KR100299210B1

KR100299210B1 - 인간팔 장착형 힘 재현기능을 갖는 마스터 장치

Info

Publication number: KR100299210B1
Application number: KR1019990008190A
Authority: KR
Inventors: 김문상; 이수용; 이종원
Original assignee: 박호군; 한국과학기술연구원
Priority date: 1999-03-12
Filing date: 1999-03-12
Publication date: 2001-09-22
Also published as: JP2000263479A; KR20000060115A; US6301526B1; JP3561719B2

Abstract

본 발명은 인간팔 장착형 힘재현 기능을 갖는 마스터장치에 관한 것으로서,조종자의 등 상측, 팔꿈치 상측 및 하측, 손등에 체결되어 고정되는 제 1, 제 2, 제 3, 제 4체결부와, 상기 제 1체결부에 고정되는 다수의 원통형 회전축부재로 구성된 제 1회전축부와, 일단이 상기 제 1회전축부에 결합되고 타단이 상기 제 2체결부와 결합되는 다수의 연결부재가 다수의 회전링크부재를 매개로 직렬연결되는 제 1연결부와, 상기 제 2체결부와 상기 제 3체결부의 사이에 각각 연결부재로 결합되는 원통형 회전축부재로 이루어진 제 2회전축부와, 일단이 상기 제 3체결부에 고정되는 다수의 원통형 회전축부재로 구성된 제 3회전축부와, 일단이 상기 제 4체결부와 결합되고, 타단이 상기 제 3회전축부에 결합되는 다수의 연결부재가 다수의 회전링크부재를 매개로 직렬연결된 제 2연결부로 구성함으로써 일련의 마스터장치를 직렬 연쇄 구조로 단순화시키는 한편, 토크를 제어하는 토크발생부를 몸통 근처 및 상박부 근처로 집중화시켜 자중에 따른 인체의 피로감 및 작동의 복잡성 등을 개선할 수 있다.

Description

인간팔 장착형 힘 재현기능을 갖는 마스터 장치{Master device having force reflective function}

본 발명은 인간팔 장착형 힘재현 기능을 갖는 마스터장치에 관한 것으로서, 특히, 조종자의 팔에 장착된 상태에서 팔 동작을 감지하여 노예로봇(Slave Robot)의 동작지령을 만들어 냄과 동시에 노예로봇이 감지하는 외부힘과 운동학적 관절제한 등으로 인한 운동제한 정보를 브레이크나 서보 모터 등을 이용하여 재현시키는 일련의 마스터장치를 직렬 연쇄 구조로 단순화시키는 한편 토크를 제어하는 토크발생부를 몸통 근처로 집중화시킴으로써 자중에 따른 인체의 피로감 및 작동의 복잡성 등을 개선할 수 있도록 한 인간팔 장착형 힘재현 기능을 갖는 마스터장치에 관한 것이다.

일반적으로, 로봇은 여러 산업분야에서 광범위하게 이용되고 있는데 처음에는 다이캐스팅, 단조, 스폿 용접과 같이 인간이 하기에 힘들고 위험한 작업에 응용되었다.

이러한 산업용 로봇의 발달과 더불어 현재는 산업용 로봇 이외에도 인간을 대신하여 다양한 작업을 수행할 수 있을 만큼의 자유도가 높은 다목적의 원격 조정로봇의 필요성이 대두되어지고 있고, 계속해서 연구개발되고 있는 추세이다.

상기와 같이 로봇이 다양한 동작을 수행하기 위해서는 원격조정장치가 필요하며 이러한 원격조정장치는 현재까지 다양한 형태와 기능을 수행할 수 있도록 개발되고 있다. 이와같은 로봇 원격조정장치는 로봇의 동작을 작업자가 직접 조정함으로서, 거리가 먼 경우나 위험한 환경 등과 같은 특수한 상황에서 필요한 작업을 수행할 수 있게 된다.

산업용 로봇 또는 인간형 로봇 매니퓰레이터를 효율적으로 원격 제어하기 위하여 쓰이는 제어장치로는 일반적으로 제어대상인 노예로봇(Slave Robot)과 같은 형상을 가진 마스터 조정장치가 제작 사용되거나 또는 인간의 팔에 직접 부착할 수 있는 형태의 인간형 마스터 장치(Anthropomorphic master control device)가 사용되고 있다.

상기의 인간형 마스터는 인간의 자연스러운 움직임을 그대로 마스터의 입력으로 사용한다는 장점이 있어 지금까지 많은 연구와 장치가 개발되어 왔다.

그러나, 힘 재현(Force Reflection) 기능을 가진 인간형 마스터의 대부분은 사용되어지는 전기식 모터의 절대적인 크기 및 무게 그리고 인간팔에 장착하기 위한 지지부의 무게 등으로 조종자에게 매우 커다란 하중을 가하고 있어 장시간 작동이 불가능할 뿐만 아니라 자체 하중 및 관성(Inertia)에 의한 제어의 난이성 등이 커다란 단점으로 지적되고 있다.

따라서, 인간의 팔에 장착한다는 장점을 유지하면서 경량화시킬 수 있는 마스터의 개발이 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 조종자의 팔에 장착되어 노예로봇(Slave Robot)을 원격조정하는 마스터장치를 직렬 연쇄 구조로 단순화시키는 한편 인간팔의 회전토크를 제어하는 토크발생부를 몸통 근처로 집중화시킴으로써 자중에 따른 인체의 피로감 및 작동의 복잡성 등을 개선할 수 있도록 한 인간팔 장착형 힘재현 기능을 갖는 마스터장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술사상으로서, 조종자의 신체에 부착하여 로봇을 원격조정하는 로봇 원격조정장치에 있어서, 조종자의 등 상측에 고정되는 제 1체결부와, 조종자의 팔꿈치 상측 및 하측에 체결되어 고정되는 제 2, 제 3체결부와, 조종자의 손등에 체결 고정되는 제 4체결부와, 상기 제 1체결부에 고정되는 다수의 원통형 회전축부재로 구성된 제 1회전축부와, 일단이 상기 제 1회전축부에 결합되고 타단이 상기 제 2체결부와 결합되는 다수의 연결부재가 다수의 회전링크부재를 매개로 직렬연결되는 제 1연결부와, 연결부재로 상기 제 3체결부에 결합되는 다수의 원통형 회전축 부재로 구성된 제 3회전축부와, 상기 제 2체결부와 상기 제 3체결부의 사이에 각각 연결부재로 결합되는 원통형 회전축부재로 이루어진 제 2회전축부와, 일단이 상기 제 4체결부와 결합되고, 타단이 상기 제 3회전축부에 결합되는 다수의 연결부재가 다수의 회전링크부재를 매개로 직렬연결된 제 2연결부로 구성되고,

상기 제 1회전축부는 조종자의 어깨 움직임을 감지하고, 상기 제 2회전축부는 조종자의 팔꿈치 움직임을 감지하며, 상기 제 3회전축부는 조종자의 손목 움직임을 감지하는 발명이 제시된다.

도 1은 본 발명에 의한 인간팔 장착형 힘 재현 기능을 갖는 마스터 장치를 나타내는 개략 사시도이다.

도 2는 본 발명에 의한 인간팔 장착형 힘 재현 기능을 갖는 어깨부 구조를 나타낸 사시도이다.

도 3는 본 발명에 의한 인간팔 장착형 힘 재현 기능을 갖는 마스터 장치의 팔꿈치 구조를 나타낸 사시도이다.

도 4는 본 발명에 의한 인간팔 장착형 힘 재현 기능을 갖는 마스터 장치의 손목부 구조를 나타낸 사시도이다.

도 5는 본 발명에 의한 힘 재현장치인 각 원통형 회전축부재의 구조를 나타낸 사시도이다.

도 6는 본 발명에 의한 방향결정장치부를 나타내는 분해사시도이다.

도 7(a) 및 도 7(b)는 본 발명에 의한 방향결정장치부에 구비되는 리미트 스위치의 감지상태를 나타낸 참조도이다.

도 8은 본 발명에 의해 직선구동을 하는 실린더 파입의 피동체를 나타내는 구조도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 제 1체결부 2 : 제 1원통형 회전축부재

3 : 제 2원통형 회전축부재 4 : 제 3원통형 회전축부재

5 : 제 4원통형 회전축부재 6 : 제 5원통형 회전축부재

7 : 제 6원통형 회전축부재 8 : 제 1회전링크부재

9 : 제 2회전링크부재 10 : 제 3회전링크부재

11 : 제 4회전링크부재 12 : 제 5회전링크부재

13 : 제 6회전링크부재

17-1, 17-2, 18, 19, 22 : 연결부재

14 : 제 1연결부재 15 : 제 2연결부재

16 : 제 3연결부재 20 : 제 4연결부재

21 : 제 5연결부재 22 : 제 6연결부재

24 : 제 7연결부재 25 : 제 1연결부

26 : 제 2연결부 27 : 제 2체결부

28 : 제 3체결부 29 : 제 2회전축부

30 : 제 4체결부 31 : 초기 캘리브레이션용 위치결정장치

32 : 방향결정장치부 33: 기어부

34 : 토크발생부 35 : 위치결정장치부

36 : 관통 장홀 37 : 관통홀

38 : 제 1원판 39 : 돌출부

40 : 제 2원판 41 : 토오션 스프링

42 : 리미트 스위치 43 : 튜브

44 : 제 1회전축부 45 : 제 3회전축부

50 : 회전부하

이하에서는 본 고안의 실시예의 구성 및 작용에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 인간팔 장착형 힘 재현 기능의 마스터 장치를 나타내는 개략 사시도이다.

도 1를 참조하여 설명하면, 본 발명은 조종자의 신체에 부착하여 로봇을 원격조정하는 로봇 원격조정장치에 있어서,

조종자의 등 상측에 고정되는 제 1체결부(1)와, 조종자의 팔꿈치 상측 및 하측에 체결되어 고정되는 제 2, 제 3체결부(27,28)와, 조종자의 손등에 체결 고정되는 제 4체결부(30)와, 상기 제 1체결부(1)에 고정되는 다수의 원통형 회전축부재로 구성된 제 1회전축부(44)와, 일단이 상기 제 1회전축부(44)에 결합되고 타단이 상기 제 2체결부(27)와 결합되는 다수의 연결부재가 다수의 회전링크부재를 매개로 직렬연결되는 제 1연결부(25)와, 연결부재로 상기 제 3체결부에 결합되는 다수의 원통형 회전축 부재로 구성된 제 3회전축부(45)와, 상기 제 2체결부(27)와 상기 제 3체결부(28)의 사이에 각각 연결부재로 결합되는 원통형 회전축부재로 이루어진 제 2회전축부(29)와, 일단이 상기 제 4체결부(30)와 결합되고, 타단이 상기 제 3회전축부(45)에 결합되는 다수의 연결부재가 다수의 회전링크부재를 매개로 직렬연결된 제 2연결부(26)로 구성되어 있다.

또한, 상기 제 1회전축부(44)는 조종자의 어깨 관절이 움직임에 따라 현재팔의 위치가 조합적으로 위치결정되도록 제 1, 제 2, 제 3원통형 회전축 부재(2,3,4)가 3방향성을 갖도록 결합되어있다.

또한, 상기 제 3회전축부(45)는 조종자가 손목 움직임에 따라 각각 회전각에 의해 손의 위치가 조합적으로 위치결정되도록 제 4, 제 5, 제 6원통형 회전축부(5,6,7)가 3방향성을 갖도록 결합되어있다.

또한, 상기 제 1연결부(25)는 일단이 상기 제 1회전축부(44)에 결합되고 타단이 제 1회전링크부재(8)에 결합되는 제 1연결부재(14)와, 상기 제 1회전링크부재(8)와 제 2회전링크부재(9)를 연결하는 제 2연결부재(15)와, 상기 제 2체결부(27)와 연결부재(17-1)로 결합되어 제 3회전링크부재(10)와 제 2회전링크부재(9)를 연결하는 제 3연결부재(16)로 구성된다.

또한, 상기 제 2연결부(26)는 일단이 제 3회전축부(45)에 결합되고 타단이 제 4회전링크부재(11)에 결합되는 제 4연결부재(20)와, 상기 제 4회전링크부재(11)와 제 5회전링크부재(12)를 연결하는 제 5연결부재(21)와, 상기 제 4체결부(30)의 하측에 결합되는 제 6회전링크부재(13)와 상기 제 5회전링크부재(12)를 연결하는 제 6연결부재(22)로 구성된다.

또한, 상기 각 원통형 회전축부재의 내부에는 상기 연결부재와 같은 회전부하(50)에 연결되어 팔의 동작방향을 측정하는 방향결정장치부(32)와, 토크를 조절하는 기어부(33)와, 전기식 브레이크 또는 서보모터로 이루어진 토크발생부(34)와, 현재 팔의 동작위치를 회전각으로 측정하는 위치결정장치부(35)가 구비되게 된다.

또한, 상기 방향결정장치부(32)는 상기 회전부하(50)에 연결되어 상하 양측으로 관통 장홀(36)이 형성되고 중앙에 관통홀(37)이 형성되어있는 제 1원판(38)과, 상기 제 1원판(38)의 각 관통 장홀(36) 및 관통홀(37)에 상응하여 끼워지는 복수개의 돌출부(39)를 갖는 제 2원판(40)과, 상기 제 1원판(38) 및 제 2원판(39) 사이에 위치되어 일정한 예압을 갖고 두 원판을 연결하는 토오션 스프링(41)과, 상기 회전부하(50)와 상기 토션 스프링 예압과의 상대적인 크기를 감지하는 리미트 스위치(42)로 이루어져 있다.

또한, 상기 제 1,2연결부(25,26)은 2개의 평행한 튜브(43)가 나란히 구비되고 제 6, 제 7연결부재(23,24)가 상기 각 튜브(43)에 각각 하나씩 연결되어 상하로 직선 운동하는 피동체로 대치될 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 1은 본 발명에 의한 인간팔 장착형 힘 재현 기능을 갖는 마스터 장치를 나타내는 개략 사시도이다.

도 2는 본 발명에 의한 인간팔 장착형 힘 재현 기능을 갖는 마스터 장치의 어깨부 구조를 나타낸 사시도이다.

도 8은 본 발명에 의해 직선 구동을 하는 실린더 타입의 피동체를 나타내는 구조도이다.

상기와 같은 도면을 참조하여 본 발명에 의한 인간팔 장착형 힘 재현 기능을 갖는 마스터 장치의 일 실시예를 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 도 1에서 도시된 바와같이 조종자가 팔에 로봇원격조정장치를 부착함에 따라 발생되는 종래의 장치들이 가지는 자중으로 인한 인체의 피로감, 작동의 복잡성 등의 단점을 개선하기 위하여 단순한 직렬 연쇄(Serial Chain) 형식의 기구학을 채택하였으며 팔에 부가되는 장치에 의한 자중을 최소화하기 위해 토크를 제어하는 원통형 회전축부(44,45)를 한 곳에 집중시켰으며 되도록 몸통의 가까운 곳에 위치시켰다.

이를 위하여 본 발명은 조종자의 등 상측에 고정되는 제 1체결부(1)의 일측에는 제 1원통형 회전축부재(2)가 고정되며 조종자의 어깨 관절이 동작함에 따라 조합적으로 위치결정되도록 롤(Roll), 피치(Pitch), 요(Yaw)의 3방향 회전운동을 하는 제 1, 제 2, 제 3원통형 회전축부재(2,3,4)가 구비된다.

또한, 도 2에 도시된 바와같이 상기 제 1, 제 2, 제 3원통형 회전축부재(2,3,4)는 제 1연결부(25)의 움직임에 의해 위치결정되는데, 상기 제 1연결부(25)는 제 3원통형 회전축부재(4)의 일축과 팔꿈치 상측에 체결되는 제 2체결부(27) 사이에 구비되어 조종자가 팔을 움직임에 따라 회전되는 제 1회전링크부재(8)와, 상기 제 1회전링크부재(8)에 각각 양측으로 연결되어 함께 회전되는 제 1, 제 2연결부재(14,15)로 이루어져 있다. 또, 상기 제 1회전링크부재(8)에는 회전각을 측정할 수 있는 초기 캘리브레이션용 위치결정장치(31)가 체결되어 있다.

이때, 상기 제 1연결부(25)은 도 8에 도시된 바와같이 2개의 평행한 튜브(43)가 구비되고 제 6,7연결부재(23,24)이 상기 각 튜브(43)에 각각 하나씩 연결되어 상하로 직선 운동하는 피동체로 대체할 수도 있다.

또한, 도 3에 도시된 바와같이, 조종자의 팔꿈치 상측에는 상기 제 1연결부(25)과 제 3회전링크부재(10) 및 연결부재(17)을 통해 연결되는 제 2체결부(27)가 체결되며, 상기 제 2체결부(27)에는 한쪽이 연결부재(18)에 의해 제 2체결부(27)에 연결되고, 다른 한쪽은 다른 연결부재(19)에 연결되는 제 2회전축부(29)가 연결되게 된다.

또한, 상기 제 3체결부(28)에는 조종자가 손목을 움직임에 따라 현재 팔의 움직임을 회전각에 의해 조합적으로 감지하는 제 4, 제 5, 제 6원통형 회전축부재(5,6,7)가 연결되게 된다.

또한, 도 4에 도시된 바와같이, 상기 제 4, 제 5, 제 6원통형 회전축부재(5,6,7)는 조종자가 손목을 움직임에 따라 함께 이동되면서 회전하는 제 2연결부(26)에 연결되는데, 상기 제 2연결부(26)은 조정자가 손목을 움직임에 따라 회전되는 제 4회전링크부재(11)와, 상기 제 6원통형 회전축부재(7)에 일측이 연결되고 상기 제 4회전링크부재(11)에 타측이 연결되어 상기 제 4회전링크부재(11)와함께 회전되는 제 4연결부재(20)와, 상기 제 4회전링크부재(11) 및 제 5회전링크부재(12)를 연결하는 제 5연결부재(21)로 이루어져 있다.

이때, 상기 제 2연결부(26)은 도 8에 도시된 바와같이 2개의 평행한 튜브(43)가 구비되고 제 6, 제 7연결부재(23,24)가 상기 각 튜브(43)에 각각 하나씩 연결되어 상하 방향으로 직선 운동하는 피동체로 대체할 수도 있다.

또한, 손등에 고정되는 제 4체결부(30)가 상기 제 2연결부(26)에 제 6회전링크(13) 및 연결부재(22)를 통해 연결되게 된다.

또한, 도 2 및 도 4에 도시된 바와같이, 상기 제 1회전링크부재(8) 및 제 4회전링크부재(11)에는 조종자의 팔 길이 및 손 크기에 따라 위치를 보정할 수 있도록 초기 캘리브레이션 위치결정장치(31)가 장착되어 있다.

한편, 상기와 같은 구성을 갖는 로봇원격조정을 위한 마스터장치의 제 1체결부(1)를 조종자가 등 상측에 부착시킨 후 제 2체결부(27)를 팔꿈치 상측에 체결하고, 제 3체결부(28)를 팔꿈치 하측에 체결한 상태에서 소정의 작업을 하기 위해 팔을 움직이게 되면 마스터장치의 제 1, 제 2, 제 3연결부재(14,15,16), 제 4, 제 5연결부재(20,21) 및 다수 연결부재(17-1,17-2,18,19,22)가 함께 움직이게 되고 이에 따라서, 제 1, 제 2, 제 3회전링크부재(8,9,10) 및 제 4, 제 5, 제 6회전링크부재(11,12,13)가 회전하게 된다.

또한, 상기 제 1, 제 2, 제 3회전링크부재(8,9,10) 및 제 4, 제 5, 제 6회전링크부재(11,12,13)가 회전됨에 따라 상기 제 1, 제 2, 제 3연결부재(14,15,16) 및 제 7, 제 8, 제 9연결부재(20,21,22)도 함께 회전하게 되고 이때, 상기 제 1연결부재(14) 및 제 4연결부재(20)에 연결되어있는 제 3원통형 회전축부재(4) 및 제 6원통형 회전축부재(7)의 위치결정장치부(35)가 회전된다.

이에 따라서, 상기 제 3원통형 회전축부재(4) 및 제 6원통형 회전축부재(7)에 각각 맞물려 있는 제 1, 제 2원통형 회전축부재(2,3) 및 제 4, 제 5원통형 회전축부재(5,6)들이 상기 제 3원통형 회전축부재(4) 및 제 6원통형 회전축부재(7)과 함께 조종자의 팔 움직임에 따라 모두 회전하거나 어느 하나 또는 두 회전축부재만 조합적으로 회전하게 된다.

이때, 상기 각 원통형 회전축부재의 위치결정장치로부터 감지된 회전각 데이터를 인가받은 마스터장치 제어기(도면에 도시되지 않음)는 3방향 회전운동인 롤(Roll), 피치(Pitch) 및 요(Yaw)를 계산하여 현재 조종자의 팔 운동 방향을 판단하게 되고 이러한 판단결과에 따라 노예로봇의 동작을 원격조종하게 된다.

한편, 도 5에 도시된 바와같이, 상기 제 1, 제 2, 제 3원통형 회전축부재(2,3,4), 제 2 회전축부(29) 및 제 4, 제 5, 제 6원통형 회전축부재(5,6,7)의 회전축에는 대별하여 조종자가 팔을 움직임에 따라 상기 제 1, 제 2, 제 3 회전링크부재(8,9,10) 및 제 4, 제 5, 제 6 회전링크부재(11,12,13)와 함께 회전하는 회전부하인 상기 각 연결부재에 연결되어 회전각을 감지하는 위치결정장치부(35)와, 상기 위치결정장치부(35)의 후단에 위치되어 노예로봇(Slave Robot)이 원할하게 조종되어 힘 재현이 필요 없을 때에는 공회전하고 노예로봇이 장애물 등에 걸려 운동제한 상태일 때 전기식 브레이크 또는 서보모터를 작동시켜 힘을 재현하는 토크발생부(34)와, 상기 토크발생부(34)의 후단에 구비되어 상기 토크발생부(34)에서 발생된 토크를 증폭하는 기어부(33)와, 상기 기어부(33)의 후단에 구비되어 팔의 동작방향을 감지하는 방향결정장치부(32)가 구비되게 된다.

따라서, 상기 토크 발생부(34)에 노예로봇 말단부에 가해지는 힘에 비례하는 전류가 가해지면 회전에 저항하는 토크가 발생하고 이 토크는 기어부(33)에서 증폭된다.

또한, 도 6에 도시된 바와같이, 상기 방향결정장치부(32)에는 상기 연결부재와 같은 회전부하(50)가 연결되어있고, 상하 양측으로 관통 장홀(36)이 각각 형성되어 있으며 중앙에 관통홀(37)을 갖는 제 1원판(38)과, 상기 제 1원판(38)의 각 관통 장홀(36) 및 관통홀(37)에 상응하여 끼워지는 복수개의 돌출부(39)를 갖는 제 2원판(40)과, 상기 제 1원판(38) 및 제 2원판(40) 사이에 위치되어 일정한 예압을 갖고 두 원판을 연결하는 토오션 스프링(41)과, 상기 회전부하와 상기 토션 스프링의 예압과의 상대적인 크기를 감지하는 리미트 스위치(42)로 이루어져 있다.

따라서, 본 발명에 의해 원격조정되는 노예로봇이 작업중 장애물에 걸려 그 방향으로 더이상 움직이기 어렵게 되면 힘 재현기능에 의해 마스터장치 제어기는 조종자의 현재 팔 운동방향을 감지하여, 조종자가 힘 재현 기능이 걸린 방향으로 움직이면 계속해서 브레이크를 작동시키고 그 반대 방향으로 움직이면 상기 리미트 스위치(42)의 감지에 의해 브레이크의 작동을 해제시켜 팔을 움직일 수 있게 한다.

즉, 도 6은 브레이크가 토크 발생부(34)의 전기식 구동장치로 사용될 경우에 조종자의 회전방향을 판별하기 위한 방향결정장치부(32)를 나타내고 있으며, 상술한 바와같이 힘 재현기능에 의해 브레이크가 작동되면 가해진 전류의 크기에 따라회전축의 회전을 방해하는 토크가 발생하게 되는데 이때, 조종자가 반대방향으로 움직이고자 할 때에는 브레이크의 작동을 해제하여야 한다. 따라서, 브레이크가 걸려있는 상태에서 반대방향으로 회전하려고 하는 움직임을 감지해 낼 수 있는 방향감지장치가 필요하다.

이를 위하여 브레이크와 연결된 회전축부재에 제 2원판(40)이 부착되고 마주보는 제 1원판(38)에는 회전부하(44)가 연결되며 상기 제 1원판(38) 및 제 2원판(40) 사이에는 소정의 예압을 갖는 토오션 스프링(41)이 위치되어 두 원판을 연결시켜주게 된다.

따라서, 상기 토션 스프링(41)의 예압된 토크보다 작은 회전부하에서 제 1원판(38) 및 제 2원판(40)은 같이 회전하게 되는데 이때, 만일 브레이크가 작동되면 제 2원판(40)은 정지하게 되고 제 1원판(38)은 회전방향에 따라 정지하거나 예압된 방향과 반대일 경우는 관통장홀(36)을 따라 회전하여 리미트 스위치(42)를 작동함과 아울러 정지한다. 이때, 회전부하가 토오션 스프링(41)의 예압보다 작다면 제 1원판(38)도 정지한다.

그러나, 브레이크가 작동한 방향의 반대로 회전부하가 걸리면 이 회전부하가 예압보다 큰 경우는 관통장홀(36)을 따라 회전함으로써 리미트 스위치(42)를 작동시키거나 끊어지게 된다.

상기와 같이 발생되는 제 1원판(38)과 제 2원판(40) 간의 상대적인 운동을 리미트 스위치(42)가 감지하게 되고 이러한 감지신호를 통해 회전부하가 일정 크기 이상임을 알 수 있으며 브레이크의 작동을 해제하는 신호로 이용할 수 있다.

참고적으로, 도 7(a)는 브레이크가 작동되지 않아 아무런 부하가 걸리지 않을 경우의 작동도이고, 도 7(b)는 브레이크가 작동되는 경우로서, 회전방향이 시계방향이고 회전부하가 토오션 스프링(41)의 예압 토크보다 큰 경우이며 이때, 관통장홀(36)을 따라 회전한 후 상기 리미트 스위치(42)가 작동되게 된다.

이러한 상태에서, 상기 마스터장치 제어기는 상기 리미트 스위치(42)의 작동을 감지하여 현재 조종자가 움직이는 방향을 판단하게 되는데 즉, 상술한 바와같이 조종자가 브레이크의 작동 방향(이경우, 시계방향)과 반대 방향(시계반대방향)으로 움직이면 제 2원판이 도 7(b)에서 도 7(a)로 복귀되고 이에 따라, 따라 리미트 스위치(42)의 스위칭 상태가 반전되며 상기 로봇원격조정장치 제어기는 이 작동신호를 인가받아 브레이크의 작동을 해제시키게 된다.

따라서, 조종자는 자유롭게 반대방향으로 움직일 수 있게 된다.

한편, 본 발명에 의한 마스터장치는 상기 각 원통형 회전축에서 전기식 브레이크 또는 서보모터로 이루어진 토크발생부(34)를 제거하고 후측에 구비되는 위치결정장치부(35)만으로 힘 재현기능이 없는 단순 티칭 디바이스(Teaching Device)로도 사용할 수 있다.

이상의 설명에서 알 수 있는 바와같이, 본 발명은 조종자의 신체에 부착하여 로봇을 원격조정하는 로봇 원격조정장치에 있어서, 조종자의 등 상측에 고정되는 제 1체결부(1)와, 조종자의 팔꿈치 상측 및 하측에 체결되어 고정되는 제 2, 제 3체결부(27,28)와, 조종자의 손등에 체결 고정되는 제 4체결부(30)와, 상기 제 1체결부(1)에 고정되는 다수의 원통형 회전축부재로 구성된 제 1회전축부(44)와, 일단이 상기 제 1회전축부(44)에 결합되고 타단이 상기 제 2체결부(27)와 결합되는 다수의 연결부재가 다수의 회전링크부재를 매개로 직렬연결되는 제 1연결부(25)와, 연결부재로 상기 제 3체결부에 결합되는 다수의 원통형 회전축 부재로 구성된 제 3회전축부(45)와, 상기 제 2체결부(27)와 상기 제 3체결부(28)의 사이에 각각 연결부재로 결합되는 원통형 회전축부재로 이루어진 제 2회전축부(29)와, 일단이 상기 제 4체결부(30)와 결합되고, 타단이 상기 제 3회전축부(45)에 결합되는 다수의 연결부재가 다수의 회전링크부재를 매개로 직렬연결된 제 2연결부(26)로 구성하여, 상기 제 1회전축부(44)는 조종자의 어깨 움직임을 감지하고, 상기 제 2회전축부(29)는 조종자의 팔꿈치 움직임을 감지하며, 상기 제 3회전축부(45)는 조종자의 손목 움직임을 감지하게 함으로써,

조종자의 팔에 장착된 상태에서 팔 동작을 감지하여 노예로봇(Slave Robot)의 동작지령을 만들어 냄과 동시에 노예로봇이 감지하는 외부힘과 운동학적 관절제한 등으로 인한 운동제한 정보를 브레이크나 서보 모터 등을 이용하여 재현시키는 마스터장치를 직렬 연쇄(Serial Chain) 구조로 단순화하여 자중에 따른 인체의 피로함, 작동의 복잡성을 개선할 수 있는 효과가 있다.

또한, 토크를 제어하는 원통형 회전축부(44,45)를 한 곳에 집중시키고 되도록 몸통 가까운 곳에 위치시킴으로써 팔에 장작되는 장치에 의한 자중을 최소화시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims

조종자의 신체에 부착하여 로봇을 원격조정하는 로봇 원격조정장치에 있어서,

조종자의 등 상측에 고정되는 제 1체결부와;

조종자의 팔꿈치 상측 및 하측에 체결되어 고정되는 제 2, 제 3체결부와;

조종자의 손등에 체결 고정되는 제 4체결부와;

상기 제 1체결부에 고정되는 다수의 원통형 회전축부재로 구성된 제 1회전축부와;

일단이 상기 제 1회전축부에 결합되고 타단이 제 1회전링크부재에 결합되는 제 1연결부재와, 상기 제 1회전링크부재와 제 2회전링크부재를 연결하는 제 2연결부재와, 상기 제 2체결부재와 연결부재로 결합되어 제 3회전링크부재와 제 2회전링크부재를 연결하는 제 3연결부재가 다수의 회전링크부재를 매개로 직렬 연결되는 제 1연결부와;

조종자의 몸통측에 밀착된 위치에 위치하도록 소정 길이를 갖는 연결부재로 상기 제 3체결부에 결합되는 다수의 원통형 회전축 부재로 구성된 제 3회전축부와;

상기 제 2체결부와 상기 제 3체결부의 사이에 각각 연결부재로 결합되는 원통형 회전축부재로 이루어진 제 2회전축부와;

일단이 제 3회전축에 결합되고 타단이 제 4회전링크부재에 결합되는 제 4연결부재와, 상기 제 4회전링크부재와 제 5회전링크부재를 연결하는 제 5연결부재와, 상기 제 4체결부의 하측에 결합되는 제 6회전링크부재와 상기 제 5회전링크부재를 연결하는 제 6연결부재가 다수의 회전링크부재를 매개로 직렬 연결된 제 2연결부로 구성되고;

상기 제 1회전축부는 조종자의 어깨 움직임을 감지하며, 어깨 관절이 움직임에 따라 현재 팔의 위치가 조합적으로 위치 결정되도록 제 1, 제 2, 제 3원통형 회전축 부재가 3방향성을 갖도록 결합되고,

상기 제 2회전축부는 조종자의 팔꿈치 움직임을 감지하며,

상기 제 3회전축부는 조종자의 손목 움직임을 감지하며, 손목 움직임에 따라 각각 회전각에 의해손의 위치가 조합적으로 위치 결정되도록 제 4, 제 5, 제 6원통형 회전축부가 3방향성을 갖도록 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 인간팔 장착형 힘 재현기능을 갖는 마스터 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 제 1회전링크 및 제 4회전링크에는 조종자의 팔 길이 및 손 크기에 따라 위치를 보정할 수 있도록 초기 캘리브레이션(Calibration) 위치결정장치가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 인간팔 장착형 힘 재현기능을 갖는 마스터 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 각 원통형 회전축의 내부에는 상기 각 연결부재에 연결되어 팔의 동작방향을 측정하는 방향결정장치부와,

토크를 조절하는 기어부와,

전기식 브레이크 또는 서보모터로 이루어진 토크발생부와,

현재 팔의 움직임을 회전각으로 측정하는 위치결정장치부가 구비되는 것을 특징으로 하는 인간팔 장착형 힘 재현기능을갖는 마스터 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 방향결정장치부는 지지철심에 연결되어 상하 양측으로 관통장홀이 각각 형성되고중앙에 관통홀을 갖는 제 1원판과,

상기 제 1원판의 각 관통장홀 및 관통홀에 상응하여 끼워지는 복수개의 돌출부를 갖는 제 2원판과,

상기 제 1원판 및 제 2원판 사이에 위치되어 일정한 예압을 갖고 두 원판을 연결하는 토오션 스프링과,

상기 각 연결부재의 회전부하와 상기 토션 스프링 예압의 상대적인 크기를 감지하는 리미트 스위치로 이루어지는 것을 특징으로 하는 인간팔 장착형 힘 재현기능을 갖는 마스터 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 제 1, 제 2연결부는 2개의 평행한 튜브가 나란히 구비되고 제 6, 제 7연결부재가 상기 각 튜브에 각각 하나씩 연결되어 상하로 직선 운동하는 피동체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 인간팔 장착형힘 재현기능을 갖는 마스터 장치.
청구항 1항에 있어서, 상기 마스터장치는 상기 각 원통형 회전축의 전기식브레이크 또는 서보모터로 이루어진 토크발생부를 제거하고 후측에 구비되는 위치결정장치만으로 힘 재현기능이 없는 단순 티칭 디바이스(Teaching Device)로도 사용되는 것을 특징으로 하는 인간팔 장착형 힘 재현기능을 갖는 마스터 장치.