KR100823095B1 - 힘 반영 전기로 산소 취입기 조작을 위한 햅틱 인터페이스장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 감안하여, 힘 반영 정보를 느낄 수 있는 햅틱 장치를 이용하여, 조작자가 편리하게 산소취입기를 조작할 수 있게 한다.

본 발명은, 전기로에 산소를 공급하는 산소봉 제어 시스템에 있어서,

상기 산소봉 제어 시스템은 마스터 장치와 슬레이브 로봇을 포함하고,

상기 마스터 장치는 가상현실 속에서 상기 슬레이브 로봇의 위치에 따라 형성되는 포텐셜에 근거한 힘을 조작자에게 전달하여, 조작자가 안전지역에서 위험지역으로 상기 슬레이브 로봇을 이동시키려 하면 힘의 크기를 증가시키는 방향으로 힘을 생성시켜 조작자에게 전달하는 햅틱 장치로 구성되고,

상기 슬레이브 로봇은 상기 산소봉이 고정되어 있고, 상기 마스터 장치의 지시에 따라 산소봉을 이동시키는 것을 특징한다.

이상과 같은 본 발명에서는 가상현실과 햅틱 장치를 사용하여 원격 제어하는 방법을 사용하여, 기존의 전기로 시스템을 그대로 사용할 수 있기 때문에 현장 적용 용이성이 뛰어나고, 접촉 가능성이 줄어들기 때문에 대체 비용과 공정 중단의 기회 비용이 감소하여 생산성이 증가한다.

전기로, 전극봉, 햅틱장치, 가상현실

Description

힘 반영 전기로 산소 취입기 조작을 위한 햅틱 인터페이스 장치{Haptic Interface Apparatus for Force Reflected Oxygen Lance Manipulation in Electric Furnace}

도1은 종래기술에 따른 원격제어 방식을 도시함

도2는 본 발명에 따른 원격제어 방식을 도시함

도3a,도3b는 전기로의 모형도를 도시함

도4는 본 발명에서 이용하는 햅틱 장치를 도시함

도5는 슬레이브 로봇 모형을 도시함

도6a,도6b는 전극봉으로부터 떨어진 거리에 따른 힘의 변화를 도시함

도7은 산소봉의 끝점 좌표를 이용하여 힘을 생성하는 예를 도시함

도8는 산소봉과 전극봉의 최단 거리를 이용하여 힘을 생성하는 예를 도시함

도9는 전기로 내부에 작용하는 반발력을 도시함

도10은 로봇 중심으로부터 전극봉과 산소봉이 떨어진 거리를 도시함

도11은 로봇 중심으로부터 산소봉의 거리에 따른 힘의 종류를 도시함

도12는 슬레이브 로봇의 기구학적인(kinematic) 다이어그램을 도시함

도13은 본 발명에서 적용되는 제어 블록 다이어그램을 도시함

도14는 본 발명에서 사용되는 가상 현실을 도시함

본 발명은 전기로 산소 취입기 조작을 위한 햅틱 인터페이스 장치에 관한 것이다.

전기로 공정은 고철을 용해하는 작업 중에서 쇳물의 온도를 상승시키고 탄소 및 실리콘 같은 불순물을 제거하는 공정인데, 이 공정에서는 산소 취입기를 통하여 필요로 되는 곳에 꾸준히 산소를 공급해 주어야 하며, 이는 조작자가 조이스틱을 움직여 로봇(산소 취입기)을 움직임으로써 가능하다.

그런데, 종래기술에 따른 산소 주입기용 슬레이브 로봇은 도1과 같이 조작자가 조이스틱을 이용하여 조작자의 시각 정보에만 의존하여 전기로 전방의 로봇을 보면서 움직임을 제어하게 된다.

한편, 고온의 밝은 빛을 내는 전기로 안은 사람의 육안으로 판별할 수 없는 환경이기 때문에, 육안으로 분별이 가능하도록 기타 장비를 이용해 작업자의 시각의 안전성 문제를 해결한다.

그러나, 기타 장비를 통하여 시각의 위험성을 해결한다 해도 쇳물과 같이 높은 온도의 환경에서 시각정보를 이용하는 것은 정확하지 않고, 이러한 종래기술의 조이스틱은 힘이 반영되지 않는 일반 조이스틱을 사용하므로, 충분한 경력이 있는 숙달된 조작자가 아니라면 조작자가 깊이 조절, 좌우 조절을 적절하게 하기 어렵기 때문에, 부적절한 조작으로 인하여 전기로의 연와를 일으켜 내부 전극봉의 손상을 가져오며 고철 용해 작업이 중단되는 사고가 빈번히 발생하게 된다.

본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 감안하여, 힘 반영 정보를 느낄 수 있는 햅틱 장치를 이용하여, 조작자가 편리하게 산소취입기를 조작할 수 있게 한다.

여기서, 햅틱(Haptic) 장치는 일반 조이스틱이 하는 역할인 조작자가 내리는 명령대로 로봇(산소취입기)의 위치를 제어할 뿐만 아니라, 추가로 조작자에게 힘을 전달하여 촉각을 느낄 수 있게 하는 장치를 말한다.

예를들어, 산소 공급봉이 가서는 안되는 위치를 향하여 움직이려 할 경우, 조작자의 햅틱 장치로 힘이 전달되어 조작자가 위험한 방향으로 로봇을 조정하려 해도 움직일 수 없게 막아준다.

또한 종래기술의 제어 방식이 사람의 육안에 의존한 반면, 본 발명의 원격제어 방식은 가상 현실을 통해 빛 때문에 조작자가 육안으로 확인할 수 없었던 전기로 내부의 모습까지 상세히 파악이 가능하게 한다.

그래서, 조작자는 모니터의 가상환경에서 시각 정보를 얻고, 햅틱 장치로부터 촉각을 통한 힘 정보를 받아 산소 취입기 로봇을 움직여 안전하고 효율적으로 조작이 가능하게 된다.

I. 시스템 구성

1. 하드웨어

본 발명의 하드웨어 시스템은 크게 전기로, 마스터(master) 장치, 슬레이브(slave) 로봇으로 이루어진다.

마스터(master)는 물체를 제어한다는 뜻에서 쓰인 말로 로봇을 조정하는 컨트롤러의 역할을 하는 것이고, 슬레이브(slave)는 마스터에 명령에 따라서 움직이게 되는 로봇의 의미로 쓰인다.

조작자는 가상 현실 속의 슬레이브 로봇의 영상을 보면서 마스터 장치를 사용하여 슬레이브 로봇을 제어하게 되고 전기로에 산소봉을 삽입하여 필요로 되는 곳에 산소를 주입하게 된다.

실제 실험을 하기 위해서 POSCO에서 사용하고 있는 전기로와 슬레이브 로봇의 축소된 모형을 만들었고, 마스터 장치로 슬레이브 로봇을 조정하여 모형 시스템을 동작시키게 된다.

(1) 전기로

전기로는 고철 용해 작업 중 쇳물의 승온 및 탄소, 실리콘 불순물 제거를 위 해 필요하다. 도3은 POSCO에서 사용하고 있는 전기로를 축소한 모형이다. 내부 지름이 400mm이고 전극봉 3개가 전기로의 중심에서 70mm 떨어져서 120도 간격으로 떨어져 있다. 공간이 뚫려 있는 부분이 산소봉이 드나드는 입구이며 전기로의 하단부에 쇳물이 녹아 있을 것이기 때문에 모형의 하단부는 평평하게 제작된다.

(2) 마스터(master) 장치

조작자가 슬레이브 로봇을 움직이기 위하여 조정하는 제어장치이다. 그러나 일반 조이스틱과는 다르게 마스터 장치는 힘반영이 되는 도4와 같은 햅틱(haptic) 장치로 구성이 되어 있다. 가상현실 속에서 슬레이브 로봇의 위치에 따라 포텐셜을 형성하게 되면 이 힘은 마스터 장치를 통하여 조작자에게 전달된다.

조작자가 자유롭게 움직여서는 안 되는 위험 지역에서 슬레이브 로봇을 움직이려 하는 경우, 일정 크기 이상의 힘이 생성되어 햅틱 장치에 전달된다. 조작자가 이를 느끼게 되면 다시 마스터 장치를 조정하여 안전한 구역으로 슬레이브 로봇을 이동시킬 수 있다.

실험 장비로는 VNV NET의 4D4M을 사용하였다. x, y, z 축으로 3자유도만 사용하여 슬레이브 로봇의 끝지점의 위치를 조정하고, 각 joint 지점의 모터를 사용하여 힘을 전달 받는다.

(3) 슬레이브(slave) 로봇

슬레이브 로봇은 도5와 같은 형상을 가지고 있으며, 마스터 장치의 지시를 받아 움직이는 로봇이다. 현장에서 사용되는 로봇과 동일한 구조이며 각 조인트(joint)의 각도와 길이 조절은 모터의 구동으로 제어한다. 작동시에 기둥축의 각도는 고정되고, 마스터 장치의 3축의 움직임이 2개의 링크의 각도와 산소봉의 길이로 계산되어 산소봉을 3축으로 움직이게 된다.

(4) 산소봉

전기로 안으로 삽입되어 전기로에 산소를 공급한다. 도5의 슬레이브 로봇 모형에서 앞뒤로 움직이는 부분이다. 전기로, 전극봉과의 연와가 가장 많이 발생하는 부분으로 자유롭게 움직일 수 있도록 하되, 접촉하지 말아야 할 부분과는 닿아서는 안 된다. 실제로 전기로 내부의 전극봉과 산소봉의 충돌로 인한 손상으로 공정이 멈추는 경우가 발생하고 있다.

2. 포텐셜(Potential)

가상 현실 공간에서 만드는 일종의 위치에너지의 장이다. 이해를 편하게 하기 위해 양전하의 예를 들어보자. 공간상에 양전하가 존재한다면 주위에는 전기장이 생성되게 된다. 이 전기장 안에 전하를 위치시킬 때 이 전하는 힘을 받게 되는 데 이 힘은 양전하와의 거리 제곱에 반비례하게 된다.

양전하가 만드는 에너지 장을 가상 현실 공간에서 에너지 장으로 생각하고 위치시키는 전하를 슬레이브 로봇의 산소봉의 위치라고 한다면, 산소봉의 위치에 따라서 슬레이브 로봇이 받는 힘이 계산될 것이다. 이것을 햅틱 장치를 통해 조작자에게 전달하고 조작자는 이 힘을 느끼면서 안전한 이동반경 위에서 슬레이브 로봇을 조정하게 된다.

II. 포텐셜 필드(Potential Field)

포텐셜 필드는 산업 현장에서 전극봉과 산소봉이 접촉하여 발생하는 문제점을 해결하기 위해서 가상현실 공간에서 생성하는 에너지의 장이다.

산소봉의 위치가 전극봉의 중심에서 멀어질수록 계산되는 힘의 크기는 감소하기 때문에 전극봉에서 비교적 먼 안전한 부분에서는 산소봉을 마음껏 움직일 수 있다. 그러나 전극봉에 가까워질수록 계산되는 힘의 크기는 증가하기 때문에, 함부로 움직일 경우 위험한 상황을 초래할 수 있는 부분에서는 산소봉을 움직이는 데에 제약을 받게 되어 산소봉이 충돌하는 일을 사전에 예방할 수 있다. 전극봉과 떨어진 거리에 따른 힘의 크기 변화는 아래의 수학식1와 같고, 이를 그래프로 나타내면 도6과 같다.

(수학식 1)

전극봉과 가까운 부분에서 적당한 힘이 존재하기 때문에 일정 떨어진 부분에서는 조작자가 자유롭게 조작할 수 있지만, 전극봉에 가까이 다가오면 힘이 계산되어 햅틱 장치에 전달되게 된다. 3개의 전극봉에서 생성되는 힘은 가상 현실 속의 x, y 평면에 연속적인 힘의 장을 형성시키며, 생성된 힘은 햅틱 장치로 전달되어 조작자의 조작에 편의를 제공하게 된다.

1. 산소봉에 작용하는 힘의 메커니즘

전극봉과 떨어진 거리에 따라서 힘을 생성할지라도, 실제로 전기로 속의 산소봉에 힘을 작용시키기 위해서는 어느 지점까지의 거리를 계산할 것인가를 염두해 두어야 한다.

일차적으로 산소봉의 끝점의 위치와 전극봉 사이의 거리를 이용하여 힘을 생성할 경우에 각각의 전극봉에 산소봉의 끝점이 다가가지 않게할 수 있겠지만, 산소봉의 끝점이 아닌 길다란 산소봉 자체가 전극봉과 접촉하게 되는 경우 원하지 않는 결과가 발생할 수 있다. 따라서 산소봉에 작용하는 힘의 매커니즘은 아래와 같은 두 가지로 나누어 생각할 수 있다.

(1) 산소봉의 끝점을 이용한 힘의 생성

전극봉의 좌표와 산소봉의 끝점과의 거리로써 힘을 생성하는 것이다. 도7에서 처럼 로봇의 중심부터 산소봉 끝점까지의 거리를 r이라고 하면, r의 크기가 각각 r1, r2, r3에 미치지 못하는 경우 산소봉의 끝점을 이용함으로써 전극봉에 다가가지 않도록 힘을 생성하는 것이다.

r이 아직 미치지 못한 거리가 존재할 경우 더 먼 거리에 있는 전극봉과의 힘 생성은 오직 산소봉의 끝점의 좌표와 상관된다. 산소봉의 끝점 좌표가 (Xe, Ye), 전극봉 2의 좌표가 (a2, b2)라고 하면 이때의 거리 D는 아래의 수학식 2와 같이 표현된다.

(수학식 2)

(2) 산소봉과의 최단거리를 이용한 힘의 생성

로봇의 중심으로부터 산소봉 끝점까지 거리 r의 크기가 r1, r2 또는 r3 보다 클 경우 산소봉 끝점이 전극봉에 닿지 않아도 산소봉 자체가 전극봉과 충돌할 위험이 있다.

이 경우에 있어 산소봉과 전극봉 좌표간의 최단거리를 이용하여 포텐셜(potential)의 거리를 계산하며 힘 생성을 한다. r의 크기에 따라서 어느 전극봉과의 거리를 최단거리로 사용할 것인지 구분이 필요하다. 로봇 중심으로부터 산소봉이 이루는 2차원 x, y 평면의 직선의 관계식이 ax+by+c=0이라 할 때, 직선과 전극봉 2의 좌표(a2, b2) 사이의 최단거리 D는 다음과 같은 수학식 3으로 표현된다.

(수학식 3)

2. 전기로 표면에 작용하는 반발력

산소봉이 작업 도중 충돌을 피해야 할 위험 지역은 전극봉만이 아닌 전기로 표면에도 존재한다. 조작자가 로봇을 조정하는 과정에서 전기로 표면과 산소봉이 접촉하였을 경우 충돌 부분이 닳아 연와가 발생하는 경우가 생긴다. 이를 방지하기 위하여 전기로의 외벽부분, 바닥부분에 일정 거리 이상 가까워 질 경우 거리에 비 례하는 힘을 생성하여 햅틱 장치에 전달해 주면, 조작자는 전기로 표면과 접촉하지 않고 더욱 안전하게 로봇을 조정할 수 있다. 산소봉의 끝 부분의 좌표를 (Xe, Ye, Ze), 전기로의 중심의 좌표를 (fx, fy), 수평축을 기준으로 산소봉 끝점 좌표의 각도를 θ, 전기로 중심부터 포텐셜을 느끼기 시작하는 임의의 거리를 furnace_Potential_Radius라고 했을 때 x, y 평면에 대해서 반발력은 아래의 수학식 4와 같다.

(수학식 4)

z축에 관하여 바닥에 닿지 않기 위한 반발력은 포텐셜을 느끼기 시작하는 임의의 높이 furnace_Potential_Height에 대해서 아래의 수학식5와 같다.

(수학식 5)

3.산소봉의 거리에 따른 힘의 합성

도10과 같이 전극봉 1, 2, 3은 r1, r2, r3 순서로 로봇 중심에서 멀리 떨어 져서 존재한다. 로봇 중심에서 산소봉 끝점까지의 거리 r이 r3보다 작을 경우에 모든 전극봉과의 힘 생성은 산소봉의 끝점의 좌표로 거리가 계산된다. 하지만 r이 r3보다 크고 r2보다 작을 경우 전극봉 3에는 산소봉과 전극봉 3사이의 최단거리에 의하여 거리가 계산되고, 나머지 전극봉 1, 2와는 산소봉의 끝점의 좌표로 거리가 계산된다. 같은 원리로 r이 r2, r3 보다 크고 r1보다 작을 경우에 전극봉 2, 3에는 산소봉과 전극봉 2, 3사이의 최단거리에 의하여 거리가 계산되고, 전극봉 1과는 산소봉 끝점의 좌표로 거리가 계산된다. 마지막으로 r이 r1보다 클 경우에 모든 전극봉은 산소봉과 전극봉 사이의 최단거리에 의해 거리가 계산된다. 반발력은 조건에 상관없이 항상 합성된다.

도11에 로봇 중심으로부터 산소봉의 거리에 따른 힘의 종류가 도시되어 있다.

III. 마스터 장치와 슬레이브 장치의 조작

1. 기구학(Kinematics)

마스터 장치는 VNV NET에서 상품화되었기 때문에 따로 기구학(kinematics)을 풀지 않아도 라이브러리(library) 파일을 이용하여 마스터 장치의 조인트(joint) 각도와 끝점의 좌표를 이용할 수 있다.

도12에 표시된 슬레이브 로봇의 기구학적(kinematic) 다이어그램을 참고로 하면 현장에서 사용되고 있는 슬레이브 로봇의 모형에 관하여 순방향 기구학(forward kinematics)과 역방향 기구학(inverse kinematics)은 다음과 같다.

(1) 순방향 기구학(Forward Kinematics)

0-좌표(coordinate)를 기준으로 산소봉의 끝점의 좌표인 5-좌표(coordinate)의 운동을 기술하기 위해서는 동원 좌표(homogeneous coordinate)를 사용하여 아래와 같은 수학식6으로 나타낼 수 있다. 직선운동(Translation)과 회전운동(Rotation)의 조합으로 동원 매트릭스(homogeneous matrix)의 곱으로 표현 가능하다.

(수학식 6)

여기서 Tx, Ty, Tz는 각각 x, y, z 방향의 직선운동 매트릭스(translation matrix)를 의미하며, Rx, Ry, Rz는 각각 x,y,z 방향의 회전운동 매트릭스(rotation matrix)를 의미한다. 위 수학식6으로부터, 로봇의 자세(pose)를 계산할 수 있는 T 를 얻을 수 있다.

(2) 역방향 기구학(Inverse Kinematics)

역방향 기구학(Inverse Kinematics) 는 하기의 수학식 7에 의해 주어지는 로봇의 자세 (위치(position) + 방위(orientation))로부터 로봇의 각 조인트 값을 알아내는 것이다.

(수학식 7)

위 식에서 좌측항은 로봇의 자세가 주어졌을 때 모두 결정되는 값이며, 우측항은 알아내야할 조인트 값을 포함하고 있다.

동원 변환(Homogeneous Transform)을 이용한 선형 대수를 응용하면 다음의 수학식 8과 같은 결과를 얻을 수 있다.

(수학식 8)

2. 컨트롤 알고리즘

도13을 참고로 하면, 조작자의 손에서 나온 힘 Fh 는 가상현실의 포텐셜(potential)에서 계산된 반발력 F_R과 합쳐진 후 마스터 장치의 동역학(dynamics)(Pm)을 거쳐 마스터 장치의 끝점 위치(end position) 좌표로 계산된다. 슬레이브 로봇은 이 위치를 목표값으로 잡아 슬레이브 로봇의 끝점을 움직이며 Ks를 제어 게인(control gain), Ps를 슬레이브 로봇의 동역학(dynamics)으로 하여 슬레이브 로봇의 동작을 제어하는 폐루프(closed loop)를 형성한다. 실제 슬레이브 로봇의 끝점 좌표 Xs는 다시 포텐셜(potential)에서 반발력을 계산하는데 쓰이게 된다. 포텐셜 발생기(Potential generator)는 로봇의 위치와 미리 알고 있는 전기로의 구조(geometry)를 이용하여 계산되고 그 결과 조작자에게 전달하는 F_R이 생성된다. 햅틱 장치를 이용하여 반발력 FR를 조작자에게 전달한다.

3. 가상 현실

가상현실은 조작자에게 가상 공간의 시각 정보를 전달하고, 위치 정보를 받아들여 표현해준다. 조작자가 로봇을 제어할 때 시각으로 확인하지 못하는 영역을 가상으로 만들어 안전성과 편리를 제공하며, 조작자는 실제 슬레이브 로봇의 움직임을 보고 조정하는 것이 아닌 가상 현실 속의 슬레이브 로봇의 움직임을 보고 조정하게 된다. 보는 각도, 스케일을 조작자가 편한대로 바꾸어가며 확인할 수 있으며 따라서 눈으로 볼 수 없는 전기로 환경에서 큰 도움을 줄 수 있다. 또한 가상 공간과 그 속에 구현되어 있는 가상의 슬레이브 로봇 사이의 포텐셜(potential) 생성도 가상 현실에서 이루어진다. 슬레이브 로봇의 힘반영 정보가 햅틱 장치로 전달되어 사용자가 느낄 수 있게 된다.

도14는 가상 현실을 구현한 것이다. 우측 창에 보이는 것은 가상의 전기로와 슬레이브 로봇이다. 조작자는 이 창으로 슬레이브 로봇의 위치를 관찰하며 제어를 하게 된다. 햅틱 장치를 통해 움직인 슬레이브 로봇을 따라 가상의 슬레이브 로봇도 움직이게 되며 조작자가 이를 눈으로 확인한다. 가상의 구현은 BSContact이라는 3-D 뷰어 프로그램을 컨트롤창에 띄워서 사용한다.

좌측 창에 보이는 것은 로봇 조인트의 각도, 산소봉 끝점의 좌표를 나타내주는 표시 관련 창이다. 가상의 로봇이 움직일 때마다 변화된 값을 화면에 출력해주어 조작자가 확인할 수 있게 한다. 또한 입력에 대한 순방향 기구학(forward kinematics), 역방향 기구학(inverse kinematics)를 계산하여, 산소봉 끝점 좌표의 위치를 계산하거나 로봇 조인트(joint)의 각도를 계산하여 출력한다.

4. 실제 시스템 연결

개발된 시스템을 적용하고자 할 때, 현재의 POSCO 시스템을 교체해야 되는 상황이 벌어진다면, 현재의 전기로 시스템을 정지시켜야 하고 시스템의 신뢰도를 검증하기 위해서 POSCO의 재정적 손실이 예상된다. 그러므로, 개발된 햅틱 인터페이스의 POSCO 전기로 산소취입 시스템으로의 적용 용이성은 매우 중요한 요소이다.

(1) 유지되는 부분

POSCO 전기로 산소취입 로봇 시스템에서 대부분의 장비는 그대로 사용이 된 다. 실제 현장에서 사용하고 있는 전기로, 슬레이브 로봇의 경우인데 이들에는 아무런 추가적 장치가 필요하지 않다.

(2) 추가되는 부분

가상 현실과 마스터 장치가 새롭게 추가되어야 할 부분이다. 가상 현실은 앞서 설명했던 것과 같이 조작자의 눈으로 파악하지 못하는 지점의 상태를 확인시켜 줄 수 있다는 점과 포텐셜 필드(potential field)의 생성에 핵심적인 부분이므로 새롭게 추가 되어야 할 부분이다. 마스터 장치는 이전의 힘반영이 되지 않았던 컨트롤러에서 가상현실에서 계산된 힘반영 정보를 사용할 수 있는 햅틱 장치로 전환되어야 한다. 따라서 총 추가되어야 하는 부분은 가상 현실을 꾸미기 위해서 필요로 되는 산업용 PC 한대, 햅틱 장치뿐이다. 따라서 본 발명의 시스템의 적용 용이성이 우수하다고 할 수 있다.

이상과 같은 본 발명에서는 현재 사용되고 있는 전기로 공정의 문제점을 해결하기 위하여, 가상현실과 햅틱 장치를 사용하여 원격 제어하는 방법을 제안하였다. 즉, 가상 현실의 구현과 햅틱 장치를 이용한 힘반영 정보를 조작자에게 전달할 수 있도록 하였다.

본 발명에서 새롭게 제안한, 햅틱 장치를 사용한 원격제어를 수행할 경우 기존 시스템을 그대로 사용할 수 있다는 장점이 있다. 현장에서 사용되고 있는 전기 로나 산소 취입기의 리모델링 없이 조이스틱을 대신할 햅틱 장치와 가상현실을 만들기 위한 산업용 PC만의 추가로 종래기술의 문제점이 해결될 수 있다.

특히, 본 발명에서는 종래기술의 문제점을 해결하면서 기존의 전기로 시스템을 그대로 사용할 수 있기 때문에 현장 적용 용이성이 뛰어나고, 접촉 가능성이 줄어들기 때문에 대체 비용과 공정 중단의 기회 비용이 감소하여 생산성이 증가할 것이다.

Claims (10)

1. 전기로에 산소를 공급하는 산소봉 제어 시스템에 있어서,

   상기 산소봉 제어 시스템은 마스터 장치와 슬레이브 로봇을 포함하고,

   상기 슬레이브 로봇은 상기 산소봉이 고정되어 있고, 상기 마스터 장치의 지시에 따라 산소봉을 이동시키며,

   상기 마스터 장치는 조작자에게 상기 슬레이브 로봇의 가상 공간의 시각 정보를 전달하고, 상기 산소봉의 끝점이 전극봉에 다가가지 않도록 하고 상기 산소봉 자체가 전극봉에 다가가지 않도록, 거리의 제곱에 반비례하는 반발력을 생성시켜 조작자에게 전달하는 햅틱 장치로 구성되고,

   상기 마스터 장치의 끝점 좌표는 상기 조작자의 손에서 나오는 힘과 상기 반발력을 합쳐서 상기 마스터 장치의 다이나믹스를 계산하여 얻어지며,

   상기 슬레이브 로봇은 상기 마스터 장치의 끝점 좌표에서 상기 슬레이브 로봇의 실제 끝점 좌표를 빼서, 제어 게인과 슬레이브 로봇의 다이나믹스를 거쳐서 상기 슬레이브 로봇의 실제 끝점 좌표가 형성되도록 하는 폐루프에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 전기로의 산소봉 제어 시스템.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항에 있어서, 상기 거리와 반발력은 하기의 수학식과 같은 방식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 전기로의 산소봉 제어 시스템.

   

   (수학식 2)

   여기서 (Xe, Ye)는 산소봉의 끝점 좌표, (a2, b2)는 전극봉 2의 좌표임.
9. 제1항에 있어서, 상기 거리와 반발력은 하기의 수학식과 같은 방식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 전기로의 산소봉 제어 시스템.

   

   (수학식 3)

   여기서, 로봇 중심으로부터 산소봉이 이루는 2차원 x, y 평면의 직선의 관계식은 ax+by+c=0이고, (a2, b2)는 직선과 전극봉 2의 좌표임.
10. 제1항에 있어서, 상기 산소봉이 전기로 표면에 다가가지 않도록, 반발력은 하기의 수학식과 같은 방식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 전기로의 산소봉 제어 시스템.

    

    (수학식 4)

    

    (수학식5)

    여기서, (Xe, Ye, Ze)는 산소봉의 끝 부분의 좌표, (fx, fy)는 전기로의 중심의 좌표, θ는 수평축을 기준으로 산소봉 끝점 좌표의 각도, furnace_Potential_Radius는 전기로 중심부터 포텐셜을 느끼기 시작하는 임의의 거리임.

Images