KR102337254B1 - Multi-axis controller with self-weight compensation function - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자중보상 기능을 가지는 다축 조종기가 개시된다. 본 발명의 다축 조종기는 평행사변형 기구, 스프링, 카운터매스 중 적어도 하나를 이용하여 중력을 보상하는 중력보상 기구, 중력보상 기구에 설치되고, 위치센서, 브레이크, 클러치, 모터 중 적어도 하나의 구동부를 구비하는 3자유도 위치조작기구를 포함한다.The present invention discloses a multi-axis manipulator having a self-weight compensation function. The multi-axis manipulator of the present invention is installed in a gravity compensation mechanism and a gravity compensation mechanism that compensate for gravity using at least one of a parallelogram mechanism, a spring, and a counter mass, and includes a driving unit of at least one of a position sensor, a brake, a clutch, and a motor It includes a three-degree-of-freedom positioning mechanism.
Description
본 발명은 조종기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 높은 자유도의 로봇 머니퓰레이터를 조종하는 자중보상 기능을 가지는 다축 조종기에 관한 것이다.The present invention relates to a manipulator, and more particularly, to a multi-axis manipulator having a self-weight compensation function for manipulating a robot manipulator with a high degree of freedom.
종래의 기술은 머니퓰레이터를 조작하기 위해 높은 자유도의 마스터 장치를 구현함에 있어서 조종기의 무게를 사용자가 짊어지거나, 조종기 팔의 무게를 지속적으로 감당해야 하는 문제점이 있다.In the prior art, in implementing a master device having a high degree of freedom to operate a manipulator, there is a problem in that the user has to bear the weight of the manipulator or continuously bear the weight of the arm of the manipulator.
이러한 문제점을 해결하기 위해 단순히 위치 인식만 되는 아주 가벼운 조종기를 사용하였으나, 정밀한 조정을 할 수 없는 또다른 문제점이 발생하였다.In order to solve this problem, a very light manipulator that simply recognizes the position was used, but another problem occurred that precise adjustment could not be made.
이에 상술된 문제점들을 보완하기 위하여 로봇팔과 유사한 구조로 조종기를 만들어 자중을 능동적으로 보상하고, 외력을 표현해줄 수 있는 조종기 등이 개발되고 있으나, 이 또한 매우 크고 복잡하다는 문제점을 가지고 있는 실정이다.Accordingly, in order to compensate for the above-mentioned problems, a manipulator having a structure similar to that of a robot arm has been developed to actively compensate for its own weight and to express an external force, but this also has a problem of being very large and complicated.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 사용자의 편리성을 최대화하면서 입력 장치의 복잡성 및 구현 비용을 최적화하여 사용성을 극대화하는 자중보상 기능을 가지는 다축 조종기를 제공하는데 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a multi-axis manipulator having a self-weight compensation function that maximizes usability by optimizing the complexity and implementation cost of an input device while maximizing user convenience.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 자중보상 기능을 가지는 다축 조종기는 평행사변형 기구, 스프링, 카운터매스 중 적어도 하나를 이용하여 중력을 보상하는 중력보상 기구, 상기 중력보상 기구에 설치되고, 위치센서, 브레이크, 클러치, 모터 중 적어도 하나의 구동부를 구비하는 3자유도 위치조작기구를 포함한다.In order to achieve the above object, the multi-axis manipulator having a self-weight compensation function according to the present invention is installed in a gravity compensation mechanism that compensates for gravity using at least one of a parallelogram mechanism, a spring, and a counter-mass, the gravity compensation mechanism, and a position sensor , a brake, a clutch, and a three-degree-of-freedom position control mechanism having at least one driving unit of a motor.
본 발명의 자중보상 기능을 가지는 다축 조종기는 단순한 구조를 가지면서도 조종기에 요구되는 저관성, 저구동력 등의 기본 사항을 만족하면서 다양한 입력 모드를 지원하여 사용의 편리성과 사용성을 확보할 수 있다.The multi-axis manipulator having a self-weight compensation function of the present invention can secure convenience and usability by supporting various input modes while satisfying the basic requirements such as low inertia and low driving force required for a manipulator while having a simple structure.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스프링형 중력보상기구를 채용한 3자유도 위치조작기구와 3자유도 회전측정장치의 결합을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 카운터매스형 중력보상기구를 채용한 3자유도 위치조작기구와 3자유도 회전측정장치의 결합을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다축 조종기의 위치센서 장착을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다축 조종기의 추가 스프링 기구 또는 능동 구동기의 장착을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다축 조종기의 로드셀 또는 힘/토크 센서의 장착을 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining the combination of a three-degree-of-freedom position manipulation mechanism and a three-degree-of-freedom rotation measuring device employing a spring-type gravity compensation mechanism according to an embodiment of the present invention.
2 is a view for explaining the combination of a three-degree-of-freedom position manipulation mechanism and a three-degree-of-freedom rotation measuring device employing a counter-mass type gravity compensation mechanism according to an embodiment of the present invention.
3 is a view for explaining the mounting of the position sensor of the multi-axis manipulator according to an embodiment of the present invention.
4 is a view for explaining the installation of an additional spring mechanism or an active actuator of the multi-axis manipulator according to an embodiment of the present invention.
5 is a view for explaining the installation of a load cell or force / torque sensor of the multi-axis manipulator according to an embodiment of the present invention.
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.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. First, in adding reference numerals to the components of each drawing, it is noted that the same components are given the same reference numerals as much as possible even though they are indicated on different drawings. In addition, in describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function is obvious to those skilled in the art or may obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 스프링형 중력보상기구를 채용한 3자유도 위치조작기구와 3자유도 회전측정장치의 결합을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 카운터매스형 중력보상기구를 채용한 3자유도 위치조작기구와 3자유도 회전측정장치의 결합을 설명하기 위한 도면이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다축 조종기의 위치센서 장착을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다축 조종기의 추가 스프링 기구 또는 능동 구동기의 장착을 설명하기 위한 도면이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다축 조종기의 로드셀 또는 힘/토크 센서의 장착을 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining a combination of a three-degree-of-freedom position manipulation mechanism and a three-degree-of-freedom rotation measuring device employing a spring-type gravity compensation mechanism according to an embodiment of the present invention, and FIG. It is a view for explaining the combination of a three-degree-of-freedom position manipulation mechanism and a three-degree-of-freedom rotation measuring device employing a counter-mass type gravity compensation mechanism, and FIG. 4 is a view for explaining the installation of an additional spring mechanism or an active actuator of the multi-axis manipulator according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a load cell or force/torque of the multi-axis manipulator according to an embodiment of the present invention. It is a diagram for explaining the mounting of the sensor.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 다축 조종기는 사용자의 편리성을 최대화하면서 입력 장치의 복잡성 및 구현 비용을 최적화하여 사용성을 극대화한다. 즉 다축 조정기는 단순한 구조를 가지면서도 조종기에 요구되는 저관성, 저구동력 등의 기본 사항을 만족하면서 다양한 입력 모드를 지원하여 사용의 편리성과 사용성을 확보할 수 있다. 다축 조종기는 중력보상 기구 및 3자유도 위치조작기구를 포함한다.1 to 5 , the multi-axis manipulator maximizes usability by optimizing the complexity and implementation cost of an input device while maximizing user convenience. In other words, the multi-axis controller has a simple structure and satisfies the basic requirements such as low inertia and low driving force required for the manipulator, and supports various input modes to ensure ease of use and usability. The multi-axis manipulator includes a gravity compensation mechanism and a 3-DOF positioning mechanism.
중력보상 기구는 평행사변형 기구, 스프링, 카운터매스 중 적어도 하나를 이용하여 중력을 보상하는 기구이다. The gravity compensation mechanism is a mechanism for compensating for gravity using at least one of a parallelogram mechanism, a spring, and a counter mass.
3자유도 위치조작기구는 중력보상 기구의 설치되고, 위치센서, 브레이크, 클러치, 모터 중 적어도 하나의 구동부를 구비한다. 이 때 3자유도 위치조작기구는 말단부에 3자유도의 회전각 측정 장치(짐볼 등) 또는 3자유도의 회전력 측정 장치를 더 포함할 수 있다.The three-degree-of-freedom position manipulation mechanism is provided with a gravity compensating mechanism, and includes at least one driving unit among a position sensor, a brake, a clutch, and a motor. In this case, the 3-DOF positioning mechanism may further include a 3-DOF rotation angle measuring device (eg, a gimbal) or a 3-DOF rotational force measuring device at the distal end.
3자유도 위치조작기구는 각 관절에 추가적인 스프링을 장착하여 특정 위치로의 회복력을 가질 수 있다. 예를 들어 3자유도 위치조작기구는 스프링의 중립위치를 가변하여 특정 위치를 변경할 수 있도록 하거나, 스프링의 강성을 가변하여 복원력의 강도를 변경할 수 있다.The 3-DOF positioning mechanism can have recovery force to a specific position by mounting an additional spring on each joint. For example, the three-degree-of-freedom position control mechanism can change the neutral position of the spring to change a specific position, or change the strength of the restoring force by changing the stiffness of the spring.
또한 3자유도 위치조작기구는 각 관절에 제어 가능한 능동구동기를 이용하여 특정 위치로의 회복력을 가질 수 있다. 예를 들어 3자유도 위치조작기구는 능동구동기의 중립위치를 가변하여 특정 위치를 변경할 수 있도록 하거나, 능동구동기의 강성을 가변하여 복원력의 강도를 변경할 수 있다.In addition, the 3-DOF positioning mechanism can have a recovery force to a specific position by using an active actuator controllable for each joint. For example, the three-degree-of-freedom position manipulation mechanism can change the specific position by changing the neutral position of the active actuator, or change the strength of the restoring force by changing the stiffness of the active actuator.
다축 조종기는 적어도 하나의 제어 버튼과 같은 입력 장치를 포함하고, 제어 버튼을 이용하여 브레이크 또는 클러치의 동작을 제어할 수 있다.The multi-axis manipulator may include an input device such as at least one control button, and may control an operation of a brake or a clutch by using the control button.
이때 다축 조종기는 회전각 측정장치와 3자유도 위치조작기구 사이에 로드셀 또는 다축 힘/토크 측정 센서를 장착하고, 브레이크 또는 클러치 조작과의 연동을 통하여 사용자 팔의 무게를 추정하여 보상할 수 있다. In this case, the multi-axis manipulator can compensate by estimating the weight of the user's arm by installing a load cell or a multi-axis force/torque measuring sensor between the rotation angle measuring device and the 3-DOF position control mechanism, and interlocking with the brake or clutch operation.
다축 조종기는 입력장치를 이용하여 3자유도 위치조작 제어 및 3자유도 회전조작 제어의 유/무/비율 등을 선택할 수 있다.The multi-axis manipulator can select the presence/absence/ratio of 3-DOF position control and 3-DOF rotation control using an input device.
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.Although preferred embodiments of the present invention have been illustrated and described above, the present invention is not limited to the specific preferred embodiments described above, and in the technical field to which the present invention pertains without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims Anyone with ordinary skill in the art can make various modifications, of course, and such changes are within the scope of the claims.
Claims (4)
상기 중력보상 기구에 설치되고, 위치센서, 브레이크, 클러치, 모터 중 적어도 하나의 구동부를 구비하는 3자유도 위치조작기구;
상기 3자유도 위치조작기구의 말단부에 설치되고, 3자유도의 회전각/회전력을 측정하는 측정 장치; 및
상기 측정 장치와 상기 3자유도 위치조작기구 사이에 힘/토크를 측정하는 측정 센서;를 포함하되,
상기 중력보상 기구는,
상기 측정 센서 및 브레이크 또는 클러치 조작과의 연동으로 사용자의 팔에 대한 무게를 추정하여 중력을 보상하고,
상기 3자유도 위치조작기구는,
각 관절에 추가 스프링을 장착하여 상기 추가 스프링을 이용할 때 추가 스프링의 중립위치를 가변하여 특정 위치로 변경하거나, 추가 스프링의 강성을 가변하여 복원력의 강도를 변경시켜 특정 위치로의 회복력을 가지도록 하고,
각 관절에 제어 가능한 능동구동기를 장착하여 상기 능동구동기를 이용할 때 능동구동기의 중립위치를 가변하여 특정 위치를 변경하거나, 능동구동기의 강성을 가변하여 복원력의 강도를 변경시켜 특정 위치로의 회복력을 가지도록 하는 것을 특징으로 하는 자중보상 기능을 가지는 다축 조종기.a gravity compensation mechanism for compensating for gravity using at least one of a parallelogram mechanism, a spring, and a counter mass;
a three-degree-of-freedom position control mechanism installed on the gravity compensating mechanism and having at least one driving unit among a position sensor, a brake, a clutch, and a motor;
a measuring device installed at the distal end of the three-degree-of-freedom positioning mechanism and measuring a rotation angle/rotation force of the three-degree-of-freedom; and
A measuring sensor for measuring a force/torque between the measuring device and the three-degree-of-freedom positioning mechanism;
The gravity compensation mechanism,
Compensating for gravity by estimating the weight of the user's arm in conjunction with the measurement sensor and brake or clutch operation,
The three degree of freedom positioning mechanism,
When an additional spring is installed in each joint to change the neutral position of the additional spring to a specific position when using the additional spring, or to change the strength of the restoring force by changing the stiffness of the additional spring to have recovery force to a specific position, ,
When using the active actuator by installing a controllable active actuator in each joint, the neutral position of the active actuator is changed to change a specific position, or the strength of the restoring force is changed by varying the stiffness of the active actuator to have recovery to a specific position. A multi-axis manipulator with a self-weight compensation function, characterized in that
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