JP6313559B2 - ロボットグリッパー及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、重量の中心が分からない未知の物体を操作する場合において、グリッパーに付着している２軸センサーによって各腕の重量の中心から接触点までの距離を計算し、これによって新しい接触点を選択して再操作し、垂直分力と水平分力を計算することにより安定性を判別することができるロボットグリッパー及びその制御方法に関する。

本発明は、重量の中心が分からない未知の物体を操作する場合において、グリッパーに付着している２軸センサーによって各腕の重量の中心から接触点までの距離を計算し、これによって新しい接触点を選択して再操作し、垂直分力と水平分力を計算することにより安定性を判別することができるロボットグリッパー及びその制御方法に関するものである。

両腕ロボットの場合、重量物を把持して持ち上げるにおいて重量物が重かったり長さが長いほど、その重量の中心が両腕の中心に位置するようにして把持することにより安定的に重量物を把持することが非常に難しい。

これは、実際に産業現場にロボットが適用される場合、重量物を把持しても重量物が滑り落ちて安全事故が発生することがあり得るところ、このような事故を未然に防止しようと、把持の際にセンサーによって把持の安定性を判別することができる方法が必要であったのである。

従来の韓国特許公開１０−２０１２−００６９９２３Ａ「歩行ロボット及びその姿勢の制御方法」は、「トルクサーボで各関節が動作する歩行ロボットの安定的な姿勢制御のための歩行ロボット及びその姿勢の制御方法を提案する。ロボットの重量の中心を利用して仮想重力加速度を計算し、計算された仮想重力加速度からリンクに力を印加するための重力補償トルクを計算して、外部から作用する何らかの力や地面の傾斜度等を含んだ外部の変化にも、直立姿勢と目標とした上体角度を安定的に維持することができる。また、ロボットが地面の傾斜方向と傾斜度について情報が与えられない状況にあっても、重力の方向に対して直立姿勢を維持することができ、立っている面が徐々に傾いていく場合にも、それに合わせて足首の関節の角度が変わって上体と脚は変わりない姿勢を維持することができる。」と提示している。

しかし、このような方法によっても未知の重量物の把持安定性を評価することはできないところ、このような技術が産業現場のロボットで必ず必要であったのである。

前記の背景技術として説明した事項は、本発明の背景についての理解増進のためのものであるだけで、この技術分野で通常の知識を有する者に既に知られた従来技術に該当することを認めるものとして受け入れられてはならないものである。

韓国特許公開１０−２０１２−００６９９２３Ａ

本発明は、このような問題点を解決するために提案されたものであり、重量の中心が分からない未知の物体を操作する場合において、グリッパーに付着している２軸センサーによって各腕の重量の中心から接触点までの距離を計算し、これによって新しい接触点を選択して再操作し、垂直分力と水平分力を計算することにより安定性を判別することができるロボットグリッパー及びその制御方法を提供するところにその目的がある。

前記の目的を達成するための本発明によるロボットグリッパーは、ロボットの両腕の端部にそれぞれ設けられ、把持の際に重量物の上面と下面にそれぞれ接触し、一定の半径を有する球面に形成された上部接触部及び下部接触部、前記上部接触部と下部接触部それぞれに設けられて重量物の把持の際に上部接触部又は下部接触部に加えられる垂直方向又は水平方向の加圧力を測定するセンサー部、及び重量物の把持の際の両腕端部の垂直方向及び水平方向の隔離距離とそれぞれのセンサー部で測定された垂直方向の加圧力成分を利用して重量物の重量の中心が両腕端部の間の中央に位置しているか判断する制御部を含む。

前記制御部は、重量の中心が両腕端部の間の中央に位置しない場合、重量物と上部接触部又は下部接触部の間に作用する摩擦力を導出し、これを水平分力と比較することができる。

本発明のロボットグリッパー制御方法は、重量物を把持する把持段階、両腕端部の垂直方向及び水平方向の隔離距離から重量物の傾き角を測定する測定段階、及び前記重量物の傾き角とそれぞれのセンサー部で測定された垂直方向の加圧力成分を利用して重量物の重量の中心から両腕端部それぞれへの水平距離を算出する算出段階を含む。

前記算出段階は、それぞれの水平距離が同一であるか判断する判断段階をさらに含むことができる。

前記判断段階は、それぞれの水平距離が同一でない場合、重量物と上部接触部又は下部接触部の間に作用する摩擦力を導出する導出段階をさらに含むことができる。

前記導出段階は、重量物の傾き角とセンサー部で測定された垂直方向及び水平方向の加圧力成分を利用して垂直分力と水平分力を求め、垂直分力を利用して摩擦力を導出することができる。

前記導出段階は、導出された摩擦力と水平分力を比較する比較段階をさらに含むことができる。

上述したような構造からなるロボットグリッパー及びその制御方法によれば、未知の物体の荷重を計算することが可能であり、接触点から重量の中心までの距離を計算することができる。

これにより、重量の中心を両腕の中央に位置するようにする再操作によって、物体の操作性を確保することができ、接触点での垂直／水平反力の計算によって把持安定性の判別が可能となる。

本発明の一実施例によるロボットグリッパーの構成図である。 本発明の一実施例によるロボットグリッパーの制御方法を説明するための図面である。 本発明の一実施例によるロボットグリッパーの制御方法を説明するための図面である。 本発明の一実施例によるロボットグリッパーの制御方法の順序図である。

以下では添付された図面を参照して本発明の望ましい実施例によるロボットグリッパー及びその制御方法について詳察する。

図１は、本発明の一実施例によるロボットグリッパーの構成図で、図２ないし３は本発明の一実施例によるロボットグリッパーの制御方法を説明するための図面であり、図４は本発明の一実施例によるロボットグリッパーの制御方法の順序図である。

本発明のロボットグリッパーは、ロボットの両腕の端部１００’、２００’にそれぞれ設けられ、把持の際に重量物１０の上面と下面にそれぞれ接触し、一定の半径を有する球面に形成された上部接触部３００及び下部接触部４００、前記上部接触部３００と下部接触部４００それぞれに設けられて重量物１０の把持の際に上部接触部３００又は下部接触部４００に加えられる垂直方向又は水平方向の加圧力を測定するセンサー部５００、及び重量物１０の把持の際の両腕端部１００’、２００’の垂直方向及び水平方向の隔離距離ｄｘ、ｄｙとそれぞれのセンサー部５００で測定された垂直方向の加圧力成分を利用して重量物１０の重量の中心Ｃが両腕端部１００’、２００’の間の中央に位置しているか判断する制御部７００を含む。

図１は、本発明の一実施例によるロボットグリッパーであり、本発明のロボットグリッパーは、両腕で重量物を把持して揚重するロボットに適用することができる。また、着用式ロボットにも適用が可能である。

具体的には、ロボットの両腕１００、２００にはグリッパーがそれぞれ端部１００’、２００’に装着される。グリッパーは、重量物１０の上面と下面を同時に上方と下方で加圧して把持し、これを揚重するようにする。ただし、その過程で重量物１０が真中に位置しなかったり傾いた場合には、揚重後に重量物がスライドして落ちたり、あるいは外力によって容易に離脱することにより安全事故の危険がある。

したがって、これを事前に安定性を判別することにより、安全でないものと判断された場合には、把持しなおすことができるように案内するのである。さらに、付加的には未知の重量物の重量もまた判断することができるロジックを具現することができる。

これのために、本発明のロボットグリッパーは、ロボットの両腕の端部１００’、２００’にそれぞれ設けられ、把持の際に重量物１０の上面と下面にそれぞれ接触し、一定の半径を有する球面に形成された上部接触部３００及び下部接触部４００を備える。

上部接触部３００及び下部接触部４００は、それぞれ重量物の上面と下面に接触する。そして、前記上部接触部３００と下部接触部４００それぞれに設けられて重量物１０の把持の際に上部接触部３００又は下部接触部４００に加えられる垂直方向又は水平方向の加圧力を測定するセンサー部５００が設けられる。センサー部は、基本的に重量物によってそれぞれの上部接触部３００又は下部接触部４００に加えられる垂直方向又は水平方向の加圧力を測定する。このために水平センサー５２０と垂直センサー５４０から構成される。

また、重量物１０の把持の際の両腕端部１００’、２００’の垂直方向及び水平方向の隔離距離ｄｘ，ｄｙと、それぞれのセンサー部５００で測定された垂直方向の加圧力成分を利用して、重量物１０の重量の中心Ｃが両腕端部１００’、２００’の間の中央に位置しているか判断する制御部７００が備えられて安定性を判断する。

また、前記制御部７００は、重量の中心Ｃが両腕端部１００’、２００’の間の中央に位置しない場合、重量物１０と上部接触部３００又は下部接触部４００の間に作用する摩擦力を導出し、これを水平分力と比較することにより２次的な安定性を判断することができる。

具体的に、図４は、本発明の一実施例によるロボットグリッパーの制御方法の順序図で、図２ないし３は、本発明の一実施例によるロボットグリッパー制御方法を説明するための図面である。

本発明の前記ロボットグリッパーを制御する方法は、重量物を把持する把持段階（Ｓ１００）、両腕端部の垂直方向及び水平方向の隔離距離から重量物の傾き角を測定する測定段階（Ｓ２００）、及び前記重量物の傾き角とそれぞれのセンサー部で測定された垂直方向の加圧力成分を利用して重量物の重量の中心から両腕端部それぞれへの水平距離を算出する算出段階（Ｓ３００）を含む。

まず、図２に示すように、重量物自体の中央位置を検証する。このために、まず重量物を把持する把持段階（Ｓ１００）を遂行し、両腕端部の垂直方向及び水平方向の隔離距離から重量物の傾き角を測定する測定段階（Ｓ２００）を遂行する。

傾き角は、重量物が傾いた場合、ロボットの両腕の端部もまた同様に傾くところ、これは先に示した上部接触部３００と下部接触部４００が半径Ｒを有する球面に形成されているためである。

したがって、重量物の傾き角は、両腕端部の垂直方向の隔離距離ｄｙと水平方向の隔離距離ｄｘの三角関数によって下の式のように求めることができる。

そして、前記重量物の傾き角とそれぞれのセンサー部で測定された垂直方向の加圧力成分を利用して、重量物の重量の中心から両腕端部それぞれへの水平距離を算出する算出段階（Ｓ３００）を遂行する。

重量物の重量の中心Ｃから両腕端部それぞれへの水平距離ｒ１，ｒ２は、下の式で求めることができる。

前記数式から分かるように、重量物の重量の中心Ｃから両腕端部それぞれへの水平距離ｒ１，ｒ２は、二つの方程式によって二つの変数を求める方式で算出される。すなわち、それぞれのセンサー部で測定された垂直方向の加圧力成分（Ｆ１１、Ｆ１２、Ｆ２１、Ｆ２２）と、上部接触部３００と下部接触部４００の半径Ｒ及び変数ｒ１、ｒ２から、三角関数を利用して重量物の重量の中心Ｃでモーメントの和が０という式を導出し、ｒ１＋ｒ２は結局、両腕端部の水平方向の隔離距離ｄｘと同じという二つの式を利用して求めるのである。ここで、傾き角θは、先に求めた角度を利用する。

一方、このような過程によってｒ１、ｒ２を求めた後には、それぞれの水平距離が同一であるか判断する判断段階（Ｓ４００）を遂行する。そして、これによってそれぞれの水平距離ｒ１、ｒ２が互いに同一の場合は、重量物が中央に安定的に位置したものであるところ安全であると判断する。

ただし、ｒ１、ｒ２が互いに同一でない場合、すなわち、重量物の重量の中心が両腕の中央に位置しない場合には、それぞれの水平距離が同一でない場合、重量物と上部接触部又は下部接触部の間に作用する摩擦力を導出する導出段階（Ｓ５００）を遂行する。

そして導出段階（Ｓ５００）は、重量物の傾き角とセンサー部で測定された垂直方向及び水平方向の加圧力成分を利用して垂直分力と水平分力を求め、垂直分力を利用して摩擦力を導出し、導出された摩擦力と水平分力を比較する比較段階（Ｓ６００）を遂行するのである。

図３では、このような２次的な判断段階を紹介する。これを下の式によって説明する。

前記式での傾き角θは、先に求めた角度を利用する。そして、上部接触部と重量物の間に作用する加圧力Ｆｘ、Ｆｙをセンサー部によって測定するところ、これによって合力Ｆｓｕｍを求める。合力は、再び重量部を基準として垂直分力Ｆｎと水平分力Ｆｔに傾き角θを用いて分けられる。そしてその垂直分力によって摩擦力μ＊Ｆｎを求め、水平分力Ｆｔが摩擦力より小さい場合には、滑らないものとみて安定的な把持状態と判断するのである。

したがって、このような過程によって１次及び２次評価ですべて安定的でないものと判断されれば、把持を新しい地点でするように案内することにより安定的な揚重作業がなされるようにするのである。

上述したような構造からなるロボットグリッパー及びその制御方法によれば、未知の物体の荷重を計算することが可能で、接触点から重量の中心までの距離を計算することができる。

これにより、重量の中心を両腕の中央に位置するようにする再操作によって、物体の操作性を確保することができ、接触点での垂直／水平反力の計算によって把持安定性の判別が可能になる。

本発明は、特定の実施例に関して図示して説明したが、以下の特許請求の範囲によって提供される本発明の技術的思想を外れない限度内で、本発明が多様に改良及び変化することができるということは、当業界で通常の知識を有する者において自明なことである。

１００、２００ ： 両腕 ３００ ： 上部接触部
４００ ： 下部接触部 ５００ ： センサー部
７００ ： 制御部

Claims (7)

1. ロボットの両腕の端部にそれぞれ設けられ、把持の際に重量物の上面と下面にそれぞれ接触し、一定の半径を有する球面に形成された上部接触部及び下部接触部、
   前記上部接触部と下部接触部それぞれに設けられて重量物の把持の際に上部接触部又は下部接触部に加えられる垂直方向又は水平方向の加圧力を測定するセンサー部、及び
   重量物の把持の際の両腕端部の垂直方向及び水平方向の隔離距離の三角関数によって算出される重量物の傾き角と、それぞれのセンサー部で測定された垂直方向の加圧力成分を利用して、重量物の重量の中心が両腕端部の間の中央に位置しているか判断する制御部、を含むロボットグリッパー。
2. 前記制御部は、重量の中心が両腕端部の間の中央に位置しない場合、重量物と上部接触部又は下部接触部の間に作用する摩擦力を導出し、これを水平分力と比較することを特徴とする請求項１に記載のロボットグリッパー。
3. 請求項１に記載のロボットグリッパーを制御する方法であって、
   重量物を把持する把持段階、
   両腕端部の垂直方向及び水平方向の隔離距離の三角関数から重量物の傾き角を測定する測定段階、及び
   前記重量物の傾き角とそれぞれのセンサー部で測定された垂直方向の加圧力成分を利用して重量物の重量の中心から両腕端部それぞれへの水平距離を算出する算出段階を含むロボットグリッパー制御方法。
4. 前記算出段階は、それぞれの水平距離が同一であるか判断する判断段階をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載のロボットグリッパー制御方法。
5. 前記判断段階は、それぞれの水平距離が同一でない場合、重量物と上部接触部又は下部接触部の間に作用する摩擦力を導出する導出段階をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載のロボットグリッパー制御方法。
6. 前記導出段階は、重量物の傾き角とセンサー部で測定された垂直方向及び水平方向の加圧力成分を利用して垂直分力と水平分力を求め、垂直分力を利用して摩擦力を導出することを特徴とする請求項５に記載のロボットグリッパー制御方法。
7. 前記導出段階は、導出された摩擦力と水平分力を比較する比較段階をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載のロボットグリッパー制御方法。