KR102261086B1 - 파지력 제어가 가능한 저가형 로봇 그리퍼 - Google Patents

Abstract

본 발명은 파지력 제어가 가능한 저가형 로봇 그리퍼가 개시된다. 본 발명의 저가형 로봇 그리퍼는 소형 또는 유연 물체를 파지하는 그리퍼 파지부, 그리퍼 파지부와 연결되고, 모션 입력축 고정점을 기초로 수행되는 위치제어를 통해 그리퍼 파지부의 파지 모션 및 파지력 제어를 하는 제1 액추에이터 및 그리퍼 파지부와 연결되고, 그리퍼 파지부의 얽힘 해지 모션 제어를 하는 제2 액추에이터를 포함한다.

Description

파지력 제어가 가능한 저가형 로봇 그리퍼{Low-cost robot gripper capable of gripping force control}

본 발명은 로봇 그리퍼에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고가의 힘/토크 센싱 시스템 없이도 소형 물체 또는 유연 물체의 파지력 제어 및 조작을 수행하는 파지력 제어가 가능한 저가형 로봇 그리퍼에 관한 것이다.

일반적으로 규칙성 없이 다수가 쌓여 있는 복잡한 형상의 소형 물체 또는 유연 물체를 조작하는 작업은 물체의 단순 파지 이외에도 물체 파손을 막기 위한 파지력 제어와 서로 얽혀 있는 물체들을 분리하는 모션이 요구된다.

이때 파지력 제어 있어서 기존 그리퍼의 경우, 접촉력을 측정하기 위한 추가적인 힘 센서나 토크 센서의 장착이 요구됨에 따라 그리퍼의 매커니즘 및 전장의 복잡성이 증가함과 동시에 그리퍼의 가격이 상승하는 문제점을 가지고 있다.

이러한 가격 상승을 해결하기 위해 종래에는 센서를 사용하지 않고 액추에이터의 전류값 등을 이용하여 접촉력을 간접적으로 추정하였다. 하지만 해당 추정값은 그리퍼 조인트의 마찰력이나 기구부의 변형에 의한 왜곡이 발생하는 문제를 가지고 있으며, 왜곡을 보정하는 알고리즘을 적용하더라도 추가적인 계산 부하가 요구되어 시스템의 가격이 상승하게 되었다.

한편 물체 분리 모션에 있어서 다양한 형상의 물체들의 얽힘에 대한 일반적인 분리 방법을 도출하기 위해서 얽혀 있는 물체들의 상태를 인식하기 위한 센서와 얽힘 상태를 풀기 위한 추가적인 머니퓰레이터 또는 지그 등이 요구되어 시스템의 복잡성 및 고가화의 문제를 가지고 있다.

한국등록특허공보 제10-1384306호(2014.04.10.)

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 액추에이터의 위치제어를 통해 그리퍼의 파지 모션 및 파지점의 힘 센싱을 수행하면서 물체의 얽힘을 해제하는 파지력 제어가 가능한 저가형 로봇 그리퍼를 제공하는데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 파지력 제어가 가능한 저가형 로봇 그리퍼는 소형 또는 유연 물체를 파지하는 그리퍼 파지부, 상기 그리퍼 파지부와 연결되고, 모션 입력축 고정점을 기초로 수행되는 위치제어를 통해 상기 그리퍼 파지부의 파지 모션 및 파지력 제어를 하는 제1 액추에이터 및 상기 그리퍼 파지부와 연결되고, 상기 그리퍼 파지부의 얽힘 해지 모션 제어를 하는 제2 액추에이터를 포함한다.

본 발명의 파지력 제어가 가능한 저가형 로봇 그리퍼는 액추에이터의 위치제어를 통해 그리퍼의 파지 모션 및 파지력 제어가 가능한 단방향 인장 스프링을 이용한 하이브리드 직렬 탄성 메커니즘의 적용으로 그리퍼 시스템을 단순화 및 저가화할 수 있다.

또한 파지력 제어를 적극적으로 이용하여 물체가 파손되지 않는 선에서 물체를 흔들어서 풀림을 유도하는 모션을 가능하게 하여 소형 물체 또는 유연 물체의 핸들링 시스템을 단순화 및 저가화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 저가형 로봇 그리퍼를 설명하기 위한 사시도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 저가형 로봇 그리퍼의 하이브리드 직렬 탄성 메커니즘을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 저가형 로봇 그리퍼의 파지력 제어를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 저가형 로봇 그리퍼의 얽힘 풀림 제어를 설명하기 위한 도면이다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 당업자에게 자명하거나 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 저가형 로봇 그리퍼를 설명하기 위한 사시도이고, 도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 저가형 로봇 그리퍼의 하이브리드 직렬 탄성 메커니즘을 설명하기 위한 개념도이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 저가형 로봇 그리퍼의 파지력 제어를 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 저가형 로봇 그리퍼의 얽힘 풀림 제어를 설명하기 위한 도면이다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 저가형 로봇 그리퍼는 액추에이터의 위치제어를 통해 그리퍼의 파지 모션 및 파지점의 힘 센싱을 수행하면서 물체의 얽힘을 해제한다. 즉 저가형 로봇 그리퍼는 액추에이터의 위치제어를 통해 그리퍼의 파지 모션 및 파지력 제어가 가능한 단방향 인장 스프링을 이용한 하이브리드 직렬 탄성 메커니즘의 적용으로 그리퍼 시스템을 단순화 및 저가화한다. 또한 저가형 로봇 그리퍼는 파지력 제어를 적극적으로 이용하여 물체가 파손되지 않는 선에서 물체를 흔들어서 풀림을 유도하는 모션을 가능하게 하여 소형 물체 또는 유연 물체의 핸들링 시스템을 단순화 및 저가화한다. 저가형 로봇 그리퍼는 제1 액추에이터(1), 제2 액추에이터(2) 및 그리퍼 파지부(5)를 포함하고, 모션 입력축 고정점(3), 인장 스프링(4) 및 링크 고정점(6)을 더 포함할 수 있다.

그리퍼 파지부(5)는 소형 또는 유연 물체를 파지하는 파지부이다. 그리퍼 파지부(5)는 두 개의 파지부재가 서로 맞닿으면서 집게와 같이 개폐하며 물체를 파지한다. 제1 액추에이터(1)는 그리퍼 파지부(5)와 연결되고, 모션 입력축 고정점(3)을 기초로 수행되는 위치제어를 통해 그리퍼 파지부의 파지 모션 및 파지력 제어를 한다. 제2 액추에이터(2)는 그리퍼 파지부(5)와 연결되고, 그리퍼 파지부(5)의 얽힘 해지 모션 제어를 한다.

한편 저가형 로봇 그리퍼는 크게 두가지의 제어를 수행하며, 하나는 파지 모션 및 파지력 제어이고, 나머지 하나는 얽힘 해지 모션 제어이다.

먼저 파지 모션 및 파지력 제어는 설명한다. 파지 모션 및 파지력 제어는 하이브리드 직렬 탄성 메커니즘을 통해 구현된다. 하이브리드 직렬 탄성 메커니즘은 도 2 및 도 3에 도시된다. 여기서, 모션 입력축 고정점(3), 인장 스프링(4), 그리퍼 파지부(5) 및 링크 고정점(6)은 대칭된 형태를 가지도록 배치된다. 이때 모션 입력축 고정점(3)은 제1 액추에이터(1)의 위치제어에 따라 x좌표축 방향으로 제1 구간(7)과 제2 구간(8) 내에서 이동한다. 인장 스프링(4)은 인장력에 대해서만 정해진 강성에 따라 신장되고, 압축력에 대해서는 일반적인 강체와 같은 변형을 발생시키지 않는다. 다른 요소들은 서로 간섭을 일으키지 아니하도록 설계되지만, 그리퍼 파지부(5)은 상술된 바와 같이 끝단부가 서로 마주보며 대칭으로 배치되는 두 개의 파지부재를 통해 물체를 파지하도록 적용된다.

상술된 메커니즘에서, 모션 입력축 고정점(3)이 제1 구간(7) 안에 있는 경우, 인장 스프링(4)은 신장되지 않는 상태로 유지되며 모션 입력축 고정점(3)의 위치에 따라 링크 고정점(6)을 원점으로 그리퍼 파지부(5)의 각도가 변화하게 된다. 이때 변화하는 각도와 그리퍼 파지부(5)의 위치의 관계는 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, x는 모션 입력축 고정점의 이동거리를 의미하고, l₀은 모션 입력축 고정점(3)과 링크 고정점(6)까지의 수직 거리를 의미하며, l은 인장 스프링(4)의 늘어나기 전 길이를 의미한다.

모션 입력축 고정점(3)이 제2 구간(8)에 있는 경우, 그리퍼 파지부(5)의 각도는 두 개의 파지부재가 만나는 위치에서 고정되고, 인장 스프링(4)은 모션 입력축 고정점(3)의 위치에 따라 신장된다. 이때 파지력과 모션 입력축 고정점(3)의 위치의 관계는 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다.

여기서, k는 인장 스프링(4)의 탄성계수를 의미하고, △x는 인장 스프링(4)의 인장 거리를 의미하며, l₀는 모션 입력축 고정점(3)과 링크 고정점(6)까지의 수직 거리를 의미하고, r_g는 모션 입력축 고정점과 파지점까지 사이의 수평 거리를 의미한다.

따라서 저가형 로봇 그리퍼는 모션 입력축 고정점(3)에 연결된 제1 액추에이터(1)의 위치 제어에 따라 그리퍼 파지부(5)를 개폐하는 것과 파지력을 제어하는 모드를 넘나들 수 있으며, 이를 통해 소형 물체가 파지되었을 경우 파지력을 제어할 수 있다(도 4).

다음으로 얽힘 해지 모션 제어를 설명한다. 얽힘 해지 모션은 상술된 파지력 제어 및 제2 액추에이터(2)의 위치 제어에 따라 발생한다. 작업물을 인식한 상태에서 그리퍼 파지부(5)는 사전에 입력된 적절한 파지력을 유지하도록 제어되며, 제2 액추에이터(2)는 파지 모션 및 파지력 제어를 수행하는 조립체를 사전에 정해진 주파수로 진동시킨다. 이러한 과정을 통하여 작업물의 얽힘은 풀리거나, 풀리지 않을 경우 원심력에 의한 힘이 적정 파지력을 넘어설 경우 작업물이 그리퍼 파지부(5)에서 풀려나오게 되어 파손이 방지된다(도 5).

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

1: 제1 액추에이터
2: 제2 액추에이터
3: 모션 입력축 고정점
4: 인장 스프링
5: 그리퍼 파지부
6: 링크 고정점

Claims (6)

1. 두 개의 파지부재가 서로 맞닿으면서 소형 또는 유연 물체를 파지하는 그리퍼 파지부;
   상기 그리퍼 파지부와 연결되고, 위치제어를 통해 상기 그리퍼 파지부의 파지 모션 및 파지력 제어를 하는 제1 액추에이터; 및
   상기 그리퍼 파지부와 연결되고, 상기 그리퍼 파지부의 얽힘 해지 모션 제어를 하는 제2 액추에이터;를 포함하되,
   소형 또는 유연 물체를 인식한 상태에서 상기 그리퍼 파지부가 기 입력된 적절한 파지력을 유지되도록 제어되면
   상기 제2 액추에이터는,
   파지 모션 및 파지력 제어를 수행하는 조립체를 기 설정된 주파수로 진동시켜 상기 소형 또는 유연 물체의 얽힘을 푸는 것을 특징으로 하는 파지력 제어가 가능한 저가형 로봇 그리퍼.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 두 개의 파지부재와 제1 액추에이터를 연결하는 두 개의 인장 스프링;
   상기 두 개의 인장 스프링에 대한 일단과 상기 제1 액추에이터가 연결되도록 고정시켜주는 모션 입력축 고정점; 및
   상기 두 개의 인장 스프링에 대한 타단과 상기 두 개의 파지부재가 연결되도록 고정시켜주는 링크 고정점;
   을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파지력 제어가 가능한 저가형 로봇 그리퍼.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 모션 입력축 고정점은 상기 제1 액추에이터의 위치제어에 따라 x좌표축 방향으로 임의의 제1 구간과 상기 제1 구간과 다른 제2 구간 내에서 이동하는 것을 특징으로 하는 파지력 제어가 가능한 저가형 로봇 그리퍼.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 모션 입력축 고정점이 상기 제1 구간 안에 있는 경우,
   상기 인장 스프링은 신장되지 않은 상태로 유지되고,
   상기 그리퍼 파지부는 상기 모션 입력축 고정점의 위치에 따라 상기 링크 고정점을 원점으로 각도가 변화하는 것을 특징으로 하는 파지력 제어가 가능한 저가형 로봇 그리퍼.
5. 제 3항에 있어서,
   상기 모션 입력축 고정점이 상기 제2 구간 안에 있는 경우,
   상기 인장 스프링은 모션 입력축 고정점의 위치에 따라 신장되고,
   상기 그리퍼 파지부의 각도는 두 개의 파지부재가 만나는 위치에서 고정되는 것을 특징으로 하는 파지력 제어가 가능한 저가형 로봇 그리퍼.
6. 삭제

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