KR100806966B1 - 로봇의 관절 장치 - Google Patents

Abstract

로봇 링크에 대해서 로봇 링크에 결합되는 결합체(51)를 동작시키는 로봇의 관절 장치로서, 결합체(51)의 세로방향 흔들림 동작을 행하게 하는 제1모터(10)와, 결합체의 가로방향 흔들림 동작을 행하게 하는 제2모터(20)와, 결합체의 비틀림 동작을 행하게 하는 제3모터(30)를 구비하고, 제1모터(10)와 제2모터(20)는 제1모터(10)의 출력축과 제2모터(20)의 출력축이 서로 평행하게 됨과 동시에 로봇 링크에 대해서 직교하도록 설치되어 있으며, 제3모터(30)는 상기 제3모터(30)의 출력축이 결합체의 비틀림 동작의 중심축으로부터 어긋나도록 설치되어 있다.

Description

로봇의 관절 장치{Joint device of robot}

본 발명은 로봇의 관절 장치에 관한 것으로, 특히 링크 길이를 단축시킬 수 있는 로봇의 관절 장치에 관한 것이다.

종래에는, 예를 들면 로봇의 손목 관절 장치로서, 세로방향 흔들림 동작 및 가로방향 흔들림 동작에 부가하여 비틀림 동작을 행하기 위해서, 회전 모터와 이송 나사기구 등을 사용한 것이 알려져 있다(일본 공개특허 2003-170381호 공보 참조).

이 일본 공개특허 2003-170381호 공보에 개시된 관절 장치에서는, 세로방향 흔들림 및 가로방향 흔들림 동작을 위한 제1모터와 제2모터를 각각 아암(링크)의 축을 따라서 배치하고, 이송 나사에 의해 각 모터의 회전 운동을 직선 운동으로 변환함으로써 손목의 세로방향 흔들림 또는 가로방향 흔들림 동작을 가능하도록 하고 있다. 또한, 손목의 비틀림 동작을 행하기 위해서, 제3모터를 아암의 축선 상에 배치하여, 손목의 3가지 자유도 동작을 가능하도록 하고 있다.

하지만, 회전 모터와 이송 나사 기구를 사용하여, 세로방향 흔들림 동작과 가로방향 흔들림 동작과 비틀림 동작을 행하는 관절 장치의 경우, 광범위한 동작 각도를 확보하고자 한다면, 나사의 이송 스트로크가 길어짐과 동시에, 아암 자체의 길이도 길어지게 된다. 이 경우, 아암의 관성 모멘트가 커져 모터의 부담이 증대되는 동시에, 디자인상의 제약이 된다는 문제가 있었다.

또 동작 각도를 크게 설정한 경우에는, 관절부의 커버가 모터 등의 내장물과 간섭하여 관절부의 동작을 방해한다는 문제도 있었다.

따라서, 동작 범위를 확보하면서도 링크 길이를 단축하여, 콤팩트한 로봇 관절 장치에 대한 요구가 있었다.

본 발명은 로봇 링크에 결합되는 결합체를 동작시키는 로봇 관절 장치에 관한 것이다. 이 로봇 관절 장치는, 상기 로봇 링크에 대해서 상기 결합체의 세로방향 흔들림 동작을 행하게 하는 제1모터와, 상기 결합체의 가로방향 흔들림 동작을 행하게 하는 제2모터를 구비하고 있다. 이 로봇 관절 장치에서는, 상기 제1모터와 상기 제2모터는, 상기 제1모터의 출력축과 상기 제2모터의 출력축이 서로 평행을 이룸과 동시에 상기 로봇 링크에 대해서 직교하도록 설치되어 있는 것이 바람직하다.

여기서, 「결합체」란, 관절을 통해서 로봇 링크에 결합되는 손이나 팔과 같은 결합 부재를 말하며, 링크에 결합되는 말단 부재 이외에, 링크와 같은 중간 부재도 포함한다.

이 경우, 세로방향 흔들림 동작을 행하게 하는 제1모터의 출력축과 가로방향 흔들림 동작을 행하게 하는 제2모터의 출력축이 평행해지도록 모터가 배치되어 있기 때문에, 제1모터와 제2모터를 콤팩트하게 수용할 수 있다.

또 제1모터의 출력축과 제2모터의 출력축이 로봇 링크에 대해서 직교하도록 제1모터와 제2모터가 설치되어 있기 때문에, 제1모터의 출력축과 제2모터는 로봇 링크와 직교하는 방향으로 수용된다. 이로써, 로봇 링크의 길이 방향의 스페이스 효율을 높여 링크 길이를 단축시킬 수 있다.

또한 본 발명에서는, 상기 로봇 링크에 대해서 상기 결합체의 비틀림 동작을 행하게 하는 제3모터를 더 구비하고 있고, 상기 제3모터의 출력축은 상기 비틀림 동작의 중심축으로부터 소정량 어긋나 있는 것이 바람직하다.

이 경우, 결합체의 비틀림 동작을 행하게 하는 제3모터가, 3축 동작을 가능하도록 하면서, 제3모터의 출력축이 비틀림 동작의 중심축으로부터 소정량 어긋나서 배치되어 있으므로, 비틀림 동작의 중심축의 근방에 새로운 공간를 확보할 수 있다.

이로써, 이 공간을 하네스의 통로 등으로 효과적으로 이용할 수 있으므로, 전체적으로 로봇 링크의 관절 장치를 콤팩트하게 할 수 있다.

또한, 본 발명에서는, 상기 결합체 및 상기 로봇 링크의 적어도 한쪽에 대해서 회전 가능한 가동 커버와, 상기 결합체 및 상기 로봇 링크의 적어도 한쪽과 상기 가동 커버 사이에서 가압력을 발생하여, 상기 가동 커버를 소정 위치로 복귀시키는 탄성 부재를 구비하고 있는 것이 바람직하다.

이 경우, 관절부에 회전 가능한 가동 커버를 구비함으로써, 가동 커버와 관절부 내의 내장물과의 간섭에 의해 결합체의 동작이 방해되는 것을 방지할 수 있다. 또 가동 커버를 소정 위치로 복귀시키는 탄성 부재를 구비함에 따라, 모터나 링크 기구 등의 내장물을 덮어 감추는 동시에, 내장물의 노출을 방지하여 이물질의 혼입 등을 방지할 수 있다.

본 발명에 의하면, 동작 범위를 확보하면서도 링크 길이를 단축시켜, 콤팩트한 로봇의 관절 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 로봇의 관절 장치의 전체 구성을 나타내는 사시도이고,

도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 로봇의 관절 장치의 3축 동작의 전체 기구를 설명하기 위한 분해 사시도이고,

도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 로봇의 관절 장치의 세로방향 흔들림 기구를 설명하기 위한 도 1에서의 아래에서 본 부분 확대 사시도이고,

도 4는 본 발명의 실시형태에 따른 로봇의 관절 장치의 가로방향 흔들림 기구를 설명하기 위한 도 1에서의 위에서 본 부분 확대 사시도이고,

도 5의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 실시형태에 따른 로봇의 관절 장치의 세로방향 흔들림 동작을 설명하기 위한 손목부의 정면도이고, 도 5의 (d) 내지 (f)는 가로방향 흔들림 동작을 설명하기 위한 손목부의 평면도이고,

도 6은 본 발명의 실시형태에 따른 로봇의 관절 장치의 비틀림 기구를 설명하기 위한 도 1의 부분 확대 사시도이고,

도 7은 본 발명의 실시형태에 따른 로봇의 관절 장치의 관절부의 가동 커버의 설치 상태를 설명하기 위한 도면이고,

도 8은 본 발명의 실시형태에 따른 로봇의 관절 장치의 관절부의 가동 커버의 구조를 설명하기 위한 사시도이다.

다음으로, 본 발명의 실시형태에 대해서 적절히 도면을 참조하면서 상세하게 설명하기로 한다. 참조하는 도면에서 설명의 편의상, 팔 커버 등의 일부 구성 요소를 생략하여 도시하는 경우가 있다.

여기서, 본 실시형태에서는 본 발명에 따른 로봇의 관절 장치를, 인간형 로봇의 손목 관절 장치를 예로서 설명하지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니고, 인간형 로봇의 발목 관절일 수도 있고, 공업용 로봇의 링크 결합부 등일 수도 있다.

또 이하의 설명에서, 설명의 편의상, 도 1에서의 손끝쪽을 전측, 팔꿈치쪽을 후측이라고 하고, 위를 상측, 아래를 하측이라고 하며, 지면(紙面) 앞쪽을 좌측, 지면 안쪽을 우측이라고 한다.

먼저, 도 1을 참조하여 본 실시형태에 따른 로봇 관절 장치의 전체적인 구성에 대해서 설명하기로 한다.

도 1은, 본 실시형태에 따른 로봇의 관절 장치를 설명하기 위한 설명도이다도 1에서는, 손을 구성하는 부품의 결합체(51)로서의 손(이하, 본 실시형태에서는 설명 및 이해의 편의를 위하여, 이 '결합체로서의 손'에, 참조번호 51을 부여하여 "손(51)"이라 함)과, 로봇 링크(53)로서의 팔(이하, 본 실시형태에서는 설명 및 이해의 편의를 위하여, 이 '로봇 링크로서의 팔'에, 참조번호 53을 부여하여 "팔(53)"이라 함)과, 손(51)과 팔(53)을 회전 가능하도록 연결하는 손목(52)과, 팔꿈치(54)가 도시되어 있다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 실시형태에 따른 로봇의 관절 장치는, 인간형 로봇의 손목(52) 관절 장치이다. 이 관절 장치는, 손(51)의 세로방향 흔들림 동작을 행하게 하는 제1모터(10)와, 손(51)의 가로방향 흔들림 동작을 행하게 하는 제2모터(20)와, 손(51)의 비틀림 동작을 행하게 하는 제3모터(30)와, 손목(52)의 관절부를 덮는 가동 커버(40)를 구비하여 구성되어 있다.

다시 말하면, 제1모터(10)는 팔(53)의 중심축에 직교하는 제1축 둘레로 손(51)을 요동시키는 것이다. 제2모터(20)는 팔(53)의 중심축 상에서 제1축과 직교하는 제2축 둘레로 손(51)을 요동시키는 것이다. 그리고, 제3모터(30)는 팔(53)의 중심축 둘레로 손(51)을 회전시키는 것이다. 여기서, 팔(53)의 중심축이란, 팔(53)의 중심부를 통과하여 팔(53)의 길이 방향으로 연장되는 축이다.

이하의 설명에서는 팔의 중심축을 손의 비틀림 동작의 회전축이라고 하기도 한다.

먼저, 본 실시형태에 따른 로봇의 관절 장치에서의 구동원이 되는 모터의 레이아웃에 대해서 설명하기로 한다.

제1모터(10)와 제2모터(20)는 팔(53)의 중심축의 좌우에 서로 평행하도록 가로 배열로 배치되어 있다. 제1모터(10)와 제2모터(20)는 각각 출력축의 방향이 상하 방향을 향하도록 배치되어 있고, 본 실시형태의 경우, 팔(53)의 중심축에 대해서 우측이 제1모터(10)이고, 좌측이 제2모터(20)이다.

또한, 제3모터(30)는 그 출력축이 손의 비틀림 동작의 회전축으로부터 우측 방향으로 어긋나, 제1모터(10)와 제2모터(20)의 후측(팔꿈치쪽)에 배치되어 있다.

본 실시형태에서는 손목 관절 장치의 동작에 따른 구성을 설명하므로, 그 이외의 구성 요소, 제어 기구, 하네스 등은 도시를 생략하였다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 실시형태에 따른 로봇의 손목의 관절 장치는 세로방향 흔들림 동작을 위한 세로방향 회전체(1; 청구범위에 기재된 "제1회전체"의 일례로서의 회전체)와, 가로방향 흔들림 동작을 위한 가로방향 회전체(2; 청구범위에 기재된 "제1회전체"의 일례로서의 회전체)와, 세로방향 회전체(1) 및 가로방향 회전체(2)에 연결되어 비틀림 동작을 하기 위한 모터 지지대(3) 및 구동측 풀리(35)(도 1 참조)를 구비하여 구성되어 있다.

상세하게는, 세로방향 회전체(1) 및 가로방향 회전체(2)는 팔(53)의 전단부(前端部)에 배치되고, 세로방향 회전체(1) 및 가로방향 회전체(2)의 뒤쪽에는 모터 지지대(3)에 가로 배열로 설치된 제1모터(10)와 제2모터(20)가 배치되어 있다. 상기 모터 지지대(3)는 도 1에 도시한 바와 같이, 리브(36)에 회전 가능하도록 피봇지지된 구동측 풀리(35)에 일체적으로 고정되어 있다.

상기 세로방향 회전체(1)는 도 2에 도시한 바와 같이, 중앙부가 원형으로 관통된 기판(1a)과, 이 기판(1a)의 좌우에 설치된 사이드 브라켓(1bl, 1b2)과, 이 사이드 브라켓(1bl, 1b2)에 내장된 베어링(1dl, ld2)과, 기판(1a)의 하부로부터 비스듬히 아래쪽으로 연장되게 형성된 아암(1c)과, 이 아암(1c)의 힌지가 되는 연결 핀(4)을 구비하여 구성되어 있다.

상기 가로방향 회전체(2)는 상부 링크(2a)와, 하부 링크(2b)와, 우측 프레임(2c2)에 의해 "ㄷ"자 모양으로 일체적으로 형성하고, 또한, "ㄷ"자의 개방측 단부들을 좌측 프레임(2c1)으로 연결하여, 중앙부가 크게 관통하는 직사각형 모양으로 구성되어 있다. 따라서, 이 관통한 중앙부에는 하네스 등의 부대 부품을 설치하는 것이 가능하다.

또 상부 링크(2a)와 하부 링크(2b)에는 가로방향 흔들림 동작의 회전 지점(支點)이 되는 가로방향 회전축(6, 6')이 삽입되는 중심 구멍(2d, 2d')이 각각 형성되어 있고, 좌우 프레임(2c1, 2c2)에는 각각 세로방향 흔들림 동작의 회전 지점이 되는 세로방향 회전축(5, 5')이 내측으로 돌출되게 형성되어 있다. 여기서, 가로방향 회전축(6, 6')을 연결하는 선분이 상기 제2축에, 세로방향 회전축(5, 5')을 연결하는 선분이 상기 제1축에 각각 해당된다. 또한, 좌측 프레임(2c1)에 형성된 세로방향 회전축(5)에는 관통 구멍(2e)이 마련되고, 이 관통 구멍(2e)에는 하네스 가이드(5a)가 삽입되어 있다.

여기서, 가로방향 회전체(2)의 좌우 프레임(2c1, 2c2)에는 세로방향 회전체(1)가 회전 가능하도록 피봇지지되어 있다. 즉, 세로방향 회전체(1)는 가로방향 회전체(2)의 좌우 프레임(2c1, 2c2)에 형성된 세로방향 회전축(5, 5')에, 베어링(1d1, ld2)을 통해서 회전 가능하도록 피봇지지되어 세로방향 흔들림 동작을 행한다.

상기 모터 지지대(3)는 평행하게 배열된 상부 플랜지(3a) 및 하부 플랜지(3b)와, 이들을 연결하는 설치판(3c)으로 이루어진 대략 "ㄷ"자 모양으로 형성되어 있다.

상기 상부 플랜지(3a)와 하부 플랜지(3b)의 손끝쪽 단부에는, 가로방향 흔들림 동작의 중심축이 되는 중심 구멍(3d, 3d')이 각각 형성되어 있다. 이 중심 구멍(3d, 3d')은 상하로 관통하도록 마련되어 있고, 가로방향 회전축(6, 6')을 지지하는 베어링(3e, 3e')이 중심 구멍(3d, 3d')에 내장되어 있다.

본 실시형태에서는 가로방향 회전축(6)은 상부 링크(2a)에 직접 나사결합되고, 가로방향 회전축(6')은 고정나사(6)에 의해 하부 링크(2b)에 고착되어 있다.

또 상부 플랜지(3a)의 뒤쪽(팔꿈치쪽)에는 좌측으로 연장되도록 제2모터 부착부(3a')가 형성되고, 하부 플랜지(3b)의 뒤쪽(팔꿈치쪽)에는 우측에 걸도록 제1모터 부착부(3b')가 형성되어 있다. 즉, 제2모터 부착부(3a')와 제1모터 부착부(3b')는 서로 반대 방향으로 연장 도출되어 있다.

그리고, 제2모터 부착부(3a')에는 감속기(21)가 상측에 위치하도록 제2모터(20)가 볼트(8)에 의해 설치되고, 제1모터 부착부(3b')에는 감속기(미도시)가 하측에 위치하도록 제1모터(10)가 설치되어 있다.

이상과 같이, 세로방향 회전체(1)는 세로방향 회전축(5, 5') 둘레로 회전 가능하도록, 가로방향 회전체(2)의 좌측 프레임(2c1)과 우측 프레임(2c2)에 연결되어 있기 때문에, 세로방향 회전체(1)의 세로방향 흔들림 동작이 가능하도록 되어 있다.

또한, 가로방향 회전체(2)는 가로방향 회전축(6, 6') 둘레로 회전 가능하도록 모터 지지대(3)에 연결되어 있기 때문에, 가로방향 회전체(2)의 가로방향 흔들림 동작이 가능하도록 되어 있다.

그리고, 모터 지지대(3)는 상기한 바와 같이, 리브(36)에 회전 가능하도록 피봇지지된 구동측 풀리(35)에 일체적으로 고정되어 있기 때문에(도 1 참조), 모터 지지대(3)의 회전에 의해 모터 지지대(3)의 비틀림 동작이 가능해진다.

이어서, 상기한 각 동작(세로방향 흔들림 동작, 가로방향 흔들림 동작, 그리 고 비틀림 동작)을 구성하는 기구에 대해서 설명하기로 한다.

세로방향 흔들림 기구는 도 3에 도시한 바와 같이, 구동원이 되는 제1모터(10)와, 이 제1모터(10)의 감속기(11)에 연결된 요동 레버(12; 청구범위에서의 '제1요동 레버'의 일례)와, 이 요동 레버(12)에 연결된 구면 조인트(13; 청구범위에서의 '조인트'의 일례)와, 이 구면 조인트(13)에 연결된 세로방향 회전체(1)를 구비하여 구성되어 있다.

상기 제1모터(10)는 팔 중심축의 우측에 배치되고, 제1모터(10)의 출력축에 연결되어 있는 감속기(11)가 하측이 되도록 모터 지지대(3)에 설치되어 있다.

상기 요동 레버(12)는 그 근원측(12a)이 제1모터(10)의 감속기(11)에 일체적으로 고착되고, 요동 레버(12)의 선단측(12b)에는 조심(調芯) 기능을 갖는 구면 베어링(13a)을 통해서, 구면 조인트(13)의 일단측이 회전 가능하도록 연결되어 있다.

또 구면 조인트(13) 타단측은, 마찬가지로 구면 베어링(13b)를 통해서 세로방향 회전체(1)의 아암(1c)에 설치된 연결 핀(4)에 회전 가능하도록 연결되어 있다.

본 실시형태에서는, 도 5의 (a) 내지 (c)에 도시한 바와 같이, 제1모터(10)의 출력축의 회전은 감속기(11)로 전달되어 요동 레버(12)의 요동 운동으로 변환된다. 그리고, 이 요동 운동은 구면 조인트(13)를 통해서 세로방향 회전체(1)에 전달되고, 세로방향 회전체(1)를 세로방향 회전축(5, 5') 둘레로 회전시킨다. 여기서, 세로방향 회전체(1)에는 손(51)이 고착되어 있으므로, 세로방향 회전체(1)의 회전에 의해 손(51)의 세로방향 흔들림 동작을 행할 수 있다.

본 실시형태에서는 구면 조인트를 사용하고 있는데, 구면 조인트에 제한되는 것은 아니며, 유니버설 조인트 등일 수도 있다.

한편, 가로방향 흔들림 기구는 도 4에 도시한 바와 같이, 구동원이 되는 제2모터(20)와, 이 제2모터(20)의 감속기(21)의 출력측에 일체적으로 연결된 요동 레버(22; 청구범위에서의 '제2요동 레버'의 일례)와, 이 요동 레버(22)에 회전 가능하도록 연결된 로드(23)와, 이 로드(23)에 회전 가능하도록 연결된 가로방향 회전체(2)를 구비하여 구성되어 있다.

상기 제2모터(20)는 팔의 중심축의 좌측에 배치되고, 제2모터(20)의 출력축에 연결되어 있는 감속기(21)의 출력측이 상측이 되도록 모터 지지대(3)에 설치되어 있다.

상기 요동 레버(22)는 그 근원측(22a)이 제2모터(20)의 감속기(21)의 출력축에 고착되고, 요동 레버(22)의 선단측(22b)에는 로드(23)의 일단측(23a)이 회전 가능하도록 연결되어 있다. 또 로드(23)의 타단측(23b)은 가로방향 회전체(2)의 상부 링크(2a)에 회전 가능하도록 연결되어 있다.

본 실시형태에서는, 도 5의 (d) 내지 (f)에 도시한 바와 같이, 제2모터(20)의 출력축의 회전은 감속기(21)로 전달되어 요동 레버(22)의 요동 운동으로 변환된다. 그리고, 이 요동 운동은 로드(23)을 통해서 가로방향 회전체(2)에 전달되고, 가로방향 회전체(2)를 가로방향 회전축(6, 6') 둘레로 회전시킨다. 여기서, 손(51)은 세로방향 회전체(1)을 통해서 가로방향 회전체(2)에 접속되어 있으므로, 가로방향 회전체(2)의 회전에 의해 손(51)의 가로방향 흔들림 동작을 행할 수 있다.

본 실시형태에서는 레버나 조인트로 링크 기구를 사용하여 세로방향 흔들림 기구와 가로방향 흔들림 기구를 구성하고 있는데, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 톱니 바퀴나 벨트 등의 다양한 수단을 사용할 수 있다.

비틀림 기구는, 도 6에 도시한 바와 같이, 구동원이 되는 제3모터(30)와, 이 제3모터(30)를 고정하는 받침대(31)와, 제3모터(30)의 감속기(32)의 출력축에 고착된 출력측 풀리(33)와, 벨트(34)와, 구동측 풀리(35)와, 리브(36)를 구비하여 구성되어 있다.

예를 들면, 상기 제3모터(30)는 그 출력축을 비틀림 동작 회전축(구동측 풀리(35)의 회전축)에 대해서 평행하게 우측으로 어긋나도록 배치되어 있다.

또 제3모터(30)의 출력축에는 감속기(32)가 일체적으로 연결되어 있고, 이 감속기(32)에는 출력측 풀리(33)가 고착되어 있다. 본 실시형태에서는, 출력측 풀리(33)의 회전이 구동측 풀리(35)에 전달되도록, 출력측 풀리(33)와 구동측 풀리(35)의 외주면에 벨트(34)가 감겨져 있다. 따라서, 구동측 풀리(35)는 출력측 풀리(33)의 회전에 따라서 회전하도록 구성되어 있다.

구동측 풀리(35)는 원통 모양으로 형성되고, 내주측은 큰 공동(35a)이 형성되어 있다. 그리고, 구동측 풀리(35)의 외주 양단에는 플랜지(35bl, 35b2)가 형성되어 있어 벨트(34)의 회전을 가이드하고 있다. 그리고, 구동측 풀리(35)는 팔(53)의 횡단면 방향으로 형성된 리브(36)에 베어링(미도시) 등을 통해서 회전 가능하도록 피봇지지되어 있다.

이로써, 제3모터(30)의 회전을 감속하여 출력측 풀리(33)로부터 벨트(34)를 통해서 구동측 풀리(35)로 전달하여, 구동측 풀리(35)를 회전시키고 있다. 그리고, 이 구동측 풀리(35)의 전측(손끝쪽)의 단면에는 모터 지지대(3)가 고착되어 있다. 따라서, 구동측 풀리(35)를 통해서 모터 지지대(3)를 회전시킴으로써, 가로방향 회전체(2) 및 세로방향 회전체(1)에 연결된 손(51)의 비틀림 동작을 행하게 하고 있다.

본 실시형태에서의 로봇의 관절 장치는, 도 1에 도시한 바와 같이, 손(51)에 고정된 손목 커버(41)와, 팔(53)의 외피를 이루는 팔 커버(42)와, 이들 양자를 연결하도록 양자 사이에 개재되어 설치된 가동 커버(40)를 구비하고 있다.

이 가동 커버(40)는 도 7에 도시한 바와 같이, 손목 커버(41)의 외주면에 설치되어 있다. 본 실시형태의 경우, 가동 커버(40)는 손목 커버(41)의 둘레에 설치된 걸림 돌기(41a)(예를 들면, 6개의 걸림 돌기)를 사용하여 손목 커버(41)에 걸려고정되어 있다.

따라서, 가동 커버(40)는 손목 커버(41)의 외측을 덮도록 짧은 통 모양으로 형성되고, 외주면(40a)은 전후 방향으로도 곡률을 가지며, 그 곡률은 팔꿈치쪽에서 크고, 손목쪽에서는 팔꿈치쪽보다도 약간 작게 형성되어 있다. 도 7은 팔(53)(도 1 참조)의 중심축의 좌측을 나타내고 있는데, 우측에서도 같은 구성이다.

가동 커버(40)는 본 실시형태에서는, 도 8에 도시한 바와 같이, 상하로 2분할하여 이루어진 상측 가동 커버(401)와 하측 가동 커버(402)를 나사(44)로 일체적으로 결합하여 구성되어 있다.

또 가동 커버(40)의 팔꿈치쪽 주연부(40c, 40c) 외측에는, 비스(44)의 축 방향을 따라서, 가동 커버(40)의 분할면을 경계로 하여 그 양측에 평탄면(40d, 40d)이 형성되어 있다.

한편, 가동 커버(40)의 팔꿈치쪽 주연부(40c, 40c) 내측에는, 스프링 스토퍼(40b)가 마련되어 있다. 이 스프링 스토퍼(40b)는 정면에서 볼 때 3각형 모양을 하고 있으며, 평탄면(40d, 40d)으로부터 손끝쪽으로 돌출된 상태로 마련되어 있다.

이 스프링 스토퍼(40b)에는 탄성부재(43)의 일례로서의 비틀림 코일 스프링(이하, 설명 및 비교의 편의를 위하여 이 '탄성부재의 일례로서의 비틀림 코일 스프링'에 참조번호 43을 부여하여 "비틀림 코일 스프링(43)"이라 함)이 수용되는 개구부(40b1)가 형성되어 있다.

본 실시형태에서는, 「탄성 부재」의 일례로서 비틀림 코일 스프링(43)을 사용하고 있으며, 가동 커버(40)는 비틀림 코일 스프링(43)을 통해서 손목 커버(41)에 회전 가능하도록 고정되어 있다.

비틀림 코일 스프링(43)은 도 8에 도시한 바와 같이, 중심부와 단부로 이루어지고, 그 중심부(43a)가 코일 모양으로 감겨져 있다. 여기서는, 비틀림 코일 스프링(43)을 2개 사용하며, 중심부(43a, 43a)로부터 각각 단부(43b, 43b)가 "<"자 모양으로 연장되도록 설치되어 있다.

그리고, 비틀림 코일 스프링(43, 43)의 중심부(43a, 43a)를 손목 커버(41)에 형성된 노브(41b)에 삽입하여 지지하고, 비틀림 코일 스프링(43, 43)의 각 컬링부(43c, 43c)가 가동 커버(40)의 평탄면(40d, 40d)에 손끝쪽에서부터 팔꿈치쪽으로 탄성 가압되는 상태로 맞닿도록 구성되어 있다.

이와 같이 비틀림 코일 스프링(43, 43)은 각각의 단부(43b, 43b)가 이루는 사이각이 닫히는 방향으로 탄성 반발력(가압력)을 작용시켜서, 컬링부(43c, 43c)에 의해 상기 평탄면(40d, 40d)의 안쪽면을 압압함과 동시에, 가동 커버(40)의 내주면이 손목 커버(41)에 형성된 걸림 돌기(41a, 41a…)에 걸려 지지되도록 구성되어 있 다.

본 실시형태에서는 비틀림 코일 스프링(43)을 사용하고 있는데, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니며, 압축 코일 스프링이나 고무줄 등일 수도 있다.

또 본 실시형태에서는, 가동 커버(40)를 탄성 부재(비틀림 코일 스프링(43))를 통해서 손(51)(결합체)쪽에 장착했으나, 팔(53)(로봇 링크)쪽이나, 손(51)쪽과 팔(53)쪽 모두에 탄성 부재를 통해서 장착할 수도 있다.

이상과 같이 구성된 로봇의 손목 관절 장치의 작용에 대해서, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하기로 한다.

본 실시형태에 따른 관절 장치는, 세로방향 회전체(1)와 가로방향 회전체(2)와 구동측 풀리(35)에 연결된 모터 지지대(3) 등으로 이루어진 회전 기구에 의해, 각각 제1모터(10)에 의한 세로방향 흔들림 동작, 제2모터(20)에 의한 가로방향 흔들림 동작, 및 제3모터(30)에 의한 비틀림 동작의 3가지 자유도 동작을 구성하고 있다.

그리고, 상기 제1모터(10)와 제2모터(20)는, 그 출력축을 상하 방향으로 평행하게 가로 배열로 배치하고, 그 뒷쪽에 제3모터(30)를 비틀림 동작의 중심축으로부터 평행하게 어긋나도록 배치하고 있다.

따라서, 제1모터(10)와 제2모터(20)를 상하 방향으로 평행하게 배치함으로써 팔(53)의 길이를 단축하고, 팔꿈치(54) 방향의 관성 모멘트를 감소시킬 수 있다.

또한, 제3모터(30)를 비틀림 동작의 중심축으로부터 어긋나도록 배치함으로써, 비틀림 동작의 중심축 근방에 공간을 확보할 수 있으므로, 하네스를 비틀림 동 작의 중심축의 근방으로 통과시킬 수 있다.

구체적으로는, 하네스를 팔꿈치(54) 부분으로부터 제3모터(30) 옆을 통과하고, 구동측 풀리(35)의 내주부에 형성된 공동(35a)(도 6 참조)을 관통하여, 제1모터(10)와 제2모터(20) 사이를 통과하며, 또한 가로방향 회전체(2) 및 세로방향 회전체(1)의 중심부의 관통공(도 2 참조)을 통과하여 손목(52)까지 도달하도록 설치할 수 있다.

이와 같이 세로방향 흔들림 동작, 가로방향 흔들림 동작, 및 비틀림 동작의 중심축 근방으로 하네스를 통과시킴으로써, 하네스에 의한 손의 동작 각도의 제한을 최소한으로 억제할 수 있어 하네스의 단선 등도 방지할 수 있다.

본 실시형태에서는, 손의 선단부까지 하네스를 통선하는 경우도 고려하여, 가로방향 회전체의 좌측 프레임(2c1)에는 관통 구멍(2e)을 마련하여 하네스의 통로를 확보하고 있다.

이어서, 도 7 및 도 8을 참조하면서 가동 커버(40)의 작용에 대해서 설명하기로 한다.

본 실시형태에서는, 비틀림 코일 스프링(43, 43)의 컬링부(43c, 43c)가 가동 커버(40)에 형성된 평탄면(40d, 40d)을 손끝쪽으로부터 팔꿈치쪽으로 가압함과 동시에, 가동 커버(40)의 내주면이 손목 커버(41)에 형성된 걸림 돌기(41a, 41a…)에 걸려 지지된다. 이로써, 가동 커버(40)는 손목 커버(41)에 회전 가능하게 지지된다.

이 때문에, 손(51)의 회전 동작에 따라 가동 커버(40)도 함께 회전하지만, 가동 커버(40)가 모터 등의 내장물에 간섭하더라도 손(51)의 회동력이 비틀림 코일 스프링(43)의 탄성 반발력을 이겨내어, 가동 커버(40)가 내장물에 간섭된 위치로부터 손(51)을 더 회전시킬 수 있게 된다.

따라서, 가동 커버(40)의 간섭에 의한 손(51)의 회전 동작이 방해되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 손목(52)이 진행측 회전 동작에서 리턴측 회전 동작으로 이행한 경우에는, 간섭물로부터 멀어지는 방향으로 가동 커버(40)가 이동하기 때문에, 비틀림 코일 스프링(43)의 탄성 반발력에 의해 가동 커버(40)를 소정 위치까지 복귀시킬 수 있다.

또 비틀림 동작에 있어서도, 손(51)의 회전에 따라 가동 커버(40)도 함께 회전하고, 가동 커버(40)가 내장물에 간섭한 경우에는, 손목 커버(41)측에 고착된 비틀림 코일 스프링(43)의 컬링부(43c)가 스프링 스토퍼(40b)의 벽부(40b2)에 맞닿으며, 그 후에는 손(51)의 회전력이 비틀림 코일 스프링(43)의 탄성 반발력을 극복하고, 가동 커버(40)가 내장물에 간섭된 위치로부터 손(51)을 더 회전시킬 수 있게 된다.

따라서, 비틀림 동작에서도, 가동 커버(40)의 간섭에 의한 손(51)의 회전이 방해받는 것을 방지할 수 있으며, 리턴측 회전 동작으로 이동한 경우에도, 가동 커버(40)를 소정 위치까지 복귀시킬 수 있다.

이상, 본 발명의 실시형태에 대해서 설명했으나, 본 발명은 상기한 실시형태에 제한되는 것은 아니며, 적절히 변경하여 실시할 수 있다.

예를 들면, 본 실시형태에서는 제1모터와 제2모터는 팔의 중심축에 대해서 좌우로 배열하여 배치했으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 전후 방향으로 위치를 어긋나게 하여 출력축이 서로 평행해지도록 배치할 수도 있다. 이와 같이 배치한 경우에는, 모터의 중량을 선단측에서 팔꿈치쪽으로 이동시켜, 팔꿈치 회전의 관성 모멘트의 크기를 적절히 조정할 수 있다.

또 본 실시형태에서, 제3모터는 그 출력축이 비틀림 동작의 중심축을 따르도록 배치했으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 비틀림 동작의 중심축에 직교하도록 배치할 수도 있다. 이와 같이 배치한 경우에는, 팔의 길이를 더욱 단축시킬 수 있는 동시에, 관성 모멘트의 크기도 조정할 수 있다.

본 실시형태에서는, 인간형 로봇의 손목 비틀림 동작을 일례로서 설명했으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 공업용 로봇에서는 드릴의 회전과 같이 연속적으로 회전하는 것일 수도 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 제1모터와 제2모터의 뒤에 제3모터를 배치했으나, 제3모터를 앞에 배치하고 그 뒤에 제1모터와 제2모터를 배치할 수도 있다. 이와 같이 배치함으로써 팔꿈치 회전의 관성 모멘트를 조정할 수도 있다.

또 각 모터의 위치 관계는 변경하지 않고, 각각의 모터의 위치를 조정하여, 관성 모멘트를 조정할 수도 있다. 이와 같이 사용 용도나 사용 조건에 맞추어 적절히 설계 변경이 가능하므로, 관성 모멘트 및 중량 밸런스 등을 적절히 설정할 수 있다.

본 발명에 의하면, 동작 범위를 확보하면서도 링크 길이를 단축하여, 콤팩트한 로봇 관절 장치가 제공될 수 있다.

Claims (8)

1. 로봇 링크(53)에 대해서, 상기 로봇 링크(53)에 결합되는 결합체(51)를 동작시키는 로봇의 관절 장치로서,

   상기 로봇 링크(53)에 대해서, 상기 결합체(51)의 세로방향 흔들림 동작을 행하게 하는 제1모터(10)와, 상기 로봇 링크(53)에 대해서, 상기 결합체(51)의 가로방향 흔들림 동작을 행하게 하는 제2모터(20)를 구비하고,

   상기 제1모터(10)와 상기 제2모터(20)는, 상기 제1모터(10)의 출력축과 상기 제2모터(20)의 출력축이 서로 평행하게 됨과 동시에 상기 로봇 링크(53)에 대해서 직교하도록 설치되며, 또한 직교방향으로 늘어서도록 배치된 것을 특징으로 하는 로봇의 관절 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 로봇 링크(53)에 대해서, 상기 결합체(51)의 비틀림 동작을 행하게 하는 제3모터(30)와,

   상기 제3모터(30)에 의해 구동되며, 상기 비틀림 동작의 중심축을 가지는 풀리(35)를 더 구비하고,

   상기 제3모터(30)는 상기 풀리(35)에 근접하여 배치되며, 상기 풀리(35)는 구동 또는 제어를 위한 하네스를 통과시키기 위한 공동(35a)을 가지고 있으며,

   상기 제3모터(30)의 출력축을 상기 비틀림 동작의 중심축으로부터 소정량 어긋나게 하여, 상기 하네스를 위한 공간이 생기게 한 것을 특징으로 하는 로봇의 관절 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 결합체(51) 및 상기 로봇 링크(53) 중 적어도 한쪽에 대해서 회전 가능한 가동 커버(40)와,

   상기 결합체(51) 및 상기 로봇 링크(53) 중 적어도 한쪽과 상기 가동 커버(40) 사이에서 가압력을 발생시켜서, 상기 가동 커버(40)를 소정 위치로 복귀시키는 탄성 부재(43)를 더 구비한 것을 특징으로 하는 로봇의 관절 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 결합체(51)가 접속되는 제1회전체(1)와,

   상기 제1회전체(1)를 제1축 둘레로 회전 가능하게 지지하는 제2회전체(2)와,

   상기 제2회전체(2)를, 상기 제1축에 직교하는 제2축 둘레로 회전 가능하게 지지함과 동시에, 상기 제1모터(10)와 상기 제2모터(20)가 탑재되는 모터 지지대(3)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 로봇의 관절 장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 제1모터(10)의 출력축에 접속되어 있고, 상기 제1모터(10)의 출력축의 회전 운동을 요동 운동으로 변환하는 제1요동 레버(12)와,

   상기 제1요동 레버(12)와 상기 제1회전체(1)에 접속되어 있고, 상기 요동 운동을 상기 제1회전체(1)에 전달하여, 제1회전체(1)를 상기 제1축 둘레로 회전시키는 조인트(13)와,

   상기 제2모터(20)의 출력축에 접속되어 있고, 상기 제2모터(20)의 출력축의 회전 운동을 요동 운동으로 변환하는 제2요동 레버(22)와,

   상기 제2요동 레버(22)와 상기 제2회전체(2)에 접속되어 있고, 상기 요동 운동을 상기 제2회전체(2)에 전달하여 제2회전체(2)를 상기 제2축 둘레로 회전시키는 로드(23)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 로봇의 관절 장치.
6. 제4항에 있어서,

   상기 제3모터(30)의 출력축에 접속된 모터측 풀리(33)와,

   상기 모터 지지대(3)와 접속됨과 동시에, 상기 모터 지지대(3)를 상기 비틀림 동작의 중심축 둘레로 회전시키는 구동측 풀리(35)와,

   상기 모터측 풀리(33)의 회전을 상기 구동측 풀리(35)에 전달하는 벨트(34)를 구비하는 것을 특징으로 하는 로봇의 관절 장치.
7. 제5항에 있어서,

   상기 제3모터(30)의 출력축에 접속된 모터측 풀리(33)와,

   상기 모터 지지대(3)와 접속됨과 동시에, 상기 모터 지지대(3)를 상기 비틀림 동작의 중심축 둘레로 회전시키는 구동측 풀리(35)와,

   상기 모터측 풀리(33)의 회전을 상기 구동측 풀리(35)에 전달하는 벨트(34)를 구비하는 것을 특징으로 하는 로봇의 관절 장치.
8. 제3항에 있어서,

   상기 가동 커버(40)에는 상기 탄성 부재(43)가 맞닿는 접촉면이 형성되어 있고,

   상기 가동 커버(40)의 내주면에는, 상기 탄성 부재(43)와 접촉하여 상기 가동 커버(40)의 상기 비틀림 동작의 중심축 둘레로의 회전 범위를 규제하는 스토퍼(40b)가 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 로봇의 관절 장치.

Images