KR100951817B1 - 병렬형 햅틱장치를 이용한 굴삭기 조종장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 병렬형 햅틱장치를 이용한 굴삭기 조종장치에 관한 것으로서, 본 발명은 굴삭기의 암(arm)의 말단부의 위치를 제어하기 위한 3자유도 병렬형 햅틱기구; 및 굴삭기의 버켓(bucket)의 각도를 제어하기 위한 1자유도 햅틱기구를 포함하여 구성된다.

햅틱장치, 굴삭기, 원격조종

Description

병렬형 햅틱장치를 이용한 굴삭기 조종장치{Excavator Control Unit Using a Parallel-type Haptic Device}

본 발명은 굴삭기 조종장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 병렬형 햅틱장치를 이용한 굴삭기 조종장치에 관한 것이다.

햅틱장치는 인공 촉감을 출력하는 장치로서, 사용자의 움직임, 위치 등을 입력받는 기능과 함께 주어진 가상 현실 속에서 발생하는 사건(event)에 상응하는 촉감 및/또는 힘을 사용자에게 출력하는 기능을 수행하는 장치이다.

햅틱장치에 관한 초기 연구는 원격작업이나 장애인을 위한 장치개발을 위해 시작되었다. 즉, 거동이 불편한 장애인의 움직임을 돕기 위해 외부의 미세한 작용을 장애인에게 실시간으로 전달하거나, 원격 수술과 극한 환경에서 기계조작 등에 필요한 장치 개발이 주요한 목적이었다. 그러나, 지금은 인간의 개입이 필요한 각종 로봇 조작 등의 산업분야뿐 아니라 가상현실에서 현실감을 증폭시키는 작용 등 여러 엔터테인먼트 분야에도 응용이 되고 있다.

한편, 햅틱 장치는 그 기구적 특성에 따라서 직렬형, 병렬형 및 하이브리드 형으로 대별할 수 있다. 직렬형은 필요한 자유도를 구성하기 위해 링크들이 직렬 로 연결된 구조를 말하며, 초기 햅틱장치들이 주로 이 형태로 개발되었다. 직렬형은 기구학적으로 정기구학(forward kinematics)을 하기가 좋고 동역학적 해석이 용이하다. 그러나 링크들이 직렬로 배치되어 있어 내구성이 약하고, 역학적 관성이 크며, 관절 측정 오차들이 위치 해석에서 누적되는 문제점이 있어서 상대적으로 정밀도가 떨어진다.

병렬형 햅틱장치는 여러 개의 링크가 병렬로 연결되어 있는 구조적 특징을 지니며, 이로써 힘이 분산되어 내구성이 강하고 안정된 구조를 가지며, 관절에서 발생하는 오차 누적이 크지 않다. 또한 직렬형에서처럼 길게 연결된 구조가 아니므로 물리적 관성도 최소화되는 잇점이 있다. 하지만, 정기구학 해석에서 단일 해(unique solution)가 존재하지 않아 실시간 제어가 어렵고, 특이점(singular point), 즉 로봇의 자유도가 줄어들어 정상 제어가 불가능해지는 지점을 고려해야 하는 기술적 어려움이 있다.

하이브리드 형은 병렬형 구조의 단점을 보완하기 위해 최근에 연구되고 있는 구조로서, 여러 개의 병렬형 구조를 순서적으로 연결하는 구조를 가지고 있다. 예를 들어, 6자유도를 구성하기 위해 3자유도 직렬과 3자유도의 병렬로 연결하는 구조가 하이브리드 형에 해당한다.

전술한 바와 같이, 햅틱장치는 조작대상 장치에서 감지되는 촉감이나 힘을 반영하여 사용자에게 전달할 수 있는 특성상 사용자로 하여금 정교한 조작을 가능하게 하므로, 위에 언급한 분야 중에서도 특히 질감의 표현이 필요한 그래픽 디자인이나 시뮬레이터, 제어장비 등에 많이 사용되고 있다. 또한, 이러한 힘 반영 특 성은 건설 장비, 그 중에서도 특히 사물과의 충돌과 접촉이 빈번한 굴삭기에 있어 유용하게 사용될 수 있다. 굴삭기는 다자유도를 가지는 장비특성상 조작방법이 복잡하고 따라서 그 조종을 위해 사용자의 숙련을 요구하기 때문에 조작방법을 간소화할 수 있다면 작업효율의 큰 향상을 가져올 수 있다.

본 발명의 목적은 조작방법이 간단하여 숙련된 사용자가 아니더라도 비교적 용이하게 굴삭기를 조종할 수 있도록 하는 병렬형 햅틱장치를 이용한 굴삭기 조종장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 병렬형 햅틱장치를 이용한 굴삭기 조종장치는, 굴삭기의 암(arm)의 말단부의 위치를 제어하기 위한 3자유도 병렬형 햅틱기구; 및 굴삭기의 버켓(bucket)의 각도를 제어하기 위한 1자유도 햅틱기구를 포함하여 구성된다.

바람직하게는, 암의 말단부 위치제어용의 상기 3자유도 병렬형 햅틱기구는, 암의 말단부의 위치를 입력하기 위한 입력부; 상기 입력부의 하측에 위치된 기저부; 및 상기 입력부와 기저부 사이에 연결되어 상기 입력부가 상기 기저부에 대하여 3자유도를 갖는 움직임이 가능하도록 하는 링크부를 포함한다.

더욱 바람직하게는, 상기 링크부는 3개의 링크장치로 구성되며, 각 링크장치는, 일단이 상기 기저부에 회전가능하게 고정되어 수평축인 제1 회전축에 대하여 회전가능한 제1 링크; 및 일단이 상기 제1 링크의 타단에 회전가능하게 연결되고 타단은 상기 입력부에 회전가능하게 연결되는 제2 링크를 포함한다.

한편, 상기 제2 링크는 상기 제1 링크에 대해서 2자유도를 가지고, 또한 상기 입력부에 대해서도 2자유도를 가지며 움직일 수 있으며, 바람직하게는, 상기 제2 링크가 상기 일단에서, 상기 제1 링크의 상기 제1 회전축과 평행한 제2a 회전축에 대하여 회전가능한 동시에 상기 제1 회전축과 수직을 이루는 제2b 회전축에 대하여 회전가능하다.

또한, 상기 제2 링크가 상기 타단에서, 상기 제2a 회전축에 평행한 제3a 회전축에 대하여 회전가능한 동시에 상기 제2b 회전축에 평행한 제3b 회전축에 대하여 회전가능한 것이 바람직하다.

바람직하게는, 상기 제1 회전축에 회전각 센서가 구비되어 상기 기저부에 대한 상기 제1 링크의 회전각을 측정할 수 있고, 상기 제1 회전축에는 모터가 더욱 구비되어, 굴삭기 작동시 암의 말단부에 걸리는 반력을 반영하여 상기 제1 링크를 구동할 수 있는 것이 더욱 바람직하다.

한편, 상기 각 링크장치의 제1 링크는 각 링크장치의 제1 회전축이 상호 120도의 각도를 이루도록 상기 기저부에 배치된다.

바람직하게는, 상기 입력부에는 사용자가 손으로 쥘 수 있는 손잡이부가 형성된다.

버켓 각도 제어용의 상기 1자유도 햅틱기구는 양방향 회전이 가능한 휠방식 장치인 것이 바람직하다.

더욱 바람직하게는, 상기 손잡이부 상단에는 버켓 각도 제어용의 상기 1자유도 햅틱기구로서 양방향 회전이 가능한 휠방식 장치가 구비된다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따른 병렬형 햅틱장치를 이용한 굴삭기 조종장치를 사용함으로써, 종래에 비하여 월등히 간편한 방식으로 굴삭기를 조종할 수 있으며, 이에 따라 사용자의 숙련도가 다소 떨어지더라도 어렵지 않게 굴삭기를 조종할 수 있게 되는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 병렬형 햅틱장치를 이용한 굴삭기 조종장치에 의해, 안정성 높은 정교한 조작이 가능해지며, 힘 반영 특성으로 인해 원격조종시에도 사실적인 현장감 재현이 가능하여 보다 정확한 원격조종이 이뤄질 수 있는 효과가 있다.

이하 첨부도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 대하여 보다 자세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 병렬형 햅틱장치를 이용한 굴삭기 조종장치의 일실시예에 따른 햅틱장치의 기구 구성을 도시한 것이고, 도 2는 본 발명의 병렬형 햅틱장치를 이용한 굴삭기 조종장치의 일실시예에 따른 햅틱장치와 조종되는 굴삭기간의 제어방식을 간략히 도시한 도면이다.

먼저 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 조종장치의 햅틱 제어방식이 간략하게 도시되어 있다. 사용자가 본 발명의 햅틱장치를 조작하여 굴삭기(10)의 암(arm; 13) 말단부(13a)의 위치를 이동시키려 하면 햅틱장치의 3차원 좌표(xh, yh, zh)가 연산장치(도시되지 않음)에 의해 역기구학적 연산이 수행되어 굴삭기(10)의 암 말단부(13a)의 3차원 좌표(xb, yb, zb)로 변환되어 굴삭기(10)로 전달된다. 그러면, 굴삭기(10)에 구비된 유압 실린더 등의 액츄에이터(도시되지 않음)가 작동되어 암 말단부(13a)를 상기 3차원 좌표(xb, yb, zb)에 해당하는 위치로 이동시키게 된다. 암(13)의 작동과 더불어 사용자는 버켓(15)용 휠방식 장치(120; 도 1 참조)를 작동함으로써 버켓을 앞뒤로 회전시킬 수 있으며, 이러한 2가지 동작을 복합적으로 그리고 연속적으로 수행함으로써 필요로 하는 굴삭작업을 수행할 수 있다.

이와 같이 암(13)의 이동과 버켓(15)의 회전동작을 별개로 수행할 수 있도록 구성함으로써, 대개 암(13)을 작업위치로 이동한 후 버켓(15)을 움직여 작업하게 되는 굴삭작업이나 상차/하차 작업을 보다 편리하게 수행할 수 있는 잇점이 있다. 또한, 통상적인 굴삭기 조종장치가 2개의 스틱으로 이뤄져 있고 2개의 스틱의 조작이 유기적으로 아주 매끄럽게 조화를 이뤄야 원활한 작업이 가능하여 조작이 용이하지 않았던 반면에, 본 발명에 따른 굴삭기 조종장치는 굴삭기의 조작을 암(13)의 이동과 버켓(15)의 회전이라는 2가지 동작으로 구분함으로써 덜 숙련된 사용자라도 보다 용이하게 굴삭기(10)를 조종할 수 있는 잇점이 있다. 더욱이, 상기한 역기구학적 및 정기구학적 연산에 의해 본 발명에 따른 햅틱장치와 실제 굴삭기의 움직임의 크기에 대한 맵핑(mapping)이 이뤄지므로, 실제와 같은 정교한 조작이 가능하다.

한편, 굴삭기 작업 중에 버켓(15)을 통해 암(13)에 전달되는 반력은 정기구학적 연산을 통해 본 발명의 햅틱장치에 전달될 수 있고, 이와 같이 장비에 가해지는 힘이 조종장치에 반영되어 사용자가 굴삭기 작업위치에서의 상황을 직접 느낄 수 있도록 함으로써 사용자가, 예를 들어 특히 원격조종시에, 보다 정교한 작업을 수행할 수 있도록 도와준다.

도 1을 참조하면, 도 1에는 본 발명에 따른 굴삭기 조종장치가 자세하게 도시되어 있다. 본 발명의 굴삭기 조종장치는 고정되어 있는 기저부(200) 위에 3개의 링크장치(310, 330, 350)로 이뤄진 링크부(300)가 구비되어 있고, 각 링크장치(310, 330, 350)의 말단부는 입력부(100)에 각각 연결되어 있다. 이와 같이 3개의 링크장치(310, 330, 350)를 이용함으로써 햅틱장치 입력부(100)의 조작이 3자유도로 이뤄질 수 있고, 입력부(100)의 조작이 3차원 좌표(xh, yh, zh)로 감지된 후 역기구학적 연산을 통해 굴삭기 암 말단부(13a)의 3차원 좌표(xb, yb, zb)로 변환됨으로써 임의의 원하는 작업을 수행할 수 있게 된다.

상기 각 링크장치(310, 330, 350)간의 배치각도는 120도 등간격으로 하는 것이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다.

각 링크장치(310, 330, 350)는 제1 링크(311, 331, 351) 및 제2 링크(321, 341, 361)로 이뤄진다. 제1 링크(311, 331, 351)는 그 일단(311a, 331a, 351a)이 상기 기저부(200)에 회전가능하게 설치되며, 그 회전축인 제1 회전축(313, 333, 353)은 기저부(200)에 평행한 수평축인 것이 바람직하다. 각 링크장치(310, 330, 350)간의 배치각도가 120도인 경우 상기 각 제1 회전축(313, 333, 353) 사이의 각 도 역시 120도로 될 것이다. 제2 링크(321, 341, 361)는 그 일단(321a, 341a, 361a)이 제1 링크(311, 331, 351)의 타단(311b, 331b, 351b)에 회전가능하게 연결되고, 그 타단(321b, 341b, 361b)은 각각 상기 입력부(100)에 회전가능하게 연결된다.

제1 링크(311, 331, 351)와 제2 링크(321, 341, 361) 사이, 및 제2 링크(321, 341, 361)와 입력부(100) 사이의 관절부는 각각 상기 제1 회전축(313, 333, 353)에 평행한 제2a 회전축(315, 335, 355) 및 제3a 회전축(325, 345, 365)과 더불어 상기 제1 회전축(313, 333, 353)에 수직인 제2b 회전축(316, 336, 356) 및 제3b 회전축(326, 346, 366)을 함께 구비하고 있다. 즉, 제1 링크(311, 331, 351)와 제2 링크(321, 341, 361) 사이에는 제2a 회전축(315, 335, 355)과 제2b 회전축(316, 336, 356)이 구비되고, 제2 링크(321, 341, 361)와 입력부(100) 사이에는 제3a 회전축(325, 345, 365)과 제3b 회전축(326, 346, 366)이 구비된다. 이로써, 제2 링크(321, 341, 361)는 제1 링크(311, 331, 351) 및 입력부(100)에 대해 각각 2자유도를 가지도록 구성된다.

위와 같이 구성된 제1 링크(311, 331, 351) 및 제2 링크(321, 341, 361)가 각각 기저부(200) 및 입력부(100)와 위에 설명한 바와 같이 결합됨으로써 입력부(100)는 기저부(200)에 대해 3자유도를 갖는 움직임이 가능해진다. 따라서, 입력부(100)로써 3차원 좌표(xh, yh, zh)를 만들어낼 수가 있으며, 또한 이를 역기구학적 연산을 통해 암 말단부(13a)의 3차원 좌표(xb, yb, zb)로 변환할 수 있게 된다.

입력부(100)에는 사용자의 편의를 위해 손에 쥐기 편리한 형상의 손잡이부(110)가 구비되는 것이 바람직하다. 사용자는 이 손잡이부(110)를 쥐고서 상하, 좌우, 전후방향으로 입력부(100)를 조작함으로써, 통상적인 굴삭기 조종장치에서 2개의 스틱에 의해서만 가능했던 암 말단부(13a)의 이동조작을 용이하게 수행할 수 있다.

손잡이부(110) 상단에는 버켓(15) 조작용의 휠방식 장치(120)가 구비된다. 이러한 휠방식 장치(120)에 의해서, 예를 들어, 사용자가 엄지손가락으로 휠을 몸쪽으로 당기면 버켓(15) 역시 차체 쪽으로 당겨지고, 바깔쪽으로 밀면 버켓(15)도 차체에서 멀어지는 방식으로 굴삭기 버켓(15)을 조작할 수 있다.

한편, 상기 제1 회전축(313, 333, 353)에는 각각 회전각 센서(318)가 구비되어 기저부(200)에 대한 각 링크장치(310, 330, 350)의 제1 링크(311, 331, 351)의 회전각을 검출한다. 회전각 센서(318)는 예를 들어 기저부(200)에 회전가능하게 결합된 제1 링크(311, 331, 351)의 일단(311a, 331a, 351a)에 구비될 수 있다. 이렇게 검출된 회전각 정보는 위에서 언급한 역기구학적 연산에 사용하기 위한 입력부(100)의 3차원 좌표(xh, yh, zh)를 산출하는데 이용된다. 본 발명에 따른 굴삭기 조종장치는 다수의 링크 및 관절부로 이루어져 있으나, 기저부(200) 및 입력부(100)에 의해 구속조건이 마련되어 있어, 각 제1 링크(311, 331, 351)의 회전각만으로 입력부(100)의 3차원 좌표(xh, yh, zh)를 검출할 수 있음에 유의하여야 한다.

상기 제1 회전축(313, 333, 353)에는 또한 모터(319)가 각각 구비되며, 굴삭기를 조작하는 중 버켓(15)을 통하여 또는 통하지 않고서 암의 말단부(13a)에 걸리는 반력에 따라 상기 모터(319)가 구동되어 제1 링크(311, 331, 351) 중 일부 또는 전부에 각각 적절한 힘을 가함으로써, 입력부(100)에 구비된 손잡이부(110)를 쥐고 있는 사용자에게 사실적인 현장감을 느낄 수 있게 한다. 작업현장에서의 이러한 반력을 모터(319)에 의해 햅틱장치에서 재현하는 것은 앞서 언급한 바와 같이 정기구학적 연산에 의해 이뤄진다.

전술한 바와 같이, 이상과 같은 본 발명의 햅틱 장치를 이용함으로써, 굴삭기의 조종이 1개의 스틱으로 암(13)을 3자유도로 조종하고, 동시에 1자유도로 버켓(15)을 작동함으로써, 통상적으로 2개의 스틱으로 굴삭기를 조종하는 것과 달리 매우 편리하게 암(13)을 조작할 수 있고, 버켓(15)의 작동 또한 보다 정교하게 수행할 수 있다.

이상 본 발명을 첨부도면을 참조하여 그 일실시예를 위주로 설명하였으나, 이외에도 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변경, 수정, 변형이 가능할 것이며, 이러한 변경, 수정, 변형은 모두 본 발명의 범위에 포함되는 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 본 명세서의 기재에 의해 제한되지 않으며, 그 범위는 오직 아래의 특허청구범위의 기재에 의하여 정하여진다.

도 1은 본 발명의 병렬형 햅틱장치를 이용한 굴삭기 조종장치의 일실시예에 따른 햅틱장치의 기구 구성을 도시한 것이다.

도 2는 본 발명의 병렬형 햅틱장치를 이용한 굴삭기 조종장치의 일실시예에 따른 햅틱장치와 조종되는 굴삭기간의 제어방식을 간략히 도시한 도면이다.

Claims (12)

1. 굴삭기의 암(arm) 말단부의 위치를 입력하도록 손잡이부가 구비된 입력부와, 상기 입력부의 하측에 위치된 기저부 및 상기 입력부와 기저부 사이에 연결되어 상기 입력부가 상기 기저부에 대하여 3자유도를 갖는 움직임이 가능하도록 하는 링크부로 이루어진 3자유도 병렬형 햅틱기구; 및

   굴삭기의 버켓(bucket)의 각도를 제어할 수 있도록 상기 손잡이부 상단에 양방향 회전이 가능한 휠방식 장치가 구비되는 1자유도 햅틱기구;

   를 포함하는 병렬형 햅틱장치를 이용한 굴삭기 조종장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 링크부는 3개의 링크장치로 구성되며, 각 링크장치는,

   일단이 상기 기저부에 회전가능하게 고정되어 수평축인 제1 회전축에 대하여 회전가능한 제1 링크; 및

   일단이 상기 제1 링크의 타단에 회전가능하게 연결되고 타단은 상기 입력부에 회전가능하게 연결되는 제2 링크를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 병렬형 햅틱장치를 이용한 굴삭기 조종장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 제2 링크는 상기 제1 링크에 대해서 2자유도를 가지고, 또한 상기 입력부에 대해서도 2자유도를 가지며 움직일 수 있는 것을 특징으로 하는 병렬형 햅틱장치를 이용한 굴삭기 조종장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 제2 링크의 일단은,

   상기 제1 링크의 상기 제1 회전축과 평행한 제2a 회전축에 대하여 회전가능한 동시에 상기 제1 회전축과 수직을 이루는 제2b 회전축에 대하여 회전가능한 것을 특징으로 하는 병렬형 햅틱장치를 이용한 굴삭기 조종장치.
6. 제5항에 있어서,

   상기 제2 링크의 타단은,

   상기 제2a 회전축에 평행한 제3a 회전축에 대하여 회전가능한 동시에 상기 제2b 회전축에 평행한 제3b 회전축에 대하여 회전가능한 것을 특징으로 하는 병렬형 햅틱장치를 이용한 굴삭기 조종장치.
7. 제3항에 있어서,

   상기 제1 회전축에 회전각 센서가 구비되어 상기 기저부에 대한 상기 제1 링크의 회전각을 측정할 수 있는 것을 특징으로 하는 병렬형 햅틱장치를 이용한 굴삭기 조종장치.
8. 제7항에 있어서,

   상기 제1 회전축에는 모터가 더욱 구비되어, 굴삭기 작동시 암의 말단부에 걸리는 반력을 반영하여 상기 제1 링크를 구동할 수 있는 것을 특징으로 하는 병렬형 햅틱장치를 이용한 굴삭기 조종장치.
9. 제3항에 있어서,

   상기 각 링크장치의 제1 링크는 각 링크장치의 제1 회전축이 상호 120도의 각도를 이루도록 상기 기저부에 배치되는 것을 특징으로 하는 병렬형 햅틱장치를 이용할 굴삭기 조종장치.
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제

Images