KR102093729B1 - A compact haptic device using a parallel cable robot - Google Patents
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Abstract
본 발명은 병렬 케이블 로봇을 활용한 소형 햅틱 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 6자유도 움직임이 가능한 특성과, 각 케이블별 장력 측정 로드셀을 활용하여 조작 직관성이 높고 피드백 제어 정밀성을 높인 병렬 케이블 로봇을 활용한 소형 햅틱 장치에 관한 것이다.
이를 위해, 자유도 움직임을 위한 작업공간을 제공하는 프레임; 상기 프레임에 설치되며, 케이블을 감거나 풀어내는 윈치와, 상기 윈치의 케이블을 작업공간으로 가이드하는 풀리를 포함하는 복수의 케이블 구동모듈; 상기 케이블 구동모듈의 케이블에 연결되며, 사용자의 조작을 통해 상기 작업공간에서 자유도를 갖고 움직이면서 머니퓰레이터를 연동시키는 엔드이펙터:를 포함하며, 상기 엔드이펙터는, 각 케이블 구동모듈의 케이블이 연결된 연결부재; 상기 연결부재에 고정되며, 사용자가 파지할 수 있도록 제공된 파지부:를 포함하며, 상기 풀리에는 엔드이펙터의 움직임에 따른 케이블 장력을 감지하는 장력센서가 설치되고, 상기 연결부재는, 상기 파지부의 상부에 고정된 상부 연결부재와, 상기 파지부의 하부에 고정된 하부 연결부재로 구성되고, 상부 연결부재의 케이블 연결점과, 하부 연결부재의 케이블 연결점은 서로 다른 방향이며, 상기 파지부에는, 사용자의 손가락이 삽입될 수 있는 끼움홈과, 머니퓰레이터 동작 제어를 위한 버튼부가 구성되되, 상기 파지부는 원주면이 상하를 향하는 원기둥으로 이루어지며, 상기 끼움홈은 파지부 측면의 상,하부에 2개 이상으로 형성되고, 상기 버튼부는 파지부의 원주면에 설치되며, 상기 상부 연결부재는 파지부의 원주면에 대하여 수직하게 설치된 직육면체의 바(bar) 형태이고, 상기 하부 연결부재는 파지부의 원주면 방향으로 설치된 직육면체의 바(bar) 형태인 것을 특징으로 하는 병렬 케이블 로봇을 활용한 소형 햅틱 장치를 제공한다.The present invention relates to a small haptic device using a parallel cable robot, and more specifically, a parallel cable robot that has 6-degree-of-freedom motion and a tension measurement load cell for each cable to increase operation intuitiveness and improve feedback control precision. It relates to a small haptic device utilizing the.
To this end, a frame providing a work space for freedom of movement; A plurality of cable driving modules installed on the frame and including a winch for winding or unwinding the cable and a pulley for guiding the cable of the winch to a work space; It is connected to the cable of the cable driving module, the end effector for interlocking the manipulator while moving with freedom in the working space through the user's operation, including, the end effector, the cable connecting member of each cable driving module; It is fixed to the connecting member, and includes a gripping part provided for a user to grip, and the pulley is equipped with a tension sensor for sensing cable tension according to the movement of the end effector, and the connecting member comprises: Consists of an upper connecting member fixed to the upper portion, and a lower connecting member fixed to the lower portion of the gripping portion, and the cable connecting point of the upper connecting member and the cable connecting point of the lower connecting member are in different directions. A fitting groove into which a finger of the user can be inserted, and a button portion for manipulator operation control are configured, wherein the gripping portion is formed of a cylinder with a circumferential surface facing up and down, and the fitting groove is two or more on the upper and lower sides of the gripping side. It is formed of, the button portion is installed on the circumferential surface of the gripping portion, the upper connecting member is installed perpendicular to the circumferential surface of the gripping portion A bar (bar) shape of the tetrahedron, the lower connecting member provides a compact haptic device utilizing a parallel cable robot, characterized in that the bar (bar) in the form of a rectangular parallelepiped provided with a circumferential surface direction of the gripper.
Description
본 발명은 병렬 케이블 로봇을 활용한 소형 햅틱 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 힘과 촉감의 피드백 기능을 통해 조작 직관성을 높인 병렬 케이블 로봇을 활용한 소형 햅틱 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a small haptic device using a parallel cable robot, and more particularly, to a small haptic device using a parallel cable robot with improved manipulation intuition through force and tactile feedback functions.
원격 제어 장치는 마스터부와 슬레이브부를 포함하는 장치로, 마스터부를 이용하여 원격지에 위치한 슬레이브부를 원격 제어한다. The remote control device is a device including a master unit and a slave unit, and remotely controls a slave unit located at a remote location using the master unit.
이때 마스터부는 슬레이브부에서 검출된 힘, 촉감, 온도, 습도 및 조도 등과 같은 각종 물리적 정보에 기초하여 슬레이브부의 동작을 원격에서 제어한다.At this time, the master unit remotely controls the operation of the slave unit based on various physical information such as force, touch, temperature, humidity, and illuminance detected by the slave unit.
이러한 원격 제어 장치로는 수술 로봇, 위험물 처리 로봇, 순찰 로봇, 국방 로봇 및 우주 항공 원격 장치 등이 있다.Such remote control devices include surgical robots, dangerous goods handling robots, patrol robots, defense robots, and aerospace remote devices.
이 중 수술 로봇은 사용자의 명령에 따라 수술 도구를 움직여 환부를 치료 또는 수술을 수행하는 로봇으로, 마스터부에 해당하는 콘솔, 슬레이브부에 해당하는 머니퓰레이터 및 엔드이펙터를 포함한다.Among them, the surgical robot is a robot that performs surgery or surgery on the affected area by moving a surgical tool according to a user's instruction, and includes a console corresponding to the master unit, a manipulator corresponding to the slave unit, and an end effector.
이러한 수술 로봇에 의해 수행되는 수술은, 환부의 절개구 크기를 최소화 하는 최소침습수술(Minimal InvasiveSurgery), 로봇수술(Robotic surgery) 등이 있다.The surgery performed by the surgical robot includes Minimal InvasiveSurgery and Robotic surgery to minimize the size of the incision in the affected area.
여기서 최소침습수술은 배를 완전히 열고 수술을 하는 개복수술(Open Surgery)과 달리 몇 개의 작은 절개구(Small Incision)을 내고 배에 가스를 채워 수술 공간을 만든 후, 절개구를 통해 복강경(Laparoscope)과 수술용 엔드이펙터를 넣어 복강 안의 영상을 보면서 수술용 엔드이펙터를 이용하여 수술을 하는 것이다.Here, unlike minimally invasive surgery, Open Surgery, where the stomach is completely opened and operated, a few small incisions are made and gas is filled into the stomach to create a surgical space, and then a laparoscope is made through the incision. And putting the end effector for surgery while viewing the image in the abdominal cavity to perform the surgery using the end effector for surgery.
이러한 최소침습수술은 수술 후 통증이 적고, 장 운동의 조기회복 및 음식물의 조기 섭취가 가능하며 입원 기간이 짧고 정상 상태로의 복귀가 빠르며 절개범위가 작아 미용효과가 우수하다. This minimally invasive surgery is less painful after surgery, early recovery of intestinal movements and early intake of food, short hospitalization, quick return to normal conditions, and small incision range have excellent cosmetic effects.
이로 인해 최소침습수술은 담낭 절재술, 전립선 암 수술, 탈장 교정술 등에 사용되고 있고 그 분야를 점점 더 넓혀가고 있는 추세이다.For this reason, minimally invasive surgery is used for cholecystectomy, prostate cancer surgery, hernia correction, etc., and the field is gradually expanding.
하지만 최소침습수술은 수술용 엔드이펙터의 조정이 어렵고 절개구를 통하여 수술용 엔드이펙터를 움직여야 하는 어려움이 있다. However, in minimally invasive surgery, it is difficult to adjust the surgical end effector and there is a difficulty in moving the surgical end effector through the incision.
이러한 최소침습수술의 단점을 극복한 것이 다빈치 로봇(davinci robot)을 이용한 수술이다. Overcoming the shortcomings of this minimally invasive surgery is surgery using a davinci robot.
여기서 다빈치 로봇은 사용자에게 좌우 반전 없이 10배 내지 15배의 확대된 입체 영상을 전달하고 사용자의 움직임을 정교하게 머니퓰레이터 및 수술용 엔드이펙터에 전달한다.Here, the Da Vinci robot delivers 10 to 15 times magnified stereoscopic image to the user without inverting left and right, and precisely transmits the user's movement to the manipulator and surgical end effector.
하지만 상기한 수술용 다빈치 로봇은 힘과 촉감(Tactile)의 피드백 기능이 없었다.However, the above-mentioned surgical da Vinci robot did not have a force and tactile feedback function.
이로 인해 사용자(즉, 의사)는 봉합 시술 중 수술용 엔드이펙터에 인가되는 힘을 인지하기가 쉽지 않기 때문에, 의료 사고가 발생할 수 있는 문제가 있었다.Due to this, the user (ie, the doctor) has a problem in that a medical accident may occur because it is not easy to recognize the force applied to the surgical end effector during the suture procedure.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로써, 본 발명의 목적은 병렬 케이블 로봇을 활용하여 햅틱장치의 회전 자유도에 대한 조작 직관성을 높이는 동시에, 각 케이블 장력 측정이 가능한 로드셀을 사용하여 정밀한 피드백 제어가 가능한 병렬 케이블 로봇을 활용한 소형 햅틱 장치를 제공하고자 한 것이다.The present invention has been devised to solve the above-mentioned problems, and the object of the present invention is to use a parallel cable robot to increase the intuitiveness of operation for rotational freedom of a haptic device, and to use a load cell capable of measuring each cable tension. It is intended to provide a small haptic device utilizing a parallel cable robot capable of feedback control.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여, 자유도 움직임을 위한 작업공간을 제공하는 프레임; 상기 프레임에 설치되며, 케이블을 감거나 풀어내는 윈치와, 상기 윈치의 케이블을 작업공간으로 가이드하는 풀리를 포함하는 복수의 케이블 구동모듈; 상기 케이블 구동모듈의 케이블에 연결되며, 사용자의 조작을 통해 상기 작업공간에서 자유도를 갖고 움직이면서 머니퓰레이터를 연동시키는 엔드이펙터:를 포함하며, 상기 엔드이펙터는, 각 케이블 구동모듈의 케이블이 연결된 연결부재; 상기 연결부재에 고정되며, 사용자가 파지할 수 있도록 제공된 파지부:를 포함하며, 상기 풀리에는 엔드이펙터의 움직임에 따른 케이블 장력을 감지하는 장력센서가 설치되고, 상기 연결부재는, 상기 파지부의 상부에 고정된 상부 연결부재와, 상기 파지부의 하부에 고정된 하부 연결부재로 구성되고, 상부 연결부재의 케이블 연결점과, 하부 연결부재의 케이블 연결점은 서로 다른 방향이며, 상기 파지부에는, 사용자의 손가락이 삽입될 수 있는 끼움홈과, 머니퓰레이터 동작 제어를 위한 버튼부가 구성되되, 상기 파지부는 원주면이 상하를 향하는 원기둥으로 이루어지며, 상기 끼움홈은 파지부 측면의 상,하부에 2개 이상으로 형성되고, 상기 버튼부는 파지부의 원주면에 설치되며, 상기 상부 연결부재는 파지부의 원주면에 대하여 수직하게 설치된 직육면체의 바(bar) 형태이고, 상기 하부 연결부재는 파지부의 원주면 방향으로 설치된 직육면체의 바(bar) 형태인 것을 특징으로 하는 병렬 케이블 로봇을 활용한 소형 햅틱 장치를 제공한다.The present invention to achieve the above object, a frame providing a working space for freedom of movement; A plurality of cable driving modules installed on the frame and including a winch for winding or unwinding the cable and a pulley for guiding the cable of the winch to a work space; It is connected to the cable of the cable driving module, the end effector for interlocking the manipulator while moving with freedom in the working space through the user's operation, including, the end effector, the cable connecting member of each cable driving module; It is fixed to the connecting member, and includes a gripping part provided for a user to grip, and the pulley is equipped with a tension sensor for sensing cable tension according to the movement of the end effector, and the connecting member comprises: Consists of an upper connecting member fixed to the upper portion, and a lower connecting member fixed to the lower portion of the gripping portion, and the cable connecting point of the upper connecting member and the cable connecting point of the lower connecting member are in different directions. A fitting groove into which a finger of the user can be inserted, and a button portion for manipulator operation control are configured, wherein the gripping portion is formed of a cylinder with a circumferential surface facing up and down, and the fitting groove is two or more on the upper and lower sides of the gripping side It is formed of, the button portion is installed on the circumferential surface of the gripping portion, the upper connecting member is installed perpendicular to the circumferential surface of the gripping portion A bar (bar) shape of the tetrahedron, the lower connecting member provides a compact haptic device utilizing a parallel cable robot, characterized in that the bar (bar) in the form of a rectangular parallelepiped provided with a circumferential surface direction of the gripper.
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상기한 목적을 달성하기 위한 다른 예로써, 자유도 움직임을 위한 작업공간을 제공하는 프레임; 상기 프레임에 설치되며, 케이블을 감거나 풀어내는 윈치와, 상기 윈치의 케이블을 작업공간으로 가이드하는 풀리를 포함하는 복수의 케이블 구동모듈; 상기 케이블 구동모듈의 케이블에 연결되며, 사용자의 조작을 통해 상기 작업공간에서 자유도를 갖고 움직이면서 머니퓰레이터를 연동시키는 엔드이펙터:를 포함하며, 상기 엔드이펙터는, 사용자의 손이 결합되며, 사용자의 손가락 관절 움직임에 연동되는 복수의 관절을 갖는 그리퍼로 이루어지며, 상기 그리퍼의 관절은 서로 축 결합된 조인트로 연결되며, 상기 케이블은 그리퍼의 조인트 회동에 의해 길이 가변이 이루어질 수 있도록 설치되되, 상기 풀리에는 엔드이펙터의 움직임에 따른 케이블 장력을 감지하는 장력센서가 설치되며, 상기 그리퍼는 사용자의 손이 삽입되는 개구공을 형성하는 링(ring)형태의 손목부와, 사용자의 손등을 감싸는 손등부와, 사용자의 손가락을 감싸는 관절부로 구성되며, 상기 케이블은 손목부와, 손등부와, 관절부에 각각 연결된 것을 특징으로 하는 병렬 케이블 로봇을 활용한 소형 햅틱 장치를 제공한다.As another example for achieving the above object, a frame providing a working space for freedom of movement; A plurality of cable driving modules installed on the frame and including a winch for winding or unwinding the cable and a pulley for guiding the cable of the winch to a work space; It is connected to the cable of the cable driving module, and includes an end effector that interlocks a manipulator while moving with freedom in the working space through the user's manipulation, and the end effector is a user's hand combined and a user's finger joint It is made of a gripper having a plurality of joints linked to movement, and the joints of the grippers are connected to joints that are axially coupled to each other, and the cable is installed to be variable in length by the rotation of the joints of the gripper, but the pulley is end A tension sensor is installed to sense the cable tension according to the movement of the effector, and the gripper includes a ring-shaped wrist portion that forms an opening through which the user's hand is inserted, and a user's back that wraps the user's back, It consists of a joint that wraps the fingers of the, the cable is the wrist, the back of the hand, and the joint Provides a compact haptic device utilizing a parallel cable robot, characterized in that each is connected.
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본 발명에 따른 병렬 케이블 로봇을 활용한 소형 햅틱 장치는 다음과 같은 효과가 있다.The small haptic device using the parallel cable robot according to the present invention has the following effects.
첫째, 병렬 케이블 로봇을 이용한 6자유도 움직임이 가능한 특성과, 각 케이블 장력 측정 로드셀을 활용하여 조작 직관성을 높일 수 있다.First, the six-degree-of-freedom movement using a parallel cable robot and the operation force of each cable tension measuring load cell can be used to increase the intuitive operation.
이에 따라, 엔드이펙터를 정밀하게 제어할 수 있으므로, 햅틱 장치가 적용된 산업분야에서의 오동작 등을 줄여 사용자의 만족도를 높일 수 있는 효과가 있다.Accordingly, since the end effector can be precisely controlled, there is an effect of increasing user satisfaction by reducing malfunctions and the like in the industrial field to which the haptic device is applied.
둘째, 병렬 케이블 로봇 구성을 적용함으로써, 풀리 위치에 따라 작업공간의 크기를 자유롭게 가변시킬 수 있으며, 장치 전체 크기를 줄여 소형화할 수 있는 효과가 있다.Second, by applying the parallel cable robot configuration, the size of the work space can be freely varied according to the pulley position, and the overall size of the device can be reduced to downsize.
셋째, 엔드이펙터를 그리퍼 타입으로 제공함으로써, 손가락 및 손목 관절의 움직임을 이용한 엔드이펙터의 6자유도를 구현할 수 있으므로, 외부 조종의 직관성을 높일 수 있는 효과가 있다.Third, by providing the end effector as a gripper type, it is possible to implement 6 degrees of freedom of the end effector using movements of the fingers and wrist joints, thereby increasing the intuitiveness of external manipulation.
넷째, 각 케이블 장력측정이 가능한 로드셀을 사용하여 힘 피드백에 대한 제어가 정밀하게 이루어질 수 있도록 함으로써, 조작 직관성을 높일 수 있는 효과가 있다.Fourth, by using a load cell capable of measuring each cable tension, it is possible to precisely control the force feedback, thereby increasing the intuition of operation.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 병렬 케이블 로봇을 활용한 소형 햅틱 장치를 나타낸 사시도
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 병렬 케이블 로봇을 활용한 소형 햅틱 장치의 엔드이펙터를 나타낸 사시도
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 병렬 케이블 로봇을 활용한 소형 햅틱 장치를 나타낸 사시도
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 병렬 케이블 로봇을 활용한 소형 햅틱 장치의 엔드이펙터를 나타낸 사시도
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 병렬 케이블 로봇을 활용한 소형 햅틱 장치를 이용해 머니퓰레이터를 조작하는 상태를 나타낸 도면.1 is a perspective view showing a small haptic device utilizing a parallel cable robot according to a preferred embodiment of the present invention
Figure 2 is a perspective view showing the end effector of a small haptic device using a parallel cable robot according to a preferred embodiment of the present invention
Figure 3 is a perspective view showing a small haptic device using a parallel cable robot according to another embodiment of the present invention
4 is a perspective view showing an end effector of a small haptic device using a parallel cable robot according to another embodiment of the present invention
5 is a view showing a state of operating a manipulator using a small haptic device using a parallel cable robot according to another embodiment of the present invention.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms or words used in the specification and claims are not to be construed as being limited to ordinary or lexical meanings, and the inventor is based on the principle that the concept of terms can be properly defined in order to best describe his or her invention. It should be interpreted in a sense and concept consistent with the technical idea of the present invention.
이하, 첨부된 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 병렬 케이블 로봇을 활용한 소형 햅틱 장치(이하, '햅틱 장치'라 함)에 대하여 설명하도록 한다.Hereinafter, a small haptic device (hereinafter referred to as a 'haptic device') using a parallel cable robot according to a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the attached FIGS. 1 and 2.
햅틱 장치는 병렬 케이블 로봇의 작동 원리를 이용하여, 6자유도 구현을 통해 조작 직관성을 높이고, 정밀한 피드백 제어가 이루어질 수 있도록 하였다.The haptic device uses the principle of operation of a parallel cable robot to increase the intuition of operation and realize precise feedback control through the implementation of six degrees of freedom.
햅틱 장치는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 프레임(100)과, 케이블 구동모듈(200)과, 엔드이펙터(300)를 포함하여 구성된다.1 and 2, the haptic device includes a
프레임(100)은 엔드이펙터(300)의 자유도 구현을 위한 작업 공간(S)을 제공한다.The
프레임(100)은 도 1에 도시된 바와 같이, 육면체의 큐브 형태로 제공됨이 바람직하다.1, the
다음으로, 케이블 구동모듈(200)은 케이블(C)을 감거나 풀어내면서 엔드이펙터(300)에게 6자유도 움직임을 제공한다.Next, the
케이블 구동모듈(200)은 복수로 제공되며, 프레임(100)의 각 코너에 설치됨이 바람직하다.The
이에 따라, 케이블 구동모듈(200)은 프레임(100)의 상부와 하부에 각각 4개씩 설치된 8개로 제공된다.Accordingly, the
각각의 케이블 구동모듈(200)은 윈치(210)와 풀리(220)를 포함하여 구성된다.Each
윈치(210)는 회전동력을 제공하는 모터(211)와, 상기 모터(211)에 축 결합되어 정,역회전되면서 케이블(C)을 감거나 풀어내는 드럼(212)으로 구성된다.The
그리고, 풀리(220)는 드럼(212)의 케이블(C)을 작업 공간(S)으로 가이드하는 역할을 하며, 프레임(100)에 설치된다.Then, the
이때, 풀리(220)의 위치 조정을 통해 상기 프레임(100)의 크기를 가변시킬 수 있으므로, 큐브 형태의 프레임(100) 크기는 최소화될 수 있다.At this time, since the size of the
이는, 햅틱 장치의 크기를 소형화할 수 있음을 의미한다.This means that the size of the haptic device can be downsized.
한편, 상기 각각의 풀리(220)에는 드럼(212)에 감긴 케이블(C)에 작용하는 장력을 감지하는 장력센서(221)가 설치된다.Meanwhile, a
장력센서(221)는 사용자가 엔드이펙터(300)를 작업 공간에서 움직이는 경우, 엔드이펙터(300)의 움직임에 따른 케이블(C) 장력을 감지하여 윈치(210)로 하여금 케이블(C)을 풀어내거나 케이블(C)을 감도록 하는 역할을 한다.When the user moves the
또한, 장력센서(221)는 후술하는 엔드이펙터(300)를 통해 머니퓰레이터에 가해지는 힘이 햅틱 장치로 피드백되는 경우, 피드백되는 힘을 작업자에게 정밀하게 전달할 수 있도록 하는 역할을 한다.In addition, when the force applied to the manipulator through the
즉, 장력센서(221)는 머니퓰레이터로부터 피드백되는 힘을 수치로 전달받아 윈치(210)로 하여금 케이블(C)을 감거나 케이블(C)을 풀어내도록 함으로써, 사용자는 머니퓰레이터로부터 피드백되는 힘을 정밀하게 전달받을 수 있으므로 조작의 직관성을 높일 수 있게 된다.That is, the
이때, 장력센서(221)는 로드셀임이 바람직하다.At this time, the
다음으로, 엔드이펙터(300)는 병렬 케이블 로봇의 기구학을 통해 사용자의 6자유도 움직임에 순응하면서 케이블(C)을 움직이는 역할을 한다.Next, the
이러한 엔드이펙터(300)의 움직임은 햅틱 조종이 요구되는 장치에 전달 및 재현된다.The movement of the
이때, 햅틱 조종이 요구되는 장치는 엔드이펙터(300)의 움직임과 연동되는 슬레이브부의 머니퓰레이터를 말한다.At this time, the device requiring haptic manipulation refers to the manipulator of the slave unit interlocked with the movement of the
상기 머니퓰레이터는 햅틱 장치가 적용되는 산업분야에 따라 다양하게 제공될 수 있으며, 예컨대 의료분야에 적용되는 경우 수술 도구일 수 있다.The manipulator may be provided in various ways depending on the industrial field to which the haptic device is applied, for example, it may be a surgical tool when applied to the medical field.
상기 엔드이펙터(300)는 도 2에 도시된 바와 같이, 파지부(310)와 연결부재(320)로 구성됨이 바람직하다.The
파지부(310)는 작업공간(S)상에서 엔드이펙터(300)의 6자유도 움직임을 위해 사용자가 파지하는 부위이다.The gripping
상기 파지부(310)는 사용자가 파지한 상태에서 6자유도 움직임이 용이하게 이루어질 수 있도록 제공되면 무방하다.The
본 명세서에서는 파지부(310)가 사용자의 손가락 삽입을 통해 파지될 수 있도록 제공되며, 원기둥 형태로 이루어진 것을 예로 한다. 이때, 원기둥 형태의 파지부(310)는 원주면이 상하를 향하도록 설치된다.In this specification, the gripping
상기 파지부(310)의 측면에는 끼움홈(311)이 형성된다.A
끼움홈(311)은 사용자의 손가락이 삽입될 수 있는 내경을 갖도록 형성되며, 파지부(310) 측면의 상,하부에 복수로 형성된다.The
상부에 형성된 끼움홈(311)에는 사용자의 검지가 삽입되고, 하부에 형성된 끼움홈(311)에는 사용자의 중지가 삽입이 된다.The user's index finger is inserted into the
이와 같은 구성에 의해, 사용자가 끼움홈(311)에 손가락을 삽입하면 파지부를 자연스럽게 움켜쥘 수 있게 된다.With this configuration, when the user inserts a finger into the
이때, 파지부(310)를 움켜쥔 상태에서 사용자의 엄지에 대응되는 부위에는 버튼부(312)가 설치됨이 바람직하다. 즉, 버튼부(312)는 파지부(310)의 원주면에 설치되는 것이다.At this time, it is preferable that the
버튼부(312)는 머니퓰레이터의 최종 동작을 명령하기 위한 구성이다.The
예컨대 머니퓰레이터가 집게로 제공되는 경우에 있어서, 엔드이펙터(300)의 6자유도 움직임을 통해 상기 머니퓰레이터가 목적물에 접근하면, 버튼 작동을 통해 머니퓰레이터로 하여금 목적물을 잡거나 절단하는 최종 동작이 이루어질 수 있도록 한 것이다.For example, in the case where a manipulator is provided with a forceps, when the manipulator approaches an object through a six-degree-of-freedom movement of the
이는 상기한 파지부(310)의 구성으로 인해, 사용자의 자연스러운 파지와 동시에 버튼 조작을 실시할 수 있다.This is due to the configuration of the
그리고, 연결부재(320)는 파지부(310)를 케이블 구동모듈(200)의 케이블(C)에 연결시키는 매개수단이다.In addition, the connecting
연결부재(320)는 파지부(310)의 상부 및 하부에 각각 설치된다.The connecting
상기 연결부재(320)는 바(bar) 형태로 이루어짐이 바람직하며, 바의 형태는 직육면체임이 바람직하다.The connecting
상기 연결부재(320)는 설명의 편의상, 파지부(310) 상부에 설치된 연결부재(320)는 상부 연결부재(321)라 하고, 파지부(310) 하부에 설치된 연결부재(320)는 하부 연결부재(322)라 한다.The
이때, 케이블(C)은 연결부재(320)의 양단부에 연결이 되는데, 상부 연결부재(321)의 케이블 연결점과, 하부 연결부재(322)의 케이블 연결점은 서로 다른 방향이 된다.At this time, the cable C is connected to both ends of the connecting
즉, 상부 연결부재(321)와 하부 연결부재(322)는 파지부(310)를 사이에 두고 서로 교차되도록 설치되는 것이다.That is, the upper connecting
또한, 프레임(100) 상부에 설치된 윈치(210)의 케이블(C)은 하부 연결부재(322)에 연결이 되고, 프레임(100) 하부에 설치된 윈치(210)의 케이블(C)은 상부 연결부재(321)에 연결이 된다.In addition, the cable (C) of the
이에 따라, 작업 공간(S) 상에서의 엔드이펙터(300) 움직임시, 케이블(C)이 서로 엉키는 일을 최소화할 수 있다.Accordingly, when the
이하, 상기한 구성으로 이루어진 햅틱 장치의 작용에 대하여 설명하도록 한다.Hereinafter, the operation of the haptic device having the above-described configuration will be described.
마스터부인 햅틱 장치가 제공되고, 햅틱 장치의 명령에 의해 연동되는 슬레이브부인 머니퓰레이터(미도시)가 제공된다.A haptic device that is a master unit is provided, and a manipulator (not shown) which is a slave unit that is interlocked by commands of the haptic device is provided.
사용자는 머니퓰레이터를 동작시키기 위해, 프레임(100)의 작업 공간(S)으로 손을 넣어 엔드이펙터(300)를 파지한다.The user grips the
이때, 사용자는 검지를 파지부(310)의 상부 끼움홈(311)에 삽입하고, 중지를 파지부(310)의 하부 끼움홈(311)에 삽입시킨다.At this time, the user inserts the index finger into the upper
이후, 파지부(310)를 감싸 움켜쥐면, 사용자의 엄지는 버튼부(312)에 자연스럽게 위치된다.Then, when gripping the
이와 같이 파지부(310)를 움켜쥔 상태에서, 사용자는 상기 파지부(310)를 자유롭게 움직인다.In this state, the
이때, 엔드이펙터(300)는 작업 공간(S)상에서 3자유도 병진운동(전후,좌우,승강)과 3자유도 회전운동(X,Y,Z축)을 통한 6자유도 움직임이 이루어진다.At this time, the
예컨대 엔드이펙터(300)를 프레임(100)의 일측으로 춤직이면, 프레임(100)의 타측에 설치된 케이블 구동모듈(200)의 풀리(220)에 가이드된 케이블(C)의 인장력은 증가되고, 프레임(100)의 일측에 설치된 케이블 구동모듈(200)의 풀리(220)에 가이드된 케이블(C)의 인장력은 감소된다.For example, if the
이때, 장력센서(221)인 로드셀은 이를 감지하고, 각 케이블 구동모듈(200)은 케이블(C)을 감거나 풀어내는 작용을 한다.At this time, the load cell, which is the
한편, 작업 공간(S)상에서의 엔드이펙터(300) 움직임에 따른 명령은 머니퓰레이터를 연동시킨다.On the other hand, commands according to the movement of the
즉, 엔드이펙터(300)는 사용자의 손 움직임에 따라 순응하여 케이블(C) 길이를 조종하여 움직이며, 이러한 움직임은 그대로 머니퓰레이터를 움직이게 하는 것이다.That is, the
이후, 머니퓰레이터가 목적물에 접근하면, 엄지에 대응되어 있는 버튼부(312)를 눌러 머니퓰레이터로 하여금 최종동작을 실시하게 한다.Then, when the manipulator approaches the object, the
이때, 최종동작 과정에서 머니퓰레이터에 가해지는 힘이 햅틱 장치로 피드백 되는 경우, 각 케이블 구동모듈(200)은 피드백된 힘을 엔드이펙터(300)에 재현할 수 있는 케이블장력을 생성하기 위해 케이블(C)을 풀어내거나 감아내면서 사용자에게 피드백된 힘을 정밀하게 전달한다.At this time, when the force exerted on the manipulator in the final operation process is fed back to the haptic device, each
한편, 머니퓰레이터 조종을 위한 엔드이펙터 구성에 있어서, 머니퓰레이터의 정밀한 최종 동작을 위해 그리퍼(gripper) 타입으로 제공될 수 있다.Meanwhile, in the configuration of the end effector for manipulating the manipulator, a gripper type may be provided for precise final operation of the manipulator.
이를 본 발명의 다른 실시예로 제시하며, 첨부된 도 3 내지 도 5를 참조하여 설명하도록 한다.This is presented as another embodiment of the present invention, and will be described with reference to FIGS. 3 to 5.
설명하기에 앞서 바람직한 실시예와 동일한 구성에 대해서는 부호를 병기하며, 상세한 설명은 생략하도록 한다.Prior to the description, the same reference numerals are used for the same configuration as the preferred embodiment, and detailed descriptions will be omitted.
다른 실시예에 따른 엔드이펙터(300)는 도 3에 도시된 바와 같이, 프레임(100)의 작업 공간(S)에 위치되며, 복수의 관절을 갖는 그리퍼(gripper)(330)로 제공된다.The
그리퍼(330)는 사용자의 손이 삽입되는 개구공(331a)을 형성하는 손목부(331)와, 사용자의 손등을 감싸는 손등부(332)와, 사용자의 검지와 엄지를 감싸는 관절부(333)로 구성된다. 이때, 손목부(331)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 링(ring)형태로 제공된다.The
이때, 관절부(333)는 복수의 관절로 구성되며, 관절 간에는 서로 조인트(333a)로 축 결합된다. 관절부(333)는 사용자의 검지와 엄지외에도 사용자의 손가락을 감쌀 수 있게 제공된다.At this time, the
상기 조인트(333)는 복원 스프링을 포함하며, 상기 복원 스프링은 관절을 원위치시키는 탄성력을 발휘한다.The joint 333 includes a restoring spring, and the restoring spring exerts an elastic force to return the joint.
이때, 도시되지는 않았지만, 관절부(333)에는 사용자의 검지 및 엄지를 관절부(333)에 고정시키기 위한 고정부재가 설치된다.At this time, although not shown, the
상기 고정부재는 손가락을 감쌀 수 있는 고리 형태로 제공됨이 바람직하며, 벨크로 타입으로 제공될 수 있다.The fixing member is preferably provided in the form of a ring that can wrap the finger, it can be provided in a velcro type.
한편, 상기 그리퍼(330)는 케이블(C)에 직접 연결된다.On the other hand, the
케이블(C)은 8개의 케이블 동력수단(200)으로부터 8개가 제공되는데, 이중 2개의 케이블(C)은 손목부(331)의 상,하부에 교차되게 연결이 된다.Eight cables (C) are provided from eight cable power means (200), two of these cables (C) are connected to be crossed to the upper and lower parts of the wrist (331).
그리고 2개의 케이블(C)은 손등부(332)의 상부에 연결이 되고, 다른 2개의 케이블(C)은 손등부(332)의 하부에 연결이 된다.And two cables (C) is connected to the upper portion of the back of the hand (332), the other two cables (C) are connected to the lower portion of the back of the hand (332).
그리고 나머지 2개의 케이블(C)은 각각, 관절부(333)의 조인트(333a)를 통과하여 설치된다.And the remaining two cables (C) are respectively installed through the joint (333a) of the
이때, 조인트(333a)를 통과하는 케이블(C)은 관절이 움직일 때, 길이가 가변될 수 있도록 설치된다.At this time, the cable (C) passing through the joint 333a is installed so that the length can be changed when the joint moves.
이를 위해, 조인트(333a)를 통과하는 케이블(C)은 조인트(333a)의 정중앙이 아닌 정중앙으로부터 일측에 치우친 상태로 연결이 된다.To this end, the cable (C) passing through the joint (333a) is connected in a biased state to one side from the center rather than the center of the joint (333a).
이하, 상기한 구성으로 이루어진 햅틱 장치의 작용에 대하여 설명하도록 한다.Hereinafter, the operation of the haptic device having the above-described configuration will be described.
마스터부인 햅틱 장치가 제공되고, 도 5에 도시된 바와 같이 햅틱 장치의 명령에 의해 연동되는 슬레이브부인 머니퓰레이터가 제공된다.A haptic device that is a master unit is provided, and a manipulator that is a slave unit that is interlocked by commands of the haptic device is provided as shown in FIG. 5.
설명의 이해를 돕기 위하여, 머니퓰레이터는 도 5에 도시된 바와 같이 물건을 파지하기 위한 집게장치(400)를 예로 한다.To help understand the description, the manipulator uses a
사용자는 집게장치(400)를 동작시키기 위해, 그리퍼(330)의 개구공(331a)으로 손을 넣어 준비한다.To operate the
이때, 관절부(333)에 마련된 고정부재를 이용해 사용자는 검지 및 사용자의 엄지를 관절부(333)에 고정시킨다.At this time, the user uses the fixing member provided in the
이와 같이 그리퍼(330)에 사용자의 손을 고정시킨 상태에서, 사용자는 상기 그리퍼(330)를 작업공간(S) 상에 자유롭게 움직인다.In this state, the user's hand is fixed to the
이때, 그리퍼(330)는 작업 공간(S) 상에서 3자유도 병진운동(전후,좌우,승강)과 3자유도 회전운동(X,Y,Z축)을 통한 6자유도 움직임이 이루어진다.At this time, the
예컨대 그리퍼(330)를 프레임(100)의 일측으로 춤직이면, 프레임(100)의 타측에 설치된 케이블 구동모듈(200)의 풀리(220)에 가이드된 케이블(C)의 인장력은 증가되고, 프레임(100)의 일측에 설치된 케이블 구동모듈(200)의 풀리(220)에 가이드된 케이블(C)의 인장력은 감소된다.For example, if the
이때, 장력센서(221)인 로드셀은 이를 감지하고, 각 케이블 구동모듈(200)은 케이블(C)을 감거나 풀어내는 작용을 한다.At this time, the load cell, which is the
한편, 작업 공간(S)상에서의 그리퍼(330) 움직임에 따른 명령은 집게장치(400)를 연동하여 도 5에 도시된 바와 같이 물건에 근접시킨다.On the other hand, the command according to the movement of the
이후, 집게 장치(400)가 물건에 근접하면, 엄지 또는 검지를 오므려 집게장치(400)로 하여금 물건을 잡도록 하는 최종동작을 실시한다.Thereafter, when the
이때, 최종동작 과정에서 집게장치(400)에 가해지는 힘이 햅틱 장치로 피드백 되는 경우, 각 케이블 구동모듈(200)은 피드백된 힘을 엔드이펙터(300)에 재현할 수 있는 케이블장력을 생성하기 위해 케이블(C)을 풀어내거나 감아내면서 사용자에게 피드백된 힘을 정밀하게 전달한다.At this time, when the force applied to the
지금까지 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 병렬 케이블 로봇을 활용한 소형 햅틱 장치는 6자유도 움직임이 가능한 케이블 특성과, 케이블별 장력 측정 로드셀을 활용하여 조작 직관성을 높였다.As described so far, the small haptic device using the parallel cable robot according to the present invention has a 6-degree-of-freedom movement cable characteristic and an intuitive operation by using a load cell for measuring the tension of each cable.
또한, 케이블을 가이드하는 풀리 위치 조정을 통해 햅틱 장치 전체의 크기를 소형화할 수 있다.In addition, the size of the entire haptic device can be downsized by adjusting the pulley position to guide the cable.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대하여 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정은 첨부된 특허 청구범위에 속함은 당연한 것이다.In the above, the present invention has been described in detail with respect to the described embodiments, but it is apparent to those skilled in the art that various modifications and variations are possible within the technical scope of the present invention, and it is natural that such modifications and modifications belong to the appended claims.
100 : 프레임 200 : 케이블 구동모듈
210 : 윈치 220 : 풀리
221 : 장력센서(로드셀) 300 : 엔드이펙터
310 : 파지부 311 : 끼움홈
312 : 버튼부 320 : 연결부재
321 : 상부 연결부재 322 : 하부 연결부재
330 : 그리퍼 331 : 손목부
331a : 개구공 332 : 손등부
333 : 관절부 333a : 조인트
400 : 집게장치 S : 작업공간100: frame 200: cable drive module
210: winch 220: pulley
221: tension sensor (load cell) 300: end effector
310: gripping part 311: fitting groove
312: button 320: connecting member
321: upper connecting member 322: lower connecting member
330: gripper 331: wrist
331a: opening 332: back of the hand
333: joint 333a: joint
400: Forceps S: Work space
Claims (6)
상기 프레임에 설치되며, 케이블을 감거나 풀어내는 윈치와, 상기 윈치의 케이블을 작업공간으로 가이드하는 풀리를 포함하는 복수의 케이블 구동모듈;
상기 케이블 구동모듈의 케이블에 연결되며, 사용자의 조작을 통해 상기 작업공간에서 자유도를 갖고 움직이면서 머니퓰레이터를 연동시키는 엔드이펙터:를 포함하며,
상기 엔드이펙터는,
각 케이블 구동모듈의 케이블이 연결된 연결부재;
상기 연결부재에 고정되며, 사용자가 파지할 수 있도록 제공된 파지부:를 포함하며,
상기 풀리에는 엔드이펙터의 움직임에 따른 케이블 장력을 감지하는 장력센서가 설치되고,
상기 연결부재는, 상기 파지부의 상부에 고정된 상부 연결부재와, 상기 파지부의 하부에 고정된 하부 연결부재로 구성되고, 상부 연결부재의 케이블 연결점과, 하부 연결부재의 케이블 연결점은 서로 다른 방향이며,
상기 파지부에는,
사용자의 손가락이 삽입될 수 있는 끼움홈과, 머니퓰레이터 동작 제어를 위한 버튼부가 구성되되,
상기 파지부는 원주면이 상하를 향하는 원기둥으로 이루어지며, 상기 끼움홈은 파지부 측면의 상,하부에 2개 이상으로 형성되고, 상기 버튼부는 파지부의 원주면에 설치되며,
상기 상부 연결부재는 파지부의 원주면에 대하여 수직하게 설치된 직육면체의 바(bar) 형태이고, 상기 하부 연결부재는 파지부의 원주면 방향으로 설치된 직육면체의 바(bar) 형태인 것을 특징으로 하는 병렬 케이블 로봇을 활용한 소형 햅틱 장치.A frame that provides a workspace for freedom of movement;
A plurality of cable driving modules installed on the frame and including a winch for winding or unwinding the cable and a pulley for guiding the cable of the winch to a work space;
It is connected to the cable of the cable driving module, and includes an end effector that links the manipulator while moving with freedom in the working space through user manipulation.
The end effector,
A connecting member to which cables of each cable driving module are connected;
It is fixed to the connecting member, and includes a gripping part provided for a user to grip,
The pulley is equipped with a tension sensor that detects the cable tension according to the movement of the end effector,
The connecting member is composed of an upper connecting member fixed to the upper portion of the gripping portion, and a lower connecting member fixed to the lower portion of the gripping portion, and the cable connecting point of the upper connecting member and the cable connecting point of the lower connecting member are different. Direction,
In the gripping portion,
It is composed of a fitting groove into which a user's finger can be inserted, and a button portion for controlling the manipulator operation,
The gripping portion is formed of a cylinder with a circumferential surface facing up and down, the fitting groove is formed in two or more on the upper and lower sides of the gripping side, and the button portion is installed on the circumferential surface of the gripping portion,
The upper connection member is a parallel bar, characterized in that the bar (bar) of a rectangular parallelepiped installed vertically with respect to the circumferential surface of the gripping portion, the lower connecting member is a bar (bar) of the rectangular parallelepiped installed in the direction of the circumferential surface of the gripping part Small haptic device using cable robot.
상기 프레임에 설치되며, 케이블을 감거나 풀어내는 윈치와, 상기 윈치의 케이블을 작업공간으로 가이드하는 풀리를 포함하는 복수의 케이블 구동모듈;
상기 케이블 구동모듈의 케이블에 연결되며, 사용자의 조작을 통해 상기 작업공간에서 자유도를 갖고 움직이면서 머니퓰레이터를 연동시키는 엔드이펙터:를 포함하며,
상기 엔드이펙터는,
사용자의 손이 결합되며, 사용자의 손가락 관절 움직임에 연동되는 복수의 관절을 갖는 그리퍼로 이루어지며,
상기 그리퍼의 관절은 서로 축 결합된 조인트로 연결되며,
상기 케이블은 그리퍼의 조인트 회동에 의해 길이 가변이 이루어질 수 있도록 설치되되,
상기 풀리에는 엔드이펙터의 움직임에 따른 케이블 장력을 감지하는 장력센서가 설치되며,
상기 그리퍼는 사용자의 손이 삽입되는 개구공을 형성하는 링(ring)형태의 손목부와, 사용자의 손등을 감싸는 손등부와, 사용자의 손가락을 감싸는 관절부로 구성되며,
상기 케이블은 손목부와, 손등부와, 관절부에 각각 연결된 것을 특징으로 하는 병렬 케이블 로봇을 활용한 소형 햅틱 장치.
A frame that provides a workspace for freedom of movement;
A plurality of cable driving modules installed on the frame and including a winch for winding or unwinding the cable and a pulley for guiding the cable of the winch to a work space;
It is connected to the cable of the cable driving module, and includes an end effector that links the manipulator while moving with freedom in the working space through user manipulation.
The end effector,
The user's hands are combined, and the gripper has a plurality of joints linked to the user's finger joint movement.
The joints of the grippers are connected to each other by axially coupled joints,
The cable is installed so that the variable length can be made by the rotation of the joint of the gripper,
The pulley is equipped with a tension sensor that detects the cable tension according to the movement of the end effector,
The gripper is composed of a ring-shaped wrist portion forming an opening hole into which a user's hand is inserted, a hand back portion surrounding a user's back, and a joint portion surrounding a user's finger,
The cable is a small haptic device utilizing a parallel cable robot, characterized in that the wrist portion, the back of the hand, and the joint are respectively connected.
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