KR100588811B1 - Muti-purpose hybrid robot system - Google Patents

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KR100588811B1
KR100588811B1 KR1020040091625A KR20040091625A KR100588811B1 KR 100588811 B1 KR100588811 B1 KR 100588811B1 KR 1020040091625 A KR1020040091625 A KR 1020040091625A KR 20040091625 A KR20040091625 A KR 20040091625A KR 100588811 B1 KR100588811 B1 KR 100588811B1
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김유용
남기찬
박두산
임용우
조성인
황규영
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재단법인서울대학교산학협력재단
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Abstract

본 발명은, 온실 재배 생력화를 위한 다목적 하이브리드 로봇 시스템에 있어서: 직렬 매니퓰레이터와 병렬 매니퓰레이터를 혼합한 구조로서 작업에 따라 구조가 변경가능한 하이브리드 로봇과; The present invention provides a versatile hybrid robotic system for greenhouse cultivation saengryeokhwa: serial and parallel manipulator as a manipulator structure mixing structure is changed according to the working robot as a hybrid; 하이브리드 로봇을 제어하는 로봇제어장치로 구성하되; But it consists of a robot control apparatus for controlling a hybrid robot; 하이브리드 로봇은; Hybrid robot; 다목적으로 조작 가능한 하이브리드 매니퓰레이터와, 작업을 수행하는 선단장치로 구성되고, 하이브리드 매니퓰레이터는, 다수의 병렬 링크를 포함하여 구성된 병렬 매니퓰레이터와, 병렬매니퓰레이터의 플랫폼에 장착되며, 선단장치를 공간좌표축 v,u,w중 u축이나 w축에 대하여 회전 가능케 하는 직렬 최종관절과, 병렬 매니퓰레이터를 공간좌표축 x,y,z중 z축에 대하여 회전시키는 직렬 베이스관절로 구성하여서 작업에 따라 PUMA형과 SCARA형의 구조로 쉽게 변경 가능하게 하고, 로봇제어장치는; Is composed of a hybrid manipulator can manipulate the purpose, the front end device to perform an operation, the hybrid manipulator is provided with a parallel manipulator configured to include a plurality of parallel link, are mounted on a parallel manipulator platform, the front end device space coordinate axis v, u , w of the PUMA-type and SCARA type along the series final joint, a parallel manipulator that allows rotation about the u-axis and w-axis on work hayeoseo configured in series with the base joints for rotating with respect to the z-axis of the space coordinate axes x, y, z It enables easy change in the structure, and a robot control apparatus; 선단장치의 목표위치와 방향이 입력되었을 때 병렬 매니퓰레이터의 다수 링크길이, 직렬 최종관절의 회전각 및 직렬 베이스관절의 회전각을 산출하며 역기구학과 순기구학을 통해 계산된 링크길이와 관절 회전각으로 병렬매니퓰레이터와 직렬 최종관절, 직렬베이스 관절을 제어하고, 병렬 매니퓰레이터의 순기구학 센서를 이용하여 선단장치의 위치를 추종하게 한다. The target position and the link length and the joint rotation angle calculation plurality link length of parallel manipulators, and calculates a rotation angle of the angle and the serial base joint rotation of serial end-joint through inverse kinematics and forward kinematics when the direction is input to the front end device controlling a parallel manipulator in series with a final joint, a serial joint base, and by using the forward kinematics of the parallel manipulator sensor makes it follow the position of the front end device.
로봇, 하이브리드 매니퓰레이터, 다목적 Robot, hybrid manipulators, versatile

Description

다목적 하이브리드 로봇 시스템{MUTI-PURPOSE HYBRID ROBOT SYSTEM} Multi-purpose hybrid robot system {MUTI-PURPOSE HYBRID ROBOT SYSTEM}

도 1은 본 발명의 실시 예가 적용된 부분을 설명하기 위한 온실 재배 생력화 시스템 개략도, 1 is a greenhouse saengryeokhwa system to explain a partial embodiment of the present invention is applied to a schematic diagram,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다목적 하이브리드 로봇 시스템 구성도, Figure 2 is a versatile hybrid robotic system configured in accordance with an embodiment of the invention,

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 매니퓰레이터(2)에 채용된 병렬 매니퓰레이터(10a) 구조도, Figure 3 is a parallel manipulator (10a) structure employed in the hybrid manipulator (2) in accordance with an embodiment of the invention,

도 4는 병렬 매니퓰레이터(10a)의 플랫폼(20)에 장착된 최종 관절(10b)의 구성도, Figure 4 is the configuration of the end joint (10b) mounted on the platform 20 of the parallel manipulator (10a),

도 5는 도 4의 직렬 최종관절(10b)에서 부하에 의한 관성 모멘트를 설명하기 위한 도식도, Figure 5 is a schematic diagram for explaining the moment of inertia of the load in series end-joint (10b) of Figure 4,

도 6은 병렬 매니퓰레이터(10a)의 베이스(22)에 장착된 직렬 베이스관절(10c)의 구성도, Figure 6 is the configuration of the serial base joint (10c) mounted to the base 22 of the parallel manipulator (10a),

도 7a 및 도 7b는 수확작업용 선단장치(4)의 구체 구성도, Figures 7a and 7b is a specific construction of the crop working tip unit 4,

도 8은 본 발명의 실시 예에 따라 주제어기(202)에서 하이브리드 매니퓰레이터(2)를 제어하는 제어흐름도, 8 is a control flow chart for controlling the hybrid manipulator (2) from the main control unit 202 according to an embodiment of the invention,

도 9 내지 도 14는 본 발명의 하이브리드 매니퓰레이터 제어 및 위치추적을 위한 기구학 해석을 위한 도면, 9 to 14 are diagrams for the kinematic analysis for hybrid manipulator control and positioning of the present invention,

도 15a 및 도 15b는 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 로봇 시스템의 주제어기(202)에서의 수확작업의 제어 흐름도, Figs. 15a and 15b is a control flowchart of the harvesting operation in the main control unit 202 of the hybrid robot system according to an embodiment of the invention,

도 16은 도 15a 및 도 15b에 따른 멜론 수확작업 과정을 보여주는 도면, Figure 16 is showing the melon harvesting operation procedure according to Figs. 15a and 15b,

도 17 내지 도 22는 하이브리드 로봇의 위치제어 성능평가를 설명하기 위한 도면. 17 to 22 are views for explaining the position control performance evaluation of the hybrid robot.

본 발명은 시설재배 자동화 시스템에 관한 것으로, 특히 다목적 하이브리드 로봇 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a greenhouse automation systems and, more particularly, to a multi-purpose hybrid robotic system.

시설재배의 자동화를 위한 연구는 국내외적으로 활발히 진행되고 있다. Research for the automation of cultivation has been actively at home and abroad. 국내에서는 멜론을 제외한 타작물의 육묘작업, 시비작업, 정지작업, 파종작업, 관수작업, 수확작업, 선별작업, 포장출하작업 등의 다양한 작업공정별로 개별 작업을 수행할 수 있는 단위 작업용 전용장치 개발에 관한 연구가 진행되고 있다. In Korea, the other nursery operations of the crop, except melon, fertilizing operations, grading, seeding work, irrigation work, harvesting operations, screening, packaging, shipping a variety of tasks to perform each work unit works only device development by processes such as job the study has been going on. 국외에서는 미국, 유럽 등 선진국에서 노지 멜론의 수확 및 이식작업을 위한 연구가 이루어지고 있으나, 실험실 수준 내지 국부적인 성능시험 정도로 실용화되지 못하고 있다. In overseas the US, Europe and other developed countries studies for the harvest and transplant operations, but in the open field of melons is made in, and not being practical enough to a local laboratory level performance testing. 일본의 경우, 딸기, 토마토, 오이 등의 로봇화에 관한 많은 연구가 이루어졌으나, 온실 멜론재배 자동화에 관한 연구는 전무하다. In Japan, strawberries, tomatoes, many studies have been made on the robotic cucumber, etc., studies on greenhouse melon cultivation automation is nil. 유사한 연구로 수박과 같이 크 고 무거워서 다루기 힘든 과일의 수확을 위해 수동으로 조작되는 수박 수확용 매니퓰레이터와 선단장치가 개발되고 있는 실정이다. For high large as a watermelon with similar studies dealing with heavy crop of fruit is a tough situation in the manual, and the manipulator tip and device for harvesting watermelons that are developed to manipulate.

이러한 단위작업용 전용장치는 투입설비가 다양해져서 농가의 경제적 부담을 가중시키고, 실제 작업가동시간을 고려한 작업 공정별 전용작업기계의 가동률을 떨어뜨리는 단점이 있다. These units work only apparatus has a disadvantage that added equipment to break various haejyeoseo and add to the economic burden on the farmer, drop the utilization rate of the actual operation taking into account the amount of time dedicated by the movable work machine the working process. 따라서 관리재배의 생력화를 위한 작업기 및 설비의 개발은 언급한 경제성, 실용성 그리고 작업의 난이도 및 기계 가동률 등의 문제점을 효율적으로 해결하기 위해 새로운 각도에서의 접근이 필요하다. Therefore, the development of working machines and equipment for the cultivation of management saengryeokhwa accessible from a new angle is needed to solve the problems mentioned above, such as affordability, practicality and the difficulty of the task and the machine utilization efficiently. 이러한 문제의 해결책으로 다양한 작업을 수행할 수 있는 다목적 농업용 로봇이 대안으로 제시되고 있다. This solution has been suggested as an alternative to general purpose agricultural robots that can perform various tasks in question.

현재까지 농업분야의 로봇에 대한 연구는 농업기계의 무인화 및 직렬 로봇(serial robot)을 이용한 수확용 로봇과 축산용 로봇이 주류를 이루고 있다(농업기계화 연구소, 1996). To date, research on robotics in agriculture has unmanned robot and serial (serial robot) harvesting robots and a robot for livestock with the mainstream of agricultural machinery (Agricultural Mechanization Research Institute, 1996). 일반적으로, 6 자유도 수직 다관절 로봇 구조를 이용하는 직렬 로봇의 경우, 큰 작업공간을 가질 뿐만 아니라 작은 공간에서도 효과적으로 유연하게 작업할 수 있는 장점이 있다. In general, the six degrees of freedom has the advantage of flexible work effectively in a small space, as well as have a vertical multi-joint robot using a robot for serial structure, a large workspace. 그러나 직렬 로봇의 구조는 긴 외팔보 형상이므로, 강성이 높지 못하여 큰 하중이나 진동이 걸리는 작업에 취약하고 각 링크의 오차가 로봇의 끝단에 누적되어 나타나게 되는 단점이 있다. However, the structure of the serial robot, so long cantilevered portions, mothayeo high rigidity has a disadvantage vulnerable to take a large load or the vibration operation and an error of each link that is displayed is accumulated at the end of the robot.

수직 다관절(articulated robot) 이외의 6 자유도 이상의 직렬 로봇을 이용하여 선단장치를 제어하는 경우, 선단장치 위치제어를 위해 역기구학(inverse kinematics) 문제를 풀어야하나 무수히 많은 관절 구성을 통해 같은 위치에 도달할 수 있으므로 풀기 어려우며, 특이해(singularity)의 문제가 발생할 수 있는 단점이 있다. In the same position when controlling the tip using a 6 degrees of freedom or more serial robot other than the device, the station for the tip unit position control kinematics (inverse kinematics) one to solve the problem through thousands of joint configuration vertical multi-joint (articulated robot) it is difficult to solve, because you can be reached, there is a drawback that can cause problems to the specific (singularity). 또한 직렬 방식의 경우 각 관절에서 소요되는 관절의 토크는 앞 관절의 자중과 관성에 의한 토크를 고려하여 설계되어야한다. In the case of a serial fashion torque of the joint required in the joint it should be designed taking into account the torque due to the weight and inertia of the front joint. 이러한 경우 선단 관절의 가반 하중을 크게 하기 위해서 베이스 관절 토크는 매우 커야 한다. In this case in order to increase the carrying capacity of the front end joint base joint torque it is very large. 그러나 선단 관절의 토크를 크게 하기 위해 용량이 큰 모터를 사용하는 경우, 시설 내에서 사용하기에 부적절할 정도로 매니퓰레이터의 크기가 커지거나, 이동차량에 탑재할 수 없을 정도로 무거워지는 단점이 있다. However, when using a large capacity of the motor to increase the torque of the front end joint, so not be appropriate for use within the facility becomes larger in size or of a manipulator, has the disadvantage that heavy enough not to be mounted on a moving vehicle.

이러한 문제점을 보완하기 위해 현재 산업로봇분야에서 6 자유도 이상이며, 높은 가반 하중을 가진 매니퓰레이터에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. In the current industrial robots in order to overcome these problems is six or more degrees of freedom, and made active research on the manipulator with a high load capacity. 이러한 매니퓰레이터는 자동차 및 비행 시뮬레이터에서 사용되고 있는 병렬 매니퓰레이터이다. The manipulator is a parallel manipulator used in the automotive and flight simulator.

병렬 매니퓰레이터는 선단장치 위치제어를 위한 역기구학의 해를 구하기 쉽고, 강성도(stiffness)가 높으며, 관성이 적고, 가반 하중이 높은 장점이 있다. Parallel manipulator is easy to find the solutions of inverse kinematics for the tip unit position control, high in rigidity (stiffness), low inertia, a high carrying capacity advantage. 그러나 작업공간이 적고, 설계하기 어려우며, 로봇의 현재위치를 구하는 순기구학(forward kinematics) 문제를 풀기 어려운 단점이 있다. However, less work space, it is difficult to design, solve the forward kinematics (forward kinematics) to obtain the current location of the robot difficult problems drawbacks.

또한 일반 산업용 로봇과 달리 농업은 특성상 다양한 작업을 수행할 수 있어야 하므로 작업에 따라 구조를 쉽게 변경할 수 있어야하나 기존의 농업용 로봇은 전용 작업형식이므로 구조를 변경하기 어려운 문제가 있다. In addition, agricultural Unlike conventional industrial robots is that because it is able to perform a variety of tasks, so one should be able to easily change the nature of the structure according to the working of the existing agricultural robots only type of action is difficult to change the structure of matter.

따라서 본 발명의 목적은 전용 작업형식이 아니고 다양한 작업을 수행할 수 있으며 작업에 따라 구조를 쉽게 변경할 수 있는 다목적 하이브리드 로봇 시스템을 제공하는데 있다. It is therefore an object of the present invention is not the only type of operation can be used to perform various operations and to provide a versatile hybrid robotic system which can easily change the structure according to the work.

본 발명의 다른 목적은 온실에서 멜론재배를 위해 기존에 인력으로 수행되어온 병해충 방제, 교배 및 수확작업 등 다양한 작업을 수행할 수 있는 병렬-직렬 구조로 된 다목적 하이브리드 로봇 시스템을 제공하는데 있다. It is another object of the present invention in parallel to perform various tasks, such as pest control, which has been carried out in the existing personnel, mating and harvesting work for melon cultivation in a greenhouse - to provide a multi-purpose robot hybrid systems in series configuration.

본 발명의 다른 목적은 산업분야에서 많이 이용되고 있는 직렬 매니퓰레이터와 병렬 매니퓰레이터를 혼합하여 직렬 매니퓰레이터처럼 넓은 작업공간을 갖고 병렬 구조처럼 높은 가반 하중 및 정밀 위치제어 능력을 가지며, 작업에 따라 구조를 쉽게 변경할 수 있는 하이브리드 매니퓰레이터를 가진 다목적 하이브리드 로봇 시스템을 제공하는데 있다. It is another object of the present invention has a large work area, like serial manipulators by mixing serial manipulators and parallel manipulator which is widely used in the industry has a high load capacity and the precision position control ability as a parallel structure, easy to change the structure according to the working the versatile hybrid system with robot manipulators able to provide a hybrid.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. With reference to the accompanying drawings a preferred embodiment of the present invention will be described in detail. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. Like elements of the drawings It should be noted that denoted by the same reference numerals even though where possible. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. In the following description, a detailed description of known functions and configurations may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention will be omitted.

도 1은 본 발명의 실시 예가 적용된 부분을 설명하기 위한 온실 재배 생력화 시스템 개략도이다. 1 is a greenhouse saengryeokhwa system schematic diagram illustrating a portion of an embodiment of the invention is applied.

온실 재배 생력화 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 이동차량(1)에 탑재되며, 하이브리드 매니퓰레이터(2)와 선단장치(4)를 포함하는 하이브리드 로봇(100)과, 로봇 제어장치(200)와, 및 CCD카메라(6)를 포함하는 기계시각시스템으로 구성된다. As greenhouse saengryeokhwa system shown in Figure 1, it is mounted on a mobile vehicle (1), and hybrid manipulator (2) with the distal end unit 4 hybrid robot 100 and the robot control device 200 including the It consists of a machine vision system comprising a camera and a CCD (6).

도 1의 온실 재배 생력화 시스템 중에서, 점선 박스로 표시한 부분이 본 발명에서 다목적 하이브리드 로봇시스템으로 구현코자하는 '본 발명 적용분야'로서, 하이브리드 매니퓰레이터(2)와 선단장치(4)로 구성되는 하이브리드 로봇(100)과, 로봇 제어장치(200)를 포함한다. From greenhouse grown saengryeokhwa system of Figure 1, as "the invention applies to the field, that is, a portion denoted by a dotted box wishes to implement a versatile hybrid robotic system in the present invention, a hybrid consisting of a hybrid manipulator (2) with the tip (4) and a mobile robot 100 and the robot control device 200.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 다목적 하이브리드 로봇 시스템 구성도로서, 직렬 매니퓰레이터와 병렬 매니퓰레이터를 혼합한 구조로서 작업에 따라 구조가 변경가능한 하이브리드 로봇(100)과, 하이브리드 로봇(100)을 제어하는 로봇제어장치(200)로 구성한다. 2 is for controlling a multi-purpose hybrid robot as a system block diagram, the structure is changeable hybrid robot 100 and the hybrid robot in accordance with the operation as the structure a mixture of serial manipulators and parallel manipulator 100 in accordance with an embodiment of the present invention It constitutes a robot control unit (200).

본 발명의 실시 예에서 하이브리드 로봇(100)은, 가지나 잎과 같은 장애물을 회피할 수 있도록 여유자유도를 가지며, 수박이나 멜론과 같이 중량이 무겁고 부피가 큰 작물의 수확작업을 수행할 수 있도록 가반하중이 크고, 교배와 같이 정밀한 작업을 수행할 수 있으며, 작업에 따라 PUMA(Programmable Universal Machine for Assembly)형과 SCARA(Selective Compliance Assembly Robot Arm)형으로 구조 변경이 가능한 하이브리드 로봇으로 구현한다. Hybrid robot 100 in the embodiment of the present invention, having a free degree of freedom to avoid obstacles such as gajina leaf carrying capacity to do the harvesting work of the heavy and bulky crop by weight, such as watermelon or cantaloupe this large, can perform precise tasks, such as breeding and implemented in accordance with the work PUMA (Programmable Universal Machine for Assembly) type and the SCARA (Selective Compliance Assembly robot Arm) robot hybrid type as a structure that can be changed.

도 2에서, 본 발명의 하이브리드 로봇(100)은, 다목적으로 조작가능한 하이브리드 매니퓰레이터(2)와, 작업을 수행하는 선단장치(4)로 구성된다. In Figure 2, the hybrid mobile robot 100 of the present invention it is composed of a multi-purpose operational hybrid manipulator (2), a front end device 4 to perform the task. 상기 하이브리드 매니퓰레이터(2)는, 도 3과 같은 구조의 병렬 매니퓰레이터(10a)와, 선단장치(4)를 공간좌표축 v,u,w중 u축이나 w축에 대하여 회전 가능케 하는 직렬 최종관절 (10b)과, 병렬 매니퓰레이터(10a)를 공간좌표축 x,y,z중 z축에 대하여 회전시키는 직렬 베이스관절(10c)로 구성함으로써, 작업에 따라 PUMA형과 SCARA형의 구조로 쉽게 변경 가능하게 구현함과 동시에 일반적인 병렬 매니퓰레이터의 장점을 최대로 활용한다. The hybrid manipulator (2), parallel manipulators (10a) of the structure as shown in FIG. 3, and a front end device 4, the space coordinate axes v, u, serial end-joints (10b, enabling rotation with respect to the u-axis and w-axis of the w ) and, by forming the parallel manipulator (10a) in series to the base joint (10c) that rotates with respect to the z-axis of the space coordinate axes x, y, z, which enables easy change in the structure of the PUMA-type with SCARA-type implement according to the working and at the same time it is taking advantage of the general parallel manipulator to the maximum. 즉 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 매니퓰레이터(2)는 병렬 매니퓰레이터(10a)에서 직렬관절(10b,10c)가 유기적으로 결합 추가된 이른바 '수정된 병렬 매니퓰레이터'가 되는 것이다. I.e. hybrid manipulator (2) in accordance with an embodiment of the present invention is that a serial joint (10b, 10c) are organically coupled with additional so-called "modified parallel manipulator" in parallel manipulator (10a).

본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 매니퓰레이터(2)의 구성에 대해서 보다 구체적으로 설명하면 하기와 같다. When a configuration of a hybrid manipulator (2) according to an embodiment of the present invention described in more detail as follows.

로타리(rotary)방식의 병렬기구는 고속 동작이 가능하나 강성이 부족하므로 정밀 위치제어에 적합하며, 고정 선형(fixed linear) 방식은 큰 설계공간을 필요로 하므로 대형 로봇에 적합하다. Rotary (rotary) of the parallel mechanism, so one approach is capable of high-speed operation is insufficient rigidity and is suitable for precise position control, a fixed linear (fixed linear) method because it requires a large design space is suitable for a large robot. 따라서 본 발명에서는 매니퓰레이터의 형태로 강성이 크고 출력이 큰 도 3에 도시된 바와 같은 병렬 매니퓰레이터 구조 바람직한 일예로서, 6-6 SPU 스튜어트-거프 플랫폼을 채용한다. Therefore, in the present invention as a parallel manipulator structure a preferred embodiment as shown in Figure 3 is large and the output is greater rigidity in the form of a manipulator, 6-6 SPU Stewart-employ geopeu platform.

일반적인 스튜어트 플랫폼 병렬 매니퓰레이터는 동적 영향이 병렬구조로 되어 있으므로 높은 강성 및 가반 하중을 가지며 고속 및 정밀제어가 가능한 특징이 있다. Typical Stewart platform parallel manipulators have a dynamic effect is characterized because it is a parallel structure has a high stiffness and a carrying capacity as possible the high-speed and precise control. 그러나 이러한 병렬 매니퓰레이터도 베이스 플랫폼의 수직에 대한 작업은 수행할 수 있으나 선단부가 멜론의 방향을 향해서 작업을 수행하기 어렵다는 단점이 있다. However, this parallel manipulator can also perform the work on the vertical of the base platform, but have the disadvantage distal end hard to perform operations towards the direction of the melon. 이러한 단점을 보완하기 위해, 본 발명의 실시 예에서는 도 3과 같은 병렬 매니퓰레이터(10a)의 플랫폼(20)상에서 선단장치(4)의 자세와 위치를 변환하기 위한 최종 링크(도 4의 42)를 추가한다. To make up for these disadvantages, the embodiment in Figure 3 and the end link for converting the posture and position of the front end unit 4 on the platform 20 of the parallel manipulator (10a) such (Fig. 4 42) according to the present invention; add. 상기 최종링크(42)는 병렬 매니퓰레이터 (10a)의 플랫폼(20)상에 장착된 직렬 최종관절(도 4의 10b)에 포함되어 있으며, 도 4와 함께 상세히 후술되어질 것이다. The end link (42) is included in the serial joint end (10b in FIG. 4) mounted on a platform 20 of a parallel manipulator (10a), it will now be described in detail below in conjunction with Figure 4.

먼저 도 3을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 병렬 매니퓰레이터(10a)의 구조에 대해서 보다 구체적으로 설명한다. First, more specifically with respect to the structure of the parallel manipulator (10a) in accordance with an embodiment of the present invention it will be described with reference to FIG.

본 발명의 실시 예에 따른 병렬 매니퓰레이터(10a)는 크게, 상부에 위치한 플랫폼(20), 하부에 위치한 베이스(22), 그 사이에 병렬 구비된 6개의 선형 액츄에이터(24)들로 구성되며, 6개의 선형 액츄에이터(24)들의 길이변화에 의해 플랫폼(20)의 위치 및 자세가 변화하게 된다. Parallel manipulator (10a) according to an embodiment of the present invention is significantly, consists of a platform 20, which is located to the lower base 22, and six linear actuators (24) provided in parallel therebetween, located on top, 6 the position and posture of the linear actuator 24, the platform 20 by the change in length of is changed.

선형 액츄에이터(24)는 구동 방식에 따라, 전기식, 유압식, 공압식이 있다. Linear actuator 24, there is an electric, hydraulic, pneumatic, depending on the driving method. 유압식은 오염이 심하고 복잡할 뿐만 아니라, 고가이므로 온실에서 재배되는 식물에 사용하기에는 부적절하다. Hydro is not adequate, as well as severe pollution complicated, expensive because it is used in plants that are grown in greenhouses. 또한 공압식은 위치제어의 정확성과 응답성이 낮다. In addition, the pneumatic is low, the accuracy and responsiveness of the position control. 그에 따라 본 발명의 실시 예에서는 간단하고, 저렴하며, 위치제어 등의 장점을 갖는 전기식 액츄에이터(EasyCat 33 Series, SKF, Sweden)을 이용한다. It utilizes the electric actuator (33 EasyCat Series, SKF, Sweden) having the advantages of the embodiment of the present invention are simple, and inexpensive, the position control accordingly.

그리고 플랫폼(20)의 자유로운 이동을 위해, 선형 액츄에이터(24)의 상부단에는 구면 관절(26)을 개입시켜 플랫폼(20)과 연결하며, 선형 액츄에이터(24)의 하부단을 베이스(22)와 연결 시에는 선형 액츄에이터(24)의 축 방향 자유도는 불필요하므로 유니버설 관절(28)을 이용하여 연결한다. And for free movement of the platform 20, the upper end of the linear actuator 24 is provided, and via a spherical joint (26) connected to the platform 20, and the lower end of the linear actuator 24, the base 22 axial degree of freedom of connection when the linear actuator 24 is not necessary because the connection by using a universal joint (28). 이때 유니버설 관절(28)과 선형 액츄에이터(24)의 하부단 간은 연결부(30)가 매개로 해서 연결된다. The lower end of universal joint cross 28 and the linear actuator 24 is connected to the connecting portion to the 30 parameters.

도 3의 병렬 매니퓰레이터(10a)에서 미끄럼 관절인 선형 액츄에이터(24)만이 능동 관절이며 구면 관절(26) 및 유니버설 관절(28)은 피동 관절이다. Also in parallel manipulator (10a) of the sliding joint 30 002 is a linear actuator 24 and the active joint spherical joint 26 and a universal joint 28 is a passive joint.

다시 도 2로 돌아가면, 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 매니퓰레이터(2)는 도 3의 병렬 매니퓰레이터(10a)에 직렬 최종관절(10b)을 부착하는 방법에 따라 쉽게 구조를 변경할 수 있도록 함으로써 다양한 작업이 가능케 한다. Turning back to Figure 2, the various operations by making it possible to change easily the structure according to the method of attaching the serial end joint (10b) in the hybrid manipulator (2) is parallel manipulator (10a) of Figure 3 according to an embodiment of the present invention this permits. 즉 본 발명의 하이브리드 매니퓰레이터(2)는 SCARA형 하이브리드 매니퓰레이터나 PUMA형 하이브리드 매니퓰레이터로 구조변경을 할 수 있다. I.e. hybrid manipulator (2) of the present invention may be a structural change to the SCARA type manipulator hybrid or hybrid PUMA manipulator.

온실에서 교배 및 적과작업을 수행하는 경우 잎이나 가지와 같은 장애물에 의해 목표대상에 접근하기 어려우므로 잎이나 가지와 같은 장애물을 회피할 수 있어야 한다. If it is difficult to perform and crosses enemy operations in the greenhouse to access targeted by obstructions such as leaves or branches should be able to avoid obstacles such as leaves and branches. 이를 위하여 w축에 대한 여유자유도를 갖도록 최종 관절(10b)을 부착하는 경우 하이브리드 매니퓰레이터(2)는 통상 수직 축에 대해 3개의 회전 관절과 1개의 미끄럼 관절을 가지는 직렬방식의 SCARA 매니퓰레이터와 유사한 구조의 SCARA형 하이브리드 매니퓰레이터로 구성될 수 있다. To this end, so as to have a free degree of freedom about the w-axis when mounting the end joint (10b) hybrid manipulator 2 has a structure similar to the SCARA manipulator in a serial fashion with three rotational joints and one slip joint for a conventional vertical axis It can be configured as a hybrid SCARA manipulator.

또한 수확 작업을 수행하는 경우 수확된 대상물을 수거 통에 내려놓아야한다. Also, if you do the harvesting operations and lay down the harvesting object to the collection container. 따라서 수거 통에 내려놓기 위해 u축에 대한 여유자유도를 갖도록 최종 관절(10b)을 부착하는 경우, 하이브리드 매니퓰레이터(2)는 z축에 대한 1개의 회전 관절과 x축에 대한 2개의 회전 관절로 구성된 직렬 방식의 PUMA 로봇과 유사한 구조의 PUMA형 하이브리드 매니퓰레이터로 구성될 수 있다. Therefore, to have a free degree of freedom for the u axis so as to put down the collection tube to attach the end joint (10b), a hybrid manipulator (2) consisting of two rotary joints for the one rotating joint and the x-axis of the z-axis may be of a hybrid type PUMA manipulator of the structure is similar to the series system of the PUMA robot.

도 4는 병렬 매니퓰레이터(10a)의 플랫폼(20)상에 장착된 직렬 최종관절(10b)의 구성도로서, 선단장치(4)의 자세와 위치를 변환하기 위한 최종 링크(42) 등의 구성을 포함하고 있다. 4 is a configuration, such as in series and also a configuration of the end joint (10b), the final link (42) for converting the posture and position of the front end unit 4 mounted on the platform 20 of the parallel manipulator (10a) It includes. 그리고 도 5는 도 4의 최종관절(10b)에서 부하에 의한 관성 모멘트를 설명하기 위한 도식도이다. And Figure 5 is a schematic view for explaining the moment of inertia of the load in the final joint (10b) in Fig.

도 4를 참조하면, 직렬 최종관절(10b)은, 병렬 매니퓰레이터(10a)의 플랫폼(40)상에 부착되는 최종링크(42)와, 직렬 최종관절(10b)을 회전시키기 위한 AC 서보모터(44)와, AC서보모터(44)의 토크를 증가시키기 위한 감속기(46) 및 기어(48), 그리고 선단장치 링크(50)로 구성한다. 4, a series end-joint (10b) is, and the end link (42) attached to the platform 40 of the parallel manipulator (10a), AC servo motor (44 for rotating a series end-joint (10b) ), and it constitutes a reduction gear 46 and the gear 48, and the tip unit ring 50 for increasing the torque of the AC servo motor 44.

직렬 최종관절(10b)의 감속 기어 비 N은 하기 수학식 1을 통해서 선정되되, 부하에 의한 관성에 강성하도록 수확작업 시의 부하에 의한 관성모멘트 J load 를 고려한다. Reduction gear ratio N to the series of end-joints (10b) doedoe selected through the equation (1), taking into account the moment of inertia J of the load by the load during harvesting operation so that the stiffness to the inertia of the load.

Figure 112004052163870-pat00001

여기서, J moter : 모터의 관성모멘트, Here, J moter: The moment of inertia of the motor,

J load : 부하의 관성모멘트 J load: load moment of inertia

부하에 의한 관성모멘트 J load 는 도 5에 도식된 바와 같이 직렬 최종관절(10b)의 중심으로부터 질량 중심까지 거리와 질량을 이용하여 하기 수학식 2의 방법으로 구한다. According to the load inertia J is to load by using the distance to the mass center of mass from the center of the end joints in series (10b) as shown in schematic in Figure 5 is obtained by means of equation (2).

Figure 112004052163870-pat00002

실제 일 예로 본 발명의 실시 예에서는 직렬 최종관절(10b)로부터 질량 중심까지 거리를 오토캐드(Autocad)를 이용하여 구하였으며, 질량은 각각의 무게를 측정하여 구하였다. In an embodiment of the present invention, for example the actual distance to the center of mass from the one end serial joint (10b) was obtained by using the AutoCAD (Autocad), the mass was determined by measuring the respective weight. 구해진 질량과 질량 중심까지 거리는 하기 표 1에 나타내었다. To the distance to the mass and center of mass obtained it is shown in Table 1 below.

메론 Meron 그립퍼 Gripper 선형모션시스템 Linear Motion Systems 모터 motor 관절 joint 질량(kg) Mass (kg) 3 3 2.36 2.36 1.36 1.36 1.60 1.60 0.34 0.34 거리(m) Distance (m) 0.45 0.45 0.41 0.41 0.16 0.16 0.09 0.09 0.04 0.04

Figure 112004052163870-pat00003

= 1.05kg/m 2 = 1.05kg / m 2

본 발명의 일 예로 선정된 AC서보모터(44)는 MSM022A1E(Panasonic, Japan)이다. Be an AC servo motor 44 is selected Examples of the invention are MSM022A1E (Panasonic, Japan).

따라서, 직렬 최종관절(10b)의 감속 기어 비 N는 하기 수학식 3과 같다. Thus, to the reduction gear ratio of the final serial joint (10b) N shown in Equation (3).

Figure 112004052163870-pat00004

선정된 AC 서보모터(44)의 최대 감속기어 비는 30:1이므로, 감속기어 비 N을 105이상으로 하기 위해 감속기어(56,58)의 출력축에 4:1 기어를 부착하면 된다. Since the 1, 4 to the output shaft of the reduction gear (56, 58.) to the reduction gear ratio N to more than 105:: up to the reduction gear ratio of the selected AC servo motor 44, 30 is attached when the first gear.

도 6은 하이브리드 매니퓰레이터(2)의 구성요소중 하나로서 병렬 매니퓰레이터(10a)의 베이스(22)하부에 장착된 직렬 베이스관절(10c)의 구성도이다. 6 is a configuration of a serial-based joint (10c) mounted on the lower base 22 of the parallel manipulator (10a) as one of the components of the hybrid manipulator (2) FIG.

도 6을 참조하면, 직렬 베이스관절(10c)은 도 2에 도시된 바와 같이 z축에 대한 회전 작업공간을 보상하기 위한 것으로, AC 서보모터(60)(FMA-KN22-AB10, LG-OTIS, Korea), 병렬 매니퓰레이터(10a)의 회전 시 직렬 베이스관절 제어기(210)의 배선이 얽히지 않도록 직렬 베이스관절 제어기(210)가 병렬 매니퓰레이터(10a)와 동시에 회전하는 제어기 부착판(62), 병렬 매니퓰레이터 부착판(64), 그리고 z축에 대한 회전각 측정을 위한 회전 센서인 엔코더(encoder)(66)로 구성한다. 6, the serial base joint (10c) is for compensating a rotation work area for the z-axis as shown in Figure 2, AC servo motor (60) (FMA-KN22-AB10, LG-OTIS, Korea), the controller mounting plate 62 which is rotated when the serial base joint controller (210 so that the wiring is seaweed tangle of the serial base joint controller 210) of the parallel manipulator (10a) rotate at the same time with parallel manipulators (10a), parallel manipulators It constitutes a mounting plate 64, and the rotation sensor is an encoder (encoder) (66) for each measuring rotation about the z-axis. 또한 베이스 직렬과 병렬의 전체 무게를 고려하여 토크를 증가시키기 위해 20:1의 감속기(68)가 추가 구성된다. In addition, 20 to increase the torque in consideration of the total weight of the base series and in parallel: is reducer 68 of the first additional configuration.

상기한 바와 같은 구조의 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 매니퓰레이터(2)는 다양한 작업을 수행할 수 있어 기계의 작업 효율을 증가 시키고 농가의 기계 구입비용을 절감시킬 수 있다. Hybrid manipulator according to an embodiment of the present invention constructed as described above, (2) it is possible to perform a variety of tasks, it is possible to increase the working efficiency of the machine and reduce machine costs for farmers purchase.

한편 하이브리드 매니퓰레이터(2)에는 직렬 최종관절(10b)에는 수확작업시 사용되는 선단장치, 교배 작업시 사용되는 선단장치, 과실의 병해충 방제작업시 사용되는 선단장치 등 다양한 선단장치들이 장착될 수 있다. The hybrid manipulator (2) has a series end-joint (10b), the harvesting operation when various such tip devices, mating front end device, the front end unit used in pest control in fruit work used during operation is used the tip device may be mounted.

특히 온실에서 수확작업은 수평에서 멜론을 잡고, 수직으로 멜론을 내려놓으므로 수직에서 멜론을 떨어뜨리지 않기 위해 큰 힘으로 멜론을 파지해야하나, 큰 힘으로 멜론을 파지하는 경우 멜론을 변형시켜 품질을 저하시키는 문제가 발생한 다. In particular harvesting operations in greenhouse holding melons in the horizontal, so put down the melon vertically quality transforms a melon when one must grasp the melons with great force in order to avoid compromising the melon in vertical grip melon with great force a problem that compromises occurred. 따라서 변형시키지 않고 멜론을 파지하기 위한 수확작업용 선단장치를 구현한다. Thus, without modification to implement the harvesting work tip device for holding a melon.

도 7a 및 도 7b는 수확작업용 선단장치(4)의 구체 구성 및 제어장치 블록 구성도이다. Figures 7a and 7b is a specific configuration and a control unit block diagram of the crop working tip unit 4 Fig.

도 7a와 도 7b를 함께 참조하면, 수확작업용 선단장치(4)는, 크게, 그리퍼(70), 커터(72), 그리고 선단장치 제어기(도 2의 204)로 구성된다. When Figures 7a and 7b with reference to FIG harvest working tip unit 4, large and consists of grippers 70, a cutter 72, and the front end device controller (204 of FIG. 2).

선단장치 제어기(204)는 로봇 제어장치(200)의 도 2의 주제어기(202)의 제어신호에 의해 스텝모터 구동부(90)에 방향과 펄스 신호를 전달하거나 RC서보모터제어기(92)에 제어신호를 전달한다. Tip device controller 204 controls the stepper motor driver 90 passes the direction pulse signal or RC servo motor controller 92 to the control signal of the main controller of Fig. 2 of the robot control device 200, 202 and it delivers the signal. 스텝모터 구동부(90)는 선단장치 제어기(204)로부터 입력받은 방향과 펄스신호에 의해 스텝모터(80)를 구동시키며, 스텝모터(80)는 정회전과 역회전을 수행한다. Step motor driving unit 90 is sikimyeo driving a step motor 80 by the direction and a pulse signal received from the front end unit controller 204, a step motor 80 performs a forward rotation and reverse rotation.

그리퍼(70)는 파지 시의 힘을 측정하는 압력 센서(76), 멜론을 잡는 핑거(finger)(78), 핑거(78)를 구동하는 스텝모터(80), 스텝 모터(80)의 회전운동을 직선운동으로 변환하는 직선운동 가이드(linear guide)(81)와 직선운동 베어링(82), 직선운동 베어링(82)의 상승과 하강을 핑거(78)의 회전운동으로 변환하는 아이들 풀리(83), 핑거(78)의 양쪽 끝과 직선운동 베어링(82)의 상단과 하단을 각각 연결하여 직선운동 베어링(82)의 상승과 하강에 따라 핑거(78)를 오른쪽이나 왼쪽으로 잡아 당겨 멜론을 잡거나 놓는 두개의 와이어(84)로 구성한다. Gripper 70 is rotary motion of the pressure sensor 76, the finger catches the melon (finger) 78, step motor 80, step motor 80 for driving the fingers (78) for measuring the force at the time of gripping a linear motion guide to convert to a linear motion (linear guide) (81) and linear motion bearing 82, the idle pulley (83) for converting the rise and fall of the linear motion bearing 82 in a rotational motion of the finger (78) , the finger (78) in accordance with the rise and fall of the finger (78) at both ends and linear motion bearing 82, linear motion bearing 82, respectively connecting the top and bottom of the pulling to the right or left lay hold or melon It is composed of two wires (84). 상기 직선운동 가이드(81)와 직선운동 베어링(82)는 '구동용 직선운동장치'가 된다. The linear motion guide 81 and the linear motion bearing 82 is the "driven linear motion apparatus.

그리퍼(70)는 스텝 모터(80)의 정적 토크를 이용하여 멜론을 변형시키지 않 고 파지가능하며, 커터(72)에는 RC서보모터(94)가 장착되어 있어, RC서보모터제어기(92)가 선단장치 제어기(204)의 제어신호에 의해 RC서보모터(94)의 회전각을 제어함에 의해 커터(72)가 줄기를 T자형으로 절단한다. Gripper 70 can be held and does not alter the melon using a static torque of the step motor 80 and the cutter 72 has got fitted, RC servo motor controller (92) RC servo motor 94 is cutter 72 by controlling the rotation angle of the RC servo motor 94 by the control signal of the front end device controller 204 cuts the stem in a T-shape. 커터(72)의 T자형 절단으로 정교한 절단이 수행됨에 따라 수확된 멜론이 고품질로 평가되어질 수 있다. The melon yield according to the T-shaped cutting is performed by precise cutting of the cutter 72 can be considered as high quality.

다시 도 2로 되돌아가서 하이브리드 로봇(100)을 제어하는 로봇 제어장치(200)에 대해서 상세히 설명한다. Returning back to Figure 2 will be described in detail in the robot control apparatus 200 for controlling a hybrid robot 100.

로봇 제어장치(200)는, 주제어기(202), 선단장치 제어기(204), 직렬 최종관절 제어기(206), 액츄에이터 제어기(208), 직렬 베이스관절 제어기(210), 위치측정시스템(212) 및 RS-R85 멀티플랙서(214)로 구성된다. The robot control device 200, the main controller 202, the front end device controller 204, a serial final joint controller 206, an actuator controller 208, a serial-based joint controller 210, the position location system 212 and RS-R85 consists of a multiplexer (214).

주제어기(202)는 역기구학 및 순기구학 해석을 통해 직렬 관절(10b,10c)의 회전각과 병렬 매니퓰레이터(10a)의 링크길이를 계산하여 전송하여 주며, 선단장치(4)의 작업을 지시하여 준다. The main controller unit 202 inverse kinematics, and through the forward kinematics analysis gives to transmission by calculating the link length of the rotation angle and parallel manipulator (10a) of the series joint (10b, 10c), it allows to direct the operation of the front end (4) . 선단장치 제어기(204)는 선단장치(4)에 장착되며 주제어기(202)로부터의 작업 지시에 따라 선단장치(4)의 작업을 제어한다. Tip device controller 204 is mounted to the front end device 4 controls the operation of the front end unit 4 according to the operation instruction from the main controller 202. The 직렬 최종관절 제어기(206)는 병렬 매니퓰레이터(10a)의 플랫폼(20)에 장착된 직렬최종관절(10b)을 제어하고, 직렬 베이스관절 제어기(210)는 뱅렬 매니퓰레이터(10a)의 베이스(22) 하부에 장착된 직렬 베이스관절(10c)을 제어한다. Serial final joint controller 206 controls the serial end-joint (10b) mounted on a platform 20 of a parallel manipulator (10a), and a serial-based joint controller 210 includes a lower base 22 of baengryeol manipulator (10a) and it controls the serial base joint (10c) mounted on. 액츄에이터 제어기(208)는 병렬 매니퓰레이터(10a)의 6개의 선형 액츄에이터(24)들을 제어하고, 위치측정시스템(212)은 하이브리드 매니퓰레이터(2)의 실시간으로 위치 측정을 수행한다. Actuator controller 208 has six linear control actuator 24 and the position location system 212 of parallel manipulators (10a) performs a location measurement in real time of the hybrid manipulator (2). 그리고 RS-485 멀티플렉서(214)는 1개의 주 제어기(202)로부터 6개의 선형 액츄에이터(24)들을 제어하는 액츄에이터 제어기(208)와 직렬 최종관절 제어기(206) 및 직렬 베이스관절 제어기(210)로 제어신호를 선택적으로 전송한다. And RS-485 multiplexer 214 is controlled by the actuator controller 208 in series with the final joint controller 206 and the serial-based joint controller 210 for controlling the six linear actuators 24 from a single primary controller 202 a signal selectively transmitted.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따라 주제어기(202)에서 하이브리드 매니퓰레이터(2)를 제어하는 제어흐름도이다. 8 is a control flow chart for controlling the hybrid manipulator (2) from the main control unit 202 according to an embodiment of the invention.

도 8을 참조하여, 주제어기(202)에서의 제어 동작을 설명하면 하기와 같다. Refer to FIG. 8, as follows will be described a control operation in the main controller 202. The

① 로봇제어장치(200)의 주제어기(202)는 기계시각시스템에 의해서 획득되어 입력되는 목표위치 x,y,z와 방향 θ,Φ,Ψ을 획득하여(도 8의 300단계) 역기구학을 통해 선형 액츄에이터(24)들의 링크길이와 직렬관절들(10b,10c)의 회전각을 계산한다(도 8의 302단계). ① the main controller 202 of the robot control device 200 is a position target is input is obtained by the machine vision system, x, y, z and the direction θ, Φ, (300 steps in FIG. 8) to obtain Ψ inverse kinematics and it calculates the rotation angle of the link length in series with the joint of the linear actuator (24) (10b, 10c) through (step 302 of FIG. 8). 계산된 링크길이와 회전각을 RS-485 시리얼 통신방식을 이용하여 RS-485멀티플랙서(214)를 통해 각 제어기(206,208,210)에 전송한다(도 8의 304단계). It is calculated through the link length and the angle of rotation RS-485 RS-485 multiplexer 214 using a serial communication method transmitted to each controller (206 208 210) (step 304 of FIG. 8).

② 액츄에이터 제어기(208)는 주 제어기(202)로부터 입력된 링크길이와 회전각에 따라 액츄에이터 제어 알고리즘을 통해 각 액츄에이터(24)의 링크길이를 제어하며, 직렬 최종관절 제어기(206) 및 직렬 베이스관절 제어기(210)는 직렬 관절 제어 알고리즘을 통해 회전각을 제어한다(도 8의 306단계). ② actuator controller 208 is based on the link length and the rotational angle input from the main controller 202 controls the link length of each actuator 24 via the actuator control algorithm, a series end-joint controller 206 and the serial base joint controller 210 controls the rotation of each joint through a series control algorithm (step 306 of FIG. 8).

③ 액츄제어터 제어기(208)가 링크길이를 제어하고 직렬 관절제어기(210,212)가 회전각을 제어하는 동안 주 제어기(202)는 RS-232통신을 통해 위치 측정시스템(212)로부터 데이터를 획득하여 순기구학을 통해 현재의 위치와 방향을 계산한다(도 8의 308,310단계). ③ actuating control site controller 208, a main controller 202 for controlling the link length and control the rotation angle serial joint controller (210 212) is to acquire data from the positioning system 212 through the RS-232 communication and through a forward kinematics calculation of the current position and orientation (step 308 310 of FIG. 8).

④ 순기구학을 통해 계산된 위치와 방향을 목표위치와 방향과 비교하여 목표위치에 도달하면 새로운 목표위치에 대한 데이터를 획득하기 위해 처음 위치로 돌 아간다(도 8의 312단계). ④ When the forward kinematics from the comparison of the calculated position and orientation and the target position and orientation reaches the target position to the first position O takes care to obtain the data for a new target position (step 312 in FIG. 8).

⑤ 위의 ①에서 ④의 과정을 반복한다. ④ ⑤ Repeat the process in the above ①.

한편 상기한 주제어기(202)가 링크길이와 회전각 계산을 위해 적용하는 순기구학 및 역기구학 해석을 포함한 하이브리드 매니퓰레이터(2) 제어 및 위치 추적을 위한 기구적 해석을 하기에서 상세히 설명한다. On the other hand is explained in detail with reference to the above-mentioned main controller 202 Kinematic Analysis for hybrid manipulator (2) control and positioning, including the forward kinematics and the inverse kinematics analysis applied for calculation for each rotation and the link length.

* 하이브리드 매니퓰레이터 제어 및 위치추적을 위한 기구학 해석 * Kinematic Analysis for Hybrid manipulator control and tracking

로봇의 기구학적 해석은 선단장치(4)를 원하는 목표위치에 도달하도록 요구되는 링크 길이 및 회전각을 결정하는 역기구학과 링크길이 및 회전각이 주어질 때 로봇 선단장치의 위치를 추적하는 순기구학으로 나누어진다. The kinematic analysis of the robot in forward kinematics for tracking the position of the robot tip device when the inverse kinematics and the link length and the rotation angle is given for determining the link length, and rotation angle required to reach the desired target position of the tip (4) divided. 로봇의 기구학적 해석방법은 기하학적으로 해석하는 방법, Denavit-Hartenberg에 의해 처음 주창되었던 DH 인자를 이용하는 방법, 그리고 모든 매니퓰레이터의 운동을 나선운동으로 표현하여 구하는 POE공식(product of exponentials formula)를 이용하는 방법이 있다. Kinematic analysis method of the robot is a method using a first advocated POE formula (product of exponentials formula) method using a DH factor, and obtaining the expression of exercise the movement of all the manipulators spiral was by the method of analysis geometrically, Denavit-Hartenberg there is. 이러한 방법 중 기하학적 해석방법은 병렬 매니퓰레이터의 역기구학 해석에 많이 이용되고 있으며, 직렬 매니퓰레이터의 순기구학 해석에는 DH 인자를 이용하는 방법과 POE 공식(formula)를 이용하는 방법이 많이 이용되고 있다. Geometric analysis method of these methods are widely used in the inverse kinematic analysis of the parallel manipulator, forward kinematics analysis of serial manipulator is being used a lot of methods using a method of using the DH factor and POE formula (formula). 특히 최근 많은 연구자들은 직렬 매니퓰레이터의 순기구학 해석에 POE 공식(formula)를 이용하고 있다. Recently, many researchers are using POE official in the forward kinematics analysis of a serial manipulator (formula).

본 발명에서는 하이브리드 매니퓰레이터의 역기구학 해석에는 기하학적인 해 석방법을 이용하였으며, 순기구학 해석용 센서를 개발하여 센서와 POE 공식(formula)를 이용하여 병렬 매니퓰레이터의 순기구학을 해석하고 구한 병렬 매니퓰레이터의 순기구학과 기하학적인 해석방법을 이용하여 하이브리드 매니퓰레이터의 순기구학을 해석하였다. According to the present invention was, the use of a geometric interpretation method inverse kinematics analysis of the hybrid manipulator, to develop a sensor for the forward kinematics analysis using the sensor and the POE formula (formula) interprets the forward kinematics of the parallel manipulators and order of the obtained parallel manipulators using the kinematic and geometric analysis methods is analyzed to forward kinematics of the manipulator hybrid.

1. 하이브리드 매니퓰레이터 역기구학 해석 1. Hybrid manipulator inverse kinematics interpretation

1.1 PUMA형 하이브리드 매니퓰레이터의 역기구학 분석 Inverse Kinematics Analysis of Hybrid 1.1 PUMA manipulator

수확작업에 이용될 PUMA형 하이브리드 매니퓰레이터(2)는 도 9의 기하학적 도식에서 보는 바와 같이 수정된 병렬 매니퓰레이터 즉 하이브리드 매니퓰레이터(2)에 추가된 선단장치(4)의 위치와 베이스(하기에서는 "베이스프레임"이라고도 칭함)을 회전시키는 로테이션 매트릭스(rotation matrix)이 추가되어 해석된다. PUMA hybrid manipulator (2) to be used in harvesting operation is in the positioned with the base (of the front end device 4 in addition to the parallel manipulator that is a hybrid manipulator (2) modified as shown in the geometrical diagram of Figure 9, "the base frame ", also known as quot;) is the rotation matrix (rotation matrix) to rotate is interpreted is added. 하이브리드 매니퓰레이터(2)의 직렬 최종관절(10b)의 선단에 장착된 선단장치(4)의 중심 위치벡터는 The center position vector of the tip (4) attached to the distal end of serial end-joint (10b) of the hybrid manipulator (2)

Figure 112004052163870-pat00005
, 고정된 기준점 O'으로부터 베이스(22) 프레임의 중심 O까지 위치벡터는 , A fixed reference point O 'from the base 22 to the center O of the frame position vector
Figure 112004052163870-pat00006
이고, 기준점 O'으로부터 선단장치(4)의 중심 T까지의 위치벡터는 , And the position vector of the center to the leading end T of the device 4 from the reference point O 'is
Figure 112004052163870-pat00007
이다. to be.

기준점 O'로부터 선단장치(4)의 중심까지 위치벡터 From the reference point O 'to the center of the front end (4) position vector

Figure 112004052163870-pat00008
는 하기 수학식 4와 같이 기준점으로부터 베이스 프레임까지 위치벡터 To the position vector from the reference point to the base frame as shown in Equation (4)
Figure 112004052163870-pat00009
에 베이스 프레임의 중심으로부터 선단장치(4)의 중심까지 위치 벡터를 더하여 z축에 대하여 회전한 것과 같다. In addition to the position vector to the center of the front end (4) from the center of the base frame, the same effect as rotation about the z-axis.

Figure 112004052163870-pat00010

여기서, here,

Figure 112004052163870-pat00011
: z'축에 대한 로테이션 매트릭스(rotation matrix) : Rotation matrix for the axial z '(rotation matrix)

베이스 프레임의 중심으로부터 선단장치(4)의 중심까지 위치벡터 The center of the front end (4) from the center of the base frame to the position vector

Figure 112004052163870-pat00012
는 하기 수학식 5와 같이 수정된 병렬 매니퓰레이터(10a)의 위치벡터 To the position vector of a parallel manipulator (10a) modified as shown in equation (5)
Figure 112004052163870-pat00013
에 직렬 최종관절(10b)로부터 선단장치(4)의 중심까지의 위치벡터 The center of gravity to the front end device 4 from the series joint end (10b) vector
Figure 112004052163870-pat00014
를 u축에 대해서 회전시켜 더한 결과와 같다. To rotate with respect to the u-axis equal to the sum of the results.

Figure 112004052163870-pat00015

여기서, here,

Figure 112004052163870-pat00016
: 병렬 매니퓰레이터(10a)의 A프레임에 대한 B프레임 로테이션 매트릭스 : B frame rotation matrix for the frame of A parallel manipulator (10a)

Figure 112004052163870-pat00017
: u'축에 대한 로테이션 매트릭스 : Rotation matrix about the axis u '

Figure 112004052163870-pat00018

수학식 4에 대입하여 위치벡터 By substituting the equation (4) position vector

Figure 112004052163870-pat00019
에 대해 정리하면 다음과 같다. When the cleanup for the following:

Figure 112004052163870-pat00020

병렬 매니퓰레이터(10a)의 링크길이를 구하기 위해 위치벡터 Position vector to obtain the link length of the parallel manipulator (10a)

Figure 112004052163870-pat00021
를 일반적인 병렬 매니퓰레이터의 링크길이를 구하는 식 To obtain the link length of the parallel manipulator general formula
Figure 112004052163870-pat00022
에 대입하면 하기 수학식 6과 같다. Substituting in to the same as equation (6).

Figure 112004052163870-pat00023

목표위치 T의 오리엔테이션 매트릭스(orienttation matrix)는 Orientation matrix of the target position T (orienttation matrix) is

Figure 112004052163870-pat00024
는 수학식 7과 같다. Is shown in Equation (7).

Figure 112004052163870-pat00025

따라서 목표위치 T의 오리엔테이션 매트릭스(orientation matrix)을 스튜어트 플랫폼의 오리엔테이션 매트릭스(orientation matrix)로 전환하면 수학식 8과 같다. Therefore, an orientation matrix (matrix orientation) of the target position T to the switching matrix orientation (orientation matrix) of the Stewart platform as equation (8).

Figure 112004052163870-pat00026

Figure 112004052163870-pat00027

Figure 112004052163870-pat00028

Figure 112004052163870-pat00029

Figure 112004052163870-pat00030

Figure 112004052163870-pat00031

Figure 112004052163870-pat00032

Figure 112004052163870-pat00033

Figure 112004052163870-pat00034

Figure 112004052163870-pat00035

Figure 112004052163870-pat00036

1.2 SCARA형 하이브리드 매니퓰레이터의 역기구학 분석 1.2 inverse kinematics analysis of the SCARA type manipulator hybrid

교배 및 적과작업에 이용될 SCARA형 하이브리드 매니퓰레이터는 도 10의 기하학적 도식에 나타낸 바와 같이 PUMA형 하이브리드 매니퓰레이터와 마찬가지로 수정된 병렬 매니퓰레이터(10a)에 추가된 선단장치(4)의 위치와 베이스 프레임을 회전시키는 로테이션 매트릭스(rotation matrix)이 추가되어 해석된다. Mating and enemy SCARA type hybrid is used in the work manipulator for rotating the position and the base frame of the front end (4) added to the parallel manipulator (10a) modified as in the PUMA hybrid manipulator as shown in the geometrical diagram of Figure 10 the rotation matrix (rotation matrix) is analyzed is added.

기준점 O'로부터 선단장치(4)의 중심까지 위치벡터 From the reference point O 'to the center of the front end (4) position vector

Figure 112004052163870-pat00037
는 전기한 수학식 4 와 같고 베이스 프레임의 중심 O로부터 선단장치(4)의 중심까지 위치벡터 Is equal to the electrical expression (4) to the center of the front end device 4 from the center O of the base frame position vector
Figure 112004052163870-pat00038
는 하기 수학식 9와 같이 수정된 병렬 매니퓰레이터의 위치벡터 Is located in a modified parallel manipulator as in equation (9) Vector
Figure 112004052163870-pat00039
에 직렬 최종관절(10b)로부터 선단장치(4)의 중심까지 위치벡터 L 2 를 w축에 대하여 회전시켜 더한 결과와 같다. To rotate with respect to the position vector L 2 from the center of the front end device 4 to the w-axis from the series joint end (10b) equal to the sum of the results.

Figure 112004052163870-pat00040

여기서, here,

Figure 112004052163870-pat00041
: w'축에 대한 로테이션 매트릭스 Rotation matrix for w 'axis:

전기한 PUMA형 하이브리드 매니퓰레이터와 같이 대입하여 위치벡터 It is substituted, such as a PUMA electric hybrid manipulator position vector

Figure 112004052163870-pat00042
에 대해 정리하여 대입하면 Summarized by substituting for
Figure 112004052163870-pat00043
는 하기 수학식 10이 된다. It is to become equation (10).

Figure 112004052163870-pat00044

목표위치 T의 방향을 나타내는 행렬을 A matrix indicating the orientation of the target position T

Figure 112004052163870-pat00045
라 하면, When called,

Figure 112004052163870-pat00046
이다. to be.

따라서 목표위치 T의 오리엔테이션 매트릭스(orientation matrix)를 스튜어트 플랫폼의 오리엔테이션 매트릭스(orientation matrix)로 전환하면 하기 수학식 11과 같다. Therefore, when switching the orientation matrix (matrix orientation) of the target position T to the orientation matrix (matrix orientation) of the Stewart platform to as equation (11).

Figure 112004052163870-pat00047

Figure 112004052163870-pat00048

Figure 112004052163870-pat00049

Figure 112004052163870-pat00050

Figure 112004052163870-pat00051

Figure 112004052163870-pat00052

Figure 112004052163870-pat00053

Figure 112004052163870-pat00054

Figure 112004052163870-pat00055

Figure 112004052163870-pat00056

2. 하이브리드 매니퓰레이터 순기구학 해석 2. Hybrid manipulator forward kinematics Analysis

2.1. 2.1. 병렬 매니퓰레이터(10a)의 순기구학 분석을 위한 센서의 개발 Development of a sensor for the forward kinematics analysis of parallel manipulators (10a)

본 발명에서는 병렬 매니퓰레이터(10a)의 위치와 자세를 쉽고 유일하게 구하 기 위해 베이스(22)의 중심점과 플랫폼(20)의 중심점 사이에 도 11과 같이 상부와 하부에 각각 유니버셜 관절(150,152), 선형 액츄에이터(24)에 대응된 1개의 직선 슬라이더(154), 그리고 1개의 회전 관절(156)로 구성된 피동의 6 자유도 링크가 연결되었다. In the present invention, each of the universal joints 150, 152 above and below as shown in FIG between the center point of the center point and the platform 20 of the parallel manipulator (10a) position to the base 22 in order to easily and uniquely determined the position of the 11 linear actuator 24 for the one line slider 154, and the six degrees of freedom of the driven consisting of one rotating joint 156 also has a link connection corresponding to.

x와 y축에 대한 회전각을 측정하기 위해 로터리 포텐셔미터(M22S, Data Instruments, USA) 4개가 2개의 유니버셜 관절(150,152)에 부착되고 z 축에 대한 회전각 측정을 위해 1개의 로터리 포텐셔미터는 플랫폼(20) 위에 부착된다. In order to measure the angle of rotation about the x and y-axis rotary potentiometer (M22S, Data Instruments, USA) 4 with 2 attached to the two universal joints 150, 152 are rotated one rotary potentiometer for each measurement of the z-axis platform ( 20) it is attached on top. 또한 직선 슬라이더(154)의 늘어난 길이를 측정하기 위해 선형 변위센서(LT, Data Instruments, USA)는 상부와 하부 유니버셜 관절(150,512) 사이에 부착된다. Also linear slider 154 extended linear displacement sensor (LT, Data Instruments, USA) to measure the length is attached between the upper and lower universal joints (150 512).

2.2. 2.2. 센서를 이용한 병렬 매니퓰레이터의 순기구학 분석 Forward kinematics analysis of a parallel manipulator using Sensor

개발된 센서와 직렬 매니퓰레이터의 기구학 분석이론인 POE 공식(formula)을 이용하여 병렬 매니퓰레이터(10a)의 순기구학 분석을 수행한다. Using a development sensor and the POE formula kinematic analysis theory of a serial manipulator (formula) performs a forward kinematics analysis of parallel manipulators (10a). 순기구학은 도 12에서 보는 바와 같이 기하학적으로 해석된다. Forward kinematics is interpreted geometrically, as shown in Fig. 베이스(22) 프레임과 플랫폼(20) 사이의 벡터 The base 22 of the vector between the frame and the platform 20

Figure 112004052163870-pat00057
는 하기 수학식 12와 같이 벡터의 대수적 합을 이용하여 구할 수 있다. It is to be calculated using the algebraic sum of the vectors as shown in Equation 12.

Figure 112004052163870-pat00058

벡터 vector

Figure 112004052163870-pat00059
는 2축 회전센서와 베이스 플랫폼 사이의 z축에 대한 l 1 만큼의 오프 셋(offset)이다. Is an offset (offset) by the l 1 for the z-axis between the two-axis rotation sensor and the base platform. 여기서, here,
Figure 112004052163870-pat00060
=(0,0,l 1 )로 나타낼 수 있다. = It can be expressed by (0,0, l 1).

벡터 vector

Figure 112004052163870-pat00061
는 도 13과 같이 하부의 유니버설 관절(도 11의 152)의 x축에 대한 회전각 Are each rotated about the x-axis of the universal joint (152 in Fig. 11) of the bottom as shown in Figure 13
Figure 112004052163870-pat00062
, y축에 대한 회전각 , Each rotating about the y-axis
Figure 112004052163870-pat00063
, 변위오프셋 d 1 , 선형변위센서의 길이 , Displacement offset d 1, the length of the linear displacement sensor
Figure 112004052163870-pat00064
, 상부의 유니버셜 관절(도 3의 150)의 x축과 선형 변위센서 사이의 오프셋 d 2 의 값으로 수학식 13에 제시된 POE공식을 이용하여 나타낸다. , The value of the offset d 2 between the x axis and the linear displacement sensor of the universal joint (150 in Fig. 3) of the upper shown using POE formula set forth in equation (13). 여기서, here,
Figure 112004052163870-pat00065
이고, ego,
Figure 112004052163870-pat00066
이다. to be.

Figure 112004052163870-pat00067
0 0

여기서, here,

Figure 112004052163870-pat00068

Figure 112004052163870-pat00069
일 때 위치 When one position

Figure 112004052163870-pat00070

최종적으로 구해진 위치 좌표 Finally obtained the position coordinates

Figure 112004052163870-pat00071
는 하기 수학식 14 내지 수학식 16과 같다. It is equal to equation 14 to equation (16).

Figure 112004052163870-pat00072

Figure 112004052163870-pat00073

Figure 112004052163870-pat00074

병렬 매니퓰레이터(10a)의 오리엔테이션 매트릭스(orientation matrix) Orientation matrix (matrix orientation) of a parallel manipulator (10a)

Figure 112004052163870-pat00075
는 순기구학 센서의 오리엔테이션 매트릭스(orientation matrix) Is the orientation matrix of the forward kinematics sensor (orientation matrix)
Figure 112004052163870-pat00076
와 같아야 한다. And it should be the same. 그러므로 플랫폼(20)의 방향(orientation)을 나타내는 Thus, indicating the direction (orientation) of the platform (20)
Figure 112004052163870-pat00077
는 수학식 17, 18, 19를 이용하여 구한다. It is calculated using Equation 17, 18, 19.

Figure 112004052163870-pat00078

Figure 112004052163870-pat00079

Figure 112004052163870-pat00080

Figure 112004052163870-pat00081

Figure 112004052163870-pat00082

Figure 112004052163870-pat00083

여기서, here,

Figure 112004052163870-pat00084
이다. to be.

2.3 PUMA형 하이브리드 매니퓰레이터의 순기구학 분석 Forward kinematics analysis of 2.3 PUMA hybrid manipulator

본 발명의 하이브리드 매니퓰레이터(2)의 위치 측정시스템(212)는 도 14에 나타낸 바와 같이 ①5개의 로터리 포텐셔미터(250,252,254,256,258)와 1개의 선형 포텐셔미터(260), ②6자유도 직렬 링크로 이루어진 병렬 매니퓰레이터(10a)의 순기구학 분석용 센서, ③직렬 최종관절(10b)의 위치 검출을 위한 로터리 포텐셔미터(262), ④디지털 방식으로 직렬 베이스관절(10c)의 회전각을 검출하는 로터리 엔코더(264), ⑤1개의 12비트(bit) A/D 컨버터로 7개의 포텐셔미터 신호를 획득할 수 있게 연결하는 멀티플렉서(266), ⑥7개의 포텐셔미터 신호와 1개의 엔코더(264)로부터 데이터를 획득하여 RS-232 시리얼 통신을 이용하여 획득된 데이터를 주제어기 (202)로 전송하는 마이크로 제어기(268), 그리고 ⑦획득된 데이터를 하이브리드 매니퓰레이터(2)의 순기구학 식에 대입하여 위치와 방 Position measurement system 212 of the hybrid manipulator (2) of the present invention, parallel manipulators (10a) made of a ①5 of the rotary potentiometer (250,252,254,256,258) and a single linear potentiometer (260), ②6 freedom serial link as shown in Fig. 14 a sensor for forward kinematics analysis, ③ a rotary potentiometer (262), ④ a rotary encoder 264 for detecting the rotational angle, ⑤1 of 12 of the digital serial base joint (10c) for the position detection of serial end-joint (10b) obtaining data from the bit (bit) a multiplexer (266), ⑥7 of potentiometer signal and one encoder (264) for connecting can be obtained seven potentiometer signals to the a / D converter to obtain, using the RS-232 serial communications micro for transmitting the data to the main controller 202, controller 268, and ⑦ by substituting the expression of the hybrid forward kinematics of the acquired data manipulator (2) position and the room 향 값으로 변환하는 주 제어기(202)로 구성된다. It consists of a main controller 202 for converting the direction value.

하이브리드 매니퓰레이터(2)의 역기구학 식으로부터 하이브리드 매니퓰레이터(2)의 순기구학 식은 수학식은 20 및 수학식 21과 같다. Forward kinematics of the hybrid manipulator (2) from the inverse kinematics equation for a hybrid manipulator (2) expression is shown in equation 20 and equation 21.

Figure 112004052163870-pat00085

Figure 112004052163870-pat00086

식 20과 식 21의 Of formula 20 and formula 21

Figure 112004052163870-pat00087
에 병렬 매니퓰레이터(10a)의 위치와 방향에 대한 수학식 14에서 수학식 19를 대입하면 하이브리드 매니퓰레이터(2)의 순기구학을 구할 수 있게 된다. Substituting Equation 19 in Equation (14) for the position and orientation of the parallel manipulator (10a) to thereby obtain the forward kinematics of the hybrid manipulator (2).

상기와 같은 역기구학 및 순기구학 해석을 통해 로봇제어장치(200)의 주제어기(202)는 각 제어기(206,208,210)에 링크길이 및 회전각을 전송하고 선단장치(4)의 작업을 지시할 수 있게 된다. The main controller 202 of the robot control device 200 via the inverse kinematics and forward kinematics analysis as described above is able to send the link length and angle of rotation in each controller (206 208 210) and directs the operation of the front end (4) do.

본 발명의 실시 예에 따른 다목적 하이브리드 로봇 시스템의 주제어기(202)에서 수행하는 수확작업 제어 흐름도는 도 15a 및 도 15b와 같다. Harvesting operation control flow performed by the main controller 202 of the multi-purpose hybrid robot system according to an embodiment of the present invention is shown in Figs. 15a and 15b.

로봇제어장치(200)의 주제어기(202)는 수확하기 위한 멜론의 위치 및 방향을 CCD카메라(도 1의 6)를 포함한 기계시각 시스템으로부터 입력받는다(도 15a의 400 단계). The main controller 202 of the robot control unit 200 receives the position and orientation of the melons harvested from for the machine vision system including a CCD camera (6 in Fig. 1) (step 400 of FIG. 15a).

도 15a의 402단계에서의 첫번째 목표 위치 (x,y-100,z)는 수확작업용 선단장치(4)가 멜론을 정면으로 보기 위한 위치이고, 도 15a의 410단계에서의 두번째 목표위치 (x,y,z)는 멜론이 실제 있는 목표위치임을 이해하여야 한다. Fig first target location in the step 402 of 15a (x, y-100, z) is a second target position on the harvesting and working tip unit 4 is located to view a melon-to-face, step 410 of Figure 15a (x, y, z) is to be understood that the melons of the actual target position.

주제어기(202)는 도 15a의 402단계 내지 408단계를 통해 우선 첫번째 목표위치(x,y-100,z)와 방향에 수확작업용 선단장치(4)가 존재하도록 서보제어하고, 그후 도 15a의 410단계 내지 416단계를 통해 실제 멜론이 있는 두번째 목표위치 (x,y,z)에 수확작업용 선단장치(4)가 존재하도록 서보제어한다. The main controller 202 of the first the first target position (x, y-100, z) and the servo control, and then Figs. 15a to the harvested working tip unit 4 exists in the direction, via step 402 to step 408 of Figure 15a via step 410 to step 416 to yield a second target position with the actual melon (x, y, z) is servo-controlled so that the working tip unit 4 exists.

먼저 주제어기(202)는 첫번째 목표위치 (x,y-100,z)와 방향을 역기구학에 대입하여 병렬 매니퓰레이터(10a)의 링크길이와 직렬 최종관절(10b)의 회전각을 계산한다(도 15a의 402단계). First, the main controller 202 calculates the rotation angle of the first target position (x, y-100, z) and the link length in series with the final joint (10b) of the parallel manipulator (10a) assigned to the direction to the inverse kinematics (Fig. step 402 of 15a). 그후 계산된 링크길이와 회전각을 RS-485통신을 통해서 하이브리드 매니퓰레이터(2)의 각 제어기(206,208,210)로 전송한다(도 15a의 404단계). Then it transmits the calculated link length and angle of rotation in each controller (206 208 210) of the hybrid manipulator (2) via a RS-485 communication (step 404 of FIG. 15a).

그에 따라 액츄에이터 제어기(208)나 직렬 관절제어기(206,210)는 주 제어기(202)로부터 입력된 링크길이나 회전각을 액츄에이터(24)나 직렬 관절(10b,10c)에 부착된 센서 입력 신호와 비교하여 오차가 ε보다 작도록 제어한다. Accordingly, the actuator controller 208 or the serial joint controller (206 210) is compared to the sensor input signal is attached to the link length or the rotation angle input from the main controller 202 to the actuator 24 and the serial joint (10b, 10c) and controls so that the error is smaller than ε.

주제어기(202)는 위치 측정 시스템(212)으로부터 RS-232 통신을 통해 센서 측정값을 획득하고 순기구학 식에 대입하여 선단장치(4)의 현재위치와 방향을 계산한다(도 16의 406단계). The main controller 202 obtains the sensor reading with the RS-232 communications from the positioning system 212 and by applying a forward kinematics equation calculates the current position and direction of the front end unit 4 (step 406 in Fig. 16 ).

주제어기(202)는 계산된 위치 및 방향와 목표위치 및 방향 간의 차이가 오차 범위이내인지를 검사한다(도 15a의 408단계). The main controller 202 determines whether the difference between the computed position and banghyangwa target position and orientation within the error range (step 408 of FIG. 15a).

오차범위 이내이면 주제어기(202)는 두번째 목표위치 즉 실제 멜론이 존재하는 위치 (x,y,z)와 방향을 역기구학에 대입하여 링크길이와 회전각을 계산한다(도 15a의 410단계). Is within the error range, the main controller 202 calculates the link length and the angle of rotation by applying to the second target position that is the inverse kinematics for location (x, y, z) and the direction in which the actual melon exists (step 410 in Fig. 15a) .

그 후 도 15a의 404단계 내지 408단계에서와 같은 과정(도 15a의 410단계 내지 416단계)을 거쳐 수확작업용 선단장치(4)가 목표로 하는 지점에 위치하도록 제어한다. Then through the process (step 416 to step 410 of FIG. 15a) as in step 404 to step 408 of Figure 15a is controlled to be positioned at the point harvest work tip (4) is aimed.

수확작업용 선단장치(4)가 목표위치에 도달하면 주제어기(202)는 선단장치 제어기(204)에 병렬 포트를 이용하여 멜론파지를 위한 GRIP_ON 신호를 전달한다(도 15a의 418단계). When harvesting working tip unit 4 has reached the target position the main controller 202 transmits a signal for GRIP_ON melon phage using a parallel port device to the front end controller 204 (step 418 of FIG. 15a).

주제어기(202)로부터 GRIP_ON 신호를 입력받은 선단장치 제어기(204)는 압력센서(도 7a의 76)를 통해 측정된 그리퍼(70)의 파지력이 임계 값을 초과하지 않을 때까지 파지하기 위해 그리퍼 구동용 직선운동장치를 스텝모터(80)의 구동을 통해서 상승시킨다. The main controller tip device controller 204 received the GRIP_ON signal from 202 gripper driven to phage until the gripping force of the gripper (70) measured by the pressure sensor (76 in Fig. 7a) does not exceed the threshold the linear motion apparatus is raised by the drive of the step motor 80. 파지력이 임계 값을 초과하면 직선운동장치를 정지시켜 파지력을 일정하게 유지시키고, 줄기를 절단하기 위해 커터(72)가 부착된 RC서보모터(94)를 구동한다. If the holding force exceeds the threshold value to maintain a constant gripping force to stop the linear motion device and to drive the cutter 72 is attached to an RC servo motor (94) for cutting the stem. 커터(72)를 이용하여 줄기를 절단한 후, 선단장치 제어기(204)는 주 제어기(202)에 수확 작업의 끝마쳤다는 신호를 병렬 포트를 통해 전달한다. And then by a cutter 72 cutting the stem tip device controller 204 finished the harvesting operation to the main controller 202 transmits signals via the parallel port.

한편 주제어기(202)는 병렬 포트를 통해 수확작업이 끝마쳤다는 신호를 수신하게되면(도 15a의 420단계 및 422단계), 그 후 멜론을 손상하지 않기 위해 y축 방향으로 -100 ㎜이동에 필요한 역기구학을 계산하고, 계산된 링크길이를 액츄에이터 제어기(208)에 전송하여 멜론이 손상되지 않는 위치로 수확용 선단장치(4)가 이동되게 제어한다(도 15a의 424단계 내지 428단계). On the other hand the main controller 202 in the y-axis -100 ㎜ moved in a direction to receive a signal when the harvesting operation is finished up via the parallel port (step 420 and step 422 of FIG. 15a), it does not impair the Thereafter melon calculating the inverse kinematics required, and the calculated link length actuator control so that the controller 208 is transferred to the position the distal end (4) for harvesting by not impaired melon to move (step 424 to step 428 of FIG. 15a).

주제어기(202)는 수확작업용 선단장치(4)가 멜론이 손상되지 않는 위치에 도달하게되면, 정해진 수거통 위치에 대한 역기구학을 계산하고 액츄에이터 제어기(208)와 직렬 관절 제어기(10b,10c)에 전달하여 수확용 선단장치(4)가 수거통 위치로 이동되게 제어한다(도 15b의 432단계 내지 434단계). The main controller 202 may harvest working tip unit 4 that when reaching the position that is not melon damage, calculating the inverse kinematics for a given bin position, and the actuator controller 208 in series with the joint controller (10b, 10c) passes control to make the front end unit 4 for harvesting is moved to the bin position (step 432 to step 434 of FIG. 15b).

수확작업용 선단장치(4)가 수거통 위치에 도달하면, 주제어기(202)는 선단장치 제어기(204)에 멜론을 내려놓게 하기 위한 GRIP_OFF 신호를 전달한다(도 15b의 436단계). When harvesting working tip unit 4 reaches the bin position, the main controller 202 transfers the GRIP_OFF ​​signal to put down the front end of melons device controller 204 (step 436 of FIG. 15b).

주제어기(202)로부터 GRIP_OFF 신호를 전달받은 선단장치 제어기(204)는 멜론을 내려놓기 위해 그리퍼 구동용 직선운동장치를 하강시킨다. The main controller 202, the front end device controller 204 received the signal from GRIP_OFF ​​causes the gripper driving device for lowering the linear motion to put down the melon. 멜론을 내려놓은 후 작업을 끝마쳤다는 신호를 주제어기(202)에 전달한다(도 15b의 438단계 및 440단계). Passes the signal, move down the melon finished the operation to the main controller 202 (step 438 and step 440 of FIG. 15b).

그후 다음 수확을 위한 위치로 차량을 이동하면서 로봇의 초기위치로 이동한다(도 15b의 442단계). Is then moved to the initial position of the robot while moving the vehicle to the location for the next harvest (step 442 of FIG. 15b).

도 16에서는 도 15a 및 도 15b의 제어 알고리즘에 의거하여 수행되는 멜론 수확작업 과정을 보여주고 있다. In Figure 16 shows the cantaloupe harvest work processes performed on the basis of the control algorithm of Fig. 15a and Fig. 15b.

하이브리드 로봇의 위치제어 성능평가 Position Control Performance of Hybrid Robot

로봇 성능 평가를 위해 임의의 입력된 목표위치(x,y,z)와 방향(ψ,θ,φ)에 대해 병렬 매니퓰레이터(10a)의 6개의 링크길이와 2개의 직렬 관절(10b,10c) 회전각을 구하고 구한 값을 병렬 매니퓰레이터(10a)의 액츄에이터 제어기와 직렬 관절 제어기에 링크길이와 관절 회전각을 송신하도록 비주얼 C++ 6.0을 이용하여 프로그램하였다. Any input the target position for the robot performance evaluation (x, y, z) and orientation (ψ, θ, φ) 6 of the link length and the two series joint (10b, 10c) of a parallel manipulator (10a) for rotation the obtained values ​​were obtained for each program using the visual C ++ 6.0 to send the link length and the joint rotation angle to the actuator controller and a serial joint controller of a parallel manipulator (10a). 2개의 직렬 관절 회전각은 상용화된 서보장치를 이용하여 제어하므로 성능평가를 수행하지 않고 선단장치(4)만을 부착한 경우와 멜론을 파지한 경우에 대해 역기구학을 통해 계산된 병렬 매니퓰레이터(10a)의 링크길이와 실제 제어된 링크길이를 비교하여 하이브리드 로봇 위치제어 성능평가를 수행하였다. Two series joint angle of rotation is a parallel manipulator (10a), calculated by inverse kinematics for the case where it controls by using a commercially available servo device holds the case of without carrying out the performance evaluation attached only the distal end (4) and melon by comparing the link length of the actual control link length it was performed hybrid robot position control performance evaluation.

(1) 선단장치만을 부착한 경우 위치제어 성능평가 (1) When only a device attached to the distal end position control performance evaluation

도 17은 입력된 목표위치(100, 551.5, 1031.5)와 방향(ψ= 0, θ= 0, φ= 0)에 따른 프로그램 실행 결과이며 병렬 매니퓰레이터(10a)의 링크길이는 link 1 = 893, link 2 = 672, link 3 = 733, link 4 = 976, link 5 = 1102, link 6 = 524이었고, 직렬 관절의 회전각은 α= 1˚, β= 5˚이었다. 17 is a link length of the inputted target position (100, 551.5, 1031.5) and orientation (ψ = 0, θ = 0, φ = 0) and the program execution result of the parallel manipulator (10a) is link 1 = 893, link 2 = 672, link 3 = 733, link 4 = 976, link 5 = 1102, was the link 6 = 524, was the rotation angle of the joint in series is α = 1˚, β = 5˚.

병렬 매니퓰레이터(10a)의 링크길이 제어 결과는 도 18에 나타내었다. Link length control result of parallel manipulators (10a) is shown in Fig.

도 18의 결과에서 나타난 바와 같이 링크길이는 목표위치 값으로 오차범위 ±10(±5㎜)이내에서 제어되었다. Link length, as indicated in the results of Figure 18 was controlled within the error range ± 10 (± 5㎜) to the target position value.

도 19에 나타낸 바와 같이 도달하지 못하는 목표위치나 방향이 입력되었을 때 최저 링크길이를 출력하도록 하여 로봇의 위치제어 시에 일어나는 잘못된 입력에 의한 오류를 막도록 하였다. When Figure 19 is a fail to reach the target position and orientation as shown in the input were to so as to output a minimum length link layer errors that occur due to incorrect input for position control of the robot.

출력된 결과에 따른 제어 결과는 도 20에 나타내었다. Controlled according to the output result is shown in Fig. 도 20에 나타난 바와 같이 6개의 링크는 모두 최저 링크길이 값으로 제어되어 로봇은 작업공간 내에서만 제어됨을 보여준다. 6 links, as shown in 20 are all controlled by the minimum link length value shows that the robot is controlled only within a workspace.

도 18와 도 20의 결과에 나타난 바와 같이 선단장치(4)를 부착하였을 때 부하에 의한 속도저하는 발생하였으나 병렬 매니퓰레이터(10a)의 링크길이는 오차범위 ±10(±0.5㎜)이내에서 제어되었으며 작업공간 이내에서만 로봇은 위치제어를 수행하였다. 18 and the speed reduction due to the load when attaching the front end unit 4 as shown in the results in Figure 20 is generated, but the link length of the parallel manipulator (10a) has been controlled within the error range ± 10 (± 0.5㎜) only within the working space robot it was performing location controlled. 따라서 본 발명의 실시 예에 따른 하이브리드 매니퓰레이터(2)는 선단장치(4)를 목표위치로 오차범위 ±1㎜이내에서 제어할 수 있으므로 멜론 수확, 교배 및 방제 등의 다양한 작업을 수행할 수 있을 것으로 판단된다. Thus hybrid manipulator (2) in accordance with an embodiment of the present invention can be controlled in the margin of error within ± 1㎜ the front end device 4 to the target position to be able to perform various operations such as melon harvest mating and Control It is determined.

(2) 멜론을 파지한 경우 위치제어 성능평가 (2) When holding the melon position control performance evaluation

도 21은 입력된 목표위치(100, 521.5, 1051.5)와 방향(ψ= -10, θ= 2, φ= 0)에 따른 프로그램 실행 결과이며 병렬 매니퓰레이터(10a)의 링크길이는 link 1 = 1198, link 2 = 706, link 3 = 618, link 4 = 1774, link 5 = 1267, link 6 = 956이었고, 직렬 관절의 회전각은 α= 7˚, β= 6˚이었다. 21 is a program executed according to the inputted target position (100, 521.5, 1051.5) and orientation (ψ = -10, θ = 2, φ = 0) results and the link length of the parallel manipulator (10a) is link 1 = 1198, 2 = link 706, link 618 = 3, link 4 = 1774, was the link 5 = 1267, link 6 = 956, was the rotation angle of the joint in series is α = 7˚, β = 6˚.

병렬 매니퓰레이터(10a)의 링크길이 제어 결과는 도 22에 나타내었다. Link length control result of parallel manipulators (10a) are shown in Figure 22.

도 22의 결과에 나타난 바와 같이 멜론을 파지하였을 때도 병렬 매니퓰레이터(10a)의 링크길이는 오차 범위 ±10(±0.5㎜)이내에서 제어되었다. Hayeoteul when gripping the melon As shown in the results of Figure 22 a link length of the parallel manipulator (10a) has been controlled by the margin of error within ± 10 (± 0.5㎜). 따라서 하이브리드 매니퓰레이터(2)는 선단장치(4)를 목표위치로 오차범위 ±1㎜이내에서 제어할 수 있다. Thus hybrid manipulator (2) it can be controlled by the margin of error within ± 1㎜ the front end device 4 to the target position.

상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시할 수 있다. In the explanation of the invention as described above has been described with reference to certain preferred embodiments thereof, various modifications may be made without departing from the scope of the invention. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위와 특허청구범위의 균등한 것에 의해 정해 져야 한다. Therefore, the scope of the present invention is not determined by the described embodiments should be determined by that of the appended claims and equivalents claims.

상술한 바와 같이 본 발명은 전용 작업형식이 아니고 다양한 작업을 수행할 수 있으며 작업에 따라 구조를 쉽게 변경할 수 있으며, 온실에서 멜론재배를 위해 기존에 인력으로 수행되어온 병해충 방제, 교배 및 수확작업 등 다양한 작업을 수행할 수 있는 병렬-직렬 구조로 된 다목적 하이브리드 로봇 시스템이 구현된다. The present invention as described above is not able to perform a variety of tasks, a private type of operation and can easily change the structure according to the working, various etc. have been pest control, mating and harvesting operation is performed by personnel in the existing for melon cultivation in the greenhouse parallel that can be done - this versatile hybrid robot system in series structure is implemented. 또한 본 발명은 산업분야에서 많이 이용되고 있는 직렬 매니퓰레이터와 병렬 매니퓰레이터를 혼합하여 직렬 매니퓰레이터처럼 넓은 작업공간을 갖고 병렬 구조처럼 높은 가반 하중 및 정밀 위치제어 능력을 가지며, 작업에 따라 구조를 쉽게 변경할 수 있는 장점이 있다. In another aspect, the present invention has a large work area, like serial manipulators by mixing serial manipulators and parallel manipulator which is widely used in the industry has a high load capacity and the precision position control ability as a parallel structure, which can easily change the structure according to the working there is an advantage.

Claims (6)

  1. 삭제 delete
  2. 삭제 delete
  3. 온실 재배 생력화를 위한 다목적 하이브리드 로봇 시스템에 있어서: In the multi-purpose hybrid robot system for greenhouse saengryeokhwa:
    직렬 매니퓰레이터와 병렬 매니퓰레이터를 혼합한 구조로서 작업에 따라 구조가 변경가능한 하이브리드 로봇(100)과; Structure is changeable hybrid mobile robot 100 according to the task as the structure a mixture of serial and parallel manipulator with manipulator; 상기 하이브리드 로봇(100)을 제어하는 로봇 제어장치(200)로 구성하되; But it consists of a robot control apparatus 200 for controlling the hybrid mobile robot 100;
    상기 하이브리드 로봇(100)은; The hybrid robot 100;
    다목적으로 조작 가능한 하이브리드 매니퓰레이터(2)와, 작업을 수행하는 선단장치(4)로 구성되고, And a general purpose operating a hybrid manipulator (2), is composed of a front end device 4 to perform an operation,
    상기 하이브리드 매니퓰레이터(2)는, The hybrid manipulator (2),
    다수의 병렬 링크를 포함하여 구성된 병렬 매니퓰레이터(10a)와, 상기 병렬매니퓰레이터(10a)의 플랫폼(20)에 장착되며, 상기 선단장치(4)를 공간좌표축 v,u,w중 u축이나 w축에 대하여 회전 가능케 하는 직렬 최종관절(10b)과, 상기 병렬 매니퓰레이터(10a)를 공간좌표축 x,y,z중 z축에 대하여 회전시키는 직렬 베이스관절(10c)로 구성하여서 작업에 따라 PUMA형과 SCARA형의 구조로 쉽게 변경 가능하게 하고, And a plurality of parallel links parallel manipulator (10a) configured, including, mounted on the platform 20 of the parallel manipulator (10a), the front end device 4, the space coordinate axes v, u, w of the u-axis and w-axis in series with the end joint (10b) to enable rotation about the parallel manipulator spatial coordinate axes (10a) x, y, z of hayeoseo configured in series, a base joint (10c) that rotates with respect to the z-PUMA-type according to the work and SCARA It enables easy change in the structure of the mold, and
    상기 로봇 제어장치(200)는; The robot control apparatus 200;
    상기 선단장치(4)의 목표위치와 방향이 입력되었을 때 상기 병렬 매니퓰레이터(10a)의 6개 링크길이, 1개의 직렬 최종관절(10b)의 회전각 그리고 1개의 직렬 베이스관절(10c)의 회전각을 산출하며 역기구학과 순기구학을 통해 계산된 링크길이와 관절 회전각을 상기 병렬 매니퓰레이터(10a)의 액츄에이터 제어기(208)나 직렬 관절 제어기(206)(210)에 송신하며, 상기 선단장치(4)의 작업을 지시해주는 주 제어기(202)와, Rotation of the distal end (4) the target position and the parallel manipulator (10a) 6 gae link length, the rotation angle, and a serial-based joint (10c) of a serial end-joint (10b) in the time direction has been input for each the calculated and transmitted to the inverse kinematics and actuator controller 208 and a serial joint controller 206, 210 of the link length and the joint rotation of the parallel manipulator (10a) each calculated by the forward kinematics and the distal end (4 ) and the main controller 202, which directs the operation of,
    상기 병렬 매니퓰레이터(10a)의 링크길이를 제어하는 액츄에이터 제어기(208)와, And the actuator controller 208 to control the link length of the parallel manipulator (10a),
    상기 직렬 베이스관절(10c)을 제어하는 직렬 베이스관절 제어기(210)와, In series with the base joint controller 210 for controlling the serial base joint (10c),
    상기 직렬 최종관절(106)을 제어하는 직렬 최종관절 제어기(206)와, In series with the final joint controller 206 for controlling the serial end joint 106,
    병렬 매니퓰레이터(10a)의 순기구학 센서를 이용하여 선단장치(4)의 위치를 추종하는 위치 측정 시스템(212)으로 구성함을 특징으로 하는 다목적 하이브리드 로봇 시스템. Multipurpose hybrid robot system characterized in that it consists of a positioning system (212) to follow the position of the front end unit 4 by using the forward kinematics of the parallel manipulator sensor (10a).
  4. 제3항에 있어서, 상기 직렬 최종관절(106)은, 4. The method of claim 3 wherein the serial end joint 106,
    상기 병렬 매니퓰레이터(10a)의 플랫폼(20)상에 부착되는 최종링크(42)와, And the end link (42) attached to the platform (20) of the parallel manipulator (10a),
    상기 직렬 최종관절(106)을 회전시키기 위한 AC 서보모터(44)와, And an AC servo motor 44 for rotating the S end joint 106,
    AC서보모터(44)의 토크를 증가시키기 위한 감속기(46) 및 기어(48)와, And a reduction gear 46 and the gear 48 to increase the torque of the AC servo motor 44,
    선단장치(4)를 연결하는 선단장치 링크(50)로 구성함을 특징으로 하는 다목적 하이브리드 로봇 시스템. Multipurpose hybrid robot system characterized in that it consists of a front end unit link (50) connecting the distal end (4).
  5. 제4항에 있어서, 상기 직렬 최종관절(106)에서 감속기(46) 및 기어(48)의 감속 기어 비 N은 하기 식을 통해서 선정됨을 특징으로 하는 다목적 하이브리드 로봇 시스템. Claim 4 in multi-purpose robotic hybrid system according to claim seonjeongdoem the reduction gear ratio N is through the formula of the speed reducer 46 and the gear 48 from the S end joint 106.
    Figure 112006020076162-pat00088
    여기서, J moter : 모터의 관성모멘트, Here, J moter: The moment of inertia of the motor,
    J load : 부하의 관성모멘트 J load: load moment of inertia
  6. 제3항에 있어서, 1개의 주 제어기(202)로부터 6개의 선형 액츄에이터(24)들을 제어하는 액츄에이터 제어기(208)와, 상기 직렬 최종관절 제어기(206), 및 직렬 베이스관절 제어기(210)로 제어신호를 선택적으로 전송하는 RS-485 멀티플렉서(214)를 더 구비함을 특징으로 하는 다목적 하이브리드 로봇 시스템. The method of claim 3, wherein the control to the actuator controller 208 and the S end joint controller 206, and a serial-based joint controller 210 for controlling the six linear actuators 24 from a single primary controller 202 selective versatile hybrid robotic system, characterized by further comprising a RS-485 multiplexer 214 to transmit the signal.
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