KR102168774B1

KR102168774B1 - 로봇의 마스터 장치 및 이를 구비하는 로봇 제어 시스템

Info

Publication number: KR102168774B1
Application number: KR1020190008275A
Authority: KR
Inventors: 박종원; 최영수
Original assignee: 한국원자력연구원
Priority date: 2019-01-22
Filing date: 2019-01-22
Publication date: 2020-10-22
Also published as: KR20200091238A

Abstract

본 발명은, 상체에 착용되며, 복수의 조인트를 구비하여 착용된 상태에서 착용자 팔의 자유로운 움직임이 가능하도록 구성되는 골격부; 상기 조인트에 배치되고, 상기 착용자의 어깨 관절 및 팔꿈치 관절의 움직임에 따라 상기 조인트에서 발생하는 회전 각도의 변화를 측정하도록 이루어지는 센서부; 및 상기 센서부로부터 수신되는 센싱값을 이용하여 상기 착용자의 팔의 자세를 측정하고 상기 팔의 자세에 대응하는 제어신호를 슬레이브 로봇으로 전달하도록 이루어지는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 장치를 개시한다.

Description

로봇의 마스터 장치 및 이를 구비하는 로봇 제어 시스템{MASTER DEVICE FOR ROBOT AND ROBOT CONTROL SYSTEM HAVING THE SAME}

본 발명은 슬레이브 로봇의 동작을 제어하기 위한 로봇의 마스터 장치에 관한 것이다.

사람의 접근이 불가능한 위험한 작업환경에서도 사람을 대신하여 임무를 수행할 수 있는 로봇의 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 특히 휴머노이드(humanoid) 즉, 인간의 형태를 모습으로 하는 인간형 로봇의 팔의 경우 포크레인과 같은 중장비와 달리 사람의 팔의 구조와 동일하여 사람이 하는 작업을 쉽게 모사할 수 있어 가능한 작업의 종류가 다양하며 활용도가 높다.

하지만, 휴머노이드 로봇의 팔은 자유도가 높고 각각의 조인트 구성이 복잡하여 종래의 일반적인 조이스틱이나 키보드, 레버 등을 적용하여 제어하는 것이 불가능하지는 않지만, 로봇 팔의 3차원 움직임을 직관적으로 표현하는 데에는 어려움이 따르며 공간에서의 위치 파악이 쉽지 않아 조작 실수나 오작동이 발생하기 쉽다. 또한, 휴머노이드 로봇을 이용한 일반적인 작업의 수행을 위하여 비교적 오랜 훈련 시간을 필요로 하는 등의 한계점을 가지고 있다.

이에 따라, 휴머노이드 로봇의 팔을 직관적으로 제어하기 위한 외골격 마스터 장치의 개발이 이루어지고 있으나, 종래의 착용형 로봇 마스터 장치의 경우 부피가 크고 무거우며 로봇과 유선으로 연결된 형태로 이루어져 있어, 작업 시 사용자의 자유로운 활동에 많은 제약이 발생하는 한편, 로봇의 제어가 효과적으로 이루어지지 못하는 현상들이 발생한다.

따라서, 휴머노이드 로봇을 이용한 작업 시 사용자의 움직임을 제약하는 요소를 크게 줄이면서 휴머노이드 로봇의 팔을 직관적으로 제어할 수 있는 마스터 장치의 개발이 고려될 수 있다.

본 발명의 일 목적은, 사용자에게 착용 가능한 형태로 이루어져 있으며, 마스터 장치의 착용 및 조작이 용이하도록 간결한 구조를 가지면서도 정밀한 휴머노이드 로봇의 제어를 수행할 수 있는 로봇의 마스터 장치를 제공하는 데에 있다.

이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 로봇의 마스터 장치는, 상체에 착용되며, 복수의 조인트를 구비하여 착용된 상태에서 착용자 팔의 자유로운 움직임이 가능하도록 구성되는 골격부; 상기 조인트에 배치되고, 상기 착용자의 어깨 관절 및 팔꿈치 관절의 움직임에 따라 상기 조인트에서 발생하는 회전 각도의 변화를 측정하도록 이루어지는 센서부; 및 상기 센서부로부터 수신되는 센싱값을 이용하여 상기 착용자의 팔의 자세를 측정하고 상기 팔의 자세에 대응하는 제어신호를 슬레이브 로봇으로 전달하도록 이루어지는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 장치를 개시한다.

상기 조인트는, 상기 팔꿈치 관절의 움직임의 1자유도에 대응하는 제1 조인트; 및 상기 어깨 관절의 움직임의 3자유도에 대응하는 제2 조인트를 포함하고, 상기 제2 조인트는, 각각 상기 어깨 관절의 롤(roll)축 회전, 피치(pitch)축 회전, 요(yaw)축 회전에 따라 움직임이 발생하도록 이루어지는 롤축 조인트, 피치축 조인트, 요축 조인트를 구비하고, 상기 요축 조인트는, 상기 제1 조인트와 결합된 상태에서 상기 어깨 관절의 요축 회전이 발생하는 경우 움직임이 일어나도록 이루어질 수 있다.

상기 제1 조인트는, 상기 착용자의 상박 부위의 적어도 일부를 감싸도록 형성되는 제1 엘보프레임; 및 상기 제1 엘보프레임과 회전 가능하게 결합되며, 상기 착용자의 하박 부위의 적어도 일부를 감싸도록 형성되는 제2 엘보프레임을 구비하고, 상기 제2 조인트는, 각각 순차적으로 상호 회전 가능하게 결합되는 제1 연결프레임, 제2 연결프레임, 제3 연결프레임, 제4 연결프레임을 구비하며, 상기 롤축 조인트는 상기 제1 및 제2 연결프레임의 결합으로 형성되고, 상기 피치축 조인트는 상기 제2 및 제3 연결프레임의 결합으로 형성되며, 상기 요축 조인트는 상기 제3 및 제4 연결프레임의 결합으로 형성될 수 있다.

상기 센서부는, 상기 제1 및 제2 엘보프레임의 상호 연결 부분에 배치되는 엘보센서; 및 상기 제1 내지 제4 연결프레임의 상호 연결 부분에 각각 배치되는 롤축센서, 피치축센서, 요축센서를 구비하고, 상기 제4 연결프레임의 하단과 상기 제1 엘보프레임의 상단은 상호 회전 가능하게 결합되며, 상기 어깨 관절에서 요축 회전이 발생하는 경우, 상기 착용자의 상박이 요축 회전됨에 따라 상기 제4 연결프레임의 상단을 중심으로 상기 제4 연결프레임의 하단이 회전을 일으키면서 상기 요축센서에서 상기 어깨 관절의 요축 회전에 대한 회전 각도의 변화값을 측정하도록 이루어질 수 있다.

상기 제1 연결프레임은 상기 착용자의 정중선(midline)에서 어깨 관절 부분까지 연장 형성되고, 상기 제3 연결프레임은 상기 착용자의 팔꿈치 관절 부분에서 상박을 따라 어깨 관절 부분까지 연장 형성되며, 상기 제2 연결프레임은 상기 착용자의 어깨 관절 부분까지 연장된 상기 제1 및 제3 연결프레임의 일단과 회전 가능하게 결합되도록 형성되고, 상기 어깨 관절에서 롤축 및 피치축 회전이 발생하는 경우, 상기 착용자의 상박이 롤축 및 피치축 회전됨에 따라 상기 제1 내지 제3 연결프레임의 연결 부분이 회전을 일으키면서 상기 롤축센서 및 피치축센서에서 각각 상기 어깨 관절의 롤축 및 피치축 회전에 대한 회전 각도의 변화값을 측정하도록 이루어질 수 있다.

상기 센서부는, 상기 착용자가 상기 골격부를 착용한 후 상기 복수의 조인트 상에서 외부로 드러나도록 배치될 수 있다.

상기 제1 및 제2 엘보프레임과 상기 제1 내지 제4 연결프레임은, 상기 착용자의 신체 치수가 달라짐에 따라 각각 길이가 조절 가능하도록 이루어질 수 있다.

상기 제2 조인트는, 상기 착용자의 상박 부위의 둘레를 감싸 고정시키도록 이루어지는 상박고정부를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 조인트는, 상기 착용자의 하박 부위의 둘레를 감싸 고정시키도록 이루어지는 하박고정부를 더 포함할 수 있다.

상기 착용자의 시야 상에 배치되도록 구성되며, 상기 슬레이브 로봇에서 획득되는 영상정보를 수신받아 상기 착용자에게 제공하도록 이루어지는 디스플레이부를 더 포함할 수 있다.

상기 착용자의 손 부위에 장착되며, 상기 착용자의 손가락 동작을 인식하도록 구성되는 손동작감지부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 손동작감지부로부터 수신되는 상기 손가락 동작에 관한 신호를 처리하여 상기 슬레이브 로봇으로 전달하도록 이루어질 수 있다.

한편, 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명은 로봇의 마스터 장치를 구비하는 로봇 제어 시스템을 제안한다. 상기 로봇 제어 시스템은, 작업환경에서 원격으로 제어되도록 이루어지는 슬레이브 로봇; 및 상기 슬레이브 로봇이 위치하는 공간과 다른 공간에서 상기 슬레이브 로봇을 제어하도록 이루어지는 로봇의 마스터 장치를 포함하고, 상기 로봇의 마스터 장치는, 상체에 착용되며, 복수의 조인트를 구비하여 착용된 상태에서 착용자 팔의 자유로운 움직임이 가능하도록 구성되는 골격부; 상기 조인트에 배치되고, 상기 착용자의 어깨 관절 및 팔꿈치 관절의 움직임에 따라 상기 조인트에서 발생하는 회전 각도의 변화를 측정하도록 이루어지는 센서부; 및 상기 센서부로부터 수신되는 센싱값을 이용하여 상기 착용자의 팔의 자세를 측정하고 상기 팔의 자세에 대응하는 제어신호를 상기 슬레이브 로봇으로 전달하도록 이루어지는 제어부를 포함한다.

본 발명에 의하면, 마스터 장치의 간결한 구조적 특징으로 큰 부피와 무게로 인한 착용자의 불편함을 크게 줄일 수 있는 한편, 마스터 장치의 착용자의 보다 자유로운 움직임을 가능하게 하여 직관적이며 정교한 로봇 제어가 이루어질 수 있다. 또한, 로봇과 마스터 장치가 무선으로 통신 가능하여 로봇의 제어를 위한 공간적인 제약을 거의 받지 않을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 마스터 장치를 착용한 착용자와 마스터 장치에 의해 제어되는 슬레이브 로봇을 개념적으로 나타낸 도면.
도 2a, 도 2b, 도 2c는 각각, 도 1에 도시된 로봇의 마스터 장치를 착용한 착용자의 정면도, 측면도, 후면도.
도 3a 및 도 3b는 도 1에 도시된 착용자의 어깨 관절과 팔꿈치 관절의 3축 및 1축 회전을 설명하기 위한 개념도들.
도 4a는 도 1에 도시된 로봇의 마스터 장치를 나타낸 사시도.
도 4b, 도 4c는 각각, 도 4a에 도시된 로봇의 마스터 장치의 정면도 및 후면도.
도 5는 도 4a 내지 도 4c에 도시된 요축 조인트에서 발생되는 회전 동작을 설명하기 위한 개념도.

이하, 본 발명에 관련된 로봇의 마스터 장치 및 이를 구비하는 로봇 제어 시스템에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일, 유사한 구성에 대해서는 동일, 유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇의 마스터 장치(100)를 착용한 착용자(10)와 마스터 장치(100)에 의해 제어되는 슬레이브 로봇(20)을 개념적으로 나타낸 도면이고, 도 2a, 도 2b, 도 2c는 각각, 도 1에 도시된 로봇의 마스터 장치(100)를 착용한 착용자(10)의 정면도, 측면도, 후면도이며, 도 3a 및 도 3b는 도 1에 도시된 착용자(10)의 어깨 관절(S)과 팔꿈치 관절(E)의 3축 및 1축 회전을 설명하기 위한 개념도들이다.

도 1 내지 도 3b를 참조하면, 로봇의 마스터 장치(100, 이하 '마스터 장치'라 한다)는 골격부(110), 센서부(120) 및 제어부(130)를 포함한다.

골격부(110)는 마스터 장치(100)를 착용하는 착용자(10)의 신체에서 상체 부위에 착용되도록 이루어질 수 있다. 또한, 골격부(110)는 복수의 조인트를 구비하여 착용자(10)가 마스터 장치(100)를 착용한 상태에서 착용자(10) 팔(A)의 자유로운 움직임이 가능하도록 구성될 수 있다. 참고로 상기 상체는 착용자(10)의 신체의 윗부분을 의미하며, 상기 팔은 착용자(10)의 어깨와 손목 사이의 부분을 의미한다. 또한, 골격부(110)의 재질은 플라스틱 또는 경량의 금속재질로 형성될 수 있다.

상기 착용자(10)의 팔(A) 동작이 자유롭게 이루어질 수 있도록, 상기 복수의 조인트는 제1 조인트(111)와 제2 조인트(112)를 포함할 수 있다.

제1 조인트(111)는 도 2a 내지 도 3b에 도시된 바와 같이, 마스터 장치(100)가 착용자(10)에게 착용된 상태에서 팔꿈치 관절(E)의 움직임의 1축 1자유도 움직임에 대응되도록 이루어질 수 있다.

제2 조인트(112)는 상기 착용자(10)의 어깨 관절(S)의 움직임의 3축 3자유도 움직임에 대응되도록 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 제2 조인트(112)는 롤축 조인트(112a), 피치축 조인트(112b), 요축 조인트(112c)를 구비할 수 있다. 참고로 상기 어깨 관절(S)에서 착용자(10)의 목의 아래 끝에서 상기 팔(A)의 위 끝에 이르는 부분에 위치하는 관절을 의미한다.

롤축 조인트(112a)는 상기 착용자(10)의 어깨 관절(S)의 롤(roll)축 회전에 따라 움직임이 발생하도록 이루어지고, 피치축 조인트(112b)는 착용자(10)의 피치(pitch)축 회전에 따라 움직임이 발생하도록 이루어지며, 요축 조인트(112c)는 착용자의 요(yaw)축 회전에 따라 움직임이 발생하도록 이루어진다.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 상기 롤축, 피치축, 요축 회전은 3축으로 이루어지는 좌표계에서 각각의 축을 중심으로 회전하는 3자유도를 가지는 동작을 의미한다.

먼저, 상기 롤축 조인트(112a)는 도 2a에 도시된 바와 같이 착용자(10)의 팔(A)에 롤축 회전이 발생하는 경우 이에 대응하여 회전하는 움직임이 발생하도록 이루어진다.

다음으로, 상기 피치축 조인트(112b)는 도 2b에 도시된 바와 같이 착용자(10)의 팔(A)에 피치축 회전이 발생하게 되면 이에 대응하여 회전하는 움직임이 발생하도록 이루어진다.

마지막으로, 도 2c에 도시된 바와 같이 착용자(10)의 팔(A)에 요축 회전이 발생할 경우, 상기 요축 조인트(112c)는 상기 제1 조인트(111)와 결합된 상태에서 회전하는 움직임이 발생하도록 이루어진다. 이와 같이 착용자(10)의 어깨 관절(S)에서 3축을 기준으로 움직임이 발생되면 상기 롤축 조인트(112a), 피치축 조인트(112b), 요축 조인트(112c)에서 회전하는 움직임이 발생하게 되고, 이에 따라 후술하는 센서부(120)를 통하여 상기 조인트에서 발생하는 회전 각도의 변화량의 측정이 가능하도록 구성된다.

여기서, 상기 제1 조인트(111)와 상기 제2 조인트(112)에 대한 보다 상세한 설명은 이하 도 4a 내지 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.

센서부(120)는 상기 조인트에 배치되며, 상기 착용자(10)가 마스터 장치(100)를 착용한 상태에서, 상기 착용자(10)의 어깨 관절(S) 및 팔꿈치 관절(E)의 움직임에 따라 상기 조인트에서 발생하는 회전 각도의 변화량을 측정하도록 이루어진다. 또한, 상기 센서부(120)는, 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이 착용자(10)가 골격부(110)를 착용한 후 상기 복수의 조인트 상에서 외부로 드러나도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 센서부(120)에서 고장 또는 오작동이 발생하는 경우 골격부(110)로부터 분리가 용이해지므로, 센서부(120)수리 또는 교체의 편의성을 높일 수 있다.

제어부(130)는 상기 센서부(120)에서 측정되는 센싱값 즉, 상기 조인트에서 발생하는 회전 각도의 변화량을 수신받고 수신받은 데이터를 이용하여 상기 착용자(10)의 팔(A)의 자세를 측정하고 팔(A)의 자세에 대응하는 제어신호를 슬레이브 로봇(20)으로 전달하도록 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제어부(130)는 골격부(110)에 구비되어 상기 착용자(10)의 상체의 전면과 후면을 각각 감싸도록 형성되는 전면보호부(119a)와 후면보호부(119b) 중 후면보호부(119b)에 장착된 형태로 구성될 수 있다. 또한, 제어부(130)와 슬레이브 로봇(20) 간의 통신은 무선으로 이루어질 수 있다.

제어부(130)는 각종 데이터 처리를 위한 마이크로프로세서와 처리되는 데이터의 송수신을 위한 통신장치와 이와 같은 장치들의 구동을 위한 배터리를 포함하도록 구성될 수 있다.

또한, 상기 마이크로프로세서에서 처리되는 제어 프로그램은 센서 데이터 송수신 프로그램, 자세 측정 프로그램, 로봇 제어 프로그램을 포함할 수 있다.

상기 센서 데이터 송수신 프로그램은, 상기 센서부(120)에서 측정되는 회전 각도의 변화량의 데이터를 입력받아 처리하도록 이루어질 수 있다.

상기 자세 측정 프로그램은, 상기 센서부(120)로부터 입력된 센서값을 기반으로 마스터 장치(100)의 포지션, 회전 속도, 가속도를 연산하여 처리하도록 이루어질 수 있다.

상기 로봇 제어 프로그램은, 상기 자세 측정 프로그램을 통하여 처리된 마스터 장치(100)의 자세를 기반으로 상기 슬레이브 로봇(20)을 제어하도록 구성되며, 마스터 장치(100)의 상기 조인트의 각도와 실제 슬레이브 로봇(20)의 각도 차이를 기반으로 피드백 제어를 통해 슬레이브 로봇(20)의 동작 정밀도를 높일 수 있다.

한편, 마스터 장치(100)는 디스플레이부(140)를 더 포함할 수 있다.

디스플레이부(140)는, 상기 착용자(10)의 시야 상에 배치되도록 구성되고, 슬레이브 로봇(20)이 운용되는 공간에서 슬레이브 로봇(20)에 구비되는 영상장치(22)로부터 획득되는 영상정보를 수신받아 착용자(10)에게 제공하도록 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 디스플레이부(140)는 도 1에 도시된 바와 같이 고글(goggles) 형태로 이루어질 수 있다. 또한, 슬레이브 로봇(20)에 구비되어 슬레이브 로봇(20) 주변의 영상을 획득하는 영상장치(22)는 슬레이브 로봇(20)의 전면부과 후면부에 각각 장착되어 슬레이브 로봇(20)이 운용되는 공간에서 360°범위의 화각을 확보하도록 이루어질 수 있다.

또한, 마스터 장치(100)는 손동작감지부(150)를 더 포함할 수 있다.

손동작감지부(150)는, 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이 착용자(10)의 손 부위에 장착되고, 착용자(10)의 손가락에서 움직임이 발생하는 경우 상기 손가락의 동작을 인식 가능하도록 이루어질 수 있다. 이때, 상기 제어부(130)에서는 상기 손가락감지부(150)로부터 수신되는 상기 손가락의 동작에 관한 신호를 처리하여 상기 슬레이브 로봇(20)으로 전달하도록 이루어진다.

이하, 도 4a 내지 도 5를 참조하여, 마스터 장치(100)에 대한 보다 상세한 구조에 대하여 설명한다.

도 4a는 도 1에 도시된 로봇의 마스터 장치(100)를 나타낸 사시도이고, 도 4b, 도 4c는 각각, 도 4a에 도시된 로봇의 마스터 장치(100)의 정면도 및 후면도이며, 도 5는 도 4a 내지 도 4c에 도시된 요축 조인트(112c)에서 발생되는 회전 동작을 설명하기 위한 개념도이다.

도 4a 내지 도 5를 참조하면, 골격부(110)는 상기한 바와 같이 제1 조인트(111)와 제2 조인트(112)를 포함하며, 제2 조인트(112)는 착용자(10)의 어깨 관절(S)의 상기 롤축, 피치축, 요축 회전에 따라 움직임이 발생하도록 이루어지는 롤축 조인트(112a), 피치축 조인트(112b), 요축 조인트(112c)을 구비하도록 이루어진다.

여기서, 상기 요축 조인트(112c)는 상기 제1 조인트(111)와 결합된 상태에서 상기 어깨 관절(S)의 상기 요축 회전이 발생하는 경우 이에 대응되는 움직임이 일어나도록 이루어질 수 있다.

보다 구체적으로, 도 4a 내지 도 4c에 도시된 바와 같이 제1 조인트(111)는 제1 엘보프레임(111a) 및 제2 엘보프레임(111b)을 구비하고, 제2 조인트(112)는 제1 연결프레임(113a), 제2 연결프레임(113b), 제3 연결프레임(113c), 제4 연결프레임(113d)을 구비할 수 있다.

제1 엘보프레임(111a)은 마스터 장치(100)를 사용하는 착용자(10)의 상박 즉, 어깨에서 팔꿈치까지의 부분인 위팔의 적어도 일부를 감싸도록 형성된다.

제2 엘보프레임(111b)은 제1 엘보프레임(111a)과 회전 가능하게 결합되고, 상기 착용자(10)의 하박 즉, 팔꿈치에서 손목까지의 부분인 아래팔의 적어도 일부를 감싸도록 형성될 수 있다.

여기서, 상기 롤축 조인트(112a), 피치축 조인트(112b), 요축 조인트(112c)는 상기 제1 내지 제4 연결프레임(113a,113b,113c,113d)이 상호 회전 가능하게 결합되는 형태를 통하여 구현될 수 있다. 구체적으로, 상기 롤축 조인트(112a)는 상기 제1 연결프레임(113a)과 제2 연결프레임(113b)의 결합으로 형성되고, 상기 피치축 조인트(112b)는 제2 연결프레임(113b)과 제3 연결프레임(113c)의 결합으로 형성되며, 요축 조인트(112c)는 상기 제3 연결프레임(113c)과 제4 연결프레임(113d)의 결합으로 형성될 수 있다.

또한, 골격부(110)의 상기 조인트를 구성하는 제1 엘보프레임(111a)과 제2 엘보프레임(111b), 제1 내지 제4 연결프레임(113a,113b,113c,113d)은 마스터 장치(100)의 상기 착용자(10)가 달라짐에 따라 변화하는 착용자(10)의 신체 치수에 따라 각각 길이가 조절 가능하도록 이루어질 수 있다. 이에 따라, 마스터 장치(100)의 착용자가 달라지는 경우에도 상기 마스터 장치(100)를 이용한 상기 슬레이브 로봇(20)의 제어가 안정적으로 이루어질 수 있다. 또한, 제1 엘보프레임(111a)과 제2 엘보프레임(111b), 제1 내지 제4 연결프레임(113a,113b,113c,113d)은 플라스틱 또는 경량의 금속재질로 형성될 수 있다.

한편, 상기 제1 조인트(111)는 하박고정부(115)를 더 포함할 수 있으며, 상기 제2 조인트(112)는 상박고정부(116)를 더 포함할 수 있다.

하박고정부(115)는, 마스터 장치(100) 착용자(10)의 상기 하박 부위의 둘레를 감싸 고정시키도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 하박고정부(115)는 벨크로(velcro)로 이루어질 수 있다. 상기 벨크로는 일측과 타측이 각각 갈고리와 걸림고리로 형성되어 상호 착탈 가능하도록 형성된다.

상박고정부(116)는, 상기 착용자(10)의 상기 상박 부위의 둘레를 감싸 고정시키도록 이루어질 수 있으며, 상기 하박고정부(115)와 유사하게 상기 벨크로로 형성될 수 있다. 이와 같은 하박고정부(115)와 상박고정부(116)의 구조에 의해, 골격부(110)가 상기 착용자(10)의 상체에 밀착되어 고정된 상태를 유지할 수 있으므로, 상기 센서부(120)를 통해 측정되는 상기 복수의 조인트에서 발생하는 회전 각도의 변화량 측정이 큰 편차 없이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 하박고정부(115)와 상기 상박고정부(116)를 구비하지 않을 경우, 착용자(10)의 팔(A)에서 발생하는 동작의 정도에 따라 상기 센서부(120)에서 측정되는 센서값의 차이가 크게 나타나게 되며, 상기 팔(A)에서 동일한 크기의 움직임이 발생하는 경우에도 센서부(120)에서 측정되는 센서값의 차이가 크게 발생할 수 있다.

또한, 센서부(120)는, 엘보센서(121), 롤축센서(122), 피치축센서(123), 요축센서(124)를 구비할 수 있다.

엘보센서(121)는 상기 제1 엘보프레임(111a)과 제2 엘보프레임(111b)의 상호 회전 가능하게 연결되는 부분에 배치되어, 착용자(10)의 팔꿈치 관절(E)에서 발생하는 동작에 따른 상기 팔꿈치 관절(E)의 회전 각도의 변화량을 측정하도록 이루어진다.

롤축센서(122), 피치축센서(123), 요축센서(124)는 상기 제1 내지 제4 연결프레임(113a,113b,113c,113d)의 상호 회전 가능하게 연결되는 부분에 각각 배치될 수 있다. 구체적으로, 롤축센서(122)는 제1 연결프레임(113a)과 제2 연결프레임(113b) 간의 연결 부분에 배치되며, 피치축센서(123)는 제2 연결프레임(113b)과 제3 연결프레임(113c) 간의 상호 연결 부분에 배치되고, 롤축센서(124)는 제3 연결프레임(113c)과 제4 연결프레임(113d) 간의 상호 연결 부분에 배치될 수 있다.

여기서, 도 4a 내지 도 4c에 도시된 바와 같이 제4 연결프레임(113d)의 하단과 제1 엘보프레임(111a)의 상단은 상호 회전 가능하게 결합될 수 있다. 이때, 상기 착용자(10)의 어깨 관절(S)에서 요축 회전이 발생하는 경우, 착용자(10)의 상기 상박이 요축 회전 즉, 상기 요축을 기준으로 비틀어지는 동작이 발생하게 되고, 이에 따라, 상기 제4 연결프레임(113d)의 하단이 회전을 일으키면서 요축센서(124)에서 상기 어깨 관절(S)의 상기 요축 회전에 대한 회전 각도의 변화값을 측정하도록 이루어질 수 있다.

도 5를 참조하면, 상기한 제4 연결프레임(113d)과 제1 엘보프레임(111a)의 결합구조와, 상기 제3 연결프레임(113c)과 상기 제4 연결프레임(113d)의 상호 연결 부분에 배치되는 상기 요축센서(124)의 구성에 의해, 착용자(10)의 상박에서 발생하는 상기 요축 회전 시, 상기 요축 조인트(112c)를 중심으로 상기 제4 연결프레임(113d)이 반시계 방향(d1) 또는 시계 방향(d2)로 회전을 일으키게 되며, 상기 요축센서(124)를 통해 착용자(10)의 팔(A)의 상기 요축 회전에 따른 회전 각도의 변화를 측정하도록 이루어질 있다.

한편, 도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 상기 제1 연결프레임(113a)은 상기 착용자(10)의 정중선(midline) 즉, 신체의 앞뒷면의 중앙을 수직으로 지나는 선으로 신체의 좌우를 구분해 주는 가상적인 중심선에서 상기 어깨 관절(S) 부분까지 연장 형성되고, 상기 제3 연결프레임(113c)은 상기 착용자(10)의 팔꿈치 관절(E) 부분에서 상기 상박을 따라 상기 어깨 관절(S) 부분까지 연장 형성되며, 상기 제2 연결프레임(113b)은 상기 착용자(10)의 어깨 관절(S) 부분까지 연장된 상기 제1 및 제3 연결프레임(113a,113c)의 일단과 회전 가능하게 결합되도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1 연결프레임(113a)의 일측은 도 4a에 도시된 바와 같이 착용자(10)의 상체의 후면에 배치되는 고정프레임(118) 상에 고정되도록 이루어질 수 있다.

여기서, 상기 어깨 관절(S)에서 상기 롤축 및 피치축 회전이 발생하는 경우, 착용자(10)의 상기 상박이 상기 롤축 및 피치축 회전됨에 따라 상기 제1 내지 제3 연결프레임(113a,113b,113c)의 연결 부분이 회전을 일으키면서 상기 롤축센서(122) 및 피치축센서(123)에서 각각 어깨 관절(S)의 상기 롤축 및 피치축 회전에 대한 회전 각도의 변화값을 측정하도록 이루어질 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 마스터 장치(100)에 의하면, 마스터 장치(100)의 골격부(110), 센서부(120), 제어부(130)의 간결한 구조적 특징으로 종래에 사용되던 마스터 장치의 큰 부피와 무게로 인한 착용자(10)의 불편함을 크게 줄일 수 있는 한편, 마스터 장치(100)의 착용자(10)의 보다 자유로운 움직임을 가능하게 하여 직관적이며 정교한 슬레이브 로봇(20)의 제어가 이루어질 수 있다. 또한, 슬레이브 로봇(20)과 마스터 장치(100)가 무선으로 통신 가능하여 슬레이브 로봇(20)의 제어를 위해 필요로하는 공간적인 제약을 거의 받지 않으므로, 마스터 장치(100)의 활용도를 보다 높일 수 있다.

이하, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 로봇 제어 시스템에 대하여 도 1 내지 도 3c를 참조하여 설명한다.

도 1 내지 도 3c를 참조하면, 상기 로봇 제어 시스템은 슬레이브 로봇(20) 및 로봇의 마스터 장치(100, 이하 '마스터 장치'라 한다)를 포함한다.

슬레이브 로봇(20)은, 도 1에 도시된 바와 같이 사람의 접근이 어렵거나 방사능 물질(D) 등이 놓인 위험한 작업환경에서 후술하는 마스터 장치(100)에 의해 원격으로 제어 가능하도록 이루어진다. 한편, 상기 슬레이브 로봇(20)은 상기 마스터 장치(100)에 의해 직관적인 제어가 가능한 로봇팔(21)을 구비할 수 있다. 또한, 상기 슬레이브 로봇(20)은 도시된 바와 같이 캐터필러(caterpillar)와 같은 로봇 이동수단(23)을 구비하여 상기 작업환경에서 위치를 이동하며 작업을 수행할 수 있다.

마스터 장치(100)는, 슬레이브 로봇(20)이 위치하는 공간과 떨어지고 상기 작업환경에 비하여 안전한 공간에서 상기 슬레이브 로봇(20)의 제어가 가능하도록 이루어질 수 있다. 보다 구체적으로, 마스터 장치(100)는 골격부(110), 센서부(120) 및 제어부(130)를 포함한다.

골격부(110)는 신체 부위 중 상체에 착용되며, 복수의 조인트를 구비하여 착용된 상태에서 착용자(10) 팔(A)의 자유로운 움직임이 가능하도록 구성될 수 있다.

센서부(120)는 상기 조인트에 배치되며, 상기 착용자(10)의 어깨 관절(S) 및 팔꿈치 관절(E)의 움직임에 따라 상기 조인트에서 발생하는 회전 각도의 변화를 측정하도록 이루어질 수 있다.

제어부(130)는, 상기 센서부(120)로부터 수신되는 센싱값을 이용하여 착용자(10)의 팔(A)의 자세를 측정하고, 상기 팔(A)의 자세에 대응하는 제어신호를 생성하여 상기 슬레이브 로봇(20)으로 전달하도록 이루어질 수 있다.

이상에서 설명된 로봇의 마스터 장치 및 이를 구비하는 로봇 제어 시스템은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

100 : 로봇의 마스터 장치 110 : 골격부
111 : 제1 조인트 111a : 제1 엘보프레임
112 : 제2 조인트 111b : 제2 엘보프레임
112a : 롤축 조인트 112b : 피치축 축조인트
112c : 요축 조인트 113a : 제1 연결프레임
113b : 제2 연결프레임 113c : 제3 연결프레임
113d : 제4 연결프레임 120 : 센서부
121 : 엘보센서 122 : 롤축센서
123 : 피치축센서 124 : 요축센서
130 : 제어부 140 : 디스플레이부
150 : 손동작감지부 10 : 착용자
20 : 슬레이브 로봇 21 : 로봇 팔
23 : 로봇 이동수단

Claims

상체에 착용되며, 복수의 조인트를 구비하여 착용된 상태에서 착용자 팔의 자유로운 움직임이 가능하도록 구성되는 골격부;
상기 조인트에 배치되고, 상기 착용자의 어깨 관절 및 팔꿈치 관절의 움직임에 따라 상기 조인트에서 발생하는 회전 각도의 변화를 측정하도록 이루어지는 센서부; 및
상기 센서부로부터 수신되는 센싱값을 이용하여 상기 착용자의 팔의 자세를 측정하고 상기 팔의 자세에 대응하는 제어신호를 슬레이브 로봇으로 전달하도록 이루어지는 제어부를 포함하고,
상기 조인트는, 상기 팔꿈치 관절의 움직임의 1자유도에 대응하는 제1 조인트와, 상기 어깨 관절의 움직임의 3자유도에 대응하는 제2 조인트를 구비하며,
상기 제2 조인트는, 상기 어깨 관절의 롤(roll)축 회전, 피치(pitch)축 회전, 요(yaw)축 회전에 따라 움직임이 각각 발생하도록 이루어지는 롤축 조인트, 피치축 조인트, 요축 조인트를 구비하고,
상기 제1 조인트는, 상기 착용자의 상박 부위의 적어도 일부를 감싸도록 형성되는 제1 엘보프레임과, 상기 제1 엘보프레임에 회전 가능하게 결합되며 상기 착용자의 하박 부위의 적어도 일부를 감싸도록 형성되는 제2 엘보프레임을 구비하며,
상기 제2 조인트는, 각각 순차적으로 상호 회전 가능하게 결합되는 제1 연결프레임, 제2 연결프레임, 제3 연결프레임, 제4 연결프레임을 구비하고,
상기 롤축 조인트는 상기 제1 및 제2 연결프레임의 결합으로 형성되며, 상기 피치축 조인트는 상기 제2 및 제3 연결프레임의 결합으로 형성되고, 상기 요축 조인트는 상기 제3 및 제4 연결프레임의 결합으로 형성되며,
상기 센서부는, 상기 제1 및 제2 엘보프레임의 상호 연결 부분에 배치되는 엘보센서와, 상기 제1 내지 제4 연결프레임의 상호 연결 부분에 각각 배치되는 롤축센서, 피치축센서, 요축센서를 구비하고,
상기 제4 연결프레임의 하단과 상기 제1 엘보프레임의 상단은 상호 회전 가능하게 결합되며, 상기 어깨 관절에서 요축 회전이 발생하는 경우, 상기 착용자의 상박이 요축 회전됨에 따라 상기 제4 연결프레임의 상단을 중심으로 상기 제4 연결프레임의 하단이 회전을 일으키면서 상기 요축센서에서 상기 어깨 관절의 요축 회전에 대한 회전 각도의 변화값을 측정하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 장치.
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제1항에 있어서,
상기 제1 연결프레임은 상기 착용자의 정중선(midline)에서 어깨 관절 부분까지 연장 형성되고, 상기 제3 연결프레임은 상기 착용자의 팔꿈치 관절 부분에서 상박을 따라 어깨 관절 부분까지 연장 형성되며, 상기 제2 연결프레임은 상기 착용자의 어깨 관절 부분까지 연장된 상기 제1 및 제3 연결프레임의 일단과 회전 가능하게 결합되도록 형성되고,
상기 어깨 관절에서 롤축 및 피치축 회전이 발생하는 경우, 상기 착용자의 상박이 롤축 및 피치축 회전됨에 따라 상기 제1 내지 제3 연결프레임의 연결 부분이 회전을 일으키면서 상기 롤축센서 및 피치축센서에서 각각 상기 어깨 관절의 롤축 및 피치축 회전에 대한 회전 각도의 변화값을 측정하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 장치.
제1항에 있어서,
상기 센서부는, 상기 착용자가 상기 골격부를 착용한 후 상기 복수의 조인트 상에서 외부로 드러나도록 배치되는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 엘보프레임과 상기 제1 내지 제4 연결프레임은, 상기 착용자의 신체 치수가 달라짐에 따라 각각 길이가 조절 가능하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 장치.
제1항에 있어서,
상기 제2 조인트는, 상기 착용자의 상박 부위의 둘레를 감싸 고정시키도록 이루어지는 상박고정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 조인트는, 상기 착용자의 하박 부위의 둘레를 감싸 고정시키도록 이루어지는 하박고정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 장치.
제1항에 있어서,
상기 착용자의 시야 상에 배치되도록 구성되며, 상기 슬레이브 로봇에서 획득되는 영상정보를 수신받아 상기 착용자에게 제공하도록 이루어지는 디스플레이부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 장치.
제1항에 있어서
상기 착용자의 손 부위에 장착되며, 상기 착용자의 손가락 동작을 인식하도록 구성되는 손동작감지부를 더 포함하고,
상기 제어부는 상기 손동작감지부로부터 수신되는 상기 손가락 동작에 관한 신호를 처리하여 상기 슬레이브 로봇으로 전달하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 로봇의 마스터 장치.
작업환경에서 원격으로 제어되도록 이루어지는 슬레이브 로봇; 및
상기 슬레이브 로봇이 위치하는 공간과 다른 공간에서 상기 슬레이브 로봇을 제어하도록 이루어지는 로봇의 마스터 장치를 포함하고,
상기 로봇의 마스터 장치는,
상체에 착용되며, 복수의 조인트를 구비하여 착용된 상태에서 착용자 팔의 자유로운 움직임이 가능하도록 구성되는 골격부;
상기 조인트에 배치되고, 상기 착용자의 어깨 관절 및 팔꿈치 관절의 움직임에 따라 상기 조인트에서 발생하는 회전 각도의 변화를 측정하도록 이루어지는 센서부; 및
상기 센서부로부터 수신되는 센싱값을 이용하여 상기 착용자의 팔의 자세를 측정하고 상기 팔의 자세에 대응하는 제어신호를 상기 슬레이브 로봇으로 전달하도록 이루어지는 제어부를 포함하고,
상기 조인트는, 상기 팔꿈치 관절의 움직임의 1자유도에 대응하는 제1 조인트와, 상기 어깨 관절의 움직임의 3자유도에 대응하는 제2 조인트를 구비하며,
상기 제2 조인트는, 상기 어깨 관절의 롤(roll)축 회전, 피치(pitch)축 회전, 요(yaw)축 회전에 따라 움직임이 각각 발생하도록 이루어지는 롤축 조인트, 피치축 조인트, 요축 조인트를 구비하고,
상기 제1 조인트는, 상기 착용자의 상박 부위의 적어도 일부를 감싸도록 형성되는 제1 엘보프레임과, 상기 제1 엘보프레임에 회전 가능하게 결합되며 상기 착용자의 하박 부위의 적어도 일부를 감싸도록 형성되는 제2 엘보프레임을 구비하며,
상기 제2 조인트는, 각각 순차적으로 상호 회전 가능하게 결합되는 제1 연결프레임, 제2 연결프레임, 제3 연결프레임, 제4 연결프레임을 구비하고,
상기 롤축 조인트는 상기 제1 및 제2 연결프레임의 결합으로 형성되며, 상기 피치축 조인트는 상기 제2 및 제3 연결프레임의 결합으로 형성되고, 상기 요축 조인트는 상기 제3 및 제4 연결프레임의 결합으로 형성되며,
상기 센서부는, 상기 제1 및 제2 엘보프레임의 상호 연결 부분에 배치되는 엘보센서와, 상기 제1 내지 제4 연결프레임의 상호 연결 부분에 각각 배치되는 롤축센서, 피치축센서, 요축센서를 구비하고,
상기 제4 연결프레임의 하단과 상기 제1 엘보프레임의 상단은 상호 회전 가능하게 결합되며, 상기 어깨 관절에서 요축 회전이 발생하는 경우, 상기 착용자의 상박이 요축 회전됨에 따라 상기 제4 연결프레임의 상단을 중심으로 상기 제4 연결프레임의 하단이 회전을 일으키면서 상기 요축센서에서 상기 어깨 관절의 요축 회전에 대한 회전 각도의 변화값을 측정하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 로봇 제어 시스템.