KR101691941B1 - Robot joint driving apparatus and joint torque measuring method of the same - Google Patents

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KR101691941B1 KR1020100012576A KR20100012576A KR101691941B1 KR 101691941 B1 KR101691941 B1 KR 101691941B1 KR 1020100012576 A KR1020100012576 A KR 1020100012576A KR 20100012576 A KR20100012576 A KR 20100012576A KR 101691941 B1 KR101691941 B1 KR 101691941B1
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Abstract

관절부 인코더를 포함하는 로봇용 관절 구동장치와 이를 이용하여 관절에 작용하는 토크를 측정하는 방법을 제시한다. 이를 위해 로봇용 관절 구동장치는 구동모터와, 구동모터의 회전 각도를 측정하는 구동모터 인코더와 , 구동모터의 구동력을 전달받아 직선 운동하는 이동부재와, 이동부재의 양방향에서 연결되는 케이블과, 케이블의 일측부와 접촉하여 회전하는 아이들 풀리와, 케이블의 타측부와 접촉하여 회전하는 출력 풀리로 형성되는 관절부와, 관절부의 회전각도를 측정하는 관절부 인코더를 포함한다. 구동모터의 회전 각도에 기어비를 곱한 값과 관절부의 회전 각도의 차이인 회전각 오차와 케이블의 비틀림 강성 계수를 이용하여 관절부의 토크를 계산한다.A joint drive system for a robot including a joint encoder and a method for measuring a torque acting on the joint using the joint drive device are presented. To this end, a joint drive apparatus for a robot includes a drive motor, a drive motor encoder for measuring a rotation angle of the drive motor, a moving member for linear motion receiving the drive force of the drive motor, a cable connected in both directions of the movable member, An idler pulley rotating in contact with one side of the cable, a joint portion formed of an output pulley rotating in contact with the other side portion of the cable, and a joint encoder measuring a rotation angle of the joint portion. The torque of the joint is calculated by using the rotation angle error which is the difference between the rotation angle of the drive motor multiplied by the gear ratio and the rotation angle of the joint portion and the torsional stiffness coefficient of the cable.

Description

로봇용 관절 구동장치 및 로봇용 관절 구동장치의 관절 토크 측정 방법{ROBOT JOINT DRIVING APPARATUS AND JOINT TORQUE MEASURING METHOD OF THE SAME}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a joint driving apparatus for a robot and a method for measuring a joint torque of a joint driving apparatus for a robot,

인간과 유사하게 움직일 수 있는 휴머노이드 로봇, 특히 이족 또는 다족 로봇에 적용되는 로봇용 관절 구동장치 및 로봇용 관절 구동장치의 관절 토크 측정 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a humanoid driving apparatus for a robot and a method for measuring a joint torque of a humanoid driving apparatus for a robot applied to a humanoid robot,

가정용, 군사용, 산업용 등의 목적으로 2족 보행, 4족 보행 등이 가능한 다양한 형태의 로봇이 개발되고 있다. 특히, 인간형 로봇은 인간의 신체구조와 유사하게 만든 로봇으로서 인간의 동작과 유사한 동작을 수행하도록 하는 것이 그 제작 목적이 된다. 이러한 로봇은 인간의 관절과 유사한 관절의 운동을 통해 달리기, 걷기 등의 보행동작 뿐만 아니라 다양한 동작을 구현하게 된다.Various types of robots capable of bipedal walking and quadruped walking are being developed for the purposes of household, military, and industrial use. Particularly, a humanoid robot is a robot made similar to a human body structure, and its purpose is to perform an operation similar to a human motion. These robots implement not only gait movements such as running and walking but also various movements through movement of joints similar to human joints.

이때, 로봇의 동작을 제어하기 위해서는 실시간으로 로봇의 관절에 작용하는 토크를 측정하는 것이 필요하다. 로봇의 관절에 작용하는 토크를 측정하기 위해서 토크 센서가 사용된다. 하지만, 토크 센서는 가격이 비싸고, 토크 센서를 장착하기 위해서는 구조가 매우 복잡해진다.At this time, in order to control the operation of the robot, it is necessary to measure the torque acting on the joint of the robot in real time. A torque sensor is used to measure the torque acting on the joint of the robot. However, the torque sensor is expensive and the structure becomes very complicated to mount the torque sensor.

관절부 인코더를 포함하는 로봇용 관절 구동장치와 이를 이용하여 관절에 작용하는 토크를 측정하는 방법을 제시한다.A joint drive system for a robot including a joint encoder and a method for measuring a torque acting on the joint using the joint drive device are presented.

이를 위해 본 발명의 일측면에 의한 로봇용 관절 구동장치는 정방향, 역방향으로 회전 가능한 구동모터; 구동모터의 구동력을 전달받아 직선 운동하는 이동부재; 이동부재의 양방향에서 연결되는 케이블(cable); 케이블의 일측부와 접촉하여 회전하는 아이들 풀리(idle pulley); 케이블의 타측부와 접촉하여 회전하는 출력 풀리(output pulley)로 형성되는 관절부; 및 관절부의 회전 각도를 측정하는 관절부 인코더를 포함한다.To this end, a joint drive device for a robot according to an aspect of the present invention includes: a drive motor rotatable in a forward direction and a reverse direction; A moving member that receives a driving force of the driving motor and linearly moves; A cable connected in both directions of the movable member; An idle pulley rotating in contact with one side of the cable; A joint formed by an output pulley rotating in contact with the other side of the cable; And a joint encoder for measuring a rotation angle of the joint part.

또한, 본 발명의 일측면에 의한 로봇용 관절 구동장치는 구동모터의 회전 각도를 측정하는 구동모터 인코더를 더 포함할 수 있다.In addition, the joint drive device for a robot according to an aspect of the present invention may further include a drive motor encoder for measuring a rotation angle of the drive motor.

또한, 본 발명의 일측면에 의한 로봇용 관절 구동장치는 아이들 풀리와 관절부를 지지하는 바디 프레임과 관절부와 연결되어 회전하는 관절 프레임을 더 포함하며, 관절부 인코더는 관절부 인코더 바디부와 관절부 인코더 샤프트를 포함하고, 관절부 인코더 바디부는 바디 프레임과 결합하고 관절부 인코더 샤프트는 관절 프레임에 결합할 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a joint drive apparatus for a robot, the joint drive apparatus including a body frame for supporting an idle pulley and a joint part, and a joint frame rotatably connected to the joint part, wherein the joint joint encoder includes a joint joint encoder body and a joint joint encoder shaft The joint encoder body portion may be coupled to the body frame, and the joint encoder shaft may be coupled to the joint frame.

이때, 관절부 인코더 바디부와 바디 프레임 사이에 위치하는 제1브라켓과 관절부 인코더 샤프트와 관절 프레임 사이에 위치하는 제2브라켓을 더 포함할 수 있다. The apparatus may further include a first bracket positioned between the joint encoder body and the body frame, and a second bracket positioned between the joint shaft encoder and the joint frame.

관절부 인코더 샤프트에는 관절부 인코더 샤프트와 제2브라켓을 결합시키는 체결 부재용 탭(tap)이 형성될 수 있으며, 체결 부재용 탭은 관절부 인코더 샤프트의 끝단의 중앙 위치에서 일정 거리 벗어난 곳에 위치할 수 있다.The joint encoder shaft may be formed with a tap for fastening members for coupling the joint encoder shaft and the second bracket. The fastening member tab may be located at a distance from the center of the end of the joint encoder shaft.

또한, 본 발명의 다른 일실시예에 의한 로봇용 관절 구동장치의 관절 토크 측정 방법은 정방향, 역방향으로 회전 가능한 구동모터와, 구동모터의 회전 각도를 측정하는 구동모터 인코더와, 구동모터의 구동력을 전달받아 직선 운동하는 이동부재와, 이동부재의 양방향에서 연결되는 케이블(cable)과, 케이블의 일측부와 접촉하여 회전하는 아이들 풀리(idle pulley)와, 케이블의 타측부와 접촉하여 회전하는 출력 풀리(output pulley)로 형성되는 관절부와, 관절부의 회전 각도를 측정하는 관절부 인코더를 포함하는 로봇용 관절 구동장치의 관절 토크 측정 방법에 있어서, 구동모터 인코더에서 측정된 구동모터의 회전 각도에 구동모터와 관절부의 회전 비율인 기어비를 곱한 값으로 정의되는 제1회전각을 획득하고, 관절부 인코더에 측정된 관절부의 회전 각도인 제2회전각을 획득하고, 제1회전각과 제2회전각의 회전각 오차를 계산하고, 회전각 오차에 케이블의 비틀림 강성 계수(torsion stiffness coefficient)를 곱하여 관절부의 토크를 계산할 수 있다. According to another aspect of the present invention, there is provided a joint torque measuring method for a joint driving device for a robot, comprising: a driving motor rotatable in a forward direction and a reverse direction; a driving motor encoder for measuring a rotation angle of the driving motor; An idle pulley that rotates in contact with one side of the cable; and an output pulley that rotates in contact with the other side of the cable, and an articulation encoder for measuring an angle of rotation of the articulation part, the method comprising the steps of: measuring a rotation angle of a drive motor measured by a drive motor encoder, A first rotation angle defined by a gear ratio multiplied by a rotation ratio of the joint portion is obtained, and a rotation angle of the joint portion measured by the joint encoder A second rotation angle is obtained, a rotation angle error of the first rotation angle and a second rotation angle are calculated, and a torque of the joint part is calculated by multiplying the rotation angle error by a torsion stiffness coefficient of the cable.

이때, 비틀림 강성 계수는 관절부의 토크와 관절부의 회전 각도인 제2회전각을 변수로 하는 함수값으로 결정되고, 관절부의 토크는 회전각 오차에 비틀림 강성 계수를 곱하여 계산하되, 계산된 관절부의 토크가 설정 오차 범위 내로 수렴할 때까지 관절부 토크에 설정 값을 대입하여 이터레이션(iteration)을 반복함으로써 관절부의 토크를 계산할 수 있다.In this case, the torsional stiffness coefficient is determined by a function value having the torque of the joint part and the second rotation angle as the rotation angle of the joint part as variables, the torque of the joint part is calculated by multiplying the rotational angle error by the torsional stiffness coefficient, The torque of the joint part can be calculated by repeating the iteration by substituting the set value into the joint torque until convergence is made within the setting error range.

또한, 관절부의 토크는 회전각 오차에 비틀림 강성 계수를 곱하여 계산하되, 제2회전각을 제1회전각의 변화량에 비례하도록 필터링하여 획득한 제2'회전각으로 대체하여 관절부의 토크를 계산할 수 있다.Further, the torque of the joint part can be calculated by multiplying the rotational angle error by the torsional stiffness coefficient, and by substituting the second rotational angle by the second rotational angle obtained by filtering so as to be proportional to the amount of change of the first rotational angle, have.

이때, 제2회전각을 제1회전각의 변화량에 비례하도록 필터링하여 제2'회전각을 획득하는 것은 다음의 두가지 식중 어느 하나에 의해서 수행될 수 있다. At this time, the second rotation angle is obtained by filtering the second rotation angle to be proportional to the change amount of the first rotation angle, and this can be performed by any one of the following two methods.

Figure 112010009164421-pat00001
Figure 112010009164421-pat00001

또는 or

Figure 112010009164421-pat00002
Figure 112010009164421-pat00002

이와 같이 조인트 인코더를 포함하는 로봇용 관절 구동장치를 이용하여 토크 센서를 사용하지 않고 로봇의 관절에 작용하는 토크를 쉽게 측정할 수 있게 된다.Thus, the torque acting on the joint of the robot can be easily measured without using the torque sensor by using the joint drive device for a robot including the joint encoder.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 로봇용 관절 구동장치를 포함하는 인간형 로봇의 외관을 도시한 정면도이다.
도 2는 도 1의 인간형 로봇의 구성을 개략적으로 도시한 개략 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 로봇용 관절 구동장치의 외관 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 로봇용 관절 구동장치의 관절부에 관절부 인코더가 장착되는 구조를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 로봇용 관절 구동장치의 관절부 인코더 샤프트에 형성된 체결 부재용 탭(tap)의 위치를 나타내는 도면이다.
도 6는 본 발명의 일실시예에 의한 로봇용 관절 구동장치의 분해 사시도이다.
도 7a 및 도 7b는 각각 다른 방향에서의 케이블의 연결 상태를 나타내는 도면이다.
도 8은 출력 풀리로 형성되는 관절부를 확대한 확대 사시도이다.
도 9은 도 8의 측면도이다.
도 10는 본 발명의 일실시예에 의한 로봇용 관절 구동장치의 관절 토크 측정 방법을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 11은 토크 센서와 인코더를 이용하여 측정한 시간에 따른 토크 값을 나타내는 도면이다.
도 12은 토크 센서와 인코더를 이용하여 측정한 토크 값 사이의 선형성을 나타내는 도면이다.
도 13는 관절부의 회전 각도인 제2회전각을 필터링 수행한 경우 해상도의 향상을 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 의한 로봇용 관절 구동장치의 관절 토크 측정 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.
도 15는 본 발명의 다른 일실시예에 의한 로봇용 관절 구동장치의 관절 토크 측정 방법을 개략적으로 나타내는 도면이다.
1 is a front view showing an appearance of a humanoid robot including a joint drive device for a robot according to an embodiment of the present invention.
Fig. 2 is a schematic perspective view schematically showing the configuration of the humanoid robot of Fig. 1. Fig.
3 is an external perspective view of a joint drive device for a robot according to an embodiment of the present invention.
4 is a view showing a structure in which a joint encoder is mounted on a joint of a joint driving device for a robot according to an embodiment of the present invention.
5 is a view showing a position of a tap for a fastening member formed on a joint encoder shaft of a joint driving device for a robot according to an embodiment of the present invention.
6 is an exploded perspective view of a joint drive device for a robot according to an embodiment of the present invention.
7A and 7B are diagrams showing the connection state of cables in different directions.
8 is an enlarged perspective view showing an enlarged joint formed by an output pulley.
Fig. 9 is a side view of Fig. 8. Fig.
10 is a view schematically showing a joint torque measurement method of a joint driving device for a robot according to an embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a graph showing a torque value according to time measured using a torque sensor and an encoder. FIG.
12 is a diagram showing the linearity between the torque values measured using the torque sensor and the encoder.
13 is a diagram showing an improvement in resolution when a second rotation angle, which is a rotation angle of a joint, is filtered.
14 is a flowchart schematically showing a joint torque measurement method of a joint drive device for a robot according to an embodiment of the present invention.
15 is a view schematically showing a joint torque measurement method of a joint driving device for a robot according to another embodiment of the present invention.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 인간형 로봇의 외관을 도시한 정면도이고, 도 2는 도 1의 인간형 로봇의 구성을 개략적으로 도시한 개략 사시도이다.FIG. 1 is a front view showing the appearance of a humanoid robot according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a schematic perspective view schematically showing a configuration of the humanoid robot of FIG.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 인간형 로봇(1)(이하에서는 간단히 '로봇'이라 한다)은 동체(10)와, 동체(10)의 상부 양측에 연결되는 팔(20R, 20L)과, 동체(10)의 상단부에 연결되는 머리(30)와, 동체(10)의 하부 양측에 연결되는 다리(40R, 40L)를 구비한다. 양팔(20R, 20L)은 어깨관절 어셈블리(210R, 210L)를 통해 동체(10)에 연결되고, 머리(30)는 목(50)을 통해 동체(10)에 연결된다. 참조 부호에서 "R", "L"은 각각 우측과 좌측을 나타낸다.1 and 2, a humanoid robot 1 (hereinafter simply referred to as a robot) includes a body 10, arms 20R and 20L connected to both sides of the body 10, A head 30 connected to the upper end of the moving body 10 and legs 40R and 40L connected to both sides of the lower side of the moving body 10. [ The arms 20R and 20L are connected to the body 10 through the shoulder joint assemblies 210R and 210L and the head 30 is connected to the body 10 through the neck 50. [ In the reference numerals, "R" and "L" indicate the right side and the left side, respectively.

동체(10)의 내부는 커버(11)에 의해 보호된다. 동체(10)에는 제어유닛(12), 배터리(13) 및 경사센서(14)가 설치될 수 있다. 경사센서(14)는 연직축에 대한 동체(10)의 경사각도와 그 각속도 등을 검출한다.The inside of the body 10 is protected by a cover 11. A control unit 12, a battery 13, and a tilt sensor 14 may be installed in the body 10. The inclination sensor 14 detects the inclination angle of the moving body 10 with respect to the vertical axis and the angular velocity thereof.

동체(10)는 가슴부(10a)와 허리부(10b)로 분할될 수 있으며, 가슴부(10a)와 허리부(10b) 사이에는 가슴부(10a)가 허리부(10b)에 대해 상대 회전할 수 있도록 관절(15)이 설치될 수 있다. 도 2에서는 동체(10)를 동체링크로서 간략히 도시하였다.The body 10 can be divided into a chest portion 10a and a waist portion 10b and a chest portion 10a is provided between the chest portion 10a and the waist portion 10b and is rotatable relative to the waist portion 10b The joint 15 can be installed. In Fig. 2, the body 10 is briefly shown as a body link.

양측 팔(20R, 20L)은 상박링크(21), 하박링크(22) 및 손(23)을 구비한다. 상박링크(21)는 어깨관절 어셈블리(210)를 통해 동체(10)에 연결된다. 상박링크(21)와 하박링크(22)는 팔꿈치관절부(220)를 통해 서로 연결되고, 하박링크(22)와 손(23)은 손목관절부(230)를 통해 서로 연결된다.Both arms 20R and 20L have an upper link 21, a lower link 22 and a hand 23. The upper limb link 21 is connected to the body 10 through the shoulder joint assembly 210. The upper link 21 and the lower link 22 are connected to each other through the elbow joint 220 and the lower link 22 and the hands 23 are connected to each other through the wrist joint 230.

팔꿈치관절부(220)는 피치(pitch) 방향의 회전관절(221)과, 요(yaw) 방향의 회전관절(222)을 포함하여 2자유도를 가지고, 손목관절부(230)는 피치 방향의 회전관절(231)과 롤(roll) 방향의 회전관절(232)을 포함하여 2자유도를 가질 수 있다.The elbow joint part 220 has two degrees of freedom including a rotation joint 221 in the pitch direction and a rotation joint 222 in the yaw direction and the wrist joint part 230 has the rotation joints in the pitch direction 231 and a rolling joint 232 in the roll direction.

손(23)에는 5개의 손가락(23a)이 설치된다. 각각의 손가락(23a)에는 모터에 의해 구동되는 다수의 관절(미도시)들이 설치될 수 있다. 손가락(23a)은 팔(20)의 움직임에 연동하여 물건을 파지하거나 특정 방향을 가리키는 것과 같은 다양한 동작을 실행한다.The hand 23 is provided with five fingers 23a. A plurality of joints (not shown) driven by a motor can be installed on each finger 23a. The finger 23a performs various operations such as grasping an object in conjunction with movement of the arm 20 or pointing to a specific direction.

어깨관절 어셈블리(210R, 210L)는 동체(10)의 양측에 장착되어 양팔(20R, 20L)을 동체(10)에 연결한다. 두 어깨관절 어셈블리(210R, 210L)는 로봇(1)의 동체(10)와 팔(20R, 20L) 사이에 배치되어 팔(20R, 20L)을 움직인다.The shoulder joint assemblies 210R and 210L are mounted on both sides of the moving body 10 and connect both arms 20R and 20L to the moving body 10. [ The two shoulder joint assemblies 210R and 210L are disposed between the moving body 10 of the robot 1 and the arms 20R and 20L to move the arms 20R and 20L.

머리(30)에는 로봇(1)의 시각으로서 기능하는 카메라(31)와, 청각으로서 기능하는 마이크로폰(32)이 설치될 수 있다.The head 30 may be provided with a camera 31 functioning as the time of the robot 1 and a microphone 32 functioning as a hearing.

머리(30)는 목관절부(310)를 통해 동체(10)와 연결된다. 목관절부(310)는 요 방향의 회전관절(311), 피치 방향의 회전관절(312) 및 롤 방향의 회전관절(313)을 포함하여 3자유도를 가질 수 있다.The head 30 is connected to the body 10 through the neck joint 310. The neck joint part 310 may have three degrees of freedom including a rotation joint 311 in the yaw direction, a rotation joint 312 in the pitch direction, and a rotation joint 313 in the roll direction.

목관절부(310)의 각각의 회전관절(311)(312)(313)에는 머리 회전용 모터들(미도시)이 연결된다. 제어유닛(12)은 각각의 모터들을 제어하여 회전관절들(311)(312)(313)을 적정 각도로 구동함으로써 머리(30)를 원하는 방향으로 움직일 수 있다. Head rotation motors (not shown) are connected to the respective rotation joints 311, 312, and 313 of the neck joint 310. The control unit 12 can move the head 30 in a desired direction by controlling the respective motors to drive the revolute joints 311, 312 and 313 at an appropriate angle.

양측 다리(40R, 40L)는 각각 대퇴 링크(41), 하퇴 링크(42) 및 발(43)을 포함한다. 대퇴 링크(41)는 대퇴 관절부(410)를 통해 동체(10)에 연결된다. 대퇴 링크(41)와 하퇴 링크(42)는 무릎 관절부(420)룰 통해 서로 연결되고, 하퇴 링크(42)와 발(43)은 발목(ankle) 관절부(430)를 통해 서로 연결된다.Both legs 40R and 40L include a femoral link 41, a lower link 42 and a foot 43, respectively. The femoral link 41 is connected to the body 10 through the femoral joint 410. The lower link 42 and the foot 43 are connected to each other through an ankle joint part 430. The lower link 42 and the lower link 43 are connected to each other via an ankle joint part 430. [

대퇴 관절부(410)는 3자유도를 가진다. 구체적으로 대퇴 관절부(410)는 요(yaw) 방향(Z축 주위의 회전)의 회전관절(411)과, 피치(pitch) 방향(Y축 주위의 회전)의 회전관절(413)과, 롤(roll) 방향(X축 주위의 회전)의 회전관절(414)을 가질 수 있다. 대퇴 관절부(410) 중에서 피치 방향의 회전관절(413)과 롤 방향의 회전관절(414)은 엉덩이 관절부(412)를 구성할 수 있다.The femoral joint 410 has three degrees of freedom. Specifically, the femoral joint 410 includes a rotary joint 411 in the yaw direction (rotation around the Z axis), a rotary joint 413 in the pitch direction (rotation about the Y axis) roll direction (rotation around the X axis). The pitch joint 413 and the roll joint 414 of the femoral joint 410 constitute the hip joint 412.

무릎(knee) 관절부(420)는 피치 방향의 회전관절(421)을 포함하여 1자유도를 가진다. 발목 관절부(430)는 피치 방향과 롤 방향의 회전관절(431)(432)을 포함하여 2자유도를 가진다.The knee joint part 420 has a degree of freedom including a rotation joint 421 in the pitch direction. The ankle joint part 430 has two degrees of freedom including rotation joints 431 and 432 in the pitch direction and the roll direction.

무릎 관절부(420)는 피치 방향의 회전관절(421)을 포함하여 1자유도를 가진다. 발목 관절부(430)는 피치 방향과 롤 방향의 회전관절(431)(432)을 포함하여 2자유도를 가진다.The knee joint part 420 includes a rotation joint 421 in the pitch direction and has a single degree of freedom. The ankle joint part 430 has two degrees of freedom including rotation joints 431 and 432 in the pitch direction and the roll direction.

이와 같이, 각각의 다리(40R, 40L)에는 세 관절부에 대해 6개의 회전관절이 마련되므로, 다리 전체에 대해서는 12개의 회전관절이 마련된다. 도면에 도시되지는 않았으나, 각각의 다리(40R, 40L))에는 각 회전관절을 구동하는 모터들이 설치된다. 제어유닛(12)은 다리(40R, 40L)에 마련된 모터들을 적절히 제어함으로써 로봇(1)의 보행을 비롯하여 다리(40R, 40L)의 다양한 동작을 구현할 수 있다.As described above, since each of the legs 40R and 40L is provided with six revolving joints with respect to the three joints, twelve revolving joints are provided with respect to the entire legs. Although not shown in the drawings, the motors for driving the rotating joints are provided on the respective legs 40R and 40L. The control unit 12 can implement various operations of the legs 40R and 40L including the walking of the robot 1 by appropriately controlling the motors provided on the legs 40R and 40L.

한편, 양측 다리(40R, 40L)에서 발(43)과 발목 관절부(430)의 사이에는 다축 F/T센서(Multi-Axis Force and Torque Sensor)(44)가 각각 설치된다. 다축 F/T센서(44)는 발(43)로부터 전달되는 힘의 3방향 성분(Fx, Fy, Fz)과 모멘트의 3방향 성분(Mx, My, Mz)을 측정함으로써 발(43)의 착지 여부 및 발(43)에 가해지는 하중을 검출한다.On the other hand, a multi-axial force and torque sensor 44 is installed between the foot 43 and the ankle joint part 430 on both legs 40R, 40L. The multiaxial F / T sensor 44 measures the three-directional components Fx, Fy and Fz of the force transmitted from the foot 43 and the three-directional components Mx, My and Mz of the moment, And the load applied to the foot 43 are detected.

이하에서는 이러한 로봇의 여러 관절부 중 적어도 하나에 사용되는 로봇 관절 구동장치(500)에 대해 설명한다.Hereinafter, a robot joint driving apparatus 500 used in at least one of various joints of the robot will be described.

도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 로봇용 관절 구동장치의 외관 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 로봇용 관절 구동장치의 관절부에 관절부 인코더가 장착되는 구조를 나타내는 도면이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 로봇용 관절 구동장치의 관절부 인코더 샤프트에 형성된 체결 부재용 탭(tap)의 위치를 나타내는 도면이며, 도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 로봇용 관절 구동 장치의 분해 사시도이며, 도 7a 및 도 7b는 각각 다른 방향에서의 케이블의 연결 상태를 나타내는 도면이며, 도 8은 출력 풀리로 형성되는 관절부를 확대한 확대 사시도이며, 도 9는 도 8의 측면도이다.FIG. 3 is an external perspective view of a joint driving device for a robot according to an embodiment of the present invention, FIG. 4 is a view illustrating a structure in which a joint encoder is mounted on a joint of a joint driving device for a robot according to an embodiment of the present invention FIG. 5 is a view showing a position of a tap for a fastening member formed on a joint shaft encoder shaft of a joint driving device for a robot according to an embodiment of the present invention. FIG. FIG. 8 is an enlarged perspective view showing an enlarged joint part formed by an output pulley, FIG. 9 is an enlarged perspective view of the joint drive device of FIG. 8, and FIG. Side view.

도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 로봇용 관절 구동장치(500)는 정, 역방향으로 회전 가능하도록 마련되는 구동모터(510)와, 구동모터(510)의 구동력을 전달받아 직선 운동하는 이동부재(520)와, 이동부재(520)가 나사 결합되는 볼 스크류부(535)와, 이동부재(520)의 양방향에서 연결되는 케이블(cable)(540)과, 케이블(540)의 일측부와 접촉하여 회전하는 아이들 풀리(550)와, 케이블(540)의 타측부와 접촉하여 회전하는 출력 풀리로 형성되는 관절부(560)와, 아이들 풀리(550)와 관절부(560)를 지지하는 바디 프레임(503a, 503b)과, 관절부(560)와 결합하여 회전 가능하도록 마련되는 관절 프레임(505a, 505b, 505c))과, 바디 프레임(503a, 503b)과 관절 프레임(505a)에 결합되는 관절부 인코더(501)를 포함한다.3 to 6, the joint drive device 500 for a robot includes a drive motor 510 provided to be rotatable in forward and reverse directions, a drive motor 510 that receives a drive force of the drive motor 510, A cable 540 connected in both directions of the moving member 520 and a cable 540 connected to one side of the cable 540 A joint part 560 formed of an output pulley that rotates in contact with the other side of the cable 540 and a body frame 560 supporting the idle pulley 550 and the joint part 560. [ 503b and 503c which are rotatably coupled to the joint parts 560 and 503a and 503b and a joint encoder 501 which is coupled to the body frames 503a and 503b and the joint frame 505a, ).

구동모터(510)는 로봇용 관절 구동장치(500)를 구동하기 위한 구동력을 제공한다. 구동모터(510)의 일측은 볼 스크류부(535)와 구동벨트(515)에 의해 연결되며, 구동모터(510)의 회전력은 구동벨트(515)를 통해 볼 스크류부(535)로 전달되어 볼 스크류부(535)를 회전시키게 된다. 구동모터(510)에는 구동모터 샤프트(미도시)의 회전 각도를 측정할 수 있는 구동모터 인코더(513)이 설치된다.The driving motor 510 provides a driving force for driving the joint driving device 500 for a robot. One end of the drive motor 510 is connected to the ball screw portion 535 by a drive belt 515 and the rotational force of the drive motor 510 is transmitted to the ball screw portion 535 through the drive belt 515, The screw portion 535 is rotated. The drive motor 510 is provided with a drive motor encoder 513 capable of measuring the rotation angle of a drive motor shaft (not shown).

볼 스크류부(535)는 구동모터(510)에 의해 회전하게 되며, 이동부재(520)가 결합되도록 나사가 형성된 나사부(537)를 포함한다.The ball screw portion 535 is rotated by the driving motor 510 and includes a threaded portion 537 which is screwed to engage with the moving member 520.

이동부재(520)는 볼 스크률부(535)가 회전하면, 나사부(537)를 따라 상하로 직선 운동하게 된다. 즉, 구동모터(510)의 정, 역방향 회전 운동이 이동부재(520)에 전달되어 상하 직선운동으로 바뀌게 된다.When the ball screw portion 535 rotates, the moving member 520 linearly moves up and down along the screw portion 537. That is, the forward and reverse rotational movements of the driving motor 510 are transmitted to the moving member 520 and are changed into up and down linear motion.

이동부재(520)가 결합된 볼 스크류부(535)는 볼 스크류부 프레임(590)에 결합된다. 볼 스크류부 프레임(590) 내부에서 볼 스크류부(535)는 정, 역 방향으로 회전하고, 그에 따라 이동부재(520)는 상하 방향으로 직선 운동한다.The ball screw portion 535 to which the moving member 520 is coupled is coupled to the ball screw sub frame 590. In the ball screw sub frame 590, the ball screw portion 535 rotates in the forward and reverse directions, and the moving member 520 linearly moves in the vertical direction.

볼 스크류부 프레임(590)은 이동부재(520)의 회전이 방지되도록 가이드하는 가이듯 슬롯(guide slot: 592)을 포함한다. 가이드 슬롯(592)은 상하 길이 방향으로 형성되어 이동부재(520)가 상하 방향 운동 만을 하게 하고, 볼 스크류부(535)의 회전 운동에 의해서는 회전하지 않도록 하는 역할을 한다.The ball screw sub frame 590 includes a guide slot 592 for guiding the rotation of the movable member 520 to be prevented. The guide slot 592 is formed in the vertical direction so that the moving member 520 moves only in the vertical direction and does not rotate by the rotational motion of the ball screw portion 535.

이동부재(520)의 양측 상하 방향으로는 케이블(540)이 연결된다. 케이블(540)은 구동모터(510)의 구동력으로 관절부(560)를 회전시킬 수 있도록 소정의 장력을 유지하면서 관절부(560)에 연결된다. 케이블(540)은 바람직하게 스틸(steel)재질로 마련되며, 원반형의 출력 풀리로 형성되는 관절부(560)와 아이들 풀리(550)를 감싸도록 배치된다.A cable 540 is connected to both sides of the movable member 520 in the vertical direction. The cable 540 is connected to the joint part 560 while maintaining a predetermined tension so as to rotate the joint part 560 by the driving force of the driving motor 510. The cable 540 is preferably made of steel and is arranged to enclose the idler pulley 550 and the joint portion 560 formed of a disc-shaped output pulley.

이상에서 설명한 것처럼, 로봇용 관절 구동장치(500)의 전체적인 동작은 구동모터(510)가 정, 역 방향으로 회전하면 볼 스크류부(535)도 함께 회전하고, 그에 따라 이동부재(520)는 상하 방향으로 직선 운동하여 케이블(540)을 상하 방향으로 움직이게 된다. 케이블(540)의 상하 방향으로의 이동은 아이들 풀리(550)와 출력 풀리로 형성되는 관절부(560)를 정, 역 방향으로 회전 구동시키게 된다.As described above, the overall operation of the joint drive device for a robot 500 is such that when the drive motor 510 rotates in the forward and reverse directions, the ball screw portion 535 also rotates together with the moveable member 520, And moves the cable 540 in the vertical direction. The vertical movement of the cable 540 causes the idle pulley 550 and the joint portion 560 formed of the output pulley to rotate in the forward and reverse directions.

도 3에서 볼 수 있듯이, 케이블(540)의 회전 운동에 의한 장력에 의해서 관절부(560)이 회전하게 되면 관절부(560)에 연결된 관절 프레임(505a, 505b, 505c)이 동시에 회전하게 되어 로봇(1)의 관절이 이동하게 된다. 이때, 로봇용 관절 구동장치(500)의 관절부(560)에는 관절부(560)의 회전 각도를 측정할 수 있는 관절부 인코더(501)가 설치된다. 이 관절부 인코더(501)의 설치 구조가 도 4에 나타나 있다.3, when the joint part 560 is rotated by the tension caused by the rotation of the cable 540, the joint frames 505a, 505b, and 505c connected to the joint part 560 are simultaneously rotated, ) Are moved. At this time, a joint encoder 560 of the joint drive device 500 for a robot is provided with a joint encoder 501 capable of measuring a rotation angle of the joint shaft 560. The installation structure of the joint encoder 501 is shown in Fig.

도 4에서 관절부 인코더(501)은 관절부 인코더 바디부(501a)와 관절부 인코더 샤프트(501b)를 포함한다. 관절부 인코더(501)와 바디 프레임(503a) 사이에는 이들을 결합시키기 위한 제1브라켓(507)이 설치되며, 관절부 인코더(501)와 관절 프레임(505a) 사이에는 이들을 결합시키기 위한 제2브라켓(509)이 설치된다. 도 4 및 도 5에서 볼 수 있듯이, 관절부 인코더 샤프트(501b)에는 관절부 인코더 샤프트(501b)과 제2브라켓(509)를 결합시키기 위한 체결 부재용 탭(tap: 501c)이 형성되어 있다. 제2브라켓(509)에도 역시 체결 부재용 탭에 체결 부재가 결합하기 위한 홀이 형성되어 있다. 이때, 체결 부재용 탭(501c)는 관절부 인코더 샤프트(501b)의 축을 중심으로 한쪽으로 편향되게 형성되어 있다. 이는 조립을 용이하게 하고 회전 시 관절부 인코더 샤프트(501b)의 미끄러짐을 방지하기 위함이다.4, the joint encoder 501 includes a joint encoder body 501a and a joint encoder shaft 501b. A first bracket 507 is provided between the joint encoder 501 and the body frame 503a to couple the first bracket 507 and the first bracket 507. A second bracket 509 is provided between the joint encoder 501 and the joint frame 505a, Respectively. As shown in FIGS. 4 and 5, the joint encoder shaft 501b is formed with a tap 501c for fastening member for coupling the joint encoder shaft 501b and the second bracket 509 to each other. The second bracket 509 also has a hole for engaging the fastening member on the fastening member tab. At this time, the fastening member tab 501c is formed to be deflected toward one side about the axis of the joint encoder shaft 501b. This is to facilitate assembly and prevent slippage of the articulation encoder shaft 501b upon rotation.

도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 케이블(540)은 1줄의 케이블(540)로 폐루프(closed loop)를 형성하며, 폐루프(closed loop)를 형성하기 위해 1줄 케이블(540)의 양단부(540a, 540b)는 케이블(540)을 압착하도록 형성되는 연결 루프 슬리브(546)에 의해 연결된다. 즉, 케이블(540)의 양단부(540a, 540b)가 연결 루프 슬리브(546)에 의해 연결되어 고정된다.7A and 7B, the cable 540 forms a closed loop with one line of cables 540 and a one-line cable 540 to form a closed loop. The ends 540a and 540b of the cable 540 are connected by a connection loop sleeve 546 formed to compress the cable 540. That is, both ends 540a and 540b of cable 540 are connected and fixed by connecting loop sleeves 546.

케이블(540)은 아이들 풀리(550), 이동부재(520) 및 관절부(560) 사이에서 적어도 1회 병렬로 연결된다. 본 발명의 일 실시예의 케이블(540)은 일측에서 출력 풀리로 형성되는 관절부(560)와 아이들 풀리(550) 사이에 형성되는 제1라인(line)(541)과, 제1라인(541)의 측면에 병렬로 마련되는 제2라인(542)과, 제2라인(542)의 측면에 병렬로 마련되는 제3라인(543)과, 제3라인(543)의 측면에 병렬로 마련되는 제4라인(544)을 포함한다.The cable 540 is connected at least once in parallel between the idler pulley 550, the shifting member 520 and the joint 560. The cable 540 of the embodiment of the present invention includes a first line 541 formed between a joint part 560 formed at one side of the output pulley and the idle pulley 550 and a second line 541 formed between the first line 541 A third line 543 provided in parallel on the side of the second line 542 and a third line 543 provided in parallel on the side of the third line 543, Line 544.

이렇게 케이블(540)을 병렬로 연결시키는 이유는 로봇용 관절 구동장치(500)의 비틀림 강성(Torsional Stiffness)을 크게 하도록 하기 위해서이다. 비틀림 강성(Torsional Stiffness)은 외부에서 정지상태의 관절부(560)에 외력이 가해졌을 때 외력에 대해 관절부(560)가 움직이는 정도로 표현할 수 있다. 비틀림 강성(Torsional Stiffness)이 클수록 외력에 대해 관절부(560)가 덜 움직인다는 의미이다.The reason for connecting the cables 540 in parallel is to increase the torsional stiffness of the joint driving device 500 for the robot. The torsional stiffness can be expressed by the degree to which the joint part 560 moves with respect to an external force when an external force is applied to the joint part 560 in a stationary state from the outside. The greater the torsional stiffness, the less the joint 560 moves about the external force.

로봇용 관절 구동장치(500)에서 비틀림 강성(Torsional Stiffness)을 크게 할 수 있는 방법으로, 출력 풀리로 형성되는 관절부(560) 및 아이들 풀리(550)의 지름을 크게하는 방안과 케이블(540)의 자유길이를 짧게 하는 방안을 고려할 수 있다, 하지만, 출력 풀리로 형성되는 관절부(560) 및 아이들 풀리(550)의 지름을 크게 하면 전체적인 로봇용 관절 구동장치(500)의 크기가 커지는 문제가 있고, 케이블(540)의 자유길이를 짧게 하면 볼 스크류부(535)의 길이도 짧아지게 되어 관절부(560)의 가동각이 작아지는 문제가 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 이러한 문제를 케이블(540)을 복수회 병렬 연결시킴으로써 해결하였다. 케이블(540)을 복수회 병렬 연결시켜서 비틀림 강성(Torsional Stiffness)이 커지도록 하는 방법은 여러 개의 스프링을 병렬로 연결시켜 스프링 상수(Spring Constant)가 커지도록 하는 것과 같은 원리이다.A method of increasing the torsional stiffness of the joint driving device 500 for the robot and a method of increasing the diameter of the joint portion 560 and the idle pulley 550 formed by the output pulley, However, if the diameters of the joint portion 560 and the idle pulley 550 formed by the output pulley are increased, there is a problem that the overall size of the joint driving device 500 for a robot is increased. If the free length of the cable 540 is shortened, the length of the ball screw portion 535 is also shortened, and the movable angle of the joint portion 560 is reduced. In an embodiment of the present invention, this problem is solved by connecting the cable 540 in parallel a plurality of times. The method of increasing the torsional stiffness by connecting the cable 540 in parallel a plurality of times is a principle in which a plurality of springs are connected in parallel to increase the spring constant.

도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 출력 풀리로 형성되는 관절부(560)는 케이블(540)과의 슬립 현상이 방지되도록 케이블 고정부(562)를 포함한다.8 and 9, the joint portion 560 formed of the output pulley includes a cable fixing portion 562 so as to prevent the slip phenomenon with the cable 540.

케이블 고정부(562)는 케이블(540)이 출력 풀리로 형성되는 관절부(560)의 축 방향과 평행하게 배치되도록 가이드 하는 케이블 가이드 브라켓(563a, 563b)을 포함한다. 즉, 관절부(560)와 접촉하며, 제2라인(542)과 제3라인(543)을 연결하는 부분의 케이블(540)을 케이블 가이드 브라켓(563a, 563b)에 형성된 홈을 따라 배치되도록 하여 출력 풀리로 형성되는 관절부(560)와 케이블(540) 사이의 마찰력이 커지도록 하였다.The cable fixing portion 562 includes cable guide brackets 563a and 563b for guiding the cable 540 to be disposed parallel to the axial direction of the joint portion 560 formed by the output pulley. That is, the cable 540 in contact with the joint part 560 and connecting the second line 542 and the third line 543 is arranged along the groove formed in the cable guide brackets 563a and 563b, The frictional force between the joint portion 560 formed by the pulley and the cable 540 is increased.

또한, 케이블 고정부(562)은 케이블(540)을 출력 풀리로 형성되는 관절부(560)에 고정시키기 위한 스페이서(565a, 565b)를 포함한다. 관절부(560)와 접촉하는 제1라인(541)과 제4라인(544)의 케이블(540) 부위에는 케이블(540)을 압착하도록 형성되는 고정 루프 슬리브(loop sleeve)(547a, 547b)가 끼워지고, 스페이서(565a, 565b)는 고정 루프 슬리브(547a, 547b)가 관절부(560)에 고정되도록 형성된다. 즉, 관절부(560)의 루프 슬리브 홈(567a, 567b) 일측에 경사면(566a, 566b)이 형성된 스페이서(565a, 565b)가 접착제로 접착되고, 스페이서(565a, 565b)와 접촉하면서 고정 루프 슬리브(547a, 547b)가 끼워지는 것이다. 이 때 케이블(540)의 프리텐션(pretension)으로 인해 고정 루브 슬리브(547a, 547b)는 루프 슬리브 홈(567a, 567b)에 고정된다.The cable fixing portion 562 also includes spacers 565a and 565b for fixing the cable 540 to the joint portion 560 formed by the output pulley. Loop sleeves 547a and 547b formed to press the cable 540 are inserted into the portions of the cables 540 of the first line 541 and the fourth line 544 which are in contact with the joint portion 560 And the spacers 565a and 565b are formed to fix the fixed loop sleeves 547a and 547b to the joint portion 560. [ That is, the spacers 565a and 565b formed with the inclined surfaces 566a and 566b are adhered to one side of the loop sleeve grooves 567a and 567b of the joint portion 560 with an adhesive, and the fixed loop sleeves (565a and 565b) 547a, and 547b are inserted. At this time, due to the pretension of the cable 540, the fixed lube sleeves 547a and 547b are fixed to the loop sleeve grooves 567a and 567b.

이하, 이와 같은 장치를 포함하는 로봇용 관절 구동장치(500)의 관절 토크 측정 방법을 상세히 설명한다. 도 10은 본 발명의 일실시예에 의한 로봇용 관절 구동장치의 관절 토크 측정 방법을 개략적으로 나타내는 도면이다.Hereinafter, a joint torque measurement method of the joint drive device 500 for a robot including such an apparatus will be described in detail. 10 is a view schematically showing a joint torque measurement method of a joint driving device for a robot according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일실시예에 의한 로봇용 관절 구동장치(500)는 토크 센서를 사용하지 않고 케이블의 비틀림 강성을 이용하여 관절부(560)의 토크를 측정함을 그 특징으로 한다. 즉, 케이블(540)에 의하여 구동력이 전달되는 로봇용 관절 구동장치(500)의 경우 구동모터(510)로부터 출력 풀리로 형성되는 관절부(560)에 전달되는 힘과 케이블(540)의 길이 변화에는 일정한 상관 관계가 있다는 것을 이용하는 것이다. 이를 더 자세히 살펴보면 다음과 같다.The joint driving apparatus 500 for a robot according to an embodiment of the present invention is characterized by measuring the torque of the joint portion 560 by using the torsional rigidity of the cable without using a torque sensor. That is, in the case of the joint driving device 500 for transmitting a driving force by the cable 540, the force transmitted from the driving motor 510 to the joint part 560 formed by the output pulley and the change of the length of the cable 540 There is a certain correlation. More specifically, it is as follows.

즉, 바디 프레임(503: 503a, 503b) 내의 구동모터(510)가 구동되면 구동모터 샤프트가 회전하게 되고 이 회전에 의해 기어 트레인(gear train: 512) 및 볼 스크류부(535) 및 이동부재(520)을 통하여 결국 관절부(560)가 회전하게 된다. 하지만, 구동모터 샤프트의 회전수와 관절부(560)의 회전수는 기어비만큼의 차이가 발생한다. 이상적인 경우라면 구동모터 샤프트의 회전수에 기어비를 곱하면 관절부의 회전수와 일치하게 된다. 회전각의 측면에서 설명하면 다음과 같다.That is, when the driving motor 510 in the body frame 503 (503a, 503b) is driven, the driving motor shaft is rotated. By this rotation, the gear train 512, the ball screw portion 535, The joint portion 560 rotates through the joints 520 and 520. However, the number of revolutions of the drive motor shaft and the number of revolutions of the joint portion 560 are different by a gear ratio. In an ideal case, multiplying the number of revolutions of the drive motor shaft by the gear ratio will match the number of revolutions of the joint. In terms of the rotation angle, the following will be described.

구동모터 샤프트(미도시)의 회전각을 나타내는 구동모터 인코더(513)의 측정값을 N이라 하고, 기어비를 나타내는 상수를 G라고 하고, 이 N과 G를 곱한 값을 '제1회전각'이라 정의한다. 즉, 제1회전각은 θM이라고 하면 다음과 같이 표현된다.The measured value of the drive motor encoder 513 representing the rotation angle of the drive motor shaft (not shown) is denoted by N, the constant denoting the gear ratio is denoted by G, and the value obtained by multiplying N by G is referred to as a 'first rotation angle' define. That is, when the first rotation angle is? M , it is expressed as follows.

θM = G × N --- 식(1)& amp ; thetas; M = G x N - (1)

(G: 기어비 상수, N: 구동모터 샤프트 회전각) (G: gear ratio constant, N: rotation angle of drive motor shaft)

이때, θM은 케이블(540)의 비틀림 강성 계수가 무한대라고 가정하여 구동모터 샤프트(미도시)의 회전각으로부터 추정한 관절부(560)의 회전각을 의미한다. 하지만 케이블(540)은 케이블(540)에 걸리는 토크에 의해서 변형되기 때문에 실제 관절부(560)의 회전각과는 작은 차이게 난다.At this time, θ M is the rotation angle of the joint 560 estimated from the rotation angle of the drive motor shaft (not shown) assuming that the torsional stiffness coefficient of the cable 540 is infinite. However, since the cable 540 is deformed by the torque applied to the cable 540, there is a slight difference from the rotation angle of the actual joint portion 560.

또한, 관절부 인코더(501)로부터 관절부(560)의 회전 각도를 측정하고, 이를 '제2회전각'이라고 정의한다. 제2회전각은 θJ로 표현한다. 이 값으로부터 제1회전각과 제2회전각의 차이인 회전각 오차(Δθ = θM - θJ)를 계산한다. Further, the rotation angle of the joint part 560 is measured from the joint encoder 501, and this is defined as a "second rotation angle". The second rotation angle is expressed by? J. From this value, a rotation angle error (?? =? M -? J ) which is a difference between the first rotation angle and the second rotation angle is calculated.

이 회전각 오차는 케이블에 작용하는 토크와 비례하는 성질을 가지는데, 이는 캡스턴 드라이브 강성(capstan drive stiffness)에 관한 연구들을 통해서 알려져 있다. 즉, 케이블(540)에 작용하는 토크가 큰 값을 가질수록 케이블의 늘어남, 비틀어짐 등의 변형이 이루어져 회전각 오차가 더 커지게 되는 것이다. 케이블(540)의 비틀림 강성 계수(torsion stiffness coefficient)가 Ktorsion일때, 관절부(560)에 작용하는 토크 τ 는 다음과 같이 정의 된다. This angular error is proportional to the torque acting on the cable, which is known through studies of capstan drive stiffness. That is, as the torque acting on the cable 540 has a large value, deformation such as elongation and twisting of the cable is made, and the rotational angle error becomes larger. When the torsional stiffness coefficient of the cable 540 is K torsion , the torque τ acting on the joint part 560 is defined as follows.

τ = Ktorsion × Δθ --- 식(2)τ = K torsion × Δθ - (2)

(Ktorsion: 비틀림 강성 계수 , Δθ: 회전각 오차)(K torsion : torsional stiffness coefficient, ??: rotational angle error)

이때, 비교적 큰 오차가 허용되는 로봇의 경우에는 케이블(540)의 비틀림 강성 계수 Ktorsion를 상수로 취급하고, 이 Ktorsion을 이용하여 토크 τ를 계산해도 무방하다. 하지만, 비틀림 강성 계수 Ktorsion은 로봇 구동장치의 관절부(560)의 토크와 관절부(560)의 회전각도인 제2회전각을 변수로 하는 함수값으로 결정되므로(Ktorsion(τ,θJ)), 작은 오차도 허용되지 않는 경우에는 이 두 변수가 모두 고려되어야 한다. 이하, 이 두 변수를 고려하여 더 정확하게 관절부(560)의 토크를 측정하는 방법을 설명한다.In this case, in the case of a robot which permits a relatively large error, the torsional stiffness coefficient K torsion of the cable 540 may be treated as a constant, and the torque tau may be calculated using the K torsion . However, since the torsional stiffness coefficient K torsion is determined as a function value that is a function of the torque of the joint part 560 of the robot driving device and the second rotation angle which is the rotation angle of the joint part 560 (K torsion (τ, θ J )), If small errors are not allowed, both of these variables should be considered. Hereinafter, a method of measuring the torque of the joint portion 560 more accurately by taking these two variables into account will be described.

앞에서 설명한 바와 같이, 비틀림 강성 계수 Ktorsion은 관절부(560)의 토크와 관절부(560)의 회전각도인 제2회전각을 변수로 한다. 관절부 인코더(501)에서 관절부(560)의 회전각를 미리 설정된 샘플링 주기마다 측정하게 되는데, 측정하는 샘플링 시간에서의 관절부(560)의 회전각 θJ는 상수값으로 획득할 수 있다. 하지만, 측정하고자 하는 관절부(560)의 토크 τ와 비틀림 강성 계수 Ktorsion은 정확한 값을 바로 알 수 없다. 왜냐하면, 비틀림 강성 계수 Ktorsion은 관절부(560)의 토크와 관절부(560)의 회전각에 의해서 결정되는데, 관절부(560)의 회전각은 측정하는 샘플링 시간에서 상수값으로 획득할 수 있으나, 측정하고자 하는 토크 τ는 미지의 값이기 때문이다. As described above, the torsional stiffness coefficient K torsion is a variable of the torque of the joint part 560 and the second rotation angle, which is the rotation angle of the joint part 560. The joint angle encoder 501 measures the rotation angle of the joint part 560 at predetermined sampling periods. The rotation angle? J of the joint part 560 at the sampling time to be measured can be obtained as a constant value. However, the torque τ and the torsional stiffness coefficient K torsion of the joint part 560 to be measured can not immediately know the correct value. This is because the torsional stiffness coefficient K torsion is determined by the torque of the joint part 560 and the rotation angle of the joint part 560. The rotation angle of the joint part 560 can be obtained as a constant value at the sampling time to be measured, Since the torque? Is an unknown value.

이때, 관절부(560)의 토크 τ를 정확하게 측정하기 위해서 이터레이션(iteration) 방법을 사용한다. 이터레이션(iteration) 방법은 변수를 포함하는 함수식으로 결정되는 결과값이 있을 때, 결과값과 함수식에 동일한 미지의 변수가 있는 경우에 일정한 값을 대입한 후 반복적으로 계산을 수행하여 출력값이 일정한 값으로 수렴할 때까지 수행하는 방식으로 출력값을 계산하는 방식이다. 관절부(560)의 토크 τ를 이터레이션 방법을 이용해서 구하는 것은, 토크 τ의 절대값이 커지면 비틀림 강성 계수 Ktorsion은 작아지는 성질이 있어서 이터레이션을 반복 수행하면 토크 τ의 값이 일정한 값으로 수렴하기 때문이다. 위 두 변수를 고려한 비틀림 강성 계수를 고려하면 식(2)는 다음과 같이 식(3)으로 표현된고, 반복하는 이터레이션 횟수 i를 고려한 식은 식(4)와 같이 표현된다.At this time, an iteration method is used to accurately measure the torque? Of the joint part 560. If there is a result value determined by a function expression containing a variable and there is an unknown variable in the result value and the function expression, the iteration method is repeatedly performed after a predetermined value is substituted, And the output value is calculated by a method performed until convergence to the convergence. The reason why the torque τ of the joint part 560 is obtained by the iteration method is that when the absolute value of the torque τ becomes large, the torsional stiffness coefficient K torsion becomes small. Thus, if the iteration is repeated, the value of the torque τ converges to a constant value . Considering the torsional stiffness factor considering the above two variables, equation (2) is expressed as equation (3) as follows, and equation considering repeated iteration number i is expressed as equation (4).

τ = Ktorsion(τ,θJ) × Δθ --- 식(3)τ = K torsion (τ, θ J ) × Δθ - (3)

τi+1 = Ktorsion(τiJ) × Δθ --- 식(4)τ i + 1 = K torsion (τ i , θ J ) × Δθ - (4)

즉, 측정하는 샘플링 시간에서 미지의 값인 관절부(560)의 토크 τ를 0 과 같은 설정 값을 대입한 후 위의 관절부의 토크를 계산하는 식(4)에 대입한 후 관절부(560)의 토크 계산값을 얻는다. 관절부(560)의 토크가 얻어지면 이 값을 기초로 다시 식(4)에 대입하여 새로운 관절부(560)의 토크를 계산한다. 이러한 과정을 계속 반복하면 관절부(560)의 토크값 τ가 일정한 값으로 수렴하게 된다. 이때, 관절부(560)의 토크의 측정값의 오차인 |τi+1 - τi|가 미리 설정한 오차 범위 내로 수렴하면, 그 때 계산된 관절부(560)의 토크의 값을 관절부의 토크 값으로 채택하게 된다. 이러한 방법으로 더 정확하게 관절부(560)의 토크의 값을 측정할 수 있게 된다.That is, the torque τ of the joint part 560, which is an unknown value at the sampling time to be measured, is substituted into the equation (4) for calculating the torque of the joint part after substituting a set value such as 0, Get the value. When the torque of the joint part 560 is obtained, the torque of the new joint part 560 is calculated by substituting this into the equation (4) based on this value. If this process is repeated continuously, the torque value? Of the joint part 560 converges to a constant value. At this time, if | τ i + 1 - τ i |, which is an error of the measured value of the torque of the joint part 560, converges within a predetermined error range, the calculated value of the torque of the joint part 560 is converted into the torque value . In this way, the value of the torque of the joint part 560 can be measured more accurately.

하지만, 이 경우에도 관절부 인코더(501)의 해상도에 따른 오차가 있기 때문에 계산된 관절부(560)의 토크의 값은 실제의 값과 다른 값을 가지게 된다. 여기서 '해상도'는 관절부 인코더(501)가 측정 가능할 수 있는 최소의 각도 단위를 나타낸다. 즉, 높은 해상도, 작은 단위의 단위 측정 각도를 가질 수록 더 정밀하게 각도를 측정할 수 있게 된다. 구동모터 인코더(513)와 관절부 인코더(501)의 해상도를 비교하면, 관절부 인코더(501)의 해상도도 그리 나쁘지는 않다. 하지만, 기어비를 고려하게 되면 관절부 인코더(501)의 해상도는 구동모터 인코더(513)에 비하여 매우 떨어지게 된다. 이렇게 관절부 인코더(501)의 해상도가 구동모터 인코더(513)의 해상도에 비하여 떨어지게 되면, 위 식(1) 내지 식(4)에 의하여 관절부(560)의 토크를 계산함에 있어서 오차가 발생하게 된다.However, even in this case, the calculated torque value of the joint part 560 has a different value from the actual value because there is an error according to the resolution of the joint encoder 501. Here, 'resolution' represents the smallest angle unit that the joint encoder 501 can measure. That is, the higher the resolution, the smaller the unit measurement angle, the more accurately the angle can be measured. When the resolutions of the drive motor encoder 513 and the joint encoder 501 are compared, the resolution of the joint encoder 501 is not so bad. However, considering the gear ratio, the resolution of the joint encoder 501 is much lower than that of the drive motor encoder 513. When the resolution of the joint encoder 501 becomes lower than the resolution of the drive motor encoder 513, an error occurs in calculating the torque of the joint part 560 according to the above equations (1) to (4).

이러한 오차를 최소화하기 위해서 계산되는 관절부 인코더(501)의 측정값을 저역 통과 필터(Low Pass Filter : LPF)에 통과시킴으로써 관절부 인코더(501)의 해상도보다 더 정밀한 값을 획득할 수 있었다. 하지만, 저역 통과 필터를 사용하는 경우 측정되는 관절부(560)의 회전각의 값이 시간이 지연되어 나타나게 되어, 이에 의한 오차가 발생하게 되는 문제점이 있었다. 본 발명에서는 이러한 시간 지연을 없애고, 관절부 인코더(501)의 해상도에 의한 오차를 최소화하기 위해서 관절부 인코더(501)에서 측정되는 제2회전각을 제1회전각의 변화량이 비례하도록 필터링하는 방법을 사용한다. 이렇게 제2회전각을 필터링 하여 제2'회전각을 획득하고, 이 값을 이용하여 관절부(560)의 토크를 계산한다. 구체적인 계산 방법은 다음의 식에 의해서 수행된다.By passing the measured value of the joint encoder 501, which is calculated in order to minimize the error, to a low pass filter (LPF), it is possible to obtain a more accurate value than the resolution of the joint encoder 501. However, when the low-pass filter is used, the value of the rotation angle of the joint part 560, which is measured, is delayed in time, resulting in an error. In the present invention, a method of filtering the second rotation angle measured by the articulation encoder 501 so that the amount of change of the first rotation angle is proportional is used in order to eliminate the time delay and minimize the error caused by the resolution of the joint encoder 501 do. Thus, the second rotation angle is filtered to obtain the second rotation angle, and the torque of the joint part 560 is calculated using this value. The specific calculation method is performed by the following equation.

Figure 112010009164421-pat00003
Figure 112010009164421-pat00003

앞에서 언급한 것처럼, 제1회전각은 θM으로 표현되고, 제2회전각은 θJ로 표현되는데 위 식에는 여기에 측정 샘플링 시간을 나타내는 변수 k가 더 표시되어 있다. 즉, 특정 샘플링 시간인 k에서 제1회전각 θM[k]과, 제2회전각 θJ[k]를 획득한다. 다음 이전 샘플링 시간인 k-1 에서의 제2'회전각

Figure 112010009164421-pat00004
에 제1회전각의 변화량 θM[k]-θM[k-1]를 반영하여 샘플링 시간 k에서의 제2'회전각
Figure 112010009164421-pat00005
를 획득한다. 이때, 제1회전각의 변화량 θM[k]-θM[k-1]를 반영하는 것은 제1회전각의 변화량에 θJ[k]/θM[k]를 곱하여 더하는 방식을 사용할 수 있다. 이는, 제1회전각과 제2회전각이 정확하게 일치하지 않기 때문에 이 비율을 나타내는 상수를 곱해줌으로써 정확도를 향상시키기 위함이다. 위 식은 제1회전각의 변화량과 제2회전각의 변화량이 비례하다는 사실을 이용한 것으로, 이 식을 이용하여 필터링하여 관절부 인코더(501)의 해상도에 의하여 정확도가 떨어지는 것을 보상한 비교적 정확한 제2'회전각을 구할 수 있게 된다.As mentioned above, the first rotation angle is represented by? M , and the second rotation angle is represented by? J. In this equation, a variable k representing the measurement sampling time is further displayed. That is, the first rotation angle [theta] M [k] and the second rotation angle [theta] J [k] are acquired at a specific sampling time k. At the next previous sampling time k-1, the second rotation angle
Figure 112010009164421-pat00004
The first rotating second "rotation at each amount of change θ M [k] -θ M to reflect the [k-1] for each sampling time k
Figure 112010009164421-pat00005
. In this case, the first rotation angle is to reflect the change in θ M [k] -θ M [ k-1] of the available methods of adding the multiplied first rotating each amount of change θ J [k] / θ M [k] have. This is to improve the accuracy by multiplying the first rotation angle and the second rotation angle by a constant representing the ratio because the first rotation angle and the second rotation angle do not exactly coincide with each other. The above equation is based on the fact that the amount of change in the first rotation angle is proportional to the amount of change in the second rotation angle. By filtering using this equation, a relatively accurate second ' The rotation angle can be obtained.

하지만. 위와 같은 방법을 사용하는 경우에 관절부 인코더(501)의 최대 해상도 즉, 최소 각도 단위인 Δ 때문에 제2'관절각의 정확도가 떨어질 수 있다. 즉, 제2'관절각의 값이 이전 샘플링 시간인 k에서의 제2관절각인 θJ[k] 값을 기준으로 최대해상도의 절반인 Δ/2 의 범위로 크거나 작은 경우에는 위의 식에 의한 값으로 정해도 문제가 없으나, Δ/2 의 범위를 넘어서 크거나 작은 경우에는 오차가 크게 발생하게 된다. 이 경우에는 오차의 범위를 관절부 인코더(501)의 최대 해상도의 범위 내로 줄이기 위해서 아래의 식에 나타난 방법을 이용하여 제2'관절각을 정할 수 있다.But. In the case of using the above method, the accuracy of the second 'joint angle may be lowered due to the maximum resolution of the joint encoder 501, that is, the minimum angle unit?. That is, if the value of the second articulation angle is larger or smaller in the range of Δ / 2 which is half of the maximum resolution based on the second articulation angle θ J [k] at k, which is the previous sampling time, There is no problem even if it is set to a value by Δ / 2. However, when the value is larger or smaller than the range of Δ / 2, a large error occurs. In this case, in order to reduce the error range to within the maximum resolution range of the joint encoder 501, the second 'joint angle can be determined using the method shown in the following equation.

Figure 112010009164421-pat00006
Figure 112010009164421-pat00006

즉, 위 식에서 볼 수 있듯이 즉, 제2'관절각의 값이 이전 샘플링 시간인 k에서의 제2관절각인 θJ[k] 값을 기준으로 최대해상도의 절반인 Δ/2 의 범위을 넘어서 크거나 작은 경우에는 관절부 인코더(501)의 최대 해상도가 가질 수 있는 최대 오차 범위의 값으로 제2관절각을 채택함으로써 오차를 최소화 시킨다. 이런 방법으로 보다 정확하게 제2'관절각을 획득하고, 이 제2'관절각을 사용하여 관절부(560)의 토크를 계산함으로써 관절부(560) 토크를 보다 정확하게 측정할 수 있게 된다.That is, as shown in the above equation, if the value of the second 'joint angle is larger than the range of Δ / 2 which is half of the maximum resolution based on the second joint angle θ J [k] at k, which is the previous sampling time The error is minimized by adopting the second joint angle with a value of the maximum error range that the maximum resolution of the joint encoder 501 can have. In this way, it is possible to more accurately measure the joint 560 torque by acquiring the second 'joint angle more accurately and calculating the torque of the joint 560 using this second joint angle.

이하, 도 11 내지 도 13을 참조하여 이러한 방식으로 관절부(560)의 토크를 측정한 경우의 효과에 대해서 설명한다. 도 11은 토크센서와 인코더를 이용하여 측정한 시간에 따른 토크값을 나타내는 도면이며, 도 12는 토크 센서와 인코더를 이용하여 측정한 토크 값 사이의 선형성을 나타내는 도면이며, 도 13은 관절부의 회전 각도인 제2회전각을 필터링 수행한 경우 해상도의 향상을 나타내는 도면이다.  Hereinafter, the effect of measuring the torque of the joint portion 560 in this manner will be described with reference to Figs. 11 to 13. Fig. Fig. 11 is a diagram showing a torque value according to a time measured using a torque sensor and an encoder, Fig. 12 is a diagram showing a linearity between torque values measured using a torque sensor and an encoder, And the second rotation angle, which is an angle, is filtered.

본 발명의 일실시예에 의한 로봇용 관절 구동 장치(500)에 임의의 부하토크를 작용시켰을 때, 토크센서를 이용하여 측정한 토크의 값과 구동모터 인코더(513)와 관절부의 인코더(501)의 값을 기초로 측정한 토크의 값을 비교하면 도 11과 같이 나타난다. 이 두 값이 전반적으로 일치함을 알 수 있다.When a certain load torque is applied to the joint drive device for a robot 500 according to the embodiment of the present invention, the value of the torque measured using the torque sensor is compared with the value of the torque measured by the drive motor encoder 513 and the encoder 501 of the joint part, The value of the torque measured on the basis of the value of the torque is shown in FIG. It can be seen that these two values are generally consistent.

도 12의 그래프를 살펴보면 두 가지 방법으로 측정한 토크의 값의 기울기가 1에 가까운 것을 확인 할 수 있다. 이를 통해서도 두 가지 방법으로 측정한 값이 전반적으로 일치함을 확인할 수 있다. Referring to the graph of FIG. 12, it can be seen that the slope of the value of the torque measured by the two methods is close to 1. It is also confirmed that the measured values of the two methods agree with each other.

도 13에서는 앞에서 설명한 제2관절각의 비교적 낮은 해상도에 의한 오차를 최소화하기 위하여 필터링을 수행한 결과를 나타내고 있다. 도 13에서 저역 통과 필터를 이용한 경우와는 달리 시간 지연의 오차도 발생하지 않음을 알 수 있다. 이런 측면에서 이 필터링 방식을 이용하는 필터를 '무지연 필터'라고 부르기로 한다. 즉, 관절부 인코더(501)의 낮은 해상도에 의해서 관절부(560)의 회전각이 계단 모양으로 측정됨에 반해 무지연 필터링을 수행하면 우측에 보이는 저역 통과 필터를 사용한 경우와 같이 부드러운 형태의 곡선을 얻음과 동시에 시간 지연이 없어졌음을 알 수 있다. 이 필터링된 제2'회전각을 이용하여 관절부의 토크를 측정하면 정확도가 향상되게 된다.FIG. 13 shows a result of performing filtering in order to minimize the error due to the relatively low resolution of the second joint angle described above. 13, it can be seen that there is no time delay error unlike the case of using the low-pass filter. In this respect, a filter using this filtering method will be referred to as a "delay-less filter". That is, while the rotation angle of the joint part 560 is measured in a step shape by the low resolution of the joint encoder 501, when performing the delay-less filtering, smooth curve is obtained as in the case of using the low- At the same time, it can be seen that there is no time delay. When the torque of the joint part is measured using the filtered second rotation angle, the accuracy is improved.

이하 도 14 및 도 15를 참조하여 본 발명의 일실시예에 의한 로봇용 관절 구동장치(500)를 이용한 관절부의 토크를 측정하는 방법을 상세히 설명한다. 도 14는 본 발명의 일실시예에 의한 로봇용 관절 구동장치의 관절 토크 측정 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이며, 도 15는 본 발명의 다른 일실시예에 의한 로봇용 관절 구동장치의 관절 토크 측정 방법을 개략적으로 나타내는 순서도이다.Hereinafter, a method of measuring the torque of the joint part using the joint driving device 500 for a robot according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 14 and 15. FIG. FIG. 14 is a flowchart schematically illustrating a joint torque measurement method of a joint drive device for a robot according to an embodiment of the present invention, FIG. 15 is a flowchart illustrating a method of measuring joint torque of a joint drive device for a robot according to another embodiment of the present invention Fig.

도 14을 참조하면, 구동모터 인코더(513)를 이용하여 구동모터(510)의 회전 각도를 측정한다.(600) 구동모터(510)의 회전 각도가 측정되면 이 값에 기어비를 곱하여 제1회전각을 획득한다.(620) 다음, 관절부 인코더(501)를 이용하여 관절부(560)의 회전 각도인 제2회전각을 획득한다.(640) 이 제1회전각과 제2회전각의 오차를 계산하여 회전각 오차를 획득한다.(660a) 이 회전각 오차에 케이블의 비틀림 강성 계수를 곱함으로써(680a) 관절부(560) 토크 측정을 완료하게 된다(700) 하지만, 이는 케이블(540)의 비틀림 강성 계수가 상수가 아닌 점을 고려하지 않았으며, 관절부 인코더(501)의 낮은 해상도에 의한 오차를 고려하지 않아 정확도가 다소 떨어지게 된다. 이 두가지 요인에 의한 오차를 모두 보상하기 위한 관절부(560)의 토크 측정 방법을 도 15의 순서도를 참조하여 설명한다.14, the rotation angle of the drive motor 510 is measured using the drive motor encoder 513. (600) When the rotation angle of the drive motor 510 is measured, this value is multiplied by the gear ratio, (620) Next, a second rotation angle, which is the rotation angle of the joint portion 560, is acquired using the joint encoder 501. (640) The error between the first rotation angle and the second rotation angle is calculated (660a) to complete the torque measurement of the joint (560) (700) by multiplying the rotational angular error by the torsional stiffness coefficient of the cable (680a) The coefficient is not considered to be a constant, and accuracy is somewhat deteriorated because the error due to the low resolution of the joint encoder 501 is not considered. A method of measuring the torque of the joint part 560 for compensating for both errors due to these two factors will be described with reference to the flowchart of FIG.

도 15를 참조하면, 도 14에서와 같이 구동모터 인코더(501)를 이용하여 구동모터(513)의 회전 각도를 측정한다.(600) 이 구동모터(510)의 회전 각도에 기어비를 곱하여 제1회전각을 획득한다.(620) 다음, 관절부 인코더(501)를 이용하여 관절부(560) 회전 각도인 제2회전각을 획득한다.(640) 이때, 제2회전각을 무지연 필터링하여 제2'회전각을 획득한다.(650) 무지연 필터링 후 획득한 제2회전각과 제1회전각의 오차를 계산하여 회전각 오차를 획득한다.(660b) 이 회전각 오차에 케이블(540)의 비틀림 강성 계수를 곱하여 관절부(560)의 토크를 계산한다.(680b), 15, the rotation angle of the drive motor 513 is measured using the drive motor encoder 501 as shown in Figure 14. The reference numeral 600 denotes a rotation angle of the drive motor 510 multiplied by a gear ratio, (620) Next, a second rotation angle, which is the rotation angle of the joint part 560, is acquired using the joint encoder 501. (640) At this time, the second rotation angle is delay- (650) The error of the second rotation angle and the first rotation angle obtained after the non-delay filtering is calculated to obtain the rotation angle error (660b). The rotation angle error of the cable (540) And the torque of the joint part 560 is calculated by multiplying the stiffness coefficient (680b)

이 경우 관절부(560)의 토크를 계산할 때 0 과 같은 미리 설정한 값을 토크로 가정한 후 앞에서 언급한 식(4)에 대입한다. 이렇게 관절부(560)의 토크가 계산되면, 반복하여 관절부(560)의 토크를 계산하는 이터레이션을 수행한다(685) 이터레이션을 수행하면서, 관절부(560) 토크가 설정 오차 범위 내로 수렴했는지를 판단한다.(690) 이때, 관절부(560)의 토크가 설정 오차 범위 내로 수렴하면 계속하여 이터레이션을 수행한다. 만약, 관절부(560)의 토크가 설정 오차 범위 내로 수렴하였으면 이 값을 관절부(560) 토크의 값으로 채택하고 관절부(560) 토크 측정을 완료하게 된다.(700)In this case, when calculating the torque of the joint part 560, a predetermined value such as 0 is assumed as a torque, and the torque is substituted into the above-mentioned equation (4). When the torque of the joint part 560 is calculated as described above, iteration is repeatedly performed to calculate the torque of the joint part 560 (685). It is judged whether or not the torque of the joint part 560 converges within the set error range while performing iteration (690) At this time, if the torque of the joint part 560 converges within the set error range, the iteration continues. If the torque of the joint part 560 has converged within the set error range, this value is adopted as the value of the joint part 560 torque and the torque measurement of the joint part 560 is completed. (700)

위와 같이, 로봇용 관절 구동장치(500)의 관절부(560)에 관절부 인코더(501)를 설치하고, 이 측정된 관절부(506) 회전각과 케이블(540)의 비틀림 강성 계수를 이용함으로써 토크 센서를 장착할 필요 없이 관절부(560)에 작용하는 토크를 쉽게 측정할 수 있다.As described above, the joint encoder 501 is installed in the joint part 560 of the joint driving device 500 of the robot, and the torque sensor is mounted by using the measured rotation angle of the joint part 506 and the torsional stiffness coefficient of the cable 540 The torque acting on the joint part 560 can be easily measured.

1 : 인간형 로봇 500 : 로봇용 관절 구동장치
501 : 관절부 인코더 510 : 구동모터
513 : 구동모터 인코더 520 : 이동부재
540 : 케이블 550 : 아이들 풀리
560 : 관절부
1: Humanoid robot 500: Joint drive device for robot
501: joint encoder 510: drive motor
513: Driving motor encoder 520: Moving member
540: Cable 550: idler pulley
560: joints

Claims (11)

정방향, 역방향으로 회전 가능한 구동모터;
상기 구동모터의 구동력을 전달받아 직선 운동하는 이동부재;
상기 이동부재의 양방향에서 연결되는 케이블(cable);
상기 케이블의 일측부와 접촉하여 회전하는 아이들 풀리(idle pulley);
상기 케이블의 타측부와 접촉하여 회전하는 출력 풀리(output pulley)로 형성되는 관절부; 및
상기 관절부의 회전 각도를 측정하는 관절부 인코더를 포함하며,
상기 관절부 인코더는 관절부 인코더 바디부와 관절부 인코더 샤프트를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇용 관절 구동장치.
A drive motor rotatable in a forward direction and a reverse direction;
A moving member that receives a driving force of the driving motor and linearly moves;
A cable connected in both directions of the moving member;
An idle pulley rotating in contact with one side of the cable;
A joint formed by an output pulley rotating in contact with the other side of the cable; And
And a joint encoder for measuring a rotation angle of the joint,
Wherein the joint encoder includes a joint joint encoder body and a joint joint encoder shaft.
제1항에 있어서,
상기 구동모터의 회전 각도를 측정하는 구동모터 인코더를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇용 관절 구동장치.
The method according to claim 1,
And a drive motor encoder for measuring a rotation angle of the drive motor.
제1항에 있어서,
상기 아이들 풀리와 상기 관절부를 지지하는 바디 프레임과 상기 관절부와 연결되어 회전하는 관절 프레임을 더 포함하며,
상기 관절부 인코더 바디부는 상기 바디 프레임과 결합하고 상기 관절부 인코더 샤프트는 상기 관절 프레임에 결합하는 것을 특징으로 하는 로봇용 관절 구동장치.
The method according to claim 1,
A body frame supporting the idler pulley, the joint part, and an articulation frame connected to the joint part and rotating,
Wherein the joint encoder body is coupled to the body frame and the joint encoder shaft is coupled to the joint frame.
제3항에 있어서,
상기 관절부 인코더 바디부와 상기 바디 프레임 사이에 위치하는 제1브라켓과 상기 관절부 인코더 샤프트와 상기 관절 프레임 사이에 위치하는 제2브라켓을 더 포함하는 로봇용 관절 구동장치.
The method of claim 3,
A first bracket positioned between the joint encoder body and the body frame, and a second bracket positioned between the joint encoder shaft and the joint frame.
제4항에 있어서,
상기 관절부 인코더 샤프트에 상기 관절부 인코더 샤프트와 상기 제2브라켓을 결합시키는 체결 부재용 탭(tap)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 로봇용 관절 구동장치.
5. The method of claim 4,
And a joint tap for coupling the joint shaft encoder and the second bracket is formed on the joint shaft encoder shaft.
제5항에 있어서,
상기 체결 부재용 탭은 상기 관절부 인코더 샤프트의 끝단의 중앙 위치에서 일정 거리 벗어난 곳에 위치하는 것을 특징으로 하는 로봇용 관절 구동장치.
6. The method of claim 5,
Wherein the fastening member tab is located at a position which is a predetermined distance away from a center position of an end of the joint shaft encoder shaft.
정방향, 역방향으로 회전 가능한 구동모터와,
상기 구동모터의 회전 각도를 측정하는 구동모터 인코더와,
상기 구동모터의 구동력을 전달받아 직선 운동하는 이동부재와,
상기 이동부재의 양방향에서 연결되는 케이블(cable)과,
상기 케이블의 일측부와 접촉하여 회전하는 아이들 풀리(idle pulley)와,
상기 케이블의 타측부와 접촉하여 회전하는 출력 풀리(output pulley)로 형성되는 관절부와,
상기 관절부의 회전 각도를 측정하는 관절부 인코더를 포함하는 로봇용 관절 구동장치의 관절 토크 측정 방법에 있어서,
상기 구동모터 인코더에서 측정된 상기 구동모터의 회전 각도에 상기 구동모터와 상기 관절부의 회전 비율인 기어비를 곱한 값으로 정의되는 제1회전각을 획득하고,
상기 관절부 인코더에 측정된 상기 관절부의 회전 각도인 제2회전각을 획득하고,
상기 제1회전각과 상기 제2회전각의 차이인 회전각 오차를 계산하고,
상기 회전각 오차에 상기 케이블의 비틀림 강성 계수(torsion stiffness coefficient)를 곱하여 상기 관절부의 토크를 계산하는 것을 특징으로 하는 로봇용 관절 구동장치의 관절 토크 측정 방법.
A drive motor rotatable in forward and reverse directions,
A drive motor encoder for measuring a rotation angle of the drive motor,
A moving member which is linearly moved to receive the driving force of the driving motor,
A cable connected in both directions of the moving member,
An idle pulley rotating in contact with one side of the cable,
A joint formed by an output pulley rotating in contact with the other side of the cable,
And a joint encoder for measuring a rotation angle of the joint part, the joint torque measuring method comprising:
A rotation angle of the drive motor measured by the drive motor encoder is multiplied by a gear ratio, which is a rotation ratio between the drive motor and the joint portion, to obtain a first rotation angle,
Obtaining a second rotation angle, which is a rotation angle of the joint part measured by the joint encoder,
Calculating a rotation angle error which is a difference between the first rotation angle and the second rotation angle,
Wherein the torque of the joint part is calculated by multiplying the rotation angle error by a torsional stiffness coefficient of the cable.
제7항에 있어서,
상기 비틀림 강성 계수는 상기 관절부의 토크와 상기 관절부의 회전 각도인 상기 제2회전각을 변수로 하는 함수값으로 결정되고,
상기 관절부의 토크는 상기 회전각 오차에 상기 비틀림 강성 계수를 곱하여 계산하되,
상기 계산된 관절부의 토크가 설정 오차 범위 내로 수렴할 때까지 상기 관절부 토크에 설정 값을 대입하여 이터레이션(iteration)를 반복 수행함으로써 상기 관절부의 토크를 계산하는 것을 특징으로 하는 로봇용 관절 구동장치의 관절 토크 측정 방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the torsional stiffness coefficient is determined as a function value having the torque of the joint part and the second rotation angle which is the rotation angle of the joint part as a variable,
Wherein the torque of the joint part is calculated by multiplying the rotational angle error by the torsional stiffness coefficient,
Wherein the controller calculates the torque of the joint by repeatedly performing iteration by substituting a set value into the joint torque until the torque of the joint is converged to a set error range. Joint torque measurement method.
제7항에 있어서,
상기 관절부의 토크는 상기 회전각 오차에 상기 비틀림 강성 계수를 곱하여 계산하되,
상기 제2회전각을 상기 제1회전각의 변화량에 비례하도록 필터링 하여 획득한 제2'회전각으로 대체하여 상기 관절부의 토크를 계산하는 것을 특징으로 하는 로봇용 관절 구동장치의 관절 토크 측정 방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the torque of the joint part is calculated by multiplying the rotational angle error by the torsional stiffness coefficient,
Wherein the torque of the joint part is calculated by replacing the second rotation angle by a second rotation angle acquired by filtering the second rotation angle so as to be proportional to the change amount of the first rotation angle.
제9항에 있어서,
상기 제2회전각을 상기 제1회전각의 변화량에 비례하도록 필터링하여 상기 제2'회전각을 획득하는 것은 다음의 식에 의해서 수행되는 것을 특징으로 하는 로봇용 관절 구동장치의 관절 토크 측정 방법.
Figure 112010009164421-pat00007
10. The method of claim 9,
Wherein the second rotation angle is obtained by filtering the second rotation angle to be proportional to the change amount of the first rotation angle by the following equation.
Figure 112010009164421-pat00007
제9항에 있어서,
상기 제2회전각을 상기 제1회전각의 변화량에 비례하도록 필터링하여 상기 제2'회전각을 획득하는 것은 다음의 식에 의해서 수행되는 것을 특징으로 하는 로봇용 관절 구동장치의 관절 토크 측정 방법.
Figure 112010009164421-pat00008
10. The method of claim 9,
Wherein the second rotation angle is obtained by filtering the second rotation angle to be proportional to the change amount of the first rotation angle by the following equation.
Figure 112010009164421-pat00008
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