KR100264397B1 - 공간 6자유도 정밀측정용 와이어 병렬센서장치 - Google Patents

공간 6자유도 정밀측정용 와이어 병렬센서장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 피측정물과 동시에 움직이는 "T"자 형상의 측정부에 병렬로 결합된 6개의 와이어의 길이변화를 측정하므로써, 공간상의 피측정물의 위치와 방위를 동시에 측정하는 공간 6자유도 정밀측정용 와이어 병렬센서장치에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 공간좌표계에서 6자유도로 움직이는 물체의 위치(position)와 방위(orientation)를 측정하는 공간 6자유도 정밀측정용 와이어 병렬센서장치에 있어서, 상기 공간좌표계의 기준면이 되는 베이스판(20)과, 상기 베이스판(20)에서 X-Y축 방향으로 소정간격을 유지하는 6개의 지점에 배치된 와이어풀리부(51)와 엔코더부(52) 및 구면베어링을 구비한 와이어뭉치(50)와, 상기 와이어뭉치(50)의 와이어풀리부(51)에 감겨져서 길이방향으로 신장하는 다수의 와이어(31,32,33,34,35,36)들과, 상기 다수의 와이어(31,32,33,34,35,36)들이 2개씩 한쌍을 이루는 병렬구조로 브래킷(42,43,44)에서 서로 꼬이지 않게 베어링(45,46,47)이 결합된 측정부(40) 및, 전산부를 포함하며, 상기 측정부(40)는 상기 물체에 고정되며, 상기 물체의 이동시에 상기 엔코더부(52)는 상기 측정부(40)와 상기 와이어뭉치(50)를 연결하는 상기 다수의 와이어(31,32,33, 34,35,36)들의 길이를 측정하므로써, 상기 물체의 위치와 방위를 동시에 측정하는 것을 특징으로 하는 공간 6자유도 정밀측정용 와이어 병렬센서장치가 제공된다.

Description

공간 6자유도 정밀측정용 와이어 병렬센서장치
본 발명은 공간 6자유도 정밀측정용 와이어 병렬센서장치에 관한 것이며, 특히 와이어의 길이를 측정하므로써, 공간상의 6자유도로 움직이는 로봇이나 강체(rigid body)등의 위치(position)와 방위(orientation)를 동시에 측정하는 공간 6자유도 정밀측정용 와이어 병렬센서장치에 관한 것이다.
산업의 발달로 공장자동화에 사용되는 로봇이나 강체에는 정확한 움직임을 보정(calibration)하거나 제어하기 위해서 측정장비의 필요성이 증대되고 있다.
종래 기술에 따른 측정장비에는 단순히 공간의 거리, 방향 및 회전각을 측정할 수 있는 경위의(theodolite)와, 3차원 좌표 측정기(coordinate measuring machine), 레이저 및 CCD 카메라(Charge Coupled Device camera)등이 있다.
그러나, 이런 측정장비들은 대부분 3차원 공간상의 좌표측정을 위해 연구, 개발된 장비로서, 방위가 포함된 6자유도가 요구되는 피측정물을 측정할 경우에는 별도의 부가적인 방법을 병행하고 있다. 특히, 3차원 좌표 측정기나 레이저 시스템의 경우 ±1μ이하의 우수한 측정 정밀도를 가진 반면, 장비 제작 및 사용에 있어서 많은 비용이 소요되고 주위 환경에 민감할 뿐만 아니라 실제 현장에 직접 설치하기 어렵다. 또한, 3차원 좌표 측정기에 경우는 3차원 좌표 측정만 가능하다. 또한, 상기 경위의를 이용한 삼각화 측정 방법은 여러대의 경위의를 이용하므로써 많은 시간과 인력이 소요되며, 측정 정밀도에 있어서 오차 요인이 많다.
최근에는 비교적 저비용으로 활용 가능한 CCD 카메라를 이용한 비젼시스템이 사용되고 있는데, 이것은 다른 방법에 비해 간단하고 쉬우나 측정하고자 하는 자유도의 수에 있어서 아직까지는 3차원의 좌표측정에 국한되어 있어서 6자유도를 동시에 측정하기에는 아직까지는 한계가 있다.
이렇게 공간상에서 움직이는 물체의 움직임을 측정하는 측정장비는 측정 정밀도, 측정가능한 자유도의 수 및 그 비용등이 매우 중요한 요소이기 때문에, 이를 만족시킬 수 있는 측정장비의 개발을 위해서 많은 연구와 노력이 기울여지고 있다.
이런 연구들 중에는 1965년에 영국의 D. stewart가 "A platform with six degrees of freedom"이란 논문을 발표하면서 명명된 스튜어트 플랫폼(stewart platform)의 병렬구조를 해석하여 공간상의 물체의 움직임을 측정할 수 있는 연구가 있다.
이런 종래 기술에 따른 공간 6자유도 스튜어트 플랫폼은 도 1에 도시된 바와 같이, 정삼각형 형상의 상부판(1)과, 이런 상부판(1)의 하방향에 배치된 정삼각형의 꼭지점 부위가 반대편의 변방향과 평행하게 잘려져서 6개의 내각을 갖는 하부판(8) 및, 이런 하부판(8)과 상부판(1)을 연결하는 6개의 링크(2,3,4,5,6,7)로 구성되어 있다.
이렇게 구성된 종래의 공간 6자유도 스튜어트 플랫폼은 기하학적인 병렬구조를 갖는 6개의 링크(2,3,4,5,6,7)의 길이를 변화시킴에 따라 하부판(8)을 기준으로 상부판(1)이 6자유도 운동을 구현하도록 결합되어 있으며, 복잡한 비선형방정식을 해석하므로써, 공간상의 물체를 6자유도로 움직일 수 있게 된다.
그러나, 종래의 공간 6자유도 스튜어트 플랫폼은 공간상에서 움직이는 물체의 위치와 방위를 동시에 측정하는 측정장비가 아니며, 상부판에 놓여진 물체를 6자유도로 움직일 수 있게 하는 6자유도 엑츄에이터로서, 주로 동적 시뮬레이션에 사용되는 모형항공기 칵핏(cockpit)을 제한된 범위내에서 6자유도로 움직이는데 사용되고 있다.
또한, 종래의 공간 6자유도 스튜어트 플랫폼은 기하학적인 병렬구조를 복잡한 비선형방정식으로 풀어야 하는 어려움이 있기 때문에, 비선형방정식을 선형화 하여 해석하거나 기구학적 해석이 용이하도록 상기 스튜어트 플랫폼의 형상을 변경시켜서 설계하는 방법등이 연구중이다.
본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 피측정물과 동시에 움직이는 "T"자 형상의 측정부에 병렬로 결합된 6개의 와이어의 길이변화를 측정하므로써, 공간상의 피측정물의 위치와 방위를 동시에 측정하는 공간 6자유도 정밀측정용 와이어 병렬센서장치를 제공하려는 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 공간 6자유도 스튜어트 플랫폼의 구성을 설명하기 위한 사시도.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 공간 6자유도 정밀측정용 와이어 병렬센서장치를 설명하기 위한 사시도.
도 3 및 도 4는 도 2에 도시된 공간 6자유도 정밀측정용 와이어 병렬센서장치의 결합관계를 설명하기 위해 중요부위를 확대한 단면도.
도 5와 도 6a 및 도 6b는 도 2에 도시된 공간 6자유도 정밀측정용 와이어 병렬센서장치의 측정방법을 설명하기 위한 사시도.
♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠
20 : 베이스판 31,32,33,34,35,36 : 와이어
40 : 측정부 49,49' : 수준기
50 : 와이어뭉치 51 : 와이어풀리부
52 : 엔코더부 55,56 : 구면베어링
앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 공간좌표계에서 6자유도로 움직이는 물체의 위치(position)와 방위(orientation)를 측정하는 공간 6자유도 정밀측정용 와이어 병렬센서장치에 있어서, 상기 공간좌표계의 기준면이 되는 베이스판과, 상기 베이스판에서 X-Y축 방향으로 소정간격을 유지하는 6개의 지점에 배치된 와이어풀리부와 엔코더부 및 구면베어링을 구비한 와이어뭉치와, 상기 와이어뭉치의 와이어풀리부에 감겨져서 길이방향으로 신장하는 다수의 와이어들과, 상기 다수의 와이어들이 2개씩 한쌍을 이루는 병렬구조로 브래킷에서 서로 꼬이지 않게 베어링이 결합된 측정부 및, 전산부를 포함하며, 상기 측정부는 상기 물체에 고정되며, 상기 물체의 이동시에 상기 엔코더부는 상기 측정부와 상기 와이어뭉치를 연결하는 상기 다수의 와이어의 길이를 측정하므로써, 상기 물체의 위치와 방위를 동시에 측정하는 것을 특징으로 하는 공간 6자유도 정밀측정용 와이어 병렬센서장치가 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 측정부는 상기 병렬구조로 공간상의 6자유도를 측정할 경우에 기구학적 해석이 용이하도록 "T"자 형상으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 측정부에는 다수의 와이어들의 길이를 측정하므로써 상기 공간 6자유도를 측정할 수 있게 다수의 수준기가 고정되어 있는 것이 바람직하다.
아래에서, 본 발명에 따른 공간 6자유도 정밀측정용 와이어 병렬센서장치의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.
도면에서, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 공간 6자유도 정밀측정용 와이어 병렬센서장치를 설명하기 위한 사시도이고, 도 3 및 도 4는 도 2에 도시된 공간 6자유도 정밀측정용 와이어 병렬센서장치의 결합관계를 설명하기 위해 중요부위를 확대한 단면도이며, 도 5와 도 6a 및 도 6b는 도 2에 도시된 공간 6자유도 정밀측정용 와이어 병렬센서장치의 측정방법을 설명하기 위한 사시도이다.
도 2에 있어서, 본 발명의 한 실시예에 따른 공간 6자유도 정밀측정용 와이어 병렬센서장치에는 베이스판(20)의 기준방향인 Z축의 상향으로 6개의 와이어(31,32,33,34,35,36)들로 연결된 "T"자 형상의 측정부(40)가 배치되어 있다. 또한, 베이스판(20)에는 X-Y축 방향으로 소정간격을 유지하는 6개의 지점에 와이어뭉치(50)가 각각 배치되어 있다. 또한, 본 발명의 공간 6자유도 정밀측정용 와이어 병렬센서장치의 외부에는 측정된 와이어(31,32,33,34,35,36)들의 길이를 기하학적 병렬구조로 해석하여 위치와 방위를 계산할 수 있는 전산부(도시안됨)가 배치되어 있다.
도 3에 보이듯이, 상기와 같이 베이스판(20)에 배치된 와이어뭉치(50)에는 스프링의 복원력에 의해 감겨진 와이어(31)를 길이방향으로 신장시킬 수 있게 구성된 와이어풀리부(51)와, 이런 와이어(31)의 신장시에 연동하는 와이어 길이측정센서인 엔코더부(52)와, 이런 엔코더부(52)와 와이어풀리부(51)를 보호하는 상자형상의 케이싱(53)이 배치되어 있다. 또한, 이런 케이싱(53)의 상방향으로 내경축(54)과 구면베어링(55,56)이 배치되어 있다.
이렇게 배치된 와이어(31)의 한쪽은 와이어풀리부(51)에 감겨 있으며, 이런 와이어풀리부(51)는 스프링에 의한 복원력으로 상기 와이어를 감을 수 있게 케이싱(53)의 내부에 결합되어 있으며, 이렇게 결합된 와이어(31)는 길이방향으로 외력이 발생될 경우에 와이어풀리부(51)에서 소정크기의 인장력을 유지하면서 신장하게 된다. 또한, 이런 케이싱(53)의 내부에는 길이방향으로 신장하는 와이어(31)의 길이변화를 측정할 수 있게 엔코더부(52)가 부착되어 있으며, 이런 엔코더부(52)는 외부에 배치된 전산부와 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 이런 케이싱(53) 외부의 상면에는 상기 와이어(31)가 외부로 빠져나갈수 있게 구멍이 형성된 내경축(54)이 고정되어 있으며, 이런 내경축(54)의 원주면에는 상기 베이스판(20)의 6개의 지점에서 자유롭게 회전할 수 있도록 구면베어링(55,56)으로 결합되어 있다.
따라서 상기 베이스판(20)의 6개의 와이어뭉치(50)에 감겨진 각각의 와이어(31,32,33,34,35,36)는 세방향의 회전운동을 자유롭게 하면서, 작동시에 꺾이지 않고 신장할 수 있게 된다.
도 4에 보이듯이, 측정부(40)는 "T"자 형상으로 피측정물에 핀결합할 수 있게 중심에서 측면방향으로 관통하는 결합구(41)가 형성되어 있다.
또한, 이런 측정부(40)의 양 어깨와 다리의 하면에는 브래킷(42,43,44) 3개가 각각 배치되어 있으며, 이런 각각의 브래킷(42,43,44)에는 각각 중간에서 지름방향으로 구멍이 형성된 롤축(48)이 각각 배치되어 있다. 또한, 이런 롤축(48)에는 2개씩 한쌍을 이루는 와이어(31,32,33,34,35,36)들이 각각 연결되어 있다.
또한, 이런 브래킷(42,43,44)들에는 세방향의 회전운동이 자유롭게 베어링(45,46,47)이 설치되어 있기 때문에 상기 와이어(31,32,33,34,35,36)들이 서로 꼬이거나 꺾이지 않게 결합되어 있다.
따라서, 이런 와이어(31,32,33,34,35,36)들은 2개씩 한쌍을 이루어서 "T"자 형상의 측정부(40)의 3개의 브래킷(42,43,44)에 병렬로 연결되어 있기 때문에 기하학적인 병렬구조를 갖는다. 또한, 이런 측정부(40)의 양어깨부의 상면에는 수평방향으로 2개의 수준기(49,49')가 서로 대치되게 고정되어 있다.
이렇게 결합된 이런 "T"자 측정부(40)의 결합구(41)는 로봇이나 강체와 같은 피측정물에 핀결합하게 된다.
아래에서 앞서 상세히 설명한 바와 같은 본 발명의 공간 6자유도 정밀측정용 와이어 병렬센서장치의 작동방법에 대해서 설명하겠다.
도 5에 보이듯이, 각 와이어(31,32,33,34,35,36)들은 베이스판(20)의 와이어뭉치(50)에 완전히 감겨져 있는 상태이다. 또한, 베이스판(20)의 상부에는 피측정물인 로봇이나 강체(도시안됨)가 배치되어 있다.
그럴 경우에 작업자는 공간 6자유도 정밀측정용 와이어 병렬센서장치의 전원을 온(ON)한다. 그런 다음, "T"자 형상의 측정부(40)를 베이스판(20)의 상부에서 피측정물에 핀결합시킨다.
이때, 베이스판(20)의 와이어뭉치(50)에 감겨진 와이어(31,32,33,34,35,36)들을 잡아당겨서 피측정물에 핀결합된 측정부(40)의 3개의 브래킷(42,43,44)의 롤축(48)에 와이어(31,32,33,34,35,36) 2개를 한쌍으로 각각 결합한다.
따라서, 와이어(31,32,33,34,35,36)의 각각의 와이어길이를 li( i=1∼6 )라고 할 경우에, 상기 와이어뭉치(50)의 엔코더는 길이방향으로 신장하는 와이어길이(li)를 측정하며, 이렇게 측정된 각각의 와이어길이(li)에 대한 신호는 전산부에서 계산된다.
이후 다른 자세에 대해서는 와이어(31,32,33,34,35,36)들을 다시 연결할 필요없이 최초 연결된 상태에서 피측정물을 이동하게 되면 와이어(31,32,33,34,35,36)의 변화된 길이를 측정할 수 있게 된다.
아래에서 앞서 상세히 설명한 바와 같이 작동하는 본 발명의 공간 6자유도 정밀측정용 와이어 병렬센서장치의 해석방법에 대해서 설명하겠다.
먼저, 베이스판(20)의 기준점(O)을 기준으로 a, b는 X축, Y축방향의 가로, 세로 길이이다. 그럴 경우에, 와이어길이(li)는 다음과 같은 수학식 1과 수학식 2가 구해진다.
수학식 1에서 (x1,y1,z1), (x2,y2,z2), (x3,y3,z3),는 도 5의 측정부(40)의 각각의 지점(P1, P2,P3)의 좌표값이다. 또한, 수학식 2는 상기 수학식 1의 구속조건식이며, 이런 수학식 2에서 r과 d는 측정하고자 하는 측정부(40)의 지점(P)으로 부터 와이어(31,32,33,34,35,36)가 힌지결합된 상기 측정부(40)의 각각의 지점(P1, P2,P3)간의 수평, 수직거리이다.
따라서, 위 수학식 1을 수학식 2에 대입하여 나타내면 다음과 같습니다.
수학식 3에서 A, B, C는 아래와 같다.
따라서, 수학식 3과 수학식 4를 Newton-Raphson방법을 사용하여 풀게 되면, 3개의 측정부(40)의 지점(P1,P2,P3)의 좌표값 (x1,y1,z1), (x2,y2,z2), (x3,y3,z3)를 구할 수 있게 된다. 또한, 이런 측정부(40) 3개의 지점(P1,P2,P3)의 좌표값 (x1,y1,z1), (x2,y2,z2), (x3,y3,z3)으로부터 측정하고자 하는 지점(P)의 위치(x,y,z)를 구하면 아래와 같다.
또한, 기준좌표 X,Y,Z축에 대한 변화각도를 표시하는 측정좌표 X',Y',Z'축의 방위(ø,θ,ψ)는 베이스판(20)의 좌표계에 대한 측정부(40)의 회전 행렬(rotation matrix)로 구하며, 아래와 같은 수학식 6으로 표현된다.
따라서, 상기 수학식 5와 수학식 6에서 구한 측정부(40)의 위치(x,y,z)와 방위(ø,θ,ψ)는 메카니즘의 구조적인 형상을 고려하지 않고 얻은 단순 수치만의 해로써, 상기 수학식 2의 2차(second-order) 구속조건식을 고려할때 그 해는 8개로 나타나며, 또한 본 발명의 공간 6자유도 정밀측정용 와이어 병렬센서장치의 기하학적인 형상에 따른 측정부(40)의 방위 측정영역( ±90°)과 X-Z 평면하에서의 1사분면에 해당되는 해를 고려하면 2개로 줄어든다.
여기에서 유일해를 구하기 위한 방법에 대해서 설명하겠다.
도 6a 및 도 6b에 보이듯이, 어떤 위치에서 6개의 와이어(31,32,33,34,35,36)의 변화된 길이를 측정하여 상기와 같은 방법으로 해석하여 구하면 상기와 같이 2개의 해가 구해지며, 이런 2개의 해는 동일한 와이어(31,32,33,34,35,36)의 길이를 갖는 대칭형상으로 도시된다. 그런데, 이 2개의 해는 본 발명의 측정영역내에서 살펴보면, 베이스판(20)의 와이어뭉치(50)가 전후 및 좌우 대칭으로 위치하고 있어서 기하학적으로 X-Z 평면에서 측정부(40) 상단면의 기울어진 방향이 서로 상이함을 알 수 있다. 따라서, 측정부(40)의 기울어진 방향을 수준기(49,49')로 판독하면 상기의 와이어 길이 측정과 동시에 로봇과 같은 피측정물의 위치와 방위를 나타내는 유일해를 구할 수 있게 된다.
앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 공간 6자유도 정밀측정용 와이어 병렬센서장치는 기하학적인 형상 및 수준기를 이용하여 6개의 측정 데이터로 부터 6자유도를 측정할 수 있기 때문에, 이제까지 극히 한정된 영역에서만 사용될 수 있었던 병렬구조의 메카니즘을 다양하고 넓은 측정영역에서도 사용할 수 있게 하는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 공간 6자유도 정밀측정용 와이어 병렬센서장치는 공간상의 로봇이나 강체등의 자세측정시에 위치와 방위를 나타내는 6자유도를 동시에 측정할 수 있기 때문에 실제 산업현장에서 유용하게 사용할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 공간 6자유도 정밀측정용 와이어 병렬센서장치는 와이어의 기하학적인 구조를 해석하기 때문에, 기존의 레이저등을 이용한 고가의 측정장치에 비해 저비용으로 측정장치를 설계, 제작 및 활용이 가능한 장점이 있다.
이상에서 본 발명의 공간 6자유도 정밀측정용 와이어 병렬센서장치에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (3)

  1. 공간좌표계에서 6자유도로 움직이는 물체의 위치(position)와 방위(orientation)를 측정하는 공간 6자유도 정밀측정용 와이어 병렬센서장치에 있어서,
    상기 공간좌표계의 기준면이 되는 베이스판(20)과, 상기 베이스판(20)에서 X-Y축 방향으로 소정간격을 유지하는 6개의 지점에 배치된 와이어풀리부(51)와 엔코더부(52) 및 구면베어링을 구비한 와이어뭉치(50)와, 상기 와이어뭉치(50)의 와이어풀리부(51)에 감겨져서 길이방향으로 신장하는 다수의 와이어(31,32,33,34,35,36)들과, 상기 다수의 와이어(31,32,33,34,35,36)들이 2개씩 한쌍을 이루는 병렬구조로 브래킷(42,43,44)에서 서로 꼬이지 않게 베어링(45,46,47)이 결합된 측정부(40) 및, 전산부를 포함하며,
    상기 측정부(40)는 상기 물체에 고정되며, 상기 물체의 이동시에 상기 엔코더부(52)는 상기 측정부(40)와 상기 와이어뭉치(50)를 연결하는 상기 다수의 와이어(31,32,33,34,35,36)들의 길이를 측정하므로써, 상기 물체의 위치와 방위를 동시에 측정하는 것을 특징으로 하는 공간 6자유도 정밀측정용 와이어 병렬센서장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 측정부(40)는 상기 병렬구조로 공간상의 6자유도를 측정할 경우에 기구학적 해석이 용이하도록 "T"자 형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 공간 6자유도 정밀측정용 와이어 병렬센서장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 측정부(40)에는 다수의 와이어(31,32,33,34,35,36)들의 길이를 측정하므로써 상기 공간 6자유도를 측정할 수 있게 다수의 수준기(49,49')가 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 공간 6자유도 정밀측정용 와이어 병렬센서장치.
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