KR101685997B1

KR101685997B1 - 로봇 핸드 및 이를 포함하는 로봇

Info

Publication number: KR101685997B1
Application number: KR1020100001368A
Authority: KR
Inventors: 김용재; 이자우; 박강민
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2010-01-07
Filing date: 2010-01-07
Publication date: 2016-12-13
Also published as: JP2011140113A; KR20110080922A; JP5818432B2; EP2343162B1; EP2343162A1; US20110163561A1; US8419096B2

Abstract

손가락 구조체 관절 중 일부의 움직임이 다른 관절의 동작에 영향을 주지 않도록 구조가 개선된 로봇 핸드 및 이를 포함하는 로봇을 개시한다. 이를 위해 엠피 관절부 중 롤 방향으로 회전하는 엠피 롤 관절부와 피치 방향으로 회전하는 엠피 피치 관절부는 오프셋(offset)이 형성되도록 서로 분리되어 배치된다. 그리고, 이러한 구조로 인해 각 관절부의 가동각이 커지게 되고 정확한 제어가 가능해진다. 또한, 로봇 핸드 내부의 전체적인 마찰이 감소하고, 전체 시스템이 안정된다.

Description

로봇 핸드 및 이를 포함하는 로봇{ROBOT HAND AND ROBOT HAVING THE SAME}

본 발명은 로봇 핸드 및 이를 포함하는 로봇에 관한 것으로서, 특히 다른 관절의 움직임에 영향을 받지 않는 로봇 핸드 및 이를 포함하는 로봇에 관한 것이다.

가정용, 군사용, 산업용 등의 목적으로 2족 보행, 4족 보행 등이 가능한 다양한 형태의 로봇이 개발되고 있다.

특히, 인간형(humanoid) 로봇은 인간의 신체구조와 유사하게 만든 로봇으로서 인간의 동작과 유사한 동작을 수행하도록 하는 것이 그 제작 목적이 된다.

이러한 로봇은 인간의 관절과 유사한 관절의 운동을 통해 달리기, 걷기 등의 보행동작 뿐만 아니라 다양한 동작을 구현하게 된다.

인간형 로봇에는 사람의 손과 대응되는 형상의 로봇 핸드가 마련되는데, 인간형 로봇은 로봇 핸드를 이용해 사람의 손이 수행하는 작업과 유사한 작업을 수행할 수 있다.

로봇 핸드는 사람의 손바닥 및 손등에 해당하는 구성인 베이스부와, 사람의 손가락에 대응하는 구조인 손가락 구조체를 포함하며, 손가락 구조체는 베이스부에 회전 가능하도록 마련되어 물건을 파지한다.

본 발명의 일 측면은 손가락 구조체 관절 중 일부의 움직임이 다른 관절의 동작에 영향을 주지 않도록 구조가 개선된 로봇 핸드 및 이를 포함하는 로봇을 제공하는 것이다.

또한, 마찰이 최소화 된 로봇 핸드 및 이를 포함하는 로봇을 제공하는 것이다.

또한, 가동각이 넓고 정확한 제어가 가능한 로봇 핸드 및 이를 포함하는 로봇을 제공하는 것이다.

본 발명의 사상에 따르면, 로봇 핸드는 베이스(base)부와, 상기 베이스부에 결합되는 복수의 손가락 구조체와, 상기 복수의 손가락 구조체를 구동하는 구동부와, 상기 구동부로부터 상기 복수의 손가락 구조체로 구동력을 전달하는 와이어(wire)를 포함하고, 상기 손가락 구조체 각각은 상기 베이스부와 상기 손가락 구조체 사이를 연결하는 엠피(MP, meta phalangeal) 관절부를 포함하며, 상기 엠피 관절부는 롤(roll) 방향으로 회전하는 엠피 롤 관절부와, 피치(pitch) 방향으로 회전하는 엠피 피치 관절부를 포함하고, 상기 엠피 롤 관절부와 엠피 피치 관절부는 서로 오프셋(offset)이 형성되도록 분리되어 배치되는 것을 특징으로 한다.

상기 손가락 구조체 각각은 상기 엠피 피치 관절부와 연결되는 제1구조체와, 상기 제1구조체와 결합되는 제2구조체와, 상기 제2구조체와 결합되는 제3구조체와, 상기 제1구조체와 제2구조체 사이를 연결하며 피치(pitch) 방향으로 회전하는 피아이피(PIP, proximal interphalangeal) 관절부와, 상기 제2구조체와 제3구조체 사이를 연결하며 피치(pitch) 방향으로 회전하는 디아이피(DIP, distalinterphalangeal) 관절부를 더 포함할 수 있다.

상기 엠피 피치 관절부는 상기 제1구조체에 고정되어 피치(pitch) 방향으로 회전하는 제1엠피 피치 풀리와, 상기 엠피 롤 관절부와 동축으로 자유롭게 회전하는 제2엠피 피치 풀리와, 상기 제1엠피 피치 풀리와 제2엠피 피치 풀리 사이에 배치되어 자유롭게 회전하는 제3엠피 피치 풀리 및 제4엠피 피치 풀리를 포함할 수 있다.

상기 와이어는 상기 엠피 피치 관절부를 구동하는 제1엠피 피치 와이어 및 제2엠피 피치 와이어를 포함하고, 상기 제1엠피 피치 와이어는 상기 제1엠피 피치 풀리에 고정되어 감기며, 상기 제3엠피 피치 풀리를 거쳐, 상기 제2엠피 피치 풀리를 1회전 한 후 하측으로 배치되고, 상기 제2엠피 피치 와이어는 상기 제1엠피 피치 풀리에 고정되어 상기 제1엠피 피치 와이어와 반대 방향으로 감기며, 상기 제4엠피 피치 풀리를 거쳐, 상기 제2엠피 피치 풀리를 상기 제1엠피 피치 와이어와 반대 방향으로 1회전 한 후 하측으로 배치될 수 있다.

상기 엠피 롤 관절부는 롤 방향으로 회전하는 엠피 롤 풀리를 포함하고, 상기 와이어는 상기 엠피 롤 풀리에 일단이 고정되며 서로 반대 방향으로 감기는 제1엠피 롤 와이어 및 제2엠피 롤 와이어를 포함할 수 있다.

상기 피아이피 관절부는 상기 제2구조체에 고정되어 피치 방향으로 회전하는 제1피아이피 풀리와, 상기 제1피아이피 풀리의 하측에 배치되어 자유롭게 회전하는 제2피아이피 풀리와, 상기 제2피아이피 풀리의 하측에 배치되어 상기 제1엠피 피치 풀리와 동축으로 자유롭게 회전하는 제3피아이피 풀리와, 상기 제3피아이피 풀리의 하측에 나란히 배치되어 자유롭게 회전하는 제4피아이피 풀리 및 제5피아이피 풀리를 포함할 수 있다.

상기 와이어는 상기 피아이피 관절부를 구동하는 제1피아이피 와이어 및 제2피아이피 와이어를 포함하고, 상기 제1피아이피 와이어는 상기 제1피아이피 풀리에 고정되어 감기며, 상기 제2피아이피 풀리와 제3피아이피 풀리를 거쳐 상기 엠피 롤 관절부의 회전축과 동축으로 배치되고, 상기 제4피아이피 풀리를 거쳐 하측으로 배치되며, 상기 제2피아이피 와이어는 상기 제1피아이피 풀리에 고정되어 상기 제1피아이피 와이어와 반대 방향으로 감기며, 상기 제3피아이피 풀리를 거쳐 상기 엠피 롤 관절부의 회전축과 동축으로 배치되고, 상기 제5피아이피 풀리를 거쳐 상기 제4피아이피 풀리를 1회전 한 후 하측으로 배치될 수 있다.

상기 디아이피 관절부는 상기 제3구조체에 고정되어 피치 방향으로 회전하는 제1디아이피 풀리와, 상기 제2구조체에 연동되어 회전하는 제2디아이피 풀리를 포함할 수 있다.

상기 와이어는 일단은 상기 제1디아이피 풀리에 고정되어 감기며 타단은 상기 제2디아이피 풀리에 고정되어 감기는 제1디아이피 와이어와, 일단은 상기 제1디아이피 풀리에 고정되어 상기 제1디아이피 와이어와 반대 방향으로 감기며 타단은 상기 제2디아이피 풀리에 고정되어 상기 제1디아이피 와이어와 반대 방향으로 감기는 제2디아이피 와이어를 포함할 수 있다.

상기 제1디아이피 와이어와 제2디아이피 와이어는 서로 교차하여 배치될 수 있다.

상기 피아이피 관절부는 상기 제2구조체에 고정되어 피치 방향으로 회전하는 제11피아이피 풀리와, 상기 제11피아이피 풀리의 하측에 배치되어 상기 제1엠피 피치 풀리와 동축으로 자유롭게 회전하는 제12피아이피 풀리와, 상기 제12피아이피 풀리의 하측에 나란히 배치되어 자유롭게 회전하는 제13피아이피 풀리 및 제14피아이피 풀리를 포함할 수 있다.

상기 와이어는 상기 피아이피 관절부를 구동하는 제11피아이피 와이어 및 제12피아이피 와이어를 포함하고, 상기 제11피아이피 와이어는 상기 제11피아이피 풀리에 고정되어 감기며, 상기 제12피아이피 풀리를 거쳐 상기 엠피 롤 관절부의 회전축과 동축으로 배치되고, 상기 제13피아이피 풀리를 거쳐 하측으로 배치되며, 상기 제12피아이피 와이어는 상기 제11피아이피 풀리에 고정되어 상기 제11피아이피 와이어와 반대 방향으로 감기며, 상기 제12피아이피 풀리를 거쳐 상기 엠피 롤 관절부의 회전축과 동축으로 배치되고, 상기 제14피아이피 풀리를 거쳐 하측으로 배치될 수 있다.

또한, 로봇은 물건을 파지할 수 있도록 마련되는 로봇 핸드를 포함하는 로봇에 있어서, 상기 로봇 핸드는 베이스부와, 상기 베이스부에 결합되는 복수의 손가락 구조체와, 상기 복수의 손가락 구조체를 구동하는 구동부와, 상기 구동부로부터 상기 복수의 손가락 구조체로 구동력을 전달하는 와이어(wire)를 포함하고, 상기 손가락 구조체 각각은 상기 베이스부와 상기 손가락 구조체 사이를 연결하는 엠피(MP, meta phalangeal) 관절부를 포함하며, 상기 엠피 관절부는 롤(roll) 방향으로 회전하는 엠피 롤 관절부와, 피치(pitch) 방향으로 회전하는 엠피 피치 관절부를 포함하고, 상기 엠피 롤 관절부와 엠피 피치 관절부는 상기 엠피 롤 관절부와 엠피 피치 관절부 중 어느 하나의 움직임이 다른 하나의 동작에 영향을 주는 것이 방지되도록, 서로 분리되어 배치되는 것을 특징으로 한다.

상기 와이어는 일측은 상기 제1디아이피 풀리에 고정되어 감기며 타측은 상기 제2디아이피 풀리에 고정되어 감기는 제1디아이피 와이어와, 일측은 상기 제1디아이피 풀리에 고정되어 상기 제1디아이피 와이어와 반대 방향으로 감기며 타측은 상기 제2디아이피 풀리에 고정되어 상기 제1디아이피 와이어와 반대 방향으로 감기는 제2디아이피 와이어를 포함할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 로봇 핸드 및 이를 포함하는 로봇은 엠피 롤 관절부와 엠피 피치 관절부를 서로 오프셋(offset)이 형성되도록 서로 분리시켜 배치함으로써, 손가락 구조체 관절 중 일부의 움직임이 다른 관절의 동작에 영향을 주지 않게 된다.

또한, 와이어의 마찰이 최소화되고, 와이어에 과도한 부하가 걸리거나 와이어의 풀어짐이 방지되어 전체적인 구동 계통이 안정화된다.

또한, 손가락 구조체의 가동각이 넓어지고 정확한 제어가 가능해진다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인간형 로봇의 외관을 도시한 정면도이다.
도 2는 좌측 로봇 핸드를 나타내는 사시도이다.
도 3은 하나의 손가락 구조체를 나타내는 사시도이다.
도 4a는 엠피 롤 관절부를 나타내는 사시도이다.
도 4b는 도 4a를 모식화한 개념도이다.
도 5a는 엠피 피치 관절부를 나타내는 사시도이다.
도 5b는 도 5a를 모식화한 개념도이다.
도 6a는 피아이피 관절부를 나타내는 사시도이다.
도 6b는 도 6a를 모식화한 개념도이다.
도 7a는 디아이피 관절부를 나타내는 사시도이다.
도 7b는 도 7a를 모식화한 개념도이다.
도 8은 각 풀리의 반지름을 이용한 와이어의 이동량과 각 관절부의 회전 각도 간의 관계를 나타내는 관계식이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 피아이피 관절부를 나타내는 개념도이다.

이하에서는 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인간형 로봇의 외관을 도시한 정면도이다.

도 1에 도시한 바와 같이 본 실시예에 따른 인간형 로봇(1)(이하에서는 간단히 '로봇'이라 한다)은 동체(胴體)(10)와, 동체(10)의 상단부에 연결되는 머리(20)와, 동체(10)의 상부 양측에 연결되는 한 쌍의 팔 조립체(30R, 30L)와, 동체(10)의 하부 양측에 연결되는 한 쌍의 다리 조립체(40R, 40L)를 포함한다. 참조 부호에서 "R", "L"은 각각 우측과 좌측을 나타낸다.

동체(10)의 내부는 커버(11)에 의해 보호된다. 동체(10)에는 제어유닛(12), 배터리(13) 및 경사센서(미도시)가 설치될 수 있다. 경사센서는 연직축에 대한 동체(10)의 경사각도와 그 각속도 등을 검출한다. 동체(10)는 가슴부(10a)와 허리부(10b)로 분할될 수 있으며, 가슴부(10a)와 허리부(10b) 사이에는 가슴부(10a)가 허리부(10b)에 대해 상대 회전할 수 있도록 관절이 설치될 수 있다.

머리(20)에는 로봇(1)의 시각으로서의 기능을 수행하는 카메라(21)와, 청각으로서의 기능을 수행하는 마이크로폰(미도시)이 설치될 수 있다. 머리(20)는 목관절부(미도시)를 통해 동체(10)와 연결된다.

다리 조립체(40R, 40L)는 각각 대퇴링크(41), 하퇴링크(42) 및 발(43)을 구비할 수 있다. 대퇴링크(41)는 대퇴관절부(미도시)를 통해 동체(10)에 연결된다. 대퇴링크(41)와 하퇴링크(42)는 무릎관절부(미도시)를 통해 서로 연결되고, 하퇴링크(42)와 발(43)은 발목관절부(미도시)를 통해 서로 연결된다.

팔 조립체(30R, 30L)는 상박링크(31), 하박링크(32)를 포함한다. 상박링크(31)는 어깨관절부(미도시)을 통해 동체(10)에 연결된다. 상박링크(31)와 하박링크(32)는 팔꿈치관절부(미도시)를 통해 서로 연결된다. 또한, 팔 조립체(30R, 30L)는 물건을 파지할 수 있도록 마련되는 로봇 핸드(100, 100')를 더 포함하는데, 로봇 핸드(100, 100')는 하박링크(32)와 서로 연결된다.

이하에서는 로봇 핸드(100, 100')에 대해 자세히 설명한다. 우측 로봇 핸드(100')와 좌측 로봇 핸드(100)는 서로 대칭되는 구성이므로, 좌측 로봇 핸드(100)에 대해서만 설명한다.

도 2는 좌측 로봇 핸드를 나타내는 사시도이고, 도 3은 하나의 손가락 구조체를 나타내는 사시도이며, 도 4a는 엠피 롤 관절부를 나타내는 사시도이고, 도 4b는 도 4a를 모식화한 개념도이며, 도 5a는 엠피 피치 관절부를 나타내는 사시도이고, 도 5b는 도 5a를 모식화한 개념도이며, 도 6a는 피아이피 관절부를 나타내는 사시도이고, 도 6b는 도 6a를 모식화한 개념도이며, 도 7a는 디아이피 관절부를 나타내는 사시도이고, 도 7b는 도 7a를 모식화한 개념도이다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 로봇 핸드(100)는 베이스(base)부(103)와, 베이스부(103) 상측에 결합되는 복수의 손가락 구조체(105)와, 복수의 손가락 구조체를 구동하는 구동부(미도시)와, 구동부로부터 복수의 손가락 구조체(105)로 구동력을 전달하는 와이어(108)를 포함한다. 베이스부(103)의 측부에는 엄지 손가락 구조체(107)가 결합된다. 엄지 손가락 구조체(B.F)는 모터(미도시)에 의해 구동된다.

베이스부(103)는 인간의 손의 일부, 즉 손바닥이나 손등에 해당하는 것이다. 베이스부(103)는 인간의 손바닥 부분을 구성하는 손바닥부(104)와, 인간의 손등 부분을 구성하는 손등부(미도시)를 포함한다.

복수의 손가락 구조체(105)는 베이스부(103)의 일단의 가장자리로부터 상측으로 연장되도록 설치된다. 본 발명의 일 실시예에서 복수의 손가락 구조체(105)는 4개가 마련되며, 각 손가락 구조체(105)는 인간의 손가락의 움직임을 모방할 수 있도록 형성된다.

즉, 각 손가락 구조체(105)는 인간의 손가락으로 말하면, 검지, 중지, 약지, 소지에 상당하는 구성이다. 이하에서는 하나의 손가락 구조체(105)에 대하여만 설명하기로 하고, 그 밖의 손가락 구조체(105)는 중지와 다소 크기가 다를 뿐 동일한 구조로 되어 있으므로 그 설명은 생략하기로 한다.

손가락 구조체(105)는 베이스부(103)와 손가락 구조체(105) 사이를 연결하는 엠피(MP, meta phalangeal) 관절부(210)와, 엠피 관절부(210)와 연결되는 제1구조체(292)와, 제1구조체(292)와 결합되는 제2구조체(294)와, 제2구조체(294)와 결합되는 제3구조체(296)와, 제1구조체(292)와 제2구조체(294) 사이를 연결하며 피치(pitch) 방향으로 회전하는 피아이피(PIP, proximal interphalangeal) 관절부(260)와, 제2구조체(294)와 제3구조체(296) 사이를 연결하며 피치(pitch) 방향으로 회전하는 디아이피(DIP, distalinterphalangeal) 관절부(280)를 포함한다.

제1구조체(292), 제2구조체(294) 및 제3구조체(296)는 인간의 손가락 마디에 대응되는 구성이며, 각 구조체(292, 294, 296)는 엠피 관절부(210), 피아이피 관절부(260) 및 디아이피 관절부(280)에 의해 인간의 손가락과 유사한 동작을 수행한다.

도 3 내지 도 5b를 참조하면, 엠피 관절부(210)는 2자유도를 가지며, 롤(roll) 방향으로 회전하는 엠피 롤 관절부(220)와, 피치(pitch) 방향으로 회전하는 엠피 피치 관절부(230)를 포함한다. 엠피 롤 관절부(220) 및 엠피 피치 관절부(230)는 뼈대를 형성하는 프레임(202)에 마련된다.

엠피 롤 관절부(210)는 롤 방향으로 회전하는 엠피 롤 풀리(222)를 포함하고, 엠피 롤 풀리(222)는 제1엠피 롤 와이어(224a) 및 제2엠피 롤 와이어(224b)에 의해 회전된다. 제1엠피 롤 와이어(224a) 및 제2엠피 롤 와이어(224b)는 엠피 롤 풀리(222)에 일단(225a, 225b)이 고정되어 서로 반대 방향으로 감기며, 하측의 구동부(미도시)에 의해 구동된다.

엠피 롤 관절부(210)의 동작을 살펴보면, 구동부에 의해 제1엠피 롤 와이어(224a) 및 제2엠피 롤 와이어(224b)가 이동하게 되고, 엠피 롤 풀리(222)가 롤 방향으로 회전하게 되며, 엠피 롤 풀리(222)와 연결된 프레임(202)이 롤 방향으로 회전하면서 제1구조체(202)가 롤 방향으로 회전하게 된다.

엠피 피치 관절부(230)는 제1구조체(292)에 고정되어 피치 방향으로 회전하는 제1엠피 피치 풀리(232)와, 엠피 롤 관절부(220)와 동축으로 자유롭게 회전하는 제2엠피 피치 풀리(234)와, 제1엠피 피치 풀리(232)와 제2엠피 피치 풀리(234) 사이에 배치되어 자유롭게 회전하는 제3엠피 피치 풀리(236) 및 제4엠피 피치 풀리(237)를 포함한다.

그리고, 엠피 피치 관절부(230)는 제1엠피 피치 와이어(239a) 및 제2엠피 피치 와이어(239b)에 의해 구동된다. 제1엠피 피치 와이어(239a)는 일단(240a)이 제1엠피 피치 풀리(232)에 고정되어 감기며, 제3엠피 피치 풀리(236)를 거쳐, 제2엠피 피치 풀리(234)를 1회전 한 후 하측으로 배치된다. 제2엠피 피치 와이어(239b)는 일단(240b)이 제1엠피 피치 풀리(232)에 고정되어 제1엠피 피치 와이어(239a)와 반대 방향으로 감기며, 제4엠피 피치 풀리(237)를 거쳐, 제2엠피 피치 풀리(234)를 제1엠피 피치 와이어(239a)와 반대 방향으로 1회전 한 후 하측으로 배치된다.

엠피 피치 관절부(230)의 동작을 살펴보면, 구동부에 의해 제1엠피 피치 와이어(239a) 및 제2엠피 피치 와이어(239b)가 이동하게 되고, 제2엠피 피치 풀리(234) 및 이와 연결된 제3엠피 피치 풀리(236) 및 제4엠피 피치 풀리(2367)가 회전하게 되며, 제1엠피 피치 풀리(232)가 피치 방향으로 회전하면서 제1구조체(292)를 회전시키게 된다.

엠피 롤 관절부(220)와 엠피 피치 관절부(230)는 서로 오프셋(offset)(D)이 형성되도록 분리되어 배치되어 있다(도 3, 도 4a 및 도 5a 참조). 즉, 롤 방향으로 회전하는 엠피 롤 풀리(22)의 회전축과 피치 방향으로 회전하는 엠피 피치 풀리(232)의 회전축은 서로 직교하면서 오프셋(D) 간격 만큼 이격되어 있다.

이렇게 엠피 롤 관절부(220)와 엠피 피치 관절부(230) 사이에 오프셋(D)을 형성시켜 서로 분리되도록 하는 이유는 각 관절부(220, 230, 260, 280)의 회전 동작에 따라 나머지 관절부가 영향을 받지 않고 동작되도록 하기 위함이다.

또한, 엠피 롤 관절부(220)와 엠피 피치 관절부(230)를 분리시켜 배치시킴으로써, 각 관절부(220, 230, 260, 280)를 구동하는 와이어(108)가 다른 관절부의 동작에 의해 과도하게 당겨지거나 풀어지는 것을 방지할 수 있다. 이로 인해 각 관절부(220, 230, 260, 280)의 충분한 가동각이 확보되고, 전체적인 구동계통의 마찰이 줄어드는 효과가 있으며, 전체 시스템이 안정된다.

도 6a 내지 도 6b를 참조하면, 피아이피 관절부(260)는 제2구조체(294)에 고정되어 피치 방향으로 회전하는 제1피아이피 풀리(262)와, 제1피아이피 풀리(262)의 하측에 배치되어 자유롭게 회전하는 제2피아이피 풀리(264)와, 제2피아이피 풀리(264)의 하측에 배치되어 제1엠피 피치 풀리(232)와 동축으로 자유롭게 회전하는 제3피아이피 풀리(266)와, 제3피아이피 풀리(266)의 하측에 나란히 배치되어 자유롭게 회전하는 제4피아이피 풀리(267) 및 제5피아이피 풀리(268)를 포함한다.

피아이피 관절부(260)는 제1피아이피 와이어(269a) 및 제2피아이피 와이어(269b)에 의해 구동된다. 제1피아이피 와이어(269a)는 일단(270a)이 제1피아이피 풀리(262)에 고정되어 감기며, 제2피아이피 풀리(264)와 제3피아이피 풀리(266)를 거쳐 엠피 롤 관절부(220)의 회전축과 동축으로 배치되고, 제4피아이피 풀리(267)를 거쳐 하측으로 배치된다. 제2피아이피 와이어(269b)는 일단(270b)이 제1피아이피 풀리(262)에 고정되어 제1피아이피 와이어(269a)와 반대 방향으로 감기며, 제3피아이피 풀리(266)를 거쳐 엠피 롤 관절부(220)의 회전축과 동축으로 배치되고, 제5피아이피 풀리(268)를 거쳐 제4피아이피 풀리(267)를 1회전 한 후 하측으로 배치된다.

제1피아이피 와이어(269a) 및 제2피아이피 와이어(269b)를 엠피 롤 관절부(220)의 회전축과 동축으로 배치시키는 이유는 엠피 롤 관절부(220)의 회전 동작이 피아이피 관절부(260)의 구동 동작에 미치는 영향을 최소화하기 위한 것이다. 즉, 엠피 롤 관절부(220)가 회전하더라도 제1피아이피 와이어(269a) 및 제2피아이피 와이어(269b)는 약간의 비틀림이 있을 뿐 다른 영향은 받지 않는다.

피아이피 관절부(260)의 동작을 살펴보면, 구동부에 의해 제1피아이피 와이어(269a) 및 제2피아이피 와이어(269b)가 이동하게 되고, 제4피아이피 풀리(267) 및 제5피아이피 풀리(268)와 제3피아이피 풀리(266), 제2피아이피 풀리(264)가 순서대로 자유롭게 회전하게 되며, 제1피아이피 풀리(262)가 회전하여 제2구조체(294)를 피치 방향으로 회전시키게 된다.

도 7a 내지 도 7b를 참조하면, 디아이피 관절부(280)는 제3구조체(296)에 고정되어 피치 방향으로 회전하는 제1디아이피 풀리(282)와, 제2구조체(294)에 연동되어 회전하는 제2디아이피 풀리(284)를 포함한다.

제1디아이피 풀리(282)와 제2디아이피 풀리(284)는 제1디아이피 와이어(286a) 및 제2디아이피 와이어(286b)에 의해 연결된다. 제1디아이피 와이어(286a)는 일단(287a)은 제1디아이피 풀리(282)에 고정되어 감기며 타단(288a)은 제2디아이피 풀리(284)에 고정되어 감긴다. 제2디아이피 와이어(286b)는 일단(287b)은 제1디아이피 풀리(282)에 고정되어 제1디아이피 와이어(286a)와 반대 방향으로 감기며 타단(288b)은 제2디아이피 풀리(284)에 고정되어 제1디아이피 와이어(286a)와 반대 방향으로 감긴다. 이 때 제1디아이피 와이어(286a)와 제2디아이피 와이어(286b)는 서로 교차하여 "X" 자 형태로 배치된다.

디아이피 관절부(280)의 동작을 살펴보면, 제2구조체(294)의 움직임에 의해 제2디아이피 풀리(284)가 회전하게 되고, 제2디아이피 풀리(284)와 제1디아이피 와이어(286a) 및 제2디아이피 와이어(286b)에 의해 연동된 제1디아이피 풀리(282)가 회전하며, 제3구조체(296)가 피치 방향으로 회전하면서 구동된다. 이 때 제1디아이피 풀리(282)는 제1디아이피 풀리(282)와 제2디아이피 풀리(284)의 반지름의 역수 비율로 연동되어 회전한다.

도 8은 각 풀리의 반지름을 이용한 와이어의 이동량과 각 관절부의 회전 각도 간의 관계를 나타내는 관계식이다.

이상에서 설명한 엠피 관절부(210), 피아이피 관절부(260) 및 디아이피 관절부(280)는 도 8에 나타난 관계식에 따라 각 관절부(210, 260, 280)가 회전하게 된다.

이 때 관계식에서 각 부호의 의미를 살펴보면, Qr은 엠피 롤 관절부(220)의 회전 각도이고, Qm는 엠피 피치 관절부(230)의 회전 각도이며, Qp는 피아이피 관절부(260)의 회전 각도이고, Qd는 디아이피 관절부(280)의 회전 각도이다. 그리고, Lr는 엠피 롤 와이어(224a, 224b)의 이동량이고, Lp는 엠피 피치 와이어(239a, 239b)의 이동량이며, Lg는 피아이피 와이어(269a, 269b)의 이동량이다. 또한, Rr은 엠피 롤 풀리(222)의 반지름이고, Rgp는 제1엠피 피치 풀리(232)의 반지름이며, Rd는 제2엠피 피치 풀리(234)의 반지름이고, Rp는 제1피아이피 풀리(262)의 반지름이며, Rg는 제3피아이피 풀리(266)의 반지름이고, Rcd는 제1디아이피 풀리(282)의 반지름이며, Rcp는 제2디아이피 풀리(284)의 반지름이다. Nd는 회전 방향을 나타내는 것으로서, "+1" 또는 "-1"이 된다. 도 8의 관계식에 나타나지 않은 제3엠피 피치 풀리(236), 제4엠피 피치 풀리(237), 제2피아이피 풀리(264), 제4피아이피 풀리(267), 제5피아이피 풀리(268)의 반지름 크기는 각 관절부(210, 260, 280)의 회전 각도와는 무관하다.

도 8의 관계식에 나타난 바와 같이, 손가락 구조체(105)의 각 관절부(210, 260, 280)는 구동부에 의해 엠피 롤 와이어(224a, 224b), 엠피 피치 와이어(239a, 239b) 및 피아이피 와이어(269a, 269b)를 각 이동량(Lr, Lp, Lg) 만큼 움직이게 되면, 손가락 구조체(105) 내부의 각 풀리의 반지름 설계에 따라 각 관절부(210, 260, 280)가 소정 각도(Qr, Qm, Qp, Qd) 만큼 회전하게 되는 것이다. 이러한 관계식에 따라 로봇 핸드(100)는 정확한 제어가 가능해 진다.

이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 대해 설명한다. 이상에서 설명한 본 발명의 일 실시예와 동일한 부분에 대해서는 설명을 생략한다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 피아이피 관절부를 나타내는 개념도이다.

도 6a 및 도 6b에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 피아이피 관절부(260)는 도 9에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 피아이피 관절부(360)로 대체될 수 있다.

도 9의 피아이피 관절부(360)는 제2구조체(294)에 고정되어 피치 방향으로 회전하는 제11피아이피 풀리(362)와, 제11피아이피 풀리(362)의 하측에 배치되어 제1엠피 피치 풀리(232)와 동축으로 자유롭게 회전하는 제12피아이피 풀리(366)와, 제12피아이피 풀리(366)의 하측에 나란히 배치되어 자유롭게 회전하는 제13피아이피 풀리(367) 및 제14피아이피 풀리(368)를 포함한다.

피아이피 관절부(360)는 제11피아이피 와이어(369a) 및 제12피아이피 와이어(369b)에 의해 구동된다. 제11피아이피 와이어(369a)는 일단(370a)이 제11피아이피 풀리(362)에 고정되어 감기며, 제12피아이피 풀리(366)를 거쳐 엠피 롤 관절부(220)의 회전축과 동축으로 배치되고, 제13피아이피 풀리(367)를 거쳐 하측으로 배치된다. 제12피아이피 와이어(369b)는 제11피아이피 풀리(362)에 일단(370b)이 고정되어 제11피아이피 와이어(369a)와 반대 방향으로 감기며, 제12피아이피 풀리(366)를 거쳐 엠피 롤 관절부(220)의 회전축과 동축으로 배치되고, 제14피아이피 풀리(368)를 거쳐 하측으로 배치된다.

이 때 도 9의 피아이피 관절부(360)는 제11피아이피 와이어(369a) 및 제12피아이피 와이어(369b)의 배치가 도 6a 및 도 6b의 피아이피 관절부(260)와 상이하고, 도 6a 및 도 6b의 제2피아이피 풀리(264)가 없다는 차이점이 있다. 그 이외의 구성과 동작은 도 6a 및 도 6b의 피아이피 관절부(260)와 동일하다.

이상에서는 특정의 실시예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나, 상기한 실시예에만 한정되지 않으며, 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경실시할 수 있을 것이다.

1 : 로봇 10 : 동체
20 : 머리 100, 100' : 로봇 핸드
105 : 손가락 구조체 108 : 와이어
210 : 엠피 관절부 220 : 엠피 롤 관절부
230 : 엠피 피치 관절부 260 : 피아이피 관절부
280 : 디아이피 관절부

Claims

베이스(base)부와, 상기 베이스부에 결합되는 복수의 손가락 구조체와, 상기 복수의 손가락 구조체를 구동하는 구동부와, 상기 구동부로부터 상기 복수의 손가락 구조체로 구동력을 전달하는 와이어(wire)를 포함하고,
상기 손가락 구조체 각각은 상기 베이스부와 상기 손가락 구조체 사이를 연결하는 엠피(MP, meta phalangeal) 관절부를 포함하며,
상기 엠피 관절부는 롤(roll) 방향으로 회전하는 엠피 롤 관절부와, 피치(pitch) 방향으로 회전하는 엠피 피치 관절부를 포함하고,
상기 엠피 피치 관절부는 피치(pitch) 방향으로 회전하는 제1엠피 피치 풀리와, 상기 엠피 롤 관절부와 동축으로 자유롭게 회전하는 제2엠피 피치 풀리와, 상기 제1엠피 피치 풀리와 상기 제2엠피 피치 풀리 사이에 배치되어 상기 제1엠피 피치 풀리와 동축으로 자유롭게 회전하는 제3엠피 피치 풀리 및 제4엠피 피치 풀리를 포함하며,
상기 엠피 롤 관절부와 엠피 피치 관절부는 서로 오프셋(offset)이 형성되도록 분리되어 배치되고,
상기 제3엠피 피치 풀리 및 상기 제4엠피 피치 풀리의 각각의 회전축은 상기 제1엠피 피치 풀리의 회전축에 대해 상기 제2엠피 피치 풀리의 회전축 방향으로 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 로봇 핸드.
제1항에 있어서,
상기 손가락 구조체 각각은 상기 엠피 피치 관절부와 연결되는 제1구조체와, 상기 제1구조체와 결합되는 제2구조체와, 상기 제2구조체와 결합되는 제3구조체와, 상기 제1구조체와 제2구조체 사이를 연결하며 피치(pitch) 방향으로 회전하는 피아이피(PIP, proximal interphalangeal) 관절부와, 상기 제2구조체와 제3구조체 사이를 연결하며 피치(pitch) 방향으로 회전하는 디아이피(DIP, distalinterphalangeal) 관절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 핸드.
제2항에 있어서,
상기 제1엠피 피치 풀리는 상기 제1구조체에 고정되는 것을 특징으로 하는 로봇 핸드.
제3항에 있어서,
상기 와이어는 상기 엠피 피치 관절부를 구동하는 제1엠피 피치 와이어 및 제2엠피 피치 와이어를 포함하고,
상기 제1엠피 피치 와이어는 상기 제1엠피 피치 풀리에 고정되어 감기며, 상기 제3엠피 피치 풀리를 거쳐, 상기 제2엠피 피치 풀리를 1회전 한 후 하측으로 배치되고,
상기 제2엠피 피치 와이어는 상기 제1엠피 피치 풀리에 고정되어 상기 제1엠피 피치 와이어와 반대 방향으로 감기며, 상기 제4엠피 피치 풀리를 거쳐, 상기 제2엠피 피치 풀리를 상기 제1엠피 피치 와이어와 반대 방향으로 1회전 한 후 하측으로 배치되는 것을 특징으로 하는 로봇 핸드.
제1항에 있어서,
상기 엠피 롤 관절부는 롤 방향으로 회전하는 엠피 롤 풀리를 포함하고,
상기 와이어는 상기 엠피 롤 풀리에 일단이 고정되며 서로 반대 방향으로 감기는 제1엠피 롤 와이어 및 제2엠피 롤 와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 핸드.
제2항에 있어서,
상기 피아이피 관절부는 상기 제2구조체에 고정되어 피치 방향으로 회전하는 제1피아이피 풀리와, 상기 제1피아이피 풀리의 하측에 배치되어 자유롭게 회전하는 제2피아이피 풀리와, 상기 제2피아이피 풀리의 하측에 배치되어 상기 제1엠피 피치 풀리와 동축으로 자유롭게 회전하는 제3피아이피 풀리와, 상기 제3피아이피 풀리의 하측에 나란히 배치되어 자유롭게 회전하는 제4피아이피 풀리 및 제5피아이피 풀리를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 핸드.
제6항에 있어서,
상기 와이어는 상기 피아이피 관절부를 구동하는 제1피아이피 와이어 및 제2피아이피 와이어를 포함하고,
상기 제1피아이피 와이어는 상기 제1피아이피 풀리에 고정되어 감기며, 상기 제2피아이피 풀리와 제3피아이피 풀리를 거쳐 상기 엠피 롤 관절부의 회전축과 동축으로 배치되고, 상기 제4피아이피 풀리를 거쳐 하측으로 배치되며,
상기 제2피아이피 와이어는 상기 제1피아이피 풀리에 고정되어 상기 제1피아이피 와이어와 반대 방향으로 감기며, 상기 제3피아이피 풀리를 거쳐 상기 엠피 롤 관절부의 회전축과 동축으로 배치되고, 상기 제5피아이피 풀리를 거쳐 상기 제4피아이피 풀리를 1회전 한 후 하측으로 배치되는 것을 특징으로 하는 로봇 핸드.
제2항에 있어서,
상기 디아이피 관절부는 상기 제3구조체에 고정되어 피치 방향으로 회전하는 제1디아이피 풀리와, 상기 제2구조체에 연동되어 회전하는 제2디아이피 풀리를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 핸드.
제8항에 있어서,
상기 와이어는 일단은 상기 제1디아이피 풀리에 고정되어 감기며 타단은 상기 제2디아이피 풀리에 고정되어 감기는 제1디아이피 와이어와, 일단은 상기 제1디아이피 풀리에 고정되어 상기 제1디아이피 와이어와 반대 방향으로 감기며 타단은 상기 제2디아이피 풀리에 고정되어 상기 제1디아이피 와이어와 반대 방향으로 감기는 제2디아이피 와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 핸드.
제9항에 있어서,
상기 제1디아이피 와이어와 제2디아이피 와이어는 서로 교차하여 배치되는 것을 특징으로 하는 로봇 핸드.
제2항에 있어서,
상기 피아이피 관절부는 상기 제2구조체에 고정되어 피치 방향으로 회전하는 제11피아이피 풀리와, 상기 제11피아이피 풀리의 하측에 배치되어 상기 제1엠피 피치 풀리와 동축으로 자유롭게 회전하는 제12피아이피 풀리와, 상기 제12피아이피 풀리의 하측에 나란히 배치되어 자유롭게 회전하는 제13피아이피 풀리 및 제14피아이피 풀리를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 핸드.
제11항에 있어서,
상기 와이어는 상기 피아이피 관절부를 구동하는 제11피아이피 와이어 및 제12피아이피 와이어를 포함하고,
상기 제11피아이피 와이어는 상기 제11피아이피 풀리에 고정되어 감기며, 상기 제12피아이피 풀리를 거쳐 상기 엠피 롤 관절부의 회전축과 동축으로 배치되고, 상기 제13피아이피 풀리를 거쳐 하측으로 배치되며,
상기 제12피아이피 와이어는 상기 제11피아이피 풀리에 고정되어 상기 제11피아이피 와이어와 반대 방향으로 감기며, 상기 제12피아이피 풀리를 거쳐 상기 엠피 롤 관절부의 회전축과 동축으로 배치되고, 상기 제14피아이피 풀리를 거쳐 하측으로 배치되는 것을 특징으로 하는 로봇 핸드.
물건을 파지할 수 있도록 마련되는 로봇 핸드를 포함하는 로봇에 있어서,
상기 로봇 핸드는 베이스부와, 상기 베이스부에 결합되는 복수의 손가락 구조체와, 상기 복수의 손가락 구조체를 구동하는 구동부와, 상기 구동부로부터 상기 복수의 손가락 구조체로 구동력을 전달하는 와이어(wire)를 포함하고,
상기 손가락 구조체 각각은 상기 베이스부와 상기 손가락 구조체 사이를 연결하는 엠피(MP, meta phalangeal) 관절부를 포함하며,
상기 엠피 관절부는 롤(roll) 방향으로 회전하는 엠피 롤 관절부와, 피치(pitch) 방향으로 회전하는 엠피 피치 관절부를 포함하고,
상기 엠피 피치 관절부는 피치(pitch) 방향으로 회전하는 제1엠피 피치 풀리와, 상기 엠피 롤 관절부와 동축으로 자유롭게 회전하는 제2엠피 피치 풀리와, 상기 제1엠피 피치 풀리와 제2엠피 피치 풀리 사이에 배치되어 상기 제1엠피 피치 풀리와 동축으로 자유롭게 회전하는 제3엠피 피치 풀리 및 제4엠피 피치 풀리를 포함하며,
상기 엠피 롤 관절부와 엠피 피치 관절부는 상기 엠피 롤 관절부와 엠피 피치 관절부 중 어느 하나의 움직임이 다른 하나의 동작에 영향을 주는 것이 방지되도록, 서로 분리되어 배치되고,
상기 제3엠피 피치 풀리 및 상기 제4엠피 피치 풀리의 각각의 회전축은 상기 제1엠피 피치 풀리의 회전축에 대해 상기 제2엠피 피치 풀리의 회전축 방향으로 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 로봇.
제13항에 있어서,
상기 손가락 구조체 각각은 상기 엠피 피치 관절부와 연결되는 제1구조체와, 상기 제1구조체와 결합되는 제2구조체와, 상기 제2구조체와 결합되는 제3구조체와, 상기 제1구조체와 제2구조체 사이를 연결하며 피치(pitch) 방향으로 회전하는 피아이피(PIP, proximal interphalangeal) 관절부와, 상기 제2구조체와 제3구조체 사이를 연결하며 피치(pitch) 방향으로 회전하는 디아이피(DIP, distalinterphalangeal) 관절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇.
제14항에 있어서,
상기 제1엠피 피치 풀리는 상기 제1구조체에 고정되는 것을 특징으로 하는 로봇.
제15항에 있어서,
상기 와이어는 상기 엠피 피치 관절부를 구동하는 제1엠피 피치 와이어 및 제2엠피 피치 와이어를 포함하고,
상기 제1엠피 피치 와이어는 상기 제1엠피 피치 풀리에 고정되어 감기며, 상기 제3엠피 피치 풀리를 거쳐, 상기 제2엠피 피치 풀리를 1회전 한 후 하측으로 배치되고,
상기 제2엠피 피치 와이어는 상기 제1엠피 피치 풀리에 고정되어 상기 제1엠피 피치 와이어와 반대 방향으로 감기며, 상기 제4엠피 피치 풀리를 거쳐, 상기 제2엠피 피치 풀리를 상기 제1엠피 피치 와이어와 반대 방향으로 1회전 한 후 하측으로 배치되는 것을 특징으로 하는 로봇.
제13항에 있어서,
상기 엠피 롤 관절부는 롤 방향으로 회전하는 엠피 롤 풀리를 포함하고,
상기 와이어는 상기 엠피 롤 풀리에 일단이 고정되며 서로 반대 방향으로 감기는 제1엠피 롤 와이어 및 제2엠피 롤 와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇.
제14항에 있어서,
상기 피아이피 관절부는 상기 제2구조체에 고정되어 피치 방향으로 회전하는 제1피아이피 풀리와, 상기 제1피아이피 풀리의 하측에 배치되어 자유롭게 회전하는 제2피아이피 풀리와, 상기 제2피아이피 풀리의 하측에 배치되어 상기 제1엠피 피치 풀리와 동축으로 자유롭게 회전하는 제3피아이피 풀리와, 상기 제3피아이피 풀리의 하측에 나란히 배치되어 자유롭게 회전하는 제4피아이피 풀리 및 제5피아이피 풀리를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇.
제18항에 있어서,
상기 와이어는 상기 피아이피 관절부를 구동하는 제1피아이피 와이어 및 제2피아이피 와이어를 포함하고,
상기 제1피아이피 와이어는 상기 제1피아이피 풀리에 고정되어 감기며, 상기 제2피아이피 풀리와 제3피아이피 풀리를 거쳐 상기 엠피 롤 관절부의 회전축과 동축으로 배치되고, 상기 제4피아이피 풀리를 거쳐 하측으로 배치되며,
상기 제2피아이피 와이어는 상기 제1피아이피 풀리에 고정되어 상기 제1피아이피 와이어와 반대 방향으로 감기며, 상기 제3피아이피 풀리를 거쳐 상기 엠피 롤 관절부의 회전축과 동축으로 배치되고, 상기 제5피아이피 풀리를 거쳐 상기 제4피아이피 풀리를 1회전 한 후 하측으로 배치되는 것을 특징으로 하는 로봇.
제14항에 있어서,
상기 디아이피 관절부는 상기 제3구조체에 고정되어 피치 방향으로 회전하는 제1디아이피 풀리와, 상기 제2구조체에 연동되어 회전하는 제2디아이피 풀리를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇.
제20항에 있어서,
상기 와이어는 일측은 상기 제1디아이피 풀리에 고정되어 감기며 타측은 상기 제2디아이피 풀리에 고정되어 감기는 제1디아이피 와이어와, 일측은 상기 제1디아이피 풀리에 고정되어 상기 제1디아이피 와이어와 반대 방향으로 감기며 타측은 상기 제2디아이피 풀리에 고정되어 상기 제1디아이피 와이어와 반대 방향으로 감기는 제2디아이피 와이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇.
제21항에 있어서,
상기 제1디아이피 와이어와 제2디아이피 와이어는 서로 교차하여 배치되는 것을 특징으로 하는 로봇.