KR101717413B1 - Ground simulation tester of space robot arm - Google Patents

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조동현
최원섭
김민기
김해동
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한국항공우주연구원
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Abstract

The present invention provides a ground simulation apparatus of a space robot arm, to simulate an operate condition of the space robot arm on the ground when the robot arm is installed in an artificial satellite. According to the present invention, the apparatus comprises: a gas tank; a three-axial bearing installed in the top of the gas tank; the robot arm coupling the bottom to the three-axial bearing to generate reaction torque corresponding to a motion in accordance with operation of a motor; a weight adjustment device to match the center of gravity of the robot arm with the center of gravity of the three-axial bearing in order to offset gravity torque generated due to a difference between the center of gravity changed in accordance with the motion of the robot arm and the center of rotation of the three-axial bearing; and a control unit acquiring variance data of the center of gravity in accordance with a pose angle change of the robot arm to estimate a weight parameter of the robot arm, and calculating a variance of the center of gravity estimated in accordance with the motion of the robot arm based on the estimated weight parameter of the robot arm to control operation of the weight adjustment device in order to perform correction as much as the corresponding variance.

Description

우주 로봇 팔의 지상 모사 시험 장치{Ground simulation tester of space robot arm}{Ground simulation tester of space robot arm}

본 발명은 우주 로봇 팔에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 우주 로봇 팔을 지상에서 모사 시험하기 위한 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a space robot arm, and more particularly, to an apparatus for simulating a space robot arm on the ground.

인공위성에 로봇 팔을 장착해서 우주 서비스를 제공하고자 하는 노력들이 있다. 즉, 국제 우주 정거장, 고장 위성에 대한 수리, 우주 파편 제거 등이 있다. 로봇팔 기술은 현재 많은 부분 발전하여, 산업에서 다양하게 활용될 정도로 기술 개발이 성숙한 상태이다. 하지만, 우주 로봇 팔의 경우 지상에서 사용하는 로봇 팔과 달리 지지점이 없기 때문에 로봇 팔의 구동을 위한 모터의 구동 및 로봇 팔의 움직임에 따라서 반작용 토크 및 외란력이 생성되게 된다.There are efforts to provide space services by mounting robot arms on satellites. This includes the International Space Station, repair of failed satellites, and removal of space debris. Robot arm technology has developed to a large extent and matured enough to be used in various industries. However, unlike the robot arm used on the ground, the space robot arm has no support points, so reaction torque and disturbance force are generated in accordance with the movement of the motor for driving the robot arm and the motion of the robot arm.

일반적으로, 우주 로봇 팔의 관성 모멘트가 본체에 비해 상대적으로 작기 때문에 로봇 팔의 제어를 지상에서와 같이 적용하며, 이 때 발생되는 로봇 팔의 반작용 토크 및 외란력은 본체의 제어 시스템에서 외란으로 간주해서 처리한다. 하지만 본체의 크기가 소형화되어가고 있는 추세 속에서 최근 3U 크기의 로봇 팔이 등장하였고, 이를 활용한 6U(본체 3U + 로봇팔 3U) 초소형 위성이 개발될 가능성이 있다. 이 경우에는 본체의 관성 모멘트 역시 작기 때문에 로봇 팔의 반작용 효과를 본체에서 처리하기 어렵다. 따라서 기존의 여러 연구에서 제시한 알고리즘을 적용해야되며, 이에 대한 지상 모사 시험 장치가 필요하다. 도 2 및 도 3은 종래의 우주 로봇 팔의 지상 모사 시험 장치를 나타낸 도면들이다. 도 2의 경우 1 축에 대해서만 모사가 가능하고 도 3의 경우는 컴퓨터 시뮬레이션에 따른 움직임 만을 표현해 주는 장치이다.Generally, since the moment of inertia of the space robot arm is relatively small compared with the main body, the control of the robot arm is applied as in the ground, and the reaction torque and the disturbance force of the robot arm generated at this time are regarded as disturbance in the control system of the main body . However, in recent trend of miniaturization of body size, 3U size robot arm recently appeared, and it is possible that 6U (body 3U + robot arm 3U) miniaturized satellite using this is developed. In this case, since the moment of inertia of the main body is also small, it is difficult to process the reaction effect of the robot arm on the main body. Therefore, it is necessary to apply the algorithm proposed in the existing researches. FIG. 2 and FIG. 3 are views showing a ground simulation test apparatus of a conventional space robot arm. In FIG. 2, only one axis can be simulated. In FIG. 3, only a motion according to a computer simulation is expressed.

특허 등록 번호 10-2010-0008563{공개일: 2010년 1월 26일}Patent Registration No. 10-2010-0008563 {Release date: January 26, 2010}

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 인공위성에 로봇 팔을 탑재할 경우 우주 로봇 팔의 동작 상태를 지상에서 모사 시험하기 위하여 로봇 팔의 자세 각 변화에 따른 무게 중심 변화량 데이터를 획득하여 추정한 로봇 팔의 무게 파라미터를 기초로 하여 로봇 팔의 움직임에 따라 예측되는 무게 중심 변화량을 계산하여 해당 변화량 만큼 보정하도록 무게 조절 장치의 동작을 제어하여 로봇 팔의 무게 중심을 상기 3축 베어링의 회전 중심에 일치시킴으로써 로봇 팔의 움직임에 따라 변하는 무게 중심과 3축 베어링의 회전 중심 사이의 차이로 인해 발생된 중력 토크를 상쇄하여 모터 구동에 따른 로봇 팔의 움직임에 따라 발생한 반작용 토크를 지상에서 모사할 수 있는 우주 로봇 팔의 지상 모사 시험 장치를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a robot arm for a robot, And calculates the predicted center-of-gravity change according to the movement of the robot arm based on the weight parameter of the robot arm obtained by estimating and obtaining the center-of-gravity change data according to the estimated center-of- By matching the center of gravity with the center of rotation of the 3-axis bearing, the gravity torque generated due to the difference between the center of gravity of the robot arm and the center of rotation of the 3-axis bearing is canceled, Of the space robot arm that can simulate the reaction torque generated on the ground To provide a simulated test the device.

전술한 바와 같은 본 발명의 기술적 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 실시예에 따른 우주 로봇 팔의 지상 모사 시험 장치는 가스 탱크; 상기 가스 탱크의 상단에 위치하는 3축 베어링; 하단이 상기 3축 베어링에 결합되어 모터 구동에 따른 움직임에 따라 반작용 토크를 발생하는 로봇 팔; 상기 로봇 팔의 움직임에 따라 변하는 무게 중심과 상기 3축 베어링의 회전 중심 사이의 차이로 인해 발생된 중력 토크를 상쇄하기 위하여 상기 로봇 팔의 무게 중심을 상기 3축 베어링의 회전 중심에 일치시키는 무게 조절 장치; 및 상기 로봇 팔의 자세 각 변화에 따른 무게 중심 변화량 데이터를 획득하여 상기 로봇 팔의 무게 파라미터를 추정하고, 상기 추정된 로봇 팔의 무게 파라미터를 기초로 하여 상기 로봇 팔의 움직임에 따라 예측되는 무게 중심 변화량을 계산하여 해당 변화량 만큼 보정하도록 상기 자동 무게 조절 장치의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to solve the technical problems of the present invention as described above, an apparatus for testing ground surface of a space robot arm according to an embodiment of the present invention includes a gas tank; A three-axis bearing positioned at an upper end of the gas tank; A lower end coupled to the 3-axis bearing to generate a reaction torque in accordance with a movement of the motor; A weight adjustment unit that adjusts the center of gravity of the robot arm to match the center of rotation of the three-axis bearing so as to offset the gravity torque generated due to the difference between the center of gravity of the robot arm and the center of rotation of the three- Device; And estimating a weight parameter of the robot arm by acquiring data on the center of gravity of the robot arm according to a change in attitude angle of the robot arm and estimating a weight parameter of the robot arm based on the weight parameter of the robot arm, And a control unit for controlling the operation of the automatic weight adjusting apparatus so as to calculate a change amount and to correct the change amount by a corresponding change amount.

상기 제어부는 먼저 상기 로봇 팔의 각도를 상이한 각도로 순차적으로 변경하고 상기 로봇 팔의 각도 변경으로 인해 이동하는 상기 로봇 팔의 무게 중심을 상기 3축 베어링의 회전 중심에 일치시킴으로써 상기 로봇 팔의 자세 각에 따른 무게 중심 변화량 데이터를 획득하여 상기 로봇 팔의 무게 파라미터를 추정하는 것이 바람직하다.Wherein the control unit sequentially changes the angle of the robot arm at different angles and aligns the center of gravity of the robot arm moving due to the angle change of the robot arm with the center of rotation of the three- And the weight parameter of the robot arm is estimated.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 우주 로봇 팔의 지상 모사 시험 장치는 인공위성에 로봇 팔을 탑재할 경우 우주 로봇 팔의 동작 상태를 지상에서 모사 시험하기 위하여 로봇 팔의 각도를 상이한 각도로 순차적으로 변경하고 로봇 팔의 각도 변경으로 인해 이동하는 상기 로봇 팔의 무게 중심을 3축 베어링의 회전 중심에 일치시킴으로써 상기 로봇 팔의 자세 각에 따른 무게 중심 변화량 데이터를 획득하여 상기 로봇 팔의 무게 파라미터를 추정하고, 상기 추정된 로봇 팔의 무게 파라미터를 기초로 하여 상기 로봇 팔의 움직임에 따라 예측되는 무게 중심 변화량을 계산하여 해당 변화량 만큼 보정하도록 무게 조절 장치의 동작을 제어하여 상기 로봇 팔의 무게 중심을 3축 베어링의 회전 중심에 일치시킴으로써 상기 로봇 팔의 움직임에 따라 변하는 무게 중심과 상기 3축 베어링의 회전 중심 사이의 차이로 인해 발생된 중력 토크를 상쇄하여 모터 구동에 따른 로봇 팔의 움직임에 따라 발생한 반작용 토크를 지상에서 모사할 수 있다.As described above, in the ground simulation test apparatus for a space robot arm according to the present invention, when the robot arm is mounted on a satellite, in order to simulate the operation state of the space robot arm on the ground, the angle of the robot arm is sequentially And the center of gravity of the robot arm moving due to the change of the angle of the robot arm is matched with the center of rotation of the 3-axis bearing so as to obtain the center-of-gravity change data according to the posture angle of the robot arm, Calculates a predicted center-of-gravity change according to the movement of the robot arm based on the estimated weight parameter of the robot arm, and controls the operation of the weight control unit to correct the center-of-gravity change by a corresponding change amount, By coinciding with the center of rotation of the shaft bearing, Weight and it is possible to offset the center of gravity torque generated due to the difference between the center of rotation of the third shaft bearing on the ground to simulate a reaction torque generated in accordance with the movement of the robot arm in accordance with a motor drive for.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 우주 로봇 팔의 지상 모사 시험 장치를 나타낸 구성도이다.
도 2 및 도 3은 종래의 우주 로봇 팔의 지상 모사 시험 장치를 나타낸 도면들이다.FIG. 1 is a block diagram showing a ground simulation test apparatus for a space robot arm according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 and FIG. 3 are views showing a ground simulation test apparatus of a conventional space robot arm.

이하, 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 우주 로봇 팔의 지상 모사 시험 장치에 대해 상세하게 설명한다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a ground simulation test apparatus for a space robot arm according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

지지점을 갖지 못하는 우주 로봇 팔의 움직임은 자유 유동(Free-Floating)이라고 불리고 있으나, 지상에서 이에 대한 완전한 모사가 어렵기 때문에 일부분의 자유도만을 테스트하고 있다. 일례로, 정반위에 선형 에어베어링을 이용하여 본체를 띄우고 1축(yaw)에 대해서만 반작용 토크를 시험하는 테스트베드가 제안 및 활용되었으나, 움직임이 제한적이다(도 2). 그 외에 시뮬레이션을 통해 환경을 모사하고, 이에 대한 움직임을 또 다른 로봇 팔을 통해 이를 구현하는 시험 장치도 개발, 활용되고 있으나, 실제 움직임이 아닌 시뮬레이션을 사용하기 때문에 모델에 대한 정확도가 부족하다(도 3).The movement of a space robot arm that does not have a support point is called free-floating, but only a partial degree of freedom is tested because it is difficult to simulate it completely on the ground. For example, a test bed has been proposed and utilized with a linear air bearing on the base to float the body and test the reaction torque only for one yaw, but the movement is limited (Fig. 2). In addition to this, a simulator is used to simulate the environment and to develop a test apparatus that implements this movement through another robot arm. However, since the simulation is used instead of the actual motion, the accuracy of the model is insufficient 3).

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 우주 로봇 팔의 지상 모사 시험 장치를 나타낸 구성도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 우주 로봇 팔의 지상 시험 장치는 가스 탱크(110), 3축 베어링(120), 로봇 팔(130), 무게 조절 장치(140), 및 제어부(160)를 포함한다. FIG. 1 is a block diagram showing a ground simulation test apparatus for a space robot arm according to an embodiment of the present invention. 1, a ground testing apparatus for a space robot arm according to a preferred embodiment of the present invention includes a gas tank 110, a three-axis bearing 120, a robot arm 130, a weight adjusting apparatus 140, And a control unit 160.

본 발명에서는 제안하고자 하는 우주 로봇 팔의 시험 장치의 전체 구성은 도 1에 도시된 바와 같이, 1개의 로봇 팔로 구성되며, 여기서 로봇 팔이라 함은 구동 모터를 포함하는 모든 종류의 다관절 구조물을 지치한다.In the present invention, the entire configuration of a test apparatus for a space robot arm to be proposed in the present invention is constituted by one robot arm as shown in FIG. 1, wherein the robot arm is a robot arm having all kinds of articulated structures including a drive motor do.

상기 가스 탱크(110)은 지면(100)에 설치되어 3축 베어링(120)에 가스를 공급한다. 상기 3축 베어링(120)은 상기 가스 탱크(110)의 상단에 위치한다. The gas tank 110 is installed on the ground surface 100 to supply gas to the three-shaft bearing 120. The three-shaft bearing 120 is located at the top of the gas tank 110.

로봇 팔(130)은 하단이 상기 3축 베어링(120)에 결합되어 모터 구동에 따른 움직임에 따라 반작용 토크를 발생하며, 본 발명에서는 해당 반작용 토크의 우주 공간에서의 영향을 지상에서 모사한다. 명세서에서 로봇 팔, 즉 로봇 팔(130)이라고 지칭하는 것은 특정 물체 혹은 위치에 접촉하거나, 변형 수정하기 위해 사용되는 다관절 구조물을 모두 지칭하고 있다.The lower end of the robot arm 130 is coupled to the three-axis bearing 120 to generate a reaction torque according to the movement of the motor. In the present invention, the effect of the reaction torque in the space is simulated on the ground. In the specification, what is referred to as a robotic arm, i. E. Robot arm 130, refers to all articulated structures used to contact or modify a particular object or location.

무게 조절 장치(140)는 상기 로봇 팔(130)의 움직임에 따라 변하는 무게 중심과 상기 3축 베어링(120)의 회전 중심 사이의 차이로 인해 발생된 중력 토크를 상쇄하기 위하여 상기 로봇 팔의 무게 중심을 상기 3축 베어링(120)의 회전 중심에 일치시킨다. 즉, 로봇 팔(130)의 움직임에 따라 변하는 무게 중심으로 인해 중력 토크가 발생하게 되는데, 이를 상쇄하기 위한 무게 조절 장치가 필요하다. 상기 무게 조절 장치(140)의 제어를 위하여 검보정을 통한 로봇 팔의 무게 파라미터 추정 과정이 필요하며, 이를 바탕으로 로봇 팔의 움직임에 따라 제어부(160)에서 예측한 무게 중심 변화에 대응한 움직임이 가능하고 CubeTAS에서 사용한 것과 같은 기존의 무게 균형 조절(Mass Balancing) 장치를 활용할 수 있다.The weight adjusting device 140 adjusts the weight center of the robot arm 130 so as to cancel the gravity torque generated due to the difference between the center of gravity of the robot arm 130 and the center of rotation of the three- Axis bearing (120). That is, a gravity torque is generated due to a center of gravity which changes in accordance with the movement of the robot arm 130, and a weight adjusting device for canceling the gravity torque is needed. A weight parameter estimation process of the robot arm is required for the control of the weight adjusting device 140. Based on the movement of the robot arm, a movement corresponding to the center of gravity predicted by the controller 160 You can use existing Mass Balancing devices, such as those available and used in CubeTAS.

제어부(160)는 먼저 상기 로봇 팔(130)의 각도를 상이한 각도로 순차적으로 변경하고 상기 로봇 팔의 각도 변경으로 인해 이동하는 상기 로봇 팔(130)의 무게 중심을 상기 3축 베어링(120)의 회전 중심에 일치시킴으로써 상기 로봇 팔(130)의 자세 각에 따른 무게 중심 변화량 데이터를 획득하여 상기 로봇 팔(130)의 무게 파라미터를 추정함으로써 상기 로봇 팔(130)의 무게 분포에 대한 검보정을 수행한다. 이후, 본 시험에서는 상기 제어부(160)는 상기 추정된 로봇 팔(130)의 무게 파라미터를 기초로 하여 상기 로봇 팔(130)의 움직임에 따라 예측되는 무게 중심 변화량을 계산하여 해당 변화량 만큼 보정하도록 상기 무게 조절 장치(140)의 동작을 제어한다.The control unit 160 sequentially changes the angle of the robot arm 130 to a different angle and changes the angle of the robot arm 130 to the center of gravity of the robot arm 130, The weight center variation data corresponding to the attitude angle of the robot arm 130 is obtained by matching the center of gravity of the robot arm 130 with the center of rotation of the robot arm 130 and the weight parameter of the robot arm 130 is estimated, do. Thereafter, in this test, the control unit 160 calculates a center-of-gravity change amount predicted according to the movement of the robot arm 130 based on the estimated weight parameter of the robot arm 130, And controls the operation of the weight regulating device 140.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit or scope of the present invention as defined by the following claims. It can be understood that it is possible.

100: 지면
110 : 가스 탱크
120 : 3축 베어링
130 : 로봇 팔
140 : 무게 조절 장치
160 : 제어부100: Ground
110: gas tank
120: Three-shaft bearing
130: Robot arm
140: Weight control device
160:

Claims (2)

가스 탱크;
상기 가스 탱크의 상단에 위치하는 3축 베어링;
하단이 상기 3축 베어링에 결합되어 모터 구동에 따른 움직임에 따라 반작용 토크를 발생하는 로봇 팔;
상기 로봇 팔의 움직임에 따라 변하는 무게 중심과 상기 3축 베어링의 회전 중심 사이의 차이로 인해 발생된 중력 토크를 상쇄하기 위하여 상기 로봇 팔의 무게 중심을 상기 3축 베어링의 회전 중심에 일치시키는 무게 조절 장치; 및
상기 로봇 팔의 자세 각 변화에 따른 무게 중심 변화량 데이터를 획득하여 상기 로봇 팔의 무게 파라미터를 추정하고, 상기 추정된 로봇 팔의 무게 파라미터를 기초로 하여 상기 로봇 팔의 움직임에 따라 예측되는 무게 중심 변화량을 계산하여 해당 변화량 만큼 보정하도록 상기 무게 조절 장치의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 우주 로봇 팔의 지상 모사 시험 장치.Gas tanks;
A three-axis bearing positioned at an upper end of the gas tank;
A lower end coupled to the 3-axis bearing to generate a reaction torque in accordance with a movement of the motor;
A weight adjustment unit that adjusts the center of gravity of the robot arm to match the center of rotation of the three-axis bearing so as to offset the gravity torque generated due to the difference between the center of gravity of the robot arm and the center of rotation of the three- Device; And
A weight center change amount data corresponding to a change in the attitude angle of the robot arm is acquired to estimate a weight parameter of the robot arm and a weight center change amount estimated based on the weight parameter of the estimated robot arm, And controlling the operation of the weight adjusting device to correct the amount of change by the amount of change. 제1 항에 있어서, 상기 제어부는 먼저 상기 로봇 팔의 각도를 상이한 각도로 순차적으로 변경하고 상기 로봇 팔의 각도 변경으로 인해 이동하는 상기 로봇 팔의 무게 중심을 상기 3축 베어링의 회전중심에 일치시킴으로써 상기 로봇 팔의 자세 각에 따른 무게 중심 변화량 데이터를 획득하여 상기 로봇 팔의 무게 파라미터를 추정하는 것을 특징으로 하는 우주 로봇 팔의 지상 모사 시험 장치.The robot arm according to claim 1, wherein the control unit sequentially changes the angle of the robot arm to a different angle and matches the center of gravity of the robot arm moving due to the angle change of the robot arm with the center of rotation of the three- And the weight parameter of the robot arm is estimated by obtaining the center-of-gravity change data according to the posture angle of the robot arm.
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