KR101836499B1

KR101836499B1 - Robot handle system of haptic type

Info

Publication number: KR101836499B1
Application number: KR1020110128151A
Authority: KR
Inventors: 유수정; 양우성
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2011-12-02
Filing date: 2011-12-02
Publication date: 2018-03-09
Also published as: KR20130061867A

Abstract

본 발명은 상대적으로 낮은 가격으로 시스템을 구성하여 착용자의 인가 힘을 계산할 수 있음은 물론 착용자의 편리성을 고려한 것으로, 핸들과 그리퍼로 구성된 기구부를 포함한 햅틱형 로봇 핸들시스템에 있어서, 상기 핸들은, 착용자가 손으로 잡기 위한 핸들부와, 그 핸들부의 일측에 상기 그리퍼와 핸들부를 연결시키도록 마련되는 핸들지지대로 구성되고, 상기 핸들지지대에는 압력센서가 부착되는 햅틱형 로봇 핸들시스템이 소개된다.The present invention relates to a haptic-type robot handle system including a mechanism configured by a handle and a gripper, in which a system can be configured at a relatively low price to calculate an applied force of a wearer and a convenience of the wearer is taken into consideration, A haptic-type robot handle system in which a handle is provided with a handle for gripping the wearer's hand and a handle support for connecting the gripper and the handle to one side of the handle, and a pressure sensor is attached to the handle support.

Description

[0001] The present invention relates to a haptic-

본 발명은 종래의 시스템에 비해 상대적으로 낮은 가격으로 시스템을 구성할 수 있음은 물론 핸들을 회전가능하게 설치하여 착용자의 편리성을 높이도록 한 햅틱형 로봇 핸들시스템에 관한 것이다.
The present invention relates to a haptic-type robot handle system capable of constituting a system at a relatively low price as compared with a conventional system, and also capable of increasing the convenience of a wearer by providing a handle rotatably.

햅틱 장치는, 엔드이펙터가 외란(disturbance)에 쉽게 흔들리지 않도록 역구동성(back drivability)이 낮도록 설계하는 일반적인 로봇과 다른 설계기준을 갖는다. 즉, 햅틱 장치의 신체 접촉 부분을 사용자가 아무런 저항 없이 쉽게 움직일 수 있도록 설계하여야 하며, 상황에 따라 사용자에게 큰 힘을 제공하여 느낌을 전달할 수 있어야 한다. 이처럼 힘의 전달이 없을 때 마치 아무것도 착용하지 않은 것처럼 자유롭게 움직일 수 있으며, 힘의 전달이 있을 때 분명한 느낌을 전달할 수 있는 장치를 "투명하다"라고 표현한다. 따라서, 투명한 햅틱 장치를 제작하기 위해서는 일반적인 로봇과 달리 그 설계 스펙이 훨씬 까다롭고 제어방법에 있어서도 훨씬 높은 수준의 기술을 요한다.The haptic device has a different design criteria than a general robot designed to have low back drivability so that the end effector is not easily disturbed by disturbance. That is, the body contact portion of the haptic device should be designed so that the user can easily move without any resistance. In this way, when there is no transmission of force, the device is able to move freely as if nothing is worn, and the device which can convey a clear feeling when there is a transmission of force is expressed as "transparent". Therefore, in order to produce a transparent haptic device, unlike a general robot, its design specification is much more difficult and requires a much higher level of skill in the control method.

햅틱 장치는 크게 이동형(portabled) 장치와 고정형(non-portable) 장치로 분류된다. 초기의 햅틱 장치는 주로 고정형 장치의 개발이 주류를 이루었으며, 고정형 장치는 설계상의 제약이 적으므로 투명한 장치의 개발이 용이하여 다양한 결과들이 보고되었다.Haptic devices are largely classified as portable devices and non-portable devices. The initial haptic devices mainly consisted of the development of fixed type devices, and the fixed type devices had few design constraints, so it was easy to develop transparent devices and various results were reported.

상기한 햅틱 장치는 사용자와 접촉하는 신체부위에 따라 햅틱 시뮬레이터, 햅틱 암마스터, 햅틱 조이스틱(햅틱 핸드 제어기), 햅틱 핸드마스터, 햅틱 택틀 장치(haptic tactile device) 등으로 분류할 수 있다.The haptic device may be classified into a haptic simulator, a haptic arm master, a haptic joystick (haptic hand controller), a haptic hand master, a haptic tactile device, or the like depending on a body part in contact with a user.

사용자가 장치에 탑승하도록 하여 전신에 운동감을 전달하는 장치를 시뮬레이터라 하고, 사용자의 팔에 착용하여 팔의 움직임을 입력하고 힘을 반영하는 장치를 햅틱 암마스터라 하고, 사용자의 손으로 손잡이를 잡고 손의 위치를 입력하고 힘을 반영하는 장치를 햅틱 조이스틱이라 하고, 사용자의 손에 장갑형태의 장치를 착용하고 손가락의 움직임을 입력하고 형상감 및 부피감을 반영하는 장치를 햅틱 핸드마스터라 하고, 사용자의 피부와 접촉하여 진동이나 온도감, 재질감 등의 촉감을 재현하는 장치를 햅틱 택틀 장치라 한다. 특히 햅틱 조이스틱은 사용자의 손과 접촉하여 손의 위치를 반영하고 힘을 전달하는 장치로서, 그 사용성이 우수하고 적용할 수 있는 분야가 다양하여 가장 많이 개발되고 있으며, 로봇 핸들시스템에도 적용되어 이용되고 있다.A device for allowing a user to ride on a device and delivering the feeling of movement to the whole body is referred to as a simulator and a device for inputting the movement of the arm by wearing the user's arm and reflecting the force is called a haptic arm master, A device for inputting a position of a hand and reflecting a force is referred to as a haptic joystick, a device wearing a glove-shaped device in a user's hand, inputting a motion of a finger, and reflecting a shape feeling and a volume feeling, A device that reproduces tactile feel such as vibration, temperature sensation, and texture by contacting the skin of a haptic tactile device is called a haptic tactile device. Particularly, the haptic joystick is a device that reflects the position of the hand in contact with the user's hand and transmits the force. The haptic joystick is most widely used because it has excellent usability and applicable fields, and is also applied to the robot handle system have.

중량물의 무게를 측정하거나 중량물을 들어올려 이동시키는 로봇의 경우, 착용자가 핸들을 잡은 채 작업을 하게 되는데, 이때 중량물의 정확한 무게를 모르는 경우에는 중량물의 무게를 계산하기 위해 착용자가 인가하는 힘과 중량물에 의한 외력(중량물 무게)을 분리하게 된다.In the case of a robot that measures the weight of a heavy object or lifts and moves a heavy object, the wearer grips the handle. When the exact weight of the object is not known, the force applied by the wearer (Weight of a heavy object) by the above-described method.

이를 위해, 로봇 핸들시스템을 이루는 기구부의 핸들과 그리퍼에는 힘/토크센서를 부착하여 기구부에 작용하는 토크를 계산하여 중량물의 무게를 계산하였다.For this purpose, a force / torque sensor was attached to the handle and gripper of the robot handle system, and the weight of the weight was calculated by calculating the torque acting on the mechanism.

상기 힘/토크센서의 경우, 정확한 측정이 가능하여 중량물의 무게를 정확하게 계산할 수 있으나, 높은 가격으로 인해 비용상승을 야기시키는 문제점이 있었고, 기존의 핸들은 그리퍼에 회전되지 않은 채 고정식으로 결합되어 있어 착용자가 중량물을 이동시키는 경우에 그 위치에 따라 손목 꺽임 등의 발생으로 작업에 불편함이 있었다.In the case of the force / torque sensor, it is possible to accurately measure the weight of the heavy object, but the cost is increased due to the high price, and the conventional handle is fixedly coupled to the gripper without being rotated When the wearer moves the heavy object, the worker is inconvenienced by the occurrence of the wrist bending depending on the position of the wearer.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
It should be understood that the foregoing description of the background art is merely for the purpose of promoting an understanding of the background of the present invention and is not to be construed as an admission that the prior art is known to those skilled in the art.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 힘/토크센서를 부착한 종래의 시스템에 비해 상대적으로 낮은 가격으로 시스템을 구성하여 착용자의 인가 힘을 계산할 수 있고, 회전식 핸들을 마련함으로써 손목 꺽임 방지 등 착용자의 편리성을 고려한 햅틱형 로봇 핸들시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
The present invention has been proposed in order to solve such a problem, and it is possible to calculate the application force of the wearer by constructing the system at a relatively low price as compared with the conventional system equipped with the force / torque sensor, And to provide a haptic-type robot handle system that takes into consideration the convenience of the wearer.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 햅틱형 로봇 핸들시스템은 핸들과 그리퍼로 구성된 기구부를 포함한 햅틱형 로봇 핸들시스템에 있어서, 상기 핸들은, 착용자가 손으로 잡기 위한 핸들부와, 그 핸들부의 일측에 상기 그리퍼와 핸들부를 연결시키도록 마련되는 핸들지지대로 구성되고, 상기 핸들지지대에는 압력센서가 부착되는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a haptic-type robot handle system including a mechanism including a handle and a gripper, wherein the handle includes a handle for holding a hand by a wearer, And a handle supporter provided at one side for connecting the gripper and the handle portion, wherein a pressure sensor is attached to the handle supporter.

상기 핸들지지대는 육면체로 형성되고, 상기 압력센서는 FSR(Force Sensing Resistor) 센서이며, X축, Y축, Z축의 힘을 측정하도록 상기 핸들지지대의 세 면에 부착되도록 할 수 있다.The handle support is formed in a hexahedron, and the pressure sensor is a force sensing resistor (FSR) sensor and may be attached to three sides of the handle support to measure X-axis, Y-axis and Z-axis forces.

상기 압력센서는 X축, Y축, Z축에 수직이 되도록 부착될 수 있다.The pressure sensor may be attached so as to be perpendicular to the X axis, the Y axis, and the Z axis.

상기 핸들부와 핸들지지대의 사이에는 핸들부를 회전가능하게 마련하도록 베어링이 설치되고, 그 베어링과 핸들부의 사이에는 브레이크장치가 설치될 수 있다.Between the handle portion and the handle support, a bearing is provided to rotate the handle portion, and a braking device may be provided between the bearing and the handle portion.

상기 핸들부의 일측에는 브레이크장치의 온/오프 동작을 위한 작동스위치가 설치될 수 있고, 상기 베어링의 일면에는 착용자가 핸들부를 회전시키는 경우 회전각도를 측정하여 인가되는 힘을 계산하도록 엔코더가 설치될 수 있다.
An operation switch for on / off operation of the brake device may be installed on one side of the handle portion. An encoder may be installed on one side of the bearing to calculate a force applied when the wearer rotates the handle, have.

상술한 바와 같은 구성으로 이루어진 햅틱형 로봇 핸들시스템에 따르면, 그리퍼와 착용자의 핸들에 각각 센서를 부착하여 중량물에 의한 외력과 착용자의 인가 힘을 계산할 수 있고, 또한 압력센서의 설치로 인해 힘/토크센서에 비해 상대적으로 낮은 가격으로 착용자의 인가 힘을 계산할 수 있으며, 착용자가 핸들부를 잡고 움직이는 경우에 손목의 위치에 따른 꺽임 등의 불편함을 해소할 수 있어 편리하게 이용할 수 있는 효과가 있다.
According to the haptic-type robot handle system configured as described above, the external force by the heavy object and the applied force of the wearer can be calculated by attaching the sensors to the grippers and the handle of the wearer respectively, and the force / torque It is possible to calculate the applied force of the wearer at a relatively low price as compared with the sensor, and it is possible to solve the inconvenience of bending depending on the position of the wrist when the wearer grips the handle portion.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 햅틱형 로봇 핸들시스템의 구조를 보인 구성도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 햅틱형 로봇 핸들시스템에서 핸들의 단면을 보인 상태도.FIG. 1 is a view illustrating a structure of a haptic-type robot handle system according to an embodiment of the present invention.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a haptic-

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 햅틱형 로봇 핸들시스템에 대하여 살펴본다.Hereinafter, a haptic-type robot steering system according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 햅틱형 로봇 핸들시스템의 구조를 보인 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 햅틱형 로봇 핸들시스템에서 핸들의 단면을 보인 상태도로서, 본 발명에 따른 햅틱형 로봇 핸들시스템은 핸들(100)과 그리퍼(200)로 구성된 기구부와, 그 기구부가 장착된 몸체(300)를 포함하고 있다.FIG. 1 is a view illustrating a structure of a haptic-type robot handle system according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a sectional view of a handle of a haptic-type robot handle system according to an embodiment of the present invention. The haptic-type robot steering system according to the present invention includes a mechanism part composed of a handle 100 and a gripper 200, and a body 300 equipped with the mechanism part.

상기 그리퍼(200)에는 힘/토크센서(210)가 장착되어 있어 그리퍼에 전달되는 힘을 센싱할 수 있고, 상기 핸들(100)에는 착용자로부터 인가되는 힘을 계산하도록 후술되는 압력센서(150)가 장착되어 있다.The force / torque sensor 210 is mounted on the gripper 200 to sense the force transmitted to the gripper. The handle 100 is provided with a pressure sensor 150, which will be described later, Respectively.

상기 핸들(100)은 그리퍼(200)에 대해 직각 또는 직각에 근접한 각을 갖도록 연결 설치되는 것으로, 착용자가 손으로 잡기 위한 일정 길이의 핸들부(110)와, 그 핸들부(110)의 일측에 상기 그리퍼(200)와 핸들부(110)를 연결시키도록 마련되는 핸들지지대(120)로 구성된다.The handle 100 is connected to the gripper 200 at an angle close to a right angle or a right angle. The handle 100 includes a handle 110 having a predetermined length for the user to hold the handle 100, And a handle support 120 for connecting the gripper 200 and the handle 110.

상기 핸들부(110)는 단면이 원형으로 착용자가 손으로 잡을 수 있을 정도의 직경으로 형성되면 되고, 상기 핸들지지대(120)는 육면체로 형성되고 착용자의 인가 힘을 계산하기 위해 압력센서(150)로서 FSR(Force Sensing Resistor)센서가 부착된다.The handle 120 may be formed in a hexahedron and may include a pressure sensor 150 for calculating the applied force of the wearer. And a FSR (Force Sensing Resistor) sensor is attached thereto.

이때, 상기 핸들부(110)는 상기 핸들지지대에 틈이 발생하지 않도록 결합되어 착용자의 인가 함이 정확하게 압력센서에 의해 측정되도록 하고, 상기 압력센서는 X축, Y축, Z축의 힘을 측정하도록 상기 핸들지지대의 세 면에 부착되도록 하되, X축, Y축, Z축에 수직이 되도록 부착한다.At this time, the handle portion 110 is coupled with the handle support so that no gap is generated, so that the application of the wearer is accurately measured by the pressure sensor, and the pressure sensor measures the force of the X axis, Y axis and Z axis So as to be attached to three sides of the handle support, and to be perpendicular to the X axis, the Y axis and the Z axis.

한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 핸들부(110)와 핸들지지대(120)의 사이에는 핸들부를 핸들지지대에 대해 회전가능하게 마련하도록 베어링(130)이 설치된다. 이때 상기 베어링(130)과 핸들부(110)의 사이에는 브레이크장치(140)가 설치될 수 있고, 상기 핸들부(110)의 일측에는 브레이크장치의 온/오프 동작을 위한 작동스위치(145)가 설치된다.2, a bearing 130 is installed between the handle 110 and the handle support 120 so as to be rotatable with respect to the handle support. At this time, a brake device 140 may be installed between the bearing 130 and the handle part 110. An operation switch 145 for on / off operation of the brake device is installed at one side of the handle part 110 Respectively.

상기 작동스위치(145)는 통상의 온/오프 스위치나 버튼식으로 구비할 수도 있고, 상기 브레이크장치를 전동식으로 설계한 경우에는 작동스위치와 전선연결하며, 상기 브레이크장치를 기계식으로 설계한 경우에는 작동스위치와 브레이크장치를 구동축 등으로 직접 또는 다수의 기어나 관절을 이용하여 연결시키도록 하면 된다.The operation switch 145 may be provided as a normal on / off switch or a button. When the brake device is designed as an electric type, it is connected to an operation switch. When the brake device is designed as a mechanical type, The switch and the brake device may be connected directly to the drive shaft or the like by using a plurality of gears or joints.

상기 브레이크장치(140)는 전기식 또는 기계식으로 구성하여 작동되게 할 수 있고, 평상시에는 브레이크 온동작되어 핸들부(110)가 핸들지지대(120)에 회전되지 않은 채 고정된 상태로 구비할 수 있으며, 핸들부(110)를 수동으로 회전시키고자 하는 경우에 작동스위치(145)를 온동작시켜 잠금상태의 브레이크를 잠금해제시키도록 함으로써 핸들부를 수동으로 회전시킬 수 있다.The brake unit 140 may be electrically or mechanically operated and may be normally operated in a brake-on state so that the handle unit 110 is fixed to the handle support 120 without being rotated, The handle portion can be manually rotated by turning on the operation switch 145 to unlock the locked state of the brake when the handle portion 110 is to be manually rotated.

이때, 착용자가 핸들부를 수동으로 회전시키는 경우 그 회전속도를 일정 속도 이하로 줄이도록 상기 베어링의 외측에는 댐퍼(135)가 구비될 수 있다.At this time, when the wearer manually rotates the handle portion, a damper 135 may be provided on the outer side of the bearing so that the rotational speed thereof is reduced to a predetermined speed or less.

또한, 상기 베어링(130)의 일면에는 착용자가 핸들부(110)를 회전시키는 경우에 그 핸들부의 회전각도를 측정하여 인가되는 힘을 계산하도록 엔코더(160)가 설치될 수 있다. 상기 엔코더(160)는 착용자가 핸들부를 회전시켰을 경우에 센서 좌표계를 기준으로 회전한 각도를 측정하여 착용자 인가 힘의 방향을 센서 좌표계를 기준으로 하여 계산하게 된다.An encoder 160 may be installed on one surface of the bearing 130 to calculate the applied force by measuring the rotation angle of the handle when the wearer rotates the handle 110. When the wearer rotates the handle, the encoder 160 measures the angle of rotation based on the sensor coordinate system, and calculates the direction of the force applied to the wearer based on the sensor coordinate system.

상기와 같은 본 발명의 햅틱형 로봇 핸들시스템은 중량물을 들어올려 이동시키거나 또는 다른 작업과정에서 중량물의 무게를 정확하게 알지 못하더라도 압력센서에 의해 착용자로부터 인가되는 힘을 측정하여 중량물의 무게를 계산할 수 있게 되고, 중량물의 이동과정에서 손목의 위치에 따라 꺽임 등이 발생되는 경우에는 작동스위치를 온동작시켜 잠금상태의 브레이크장치를 잠금해제시킨 후 핸들부를 수동으로 회전시키도록 하여 중량물을 원활히 이동시키도록 할 수 있다.The haptic-type robot handle system of the present invention as described above can calculate the weight of a heavy object by measuring a force applied from a wearer by a pressure sensor even if the heavy object is lifted or moved or the weight of the heavy object is not known accurately during another operation And when the bending occurs depending on the position of the wrist during the movement of the heavy object, the operation switch is turned on to unlock the locked braking device, and then the handle portion is manually rotated to smoothly move the heavy object can do.

물론, 핸들부의 회전시에는 엔코더를 통해 핸들부의 회전각도를 측정하여 착용자의 인가 힘의 방향을 계산할 수 있다.Of course, when rotating the handle portion, the direction of the applied force of the wearer can be calculated by measuring the rotation angle of the handle portion through the encoder.

이와 같이, 본 발명의 햅틱형 로봇 핸들시스템은 종래에 사용되는 힘/토크센서에 비해 상대적으로 낮은 가격의 압력센서를 이용하여 착용자의 인가 힘을 계산하여 중량물의 무게를 계산할 수 있고, 중량물의 이동시 착용자의 손목 위치에 따라 핸들부를 회전시키도록 하여 손목 꺽임 등 불편사항을 해소하여 편리하게 사용할 수 있게 된다.As described above, the haptic-type robot handle system of the present invention can calculate the weight of a heavy object by calculating the applied force of the wearer using a pressure sensor with a relatively low price as compared with a conventional force / torque sensor, The handle portion is rotated according to the position of the wrist of the wearer, thereby eliminating the inconveniences such as wrist bending, and can be conveniently used.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to specific embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the following claims It will be apparent to those of ordinary skill in the art.

100: 핸들 110: 핸들부
120: 핸들지지대 130: 베어링
135: 댐퍼 140: 브레이크장치
145: 작동스위치 150: 압력센서
160: 엔코더 200: 그리퍼
210: 힘/토크센서 300: 몸체100: handle 110: handle portion
120: handle support 130: bearing
135: damper 140: brake device
145: Operation switch 150: Pressure sensor
160: Encoder 200: Gripper
210: force / torque sensor 300: body

Claims

1. A haptic-type robot handle system including a mechanism portion including a handle and a gripper,
Wherein the handle comprises a handle for gripping by a wearer and a handle support for connecting the gripper and the handle to one side of the handle,
A pressure sensor is attached to the handle support, and a bearing is provided between the handle and the handle support for rotatably supporting the handle. A brake device is provided between the bearing and the handle. Handle system.

The method according to claim 1,
Wherein the pressure sensor is an FSR (Force Sensing Resistor) sensor.

The method according to claim 1,
Wherein the handle supporter is formed in a hexahedron, and the pressure sensor is attached to three sides of the handle supporter to measure X-axis, Y-axis, and Z-axis forces.

The method of claim 3,
Wherein the pressure sensor is mounted so as to be perpendicular to the X axis, the Y axis, and the Z axis.

delete

The method according to claim 1,
And an operation switch for on / off operation of the brake device is installed on one side of the handle part.

The method according to claim 1,
Wherein an encoder is installed on one surface of the bearing to calculate an applied force by measuring a rotation angle when the wearer rotates the handle.