KR101420852B1 - 중공형 모듈을 적용한 다수개의 팔을 가진 로봇의 신호 전달 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중공형 모듈을 적용한 다수개의 팔을 가진 로봇의 신호 전달 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 신호분배부를 이용하여 중공형 모듈을 적용한 다수개의 팔을 가진 로봇의 각각의 로봇팔에 단일 신호선이 연결된 중공형 모듈을 적용한 다수개의 팔을 가진 로봇의 신호 전달 장치를 제공한다.

Description

중공형 모듈을 적용한 다수개의 팔을 가진 로봇의 신호 전달 장치 {APPARATUS OF SIGNAL LINE FOR THE A PARALLER ROBOT WITH HOLLOW ACTUATOR MODULE}

본 발명은 중공형 모듈을 적용한 다수개의 팔을 가진 로봇의 신호 전달 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 신호분배부를 이용하여 중공형 모듈을 적용한 다수개의 팔을 가진 로봇의 각각의 로봇팔에 단일 신호선이 연결된 중공형 모듈을 적용한 다수개의 팔을 가진 로봇의 신호 전달 장치에 관한 것이다.

일반적으로 다수개의 팔을 가진 로봇은 직렬형 로봇과 달리 복수개의 로봇팔이 하나의 말단 장치(end effector)에 묶여서 복수의 로봇팔(즉, 아암(arm))이 동시에 움직여서 말단 장치를 원하는 위치로 보내는 구조이다. 따라서, 직렬 로봇에 비해서 보다 무거운 물체를 보다 빠르게 핸들링할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 이러한 다수개의 팔을 가진 로봇은 직렬형 로봇에 비하여 축 방향으로 견디는 힘이크고, 정밀도가 높은 장점이 있다.

따라서, 다수개의 팔을 가진 로봇은 복수개의 로봇팔을 제어하여 복수축의 자유도를 구현하는 로봇으로서, 다양한 구조의 다수개의 팔을 가진 로봇이 제작되고 있고 산업용 로봇에 많이 사용되고 있다.

이러한 다수개의 팔을 가진 로봇의 경우, 이 다수개의 팔을 가진 로봇을 제어하기 위해서 신호선을 연결해야 한다.

예를 들어, 중공형 구동모듈를 적용한 양팔로봇의 경우, 신호선을 연결하는 방법은, 하나의 제어기가 하나의 로봇팔을 제어하도록 1:1로 연결할 수 있으나, 양팔간의 제어기가 분리되어 유기적인 동작을 하는데 문제점이 있다.

또, 하나의 제어기가 복수개의 로봇팔을 제어하도록 단일 신호선을 이용하여 연결하는 방법은 신호선이 중첩되는 부분이 발생되며 신호선이 중첩되는 부분에서는 신호선의 꼬임 및 노이즈에 대한 대책이 별도로 필요하여, 최근 기술적 경향인 중공형 모듈 적용이 어려운 문제점(공간 확보의 어려움)이 있다. 예를 들어, 양팔로봇의 경우, 왼팔을 거쳐 오른팔로 연결되는 체제를 사용할 경우 왼팔에 신호선이 중복으로 연결되어야 하고, 오른팔을 거쳐 왼팔로 연결되는 체제를 사용할 경우 오른팔에 신호선이 중복으로 연결되어야 하기 때문에, 신호선의 꼬임 또는 노이즈 발생의 문제점이 있다.

한국공개특허 [10-2012-0003695]에서는 다축(다관절)스윙장치의 통신제어시스템이 개시되어 있다.

한국공개특허 [10-2012-0003695]

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 기구적 파트별(허리, 오른팔, 왼팔, 머리 등)로 별도의 신호선을 갖는 중공형 모듈을 적용한 다수개의 팔을 가진 로봇의 신호 전달 장치를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 중공형 모듈을 적용한 다수개의 팔을 가진 로봇의 신호 전달 장치는 복수개의 로봇팔(110)을 포함하는 중공형 모듈을 적용한 다수개의 팔을 가진 로봇(100); 복수개의 상기 로봇팔(110)과 연결되는 복수개의 로봇팔 신호선(210); 복수개의 상기 로봇팔 신호선(210)이 연결되는 신호 분배부(300); 및 상기 신호 분배부(300)와 연결되며, 복수개의 상기 로봇팔 신호선(210)을 통해 각각의 상기 로봇팔(110)을 제어하는 제어부(400);를 포함한다.

또한, 상기 다수개의 팔을 가진 로봇(100)은 허리 및 머리 중 선택되는 적어도 어느 하나의 기구적 파트(120);를 포함한다.

또, 상기 기구적 파트(120) 및 상기 신호 분배부(300)와 연결되는 기구적 파트 신호선(220);을 포함한다.

또한, 상기 중공형 모듈을 적용한 다수개의 팔을 가진 로봇의 신호 전달 장치는 이더캣(Ether CAT) 신호체계를 사용하는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 제어부(400)는 복수개의 상기 로봇팔(110)을 동시에 제어할 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 중공형 모듈을 적용한 다수개의 팔을 가진 로봇의 신호 전달 장치에 의하면, 신호분배부를 이용하여 각각의 로봇팔에 하나의 신호선으로 배선이 가능함에 따라, 신호선의 꼬임이 없어지고, 노이즈에 강인하며, 중공형 모듈의 중공 공간의 이득을 얻을 수 있는 효과가 있다.

또한, 기구적 파트(허리, 머리 등)의 추가 장착 시 신호분배부에 새로운 신호선을 연결함으로써 추가 배선이 용이한 효과가 있다.

또, 이더캣 신호체계를 사용함으로써 이더넷 규격을 완벽하게 준수하면서도 자동화에 이용하기에 매우 효율적인 네트워크 기술을 제공하는 효과가 있다.

아울러, 복수개의 로봇팔을 동시에 제어하는 기능을 제공함에 따라, 보다 신속하고 정확한 작업이 가능한 효과가 있다.

도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 중공형 모듈을 적용한 다수개의 팔을 가진 로봇의 신호 전달 장치의 블럭도.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.

도 1 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 중공형 모듈을 적용한 다수개의 팔을 가진 로봇의 신호 전달 장치의 블록도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 중공형 모듈을 적용한 다수개의 팔을 가진 로봇의 신호 전달 장치는 중공형 모듈을 적용한 다수개의 팔을 가진 로봇(100), 로봇팔 신호선(210), 신호 분배부(300) 및 제어부(400)를 포함한다.

중공형 모듈은 모터, 감속기, 엔코더, 브레이크, 드라이버 등의 구동에 필요한 기구적 부분이 일체형으로 구성된 구동모듈로서, 모듈의 중앙은 신호선을 위해 비어있는 구조이다.

중공형 모듈을 적용한 다수개의 팔을 가진 로봇(100)은 복수개의 로봇팔(110)을 포함한다.

여기서 상기 로봇팔(110)은 다수개의 관절로 구성될 수 있으며, 각각의 관절을 제어하기 위한 신호선이 직렬 형태로 연결될 수 있다.

중공형 모듈을 적용한 다수개의 팔을 가진 로봇(100)은 단일팔 로봇(직렬형 로봇)이 하기 어려운 작업을 할 수 있다. 예를 들자면, 복수개의 로봇팔(110)로 동시에 한 물체(단일팔 로봇이 움직이기 어려운 무거운 물체)를 이동시킬 수 있다. 또한, 하나의 로봇팔(110)은 부품을 집어 이동하고 다른 로봇팔(110)은 공구를 집어 조립하는 등 단일팔 로봇이 하기 어려운 작업을 할 수 있다.

로봇팔 신호선(210)은 복수개의 상기 로봇팔(110)과 연결되며, 복수개로 구성된다.

다시 말해, 상기 로봇팔(110)의 수와 동일한 수의 로봇팔 신호선(210)이 구성되며, 하나의 로봇팔(110)에 하나의 로봇팔 신호선(210)이 연결된다.

상기 다수개의 팔을 가진 로봇(100)은 허리 및 머리 중 선택되는 적어도 어느 하나의 기구적 파트(120)를 포함할 수 있다.

예를 들어, 복수개의 로봇팔(110)이 연결되는 허리(베이스 역할)를 포함할 수 있으며, 이 경우 복수개의 로봇팔(110)로 물건을 집고 허리를 움직여 회전 및 상하 이동 등을 할 수 있음으로써, 간단한 회전이나 상하 이동 등으로 가능한 작업을 로봇팔(110)의 움직임을 멈추고 허리의 움직임 만으로 물체를 이동 시킬 수 있다.

다시 말해, 복수개의 로봇팔(110)로 동시에 하나의 물건을 집어 이동시키기 위해서는 많은 연산처리(복수개의 로봇팔 말단 간의 동일한 속도 및 동일한 궤적 등을 수행하기 위한 연산처리)를 해야 하지만 물건을 집고 놓는 제어만 로봇팔(110)로 하고 나머지 이동 관련한 제어는 허리를 움직임으로써 연산처리 과정을 줄일 수 있다.

이때, 상기 기구적 파트(허리, 머리)의 신호선은 도 2에 도시된 바와 같이, 로봇팔 신호선(210)을 공유하여 사용할 수 있다.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 기구적 파트 신호선(220)을 별도로 구성하여 상기 기구적 파트(120) 및 상기 신호 분배부(300)를 연결시킬 수 있다.

다시 말해, 신호선의 꼬임, 노이즈 발생, 중공의 크기 등을 고려하지 않아도 되는 경우, 로봇팔 신호선을 공유하여 사용할 수 있으나, 이를 고려해야 할 경우 별도의 기구적 파트 신호선(220)을 구성하는 것이 바람직하다.

신호 분배부(300)는 복수개의 상기 로봇팔 신호선(210)이 연결된다.

상기 신호 분배부(300)는 일종의 허브 역할을 하며

제어부(400)는 상기 신호 분배부(300)와 연결되며, 복수개의 상기 로봇팔 신호선(210)을 통해 각각의 상기 로봇팔(110)을 제어한다.

다수개의 팔을 가진 로봇은 각각 다수 개의 조인트(관절)을 포함하여 구성되며, 상기 제어부(400)는 전체 조인트의 각종 센싱값을 한꺼번에(정확하게는 1제어주기) 읽고, 연산을 한 후, 상기 연산에 근거한 명령을 전체 조인트에 전달한다.

이때, 전체 조인트의 각종 센싱값을 동시에 읽고 전체 조인트의 제어를 동시에 하기 때문에(이더캣을 이용하여), 동기화에 관하여 문제가 없다.

또한, 상기 제어부(400)는 소프트웨어 적으로 내부 제어 알고리즘이 양팔기구학, 양팔동역학을 사용한다.

양팔기구학, 양팔동역학이라고 하면 허리, 오른팔 및 왼팔(도 2 참조)을 고려해서 다각도의 기구학 및 동역학을 근거로 연산한다. 다시 말해, 허리에서 오른팔, 허리에서 왼팔, 왼팔에서 오른팔, 오른팔에서 왼팔, 전신기구학 등을 모두 고려하여 연산한다.

예를 들어, 오른팔에 박스를 들고, 왼팔로 박스에 물건을 넣을 경우 제어부(400)는 오른팔에 대한 왼팔의 끝단위치를 고려한 상대기구학을 연산 또는 왼팔에 대한 오른팔의 상대위치를 고려하여 연산할 수 있다.

이때, 상기 제어부(400)는 복수개의 상기 로봇팔(110)을 동시에 제어할 수 있는 것을 특징으로 할 수 있다.

다시 말해, 상기 제어부(400)에 의해 복수개의 상기 로봇팔(110)을 순차적인 제어가 아닌 동시제어가 가능하다.

상기 중공형 모듈을 적용한 다수개의 팔을 가진 로봇의 신호 전달 장치는 이더캣(Ether CAT) 신호체계를 사용하는 것을 특징으로 할 수 있다.

이더캣은 이더넷(Ether NET)을 기반으로 한 중요한 통신표준 가운데 하나로써, 산업용 환경이나 공장 환경에서 입/출력(I/O) 디바이스, 센서, 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC)의 네트워킹 및 통신 기능에 이용되고 있다.

이더넷은 다양한 애플리케이션에 채택되고 있으나, 산업용 환경에서 소량의 데이터 교환에 대해서는 효율적이지 않고, 실시간 동작을 위한 결정론적 성능이 부족하며, 성형(star) 토폴로지로만 동작하므로 스위치를 통해서 네트워크 노드를 연결해야 한다. 이더캣 기술은 이더넷 표준에 특정 기능들을 추가하고 특정한 구성들을 가능하게 함으로써 이더넷 규격을 완벽하게 준수하면서도 자동화에 이용하기에 매우 효율적인 네트워크 기술을 제공한다.

이더캣은 어떠한 표준적인 컴퓨터(PC 등)이든 이더캣 마스터로 이용하고 이를 이용해서 이더캣 규격을 준수하는 특수 디바이스들로써 이더캣 슬레이브와 통신 할 수 있도록 설계 되었다. 또한 자동화 컨트롤러, 작업자 인터페이스, 원격 I/O 유닛, 센서, 액추에이터, 드라이브 등과 같이 공장 네트워크 상의 모든 디바이스에 마스터 및 슬레이브 이더캣 디바이스를 이용할 수 있다. 이더캣 표준은 라인(line), 성형(star), 트리(tree)의 모든 토폴로지를 지원하며 또한 이더캣을 이용해서 필드버스(fieldbus) 네트워크의 주요 버스 구조를 구현할 수 있다. I/O 디바이스를 통해서 이더캣 인터페이스를 제공하므로 이더넷 스위칭 하드웨어를 필요로 하지 않는다. 구리 회선으로는 100미터 및 광회선으로는 그보다 더 긴 거리가 가능한 이더캣은 지리적으로 넓은 지역에 걸쳐서 분포하는 수천 개의 디바이스들을 연결할 수 있다. 백플레인 같이 거리가 짧은 경우에는 이더캣이 이버스(E-bus)라고 하는 차동 시그널링 기술을 이용할 수 있다.

이더캣은 이더캣 네트워크상의 노드들이 프레임이 노드를 통과해서 지나갈 때 이러한 프레임으로부터 데이터를 읽어 들이는 온더플라이(on-the-fly) 프로세싱 방식을 채택함으로써 기존 이더넷을 향상시킬 수 있다. 모든 이더캣 프레임은 이더캣 마스터로부터 전송되며 이를 통해서 이더캣 마스터가 슬레이브로 명령과 데이터를 전송한다. 거꾸로 마스터로 어떤 데이터를 전송해야 할 때는 프레임이 통과해서 지나갈 때 슬레이브가 프레임으로 데이터를 기록한다. 그러므로 마스터와 개별 슬레이브 사이에 작은 규모의 프레임들을 포인트 투 포인트(Point-to-Point)로 교환할 필요가 없으므로 통신 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 하지만 그러기 위해서 각각의 슬레이브가 2개의 이더넷 포트가 있어야 하고 프레임이 통과해서 지나갈 때 이렇게 통과하는 프레임으로 데이터를 읽거나 쓸 수 있어야 하므로 슬레이브 디바이스로 특수한 하드웨어를 필요로 한다. 이와 같이 통신을 향상시킴으로써 이더캣을 채택한 100Mbps 네트워크의 활용 가능한 대역폭이 90% 이상에 달한다. 이와 비교해서 마스터가 각각의 슬레이브 노드와 개별적으로 통신 해야하는 네트워크에서는 이 비율이 5퍼센트 미만이다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

100: 중공형 모듈을 적용한 다수개의 팔을 가진 로봇
110: 로봇팔
120: 기구적 파트
210: 로봇팔 신호선
220: 기구적 파트 신호선
300: 신호 분배부
400: 제어부

Claims (5)

1. 허리(120)를 포함하며, 상기 허리(120)와 연결된 복수개의 로봇팔(110)을 포함하는 중공형 모듈을 적용한 다수개의 팔을 가진 로봇(100);
   복수개의 상기 로봇팔(110)과 연결되는 복수개의 로봇팔 신호선(210);
   복수개의 상기 로봇팔 신호선(210)이 연결되는 신호 분배부(300); 및
   상기 신호 분배부(300)와 연결되며, 복수개의 상기 로봇팔 신호선(210)을 통해 각각의 상기 로봇팔(110)을 제어하는 제어부(400);
   를 포함하며,
   상기 제어부(400)로부터 상기 신호분배부(300)를 통해 상기 신호선(210)으로 전달되는 신호는 이더캣(Ether CAT) 신호체계를 사용하는 것을 특징으로 하고,
   상기 제어부(400)는
   복수개의 상기 로봇팔(110)을 동시에 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는 중공형 모듈을 적용한 다수개의 팔을 가진 로봇의 신호 전달 장치.
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