KR20100077504A - 로봇용 관절구동장치 및 이를 구비한 로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명은 볼스크류장치와 와이어를 이용하여 동력을 전달하는 구조에서 아이들 풀리를 장착하여 와이어의 장력을 줌으로써 이동부재에 걸리는 와이어의 장력을 최소화하는 로봇구동장치 및 이를 구비한 로봇을 제공하는 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 관절구동장치는 정,역회전 가능하게 마련된 구동모터와, 상기 구동모터의 회전에 따라 직선 운동하는 한 쌍의 이동부재와, 상기 한 쌍의 이동부재에 양방향에서 연결되는 와이어와, 상기 와이어의 일측에서 회전 가능하게 설치되는 아이들 풀리와, 상기 와이어의 타측에서 회전 가능하게 설치되는 관절부와, 상기 와이어의 장력을 조절하는 조절유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

로봇용 관절구동장치 및 이를 구비한 로봇{ROBOT JOINT DRIVING APPARATUS AND ROBOT HAVING THE SAME}

본 발명은 로봇용 관절 구동 장치 및 이를 구비한 로봇에 관한 것으로, 보다 상세하게는 개선된 관절 구동구조를 구비한 로봇용 관절구동장치 및 이를 구비한 로봇에 관한 것이다.

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

이와 같은 로봇은 관절의 운동을 통해 달리기, 걷기 등의 보행동작 뿐만 아니라 다양한 동작을 구현하게 된다.

관절을 구동하는 방식으로는 모터 및 모터에 연결된 감속기를 이용하여 관절을 구동하는 방식과 와이어를 이용하여 관절을 구동하는 방식이 있다.

이 중 감속기를 이용하는 방식은 구동장치의 배치가 한정되고, 구동시 소음이 상대적으로 크게 발생하며 효율이 낮고 특히 역구동성이 좋지 않아서 인간과의 상호작용에서 단점이 있게 된다.

와이어를 이용하여 관절을 구동하는 방식은 감속기를 이용하는 방식의 경우 발생하는 상기 문제점을 어느 정도 해결할 수 있기 때문에 최근 도입되고 있다.

와이어를 이용하여 관절을 구동하는 방식의 일 예는 인간의 근육과 같은 구조의 액츄에이터를 구비하는데, 모터에 연결된 풀리에 와이어를 감아 당김으로써 회전 가능하게 설치된 관절을 회전시켜 이와 연결된 링크를 동작시킨다.

본 발명의 일 측면은 와이어를 이용한 관절구동장치에 있어서 제어를 용이하게 할 수 있는 구조의 로봇용 관절구동장치 및 이를 구비한 로봇을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 측면은 볼스크류장치와 와이어를 이용하여 동력을 전달하는 구조에서 아이들 풀리를 장착하여 와이어의 장력을 줌으로써 이동부재에 걸리는 와이어의 장력을 최소화하는 로봇용 관절구동장치 및 이를 구비한 로봇을 제공하는 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 관절구동장치는 정,역회전 가능하게 마련된 구동모터와, 상기 구동모터의 회전에 따라 직선 운동하는 한 쌍의 이동부재와, 상기 한 쌍의 이동부재에 양방향에서 연결되는 와이어와, 상기 와이어의 일측에서 회전 가능하게 설치되는 아이들 풀리와, 상기 와이어의 타측에서 회전 가능하게 설치되는 관절부와, 상기 와이어의 장력을 조절하는 조절유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 한 쌍의 이동부재가 나사 결합되는 한 쌍의 볼스크류부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 한 쌍의 이동부재 중 어느 하나가 나사 결합되는 볼스크류부와, 상기 한 쌍의 이동부재 중 다른 하나가 결합되도록 상기 볼스크류부와 나란하게 배치되는 가이드 바를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 한 쌍의 이동부재를 연결시켜 상기 한 쌍의 이동부재가 서로 동일한 방향으로 직선 운동하도록 하는 결합부재를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 아이들 풀리에는 상기 와이어의 장력을 측정하는 로드셀이 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 한 쌍의 볼스크류부는 상기 구동모터와 치차 결합되어 상기 구동모터의 구동에 따라 회전하는 것을 특징으로 한다.

또한, 가이드부는 상기 어느 하나의 이동부재가 직선으로 슬라이딩 운동할 수 있도록 가이드하는 것을 특징으로 한다.

또한, 결합부재에는 상기 와이어가 삽입되는 와이어 관통홀과, 상기 와이어가 체결핀에 의해 고정될 수 있게 와이어 체결홀이 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 아이들 풀리는 상기 조절유닛의 회전에 따라서 상하로 이동될 수 있도록 2개의 볼과 2개의 조절볼트로 결합되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 관절구동장치를 다른 측면에서 본다면, 구동모터 및 상기 구동모터에 연결된 기어부를 구비하는 구동부와, 상기 기어부와 치차결합하는 볼 스크류부와, 상기 볼 스크류부에 마련되어 상기 구동모터의 회전에 따라 직선 운동하는 이동부재와, 상기 이동부재에 고정되어 상기 이동부재의 이동에 따라 운동하도록 양쪽에서 적어도 한 가닥씩이 나란히 배치된 와이어와, 상기 와이어의 일측에 연결되는 아이들 풀리와, 상기 와이어의 타측에 연결되며 상기 아이들 풀리와 연동하여 상기 와이어의 운동에 따라 구동되는 관절부와, 상기 와이어의 장력을 조절하는 조절유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 아이들 풀리는 상기 와이어에 장력을 가할 수 있도록 연결구에 의해 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 와이어는 소정 장력을 유지할 수 있도록 상기 관절부의 외주부의 일측을 감싸는 것을 특징으로 한다.

또한, 이동부재의 직선 운동을 가이드하는 가이드 바를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 관절구동장치를 또 다른 측면에서 본다면, 정,역회전 가능한 구동모터와, 상기 구동모터와 결합하여 상기 구동모터의 제1방향 회전에 따라 직선 운동하는 제1이동부재를 구비하는 제1볼스크류장치와, 상기 구동모터와 결합하여 상기 제1방향 회전에 따라 상기 제1이동부재와 동일한 방향으로 직선 운동하는 제2이동부재를 구비하는 제2볼스크류장치와, 상기 제1,2이동부재에 양방향에서 연결되는 와이어와, 상기 와이어의 장력을 조절하기 위하여 상기 와이어의 일측에 감겨지는 아이들 풀리와, 상기 와이어의 타측에서 상기 와이어의 운동에 의해 회전 가능하게 결합되어 상기 구동모터의 구동에 따라 회전 운동하는 관절부와, 상기 와이어의 장력을 조절하는 조절유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 로봇은 적어도 하나의 관절부와, 상기 관절부의 구동을 위해 마련된 적어도 하나의 관절구동장치를 포함하는 로봇에 있어서, 상기 관절구동장치는 구동모터와, 상기 구동모터의 회전에 따라 직선 운동하는 한 쌍의 이동부재와, 상기 한 쌍의 이동부재에 양방향에서 연결되는 와이어와, 상기 와이어의 장력을 조절하는 아이들 풀리와, 상기 와이어에 의해 회전 가능하게 설치되는 관절 부와, 상기 와이어의 장력을 조절하는 조절유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 관절구동장치는 한 쌍의 볼스크류부를 더 포함하고, 상기 이동부재 각각은 상기 한 쌍의 볼스크류부 각각에 나사 결합하는 것을 특징으로 한다.

또한, 한 쌍의 이동부재 중 어느 하나가 나사 결합되는 볼스크류부와, 상기 한 쌍의 이동부재 중 다른 하나가 결합될 수 있도록 상기 볼스크류부와 나란하게 배치되는 가이드 바를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 한 쌍의 이동부재를 연결시켜 어느 하나의 이동부재와 다른 하나의 이동부재가 동일한 방향으로 직선 운동하도록 하는 결합부재를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 아이들 풀리에는 상기 와이어의 장력을 측정하는 로드셀이 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 한 쌍의 볼스크류부는 상기 구동모터와 치차 결합되어 상기 구동모터의 구동에 따라 회전하는 것을 특징으로 한다.

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

본 발명은 다양한 형태의 로봇에 적용 가능한 것이나, 이하에서는 인간형 로봇을 그 일 예로 하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인간형 로봇의 외관을 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 인간형 로봇의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 인간형 로봇(이하에서는 간단히 '로봇'이라 한다)(1)은 동체(胴體)(10)와, 동체(10)의 상부 양측에 연결되는 팔(20R, 20L)과, 동체(10)의 상단부에 연결되는 머리(30)와, 동체(10)의 하부 양측에 연결되는 다리(40R, 40L)를 구비한다. 양팔(20R, 20L)은 어깨관절 어셈블리(210R, 210L)를 통해 동체(10)에 연결되고, 머리(30)는 목(50)을 통해 동체(10)에 연결된다. 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(14, 도 2 참조)가 설치될 수 있다. 경사센서(14)는 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 관절(15)이 설치될 수 있다. 도 2에서는 동체(10)를 동체링크로서 간략히 도시하였다.

양측 팔(20R, 20L)은 상박링크(21), 하박링크(22) 및 손(23)을 구비한다. 상박링크(21)는 어깨관절 어셈블리(210)를 통해 동체(10)에 연결된다. 상박링크(21)와 하박링크(22)는 팔꿈치관절부(220)를 통해 서로 연결되고, 하박링크(22)와 손(23)은 손목관절부(230)를 통해 서로 연결된다.

팔꿈치관절부(220)는 피치 방향의 회전관절(221)과, 요 방향의 회전관절(222)을 포함하여 2 자유도를 가지고, 손목관절부(230)는 피치 방향의 회전관절(231)과 롤 방향의 회전관절(232)을 포함하여 2 자유도를 가질 수 있다.

손(23)에는 5개의 손가락(23a)이 설치된다. 각각의 손가락(23a)에는 모터에 의해 구동되는 다수의 관절(미도시)들이 설치될 수 있다. 손가락(23a)은 팔(20)의 움직임에 연동하여 물건을 파지하거나 특정 방향을 가리키는 것과 같은 다양한 동작을 실행한다.

어깨관절 어셈블리(210R, 210L)는 동체(10)의 양측에 장착되어 양팔(20R, 20L)을 동체(10)에 연결한다. 두 어깨관절 어셈블리(210R, 210L)는 로봇(1)의 동체(10)와 팔(20R, 20L) 사이에 배치되어 팔(20R, 20L)을 움직인다.

머리(30)에는 로봇(1)의 시각으로서 기능하는 카메라(31)와, 청각으로서 기능하는 마이크로폰(32)이 설치될 수 있다.

머리(30)는 목관절부(310)를 통해 동체(10)와 연결된다. 목관절부(310)는 요 방향의 회전관절(311), 피치 방향의 회전관절(312) 및 롤 방향의 회전관절(313)을 포함하여 3 자유도를 가질 수 있다.

목관절부(310)의 각각의 회전관절(311)(312)(313)에는 머리 회전용 모터들(미도시)이 연결된다. 제어유닛(12)은 각각의 모터들을 제어하여 회전관절들(311)(312)(313)을 적정 각도로 구동함으로써 머리(30)를 원하는 방향으로 움직일 수 있다.

양측 다리(40R, 40L)는 각각 대퇴링크(41), 하퇴링크(42) 및 발(43)을 구비한다. 대퇴링크(41)는 대퇴관절부(410)를 통해 동체(10)에 연결된다. 대퇴링크(41)와 하퇴링크(42)는 무릎관절부(420)룰 통해 서로 연결되고, 하퇴링크(42)와 발(43)은 발목관절부(430)를 통해 서로 연결된다.

대퇴관절부(410)는 3 자유도를 가진다. 구체적으로 대퇴관절부(410)는 요(yaw) 방향(Z축 주위의 회전)의 회전관절(411)과, 피치(pitch) 방향(Y축 주위의 회전)의 회전관절(412)과, 롤(roll) 방향(X축 주위의 회전)의 회전관절(413)을 가질 수 있다.

무릎관절부(420)는 피치 방향의 회전관절(421)을 포함하여 1 자유도를 가진다. 발목관절부(430)는 피치 방향과 롤 방향의 회전관절(431)(432)을 포함하여 2자유도를 가진다.

이와 같이, 각각의 다리(40R, 40L)에는 세 관절부에 대해 6개의 회전관절이 마련되므로, 다리 전체에 대해서는 12개의 회전관절이 마련된다. 도면에 도시되지는 않았으나, 각각의 다리(40R, 40L))에는 각 회전관절을 구동하는 모터들이 설치된다. 제어유닛(12)은 다리(40R, 40L)에 마련된 모터들을 적절히 제어함으로써 로봇(1)의 보행을 비롯하여 다리(40R, 40L)의 다양한 동작을 구현할 수 있다.

한편, 양측 다리(40R, 40L)에서 발(43)과 발목관절부(430)의 사이에는 다축 F/T센서(Multi-Axis Force and Torque Sensor)(44)가 각각 설치된다. 다축 F/T센서(44)는 발(43)로부터 전달되는 힘의 3방향성분(Fx, Fy, Fz)과 모멘트의 3방향성분(Mx, My, Mz)을 측정함으로써 발(43)의 착지 여부 및 발(43)에 가해지는 하중을 검출한다.

이와 같은 로봇은 각 관절들을 구동시키기 위한 관절구동장치(500)가 마련된다. 관절구동장치(500)는 팔, 다리, 목 등 다양한 관절에 적용가능하지만 이하에서는 다리의 무릎관절부 및 발목관절부에 적용되는 경우를 일 예로 하여 설명하도록 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무릎 관절구동장치를 나타내는 사시도이고, 도 4는 도 3의 무릎 관절구동장치를 분해하여 나타내는 사시도이다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 관절구동장치(500)는 정, 역회전 가능하게 마련된 구동모터(510)와, 구동모터(510)와 결합하여 구동모터(510)의 회전에 따라 직선 운동하는 한 쌍의 이동부재(533,543)를 구비하는 한 쌍의 볼스크류장치(520)와, 한 쌍의 이동부재(533,543)에 양 방향에서 연결되는 와이어(550)와, 상기 와이어(550)의 일측에 회전 가능하게 설치되는 아이들 풀리(561)와, 상기 와이어(550)의 타측에서 회전 가능하게 설치되는 무릎관절부(420)를 포함하여 구성된다.

구동모터(510)는 정,역 방향으로 회전 가능한 것으로 마련되고, 구동모터(510)에는 모터기어(511)가 마련된다. 구동모터(510)는 모터 브라켓(512)에 설치되어 프레임(513)에 체결될 수 있다. 그리고, 모터기어(511)에는 구동모터(510)의 구동력을 전달받기 위한 구동기어(514)가 치합될 수 있다.

볼스크류장치(520)는 구동기어(514)와 치합하여 구동모터(510)가 정방향 또는 역방향으로 회전하는 경우 상하로 직선 운동하는 이동부재(533,543)를 구비한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 볼스크류장치(520)는 구동기어(514)와 치합하여 구동모터(510)가 회전하는 경우 상하로 직선 운동하는 제1이동부재(533)를 구비하는 제1볼스크류장치(530)와, 구동기어(514)와 치합하여 구동모터(510)가 회전하는 경우 제1이동부재(533)에 동일한 방향으로 따라서 상하로 직선 운동하는 제2이동부재(543)를 구비하는 제2볼스크류장치(540)를 포함한다.

제1볼스크류장치(530)는 구동기어(514)와 치합하는 제1기어부(531)와, 제1기어부(531)와 일체로 마련되며 외주에 나사부가 형성된 제1볼스크류부(532)와, 제1볼스크류부(532)의 회전에 의해 제1볼스크류부(532)를 따라 진퇴하는 제1이동부재(533)를 포함한다.

제2볼스크류장치(540)는 구동기어(514)와 치합하는 제2기어부(541)와, 제2기어부(541)와 일체로 마련되며 외주에 나사부가 형성된 제2볼스크류부(542)와, 제2볼스크류부(542)의 회전에 의해 제2볼스크류부(542)를 따라 진퇴하는 제2이동부재(543)를 포함한다.

제1,2이동부재(533,543)는 대략 직육면체 형상으로 마련되는데, 제1이동부재(533)는 제1볼스크류장치(530)의 제1볼스크류부(532)에 나사 결합되고, 제2이동부재(543)는 제2볼스크류장치(540)의 제2볼스크류부(542)에 나사 결합된다.

제1이동부재(533)와 제2이동부재(543)의 사이에는 제1,2이동부재(533,543)를 결합시키도록 결합부재(521)가 마련된다. 결합부재(521)에 의해 제1,2이동부재(533,543)는 연동하여 서로 동일한 방향으로 직선 운동할 수 있게 된다. 그리고, 구동모터(510)의 구동시 제1,2이동부재(533,543)는 회전 운동하는 것 없이 상하로 직선 운동만이 가능하게 된다.

결합부재(521)에는 그 상측과 하측에 와이어(550)가 결합될 수 있도록 와이어 관통공(521a)이 구비된다. 또한, 결합부재(521)에는 상하측의 와이어 관통 공(521a)으로 각각 결합된 와이어(550)를 이동부재(533,543)에 체결하기 위한 와이어 체결공(521b)이 구비된다. 와이어 관통공(521a)에 끼워진 와이어(550)는 와이어 체결공(521b)을 통하여 결합되는 체결핀(522)으로 결합부재(521)에 고정될 수 있다.

결합부재(521)에 연결된 제1,2이동부재(533,543)는 서로 동일한 방향을 따라서 직선으로 진퇴 운동하도록 마련되는데, 이를 위해 제1,2볼스크류부(532,542)는 서로 동일하게 오른 나사부로 형성되거나 또는 서로 동일하게 왼나사부로 형성될 수 있다. 여기서, 미설명부호 523은 제1,2볼스크류장치(520)를 커버할 수 있도록 프레임 홀(513a)에 결합되는 상측 플랜지이며, 미설명부호 513b는 와이어(550)가 플랜지(513)를 관통할 수 있도록 설치되는 홀이다.

와이어(550)는 구동모터(510)의 구동력으로 무릎관절부(420)를 회전시킬 수 있도록 소정의 장력을 유지하면서 아이들 풀리(561)와 무릎관절부(420)에 연결된다. 와이어(550)는 바람직하게는 스틸재질로 마련되어, 원반형의 아이들 풀리(561)와 무릎관절부(420)를 감싸도록 설치된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 와이어(550)에는 그 일측단에 오른나사부(555a)를 가지며, 그 타측단에 왼나사부(555b)를 가지는 조절유닛(555)이 구비될 수 있다. 그리고, 조절유닛의 양측으로는 오른나사부(555a)와 왼나사부(555b)를 수용하는 암나사(556)가 마련된다. 조절유닛(555)의 오른나사부(555a)와 왼나사부(555b)는 조절부(555c)에 의해 시계방향 또는 반시계방향으로 회전됨에 따라서, 무릎관절부(420)와 아이들 풀리(561) 사이에 감겨진 와이어(550)의 상대적 길이가 가변되어 장력을 조절할 수 있게 된다.

와이어(550)는 조절유닛(555)을 통하여 그 일측단의 오른나사부(555a)와 타측단의 왼나사부(555b)를 결합하여 두 가닥이 나란히 배치된 형태로 조립될 수 있다. 조립이 완료된 와이어(550)는 아이들 풀리(561)의 외주 상측과 무릎관절부(420)의 외주 하측을 감싸도록 설치된다. 즉, 와이어(550)의 일단부(554)는 무릎관절부(420)가 구동모터(510)의 동력을 전달받을 수 있도록 무릎관절부(420)에 감기도록 설치되고, 와이어(550)의 타단부(553)는 와이어(550)의 장력 조절을 위해 별도로 설치되는 아이들 풀리(561)에 감기도록 설치된다.

도 5는 제1,2이동부재와 와이어의 결합관계를 나타낸 단면도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 두 가닥으로 된 와이어(550)는 결합부재(521)에 체결될 수 있도록 제1단부(551)와 제2단부(552)를 형성한다. 와이어(550)의 제1단부(551)는 결합부재(521)의 상측에 형성된 와이어 관통공(521a)에 삽입되어 상측의 와이어 체결공(521b)에 체결핀(522)을 체결함으로써 결합부재(521)에 고정되며, 제2단부(552)는 결합부재(521)의 하측에 형성된 와이어 관통공(521a)에 삽입되어 하측의 와이어 체결공(521b)에 체결핀(522)을 체결함으로써 결합부재(521)에 고정될 수 있다. 여기서, 이동부재(533,543)는 와이어(550)의 양방향에서 연결되므로 와이어(550)가 이동부재(533,543)를 한 방향에서 당김으로 인하여 이동부재(533,543)와 볼스크류부(32,542) 사이의 반력 증가에 따라 발생하는 구동모터(510)의 부하가 증대될 수 있는 문제를 최소로 할 수 있게 된다.

도 6a 및 도 6b는 아이들 풀리 조립체를 도시한 도면이다. 도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 아이들 풀리 조립체(560)는 와이어(550)의 이동에 연동되어 회전하게 되는 아이들 풀리(561)와, 아이들 풀리(561)를 프레임(513)에 결합하는 체결판(562)으로 구성되어 있다.

아이들 풀리(561)는 와이어(550)에 감기는 회전부(561a)와, 회전부(561a)에 축이음되어 회전부(561a)의 일부를 감싸는 커버(561b)를 포함한다. 그리고, 커버(561b)와 체결판(562)의 사이에는 연결판(563)이 마련된다.

아이들 풀리(561)는 원주형의 둘레에 소정깊이로 와이어 홈이 형성되고, 와이어 홈의 외주면에는 나사산이 형성된다. 와이어 홈은 두 가닥이 나란히 배치된 와이어에 결합될 수 있도록 2개의 홈으로 마련될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 아이들 풀리(561)의 와이어 홈의 개수가 2개라고 하였으나, 본 발명은 와이어 홈의 개수는 2개로 마련된 것에 한정되지 않고 와이어(550)의 길이 및 아이들 풀리(561)의 크기에 따라서 무릎관절부(420)의 회전 정도를 조절할 수 있도록 하는 임의의 개수로 이해되어야 할 것이다.

커버(561b)의 일측에 마련된 체결홈(564a)에는 아이들 풀리(561)가 와이어(550)에 장력을 가하는 방향으로 이동될 수 있도록 연결구(564,565)가 설치된다. 연결구(564,565)는 2개의 조절볼트(564)와 2개의 볼(565)로 마련되어 체결홈(564a)에 결합될 수 있다. 즉, 2개의 조절볼트(564)를 체결홈(564a)에 결합시키고 2개의 볼(565)을 체결홈(564a)에 결합시켜서 와이어(550)의 조절유닛(555)를 통하여 아이들 풀리(561)를 미세하게 이동시켜서 와이어(550)가 일정한 장력을 유지할 수 있게 된다.

다시 말하면, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 커버(561b)의 상부에 마련된 체결홈(564a)에 조절볼트(564)가 체결된 상태에서 와이어(550)의 조절유닛(555)을 제1방향(D1)으로 회전하면, 커버(561b)의 선단에 연결된 볼(565)과 조절볼트(564)의 상호작용에 의해 아이들 풀리(561)가 상승하게 되어 와이어(550)의 장력을 긴밀하게 할 수 있다.

다만, 본 발명의 실시예에 따른 조절구(564,565)는 텐션을 가진 조절볼트(미도시)만으로 마련되어 아이들 풀리(561)를 상측으로 이동되게 하여 와이어(550)의 장력을 조절할 수 있도록 구비될 수 있음은 물론이다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 조절구는 많은 다른 형상 및 위치에서 실시하는 것이 가능하고, 본 발명의 취지 및 범위에서 벗어나지 않고 그 형태 및 상세한 것을 다양하게 변경할 수 있다는 것은 당업자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다.

무릎관절부(420)는 아이들 풀리(561)와 연동하여 와이어(560)에 의해 회전 가능하도록 결합된다. 무릎관절부(420)는 와이어(550)에 연동하여 회전하는 회전관절부(421)와, 회전관절부(421)의 외측을 감싸는 관절커버(422)와, 관절커버(422)의 상측에서 마련된 관절체결판(423)을 구비한다.

회전관절부(421)는 두 가닥의 와이어(550)가 나란히 배치되어 감길 수 있도록 2개의 와이어 홈을 구비할 수 있다.

관절체결판(423)은 관절커버(422)의 상측에서 상하 방향으로 마련되어 프레임(513)에 결합된다. 그리고, 관절체결판(423)의 일측에는 커버(561b)의 상측에서 길이방향으로 구비된 관절관절지지판(424)이 마련된다. 관절지지판(424)의 양단에 는 제1,2볼스크류부(532,542)를 커버하는 하측 플랜지(524)가 결합될 수 있도록 결합홀(424a)이 마련되며, 양단의 결합홀(424a)의 사이에는 회전관절부(421)에 감겨지는 두 가닥의 와이어(550)가 통과할 수 있도록 하는 와이어 통과홀(424b)이 마련된다.

미설명부호 425는 와이어(550)를 회전관절부(421)에 밀착 고정하여 와이어(550)가 회전관절부(421)와 상대운동하지 않도록 하는 클램프이다.

다음, 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 관절구동장치의 동작에 대하여 살펴본다.

도 7에 도시된 바와 같이, 구동모터(510)가 정방향으로 회전하면 제1이동부재(533)는 제1볼스크류부(532)를 따라 A방향으로 이동하며, 이와 동시에 결합부재(521)에 의해 제1이동부재(533)에 연결된 제2이동부재(543)는 제2볼스크류부(542)를 따라 A방향으로 이동한다. 그리고, 결합부재(미도시)에 고정된 와이어(550)는 제1,2이동부재(533,543)의 이동에 따라 상하로 직선 운동하게 되므로 무릎관절부(420)가 B방향으로 회전된다.

또한, 구동모터(510)가 역방향으로 회전하면 제1,2이동부재(533,543)가 구동모터(510)의 정방향 회전시의 운동방향과 반대방향으로 운동하고, 이와 결합된 와이어(550) 역시 반대방향으로 운동하여 아이들 풀리(561)와 무릎관절부(420)가 반대방향으로 회전된다.

상기와 같은 구성으로 본 발명의 일 실시예는 단일의 구동모터를 이용하여 와이어와 결합하는 무릎 관절부를 안정적으로 회전시키게 된다. 또한, 아이들 풀리 를 장착하여 와이어의 장력을 줌으로써 이동부재에 걸리는 와이어의 장력을 최소화하게 되는 효과가 있다.

다음은 본 발명의 제2실시예에 따른 관절구동장치 및 이를 구비하는 로봇에 대해 설명하기로 한다.

도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 무릎 관절구동장치의 일부를 나타내는 사시도이다. 본 발명이 제2실시예에 따른 관절구동장치 중 일 실시예와 동일한 구성은 동일한 도면 부호를 부여하고 그 설명을 생각하기로 한다.

본 발명의 제2실시예에 따른 관절구동장치(500')는 정, 역회전 가능하게 마련된 구동모터(510)와, 상기 구동모터(510)의 회전에 따라 직선 운동하는 한 쌍의 이동부재(533,543)와, 상기 한 쌍의 이동부재(533,543)에 연결되는 와이어(550)와, 상기 와이어(550)의 일측에서 회전 가능하게 설치되는 아이들 풀리 조립체(560')와, 상기 와이어(561)의 타측에서 회전 가능하게 설치되는 무릎관절부(420)와, 와이어(550)의 장력을 측정하는 로드셀(570)과, 상기 로드셀(570)에 전기적으로 연결되어 그 출력값을 받아들이고 그 출력값을 기준값과 비교하여 신호를 발생하는 제어부(580)와, 상기 와이어(550)의 장력을 조절하는 조절유닛(555)를 포함하여 구성된다.

따라서, 와이어(550)가 느슨하게 되면 아이들 풀리 조립체(560')에 설치된 로드셀(570)이 장력을 측정하고 제어부(580)를 통하여 신호가 외부로 발생하게 되므로, 사용자는 조절유닛(555)을 통하여 아이들 풀리 조립체(560')와 무릎관절부(420) 사이에 감겨진 와이어(550)의 장력을 조절할 수 있게 된다.

다음은 본 발명의 제3실시예에 따른 관절구동장치 및 이를 구비하는 로봇에 대해 설명하기로 한다.

도 9는 본 발명의 제3실시예에 따른 무릎 관절구동장치의 일부를 나타내는 사시도이다. 본 발명이 다른 실시예에 따른 관절구동장치 중 일 실시예와 동일한 구성은 동일한 도면 부호를 부여하고 그 설명을 생각하기로 한다.

본 발명의 제3실시예에 따른 관절구동장치의 볼스크류장치(520')는 도 9에 도시된 바와 같이 제1볼스크류부(530)와 평행하게 배치되는 가이드바(540')를 포함하여 구성된다.

가이드바(540')는 제1볼스크류부(530)와 평행하게 배치되어 제2이동부재(543)에 동력 전달하지 아니한 채 제1,2이동부재(533,543)가 상하로 직선 운동이 가능하도록 회전하는 것을 방지하게 된다. 즉, 가이드바(540')는 제1,2이동부재(533,543)의 슬라이딩 운동을 가이드하게 된다. 따라서 구동모터(510)의 구동시 제1,2이동부재(533,543)가 회전 운동하는 것 없이 상하를 따라서 직선으로 진퇴운동만이 가능하게 된다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 관절구동장치 및 이를 구비한 로봇은 와이어를 이용하여 관절을 용이하게 제어할 수 있음은 물론 아이들 풀리를 장착하여 와이어의 장력을 줌으로써 이동부재에 걸리는 와이어의 장력을 최소화하는 것을 기본적인 기술적 사상으로 하고 있음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이다.

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

도 2는 도 1의 인간형 로봇의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 무릎 관절구동장치를 나타낸 사시도이다.

도 4는 도 3의 무릎 관절구동장치를 분해하여 나타낸 사시도이다.

도 5는 도 3에 도시된 제1,2이동부재와 와이어의 결합관계를 나타낸 단면도이다.

도 6a 및 도 6b는 도 3에 도시된 아이들 풀리 조립체를 나타낸 도면이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 관절구동장치의 동작을 나타낸 도면이다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 무릎 관절구동장치를 나타낸 사시도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호 설명*

10 : 동체 20R, 20L : 팔

30 : 머리 40R, 40L : 다리

420 : 무릎관절부 431 : 피치 방향 회전관절

500 : 관절구동장치 510 : 구동모터

520, 520' : 볼스크류장치 530 : 제1볼스크류장치

540 : 제2볼스크류장치 550 : 와이어

560 : 아이들 풀리 조립체

Claims (20)

1. 정,역회전 가능하게 마련된 구동모터와,

   상기 구동모터의 회전에 따라 직선 운동하는 한 쌍의 이동부재와,

   상기 한 쌍의 이동부재에 양방향에서 연결되는 와이어와,

   상기 와이어의 일측에서 회전 가능하게 설치되는 아이들 풀리와,

   상기 와이어의 타측에서 회전 가능하게 설치되는 관절부와,

   상기 와이어의 장력을 조절하는 조절유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇용 관절구동장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 한 쌍의 이동부재가 나사 결합되는 한 쌍의 볼스크류부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇용 관절구동장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 한 쌍의 이동부재 중 어느 하나가 나사 결합되는 볼스크류부와, 상기 한 쌍의 이동부재 중 다른 하나가 결합되도록 상기 볼스크류부와 나란하게 배치되는 가이드 바를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇용 관절구동장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 한 쌍의 이동부재를 연결시켜 상기 한 쌍의 이동부재가 서로 동일한 방향으로 직선 운동하도록 하는 결합부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇용 관절구동장치.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 아이들 풀리에는 상기 와이어의 장력을 측정하는 로드셀이 설치되는 것을 특징으로 하는 로봇용 관절구동장치.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 한 쌍의 볼스크류부는 상기 구동모터와 치차 결합되어 상기 구동모터의 구동에 따라 회전하는 것을 특징으로 하는 로봇용 관절구동장치.
7. 제 3항에 있어서,

   상기 가이드부는 상기 어느 하나의 이동부재가 직선으로 슬라이딩 운동할 수 있도록 가이드하는 것을 특징으로 하는 로봇용 관절구동장치.
8. 제 4항에 있어서,

   상기 결합부재에는 상기 와이어가 삽입되는 와이어 관통홀과, 상기 와이어가 체결핀에 의해 고정될 수 있게 와이어 체결홀이 구비되는 것을 특징으로 하는 로봇용 관절구동장치.
9. 제 5항에 있어서,

   상기 아이들 풀리는 상기 조절유닛의 회전에 따라서 상하로 이동될 수 있도록 2개의 볼과 2개의 조절볼트로 결합되는 것을 특징으로 하는 로봇용 관절구동장치.
10. 구동모터 및 상기 구동모터에 연결된 기어부를 구비하는 구동부와,

    상기 기어부와 치차결합하는 볼 스크류부와,

    상기 볼 스크류부에 마련되어 상기 구동모터의 회전에 따라 직선 운동하는 이동부재와,

    상기 이동부재에 고정되어 상기 이동부재의 이동에 따라 운동하도록 양쪽에서 적어도 한 가닥씩이 나란히 배치된 와이어와,

    상기 와이어의 일측에 연결되는 아이들 풀리와,

    상기 와이어의 타측에 연결되며 상기 아이들 풀리와 연동하여 상기 와이어의 운동에 따라 구동되는 관절부와,

    상기 와이어의 장력을 조절하는 조절유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 관절구동장치.
11. 제 10항에 있어서,

    상기 아이들 풀리는 상기 와이어에 장력을 가할 수 있도록 연결구에 의해 설 치되는 것을 특징으로 하는 로봇용 관절구동장치.
12. 제 10항에 있어서,

    상기 와이어는 소정 장력을 유지할 수 있도록 상기 관절부의 외주부의 일측을 감싸는 것을 특징으로 하는 로봇용 관절구동장치.
13. 제 10항에 있어서,

    상기 이동부재의 직선 운동을 가이드하는 가이드 바를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇용 관절구동장치.
14. 정,역회전 가능한 구동모터와,

    상기 구동모터와 결합하여 상기 구동모터의 제1방향 회전에 따라 직선 운동하는 제1이동부재를 구비하는 제1볼스크류장치와,

    상기 구동모터와 결합하여 상기 제1방향 회전에 따라 상기 제1이동부재와 동일한 방향으로 직선 운동하는 제2이동부재를 구비하는 제2볼스크류장치와,

    상기 제1,2이동부재에 양방향에서 연결되는 와이어와,

    상기 와이어의 장력을 조절하기 위하여 상기 와이어의 일측에 감겨지는 아이들 풀리와,

    상기 와이어의 타측에서 상기 와이어의 운동에 의해 회전 가능하게 결합되어 상기 구동모터의 구동에 따라 회전 운동하는 관절부와,

    상기 와이어의 장력을 조절하는 조절유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇용 관절구동장치.
15. 적어도 하나의 관절부와, 상기 관절부의 구동을 위해 마련된 적어도 하나의 관절구동장치를 포함하는 로봇에 있어서,

    상기 관절구동장치는 구동모터와, 상기 구동모터의 회전에 따라 직선 운동하는 한 쌍의 이동부재와, 상기 한 쌍의 이동부재에 양방향에서 연결되는 와이어와, 상기 와이어의 장력을 조절하는 아이들 풀리와, 상기 와이어에 의해 회전 가능하게 설치되는 관절부와, 상기 와이어의 장력을 조절하는 조절유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇.
16. 제 15항에 있어서,

    상기 관절구동장치는 한 쌍의 볼스크류부를 더 포함하고, 상기 이동부재 각각은 상기 한 쌍의 볼스크류부 각각에 나사 결합하는 것을 특징으로 하는 로봇.
17. 제 15항에 있어서,

    상기 한 쌍의 이동부재 중 어느 하나가 나사 결합되는 볼스크류부와, 상기 한 쌍의 이동부재 중 다른 하나가 결합될 수 있도록 상기 볼스크류부와 나란하게 배치되는 가이드 바를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇.
18. 제 15항에 있어서,

    상기 한 쌍의 이동부재를 연결시켜 어느 하나의 이동부재와 다른 하나의 이동부재가 동일한 방향으로 직선 운동하도록 하는 결합부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇.
19. 제 15항에 있어서,

    상기 아이들 풀리에는 상기 와이어의 장력을 측정하는 로드셀이 설치되는 것을 특징으로 하는 로봇.
20. 제 15항에 있어서,

    상기 한 쌍의 볼스크류부는 상기 구동모터와 치차 결합되어 상기 구동모터의 구동에 따라 회전하는 것을 특징으로 하는 로봇.

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