KR100483790B1 - 마이크로 조립용 다자유도 원격조종 로봇 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로 조립용 다자유도 원격조종 로봇 시스템에 관한 것이다. 특히, 인간 조작자의 다자유도 운동정보를 추출하여 네트워크를 통해 다자유도 로봇에 전달하여 로봇의 동작을 교시(teaching), 프로그래밍하는 원격조종에 의해 마이크로 조립을 구현하는 기술에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 인간 조작자의 다자유도 운동정보를 추출하여 전기적 신호로 변환하는 다자유도 교시장치와, 상기 추출된 다자유도 운동정보를 네트워크 장치를 통하여 로봇으로 전송하기 위한 원격제어 처리장치를 구비하는 다자유도 교시수단과; 상기 다자유도 교시수단으로부터 전송된 다자유도 운동정보를 받아 로봇의 운동을 제어하는 다자유도 마이크로 로봇 구동 제어수단과; 마이크로 부품 조립환경의 시각적인 정보를 효과적으로 제공하기 위한 마이크로 비전수단과; 상기 원격제어 처리수단으로부터 전송된 다자유도 운동정보를 그래픽 영상으로 생성하기 위한 그래픽영상 생성수단; 및 상기 마이크로 비전수단으로부터의 작업영역 시각정보를 실제 영상으로 표시하며, 상기 그래픽영상 생성수단으로부터의 그래픽 영상을 가상 영상으로 표시하기 위한 영상표시수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 조립용 다자유도 원격조종 로봇 시스템이 제시된다.
Description
본 발명은 마이크로 조립용 다자유도 원격조종 로봇 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는 인간 조작자의 다자유도 운동정보를 추출하여 네트워크를 통해 다자유도 로봇에 전달하여 로봇의 동작을 교시하는 원격조종에 의해 마이크로 조립을 실행하는 시스템에 관한 것이다.
종래의 기계 시스템이 주로 매크로 한 영역의 작업에 국한되어 있는 반면, 앞으로는 마이크로 영역 및 나노 스케일의 작업을 위한 기계 시스템이 개발의 주종을 이룰 전망이다. 현재 마이크로시스템에 대한 연구는 마이크로 구동기와 마이크로 센서 등 미세전자기계시스템(MEMS) 기술을 이용한 단위 부품의 개발에 국한 되었으나, 향후의 마이크로 제품은 이러한 단위 부품의 복잡한 조합이 요구된다. 복잡한 구조의 마이크로 제품을 조립하기 위해서는 마이크로 영역에서 작업할 수 있도록 인간의 매니퓰레이션 기술이 요구된다.
즉, 마이크로 조립용 다자유도 원격조종 시스템을 통하여 인간 작업자 손 끝의 운동 및 힘을 수천 분의 1 내지 수만 분의 1로 축소함으로써 수 미크론(um) 이하 정밀도의 미세부품의 조립작업이 가능하다. 이러한 마이크로 조립용 다자유도 원격조종 시스템 기술의 응용분야로는 다음과 같다.
1) 통신/정밀기기 분야 : 초소형이면서 정밀도가 높은 메카트로닉스 기술을 필요로 하는 각종 정보 통신기기나 정밀 기기
2) 의료 분야 : 미세 수술, 인공장기, 진단 및 치료에 따른 고통을 줄여줄 수 있는 의료시스템
3) 생명공학 분야 : 세포 조작, 유전자 복제 응용
4) 마이크로 조립 분야 : 초소형 정밀 모터 등 소형기기를 생산할 수 있는 생산시스템 등
상기와 같은 분야에 적용되는 초소형, 고기능 마이크로 시스템은 결국 미세전자기계시스템(MEMS) 및 소형 정밀 부품들의 복합적인 결합체이며, 인간 작업자의 조립능력을 다자유도 원격조종 시스템 개발을 통해 마이크로 부품의 조립에 응용하는 데 있다.
기존의 마이크로 조립은 훈련된 작업자의 수공에 의존하거나 한정된 자유도를 지닌 로봇을 사용하여 구현할 수 있는 작업의 범용성(agility)이 매우 떨어지는 단점을 지니고 있다. 본 발명에서는 복잡한 교시가 가능하도록 하여 기존의 단순경로 교시의 단점인 조립자유도가 제한되는 점을 극복하고 있다.
또한 종래의 마이크로 조립 방법은 훈련된 작업자가 손으로 현미경을 보며 수공 조립작업을 하거나, 특수제작된 핀셋(tweezer) 등의 전용조립 기구를 사용하는 방식이다. 이러한 방식은 미세 부품의 조립 성공도가 낮고, 작업시간이 오래 걸리는 등 정밀도와 조립 효율이 떨어진다.
따라서, 조립 공정이 확립된 미세 부품의 대량 생산에 적합하지 않고, 다양한 부품의 조립 공정에 대응하지 못하는 단점을 지니게 된다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 본 발명의 목적은 조립효율을 극대화하고 작업자의 피로도를 감소시키며, 다양한 조립 공정에 용이하게 사용가능한 다자유도 원격조종 로봇시스템을 제공하는데 있다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로써 본 발명은
인간 조작자의 다자유도 관절 운동정보를 추출하여 전기적 신호로 변환하는 다자유도 교시수단과; 상기 추출된 다자유도 운동정보를 네트워크 장치를 통하여 로봇으로 전송하기 위한 처리수단; 상기 전송된 다자유도 운동정보를 받아 다자유도 운동을 위한 제어신호로 변환하는 마이크로 로봇 제어수단; 상기 변환된 다자유도 운동 제어 신호에 따라 구동하기 위한 다자유도 마이크로 로봇 구동수단과; 마이크로 부품 조립환경의 시각적인 정보를 효과적으로 제공하기 위한 마이크로 비전수단; 상기 원격제어 처리수단으로부터 전송된 다자유도 운동정보를 그래픽 영상으로 생성하기 위한 그래픽영상 생성수단; 및 상기 마이크로 비전수단으로부터의 작업영역 시각정보를 실제 영상으로 표시하며, 상기 그래픽영상 생성수단으로부터의 그래픽 영상을 가상 영상으로 표시하기 위한 영상표시수단을 포함하는 마이크로 조립용 다자유도 원격조종 로봇 시스템을 제공한다.
이하, 본 발명의 실시예에 대한 구성 및 그 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에서는 작업자가 마이크로 세계에서의 작업, 예를 들어 조립작업, 생산작업 등을 편안하게 수행할 수 있는 다자유도 원격조종 로봇 시스템을 구성하였다. 다자유도 원격조종 로봇 시스템은 마이크로 세계와 조종자를 연결시켜 주는 중요한 연결도구로서, 작업자의 다자유도 운동정보를 효과적으로 마이크로 로봇에 전달하여 주는 동시에, 조립에 필요한 작업환경에 대한 센싱 정보(위치, 힘, 비전)를 작업자에게 되돌려 준다.
이러한 다자유도 원격조종 로봇시스템의 구성요소 및 제어방식에 따라 마이크로 조립을 위한 자유도, 정밀도, 제어성능 등이 결정되며, 마이크로 부품의 성공적인 조립을 위해서는 마이크로 역학이 작용하는 환경에서 마이크로 매니퓰레이션을 위한 고성능 원격조종 기술 개발이 필요하다.
도 1은 본 발명에서 설계한 마이크로 조립용 다자유도 원격조종 로봇시스템의 개념도이다.
도 1을 살펴보면, 비전장치를 통해 마이크로 로봇이 부품을 조립하는 확대상을 시각적으로 보여주면서, 동시에 다자유도 운동의 교시정보를 추출하여 마이크로로봇에 전달함으로써 마치 인간의 손가락으로 마이크로 물체를 조작한다. 뿐만 아니라 접촉하고 있다는 느낌이 조작자에게 들 수 있도록 역감 정보를 제공하는 다자유도 원격교시장치를 포함한다.
즉, 다자유도 마이크로 로봇(1), 마이크로 그리퍼(2), 비전시스템(3), 부품 공급기(4), 다자유도 교시장치(5)로 구성되어 있다. 이는 인간 조작자의 다자유도 운동 추출을 통해 복잡합 교시가 가능하여 미세 영역에서 정밀하게 구동하는 로봇의 원격제어를 통해 다자유도 마이크로 조립이 가능하게 된다.
도 2는 본 발명에 따른 마이크로 다자유도 원격조종 시스템의 구성도이며, 도 3은 도 2에 도시된 마이크로 비전장치의 개략 구성도이다.
도 2에 도시된 3차원 형상의 마이크로 부품의 조립이 가능한 마이크로 조립용 다자유도 원격조종 로봇시스템의 구성을 좀 더 구체적으로 살펴보면, 인간의 팔 운동으로부터 다자유도 운동정보를 추출하여 전기적 신호로 변환하는 다자유도 교시장치(12)와, 상기 추출된 다자유도 운동정보를 네트워크 장치(30)를 통하여 로봇으로 전송하기 위한 원격제어 처리장치(18)를 구비하는 다자유도 교시수단(10)과; 상기 다자유도 교시수단(10)으로부터 다자유도 운동정보를 받아 다자유도 운동을 위한 제어신호로 변환하는 마이크로 로봇 제어장치(40)와, 상기 변환된 다자유도 운동 정보에 따라 구동하기 위한 다자유도 마이크로 로봇(52)을 구비하는 다자유도 마이크로 로봇 구동수단(50)과; 마이크로 부품 조립환경(60)의 시각적인 정보를 효과적으로 제공하기 위한 마이크로 비전장치(70)와; 상기 원격제어 처리장치(18)로부터 전송된 다자유도 운동정보를 그래픽 영상으로 생성하기 위한 그래픽영상 생성장치(80); 및 상기 마이크로 비전장치(70)로부터 작업영역 시각정보를 실제 영상으로 표시하고, 상기 그래픽영상 생성장치(80)로부터 생성된 그래픽 영상을 가상 영상으로 표시하기 위한 영상표시장치(90)로 구성되어 있다.
상기의 다자유도 교시수단(10)에는 다자유도 교시장치(12)로부터의 전기적 신호를 데이터 신호로 변환하기 위한 엔코더(14) 및 모터(16)가 더 포함되어 있다.이 때, 상기 다자유도 교시장치(12)에는 미세 부품의 조립시 발생하는 힘 정보를 조작자에게 제공하는 역감제시 기능이 포함된다.즉, 상기 다자유도 교시수단(10)은 미세부품 조립을 위한 조작자의 다자유도 위치정보를 추출하며, 그 추출된 조작자의 다자유도 운동정보는 TCP/IP 네트워크장치(30)를 통해 다자유도 마이크로 로봇(52)에 전달된다.
상기의 다자유도 마이크로 로봇 구동 제어수단(50)에는 집게 역할을 하는 마이크로 그리퍼(54)와, 구동을 위한 모터(56), 데이터 변환을 위한 엔코더(58)를 구비하여 마이크로 로봇 제어장치(40)로부터 전송된 다자유도 운동정보에 따라 다자유도 마이크로 로봇(52)이 구동되도록 한다.즉, 상기 다자유도 마이크로 로봇 구동 제어수단(50)의 구동회로에 전압이 인가되고, 보이스 코일용 모터(56)가 구비되는 자계시스템에 전류가 인가되며, 마이크로 그리퍼(54)가 구비되는 기계적 시스템에 자속이 인가됨으로써 구동력을 갖게 된다.
상기의 마이크로 비전장치(70)는 3차원 미세부품 형상의 인식력이 우수한 현미경 방식을 채용하였으며, 초점심도(field-of-view) 사양이 기존의 현미경에 비해 수배 이상 뛰어나다. 그와 동시에 다수의 배율 정보를 제공, 동시에 다수의 초점영역의(field-of-view)의 제공 및 선정이 가능하다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이 마이크로 비전장치(70)는 현미경(71)과, 3개의 CCD 카메라(72,73,74), 영상처리장치(75)로 구성되며, 현미경(71)에 탑재된 다수의 CCD 카메라(72,73,74)를 통해 나오는 영상 이미지는 영상처리장치(75)와 영상표시장치(90)를 거쳐 모니터를 통해 조작자에게 최종적으로 전달된다.따라서, 마이크로 비전장치(70)를 통해 나타나는 다자유도 마이크로 로봇(52)과 마이크로 그리퍼(54)에 의한 조립작업의 시각정보를 영상표시장치(90)를 통해 보면서 조작자는 다자유도 교시장치(12)를 이용하여 다자유도 조립작업을 용이하게 수행할 수 있게 된다.
여기서, 마이크로 비전장치(70)의 성능은 다자유도 원격조종을 통한 조립작업의 속도와 정밀도 등을 결정하게 된다. 특히 마이크로 조립을 위해서는 비전시스템의 올바른 구성을 통해 종횡비가 높은 3차원 미세 부품을 식별하고, 비전 인식을 통해 마이크로 로봇의 피드백 위치제어 정보를 생성하는 것이 중요하다.
또한, 기존의 마이크로 원격조종 시스템에서 발생되는 비전시스템의 문제점을 분석하고, 한계점을 극복하여 시각적인 피드백 정보를 조작자에게 제공하는 것이 원격조종 기반의 3차원 마이크로 조립이 가능하게 하는 데 매우 중요하다는 것을 알 수 있다.
상기의 영상표시장치(90)는 마이크로 비전장치(70)에 의한 조립환경을 모니터하는 역할을 하고, 슬레이브(Slave) 다자유도 마이크로 로봇의 원격제어를 위한 스케일링(scaling) 조절 역할을 한다. 또한, 영상처리장치(75)의 위치 및 각도 정보를 제공하고, TCP/IP 네트워크 관리 기능을 하며, 다자유도 마이크로 로봇의 동작의 그래픽 가시화 및 뷰 포인트 셀렉션(view point selection)이 가능하다.
또한, 마이크로 조립용 다자유도 원격조종시스템을 위해 구성된 영상표시장치(90)의 일측에는 다자유도 로봇의 그래픽 모델이 표시되고, 조작자의 다자유도 위치교시 정보를 받아 실시간으로 동작이 된다. 그 타측에는 다자유도 원격교시장치에 의해 움직이는 다자유도 마이크로 로봇 및 그리퍼의 실영상이 표시된다.따라서, 상기 영상표시장치(90)는 마이크로 비전장치(70)로부터 작업영역 시각정보를 실제 영상으로 표시할 수 있으며, 상기 그래픽영상 생성장치(80)로부터 생성된 그래픽 영상을 가상 영상으로 표시할 수 있게 된다.이는 조작자가 어떤 물체를 다루는데 가장 많이 사용하는 시각과 함께 촉각정보를 조작자가 조립 작업시 실시간으로 피드백을 감지할 수 있도록 함으로써 마이크로 부품 작업의 정밀성을 높일 수 있게 된다.
이어서, 본 발명에 따른 마이크로 조립용 다자유도 원격조종 로봇시스템의 작용에 대하여 살펴보기로 하자.
먼저, 마이크로 비전장치(70)를 통해 나타나는 다자유도 마이크로 로봇(52)과 마이크로 그리퍼(54)에 의한 조립작업의 시각정보를 영상표시장치(90)를 통해 보면서 조작자는 다자유도 교시장치(12)를 이용하여 다자유도 조립작업을 수행하게 된다.
깊이 방향으로 단차가 큰 3차원 구조의 미세부품의 형상인식 능력이 우수한 마이크로 비전장치(70)에 탑재된 복수의 CCD 카메라(72,73,74)를 통해 나오는 비전영상 이미지를 영상 처리를 위한 영상처리장치(75)를 거쳐 그래픽영상 생성장치(80)로 전송한다.
이 때, 처리된 비전 영상 정보는 조립지원을 위한 그래픽 사용자 인터페이스(GUI: Graphic User Interface)와 함께 조작자에게 제공될 뿐만 아니라 다자유도 마이크로 로봇의 피드백 제어를 위한 센싱신호로서 활용된다.
다자유도 교시장치(12)에서 검출된 조작자의 다 자유도 운동 정보는 TCP/IP 네트워크장치(30)를 통해 다자유도 마이크로 로봇(50)에 전달된다. 원격제어 처리장치(20)에는 다자유도 원격교시장치의 제어 기능, 다자유도 조립용 마이크로 로봇/그리퍼의 제어 기능, 비전 영상처리를 담당하는 기능, 그래픽 사용자 인터페이스를 관장하는 기능을 포함한다.
한편, 도 4에 도시된 다자유도 원격조종의 데이터 전송 과정을 살펴보면, 인간 조작자의 다자유도 운동정보를 다자유도 교시장치(12)로부터 추출한 다음(S102) 관절 운동변수의 항으로 직교 좌표와 공구판의 방향각을 나타내는 교시장치의 순기구학을 거치게 된다(S104).
그 상태에서 다자유도 운동정보 데이터를 스케일 변환하고(S106) 공구판의 직교 좌표와 방향각의 항으로 변수들을 나타내는 다자유도 로봇 역기구학을 거친 후(S108) 네트워크 장치(30)를 통하여 전송한다(S110).
다음, 네트워크 장치(30)에 의해 전송된 다자유도 운동 정보에 따라 다자유도 마이크로 로봇(52)이 원격 제어됨과 더불어 마이크로 비전장치(70)에서 작업영역 시각정보를 실제 영상으로 표시하게 된다(S112).
이 때, 상기 다자유도 로봇 역기구학를 거친 후(S108) 다자유도 로봇의 그래픽 모델을 통하여 그래픽영상 생성장치(80)로부터 생성된 그래픽 영상을 가상 영상으로 표시하게 된다(S114).
이상에서와 같이 본 발명에 의한 마이크로 조립용 다자유도 원격조종 로봇 시스템에 따르면, 소형이면서 정밀도가 높은 각종 정보통신기기나 정밀 기기 등 마이크로시스템의 조립 및 장치로 활용이 가능하다.
또한, 다자유도 교시장치를 통해 미세 부품을 조립을 위한 다자유도 조작 정보를 전달해 주고, 미세 부품의 조립시에 발생하는 시각, 촉각 정보를 피드백하여 인간 조작자의 조립을 지원하는 기능이 가능하다.
또한, 고해상도의 힘/비전 정보를 얻고, 다자유도의 조작 정보 추출이 가능한 장점을 활용하여 추후 미세전자기계시스템(MEMS), 광부품 등의 대량생산이 가능한 다자유도의 마이크로 조립 및 장치로서 활용이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로 조립을 위한 다자유도 원격조종 로봇 시스템의 개념도이다.
도 2는 마이크로 다자유도 원격조종 시스템의 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 마이크로 비전장치의 개략 구성도이다.
도 4는 마이크로 조립을 위한 다자유도 원격조종의 데이터 전송도이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
10 : 다자유도 교시수단 18 : 원격제어 처리장치
30 : 네트워크 장치 40 : 마이크로 로봇 제어장치
50 : 다자유도 마이크로 로봇 구동 제어수단
60 : 조립환경 70 : 마이크로 비전장치
80 : 그래픽영상 생성장치 90 : 영상표시장치
Claims (4)
- 인간 조작자의 다자유도 운동정보를 추출하여 전기적 신호로 변환하는 다자유도 교시장치와, 상기 추출된 다자유도 운동정보를 네트워크 장치를 통하여 로봇으로 전송하기 위한 원격제어 처리장치를 구비하는 다자유도 교시수단과;상기 다자유도 교시수단으로부터 전송된 다자유도 운동정보를 받아 로봇의 운동을 제어하는 다자유도 마이크로 로봇 구동 제어수단과;마이크로 부품 조립환경의 작업영역 시각적인 정보를 효과적으로 제공하기 위한 마이크로 비전수단과;상기 원격제어 처리장치로부터 전송된 다자유도 운동정보를 그래픽 영상으로 생성하기 위한 그래픽영상 생성수단; 및상기 마이크로 비전수단으로부터의 작업영역 시각정보를 실제 영상으로 표시하며, 상기 그래픽영상 생성수단으로부터의 그래픽 영상을 가상 영상으로 표시하기 위한 영상표시수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 조립용 다자유도 원격조종 로봇 시스템.
- 청구항 1에 있어서, 상기 다자유도 교시장치에는 미세부품 조립시 발생하는 힘의 정보를 조작자에게 제공하는 역감제시 기능이 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 조립용 다자유도 원격조종 로봇 시스템.
- 청구항 1에 있어서, 상기 마이크로 비전수단에는 단차가 큰 3차원 마이크로 구조물의 형상 인식을 위한 현미경과, 상기 현미경의 측면에 적어도 3개 이상의 CCD 카메라가 설치되어 영상 이미지 처리를 위한 영상처리장치를 거쳐 영상표시장치의 모니터를 통해 최종적으로 조작자에게 영상 이미지를 제공하는 것을 특징으로 하는 마이크로 조립용 다자유도 원격조종 로봇 시스템.
- 청구항 1에 있어서, 상기 영상표시수단의 일측에는 다자유도 로봇의 그래픽 모델이 가상영상으로 표시되고, 타측에는 다자유도 교시수단에 의해 움직이는 다자유도 마이크로 로봇 및 그리퍼의 실제 영상이 표시되는 것을 특징으로 하는 마이크로 조립용 다자유도 원격조종 로봇 시스템.
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