KR101777949B1

KR101777949B1 - 원격 로봇 시스템 및 원격 로봇 시스템에서의 다축 힘/토크 변환 방법

Info

Publication number: KR101777949B1
Application number: KR1020160021308A
Authority: KR
Inventors: 최혁렬; 김용범; 김의겸; 석동엽; 소진호
Original assignee: 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2016-02-23
Filing date: 2016-02-23
Publication date: 2017-09-13
Also published as: KR20170099449A

Abstract

본 발명은 원격 로봇 시스템 및 원격 로봇 시스템에서의 다축 힘/토크 변환 방법에 관한 것으로서 본 발명의 일 실시예에 따른 원격 로봇 시스템은 마스터 디바이스를 이용해 원격지의 슬레이브 디바이스를 제어하는 원격 로봇 시스템으로서, 슬레이 디바이스의 집게를 구성하는 제1 부재 및 제2 부재에서 측정된 힘, 제1 부재와 제2 부재가 이루는 각도를 이용하여 상기 슬레이브 디바이스를 기준으로 한 직교 좌표계상의 3축 힘, 토크, 잡는 힘 중 하나 이상을 연산할 수 있는 것을 특징으로 한다.

Description

원격 로봇 시스템 및 원격 로봇 시스템에서의 다축 힘/토크 변환 방법{REMOTE ROBOT SYSTEM AND MULTIAXIAL POWER/TORQUE TRANSFORM METHOD FOR REMOTE ROBOT SYSTEM}

본 발명은 원격 로봇 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로 슬레이브 로봇에서 감지된 다축 힘을 마스터 로봇의 좌표계에서의 힘/토크로 변환하여 제공할 수 있는 원격 로봇 시스템에 관한 것이다.

최근 산업현장에서는 생산성 향상 및 공장 자동화 추세에 따라 로봇이 조립, 연마, 디버링 등과 같은 작업에까지 활용되고 있다.

또한 병원에서도 원격 수술 시스템을 도입하여 로봇을 환자에게 장착하고 수술자가 원격으로 로봇을 조종하여 수술을 진행하고 있다.

보다 상세히 설명하면, 도 1에 도시된 바와 같이, 마스터 디바이스(200)를 이용해 원격지의 슬레이브 디바이스(100)를 제어하도록 구성되며, 의사는 원격지의 카메라를 이용해 획득한 수술환경의 영상정보를 마스터 디바이스와 함께 배치되는 디스플레이부를 통해 확인하면서 수술 작업을 진행하게 된다.

하지만, 시각적 정보에만 의존하는 수술 작업은 상당한 한계가 있으므로, 로봇의 정밀한 제어가 불가능할 뿐만 아니라, 수술 중 과도한 힘이 가해져 조직이 손상되는 문제가 발생한다.

특히, 집게를 이용해 조직을 파지하는 작업은 환자의 장기나 환부 조직을 직접 취급하는 것임에도 불구하고, 종래의 마스터 디바이스(200)의 햅틱 기구에 연결되는 유저 인터페이스 장치를 사용하는 사용자는 조직에 가해진 힘과 토크 등을 정확하게 알기가 어렵고 이에 조직의 강성도에 대응하는 파지력을 제공할 수 없어 수술 과정에서 조직이 손상되는 등의 문제가 있다.

따라서 조직에 가해지는 힘과 토크를 마스터 디바이스가 정확히 알 수 있도록 하는 원격 로봇 시스템이 필요하다.

한국특허 제10-1062189호 "멀티 출력 장치를 구비한 수술용 로봇 시스템"

본 발명의 목적은 원격 로봇 시스템 및 원격 로봇 시스템에서의 다축 힘/토크 변환 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 슬레이브 디바이스에서 가하는 힘을 정확히 측정할 수 있는 원격 로봇 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 슬레이브 디바이스에서 측정된 힘을 이용하여 대상 물체에 가해진 토크를 측정할 수 있는 원격 로봇 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 슬레이브 디바이스에서의 힘/토크를 마스터 디바이스에서 사용할 수 있는 힘/토크로 변환하여 제공할 수 있는 다축 힘/토크 변환 방법 및 이를 이용하는 원격 로봇 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 상기 및 기타 목적들은, 본 발명에 따른 원격 로봇 시스템 및 원격 로봇 시스템에서의 다축 힘/토크 변환 방법에 의해 모두 달성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 원격 로봇 시스템은 마스터 디바이스를 이용해 원격지의 슬레이브 디바이스를 제어하는 원격 로봇 시스템으로서, 상기 슬레이브 디바이스의 단부에 구비되어 있으며, 회동축을 중심으로 회동하는 제1 부재 및 제2 부재로 대상 물체를 집을 수 있는 집게; 상기 제1 부재에 구비되어 있는 제1 힘센서; 상기 제2 부재에 구비되어 있는 제2 힘센서; 상기 제1 부재와 제2 부재가 이루는 각도를 측정하는 각도 측정부; 및 상기 힘센서에서 측정된 힘과 상기 각도 측정부에서 측정된 각도를 이용하여 상기 슬레이브 디바이스를 기준으로 한 직교 좌표계상의 3축 힘, 토크, 잡는 힘 중 하나 이상을 연산하는 연산부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 힘센서는 제1 축의 방향이 상기 제1 부재의 길이 방향이고, 제2 축의 방향이 상기 제1 부재의 법선 방향인 3축 힘센서이고, 상기 제2 힘센서는 제1 축의 방향이 상기 제2 부재의 길이 방향이고 제2 축의 방향이 상기 제2 부재의 법선 방향인 3축 힘센서일 수 있다.

상기 연산부는 상기 제1 힘센서 및 제2 힘센서에서 각각 측정된 3축 힘을 하기의 식을 이용하여 상기 직교 좌표계상의 3축 힘으로 변환할 수 있다.

여기서, S₁은 상기 제1 힘센서의 제1 축 방향의 힘, S₂는 상기 제1 힘센서의 제2 축 방향의 힘, N₁은 상기 제1 힘센서의 제3 축 방향의 힘, S₁'은 상기 제2 힘센서의 제1 축 방향의 힘, S₂'는 상기 제2 힘센서의 제2 축 방향의 힘, N'₁은 상기 제2 힘센서의 제3 축 방향의 힘, Fx는 상기 직교 좌표계의 x축 방향의 힘, Fy는 상기 직교 좌표계의 y축 방향의 힘, Fz는 상기 직교 좌표계의 z축 방향의 힘, α는 상기 제1 부재와 제2 부재가 이루는 각도의 1/2각도이다.

상기 토크는 상기 직교 좌표계의 x축을 중심으로 회전하는 제1 토크(M_x) 또는 상기 직교 좌표계의 z축을 중심으로 회전하는 제2 토크(M_z)이며, 상기 연산부는 상기 제1 토크 및 제2 토크를 하기의 식을 이용하여 연산할 수 있다.

여기서, d는 제1 힘센서의 원점과 제2 힘센서의 원점 사이의 거리이다.

상기 연산부는 상기 잡는 힘(F_g)을 하기의 식을 이용하여 연산할 수 있다.

상기 연산부에서 연산된 연산 결과를 상기 마스터 디바이스로 전송하는 통신부를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 부재 및 제2 부재 각각은 그 길이 방향으로 탄성부재를 사이에 두고 연결된 베이스 부재와 연장 부재를 포함하여 이루어지고, 상기 제1 힘센서 및 제2 힘센서는 상기 베이스 부재 상에 형성되어 베이스 부재에 대한 상기 연장 부재의 상대적인 위치 변화에 따라 달라지는 정전용량을 형성하는 전극부로 형성되며, 상기 연산부는 상기 전극부로부터의 정전용량값을 이용하여 상기 제1 힘센서 및 제2 힘센서에서 측정된 힘을 연산할 수 있다.

상기 전극부는 상기 연장 부재에 제1 축 방향의 힘이 가해졌을 때 함께 정전용량이 변화하며, 제3 축 방향의 힘이 가해졌을 때 일부는 정전용량이 상승하는 반면 나머지 일부는 정전용량이 감소하는 두 개 이상의 이격된 전극을 포함는 제1 전극; 및 상기 연장 부재에 상기 제1 전극과 이격되어 형성되되 제2 축 방향의 힘이 가해졌을 때 정전용량이 변화하는 제2 전극을 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 전극부는 상기 베이스 부재로부터 돌출되어 상기 연장 부재 쪽으로 연장된 부재로 형성되고, 상기 연장 부재는 상기 전극부의 끝단과 마주보도록 돌출된 돌출부가 형성되어 있으며, 상기 제1 전극은 상기 돌출부와의 사이에서 정전용량을 형성하며, 상기 제2 전극은 상기 연장 부재와의 사이에서 정전용량을 형성할 수 있다.

외력에 의해 상기 베이스 부재에 대한 상기 연장 부재의 상대적인 위치 변화가 변하더라도 제1 전극은 베이스 부재보다 돌출부에 더 근접하게 위치하고, 제2 전극은 돌출부보다 베이스 부재에 더 근접하게 위치할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 다축 힘/토크 변환 방법은 마스터 디바이스를 이용해 원격지의 슬레이브 디바이스를 제어하는 원격 로봇 시스템에서의 다축 힘/토크 변환 방법으로서, 회동축을 중심으로 회동하는 제1 부재 및 제2 부재로 대상 물체를 집을 수 있는 집게의 상기 제1 부재 및 제2 부재 각각에 구비된 제1 힘센서와 제2 힘센서가 상기 제1 부재 및 제2 부재 각각에 가해진 힘을 측정하는 힘 측정 단계; 각도 측정부가 상기 제1 부재와 상기 제2 부재 사이의 각도를 측정하는 각도 측정 단계; 연산부가 상기 힘 측정 단계에서 측정된 힘, 상기 각도 측정 단계에서 측정된 각도를 이용하여 상기 집게에 의한 직교 좌표계상의 3축 힘, 토크, 잡는 힘 중 하나 이상을 연산하는 연산 단계를 포함할 수 있다.

상기 연산 단계에서 상기 제1 힘센서 및 제2 힘센서에서 각각 측정된 3축 힘을 하기의 식을 이용하여 상기 직교 좌표계상의 3축 힘으로 변환할 수 있다.

여기서, S₁은 상기 제1 힘센서의 제1 축 방향의 힘, S₂는 상기 제1 힘센서의 제2 축 방향의 힘, N₁은 상기 제1 힘센서의 제3 축 방향의 힘, S₁'은 상기 제2 힘센서의 제1 축 방향의 힘, S₂'는 상기 제2 힘센서의 제2 축 방향의 힘, N'₁은 상기 제2 힘센서의 제3 축 방향의 힘, Fx는 상기 직교 좌표계의 x축 방향의 힘, Fy는 상기 직교 좌표계의 y축 방향의 힘, Fz는 상기 직교 좌표계의 z축 방향의 힘, α는 (상기 제1 부재와 제2 부재가 이루는 각도)/2이다.

상기 토크는 상기 직교 좌표계의 x축을 중심으로 회전하는 제1 토크(M_x) 또는 상기 직교 좌표계의 z축을 중심으로 회전하는 제2 토크(M_z)이며, 상기 연산 단계에서 상기 제1 토크 및 제2 토크를 하기의 식을 이용하여 연산할 수 있다.

상기 연산 단계에서 상기 잡는 힘(F_g)을 하기의 식을 이용하여 연산할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 원격 로봇 시스템 및 원격 로봇 시스템에서의 다축 힘/토크 변환 방법은 슬레이브 디바이스에서 측정된 힘을 이용하여 대상 물체에 가해진 힘, 토크, 잡는 힘을 측정할 수 있고, 이를 마스터 디바이스에서 사용할 수 있는 힘, 토크, 잡는 힘으로 변환하여 제공함으로써 마스터 디바이스를 사용하는 사용자가 대상 물체에 가해진 힘/토크를 정확히 인식할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.

도 1은 최소침습수술을 수행하는 원격 로봇 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 슬레이브 디바이스 및 그 단부에 형성된 집게를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 원격 로봇 시스템의 집게에서 측정되는 힘의 방향과 슬레이브 디바이스를 기준으로 한 직교 좌표계의 방향을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 원격 로봇 시스템의 집게에서 측정되는 힘을 슬레이브 디바이스를 기준으로 한 직교 좌표계의 방향의 성분으로 나누어 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 원격 로봇 시스템의 집게에서 측정되는 힘과 슬레이브 디바이스를 기준으로 한 직교 좌표계의 z축을 중심으로 회전하는 토크(M_z)와의 관계를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 원격 로봇 시스템의 집게에서 측정되는 힘과 슬레이브 디바이스를 기준으로 한 직교 좌표계의 x축을 중심으로 회전하는 토크(M_x)와의 관계를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 원격 로봇 시스템의 예시적인 집게를 보여주는 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 예시적인 집게가 대상 물체를 집었을 때 변형된 모습을 보여주는 도면이다.
도 9는 도 7에 도시된 예시적인 집게를 구성하는 베이스 부재부, 연장 부재부, 및 전극부를 보여주는 도면이다.
도 10은 다른 실시예에 따른 전극부를 보여주는 도면이다.
도 11과 도 12는 제1 축 방향 힘에 의한 베이스 부재부와 연장 부재부의 상대적 위치변화를 보여주는 도면이다.
도 13은 제3 축 방향 힘에 의한 베이스 부재부와 연장 부재부의 상대적 위치변화를 보여주는 도면이다.
도 14는 제2 축 방향 힘에 의한 베이스 부재부와 연장 부재부의 상대적 위치변화를 보여주는 도면이다.
도 15는 연장 부재부에 형성된 돌기와 홈, 그리고 전극부와의 관계를 보여주는 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따른 원격 로봇 시스템 및 원격 로봇 시스템에서의 다축 힘/토크 변환 방법에 관해서 상세히 설명한다.

하기의 설명에서는 본 발명의 실시예에 따른 원격 로봇 시스템 및 원격 로봇 시스템에서의 다축 힘/토크 변환 방법을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩뜨리지 않도록 생략될 수 있다.

또한, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명을 가장 적절하게 표현할 수 있도록 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 원격 로봇 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 마스터 디바이스(200)를 이용하여 원격지의 슬레이브 디바이스(100)를 제어하는 원격 로봇 시스템이다.

특히 본 발명의 일 실시예에 따른 원격 로봇 시스템의 슬레이브 디바이스(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 단부의 집게를 이용하여 조직과 같은 대상 물체를 잡는 동작을 할 수 있는 슬레이브 디바이스이다.

이러한 슬레이브 디바이스에서 대상 물체에 가하는 힘을 가장 정확히 측정할 수 있는 위치는 대상 물체와 직접 맞닿는 집게 부분이다. 즉, 집게가 대상 물체를 집는 동작을 하면 이러한 동작에 의해 대상 물체에 가해진 힘은 작용 반작용 원리에 따라 집게에도 동일하게 가해지게 된다.

따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 원격 로봇 시스템의 슬레이브 디바이스(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 집게를 구성하는 제1 부재(1)와 제2 부재(1')에 각각 힘센서(3)를 위치시킴으로써 힘센서에서 측정된 힘을 통해 집게에 의해 대상물체에 가해진 힘을 가능한 정확히 측정할 수 있게 된다.

하지만 집게의 제1 부재(1)와 제2 부재(1')는 회동축(2)을 중심으로 회동하는 부재이기 때문에 각각의 부재에서 측정된 힘을 마스터 디바이스(200)에 전달하더라도 마스터 디바이스를 사용하는 사용자는 얼마의 힘이 어떻게 대상 물체에 가해지는지 직감할 수 없다.

이를 보다 상세히 설명하면, 제1 부재(1)와 제2 부재(1')에 3축 힘센서를 설치한 경우 제1 부재에 설치된 제1 힘센서와 제2 부재에 설치된 제2 힘센서의 축 방향을 도 3에 도시된 바와 같이 다음과 같다.

제1 힘센서의 제1 축의 방향 = 제1 부재의 길이 방향

제1 힘센서의 제2 축의 방향 = 제1 부재의 법선 방향

제1 힘센서의 제3 축의 방향 = 제1 힘센서의 제1 축과 제2 축에 직교하는 방향

제2 힘센서의 제1 축의 방향 = 제2 부재의 길이 방향

제2 힘센서의 제2 축의 방향 = 제2 부재의 법선 방향

제2 힘센서의 제3 축의 방향 = 제2 힘센서의 제1 축과 제2 축에 직교하는 방향

이와 같이 제1 힘센서와 제2 힘센서의 축 방향이 서로 상이하며, 각각의 힘센서의 축 방향도 제1 부재와 제2 부재의 회동에 따라 달라지는 방향이기 때문에 이러한 방향에서 측정된 힘에 관한 정보를 마스터 디바이스로 피드백하더라도 사용자는 집게에 의해 대상 물체에 가해지는 정확한 힘을 감지할 수 없다.

이에 본 발명의 일 실시예에 따른 원격 로봇 시스템에서는 도 3에 도시된 바와 같이 집게를 구성하는 각 부재를 기준으로 한 직교 좌표계가 아닌 슬레이브 디바이스(100)를 기준으로 한 직교 좌표계 상의 값을 마스터 디바이스로 피드백함으로써 마스터 디바이스를 사용하는 사용자가 슬레이브 디바이스에 의해 대상 물체에 가해지는 힘과 토크의 방향 및 크기를 정확히 인지할 수 있도록 하고자 한다. 여기서 슬레이브 디바이스를 기준으로 한 직교 좌표계라 함은 직교 좌표계의 3축 중 하나의 축 방향이 슬레이스 디바이스의 길이 방향인 직교 좌표계를 의미한다.

이를 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 원격 로봇 시스템은 집게, 힘센서, 각도 측정부 및 연산부를 포함하여 이루어진다.

보다 상세히 설명하면, 집게는 도 3에 도시된 바와 같이 슬레이브 디바이스의 단부에 구비되어 있는 집게로서 회동축(2)을 중심으로 회동하는 제1 부재(1)와 제2 부재(1')로 구성된다.

힘센서(3)는 집게가 대상 물체를 잡음으로써 대상 물체에 가해진 힘의 반작용으로 집게에 가해지는 힘을 측정하는 센서이다.

이러한 힘센서는 제1 부재(1)와 제2 부재(1') 각각에 구비되는 것이 바람직하며, 제1 부재 및 제2 부재 각각에 가해진 힘을 측정한다(힘 측정 단계).

이때 제1 부재에 구비된 제1 힘센서의 제1 축 내지 제3 축에 의해 측정되는 힘(S₁, N₁, S₂)의 방향 및 제2 부재에 구비된 제2 힘센서의 제1 축 내지 제3 축에 의해 측정되는 힘(S'₁, N'₁, S'₂)의 방향과 슬레이브 디바이스(100)를 기준으로 한 직교좌표계에 의한 제1 축 내지 제3 축의 방향(즉, x축, y축, z축의 방향)은 도 3에 도시된 바와 같다. 여기서 제1, 제2, 제3 등의 서수는 임의의 순서이며, 이러한 순서에 한정되지 않는다.

각도 측정부(미도시)는 제1 부재(1)와 제2 부재(1')가 이루는 각도를 측정하기 위한 측정부이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 원격 로봇 시스템에서 집게를 구성하는 각 부재에서 측정된 힘을 슬레이브 디바이스를 기준으로 한 직교 좌표계상의 값들로 변환하기 위해 각도 측정부는 제1 부재(1)와 제2 부재(1')가 이루는 각도의 1/2, 즉 도 3에 도시된 각도 α를 측정한다(각도 측정 단계).

이러한 각도 측정부는 제1 부재와 제2 부재를 회동축(2)을 중심으로 회동시키는 모터의 엔코더로 구현될 수 있으며, 모터와 별도로 구성된 각도 측정기로 구현될 수도 있다.

연산부(미도시)는 제1 힘센서와 제2 힘센서에서 각각 측정된 힘과 각도 측정부에서 측정된 각도 정보를 이용하여 슬레이브 디바이스(100)를 기준으로 한 직교좌표계상의 힘, 토크, 잡는 힘을 연산한다(연산 단계).

제1 부재 및 제2 부재를 기준으로 한 직교 좌표계에서의 힘을 슬레이브 디바이스를 기준으로 한 직교 좌표계에서의 힘으로 변환하는 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

제1 힘센서에서 측정된 제1 축 내지 제3 축 방향의 힘이 각각 S₁, N₁, S₂이고, 제2 힘센서에서 측정된 제1 축 내지 제3 축 방향의 힘이 각각 S'₁, N'₁, S'₂이고, 제1 부재(1)와 제2 부재(1') 사이의 각도의 1/2이 α일 때 슬레이브 디바이스(100)를 기준으로 한 직교 좌표계의 3축(x축, y축, z축)의 힘은 도 4에 도시된 바와 같이 다음의 수학식 1을 이용하여 연산할 수 있다.

[수학식 1]

또한 집게에 의한 토크 중 z축을 중심으로 한 토크(M_z) 및 x축을 중심으로 한 토크(M_x)는 도 5와 도 6에 도시된 바와 같이 다음의 수학식 2를 이용하여 연산할 수 있다.

[수학식 2]

여기서 d는 제1 힘센서의 원점과 제2 힘센서의 원점 사이의 거리로서 제1 부재와 제2 부재 사이의 각도에 따라 달라지는 거리이다. 연산부는 미리 측정 내지 연산되어 저장된 제1 부재와 제2 부재 사이의 각도에 따른 d값을 이용하여 토크 M_x, M_z를 연산할 수 있다.

또한 집게에 의한 잡는 힘(F_g)은 다음의 수학식 3을 이용하여 연산할 수 있다.

[수학식 3]

이와 같이 연산부는 제1 힘센서 및 제2 힘센서에서 측정된 힘을 이용하여 슬레이브 디바이스를 기준으로 한 직교 좌표계에서의 힘인 3축 힘, 토크(회전력), 잡는 힘을 연산할 수 있으며, 연산된 3축 힘, 토크, 잡는 힘은 통신부(미도시)를 통해 마스터 디바이스(200)로 전송되어 사용자에게 집게에 의해 대상 물체에 가하는 힘을 정확히 피드백해 줄 수 있다.

이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 원격 로봇 시스템 및 다축 힘/토크 변환 방법을 구현하기 위해서는 슬레이브 디바이스(100) 단부에 위치한 집게의 제1 부재 및 제2 부재 각각에서 제1 부재 및 제2 부재를 기준으로 한 좌표계상의 3축 힘을 연산할 수 있어야 한다.

이를 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 원격 로봇 시스템의 집게는 도 7과 같이 구성될 수 있다. 이를 도 7 내지 도 15를 참고로 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 하지만 이하의 설명에 앞서 본 발명의 일 실시예에 따른 원격 로봇 시스템에서는 집게의 제1 부재 및 제2 부재 각각에서 힘을 측정할 수 있는 집게를 필요로 할 뿐 이하에서 설명될 특정 실시예에 따른 집게에 한정되지 않음을 명확히 이해하여야 할 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 원격 로봇 시스템의 집게를 구성하는 제1 부재(1)와 제2 부재(1') 각각은 도 7에 도시된 바와 같이 길이 방향으로 탄성 부재(30)를 사이에 두고 연결된 베이스 부재부(11)와 연장 부재부(20)를 포함하여 구성된다.

베이스 부재부(10)와 연장 부재부(20)는 탄성 부재(30)에 의해 연결되어 있기 때문에 도 8에 도시된 바와 같이 대상 물체(T)를 집으면 연장 부재부(20)는 베이스 부재부(10)에 대해 상대적으로 위치가 변화하게 된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 원격 로봇 시스템의 집게는 이러한 상대적 위치 변화에 따라 달라지는 정전용량을 형성하는 전극부(12)를 구비하고 연산부가 전극부로부터의 정전용량값을 이용하여 제1 부재 및 제2 부재에서의 힘을 연산할 수 있다.

전극부(12)는 베이스 부재(11)에 연결되어 베이스 부재와 일체로 움직이고 외부로부터 전원을 인가받으면 연장 부재부(20)와 함께 정전 용량을 형성하도록 하는 장치이다.

전극부(12)는 연장 부재부(20)와 함께 정전 용량을 용이하게 형성할 수 있도록 도 9에 도시된 바와 같이 베이스 부재(11)로부터 연장 부재부(20) 쪽으로 연장되어 형성되는 것이 바람직하다.

또한 전극부(12)에는 연장 부재부(20)와 함께 정전 용량을 형성할 수 있도록 도 9의 A-A 평면도, B-B 평면도에 도시된 바와 같이 일면에 전극(40)이 형성되어 있다.

연장 부재부(20) 역시 전극부(12)의 전극(40)과 함께 정전 용량을 형성하기 위해 그라운드 전위를 갖는 도체로 형성되는 것이 바람직하며, 베이스 부재(11)로부터 돌출되어 연장 부재(21) 쪽으로 연장된 전극부(12)의 단부와 마주보는 돌출부(22)를 갖는 것이 바람직하다.

전극부(12)는 3축 힘을 측정할 수 있도록 1개 이상의 전극이 다양한 형태로 배치되도록 형성할 수 있다.

이러한 전극(40)의 예시적인 형태가 도시된 도 9 내지 도 15를 참고로 전극부에 의한 3축 힘 측정 방법을 설명하면 다음과 같다.

전극부(12)의 일면에 형성되는 전극(40)은 제1 부재 또는 제2 부재에 가해지는 외력의 제1 축 방향(S₁, S'₁)과 제3 축 방향(S₂, S'₂)의 힘을 측정할 수 있는 제1 전극(41) 및 제2 축 방향(N₁, N'₁)의 힘을 측정할 수 있는 제2 전극(42)을 포함하여 구성될 수 있다.

제1 전극(41)은 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이 두 개 이상의 전극이 서로 다른 각도를 갖도록 이격되어 전극부(12)의 끝단에 형성된다.

이때, 두 개의 전극을 이용한 제1 전극의 형태를 도시한 도 9와 세 개의 전극을 이용한 제1 전극의 형태를 도시한 도 10과 같이 제1 전극의 전극 개수와 배치는 다양하게 형성될 수 있다.

이와 같은 제1 전극(41)은 전원을 인가받으면 그라운드 전위를 갖는 돌출부(22)와 함께 정전용량을 형성하게 된다.

이때 도 11과 도 12의 화살표 F1 방향 (제1 축 방향)의 외력이 가해졌을 때 제1 전극(41)과 돌출부(22) 사이의 거리가 가까워지며, 그에 따라 복수 개의 제1 전극(41)에서 각각 측정되는 정전용량의 값도 커지게 된다.

하지만 도 13의 화살표 F2 방향(제3 축 방향)의 외력이 가해졌을 때 제1 전극 중 일부 전극(41-1)의 정전 용량은 커지지만 나머지 전극(41-2)의 정전 용량은 작아지게 된다.

이와 같이 연장 모듈에 가해지는 외력의 방향에 따라 제1 전극(41)에서 형성되는 정전 용량 값으로 연산부는 제1 부재 또는 제2 부재에 가해지는 외력의 제1 축 및 제3 축 방향의 힘을 측정할 수 있게 된다.

또한 제2 전극(42)은 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이 제1 전극(41)과 이격되어 형성된 전극으로서 돌출부(22) 보다는 연장 부재(21)에 가까이 위치되어 전원을 인가받으면 그라운드 전위를 가진 연장 부재(21)와 함께 정전용량을 형성한다.

이때 도 14의 화살표 F3 방향(제2 축 방향: 법선 방향)의 외력이 가해졌을 때 제2 전극(42)과 연장 부재(21) 사이의 거리가 가까워지면서 제2 전극에서 측정되는 정전용량 값이 커지게 되므로 이를 이용하여 외력의 제2 축 방향 힘을 측정할 수 있다.

하지만 도 14에 도시된 바와 같이 제2 축 방향의 외력에 의해 제1 전극(41)과 연장부재(21) 사이의 거리가 제1 전극(41)과 돌출부(22) 사이의 거리 보다 가까워지면 제1 전극(41)과 연장 부재(21)의 사이에서 정전 용량이 형성되면서 제1 전극이 제1 축 및 제3 축 방향 힘을 측정하는 역할을 제대로 하지 못하게 될 수 있다.

따라서 도 15에 도시된 바와 같이 연장 부재(21)가 제2 축 방향의 힘에 의해 위치 이동하더라도 제1 전극(41)은 연장 부재(21) 보다는 돌출부(22)에 더 인접하고, 제2 전극(42)은 돌출부 보다 연장 부재(21)에 더 인접하도록 제1 전극에 대응하는 연장 부재(21)의 영역에 홀(H)을 형성하거나 제2 전극에 대응하는 연장 부재(21)의 영역에 돌기(23)를 형성하는 것이 바람직하다.

지금까지 본 발명의 일 실시예에 따른 원격 로봇 시스템 및 원격 로봇 시스템에서의 힘/토크 변환 방법에 대해 구체적인 실시예를 참고로 한정되게 설명하였다. 그러나 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있으며, 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것임을 이해하여야 할 것이다.

1: 제1 부재 1': 제2 부재
2: 회동축 3: 힘센서
10: 베이스 부재부 11: 베이스 부재
12: 전극부 20: 연장 부재부
21: 연장 부재 22: 돌출부
23: 돌기 40: 전극
41-1, 41-2, 41-3: 제1 전극 42: 제2 전극
100: 슬레이브 디바이스 200: 마스터 디바이스

Claims

마스터 디바이스를 이용해 원격지의 슬레이브 디바이스를 제어하는 원격 로봇 시스템으로서,
상기 슬레이브 디바이스의 단부에 구비되어 있으며, 회동축을 중심으로 회동하는 제1 부재 및 제2 부재로 대상 물체를 집을 수 있는 집게;
상기 제1 부재에 구비되어 있는 제1 힘센서;
상기 제2 부재에 구비되어 있는 제2 힘센서;
상기 제1 부재와 제2 부재가 이루는 각도를 측정하는 각도 측정부; 및
상기 제1 힘센서 및 제2 힘센서에서 측정된 힘과 상기 각도 측정부에서 측정된 각도를 이용하여 상기 슬레이브 디바이스를 기준으로 한 직교 좌표계상의 3축 힘, 토크, 잡는 힘 중 하나 이상을 연산하는 연산부;
를 포함하여 이루어지고,
상기 제1 힘센서는 제1 축의 방향이 상기 제1 부재의 길이 방향이고, 제2 축의 방향이 상기 제1 부재의 법선 방향인 3축 힘센서이고,
상기 제2 힘센서는 제1 축의 방향이 상기 제2 부재의 길이 방향이고 제2 축의 방향이 상기 제2 부재의 법선 방향인 3축 힘센서이며,
상기 연산부는 상기 제1 힘센서 및 제2 힘센서에서 각각 측정된 3축 힘을 하기의 식을 이용하여 상기 직교 좌표계상의 3축 힘으로 변환하는 원격 로봇 시스템.

여기서, S₁은 상기 제1 힘센서의 제1 축 방향의 힘, N₁은 상기 제1 힘센서의 제2 축 방향의 힘, S₂는 상기 제1 힘센서의 제3 축 방향의 힘, S₁'은 상기 제2 힘센서의 제1 축 방향의 힘, N'₁은 상기 제2 힘센서의 제2 축 방향의 힘, S₂'는 상기 제2 힘센서의 제3 축 방향의 힘, Fx는 상기 직교 좌표계의 x축 방향의 힘, Fy는 상기 직교 좌표계의 y축 방향의 힘, Fz는 상기 직교 좌표계의 z축 방향의 힘, α는 상기 제1 부재와 제2 부재가 이루는 각도의 1/2각도임
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제1항에 있어서,
상기 토크는 상기 직교 좌표계의 x축을 중심으로 회전하는 제1 토크(M_x) 또는 상기 직교 좌표계의 z축을 중심으로 회전하는 제2 토크(M_z)이며,
상기 연산부는 상기 제1 토크 및 제2 토크를 하기의 식을 이용하여 연산하는 원격 로봇 시스템.

여기서, d는 제1 힘센서의 원점과 제2 힘센서의 원점 사이의 거리임
제1항에 있어서,
상기 연산부는 상기 잡는 힘(F_g)을 하기의 식을 이용하여 연산하는 원격 로봇 시스템.
제1항, 제4항 및 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연산부에서 연산된 연산 결과를 상기 마스터 디바이스로 전송하는 통신부를 더 포함하는 원격 로봇 시스템.
제1항, 제4항 및 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 부재 및 제2 부재 각각은 그 길이 방향으로 탄성부재를 사이에 두고 연결된 베이스 부재와 연장 부재를 포함하여 이루어지고,
상기 제1 힘센서 및 제2 힘센서는 상기 베이스 부재 상에 형성되어 베이스 부재에 대한 상기 연장 부재의 상대적인 위치 변화에 따라 달라지는 정전용량을 형성하는 전극부로 형성되며,
상기 연산부는 상기 전극부로부터의 정전용량값을 이용하여 상기 제1 힘센서 및 제2 힘센서에서 측정된 힘을 연산하는, 원격 로봇 시스템.
제7항에 있어서, 상기 전극부는
상기 연장 부재에 제1 축 방향의 힘이 가해졌을 때 함께 정전용량이 변화하며, 제3 축 방향의 힘이 가해졌을 때 일부는 정전용량이 상승하는 반면 나머지 일부는 정전용량이 감소하는 두 개 이상의 이격된 전극을 포함는 제1 전극; 및
상기 연장 부재에 상기 제1 전극과 이격되어 형성되되 제2 축 방향의 힘이 가해졌을 때 정전용량이 변화하는 제2 전극;
을 포함하여 이루어지는, 원격 로봇 시스템.
제8항에 있어서,
상기 전극부는 상기 베이스 부재로부터 돌출되어 상기 연장 부재 쪽으로 연장된 부재로 형성되고,
상기 연장 부재는 상기 전극부의 끝단과 마주보도록 돌출된 돌출부가 형성되어 있으며,
상기 제1 전극은 상기 돌출부와의 사이에서 정전용량을 형성하며, 상기 제2 전극은 상기 연장 부재와의 사이에서 정전용량을 형성하는, 원격 로봇 시스템.
제9항에 있어서,
외력에 의해 상기 베이스 부재에 대한 상기 연장 부재의 상대적인 위치 변화가 변하더라도 제1 전극은 베이스 부재보다 돌출부에 더 근접하게 위치하고, 제2 전극은 돌출부보다 베이스 부재에 더 근접하게 위치하는, 원격 로봇 시스템.
마스터 디바이스를 이용해 원격지의 슬레이브 디바이스를 제어하는 원격 로봇 시스템에서의 다축 힘/토크 변환 방법으로서,
회동축을 중심으로 회동하는 제1 부재 및 제2 부재로 대상 물체를 집을 수 있는 집게의 상기 제1 부재 및 제2 부재 각각에 구비된 제1 힘센서와 제2 힘센서가 상기 제1 부재 및 제2 부재 각각에 가해진 힘을 측정하는 힘 측정 단계;
각도 측정부가 상기 제1 부재와 상기 제2 부재 사이의 각도를 측정하는 각도 측정 단계;
연산부가 상기 힘 측정 단계에서 측정된 힘, 상기 각도 측정 단계에서 측정된 각도를 이용하여 상기 집게에 의한 직교 좌표계상의 3축 힘, 토크, 잡는 힘 중 하나 이상을 연산하는 연산 단계;
를 포함하고,
상기 연산 단계에서 상기 제1 힘센서 및 제2 힘센서에서 각각 측정된 3축 힘을 하기의 식을 이용하여 상기 직교 좌표계상의 3축 힘으로 변환하는 다축 힘/토크 변환 방법.

여기서, S₁은 상기 제1 힘센서의 제1 축 방향의 힘, N₁은 상기 제1 힘센서의 제2 축 방향의 힘, S₂는 상기 제1 힘센서의 제3 축 방향의 힘, S₁'은 상기 제2 힘센서의 제1 축 방향의 힘, N'₁은 상기 제2 힘센서의 제2 축 방향의 힘, S₂'는 상기 제2 힘센서의 제3 축 방향의 힘, Fx는 상기 직교 좌표계의 x축 방향의 힘, Fy는 상기 직교 좌표계의 y축 방향의 힘, Fz는 상기 직교 좌표계의 z축 방향의 힘, α는 상기 제1 부재와 제2 부재가 이루는 각도의 1/2각도임
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제11항에 있어서,
상기 토크는 상기 직교 좌표계의 x축을 중심으로 회전하는 제1 토크(M_x) 또는 상기 직교 좌표계의 z축을 중심으로 회전하는 제2 토크(M_z)이며,
상기 연산 단계에서 상기 제1 토크 및 제2 토크를 하기의 식을 이용하여 연산하는 다축 힘/토크 변환 방법.

여기서, d는 제1 힘센서의 원점과 제2 힘센서의 원점 사이의 거리임
제11항에 있어서,
상기 연산 단계에서 상기 잡는 힘(F_g)을 하기의 식을 이용하여 연산하는 다축 힘/토크 변환 방법.