KR101401844B1 - 핑거의 베이스에 다중­힘 감지를 갖는 로봇 파지 디바이스 - Google Patents

핑거의 베이스에 다중­힘 감지를 갖는 로봇 파지 디바이스 Download PDF

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Abstract

로봇 파지 디바이스(10)는 제 1 핑거(20), 제 2 핑거(30) 및 액추에이터(40)를 가진다. 제 1 핑거는 제 1 핑거팁(22), 제 1 베이스(24) 및 제 1 액추에이터 맞물림 단부(26)를 가진다. 제 1 핑거의 제 1 파지 표면(21)은 제 1 핑거팁과 제 1 베이스 사이에 놓인다. 유사하게, 제 2 핑거는 제 2 핑거팁(32), 제 2 베이스(34), 제 2 액추에이터 맞물림 단부(36)를 가진다. 제 2 핑거의 제 2 파지 표면(31)은 제 2 핑거팁과 제 2 베이스 사이에 있다. 액추에이터(40)는 핑거를 열고 닫도록 제 1 액추에이터 맞물림 단부 및 제 2 액추에이터 맞물림 단부와 기계적으로 맞물린다. 제 1 힘센서(28)는 제 1 핑거 상의 제 1 작동힘을 측정하도록 제 1 핑거의 베이스 상에 배치되고, 제 2 힘센서(38)는 제 2 핑거 상의 제 2 작동힘을 측정하도록 제 2 핑거의 베이스 상에 배치된다.

Description

핑거의 베이스에 다중­힘 감지를 갖는 로봇 파지 디바이스{ROBOTIC GRASPING DEVICE WITH MULTI-FORCE SENSING AT BASE OF FINGERS}
본 발명의 배열은 일반적으로 로봇 파지 디바이스(robotic grasping devices)에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 촉각 피드백 시스템에 대한 개선된 감지 능력을 갖는 로봇 파지 디바이스에 관한 것이다.
원격으로 제어되는 로봇 시스템은 인간이 위험하거나 그렇지 않으면 불쾌한 작업 환경에 놓일 수 있는 영역에서 사용하도록 점점 더 일반화되고 있다. 로봇 시스템의 하나의 중요한 구성요소는 들어 올려지거나, 이동되거나 또는 그렇지 않으면 조작될 대상을 움켜쥐도록 사용되는 파지 디바이스 또는 그리퍼이다. 일반적인 파지 디바이스는 그러한 파지 동작을 초래하는 액추에이터에 의해 이동될 수 있는 하나 이상의 로봇 핑거를 포함한다. 조작자가 로봇 핑거의 움직임을 제어하는 것을 허용하도록 사용자 인터페이스가 제공된다.
일부 로봇 시스템은 사용자 인터페이스에서 촉각 피드백 힘을 발생시키도록 로봇으로부터의 센서 데이터에 의존하는 촉각 인터페이스를 포함한다. 촉각 피드백 힘은 사용자에게 로봇 시스템의 작동을 제어하기에 유용한 촉각 피드백을 제공하도록 의도된다. 예를 들어, 파지 디바이스의 경우에, 센서는 대상에 대해 로봇 핑거에 의해 가해지는 힘을 측정할 수 있다. 이러한 힘 정보는 제어 시스템에 전달되고, 여기서 그것은 사용자 인터페이스에서 확인되는 촉각 피드백 힘을 판정하도록 사용된다.
일부 파지 디바이스는 액추에이터 활동을 측정하는 것에 의해 로봇 핑거에 의해 가해지는 힘을 측정한다. 그러한 시스템이 예를 들어, 미국 특허 제 7,168,748호에 개시된다. 그러나 그러한 배열이 갖는 한 가지 문제는 가해진 힘의 방향을 감지하지 못한다는 것이다. 미국 특허 제 5,092,645호에 개시된 바와 같은,다른 시스템은 로봇 핑거에 의해 가해지는 힘을 측정하도록 로봇 핑거 상에 촉각 패드를 제공한다.
본 발명의 목적은 촉각 피드백 시스템에 대한 개선된 감지 능력을 갖는 로봇 파지 디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명은 로봇 파지 디바이스 및 로봇 파지 디바이스에 가해지는 힘을 측정하기 위한 방법에 관한 것이다. 파지 디바이스는 각각이 연신된 형태를 갖는, 적어도 제 1 및 제 2 로봇 핑거를 포함한다. 로봇 핑거의 각각은 근위 단부를 갖고 여기서 그것은 액추에이터, 및 파지 표면(a gripping surface)을 포함하는 말단부와 맞물린다. 액추에이터는 파지 동작에 부합해서 로봇 핑거를 이동하는 액추에이터 힘을 가하도록 하나 이상의 제어신호에 반응한다. 예를 들어, 파지 동작은 대향하는 제 1 및 제 2 파지 표면 사이의 공간을 감소시킬 수 있다. 제 1 힘센서는 근위 단부와 근위 단부에 인접한, 말단부 사이의 제 1 로봇 핑거 상에 배치된다. 제 1 힘센서는 제 1 로봇 핑거의 말단부에 가해지는 작동힘을 감지하도록 구성된다. 일부 실시예에서, 제 1 힘센서는 적어도 세 개의 공간 방향에 대한 작동힘을 감지하도록 구성된다. 공간 방향 중 적어도 하나는 제 1 로봇 핑거의 연신된 길이와 실질적으로 정렬될 수 있다.
제 2 힘센서는 근위 단부와 근부 단부에 인접한, 말단부 사이의 제 2 로봇 핑거 상에 배치된다. 그러한 실시예에서, 제 1 힘센서와 제 2 힘센서는 제 1 및 제 2 로봇 핑거에 가해진 제 1 및 제 2 작동힘을 각각 감지한다. 본 발명의 일 측면에 따라서, 이들 힘은 적어도 세 개의 공간 방향에서 제 1 및 제 2 힘센서의 각각에 의해 측정된다. 더 구체적으로, 제 1 힘센서는 제 1 좌표계에 대한 제 1 작동힘을 감지하고, 제 2 힘센서는 다른, 제 2 좌표계에 대한 제 2 작동힘을 감지한다. 제 1 좌표계의 적어도 하나의 축은 제 1 핑거의 연신된 길이와 실질적으로 정렬된다. 제 2 좌표계의 적어도 하나의 축은 제 2 핑거의 연신된 길이와 실질적으로 정렬된다.
제 1 및 제 2 센서로부터의 정보는 데이터 처리 시스템에 전달된다. 데이터 처리 시스템은 파지 디바이스에 의해 가해진 파지력(a gripping force)을 판정하도록 제 1 및 제 2 작동힘을 나타내는 데이터를 사용한다. 파지력 정보는 사용자 인터페이스에 촉각반응을 생성하기 위한 촉각 피드백 제어신호를 발생시키도록 사용된다. 데이터 처리 시스템은 (제 1 좌표계의) 제 1 작동힘 및 (제 2 좌표계의) 제 2 작동힘을 공통 제 3 좌표계로, 변환시킬 수 있다. 따라서, 파지 디바이스가 로봇 아암에 부착된다면, 로봇 아암 상의 작동힘이 판정될 수 있다. 제 3 좌표계는 로봇 아암의 연신된 길이와 실질적으로 정렬되는 축선을 포함할 수 있다. 데이터 처리 시스템은 사용자 인터페이스에 촉각반응을 생성하기 위한 또 다른 촉각 피드백 제어신호를 발생시키도록 작동힘 정보를 사용할 수 있다.
본 발명의 로봇 파지 디바이스는 로봇 핑거의 베이스에서의 다축 힘-감지를 제공한다.
실시예는 다음의 도면에 대한 참조와 함께 설명될 것이고, 동일한 번호는 도면에 걸쳐 동일한 아이템을 나타내며, 여기서:
도 1은 로봇 파지 디바이스의 일 실시예의 투시도이다.
도 2a는 핑거 베이스와 힘센서의 위치를 도시하도록 핑거가 제거된 도 1에 도시된 로봇 파지 디바이스의 실시예의 투시도이다.
도 2b는 점선으로 둘러싸인 도 2a의 일부의 상세도이다.
도 3은 로봇 파지 디바이스의 다양한 구성요소에 대한 힘 도표를 도시하는, 도 1에 도시된 로봇 파지 디바이스의 실시예의 투시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 로봇 파지 디바이스를 사용하는 무인 지상 차량(UGV)을 도시한다.
도 5는 도 4의 UGV에 의해 측정된 작동힘 데이터로부터 얻어진 촉각 피드백 데이터를 사용하는 제어기를 도시한다.
도 6은 제어기의 추가적인 특징을 나타내는 구체적인 블록도이다.
본 발명의 다양한 실시예는 첨부된 도면에 대한 참조와 함께 설명되고, 여기서 동일한 참조 번호는 도면에 걸쳐 유사하거나 등가의 부재를 나타내도록 사용된다. 도면은 축척에 따라 그려지지 않고 단지 본 발명의 실시예를 도시하도록 제공된다. 본 발명의 여러 측면은 도시를 위해 예시적인 어플리케이션에 대해 참조하면서 아래에 설명된다. 다수의 특정 세부사항, 관계, 및 방법이 본 발명의 완전한 이해를 제공하도록 제시된다는 것이 이해되어야만 한다. 그러나 관련 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 특정 세부사항 중 하나 이상이 없이 또는 다른 방법으로 실시될 수 있다는 것을 쉽게 인지할 것이다. 다른 예들에서, 공지된 구조 또는 작동은 본 발명을 모호하게 하는 것을 피하도록 구체적으로 도시되지 않는다. 본 발명은 일부 작동이 다른 순서로 및/또는 다른 작동 또는 이벤트와 동시에 발생할 수 있기 때문에, 작동 또는 이벤트의 도시된 순서에 의해 한정되지 않는다. 또한, 모든 도시된 작동 또는 이벤트가 본 발명에 부합하는 방법론을 구현하도록 요구되는 것은 아니다.
본 발명은 하나 이상의 로봇 핑거를 갖는 로봇 파지 디바이스에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 로봇 핑거의 베이스에서의 다축 힘-감지에 관한 것이다. 다축 힘 감지는 각각의 로봇 핑거 상의 작동힘을 판정하는 방식을 제공한다. 바람직하게 작동힘 측정은 공간 방향이 해당 핑거에 관련된 좌표계에 대해 정의될 수 있는, 적어도 세 개의 공간 방향에서 로봇 핑거 상의 힘을 측정하는 것을 포함한다. 결과적으로, 로봇 핑거 상의 모든 접촉력은 반작용력(파지에 의해 생성됨), 핑거팁 상의 외력(표면을 스치거나 부딪히는 것에 의한 것과 같음), 파지되는 대상의 중량 등을 포함하여 측정될 수 있다. 또한, 이러한 힘 감지는 액추에이터 활동 감지, 또는 파지 디바이스 자체의 베이스(손목)에서 힘의 측정을 요구하지 않는다. 핑거의 베이스에 센서를 위치시키는 것은 종래의 힘/토크 센서 출력에서 잡음을 생성할 수 있는 진동, 무거운 파지 디바이스 또는 둘 모두에 의해 야기된 감지 문제를 피한다. 특히, 그러한 잡음은 파지 디바이스가 부착되는 로봇 아암과 같은, 종래의 위치에 센서가 위치될 때 초래될 수 있다. 핑거의 베이스에 센서를 위치시키는 것은 이러한 문제를 피하고, 그로써 저-잡음 데이터를 제공한다.
저-잡음 작동 핑거 힘 데이터는 즉시 어플리케이션에 가장 의미 있는 포맷으로 변형될 수 있다. 예를 들어, 전체 핸드 파지력이 계산될 수 있고, 액추에이터 아암 상의 작동힘이 계산될 수 있으며, 그리고 로봇 파지 디바이스의 베이스에 대한 힘 역시 계산될 수 있다. 이러한 계산된 힘 값은 조작자가 로봇 파지 디바이스의 정밀한 제어를 보장하도록 더 높은-충실도의 촉각 피드백으로 변환될 수 있다. 촉각 정보는 핑거의 파지력 및 아암 상의 작동힘에 관한 힘 피드백 정보를 제공하도록 작동힘 데이터를 사용하여 계산된다.
도 1은 로봇 파지 디바이스(10)의 투시도이다. 파지 디바이스(10)는 제 1 핑거(20) 및 제 2 핑거(30)를 포함한다. 하나의 또는 두 핑거 모두가 로봇 파지 디바이스(10)를 지지하는 로봇 아암(12)에 연결되는 그리퍼 베이스(11)에 하우징되는 액추에이터(40)에 결합될 수 있다. 두 개의 핑거(20, 30)만이 도시됨에도 추가적인 핑거가 제공될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 각각의 핑거(20, 30)는 각각의 핑거(20, 30)의 각각의 근위 단부에 위치되는 액추에이터 맞물림 단부(26, 36), 또한, 각각의 핑거의 근위 단부에서의 핑거 베이스(24, 34), 및 각각의 핑거의 말단부에서의 핑거팁(22, 32)을 포함한다. 각각의 핑거(20, 30)의 파지 표면(21, 31)은 각각의 핑거팁(22, 32)과 베이스(24, 34) 사이에 배치된다. 힘센서(28, 38)가 액추에이터 맞물림 단부(26, 36)와 파지 표면(21, 31) 사이에 제공된다.
액추에이터(40)는 파지 디바이스(10)의 개폐를 용이하게 하도록 액추에이터 맞물림 단부(26, 36)의 각각에 기계적으로 결합된다. 특정 제어신호에 반응해서, 액추에이터(40)가 액추에이터 맞물림 단부(26, 36)를 조작할 때, 액추에이터(40)는 핑거팁(22, 32)이 서로를 향해 그리고 서로로부터 떨어져 이동하게 하도록 구성된다.
액추에이터(40)는 핑거(20, 30)를 이동하도록 구동력을 제공하기 위한 하나 이상의 DC 모터(미도시)를 포함할 수 있다. 또한 적합한 제어회로가 DC 모터를 작동시키도록 제공될 수 있다. 모터는 모터축의 회전에 반응해서 핑거(20, 30)가 서로를 향해 또는 서로로부터 떨어져 이동하도록 하는 것을 용이하게 하는 기어, 캠 또는 다른 적합한 구성요소를 포함하는 송신 시스템에 결합될 수 있다. 또한, 본 발명은 이러한 점에서 한정되지 않고 다른 액추에이터 배열 역시 가능하다. 예를 들어, DC 모터를 사용하기보다는, 액추에이터는 핑거(20, 30)를 구동하기 위한 원동력을 제공하도록 하나 이상의 유압식 또는 공압식 액추에이터를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명이 임의의 특정 액추에이터 배열에 한정되지 않는다는 것이 이해되어야만 한다. 대신에, 임의의 적합한 기계적, 전자-기계적, 유압식, 공압식, 또는 그와 유사한 배열이 로봇 핑거의 파지 움직임을 초래하도록 구성될 수 있다.
이제 도 2a, 도 2b 및 도 3에 대해 언급하면서, 제 1 힘센서(28)는 제 1 핑거(20)에 의해 경험된 제 1 작동힘 F1을 측정하는 반면에, 제 2 힘센서(38)는 제 2 핑거(30)에 의해 경험된 제 2 작동힘 F2를 측정한다. 작동힘 측정은 하나, 두 개 또는 세 개의 공간 방향에서 핑거 상의 힘을 측정하는 것을 포함할 수 있다. 공간 방향은 해당 핑거에 관련된 좌표계에 대해 정의될 수 있다. 예를 들어, 좌표계의 하나의 축선은 각각의 핑거의 연신된 길이를 따라서 연장하는 축선과 함께 실질적으로 정렬될 수 있다.
일부 실시예에서, 세 개의 공간 방향에서 힘 측정을 수행하도록 각각의 핑거에서 하나 이상의 힘센서를 사용하는 것이 필요할 수 있다. 따라서, 힘센서(28)는 실제로 두 개 이상의 개별적인 힘센서로 구성될 수 있다. 유사하게, 힘센서(38)는 또한 적어도 세 개의 공간 방향에서 핑거 상의 힘을 측정하는 목적을 위해 두 개 이상의 개별적인 힘센서를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서 각각의 핑거의 힘센서(28, 38)는 각각의 핑거의 베이스(24, 34)와 유용한 파지 표면(21, 31) 사이에 위치될 수 있다. 다른 실시예에서, 힘센서(28, 38)는 핑거의 베이스(24, 34)의 일부를 형성할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 각각의 힘센서(28, 38)는 예를 들어, 핑거 베이스(24, 34) 상에 물리적으로 배치된 힘 측정 유니트일 수 있다. 각각의 핑거(20, 30)의 각각의 파지 표면(21, 31)을 제공하는 핑거 그리퍼(25, 35)가 핑거 베이스(24, 34)에 단단하게 부착된다. 일부 실시예에서 힘센서(28, 38)는 핑거 베이스(24, 34)의 표면에 본딩된 스트레인 게이지로서 구현된다. 힘이 핑거에 가해질 때 핑거 베이스에서 충분한 굽힘을 얻기 위해서, 핑거 베이스(24, 34)는 힘-감지 어플리케이션에 일반적인 바와 같이 바람직하게 박막(thin-walled) 구조이다. 스트레인 게이지의 취성으로 인해, 도 2b에 도시된 바와 같이 손상으로부터 힘센서(28, 38)를 보호하기 위해서 부착될 때 핑거 그리퍼(25, 35)가 핑거 베이스(24, 34) 위로 슬라이드하여 완전히 덮는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 핑거 베이스(24)가 힘 F1 및 F2로 인해 구부러짐에 따라서 핑거 그리퍼(25)가 (부착 단부에서가 아니라) 핑거 베이스(24)에 접촉하지 않도록 핑거 그리퍼(25)와 핑거 베이스(24) 사이에 에어갭(27)이 있는 것이 바람직할 수 있다. 스트레인 게이지(28, 38)의 전기 연결이 핑거 접촉력 F1 및 F2의 측정을 생성하도록 필요한 신호 조정 및 처리를 수행하는 그리퍼 베이스(11) 내의 전자기기에 연결된다.
도 3에 대해 다시 한번 더 논의하면서, 작동힘의 다양한 구성요소에 대한 힘 도표를 도시하는 로봇 파지 디바이스(10)의 투시도가 제공된다. 액추에이터(40)가 핑거(20, 30)를 대상(1)에 대해 닫히도록 할 때 도시된 힘이 발생한다. 더 구체적으로, 핑거(20, 30)가 대상(1)에 대해 닫힐 때, 대상(1)에 대해 핑거(20, 30)에 의해 가해진 힘은 핑거(20, 30) 각각에 대해 전해지는 대응하는 반작용력 F1R 및 F2R을 생성할 것이다. 다른 힘 역시 핑거(20, 30)에 대해 작용할 수 있다. 예를 들어, 핑거(20, 30)에 의해 파지된 대상은 일부 하중을 가질 것이고 그 하중은 핑거(20, 30)에 전해지는 힘을 초래할 것이다. 또한, 핑거(20, 30)는 일부 예에서 핑거(20, 30) 상에 작용하는 저항 및 항력(drag forces)을 생성하는 대상 또는 물질을 접촉하거나 그들을 통해 이동할 수 있다. 집합적으로, 그러한 힘은 제 1 힘센서(28)에 의해 검출되는 제 1 핑거(20) 상에 전해진 작동힘 F1을 생성할 것이다. 유사하게, 작동힘 F2는 제 2 핑거(30) 상에 전해질 것이고, 그러한 힘은 제 2 힘센서(38)에 의해 검출될 것이다.
각각의 센서(28, 38)는 각각의 제 1 및 제 2 기준 프레임(29, 39)을 사용할 수 있고, 센서(28, 38)에 의해 검출되는 바와 같이 각각의 핑거(20, 30) 상의 작동힘 F1, F2는 해당 기준 프레임(29, 39)에서 대응하는 힘 성분 벡터로 분해될 수 있다. 그렇기 때문에, 제 1 핑거(20)에 의해 경험된 제 1 힘 F1은 제 1 센서(28)에 의해 제 1 기준 프레임 x1, y1, z1(29)에서 세 개의 대응하는 제 1 힘 성분 벡터 Fx1, Fy1, Fz1으로 분해될 수 있고, 제 2 핑거(30)에 의해 경험된 제 2 힘 F2는 제 2 센서(38)에 의해 제 2 기준 프레임 x2, y2, z2(39)에서 세 개의 대응하는 힘 성분 벡터 Fx2, Fy2, Fz2로 분해될 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 제 1 및 제 2 기준 프레임(29, 39)의 각각이 정의되고, 각각의 센서(28, 38)는 예를 들어, 실질적으로 핑거 베이스(24, 34)의 장축선을 따라 연장하는 벡터(미도시)에 대한 기준으로 지향된다. 그러한 벡터는 센서(28, 38)에 의해 검출된 작동힘의 x 성분과 정렬된 x 축선의 방향을 정의할 수 있다. 해당 기술분야의 당업자는 일부 실시예에서 x 축선이 임의의 방향이도록 선택될 수 있다는 것을 인지할 것이다. 작동힘 벡터의 z 성분은 핑거(20, 30)의 상부 표면으로부터 연장하는 z 축선을 기준으로 정의될 수 있고, x 성분에 대해 직각이다. y 성분은 x 및 z 축선에 대해 오른손 좌표계를 생성하도록 정의된 y 축선과 정렬될 수 있다. 물론, 임의의 다른 방법이 각각의 핑거(20, 30)의 각각의 제 1 및 제 2 기준 프레임(29, 39)을 정의하도록 사용될 수 있고 앞서 언급된 실시예는 단순히 도시적이다.
각각의 힘센서(28, 38)는 센서(28, 38)에 의해 측정된 작동힘(F1, F2)에 대응하는 작동힘 데이터를 액추에이터 처리 회로에 송신할 수 있다. 일부 실시예에서, 액추에이터 처리 회로는 로봇 파지 디바이스(10)에 포함될 수 있다. 대안적으로, 액추에이터 처리 회로는 로봇 아암(12) 내에, 또는 로봇 아암(12)이 부착되는 무인 지상 차량(UGV), 또는 원격 프로세서 유니트에 배치될 수 있다. 대안적으로, 액추에이터 처리 회로는 여러 그러한 위치에 분포될 수 있다. 물론, 임의의 적합한 방법이 그러한 액추에이터 처리 회로에 작동힘 F1, F2와 관련된 정보를 송신하도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 전압 또는 전류, 또는 디지털 신호를 사용하는 아날로그 신호가 이러한 목적을 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 제 1 힘센서(28)는 로봇 아암 인터페이스의 방식에 의해 액추에이터 처리 회로에 제 1 작동힘 데이터(작동힘 F1의 세 개의 힘 벡터 성분 Fx1, Fy1, Fz1을 인코딩)를 송신할 수 있다. 유사하게, 제 2 힘센서(38)는 인터페이스의 방식에 의해 액추에이터 처리 회로에 제 2 작동힘 데이터(작동힘 F2의 세 개의 힘 벡터 성분 Fx2, Fy2, Fz2를 인코딩)를 송신할 수 있다. 이러한 인터페이스는 아날로그 또는 디지털 데이터를 전달하기에 적합한 임의의 적합한 전기, 광학, 또는 전자-광학 인터페이스일 수 있다.
본 발명의 일부 실시예에서, 각각의 힘센서(28, 38)에 의해 발생된 작동힘 F1(Fx1, Fy2, Fz1) 및 F2(Fx2, Fy2, Fz2)를 정의하는 벡터 데이터가 제 3 기준 프레임(xw, yw, zw), 즉 작동 기준 프레임(19)에서 각각 F1w 및 F2w로서 표현되도록 처리될 수 있다. 이러한 처리는 위에 설명된 액추에이터 처리 회로에 의해 수행될 수 있다. R1이 벡터를 x1, y1, z1(29)으로부터 작동 기준 프레임 xw, yw, zw(19)으로 맵핑하는 회전 행렬이라면, 그리고 R2가 벡터를 x2, y2, z2(39)로부터 작동 기준 프레임 xw, yw, zw(19)로 맵핑하는 회전 행렬이라면, F1w 및 F2w는:
Figure 112013079827865-pct00001
에 의해 주어진다. 회전 행렬 R1 및 R2는 3x3 행렬이고, 그들의 구성은 해당 기술분야에 공지되어 있다. 이들 회전 행렬의 구성은 그리퍼 베이스에 대한 핑거 베이스 각의 측정에 기반할 수 있고, 따라서 핑거의 회전을 판정하는 일부 센서 또는 다른 방법을 가지는 것이 요구될 수 있다(핑거가 열리고 닫힘에 따라서 그들이 회전한다면). 액추에이터 처리 회로는 액추에이터(40)를 제어하기 위해 요구되는 단계를 제공하도록 하나 이상의 마이크로프로세서 및 마이크로프로세서에 의해 실행가능한 메모리 저장 프로그램 코드를 포함할 수 있다. 그러한 액추에이터 처리 회로는 핑거(20, 30)의 위치를 구동하고 각각의 핑거(20, 30)의 위치를 판정하는 하나 이상의 모터를 제어할 수 있다. 회로는 각각의 핑거(20, 30) 각의 변위와 같은, 위치를 측정하도록 하드웨어, 소프트웨어 또는 둘 모두를 포함할 수 있다. 이것은 각각의 핑거(20, 30)의 실제 위치에 따라 신호를 전개하는 하드웨어를 사용하는 것에 의해, 또는 예를 들어, 얼마나 오래 핑거(20, 30)를 구동하는 모터 또는 모터들이 활성화하는지, 및 움직임의 방향을 측정하는 것에 의한, 각각의 핑거(20, 30)의 위치를 추적하는 소프트웨어를 사용하는 것에 의한 것과 같은, 해당 기술분야에 공지된 임의의 적합한 방법에 의해 행해질 수 있다. 액추에이터 처리 회로에 의해 판단된 핑거(20, 30) 위치 정보에 기반해서, 회로는 그때 제 1 핑거(20) 및 제 2 핑거(30), 각각에 대해 대응하는 회전 행렬 R1 및 R2를 발생시킬 수 있다.
위에 언급된 바와 같이, 각각의 힘센서(28, 38)는 대상(1)을 쥐는 그리퍼로 인해 각각의 핑거(20, 30)에 의해 각각 느껴지는 반작용력 F1R, F2R을 측정할 뿐만 아니라, 대상을 접촉하는 물질, 대상(1)의 하중 등을 통해 또는 그것을 가로질러 드래그하는 핑거(20, 30)에 의해 발생되는 저항력과 같은, 핑거(20, 30)에 대한 다른 힘을 검출할 수 있다. 모든 이러한 힘은 각각의 힘센서(28, 38)에 의해 측정되는 바와 같이 핑거(20, 30)에 의해 경험되는 작동힘 F1, F2을 생성한다. 핑거 상에 작용하는 모든 다른 힘(Fcontact)으로부터 대상을 쥐는 그리퍼로부터 초래하는 힘(Fgrip)을 분리하는 것이 요구된다. 파지력 Fgrip은 (절대 방향에 대해 고려하지 않고) 파지력의 크기로서 단순히 표현될 수 있는 반면에, 접촉력 Fcontact의 크기와 방향 모두를 보존하는 것이 요구될 수 있다는 것을 유념한다. 대상을 잡는 것은 핑거 상에 동일하고 대향하는 파지력을 초래하고(작동 기준 프레임(19)으로 표현될 때), 따라서
Figure 112013079827865-pct00002
한편 접촉력은 핑거 상에 작용하는 힘의 총 합을 나타낸다:
Figure 112013079827865-pct00003
유사하게, 로봇 아암(12)을 갖는 UGV(3) 및 UGV(3)를 제어하기 위한 촉각 디바이스(100)를 도시하는, 도 4 및 도 5에 대해 참조하면서, 조작자가 Fcontact에 대응하는 힘 Fhand로서 느끼는, 촉각 디바이스(100)를 통해 접촉력 Fcontact이 조작자의 손에 인가되는 것이 요구될 수 있다. 그러나, 이러한 힘 Fhand은 UGV(3)의 방향에 일치하는 것이 요구될 수 있다. 아암(12)은 임의로 지향될 수 있기 때문에 접촉력 Fcontact을 UGV(3)의 베이스 프레임 xb, yb, zb(9)로 표현된 핸드 힘 Fhand로 변형하는 것이 요구될 수 있다. 핸드 힘 Fhand는 위에 논의된 이들과 실질적으로 유사한 방법을 사용하여, 적합한 회전 행렬 R3의 방식에 의해 계산된다.
도 5 및 도 6에 대해 참조하여 도시된 바와 같이, 작동힘 데이터가 UGV(3)를 제어하도록 조작자에 의해 사용된 제어기(100)에 촉각 피드백 데이터를 제공하도록 사용될 수 있다. 제어기(100)는 핸드 제어기의 형태로 사용자 인터페이스(522)를 포함할 수 있다. 핸드 제어기는 6개만큼 많은 자유도로 사용자 핸드 입력을 감지할 수 있는 적합한 하드웨어 및 소프트웨어를 포함할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서 사용자 인터페이스는 로봇 아암의 6축 방향의 제어를 할 수 있는 핸드 파지(44)를 포함할 수 있다(예, 선형 좌표계에 직교하는 세 개의 축, 및 세 개까지의 직교하는 회전의 축). UGV에서 데이터 링크 회로는 제어기(100)의 베이스(42)에 위치된 로봇 제어 처리 회로에 텔레메트리 정보를 송신할 수 있다. 무선 데이터 링크 회로가 사용된다면, 그때 안테나(502)가 데이터 링크 통신을 용이하게 하도록 베이스(42)에 제공될 수 있다. 텔레메트리 정보는 F1, F2, Fcontact, Fgrip, 또는 그들의 조합 등 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 그런 후에 이러한 정보는 사용자 인터페이스(522)에 대해 제어기(100)에 의해 인가될 촉각 피드백 데이터를 계산하도록 사용될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 촉각 액추에이터(미도시)가 이러한 목적을 위해 베이스(42)에 제공될 수 있다.
도 6에 대해 구체적으로 언급하면서, 제어기(100)의 다양한 특징이 이제 더 구체적으로 설명될 것이다. 제어기(100)는 시스템 인터페이스(524), 사용자 인터페이스(522), 중앙 처리 장치(CPU)(514), 시스템 버스(512), 시스템 버스(512)를 통해 제어기(100)의 다른 부분에 연결되고 그들에 의해 액세스 가능한 메모리(516), 및 시스템 버스(512)에 연결된 하드웨어 엔티티(518)를 포함할 수 있다. 시스템 인터페이스(524)는 제어기(100)가 유선 통신 링크를 통해 데이터 링크(200), 네트워크 장비 및 다른 데이터 링크와 직접 통신하는 것을 허용한다. 하드웨어 엔티티(518)의 적어도 일부는 랜덤 액세스 메모리(RAM), 디스크 드라이브, 및/또는 컴팩트 디스크 판독 전용 메모리(CD-ROM)일 수 있는 메모리(516)에 대한 액세스 및 그것의 사용을 수반하는 작업을 수행한다.
하드웨어 엔티티(518)는 마이크로프로세서, 주문형 반도체(ASICs) 및 다른 하드웨어를 포함할 수 있다. 하드웨어 엔티티(518)는 여기에 설명된 바와 같은 데이터 통신 서비스 및 액추에이터 감지의 제공, 힘 변환, 및 제어 처리를 용이하게 하도록 프로그램된 마이크로프로세서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 마이크로프로세서는 힘을 하나의 기준 프레임(29, 39, 19, 9)으로부터 또 다른 기준 프레임(29, 39, 19, 9)으로 변환하도록 여기에 설명된 바와 같은 힘 변환 처리를 포함하는 액추에이터 처리에 액세스하고 그것을 구동할 수 있다. 따라서, 액추에이터 처리 회로는 일부 실시예에서 하드웨어 엔티티(518)로 구성될 수 있다. 통신 작업은 신호 수신 작업, 신호 처리 작업, 신호 발생 작업, 및 신호 통신 작업을 포함할 수 있지만 그것으로 한정되지 않는다.
도 6에 도시된 바와 같이, 하드웨어 엔티티(518)는 여기에 설명된 방법론, 절차, 또는 기능 중 하나 이상을 실행하도록 구성된 명령어(520) 중 하나 이상의 세트(예, 소프트웨어 코드)가 저장되는 컴퓨터-판독가능한 저장 매체(528)를 포함하는 디스크 드라이브 유니트(526)를 포함할 수 있다. 명령어(520)는 또한 실행 동안 메모리(516) 내에 및/또는 CPU(514) 내에 완전하게 또는 적어도 부분적으로 머무를 수 있다. 메모리(516) 및 CPU(514)는 또한 기계-판독가능한 매체를 구성할 수 있다. 여기에 사용된 바와 같은, 용어 "기계-판독가능한 매체"는 하나 이상의 명령어(520)의 세트를 저장하는 단일 매체 또는 다중 매체(예, 중앙집중형 또는 분산형 데이터베이스, 및/또는 연관된 캐시 및 서버)를 말한다. 여기에 사용된 바와 같은, 용어 "기계-판독가능한 매체"는 또한 제어기(100)가 본 개시의 방법론 중 임의의 하나 이상을 수행하도록 하는 실행 동안 명령어(520)의 세트를 저장, 인코딩 또는 적재할 수 있는 임의의 매체를 말한다. 해당 기술분야의 당업자에 의해 인지될 바와 같이, 여기에 설명된 로봇 제어, 촉각 제어, 및 힘 벡터의 변형에 관한 방법은 제어기(100)에서, 또는 액추에이터(40)에서, UGV에 제공된 다른 처리 엔티티에서, 또는 로봇 아암에서 수행될 수 있다.
데이터 링크(200)는 UGV(3)에 제공된 유사한 데이터 링크(미도시)에 그리고 그로부터 데이터를 전달하기에 적합한 임의의 유형의 유선 또는 무선 트랜스시버를 포함할 수 있다. 데이터 링크(200)가 무선 디바이스라면, 무선 인터페이스는 다양한 공지된 무선 인터페이스 표준 중 어느 하나에 기반할 수 있다. 그러한 공지된 무선 인터페이스 표준의 예는 블루투스 무선 표준, 및 표준 중 IEEE 802.11 패밀리를 포함할 수 있다. 그러나, 본 발명은 이러한 점에서 한정되지 않고 임의의 다른 무선 인터페이스 표준이 사용될 수 있다. 데이터 링크를 통해 전달된 데이터는 액추에이터(40)에 지시되는 움직임 제어 명령어, 및 액추에이터(40)로부터 제어기(100)에 전달된 피드백 데이터를 포함할 수 있다. 데이터 링크는 송신기 회로(506), 수신기 회로(508), 수신/송신 스위치(504), 및 안테나(502)를 포함할 수 있다. 통신 경로(536, 534)는 데이터 링크(200)와 제어기(100) 사이의 데이터 송신을 용이하게 할 수 있다.

Claims (15)

  1. 제 1 로봇 핑거와 제 2 로봇 핑거의 각각의 말단부에 인접하여 배치된 대향하는 제 1 파지 표면과 제 2 파지 표면 사이의 공간을 감소시키도록 연신된 상기 제 1 로봇 핑거와 상기 제 2 로봇 핑거 중 적어도 하나의 근위 단부에 액추에이터 힘을 인가하는 단계;
    공동 구조에 의해 완전히 커버되도록 핑거 그리퍼에 형성된 내부 공동 구조 내에 배치된 상기 제 1 로봇 핑거의 핑거 베이스의 일부 상에 위치된 제 1 힘센서를 사용하여 상기 제 1 로봇 핑거에 인가된 제 1 작동힘을 감지하는 단계; 및
    상기 공동 구조의 상기 내부 표면과 상기 핑거 베이스의 부분 사이의 에어갭을 제공하는 것에 의한 상기 제 1 작동힘으로 인해 상기 핑거 베이스가 구부러질 때 상기 핑거 베이스의 부분과 상기 공동 구조의 상기 내부 표면 사이의 접촉을 방지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 파지 디바이스에 의해 경험된 힘을 감지하기 위한 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 근위 단부와 상기 말단부 사이의 상기 제 2 로봇 핑거 상에 배치된 제 2 힘센서를 사용하여 상기 제 2 로봇 핑거에 인가된 제 2 작동힘을 감지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 파지 디바이스에 의해 경험된 힘을 감지하기 위한 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    적어도 세 개의 공간 방향에 대한 상기 제 1 작동힘과 상기 제 2 작동힘을 감지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 파지 디바이스에 의해 경험된 힘을 감지하기 위한 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    대상에 대해 상기 로봇 파지 디바이스에 의해 인가된 파지력을 판정하도록 상기 제 1 작동힘과 상기 제 2 작동힘을 나타내는 데이터를 사용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 파지 디바이스에 의해 경험된 힘을 감지하기 위한 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    사용자 인터페이스에서 촉각반응을 생성하기 위한 촉각 피드백 제어신호를 발생시키도록 상기 파지력을 사용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 파지 디바이스에 의해 경험된 힘을 감지하기 위한 방법.
  6. 각각이 연신된 형태를 갖고, 각각이 핑거 베이스에 의해 적어도 부분적으로 정의된 근위 단부 및 각각의 말단부에 인접해서 배치된 핑거 그리퍼의 파지 표면을 갖는 제 1 로봇 핑거 및 제 2 로봇 핑거;
    상기 제 1 로봇 핑거와 상기 제 2 로봇 핑거 중 적어도 하나의 상기 근위 단부에 결합된 액추에이터;
    공동 구조에 의해 완전히 커버되도록 상기 핑거 그리퍼에 형성된 내부 공동 구조 내에 배치된 상기 제 1 로봇 핑거의 상기 핑거 베이스의 일부에 위치된 적어도 하나의 제 1 힘센서;를 포함하고,
    상기 액추에이터는 대향하는 제 1 파지 표면과 제 2 파지 표면 사이의 공간을 감소시키도록 상기 제 1 로봇 핑거와 상기 제 2 로봇 핑거 중 적어도 하나의 상기 근위 단부에 액추에이터 힘을 인가하기 위한 하나 이상의 제어신호에 반응하고; 그리고
    에어갭은 상기 로봇 파지 디바이스에 인가된 상기 힘으로 인해 상기 핑거 베이스가 구부러질 때 상기 핑거 베이스의 부분과 상기 내부 표면이 서로 접촉할 수 없도록 상기 공동 구조의 내부 표면과 상기 핑거 베이스의 부분 사이에 제공되는 것을 특징으로 하는 로봇 파지 디바이스에 의해 경험된 힘을 측정하기 위한 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제 1 힘센서는 상기 제 1 로봇 핑거에 인가된 제 1 작동힘을 감지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 로봇 파지 디바이스에 의해 경험된 힘을 측정하기 위한 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제 1 힘센서는 적어도 세 개의 공간 방향에 대한 상기 제 1 작동힘을 감지하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 로봇 파지 디바이스에 의해 경험된 힘을 측정하기 위한 시스템.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 근위 단부와 상기 말단부 사이의 상기 제 2 로봇 핑거 상에 배치된 적어도 하나의 제 2 힘센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 파지 디바이스에 의해 경험된 힘을 측정하기 위한 시스템.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제 1 힘센서 및 상기 제 2 힘센서는 상기 제 1 로봇 핑거와 상기 제 2 로봇 핑거에 각각 인가된 상기 제 1 작동힘과 제 2 작동힘을 감지하도록 각각 구성되는 것을 특징으로 하는 로봇 파지 디바이스에 의해 경험된 힘을 측정하기 위한 시스템.
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