KR102076907B1 - 로봇 매니퓰레이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로봇 매니퓰레이터에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 로봇 매니퓰레이터는 베이스로부터 로봇 관절을 형성하는 복수의 관절 링크, 관절 링크를 덮는 케이스, 및 관절 링크와 케이스 사이에 배치되어 케이스에 가해지는 힘을 측정하는 힘센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

로봇 매니퓰레이터{ROBOT MANIPULATOR}

본 발명은 로봇 매니퓰레이터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 조인트와 관절 링크로 다관절로 형성되고 말단에 공구와 같은 엔드이펙터(end-effector)가 장착되어 동작하는 로봇 매니퓰레이터에 관한 것이다.

자동차 공장, 반도체 공장 등의 산업 현장에서는 조인트와 관절 링크를 이용하여 다관절로 형성되고 말단에 공구가 설치되어 소정의 공정을 수행하는 로봇 매니퓰레이터가 널리 사용되고 있다. 이러한 로봇 매니퓰레이터는 작업의 효율성을 높여주고 인간이 작업하기에 어려운 극한 환경에서도 작업이 가능하도록 하였다.

로봇 매니퓰레이터의 동작에 있어서 가장 중요한 것은 작업 과정에서의 안전이다. 따라서 로봇 매니퓰레이터에 힘센서를 부착하여 로봇 매니퓰레이터에 인가되는 힘을 측정하도록 하여 이로부터 로봇 매니퓰레이터의 동작을 안전하게 제어할 수 있도록 하였다.

도 1은 종래의 로봇 매니퓰레이터에 있어서 충돌 방지를 위해 관절 링크에서의 힘을 측정하기 위한 방법을 설명하기 위한 도면이다.

종래에 로봇 매니퓰레이터(100)에 있어서 관절 링크(120)에서 힘을 측정하는 방법으로 크게 두 가지 방법을 사용하였다.

첫 번째는 이웃하는 관절 링크(120)의 조인트(130)에 토크 센서(140)를 장착하여 관절 링크(120)에 가해지는 토크 힘을 측정하는 것이다. 따라서, 각 조인트(130)마다 토크 센서(140)를 장착하여, 이로부터 로봇 매니퓰레이터(100)의 충돌 감지 및 로봇 매니퓰레이터(100)에 인가되는 외부의 힘 측정이 가능하였다.

하지만, 이 방법의 경우 각 조인트(130)에서의 단축 토크만 측정하므로 다양한 힘 정보를 파악할 수가 없다는 문제가 있다. 또한, 조인트(130)에 형성되는 액츄에이터(미도시)에 토크 센서(140)를 직결 장착하여야 하므로 조인트 모듈의 구조가 복잡해지고 가격이 상승하는 문제가 발생한다. 또한, 시작 조인트(130a)의 토크 센서(140)에 아주 작은 오차가 발생하게 되면 끝단에서는 오차가 누적되어 아주 큰 위치 오차가 발생할 수가 있으며, 이를 해결하기 위해서는 강성이 매우 높고 센싱 정밀도도 매우 높은 토크 센서(140)를 사용해야 하는 문제가 있다.

두 번째는, 각 관절 링크(120)를 덮는 피부형 필름 센서(150)를 이용하는 방법이다. 관절 링크(120)의 표면에 유연한 피부형 필름 센서(150)를 부착하여 관절 링크(120)에 인가되는 힘의 크기, 위치, 및 분포도를 파악할 수가 있다.

이러한 피부형 필름 센서(150)를 사용하는 경우 힘의 크기 뿐만 아니라 힘의 위치와 분포도를 파악할 수가 있어서 중요하게 고려될 수가 있지만, 배선 문제 또는 측정 정확도가 낮은 문제가 있어서 다관절의 로봇 매니퓰레이터(100)에 실제 사용하기에는 아직은 무리가 있다.

대한민국 공개특허 제10-2016-0146979호

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 관절 링크 외부를 덮는 케이스와 관절 링크 사이에 힘센서를 배치하여 관절 링크에 가해지는 힘의 크기와 방향 및 위치를 감지할 수 있는 로봇 매니퓰레이터를 제공함에 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 베이스로부터 로봇 관절을 형성하는 복수의 관절 링크; 상기 관절 링크를 덮는 케이스; 및 상기 관절 링크와 상기 케이스 사이에 배치되어 상기 케이스에 가해지는 힘을 측정하는 힘센서를 포함하는 로봇 매니퓰레이터에 의해 달성될 수가 있다.

여기서, 상기 힘센서는 다축 힘센서일 수가 있다.

여기서, 상기 힘센서는 직교하는 3축 방향의 힘 및 토크를 측정하는 6축 힘센서일 수가 있다.

여기서, 상기 케이스는 복수 개로 분할되어 상기 관절 링크를 덮고 각각의 분할된 케이스 각각에 상기 힘센서가 각각 배치될 수가 있다.

여기서, 상기 케이스는 상기 관절 링크의 축 원주 방향으로 복수 개로 분할되는 것이 바람직하다.

여기서, 곡면의 상기 케이스 내측면에는 평면의 면을 형성하도록 돌출되어 상기 힘센서의 수평면과 접촉하는 접촉부가 형성될 수가 있다.

여기서, 상기 힘센서가 측정한 데이터로부터 상기 케이스에 인가되는 힘의 크기와 방향 및 위치를 구하는 힘 계산부를 더 포함할 수가 있다.

상기한 바와 같은 본 발명의 로봇 매니퓰레이터에 따르면 케이스와 관절 링크 사이에 위치하는 힘센서로부터 관절 링크(케이스) 임의의 위치에 가해지는 힘의 크기와 방향 및 위치를 감지할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 피부형 필름 센서를 사용하는 경우와 비교하여 배선의 수가 작아서 관절 링크의 수가 많아지는 경우에도 배선 처리가 간단하다는 장점도 있다.

또한, 조인트에 토크 센서를 장착할 필요가 없어서 조인트의 구조가 간단해진다는 장점도 있다.

도 1은 종래의 로봇 매니퓰레이터에 있어서 충돌 방지를 위해 관절 링크에서의 힘을 측정하기 위한 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 매니퓰레이터를 외형을 도시하는 도면이다.
도 3은 도 2의 A부분을 도시하는 도면이다.
도 4의 (a)와 (b)는 각각 관절 링크 부분의 단면도의 예를 도시한다.

실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다

이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 로봇 매니퓰레이터를 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 매니퓰레이터의 외형을 도시하는 도면이고, 도 3은 도 2의 A부분을 도시하는 도면이고, 도 4의 (a)와 (b)는 각각 관절 링크 부분의 단면도의 예를 도시한다.

본 발명은 로봇 매니퓰레이터(100)에 관한 것으로, 인간의 팔과 유사한 동작을 제공하는 기계적인 로봇 암 장치에 관한 것이다. 로봇 매니퓰레이터(100)를 구성하는 링크 관절(120)과 링크 관절(120) 사이의 조인트(130)의 구성에 따라서 회전 운동이나 직선 운동을 하는 링크 관절(120)들이 연속적으로 연결되어 구성되며, 조인트(130)에 형성되는 액츄에이터(미도시)의 제어를 통해 로봇 매니퓰레이터(100)를 소정의 경로로 동작시킬 수가 있다. 이때, 링크 관절(120)의 단부에 형성되는 엔드이펙터(end-effector)(160)에는 다양한 툴(tool)이 장착될 수가 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 매니퓰레이터(100)의 구성을 보다 자세히 설명을 하면, 관절 링크(120), 케이스(122) 및 힘센서(170)를 포함하여 구성될 수가 있다.

관절 링크(120)는 고정부를 형성하는 베이스(110)로부터 복수 개 커플링 연결되어 인간의 관절과 유사하게 로봇 관절을 형성한다. 이때, 베이스(110)와 관절 링크(120) 사이 또는 이웃하는 두 개의 관절 링크(120) 사이에는 조인트(130)를 형성하게 되는데, 상기 조인트(130)에는 액츄에이터(미도시)가 형성되어서, 액츄에이터의 설계에 따라서 조인트(130)를 중심으로 관절 링크(120)가 회전 운동을 하도록 하거나, 관절 링크(120)의 축을 중심으로 회전 운동을 하도록 하거나, 실린더형 액츄에이터를 이용하여 직선 운동을 하도록 할 수가 있다. 따라서, 관절 링크(100)의 수 및 조인트(100)에서의 액츄에이터 설계 등의 방법으로 다자유도의 로봇 매니퓰레이터(100)를 다양하게 제작할 수가 있다.

말단에 위치하는 관절 링크(120)의 단부에는 엔드이펙터(end-effector)(160)가 형성될 수가 있는데, 물체의 파지, 용접, 조립 등 사용 목적에 따라서 다양한 엔드이펙터(160)가 장착될 수가 있다.

케이스(122)는 관절 링크(120)의 외주면을 덮는다. 이때, 관절 링크(120)와 케이스(122) 사이에는 소정의 이격 공간을 형성하는 것이 바람직하며, 사이의 이격 공간에 힘센서(170)가 배치될 수가 있다.

이때, 각 관절 링크(120)의 외주면을 덮는 케이스(122)는 복수 개로 분할 되어 형성될 수가 있는데, 즉 단일의 관절 링크(120)에 대하여 복수의 케이스(122)를 이용하여 관절 링크(120)의 외주면을 덮도록 형성될 수가 있다. 예를 들어, 관절 링크(120)의 축 원주 방향으로 복수 개의 케이스(122)를 이용하여 관절 링크(120)의 전면을 덮도록 형성될 수가 있다. 도 4의 (a)에서는 3개의 케이스(122)를 이용하여 관절 링크(120)의 축 원주 방향으로 케이스(122)가 배치되는 것을 도시하고, 도 4의 (b)에서는 4개의 케이스(122)를 이용하여 관절 링크(120)의 축 원주 방향으로 케이스(122)가 배치되는 것을 도시한다.

이때, 각각의 케이스(122) 사이는 서로 이격되도록 하여 상호 간섭을 받지 않도록 하는 것이 바람직하다. 도 4에 도시되어 있는 것과 같이 분할되는 각 케이스(122)와 관절 링크(120) 사이에는 힘센서(170)가 각각 배치될 수가 있는데, 각각의 힘센서(170)는 각각의 힘센서(170)가 접촉하고 있는 케이스(122)에 가해지는 힘을 측정할 수 있도록 하고, 다른 케이스(122)에 인가되는 힘에는 영향을 받지 않도록 하는 것이 바람직하다.

케이스(122)는 케이스(122) 내부에 위치하는 관절 링크(120)를 포함하여 동력 전달 파트(미도시), 전자 회로(미도시), 배선(미도시) 등을 보호하도록 할 뿐만 아니라, 외주면을 덮어 외관상으로 깔끔하게 보일 수 있도록 하는 역할을 할 수가 있다.

케이스(122)는 내부에 위치하는 배선 등을 포함하여 관절 링크(120)를 보호할 수 있도록 하고 케이스(122)에 가해지는 힘을 힘센서(170)에 잘 전달할 수 있도록 강성을 가지는 재질로 형성되는 것이 바람직하다.

힘센서(170)는 관절 링크(120)와 케이스(122) 사이에 배치되어 케이스(122)에 인가되는 힘을 측정한다. 도 3에 도시되어 있는 것과 같이 케이스(122)에는 힘센서(170)의 상부 수평면과의 접촉을 용이하게 하도록 곡면의 케이스(122) 내부에서 돌출되어 평면의 면을 형성하여 힘센서(170)의 상부 수평면과 접촉하도록 하는 접촉부(123)가 형성될 수가 있다.

이때, 힘센서(170)는 z방향의 1축 센서를 사용할 수 있을 뿐만 아니라 3축 및 6축의 다축 힘센서를 사용할 수가 있는데, 본 실시예에서는 직교하는 xyz 3축 방향의 힘과 토크를 측정하는 6축 힘센서를 사용하는 것이 바람직하다.

케이스(122)와 관절 링크 사이(120)에 배치되는 6축의 힘센서(170)에 의해, 외부와의 충돌 등에 의해 케이스(122)에 힘이 가해질 때 3축 방향의 힘 값과 3축 방향의 토크 값을 측정할 수가 있다.

힘 계산부(미도시)는 힘센서(170)가 측정한 6축의 힘 데이터로부터 케이스(122)에 가해지는 힘의 크기와 방향 및 위치를 계산할 수가 있다. 특히, 케이스(122)의 기하학적 구조를 파악할 수가 있다면 힘센서(170)로부터 측정되는 6축의 값과 케이스(122) 표면에 가해지는 힘 사이의 관계를 기하학적으로 매칭하는 것도 가능할 수가 있다. 따라서, 케이스(122)의 임의의 위치에 힘이 가해지더라도, 상기 힘 센서부는 힘센서(170)로부터 측정되는 값 및 매칭되어 저장된 값을 이용하여 인가되는 힘의 크기 및 방향과 위치를 빠르고 정확하게 파악할 수가 있다.

이와 같이 힘 계산부에 의해 파악되는 힘을 기초로, 제어부(미도시)를 통해 로봇 매니퓰레이터(100)의 동작을 제어할 수가 있다. 예를 들어, 힘 계산부에서 파악되는 힘의 크기가 설정된 기준 값보다 클 경우에는 제어부는 움직이는 로봇 매니퓰레이터(100)의 동작을 자동으로 멈추도록 제어하거나 로봇 매니퓰레이터(100)가 다른 경로로 움직이도록 제어할 수가 있다.

이때, 도 4를 참조로 전술한 바와 같이 관절 링크(120)를 덮는 케이스(122)를 복수 개로 이격되도록 상호 분리하도록 하고, 분리된 각각의 케이스(122)와 관절 링크(120) 사이에 힘센서(170)를 각각 배치하는 것이 바람직한데, 분할된 개수가 많아질수록 관절 링크(120)에 인가되는 힘에 관한 정보를 더욱 정확하게 파악할 수가 있다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇 매니퓰레이트의 동작에 관하여 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 로봇 매니퓰레이트는 베이스(110)와 관절 링크(120) 사이의 첫 번째 조인트(130)를 포함하여 이웃하는 관절 링크(120) 사이의 조인트(130)에 형성된 액츄에이터(미도시)의 동작을 제어부(미도시)가 제어하여 관절 운동을 하게 되며, 말단의 관절 링크(130)에 연결되는 엔드이펙터(160)에 의해 물체의 파지, 용접, 조립 등의 동작을 수행하게 된다.

이때, 관절 링크(120)의 외주면을 덮는 케이스(122)에 충돌 등을 이유로 외부의 힘이 인가되면, 케이스(122)와 관절 링크(120) 사이에 형성되는 힘센서(170)에 힘이 전달되어 힘센서(170)로부터 힘을 측정하게 된다. 이때, 힘센서(170)는 3축의 힘과 토크를 측정하는 6축의 힘센서(170)일 수가 있는데, 힘 계산부(미도시)는 6축의 힘센서(170)가 측정한 힘 데이터를 이용하여 케이스(122)에 가해지는 힘의 크기와 방향 및 위치를 파악할 수가 있다.

이때, 케이스(122)의 형상에 관한 기하학적 구조를 미리 파악하여 힘센서(170)로부터 측정되는 6축의 힘 데이터와 표면에 가해지는 힘 사이의 관계를 기하학적으로 매칭하여 미리 저장하도록 하여, 힘센서(170)로부터 측정되는 힘 데이터로부터 케이스(122)에 인가되는 힘의 크기와 방향 및 위치에 관한 정보를 빠르게 구할 수가 있다.

이때, 힘 계산부에서 구한 케이스(122)에 인가되는 힘에 관한 정보를 기초로 제어부를 통해 로봇 매니퓰레이터(100)의 동작을 제어할 수가 있다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

100: 로봇 매니퓰레이터
110: 베이스
120: 관절 링크
122: 케이스
123: 접촉부
130: 조인트
140: 토크 센서
150: 피부형 필름 센서
160: 엔드이펙터
170: 힘센서

Claims (7)

1. 베이스로부터 로봇 관절을 형성하는 복수의 관절 링크;
   상기 관절 링크를 덮는 강성 재질의 케이스;
   상기 관절 링크와 상기 케이스 사이의 일 지점에 배치되어 상기 케이스를 통해 가해지는 일 지점에서의 힘과 토크를 측정하는 단일의 힘센서; 및
   상기 케이스의 임의의 위치에 힘이 인가될 때, 상기 힘센서가 측정한 데이터로부터 상기 케이스에 인가되는 힘의 크기와 방향 및 위치를 구하는 힘 계산부를 포함하는 로봇 매니퓰레이터.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 힘센서는 직교하는 3축 방향의 힘 및 토크를 측정하는 6축 힘센서인 로봇 매니퓰레이터.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 케이스는 복수 개로 분할되어 상기 관절 링크를 덮고 각각의 분할된 케이스 각각에 단일의 상기 힘센서가 각각 배치되는 로봇 매니퓰레이터.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 케이스는 상기 관절 링크의 축 원주 방향으로 복수 개로 분할되는 로봇 매니퓰레이터.
6. 제 1 항에 있어서,
   곡면의 상기 케이스 내측면에는 평면의 면을 형성하도록 돌출되어 상기 힘센서의 수평면과 접촉하는 접촉부가 형성되는 로봇 매니퓰레이터.
7. 삭제

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