KR102123696B1 - 6-axis compliance device with force/torque sensing capability - Google Patents
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Abstract
본 발명은 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치에 관한 것으로, X-Y-Z의 3축으로 된 고정좌표계의 고정원점이 정의되는 고정프레임과, 상기 고정프레임의 상방으로 이격되어 상기 고정프레임의 고정좌표계를 기준으로 이동 가능하게 설치되고, x-y-z의 3축으로 된 이동좌표계의 이동원점이 정의되는 이동프레임과, 상기 고정프레임에 대하여 상기 이동프레임을 지지하도록 상기 고정프레임과 이동프레임 사이에 설치되고, 상기 고정프레임의 고정좌표계를 기준으로 상기 이동프레임의 이동원점에 외력이 작용하여 위치 이동하는 경우 탄성 변형하는 순응기구부와, 상기 순응기구부의 변형량을 감지하여 상기 고정좌표계를 기준으로 상기 이동프레임의 이동원점에 작용하는 3축 각각의 방향에 대한 3개의 힘과 3축 각각의 방향을 회전중심으로 하는 3개의 모멘트를 측정하는 감지측정부를 포함하고, 상기 순응기구부는, 상기 고정프레임과 이동프레임 사이에 각각이 120도 각도의 간격으로 대각화되어 설치된 3개의 제1 지지변형모듈, 제2 지지변형모듈 및 제3 지지변형모듈을 포함하고, 상기 제1 지지변형모듈, 제2 지지변형모듈 및 제3 지지변형모듈 각각은, 'ㄴ'자 형상의 판상으로 형성된 제1 탄성변형부재 및 제2 탄성변형부재가 서로 직렬로 연결 설치된 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a compliant device having a 6-axis force/moment measurement function, a fixed frame in which a fixed origin of a fixed coordinate system of three axes of XYZ is defined, and a fixed coordinate system of the fixed frame spaced apart above the fixed frame The movable frame is installed to be movable on the basis of, and the moving origin of the three-axis moving coordinate system is defined, and is installed between the fixed frame and the moving frame to support the moving frame with respect to the fixed frame, and the fixed The adaptive mechanism part elastically deforms when an external force acts on the moving origin of the moving frame based on the fixed coordinate system of the frame, and the amount of deformation of the adaptive mechanism part to the moving origin of the moving frame based on the fixed coordinate system. And a sensing measurement unit for measuring three forces for each direction of each of the three axes acting and three moments for each direction of the three axes as a center of rotation. It includes three first support deformation modules, a second support deformation module, and a third support deformation module diagonally installed at an interval of 120 degrees, and the first support deformation module, the second support deformation module, and the third support deformation module Each of the modules is characterized in that the first elastic deformable member and the second elastic deformable member formed in the shape of a'b' shaped plate are connected to each other in series.
Description
본 발명은 작업로봇의 중심축에 형성된 순응중심을 이용하여 작업로봇에 결합된 작업공구가 대상물을 가공 또는 조립하는 경우 일정한 압력으로 접촉하여 대상물 및 작업공구의 파손을 방지하도록 3축 방향에 작용하는 3개의 힘과 3축의 중심을 기준으로 회전하여 발생하는 3개의 모멘트를 측정하는 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치에 관한 것이다.According to the present invention, when a work tool coupled to a work robot processes or assembles an object by using an adaptation center formed on a central axis of the work robot, it acts in a 3-axis direction to prevent damage to the object and the work tool by contacting with a constant pressure It relates to an adaptive device having a 6-axis force/moment measurement function that measures 3 moments generated by rotating about 3 forces and the center of the 3 axis.
현대 산업 사회에서 다양한 분야에 산업용 로봇이 사용되고 있다. 초기 산업용 로봇의 경우 단순히 무거운 짐을 옮기는 역할만 수행했지만, 3차원 환경 인식이 가능해지면서 물류 이송 작업뿐만 아니라 주요 공정라인에 설치되어 다양한 작업들을 수행하고 있다. 점차 산업의 자동화가 진행됨에 따라 생산성 향상, 비용 절감, 다품종 소량생산 등 다양한 요구사항이 생겨나고, 이러한 요구사항들을 충족시키기 위해 주요 공정라인 뿐만 아니라 전체 공정라인에 산업용 로봇을 투입할 필요성이 생겨났다.Industrial robots are used in various fields in the modern industrial society. In the case of the initial industrial robot, it simply performed the role of carrying a heavy load, but as it became possible to recognize the 3D environment, it was installed in major process lines as well as logistics transportation, and is performing various tasks. As the automation of the industry gradually progressed, various requirements such as productivity improvement, cost reduction, and small-scale production of various types were created, and in order to meet these requirements, it was necessary to put industrial robots into the entire process line as well as the main process line. .
예컨대, 디버링, 버핑, 폴리싱, 글라인딩, 샌딩 등과 같은 가공작업은 물론, 각 부품을 조립하는 제품조립작업에 산업용 로봇을 투입시킨다면 많은 비용절감 효과를 볼 수 있다. 이러한 작업들의 공통점은 작업공구를 작업물의 표면에 일정한 접촉력을 유지하면서 작업물의 표면을 따라 이동해야 된다. 따라서, 작업로봇의 위치 제어뿐만 아니라 힘 제어도 필요해졌다. 상술한 문제점들을 해결하기 위해 강성을 알 수 있는 장치를 작업로봇의 끝단 즉, 손목부위에 결합하여 위치 및 힘을 동시에 제어하는 방법이 사용되고 있다.For example, deburring, buffing, polishing, grinding, sanding, and the like, as well as injecting industrial robots into product assembly work to assemble each part, can greatly reduce the cost. The commonality of these works is that the work tool must be moved along the surface of the work while maintaining a constant contact force to the work surface. Therefore, it is necessary not only to control the position of the working robot, but also to control the force. In order to solve the above-described problems, a method of simultaneously controlling a position and a force by using a device capable of knowing stiffness at the end of the working robot, that is, a wrist, is used.
종래 기술에 따른 힘 제어 방식은 힘 측정이 가능한 F/T 센서(Force/Torque Sensor)를 작업로봇의 손목부위에 부착하여 힘 제어가 필요한 작업에 사용되고 있다. 하지만, F/T 센서의 경우 작업을 수행하는 장치가 아닌 필요한 정보를 신호로 전달하는 장치이기 때문에 힘/모멘트를 측정하여 제어하는데 도움은 주지만, 일정한 힘으로 작업용 공구를 단단한 대상물 표면에 접촉 및 유지하기가 매우 어렵다.The force control method according to the prior art is used for a work requiring force control by attaching an F/T sensor (Force/Torque Sensor) capable of measuring force to the wrist portion of the working robot. However, since the F/T sensor is a device that transmits the necessary information as a signal, not a device that performs work, it helps to measure and control the force/moment, but with a constant force, the work tool is contacted and maintained on a hard object surface. Very difficult to do.
즉, 대상물의 표면에 일정한 압력을 유지하기 위해선 유연성(Flexible)을 가진 작업공구를 사용해야되고, F/T 센서의 내부 구조가 십자형태의 탄성 구조물로 이루어져 있어 횡민감도(Cross Sensitivity)를 최소화하는데 한계가 있다는 문제점이 있다. 따라서, 도 1에 도시된 바와 같이 힘/모멘트를 감지함과 동시에 유연성을 가진 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 장치를 개발하였다.That is, in order to maintain a constant pressure on the surface of the object, a flexible work tool should be used, and the internal structure of the F/T sensor is composed of a cross-shaped elastic structure, so it is limited in minimizing cross-sensitivity. There is a problem that there is. Accordingly, as shown in FIG. 1, a device having a force/moment measurement function having flexibility while simultaneously detecting a force/moment was developed.
먼저, 고정좌표계의 고정원점이 정의되는 고정프레임(10)과, 상기 고정프레임(10)으로부터 상방으로 이격되어 설치되고, 이동좌표계의 이동원점이 정의되는 이동프레임(20)과, 상기 고정프레임(10)과 이동프레임(20) 사이에 설치되어 상기 고정프레임(10)에 대해 상기 이동프레임(20)을 지지하고, 상기 고정좌표계를 기준으로 상기 이동프레임(10)의 이동원점에 작용하는 3축 각각의 방향에 대한 3개의 힘 및 3축 각각의 방향을 회전중심으로 하는 3개의 모멘트를 측정하는 순응기구부(30)로 이루어진다.First, a
여기서, 순응기구부(30)는 일단이 고정프레임(10)과 볼조인트 결합되고, 타단이 이동프레임(20)과 볼조인트 결합된다. 또한, 이동프레임(20)에 외력이 작용하여 이동프레임의 이동좌표계가 위치 이동하는 경우 충격을 완화하도록 완충실린더가 구비된다. 완충실린더는 내부에 스프링이 설치되어 미소변위를 형성하여 장치에 유연성을 갖게 한다.Here, one end of the
더욱이, 완충실린더의 외측면에 설치된 광학센서를 통해 이동프레임(20)에 외력이 작용해 완충실린더의 내부에 설치된 스프링이 압축되어 형성되는 미소변위를 측정하여 이동프레임(20)에 작용하는 외력의 방향과 크기를 측정하게 된다. 하지만, 광학센서의 경우 고가이기 때문에 장치의 비용이 높다는 문제점과 광학센서의 특성상 외부로부터 들어오는 이물질에 취약하여 사용할 수 있는 환경이 제한적이라는 단점이 있다.Moreover, the external force acting on the moving
상술한 문제점을 보완하기 위해 본 출원인이 출원 및 등록한 특허등록 제10-1876676호의 '6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치'에서 도 2에 도시된 바와 같이 스트레인게이지를 이용하여 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 장치를 개발하였다. 즉, 고정프레임(10)과 이동프레임(20) 및 순응기구부(30)는 동일하게 가지지만, 순응기구부(30)의 구조를 종래의 스프링-실린더 구조로부터 링크부재 및 탄성편이라는 새로운 구조로 변경하고, 탄성편에 스트레인게이지를 부착하여 변형량을 감지함으로써 고정좌표계를 기준으로 이동원점에 작용하는 3개의 힘과 3개의 모멘트를 측정하여 장치의 비용을 확연히 줄이면서도 작업물과 작업공구의 손상 및 파손을 방지할 수 있게 되었다.In order to compensate for the above-mentioned problems, in the'adaptation device having a 6-axis force/moment measurement function' of the patent registration No. 10-1876676 filed and registered by the present applicant, force/moment measurement using a strain gauge as shown in FIG. A device with functions was developed. That is, the
그러나, 상기와 같은 종래 기술인 실린더-스프링 구조 및 링크-탄성편 구조는 높은 강성을 필요로 하는 작업이나 중대형의 로봇작업에는 적합하지만, 구조적으로 소형화시키기에는 한계가 있다. 물론, 매우 작은 크기로 제작할 수도 있겠지만 보다 소형화 및 정밀화에 맞는 새롭고도 단순한 구조의 순응장치가 필요하다.However, the cylinder-spring structure and the link-elastic piece structure, which are the prior arts described above, are suitable for a work requiring high rigidity or a medium-large-sized robot operation, but are limited in structural miniaturization. Of course, it can be manufactured in a very small size, but a new and simple structure adaptive device suitable for miniaturization and precision is needed.
상기와 같은 관점에서 안출된 본 발명의 목적은, 소형화 및 정밀화에 더욱 적합하고, 제작비용을 절감시킬 수 있으면서도 외부로부터 유입되는 이물질에 영향을 받지 않아 다양한 작업환경에 적용 가능하고, 간단한 힘 제어 방식을 사용하여 3개의 힘 및 3개의 모멘트를 측정할 수 있는 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치를 제공하는 데 있다.The object of the present invention, devised in view of the above, is more suitable for miniaturization and precision, and can be applied to various working environments without being influenced by foreign substances introduced from the outside while being able to reduce manufacturing cost and simple force control method It is to provide an adaptive device having a 6-axis force/moment measurement function capable of measuring 3 forces and 3 moments using.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치는, X-Y-Z의 3축으로 된 고정좌표계의 고정원점이 정의되는 고정프레임과, 상기 고정프레임의 상방으로 이격되어 상기 고정프레임의 고정좌표계를 기준으로 이동 가능하게 설치되고, x-y-z의 3축으로 된 이동좌표계의 이동원점이 정의되는 이동프레임과, 상기 고정프레임에 대하여 상기 이동프레임을 지지하도록 상기 고정프레임과 이동프레임 사이에 설치되고, 상기 고정프레임의 고정좌표계를 기준으로 상기 이동프레임의 이동원점에 외력이 작용하여 위치 이동하는 경우 탄성 변형하는 순응기구부와, 상기 순응기구부의 변형량을 감지하여 상기 고정좌표계를 기준으로 상기 이동프레임의 이동원점에 작용하는 3축 각각의 방향에 대한 3개의 힘과 3축 각각의 방향을 회전중심으로 하는 3개의 모멘트를 측정하는 감지측정부를 포함하고, 상기 순응기구부는, 상기 고정프레임과 이동프레임 사이에 각각이 120도 각도의 간격으로 대각화되어 설치된 3개의 제1 지지변형모듈, 제2 지지변형모듈 및 제3 지지변형모듈을 포함하고, 상기 제1 지지변형모듈, 제2 지지변형모듈 및 제3 지지변형모듈 각각은, 각각이 'ㄴ'자 형상의 판상으로 형성된 제1 탄성변형부재 및 제2 탄성변형부재가 서로 직렬로 연결 설치된 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the acclimatization device having a 6-axis force/moment measurement function according to the present invention is a fixed frame in which a fixed origin of a fixed coordinate system of three axes of XYZ is defined, and spaced upward from the fixed frame The moving frame is installed to be movable based on the fixed coordinate system of the fixed frame, and the moving frame in which the moving origin of the three-axis moving coordinate system is defined, and the fixed frame and the moving frame to support the moving frame with respect to the fixed frame It is installed between, and the adaptive mechanism part elastically deforms when an external force acts on the moving origin of the moving frame based on the fixed coordinate system of the fixed frame, and the amount of deformation of the adaptive mechanism part based on the fixed coordinate system. And a sensing measurement unit for measuring three forces for each direction of the three axes acting on the moving origin of the moving frame and three moments for each direction of the three axes as a rotation center, wherein the conforming mechanism unit comprises the fixed frame And three first support deformation modules, a second support deformation module, and a third support deformation module, each of which is diagonally installed at an interval of 120 degrees between the moving frame and the first support deformation module and the second support. Each of the deformation module and the third support deformation module is characterized in that the first elastic deformation member and the second elastic deformation member, each formed in a'b'-shaped plate shape, are installed in series with each other.
또한, 상기 제1 탄성변형부재는, 세로변인 제1 고정편보다 가로변인 제1 탄성편의 길이가 긴 'ㄴ'자 형상이고, 상기 제1 탄성편이 상기 고정프레임과 평행이 되도록 상기 제1 고정편의 시작단이 상기 이동프레임에 고정 결합되고, 상기 제2 탄성변형부재는, 세로변인 제2 고정편보다 가로변인 제2 탄성편의 길이가 긴 'ㄴ'자 형상이고, 상기 제2 탄성편이 상기 제1 탄성변형부재의 제1 탄성평과 수직이 되도록 상기 제2 고정편의 시작단이 상기 고정프레임에 고정 결합되고, 상기 제1 지지변형모듈, 제2 지지변형모듈 및 제3 지지변형모듈 각각은, 상기 제1 탄성변형부재의 제1 탄성편 끝단 및 제2 탄성변형부재의 제2 탄성편 끝단을 각각 연결하는 연결조인트를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the first elastic deformation member, the length of the first elastic piece having a longer horizontal side than the first fixed piece has a'b' shape, and the first elastic piece is parallel to the fixed frame so that the first elastic piece A start end is fixedly coupled to the moving frame, and the second elastic deformation member has a'b' shape with a length of the second elastic piece having a longer transverse side than the second fixed piece having a vertical side, and the second elastic piece has the first The first end of the second fixing piece is fixedly coupled to the fixing frame so as to be perpendicular to the first elastic flat of the elastic deformation member, and each of the first support deformation module, the second support deformation module and the third support deformation module is the first It characterized in that it further comprises a connecting joint for connecting the ends of the first elastic piece of the first elastic deformation member and the second elastic piece of the second elastic deformation member, respectively.
또한, 상기 연결조인트는, 볼조인트인 것을 특징으로 한다.In addition, the connection joint is characterized in that the ball joint.
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 변형량을 감지하는 복수의 스트레인게이지와, 상기 스트레인게이지 각각의 신호를 전송받아 상기 스트레인게이지 각각의 변형량으로부터 상기 고정좌표계를 기준으로 상기 이동프레임의 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.In addition, the sensing unit is attached to each of at least one of the upper and lower surfaces of each of the first elastic piece and the second elastic piece, a plurality of sensing deformation amounts of the first elastic piece and the second elastic piece, respectively strain gage and the strain gages each signal transmission received on the F X, Y-axis direction on the X-axis direction acting on the moving origin of the mobile frame relative to the fixed coordinate system from each of the strain the strain gage F Y for , 3 forces of each of F Z in the Z-axis direction and M X with the rotational center in the X- axis direction, M Y with the rotational center in the Y- axis direction, and 3 each of M Z in the Z-axis direction as the rotational center. Characterized in that it comprises a micom for calculating the moment.
또한, 상기 고정프레임 및 이동프레임은 상호 평행하게 수평으로 설치된 것을 특징으로 한다.In addition, the fixed frame and the moving frame is characterized in that horizontally installed in parallel to each other.
또한, 상기 고정프레임은, 하부가 폐쇄된 원통 형상이고, 상기 이동프레임은, 상기 고정프레임의 내경보다 작은 직경을 가진 원판 형상으로 상기 고정프레임의 개방된 상부에 유동가능하게 설치되는 것을 특징으로 한다.In addition, the fixed frame is characterized in that the lower portion is a closed cylindrical shape, and the movable frame is installed in a circular shape having a diameter smaller than the inner diameter of the fixed frame so as to be flowable on the open upper portion of the fixed frame. .
본 발명에 따른 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치는, 고정프레임 및 이동프레임과 순응기구부를 가지되, 순응기구부의 구성을 대각화된 3개의 모듈로 구성하고, 각 모듈을 'ㄴ'자 형상으로 된 판상의 제1 탄성변형부재 및 제2 탄성변형부재를 직렬로 연결 설치하는 새로운 구조를 통해 순응기구부를 획기적으로 간소화시켜 제작비용을 절감시키면서도 정밀화 및 소형화에 보다 적합한 효과를 가진다.According to the present invention, the adaptive device having a 6-axis force/moment measurement function has a fixed frame and a moving frame and a conforming mechanism, and consists of three modules diagonally configured, and each module is'b' Through the new structure of connecting and installing the first elastic deformation member and the second elastic deformation member in a plate shape in series, the adaptation mechanism part is drastically simplified to reduce manufacturing costs while having a more suitable effect for precision and miniaturization.
또한, 제1 탄성변형부재의 제1 탄성편 및 제2 탄성변형부재의 제2 탄성편이 상호 수직의 구조를 가지므로 3축 방향의 3개의 힘과 3개의 모멘트를 제1 탄성편 및 제2 탄성편에 부착된 스트레인게이지를 통해 측정할 수 있고, 외부로부터 유입되는 이물질에도 강건하여 다양한 작업환경에서 사용 가능한 효과가 있다.In addition, since the first elastic piece of the first elastic deformation member and the second elastic piece of the second elastic deformation member have mutually perpendicular structures, three forces and three moments in the three-axis direction are applied to the first elastic piece and the second elastic It can be measured through the strain gauge attached to the piece, and it is also robust to foreign matter flowing from the outside, so it can be used in various working environments.
또한, 고정프레임과 이동프레임을 상호 평행하게 설치함으로써, 이동프레임의 이동원점에 걸리는 힘 제어 방향과 위치 제어 방향이 서로 수직이 되도록 만들어 힘제어를 간단하고도 용이하게 할 수 있는 특징이 있다.In addition, by installing the fixed frame and the moving frame in parallel with each other, the force control direction and the position control direction applied to the moving origin of the moving frame are made to be perpendicular to each other, thereby making it simple and easy to control the force.
또한, 고정프레임을 원통 형상으로 형성하고, 이동프레임을 고정프레임의 개방된 상부에 유동 가능하게 결합하여 작업로봇의 암이나 손목, 어느 부위든 용이하게 삽입하여 설치할 수 있고, 이동프레임에도 작업공구를 편리하게 설치할 수 있는 효과가 있다.In addition, the fixed frame is formed in a cylindrical shape, and the movable frame can be flexibly coupled to the open upper part of the fixed frame so that it can be easily inserted and installed in the arm, wrist, or any part of the working robot. There is an effect that can be conveniently installed.
도 1은 종래 기술에 따른 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치의 일 실시예를 도시한 사시도이고,
도 2는 종래 기술에 따른 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치의 다른 실시예를 도시한 사시도이며,
도 3은 본 발명에 따른 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치의 일 실시예를 도시한 사시도이고,
도 4는 도 3의 실시예 중 제1 순응장치모듈을 도시한 요부 사시도이며,
도 5는 도 4의 실시예와 비교하여 제1 순응장치모듈의 다른 실시예를 도시한 요부 사시도이고,
도 6은 도 3의 실시예 중 순응기구부 및 감지측정부를 도시한 구성도이며,
도 7은 본 발명에 따른 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치의 다른 실시예를 도시한 분해도이고,
도 8은 도 7의 실시예의 결합 사시도이며,
도 9는 본 발명에 따른 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치를 작업로봇에 설치하여 사용하는 상태를 도시한 측면도이다.1 is a perspective view showing an embodiment of a compliant device having a 6-axis force/moment measurement function according to the prior art,
Figure 2 is a perspective view showing another embodiment of a conforming device having a six-axis force / moment measurement function according to the prior art,
3 is a perspective view showing an embodiment of a compliance device having a six-axis force / moment measurement function according to the present invention,
4 is a main part perspective view showing a first adaptive device module of the embodiment of FIG. 3,
Figure 5 is a perspective view of a main portion showing another embodiment of the first adaptive device module compared to the embodiment of Figure 4,
6 is a configuration diagram showing the acclimatization unit and the sensing measurement unit in the embodiment of FIG. 3,
7 is an exploded view showing another embodiment of the adaptive device having a six-axis force / moment measurement function according to the present invention,
8 is a combined perspective view of the embodiment of FIG. 7,
FIG. 9 is a side view showing a state in which a compliant device having a 6-axis force/moment measurement function according to the present invention is installed and used in a working robot.
이하에서는 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of a compliant device having a six-axis force / moment measurement function according to the present invention.
본 발명에 따른 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치는, 도 3 내지 도 9에 도시된 바와 같이 고정프레임(100), 이동프레임(200), 순응기구부(300) 및 감지측정부(400)를 포함하여 이루어지고, 상기 순응기구부(300)는 제1 순응장치모듈(310), 제2 순응장치모듈(320) 및 제3 순응장치모듈(330)을 포함하며, 각각의 순응장치모듈(310)(320)(330)은 제1 탄성변형부재(340) 및 제2 탄성변형부재(350)를 포함한다.According to the present invention, a compliant device having a 6-axis force/moment measurement function, as shown in FIGS. 3 to 9, a
고정프레임(100)은 도 3 및 도 7에 도시된 바와 같이 X-Y-Z의 3축으로 된 고정좌표계의 고정원점(110)이 정의된다. 보통 고정프레임(100)은 도 9에 도시된 바와 같이 작업로봇(R)의 끝단 즉, 작업로봇(R)의 손목부위에 설치되는데 여기서, 작업로봇(R)의 손목부위에 형성되는 작업좌표계와 상기 고정좌표계(110)의 위치가 일치하도록 설치하는 것이 좋다. 이는 이동프레임(200)의 위치변화 측정을 용이하게 함과 동시에 각각의 축 별로 작용하는 힘 및 모멘트로 나누어 연산을 단순화시키기 위함이다.As shown in FIGS. 3 and 7, the
이동프레임(200)은 도 3, 7 및 8에 도시된 바와 같이 상기 고정프레임(100)의 상방으로 이격되어 상기 고정프레임(100)의 고정좌표계를 기준으로 이동 가능하게 설치되고, x-y-z의 3축으로 된 이동좌표계의 이동원점(210)이 정의된다. 이동프레임(200)의 이동좌표계는 상기 고정프레임(100)의 고정좌표계를 기준으로 표현되는 좌표계이다. 즉, 도 9에 도시된 바와 같이 이동프레임(200)에 작업공구(T)가 설치되어 가공 또는 조립작업이 이루어지기 때문에 상기 이동좌표계의 이동원점(210)의 위치변화량이 작업공구(T)와 작업물 사이에 발생하는 접촉력을 발생하게 된다.3, 7 and 8, the moving
따라서, 이동좌표계의 이동원점(210)의 위치 이동에 대한 기준을 정의를 하기 위해 고정프레임(100)의 고정좌표계가 정의되어야 하고, 이때, 고정좌표계의 위치가 작업로봇(R)의 손목부위에 형성되면 작업로봇(R)을 기준으로 이동좌표계의 이동원점(210)의 위치 이동을 확인할 수 있게 되므로 제어가 용이하게 된다.Therefore, in order to define the criteria for the movement of the moving
순응기구부(300)는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 고정프레임(100)에 대하여 상기 이동프레임(200)을 지지하도록 상기 고정프레임(100)과 이동프레임(200) 사이에 설치되고, 상기 고정프레임(100)의 고정좌표계를 기준으로 상기 이동프레임(200)의 이동원점(210)에 외력이 작용하여 위치 이동하는 경우 탄성 변형한다.
구체적으로, 순응기구부(300)는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 고정프레임(100)과 이동프레임(200) 사이에 각각이 120도 각도의 간격으로 대각화되어 설치된 3개의 제1 지지변형모듈(310), 제2 지지변형모듈(320) 및 제3 지지변형모듈(330)을 포함하고, 제1 내지 제3의 지지변형모듈(310, 320, 330) 각각은 도 4 및 5에 도시된 바와 같이 각각이 'ㄴ'자 형상의 판상으로 형성된 제1 탄성변형부재(340) 및 제2 탄성변형부재(350)가 서로 직렬로 연결 설치된다.Specifically, as shown in FIG. 3, the
즉, 순응기구부(300)는 3개의 지지변형모듈(310)(320)(330)이 고정프레임(100)에 대하여 이동프레임(200)을 병렬적으로 탄성 지지하고, 각각의 지지변형모듈(310)(320)(330)은 한 쌍의 제1 탄성변형부재(340) 및 제2 탄성변형부재(350)가 직렬로 연결된 구조를 가진다. 이때, 제1 탄성변형부재(340) 및 제2 탄성변형부재(350) 각각이 세로변 및 가로변으로 이루어진 'ㄴ'자 형상의 판상으로 형성되는 이유는, 세로변 및 가로변 중 어느 하나의 변은 고정프레임(100) 또는 이동프레임(200)에 고정시키기 위한 것이며, 나머지 하나의 변은 탄성 변형되어 변형량을 측정하기 위한 것이다. 이때, 탄성 변형하는 변은 변형량을 측정할 수 있도록 판상으로 형성되어야 한다.That is, in the
보다 구체적으로, 도 4 및 5에 도시된 바와 같이 상기 제1 탄성변형부재(340)는 세로변인 제1 고정편(341)보다 가로변인 제1 탄성편(342)의 길이가 긴 'ㄴ'자 형상이고, 상기 제1 탄성편(342)이 상기 고정프레임(100)과 평행이 되도록 상기 제1 고정편(341)의 시작단이 상기 이동프레임(200)에 고정 결합된다. 즉, 제1 고정편(341)은 제1 탄성변형부재(340)의 고정부가 되고, 제1 탄성편(342)은 제1 탄성변형부재(340)의 변형량을 측정하는 변형부가 된다.More specifically, as shown in FIGS. 4 and 5, the first
또한, 상기 제2 탄성변형부재(350)는 세로변인 제2 고정편(351)보다 가로변인 제2 탄성편(352)의 길이가 긴 'ㄴ'자 형상이고, 상기 제2 탄성편(352)이 상기 제1 탄성변형부재(340)의 제1 탄성편(342)과 수직이 되도록 상기 제2 고정편(351)의 시작단이 상기 고정프레임(100)에 고정 결합된다. 즉, 제2 고정편(351)은 제2 탄성변형부재(350)의 고정부가 되고, 제2 탄성편(352)은 제2 탄성변형부재(350)의 변형량을 측정하는 변형부가 된다.In addition, the second
이때, 상기 제1 탄성변형부재(340) 및 제2 탄성변형부재(350)은 서로 직렬로 연결되는데, 서로 간의 연결은 3축에 대하여 자유 회전할 수 있는 연결조인트(360)가 필요하다. 즉, 제1 탄성변형부재(340)와 제2 탄성변형부재(350)가 서로 직렬로 연결되기 위해서는, 제1 탄성변형부재(340)의 제1 탄성편(342)의 끝단과 제2 탄성변형부재(350)의 제2 탄성편(352)의 끝단 사이에 상기 연결조인트(360)가 필요하다.At this time, the first
상기와 같은 조건의 연결조인트(360)는 도 4에 도시된 바와 같이 제1 탄성편(342)의 끝단과 제2 탄성편(352)의 끝단이 미소하게 금속결합되어 유니버셜 또는 볼조인트와 같은 효과를 가지도록 결합될 수 있다. 또한, 상기 연결조인트(360)는 도 5에 간략하게 도시된 바와 같이 볼조인트일 수 있고, 볼과 소켓을 구체적으로 도시하지는 않았으나 상호 간에 볼-소켓을 설치하여 볼조인트로 구성할 수도 있다. 또한, 상기 연결조인트(360)는 도면에는 도시하지 않았으나 유니버셜 조인트나 힌지 조인트 등을 통해 구속 조건에 따라 설치될 수도 있다.As shown in FIG. 4, the connection joint 360 having the above-described condition has an effect similar to that of a universal or ball joint, as the ends of the first
상술한 고정프레임(100), 이동프레임(200) 및 순응기구부(300)를 통해 고정프레임(100)에 대한 이동프레임(200)의 이동변화로부터 순응기구부(300)의 각 지지변형모듈(310)(320)(330)을 구성하는 각각의 제1 탄성변형부재(340)의 제1 탄성편(342) 및 제2 탄성변형부재(350)의 제2 탄성편(352)의 변형량을 통해 3축 각각의 방향에 대한 3개의 힘과 3개의 모멘트를 측정할 수 있고, 이는 감지측정부(400)를 통해 이루어진다.Each
감지측정부(400)는 도 4 및 5에 도시된 바와 같이 상기 이동프레임(200)의 이동원점(211)에 외력이 작용하여 상기 고정프레임(100)의 고정원점(111)을 기준으로 상기 이동프레임(200)의 이동원점(211)이 위치 이동하는 경우 상기 순응기구부(300)로부터 탄성 변형량을 감지하여 상기 고정좌표계(110)를 기준으로 상기 이동프레임(200)의 이동원점(211)에 작용하는 3축 각각의 방향에 대한 3개의 힘과 X축 및 Y축 각각의 방향을 회전중심으로 하는 2개의 모멘트를 측정한다.As shown in FIGS. 4 and 5, the sensing and measuring
이때, 감지측정부(400)는 도 6에 도시된 바와 같이 상기 순응기구부(300)의 변형량을 감지하여 상기 고정좌표계를 기준으로 상기 이동프레임(200)의 이동원점(210)에 작용하는 3축 각각의 방향에 대한 3개의 힘과 3축 각각의 방향을 회전중심으로 하는 3개의 모멘트를 측정한다. 이를 위하여, 상기 감지측정부(400)는 복수의 스트레인게이지(410) 및 마이콤(420)을 포함한다.At this time, the
즉, 스트레인게이지(410)는 상기 제1 탄성편(342) 및 제2 탄성편(352) 각각의 상면 및 하면 중 적어도 어느 하나의 일면에 각각 부착되어 상기 제1 탄성편(342) 및 제2 탄성편(352) 각각의 변형량을 감지하고, 마이콤(420)은 상기 스트레인게이지(410) 각각의 신호를 전송받아 상기 스트레인게이지(410) 각각의 변형량으로부터 상기 고정좌표계를 기준으로 상기 이동프레임(200)의 이동원점(210)에 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 계산한다.That is, the
여기서 스트레인게이지(410)를 사용하는 이유는 탄성 변형량을 측정하는 센서 중 높은 민감도를 가지고, 비용이 낮기 때문이다. 따라서, 스트레인게이지(410)를 사용하게 되면 장치의 제작비용을 절감시킬 수 있다. 스트레인게이지(410)는 휘스톤 브릿지 회로를 구성하고 있으며, 마이콤(420)과 배선을 통해 연결되어 신호를 보낸다. 휘스톤 브릿지 회로는 연결방식에 따라서 탄성 변형량을 구하는 수학식이 달라지며, 본 발명의 스트레인게이지(410)는 굽힘 타입의 풀 브릿지 회로로 구성할 수 있다.The reason for using the
또한, 상기 마이콤(420)은 스트레인게이지(410)로부터 실시간으로 전송되는 탄성 변형량에 대한 데이터를 저장하기 위한 메모리부(미도시)가 마이콤(420)에 구비될 수 있고, 스트레인게이지(410)의 신호를 증폭하여 증폭된 신호를 처리해 각각의 힘과 모멘트 값으로 사용자에게 변환해 준다.In addition, the
한편, 도 3, 7 및 8에 도시된 바와 같이 상기 고정프레임(100) 및 이동프레임(200)은 상호 평행하게 수평으로 설치된다. 이러한 고정프레임(100)과 이동프레임(200)을 상호 평행하게 설치함으로써, 이동프레임(200)의 이동원점(210)에 걸리는 힘 제어 방향과 위치제어 방향이 서로 수직이 되도록 만들어 수식이 간단해지고, 힘 제어를 더욱 용이하게 할 수 있는 특징이 있다.On the other hand, as shown in Figures 3, 7, and 8, the fixed
또 한편, 도 7 및 8에 도시된 바와 같이 상기 고정프레임(100)은 하부가 폐쇄된 원통 형상으로 제작하고, 상기 이동프레임(200)은 상기 고정프레임(200)의 내경보다 작은 직경을 가진 원판 형상으로 상기 고정프레임(100)의 개방된 상부에 유동가능하게 설치할 수 있다. 이러한 구조는 본 발명의 순응기구부(300)의 간단하면서도 소형화시킬 수 있는 구조로부터 비롯된 것으로서, 전체적인 형상을 납작한 원반 형상으로 제작하여 작업로봇(R)의 어느 부위라도 용이하게 삽입 설치할 수 있는 장점이 된다.On the other hand, as shown in Figures 7 and 8, the fixed
즉, 도 9에 도시된 바와 같이 작업로봇(R)의 끝단인 작업공구(T)의 후방에 본 발명의 순응장치를 설치할 수도 있고, 보다 소형화시켜 작업공구(T)의 관절부위나 휴머노이드 로봇 등의 다리나 팔 등의 관절부위는 물론, 미세부위에도 설치할 수 있는 효과가 있다.That is, as shown in FIG. 9, the adaptive device of the present invention may be installed at the rear of the working tool T, which is the end of the working robot R, and the size of the work tool T may be further reduced, such as a joint part or a humanoid robot. There is an effect that can be installed on the joints, such as the legs and arms, as well as the micro-parts.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치는, 고정프레임(100) 및 이동프레임(200)과 순응기구부(300)를 가지되, 순응기구부(300)의 구성을 대각화된 3개의 모듈(310)(320)(330)로 구성하고, 각 모듈을 'ㄴ'자 형상으로 된 판상의 제1 탄성변형부재(340) 및 제2 탄성변형부재(350)를 직렬로 연결 설치하는 새로운 구조를 통해 순응기구부(300)를 획기적으로 간소화시켜 제작비용을 절감시키면서도 정밀화 및 소형화에 보다 적합한 효과를 가진다.As described above, the acclimatization device having a six-axis force/moment measurement function according to the present invention has a fixed
또한, 제1 탄성변형부재(340)의 제1 탄성편(342) 및 제2 탄성변형부재(350)의 제2 탄성편(352)이 상호 수직의 구조를 가지므로 3축 방향의 3개의 힘과 3개의 모멘트를 제1 탄성편(342) 및 제2 탄성편(352)에 부착된 스트레인게이지(410)를 통해 측정할 수 있고, 외부로부터 유입되는 이물질에도 강건하여 다양한 작업환경에서 사용 가능한 효과가 있다.In addition, since the first
또한, 고정프레임(100)과 이동프레임(200)을 상호 평행하게 설치함으로써, 이동프레임(200)의 이동원점(210)에 걸리는 힘 제어 방향과 위치제어 방향이 서로 수직이 되도록 만들어 힘 제어를 간단하고도 용이하게 할 수 있는 특징이 있다.In addition, by installing the fixed
또한, 고정프레임(100)을 원통 형상으로 형성하고, 이동프레임(200)을 고정프레임(100)의 개방된 상부에 유동 가능하게 결합하여 작업로봇(R)의 암이나 손목, 어느 부위든 용이하게 삽입하여 설치할 수 있고, 이동프레임(200)에도 작업공구(T)를 편리하게 설치할 수 있는 효과가 있다.In addition, the fixed
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 illustrated in the drawings should not be construed as limiting the technical spirit of the present invention. The scope of protection of the present invention is limited only by the items described in the claims, and a person having ordinary knowledge in the technical field of the present invention can improve and modify the technical spirit of the present invention in various forms. Therefore, such improvements and modifications will fall within the protection scope of the present invention as long as it is apparent to those skilled in the art.
T : 작업공구
R : 작업로봇
100 : 고정프레임 110 : 고정원점
200 : 이동프레임 210 : 이동원점
300 : 순응기구부 310 : 제1 순응장치모듈
320 : 제2 순응장치모듈 330 : 제3 순응장치모듈
340 : 제1 탄성변형부재
341 : 제1 고정편 342 : 제1 탄성편
350 : 제2 탄성변형부재
351 : 제2 고정편 352 : 제2 탄성편
360 : 연결조인트
400 : 감지측정부
410 : 스트레인게이지 420 : 마이콤T: Work tool
R: Working robot
100: fixed frame 110: fixed origin
200: moving frame 210: moving origin
300: acclimatization unit 310: first adaptation device module
320: second adaptive device module 330: third adaptive device module
340: first elastic deformation member
341: first fixed piece 342: first elastic piece
350: second elastic deformation member
351: second fixed piece 352: second elastic piece
360: Connection joint
400: detection measurement unit
410: strain gauge 420: mycom
Claims (6)
상기 순응기구부는,
상기 고정프레임과 이동프레임 사이에 각각이 120도 각도의 간격으로 대각화되어 설치된 3개의 제1 지지변형모듈, 제2 지지변형모듈 및 제3 지지변형모듈을 포함하고,
상기 제1 지지변형모듈, 제2 지지변형모듈 및 제3 지지변형모듈 각각은,
각각이 'ㄴ'자 형상의 판상으로 형성된 제1 탄성변형부재 및 제2 탄성변형부재가 서로 직렬로 연결 설치된 것을 특징으로 하는 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치.
A fixed frame in which a fixed origin of a three-axis fixed coordinate system of XYZ is defined, and a movable frame spaced apart from the fixed frame and installed to be movable based on the fixed coordinate system of the fixed frame, It is installed between the moving frame in which the moving origin is defined and the fixed frame and the moving frame to support the moving frame with respect to the fixed frame, and an external force acts on the moving origin of the moving frame based on the fixed coordinate system of the fixed frame. Three force and three directions for each of the three axes acting on the moving origin of the moving frame based on the fixed coordinate system by detecting the amount of deformation of the adaptive mechanism part elastically deforming when the position moves, and the adaptive mechanism part It includes a sensing unit for measuring the three moments with the rotation center,
The compliance mechanism unit,
Between the fixed frame and the moving frame, each of three first support deformation module, the second support deformation module and the third support deformation module installed diagonally at an interval of 120 degrees,
Each of the first support deformation module, the second support deformation module, and the third support deformation module,
Adaptation device having a 6-axis force/moment measurement function, characterized in that the first elastic deformation member and the second elastic deformation member each formed in a'b' shaped plate shape are connected in series with each other.
상기 제1 탄성변형부재는,
세로변인 제1 고정편보다 가로변인 제1 탄성편의 길이가 긴 'ㄴ'자 형상이고, 상기 제1 탄성편이 상기 고정프레임과 평행이 되도록 상기 제1 고정편의 시작단이 상기 이동프레임에 고정 결합되고,
상기 제2 탄성변형부재는,
세로변인 제2 고정편보다 가로변인 제2 탄성편의 길이가 긴 'ㄴ'자 형상이고, 상기 제2 탄성편이 상기 제1 탄성변형부재의 제1 탄성평과 수직이 되도록 상기 제2 고정편의 시작단이 상기 고정프레임에 고정 결합되고,
상기 제1 지지변형모듈, 제2 지지변형모듈 및 제3 지지변형모듈 각각은,
상기 제1 탄성변형부재의 제1 탄성편 끝단 및 제2 탄성변형부재의 제2 탄성편 끝단을 각각 연결하는 연결조인트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치.
According to claim 1,
The first elastic deformation member,
The length of the first elastic piece having a longer horizontal side than the first fixed piece is a'b' shape, and the start end of the first fixed piece is fixedly coupled to the moving frame so that the first elastic piece is parallel to the fixed frame, ,
The second elastic deformation member,
The length of the second elastic piece having a longer horizontal side than the second fixed piece has a'b' shape, and the starting end of the second fixed piece is such that the second elastic piece is perpendicular to the first elastic flat of the first elastic deformation member. Is fixedly coupled to the fixed frame,
Each of the first support deformation module, the second support deformation module, and the third support deformation module,
Adaptation device having a six-axis force / moment measurement function, characterized in that it further comprises a connecting joint for connecting the first elastic piece end of the first elastic deformation member and the second elastic piece end of the second elastic deformation member, respectively.
상기 연결조인트는,
볼조인트인 것을 특징으로 하는 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치.
According to claim 2,
The connection joint,
Adaptation device with 6-axis force/moment measurement, characterized in that it is a ball joint.
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 변형량을 감지하는 복수의 스트레인게이지와,
상기 스트레인게이지 각각의 신호를 전송받아 상기 스트레인게이지 각각의 변형량으로부터 상기 고정좌표계를 기준으로 상기 이동프레임의 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.
According to claim 3,
The detection measurement unit,
A plurality of strain gauges respectively attached to at least one of the upper and lower surfaces of the first elastic piece and the second elastic piece to detect deformation amounts of the first elastic piece and the second elastic piece,
F X for the X-axis direction, F Y for the Y-axis direction, and the Z-axis direction for the X-axis direction acting on the moving origin of the moving frame based on the fixed coordinate system from the strain amount of each of the strain gauges. Calculate the three forces of F Z for each and the three moments of M X with rotational center in the X- axis direction, M Y with rotational center in the Y- axis, and M Z with rotational center in the Z-axis direction. Adaptation device with a 6-axis force / moment measurement function, characterized in that it comprises a microcomputer.
상기 고정프레임 및 이동프레임은 상호 평행하게 수평으로 설치된 것을 특징으로 하는 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치.
According to claim 2,
The fixed frame and the moving frame is a compliant device having a six-axis force / moment measurement function, characterized in that installed horizontally in parallel with each other.
상기 고정프레임은,
하부가 폐쇄된 원통 형상이고,
상기 이동프레임은,
상기 고정프레임의 내경보다 작은 직경을 가진 원판 형상으로 상기 고정프레임의 개방된 상부에 유동가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 6축 힘/모멘트 측정 기능을 갖는 순응장치.The method of claim 5,
The fixed frame,
The lower part is a closed cylindrical shape,
The moving frame,
Adaptation device having a six-axis force / moment measurement function, characterized in that it is installed in a circular shape having a diameter smaller than the inner diameter of the fixed frame to be fluidly installed on the open upper portion of the fixed frame.
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KR1020180148164A KR102123696B1 (en) | 2018-11-27 | 2018-11-27 | 6-axis compliance device with force/torque sensing capability |
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KR1020180148164A KR102123696B1 (en) | 2018-11-27 | 2018-11-27 | 6-axis compliance device with force/torque sensing capability |
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2018
- 2018-11-27 KR KR1020180148164A patent/KR102123696B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101876676B1 (en) | 2017-04-25 | 2018-07-09 | 경남대학교 산학협력단 | 6-axis compliance device with force/torque sensing capability |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR102515169B1 (en) * | 2023-02-28 | 2023-03-29 | 경남대학교 산학협력단 | 6-axis compliance device using singularity |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
KR20200062588A (en) | 2020-06-04 |
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Legal Events
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