KR100237552B1 - 3차원상에서 위치 및 자세를 제어하기 위한 병렬기구 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3차원상에서 위치 및 자세 제어를 위한 병렬 기구 구조에 관한 것으로서, '헥사'형 병렬 기구 구조를 기본으로 하고, 종래의 '헥사'형 병렬 기구 구조에서의 회전 관절의 구동 관절을 대체하기 위하여 중간 플랫폼과 제3링크를 추가하여 병진 관절을 구동하므로서 기구의 강성을 보충한 6자유도 병렬 기구 구조를 제공한다.

Description

3차원상에서 위치 및 자세를 제어하기 위한 병렬 기구 구조

본 발명은 3차원상에서 위치 및 자세를 제어하는 병렬 기구 구조에 관한 것이다. 3차원상에서 위치 및 자세를 제어하는 기구 구조는 가공 대상물체를 가공하는 공작 기계나 물체의 조립, 운반 등과 같은 작업을 수행하는 로봇 매뉴플레이터를 위하여 연구되어 왔다.

공작 기계는 금속을 가공하는 장치로서, 금속 재료를 절삭(Cutting) 또는 연삭(Grinding)하여 원하는 모양, 치수 및 표면을 가지는 제품을 얻는데 사용되는 것으로서, 기계 본체와 공구의 두 부분으로 구성되어 동력에 의하여 기계를 운전하고 절삭 공구에 의하여 금속 재료를 가공하게 된다. 이러한 공작 기계는 통상적으로 공구를 교환할 수 있도록 되고 이러한 공작 기계를 '머시닝센터'라고도 한다.

원하는 형상 및 모양의 제품을 가공하기 위하여 공작 기계 중 공구 부분의 3차원 위치 및 자세 제어가 필수적이다. 본 명세서에서는 공작 기계의 경우를 예를 들어서, 기구학적 구조로서의 3차원상에서 위치 및 자세 제어를 위한 병렬 기구 구조를 설명한다.

예전의 공작 기계에서는 공구 부분의 3차원 위치 및 자세 제어를 위하여 기구학적 구조로서 직렬 기구 구조를 채택하여 왔다. 도1은 종래의 직렬 기구 구조를 설명하기 위한 구조도이다. 도1에서 보이는 바와 같이, 종래의 직렬 기구 구조는 베이스(11)에서 주축(12)까지의 각 축이 직각인 외팔보 구조이다. 이와 같은 직렬 기구는 작업 공간이 넓고, 이를 움직이기 위한 운영 소프트웨어 및 제어부가 간단한 장점이 있다. 그러나, 근래에는 도1에 도시된 직렬 기구 구조에 대비되는 병렬 기구 구조에 관한 연구가 활발하게 진행되어 왔다.

도2는 종래의 병렬 기구 구조로서, 헥사 포드형 구조를 설명하기 위한 구조도이다. 도2에서 도시된 바와 같이, 병렬 기구 구조는 베이스(21)와 주축(22)이 복수개의 링크들로 병렬 연결된 것을 그 특징으로 한다. 도1에 도시된 직렬 기구 구조에 비하여 병렬 기구 구조가 가지는 장점들은 다음과 같다. 첫째, 이동부의 관성 질량을 감소시킬 수 있어서 기계의 속도 및 가속도를 증가시킬 수 있다. 둘째, 주축과 베이스가 복수개의 링크들로 연결되어 있고, 각 링크들은 굽힘력 대신에 인장력과 압축력만을 받음으로써 기계의 강성을 높일 수 있다. 셋째, 각 링크의 오차가 주축에 평균적으로 반영됨으로써 링크 오차가 누적되는 직렬 기구에 비하여 기계의 정확도가 향상된다. 넷째, 직렬 기구 구조를 도입한 공작 기계가 대부분 3축 직각 좌표 기계인데 반하여, 병렬 기구 구조는 기본적으로 6자유도 운동이 가능한 구조로서 완전한 형태의 5면 6축 동시 가공이 가능하다. 한편, 병렬 기구 구조는 직렬 기구 구조에 비하여 작업 공간이 협소하고 운영 소프트웨어 및 제어부가 복잡해지는 단점이 있다.

도2에 도시된 구조도에서는 주축(21)과 베이스(22)를 여섯 개의 링크들이 연결하고 있고 이를 신축함으로써 6자유도의 운동을 구현하는 병렬 기구 구조이다. 도2에 도시된 구조를 '스튜어트 플랫폼' 구조라고 한다. 미국의 Giddings & Lewis사는 스튜어트 플랫폼을 이용한 병렬 기구 공작 기계를 제작하였다. 이 공작 기계는 6자유도 운동을 할 수 있으나 작업 영역이 매우 작고 특히 주축은 15°까지의 경사만이 가능하고 선회 운동이 불가능한 단점이 있었다.

상기한 '스튜어트 플랫폼' 구조를 개선하기 위하여 도3에 도시된 바와 같은 6자유도 병렬 기구 구조가 고안되었다.

도3에 도시된 6자유도 병렬 기구는 통상적으로 '헥사(Hexa)'로 알려져 있다. 도3에 도시된 바와 같이, 헥사는 베이스 플랫폼(32)과 작업 플랫폼(31)이 6개의 링크로 연결되는데, 각 링크는 작업 플랫폼(31)으로부터 3축회전관절-1축회전관절-3축회전관절인 S-R-S(Spherical-Revolute-Spherical) 형태의 관절로 구성되어 있다. 또한 각 링크는 고정된 길이의 2개의 링크로 구성되어 있고, 베이스 플랫폼(32)과 연결된 하부 링크의 1축회전관절(R)에 액츄에이터가 부착되어 기구를 구동시킨다. 헥사는 도2에 도시된 '스튜어트 플랫폼'에 비하여 속도 및 가속도가 크고 작업 공간이 넓다는 장점이 있으나, 기구 강성이 떨어지는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 6자유도 병렬 기구 구조인 헥사의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 '헥사'형 병렬 기구 구조가 가지는 장점인 속도 및 가속도가 크고, 특히 작업 공간이 넓은 특징을 유지하면서 기구의 강성을 증가시킨 6자유도 병렬 기구 구조를 제공하는데 있다.

도1은 종래의 직렬 기구 구조를 설명하기 위한 구조도,

도2는 종래의 병렬 기구 구조로서, '스튜어트 플랫폼' 구조를 설명하기 위한 구조도,

도3은 종래 기술에 위한 '헥사'형 6자유도 병렬 기구 구조의 구조도,

도4는 본 발명의 제1실시예에 의한 병렬 기구 구조의 구조도,

도5은 도4에 도시된 병렬 기구 구조의 작업 영역을 도시한 것,

도6는 본 발명의 제2실시예에 의한 병렬 기구 구조의 구조도,

도7는 도6에 도시된 병렬 기구 구조의 작업 영역을 도시한 것.

본 발명에 의한 병렬 기구 구조에서 링크의 연결 수단으로서, 3축 회전을 위한 볼(Sperical, 이하에서, 'S'라고 함) 관절, 1축 회전을 위한 핀(Revolute, 이하에서 'R'이라고 함) 관절, 1축 직선 이송을 위한 병진(Prismatic, 이하에서 'P'라고 함)을 사용한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 작업 플랫폼으로부터 S-S-R 관절로 구성된 링크쌍 6쌍에 의하여 연결된 중간 플랫폼 및 상기 각 링크쌍 중 S-R 관절인 하부 링크로부터 R-P-R 관절로 구성된 가변 링크 6개에 의하여 연결된 베이스 플랫폼을 포함하여, 상기 가변 링크의 길이를 변화시키도록 구동하여 상기 작업 플랫폼의 6자유도를 구현하는 것임을 특징으로 하는 병렬 기구 구조를 제공한다.

본 발명에서는 또한, 작업 플랫폼으로부터 S-S-R 관절로 구성된 링크쌍 6쌍에 의하여 연결된 중간 플랫폼 및 상기 각 링크쌍 중 S-R 관절인 하부 링크로부터 R-R-P 관절로 구성된 수평 이송 링크 6개에 의하여 연결된 베이스 플랫폼을 포함하여, 상기 수평 이송 링크의 베이스 플랫폼 쪽 끝이 가 상기 베이스 플랫폼 상에서 수평 이송하도록 구동하여 상기 작업 플랫폼의 6자유도를 구현하는 것임을 특징으로 하는 병렬 기구 구조를 제공한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명한다.

도4는 본 발명의 제1실시예에 의한 병렬 기구 구조의 구조도이고, 특히 도4b는 작업 플랫폼이 최대 경사 자세에 있는 경우를 보여준다.

도4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 의한 병렬 기구 구조는 도3에 도시된 '헥사'형 6자유도 병렬 기구 구조를 기본으로 한다. 본 발명의 제1실시예에 의한 병렬 기구 구조는 '헥사'형의 기본 구조에서 보이는 바와 같이, 작업 플랫폼(41)과 베이스 플랫폼(42)이 6개의 링크로 연결되어 있는 구조이다. 그러나, 본 발명에서는 작업 플랫폼(41)과 베이스 플랫폼(42) 사이에 중간 플랫폼(43)을 더 포함한다. 도4에 도시된 본 발명의 제1실시예에 의한 병렬 기구 구조를 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

중간 플랫폼(43)이 작업 플랫폼(41)으로부터 S-S-R 관절로 구성된 링크쌍 6쌍에 의하여 연결되어 있고, 베이스 플랫폼(42)은 상기 각 링크쌍 중 S-R 관절인 하부 링크로부터 R-P-R 관절로 구성된 가변 링크 6개에 의하여 중간 플랫폼(43)에 연결되어 있다. 구동은 상기 P관절을 구동하여 가변 링크의 길이를 변화시키도록 함으로써, 상기 작업 플랫폼(41)의 6자유도를 구현한다.

본 발명의 제1실시예에 의한 구조가 도3에 도시된 '헥사'형 6자유도 병렬 기구 구조와 다른 점은 작업 플랫폼(41)과 베이스 플랫폼(42) 사이에 중간 플랫폼(43)이 있고, 중간 플랫폼(43)과 베이스 플랫폼(42)을 연결하는 링크는 길이가 가변되는 가변 링크인 점이다. 이로 인하여, 회전 관절을 구동 관절로서 사용하는 종래의 '헥사' 구조에 비하여, 본 발명의 제1실시예에서는 병진관절을 구동하므로 기구의 강성을 증가시킬 수 있다.

도5은 도4에 도시된 병렬 기구 구조의 작업 영역을 도시한 것이다. 도5에 도시된 작업 영역은 일정한 각도 만큼의 경사를 유지한 채 도달 가능한 공구의 끝단의 위치를 작업 영역으로 정의할 때, 도5a는 0°경사시 작업 영역을 도5b는 주축이 30°경사진 경우 작업 영역을 도시한 것이다.

도6는 본 발명의 제2실시예에 의한 병렬 기구 구조의 구조도이다.

본 발명의 제2실시예에 의한 병렬 기구 구조도 역시 도3에 도시된 '헥사'형 6자유도 병렬 기구 구조를 기본으로 한다.

중간 플랫폼(63)이 작업 플랫폼(61)으로부터 S-S-R 관절로 구성된 링크쌍 6개에 의하여 연결되어 있고, 베이스 플랫폼(62)은 상기 각 링크쌍 중 S-R 관절인 하부 링크로부터 R-R-P 관절로 구성된 수평 이송 링크 6개에 의하여 연결되어 있다. 구동은 상기 수평 이송 링크의 P관절을 구동하여, 상기 수평 이송 링크의 베이스 플랫폼(62) 쪽 끝이 상기 베이스 플랫폼(62) 상에서 수평 이송하도록 구동하여 상기 작업 플랫폼의 6자유도를 구현한다.

본 발명의 제2실시예에 의한 구조가 도3에 도시된 '헥사'형 6자유도 병렬 기구 구조와 다른 점은 작업 플랫폼(61)과 베이스 플랫폼(62) 사이에 중간 플랫폼(63)이 있고, 중간 플랫폼(63)과 베이스 플랫폼(62)을 연결하는 링크는 수평 이송 링크로서, 수평 이송 링크의 베이스 플랫폼(62) 쪽의 한 끝이 베이스 플랫폼(62)의 수평면 상을 움직이는 점이다. 이로 인하여 본 발명의 제2실시예에 의한 구조에서도 역시, 베이스 플랫폼과 연결된 하부 링크의 회전 관절에 액츄에이터가 부착되어 회전 관절을 구동 관절로서 사용하는 종래의 '헥사' 구조에 비하여, 병진 관절을 구동하므로 기구의 강성을 증가시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 제2실시예에 의한 병렬 기구 구조는 구동부의 이송량이 적으므로 작업 상판의 움직임을 크게 할 수 있어서 고속을 필요로 하는 로봇에 적합하다.

도7는 도6에 도시된 병렬 기구 구조의 작업 영역을 도시한 것이다. 도7a는 0°경사시 작업 영역을 나타내고, 도7b는 30°기울어진 상태에서의 작업 영역을 나타낸다. 여기에서 작업 영역은 링크의 길이, 상판과 베이스의 반지름 등의 기구학적 변수들에 의하여 결정되는 것으로 역기구학식의 해가 존재하는 범위를 표시한 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 '헥사'형 병렬 기구 구조를 기본으로 하고, 종래의 '헥사'형 병렬 기구 구조에서의 회전 관절의 구동 관절을 대체하기 위하여 중간 플랫폼과 제3링크를 추가하여 병진 관절을 구동하므로서 기구의 강성을 보충한 6자유도 병렬 기구 구조를 제공한다.

Claims (2)

1. 3차원상의 위치 및 자세 제어를 위한 병렬 기구 구조에 있어서,

   상기 병렬 기구 구조의 작업 플랫폼으로부터 3축회전관절-3축회전관절-1축회전관절인 S-S-R 관절로 구성된 링크쌍 6쌍에 의하여 연결된 중간 플랫폼 및 상기 각 링크쌍 중 3축회전관절-1축회전관절인 S-R 관절인 하부 링크로부터 1축회전관절-1축직선이송관절-1축회전관절인 R-P-R 관절로 구성된 가변 링크 6개에 의하여 연결된 베이스 플랫폼을 포함하여, 상기 가변 링크의 길이를 변화시키도록 구동하여 상기 작업 플랫폼의 6자유도를 구현하는 것임을 특징으로 하는 병렬 기구 구조
2. 3차원상의 위치 및 자세 제어를 위한 병렬 기구 구조에 있어서,

   상기 병렬 기구 구조의 작업 플랫폼으로부터 3축회전관절-3축회전관절-1축회전관절인 S-S-R 관절로 구성된 링크쌍 6쌍에 의하여 연결된 중간 플랫폼 및 상기 각 링크쌍 중 3축회전관절-1축회전관절인 S-R 관절인 하부 링크로부터 1축회전관절-1축회전관절-1축직선이송관절인 R-R-P 관절로 구성된 수평 이송 링크 6개에 의하여 연결된 베이스 플랫폼을 포함하여, 상기 수평 이송 링크의 베이스 플랫폼 쪽 끝이 가 상기 베이스 플랫폼 상에서 수평 이송하도록 구동하여 상기 작업 플랫폼의 6자유도를 구현하는 것임을 특징으로 하는 병렬 기구 구조.

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