KR101537041B1 - Joint driving apparatus for robot - Google Patents
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Abstract
본 발명은 로봇용 관절구동장치를 제공하기 위한 것으로, 제1풀리와, 제1풀리와 회전 가능하게 상호 연결된 제2풀리와, 제1 및 제2풀리에 결합된 케이블과, 제1 및 제2풀리를 회전시키도록 케이블을 직접적으로 왕복 이동시키는 케이블 구동 액추에이터를 포함하여 구성함으로서, 역구동성이 향상될 뿐만 아니라 구조 또한 간단하게 할 수 있게 되는 것이다.The present invention provides a joint drive device for a robot, comprising: a first pulley; a second pulley rotatably interconnected with the first pulley; a cable coupled to the first and second pulleys; And a cable drive actuator for directly reciprocating the cable so as to rotate the pulley, so that not only the backlash performance but also the structure can be simplified.
Description
본 발명은 로봇용 관절구동장치에 관한 것으로, 특히 케이블을 이용한 관절 구동장치에서 소형화와 동시에 외부 모멘트의 발생을 억제할 수 있는 케이블 구동 엑츄에이터에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
가정용, 군사용, 산업용의 목적으로 2족 보행, 4족 보행 등이 가능한 다양한 형태의 로봇이 개발되고 있다.Various types of robots capable of bipedal walking and quadruped walking are being developed for the purpose of household, military, and industrial purposes.
이러한 로봇은 시각, 청각 및 감각수단을 포함하는 정보 입력수단으로부터의 입력 정보에 따라 현재 상태를 인식하고 인식 결과에 따라 수행할 명령 정보를 생성하여 머리, 몸통, 양팔, 양다리 등 각각을 연결하는 관절 사이에 구비되어 있는 관절구동장치를 제어한다.The robot recognizes the current state according to the input information from the information input means including the visual, auditory, and sensory means, generates command information to be performed according to the recognition result, and transmits the joint information such as the head, torso, And controls the joint drive unit provided between the two.
관절을 구동하는 방식으로는 모터 및 모터에 연결된 감속기를 이용하여 관절을 구동하는 방식과 케이블을 이용하여 관절을 구동하는 방식이 있다.There are two ways of driving joints: a method of driving joints using a motor and a speed reducer connected to a motor, and a method of driving joints using cables.
이 중 감속기를 이용하는 방식은 구동장치의 배치가 한정되고, 구동시 소음이 상대적으로 크게 발생하며 감속기에서 발생하는 마찰력에 의해 역구동성(back-drivability)이 좋지 못한 문제점이 있다.Among them, there is a problem that the arrangement of the driving apparatus is limited, noise is relatively large during driving, and back-drivability is poor due to the frictional force generated in the speed reducer.
이러한 역구동성을 향상시키기 위하여 최근 케이블을 이용하여 관절을 구동하는 방식으로서, 모터 등의 엑추에이터(Actuator)에 연결된 풀리에 케이블을 감아 당김으로써 회전 가능하게 설치된 관절을 회전시켜 암을 작동시키는 구성이 개발되고 있다.Recently, as a method of driving a joint using a cable, there has been developed a configuration in which a joint is rotatably installed by pulling a cable around a pulley connected to an actuator such as a motor to operate the arm .
그러나, 케이블의 구동을 위한 모터 및 감속기 등의 액추에이터의 경우에도 역구동성을 저해하는 요소로 외부 모멘트(Moment)에 의한 마찰력이 여전히 존재하며, 이러한 외부 모멘트가 작용하지 않은 기구물을 구성하기 위하여는 크기가 커지게 되는 문제가 있게 된다.However, even in the case of an actuator such as a motor and a speed reducer for driving a cable, frictional force due to external moment is still present as an element that hinders reverse driveability. In order to construct an apparatus in which such external moment does not act, There is a problem in that the size of the image becomes large.
본 발명의 일측면은 외부 모멘트의 발생을 억제함과 동시에 크기를 줄이며 구조가 간단한 케이블 구동 액추에이터를 구비한 로봇용 관절구동장치를 제공한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a joint drive device for a robot including a cable drive actuator that suppresses generation of an external moment and reduces the size thereof and has a simple structure.
이를 위해 본 발명의 일실시예에 따른 로봇용 관절구동장치는 제1풀리와, 상기 제1풀리와 회전 가능하게 상호 연결된 제2풀리와, 상기 제1 및 제2풀리에 결합된 케이블과, 상기 제1 및 제2풀리를 회전시키도록 상기 케이블을 직접적으로 왕복 이동시키는 케이블 구동 액추에이터를 포함한다.To this end, a joint drive apparatus for a robot according to an embodiment of the present invention includes a first pulley, a second pulley rotatably interconnected with the first pulley, a cable coupled to the first and second pulleys, And a cable drive actuator for directly reciprocating the cable to rotate the first and second pulleys.
또한, 상기 케이블 구동 액추에이터는 리니어 모터인 것을 특징으로 한다.Further, the cable drive actuator is a linear motor.
또한, 상기 케이블 구동 액추에이터는 하우징과, 상기 하우징 내측면에 N극 및 S극이 교대로 배치된 환형의 영구자석과, 상기 영구자석의 내측에 진퇴 가능하게 마련되며 양단이 상기 케이블에 각각 결합된 이동자를 포함할 수 있다.The cable drive actuator includes a housing, an annular permanent magnet having N poles and S poles alternately disposed on the inner surface of the housing, a movable magnet disposed on the inner side of the permanent magnet, Mover. ≪ / RTI >
또한, 상기 제1 및 제2풀리 중 적어도 어느 하나에는 상기 이동자에 연결된 하네스의 꼬임을 방지하기 위한 슬립링이 마련될 수 있다.At least one of the first and second pulleys may be provided with a slip ring for preventing twist of the harness connected to the mover.
또한, 상기 제1 및 제2풀리 중 적어도 어느 하나에는 상기 이동자의 위치를 모니터링하기 위한 로터리 엔코더가 마련될 수 있다.In addition, a rotary encoder for monitoring the position of the mover may be provided on at least one of the first and second pulleys.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 로봇용 관절 구동장치는 엑추에이터가 케이블을 직선 구동하여 이동자를 이동시킴에 따라 감속기에서 발생하는 마찰력을 제거하여 역구동성이 향상될 뿐만 아니라 구조 또한 간단하 게 된다.As described above, the joint drive device for a robot according to an embodiment of the present invention improves the anti-drivability by eliminating the frictional force generated in the speed reducer as the actuator moves the mover by linearly driving the cable, It becomes simple.
이하에서는 상기와 같은 본 발명의 로봇용 관절구동장치의 기술적 사상에 따른 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, preferred embodiments according to the technical idea of the joint driving device for a robot according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
본 발명은 다양한 형태의 로봇에 적용 가능한 것이나, 이하에서는 인간형 로봇을 그 일 예로 하여 설명하기로 한다.The present invention can be applied to various types of robots, but a humanoid robot will be described below as an example thereof.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 인간형 로봇의 외관을 개략적으로 도시한 것이다.FIG. 1 schematically shows an appearance of a humanoid robot according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시한 바와 같이, 인간형 로봇(이하에서는 간단히 '로봇'이라 한다)(1)은 동체(10)와, 동체의 상부 양측에 연결되는 팔(20R,20L)과, 동체(10)의 상단부에 목(30)을 통해 연결되는 머리(40)와, 동체의 하부 양측에 연결되는 다리(50R,50L)를 구비한다. 참조부호에서 "R", "L"은 각각 우측과 좌측을 나타낸다.1, a humanoid robot (hereinafter simply referred to as a robot) 1 includes a
동체(10)의 내부는 커버(11)에 의해 보호된다. 동체(10)에는 제어유닛(12), 배터리(13) 및 동체(10)의 경사각도와 그 각속도 등을 검출하는 센서(미도시) 등이 설치될 수 있다.The inside of the
동체(10)는 가슴부(10a)와 허리부(10b)로 분할될 수 있으며, 가슴부(10a)와 허리부(10b) 사이에는 관절(미도시) 등을 통해 가슴부(10a)가 허리부(10b)에 대해 상대 회전할 수 있게 마련될 수 있다.The
양측 팔(20R,20L)은 상부팔(21R,21L)과 하부팔(22R,22L)을 각각 구비하고, 상부팔(21R,21L)과 하부팔(22R,22L)은 팔꿈치관절부(23)를 통해 서로 연결된다.The
팔꿈치관절부(23)는 피치(pitch) 방향의 회전관절(미도시)을 포함하여 1자유도를 가지며, 회전관절(미도시)을 통해 하부팔(22R,22L)의 이동 동작을 구현할 수 있다.The
양측 다리(50R,50L)는 상부다리(51R,51L)와 하부다리(52R,52L)를 각각 구비하고, 상부다리(51R,51L)와 하부다리(52R,52L)는 무릎관절부(53)를 통해 서로 연결된다.The
무릎관절부(53)는 피치 방향의 회전관절(61)을 포함하여 1자유도를 가지며, 회전관절(61)을 통해 하부다리(52R,52L)의 이동 동작을 구현하게 된다.The knee
본 발명의 일 실시예에 의한 팔꿈치관절부(23)나 무릎관절부(53)가 1자유도를 가지도록 마련하였으나 이에 한정되지 않으며 설계상의 제약 조건이나 요구 수단 등에 따라서 롤(roll) 또는 요(yaw) 방향의 회전을 포함할 수 있음은 당연하다.The
이러한 로봇(1)의 전체적인 동작은 CPU(Centeral Processing Unit)나 메모리 등의 회로소자로 구성되는 주제어부(미도시)나, 로봇(1)의 각 구성요소와의 데이터 교환을 행하는 인터페이스 등을 포함하는 주변회로(미도시) 등으로 구성된 제어유닛(12)을 통해 총괄적으로 제어된다.The overall operation of the
또한, 상술한 바와 같은 로봇(1)이 갖는 각 자유도는 실질적으로 관절구동장치(60)에 의해 실현된다. 관절구동장치(60)는 팔, 다리, 목 등 다양한 관절에 적용가능하지만 이하에서는 다리의 무릎관절부에 적용되는 경우를 일 예로 하여 설명하도록 한다.In addition, each degree of freedom of the
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 무릎관절부에 적용된 관절구동장치를 나타낸 것이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 케이블 구동 액추에이터를 나타낸 것이다.FIG. 2 illustrates a joint drive apparatus applied to a knee joint according to an embodiment of the present invention, and FIG. 3 illustrates a cable drive actuator according to an embodiment of the present invention.
도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 관절구동장치(60)는 무릎관절부(53)에 마련된 회전관절(61)을 회전시키기 위하여 케이블(63)과 케이블(63)을 지지하는 아이들 풀리(Idle Pully)(62)를 포함한 동력전달장치와, 케이블(63)을 직선 이동시키기 위한 케이블 구동 액추에이터(70)를 포함한다.2 and 3, the
회전관절(61)은 회전축(64)을 통해 로봇(1)의 하부다리(52R)와 함께 회전 가능하게 연결되고, 아이들 풀리(62)는 회전관절(61)과 일정 간격 떨어져 회전 가능하게 설치된다.The
이하에서는 회전관절(61) 및 아이들 풀리(62)를 각각 제1풀리(61)와 제2풀리(62)로 명칭한다.Hereinafter, the rotating
케이블(63)은 바람직하게는 스틸재질로 마련되어 제1풀리(61)과 제2풀리(62)의 둘레를 감싸 일정한 장력을 유지하도록 서로 결합된 벨트 결합구조를 가진다.The
또한 이러한 케이블(63)은 체인, 와이어 등과 같은 연속적인 구동부재로 이루어질 수 있으며, 제1,2풀리(61,62)는 기어나 톱니가 형성된 휠 또는 롤러 등으로 형성될 수 있다.The
케이블 구동 액추에이터(70)는 제1풀리(61)와 제2풀리(62)을 연결하는 케이블(63)의 일측에 마련되며, 케이블(63)을 직선 구동하여 제1풀리(61)의 회전력을 발생하기 위한 장치이다.The
즉, 케이블 구동 액추에이터(70)는 일정한 장력을 유지하도록 결합된 케이블(63)의 이동을 직접 구동 함에 따라 기존의 감속기에서 발생하는 마찰력에 의한 외부 모멘트의 발생을 억제하여 역구동성을 향상시킬 수 있게 된다.That is, since the
이러한 케이블 구동 엑츄에이터는 원통 형상의 하우징(71)과, 하우징(71) 내에서 축 방향을 따라 진퇴 가능하게 설치된 원통 형상의 이동자(75)와, 하우징(71)의 내주면에 장착된 영구자석(78)을 포함하는 원통 형상의 리니어 모터로 구성된다.The cable drive actuator includes a
하우징(71)은 양측이 개구된 원통 형상의 몸체부(72)와, 개구된 양측을 밀폐하는 커버부(73)를 구비한다. 이러한 커버부(73)는 몸체부(72) 내에서 진퇴하는 이동자(75)가 몸체부(72) 외측으로 이탈되는 것을 방지하는 스토퍼의 기능을 수행할 수 있다.The
커버부(73)의 중심부에는 전선 등의 하네스(79) 및 케이블(63)이 관통되는 관통홀(74)이 마련된다.A through
영구자석(78)은 환형으로 이루어지며, 몸체부(72)의 내측면에 축 방향을 따라 N극 및 S극의 영구자석이 각 자극을 번갈아가면서 균일하게 배열된다.The
이동자(75)는 대략 원통 형상으로 이루어진 코어(76)와, 코어(76)의 외주면에 감겨 장착된 코일(77)을 구비한다.The
이러한 이동자(75)는 영구자석(78)의 반경방향 내측에서 진퇴 가능하게 마련되도록 이동자(75)의 양단은 각각 케이블(63)에 연결되어 지지된다.Both ends of the
즉, 이동자(75)와 케이블(63)은 일체로 이동할 수 있도록 마련되므로 이동 자(75)의 진퇴에 따라 케이블(63)이 직선 구동하여 제1풀리(61)를 회전시키게 된다.That is, since the
이 경우, 도 3에 도시한 바와 같이 이동자(75)는 케이블(63)의 장력(T)에 의해 이동자(75)의 양단에서 잡아 당기게 되므로 이동자(75)를 지지 및 가이드하기 위한 별도의 가이드 장치를 필요로 하지 않게 된다.3, the
이동자(75)의 일측에는 코일(77)에 소정의 전류를 공급하기 위한 하네스(79)가 연결되되, 하네스(79)의 일측은 이동자(75)에 연결되고, 타측은 제2풀리(62)를 감싸도록 마련된다.A
이러한 하네스(79)를 통해 이동자(75)의 코일(77)에 공급된 전류는 전자기를 유도하여 이동자(75)의 극성을 바꿈에 따라 도 4에 도시한 바와 같이 N극 및 S극이 번갈아 설치된 영구자석(78) 내측에 형성된 공간에서 이동자(75)는 원하는 위치로 이동할 수 있게 된다. 이러한 이동자(75)를 이동시키는 원리는 기존의 리니어 모터의 구동원리와 동일하다.The current supplied to the
또한, 이동자(75)와 케이블(63)은 일체로 이루어지므로 이동자(75)의 이동에 의해 케이블(63)을 직선 이동시켜 제1풀리(61)를 회전할 수 있게 된다.Since the
이때, 도 5에 도시한 바와 같이 영구자석(78) 내에서 케이블(63)에 지지되어 이동하는 이동자(75)와 영구자석(78) 사이의 자력(화살표방향)은 서로 상쇄되는 방향으로 작용하므로 이동자(75)의 무게가 크지 않는 한 이동자(75)와 영구자석(78) 사이 공간에 의한 비접촉식 가이드 기능을 수행할 수 있게 된다.At this time, as shown in Fig. 5, the magnetic force (arrow direction) between the
또한, 영구자석(78) 내측에서 이동자(75)가 이동하는 경우에도 이동자(75)에 마찰에 의한 외부 모멘트의 영향이 줄어들게 되므로 역구동성 또한 크게 향상될 뿐만 아니라 전자력의 힘만으로 구동되므로 별도의 기계적인 동력전달용 기구를 제거할 수 있어 구조가 매우 간단하게 된다.Further, even when the
한편, 제2풀리(62)의 일측에는 제2풀리(62)의 회전시 하네스(79)의 꼬임 등을 방지하기 위한 슬립링(Slip Ring)(80)이 마련되고, 타측에는 이동자(75)의 이동을 제어하기 위해 이동자(75)의 위치 등을 모니터링하기 위한 로터리 엔코더(90,도4참조)가 마련될 수 있다.A
슬립링(80)은 회전체를 갖는 회전부분의 전기회로와 고정부분의 전기회로를 회전중에도 배선의 꼬임없이 전기적 접속이 이루어질 수 있도록 하는 장치로서 바람직하게는 수은 접촉 슬립링으로 이루어지며, 이는 공지된 기술에 해당하므로 상세한 설명은 생략한다.The
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 로봇을 개략적으로 나타낸 것이다.1 schematically shows a robot according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 로봇의 무릎관절부에 적용된 관절구동장치를 나타낸 것이다.FIG. 2 illustrates a joint drive device applied to a knee joint of a robot according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 케이블 구동 액추에이터를 나타낸 것이다.3 illustrates a cable drive actuator according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 케이블 구동 액추에이터의 작동 상태를 나타낸 것이다.FIG. 4 illustrates an operating state of a cable driving actuator according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 케이블 구동 액추에이터의 영구자석과 이동자의 자력 상태를 나타낸 것이다.5 is a view showing a magnetic force of a permanent magnet and a mover of a cable drive actuator according to an embodiment of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Description of the Related Art [0002]
10: 동체, 20: 팔,10: fuselage, 20: arm,
50: 다리, 60: 관절구동장치,50: leg, 60: joint drive device,
61: 제1풀리, 62: 제2풀리,61: first pulley, 62: second pulley,
63: 케이블, 70: 케이블 구동 액추에이터,63: cable, 70: cable drive actuator,
71: 하우징, 75: 이동자,71: housing, 75: mover,
78: 영구자석, 79: 하네스,78: permanent magnet, 79: harness,
80: 슬립링, 90: 로터리 엔코더.80: Slip ring, 90: Rotary encoder.
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