KR102019418B1 - 병렬 케이블로봇의 견실제어를 위한 스마트 윈치 시스템 - Google Patents

병렬 케이블로봇의 견실제어를 위한 스마트 윈치 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 병렬 케이블로봇의 견실제어를 위한 스마트 윈치 시스템에 관한 것으로서, 윈치 본체에 복수개의 센서로 구비되어 케이블 길이, 케이블 장력, 윈치 리미트, 케이블 이탈감지 또는 케이블 온도 값을 측정하여 '센서정보'를 생성하고, '제어신호'에 부합하도록 케이블 및 윈치를 구동시키는 스마트 윈치모듈; 및 '센서정보'를 인가받아 케이블 길이, 케이블 강성 또는 케이블 장력 변화량을 시계열적인 값으로 추출하여 생성한 '케이블 상태정보'를 출력하고, '케이블 상태정보'를 토대로 스마트 윈치모듈 구동을 위한 '제어신호'를 무선통신망을 통해 접속된 스마트 윈치모듈로 전송하는 통합 제어모듈을 포함한다.

Description

병렬 케이블로봇의 견실제어를 위한 스마트 윈치 시스템{SMART WINCH SYSTEM FOR ROBUST CONTROL OF CABLE-DRIVEN PARALLEL ROBOT}
본 발명은 병렬 케이블로봇의 견실제어를 위한 스마트 윈치 시스템에 관한 것으로 더욱 상세하게는, 병렬 케이블로봇 구동시 케이블에 변형을 일으키는 요소에 대한 실시간 모니터링을 통해 대형 고하중 병렬케이블의 제어성능 향상시키는 기술에 관한 것이다.
병렬 케이블로봇은 케이블로 구동되는 로봇 시스템으로, 케이블의 길이 및 장력에 의해 로봇 엔드이펙터의 위치 및 힘을 제어한다. 케이블의 길이 및 장력은 윈치-모터로부터 제어되는데, 사용환경, 목적 및 작업내용에 따라 케이블의 길이 및 장력변화에 의해 로봇의 엔드이펙터 제어에 큰 오차를 발생시킬 수 있다.
따라서, 병렬 케이블로봇 구동시 케이블에 변형을 일으키는 요소에 대한 실시간 모니터링을 통해 대형 고하중 병렬케이블의 제어성능 향상이 절실히 요구되고 있다.
1. 미국등록특허 제980,297호 2. 미국공개특허 제2014-0091268호
본 발명의 목적은, 기존의 범용 윈치의 강성 구조 케이블을 경량 폴리머 케이블로 대체하고, 다양한 센서를 구성하여 케이블에 변형을 일으키는 요소에 대한 실시간 모니터링을 통해 케이블을 제어함으로써, 고중량, 근거리 및 저정밀 작업용으로 사용되던 윈치를 고정밀 및 대형 병렬 케이블로봇에 적용이 가능하게 하는데 있다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 병렬 케이블로봇의 견실제어를 위한 스마트 윈치 시스템으로서, 윈치 본체에 복수개의 센서로 구비되어 케이블 길이, 케이블 장력, 윈치 리미트, 케이블 이탈감지 또는 케이블 온도 값을 측정하여 '센서정보'를 생성하고, '제어신호'에 부합하도록 케이블 및 윈치를 구동시키는 스마트 윈치모듈; 및 '센서정보'를 인가받아 케이블 길이, 케이블 강성 또는 케이블 장력의 변화량을 시계열적인 값으로 추출하여 생성한 '케이블 상태정보'를 출력하고, '케이블 상태정보'를 토대로 스마트 윈치모듈 구동을 위한 '제어신호'를 무선통신망을 통해 접속된 스마트 윈치모듈로 전송하는 통합 제어모듈을 포함한다.
바람직하게는, 스마트 윈치모듈은 기 설정된 위치로부터 케이블이 이탈하는지 여부를 측정하는 단차센서; 케이블의 온도를 측정하는 온도센서; 케이블의 길이를 측정하는 풀리카운터; 윈치에 설치된 모터와 일체형으로 구성되어 모터 회전수 값을 측정하는 모터엔코더; 케이블 장력을 측정하는 로드셀로 구성된 장력센서; 윈치 끝단부 감지를 위한 리미트 스위치; 및 통합 제어모듈과 접속되어 케이블 및 윈치의 상태값을 전송하고 수신한 '제어신호'에 따라 케이블 및 윈치 구동을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
제어부는, 케이블 및 윈치의 상태값에 대응하도록 기 설정된 케이블의 길이 제어 및 케이블 장력보상을 위해 설정된 프로세스를 기반으로, '제어신호'에 따라 케이블 및 윈치 구동을 제어하는 것을 특징으로 한다.
통합 제어모듈은, '케이블 상태정보'를 토대로 수치화된 케이블 엉킴 가능성을 판단하여 기 설정된 수치값을 초과하는 경우, 초과한 수치값과 대응하는 케이블 또는 윈치의 식별ID를 출력하는 것을 특징으로 한다.
통합 제어모듈은, 판단결과 케이블 엉킴이 발생한 경우, 엉킴이 발생한 케이블의 식별ID를 출력하는 것을 특징으로 한다.
통합 제어모듈은, '케이블 상태정보'에 포함된 케이블 길이, 케이블 강성 또는 케이블 장력 변화량과 케이블 또는 윈치의 식별ID를 토대로 병렬 케이블에 대한 다자유도 모션제어 수행을 위한 '제어신호'를 상기 스마트 윈치모듈로 전송하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 기존의 범용 윈치의 강성 구조 케이블을 경량 폴리머 케이블로 대체하고, 다양한 센서를 구성하여 케이블에 변형을 일으키는 요소에 대한 실시간 모니터링을 통해 케이블을 제어함으로써, 고중량, 근거리 및 저정밀 작업용으로 사용되던 윈치를 고정밀 및 대형 병렬 케이블로봇에서도 사용이 가능하게 하는 효과가 있다.
도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬 케이블로봇의 견실제어를 위한 스마트 윈치 시스템을 도시한 구성도.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬 케이블로봇의 견실제어를 위한 스마트 윈치 시스템의 장력센서 배치와 장력계산식을 도시한 예시도.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬 케이블로봇의 견실제어를 위한 스마트 윈치 시스템의 풀리카운터와 풀리간의 결합관계를 도시한 예시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬 케이블로봇의 견실제어를 위한 스마트 윈치 시스템의 단차센서를 통해 케이블이 이탈하는 것을 감지하는 것을 도시한 예시도.
도 5은 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬 케이블로봇의 견실제어를 위한 스마트 윈치 시스템의 리미트 스위치의 구성을 도시한 예시도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬 케이블로봇의 견실제어를 위한 스마트 윈치 시스템의 스마트 윈치모듈과 통합 제어모듈간의 통신방법을 도시한 예시도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬 케이블로봇의 견실제어를 위한 스마트 윈치 시스템의 통합 케이블 길이 제어를 예시한 블록도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬 케이블로봇의 견실제어를 위한 스마트 윈치 시스템의 케이블길이, 온도, 및 장력 측정값을 기반으로 케이블 강성변화를 고려한 케이블 늘어짐 보상을 예시한 블록도.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬 케이블로봇의 견실제어를 위한 스마트 윈치 시스템의 전체 프로세스를 예시한 블록도.
본 발명의 구체적인 특징 및 이점들은 첨부 도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
도 1는 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬 케이블로봇의 견실제어를 위한 스마트 윈치 시스템(S)을 도시한 구성도이고, 도 2는 장력센서 배치와 장력계산식을 도시한 예시도이고, 도 3은 풀리카운터와 풀리간의 결합관계를 도시한 예시도이며, 도 4는 단차센서를 통해 케이블이 이탈하는 것을 감지하는 것을 도시한 예시도이며, 도 5는 리미트 스위치의 구성을 도시한 예시도이다.
도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬 케이블로봇의 견실제어를 위한 스마트 윈치 시스템(S)은 스마트 윈치모듈(100) 및 통합 제어모듈(200)을 포함하여 구성된다.
스마트 윈치모듈(100)은 윈치 본체에 복수개의 센서로 구비되어 케이블 길이, 케이블 장력, 윈치 리미트(limit), 케이블 이탈감지 또는 케이블 온도 값을 측정하여 '센서정보'를 생성하고, 통합 제어모듈(200)로부터 수신한 '제어신호'에 부합하도록 케이블 및 윈치를 구동시킨다.
구체적으로, 스마트 윈치모듈(100)은 기 설정된 위치로부터 케이블 엉킴 및 이탈 여부를 측정하는 단차센서(110)와, 케이블의 온도를 측정하는 온도센서(120)와, 풀리와 일체형으로 구성되어 케이블의 길이를 측정하는 풀리카운터(130), 윈치에 설치된 모터와 일체형으로 구성되어 모터 회전수 값을 측정하는 모터엔코더(140), 케이블 장력을 측정하는 로드셀(load cell)로 구성된 장력센서(150)와, 윈치 끝단부 감지를 위한 리미트 스위치(160), 통합 제어모듈(200)과 접속되어 케이블 및 윈치의 상태값을 전송하고 수신한 '제어신호'에 따라 케이블 및 윈치 구동을 제어하는 제어부(170)를 포함하여 구성된다.
이때, 제어부(170)는 케이블 및 윈치의 상태값에 대응하도록 기 설정된 케이블의 길이 제어 및 케이블 장력보상을 위한 알고리즘을 기반으로, 통합 제어모듈(200)로부터 수신한 '제어신호'에 따라 케이블 및 윈치 구동을 제어한다.
또한, 스마트 윈치모듈(100)의 제어부(170)와 통합 제어모듈(200)간의 통신은 도 6에 도시된 바와 같이, 블루투스, 와이파이 또는 와이파이 다이렉트 중에 어느 하나를 포함하는 무선통신망을 통해 이루어질 수 있다.
한편, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬 케이블로봇의 견실제어를 위한 스마트 윈치 시스템(S)의 통합 케이블 길이 제어를 예시한 블록도이고, 도 8은 케이블길이, 온도, 장력 측정값을 기반으로 케이블 강성변화를 고려한 케이블 늘어짐 보상을 예시한 블록도이며, 도 9는 전체 프로세스를 예시한 블록도이다.
통합 제어모듈(200)은 스마트 윈치모듈(100)로부터 '센서정보'를 인가받아 케이블 길이, 케이블 강성 또는 케이블 장력 변화량을 시계열적인 값으로 추출하여 생성한 '케이블 상태정보'를 출력하고, '케이블 상태정보'를 토대로 스마트 윈치모듈(100) 구동을 위한 '제어신호'를 무선통신망을 통해 접속된 스마트 윈치모듈(100)로 전송한다.
또한, 통합 제어모듈(200)은 '케이블 상태정보'를 토대로 케이블 엉킴 가능성을 판단하여 기 설정된 수치값을 초과하는 경우, 초과한 수치값과 대응하는 케이블의 식별ID를 출력한다. 이때, 통합 제어모듈(200)은 케이블 또는 윈치의 식별ID와 대응하는 케이블 또는 윈치의 제어를 위한 '제어신호'를 스마트 윈치모듈(100)로 전송하여 스마트 윈치모듈(100)의 구동을 제어할 수 있다.
또한, 상기 가능성 판단이란 '케이블 상태정보'를 토대로 스마트 윈치모듈(100)의 구동에 따라 케이블 길이, 케이블 강성 및 케이블 장력 각각 값의 변화량을 토대로 케이블이 엉키거나 기 설정된 위치로부터 이탈하는지 여부를 예측하는 것으로 이해함이 바람직하다.
아울러, 통합 제어모듈(200)은 상기 판단결과 케이블 엉킴이 발생한 경우, 엉킴이 발생한 케이블의 식별ID를 출력한다.
또한, 통합 제어모듈(200)은 상기 '케이블 상태정보'에 포함된 케이블 길이, 케이블 강성 또는 케이블 장력 변화량과 케이블 또는 윈치의 식별ID를 토대로 병렬 케이블에 대한 다자유도 모션제어 수행을 위한 '제어신호'를 스마트 윈치모듈(100)로 전송한다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 병렬 케이블로봇의 견실제어를 위한 스마트 윈치 시스템(S)은, 원격지에 구비되어 무선통신망을 통해 통합 제어모듈(200)로부터 수신한 '케이블 상태정보', 케이블의 식별ID 또는 윈치의 식별ID 중에 어느 하나를 출력하고, 스마트 윈치모듈(100)의 구동 제어를 위한 '제어신호'를 통합 제어모듈(200)로 전송하여 원격지에서도 스마트 윈치모듈(100)의 제어가 가능한 모니터링 모듈(300)을 더 포함하여 구성될 수 있다.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등 물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
S: 병렬 케이블로봇의 견실제어를 위한 스마트 윈치 시스템
100: 스마트 윈치모듈
110: 단차센서
120: 온도센서
130: 풀리카운터
140: 모터엔코더
150: 장력센서
160: 리미트 스위치
170: 제어부
200: 통합 제어모듈
300: 모니터링 모듈

Claims (6)

  1. 케이블 윈치 제어 시스템에 있어서,
    윈치 본체에 복수개의 센서로 구비되어 케이블 길이, 케이블 장력, 윈치 리미트, 케이블 이탈감지 또는 케이블 온도 값을 측정하여 '센서정보'를 생성하고, '제어신호'에 부합하도록 케이블 및 윈치를 구동시키는 스마트 윈치모듈; 및
    상기 '센서정보'를 인가받아 케이블 길이, 케이블 강성 또는 케이블 장력 변화량을 시계열적인 값으로 추출하여 생성한 '케이블 상태정보'를 출력하고, 상기 '케이블 상태정보'를 토대로 상기 스마트 윈치모듈 구동을 위한 '제어신호'를 무선통신망을 통해 접속된 상기 스마트 윈치모듈로 전송하는 통합 제어모듈을 포함하되,
    상기 스마트 윈치모듈은,
    기 설정된 위치로부터 케이블이 이탈하는지 여부를 측정하는 단차센서;
    케이블의 온도를 측정하는 온도센서;
    케이블의 길이를 측정하는 풀리카운터;
    윈치에 설치된 모터의 회전수 값을 측정하는 모터엔코더;
    케이블 장력을 측정하는 로드셀로 구성된 장력센서;
    윈치 끝단부 감지를 위한 리미트 스위치; 및
    상기 통합 제어모듈과 접속되어 케이블 및 윈치의 상태값을 전송하고 수신한 '제어신호'에 따라 케이블 및 윈치 구동을 제어하는 제어부를
    포함하는 것을 특징으로 하는 병렬 케이블로봇의 견실제어를 위한 스마트 윈치 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    케이블 및 윈치의 상태값에 대응하도록 기 설정된 케이블의 길이 제어 및 케이블 장력보상을 위해 설정된 프로세스를 기반으로, 상기 '제어신호'에 따라 케이블 및 윈치 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 병렬 케이블로봇의 견실제어를 위한 스마트 윈치 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 통합 제어모듈은,
    상기 '케이블 상태정보'를 토대로 케이블 엉킴 가능성을 판단하여 기 설정된 수치값을 초과하는 경우, 초과한 수치값과 대응하는 케이블의 식별ID를 출력하는 것을 특징으로 하는 병렬 케이블로봇의 견실제어를 위한 스마트 윈치 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 통합 제어모듈은,
    상기 판단결과 케이블 엉킴이 발생한 경우, 엉킴이 발생한 케이블의 식별ID를 출력하는 것을 특징으로 하는 병렬 케이블로봇의 견실제어를 위한 스마트 윈치 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 통합 제어모듈은,
    상기 '케이블 상태정보'에 포함된 케이블 길이, 케이블 강성 또는 케이블 장력 변화량과 케이블 또는 윈치의 식별ID를 토대로 병렬 케이블에 대한 다자유도 모션제어 수행을 위한 '제어신호'를 상기 스마트 윈치모듈로 전송하는 것을 특징으로 하는 병렬 케이블로봇의 견실제어를 위한 스마트 윈치 시스템.
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