KR100267721B1 - 평형식로봇매니퓰레이터및로봇관절 - Google Patents

Abstract

본 발명은 베이스와 플랫폼을 복수개의 커넥팅 로드로 연결하되, 링크 기구에 의해 커넥팅 로드의 플랫폼에 대한 지지 각도를 변경시킴으로써 플랫폼에 장착되는 종말 작동체의 위치 및 자세를 정밀하게 조절할 수 있도록 한 평형식 로봇 매니퓰레이터 및 백래쉬에 의한 정밀도 저하를 최소화 하기위한 관절부 구성에 관한 것으로, 본 발명에 따른 평형식 로봇은 링크 기구와, 링크 기구를 작동시키기 위한 액튜에이터와, 일단은 각각의 링크 기구를 구성하는 하나의 링크에, 타단은 플랫홈에 각각 회동 가능하게 결합되는 커넥팅 로드를 구비하여, 액튜에이터에 의해 링크 기구를 작동시켜 각각의 커넥팅 로드의 상기 베이스 및 플랫폼에 대한 지지 각도를 변경시킴으로써 플랫폼에 장착되는 종말 작동체의 위치 및 자세를 조절할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

평형식 로봇 매니퓰레이터 및 로봇 관절

본 발명은 평형식 로봇 매니퓰레이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 베이스와 플랫폼(platform)을 복수개의 커넥팅 로드로 연결하고 링크 기구에 의해 커넥팅 로드의 플랫폼에 대한 지지 각도를 변경시킴으로써 플랫폼에 장착되는 종말 작동체(end effector)의 위치 및 자세를 정밀하게 조절할 수 있도록 한 평형식 로봇 매니퓰레이터에 관한 것이다.

최근 들어, 인간이 할 수 없는 위험한 작업이나 정밀을 요하는 작업 또는 프린트 기판상에 다수의 전자부품을 실장하는 작업 등과 같이 많은 노동력을 필요로 하는 작업 등에 여러 가지 종류의 로봇이 투입되어 인력을 대치함으로써 생산성 향상 및 원가 절감에 크게 기여하고 있는 바, 현재 대부분의 산업용 로봇 시스템의 매니퓰레이터로는, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 다수의 선회 관절부(31,31')와 절곡 관절부(32,32',32") 및 아암(33,33')으로 구성되어, 관절로 연결되어 있는 인간의 팔의 동작을 모방하여 종말 작동체(34)의 위치 및 자세를 제어하는 연쇄식 로봇 매니퓰레이터의 형식이 주종을 이루고 있다. 종말 작동체는 작업 대상물에 소요의 작업을 행하는 것으로 도 1에서와 같은 파지 장치 외에 아아크 용접 토우치나 납땜 장치 등과 같은 소요의 툴이 사용된다.

그러나, 연쇄식 로봇 매니퓰레이터는 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 위치 오차 및 하중을 받는 부재의 처짐 등이 축적되어 종말 작동체에 이르러서는 무시할 수 없는 정도의 크기로 확대되어 나타나게 된다. 이를 보완하기 위해서는 상대적으로 육중한 형태의 로봇 팔이 요구됨으로 인해 최소 이동 단위(resolution )가 커질 수 밖에 없고 구동 속도 또한 제한을 받게 된다.

상기한 바와 같은 연쇄식 로봇 매니퓰레이터의 단점을 보완하기 위한 것으로평형식 로봇 매니퓰레이터가 제안되어 있다.

도 2는 종래의 일반적인 평형식 로봇 매니퓰레이터, 일명 스튜어트 플랫폼(Stewart Platorm)이라 알려져진 로봇 매니퓰레이터의 개념을 설명하기 위한 도면으로, 연쇄식 로봇 매니퓰레이터가 다수의 관절로 연결되어 있는 관절 구조를 취하고 있는 데 대하여, 평형식 로봇 매니퓰레이터는 베이스(35)및 플랫폼(36)이라 칭하는 두 개의 평형판이 다수의 신장성 커넥팅 로드(37) 및 구면 조인트(38)로 연결되어 있으며, 유압이나 공압 실린더 등과 같은 선형 액튜에이터로 구성되는 신장성 커넥팅 로드(37)의 길이를 변경시키는 것에 의해 베이스(35)에 대한 플랫폼(36)의 상대적 위치 및 자세를 제어함으로서 플랫폼(36)에 장착되는 종말 작동체(도시 안함)의 위치 및 자세를 조절하게 되는 바, 부하가 각 커넥팅 로드에 거의 고르게 분포되므로 연쇄식 로봇 매니퓰레이터에 비해 높은 구조적 강성 및 내부하 능력을 나타내며, 오차의 축적이 적어 정밀한 작업이 가능하다는 장점을 가지고 있다.

그러나, 평형식 로봇 매니퓰레이터는 연쇄식 로봇 매니퓰레이터에 비해 운동 영역이 작다는 근본적인 단점이 있기 때문에, 근래에는 연쇄식과 평형식 로봇 매니퓰레이터를 조합하여 사용하는 로봇 시스템, 즉 연쇄식 로봇 매니퓰레이터의 자유단부에 소형의 평형식 로봇 매니퓰레이터를 장착하여 사용함으로써, 종말 작동체를 소정 작업 위치로 이동시키는 등의 빠른 구동 속도의 큰동작은 연쇄식으로부터 구현하며, 정밀한 동작 및 위치/자세의 보정 등은 소형의 평형식 로봇으로 구현하도록 한 하이브리드형 로봇 시스템이 등장하게 되었다.

그런데, 종래의 평형식 로봇 매니퓰레이터는, 운동 영역이 작다는 근본적인 단점 외에, 전술한 바와 같이 플랫폼의 위치/자세를 단순히 실린더 등의 선형 액튜에이터의 길이를 직접 변경시켜 제어함으로 인해, 큰 용량의 액튜에이터를 필요로 하고, 위치/자세 제어의 정밀도에 어느 정도 한계가 있었으며, 베이스와 플랫폼을 연결하는 커넥팅 로드가 길이가 가변되는 신장형, 즉, 유압이나 공압 실린더이기 때문에 로봇에 작용하는 하중 및 토오크를 피드백하여 로봇을 정밀 제어하기 위해서는 고가의 힘/토크 센서 장치를 사용하여야 하기 때문에, 성능 향상에 비해 원가 상승폭이 너무 커져 특수 목적 이외에는 그 사용이 기피되고 있다는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 로봇 매니퓰레이터에 있어서, 로봇의 아암과 아암을 연결하는 관절부는 각각의 아암이 상대운동하기 위한 백래쉬(backlash) 즉, 상대 운동 가능한 결합부에 필연적으로 생기는 틈새를 둘 수 밖에 없으며, 이러한 틈새는 관절부의 반복 사용에 따라 더욱 심화되어 정밀도의 심각한 저하를 초래한다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 하이브리드형 로봇 시스템에 장착하여 사용할 수 있으며, 소용량의 액튜에이터에 의해 작동 가능하고, 위치/자세 제어를 정밀하게 할 수 있는 평형식 로봇 매니퓰레이터를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 백래쉬에 의한 정밀도 저하를 방지할 수 있는 새로운 형태의 로봇 관절을 제공하는 데 있다.

도 1은 종래의 연쇄식 로봇 매니퓰레이터의 일예를 나타내는 도면.

도 2는 종래의 평형식 로봇의 일예를 나타내는 개념도.

도 3은 본 발명에 따른 평형식 로봇의 개념을 설명하기 위한 사시도.

도 4는 본 발명에 따른 평형식 로봇의 일실시예.

도 5는 본 발명에 따른 평형식 로봇의 다른 실시예.

도 6은 본 발명에 따른 로봇 관절의 구성을 나타내는 사시도.

도 7은 도3의 자유도를 계산하기 위한 개념도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 베이스2: 플랫폼

3: 커넥팅 로드4: 링크 기구

5: 액튜에이터51: 판스프링

52: 봉상 스프링

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 평형식 로봇 매니퓰레이터는 베이스와; 종말 작동체가 부착되며, 상기 베이스에 대한 상대적 위치가 가변됨으로서 종말 작동체가 소정의 위치/자세를 갖도록 하는 플랫홈과; 적어도 2개의 절점이 상기 베이스 상에 회전 가능하게 결합되는 적어도 3개 이상의 링크 기구와; 상기 각각의 링크 기구를 작동시키기 위한 액튜에이터와; 일단은 상기 각각의 링크 기구를 구성하는 하나의 링크에, 타단은 상기 플랫홈에 각각 회동 가능하게 결합되는 적어도 3 개 이상의 케넥팅 로드;를 구비하여 상기 액튜에이터에 의해 상기 링크 기구를 작동시켜 각각의 커넥팅 로드의 상기 베이스 및 플랫폼에 대한 지지 각도를 변경시킴으로써 플랫폼에 장착되는 종말 작동체의 위치 및 자세를 적은힘으로 정밀하게 조절할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 로봇 관절은, 로봇의 아암과 아암을 상호 상대 운동 가능하게 연결하기 위한 관절를 구성함에 있어서, 상기 아암과 아암을 소정의 강성을 갖는 스프링에 의해 결합하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 평형식 로봇의 일실시예를 나타내는 도면으로, 도 3은 본 발명에 따른 평형식 로봇의 원리를 설명하기 위한 개념도이며, 도 4 는 본 발명에 따른 평형식 로봇의 일실시예를 나타내는 도면으로, 링크 및 커넥팅로드의 연결부의 구성을 나타내는 사시도이다.

베이스(1)와 플랫폼(2)은 링크 기구(4) 및 케넥팅 로드(3)를 매개로 상호 상대 운동 가능하게 결합된다. 링크 기구(4)로는 도 4 에 예시되어 있는 바와 같은 4절 링크 기구를 사용하는 것이 바람직하며, 구동 절점(44) 및 고정 절점(45)은 베이스 상에 회전 가능하게 결합되고, 각각의 링크(41, 42, 43)는 가동 절점(46, 47)에 의해 상호 연결되어 구동 절점(44)이 회전함에 따라 베이스(1) 상에서 상대 운동하게 된다.

구동 절점(44)에는 링크 기구를 작동시키기 위한 액튜에이터(5)가 설치되는 바, 액튜에이터는 구동 절점(44)에 회전 구동력을 가할 수 있는 것이면 어느 것을 사용해도 좋으나, 스텝 모터, DC모터, 펄스 모터 또는 서어보 모터 등의 전기 모터를 하모닉 기어 등과 같은 감속 기어 장치와 결합하여 사용하는 것이 바람직하다.

링크중의 어느 하나에는 커넥팅 로드(3)의 일단부를 결합시키기 위한 연결부가 설치되는 바, 도 4 에는 링크 43을 절점 47외측으로 연장시켜 그 단부에 구면 조인트(6)를 설치한 것을 예시하고 있다. 링크 43과 커넥팅 로드(3)의 연결부는 회전 운동이 가능함과 동시에 축직각방향의 회전이 가능한 연결 구조를 갖으며, 상기한 구면 조인트 외에 볼조인트나 유니버셜 조인트 등이 사용될 수 있다.

커넥팅 로드(3)의 타측단부는 플랫폼에 회동가능하게 결합되는 바, 링크 43과 커넥팅 로드(3)의 연결부와 마찬가지로 구면 조인트(7)나 볼조인트 또는 유니버셜 조인트가 사용된다.

상기와 같이 구성되는 링크 기구-커넥팅 로드 쌍은 베이스(1)와 플랫폼(2) 사이에 최소한 3쌍을 설치하되, 공간상에서의 모든 동작에 필요한 자유도 즉, 3방향의 병진 운동 및 3방향의 회전 운동을 하기 위한 6자유도를 구현하기 위해서는 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 6 쌍을 설치하여야 하며, 작업 대상 및 작업 범위에 따라 적정 위치를 선택하여 설치하되, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 플랫홈(2) 또는 베이스 상(1)의 동일 반경상에 120도 떨어져 위치하는 점을 기준으로 대칭인 위치에 각각 한쌍씩 설치하는 것이 제어의 용이성, 하중의 분배 및 운동 범위 등을 종합적으로 고려할 때 가장 바람직하다.

한편, 커넥팅 로드(3)의 각각에는 로드셀(load cell) 또는 스트레인 게이지(8)가 설치된다. 일반적으로, 로봇 제어 장치는 메모리 내에 미리 기억되어 있는 동작 데이터에 의거해서 매니퓰레이터를 동작시킴으로써 종말 작동체가 소정의 위치/자세를 갖도록 제어하게 되는 데, 종말 작동체에 가해지는 부하를 힘/토크 센서로부터의 신호 출력에 의해 파악하여 피드백함으로서 종말 작동체를 적절히 동작시키게 되는 바, 본 발명에 따른 평형식 로봇 매니퓰레이터는 종래의 평형식 매니퓰레이터와는 달리 커넥팅 로드(3)가 신축성이 아니므로 도 4에서와 같이 케넥팅 로드에 스트레인 게이지(8)를 부착하여 각 커넥팅 로드(3)의 변형량을 측정하여 응력을 계산함으로써 매니퓰레이터에 가해지고 있는 부하를 용이하게 파악할 수 있게 된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 평형식 로봇 매니퓰레이터의 플랫폼(2)에는 파지 장치나 용접 토우치나 납땜 장치 등과 같은 소요의 툴이 결합되어 사용되게 되며, 동작 범위가 큰 용도인 경우에는 베이스를 연쇄식 로봇의 자유단부에 결합시킨 하이브리드형으로 사용되고, 동작범위가 작은 경우에는 독립적으로 사용된다. 소요의 작업을 수행하기 위한 툴의 위치 및 자세는 플랫폼을 베이스에 대해 상대 운동 시킴으로써 이루어지게 되는 바, 소요의 작업을 하기 위한 툴의 위치와 방향이 주어지게 되면, 주어진 배치를 얻기위해 가능한 입력값 즉, 각각의 액튜에이터(5)의 회전량 및 방향이 결정되고, 결정된 입력값에 따라 각각의 액튜에니터(5)가 회전하게 되면, 링크 기구(4)는 베이스(1)와 같은 평면상에서 변위하게 된다. 따라서, 링크 43이 고정 절점(45)를 중심으로 회전하게 되고 결과적으로 커넥팅 로드(3)의 하단부가 결합되어 있는 구면 조인트(6)의 위치가 변하게 된다. 커넥팅 로드(3)는 플랫폼에 고정되는 구면 조인트(7)와 링크 43의 단부에 고정되는 구면 조인트(6) 사이에 회전 및 축직각 방향으로의 변위가 가능하게 설치되어 있으므로, 링크 43이 회전하여 구면 조인트(6)의 위치가 변하게 되면 커넥팅 로드(3)의 베이스(1)에 대한 플랫폼(2)의 지지 각도가 변하게 되고, 그에 따라 플랫폼(3)이 베이스(1)에 대해 상대 운동을 하게 되어 툴을 소요의 위치 및 방향으로 작동시키게 된다.

즉, 본 발명에 따른 평형식 로봇 매니퓰레이터는 베이스에 대한 플랫폼의 상대 운동이 커넥팅로드 자체의 길이 변화에 의해 이루어지는 것이 아니라, 액튜에이터의 회전 운동에 의해 링크 기구가 작동되고, 그에 따라 링크 기구에 결합되어 있는 커넥팅 로드가 변위됨으로써 베이스에 대한 플랫폼의 지지각도가 변경됨으로써 이루어지게 된다. 따라서, 선형 액튜에이터의 직접적인 길이 변화가 아닌 감속 및 속도 조절이 용이한 회전형 액튜에이터에 의해 매니퓰레이터의 위치 및 자세를 정밀하게 제어할 수 있으며, 더욱이 링크 기구가 사용됨으로써 액튜에이터의 운동이 더욱 작은 단위로 변경될 수 있음과 동시에 힘의 증폭도 가능하게 되므로, 위치/자세 제어를 정밀하게 할 수 있으며, 소용량의 액튜에이터에 의해 작동가능하게 된다.

도 5는 본 발명에 따른 평형식 로봇 매니퓰레이터의 다른 실시예를 나타내는 도면으로, 절점부에 있어서의 백래쉬에 의한 오차를 줄이기 위해 링크와 링크의 결합 부분 즉, 회전 절점 부분에는 소정의 강성을 갖는 판스프링(46', 47')이 설치되고, 케넥팅 로드(3') 양단부의 구면 조인트부분에는 토션바에 적용되는 스프링과 같이 적정한 비틀림 강성 및 굽힘 강성을 구비한 봉상의 스프링(6',7')이 설치되었다. 도 6은 스프링에 의한 절점부의 구성을 나타내는 도면으로, 도 6A는 회전 절점부를 구현하기 위해 판스프링(51)에 의해 링크와 링크를 결합시킨 것을 나타내고 있으며, 도 6B는 구면 조인트부를 구현하기 위해 봉상 스프링(52)에 의해 링크와 링크를 결합시킨 것을 나타내고 있다. 절점을 구성하는 스프링은 별도로 제작되어 용접 등에 의해 링크와 링크 사이에 결합될 수도 있고, 링크의 크기가 작은 경우 링크 자체를 스프링 강 등과 같은 고탄성 재료로 구성하여 절점 부분을 절삭함으로써 링크와 일체로 형성될 수 있으며, 운동 제어시 중요한 인자인 강성 계수는 스프링의 재질, 단면 형상, 두께 등을 적절하게 선택하여 결정한다. 이와 같이, 절점을 스프링으로 구성함으로써, 절점부의 백래쉬에 의한 위치 오차를 줄여 정확한 위치/ 자세를 구현할 수 있을 뿐 아니라, 종래 절점부에서 발생하던 마모에 의한 경년적인 정밀도 저하를 방지할 수 있게 된다.

스프링에 의한 절점부 구성은 상기한 바와 같이 평형식 로봇매니퓰레이터에 적용될 수 있을 뿐 만 아니라, 취급하는 부하가 작은 연쇄식 로봇 매니퓰레이터에 있어서, 아암과 아암을 회전 가능하게 결합시키는 수동 관절부에 적용될 수 있다. 즉, 로봇의 아암과 아암을 상호 상대 운동 가능하게 연결하기 위한 관절를 구성함에 있어서, 아암과 아암이 동일축에 대해 상대 회전 운동 가능하도록 결합되는 절곡 관절인 경우 도 6에서와 같이 아암과 아암을 판스프링(51)으로 결합시키고, 아암과 아암이 구면 운동이 가능 하도록 결합되는 구면 관절인 경우 아암과 아암을 봉상의 스프링(52)으로 결합시킴으로써, 아암과 아암의 결합부에 틈새가 없음으로써 백래쉬에 의한 위치 오차를 최소화시킬 수 있는 관절부를 형성할 수 있게 된다.

이상 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 평형식 로봇 매니퓰레이터에 의하면, 선형 액튜에이터의 직접적인 길이 변화가 아닌 속도 조절 및 감속이 용이한 회전형 액튜에이터 및 링크 기구에 의해 매니퓰레이터의 위치 및 자세를 정밀하게 제어할 수 있으므로 정밀도가 높음과 동시에 소용량의 액튜에이터에 의해 효율적으로 구동될 수 있는 로봇을 제공할 수 있으며, 베이스와 플랫폼을 연결하는 커넥팅 로드에 스트레인 게이지를 부착하여 변형률을 측정함으로 부하를 손쉽게 검출할 수 있으므로 종래와 같이 고가의 힘/토크 센서를 사용하지 않고도 로봇에 작용하는 하중 및 토오크를 피드백하여 로봇을 정밀하게 제어할 수 있게 된다.

또한, 관절부를 스프링으로 구성함으로써, 백래쉬 및 마모에 의한 관절부의 정밀도 저하를 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims (8)

1. 베이스와;

   종말 작동체가 부착되며, 상기 베이스에 대한 상대적 위치가 가변됨으로서 종말 작동체가 소정의 위치/자세를 갖도록 하는 플랫홈과;

   적어도 2개의 절점이 상기 베이스 상에 회전 가능하게 결합되는 복수개의 링크 기구와;

   상기 각각의 링크 기구를 작동시키기 위한 액튜에이터와;

   일단은 상기 각각의 링크 기구를 구성하는 하나의 링크에, 타단은 상기 플랫홈에 각각 회동 가능하게 결합되는 적어도 3 개 이상의 커넥팅 로드;를 구비하여, 상기 액튜에이터에 의해 상기 링크 기구를 작동시켜 각각의 커넥팅 로드의 상기 베이스 및 플랫폼에 대한 지지 각도를 변경시킴으로써 플랫폼에 장착되는 종말 작동체의 위치 및 자세를 조절할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 평형식 로봇 매니퓰레이터.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 링크 기구는 4절 링크 기구인 것을 특징으로 하는 평형식 로봇 매니퓰레이터.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 링크 기구 및 커넥팅 로드는 각각 6개로 이루어지며, 상기 베이스 상의 동일 반경상에 120도 떨어져 위치하는 점을 기준으로 대칭인 위치에 각각 한쌍씩 배치되는 것을 특징으로 하는 평형식 로봇 매니퓰레이터.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 커넥팅 로드에 스트레인 게이지를 부착하여, 커넥팅 로드의 변형률을 측정함으로써, 로봇에 작용하는 하중 및 토오크를 검지하는 것을 특징으로 하는 평형식 로봇 매니퓰레이터.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 링크 기구의 각 절점과, 상기 커넥팅 로드와 상기 링크의 연결부 및 상기 커넥팅 로드와 상기 플랫홈의 연결부중 적어도 한 부분은 소정의 강성을 갖는 스프링에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 평형식 로봇 매니퓰레이터.
6. 로봇의 아암과 아암을 상호 상대 운동 가능하게 연결하기 위한 관절를 구성함에 있어서, 상기 아암과 아암을 소정의 강성을 갖는 스프링에 의해 결합하는 것을 특징으로 하는 로봇 관절.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 관절은 아암과 아암을 동일축에 대해 상대 회전 운동 가능하도록 연결시키기 위한 절곡 관절이며, 상기 스프링은 판스프링인 것을 특징으로 하는 로봇 관절.
8. 제 6항에 있어서, 상기 관절은 아암과 아암을 구면 운동이 가능 하도록 연결시키기 위한 구면 관절이며, 상기 스프링은 봉상의 스프링인 것을 특징으로 하는 로봇 관절.

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