케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치 및 이를 이용한 자동화 로봇

 

 

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
100 로봇 암  104 제1축지지부  112 제1입력체  114 제1입력 회전체  116 제1전달부재  118 제1출력 회전체
122 제2입력체  128 제2출력 회전체  130 출력체 140 도장용 스프레이건  142 브래킷

 

특허출원의 범위
청구항 1
제1모터에 의해 회전하는 제1입력체와 이 입력체 전방에서 회전축과 동심축으로 설치되고 제2모터에 의해 회전하는 제2입력체. 그리고 제1입력 회전체의 회전축과 동일축으로 배치돼 제2입력체와 직교하게 설치되며 제2입력체와 연결된 제2케이블에 의해 회전하는 제2입력 회전체. 또한 제1입력 회전체와 이격되어 제1입력체의 회전축과 직교하는 회전축을 갖고, 제1입력 회전체와 제1전달부재로 연결되어 회전하는 제1출력 회전체 및 제2입력체의 회전축을 기준으로 제1출력 회전체와 대칭으로 배치되고 제2입력 회전체와 제2전달부재로 연결돼 회전하는 제2출력 회전체.
아울러 제1출력 회전체 및 제2출력 회전체의 회전축과 직교하는 회전축을 갖고 제1출력 회전체와 연결된 제3케이블과 제2출력 회전체와 연결된 제4케이블의 상호 연동에 의해 작동하는 출력체를 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치.

 

청구항 2
제1전달부재 및 제2전달부재는 벨트부재 또는 구동용 케이블부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치.

 

청구항 3
제1케이블, 제2케이블, 제3케이블 및 제4케이블이 각각 서로 다른 회전 방향으로 감긴 한 쌍의 케이블을 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치.

 

청구항 4
출력체에는 용접토치 또는 도장용 스프레이건을 포함하는 로봇 말단장치 또는 로봇 매니퓰레이터를 구성하는 링크가 설치되는 것을 특징으로 하는 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치.

 

청구항 5
로봇 암과 로봇 암에 설치된 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치, 그리고 로봇 관절 장치를 제어하는 제어부를 포함하는 자동화 로봇.

 

배경기술
일반적으로 산업화가 진행됨에 따라 작업환경이 어렵거나 단순 반복적인 작업이 진행되는 곳에서는 작업자를 대체하여 로봇이 설치되고 있다. 보통 로봇에는 다수의 관절이 구비되어 있고, 이 관절을 구동시키기 위한 다양한 로봇 관절 장치가 설치된다. 종래의 로봇 관절 장치는 서로 맞물리는 기어들이 배치되고, 모터에 의해 기어들을 구동시켜 관절을 작동시킨다. 또한, 복수개의 기어를 배치하는 방식에 따라 다양한 조합의 운동 구현이 가능하다.

그런데 이러한 종래의 로봇 관절 장치는 기어들 사이의 공차와 기어치들에 형성되는 백래쉬 및 마찰에 의해 정밀제어가 어렵다는 단점이 있다. 이에 따라 최근에는 케이블을 이용하여 동력을 전달하는 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치가 개발되어 사용되고 있다. 종래의 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치는 로봇 암에 제1모터와 제2모터가 설치되어 있고, 제1모터에 의해 회전되는 제1입력체와 제1입력체의 상부에 설치되어 제2모터에 의해 회전되는 제2입력체를 포함한다. 제2입력체는 제1입력체와 동일한 회전축으로 회전 가능하게 설치되고, 제1입력체에 대해 독립적으로 회전하도록 구성되어 있다.

 

그리고 제1입력체의 회전축과 동일평면에는 이 회전축과 수직한 회전축을 갖는 제1회전체가 설치되고, 제2입력체의 회전축과 동일평면에는 제1입력체의 회전축을 기준으로 했을 때 제1회전체와 대칭으로 제2회전체가 설치된다. 또한 제1회전체 및 제2회전체의 회전축과 수직한 평면상에 회전축을 갖는 출력체가 설치되는데, 출력체는 제1회전체와 제2회전체의 상호 연동에 의해 롤링(Rolling : 회전 구현) 또는 피칭(Pitching : 선회 구현)이 가능하다. 아울러 제1입력체와 제1회전체, 제1회전체와 출력체, 제2입력체와 제2회전체 및 제2회전체와 출력체에는 각각 다른 회전방향으로 감긴 한 쌍의 케이블이 설치되어 있다.

그러나 종래 기술은 피치(pitch)-롤(roll)의 2자유도 운동을 구현하기 위해 제안된 것이기에 피치(pitch)-요(yaw : 좌우) 운동을 구현하는데 적용 시 피치 운동범위에 제한이 생기는 문제가 있다. 그리하여 종래 기술을 이용하여 피치-요 운동을 구현한다면 출력체가 피칭하는 과정에서 제1입력체 및 제2입력체와 닿게 되며, 이에 따라 피칭 가능 범위가 0°에서 150° 정도가 되어 (-)각도 방향으로의 운동을 구현하는 것이 불가능하다.

 

해결하고자 하는 과제
본 발명은 -90~ 90°의 선회 운동 범위와 요 운동 범위의 구현이 가능하고, 구동력 전달 시 백래쉬가 발생하지 않고 마찰이 적어 정밀제어가 가능하며, 구동 모터가 링크의 길이방향으로 배치되어 전체적인 크기를 작게 할 수 있다. 또한 제어가 용이한 케이블 구동 방식의 로봇 관절 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

 

효과
본 발명을 통해 피치-요의 2자유도 운동이 가능한 로봇의 관절부를 구현할 수 있다. 또한, 로봇의 관절이 케이블에 의해 구동되므로 백래쉬가 없어 백래쉬에 의한 작동오차를 줄일 수 있으며, 마찰저항이 매우 작은 기계적 특성을 보이므로 정밀 제어에 탁월한 효과를 보여준다. 아울러 관절의 작동 영역 또한 넓어서(-90~ 90°의 피치 운동 범위, -90~ 90°의 요 운동 범위) 다양한 작업에 적용 가능하다. 뿐만 아니라 모터를 로봇 링크의 길이방향으로 설치할 수 있어 로봇의 폭을 작게 할 수 있으며, 이에 따라 로봇의 손목 관절 구성에 유리하다. 또한, 피치-요 2자유도 운동의 회전축이 한 점에서 교차하기에 기구학 식이 간단해지므로 기구학 해석 및 제어가 용이한 효과가 있다.
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