KR101412130B1

KR101412130B1 - 컴플라이언트 조인트

Info

Publication number: KR101412130B1
Application number: KR1020080023652A
Authority: KR
Inventors: 심영보; 이자우; 이연백; 김정훈; 오연택; 양수상; 양현석; 현동준
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2008-03-14
Filing date: 2008-03-14
Publication date: 2014-06-27
Anticipated expiration: 2028-03-14
Also published as: US20090233720A1; KR20090098340A; JP5564185B2; JP2009220266A; US8235827B2

Abstract

본 발명은 로봇팔 등에 적용되는 컴플라이언트 조인트에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 로봇이 강성을 유지함과 동시에 로봇에 유연성을 부가하는 수동 컴플라이언스를 구현할 수 있는 컴플라이언트 조인트를 제공하기 위한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상호 회전 가능한 하우징 및 회전부재와, 캠은 회전부재에 종속되어 회전부재와 함께 회전함과 동시에 회전부재에서 독립되어 회전부재와 별도로 회전부재의 축 방향으로 이동 가능하게 회전부재와 결합하고, 캠은 회전부재에 일정 크기 미만의 외력이 인가되는 경우 하우징과의 결속을 유지하고 회전부재에 일정 크기 이상의 외력이 인가되는 경우 하우징으로부터 결속 해제되도록 하우징과 결합하여 구성되는 것이다.

이와 같은 구성을 통하여, 본 발명은 로봇용 팔 등에 수동 컴플라이언스를 구현할 수 있어서 반응속도가 매우 빠르고 오작동의 위험이 사라지게 되는 효과가 있다.

Description

컴플라이언트 조인트{Compliant Joint}

본 발명은 컴플라이언트 조인트에 관한 것으로, 보다 상세하게는 로봇에 일정한 값 이상의 외력이 가해지는 경우 로봇에 유연성을 부가하고 일정한 값 미만의 외력이 가해지는 경우 로봇이 강성을 유지할 수 있도록 하는 컴플라이언트 조인트에 관한 것이다.

산업용 로봇은 인간에 의한 동작이나 감독이 없이도 정확한 작업을 수행하기 위해 생산 라인 등에서 광범위하게 사용되고 있다. 예를 들면 자동차 산업에서 사용되고 있는 로봇은 인간과 상호 작용을 하지 않으면서도 자동차의 몸체를 운반하거나 용접하는 등의 여러 가지 작업을 수행하고 있다.

이와 반대로 지능형 서비스 로봇은 인간과 상호작용을 하면서 인간이 활동하고 있는 공간 내에서 작업을 수행하게 된다. 예를 들면 청소 로봇의 경우 실내 공간에서 먼지 등의 오염도를 파악하고, 청소를 함으로써 인간에게 필요한 서비스를 제공하게 된다. 그러나 지능형 서비스 로봇은 작업 수행 중 예기치 못한 장애물과 부딪칠 위험이 있다. 즉 지능형 서비스 로봇은 인간과 부딪쳐서 인간에게 충격을 가함으로써 인간에게 예기치 못한 사고를 발생시킬 수 있는 위험이 있다. 이에 지 능형 서비스 로봇과 인간이 상호 작용이 가능하도록 지능형 서비스 로봇을 인간에게 안전하게 설계하는 것이 중요한 설계 사양이 된다.

지능형 서비스 로봇(이하, '로봇')이 인간에게 충격을 가할 때 인간이 충격을 받지 않도록 로봇에 유연성을 부여한다. 이와 같은 기술적 해결 방안을 로봇 컴플라이언스(robot compliance)라고 일컫는다. 즉 로봇과 인간이 충돌하여 로봇에 일정한 값 이상의 외력이 전달되는 경우 로봇에 유연성을 부가하여 인간이 다치는 것을 방지하고 로봇에 일정한 값 미만의 외력이 전달되는 경우에는 로봇이 강성을 유지할 수 있도록 하여 로봇이 작업 수행을 원활하게 할 수 있도록 하는 것을 로봇 컴플라이언스라고 한다.

로봇에 컴플라이언스를 부여하기 위해서는 능동적인 방법과 수동적인 방법이 있다. 능동적인 방법은 로봇에 장착된 힘/토크 센서의 피드백 신호를 제어기에서 감지하여 외부에서 작용된 힘이나 충격에 대해 적합한 대처를 하는 것이다. 수동적인 방법은 스프링, 댐퍼 등의 요소를 이용하여 기계적인 메커니즘으로 안전성을 구현하는 것이다.

능동적인 방법은 센서를 사용하고 피드백 신호에 의한 제어를 하기 때문에 안전성을 구현하는데 한계를 지니고 있다. 예를 들면 비전센서(vision sensor)를 사용할 경우 분해능이 낮기 때문에 빠른 속도로 외부 충격이 가해지면 이에 따른 즉각적인 대처가 어렵다. 또한 센서의 신호에 노이즈가 섞이게 되는 경우와 제어 가능한 대역폭(Bandwidth) 이상의 외부 충격이 있는 경우에는 대응할 수 없는 한계점을 지니고 있다.

그러나 수동적인 방법은 특별한 센서를 사용하지 않고 기계 메커니즘으로 충격을 흡수하기 때문에 반응속도가 빠르고 오작동의 위험도 작다. 따라서 수동적인 방법만을 사용하여 인간과 로봇 상호간의 안전성을 유지할 수 있는 메커니즘을 개발하는 것이 요구된다. 다시 말해 수동 컴플라이언스를 구현하여 로봇 시스템을 근본적으로 안전(Intrinsically Safe)하게 설계, 제작하는 방안이 요구된다.

이에 대한민국 특허청 공개특허공보 공개번호 10-2008-0014343은 수동 컴플라이언스를 구현한 안전유니트 및 이를 구비하는 안전장치에 대해서 개시하고 있습니다. 그러나 이는 다절 링크를 이용하고 있어서 그 구조가 복잡하고, 다절 링크가 동작하는 평면에 수직 방향의 하중이 작용하는 경우 취약한 구조를 가지고 있다.

이에 본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 일정한 값 이상의 외력이 가해지는 경우 로봇에 유연성을 부가하고 일정한 값 미만의 외력이 가해지는 경우 로봇이 강성을 유지할 수 있도록 로봇에 수동 컴플라이언스를 구현함에 있어서 보다 단순하고 견고한 구조를 가지는 컴플라이언트 조인트를 제공하기 위한 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 컴플라이언트 조인트는 하우징;과 상기 하우징에서 회전 가능하게 장착되는 회전부재;와 상기 하우징과 상기 회전부재의 결속을 유지시키거나 상기 하우징과 상기 회전부재의 결속을 해제시키는 캠;을 구비하고, 상기 캠은 상기 회전부재에 종속되어 상기 회전부재와 함께 회전하고, 상기 회전부재에서 독립되어 상기 회전부재와 별도로 상기 회전부재의 축 방향으로 이동 가능하게 상기 회전부재와 결합하고, 상기 캠은 상기 회전부재에 일정 크기 미만의 외력이 인가되는 경우 상기 하우징과의 결속을 유지하고, 상기 회전부재에 일정 크기 이상의 외력이 인가되는 경우 상기 하우징으로부터 결속 해제되도록 상기 하우징과 결합한다.

또한, 상기 캠과 상기 회전부재는 서로 끼움 결합하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 캠은 상기 회전부재에 삽입되는 전달축을 구비하고, 상기 회전부재는 상기 전달축을 수용하는 장착공을 구비한다.

또한, 상기 전달축 및 상기 장착공은 상기 캠 및 상기 회전부재의 회전 중심에서 일정 거리 이격되어 형성한다.

또한, 상기 전달축 및 상기 장착공은 복수 개로 형성된다.

또한, 상기 캠은 상기 하우징과 결합하는 롤러를 구비하고, 상기 하우징은 상기 롤러를 결속시키거나 결속 해제시키는 캠가이드부를 구비한다.

또한, 상기 캠가이드부는 상기 롤러가 삽입되는 안착홈;을 구비하고, 상기 롤러가 상기 안착홈에 삽입되는 경우 상기 캠과 상기 하우징이 결속됨으로써 상기 회전부재와 상기 하우징이 결속된다.

또한, 상기 안착홈은 단차지게 형성된다.

또한, 상기 캠가이드부는 상기 롤러가 구르게 되는 구름부를 구비하고, 상기 롤러가 상기 구름부를 구르는 경우 상기 캠과 상기 하우징의 결속이 해제됨으로써 상기 회전부재와 상기 하우징의 결속이 해제된다.

또한, 상기 캠가이드부는 상기 롤러의 이동을 제한하는 스톱퍼;를 구비하고, 상기 롤러가 상기 스톱퍼에 의해서 이동이 제한되는 경우 상기 캠의 회전이 제한됨으로써 상기 회전부재의 회전이 제한된다.

또한, 상기 구름부는 원호 형상으로 형성되어 상기 캠을 상기 회전부재와 함께 회전시킴과 동시에 상기 회전부재와 별도로 상기 회전부재의 축 방향으로 이동시킨다.

또한, 상기 캠이 상기 회전부재에 밀착하도록 상기 캠과 상기 회전부재 사이에는 탄성부재가 장착된다.

또한, 상기 캠과 상기 하우징 사이에는 탄성부재가 장착되어 상기 캠을 상기 하우징에 밀착시킨다.

또한, 상기 탄성부재는 압축 코일 스프링;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 캠과 상기 회전부재 사이에는 전자석이 설치되고, 상기 회전부재와 상기 하우징의 결속을 해제시키는데 필요한 외력을 조절할 수 있도록 상기 전자석에 인가되는 전류를 조절하는 제어부를 구비한다.

본 발명에 따른 컴플라이언트 조인트는 상호 회전이 가능하게 마련되는 하우징 및 회전부재;와 상기 하우징과 상기 회전부재 사이에 마련되어 상기 하우징 및 상기 회전부재와 각각 결합하는 캠;을 구비하고 상기 캠은 상기 회전부재와 결합하되, 상기 회전부재와 함께 회전함과 동시에 상기회전부재와 별도로 상기 회전부재의 축 방향으로 이동 가능하게 마련되고, 상기 캠은 상기 하우징과 결합하되, 일정 크기 미만의 외력에 대해서 상기 캠과 상기 하우징의 결속이 유지되고 일정 크기 이상의 외력에 대해서 상기 캠과 하우징의 결속이 해제되도록 마련된다.

또한, 상기 캠은 전달축을 구비하고 상기 회전부재는 장착공을 구비하여, 상기 전달축이 상기 장착공에 삽입되어 상기 캠과 상기 회전부재가 끼움 결합한다.

상기와 같은 구성을 통하여, 본 발명에 따른 컴플라이언트 조인트는 로봇용 팔 등에 수동 컴플라이언스를 구현할 수 있어서 반응속도가 매우 빠르고 오작동의 위험이 사라지게 되는 효과가 있다.

뿐만 아니라 본 발명에 따른 컴플라이언트 조인트는 일정 크기 미만의 외력 에 대해서는 로봇용 팔 등에 강성을 부여하여 위치를 정확하게 제어할 수 있으므로 작업의 정확성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따른 컴플라이언트 조인트는 휴머노이드 로봇에 적용되고, 공공장소용 서비스 로봇, 장애인 및 고령자 지원 로봇, 가정용 도우미 로봇, 셀 방식 생산 현장에서의 작업자 지원용 로봇, 생산 현장에서의 인간과 상호 작용하는 로봇 등에 다양하게 적용되어 인간에 대한 안전성을 확보할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명에 컴플라이언트 조인트는 캠이 상하 이동함에 따라 작동하게 되므로 컴플라이언트 조인트의 좌우 방향 직경을 최소화시킬 수 있다. 이로써 제품을 소형화시켜 다양한 분야에 적용할 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 따른 컴플라이언트 조인트의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 컴플라이언트 조인트를 나타낸 평면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 컴플라이언트 조인트는 고리 형상의 단면을 가지는 하우징(10)과, 하우징(10) 내부에서 회전 가능하게 장착되는 회전부재(20)를 구비한다. 하우징(10)의 내면과 회전부재(20)의 외면 사이에는 베어링(11)이 설치되어 있기 때문에 하우징(10)과 회전부재(20)는 상호 회전이 가능하다. 이와 더불어 하우징(10)과 회전부재(20) 사이에는 캠(30)이 설치되어 하우징(10)과 회전부재(20)의 상호 회전이 제한되도록 하우징(10)과 회전부재(20)를 결속시키기도 하고 하우징(10)과 회전부재(20)의 상호 회전이 가능하도록 하우징(10) 과 회전부재(20)를 결속 해제시킨다.

도 2는 도 1의 A-A 선을 따라서 자른 것을 나타낸 측 단면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 회전부재(20)와 캠(30)이 결합하고 있는 상태를 나태내고, 하우징(10)과 캠(30)이 결합하고 있는 상태를 나타내고 있다.

먼저 회전부재(20)와 캠(30)의 결합구조를 살펴보면, 캠(30)은 상측으로 돌출되어 형성되는 전달축(31)을 구비하고 이 전달축(31)이 삽입되는 장착공(21)이 회전부재(20)에 구비된다. 전달축(31)이 장착공(21)에 삽입됨으로써 캠(30)과 회전부재(20)는 서로 단순하게 끼워지는 방식으로 결합된다. 본 실시예에서 전달축(31)의 단면 형상은 원형 단면으로 형성되지만, 전달축(31)의 단면이 삼각형 또는 사각형의 단면으로 형성되더라도 본 발명을 실시하는데 장애가 되지 않는다.

캠(30)과 회전부재(20)의 동작을 살펴보면, 캠(30)은 회전부재(20)에 종속되어 회전부재(20)와 함께 회전함과 동시에 회전부재(20)와 별도로 회전부재(20)의 축 방향으로 이동 가능하다.

전달축(31)이 캠(30)의 회전중심(C)에서 일정 거리 이격되어 형성되고 장착공(21)도 회전부재(20)의 회전중심(C)에서 일정 거리 이격되어 형성되기 때문에 회전부재(20)가 회전하는 경우 캠(30)은 회전부재(20)에 종속되어 회전부재(20)와 함께 회전한다. 만약 전달축(31)과 장착공(21)이 회전중심(C) 선상에 형성된 경우에는 회전부재(20)가 회전하더라도 캠(30)은 회전하지 않게 된다. 이런 경우 캠(30)을 회전부재(20)와 함께 회전시키기 위해서는 별도의 장치가 필요할 것이다.

캠(30)이 회전부재(20)의 축 방향으로 이동할 때는 회전부재(20)와 별도로 독립적으로 이동한다. 전달축(31)이 장착공(21)에 단순하게 삽입된 상태이기 때문에 캠(30)은 상하 방향으로 왕복 운동이 가능하다. 이때 회전부재(20)는 상하 방향으로 이동하지 않는다.

다음으로 캠(30)과 하우징(10)의 결합구조를 살펴보면, 캠(30)은 좌우 방향으로 돌출되어 형성되는 롤러(32)를 구비하고 하우징(10)의 벽면에는 롤러(32)와 접하는 캠가이드부(12)가 형성된다.

도 3은 본 발명에 따른 하우징의 캠가이드부를 나타낸 정면도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 하우징(10)의 벽면에는 대략 반원 형상으로 절개되어 형성되는 캠가이드부(12)를 구비하고, 캠가이드부(12) 상에는 롤러(32)가 구를 수 있도록 캠가이드부(12)와 롤러(32)가 서로 대면하고 있다.

캠가이드부(12)의 중앙 부분에는 소정 깊이 함몰됨으로서 단차지게 형성되는 안착홈(13)이 구비된다. 롤러(32)가 안착홈(13)에 삽입되어 있는 경우 캠(30)의 회전이 제한되기 때문에 도 2에 나타난 바와 같이 캠(30)과 끼움 결합하고 있는 회전부재(20)의 회전도 제한된다. 이로써 캠(30)은 회전부재(20)와 하우징(10)의 결속을 유지시켜 회전부재(20)와 하우징(10)의 상호 회전을 제한하는 것이다.

반대로 회전부재(20)에 일정 크기 이상의 외력이 작용하여 회전부재(20)와 함께 캠(30)이 회전하는 경우 롤러(32)는 안착홈(13)에서 이탈한다. 롤러(32)가 안착홈(13)에 이탈하기 위해서 안착홈(13)의 깊이(H)는 롤러(32)의 반경(D/2)보다 작아야 한다. 만약 안착홈(13)의 깊이(H)가 롤러(32)의 반경(D/2)보다 더 길게 형성되는 경우 롤러(32)는 안착홈(13)에 이탈할 수 없는 구조가 되기 때문이다.

안착홈(13)을 기준으로 좌우 대칭구조의 원호 형상을 가지는 구름부(14)가 형성된다. 구름부(14)의 원호 형상은 상측에서 하측으로 수하(垂下)하는 형상으로 마련된다. 따라서 롤러(32)가 구름부(14)를 구르게 되면 롤러(32)는 회전함과 동시에 하측 방향으로 이동한다. 이는 도 2를 참조하면 캠(30)이 회전함과 동시에 하측 방향으로 이동하는 것이고 회전부재(20)가 회전하는 것을 의미한다.

롤러(32)가 구르게 되는 구름부(14)는 반드시 원호 형상으로 형성되어야 하는 것은 아니다. 구름부(14)가 상측에서 하측 방향으로 기울어지는 사선 형상으로 형성되는 경우에도 롤러(32)가 구름부(14)를 구르게 되는 경우 캠(30)은 회전함과 동시에 하측 방향으로 이동하고 회전부재(20)도 캠(30)의 회전에 종속되어 회전한다.

이처럼 구름부(14)를 수하(垂下)하는 원호 형상으로 함으로써 롤러(32)가 안착홈(13)에 자동적으로 복귀하게 된다. 이는 도 4를 참조하여 자세히 설명한다.

구름부(14)의 최외곽 끝단에는 스톱퍼(15)가 형성된다. 롤러(32)가 스톱퍼(15)와 마주치는 경우 롤러(32)는 더 이상 회전(또는 이동)하지 못한다. 이는 도 2에 나타난 바와 같이 캠(30)의 회전이 제한되는 것을 의미하고 캠(30)과 함께 회전 가능하게 마련된 회전부재(20)의 회전도 제한되는 것을 의미한다. 스톱퍼(15)는 회전부재(20)의 회전 반경을 제한함으로써 2차적인 피해를 방지할 수 있다. 즉 스톱퍼(15)가 없어서 회전부재(20)가 계속 회전하게 된다면 회전부재(20)와 연결되는 로봇팔은 다른 물체(또는 인간)과 2차적인 충돌을 일으킬 우려가 있는 것이다.

도 4는 도 1의 B-B 선을 따라서 자른 것을 나타낸 정 단면도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 회전부재(20)와 캠(30) 사이에는 압축 코일 스프링(40) 등의 탄성부재가 장착된다. 회전부재(20)에는 하면에서 상측 방향으로 홈(23)이 형성되고 캠(30)에는 상면에서 하측 방향으로 홈(33)이 형성된다. 압축 코일 스프링(40)의 상단은 회전부재(20)의 홈(23)에 삽입되어 고정되고, 그 하단은 캠(30)의 홈(33)에 삽입되어 고정된다. 이로써 압축 코일 스프링(40)은 캠(30)을 회전부재(20) 측으로 끌어당기게 된다. 다시 말해 캠(30)이 회전부재(20)에 밀착되어 있는 상태로 유지시킨다.

따라서 도 3에 나타난 바와 같이 안착홈(13)에 삽입되어 있는 롤러(32)가 안착홈(13)에서 빠져 나오기 위해서는 도 4에서 캠(30)이 압축 코일 스프링(40)의 탄성력을 극복하고 하측으로 이동하여야 한다. 또 도 3에서 롤러(32)가 구름부(14)를 구르게 되면 캠(30)은 점점 더 하측으로 이동하기 때문에 캠(30)과 회전부재(20)의 간격은 멀어지게 됨으로써 압축 코일 스프링(40)이 점점 더 늘어남에 따라 큰 수축력을 보유하게 된다. 결국 상측에서 하측으로 수하(垂下)하는 원호 형상의 구름부(14)로 인해서 압축 코일 스프링(40)은 수축하려고 하기 때문에 캠(30)과 회전부재(20)의 간격은 좁아지게 되고 도 3과 같이 롤러(32)가 안착홈(13)에 다시 삽입된다. 즉 상측에서 하측으로 수하(垂下)하는 원호 형상의 구름부(14)와 압축 코일 스프링(40)에 의해서 캠가이드부(12) 상에 있는 롤러(32)가 자동적으로 원위치에 복귀할 수 있다.

도 5는 도 1의 B-B 선을 따라서 잘라낸 다른 실시예를 나타낸 정 단면도이다.

도 5는 도 4와 동일하게 하우징(10) 내부에 회전부재(20)와 캠(30)이 장착된다. 다만 도 4에서는 압축 코일 스프링(40)이 캠(30)과 하우징(10) 사이에 설치되는 반면 도 5에서는 압축 코일 스프링(40)이 캠(30)과 하우징(10) 사이에 설치된다. 동작원리는 앞서 기재한 바와 같이 도 4를 참고하여 설명한 것과 동일하다.

도 6은 본 발명에 따른 컴플라이언트 조인트를 나타낸 분해 사시도이다.

도 6을 참조하면, 하우징(10)과 회전부재(20)는 그 사이에 베어링(11)을 삽입함으로써 상호 회전이 가능하게 결합한다. 캠(30)과 회전부재(20)의 결합은 회전부재(20)와 캠(30)은 전달축(31)을 장착공(21)에 삽입시켜서 끼움 결합한다. 이때 회전부재(20)와 캠(30) 사이에 압축 코일 스프링(40)을 설치함으로써 캠(30)이 회전부재(20)에 밀착되도록 한다. 캠(30)과 하우징(10)의 결합은 롤러(32)가 캠가이드부(12)에 형성된 안착홈(13)에 삽입시킴으로써 이루어진다.

컴플라이언트 조인트는 일정 크기 이상의 외력이 작용할 때 회전부재(20)와 하우징(10)의 결속이 해제되고 일정 크기 미만의 외력이 작용할 때 회전부재(20)와 하우징(10)의 결속이 유지된다. 본 발명에서는 컴플라이언트 조인트가 적용되는 범위를 넓히기 위해서 회전부재(20)와 하우징(10)의 결속을 해제시키는 일정 크기 이상의 외력을 조절할 수 있도록 구성한다.

먼저 회전부재(20)와 하우징(10)의 결속을 해제시키기 위해 필요한 일정 크기 이상의 외력에 영향을 미치는 인자를 살펴본다.

도 3을 참조하면, 롤러(32)가 안착홈(13)에서 이탈하기 위해서는 일정 크기 이상의 외력이 필요하다. 안착홈(13)의 깊이(H)가 롤러(32)의 반경(D/2) 길이보다 작아질수록 롤러(32)가 안착홈(13)에서 이탈하기 위해 필요한 외력이 작아진다. 따라서 안착홈(13)의 깊이(H)에 대한 롤러(32)의 반경(D/2) 비를 조절함으로써 회전부재(20)와 하우징(10)의 결속을 해제시키기 위해 필요한 외력을 조절할 수 있다.

도 4를 참조하면, 캠(30)이 하측으로 이동하기 위해서는 압축 코일 스프링(40)이 인장되어야 한다. 압축 코일 스프링(40)의 탄성계수(K)가 변함에 따라서 동일한 크기의 외력이 주어졌을 때 압축 코일 스프링(40)이 인장되는 길이가 달라진다. 따라서 압축 코일 스프링(40)의 탄성계수(K)를 조절함으로써 회전부재(20)와 하우징(10)의 결속을 해제시키기 위해 필요한 외력을 조절할 수 있다.

그러나 안착홈(13)의 깊이(H)에 대한 롤러(32)의 반경(D/2)의 비 또는 스프링 탄성계수(K)를 조절하는 것은 컴플라이언트 조인트의 제작 초기에 결정할 수 있는 사항이다. 물론 스프링(40)의 상단부에 볼트가 연결되고 볼트가 조여지고 풀려짐에 따라 회전부재(20) 상에서 상하 운동이 가능하게 형성되는 경우, 스프링(40)의 변형량을 조절함으로써 회전부재(20)와 하우징(10)의 결속을 해제시키기 위해 필요한 외력을 조절할 수 있다. 그러나 이는 사용자 또는 작업자가 수동적으로 직접 볼트를 조절해야 불편함이 있다.

따라서 컴플라이언트 조인트가 이미 완성품으로 제조되어 팔 등에 사용되고 있는 중에 회전부재(20)와 하우징(10)의 결속을 해제시키기 위해 필요한 외력을 자동으로 조절할 수 있는 장치가 필요하다.

도 2 및 도 6에 도시된 바와 같이, 캠(30)의 전달축(31)의 상단에 자석(34)을 설치하고 회전부재(20)의 장착공(21)에 전자석(24)을 설치한다. 회전부재(20)와 캠(30)과 하우징(10)의 중앙에는 통공(25)이 형성되어 있어서 이 부분으로 전선 등이 설치된다. 전선은 제어부(26)를 통하여 전자석(24)에 인가되는 전류의 세기를 조절할 수 있다. 전자석(24)은 전류를 세기에 따라서 자기장의 세기가 달라지기 때문에 전자석(24)에 흐르는 전류의 세기를 크게 하면 자기장의 세기가 커져서 자석(34)과의 인력이 증가한다. 이는 캠(30)과 회전부재(20)가 서로 끌어당기는 인력이 증가하는 것을 의미하므로 캠(30)을 하측 방향으로 이동시키기 위해 필요한 외력이 커지는 것을 의미한다. 결국 제어부(26)를 통해서 전자석(24)에 흐르는 전류의 세기를 조절함으로써 회전부재(20)와 하우징(10)의 결속을 해제시키기 위해서 필요한 외력을 자동으로 조절할 수 있다.

이하에서는 안착홈(13)의 깊이(H), 롤러(32)의 반경(D/2), 압축 코일 스프링(40)의 탄성계수(K)와, 전자석(24)에 흐르는 전류의 세기가 결정된 상태에서 회전부재(20)와 하우징(10)의 결속을 해제시키기 위해 필요한 외력을 T(토크)라고 하고 컴플라이언트 조인트의 동작을 살펴본다.

도 3은 본 발명에 따른 컴플라이언트 조인트의 초기 상태를 나타내고 있다. 회전부재(20)에 T 미만의 외력이 전달되는 경우 롤러(32)는 안착홈(13)에 계속 삽입된 상태로 유지되기 때문에 회전부재(20)와 하우징(10)은 결속을 유지한다.

도 7은 본 발명에 따른 롤러가 안착홈에 이탈된 상태를 나타낸 정면도이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 회전부재(20)에 T 이상의 외력이 전달되는 경우 롤러(32)는 안착홈(13)을 이탈한다. 이로써 회전부재(20)와 하우징(10)의 결속이 해제되어 회전부재(20)는 하우징(10)에서 회전이 가능하게 된다.

도 8은 본 발명에 따른 롤러가 구름부에 놓인 상태를 나타낸 정면도이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 롤러(32)가 원호 형상의 구름부(14)를 구르게 됨에 따라 회전부재(20)는 하우징(10)에서 자유롭게 회전한다.

도 9는 본 발명에 따른 롤러가 스톱퍼와 대면하고 있는 것을 나타낸 정면도이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 롤러(32)는 스톱퍼(15)에 의해서 계속 구를 수 없게 된다. 이로 인해 회전부재(20)도 회전을 멈추게 된다. 이때 압축 코일 스프링(40)(도 4 참조)의 인장 길이는 최대로 되고 압축 코일 스프링(40)이 수축하려는 힘도 최대로 된다. 이 압축 코일 스프링(40)의 수축력에 의해서 회전부재(20)는 반대 방향으로 회전하게 되고 도 3과 같이 롤러(32)가 안착홈(13)에 삽입되어 회전부재(20)와 하우징(10)은 다시 결속된 상태를 유지한다.

이와 같은 컴플라이언트 조인트가 적용된 로봇용 팔에 일정 크기 이상의 외력이 전달되는 경우 회전부재(20)에 일정 크기 미만의 외력이 전달되는 경우 회전부재(20)는 하우징(10)에 결속된 상태로 유지되어 로봇용 팔에 강성을 부여하고, 회전부재(20)에 일정 크기 이상의 외력이 전달되는 경우 회전부재(20)는 하우징(10)에서 결속 해제되어 로봇용 팔에 유연성을 부여한다.

즉 로봇용 팔이 작업을 수행하는 중에는 로봇용 팔에 강성을 부여하여 로봇용 팔이 정확한 작업을 할 수 있게 하고 로봇용 팔이 인간과 충돌하는 경우에는 로봇용 팔에 유연성을 부여하여 로봇용 팔이 인간에게 충격을 가하지 못하게 한다.

도 1은 본 발명에 따른 컴플라이언트 조인트를 나타낸 평면도.

도 2는 도 1의 A-A 선을 따라서 자른 것을 나타낸 측 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 하우징의 캠가이드부를 나타낸 정면도.

도 4는 도 1의 B-B 선을 따라서 자른 것을 나타낸 정 단면도.

도 5는 도 1의 B-B 선을 따라서 잘라낸 다른 실시예를 나타낸 정 단면도.

도 6은 본 발명에 따른 컴플라이언트 조인트를 나타낸 분해 사시도.

도 7은 본 발명에 따른 롤러가 안착홈에 이탈된 상태를 나타낸 정면도.

도 8은 본 발명에 따른 롤러가 구름부에 놓인 상태를 나타낸 정면도.

도 9는 본 발명에 따른 롤러가 스톱퍼와 대면하고 있는 것을 나타낸 정면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호 설명*

10: 하우징 12: 캠가이드부

13: 안착홈 14: 구름부

15: 스톱퍼 20: 회전부재

21: 장착공 30: 캠

31: 전달축 32: 롤러

40: 압축 코일 스프링 24: 전자석

26: 제어부

Claims

하우징;

상기 하우징에서 회전 가능하게 장착되고, 장착공이 형성되는 회전부재; 및

상기 장착공에 삽입되어 축방향으로 왕복이동가능한 전달축이 구비되고, 일측에 롤러가 돌출된 캠;을 포함하고,

상기 하우징에는 상기 롤러가 삽입되는 안착홈이 구비되어, 상기 회전부재에 기설정된 크기 이상의 외력이 작용하면 상기 롤러로부터 상기 안착홈이 이탈되는 컴플라이언트 조인트.
제1항에 있어서,

상기 하우징의 벽면의 일부가 절개되어 캠가이드부가 형성되는 컴플라이언트 조인트.
제2항에 있어서,

상기 캠가이드부는 수하(垂下)하는 형상으로 절개되어 형성되는 컴플라이언트 조인트.
제3항에 있어서,

상기 안착홈은 상기 캠가이드부에 구비되고, 상기 캠가이드부는 상기 안착홈을 기준으로 좌우 대칭구조로 형성되는 컴플라이언트 조인트.
제2항에 있어서,

상기 안착홈은 상기 캠가이드부에 단차지게 형성되는 컴플라이언트 조인트.
제1항에 있어서,

상기 전달축 및 상기 장착공은 상기 캠 및 상기 회전부재의 회전 중심에서 일정 거리 이격되어 형성되는 컴플라이언트 조인트.
제1항에 있어서,

상기 전달축 및 상기 장착공은 복수 개로 형성되는 컴플라이언트 조인트.
제2항에 있어서,

상기 캠가이드부는 상기 롤러가 구르게 되는 구름부를 구비하고,

상기 롤러가 상기 구름부를 구르는 경우 상기 캠과 상기 하우징의 결속이 해제됨으로써 상기 회전부재와 상기 하우징의 결속이 해제되는 컴플라이언트 조인트.
제2항에 있어서,

상기 캠가이드부는 상기 롤러의 이동을 제한하는 스톱퍼;를 구비하고,

상기 롤러가 상기 스톱퍼에 의해서 이동이 제한되는 경우 상기 캠의 회전이 제한됨으로써 상기 회전부재의 회전이 제한되는 컴플라이언트 조인트.
제8항에 있어서,

상기 구름부는 원호 형상으로 형성되어 상기 캠을 상기 회전부재와 함께 회전시킴과 동시에 상기 회전부재와 별도로 상기 회전부재의 축 방향으로 이동시키는 컴플라이언트 조인트.
제1항에 있어서,

상기 캠이 상기 회전부재에 밀착하도록 상기 캠과 상기 회전부재 사이에는 탄성부재가 장착되는 컴플라이언트 조인트.
제1항에 있어서,

상기 캠과 상기 하우징 사이에는 탄성부재가 장착되어 상기 캠을 상기 하우징에 밀착시키는 컴플라이언트 조인트.
제11항 또는 제12항 중 어느 하나의 항에 있어서,

상기 탄성부재는 압축 코일 스프링;을 포함하는 것을 특징으로 하는 컴플라이언트 조인트.
제1항에 있어서,

상기 캠과 상기 회전부재 사이에는 전자석이 설치되고,

상기 회전부재와 상기 하우징의 결속을 해제시키는데 필요한 외력을 조절할 수 있도록 상기 전자석에 인가되는 전류를 조절하는 제어부를 구비하는 컴플라이언트 조인트.
상호 회전이 가능하게 마련되는 하우징 및 회전부재;와

상기 하우징과 상기 회전부재 사이에 마련되어 상기 하우징 및 상기 회전부재와 각각 결합하는 캠;을 구비하고,

상기 캠에는 축 방향으로 연장된 전달축이 형성되고 상기 회전부재에는 상기 전달축이 삽입되어 왕복이동가능한 장착공이 형성되고,

상기 캠에는 돌출된 롤러가 형성되고 상기 하우징에는 상기 롤러가 삽입되는 안착홈이 구비되어, 상기 회전부재에 기설정된 크기 이하의 외력이 작용하면 상기 캠과 상기 하우징의 결속이 유지되고 기설정된 크기 이상의 외력이 작용하면 상기 롤러로부터 상기 안착홈이 이탈되어 상기 캠과 상기 하우징 간의 결속이 해제되는 컴플라이언트 조인트.
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