KR101640135B1 - Muti-degree of freedom(dof) system having parallel structure and method for deriving optimum solution thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다중 자유도를 갖는 매니퓰레이터에서 기구학적으로 불필요한 자유도를 제거하여 여유 구동이 가능한 2개의 축을 기준으로 움직이도록 설계함으로써 목표 위치로 매니퓰레이터를 이동시킬 수 있는 이동 시간을 최소화하기 위한 최적의 해를 도출하여 실시간 제어 및 빠른 응답성을 만족하는 병렬 구조 다자유도 시스템 및 이의 최적해 도출 방법을 제공한다. The present invention proposes an optimal solution for minimizing the movement time for moving the manipulator to the target position by designing the manipulator with multiple degrees of freedom to move based on two axes that are free from the kinematically unnecessary degree of freedom And provides a parallel structure multi-degree-of-freedom system satisfying real-time control and quick response, and a method of deriving an optimal solution thereof.

Description

병렬구조 다자유도 시스템 및 이의 최적해 도출 방법{MUTI-DEGREE OF FREEDOM(DOF) SYSTEM HAVING PARALLEL STRUCTURE AND METHOD FOR DERIVING OPTIMUM SOLUTION THEREOF}[0001] The present invention relates to a parallel multi-degree-of-freedom (" DOF ") system,

본 발명의 실시예들은 자동차 산업 및 항공 시뮬레이터 등 다양한 분야에서 사용되고 있는 매니퓰레이터(manipulator)에 대하여 실시간 제어 및 빠른 응답성을 갖도록 최적의 해를 도출하는 병렬구조 다자유도 시스템 및 이의 최적해 도출 방법에 관한 것이다. Embodiments of the present invention relate to a parallel-architecture multi-degree-of-freedom system that derives an optimal solution for real-time control and quick response to a manipulator used in various fields such as automobile industry and aviation simulator, and a method for deriving an optimal solution thereof will be.

일반적으로, 병렬 구조형 매니퓰레이터(manipulator)는 고강성 및 정밀도의 장점을 가지고 있어서 자동차나 항공 시뮬레이터, 요격 시스템, 의료 수술 로봇 불균등한 지형이나 수면에서 이동하는 모든 이동수단에서 수평을 유지해야 하는 작업을 수행하는 경우 등 다양한 분야에 적용되고 있다. In general, a parallel structured manipulator has the advantages of high rigidity and precision, so it carries out tasks such as automobile, airborne simulator, interceptor system, and medical surgical robot that need to keep horizontal in all moving means moving on uneven terrain or water surface And the like.

그런데, 최근 기술의 발전 및 비용적 측면으로 6개의 자유도에서 불필요한 자유도를 없애는 연구가 진행되었다. 그 중 기본적인 안전성 및 조작성을 고려하여 3자유도 병렬형 매니퓰레이터가 연구되고 있다. 특히 베이스와 플랫폼이 구 조인트-링크-구 조인트로 바로 연결되어 있는 구조가 개발되었다. However, in recent years, research has been conducted to eliminate unnecessary degrees of freedom from six degrees of freedom in terms of development and cost. Three-degree-of-freedom parallel type manipulators have been studied in consideration of basic safety and operability. In particular, a structure has been developed in which the base and the platform are connected directly to the spherical joint-link-spherical joint.

이러한 병렬 구조형 매니퓰레이터를 원하는 작업에 수행하기 위해서는 목표로 하는 각도에서 링크의 길이를 구하는 역기구학적 풀이가 필요로 한다. 일반적으로 직렬형에 비해 병렬형 구조의 해를 구하는 것은 오히려 더 쉬운 것으로 알려져 있다. In order to perform such a parallel structured manipulator on a desired task, an inverse kinematic solution for obtaining the length of the link at a target angle is required. Generally, it is known that it is rather easier to solve the parallel structure than the serial type.

하지만 작업의 특성에 따라 플랫폼이 같은 위치에 존재하더라도 종래의 기구학적 풀이법으로는 최적의 해를 도출하는 방식의 구성이 아니다. 즉, 종래의 역기구학 풀이는 말 그대로 3자유도에 해당하는 파라미터만을 이용하여 링크의 길이를 구하기 때문에 빠른 응답성을 요구하는 시스템에서 필요한 최적해를 찾아주지 못하는 메커니즘으로 수식화되어 있다.
However, even if the platform exists at the same position according to the characteristics of the work, the conventional kinematic solution method is not a method of deriving the optimal solution. In other words, the conventional inverse kinematics solution has been formulated as a mechanism that can not find the optimum solution required in a system requiring fast response because the link length is obtained using only the parameters corresponding to three degrees of freedom.

한국공개특허공보 제10-2001-0035973호 (2축에 의한 3자유도 시스템, 2003.01.06. 공개)Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2001-0035973 (Three-degree-of-freedom system with two axes, disclosed on Jan. 1, 2003)

본 발명의 일 실시예는 다중 자유도에서 기구학적으로 불필요한 자유도를 제거하여 여유 구동이 가능한 2개의 축을 기준으로 기구를 움직이도록 설계함으로써 실시간 제어 및 빠른 응답성을 만족하는 최적의 해를 도출하는 병렬 구조 다자유도 시스템 및 이를 이용한 최적해 도출 방법을 제공한다.One embodiment of the present invention is a parallel structure that derives an optimal solution satisfying real-time control and quick response by designing the mechanism to move based on two axes that can be freely driven by eliminating kinematically unnecessary degrees of freedom in multiple degrees of freedom A multi-degree of freedom system and a method of deriving an optimal solution using the system.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
The problems to be solved by the present invention are not limited to the above-mentioned problems, and other matters not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 일 실시예에 따른 병렬 구조 다자유도 시스템에서의 최적해 도출 방법은, 병렬형 매니퓰레이터가 이동할 목표점을 설정하는 단계; 상기 병렬형 매니퓰레이터의 다중 링크를 이용하여 이동판을 상기 목표점의 위치로 이동시키되 2개의 축을 기준으로 이동시키는 단계; 상기 이동판이 이동한 3차원 직교 공간에서 상기 목표점을 추종하도록 회전하는 상기 이동판의 각도 변화에 따라 상기 병렬형 매니퓰레이터의 다중 링크가 변화하는 길이 변화량을 산출하는 단계; 및 상기 다중 링크의 길이 변화량이 최소가 되는 최적해를 산출하는 단계를 포함한다. A method of deriving an optimal solution in a parallel-structured multi-degree-of-freedom system according to an embodiment of the present invention includes: setting a target point to which a parallel manipulator moves; Moving the moving plate to a position of the target point using the multiple links of the parallel manipulator, and moving the moving plate about two axes; Calculating a variation in length of the multi-link of the parallel manipulator according to an angle change of the moving plate rotated so as to follow the target point in the three-dimensional orthogonal space in which the moving plate moved; And calculating an optimal solution that minimizes the amount of change in length of the multi-link.

이때, 상기 최적해 도출 방법에서 상기 링크의 길이 변화량이 최소가 되는 조건은, 상기 병렬형 매니퓰레이터의 이동 시간이 최소가 되도록 상기 다중 링크의 길이 변화량이 최대인 함수의 값이 최소가 되게 하는 것임을 특징으로 한다. In this case, the condition that the length change amount of the link becomes minimum in the method of deriving the optimal solution is to minimize the value of the maximum length change amount of the multilink so that the moving time of the parallel manipulator is minimized do.

또한, 상기 병렬형 매니퓰레이터의 이동판을 2개의 축을 기준으로 이동시키는 단계는, Y축, Z축을 기준으로 한 팬-틸트 구동에 기초하여 상기 이동판의 기준점을 이동할 목표점의 위치 좌표로 이동시키는 것을 특징으로 한다. The step of moving the moving plate of the parallel manipulator with respect to the two axes may include shifting the reference point of the moving plate to the position coordinates of the target to be moved based on the pan and tilt driving with reference to the Y axis and Z axis .

또한, 상기 다중 링크의 길이 변화량을 산출하는 단계는, 기하학적인 접근법에 기초한 하기 수학식 1을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 한다. The step of calculating the change amount of the length of the multi-link may be calculated using the following Equation 1 based on the geometric approach.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112014094697633-pat00001
Figure 112014094697633-pat00001

(여기서, ψ는 이동판의 회전 각도,

Figure 112014094697633-pat00002
는 i번째 링크의 길이 변화량,
Figure 112014094697633-pat00003
는 i번째 링크의 길이임)(Where? Is the rotation angle of the moving plate,
Figure 112014094697633-pat00002
The length variation of the i-th link,
Figure 112014094697633-pat00003
Is the length of the ith link)

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬구조 다자유도 시스템은, 베이스판과 다중 링크에 의해 연결된 이동판이 다중 자유도를 가지고 3차원 직교 공간에서 회전 이동하는 병렬형 매니퓰레이터; 및 상기 병렬형 매니퓰레이터가 이동할 목표점을 설정하고, 설정한 목표점을 추종하도록 상기 병렬형 매니퓰레이터의 이동판을 2개의 축을 기준으로 이동시키며, 상기 이동판이 이동한 3차원 직교 공간에서 상기 이동판의 회전으로 인한 각도 변화에 따라 상기 병렬형 매니퓰레이터의 다중 링크가 변화하는 길이 변화량을 산출하여 상기 다중 링크의 길이 변화량이 최소가 되는 최적해를 산출하는 제어장치를 포함한다. Meanwhile, a parallel-type multi-degree-of-freedom system according to an embodiment of the present invention includes a parallel-type manipulator in which a moving plate connected to a base plate and a multi-link is rotated in a three-dimensional orthogonal space with multiple degrees of freedom; And a parallel manipulator for setting a target point to which the parallel manipulator moves, and moving the moving plate of the parallel manipulator with respect to two axes so as to follow the set target point, and rotating the moving plate in a three- And a control device for calculating an optimal solution that minimizes a change in length of the multi-link by calculating a variation in length of the multi-link of the parallel manipulator in accordance with a change in angle caused by the change in angle.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 매니퓰레이터는, 베이스판; 상기 베이스판의 상측에 배치되는 이동판; 상기 베이스판과 상기 이동판을 연결하되, 상기 이동판이 상기 베이스판에 대해 회전 가능하게 상기 이동판을 지지하고 길이 조절이 가능한 다중 링크; 및 양단이 상기 베이스판과 이동판의 중심에 각각 고정 설치되고 길이가 일정한 중심지지대를 포함할 수 있다. According to another aspect of the present invention, there is provided a parallel manipulator including: a base plate; A moving plate disposed above the base plate; A multi-link connecting the base plate and the moving plate, the moving plate supporting the moving plate rotatably with respect to the base plate and being adjustable in length; And a center zone having both ends fixed to the center of the base plate and the moving plate and having a constant length.

또한, 상기 다중 링크는 신축 가능한 액츄에이터; 및 상기 액츄에이터의 양단에 마련되어 상기 베이스판과 상기 이동판에 각각 결합되는 구 조인트를 포함할 수 있다. The multi-link may include an expandable actuator; And a spherical joint provided at both ends of the actuator and coupled to the base plate and the moving plate, respectively.

또한, 상기 중심지지대는, 일단이 상기 베이스판에 고정 설치되는 제1 지지대; 일단이 상기 이동판에 고정 설치되는 제2 지지대; 및 상기 제1 지지대의 타단과 상기 제2 지지대의 타단을 연결하되 상기 제2 지지대가 상기 제1 지지대에 대해 회전 가능하게 연결하는 구 조인트를 포함할 수 있다.
The center zone may include a first support having one end fixed to the base plate; A second support having one end fixed to the moving plate; And a spherical joint connecting the other end of the first support and the other end of the second support, wherein the second support is rotatably connected to the first support.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.
The details of other embodiments are included in the detailed description and the accompanying drawings.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 군사용 방호 시스템이나 여러 다른 어플리케이션에 본 발명의 기하학 대수를 이용한 최적해 도출 방법을 이용하면 실시간 제어 및 빠른 응답성을 만족시킬 수 있으며 결과적으로 병렬형 매니퓰레이터의 시스템 효율성을 향상시키는 효과를 제공한다.
According to an embodiment of the present invention, when a method of deriving an optimal solution using the geometric algebra of the present invention is applied to a military defense system or various other applications, real-time control and quick response can be satisfied. As a result, Thereby providing an effect of improving the performance.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬구조 다자유도 시스템의 구성도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬 구조 매니퓰레이터의 구조를 나타낸 사시도 및 측면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬구조 다자유도 시스템에서 빠른 응답성을 만족하는 최적해를 도출하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬형 매니퓰레이터에 최적해 도출 과정에서 필요한 파라미터를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 2축 구동으로 병렬형 매니퓰레이터가 목표점으로 이동한 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 최적해 후보를 도출하기 위한 방법을 설명하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 최적해 후보 점을 나타낸 도면이다.
1 is a configuration diagram of a parallel-structured multi-degree-of-freedom system according to an embodiment of the present invention.
2 and 3 are a perspective view and a side view showing a structure of a parallel structure manipulator according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a flowchart illustrating a method for deriving an optimal solution satisfying fast responsiveness in a parallel-architecture multi-degree-of-freedom system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram illustrating parameters required in the optimization process for a parallel manipulator according to an exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG.
6 is a view for explaining a state in which a parallel manipulator is moved to a target point by two-axis driving according to an embodiment of the present invention.
7 and 8 are diagrams for explaining a method for deriving an optimal solution candidate according to an embodiment of the present invention.
9 is a diagram illustrating an optimal solution candidate point according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The advantages and / or features of the present invention, and how to accomplish them, will become apparent with reference to the embodiments described in detail below with reference to the accompanying drawings. It should be understood, however, that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but is capable of many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, To fully disclose the scope of the invention to those skilled in the art, and the invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout the specification.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬 구조 다자유도 시스템의 구성도이다. 1 is a configuration diagram of a parallel-structured multi-degree-of-freedom system according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시 예에 따르면, 병렬 구조 다자유도 시스템은 병렬 구조의 로봇 매니퓰레이터(10)와 이의 구동을 제어하는 제어 장치(20)로 구현될 수 있다. According to the embodiment of the present invention, the parallel structure multi-degree of freedom system can be implemented by a robot manipulator 10 of a parallel structure and a control device 20 for controlling the operation thereof.

로봇 매니퓰레이터(10)(이하, 매니퓰레이터)는 하부의 베이스판과 상부의 이동판이 다중 링크에 의해 연결되어 3차원 직교 좌표계에서 다중 자유도(Degree Of Freedom: DOF)를 가지며, 자유도를 가진 축을 따라 이동판의 회전이 가능하다. The robot manipulator 10 (hereinafter referred to as a manipulator) has a base plate and an upper moving plate connected by a multi-link to have degrees of freedom (DOF) in a three-dimensional rectangular coordinate system, Plate can be rotated.

이러한 매니퓰레이터(10)의 구조에 대하여 첨부된 도면에서는 3자유도를 가진 구조를 도시하고 있으나 이에 한정하는 것은 아니다. 매니퓰레이터(10)의 구체적인 구조는 도 2 및 도 3에서 자세히 설명하기로 한다. The structure of such a manipulator 10 is shown in the accompanying drawings, but it is not limited thereto. The specific structure of the manipulator 10 will be described in detail with reference to FIG. 2 and FIG.

제어 장치(20)는 매니퓰레이터(10)가 이동할 목표점의 설정을 입력받고, 설정한 목표점을 추종하도록 매니퓰레이터(10)의 이동판을 2축 자유도를 기준으로 이동시킨다. 이때, 매니퓰레이터(10)의 기구학적 여유 자유도로 인해 목표점으로 이동하기 위한 각도는 무한한 해를 가지게 되는데, 제어 장치(20)는 목표점으로의 이동시간 최소화하기 위해 기하학적인 접근법을 통해 최적 해를 도출한다. The control device 20 inputs the setting of the target point to which the manipulator 10 is moved and moves the moving plate of the manipulator 10 based on the two-axis degrees of freedom so as to follow the set target point. At this time, the angle for moving to the target point is infinite because of the kinematic allowance of the manipulator 10, and the controller 20 derives the optimal solution through a geometric approach to minimize the moving time to the target point .

도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬 구조 매니퓰레이터의 구조를 나타낸 사시도 및 측면도이다.2 and 3 are a perspective view and a side view showing a structure of a parallel structure manipulator according to an embodiment of the present invention.

도 2 및 도 3를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 매니퓰레이터(10)는 베이스판(base frame: 12)과, 베이스판(12)의 상측에 배치되는 이동판(moving frame: 11), 이들을 연결하는 다중 링크(13), 베이스판(12)과 이동판(11)의 중심에 고정 설치되는 중심지지대(14)를 포함한다. 2 and 3, a manipulator 10 according to an embodiment of the present invention includes a base frame 12, a moving frame 11 disposed above the base plate 12, A multi-link 13 connecting them, a base plate 12 fixed to the center of the moving plate 11, and a center belt 14 fixed to the center of the moving plate 11.

다중 링크(13)는 신축 가능한 액츄에이터(prismatic actucator: 13b)를 포함하며, 액츄에이터(13b)의 양단에 마련되어 베이스판(12)과 이동판(11)에 각각 결합되는 구 조인트(spherical joint: 13a)를 포함한다. 따라서, 구 조인트(13a)의 결합으로 이동판(11)이 베이스판(12)에 대해 회전 가능하게 이동판(11)을 지지하고, 액츄에이터(13b)를 통한 링크(13)의 길이 조절로 직교 공간 상에서 자유롭게 이동판(11)의 이동을 가능하게 한다. The multiple link 13 includes a prismatic actuator 13b and a spherical joint 13a provided at both ends of the actuator 13b and coupled to the base plate 12 and the moving plate 11, . The moving plate 11 supports the moving plate 11 so as to be rotatable with respect to the base plate 12 by the engagement of the spherical joint 13a and adjusts the length of the link 13 through the actuator 13b, Thereby making it possible to freely move the moving plate 11 in the space.

이러한 다중 링크(13)는 구 조인트(Spherical joint: 13a)-액츄에이터(Prismatic actucator: 13b)-구 조인트(Spherical joint: 13a)의 구조로 SPS이라 약칭할 수 있다. The multiple link 13 may be abbreviated as SPS in the structure of a spherical joint 13a, an actuator (prismatic actuator) 13b, and a spherical joint 13a.

중심지지대(14)는 제1 지지대(14a)와 제2 지지대(14b) 및 이들을 연결하는 구 조인트(14c)로 구성된다. 제1지지대(14a)의 일단이 베이스판(12)에 고정 설치되고, 제2 지지대(14b)의 일단이 이동판(11)에 고정 설치되며, 구 조인트(14c)는 제1 지지대(14a)의 타단과 제2 지지대(14b)의 타단을 연결하여 제2 지지대(14b)가 제1 지지대(14a)에 대하여 회전 가능하게 한다. The center zone 14 is composed of a first support 14a and a second support 14b and a spherical joint 14c connecting them. One end of the first support 14a is fixed to the base plate 12 and one end of the second support 14b is fixed to the moving plate 11. The spherical joint 14c is fixed to the first support 14a, And the other end of the second support frame 14b to make the second support frame 14b rotatable with respect to the first support frame 14a.

이러한 중심지지대(14)는 길이가 일정하여 직교 공간 상에서 자유롭게 이동이 가능한 이동판(11)이 회전 운동만 가능하도록 움직임을 제한하며, 이동판(11)의 이동에 따른 무게 중심의 변화에 대하여 구 조인트(14a)로 집중되는 하중을 분산시키는 역할을 한다. The center zone 14 has a constant length and restricts movement so that the moving plate 11, which can freely move on the orthogonal space, can only rotate. Also, And serves to disperse the load concentrated on the joint 14a.

이때, 중심지지대(14)의 구 조인트(14a)는 하기에서 설명하는 기하학적 해석에 있어서 원점으로 적용된다. At this time, the spherical joint 14a of the center zone 14 is applied as the origin in the geometric analysis described below.

따라서, 상기의 구조에 따른 매니퓰레이터(10)는 Y축, Z축에 의한 2축 구동으로도 여유 구동이 가능하다. 따라서, 불필요한 자유도 즉, X축의 구동을 제거하고 2축 구동으로 빠른 응답성을 만족하는 시스템을 구현할 수 있다. Therefore, the manipulator 10 according to the above structure can be free-running even by two-axis driving by the Y-axis and Z-axis. Therefore, it is possible to implement a system that eliminates the unnecessary degrees of freedom, that is, the driving of the X-axis and satisfies the quick response by the two-axis driving.

이하에서는 도 1 내지 도 3에 도시한 다자유도 시스템 및 매니퓰레이터(10)의 구성에 기초하여, 빠른 응답성을 만족하기 위해 최적의 해를 도출하는 과정에 대하여 구체적으로 설명한다. Hereinafter, a process for deriving an optimal solution to satisfy a quick response will be described in detail based on the configuration of the multi-degree of freedom system and the manipulator 10 shown in Figs. 1 to 3.

도 4는 이와 관련하여 최적해를 도출하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 4 is a flowchart for explaining a method of deriving an optimal solution in this regard.

먼저, 처음 S10 단계에서, 제어 장치(20)가 병렬형 매니퓰레이터(10)가 이동할 목표점을 설정한다. 이때, 목표점은 입력부를 통한 사용자의 조작에 의해 설정할 수 있는데, 터치 입력에 의해 이동할 위치를 지정하거나 또는 숫자 입력에 의해 위치값을 설정할 수 있다. 목표점은 위치 좌표에 따른 벡터값으로 나타낼 수 있다. First, in a first step S10, the control device 20 sets a target point at which the parallel manipulator 10 moves. At this time, the target point can be set by the user's operation through the input unit. The position to be moved can be designated by the touch input, or the position value can be set by numeric input. The target point can be represented as a vector value according to the position coordinates.

이후 S20 단계에서, 제어 장치(20)가 불필요한 자유도를 제거하고 2축을 기준으로 이동판을 목표점으로 이동시킨다. In step S20, the controller 20 removes the unnecessary degree of freedom and moves the moving plate to the target point on the basis of the two axes.

이후 S30 단계에서, 제어 장치(20)가 이동시킨 위치에서 여유 자유도를 가진 축을 기준으로 이동판을 회전시킴으로써 목표점을 추종한다. Thereafter, in step S30, the target is followed by rotating the moving plate with respect to the axis having the degree of freedom of freedom at the position moved by the control device 20. [

상기 S20 단계에서 2축은 Y축, Z축을 기준으로 한 팬-틸트 구동에 기초한다. In step S20, the two axes are based on the pan-tilt driving based on the Y-axis and the Z-axis.

예를 들어, 도 5에 도시한 것처럼 기저좌표계로부터 출력좌표계의 원점 B0까지를 출력좌표계의 위치벡터 Pt = [xt,yt,zt]T라 가정한다. 그러면 매니퓰레이터의 중앙에 위치한 중심지지대에 의해 회전 운동만 가능하므로 위치 벡터 Pt에 대한 기구학적 구속조건은 다음과 같다.For example, as shown in FIG. 5, it is assumed that the position vector Pt = [xt, yt, zt] T of the output coordinate system from the base coordinate system to the origin B0 of the output coordinate system. Then, the kinematic constraint for the position vector Pt is as follows, since it is only possible to rotate by the center zone located at the center of the manipulator.

Figure 112014094697633-pat00004
Figure 112014094697633-pat00004

ZYZ Euler angles(오일러 각)에 의해 표현되는 출력좌표계의 자세는 다음과 같이 대수적으로 Rotor Rt’로 표현된다.The attitude of the output coordinate system represented by ZYZ Euler angles is expressed logarithmically as Rotor Rt 'as follows.

이때, 본 발명의 일 실시예에서는 앞서 언급한 것과 같이 여유 구동을 가지는 병렬형 구조를 제안하고자 한다. 2축 팬/틸트는 요(Yaw), 피치(Pitch)로의 회전운동만이 필요하기 때문에, 출력좌표계의 자세를 ZYZ Euler angle set(오일러 각 세트) 중에서 angle ψ를 여유자유도로 정의한다. 그리고 전체 출력벡터 u는 일반적인 Cartesian space의 6개의 변수 중 2개만으로 구성된다.At this time, in the embodiment of the present invention, a parallel structure having redundant driving as described above is proposed. Since the biaxial pan / tilt requires only the rotation to the yaw and pitch, define the angle ψ of the output coordinate system in the ZYZ Euler angle set (Euler angle set) as the free freedom. The total output vector u consists of only two of the six parameters in the Cartesian space.

Figure 112014094697633-pat00005
Figure 112014094697633-pat00005

따라서 출력벡터 u가 주어질 때, 출력좌표계의 자세 Rt는 하기 수학식과 같 이 angle ψ에 관한 함수로 표현할 수 있다. (도 6 참조)Therefore, given the output vector u, the posture Rt of the output coordinate system can be expressed as a function of angle ψ as shown in the following equation. (See Fig. 6)

Figure 112014094697633-pat00006
Figure 112014094697633-pat00006

기구학적 여유자유도로 인해 axis ZB(도 6에서의 Z'축)를 기준으로 angle ψ의 변화에 따라 셀프 모션이 가능해진다. 기저좌표계에서 이동판의 i번째 구형 관절까지의 위치

Figure 112014094697633-pat00007
는 아래 수학식과 같이 등가 함수에 의해 표현된다. Due to the kinematic margin of freedom, the self-motion becomes possible according to the change of the angle ψ with respect to the axis ZB (Z 'axis in FIG. 6). Position from the base coordinate system to the i-th spherical joint of the moving plate
Figure 112014094697633-pat00007
Is expressed by an equivalent function as shown in the following equation.

Figure 112014094697633-pat00008
Figure 112014094697633-pat00008

그러므로 관절 변수 li는 다음과 같이 계산된다.Therefore, the joint variable li is calculated as follows.

Figure 112014094697633-pat00009
Figure 112014094697633-pat00009

본 발명에서 제안하는 메커니즘의 기구학적 관계식은 관절 벡터

Figure 112014094697633-pat00010
이 3차원이고, 작업 공간 상에서 출력벡터
Figure 112014094697633-pat00011
가 2차원이므로 다음과 정의된다. The kinematic relational expression of the mechanism proposed in the present invention is a joint vector
Figure 112014094697633-pat00010
Is three-dimensional, and the output vector
Figure 112014094697633-pat00011
Is two-dimensional, it is defined as follows.

Figure 112014094697633-pat00012
Figure 112014094697633-pat00012

여유자유도를 가지는 로봇은 다양한 형태로 운동이 가능하다는 장점으로 인해 작업자가 원하는 작업 목적에 부합하도록 역기구학을 해석할 수 있다.Robots with free degrees of freedom have the advantage of being able to perform various forms of motion, so that the inverse kinematics can be interpreted to meet the operator's desired working purpose.

이후 도 4의 S40 단계에서, 제어 장치(20)가 이동판의 회전으로 인한 angle ψ의 각도 변화에 따라 매니퓰레이터의 다중 링크의 길이 변화량을 산출한다. Then, in step S40 of FIG. 4, the control device 20 calculates the amount of change of the length of the multiple link of the manipulator in accordance with the angle change of the angle? Caused by the rotation of the moving plate.

그리고, S50 단계에서, 제어 장치(20)가 다중 링크의 길이 변화량이 최소가 되는 최적해를 산출한다. 이때, 다중 링크의 길이 변화량이 최소가 되는 조건은 링크의 최대 길이 변화량으로 표현되는 함수를 최소화하는 것을 포함한다. 이는 가장 길이 변화가 큰 링크가 빠르게 즉, 최소화로 움직일 경우 목표점으로의 이동 시간을 최소화할 수 있기 때문이다. Then, in step S50, the controller 20 calculates an optimal solution that minimizes the amount of change in length of the multiple link. At this time, the condition that the length change of the multiple link becomes minimum includes minimizing the function represented by the maximum length change amount of the link. This is because when the link having the longest change is fast, that is, minimized, it is possible to minimize the movement time to the target point.

예컨대, 본 발명의 일 실시예에서는 이동판의 이동 시간을 최소화하는 해를 찾기 위해 비용함수를 링크의 길이 변화량에 관해 아래 식과 같이 정의할 수 있다.For example, in an embodiment of the present invention, the cost function can be defined as follows with respect to the amount of change in the length of the link in order to find a solution that minimizes the travel time of the travel plate.

Figure 112014094697633-pat00013
Figure 112014094697633-pat00013

(여기서, ψ는 이동판의 회전 각도,

Figure 112014094697633-pat00014
는 이동판의 회전각도에 따른 비용함수,
Figure 112014094697633-pat00015
는 i번째 링크의 길이 변화량,
Figure 112014094697633-pat00016
이동판의 회전 각도에 따른 관절변수,
Figure 112014094697633-pat00017
는 i번째 링크의 길이임)(Where? Is the rotation angle of the moving plate,
Figure 112014094697633-pat00014
Is a cost function according to the rotation angle of the moving plate,
Figure 112014094697633-pat00015
The length variation of the i-th link,
Figure 112014094697633-pat00016
Joint variables according to the rotation angle of the moving plate,
Figure 112014094697633-pat00017
Is the length of the ith link)

위 식에서, 링크의 최대 길이 변화량으로 표현되는 비용함수를 최소화함으로써 이동판의 이동시간을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 현재 이동판 초기자세(φ=0°, θ=0°)에서 목표자세(φ=40°, θ=30°)로 이동할 경우 제안하는 메커니즘의 관절 변수의 변위량 fcost의 최대값은 0.1914m, 최소값은 0.0997m로 계산된다. 이는 기존의 메커니즘에서 불필요한 자유도를 제거하여 여유자유도화 함에 따라 최대 10cm의 이동 거리를 감소시킬 수 있다. 또한 제안하는 메커니즘은 2축 팬/틸트 구조에 비해 액츄에이터를 최소 1cm 정도만으로 움직여 목표점으로 이동이 가능하므로, 역기구학의 해법에 따라 기존 시스템보다 많은 이점을 가질 수 있음을 의미한다.In this equation, the moving time of the moving plate can be reduced by minimizing the cost function represented by the maximum length variation of the link. For example, when the target posture (φ = 40 °, θ = 30 °) moves from the initial position of the moving plate (φ = 0 °, θ = 0 °), the maximum value of the displacement fcost of the proposed mechanism 0.1914 m, and the minimum value is 0.0997 m. This can reduce the travel distance of up to 10cm by eliminating the unnecessary degrees of freedom in the existing mechanism and allowing free freedom. Also, the proposed mechanism can move the actuator to the target point by moving the actuator at least 1 cm compared to the 2-axis pan / tilt structure, which means that the inverse kinematics solution can have more advantages than the existing system.

현재의 i번째 링크 길이

Figure 112014094697633-pat00018
와 가장 가까운 이동플랫폼 상의 하나 이상의 점이 최적해일 가능성 높으므로, 이를 CGA(Conformal Geometric Algebra)를 이용하여 기하학적으로 찾는다.Current i-th link length
Figure 112014094697633-pat00018
And one or more points on the nearest mobile platform are likely to be optimal, and are geometrically searched using CGA (Conformal Geometric Algebra).

일 예로, 도 7을 참조하면

Figure 112014094697633-pat00019
는 하기 식과 같이 반경이 현재의 링크 길이
Figure 112014094697633-pat00020
이고, 원점이 Ai인 구라 가정한다.As an example, referring to FIG. 7
Figure 112014094697633-pat00019
Is the radius of the current link length
Figure 112014094697633-pat00020
And the origin is Ai.

Figure 112014094697633-pat00021
Figure 112014094697633-pat00021

Figure 112014094697633-pat00022
는 하기 식과 같이 세 점Bi가 속하는 원이라 가정한다. 원
Figure 112014094697633-pat00023
은 이동 플랫폼 상의 점 Bi가 존재 가능한 점의 집합으로 볼 수 있다.
Figure 112014094697633-pat00022
Is a circle to which the three points Bi belong, as shown in the following equation. won
Figure 112014094697633-pat00023
Can be seen as a set of points on which points Bi on the mobile platform can exist.

Figure 112014094697633-pat00024
Figure 112014094697633-pat00024

이때, 도 7과 같이 현재의 링크 길이

Figure 112014094697633-pat00025
과 가장 가까운 이동 플랫폼 상의 하나 이상의 점
Figure 112014094697633-pat00026
은 하기 식과 같이 두 기하학적요소의 외적으로 인해 원
Figure 112014094697633-pat00027
와 구
Figure 112014094697633-pat00028
가 교차하여 생성된다.At this time, as shown in FIG. 7,
Figure 112014094697633-pat00025
And one or more points on the nearest mobile platform
Figure 112014094697633-pat00026
Is due to the externals of the two geometric elements
Figure 112014094697633-pat00027
And
Figure 112014094697633-pat00028
Are generated.

Figure 112014094697633-pat00029
Figure 112014094697633-pat00029

하지만, 도 8에 나타낸 바와 같이 원

Figure 112014094697633-pat00030
와 구
Figure 112014094697633-pat00031
가 교차하지 않는 경우 가장 가까운 이동플랫폼 상의 하나 이상의 점 PPi는 원
Figure 112014094697633-pat00032
과 평면
Figure 112014094697633-pat00033
이 교차하여 생성된다.However, as shown in Fig. 8,
Figure 112014094697633-pat00030
And
Figure 112014094697633-pat00031
0.0 > PPi < / RTI > on the nearest mobile platform,
Figure 112014094697633-pat00032
And flat
Figure 112014094697633-pat00033
.

Figure 112014094697633-pat00034
Figure 112014094697633-pat00034

여기서

Figure 112014094697633-pat00035
는 기저좌표계의 원점, 원
Figure 112014094697633-pat00036
의 중심
Figure 112014094697633-pat00037
, 구
Figure 112014094697633-pat00038
의 원점
Figure 112014094697633-pat00039
가 속하는 평면으로, 아래의 식과 같이 정의할 수 있다.here
Figure 112014094697633-pat00035
Is the origin of the base coordinate system,
Figure 112014094697633-pat00036
The center of
Figure 112014094697633-pat00037
, Sphere
Figure 112014094697633-pat00038
The origin of
Figure 112014094697633-pat00039
And can be defined as the following equation.

Figure 112014094697633-pat00040
Figure 112014094697633-pat00040

병렬 로봇은 이동판의 목표점 위치가 주어질 때 3개의 다중 링크가 서로 의존적이므로 하나의 링크 길이 변화량이 최소가 되더라도 다른 링크의 길이 변화량이 최소가 된다는 보장이 없다. 따라서 다른 링크 길이를 아래 식과 같이 기하학적으로 계산한 후 가장 적절한 최적 해를 선정한다.The parallel robots have no guarantee that the length variation of other links will be minimal even if one link length variation is minimized because the three multilinks depend on each other when the target position of the moving plate is given. Therefore, we calculate the other link length geometrically as shown in the following equation, and then select the most appropriate optimal solution.

Figure 112014094697633-pat00041
Figure 112014094697633-pat00041

다중 링크의 길이 변화량이 최소화가 되는 하나 이상의 점

Figure 112014094697633-pat00042
는 Point pair로 두 점 간의 외적으로 정의된다. Point pair
Figure 112014094697633-pat00043
는 다음과 같이 각각의 점
Figure 112014094697633-pat00044
(j=1,2)으로 분해할 수 있다.One or more points where the length variation of the multiple links is minimized
Figure 112014094697633-pat00042
Is a point pair defined externally between two points. Point pair
Figure 112014094697633-pat00043
Is the value of each point
Figure 112014094697633-pat00044
(j = 1, 2).

또한, i번째 링크에서 길이 변화량이 가장 적은 원

Figure 112014094697633-pat00045
상의 한 점
Figure 112014094697633-pat00046
외에 나머지 두 점
Figure 112014094697633-pat00047
Figure 112014094697633-pat00048
는 항상
Figure 112014094697633-pat00049
와 구
Figure 112014094697633-pat00050
가 교차하여 생성된다.Also, in the i-th link,
Figure 112014094697633-pat00045
A point of consultation
Figure 112014094697633-pat00046
The remaining two points
Figure 112014094697633-pat00047
Wow
Figure 112014094697633-pat00048
Always
Figure 112014094697633-pat00049
And
Figure 112014094697633-pat00050
Are generated.

대략 3개의 다중 링크에 대하여 모든 후보 point pair를 찾으면 도 9에 도시한 예와 같이 모두 6개의 후보점이 생성될 수 있다. If all the candidate point pairs are found for approximately 3 multiple links, all 6 candidate points can be generated as in the example shown in FIG.

이후,

Figure 112014094697633-pat00051
를 원점이 점
Figure 112014094697633-pat00052
이고 반경이
Figure 112014094697633-pat00053
인 구라 가정하면 다음과 같은 수학식으로 정의할 수 있다.after,
Figure 112014094697633-pat00051
The origin is point
Figure 112014094697633-pat00052
And the radius
Figure 112014094697633-pat00053
Assuming an in-plane, the following equation can be defined.

Figure 112014094697633-pat00054
Figure 112014094697633-pat00054

여기서, 점

Figure 112014094697633-pat00055
는 Point Pair
Figure 112014094697633-pat00056
가 분해된 한 점이고,
Figure 112014094697633-pat00057
는 점
Figure 112014094697633-pat00058
Figure 112014094697633-pat00059
간의 거리이다.Here,
Figure 112014094697633-pat00055
Point Pair
Figure 112014094697633-pat00056
Is a decomposition point,
Figure 112014094697633-pat00057
Point
Figure 112014094697633-pat00058
Wow
Figure 112014094697633-pat00059
.

한편, 이동판 상의 다른 구형관절의 위치

Figure 112014094697633-pat00060
,
Figure 112014094697633-pat00061
는 원
Figure 112014094697633-pat00062
과 구
Figure 112014094697633-pat00063
가 교차하는 두 점
Figure 112014094697633-pat00064
이다.On the other hand, the position of another spherical joint on the moving plate
Figure 112014094697633-pat00060
,
Figure 112014094697633-pat00061
The circle
Figure 112014094697633-pat00062
Section
Figure 112014094697633-pat00063
Two points that intersect
Figure 112014094697633-pat00064
to be.

Figure 112014094697633-pat00065
Figure 112014094697633-pat00065

따라서, 두 점

Figure 112014094697633-pat00066
는 각각 한 점
Figure 112014094697633-pat00067
,
Figure 112014094697633-pat00068
로 분리할 수 있다.Therefore,
Figure 112014094697633-pat00066
Respectively,
Figure 112014094697633-pat00067
,
Figure 112014094697633-pat00068
. ≪ / RTI >

이때, 이동판이 구동하지 않은 상태에서의 구 조인트 위치를 모두 알고 있으므로 각 링크의 길이 변화량

Figure 112014094697633-pat00069
는 다음과 같이 산출된다.At this time, since all the position of the ball joint in the state where the moving plate is not driven is known,
Figure 112014094697633-pat00069
Is calculated as follows.

Figure 112014094697633-pat00070
Figure 112014094697633-pat00070

위와 같은 방법으로 최적해 후보들의 길이 변화량을 모두 계산한 후 최대 길이 변화량이 가장 작은 후보를 최적해로 선정한다.
After calculating all the length variations of the optimal solution candidates by the above method, the candidate with the smallest maximum length variation is selected as the optimal solution.

한편, 본 발명의 일 실시예에서 제안한 기하학적 접근법(geometric method)을 이용하여 도출한 최적해의 성능을 수치해법과 비교하고자 한다. Meanwhile, the performance of the optimal solution obtained by using the geometric method proposed in the embodiment of the present invention is compared with the numerical solution.

수치해법은 비선형 최적화 문제에서 많이 사용되는 황금분할탐색법과 2차 보간법을 결합하여 사용한 알고리즘이다. 황금분할탐색법은 연산량은 많지만 신뢰도가 높고, 2차 보간법은 신뢰도는 낮으나 연산량이 적은 특징을 가진다. 이 두 방법을 결합함으로 인해 장점은 부각시키고, 단점을 상쇄시킬 수 있어 비교 대상으로 적절하다. The numerical solution is a combination of the golden partition search method and the quadratic interpolation method, which are often used in nonlinear optimization problems. The golden partition search method has high computational complexity but high reliability, and the second interpolation method has low reliability but low computational complexity. By combining these two methods, the advantages can be emphasized and the weak points can be offset, which is suitable for comparison.

제안한 기하학적 접근법과 수치해법간의 성능 비교를 위해 연산 시간과 최적해의 정확성 측면을 살펴본다. In order to compare the performance between the proposed geometric approach and the numerical solution, we consider the computation time and the accuracy of the optimal solution.

연산시간의 비교는 동일한 컴퓨팅 환경에서 1000회 반복 측정한 결과를 통해 확인하였다. 아래 표 1은 두 가지 해법간의 연산시간을 비교한 결과이다. 제안하는 기학학적 해법은 수치해법에 비해 연산시간이 현저히 적게 소모되므로 실시간 제어 및 응답성 향상의 효과가 있는 것을 알 수 있다. Comparisons of computation times were confirmed through 1000 repeated measurements in the same computing environment. Table 1 below compares the computation time between the two solutions. The proposed geometric solution consumes significantly less computation time than the numerical solution, so that it has an effect of improving real - time control and response.

Numerical MethodNumerical Method Geometric MethodGeometric Method 평균계산시간Average calculation time 2.6880 msec2.6880 msec 0.6355 msec0.6355 msec 상대적시간Relative time 4.234.23 1.001.00

이상 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예들에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
While the invention has been shown and described with reference to certain preferred embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined by the scope of the appended claims and equivalents thereof.

10: 병렬형 매니퓰레이터 11: 이동판
12: 베이스판 13: 다중 링크
13a: 구 조인트 13b: 액츄에이터
14: 중심지지대 14a: 구 조인트
10: parallel type manipulator 11: moving plate
12: base plate 13: multiple links
13a: Old joint 13b: Actuator
14: center zone 14a: spherical joint

Claims (8)

병렬형 매니퓰레이터가 이동할 목표점을 설정하는 단계;
상기 병렬형 매니퓰레이터의 다중 링크를 이용하여 이동판을 상기 목표점의 위치로 이동시키되 2개의 축을 기준으로 이동시키는 단계;
상기 이동판이 이동한 3차원 직교 공간에서 상기 목표점을 추종하도록 회전하는 상기 이동판의 각도 변화에 따라 상기 병렬형 매니퓰레이터의 다중 링크가 변화하는 길이 변화량을 산출하는 단계; 및
상기 다중 링크의 길이 변화량이 최소가 되는 최적해를 산출하는 단계
를 포함하는 병렬 구조 다자유도 시스템에서의 최적해 도출 방법.
Setting a target point to which the parallel manipulator moves;
Moving the moving plate to a position of the target point using the multiple links of the parallel manipulator, and moving the moving plate about two axes;
Calculating a variation in length of the multi-link of the parallel manipulator according to an angle change of the moving plate rotated so as to follow the target point in the three-dimensional orthogonal space in which the moving plate moved; And
Calculating an optimal solution that minimizes a change in length of the multi-link
A method for deriving an optimal solution in a parallel multi-degree-of-freedom system.
제1항에 있어서,
상기 다중 링크의 길이 변화량이 최소가 되는 조건은
상기 병렬형 매니퓰레이터의 이동 시간이 최소가 되도록 상기 다중 링크의 길이 변화량이 최대인 함수의 값이 최소가 되게 하는 것임을 특징으로 하는 병렬 구조 다자유도 시스템에서의 최적해 도출 방법.
The method according to claim 1,
The condition that the variation of the length of the multiple link becomes minimum is
Wherein a value of the maximum variation of the length of the multi-link is minimized so that the moving time of the parallel manipulator is minimized.
제1항에 있어서,
상기 병렬형 매니퓰레이터의 이동판을 2개의 축을 기준으로 이동시키는 단계는,
Y축, Z축을 기준으로 한 팬-틸트 구동에 기초하여 상기 이동판의 기준점을 이동할 목표점의 위치 좌표로 이동시키는 것을 특징으로 하는 병렬 구조 다자유도 시스템에서의 최적해 도출 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step of moving the moving plate of the parallel manipulator with respect to two axes comprises:
Wherein the reference point of the moving plate is moved to a position coordinate of a target point to be moved based on the pan-tilt driving based on the Y-axis and the Z-axis.
제1항에 있어서,
상기 다중 링크의 길이 변화량을 산출하는 단계는,
기하학적인 접근법에 기초한 하기 수학식 1을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 병렬 구조 다자유도 시스템에서의 최적해 도출 방법.
[수학식 1]
Figure 112014094697633-pat00071

(여기서, ψ는 이동판의 회전 각도,
Figure 112014094697633-pat00072
는 이동판의 회전각도에 따른 비용함수,
Figure 112014094697633-pat00073
는 i번째 링크의 길이 변화량,
Figure 112014094697633-pat00074
이동판의 회전 각도에 따른 관절변수,
Figure 112014094697633-pat00075
는 i번째 링크의 길이임)
The method according to claim 1,
The step of calculating the length change amount of the multi-
Wherein the computation is performed using Equation (1) based on a geometric approach.
[Equation 1]
Figure 112014094697633-pat00071

(Where? Is the rotation angle of the moving plate,
Figure 112014094697633-pat00072
Is a cost function according to the rotation angle of the moving plate,
Figure 112014094697633-pat00073
The length variation of the i-th link,
Figure 112014094697633-pat00074
Joint variables according to the rotation angle of the moving plate,
Figure 112014094697633-pat00075
Is the length of the ith link)
베이스판과 다중 링크에 의해 연결된 이동판이 다중 자유도를 가지고 3차원 직교 공간에서 회전 이동하는 병렬형 매니퓰레이터; 및
상기 병렬형 매니퓰레이터가 이동할 목표점을 설정하고, 설정한 목표점을 추종하도록 상기 병렬형 매니퓰레이터의 이동판을 2개의 축을 기준으로 이동시키며, 상기 이동판이 이동한 3차원 직교 공간에서 상기 이동판의 회전으로 인한 각도 변화에 따라 상기 병렬형 매니퓰레이터의 다중 링크가 변화하는 길이 변화량을 산출하여 상기 다중 링크의 길이 변화량이 최소가 되는 최적해를 산출하는 제어장치
를 포함하는 병렬구조 다자유도 시스템.
A parallel manipulator in which a moving plate connected by a base plate and a multiple link rotates in a three dimensional orthogonal space with multiple degrees of freedom; And
Wherein the parallel manipulator moves a moving plate of the parallel manipulator with respect to two axes so as to set a target point to which the parallel manipulator moves and follows the set target point, A control device for calculating an optimal variation in which the length variation of the multi-link is minimized by calculating a variation in length of the multi-
/ RTI > A multi-degree-of-freedom system.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106393081A (en) * 2016-11-21 2017-02-15 深圳市小二极客科技有限公司 Man-machine interactive manipulator control method, terminal and system

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