KR100219838B1

KR100219838B1 - 전자석의 흡인력을 이용한 원격조종 로봇용촉각 궤환장치

Info

Publication number: KR100219838B1
Application number: KR1019970017145A
Authority: KR
Inventors: 박종오; 안인석; 이정훈
Original assignee: 박호군; 한국과학기술연구원
Priority date: 1997-05-03
Filing date: 1997-05-03
Publication date: 1999-09-01
Also published as: US6163739A; KR19980082306A

Abstract

본 발명은 원격지에 있는 로봇팔에 달린 그리퍼와 그리퍼가 접촉하는 작업대상물 사이의 촉각 정보를 중앙 제어실에 있는 작업자에게 전달하여 더욱 정교하고 효과적인 작업을 할 수 있도록 하는 전자석의 흡인력을 이용한 원격조종로봇용 촉각궤환장치에 관한 것으로, 종래의 공압이나 형상기억합금을 사용한 촉각궤환장치에 있어서는 그리퍼와 그리퍼가 접촉하는 촉각정보를 중앙제어실에 있는 작업자에게 정확히 전달할 수 없게되는 문제점이 있었다. 이러한 점을 감안하여, 촉각센서로부터 측정된 촉각정보를 접촉유형분석기부에서 적당한 주기마다 신호들을 한 부류로 묶고, 그 형성된 신호 군들의 변화 추세를 이미 얻어진 접촉 유형 데이터베이스를 토대로 하여 각 경우에 맞게 변화시키고, 촉각궤환소자 구동회로부에서 전류로 변환하여, 각각의 촉각궤환소자를 구동시키게 하며, 상기 촉각궤환소자를 5 x 5 어레이 형태로 구성하여 상기 촉각정보를 어레이 단위로 궤환되도록 함과 아울러 연속적인 출력제어가 가능하도록 함으로써, 원격지의 촉각정보를 작업자에게 정확히 전달하여 정교하고 효과적인 작업을 수행할 수 있게 한 것이다.

Description

전자석의 흡인력을 이용한 원격조종 로봇용 촉각 궤환장치.

본 발명은 원격조종 로봇(Robot) 시스템에 적용되는 촉각 궤환장치에 관한 것으로, 특히 원격지에 있는 로봇 팔에 달린 그리퍼와 그리퍼가 접촉하는 작업대상물 사이의 촉각정보를 중앙제어실에 있는 조작자에게 전달하여 더욱 정교하고 효과적인 작업을 할 수 있도록 하는 전자석의 흡인력을 이용한 원격조종 로봇용 촉각 궤환장치에 관한 것이다.

인간이 직접 조정하는 원격조종로봇은 생산 현장에 있는 산업로봇과는 달리 변화하는 외부환경에 능동적으로 대처하며, 복잡한 작업을 수행할 수 있다. 따라서 작업 수행 능력의 우수성 때문에 인간이 직접 수행하기에는 위험이 따른 극한 환경에서의 작업이나 작업이 수행되는 장소와 작업자의 위치가 떨어져 있는 원격 환경에서의 임무 수행에 세계적으로 널리 쓰이고 있다. 그 구체적인 작업 예를 들어보면, 원자로에서 방사선 물질을 직접 다루는 작업, 인간이 견딜 수 없는 수압 이상의 심해에서 탐사, 채취, 실험을 행하는 작업, 우주에서 고장난 위성을 수리 혹은 새 위성을 띄우는 작업, 전장과 같은 장소적인 특수성과 시간적인 특수성에 의해 전문의사가 투입되기가 곤란한 경우에서의 원격 진료 등을 꼽을 수 있다. 이와같은 작업들을 수행하는 원격조종로봇은 인류의 활동 영역이 더욱 확대되어가고, 복지를 더욱 우선시함에 따라 앞으로 더욱 많아질 것이고 더욱 발전되어갈 전망이다.

대부분의 원격조종 로봇 시스템은 그의 개략사시도인 제1도에 도시된 바와같이 주위 환경으로부터의 시각, 청각정보를 위주로 하여 조종되어져 왔고, 현재는 보다 효과적인 조종을 위해 팔과 손의 역각정보가 추가 제공되어지고 있는 상황이다. 하지만 현 상황에서도 섬세한 작업을 수행하는 데 커다란 장애가 되고 있다.

원격조종 로봇 시스템에 적용될 수 있는 종래의 촉각 궤환장치로서, 영국 ARRC/Airmuscle Ltd.사의 Teletact Ⅱ와 미국 Xtensory사의 Tactools XTT1이 알려져 있다.

상기 'Teletact Ⅱ'는 공압에 의하여 구동되며, 비례적으로 팽창할 수 있는 작은 공기주머니를 부착하고, 전자 제어기와 압축기를 사용하여 압력을 전달하는데, 텍터(tector) 1개의 크기는 직경 15[mm]이며, 완전히 부풀려졌을 때 접촉단면적은 100[mm²] 정도로 되게 구성되어 있다. 이와같은 텍터는 손가락 마디에 1개씩 부착이 가능하며, 각 텍터당 최대 출력은 8.4[gf/mm²] 정도로 된다.

또한, 상기 'Tactools XTT1'은 형상기억합금을 이용한 것으로, 출력이 연속적으로 제어 불가능한 온(on)-오프(off) 스위칭 형태로 구성되어 있다. 텍터 1개의 크기는 9 x 20 x 5[mm³]이므로 사람의 손가락 1개에 1개 밖에 장착할 수 없으며, 각 텍터당 1개씩 부착된 직경 1[mm]의 핀에 의해 손가락 끝마다의 피부에 출력을 내게 된다.

그러나, 실제로 원격조종 로봇 시스템에서 필요한 촉각 궤환장치는 섬세한 원격조종을 위해서 다음의 조건을 만족하여야 한다.

첫째, 촉각궤환장치를 구성하는 소자들이 어레이 형태로 분포해야 한다. 즉 인간에게 실제와 유사한 촉감을 재연하기 위해서는, 피부에 두 힘이 이웃하게 떨어져 작용할 때 두힘을 구분할 수 있는 최소 거리차를 나타내는 공간 분해능(spatial resolution)인 2mm에 최대한 근접하게 촉각궤환소자가 조밀하게 분포되어져야 한다.

둘째, 접촉면의 질감이나, 물체의 미끄러짐을 작업자에게 제공하기 위해 촉각궤환소자간의 적절한 어레이 단위의 궤환 제어가 이루어져야 한다.

셋째, 인간의 힘 분해능(Force resolution ; Sensitivity)은 2(gf)로 불연속적인 인식능력을 가지고 있다. 따라서 촉각궤환장치는 이 힘 분해능을 단위로하여 힘이 선형적으로 제어 가능하게 발생되어져야 한다.

넷째, 촉각궤환장치의 착용에 따른 부작용이 없거나, 적어야 한다. 공압을 이용한 제품은 소음을 발생시키며, 진동을 이용한 제품은 장시간의 착용시 쉽게 피로감을 느끼게 한다. 따라서 이러한 부작용들이 무시되어야 하고, 착용에 의한 행동의 장애나 간섭을 일으키지 말아야 한다.

그러나, 현재까지는 상기한 요구조건들은 모두 만족시키는 촉각궤환장치는 개발되어져 있지 않다.

따라서, 본 발명은 상기한 요구조건들을 만족시키는 원격조종로봇용 촉각궤환장치를 제공함에 목적이 있다. 즉, 전류에 의해 선형적으로 제어되어지고, 소형의 촉각궤환소자들을 촘촘하게 배열시키며, 착용시 소음이나, 피로감, 행동의 장애를 혁신적으로 감소시키고, 섬세한 작업수행에 적합하도록 한 전자석의 흡인력을 이용한 원격조종로봇용 촉각궤환장치를 제공함에 목적이 있다.

도1은 원격 조종 로봇시스템의 개략 사시도.

도2는 본 발명의 전자석의 흡인력을 이용한 촉각 궤환장치 구성도.

도3은 도2 촉각 궤환소자의 구성 예시도.

도4는 도3의 촉각 궤환소자의 힘유도를 위한 공극주변에서의 모형도.

도5는 도3 촉각 궤환소자의 5 x 5 어레이 구성 예시도.

도6은 본 발명 촉각 궤환장치를 이용한 촉각 궤환 시스템의 실시 구성도.

도7은 도6에서의 촉각궤환과정을 보인 동작순서도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1 : 접촉유형 분석기부2 : 전원부

3 : 촉각궤환소자 구동회로부4 : 촉각 궤환소자

5 : 촉각센서6 : 인터페이스부

41 : 촉침42 : 고정프런저

43 : 이동프런저44 : 코일

45 : 보빈46 : 셀

본 발명은 종래의 공압방식, 형상기억합금방식, 진동방식 등에 따른 촉각궤환장치의 단점들을 개선하기 위하여, 그 종래방식등과는 다른 형태의 기구(mechanism)를 도입하였다. 즉, 촉각을 발생시키는 힘으로 전자석의 흡인력을 이용하여, 전자석의 흡인력이 코일에 인가되어지는 전류의 변화에 따라 연속적으로 제어될 수 있게 하였고, 전자석의 외곽을 투자율이 높은 물질로 둘러싸 소자간 자장의 간섭을 방지하여 더욱 조밀하고 성능이 우수한 어레이 형태로 설계하였으며, 미끄러져 흡입되어지는 이동 프런저(Movable Plunger)와 이와 맞닿는 고정 프런저(Fixed Plunger)의 양단면을 경사지게 하여, 선형적인 제어가 용이하게 하였다. 또한, 상기와 같은 방법으로 소자를 경량화, 소형화 하여 착용시 중량에 따른 피로감이 적고, 장치에 의한 작업의 간섭이 적게 하였고, 인간의 촉각인식특성을 고려 접촉형태에 따른 어레이 단위의 궤환이 가능하게 하여 물체의 질감이나, 미끄러짐등 복잡한 촉각을 느낄 수 있게 하였다.

이와같은 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도2는 본 발명의 전자석의 흡인력을 이용한 촉각 궤환장치 구성도이고, 도3은 도2 촉각 궤환소자(4)의 구성예시도로서, 이에 도시한 바와같이 촉각정보를 입력받아 그에 따른 접촉유형을 분석하여 명령신호를 출력하는 접촉유형분석기부(1)와, 전원을 공급하는 전원부(2)와, 상기 전원부(2)로부터 전원을 공급받고 상기 접촉유형분석기부(1)로부터 출력되는 명령신호를 입력받아 전류로 변환 공급하는 촉각 궤환소자 구동회로부(3)와, 상기 촉각 궤환소자 구동회로부(3)로부터 공급되는 전류에 따라 고정프런저(42)와 이동프런저(43) 사이의 흡인력이 변화하여 촉침(41)을 통해 조작자에게 촉각력을 전달하는 촉각궤환소자(4)로 구성한다. 상기 촉각궤환소자(4)는 촉침(41)이 이동할 수 있도록 내부가 뚫린 파이프형의 고정프런저(42)에 이동프런저(43)의 운동을 안내해 주는 보빈(45)을 삽입시킨후, 그위에 코일(44)을 조밀하게 감고, 상기 권화된 코일(44)의 외곽을 셀(shell, 46)로 감싼 구조로 구성한다. 상기 이동프런저(43)와 그에 부착된 촉침(41)은 보빈(45)을 따라 이동되어지는데, 그의 작동원리에 대하여 설명한다.

촉각궤환소자 구동회로부(3)로부터 공급되는 전류가 코일(44)에 인가되어지면, 자기장은 고정프런저(42)를 관통한 후 셀(46)표면을 타고 유도되어 고정프런저(42)와 소정거리 떨어져 있는 이동프런저(43)로 되돌아오게 되고, 이에따라 고정프런저(42)의 하단면과 이동프런저(43)의 상단면은 서로 반대극성을 띠게되므로, 이동프런저(43)가 잡아 당겨져 고정프런저(42)에 부착되어진다. 따라서 이때 이동프런저(43)에 부착되어 있는 촉침(41)이 고정프런저(42)의 내부를 관통해 이동하여, 촉침(41) 끝에 위치한 피부를 때리거나, 밀어준다.

도4는 도3의 촉각궤환소자(4)의 함유도를 위한 공극주변에서의 모형도로서, 상기 이동 프런저(43)와 고정프런저(42)사이의 흡인력을 그 도3에 도시한 바와같이 모델링하여 이때 발생되어지는 힘에 대해 상세히 설명한다.

프린징 플럭스(Fringing flux)를 무시하면 공극 투자도(air-gap permeance)는 하기의 식(1)과 같이 나타낼 수 있다.

---------------- (1)

여기서, S는 서로 평행하게 마주보고 있는 평면의 단면적이고, l은 떨어져 있는 길이이고,

는 공기의 투자율이고, r은 잘린 원뿔의 평균 반지름이다. 상기의 식(1)을 이동거리 ds에 대해 미분하면, 하기의 식(2)을 얻게된다.

------------------------(2)

이 경우

이다. 상기 식(2)를 일반적인 기자력 공식에 대입하면, 하기의 식(3)과 같은 수식이 유도되어진다.

-----------------(3)

여기서,

는 공극 사이의 기자력이고 단위는 ampere-turns이다. 상기 힘(Fource)은 다음과 같이 프런저의 자속 밀도의 항으로 표현되어질 수 있다. 우선 프런저 전체 자속(

)은 하기의 식(4)와 같다.

-------------------(4)

상기 식(4)를 이용해 프런저 전체에 분포하는 자속 밀도(

)를 계산할 수 있고, 그 수식이 하기의 식(5)로 정리되어 있다.

------------(5)

이와같이 구해진 식(5)를 상기 식(3)에 대입하면 힘이 자속밀도항으로 표현되어진 하기의 식(6)을 얻을 수 있다.

----------------(6)

상기 식(6)에서 알 수 있듯이 힘은 여러 요소가 복합적으로 영향을 끼치고 있다. 본 발명의 설계에서는 상기 식(6)을 기본으로 하여, 각 부품의 설계치수를 설계 변수로 삼고, 발생되어지는 최대 촉각력을 목적 함수로 하는 최적설계문제로 보고, 최적 설계 알고리즘을 도입, 각 부품 치수에 따른 영향을 FEM를 통해 분석, 가공가능한 한도내에서 최대 촉각력을 발생시킨 사양을 선택하여 설계, 제작하였다.

도5는 도3의 촉각궤환소자(4)를 5 x 5 어레이 형태로 배열한 구성예시도이다.

따라서, 도2의 접촉유형 분석기부(1)는 그리퍼의 어레이 단위의 촉각신호를 전달받아, 피부의 촉각인식특성을 고려하여, 주어진 접촉유형을 가장 잘 표현할 수 있도록 5 x 5 어레이 형태의 촉각궤환소자(4)들 각각에 적절한 명령신호를 출력하고, 이 명령신호들을 촉각궤환소자 구동회로부(3)들에서 입력받아 구동전류로 변환한 후 적절히 증폭시켜 상기 5 x 5 어레이 형태의 촉각궤환소자(4)들을 구동시킴으로써 어레이 단위의 촉각궤환이 이루어지도록 한다. 이때 촉각궤환소자 구동회로부(3)는 전원부(2)로 부터 전원을 공급받는다.

도6은 본 발명의 촉각궤환장치를 이용한 촉각궤환시스템의 실시 구성도로서, 이에 도시한 바와같이 원격지의 로봇 그리퍼 내측에 장착되어, 그 로봇의 작업 수행시 그리퍼와 그리퍼가 접촉하는 작업 대상물 사이에 작용하는 접촉력을 측정하는 촉각센서(5)와, 상기 촉각센서(5)에서 측정된 신호를 증폭하여 출력하는 인터페이스부(6)와, 상기 인터페이스부(6)에서 출력된 신호를 입력받아, 주어진 신호를 분석하고 어떠한 접촉 유행인가를 판단하여, 본 어레이형 촉각궤환소자(4)의 출력에 적합한 형태로 변환시켜, 각각의 촉각궤환소자(4)들에게 명령신호를 출력하는 접촉유형분석기부(1)와, 상기 접촉유형분석기부(1)로 받은 명령신호를 구동에 적합한 전류로 변환, 증폭시켜주는 촉각궤환소자 구동회로부(3)와, 상기 촉각궤환소자 구동회로부(3)를 통해 공급되는 구동전류에 따라 작업자에게 로봇 그리퍼의 촉각을 재연해주는 촉각궤환소자(4)들로 구성되어 있다.

도7은 도6에서 촉각이 궤환되어지는 과정을 수행되어지는 작동별로 설명한 동작순서도로서, 이를 참조하여 도6의 각 시스템 구성요소의 역할과 동작 내용을 자세히 설명하면 다음과 같다.

촉각센서(5)는 피부의 공간 분해능이 보통 2mm이므로 이를 한계치로 보고 보통 15 x 15 mm²에 16 x 16 촉각 배열을 갖는 촉각센서(5)를 사용하여, 로봇의 그리퍼가 작업 물체와 접촉했을 때, 그때의 촉각정보를 인터페이스부(6)가 빠른 주파수로 촉각 배열내 모든 촉각 측정점(sensing point)들에서 읽어 들여 수직하중에 비례한 신호로 출력한다. 이 신호는 곧바로 접촉유형분석기부(1)에 입력되어지고, 접촉유형분석기부(1)는 우선 촉각배열점 개개로부터 입력되어진 신호들을 짧은 샘플링 시간을 기준으로 하여 어레이 단위의 촉각신호군으로 묶어준다. 그 다음 촉각신호군을 단위로 하여, 일정 개수의 집합들의 변화 추세를 분석하는데, 본 촉각 궤환소자(4)의 성능을 고려하여, 미리 실험 혹은 이론을 통해 얻어진 대표적인 접촉 유형 데이터베이스중 어디에 속하는지를 검색하고, 그 속한 대표 접촉유형을 기준으로 하여 평균촉각신호군의 힘 크기, 분포에 따라 적절히 변화를 주어 각각의 촉각궤환소자 구동회로부(3)에 해당 명령신호를 인가한다. 그 다음 촉각궤환소자 구동회로부(3)는 일반적으로 전압으로 주어진 명령신호를 전류로 변환하고 증폭시켜 촉각궤환소자(4)를 구동시킬 수 있게 하고, 촉각궤환소자(4)는 주어진 전류에 따라 자기장의 세기를 변화시켜 이동프런저(43)의 흡인력을 조절하며, 이때 이동프런저(43)가 운동함과 동시에 함께 부착되어 있는 촉침(41)으로 피부를 밀어주거나, 때려줘서 촉각력을 발생시킨다.

이상에서 상세히 설명한 바와같이 본 발명은 전자석의 흡인력을 이용해 연속적인 촉각력의 제어가 가능하며, 어레이 형태로의 제작이 가능하고 궤환 촉각력 영역을 넓히기 위한 최적설계가 이루어져, 단위 크기당 상대적으로 우수한 촉각력을 나타낼 수 있는 어레이 형태의 소형 촉각궤환소자를 제공할 수 있고, 실제 15 x 15 mm²피부에 촉각궤환소자들을 5 x 5 어레이로 배열함으로써 접촉부위의 판별이 가능하고, 미끄러짐과 같은 복잡한 촉각정보를 궤환할 수 있는 우수한 촉각궤환장치가 제작되어, 작업자는 원격지에서 로봇 그리퍼가 느낀 촉각정보를 장갑 끝에 장착된 촉각궤환장치를 통해 실시간에 전달 받을 수 있게 되었고, 종전에 시각에 의존한 작업 수행보다 더 용이하게 작업을 수행할 수 있게 되었고, 또한 정밀하고 섬세한 작업 수행이 가능해져서, 수행할 수 있는 작업의 영역이 확대되는 효과가 있다.

Claims

촉각정보를 입력받아, 그에따른 접촉유형을 분석하여 명령신호를 출력하는 접촉유형 분석기부와, 상기 접촉유영 분석기부에서 출력되는 명령신호를 전류로 변환하여 공급하는 촉각궤환소자 구동회로부와, 상기 촉각궤환소자 구동회로부로 부터 공급되는 전류에 따라 고정프런저와 이동프런저사이의 흡인력이 변화하여 촉각력을 제어하는 촉각궤환소자로 구성하여 된 것을 특징으로 하는 전자식의 흡인력을 이용한 원격조종 로봇용 촉각궤환장치.
제1항에 있어서, 촉각궤환소자는 촉침이 이동할 수 있도록 중심이 빈 파이프형의 고정프런저에 상기 촉침과 연결되어 있는 이동프런저의 이동을 안내해주는 보빈을 삽입시켜, 그위에 코일을 조밀하게 감고, 상기 권회된 코일외곽을 셀(shell)로 감싼 구조로 구성된 것을 특징으로 하는 전자석의 흡인력을 이용한 원격조종로봇용 촉각궤환장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 촉각궤환소자를 어레이 형태로 배열하여 구성된 것을 특징으로 하는 전자석의 흡인력을 이용한 원격조종로봇용 촉각궤환장치.
제1항에 있어서, 접촉유형 분석기부는 촉각센서의 배열형태의 측정점들 각각으로 부터 입력되어진 신호들을 짧은 샘플링 시간을 기준으로 하여 어레이 단위의 촉각신호군으로 묶어주고, 그 촉각신호군을 단위로 하여, 일정 개수의 집합들의 변화추세를 분석하여, 미리 실험 혹은 이론을 통해 얻어진 대표적인 접촉유형 데이터베이스중 어느 분류에 속하는지를 검색하고, 그 속한 대표 접촉유형을 기준으로 하여 평균 촉각신호군의 힘 크기, 분포에 따라 적절히 변화를 주어 각각의 촉각궤환소자 구동회로부에 해당명령신호를 인가하게 구성된 것을 특징으로 하는 전자석의 흡인력을 이용한 원격조정 로봇용 촉각궤환장치.
제2항에 있어서, 촉각궤환소자는 보빈을 이동프런저의 이동부분만 안내할 수 있도록 짧게하여, 고정프런저에 삽입시킨 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 전자석의 흡인력을 이용한 원격조종로봇용 촉각궤환장치.
제1항에 있어서, 로봇의 작업수행시, 그리퍼와 그리퍼가 접촉하는 작업대상물 사이에 작용하는 접촉력을 측정하는 촉각센서와, 상기 촉각센서의 측정신호를 증폭하여 접촉유형 분석기부에 송신하는 인터페이스부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 전자석의 흡인력을 이용한 원격조종 로봇용 촉각궤환장치.
촉각궤환소자 구동회로부로부터 권선코일에 전류가 공급됨에 따라, 그로부터 발생되는 자기장이 고정프런저를 관통한 후 셀(shell)표면을 타고 유도되어, 상기 고정프런저와 소정거리 떨어져 있는 이동프런저로 되돌아오는 자기장 경로가 형성되게 하여, 상기 고정프런저의 하단면과 상기 이동프런저의 상단면이 서로 반대극성을 띠어 그 이동프런저를 잡아 당기게 하고, 상기 이동프런저를 잡아 당김에 따라 그 이동프런저에 부착되어 있는 촉침이 상기 고정프런저의 내부를 관통해 이동하여 그 촉침위에 위치한 피부에 촉각력을 전달하게 촉각궤환소자를 구성한 것을 특징으로 하는 전자석의 흡인력을 이용한 원격조종로봇용 촉각궤환장치.
제7항에 있어서, 이동프런저와 고정프런저의 양접합면을 경사지게 형성하여 이동변위를 증대시키게 구성된 것을 특징으로 하는 전자석의 흡인력을 이용한 원격조종로봇용 촉각궤환장치.