sensor output data to prevent unsafe operation of an exoskeleton
US20230098713A1 (en) * 2021-09-27 2023-03-30 Sarcos Corp. System and Method for Restoring Upper Robotic Assemblies Supported About a Base Platform to One Or More Self-Supporting Stable Support Positions
CN114523493B (zh) * 2022-03-04 2023-10-03 国网安徽省电力有限公司电力科学研究院 一种应用到机械臂关节中的重力平衡装置
US11826907B1 (en) 2022-08-17 2023-11-28 Sarcos Corp. Robotic joint system with length adapter
US11717956B1 (en) 2022-08-29 2023-08-08 Sarcos Corp. Robotic joint system with integrated safety
WO2024098070A1 (en) 2022-11-04 2024-05-10 Sarcos Corp. Robotic end-effector having dynamic stiffening elements with resilient spacers for conforming object interaction
US11897132B1 (en) 2022-11-17 2024-02-13 Sarcos Corp. Systems and methods for redundant network communication in a robot
US11924023B1 (en) 2022-11-17 2024-03-05 Sarcos Corp. Systems and methods for redundant network communication in a robot
CN116494206B (zh) * 2022-12-27 2026-04-28 上海智能制造功能平台有限公司 自适应重力平衡的协作结构及机械臂
FR3147129A1 (fr) * 2023-03-27 2024-10-04 Niryo Système de compensation de gravité apte à être installé dans une articulation d’un bras robot

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06170780A (ja) * 1992-09-30 1994-06-21 Mitsubishi Electric Corp ロボット
KR100864607B1 (ko) * 2007-05-31 2008-10-22 한국과학기술원 휴머노이드 이족 보행 로봇을 위한 기울기 센서와 각속도센서를 이용한 관성 측정 장치 및 방법
KR101304330B1 (ko) * 2012-01-17 2013-09-11 한국과학기술연구원 중력 보상 기구를 구비한 로봇암
KR101332694B1 (ko) * 2011-05-18 2013-11-25 레드원테크놀러지 주식회사 중력 보상 기능을 가지는 햅틱 장치
KR20150047090A (ko) * 2013-10-22 2015-05-04 고려대학교 산학협력단 다자유도 토크 프리 링키지 유니트

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4784010A (en) * 1987-04-27 1988-11-15 Graco Robotics Inc. Electric robotic work unit
US6123649A (en) * 1998-02-13 2000-09-26 Lee; R. Clayton Resistance apparatus for connection to a human body
US6378446B1 (en) * 1999-12-30 2002-04-30 Dennis L. Long Counterbalance apparatus
JP4144021B2 (ja) 2001-12-14 2008-09-03 学校法人早稲田大学 機械的自重補償装置
US8925154B2 (en) * 2003-05-20 2015-01-06 Ergotron, Inc. Pivot mechanism for adjusting a position of an electronic display
US7883450B2 (en) * 2007-05-14 2011-02-08 Joseph Hidler Body weight support system and method of using the same
KR101284987B1 (ko) * 2011-09-09 2013-07-10 고려대학교 산학협력단 토크 프리 로봇 팔
JP5717797B2 (ja) * 2013-06-26 2015-05-13 ファナック株式会社 物品を搬送するためのロボットハンド、ロボットハンドを備えたロボットおよびロボットシステム、ならびにロボットハンドの制御方法
EP3064822B1 (en) * 2015-03-02 2018-05-30 Easyrig AB Camera rig

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06170780A (ja) * 1992-09-30 1994-06-21 Mitsubishi Electric Corp ロボット
KR100864607B1 (ko) * 2007-05-31 2008-10-22 한국과학기술원 휴머노이드 이족 보행 로봇을 위한 기울기 센서와 각속도센서를 이용한 관성 측정 장치 및 방법
KR101332694B1 (ko) * 2011-05-18 2013-11-25 레드원테크놀러지 주식회사 중력 보상 기능을 가지는 햅틱 장치
KR101304330B1 (ko) * 2012-01-17 2013-09-11 한국과학기술연구원 중력 보상 기구를 구비한 로봇암
KR20150047090A (ko) * 2013-10-22 2015-05-04 고려대학교 산학협력단 다자유도 토크 프리 링키지 유니트

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017203595B3 (de) * 2017-03-06 2018-07-12 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Robotergelenk
CN108673473A (zh) * 2018-06-06 2018-10-19 大连理工大学 一种柔性机械臂结构
CN108673473B (zh) * 2018-06-06 2021-03-26 大连理工大学 一种柔性机械臂结构

Also Published As

Publication number Publication date
US11192241B2 (en) 2021-12-07
US20190022853A1 (en) 2019-01-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2017150933A1 (ko) 가변형 중력토크 보상장치 및 이의 제어 방법
WO2021101287A1 (ko) 로봇 암용 그리퍼 장치
CN107241912A (zh) 竖向增稳机构及云台装置和拍摄设备
WO2021040376A1 (ko) 유연 구동 장치
WO2017188629A1 (en) Headrest folding device
WO2020122453A1 (ko) 차량용 디스플레이 장치
WO2013036054A2 (ko) 토크 프리 로봇 팔
WO2014116062A1 (ko) 트롤리
WO2016148463A1 (ko) 로봇 암
WO2022164025A1 (ko) 로봇용 차동관절장치 및 로봇용 차동관절장치의 상태진단방법
WO2016099023A1 (ko) 치차 결합 방식의 조타 장치 및 이를 이용한 조타 방법
WO2020256504A2 (ko) 수술 시스템
WO2015060629A1 (ko) 토크 프리 링키지 유니트
WO2018021763A1 (ko) 보행 운동용 다방향 현수장치
WO2018038334A1 (ko) 틸팅 스테이지 시스템
WO2020032466A1 (ko) 다관절형 지지부재를 포함하는 케이블
WO2025089594A1 (ko) 시저 리프트 및 이를 구비한 이동 로봇
WO2012121499A2 (ko) 거울의 곡률 조정장치 및 이를 구비한 거울 조정시스템
WO2023128583A1 (ko) 로봇 핸드
WO2021125419A1 (ko) 적재물 승강장치
WO2019066126A1 (en) CURVED DISPLAY PANEL CONNECTING APPARATUS
WO2018088622A1 (ko) 가변기능을 갖는 종이판재용 접이 시스템 및 가변방법
WO2020091134A1 (ko) 모션 시스템
WO2016080786A1 (ko) 회전 및 병진 운동 시의 출력부재의 강성을 제어하는 장치
WO2020256502A2 (ko) 그리퍼 및 이를 포함하는 수술용 마스터 장치

Legal Events

Date Code Title Description
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 17760337

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 17760337

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1