KR101876676B1 - 6-axis compliance device with force/torque sensing capability - Google Patents

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KR101876676B1
KR101876676B1 KR1020170052695A KR20170052695A KR101876676B1 KR 101876676 B1 KR101876676 B1 KR 101876676B1 KR 1020170052695 A KR1020170052695 A KR 1020170052695A KR 20170052695 A KR20170052695 A KR 20170052695A KR 101876676 B1 KR101876676 B1 KR 101876676B1
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김한성
박지원
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경남대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention includes to a compliance device having a six-axis force/moment sensing function. The compliance device is reduced in size to be usable in small spaces, uses an inexpensive sensor to reduce fabrication cost, and is applicable to a variety of environments. A fixed block is a rigid body having a first center of gravity, and has a fixed coordinate system having three axes or X, Y, and Z axes, a fixed origin of which is defined on an imaginary axis passing through the first center of gravity. A work block is a rigid body having a second center of gravity, is spaced apart at a predetermined distance from the fixing block so as to be movable with respect to the fixed coordinate system of the fixed block, and has a movable coordinate system having X-Y-Z axes, and a movable origin of which is defined on an imaginary axis passing through the second center of gravity. A compliance unit is disposed between the fixed block and the work block to elastically support the work block with respect to the fixed block. When external force acts on the movable origin of the work block to relocate the movable origin of the work block with respect to the fixed origin of the fixed block, the sensor unit measures the forces in directions of the three axes, acting on the movable origin of the work block with respect to the fixed coordinate system, as well as three moments having the directions of the three axes as centers of rotation, by sensing an elastic displacement from the compliance unit.

Description

6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치{6-AXIS COMPLIANCE DEVICE WITH FORCE/TORQUE SENSING CAPABILITY}(6-AXIS COMPLIANCE DEVICE WITH FORCE / TORQUE SENSING CAPABILITY)

본 발명은 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치에 관한 것이다.The present invention relates to a compliant device having a six-axis force / moment measurement function.

현대 산업 사회에서 다양한 분야에 산업용 로봇이 사용되고 있다. 초기 산업용 로봇의 경우 단순히 무거운 짐을 옮기는 역할만 했다. 3차원 환경 인식이 가능해지면서 물류 이송 작업뿐만 아니라 주요공정라인에 설치되어 다양한 작업들을 수행하고 있다. 이러한 산업용 로봇의 경우 단순히 위치제어를 통하여 작업을 수행하고 있다. 점차 산업의 자동화가 진행됨에 따라 생산성 향상, 비용절감, 다품종 소량생산 등 다양한 요구사항이 생겨나고, 이러한 요구를 충족시키기 위해서는 주요공정라인 뿐만 아니라 전체공정에 산업용 로봇을 투입할 필요성이 생겨났다.Industrial robots are used in various fields in modern industrial society. In the case of the early industrial robots, they simply moved heavy loads. As 3D environment recognition becomes possible, it is installed in main process line as well as logistics transfer work and performs various tasks. In the case of these industrial robots, they are simply performing position control. As the automation of the industry progresses gradually, various requirements such as productivity improvement, cost reduction, and small quantity production of various kinds are generated. In order to meet these demands, it is necessary to input industrial robots to the whole process as well as main process lines.

예컨대, 디버링, 버핑, 폴리싱, 글라인딩, 샌딩 등과 같은 후처리 작업에 산업용 로봇을 투입 시킨다면 많은 비용절감 효과를 볼 수 있다. 후처리 공정의 공통점은 작업용 공구을 일정한 힘으로 작업물의 표면에 접촉시켜야 되는 작업이다. 이에 따라 위치제어 뿐만 아니라 힘제어도 필요해졌다. 이 같은 문제들을 해결하기 위해 강성을 알 수 있는 순응장치를 로봇 손목 부분에 부착하여 위치와 힘을 동시에 제어하는 방법이 제안되었다.For example, if industrial robots are used for post-processing such as deburring, buffing, polishing, gliding, sanding, etc., a great deal of cost reduction can be achieved. The common point of the post-treatment process is that the work tool must be brought into contact with the surface of the workpiece with a certain force. As a result, force control as well as position control has become necessary. To solve these problems, a method of simultaneously controlling the position and force by attaching a compliant device to the robot wrist is proposed.

종래 기술에 따른 힘 측정 방식은 힘 측정이 가능한 F/T 센서(Force/Torque Sensor)를 로봇의 손목 부분에 부착하는 방식이 사용되고 있다. 산업용 로봇의 손목 부분에 부착하여 힘제어가 필요한 작업을 수행할 시 사용된다. 하지만, 이러한 F/T 센서의 경우 작업을 수행하는 장치가 아닌 필요한 정보를 신호로 전달하는 장치이기 때문에 힘/모멘트를 측정하여 제어하는데 도움은 주지만, 일정한 힘으로 작업용 공구를 대상물 표면에 접촉 및 유지하기가 불가능하다. F/T 센서를 사용하게 될 경우 수행하는 작업에 맞는 일정한 힘을 유지시킬 수 있도록 설계된 작업용 공구를 사용해야되는 문제점과 내부 구조가 십자형태의 탄성 구조물로 이루어져 있어 횡민감도(Cross Sensitivity)를 최소화하는데 한계가 있다는 문제점도 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 공기의 압력을 이용하여 작업용 공구에 유연성과 일정한 접촉력을 부여한다.In the conventional force measuring method, a force / torque sensor (Force / Torque Sensor) capable of measuring force is attached to a wrist portion of a robot. It is attached to the wrist part of the industrial robot and is used to perform work requiring force control. However, since such a F / T sensor is a device that transmits necessary information to a signal rather than a work performing device, it is helpful to measure and control the force / moment. However, since the work tool is contacted and maintained It is impossible to do. In case of using the F / T sensor, it is necessary to use a work tool designed to maintain a constant force according to the work to be performed, and the internal structure is made of a cross-shaped elastic structure to limit the cross sensitivity. There is a problem. As shown in FIG. 1, the pressure of air is used to impart flexibility and a constant contact force to a work tool.

종래 기술에 따른 힘을 제어하는 방법 중 하나로 널리 알려진 하이브리드 제어(Hybrud control)가 있다. 하이브리드 제어란 원하는 접촉력을 제어하기 위해서 위치 제어와 힘 제어 두 가지를 사용하는 방식을 말한다. 도 2에 도시된 바와 같이 기본적으로 정해진 위치 제어를 수행하면서 동시에 물체에 접촉력을 제어하는 경우 많이 사용되는데, 두 가지의 제어 출력이 중첩되어 최종 결과를 만들어 낸다. 하이브리드 제어의 경우 위치 제어 방향과 힘 제어 방향이 서로 직교한다는 것을 기반으로 제시된 방법이다. 위치 제어와 힘 제어가 서로 간섭하지 않도록, 로봇의 작업공간을 접촉면에 의해 구속되는 공간과 구속되지 않는 공간으로 분류하여 구속되는 공간으로 힘 제어를 하고, 구속되지 않는 공간으로 위치 제어를 한다. 힘에 대한 정보를 직접 로봇의 제어량으로 하는 직접적인 힘 제어 방식이다.Hybrid control is widely known as one of the methods of controlling the force according to the prior art. Hybrid control refers to a method of using two kinds of position control and force control to control desired contact force. As shown in FIG. 2, when the position control is basically performed and the contact force is controlled at the same time, two control outputs are superimposed to produce a final result. In the case of hybrid control, the proposed method is based on the fact that the position control direction and the force control direction are orthogonal to each other. In order to prevent the position control and the force control from interfering with each other, the work space of the robot is classified into a space constrained by the contact surface and a space not constrained, and force control is performed on the constrained space. This is a direct force control method that directly uses the information about the force as the control amount of the robot.

위치/힘 제어 방향의 직교성을 만들기 위해 로봇과 물체 사이의 강성행렬이 대각화되어야 한다. 하이브리드 제어와 유사한 방법으로 종래 기술에 따른 RCC(Remote-Center-of-Compliance)기구를 사용하는 동시제어 방법도 있다. 도 3에 도시된 바와 같이 RCC 기구의 경우 강성행렬이 대각화 되는 점에서만 사용 가능하다는 단점이 있다. 이러한 단점을 해결하기 위한 방법으로 그리피스(Griffis)는 두 개의 강체 사이에 스프링계가 있을 때, 계의 공간강성(spatial stiffness)에 대해 직교가 되는 두 개의 방향으로 위치/힘을 제어할 수 있는 방법을 제시하였다. Duffy 또한 대각화나 순응중심을 필요로 하지 않는 일반적인 강성행렬에 대해 위치제어 방향과 힘제어 방향을 분해할 수 있는 제어방법을 제시하였다.The stiffness matrix between the robot and the object must be diagonalized to create the orthogonality of the position / force control direction. There is also a simultaneous control method using a remote-center-of-compliance (RCC) mechanism according to the prior art in a manner similar to the hybrid control. As shown in FIG. 3, the RCC mechanism is disadvantageous in that the stiffness matrix is diagonalized. As a way of solving these drawbacks, Griffis proposed a method to control the position / force in two directions that are orthogonal to the spatial stiffness of the system when there is a spring system between two rigid bodies Respectively. Duffy also proposed a control method that can decompose the position control direction and the force control direction for a general stiffness matrix that does not require diagonalization or compliance center.

종래 기술에 따른 힘 측정방식은 상술한 바와 같이 단순한 힘제어방식을 사용하기 위해선 제한적이고, 특정한 위치에 존재하는 경우 사용 가능한 방식과 컴팩트(Compact)한 장치를 사용하고, 복잡한 힘제어방식을 사용하는 2가지가 존재한다. 이러한 문제점을 보완하기 위해 도 4에 도시된 바와 같이 가우-스튜어트(Gough-Stewart) 플랫폼 구조를 가지고, 도 5에 도시된 바와 같이 광학센서(20)를 사용하여 스프링 장치(10)의 변위를 측정하는 방식의 장치가 개발되었다. 단순한 힘제어방식을 사용하고 상술한 RCC장치 및 F/T센서 보다 안정적이고, 높은 정밀도를 가지지만, 광학센서(20)를 사용하기 때문에 장치가 비싸지는 문제점과 광학센서(20)의 특성상 외부로부터 들어오는 이물질에 취약하다는 문제점도 있다.The force measuring method according to the prior art is limited in order to use a simple force control method as described above and uses a compact method and a usable method when it exists at a specific position and uses a complex force control method There are two kinds. In order to solve this problem, the displacement of the spring device 10 is measured using the optical sensor 20 as shown in FIG. 5, with a Gough-Stewart platform structure as shown in FIG. Device has been developed. Although the optical sensor 20 uses a simple force control method and is more stable and higher in accuracy than the RCC apparatus and the F / T sensor described above, the apparatus is expensive due to the use of the optical sensor 20, It is also vulnerable to foreign substances.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 목적은, 협소한 공간에도 사용 가능하도록 장치를 소형화시키고, 제작비용을 절감시킬 수 있는 센서를 사용하며, 외부로부터 유입되는 이물질에 영향을 받지 않아 다양한 환경에 적용 가능하고, 강성행렬이 대각화 되는 위치가 존재하도록 하여 간단한 힘제어 방식을 사용할 수 있도록 하여 작업점에 걸리는 3개의 힘 및 3개의 모멘트를 측정할 수 있는 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치를 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a sensor that can be used in a narrow space and that can reduce the size of the apparatus and reduce manufacturing costs, 6-axis force / moment measurement function that can be applied to various environments and allows a simple force control method to be used so that the stiffness matrix is diagonally located, thereby measuring three forces and three moments on the work point And the like.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관된 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.Other objects, specific advantages and novel features of the present invention will become more apparent from the following detailed description and preferred embodiments with reference to the accompanying drawings.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치는, 제1 무게중심을 가지는 강성체이고, 상기 제1 무게중심을 지나는 가상의 축선 상에 X-Y-Z의 3축으로 된 고정좌표계의 고정원점이 정의되는 고정블록과, 제2 무게중심을 가지는 강성체이고, 상기 고정블록으로부터 일정한 거리만큼 이격되어 상기 고정블록의 고정좌표계를 기준으로 이동 가능하게 설치되고, 상기 제2 무게중심을 지나는 가상의 축선 상에 x-y-z의 3축으로 된 이동좌표계의 이동원점이 정의되는 작업블록과, 상기 고정블록과 작업블록 사이에 설치되고, 상기 고정블록에 대하여 상기 작업블록을 탄성 지지하는 순응장치부와, 상기 작업블록의 이동원점에 외력이 작용하여 상기 고정블록의 고정원점을 기준으로 상기 작업블록의 이동원점이 위치 이동하는 경우 상기 순응장치부로부터 탄성변형량을 감지하여 상기 고정좌표계를 기준으로 상기 작업블록의 이동원점에 작용하는 3축 각각의 방향에 대한 3개의 힘 및 3축 각각의 방향을 회전중심으로 하는 3개의 모멘트를 측정하는 감지측정부를 포함하여 이루어진다.In order to achieve the above object, a compliant apparatus having a six-axis force / moment measurement function according to the present invention is a rigid body having a first center of gravity, A fixed block having a second center of gravity and being movable with reference to a fixed coordinate system of the fixed block by a predetermined distance from the fixed block, A working block in which a moving source point of a moving coordinate system consisting of three axes of xyz is defined on a virtual axis passing through a second center of gravity; and a working block provided between the fixed block and the working block, An external force is applied to a movement origin of the work block, and a movement source point of the work block is moved to a position The controller detects the amount of elastic deformation from the adaptation unit and measures three forces acting on the movement origin of the work block on the basis of the fixed coordinate system, And a sensing unit for measuring moments of the sensor.

또한, 상기 순응장치부는, 상기 고정블록과 작업블록 사이에 각각이 120도 각도의 간격으로 대각화되어 설치된 3개의 제1 순응장치모듈, 제2 순응장치모듈 및 제3 순응장치모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.The adaptation device may include three first adaptation device modules, a second adaptation device module, and a third adaptation device module installed diagonally at intervals of 120 degrees between the fixed block and the work block, respectively .

또한, 상기 제1 순응장치모듈, 제2 순응장치모듈 및 제3 순응장치모듈 각각은, 일단이 상기 고정블록에 고정 설치되고, 타단이 자유단인 제1 탄성편과, 하단이 상기 제1 탄성편의 타단에 볼조인트로 회전 가능하게 결합되고, 상단이 상기 작업블록에 볼조인트로 회전 가능하게 결합되는 제1 링크부재와, 상기 제1 탄성편과 서로 대칭되도록 일단이 상기 고정블록에 고정 설치되고, 타단이 자유단인 제2 탄성편과, 상기 제1 링크부재와 서로 대칭되도록 하단이 상기 제2 탄성편의 타단에 볼조인트로 회전 가능하게 결합되고, 상단이 상기 작업블록에 볼조인트로 회전 가능하게 결합되는 제2 링크부재를 포함하는 것을 특징으로 한다.Each of the first compliant device module, the second compliant device module and the third compliant device module includes a first elastic piece having one end fixed to the fixed block and the other end free, A first link member rotatably coupled to the other end of the shaft and rotatably coupled to the working block by a ball joint at an upper end thereof, and a second link member rotatably coupled to the working block at an upper end thereof so as to be symmetrical with respect to the first elastic piece, A second elastic piece having a free end at the other end and a lower end rotatably coupled to the other end of the second elastic piece so as to be symmetrical with the first link member by a ball joint, And a second link member coupled to the first link member.

또한, 상기 작업블록 및 고정블록은 상호 평행하게 설치된 것을 특징으로 한다.Further, the working block and the fixing block are installed parallel to each other.

또한, 상기 제1 순응장치모듈, 제2 순응장치모듈 및 제3 순응장치모듈 각각의 제1탄성편, 제2 탄성편, 제1 링크부재 및 제2 링크부재 각각은, 상기 고정블록과 작업블록 사이에 가상의 수직으로 된 동일평면상에 설치되는 것을 특징으로 한다.In addition, each of the first elastic piece, the second elastic piece, the first link member, and the second link member of each of the first compliant device module, the second compliant device module and the third compliant device module includes: And is provided on the same plane which is virtually perpendicular between the two.

또한, 상기 감지측정부는, 상기 제1 탄성편 및 제2 탄성편 각각의 상면 및 하면 중 적어도 어느 하나의 일면에 각각 부착되어 상기 제1 탄성편 및 제2 탄성편 각각의 탄성변형량을 감지하는 복수의 스트레인게이지와, 상기 스트레인게이지 각각의 신호를 전송받아 상기 스트레인게이지 각각의 탄성변형량으로부터 상기 고정좌표계를 기준으로 상기 작업블록의 이동원점에 작용하는 X축 방향에 대한 FX, Y축 방향에 대한 FY, Z축 방향에 대한 FZ 각각의 3개의 힘 및 X축 방향을 회전중심으로 하는 MX, Y축 방향을 회전중심으로 하는 MY, Z축 방향을 회전중심으로 하는 MZ 각각의 3개의 모멘트를 계산하는 마이콤을 포함하는 것을 특징으로 한다.The sensing and measuring unit may further include a plurality of sensing units each of which is attached to one surface of at least one of an upper surface and a lower surface of each of the first elastic piece and the second elastic piece to sense the elastic deformation amount of each of the first elastic piece and the second elastic piece, of the strain gage and the strain gauge transmits a respective signal take the strain gages each relative to the fixed coordinate system from the elastic deformation amount of the F X, Y-axis direction on the X-axis direction acting on the moving origin of the working block F Y, as F Z rotate each of the three forces and the X-axis M Y, Z axis direction to the M X, Y-axis direction to the central rotation direction with a center of rotation centered about the Z-axis direction M Z each And a microcomputer for calculating three moments.

본 발명에 따른 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치는, 탄성변형이 가능한 복수의 탄성편을 고정블록의 상면과 평행하도록 고정 결합하여 고정블록과 작업블록 사이에 설치되는 순응장치부를 간소화시켜 장치를 소형화시킨다.The compliant device having the six-axis force / moment measurement function according to the present invention can simplify the adaptation device installed between the fixed block and the work block by fixingly coupling a plurality of elastic pieces capable of elastically deforming so as to be parallel to the upper surface of the fixed block Thereby miniaturizing the device.

또한, 스트레인게이지를 사용하여 외부로부터 유입되는 이물질에 강건하여 다양한 작업환경에서 사용가능하다.In addition, it is robust against foreign substances introduced from the outside by using strain gauge, and can be used in various working environments.

또한, 스트레인게이지를 탄성편에 부착하여 탄성편의 탄성변화량을 측정하는 방식으로 센서의 가격을 절감시켜 장치 제작비용을 줄인다.Also, by attaching a strain gauge to an elastic piece, the amount of change in elasticity of the elastic piece is measured, thereby reducing the price of the sensor, thereby reducing the manufacturing cost of the device.

또한, 제1 순응장치모듈, 제2 순응장치모듈 및 제3 순응장치모듈 각각의 제1탄성편, 제2 탄성편, 제1 링크부재 및 제2 링크부재 각각을 고정블록과 작업블록 사이에 가상의 수직으로 된 동일평면상에 설치하여 강성행렬이 대각화되는 순응중심을 가진다.The first elastic member, the second elastic member, the first link member, and the second link member of each of the first adaptation device module, the second adaptation device module, and the third adaptation device module may be provided between the fixed block and the work block, And the center of gravity of the stiffness matrix is diagonalized.

또한, 종래 기술에 따른 복잡한 힘제어 방식이 아닌 힘에 대한 정보를 직접 로봇의 제어량으로 하는 직접적인 힘제어 방식을 사용할 수 있도록 작업점에 걸리는 힘제어 방향과 위치제어 방향이 서로 수직이 되도록 만들고, 이는 제어를 용이하게 할 수 있는 특징이 있다.The force control direction and the position control direction applied to the work point are made to be perpendicular to each other so as to use a direct force control method in which the information about the force, rather than the complicated force control method according to the related art, is directly controlled by the robot. There is a characteristic that control can be facilitated.

또한, 고정블록과 작업블록 사이에 설치된 순응기구부가 탄성을 가지는 구조이고, 이는 종래 기술에 따른 F/T 센서와 달리 작업 대상에 맞춘 고가의 작업공구를 따로 설치할 필요없이 원하는 작업공구를 작업블록에 설치하여 사용할 수 있는 특징이 있다.In addition, since the adaptation mechanism provided between the fixed block and the work block has elasticity, unlike the F / T sensor according to the related art, it is unnecessary to separately install the expensive work tool suited to the work target, There are features that can be installed and used.

도 1은 종래 기술에 따른 공압식 작업공구를 도시한 사시도이고,
도 2는 종래 기술에 따른 힘측정 장치의 일 실시예를 도시한 측면도이며,
도 3은 종래 기술에 따른 RCC장치를 도시한 사시도이고,
도 4는 종래 기술에 따른 가우-스튜어트 플랫폼의 기구학 구조를 도시한 측면도이며,
도 5는 종래 기술에 따른 광학센서를 사용한 장치를 도시한 사시도이고,
도 6은 본 발명에 따른 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치를 도시한 사시도이며,
도 7은 도 6의 실시예 중 순응기구부를 도시한 측면도이고,
도 8은 본 발명에 따른 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치를 도시한 정면도이며,
도 9는 본 발명에 따른 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치를 도시한측면도이고,
도 10 및 11은 본 발명에 따른 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치의 기구학적 개념도를 도시한 측면도이며,
도 12, 13 및 14는 도 8의 실시예 중 제1 탄성편에 작용하는 외력을 분해 도시한 측면도이고,
도 15는 도 6의 실시예 중 스트레인게이지를 도시한 사시도이며,
도 16은 본 발명에 따른 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치를 나타낸 사진이고,
도 17은 본 발명에 따른 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치의 또 다른 실시예를 도시한 사시도이며,
도 18은 도 17의 실시예 중 작업로봇에 부착된 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치를 도시한 측면도이다.
1 is a perspective view showing a pneumatic work tool according to the prior art,
2 is a side view showing an embodiment of a force measuring device according to the prior art,
3 is a perspective view of a conventional RCC apparatus,
FIG. 4 is a side view showing a kinematic structure of a Gau-Stewart platform according to the prior art,
5 is a perspective view showing an apparatus using an optical sensor according to the related art,
FIG. 6 is a perspective view showing a compliant device having a six-axis force / moment measurement function according to the present invention,
FIG. 7 is a side view of the adaptation mechanism in the embodiment of FIG. 6,
8 is a front view showing a compliant apparatus having a six-axis force / moment measurement function according to the present invention,
FIG. 9 is a side view showing a compliant apparatus having a six-axis force / moment measurement function according to the present invention,
10 and 11 are side views showing a kinematic conceptual diagram of a compliant device having a six-axis force / moment measurement function according to the present invention,
Figs. 12, 13 and 14 are exploded side views of the external force acting on the first elastic piece in the embodiment of Fig. 8,
FIG. 15 is a perspective view showing a strain gage in the embodiment of FIG. 6,
16 is a photograph showing an adaptation device having a six-axis force / moment measurement function according to the present invention,
17 is a perspective view showing still another embodiment of a compliant device having a six-axis force / moment measurement function according to the present invention,
FIG. 18 is a side view showing a compliant apparatus having a six-axis force / moment measurement function attached to a work robot in the embodiment of FIG. 17. FIG.

이하에서는 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a preferred embodiment of a compliant device having a six-axis force / moment measurement function according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 따른 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치는, 도 6 내지 9에 도시된 바와 같이 고정블록(100), 작업블록(200), 순응장치부(300), 감지측정부(400)를 포함하며, 상기 순응장치부(300)는 제1 순응장치모듈(310), 제2 순응장치모듈(320), 제3 순응장치모듈로 구성되고, 상기 감지측정부(400)는 스트레인게이지(410), 마이콤(420)으로 구성된다.6 to 9, the adaptation apparatus having the six-axis force / moment measurement function according to the present invention includes a fixed block 100, a work block 200, a compliant unit 300, a sensing unit 400 Wherein the sensing and measuring unit 400 includes a first adaptation device module 310, a second adaptation device module 320, and a third adaptation device module, (410), and a microcomputer (420).

상기 고정블록(100)은 도 6 및 18에 도시된 바와 같이 로봇의 매니퓰레이터 끝단 즉, 엔드이펙터(End-effector)에 설치되고, 제1 무게중심을 가지는 강성체이며, 상기 제1 무게중심(110)을 지나는 가상의 축 선상에 X-Y-Z의 3축으로 된 고정좌표계의 고정원점이 정의된다. 고정좌표계는 위치에 따라 X-Y-Z의 3축 각각의 단위 벡터가 변하지 않고, 일정한 거리만큼 이격되어 생성된 상대좌표계를 표현하기 위해 기준이 되는 좌표계이다.6 and 18, the fixed block 100 is a rigid body having a first center of gravity and disposed at an end of the manipulator of the robot, that is, an end-effector, and the first center of gravity 110 ), A fixed origin of a fixed coordinate system of three axes of XYZ is defined on a hypothetical axis line. The fixed coordinate system is a reference coordinate system for expressing the relative coordinate system generated by a certain distance without changing the unit vector of each of the three axes of X-Y-Z according to the position.

상기 작업블록(200)은 고정블록(100)으로부터 일정한 거리만큼 이격되어 상기 고정블록의 고정좌표계를 기준으로 이동 가능하게 설치되고, 제2 무게중심(210)을 가지는 강성체이며, 제2 무게중심을 지나는 가상의 축 선상에 x-y-z의 3축으로 된 이동좌표계의 이동원점이 정의된다. 이동좌표계는 고정좌표계를 기준으로 표현되는 좌표계이고, 작업블록에 힘이 작용하는 경우 이동좌표계의 3축 방향으로 힘을 표현하기 위해 필요한 좌표계이다.The work block 200 is a rigid body that is spaced a predetermined distance from the fixed block 100 and is movable relative to a fixed coordinate system of the fixed block and has a second center of gravity 210, A moving source point of a moving coordinate system of three axes of xyz is defined on a virtual axis line passing through the center axis. The moving coordinate system is a coordinate system expressed based on a fixed coordinate system, and is a coordinate system necessary for expressing force in three axial directions of a moving coordinate system when a force is applied to a working block.

상기 순응장치부(300)는 상기 고정블록(100)과 작업블록(200) 사이에 설치되고, 상기 고정블록(100)에 대하여 상기 작업블록(200)을 탄성 지지한다. 순응장치부(300)는 후술하는 제1 순응장치모듈(310), 제2 순응장치모듈(320), 제3 순응장치모듈(330) 각각의 3개로 구성된다. The adaptation device 300 is installed between the fixed block 100 and the work block 200 and elastically supports the work block 200 with respect to the fixed block 100. The adaptation device unit 300 includes three first adaptation device modules 310, a second adaptation device module 320, and a third adaptation device module 330, which will be described later.

상기 감지측정부(400)는 도 6에 도시된 바와 같이 상기 작업블록(200)의 이동원점에 외력이 작용하여 상기 고정블록(100)의 고정원점을 기준으로 상기 작업블록(200)의 이동원점의 위치가 이동하는 경우 상기 순응장치부(300)로부터 탄성변형량을 감지하여 상기 고정좌표계를 기준으로 상기 작업블록(200)의 이동원점에 작용하는 3축 각각의 방향에 대한 3개의 힘 및 3축 각각의 방향을 회전중심으로 하는 3개의 모멘트를 측정한다. 또한, 감지측정부(400)는 후술하는 스트레인게이지(410)와 마이콤(420)으로 구성된다.6, an external force acts on the movement origin of the work block 200 to move the movement origin of the work block 200 relative to the fixed origin of the fixed block 100, When the position of the work block 200 is moved, the amount of elastic deformation from the adapting unit 300 is sensed, and based on the fixed coordinate system, three forces acting on the movement origin of the work block 200, Measure three moments with the rotation center in each direction. The sensing unit 400 includes a strain gauge 410 and a microcomputer 420, which will be described later.

상기 제1 순응장치모듈(310), 제2 순응장치모듈(320), 제3 순응장치모듈(330)은 도 6에 도시된 바와 같이 상기 고정블록(100)과 작업블록(200) 사이에 각각이 120도 간격으로 대각화되어 설치된다. 상기 제1 순응장치모듈(310), 제2 순응장치모듈(320), 제3 순응장치모듈(330) 각각은 일단이 상기 고정블록(100)에 고정 설치되고, 타단이 자유단인 제1 탄성편(311)과, 하단이 상기 제1 탄성편(311)의 타단에 볼조인트로 회전 가능하게 결합되고, 상단이 상기 작업블록(200)에 볼조인트로 회전 가능하게 결합되는 제1 링크부재(313)와, 상기 제1 탄성편(311)과 서로 대칭되도록 일단이 상기 고정블록(100)에 고정 설치되고, 타단이 자유단인 제2 탄성편(312)과, 상기 제1 링크부재(313)와 서로 대칭되도록 하단이 상기 제2 탄성편(312)의 타단에 볼조인트로 회전 가능하게 결합되고, 상단이 상기 작업블록(200)에 볼조인트로 회전 가능하게 결합되는 제2 링크부재(314)로 구성된다.6, the first adaptation device module 310, the second adaptation device module 320, and the third adaptation device module 330 are installed between the fixed block 100 and the work block 200, respectively, Are diagonally installed at intervals of 120 degrees. Each of the first adaptation device module 310, the second adaptation device module 320 and the third adaptation device module 330 has a first elasticity having one end fixed to the fixed block 100, A first link member 311 rotatably coupled to the other end of the first elastic piece 311 by a ball joint and an upper end rotatably coupled to the work block 200 by a ball joint, A second elastic piece 312 whose one end is fixed to the fixed block 100 so as to be symmetrical with the first elastic piece 311 and whose other end is a free end; A second link member 314 which is rotatably coupled to the other end of the second elastic piece 312 by a ball joint so as to be symmetrical with respect to the first elastic piece 312 and whose upper end is rotatably engaged with the work block 200 by a ball joint, ).

도 7에 도시된 바와 같이 각각의 순응장치 모듈은 등변사다리꼴 형태로 결합된다. 도 8에 도시된 바와 같이 작업블록(200)에 외력이 작용하는 경우 제1 링크부재(313) 및 제2 링크부재(314)로 힘이 분산되어 제1 탄성편(311)과 제2 탄성편(312)으로 전달된다. 즉, 고정블록(100), 제1 탄성편(311), 제1 링크부재(313), 작업블록(200), 제2 링크부재(314) 및 제2 탄성편(312)으로 이어지는 메카니즘 상 6개의 링크부재로 구성된 각각의 순응장치모듈(310)(320)(330)은 종래 기술에 따른 F/T 센서보다 높은 하중에서 사용 가능하고, 동일한 외력이 작용할 때 F/T 센서보다 안정적으로 사용할 수 있는 장점이 있다.Each adaptation device module is coupled in an isosceles trapezoidal shape as shown in FIG. 8, when an external force is applied to the work block 200, the force is dispersed by the first link member 313 and the second link member 314 so that the first and second elastic pieces 311, (312). That is, a mechanism 6 (see FIG. 1) leading to the fixed block 100, the first elastic piece 311, the first link member 313, the working block 200, the second link member 314, Each of the adaptation device modules 310, 320 and 330 composed of the link members can be used at a higher load than the F / T sensor according to the related art, and can be used more stably than the F / T sensor when the same external force acts. There is an advantage.

또한, 고정블록(100)을 기준으로 직선변위를 만드는 제1 탄성편(311) 및 제2 탄성편(312)과 회전이 가능한 제1 링크부재(313) 및 제2 링크부재(314)의 볼조인트 순서로 결합되고, 이는 도 8에 도시된 바와 같이 P-S-S(Prismatic-Spherical-Spherical) 구조로 종래 기술에 따른 고정블록(10), 스프링장치(30), 작업블록(20)의 순서로 결합된 S-P-S(Spherical-Prismatic-Spherical) 구조와 다르며, 이러한 구조는 종래 기술에 따른 광학측정방식의 순응장치보다 소형화시킬 수 있는 효과가 있다.The first and second elastic pieces 311 and 312 and the first link member 313 and the second link member 314 that are rotatable with the first elastic piece 311 and the second elastic piece 312, Which are combined in the order of a fixed block 10, a spring device 30 and a work block 20 according to the prior art in a Prismatic-Spherical-Spherical (PSS) SPS (spherical-prismatic-spherical) structure, and this structure has the effect of making it smaller than the compliant device of the optical measuring method according to the related art.

한편, 도 9에 도시된 바와 같이 상기 작업블록(200) 및 고정블록(100)은 상호 평행하게 설치되고, 상기 제1 순응장치모듈(310), 제2 순응장치모듈(320), 제3 순응장치모듈(330) 각각의 제1 탄성편(311)과 제2 탄성편(312),제1 링크부재(313), 제2 링크부재(314) 각각은 상기 고정블록(100)과 작업블록(200) 사이에 수직으로 된 가상의 동일평면상에 설치된다. 이러한 구조는 작업블록(200)이 외력에 의해 이동하는 경우 작업블록(200)의 이동좌표계가 고정블록(100)의 고정좌표계에 대하여 회전이 생기지 않는다. 또한, 제1 탄성편(311)과 제2 탄성편(312)에 외력이 전달되어 탄성변형이 생기는 경우 각각의 탄성편에 비틀림이 생기지 않고, 직선변형만 생성되고, 도 7에 도시된 바와 같이 제1 링크부재(313)와 제2 링크부재(314)가 결합된 상태에서 각각의 중심을 기준으로 연장선을 형성하였을 때 만나는 지점에서 강성행렬이 대각화되는 순응중심이 생성된다.9, the work block 200 and the fixed block 100 are installed in parallel with each other, and the first adaptation module 310, the second adaptation module 320, the third adaptation module 320, Each of the first elastic piece 311 and the second elastic piece 312 of the device module 330 is connected to the fixed block 100 and the working block 200 on a virtual coplanar basis. In this structure, when the work block 200 is moved by an external force, the movement coordinate system of the work block 200 is not rotated with respect to the fixed coordinate system of the fixed block 100. [ When an external force is transmitted to the first elastic piece 311 and the second elastic piece 312 to cause elastic deformation, no distortion occurs in each elastic piece, only linear strain is generated, and as shown in Fig. 7 When the first link member 313 and the second link member 314 are coupled with each other, the center of gravity of the stiffness matrix is diagonally formed at the point where the extension line is formed.

상술한 바와 같이 본 발명의 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치는 순응중심을 가지도록 설계되었고, 설계 변수들의 관계를 수식으로 표현하면 다음과 같다.As described above, the adaptation device having the six-axis force / moment measurement function of the present invention is designed to have the center of conformity, and the relationship of the design variables can be expressed as follows.

Figure 112017040258449-pat00001
Figure 112017040258449-pat00001

Figure 112017040258449-pat00002
Figure 112017040258449-pat00002

Figure 112017040258449-pat00003
Figure 112017040258449-pat00003

여기서,

Figure 112017040258449-pat00004
는 작업블록(200)의 반경,
Figure 112017040258449-pat00005
는 고정블록(100)의 반경,
Figure 112017040258449-pat00006
는 고정블록(100)의 중심을 기준으로 제1 링크부재(313) 및 제2 링크부재(314)가 제1 탄성편(311)과 제2 탄성편(312)에 결합된 지점까지 이격된 각도를 나타내며,
Figure 112017040258449-pat00007
는이동블록(200)의 중심을 기준으로 제1 링크부재(313) 및 제2 링크부재(314)가 이동블록(200)에 결합된 지점까지 이격된 각도를 나타낸다. 또한,
Figure 112017040258449-pat00008
는 제1 링크부재(313)및 제2 링크부재(314)의 길이를 의미하고,
Figure 112017040258449-pat00009
는 제1 탄성부재(311) 및 제2 탄성부재(312)가 제1 링크부재(313) 및 제2 링크부재(314)와 결합되어 형성하는 각도를 나타내며,
Figure 112017040258449-pat00010
는 고정블록(100)으로부터 작업블록(200)이 이격된 거리를 의미한다. here,
Figure 112017040258449-pat00004
The radius of the work block 200,
Figure 112017040258449-pat00005
The radius of the fixed block 100,
Figure 112017040258449-pat00006
The first link member 313 and the second link member 314 are separated from each other by a distance from the center of the fixed block 100 to a point where the first link member 313 and the second link member 314 are coupled to the first elastic piece 311 and the second elastic piece 312, Lt; / RTI >
Figure 112017040258449-pat00007
Refers to an angle separated to a point where the first link member 313 and the second link member 314 are coupled to the moving block 200 with respect to the center of the moving block 200. [ Also,
Figure 112017040258449-pat00008
Means the length of the first link member 313 and the second link member 314,
Figure 112017040258449-pat00009
Represents an angle formed by the first elastic member 311 and the second elastic member 312 combined with the first link member 313 and the second link member 314,
Figure 112017040258449-pat00010
The distance from the fixed block 100 to the work block 200 is a distance.

여기서, 6개의 설계변수 중

Figure 112017040258449-pat00011
,
Figure 112017040258449-pat00012
,
Figure 112017040258449-pat00013
가 결정되면, 나머지 설계변수인
Figure 112017040258449-pat00014
,
Figure 112017040258449-pat00015
,
Figure 112017040258449-pat00016
는 다음의 수식을 통해 구할 수 있다. Here, among the six design variables
Figure 112017040258449-pat00011
,
Figure 112017040258449-pat00012
,
Figure 112017040258449-pat00013
Is determined, the remaining design variables
Figure 112017040258449-pat00014
,
Figure 112017040258449-pat00015
,
Figure 112017040258449-pat00016
Can be obtained by the following formula.

Figure 112017040258449-pat00017
Figure 112017040258449-pat00017

Figure 112017040258449-pat00018
Figure 112017040258449-pat00018

Figure 112017040258449-pat00019
Figure 112017040258449-pat00019

여기서,

Figure 112017040258449-pat00020
가 된다.here,
Figure 112017040258449-pat00020
.

도 10 및 11에 상기 수학식 1 내지 6의 설계변수들의 의미를 나타낸다. 또한, 수학식 1 내지 6을 통해 설계변수들을 결정하게 되면, 강성행렬이 대각화되는 순응중심을 가지게 된다. FIGS. 10 and 11 show the meanings of the design variables of the equations (1) to (6). Further, when the design parameters are determined through Equations (1) to (6), the stiffness matrix has a center of adaptation that is diagonalized.

또한, 도 12 내지 14에 도시된 바와 같이 강성행렬은 다음의 수식을 통해 구할 수 있다. Also, as shown in Figs. 12 to 14, the stiffness matrix can be obtained by the following equation.

Figure 112017040258449-pat00021
Figure 112017040258449-pat00021

여기서,

Figure 112017040258449-pat00022
는 제1 탄성편(311) 및 제2 탄성편(312)의 처짐을 나타내고,
Figure 112017040258449-pat00023
Figure 112017040258449-pat00024
의 종방향 처짐을 나타낸다. 또한, 상술한 바와 같이 제1 탄성편(311) 및 제2 탄성편(312)에 비틀림이 생기지 않는 구조이기 때문에 횡방향 처짐
Figure 112017040258449-pat00025
는 0이 된다.here,
Figure 112017040258449-pat00022
Shows deflection of the first elastic piece 311 and the second elastic piece 312,
Figure 112017040258449-pat00023
The
Figure 112017040258449-pat00024
Lt; / RTI > Further, since the first elastic piece 311 and the second elastic piece 312 are not twisted as described above, the lateral deflection
Figure 112017040258449-pat00025
Becomes zero.

또한, 작업블록(200)에 작용하는 외력이 제1 링크부재(313) 및 제2 링크부재(314)를 통해 제1 탄성편(311)과 제2 탄성편(312)으로 전달되는 힘

Figure 112017040258449-pat00026
를 종방향 힘
Figure 112017040258449-pat00027
, 횡방향 힘
Figure 112017040258449-pat00028
으로 분리하고, 종방향 처짐
Figure 112017040258449-pat00029
을 수식화 시키면 다음과 같이 표현된다.The external force acting on the work block 200 is transmitted to the first elastic piece 311 and the second elastic piece 312 through the first link member 313 and the second link member 314
Figure 112017040258449-pat00026
The longitudinal force
Figure 112017040258449-pat00027
, Lateral force
Figure 112017040258449-pat00028
, And longitudinal deflection
Figure 112017040258449-pat00029
Is expressed as follows.

Figure 112017040258449-pat00030
Figure 112017040258449-pat00030

여기서,

Figure 112017040258449-pat00031
는 종탄성계수를 의미하고,
Figure 112017040258449-pat00032
는 관성모멘트를 나타낸다. 즉,
Figure 112017040258449-pat00033
는 굽힘강도를 의미하고,
Figure 112017040258449-pat00034
은 제1 탄성편(311) 및 제2 탄성편(312)의 종방향 길이인 고정블록(100)의 결합지점으로부터 자유단까지의 거리를 나타낸다.here,
Figure 112017040258449-pat00031
Means the longitudinal elastic modulus,
Figure 112017040258449-pat00032
Represents the moment of inertia. In other words,
Figure 112017040258449-pat00033
Quot; means the bending strength,
Figure 112017040258449-pat00034
Represents the distance from the coupling point to the free end of the fixing block 100 which is the longitudinal length of the first elastic piece 311 and the second elastic piece 312. [

상기 수학식 8은 다음의 수식으로부터 유도될 수 있다.Equation (8) can be derived from the following equation.

Figure 112017040258449-pat00035
Figure 112017040258449-pat00035

집중하중을 받는 외팔보의 처짐은 수학식 9와 같고, 여기서 P는 집중하중을 나타낸다.The deflection of the cantilever subjected to the concentrated load is as shown in equation (9), where P denotes the concentrated load.

상기 수학식 8의

Figure 112017040258449-pat00036
는 도 12에 도시된 바와 같이
Figure 112017040258449-pat00037
를 대입하여 다음과 같이 표현할 수 있다.In Equation (8)
Figure 112017040258449-pat00036
As shown in Fig. 12
Figure 112017040258449-pat00037
Can be expressed as follows.

Figure 112017040258449-pat00038
Figure 112017040258449-pat00038

상기 수학식 10을 수학식 7에 대입하여 정리하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.Equation (10) can be substituted into Equation (7) to be summarized as follows.

Figure 112017040258449-pat00039
Figure 112017040258449-pat00039

상기 수학식 11을

Figure 112017040258449-pat00040
에 대하여 정리하게 되면 다음과 같이 조인트 강성을 구할 수 있다.In Equation (11)
Figure 112017040258449-pat00040
The joint stiffness can be obtained as follows.

Figure 112017040258449-pat00041
Figure 112017040258449-pat00041

즉, 조인트 강성

Figure 112017040258449-pat00042
는 That is,
Figure 112017040258449-pat00042
The

Figure 112017040258449-pat00043
Figure 112017040258449-pat00043

상기 수학식 13과 같이 구할 수 있다.(13) " (13) "

또한, 사상으로 강성을 표현하게 되면 다음과 같이 벡터로 표현할 수 있다.Also, if the stiffness is represented by an ideology, it can be expressed as a vector as follows.

Figure 112017040258449-pat00044
Figure 112017040258449-pat00044

여기서,

Figure 112017040258449-pat00045
는 작업블록(200)에 작용하는 힘과 모멘트 벡터이고,
Figure 112017040258449-pat00046
는 미소 직선 및 회전변위 벡터를 나타낸다.here,
Figure 112017040258449-pat00045
Is a force and moment vector acting on the work block 200,
Figure 112017040258449-pat00046
Represents a micro straight line and a rotational displacement vector.

상술한 바와 같이 강성행렬

Figure 112017040258449-pat00047
는 다음과 같이 대각화되는 행렬로 표현된다.As described above,
Figure 112017040258449-pat00047
Is represented by a matrix that is diagonalized as follows.

Figure 112017040258449-pat00048
Figure 112017040258449-pat00048

상기 수학식 15와 같이 강성행렬이 대각화되는 순응중심을 가진다.The stiffness matrix is diagonalized as shown in Equation (15).

한편, 도 15에 도시된 바와 같이 상기 감지측정부(400)의 스트레인게이지(410)는 상기 제1 탄성편(311) 및 제2 탄성평(312) 각각의 상면 및 하면 중 적어도 어느 하나의 일면에 각각 부착되어 상기 제1 탄성편(311) 및 제2 탄성편(312) 각각의 탄성변형량을 감지한다. 또한, 마이콤(420)은 상기 스트레인게이지(410) 각각의 신호를 전송받아 상기 스트레인게이지(410) 각각의 탄성 변형량으로부터 상기 고정좌표계를 기준으로 상기 작업블록(200)의 이동원점에 작용하는 X축 방향에 대한

Figure 112017040258449-pat00049
, Y축 방향에 대한
Figure 112017040258449-pat00050
, Z축 방향에 대한
Figure 112017040258449-pat00051
각각의 3개의 힘 및 X축 방향을 회전중심으로 하는
Figure 112017040258449-pat00052
, Y축 방향을 회전중심으로 하는
Figure 112017040258449-pat00053
, Z축 방향을 회전중심으로 하는
Figure 112017040258449-pat00054
각각의 3개의 모멘트를 계산한다.15, the strain gage 410 of the sensing and measuring unit 400 may be disposed on one surface of at least one of the upper surface and the lower surface of each of the first elastic piece 311 and the second elastic piece 312, And detects the amount of elastic deformation of the first elastic piece 311 and the second elastic piece 312, respectively. The microcomputer 420 receives a signal from each of the strain gauges 410 and receives an amount of elastic deformation of each of the strain gauges 410 from an X axis For direction
Figure 112017040258449-pat00049
, For the Y-axis direction
Figure 112017040258449-pat00050
, For the Z-axis direction
Figure 112017040258449-pat00051
Each of the three forces and the X-axis direction as the center of rotation
Figure 112017040258449-pat00052
, The Y-axis direction as the rotation center
Figure 112017040258449-pat00053
, The Z-axis direction as the rotation center
Figure 112017040258449-pat00054
Calculate each of the three moments.

또한, 스트레인게이지(410)는 휘스톤 브릿지 회로를 구성하고 있으며, 마이콤(420)과 배선을 통해 연결되어 신호를 보낸다. 휘스톤 브릿지 회로는 연결 방식에 따라서 탄성변형량을 구하는 수학식이 다르며, 본 발명의 일 실시예는 굽힘 타입의 풀 브릿지 회로를 구성하였다.In addition, the strain gage 410 constitutes a Wheatstone bridge circuit, and is connected to the microcomputer 420 through a wire and sends a signal. The Whiston bridge circuit differs from the equation for obtaining the amount of elastic deformation according to the connection method, and one embodiment of the present invention constitutes a bending type full bridge circuit.

또한, 도 16에 도시된 바와 같이 상기 마이콤(420)은 스트레인게이지(410)의 신호를 증폭해주며, 증폭된 신호를 처리하여 각각의 힘과 모멘트 값으로 사용자에게 반환해 준다.As shown in FIG. 16, the microcomputer 420 amplifies the signal of the strain gage 410, processes the amplified signal, and returns the amplified signal to the user with respective force and moment values.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치는, 복수의 제1 탄성편(311) 및 제2 탄성편(312)을 고정블록(100)의 상면과 평행하도록 고정 결합하여 고정블록(100)과 작업블록(200) 사이에 설치되는 순응장치부(300)를 간소화시켜 장치를 소형화시키고, 스트레인게이지(410)를 복수의 제1 탄성편(311) 및 제2 탄성편(312)에 부착하여 각각의 제1 탄성편(311) 및 제2 탄성편(312)의 탄성변화량을 측정하는 방식으로 센서의 가격을 절감시켜 장치 제작비용을 줄일 수 있다. 또한, 외부로부터 유입되는 이물질에 영향을 받지 않아 다양한 작업환경에서 사용 가능하며, 강성행렬이 대각화되는 순응중심을 가지도록 설계하여 종래 기술에 따른 복잡한 힘제어 방식이 아닌 힘에 대한 정보를 직접 로봇의 제어량으로 하는 직접적인 힘제어 방식을 사용하여 제어를 용이하게 하고, 도 17 및 18에 도시된 바와 같이 고정블록(100)과 작업블록(200) 사이에 설치된 순응기구부(300)가 탄성을 가지는 구조이고, 이는 종래 기술에 따른 F/T 센서와 달리 작업 대상에 맞춘 고가의 작업공구를 따로 설치할 필요없이 원하는 작업공구를 작업블록(200)에 설치하여 사용할 수 있는 특징이 있다.As described above, the adaptation device having the six-axis force / moment measurement function according to the present invention is configured such that a plurality of the first elastic pieces 311 and the second elastic pieces 312 are fixed to be parallel to the upper surface of the fixed block 100 The strain gauge 410 is connected to the first elastic piece 311 and the second elastic piece 311 so as to reduce the size of the device by simplifying the compliant device 300 installed between the fixed block 100 and the work block 200, It is possible to reduce the production cost of the device by reducing the price of the sensor by measuring the amount of elasticity change of each of the first elastic piece 311 and the second elastic piece 312 by attaching to the piece 312. [ In addition, it can be used in various working environments without being influenced by foreign substances introduced from the outside. By designing the stiffness matrix to have an adaptation center where diagonalization becomes diagonal, information on force, which is not a complicated force control method, And the compliant mechanism 300 installed between the fixed block 100 and the work block 200 as shown in FIGS. 17 and 18 has a resilient structure Which is different from the F / T sensor according to the related art, it is possible to install a desired work tool on the work block 200 without using expensive expensive work tools to be installed.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.The embodiments of the present invention described above and shown in the drawings should not be construed as limiting the technical idea of the present invention. The scope of protection of the present invention is limited only by the matters described in the claims, and those skilled in the art will be able to modify the technical idea of the present invention in various forms. Accordingly, such improvements and modifications will fall within the scope of the present invention as long as they are obvious to those skilled in the art.

10 : 스프링 장치
20 : 광학센서
100 : 고정블록 110 : 제1 무게중심
200 : 작업블록 210 : 제2 무게중심
300 : 순응장치부
310 : 제1 순응장치모듈 320 : 제2 순응장치모듈
330 : 제3 순응장치모듈
311 : 제1 탄성편 312 : 제2 탄성편
313 : 제1 링크부재 314 : 제2 링크부재
400 : 감지측정부
410 : 스트레인게이지 420 : 마이콤
10: Spring device
20: Optical sensor
100: fixed block 110: first center of gravity
200: work block 210: second center of gravity
300:
310: first adaptation module 320: second adaptation module
330: Third adaptation module
311: first elastic piece 312: second elastic piece
313: first link member 314: second link member
400:
410: strain gauge 420:

Claims (6)

제1 무게중심을 가지는 강성체이고, 상기 제1 무게중심을 지나는 가상의 축선 상에 X-Y-Z의 3축으로 된 고정좌표계의 고정원점이 정의되는 고정블록과,
제2 무게중심을 가지는 강성체이고, 상기 고정블록으로부터 일정한 거리만큼 이격되어 상기 고정블록의 고정좌표계를 기준으로 이동 가능하게 설치되고, 상기 제2 무게중심을 지나는 가상의 축 선상에 x-y-z의 3축으로 된 이동좌표계의 이동원점이 정의되는 작업블록과,
상기 고정블록과 작업블록 사이에 설치되고, 상기 고정블록에 대하여 상기 작업블록을 탄성 지지하는 순응장치부와,
상기 작업블록의 이동원점에 외력이 작용하여 상기 고정블록의 고정원점을 기준으로 상기 작업블록의 이동원점이 위치 이동하는 경우 상기 순응장치부로부터 탄성변형량을 감지하여 상기 고정좌표계를 기준으로 상기 작업블록의 이동원점에 작용하는 3축 각각의 방향에 대한 3개의 힘 및 3축 각각의 방향을 회전중심으로 하는 3개의 모멘트를 측정하는 감지측정부를 포함하고,
상기 순응장치부는,
상기 고정블록과 작업블록 사이에 각각이 120도 각도의 간격으로 대각화되어 설치된 3개의 제1 순응장치모듈, 제2 순응장치모듈 및 제3 순응장치모듈을 포함하고,
상기 제1 순응장치모듈, 제2 순응장치모듈 및 제3 순응장치모듈 각각은,
일단이 상기 고정블록에 고정 설치되고, 타단이 자유단인 제1 탄성편과,
하단이 상기 제1 탄성편의 타단에 볼조인트로 회전 가능하게 결합되고, 상단이 상기 작업블록에 볼조인트로 회전 가능하게 결합되는 제1 링크부재와,
상기 제1 탄성편과 서로 대칭되도록 일단이 상기 고정블록에 고정 설치되고, 타단이 자유단인 제2 탄성편과,
상기 제1 링크부재와 서로 대칭되도록 하단이 상기 제2 탄성편의 타단에 볼조인트로 회전 가능하게 결합되고, 상단이 상기 작업블록에 볼조인트로 회전 가능하게 결합되는 제2 링크부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치.
A fixed block having a first center of gravity and defining a fixed origin of a fixed coordinate system of three axes of X, Y and Z axes on a virtual axis passing through the first center of gravity,
A rigid body having a second center of gravity and being movable with respect to a fixed coordinate system of the fixed block spaced apart from the fixed block by a predetermined distance and being movable along a virtual axis passing through the second center of gravity, A movement block in which a movement source point of the moving coordinate system is defined;
A compliant device installed between the fixed block and the work block and elastically supporting the work block with respect to the fixed block;
When an external force is applied to a movement origin of the work block and a movement source point of the work block moves based on a fixed origin of the fixed block, an amount of elastic deformation is sensed from the adaptation unit, and based on the fixed coordinate system, And a detection measuring section for measuring three forces acting on the three origin axes acting on the movement origin and three moments about the rotation axes of the three axes,
The adaptation device comprises:
A first adaptation module, a second adaptation module, and a third adaptation module installed diagonally at intervals of 120 degrees between the fixed block and the work block, respectively,
Wherein each of the first adaptation module, the second adaptation module and the third adaptation module includes:
A first elastic piece whose one end is fixed to the fixed block and whose other end is a free end;
A first link member having a lower end rotatably coupled to the other end of the first resilient piece by a ball joint and an upper end rotatably coupled to the work block by a ball joint,
A second elastic piece having one end fixed to the fixed block so as to be symmetrical with the first elastic piece and the other end being free,
And a second link member having a lower end rotatably coupled to the other end of the second elastic piece so as to be symmetrical with respect to the first link member and rotatably coupled to the other end of the second elastic member by a ball joint, And a six-axis force / moment measurement function.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 작업블록 및 고정블록은 상호 평행하게 설치된 것을 특징으로 하는 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치.
The method according to claim 1,
Wherein the working block and the fixed block are installed parallel to each other.
제4항에 있어서,
상기 제1 순응장치모듈, 제2 순응장치모듈 및 제3 순응장치모듈 각각의 제1탄성편, 제2 탄성편, 제1 링크부재 및 제2 링크부재 각각은,
상기 고정블록과 작업블록 사이에 가상의 수직으로 된 동일평면상에 설치되는 것을 특징으로 하는 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치.
5. The method of claim 4,
Each of the first elastic piece, the second elastic piece, the first link member, and the second link member of each of the first compliant device module, the second compliant device module and the third compliant device module,
Wherein the first and second actuators are mounted on a coplanar vertical plane between the fixed block and the working block.
제1항에 있어서,
상기 감지측정부는,
상기 제1 탄성편 및 제2 탄성편 각각의 상면 및 하면 중 적어도 어느 하나의 일면에 각각 부착되어 상기 제1 탄성편 및 제2 탄성편 각각의 탄성변형량을 감지하는 복수의 스트레인게이지와,
상기 스트레인게이지 각각의 신호를 전송받아 상기 스트레인게이지 각각의 탄성변형량으로부터 상기 고정좌표계를 기준으로 상기 작업블록의 이동원점에 작용하는 X축 방향에 대한 FX, Y축 방향에 대한 FY, Z축 방향에 대한 FZ 각각의 3개의 힘 및 X축 방향을 회전중심으로 하는 MX, Y축 방향을 회전중심으로 하는 MY, Z축 방향을 회전중심으로 하는 MZ 각각의 3개의 모멘트를 계산하는 마이콤을 포함하는 것을 특징으로 하는 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치.
The method according to claim 1,
Wherein the sensing unit comprises:
A plurality of strain gauges attached to one surface of at least one of an upper surface and a lower surface of each of the first elastic piece and the second elastic piece to sense an elastic deformation amount of each of the first elastic piece and the second elastic piece,
Wherein the strain gauges are transmitted from each of the strain gauges and are subjected to F X , F Y , and Z Y directions with respect to the X-axis direction acting on the movement origin of the work block from the elastic transformation amount of each of the strain gages, calculating a F Z each of the three force and X-axis three moment M Z, respectively to the M Y, Z-axis direction as the center to rotate the M X, Y-axis direction of the center rotational direction with a rotational center for direction And a microcomputer having a six-axis force / moment measurement function.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200047968A (en) * 2018-10-29 2020-05-08 경남대학교 산학협력단 6-axis compliance device with variable compliance capability
KR20200062588A (en) * 2018-11-27 2020-06-04 경남대학교 산학협력단 6-axis compliance device with force/torque sensing capability
CN113245963A (en) * 2021-05-31 2021-08-13 上海理工大学 Force and position mixed type polishing tool with automatic protection function
KR102354643B1 (en) * 2020-11-17 2022-01-24 경남대학교 산학협력단 6-axis hollow compliance device with force/moment sensing capability
CN114966170A (en) * 2022-06-22 2022-08-30 杭州三福节能科技有限公司 Connecting probe for iron tower power generation detector

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1190867A (en) * 1997-09-17 1999-04-06 Olympus Optical Co Ltd Micromanipulator
JP5752565B2 (en) * 2011-11-04 2015-07-22 本田技研工業株式会社 Robot arm

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1190867A (en) * 1997-09-17 1999-04-06 Olympus Optical Co Ltd Micromanipulator
JP5752565B2 (en) * 2011-11-04 2015-07-22 本田技研工業株式会社 Robot arm

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
일본 특허공보 특허 제 5752565호(2015.07.22.) 1부. *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200047968A (en) * 2018-10-29 2020-05-08 경남대학교 산학협력단 6-axis compliance device with variable compliance capability
KR102125571B1 (en) * 2018-10-29 2020-06-22 경남대학교 산학협력단 6-axis compliance device with variable compliance capability
KR20200062588A (en) * 2018-11-27 2020-06-04 경남대학교 산학협력단 6-axis compliance device with force/torque sensing capability
KR102123696B1 (en) 2018-11-27 2020-06-16 경남대학교 산학협력단 6-axis compliance device with force/torque sensing capability
KR102354643B1 (en) * 2020-11-17 2022-01-24 경남대학교 산학협력단 6-axis hollow compliance device with force/moment sensing capability
CN113245963A (en) * 2021-05-31 2021-08-13 上海理工大学 Force and position mixed type polishing tool with automatic protection function
CN114966170A (en) * 2022-06-22 2022-08-30 杭州三福节能科技有限公司 Connecting probe for iron tower power generation detector
CN114966170B (en) * 2022-06-22 2023-05-26 杭州三福节能科技有限公司 Connection probe for iron tower power generation detector

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