KR102210713B1

KR102210713B1 - 단방향 크립 보상기 및 그 보상기를 갖는 줄 꼬임 구동기

Info

Publication number: KR102210713B1
Application number: KR1020190135072A
Authority: KR
Inventors: 신동준; 김영진
Original assignee: 중앙대학교 산학협력단
Priority date: 2019-10-29
Filing date: 2019-10-29
Publication date: 2021-02-03

Abstract

본 발명은 본 발명은 단방향 크립 보상기 및 그 보상기를 갖는 줄 꼬임 구동기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 한 쌍의 줄 꼬임 유닛이 각각 서로 다른 방향으로 이동되면서 줄의 꼬임을 발생시키는 줄 꼬임 구동부와, 상기 줄 꼬임 구동부로부터 동력을 전달받아 양방향으로 구동 제어되는 관절부재와, 상기 관절부재의 출력축에 연결되어 상기 출력축의 양방향 구동을 직접 제어하는 보조 구동부를 포함하는 줄 꼬임 구동기에서, 상기 줄 꼬임 구동기의 크립을 보상하기 위한 보상기에 있어서, 수축 힘을 저장하여, 상기 크립 발생시, 상기 수축 힘을 구동줄에 인가하여 크립을 보상하는 탄성 구조체;를 포함하고, 상기 탄성구조체가 압축된 상태로 상기 탄성구조체 타단이 상기 줄 꼬임 유닛에 고정되는 탄성체 고정단과, 일단에는 상기 구동줄의 끝단이 체결되는 와이어고정부가 결합되고 타단에는 상기 탄성구조체의 일단이 결합되는 몸체를 포함하며, 상기 크립이 발생되면, 상기 구동줄의 장력이 상기 탄성구조체의 수축 힘보다 작아지게 되고, 상기 크립 발생시 상기 수축 힘에 의해 상기 와이어 고정부와 상기 몸체를 보상방향으로 이동시켜 상기 구동줄의 장력을 유지시키는 것을 특징으로 하는 단방향 크립 보상기.에 관한 것이다.

Description

단방향 크립 보상기 및 그 보상기를 갖는 줄 꼬임 구동기{Unidirectional creep compensator design to improve performance degradation of Twisted String Actuator}

본 발명은 단방향 크립 보상기 및 그 보상기를 갖는 줄 꼬임 구동기에 관한 것이다.

현재 시중에 판매되고 있는 사람과 협업하는 로봇들(human-robot interaction)은 높은 감속비의 무거운 기계적 감속기가 사용되고 있다. 하지만 인간 친화적인 로봇(human-friendly robot)은 무겁고 마찰이 큰 감속기를 대체할 수 있는 안전한 구동 기술이 필요하다. 그 중에서 줄 꼬임을 기반으로 한 구동기술은 가볍고 저렴한 섬유재질의 줄을 사용하고 유연성(compliance)를 보유해서 원천적으로 안전하다.

즉, 줄 꼬임 구동기는 기존 무겁고 부피가 큰 감속기 대신 가벼운 섬유 재질의 줄을 사용하여 원천적으로 안전하기 때문에 현재 많은 연구가 진행되고 있다.

종래의 줄 꼬임 구동기는 비대칭적인 구동 특성으로 인해 로봇 관절을 위한 양방향 거동을 위해서 두 개의 모터를 이용하거나 모터 하나로 두 축의 줄을 동시에 제어하는 기법을 사용한다.

두 방식의 줄 꼬임 구동기 모두 줄의 비선형성에 기반한 제어로 구동된다. 또한 줄 꼬임에 기반한 구동기들은 높은 컴플라이언스와 나선형으로 꼬인 구조로 인해 크립이라는 줄이 연장되는 현상이 발생한다.

감속기 양단의 큰 로드가 가해질 경우, 크립이 발생하여 동력 전달 손실을 유발하고, 반복성의 저하를 초래하게 된다.

기존의 장력을 조절하는 자동 인장기 및 보상기의 경우, 실린더 내에 삽입된 푸시로드에 압력 조정 스프링의 탄성력을 통해 벨트의 장력 변화를 흡수하도록 구성된다.

그러나 각 축에 스프링만을 이용하여 수동적으로 크립을 보상할 경우, 줄 꼬임 구동기의 비대칭적인 구동으로 인해 각 축의 직렬로 연결한 선형 스프링의 압축된 정도가 달라지게 된다. 따라서 로봇 관절의 회전이 제한되는 한계가 발생하고, 이로 인해, 줄의 크립은 보상하되 줄의 거동 특성에 미치는 영향은 최소화시키는 보상 방법이 필요하다.

그리고 플런저의 돌출방향으로 미는 플런저 밀기용 스프링에 라쳇기어를 이용하여 플런저의 진퇴방향과 직교하는 방향으로 미끄럼 이동하는 라쳇식 텐셔너를 사용하여 풀리벨트 장력을 조절하는 방식이 있다.

각 축에 라쳇과 스프링을 이용하여 크립을 보상할 경우, 라쳇 기어의 불연속적인 구조로 인해, 연속적으로 발생하는 크립의 보상이 어렵다. 연속적인 보상을 위해 라쳇 기어의 모듈을 줄이면 구동 시 발생하는 큰 힘을 견디기가 어려우므로 한계가 있다.

또한 브레이드기용으로 설계된 줄의 자동 장력 조절 장치의 경우, 태엽스프링으로 인해 장력을 조절하고 단방향 베어링을 통해 상기 태엽이 반대로 감기는 것을 방지하는 방식이 있다.

태엽스프링과 단방향 베어링을 이용하여 크립을 보상할 경우, 구동기에서 발생하는 큰 힘을 버티기 어렵고 비선형적인 보상을 유발할 수 있다. 또한 축과 보상 방향의 정렬을 위해 부피가 증가하는 문제점이 존재한다.

따라서 제어 성능의 유지와 반복성의 증가를 위해 줄의 비선형성을 유지하는 새로운 크립 보상 방법이 요구되었다.

대한민국 공개특허 10-2019-0062016 대한민국 등록특허 10-1910889 대한민국 공개특허 10-2019-0062017

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 추가적인 구동기 없이 탄성 구조체(선형스프링) 및 단방향 베어링, 랙 앤 피니언 기어를 이용하여 수동적이고 연속적인 크립 보상 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 줄 꼬임 구동기 등의 컴플라이언트한 재질의 감속기를 사용하는 구동기에서 필연적으로 발생하는 크립 현상을 보상하여 제어 성능을 유지하고 반복성의 저하를 해결할 수 있는 단방향 수동적 크립 보상기를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 실시예에 따르면 줄 꼬임 구동기의 제어성능 유지와 반복성의 증대로 가볍고 안전한 구동기의 폭넓은 적용 및 유지가 가능해지고, 인간 협업 로봇의 확산을 불러올 수 있는 단방향 크립 보상기를 제공하는데 그 목적이 있다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 제1목적은, 한 쌍의 줄 꼬임 유닛이 각각 서로 다른 방향으로 이동되면서 줄의 꼬임을 발생시키는 줄 꼬임 구동부와, 상기 줄 꼬임 구동부로부터 동력을 전달받아 양방향으로 구동 제어되는 관절부재와, 상기 관절부재의 출력축에 연결되어 상기 출력축의 양방향 구동을 직접 제어하는 보조 구동부를 포함하는 줄 꼬임 구동기에서, 상기 줄 꼬임 구동기의 크립을 보상하기 위한 보상기로서, 수축 힘을 저장하여, 상기 크립 발생시, 상기 수축 힘을 구동줄에 인가하여 크립을 보상하는 탄성 구조체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 단방향 크립 보상기로서 달성될 수 있다.

그리고 상기 탄성구조체가 압축된 상태로 상기 탄성구조체 타단이 상기 줄 꼬임 유닛에 고정되는 탄성체 고정단과, 일단에는 상기 구동줄의 끝단이 체결되는 와이어고정부가 결합되고 타단에는 상기 탄성구조체의 일단이 결합되는 몸체를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 크립이 발생되면, 상기 구동줄의 장력이 상기 탄성구조체의 수축 힘보다 작아지게 되고, 상기 크립 발생시 상기 수축 힘에 의해 상기 와이어 고정부와 상기 몸체를 보상방향으로 이동시켜 상기 구동줄의 장력을 유지시키는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 상기 줄 꼬임 유닛의 일측에 길이방향을 따라 형성되는 랙기어; 및 상기 몸체 일측에 구비되며 상기 랙기어에 맞물리는 피니언 기어;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 크립이 발생되면, 상기 구동줄의 장력이 상기 탄성구조체의 수축 힘보다 작아지게 되고, 상기 크립 발생시 상기 수축 힘에 의해 상기 피니언 기어가 상기 랙기어 기어 상에서 회전되어, 상기 와이어 고정부와 상기 몸체가 보상방향으로 이동되어 상기 구동줄의 장력을 유지시키는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 상기 피니언 기어에 구비되어, 상기 피니언 기어를 단방향으로만 회전구동되도록 하는 단방향 회전베어링을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 단방향 회전베어링을 통해 상기 피니언 기어가 단방향으로만 회전구동되어, 상기 몸체와 상기 와이어 고정부가 상기 보상방향으로만 이동되도록 하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 상기 줄 꼬임 유닛을 기준으로 상기 단방향 회전베어링과 대향되는 위치에 구비되는 노멀 베어링을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제2목적은, 한 쌍의 줄 꼬임 유닛이 각각 서로 다른 방향으로 이동되면서 줄의 꼬임을 발생시키는 줄 꼬임 구동부와, 상기 줄 꼬임 구동부로부터 동력을 전달받아 양방향으로 구동 제어되는 관절부재와, 상기 관절부재의 출력축에 연결되어 상기 출력축의 양방향 구동을 직접 제어하는 보조 구동부를 포함하는 줄 꼬임 구동기에서, 상기 줄 꼬임 구동기의 크립을 보상하기 위한 방법으로서, 상기 줄 꼬임 유닛의 탄성체 고정단과, 일단에 구동줄의 끝단이 체결되는 와이어고정부가 결합된 몸체 사이에 탄성구조체가 압축된 상태로 장착되는 단계; 정상 상태에서, 상기 줄 꼬임 구동기가 구동되는 단계; 및 상기 크립이 발생되면, 상기 구동줄의 장력이 상기 탄성구조체의 수축 힘보다 작아지게 되고, 상기 크립 발생시 상기 수축 힘에 의해 상기 와이어 고정부와 상기 몸체를 보상방향으로 이동시켜 상기 구동줄의 장력을 유지시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 크립 보상방법으로서 달성될 수 있다.

그리고 상기 줄 꼬임 유닛의 일측에 길이방향을 따라 형성되는 랙기어와, 상기 몸체 일측에 구비되며 상기 랙기어에 맞물리는 피니언 기어를 더 포함하여, 상기 유지시키는 단계에서, 상기 크립이 발생되면, 상기 구동줄의 장력이 상기 탄성구조체의 수축 힘보다 작아지게 되고, 상기 크립 발생시 상기 수축 힘에 의해 상기 피니언 기어가 상기 랙기어 기어 상에서 회전되어, 상기 와이어 고정부와 상기 몸체가 보상방향으로 이동되어 상기 구동줄의 장력을 유지시키는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 피니언 기어에 구비되어, 상기 피니언 기어를 단방향으로만 회전구동되도록 하는 단방향 회전베어링을 포함하여, 상기 유지시키는 단계에서, 상기 단방향 회전베어링을 통해 상기 피니언 기어가 단방향으로만 회전구동되어, 상기 몸체와 상기 와이어 고정부가 상기 보상방향으로만 이동되도록 하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고 상기 줄 꼬임 유닛을 기준으로 상기 단방향 회전베어링과 대향되는 위치에 구비되는 노멀 베어링을 포함하여, 상기 유지시키는 단계에서, 와이어 고정부에 작용하는 반작용 토크와 크립 보상방향과의 영향을 최소화하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제3목적은, 줄 꼬임 구동기에 있어서, 한 쌍의 줄 꼬임 유닛이 각각 서로 다른 방향으로 이동되면서 줄의 꼬임을 발생시키는 줄 꼬임 구동부; 상기 줄 꼬임 구동부로부터 동력을 전달받아 양방향으로 구동 제어되는 관절부재; 상기 관절부재의 출력축에 연결되어 상기 출력축의 양방향 구동을 직접 제어하는 보조 구동부; 및 상기 중 꼬임 유닛 일측 각각에 구비되는 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 따른 단방향 크립 보상기;를 포함하고, 상기 줄 꼬임 구동부는 제1 구동원에 의해 구동되고 상기 보조 구동부는 제2 구동원에 의해 구동되고, 상기 제2 구동원은 상기 제1 구동원에 비하여 빠른 응답속도를 가지고, 상기 제1 구동원은 상기 제2 구동원에 비하여 큰 토크를 가지는 것을 특징으로 하는 단방향 크립보상기를 갖는 줄 꼬임 구동기로서 달성될 수 있다.

그리고 상기 제1 구동원의 입력축에는 한 쌍의 기어가 맞물리고, 상기 기어는 상기 줄 꼬임 유닛과 각각 연동되어 동력을 전달하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한 상기 줄 꼬임 유닛의 타단부는 상기 줄 꼬임 구동부 측에 고정되고 일단부는 리니어 가이드 상에서 슬라이딩되는 로드셀에 고정되며, 상기 로드셀은 상기 줄 꼬임 구동부에 의해 발생한 토크를 감지하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 단방향 크립 보상기 및 그 보상기를 갖는 줄 꼬임 구동기에 따르면, 추가적인 구동기 없이 탄성 구조체(선형스프링) 및 단방향 베어링, 랙 앤 피니언 기어를 이용하여 수동적이고 연속적인 크립 보상 장치를 제공할 수 있는 효과를 갖는다.

본 발명의 실시예에 따른 단방향 크립 보상기에 따르면, 줄 꼬임 구동기 등의 컴플라이언트한 재질의 감속기를 사용하는 구동기에서 필연적으로 발생하는 크립 현상을 보상하여 제어 성능을 유지하고 반복성의 저하를 해결할 수 있는 효과를 갖는다.

본 발명의 실시예에 따른 단방향 크립 보상기 및 그 보상기를 갖는 줄 꼬임 구동기에 따르면, 줄 꼬임 구동기의 제어성능 유지와 반복성의 증대로 가볍고 안전한 구동기의 폭넓은 적용 및 유지가 가능해지고, 인간 협업 로봇의 확산을 불러올 수 있는 장점을 갖는다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 크립 보상기를 갖는 줄 꼬임 구동기의 정면도,
도 2는 본 발명의 실시예에 다른 단방향 크립 보상기의 정면도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 와이어 고정부가 보상방향으로 이동된 상태의 단방향 크립 보상기의 정면도를 도시한 것이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 단방향 크립 보상기(100) 및 그 보상기를 갖는 줄 꼬임 구동기(1)의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 줄 꼬임 구동 시 발생하는 크립으로 인한 동력 전달 성능 저하와 반복성 감소를 보상하기 위한 수동적인 크립 보상기(100)를 설계한 것이다.

이러한 단방향 크립 보상기(100)는 추가적인 구동기 없이 크립을 수동적으로 보상하기 위해 탄성 구조체(110)를 적용하였고, 구동줄(2)의 비선형성에 기반하여 설계된 줄 꼬임 구동기(1)의 성능 유지를 위해 랙 기어(121)와 피니언 기어(122), 그리고 단방향 회전 베어링(122)을 이용하여 크립 보상기(100)를 설계하였다.

이러한 본 발명의 실시예에 따른 단방향 크립 보상기(100)는 추가 구동기 없이 줄의 꼬임으로 발생하는 수축 힘을 저장하는 탄성구조체(110)와, 피니언 기어(120)에 단방향 회전 베어링(122)을 삽입해 랙 기어(121) 상에서 크립을 보상하는 방향으로만 이동하고 반대 방향의 움직임은 제한하여 줄 꼬임 구동기(1)의 성능을 유지할 수 있도록 구성된다. 이는. 인공근육 (PAM), 형상기억합금 (SMA) 또한 구동기로 사용 가능하다.

본 발명의 실시예에 따른 단방향 크립 보상기(100)의 구체적인 구성을 설명하기에 앞서, 크립 보상기(100)가 적용되는 줄 꼬임 구동기(1)의 정상상태에서의 작동과정에 대해 간략히 설명하도록 한다.

먼저 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 크립 보상기를 갖는 줄 꼬임 구동기(1)의 정면도를 도시한 것이다. 줄 꼬임 구동기(1)의 동작은 제1 구동원(22)의 구동에 의해 시작된다. 제1 구동원(22)이 구동되면 한 쌍의 기어(24)는 서로 반대방향으로 회전하게 되고, 이에 연동하여 줄 꼬임 유닛(30)이 서로 반대방향으로 회전된다.

예를 들어 상부에 위치한 줄 꼬임 유닛(30)은 꼬임이 발생하면서 수축되고, 하부에 위치한 줄 꼬임 유닛(30)은 꼬임이 풀어지면서 인장이 발생된다.

줄 꼬임 유닛(30)의 꼬임에 연동하여 와이어를 당기게 되면 캠풀리(54)가 회전되면서 관절부재(50)가 상방으로 회전될 수 있다. 이상에서 설명한 동작은 줄 꼬임 구동부(20)에 의한 매크로 액츄에이션이다. 매크로 액츄에이션에 의하면 큰 토크로 관절부재(50)의 회전이 이루어질 수 있다.

한편 매크로 액츄에이션에 의하면 관절부재(50)의 미세 제어가 어렵고 응답성이 느리기 때문에 이를 보상하기 위해 보조 구동부(40)가 구동된다. 제2 구동원(42)이 구동되면 관절부재(50)의 출력축(52)으로 직접 동력을 전달하게 되어 관절부재(50)의 응답성을 빠르게 할 수 있다. 이와 같이 보조 구동부(40)에 의한 고주파의 미니 액츄에이션이 이루어짐으로써, 매크로 액츄에이션을 보상하여 물리적 성능(힘, 토크)와 응답속도와 같은 제어적성능을 극대화할 수 있고, 작동범위에 구속받지 않고 모든 작동 구간 내에서 효율적인 구동이 가능하다.

이하에서는 앞서 언급한 줄 꼬임 구동기(1)의 줄 꼬임 유닛 각각에 설치되는 단방향 크립 보상기(100)의 구체적인 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 다른 단방향 크립 보상기(100)의 정면도를 도시한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 단방향 크립 보상기(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 수축 힘을 저장하여, 크립 발생시, 수축 힘을 구동줄(2)에 인가하여 크립을 보상하는 탄성 구조체(110)를 포함하여 구성됨을 알 수 있다. 이러한 탄성구조체(110)는 선형 스프링으로 구성될 수 있다.

그리고 탄성구조체(110)가 압축된 상태로 탄성구조체(110) 타단은 줄 꼬임 유닛의 탄성체 고정단(37)에 고정되고, 탄성구조체(110)의 일단은 몸체에 결합되게 된다. 또한, 이러한 몸체의 일단에는 구동줄(2)의 끝단이 체결되는 와이어고정부(3)가 결합된다.

크립으로 인한 길이를 보상하는 탄성 구조체(110)(선형 스프링)는 초기 조립 시, 압축된 상태로 결합되며, 이후 크립 발생 시, 구동줄(2)의 장력이 탄성력보다 낮을 경우, 크립 보상기(100) 내부의 와이어 고정부(3)가 이동하며 장력을 유지하게 된다.

즉, 크립이 발생되면, 구동줄(2)의 장력이 탄성구조체(110)의 수축 힘보다 작아지게 되고, 크립 발생시 수축 힘에 의해 와이어 고정부(3)와 몸체를 보상방향(도 2 기준으로 좌측)으로 이동시켜 구동줄(2)의 장력을 유지시키게 된다.

즉 구동줄(2)과 직렬로 연결되어있고 와이어 고정부(3)가 구동축선 상에 정렬되어 있다. 크립으로 인한 구동줄(2)의 장력이 감소하여 탄성구조체(110)의 수축힘(압축력)보다 작아지면 크립을 보상하는 방향으로 와이어 고정부(3)의 이동이 가능하도록 설계되어 있다. 하지만, 구동 시 발생하는 줄의 수축방향으로의 이동은 단방향 회전 베어링(122)으로 인해 불가하다.

줄 꼬임 구동기(1)는 구동줄(2)의 비선형성을 기반으로 설계된다. 단순히 탄성구조체(110)만을 이용하여 크립 보상을 하면 구동 중 발생하는 구동줄(2)의 비대칭적인 거동으로 인해 두 축의 탄성구조체(110)의 압축 길이가 달라지게 된다. 이는 로봇 관절의 회전 제한을 초래하며, 이러한 문제를 해결하고자 본 발명의 실시예에서는 랙 앤 피니언 구조와 단방향 회전 베어링(122)을 이용하여 줄이 수축하는 방향이 아닌, 크립이 보상되는 방향으로만 와이어 고정부(3)가 이동하도록 설계하였다. 또한 단방향 회전 베어링(122)은 연속적인 크립의 발생을 연속적으로 보상해주기 위해 적용되었다.

즉, 본 발명의 실시예에 따른 단방향 크립 보상기(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 줄 꼬임 유닛의 일측에 길이방향을 따라 형성되는 랙기어(121)와, 몸체 일측에 구비되며 랙기어(121)에 맞물리는 피니언 기어(120)를 포함하여 구성됨을 알 수 있다

도 3은 본 발명의 실시예에 따라 와이어 고정부(3)가 보상방향으로 이동된 상태의 단방향 크립 보상기(100)의 정면도를 도시한 것이다. 따라서 크립이 발생되면, 구동줄(2)의 장력이 탄성구조체(110)의 수축 힘보다 작아지게 되고, 이러한 크립 발생시 도 3에 도시된 바와 같이, 수축 힘에 의해 피니언 기어(120)가 랙기어(121) 상에서 회전되어, 와이어 고정부(3)와 몸체를 보상방향으로 이동되어 구동줄(2)의 장력을 유지시키게 된다.

그리고 피니언 기어(120)에는 단방향 회전베어링(122)이 구비되어, 피니언 기어(120)를 단방향으로만 회전구동되도록 한다. 즉 단방향 회전베어링(122)을 통해 피니언 기어(120)가 단방향으로만 회전구동되어, 몸체와 와이어 고정부(3)가 상기 보상방향으로만 이동되도록 한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 단방향 크립 보상기(100)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 줄 꼬임 유닛을 기준으로 상기 단방향 회전베어링(122)과 대향되는 위치에 노멀 베어링(130)이 구비됨을 알 수 있다.

이러한 노멀 베어링(130)을 통해, 와이어 꼬임으로 인한 와이어 고정부(3)에 발생하는 반작용 토크는 선형적으로 보상되는 방향에 대해 토크를 발생하기 때문에 이를 보상하기 위한 베어링 가이드 메커니즘으로 마찰을 최소화시켜 연속적인 움직임이 가능하다.

따라서 본 발명의 실시예에 따르면, 줄 꼬임 구동기(1)의 구동 중 발생하는 크립으로 인한 제어 성능 및 반복성의 저하를 단방향 수동성 크립 보상기(100)를 줄의 구동방향과 직렬로 구축하여 제어 성능 유지 및 반복성 증대할 수 있게 된다.

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

1 : 줄 꼬임 구동기
2 : 구동줄
3 : 와이어 고정부
4 : 몸체
10 : 프레임
20 : 줄 꼬임 구동부
22 : 제1 구동원
24 : 설치 프레임
26 : 기어
28 : 후크
30 : 줄 꼬임 유닛
32 : 로드셀
34 : 아이볼트
36 : 리니어 가이드
37 : 탄성체 고정단
40 : 보조 구동부
42 : 제2 구동원
44 : 입력축
46 : 베벨기어
50 : 관절부재
52 : 출력축
54 : 캠풀리
100 : 단방향 크립 보상기
110 : 탄성구조체
120 : 피니언 기어
121 : 랙 기어
122 : 단방향 회전 베어링
130 : 노멀 베어링

Claims

한 쌍의 줄 꼬임 유닛이 각각 서로 다른 방향으로 이동되면서 구동줄의 꼬임을 발생시키는 줄 꼬임 구동부와, 상기 줄 꼬임 구동부로부터 동력을 전달받아 양방향으로 구동 제어되는 관절부재와, 상기 관절부재의 출력축에 연결되어 상기 출력축의 양방향 구동을 직접 제어하는 보조 구동부를 포함하는 줄 꼬임 구동기에서, 상기 줄 꼬임 구동기의 크립을 보상하기 위한 보상기로서,
수축 힘을 저장하여, 상기 크립 발생시, 상기 수축 힘을 구동줄에 인가하여 크립을 보상하는 탄성 구조체;를 포함하고,
상기 탄성구조체는 탄성체 고정단과 몸체 사이에 압축된 상태로 고정되며, 상기 탄성체 고정단은 상기 줄 꼬임 유닛의 일단에 고정되고, 상기 몸체는 일단에 상기 구동줄의 끝단이 체결되는 와이어고정부가 결합되어,
상기 크립이 발생되면, 상기 구동줄의 장력이 상기 탄성구조체의 수축 힘보다 작아지게 되고, 상기 크립 발생시 상기 수축 힘에 의해 상기 와이어 고정부와 상기 몸체를 보상방향으로 이동시켜 상기 구동줄의 장력을 유지시키는 것을 특징으로 하는 단방향 크립 보상기.
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제 1항에 있어서,
상기 줄 꼬임 유닛의 일측에 길이방향을 따라 형성되는 랙기어; 및
상기 몸체 일측에 구비되며 상기 랙기어에 맞물리는 피니언 기어;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단방향 크립 보상기.
제 4항에 있어서,
상기 크립이 발생되면, 상기 구동줄의 장력이 상기 탄성구조체의 수축 힘보다 작아지게 되고, 상기 크립 발생시 상기 수축 힘에 의해 상기 피니언 기어가 상기 랙기어 기어 상에서 회전되어, 상기 와이어 고정부와 상기 몸체가 보상방향으로 이동되어 상기 구동줄의 장력을 유지시키는 것을 특징으로 하는 단방향 크립 보상기.
제 5항에 있어서,
상기 피니언 기어에 구비되어, 상기 피니언 기어를 단방향으로만 회전구동되도록 하는 단방향 회전베어링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단방향 크립 보상기.
제 6항에 있어서,
상기 단방향 회전베어링을 통해 상기 피니언 기어가 단방향으로만 회전구동되어, 상기 몸체와 상기 와이어 고정부가 상기 보상방향으로만 이동되도록 하는 것을 특징으로 하는 단방향 크립 보상기.
제 7항에 있어서,
상기 줄 꼬임 유닛을 기준으로 상기 단방향 회전베어링과 대향되는 위치에 구비되는 노멀 베어링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단방향 크립 보상기.
제 1항에 따른 단방향 크립 보상기를 이용한 크립 보상방법에 있어서,
한 쌍의 줄 꼬임 유닛이 각각 서로 다른 방향으로 이동되면서 구동줄의 꼬임을 발생시키는 줄 꼬임 구동부와, 상기 줄 꼬임 구동부로부터 동력을 전달받아 양방향으로 구동 제어되는 관절부재와, 상기 관절부재의 출력축에 연결되어 상기 출력축의 양방향 구동을 직접 제어하는 보조 구동부를 포함하는 줄 꼬임 구동기에서, 상기 줄 꼬임 구동기의 크립을 보상하기 위한 방법으로서,
상기 줄 꼬임 유닛의 일단에 고정되는 탄성체 고정단과, 일단에 상기 구동줄의 끝단이 체결되는 와이어고정부가 결합되는 몸체 사이에, 탄성구조체가 압축된 상태로 장착되는 단계;
정상 상태에서, 상기 줄 꼬임 구동기가 구동되는 단계; 및
상기 크립이 발생되면, 상기 구동줄의 장력이 상기 탄성구조체의 수축 힘보다 작아지게 되고, 상기 크립 발생시 상기 수축 힘에 의해 상기 와이어 고정부와 상기 몸체를 보상방향으로 이동시켜 상기 구동줄의 장력을 유지시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 크립 보상방법.
제 9항에 있어서,
상기 줄 꼬임 유닛의 일측에 길이방향을 따라 형성되는 랙기어와, 상기 몸체 일측에 구비되며 상기 랙기어에 맞물리는 피니언 기어를 더 포함하여,
상기 유지시키는 단계에서,
상기 크립이 발생되면, 상기 구동줄의 장력이 상기 탄성구조체의 수축 힘보다 작아지게 되고, 상기 크립 발생시 상기 수축 힘에 의해 상기 피니언 기어가 상기 랙기어 기어 상에서 회전되어, 상기 와이어 고정부와 상기 몸체가 보상방향으로 이동되어 상기 구동줄의 장력을 유지시키는 것을 특징으로 하는 크립 보상방법.
제 10항에 있어서,
상기 피니언 기어에 구비되어, 상기 피니언 기어를 단방향으로만 회전구동되도록 하는 단방향 회전베어링을 포함하여,
상기 유지시키는 단계에서,
상기 단방향 회전베어링을 통해 상기 피니언 기어가 단방향으로만 회전구동되어, 상기 몸체와 상기 와이어 고정부가 상기 보상방향으로만 이동되도록 하는 것을 특징으로 하는 크립 보상방법.
제 11항에 있어서,
상기 줄 꼬임 유닛을 기준으로 상기 단방향 회전베어링과 대향되는 위치에 구비되는 노멀 베어링을 포함하여,
상기 유지시키는 단계에서,
와이어 고정부에 작용하는 반작용 토크와 크립 보상방향과의 영향을 최소화하는 것을 특징으로 하는 크립 보상방법.
줄 꼬임 구동기에 있어서,
한 쌍의 줄 꼬임 유닛이 각각 서로 다른 방향으로 이동되면서 줄의 꼬임을 발생시키는 줄 꼬임 구동부;
상기 줄 꼬임 구동부로부터 동력을 전달받아 양방향으로 구동 제어되는 관절부재;
상기 관절부재의 출력축에 연결되어 상기 출력축의 양방향 구동을 직접 제어하는 보조 구동부; 및
상기 중 꼬임 유닛 일측 각각에 구비되는 제 1항, 제4 내지 제 8항 중 어느 한 항에 따른 단방향 크립 보상기;를 포함하고,
상기 줄 꼬임 구동부는 제1 구동원에 의해 구동되고 상기 보조 구동부는 제2 구동원에 의해 구동되고, 상기 제2 구동원은 상기 제1 구동원에 비하여 빠른 응답속도를 가지고, 상기 제1 구동원은 상기 제2 구동원에 비하여 큰 토크를 가지는 것을 특징으로 하는 단방향 크립보상기를 갖는 줄 꼬임 구동기.
제 13항에 있어서,
상기 제1 구동원의 입력축에는 한 쌍의 기어가 맞물리고, 상기 기어는 상기 줄 꼬임 유닛과 각각 연동되어 동력을 전달하는 것을 특징으로 하는 단방향 크립보상기를 갖는 줄 꼬임 구동기.
제 14항에 있어서,
상기 줄 꼬임 유닛의 타단부는 상기 줄 꼬임 구동부 측에 고정되고 일단부는 리니어 가이드 상에서 슬라이딩되는 로드셀에 고정되며, 상기 로드셀은 상기 줄 꼬임 구동부에 의해 발생한 토크를 감지하는 것을 특징으로 하는 단방향 크립보상기를 갖는 줄 꼬임 구동기.