KR101100108B1 - 교시기구 및 이를 구비한 직접교시장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 힘 센서가 파손되는 것이 방지되고, 작업자가 교시기구를 용이하게 조작할 수 있도록 구조가 개선된 교시기구 및 이를 구비한 직접교시장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 교시기구는 움직임을 제어하는 구동프로그램과, 움직임에 따른 위치를 계산하는 위치프로그램이 내장되어 있는 컨트롤러를 구비하는 로봇의 일단부에 결합되는 프레임과, 프레임에 결합되며, 외부로부터 인가되는 힘 및 토크를 측정하는 힘-토크 센서와, 작업자가 파지(把指)하며, 작업자가 인가하는 외력이 상기 힘-토크 센서에 전달되도록 힘-토크 센서에 결합되는 핸들과, 핸들에 대하여 슬라이딩 가능하도록 프레임에 결합되며, 일단부가 가공대상체의 표면에 접촉되는 접촉기와, 접촉기가 슬라이딩 되는 변위를 측정하는 변위센서를 포함한다.

Description

교시기구 및 이를 구비한 직접교시장치{Taeching unit and direct teaching device having the same}

본 발명은 교시기구 및 이를 구비한 직접교시장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 힘-토크 센서와 충격흡수장치 등을 구비함으로써 교시작업을 수행할 때, 자유곡면상에서의 작업데이터를 용이하게 얻을 수 있고, 이러한 작업데이터에 의하여 작업을 효율적으로 수행할 수 있는 교시기구 및 이를 구비한 직접교시장치에 관한 것이다.

작업자에 의하여 작업을 수행하는 경우, 예를 들어 금형의 표면에 열처리 작업을 수행하는 경우, 작업자가 직접 열처리 기구를 사용하여 열처리 작업을 수행하게 됨으로 작업자의 숙련도에 따라 열처리 품질이 달라지고, 금형 표면의 비등가열로 인한 금형의 갈라짐 등의 문제가 발생하게 된다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 산업용 로봇의 이동경로를 사전에 미리 입력하여 로봇으로 자동화하는 기술이 상용화되어 있다. 이때, 로봇의 이동경로를 직접적으로 생성하는 직접교시장치가 이용된다. 도 1은 종래의 직접교시장치의 구성도이다.

도 1을 참조하면, 종래의 직접교시장치는 교시기구(9)와, 컨트롤러(도면 미도시)로 이루어진다. 교시기구(9)는 힘 센서(force/torque sensor)(1)와, 힘 센서의 하부에 결합되는 충격흡수부재(2)와, 충격흡수부재의 하부에 결합되는 교시용 손잡이(3)와, 교시용 손잡이의 하부에 결합되는 접촉단(4)으로 구성된다. 그리고, 이와 같이 구성된 교시기구(9)는 로봇에 장착된다. 로봇은 힘 센서에서 출력되는 데이터에 따라 이동되며, 컨트롤러는 로봇의 위치변화를 이용하여 로봇의 이동경로를 생성한다.

상기와 같이 구성된 직접교시장치에 있어서, 작업자가 교시용 손잡이(3)를 잡고 접촉단(4)을 가공대상체의 표면에 접촉한 상태로 움직이면, 힘 센서는 이때 작용하는 힘 및 토크 데이터를 출력하고, 로봇은 힘 센서에서 출력되는 데이터에 따라 이동되며, 컨트롤러는 로봇의 위치변화를 이용하여 로봇의 이동경로를 생성한다.

하지만, 상술한 종래의 직접교시장치는 다음과 같은 문제점이 있다.

먼저, 산업용 로봇(예를 들어 다축 가공기)은 고출력을 사용하고 있으므로, 접촉단이 가공대상체의 표면을 따라 이동하는 중, 예를 들어 가공대상체의 표면에 돌출된 부분 등이 있거나 로봇이 오작동하는 경우 큰 충격이 발생할 수 있다. 그리고, 이와 같이 충격이 발생하면 이 충격은 일렬로 배치되어 있는 교시용 손잡이(3) 및 충격흡수기구(2)를 통해 힘 센서(1)로 전달된다. 이때, 충격흡수기구(2)가 전달되는 충격을 어느 정도 완화해 주기는 하지만, 발생하는 충격 자체가 매우 크기 때문에 많은 양의 충격이 힘 센서(1)로 전달되어 힘 센서가 파손되는 문제점이 있다.

또한, 가공대상체의 표면이 평평하지 않고 굴곡지거나 울퉁불퉁한 경우, 접촉단을 가공대상체의 표면을 따라 움직이기 위해서는 사용자가 교시기구(9)를 수직방향(높이방향)으로 많이 조작하여야 한다. 하지만, 로봇 자체의 하중이 클 뿐 아니라, 접촉단이 가공대상체의 표면에 접촉된 상태를 유지하면서 움직여야 하므로(로봇의 이동경호 생성시 수직 방향의 이동은 매우 민감한 요소), 교시기구의 조작이 용이하지 않다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 힘 센서가 파손되는 것이 방지되고, 작업자가 교시기구를 용이하게 조작할 수 있도록 구조가 개선된 교시기구 및 이를 구비한 직접교시장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 교시기구는 움직임을 제어하는 구동프로그램과, 움직임에 따른 위치를 계산하는 위치프로그램이 내장되어 있는 컨트롤러를 구비하는 로봇의 일단부에 결합되는 프레임과, 상기 프레임에 결합되며, 외부로부터 인가되는 힘 및 토크를 측정하는 힘-토크 센서와, 작업자가 파지(把指)하며, 상기 작업자가 인가하는 외력이 상기 힘-토크 센서에 전달되도록 상기 힘-토크 센서에 결합되는 핸들과, 상기 핸들에 대하여 슬라이딩 가능하도록 상기 프레임에 결합되며, 일단부가 가공대상체의 표면에 접촉되는 접촉기와, 상기 접촉기가 슬라이딩 되는 변위를 측정하는 변위센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 상기 힘-토크 센서와 상기 핸들 사이에 배치되어, 상기 핸들로부터 상기 힘-토크 센서로 전달되는 충격을 감소시키는 충격흡수부재를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따르면 상기 접촉기가 상기 프레임으로부터 멀어지는 방향으로 상기 접촉기를 탄성바이어스 시키는 탄성부재를 더 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 직접교시장치는 교시기구 및 상기 변위센서에서 측정된 변위 데이터와, 상기 로봇의 위치 데이터를 수신하며, 상기 수신된 데이터를 기초로 로봇의 작업경로를 생성하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 상기 제어부는 상기 로봇의 위치 데이터를 기초로 하되, 상기 접촉기가 슬라이딩된 변위 데이터를 상기 위치 데이터에 보상함으로써, 상기 로봇의 작업경로를 생성하는 것이 바람직하다.

상기한 구성의 본 발명에 따르면, 가공대상체와 접촉기 사이에서 발생하는 충격에 의해 힘-토크 센서가 파손되는 것이 방지된다.

또한, 교시작업을 용이하고 정확하게 실시할 수 있으며, 그 결과 정확한 로봇의 작업경로를 생성할 수 있다.

또한, 교시작업 중 가공대상체나 접촉기가 손상되는 것이 방지된다.

도 1은 종래의 직접교시장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접교시장치의 개략적인 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 교시기구의 사시도이다.
도 4는 교시과정 중 교시기구의 작동과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접교시장치의 개략적인 구성도이며, 도 3은 도 2에 도시된 교시기구의 사시도이며, 도 4는 교시과정 중 교시기구의 작동과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 직접교시장치(1000)는 로봇의 작업동선을 생성하기 위한 것이다. 여기서, 로봇(R)이란 다축 가공기와 같이 자동화되어 움직이는 기계를 의미하는 것으로, 이러한 로봇에는 로봇의 움직임을 제어하는 구동프로그램(r1)과, 로봇의 움직임에 따른 로봇의 위치(자세)를 계산하는 위치프로그램(r2)이 내장되어 있는 컨트롤러가 구비되어 있다.

본 실시예에 따른 직접교시장치(1000)는 교시기구(100)와, 제어부(200)를 포함한다.

교시기구(100)는 프레임(10)과, 힘-토크 센서(20)와, 핸들(30)과, 충격흡수부재(40)와, 접촉기(50)와, 변위센서(도면 미도시)와, 탄성부재(도면 미도시)를 구비한다.

프레임(10)은 로봇의 일측 단부(end effect)에 결합되는데, 이때 도 3에 도시된 바와 같이 착탈 과정이 용이하도록 나사(n) 등에 의해 결합된다. 그리고, 프레임(10)에는 후술할 접촉기의 슬라이더부가 삽입되는 홈부가 마련되어 있다.

힘-토크 센서(20)는 인가되는 힘 및 토크를 측정할 수 있는 공지의 구성으로, 본 실시예의 경우 3축(X,Y 및 Z) 방향의 힘과, 3축 방향의 토크를 측정할 수 있는 힘-토크 센서가 사용된다. 이 힘-토크 센서(20)는 프레임(10)에 고정된다.

핸들(30)은 작업자가 파지(把指)하기 용이하도록 일방향으로 길게 형성된다. 그리고, 핸들(30)의 외측면에는 작업자의 손이 미끄러지는 것을 방지하기 위한 처리, 예를 들어 마찰이 큰 고무 소재로 둘러싸여 있다. 이 핸들(30)은 힘-토크 센서(20)에 결합되어, 작업자가 핸들(30)을 잡고 힘을 가하는 경우, 핸들(30)에 가해진 힘(외력)은 힘-토크 센서로 전달되어, 힘-토크 센서(20)에서 힘과 토크가 측정된다.

그리고, 핸들에는 로봇의 구동을 제어하는 스위치(31)가 설치되어 있다. 이 스위치는 on/off 스위치와 같이 2단계로 구성될 수도 있으나, 본 실시예에서는 3단계로 동작하는 스위치가 이용된다. 즉, 스위치(31)는 전혀 눌러지지 않는 정지단계(1단계)와, 기준크기만큼 눌러진 작동단계(2단계)와, 기준크기 이상으로 과도하게 눌러진 중단단계(3단계)로 이루어진다. 스위치(31)가 정지단계에 있는 경우에는 작업자가 핸들(30)에 힘을 가하여도 로봇이 움직이지 않으며, 스위치가 작동단계로 눌러진 상태에서 핸들에 힘을 가하면 그 방향으로 로봇이 움직이게 된다. 그리고, 스위치가 중단계와 같이 과도하기 눌러진 상태에서는 로봇의 움직임이 중단된다. 이와 같이 스위치(31)를 구성하면, 작업자가 핸들(30)을 조작하는 과정에서 자세가 불안정해지면서 핸들(30)을 꽉 잡은 채로 쓰러지거나 하는 경우에 로봇의 움직임이 정지된다. 따라서, 작업자의 안전문제를 보완할 수 있으며, 교시작업이 부정확한 상태로 계속 진행되는 것을 예방할 수 있다.

충격흡수부재(40)는 핸들(30)에서부터 힘-토크 센서로 전달되는 충격을 완화하기 위한 것으로, 스프링이나 고무와 같이 탄성을 가지는 소재가 충격흡수부재로 사용될 수 있다. 이 충격흡수부재는 핸들(30)과 힘-토크 센서(20) 사이에 배치되어, 힘-토크 센서로 전달되는 충격을 감소시킨다.

접촉기(50)는 슬라이더부(51)와 접촉단(52)을 가진다. 슬라이더부(51)는 핸들의 길이 방향(Z축 방향)으로 길게 형성된다. 이 슬라이더부(51)는 프레임의 홈부에 슬라이딩 가능한 상태로 삽입된다. 접촉단(52)은 슬러이더부에 결합되며(일체로 형성될 수 있음), 자동차 프레임과 같은 가공대상체(p)의 표면에 접촉된다. 그리고, 작업자가 핸들을 움직이면, 이 접촉단은 가공대상체의 표면을 따라 슬라이딩 된다.

변위센서(미도시)는 접촉기(50)가 프레임(10)에 대하여 슬라이딩 되는 변위를 측정하기 위한 것이다. 이와 같이 변위를 측정하기 위한 센서로는, 위치에 따라 저항이 변하는 가변저항식과, 위치에 따라 압력이 변하는 압력식과, 위치에 따라 내부의 코일의 결합도가 바뀌는 트랜스식 등이 있다. 다만, 본 실시예에서는 변위센서가 같이 작은 크기를 가지며 정밀하게 변위를 측정하여야 하므로, 가변저항식 또는 트랜스식의 변위센서가 적합하다. 이 변위센서는 프레임에 결합되어 접촉기가 슬라이딩되는 변위를 측정하며, 후술하는 바와 같이 이 변위와 로봇이 움직인 변위를 종합하여 로봇의 작업동선을 생성한다.

탄성부재(미도시)는 접촉기(50)를 프레임(30)으로부터 멀어지는 방향으로 탄성바이어스 시키기 위한 것으로, 압축 스프링 등이 사용될 수 있다. 압축 스프링의 일단부는 프레임(10)에 지지되고, 타단부는 슬라이더부(52)에 지지되며, 이에 따라 접촉기(50)가 프레임으로부터 최대로 멀어진 상태(즉, 접촉기가 최대로 신장된 상태)로 유지된다.

상술한 바와 같이 구성된 교시기구(100)에 있어서, 도 4에 실선으로 도시된 바와 같이 접촉단(51이 가공대상체(p)의 표면에 접촉된 상태에서 교시작업이 진행되며, 이때 접촉기(50)가 프레임(10)으로부터 멀어지는 방향 즉 하방으로 탄성바이어스 되어 있지 때문에 접촉단(51)이 항상 가공대상체(p)의 표면에 접촉한 상태를 유지하게 된다. 그리고, 도 4에 점선으로 도시된 바와 같이 가공대상물의 표면이 위로 돌출되는 경우에는 접촉기(50)가 상방향으로 슬라이딩 되므로, 작업자가 가공대상물의 표면 형상을 따라 상방향으로 힘을 가하여 교시기구를 상방향으로 움직일 필요 없이, 단순히 좌측으로만 교시기구(100)를 이동시킴으로써 교시작업을 진행할 수 있다. 그리고, 이 과정에서 접촉기가 슬라이딩된 변위(Z축 방향의 높이 데이터)는 변위센서에서 측정되어, 후술할 제어부로 전송된다.

제어부(200)는 로봇의 컨트롤러로부터 로봇의 위치(자세) 데이터를 수신받고, 변위센서로부터 접촉단(51)이 슬라이딩된 변위 데이터를 수신받으며, 이 두 데이터를 종합하여, 접촉기의 접촉단(51)이 이동한 경로, 즉 로봇의 작업경로를 생성한다. 즉, 제어부는 로봇의 좌표와 접촉기의 좌표를 일치시키는 단계와, 로봇의 위치 데이터에 변위 데이터를 보상하는 단계 등을 거쳐서, 로봇의 작업경로를 생성하고 이를 저장한다.

한편, 직접교시장치에는 교시과정의 시작과 중단을 제어하는 제어버튼(도면 미도시)이 더 구비된다. 제어버튼이 on 상태에서는 힘-토크 센스, 변위센서 등이 정상적으로 작동되어 데이터를 수집한다. 또한, 이 상태에서는 교시기구가 정밀하게 이동되도록, 로봇이 느린 속도로 구동된다. 반대로, 제어버튼이 off 된 상태에서는 힘-토크 센스, 변위센서 등이 중단되고, 빠른 이동을 위해 로봇이 빠른 속도록 구동된다.

이하, 상술한 바와 같이 구성된 직접교시장치(1000)를 사용하여 교시작업을 실시하는 과정에 관하여 설명한다.

먼저, 작업자는 제어버튼이 off 된 상태에서 교시기구(100)를 가공대상체(p)의 교시지점으로 이동시킨다. 이후, 제어버튼을 on 상태로 하고, 스위치를 작동단계(2단계)로 한 상태에서, 핸들을 잡고 가공대상체를 따라 교시기구를 이동시킨다(즉, 핸들에 힘을 가한다). 그러면, 핸들에 가해진 힘이 힘-토크 센서에 측정되고, 측정된 데이터는 로봇의 컨트롤러로 송신된다. 로봇은 송신된 데이터에 따라 구동(이동)되며, 이 과정에서 로봇의 위치 데이터와 변위 데이터가 확보된다. 제어부는 로봇의 위치 데이터와 변위 데이터를 수신하며, 이 데이터를 기초로 로봇의 작업경로를 생성한 후 저장하면 교시작업이 완료된다. 그리고, 이와 같이 교시작업이 완료된 후에는, 로봇에서 교시기구를 분리하고 그 자리에 고주파 유도 발생기와 같은 가공기구를 설치한 후 저장된 작업경로를 따라 가공과정을 실시하면 된다.

상술한 바와 같이, 본 실시예에 따르면 종래와 같이 접촉기가 핸들에 직접 결합되어 있는 것이 아니라, 프레임에 결합되어 있다. 따라서, 접촉기를 가공대상체의 표면에 접촉한 상태로 교시작업을 진행하는 과정에서, 접촉기와 가공대상체 사이에 충격이 발생하더라도, 이 충격이 핸들을 통해 힘-토크 센서로 직접 전달되어 힘-토크 센서가 파손되는 것이 방지된다.

또한, 접촉기가 프레임에 높이 방향(Z축 방향)으로 슬라이딩 가능하게 결합되어 있으므로, 가공대상체의 표면이 곡면이거나 울퉁불퉁한 경우에도 그 표면 형상에 따라 접촉기가 높이 방향으로 슬라이딩 된다. 따라서, 작업자는 가공대상체 표면의 높이에 따라 일일이 정밀하게 힘을 조절할 필요 없이, 수평방향으로만 교시기구를 움직이면 되며, 따라서 교시과정이 매우 용이하게 된다. 그리고, 이와 같이 접촉기가 슬라이딩 된 데이터는 작업경로 생성시 처리과정에 반영되므로, 정밀한 교시작업을 수행할 수 있다.

또한, 종래의 경우 충격 발생시 충격흡수부재가 이 충격을 흡수하는 과정에서 변형이 일어나게 되는데, 이러한 변형 즉 높이 방향으로의 변형은 로봇의 작업경로 생성에 반영되지 않는 문제점이 있다. 이러한 변형은 매우 작은 것일 수도 있으나, 로봇의 작업경로에 있어서 높이는 매우 민감한 사항이므로 문제가 되었다. 하지만, 본 실시예에서 높이 방향으로의 충격은 접촉기가 높이 방향으로 슬라이딩 되는 과정에서 다 흡수되며, 이때 발생하는 변위는 변위센서에 의해 측정되어 로봇의 작업경로 형성시 반영된다. 따라서, 종래보다 더 정밀하게 작업경로를 형성할 수 있다. 한편, 본 실시예에서도 힘-토크 센서와 핸들 사이에 충격흡수부재가 마련되어 있으나, 이는 특별한 상황에서 힘-토크 센서가 파손되는 것을 방지하기 위한 예비적인 것으로, 일반적인 교시과정에서 발생하는 충격이 충격흡수부재로 전달되어 충격흡수부재가 변형되지는 않는다.

또한, 종래의 경우에는 교시작업 중 접촉단이 가공대상체의 표면에서 떨어지는 것을 방지하기 위해, 작업자가 하방향으로 힘을 가한 상태로 교시작업을 진행하여야 했다. 따라서, 가공대상체와 접촉단 사이에 과도한 마찰이 발생하여 가공대상체의 표면 또는 접촉단이 손상될 위험도 있을 뿐 아니라, 교시작업에 많은 힘이 소요되었다. 하지만, 본 실시예의 경우 접촉기가 하방향 즉 가공대상체쪽으로 탄성바이어스 되어 있으므로, 작업자가 과도한 힘을 가하지 않더라도 접촉기가 항상 가공대상체의 표면에 접촉된 상태를 유지하게 된다. 따라서, 정확한 작업경로를 생성할 수 있을 뿐 아니라, 교시과정이 용이해지고 가공대상체나 접촉기가 파손되는 것을 방지할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

1000...직접교시장치 100...교시기구
10...프레임 20...힘-토크 센서
30...핸들 31...스위치
40...충격흡수부재 50...접촉기
51...슬라이더부 52...접촉단
200...제어부

Claims (5)

1. 움직임을 제어하는 구동프로그램과, 움직임에 따른 위치를 계산하는 위치프로그램이 내장되어 있는 컨트롤러를 구비하는 로봇의 일단부에 결합되는 프레임;
   상기 프레임에 결합되며, 외부로부터 인가되는 힘 및 토크를 측정하는 힘-토크 센서;
   작업자가 파지(把指)하며, 상기 작업자가 인가하는 외력이 상기 힘-토크 센서에 전달되도록 상기 힘-토크 센서에 결합되는 핸들;
   상기 핸들에 대하여 슬라이딩 가능하도록 상기 프레임에 결합되며, 일단부가 가공대상체의 표면에 접촉되는 접촉기; 및
   상기 접촉기가 슬라이딩 되는 변위를 측정하는 변위센서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 교시기구.
2. 제1항에 있어서,
   상기 힘-토크 센서와 상기 핸들 사이에 배치되어, 상기 핸들로부터 상기 힘-토크 센서로 전달되는 충격을 감소시키는 충격흡수부재;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 교시기구.
3. 제1항에 있어서,
   상기 접촉기가 상기 프레임으로부터 멀어지는 방향으로 상기 접촉기를 탄성바이어스 시키는 탄성부재;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 교시기구.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 교시기구; 및
   상기 변위센서에서 측정된 변위 데이터와, 상기 로봇의 위치 데이터를 수신하며, 상기 수신된 데이터를 기초로 로봇의 작업경로를 생성하는 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 직접교시장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 로봇의 위치 데이터를 기초로 하되, 상기 접촉기가 슬라이딩된 변위 데이터를 상기 위치 데이터에 보상함으로써, 상기 로봇의 작업경로를 생성하는 것을 특징으로 하는 직접교시장치.

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