KR100264321B1 - 평형식 로봇 매니플레이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 평형식 로봇 매니플레이터(robot manipulator)에 관한 것으로, 소정의 형상을 갖는 베이스와, 단부에 상,하방향으로 승하강되는 리니어 샤프트가 각각 구비되어 상기 베이스에 고정되는 수개의 리니어형 액츄에이터와, 상기 리니어형 액츄에이터의 리니어 샤프트에 각각 연결 설치되는 커넥팅 로드와 일측면에 종말 작동체가 고정되며 상기 커넥팅 로드의 단부에 연결 고정되어 리니어형 액츄에이터의 구동으로 종말 작동체가 소정의 위치/자세를 갖도록 하는 플랫폼을 포함하여 구성한다.

상기한 본 발명에 의하면, 단독형 또는 하이브리드형 로봇 시스템에 장착하여 위치/자세를 보다 정밀하게 제어함으로써 매니플레이터의 성능을 보다 향상시키고, 전체적인 구성의 간소화로 제조 원가 절감 및 생산성 향상에 기여한다.

Description

평형식 로봇 매니플레이터

본 발명은 평형식 로봇 매니플레이터(robot manipulator)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 베이스와 플랫폼(platform)을 커넥팅 로드로 연결하고 상,하방향으로 승하강되는 리니어 샤프트가 구비된 리니어형 액츄에이터(linear type actuator)에 의해 커넥팅 로드의 플랫폼에 대한 지지 각도를 변경시킴으로써 플랫폼에 장착되는 종말 작동체(end effector)의 위치/자세를 보다 정밀하게 제어하며, 또한 전체적인 구성의 간소화로 제조 원가 절감 및 생산성 향상에 기여할 수 있게 한 평형식 로봇 매니플레이터에 관한 것이다.

일반적으로 산업용 로봇은 공장 자동화의 최종 목표인 무인 자동 공장을 구성하기 위한 필수적인 요소이다. 현재의 산업용 로봇은 아직도 기초적인 단계에 있고, 사용되는 부분도 극히 제한되어 있지만 공장 자동화의 중요한 한 부분을 차지하고 있다.

최근에 들어서는 인간이 할 수 없는 위험한 작업이나, 초정밀을 요구하는 작업 또는 프린트 기판상에 수많은 전자 부품을 실장하는 작업 등과 같이 많은 노동력을 필요로 하는 작업에 다양한 기능 및 형상을 갖는 로봇을 투입하여 생산성 향상 및 원가 절감에 크게 기여하고 있으며 , 나아가 산업 발전에 크게 이바지하고 있다.

산업용 로봇이 사용되는 대표적인 산업 분야를 구체적으로 설명하면, 용접(welding), 자재 취급(material handling), 페인팅(painting) 및 조립(assembly) 등을 들 수 있다

상기와 같은 산업용 로봇의 기본 구성 요소는 기계적인 장치(manipulator), 제어 장치(controller) 및 동력 공급원(power supply)로 구성되는 바, 이하에서는 로봇의 몸체를 이루고 있는 기계적인 장치에 대하여 설명하기로 한다.

통상 매니플레이터는 목표물을 3차원 공간에서 이동시키고 또한 작업을 수행하는 일을 하는 산업용 로봇의 기계적인 부분으로써, 그 전형적인 실시형태를 첨부 도면에 의해 설명하면 다음과 같다.

제1도에 도시한 바와 같이, 다수의 선회 관절부(31,31′)와, 절곡 관절부(32.32′,32″) 및 아암(arm)(33,33′)으로 구성된 구조로써, 관절로 연결되어 있는 인간의 팔의 동작을 모방하여 종말 작동체(34)의 위치 및 자세를 제어하는 연쇄식 로봇 매니플레이터의 형식이 주종을 이루고 있다.

상기 종말 작동체(34)는 작업 대상물에 소요의 작업을 행하는 것으로 제1도에서와 같은 파지 장치 외에 아아크 용접 토우치나 납땜 장치 등과 같은 소요의 툴이 사용된다.

그러나, 상기와 같은 연쇄식 로봇 매니플레이터는 본질적으로 관절로 이루어진 외팔보의 형태이기 때문에 부하에 대한 지지 능력과 진동 특성이 이상적이지 못하여 많은 위치 오차를 가져오게 되며, 더욱이 연쇄식 구조임으로 인해 관절부의 백래쉬(backlash)에 의한 오차 및 하중을 받는 부재의 처짐 등이 축적되어 종말 작동체(34)에 이르러서는 무시할 수 없는 정도의 크기로 확대되어 나타나게 된다. 이와 같은 현상을 보완하기 위해서는 상대적으로 육중한 형태의 로봇 암이 요구됨으로 인해 최소 이동 단위(resolution)가 커질 수 밖에 없고, 구동 속도 또한 제한을 받게 된다.

상기와 같은 연쇄식 로봇 매니플레이터의 단점을 보완하기 위한 것으로 평형식 로봇 매니플레이터가 제안되어 있다.

제2도는 종래의 일반적인 평형식 로봇 매니플레이터, 일명 스튜어드 플랫폼(Stewart Platorm)이라 알려진 로봇 매니플레이터의 개념을 설명하기 위한 도면으로, 연쇄식 로봇 매니플레이터가 다수의 관절로 연결되어 있는 관절 구조를 취하고 있음에 반하여, 평형식 로봇 매니플레이터는 베이스(35) 및 플랫폼(36)이라 칭하는 두 개의 평형판이 다수의 신장성 커넥팅 로드(37) 및 구면 조인트(38)로 연결되어 있으며, 유압이나 공압 실린더와 같은 선형 액튜에이터로 구성되는 신장성 커넥팅 로드(37)의 길이를 변경시키는 것에 의해 베이스(35)에 대한 플랫폼(36)의 상대적 위치 및 자세를 제어함으로써 플랫폼(36)에 장착되는 종말 작동체(도시하지 않음)의 위치 및 자세를 조절하게 된다.

상기와 같은 평형식 로봇 매니플레이터는 부하(負荷)가 각각의 커넥팅 로드(37)에 거의 고르게 분포되므로 연쇄식 로봇 매니플레이터에 비해 높은 구조적 강성 및 내부하 능력을 나타내며, 오차의 축적이 적어 정밀한 작업이 가능하다는 장점을 가지고 있다.

그러나, 평형식 로봇 매니플레이터는 연쇄식 로봇 매니플레이터에 비해 운동 영역이 작다는 근본적인 단점이 있는 것으로써, 근래에 들어서는 연쇄식 로봇 매니플레이터와 평형식 로봇 매니플레이터를 조합한 형태의 하이브리드형(hybrid type) 로봇 시스템이라는 새로운 로봇 시스템이 등장하게 되었다.

즉, 하이브리드형 로봇 시스템은 제1도에 도시한 바와 같은 연쇄식 로봇 매니 플레이터의 자유 단부에 제2도에 도시한 바와 같은 소형의 평형식 로봇 매니플레이터를 장착한 구조로써, 종말 작동체를 소정의 작업 위치로 이동시키는 등의 빠른 구동 속도의 큰 동작은 연쇄식으로부터 구현하며, 정밀한 동작 및 위치/자세의 보정 등은 소형의 평형식 로봇 매니플레이터로 구현하도록 한다.

그러나, 상기한 바와 같이 단독 형태로 사용되는 평형식 로봇 매니플레이터 또는 하이브리드형 로봇 시스템에 적용되는 평형식 로봇 매니플레이터는, 운동 영역이 작다는 근본적인 단점 외에도, 전술한 바와 같이, 플랫폼(36)의 위치/자세를 단순히 실린더 등의 선형 액튜에이터의 길이를 직접 변경시켜 제어함으로 인해, 비교적 큰 용량의 선형 액튜에이터를 필요로 할 뿐만 아니라, 위치/자세 제어의 정밀도에 어느 정도 한계가 있는 것이었다.

또한, 베이스(35)와 플랫폼(36)을 연결하는 커넥팅 로드(37)가 길이가 가변되는 신장형, 즉 유압이나 공압 실린더이기 때문에 로봇에 작용하는 하중 및 토오크를 피드백(feedback)하여 로봇을 보다 정밀하게 제어하기 위하여는 고가의 힘/토크 센서장치를 사용하여야 하며, 이에 따라 성능 향상에 비해 제조 원가 상승 폭이 너무 커지게 되어, 특수 목적 이외에는 그 사용이 기피되고 있는 실정이다.

뿐만 아니라, 많은 개수의 커넥팅 로드(37) 및 구면 조인트(38)의 사용으로 전체적으로 구성이 복잡하여 조립 공정이 용이하지 못하며, 이는 생산성을 저하시키는 요인으로 작용하는 등의 여러 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 여러 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 하이브리드형 로봇 시스템에 장착하여 사용할 수 있으며, 위치/자세보다 정밀하게 제어함으로써 성능을 보다 향상시킬 수 있도록 한 평형식 로봇 매니플레이터를 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 전체적인 구성의 간소화로 제조 원가 절감에 기여할 수 있도록 한 평형식 로봇 매니플레이터를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 구성의 간소화에 따른 조립 공정의 단순화로 생산성 향상에 기여할 수 있도록 한 평형식 로봇 매니플레이터를 제공함에 있다.

제1도는 종래 기술에 의한 연쇄식 로봇 매니플레이터의 일례를 나타내는 도면.

제2도는 종래 기술에 의한 평형식 로봇의 일례를 나타내는 개념도.

제3도 및 제4도는 본 발명에 의한 평형식 로봇 매니플레이터를 보인 것으로,

제3도는 사시도.

제4도는 분해 사시도.

제5도는 본 발명에 의한 평형식 로봇 매니플레이터의 리니어형 액츄에이터와 커넥팅 로드의 결합 상태를 설명하기 위한 결합 상태 확대 단면도.

제6도는 본 발명에 의한 평형식 로봇 매니플레이터의 커넥팅 로드와 플랫폼의 결합 상태를 설명하기 위한 결합 상태 확대 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 베이스 2 : 리니어 샤프트

3 : 리니어형 액츄에이터 4 : 커넥팅 로드

5 : 플랫폼 6 : 샤프트공

7 : 제1로드 7a : 로드 결합홈

8 : 제2로드 8a : 하부 결합부

8b : 상부 결합부 9 : 결합수단

10,11 : 연결핀 12 : 연결부재

13 : 세트 스크류 14 : 힌지편

14a : 힌지 결합홈

상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 소정의 형상을 갖는 베이스와, 단부에 상, 하방향으로 승하강되는 리니어 샤프트가 각각 구비되어 상기 베이스에 고정되는 수개의 리니어형 액츄에이터와, 상기 리니어형 액츄에이터의 리니어 샤프트에 각각 연결 설치되는 커넥팅 로드와, 일측면에 종말 작동체가 고정되며 상기 커넥팅 로드의 단부에 연결 고정되어 리니어형 액츄에이터의 구동으로 종말 작동체가 소정의 위치/자세를 갖도록 하는 플랫폼을 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 평형식 로봇 매니플레이터가 제공된다.

바람직하게, 상기 리니어형 액츄에이터는 베이스의 하면에 고정수단으로 고정되며, 그 리니어형 액츄에이터의 리니어 샤프트가 베이스에 형성된 샤프트공을 통해 상측으로 돌출되고, 그 리니어 샤프트의 단부에 커넥팅 로드가 연결 고정된다.

바람직하게, 상기 커넥팅 로드는 리니어형 액츄에이터의 리니어 샤프트에 연결 고정되는 제1로드와, 플랫폼에 연결되는 제2로드로 분리 형성된다.

바람직하게, 상기 리니어 샤프트와 제1로드는 결합수단으로 일체로 연결 고정된다.

바람직하게, 상기 제1로드 및 제2로드와, 제2로드와 플랫폼은 연결핀으로 회동 가능하도록 연결된다.

바람직하게, 상기 플랫폼의 하면에 수개의 힌지편이 각각 형성되고, 그 힌지편에 제2로드가 연결핀으로 연결된다.

이하, 본 발명에 의한 평형식 로봇 매니플레이터를 첨부 도면에 도시한 실시례에 따라서 설명하면 다음과 같다.

제3도 및 제4도는 본 발명에 의한 평형식 로봇 매니플레이터를 보인 것으로, 제3도는 사시도, 제4도는 분해 사시도이며, 제5도는 본 발명에 의한 평형식 로봇 매니플레이터의 리니어형 액츄에이터와 커넥팅 로드의 결합 상태를 설명하기 위한 결합 상태 확대 단면도, 제6도는 본 발명에 의한 평형식 로봇 매니플레이터의 커넥팅 로드와 플랫폼의 결합 상태를 설명하기 위한 결합 상태 확대 단면도이다.

이에 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 평형식 로븟 매니플레이터는 소정의 형상을 갖는 베이스(1)와, 단부에 상,하방향으로 승하강되는 리니어 샤프트(2)가 각각 구비되어 상기 베이스(1)에 고정되는 수개의 리니어형 액츄에이터(3)와, 상기 리니어형 액츄에이터(3)의 리니어 샤프트(2)에 각각 연결 설치되는 커넥팅 로드(4)와, 일측면에 종말 작동체(도시하지 않음)가 고정되며 상기 커넥팅 로드(4)의 단부에 연결 고정되어 리니어형 액츄에이터(2)의 구동으로 종말 작동체가 소정의 위치/자세를 갖도록 하는 플랫폼(5)을 포함하고 있다.

상기한 본 발명의 평형식 로봇 매니플레이터는, 상,하방향으로 승하강되는 리니어 샤프트(2)가 구비된 리니어형 액츄에이터(3)를 사용한 것이 기술상의 큰 특징이다.

상기 리니어형 액츄에이터(3)는 정밀 소형 AC 서보 리니어 액츄에이터로써, 중공측의 AC 서보 모터를 채용하여, 그 가운데 이송 나사를 배치한 구조를 갖고 있는 바, 그 리니어형 액츄에이터(3)의 내부 구성 및 작용은 통상적으로 널리 알려진 기술이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

상기 리니어형 액츄에이터(3)는 베이스(1)의 하면에 고정 볼트(21) 등의 통상적인 고정수단으로 고정되어 있으며, 그 리니어형 액츄에이터(3)의 리니어 샤프트(2)는 베이스(1)에 형성된 샤프트공(6)을 통해 상측으로 돌출되어 있다.

상기 베이스(1)에 고정 설치되는 리니어형 액츄에이터(3)의 개수는 3개가 가장 바람직하다. 그러나, 꼭 3개에 한정하는 것은 아니며 그 이상의 개수로 고정하여도 무방하다.

상기 커넥팅 로드(4)는 리니어형 액츄에이터(3)에 연결 고정되는 제1로드(7)와, 플랫픔(5)에 연결되는 제2로드(8)로 분리 형성되어 있으며, 상기 리니어 샤프트(2)와 제1로드(7)는 결합수단으로 일체로 연결 고정되어 있고, 상기 제1로드(7) 및 제2 로드(8)와, 제2로드(8)와 플랫폼(5)은 연결핀(10)(11)으로 회동 가능하도록 연결되어 있다.

이를 보다 상세하게 설명하면, 상기 결합수단은 리니어 샤프트(2)의 단부와 제1로드(7)의 단부를 연결부재(12)로 결합하고, 그 연결부재(12)의 외주면에서 중심을 향하여 수개의 세트 스크류(13)를 각각 체결하여 리니어 샤프트(2)와 제1로드(7)를 일체로 연결 고정한 구조로 되어 있다.

이와 같이, 제1로드(7)와 리니어 샤프트(2)를 일체로 고정하기 위한 결합수단은 도면에 도시한 실시례에 한정하는 것은 아니며 제1로드(7)와 리니어 샤프트(2)를 일체로 고정하기 위한 구성이라면 어떠하여도 무방하다.

또한, 상기 제1로드(7)는 소정의 깊이로 로드 결합홈(7a)이 각각 형성되어 있고, 제2로드(8)의 단부에 하부 결합부(8a)가 각각 형성되어 있어, 상기 제1로드(7)의 로드 결합홈(7a)에 제2로드(8)의 하부 결합부(8a)를 결합한 상태에서 연결핀(10)으로 연결한 구조로 되어 있다.

그리고, 상기 플랫폼(5)의 하면에 힌지 결합홈(14a)이 각각 형성된 힌지편(14)이 고정되어 있고, 제2로드(8)의 단부에 상부 결합부(8b)가 각각 형성되어 있어, 상기 힌지편(14)의 결합홈(14a)에 제2로드(8)의 상부 결합부(8b)를 결합한 상태에서 연결핀(11)이 연결되어 있다.

상기 연결핀(10)(11)의 양측에는 스톱링(22)(23)이 각각 결합되어 연결핀(10)(11)의 이탈을 방지하도록 한다.

상기 제1로드(7) 및 제2로드(8)의 연결 구조 및 제2로드(8)와 플랫폼(5)의 연결 구조도 본 발명의 실시례에 한정하는 것은 아니며 다른 구성에 의하여 서로 회전이 가능하도록 연결하여도 무방함은 물론이다. 예를 들어, 구면 조인트, 볼 조인트 또는 유니버설 조인트 등을 사용할 수도 있다.

또한, 상기 플랫폼(5)의 하면에 고정되는 힌지편(14)은 상단부에 나사부(14b)가 각각 형성되어 있어, 플랫폼(5)의 나사 삽입공(5a)으로 삽입되고, 그 플랫폼(5)의 상단부로 돌출되는 나사부(14b)에 고정 너트(24)가 체결되도록 하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 일실시례에 의한 평형식 로봇 매니플레이터는 두 개의 축 방향 회전, 한 개의 직선 자유도를 갖는 3 자유도 평형식 미세 구동 매니플레이터로써, 그 작용을 설명하면 다음과 같다.

즉, 본 발명의 평형식 로봇 매니플레이터는 플랫폼(5)에 파지 장치, 용접 토우치 또는 납땜 장치 등과 같은 소요의 툴이 결합되어 사용되는 바, 이 때 작업의 동작 범위가 큰 용도인 경우에는 베이스(1)를 연쇄식 로봇의 자유단부에 결합시킨 하이브히드형으로 사용되며, 동작 범위가 작은 용도인 경우에는 독립적으로 사용하게 된다.

한편, 소요의 작업을 수행하기 위한 툴의 위치/자세는 플랫폼(5)을 베이스(1)에 대하여 상대 운동을 시킴으로써 이루어지게 되는 바, 소요의 작업을 하기 위한 툴의 위치와 방향이 주어지게 되면, 그 주어진 배치를 얻기 위해 가능한 입력값, 즉 각각의 리니어형 액츄에이터(3)가 작동을 하게 되며, 따라서 리니어형 액츄에이터(3)의 각 리니어 샤프트(2)가 소정의 높낮이로 승하강하게 된다.

따라서, 상기 리니어형 액츄에이터(3)의 각 리니어 샤프트(2)에 고정된 커넥팅 로드(4)의 제1로드(7) 및 제2로드(8)가 연결핀(10)(13)을 중심으로 소정 방향으로 절곡되면서 회동 운동을 하게 됨으로써 커넥팅 로드(4)의 베이스(1)에 대한 플랫폼(5)의 지지 각도가 변하게 되는 것이다.

결과적으로, 플랫폼(5)이 베이스(1)에 대해 상대 운동을 하게 되어, 플랫폼(5)에 설치되는 툴을 소요의 위치 및 방향으로 작동시키게 된다.

상기와 같은 본 발명에 의한 평형식 로봇 매니플레이터에 의하면, 베이스(1)에 대한 플랫폼(5)의 상대 운동이 커넥팅 로드(4) 자체의 길이 변화에 의해 이루어지는 것이 아니라, 각 리니어형 액츄에이터(3)의 리니어 샤프트(2)가 상,방향으로 승하강되면서 베이스(1)에 대한 플랫폼(5)의 지지 각도가 변경됨으로써 이루어지게 되는 것이다. 이에 따라, 리니어형 액츄에이터(3)의 특성상 매니플레이터의 위치/자세를 보다 정밀하게 제어하게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 평형식 로봇 매니플레이터는, 소정의 형상을 갖는 베이스와, 단부에 상,하방향으로 승하강되는 리니어 샤프트가 각각 구비되어 상기 베이스에 고정되는 수개의 리니어형 액츄에이터와, 상기 리니어형 액츄에이터의 리니어 샤프트에 각각 연결 설치되는 커넥팅 로드와, 일측면에 종말 작동체가 고정되며 상기 커넥팅 로드의 단부에 연결 고정되어 리니어형 액츄에이터의 구동으로 종말 작동체가 소정의 위치/자세를 갖도록 하는 플랫폼을 포함으로써 단독형 또는 하이브리드형 로봇 시스템에 장착하여 위치/자세를 보다 정밀하게 제어하며, 따라서 매니플레이터의 성능을 보다 향상시키고, 전체적인 구성의 간소화로 제조 원가 절감에 기여하며, 생산성을 향상시키는 등의 효과가 있다.

Claims (5)

1. 수개의 샤프트공이 관통형성되어 있는 베이스와, 상기 베이스의 하면에 고정수단으로 고정되며, 상,하방향으로 승하강되는 리니어 샤프트가 상기 베이스에 형성된 샤프트공을 통해 상측으로 돌출되도록 상기 베이스에 설치되는 수개의 리니어형 액츄에이터와, 상기 리니어형 액츄에이터의 리니어 샤프트에 각각 연결 설치되는 커넥팅 로드와, 일측면에 종말 작동체가 고정되며 상기 커넥팅 로드의 단부에 연결 고정되어 리니어형 액츄에이터의 구동으로 종말 작동체가 소정의 위치/자세를 갖도록 하는 플랫폼을 구비하며, 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 평형식 로봇 매니플레이터.
2. 제1항에 있어서, 상기 커넥팅 로드는 리니어형 액츄에이터의 리니어 샤프트에 연결 고정되는 제1로드와, 플랫폼에 연결되는 제2로드로 분리 형성된 것을 특징으로 하는 평형식 로봇 매니플레이터.
3. 제2항에 있어서, 상기 리니어 샤프트와 제1로드는 결합수단으로 일체로 연결 고정된 것을 특징으로 하는 평형식 로봇 매니플레이터.
4. 제2항에 있어서, 상기 제1로드 및 제2로드와, 제2로드와 플랫폼은 연결핀으로 회동 가능하도록 연결된 것을 특징으로 하는 평형식 로봇 매니플레이터.
5. 제4항에 있어서, 상기 플랫폼의 하면에 수개의 힌지편이 각각 형성되고, 그 힌지편에 제2로드가 연결핀으로 연결된 것을 특징으로 하는 평형식 로봇 매니플레이터.

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