KR102377428B1 - 로봇용 툴 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로봇용 툴 시스템에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 로봇용 툴 시스템은 로봇 작업용 툴, 스튜어트 플랫폼으로 로봇 암의 말단에 장착되어 능동 구동을 하며, 상기 툴을 장착시키는 능동 툴 결합부 및 상기 능동 툴 결합부와 분리되어 로봇 외부에 위치하며, 상기 능동 툴 결합부와 실시간 통신을 통해 상기 능동 툴 결합부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

로봇용 툴 시스템{ROBOT TOOL SYSTEM}

본 발명은 로봇용 툴 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 로봇 암의 말단에 장착되어 볼팅 또는 커넥팅 등의 조립공정을 수행하는 툴을 능동 구동시키며 제어하는 로봇용 툴 시스템에 관한 것이다.

생산 공정의 많은 부분들이 로봇에 의해 자동화 되고 있으나, 조립작업은 그 난이도가 높아서 로봇에 의한 자동화가 어렵다. 종래 수직 다관절 로봇에 사람이 사용하는 툴을 단순히 장착하여 로봇의 정밀도에 의존하여 툴의 위치를 제어하고 툴을 동작시켜 일부 수작업 공정을 자동화하였지만, 볼팅, 커넥팅과 같은 조립공정은 정밀한 위치 제어만으로는 작업을 완결하는 것이 어렵다.

최근에는 로봇을 통해 수행하고자 하는 작업 내용이 복잡해짐에 따라, 말단의 툴에 작용하는 외력을 센싱하고 이에 대한 판단에 따라 능동적으로 움직이며 툴을 동작시키는 로봇용 툴 시스템에 대한 개발이 시도되고 있다.

상기 능동 구동이 가능한 로봇용 툴 시스템은 로봇의 말단에 장착되어야 하기 때문에, 크기(집적도) 및 무게의 문제를 해결하여야 한다. 또한, 외력의 센싱, 능동 구동, 가변 강성 등의 고수준의 제어 알고리즘을 동작시킬 때 발생하는 발열의 문제를 동시에 해결하여야 한다.

따라서, 복잡한 툴 시스템 구조, 고수준의 제어 알고리즘을 로봇 말단이라는 크기, 공간의 제약 없이 구현할 수 있도록 하는 것이 필요하다.

대한민국 등록특허 제 10-1688867호

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 로봇 암의 말단에 장착되어 툴을 장착시키며 능동 구동이 가능한 능동 툴 결합부를 제어하는 제어부를 능동 툴 결합부와 분리시켜 로봇 외부에 위치하도록 하여, 로봇 암 말단에 장착되는 툴 시스템의 크기를 최소화하면서 고난도의 제어가 가능하도록 하는 로봇용 툴 시스템을 제공함에 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 로봇 작업용 툴; 로봇 암의 말단에 장착되어 능동 구동을 하며, 상기 툴을 장착시키는 능동 툴 결합부; 및 상기 능동 툴 결합부와 분리되어 로봇 외부에 위치하며, 상기 능동 툴 결합부와 실시간 통신을 통해 상기 능동 툴 결합부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 로봇용 툴 시스템에 의해 달성될 수 있다.

여기서, 상기 능동 툴 결합부는 상기 로봇 암의 말단에 장착되는 제 1 플레이트; 상기 툴이 장착되는 제 2 플레이트; 상기 제 1 플레이트와 상기 제 2 플레이트 사이에 회동 가능하게 연결되는 복수의 링크; 및 각각의 상기 링크를 구동시켜 상기 제 2 플레이트를 구동시키는 구동부를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 툴은 전동 드라이버, 전동 그리퍼, 마그네틱 그리퍼, 공압 그리퍼, 석션기 중 어느 하나를 포함하는 전동 또는 공압에 의해 동작하는 로봇말단장치일 수 있다.

여기서, 상기 구동부는 링크에 연결되는 모터 및 상기 모터를 제어하는 서보 드라이버를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제어부는 상기 모터의 입출력 제어 신호를 기초로 외력을 추정하는 외력 추정부를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제어부는 상기 모터의 입출력 제어 신호를 기초로 상기 능동 툴 결합부의 강성을 조절하는 강성 조절부를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제어부와 상기 능동 툴 결합부는 이더캣(EtherCAT)으로 실시간 통신을 수행할 수 있다.

여기서, 상기 제어부는 외부 장치와 연결하는 외부 장치 입출력 인터페이스를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제어부는 범용의 로봇 컨트롤러와 연결되어 로봇을 제어하도록 하는 범용 로봇 인터페이스를 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 능동 툴 결합부에 탈부착이 가능하며, 로봇의 작업을 직접 교시하는 로봇 교시부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 로봇 교시부로부터 교시 신호를 수신하여 직접 교시를 위한 알고리즘을 생성하는 직접 교시 알고리즘 생성부를 포함할 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명의 로봇용 툴 시스템에 따르면 로봇 암 말단에 장착되는 로봇용 툴 시스템의 크기를 최소화하여 공간, 크기 문제를 해결하며 고난도의 제어가 가능하다는 장점이 있다.

또한, 제어부가 분리되어 로봇 외부에 배치되므로 고수준의 제어 알고리즘을 동작시킬 때 발생하는 발열에 따른 개발 제한의 문제를 해결할 수 있다는 장점도 있다.

또한, 능동 툴 결합부에 형성되는 범용 로봇 인터페이스를 통해 범용의 로봇과 연결시켜 로봇을 제어 시킬 수 있다는 장점도 있다.

또한, 탈부착이 가능한 직접 교시 장치를 결합시켜 볼팅 또는 커넥팅과 같은 정밀한 조립공정의 조립 교시가 가능하다는 장점도 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇용 툴 시스템을 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동 드라이버가 장착된 능동 툴 결합부를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 커넥팅을 위한 그리퍼가 장착된 능동 툴 결합부를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 능동 툴 결합부(스튜어트 플랫폼)의 구성을 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부의 구성을 도시하는 도면이다.
도 6은 모터에 작용하는 외력을 추정하는 추정 알고리즘의 일 예를 도시한다.
도 7은 툴에 작용하는 외력을 추정하는 추정 알고리즘의 일 예를 도시한다.
도 8은 툴에 작용하는 외력을 추정하는 추정 알고리즘의 다른 일 예를 도시한다.
도 9는 모터의 강성을 조절하는 강성 조절 알고리즘의 일 예를 도시한다.
도 10은 툴의 강성을 조절하는 강성 조절 알고리즘의 일 예를 도시한다.

실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다

이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 능동 구동이 가능한 로봇용 툴 결합 장치를 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로봇용 툴 시스템을 도시하고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동 드라이버가 장착된 능동 툴 결합부를 도시하고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 커넥팅을 위한 그리퍼가 장착된 능동 툴 결합부를 도시하고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 능동 툴 결합부(스튜어트 플랫폼)의 구성을 도시하는 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부의 구성을 도시하는 도면이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로봇용 툴 시스템은 로봇 작업용 툴(200), 능동 툴 결합부(100) 및 제어부(400)를 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 사용자 제어 명령 입력부(500) 및 로봇 교시부(600)를 더 포함할 수 있다.

툴(200)은 로봇 암(300)의 말단에 형성되어 소정의 조립 동작을 수행한다. 툴(200)은 능동적으로 정밀 구동이 가능한 능동 툴 결합부(100)에 장착될 수 있는데, 참고로 도 2는 능동 툴 결합부(100)에 볼트 작업을 위한 전동 드라이버(200a)가 장착된 상태를 도시하고, 도 3은 능동 툴 결합부(100)에 조립을 위해 부품을 파지하는 조립용 그리퍼(200b)가 장착된 상태를 도시한다.

로봇 암(300)의 말단에 형성되는 툴(200)의 종류는 이에 한정되지 않고, 전동 또는 공압의 힘으로 구동하는 로봇말단장치를 모두 포함할 수가 있다. 예를 들어 상기 조립용 그리퍼(200b)는 전기에 의한 힘으로 링크를 움직여 물체를 파지하는 전동 그리퍼, 전자기력을 포함하는 자성의 힘으로 물체를 파지하는 마그네틱 그리퍼, 공압에 의한 흡착으로 물체를 파지하는 공압 그리퍼일 수가 있다. 또한, 상기 툴(200)의 일 예로 유체를 흡입하는 석션기가 장착될 수도 있다.

능동 툴 결합부(100)는 로봇 암(300)의 말단에 장착되어 능동 구동을 하며, 툴(200)을 장착시킨다. 능동 툴 결합부(100)가 정밀하게 능동 구동을 하기 때문에, 로봇 암(300)에 의한 위치 제어와 함께 로봇 암(300) 말단을 능동적으로 미세하게 움직일 수가 있어서, 툴(200)의 정밀 위치 제어가 가능하고 외력 등에 의한 가변적인 상황에도 용이하게 대처할 수가 있다.

능동 툴 결합부(100)는 제 1 플레이트(110), 제 2 플레이트(120), 링크(130), 및 구동부(미도시)를 포함하여 구성될 수 있다.

도 1에 도시되어 있는 것과 같이 능동 툴 결합부(100)의 일단부는 로봇 암(300)의 말단에 장착되고, 타단부에는 자동 조립을 위한 툴(200)이 장착된다. 즉, 능동 툴 결합부(100)는 로봇 암(300)의 말단과 툴(200) 사이에 배치된다.

전술한 바와 같이 본 발명의 능동 툴 결합부(100)는 능동 구동이 가능한데, 툴(200)에 외력이 가해졌을 때 외력에 따라 수동으로 움직이는 것이 아니라 제어 신호에 따라서 능동 툴 결합부(100)를 구동시켜 직접 툴(200)을 구동시킬 수가 있다.

본 발명에 따른 능동 툴 결합부(100) 없이 상기 툴(200)을 직접 로봇 암(300)의 말단에 결합시키는 경우, 자동 조립을 위해서 로봇 암(300)의 움직임으로 툴(200)을 이동시켜야 한다. 하지만, 로봇 암(300)은 무게로 인하여 관성이 크고, 다축의 로봇 암(300)으로 형성되는 경우 자중에 의해 로봇 암(300)의 처짐이 발생하여, 로봇 암(300) 말단의 위치를 정밀하게 위치 제어하는 것은 쉽지 않다. 본 발명에 따른 능동 툴 결합부(100)는 로봇 암(300)의 움직임과는 별개로 자체적으로 정밀 구동이 가능하기 때문에 말단에 장착되는 툴(200)의 움직임을 정밀하게 제어하는 것이 가능하다.

본 발명에 따른 능동 툴 결합부(100)는 초소형 스튜어트 플랫폼 형태로 형성될 수 있다. 두 개의 플레이트(110, 120) 사이에 6개의 링크(130)가 각각 양단이 모두 회동 가능하게 결합하고, 각 링크(130)의 움직임에 따라서 6자유도의 움직임이 가능하다. 여기서 6 자유도라고 하면 직교좌표계를 중심으로 하는 직선 이동 및 회전 이동을 의미한다.

스튜어트 플랫폼을 구성하는 제 1 플레이트(110)는 원형의 플레이트 형태로 형성될 수 있으며 로봇 암(300)의 말단에 장착되어, 그 위치가 고정된다.

제 2 플레이트(120)도 원형의 플레이트 형태로 형성될 수 있으며 제 1 플레이트(110)와 이격되어 제 1 플레이트(110)의 하측에 배치되고, 제 2 플레이트(120)에는 볼트 작업을 위한 전동 드라이버(200a) 또는 조립을 위해 부품을 파지하는 조립용 그리퍼(200b) 등의 툴(200)이 장착될 수 있다.

도 2에서 전동 드라이버(200a)는 제 2 플레이트(120)의 측면부에 도 3에서 조립용 그리퍼(200b)는 제 2 플레이트(120)의 하측면에 장착되어 있으나, 툴(200)이 장착되는 위치는 조립 환경, 툴(200)의 형태 등에 따라서 바뀔 수가 있다.

이때, 본 발명에서 능동 툴 결합부(100)는 제 1 플레이트(110)와 제 2 플레이트(120)의 직경이 10cm~15cm 정도로 전체 크기가 작은 초소형 스튜어트 플랫폼으로 형성될 수 있다.

제 1 플레이트(110)와 제 2 플레이트(120) 사이에는 복수의 링크(130)가 양단이 회동 가능하게 연결된다. 이때, 링크(130)의 개수는 6개일 수가 있다. 또한, 각 링크(130)의 길이는 구동부의 제어에 따라 신축 가능하게 형성될 수 있다. 따라서, 구동부의 제어에 따라 링크(130)의 길이가 가변적으로 변함에 따라서 로봇 암(300)의 말단에 고정된 제 1 플레이트(110)를 중심으로 제 2 플레이트(120)를 직선 이동 및 회전 이동시킬 수가 있다.

이때, 도 4에 도시되어 있는 것과 같이 각 링크(130)는 제 1 플레이트(110)와 제 2 플레이트(120)의 반경 방향 바깥쪽에 회동 가능하게 결합되는 것이 바람직하며, 6개의 링크(130)는 이웃하는 링크(130)들 사이는 서로 반대 방향으로 경사지게 배치될 수 있다. 즉, 이웃하는 2개의 링크(130)는 쌍으로 상측의 제 1 플레이트(110)에서 인접하게 배치되고, 마찬가지로 인접하는 2개의 링크(130)는 쌍으로 하측의 제 2 플레이트(120)에서 인접하게 배치될 수가 있다. 참고로 도 4에서는 제 1 플레이트(110)가 분리된 형태를 도시한다.

구동부는 링크(130)에 연결되는 모터 및 모터를 제어하는 서보 드라이버로 구성될 수 있다. 구동부는 제 1 플레이트(110)의 상측에 배치되는 것이 바람직하며, 구동부를 구성하는 모터 및 서보 드라이버는 각 링크(130)에 대응하는 개수로 형성된다. 이때, 링크(130)는 예를 들어 회전운동을 직선운동으로 바꾸는 볼스크류로 형성되어 모터에 의해 회전할 때 신축이 가능할 수가 있다. 구동부에 의해 링크(130)를 구동시키는 구성은 이에 한정되지 않고 공지된 다른 방법들을 사용할 수가 있다.

이와 같이 본 발명의 능동 구동이 가능한 능동 툴 결합부(100)를 로봇 암(300)의 말단에 장착시키면, 조립 공정을 위해 공정 대상에 근접 이동시킨 상태에서 로봇 암(300)을 제어하여 툴(200)의 위치 제어를 하는 것이 아니라 로봇 암(300)의 위치가 고정된 상태이거나 로봇 암(300)의 구동과 함께 구동부의 제어로 제 2 플레이트(120)를 이동시켜 말단의 툴(200)의 위치를 정밀하게 제어할 수가 있다.

나아가, 본 발명에서는 별도의 센서 없이 외력을 추정할 수가 있다. 또한, 별도의 추가 장치 없이 외력에 대한 능동 툴 결합부(100)의 강성을 조절할 수가 있다. 따라서, 조립 공정 중 접촉력을 센싱하고 이에 따라 능동 툴 결합부(100)의 강성을 능동적으로 변화시킬 수가 있어서 조립 공정의 정밀성 및 유연성을 더욱 향상시킬 수가 있다.

제어부(400)는 능동 툴 결합부(100)의 동작을 제어한다. 제어부(400)는 능동 툴 결합부(100)의 구동을 제어할 뿐만 아니라, 모터의 입출력 제어 신호를 기초로 툴(200)에 가해지는 외력을 추정할 수 있고, 나아가 모터의 입출력 제어 신호를 기초로 강성을 조절할 수도 있다.

이때, 본 발명에서 제어부(400)는 능동 툴 결합부(100)와 분리되어 로봇의 외부에 위치하며, 능동 툴 결합부(100)와 실시간 통신을 통해 능동 툴 결합부(100)의 동작을 제어한다. 이때, 제어부(400)와 능동 툴 결합부(100) 사이는 이더캣(EtherCAT)으로 실시간 통신을 수행하며 데이터를 송수신할 수 있다.

로봇 교시부(600)는 능동 툴 결합부(100)에 탈부착이 가능하며 볼팅 또는 커넥팅과 같은 조립 공정의 교시 절차를 수행하는 직접 교시 장치이다.

작업자는 로봇 암(300) 및 능동 구동이 가능한 능동 툴 결합부(100) 및 툴(200)을 직접 구동시켜 볼팅 또는 커넥팅의 조립 공정을 수행하고, 상기 과정에서 로봇 교시부(600)는 로봇 암(300) 및 능동 툴 결합부(100)의 동작 및 툴(200)의 동작을 저장하여 교시하게 된다. 본 발명에서는 로봇 암(300)의 말단에 직접 로봇 교시부(600)를 장착하여 사용자의 직관적인 로봇 교시가 가능하며 교시 정밀도를 향상시킬 수 있다. 로봇 교시부(600)로부터 교시 신호를 수신하여 수신된 데이터를 제어부(400)에 전송하여, 제어부(400) 내의 직접 교시 알고리즘 생성부(445)에서는 상기 수신된 데이터를 기초로 직접 교시에 따른 직접 교시 알고리즘(450)을 생성하게 된다.

또한, 사용자 제어 명령 입력부(500)는 제어부(400)와 유선 통신을 통해 연결되거나 와이파이(Wifi) 또는 블루투스(Bluetooth)와 같은 무선 통신을 통해 연결될 수 있는데, 사용자로부터 제어 명령을 입력 받아 제어부(400)에 전송한다. 사용자 제어 명령 입력부(500)는 디스플레이 화면을 포함하는 컴퓨터로 구성될 수 있는데, 로봇의 상태 표시, 조립 작업 정보의 표시, 직접 교시 관련 설정 및 상태 표시 등으로 전체 로봇의 상태를 표시할 수도 있다.

도 5를 참조로 제어부(400)의 구성을 보다 자세히 설명하기로 한다.

제어부(400)에는 능동 툴 결합부(100)를 능동 구동시키기 위하여 외력 추정부(405), 강성 조절부(410), 및 구동 제어부(415)가 형성된다.

외력 추정부(405)는 능동 툴 결합부(100)를 구성하는 각 링크(130)의 구동을 제어하는 모터의 입출력 제어 신호를 기초로 외력을 추정한다. 즉, 외력을 감지하는 별도의 센서 없이 본 발명에서는 모터의 입출력 제어 신호를 기초로 외력을 추정할 수가 있다. 외력 추정부(405)에서 외력을 추적하는 상세 알고리즘은 후술하기로 한다.

강성 조절부(410)는 능동 툴 결합부(100)를 구성하는 각 링크(130)의 구동을 제어하는 모터의 입출력 제어 신호를 기초로 능동 툴 결합부(100)의 위치 변형을 위한 강성을 조절한다. 강성 조절부(410)에서 강성을 조절하는 상세 알고리즘은 후술하기로 한다.

구동 제어부(415)는 능동 툴 결합부(100)를 구성하는 각 링크(130)의 구동을 제어하는 모터에 제어 입력 값을 전송하고, 모터의 제어 출력 값을 수신하며 능동 툴 결합부(100)의 구동을 정밀 제어한다. 역기구학 또는 기구학 정보를 기초로 6개의 링크(130)의 운동을 제어하여 제 2 플레이트(120)를 특정의 위치로 구동시켜 제 2 플레이트(120)에 장착되는 툴(200)을 정밀하게 구동시킬 수가 있다.

또한, 제어부(400)에는 이더캣 인터페이스(420), 외부장치 입출력 인터페이스(425), 범용 로봇 인터페이스(430), 무선 연결부(435)가 형성될 수 있다.

전술한 바와 같이 로봇 외부에 위치하는 제어부(400)와 로봇 암(300)의 말단에 장착되는 능동 툴 결합부(100) 사이에는 실시간 통신을 통해 데이터를 송수신하는데, 일 예로 제어부(400)에 형성된 이더캣 인터페이스(420)를 통해 이더캣(EtherCAT)으로 실시간 통신을 수행할 수가 있다.

외부장치 입출력 인터페이스(425)는 능동 툴 결합부(100) 외에 별도의 외부 장치와 데이터 통신을 수행하도록 하도록 하여, 제어부(400)의 기능을 확장시킬 수 있도록 한다. 예를 들어, 외부장치 입출력 인터페이스(425)를 통해 툴(200)과 직접 연결시켜 툴(200)의 동작을 제어할 수가 있으며, 로봇의 상태를 모니터링하기 위한 별도의 외부장치를 연결시킬 수도 있다.

범용 로봇 인터페이스(430)는 로봇 컨트롤러(310)와 연결시켜 로봇의 구동을 제어할 수 있도록 한다. 로봇의 제조사마다 전용의 프로토콜을 통해 로봇 제어를 위한 데이터를 송수신하는데, 본 발명에서는 각 로봇에 사용되는 전용의 프로코콜들을 라이브러리화하여 저장하고, 범용 로봇 인터페이스(430)를 통해 로봇 컨트롤러(310)와 연결하여 로봇의 제조사와 상관없이 로봇의 구동을 제어할 수 있도록 한다.

무선 연결부(435)는 전술한 사용자 제어 명령 입력부(500)와 무선 연결하여 사용자 제어 명령 입력부(500)와 제어부(400) 사이에 무선으로 데이터를 송수신할 수 있도록 한다.

또한, 제어부(400)는 고난도 조립 알고리즘(440), 직접 교시 알고리즘 생성부(445) 및 직접 교시 알고리즘 생성부(445)에서 생성된 직접 교시 알고리즘(450), 조립 상태 판별 알고리즘(455)을 포함할 수 있다.

고난도 조립 알고리즘(440)은 로봇 암(300), 능동 툴 결합부(100) 및 툴(200)의 제어를 통해 고난도의 조립을 위한 알고리즘이다. 툴(200)이 전동 드라이버(200a)일 경우 전동 드라이버의 동작을 위한 전용의 조립 알고리즘이 탑재되며, 툴(200)이 스크리퍼(200b)일 경우 스크리퍼의 동작을 위한 전용의 조립 알고리즘이 탑재될 수 있다.

직접 교시 알고리즘 생성부(445)는 능동 툴 결합부(100)에 탈착 가능한 로봇 교시부(600)를 장착시키고 로봇 교시부(600)로부터 교시 신호를 전송 받아 직접 교시 알고리즘(450)을 생성한다. 사용자 제어 명령 입력부(500)에서는 직접 교시를 위한 교시 모드를 설정할 수가 있고, 사용자 제어 명령 입력부(500)로부터의 설정에 따라서 직접 교시 알고리즘(450)에 따라 자동으로 조립을 수행할 수 있다.

조립 상태 판별 알고리즘(455)은 직접 교시 알고리즘(450) 또는 사용자의 명령에 따라서 소정의 조립 공정을 수행하였을 때, 조립 상태가 요구 조건에 부합하는지를 판별하는 알고리즘이다. 조립 상태 판별 알고리즘(455)에 따라서 조립의 완료 여부를 판단하여, 추가 조립 동작을 수행하거나 조립을 종료하도록 한다.

이하, 도 6 내지 도 10을 참조로 전술한 외력 추정부(405) 및 강성 조절부(410)의 상세 알고리즘에 관하여 설명하기로 한다.

도 6은 모터에 작용하는 외력을 추정하는 추정 알고리즘의 일 예를 도시하고, 도 7은 툴에 작용하는 외력을 추정하는 추정 알고리즘의 일 예를 도시하고, 도 8은 툴에 작용하는 외력을 추정하는 추정 알고리즘의 다른 일 예를 도시하고, 도 9는 모터의 강성을 조절하는 강성 조절 알고리즘의 일 예를 도시하고, 도 10은 툴의 강성을 조절하는 강성 조절 알고리즘의 일 예를 도시한다.

외력 추정부(405)는 각 링크(130)의 구동을 제어하는 모터의 입출력 제어 신호를 기초로 외력을 추정한다.

외력 추정부(405)가 외력을 추정하는 일 예로, 도 6에 도시되어 있는 것과 같이 명령 토크값 (

)에 따라서 모터의 전류 생성기에서 생성되는 모터의 입력 전류값(

)과 입력 전류값 (

)에 따른 실제 모터로부터 출력되는 출력 전류값 (

) 사이의 차를 이용해서 모터에 작용하는 외력 (

)을 추정할 수 있다. 예를 들어, 외력 추정부(405)는 모터의 외력 추정 알고리즘 식(

)으로부터 모터에 작용하는 외력을 추정할 수가 있다. 모터에 작용하는 외력(

)은 모터의 입력 전류값(

)과 출력 전류값(

) 사이의 차에 선형적으로 비례하는 관계를 가진다. 즉, 모터에 작용하는 외력(

)이 커질수록 입력 전류값(

)과 출력 전류값(

) 사이의 차 값이 커지게 된다. 여기서,

,

는 모터가 가지고 있는 고유의 특성값으로 모터의 종류에 따라서 달라질 수가 있는 상수이다.

상기와 같이 각 모터에 작용하는 외력을 추정하고 이에 따라 각 모터의 출력값 또는 강성을 제어하는 것도 바람직하나, 실제 툴(200)에 작용하는 외력을 추정하는 것도 중요하다.

이에, 도 7에 도시되어 있는 것과 같이 외력 추정부(405)는 모터의 외력 추정 알고리즘으로부터 각 모터에 대하여 추정된 외력(

)을 스튜어트 플랫폼 정기구학을 이용한 변환식으로 변환시켜 제 2 플레이트(120)의 무게 중심에 작용하는 외력(

)으로 변환시키고, 이를 다시 제 2 플레이트(120)와 툴(200) 사이의 좌표 공간 변환식으로 변환시켜 툴(200)에 작용하는 외력(

)을 구할 수가 있다.

또 다른 방법으로, 도 8에 도시되어 있는 것과 같이 외력 추정부(405)는 작업 공간에서의 툴(200)의 위치오차를 활용하여 툴(200)에 작용하는 외력을 추정할 수가 있다. A 지점에서 B지점으로 툴(200)을 이동시킬 때 외력이 없는 일반적인 경우에는 위치오차가 거의 0이다. 따라서, 위치오차를 생기게 하는 요인은 외력이다. 위치오차와 외력 사이의 관계는 복잡한 관계식을 가지지만 예를 들어 선형의 관계를 가지는 것으로 볼 경우, 툴(200)의 위치 명령값(

)과 이에 따른 툴(200)의 현재 위치값(

) 사이의 차로부터 위치오차(

)를 구하고, 이를 작업공간에서의 툴(200)에 작용하는 외력 추정식(

)에 대입하여 툴(200)에 작용하는 외력(

)을 구할 수가 있다. 이때,

는 툴(200)이 가지는 관성값으로 각 툴(200)마다 가지는 고유의 값이다.

툴(200)의 현재 위치값(

)은 모터의 현재 변위값(각도)(

)을 감지하여 이를 스튜어트 플랫폼 정기구학 변환식을 통해 변환시켜 구할 수가 있다.

다음, 강성 조절부(410)는 모터의 입출력 제어 신호를 기초로 능동 툴 결합부(100)의 위치 변형을 위한 강성을 조절한다.

일 예로, 도 9에 도시되어 있는 것과 같이 강성 조절부(410)는 툴(200)을 A지점에서 B지점으로 이동시킬 때 A 지점에서의 모터의 현재 변위값(각도)(

)과 스튜어트 플랫폼 역기구학 변환식을 이용하여 B지점에서의 변위값 (

)을 구하고 이로부터 구한 이동해야 할 각 모터의 변위값(각도) (

)을 입력으로 모터의 출력 (

)을 구하는 제어식(

) 의 제어 상수(예를 들어,

(스프링 상수),

(댐핑 상수))를 변환시켜 각 모터의 출력 토크를 결정할 때 스프링과 댐퍼의 성질을 가지도록 하여 각 모터의 강성을 조절할 수가 있다.

상기와 같이 각 모터에 작용하는 강성을 조절하도록 하는 것도 바람직하나, 실제 작업 공간에서 툴(200)에 작용하는 외력을 추정하여 추정된 외력에 따라 강성을 가변적으로 조절하도록 하는 것도 고려할 수 있다.

도 10에 도시되어 있는 것과 같이 강성 조절부(410)는 툴(200)을 A지점에서 B지점으로 이동시킬 때 위치 명령값(

)에 따른 각 모터의 변위 값을 구하여 모터를 구동시키는 것이 아니라, 위치 명령값(

)에 외력에 의한 툴(200)의 위치오차 값(

)을 더하여 수정된 위치 명령값(

)을 기초로 스튜어트 플랫폼 역기구학 변환식으로부터 각 모터의 변위값(

)을 구하도록 한다. 이때, 외력의 크기에 따른 위치오차값(

)을 수정하여 강성을 조절하는 것이다.

이때, 외력에 의한 툴(200)의 위치오차 값(

)은, 예를 들어, 외력 추정부(405)에서 구한 작업 공간에서의 툴(200)에 작용하는 외력(

)을 입력으로 외력에 따른 위치오차 추정 알고리즘(

)으로부터 구할 수가 있다. 여기서,

는 관성값이고,

는 사용자가 임의로 결정하는 댐핑 상수이며,

는 사용자가 임의로 결정하는 스프링 상수이다. 이때, 댐핑 상수와 스프링 상수를 조절하여 추정되는 위치오차를 변경시킬 수가 있고, 이를 수정된 위치 명령값(

)에 반영시켜 외력에 따른 강성을 조절할 수가 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명에서 제어부(400)는 고수준의 제어 알고리즘이 탑재되므로, 최신의 기술로 집적도를 향상시킨다고 하더라도 제어부(400)의 크기에 제약이 생길 수 있고, 연산 과정에서 발열의 문제가 발생할 수 있다. 이에, 본 발명에서는 제어부(400)를 능동 툴 결합부(100)와 별도로 분리시켜 공간 및 발열의 문제를 해결할 수 있도록 하였다. 또한, 제어부(400)를 분리시킴에 따라서 별도의 외부 장치와의 연결도 확장시킬 수가 있다.

본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

100: 능동 툴 결합부
110: 제 1 플레이트
120: 제 2 플레이트
130: 링크
200: 툴
200a: 전동 드라이버
200b: 그리퍼
300: 로봇 암
310: 로봇 컨트롤러
400: 제어부
405: 외력 추정부
410: 강성 조절부
415: 구동 제어부
420: 이더캣 인터페이스
425: 외부장치 입출력 인터페이스
430: 범용 로봇 인터페이스
435: 무선 연결부
440: 고난도 조립 알고리즘
445: 직접 교시 알고리즘 생성부
450: 직접 교시 알고리즘
455: 조립 상태 판별 알고리즘
500: 사용자 제어 명령 입력부
600: 로봇 교시부

Claims (10)

1. 로봇 작업용 툴;
   로봇 암의 말단에 장착되어 능동 구동을 하며, 상기 툴을 장착시키는 능동 툴 결합부; 및
   상기 능동 툴 결합부와 실시간 통신을 통해 상기 능동 툴 결합부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하고,
   상기 제어부는 서로 다른 로봇에 각기 사용되는 전용의 프로토콜을 각각 라이브러리화하여 저장하고, 로봇 컨트롤러와 연결되어 범용으로 로봇을 제어하도록 하는 범용 로봇 인터페이스를 포함하는 로봇용 툴 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 능동 툴 결합부는
   상기 로봇 암의 말단에 장착되는 제 1 플레이트;
   상기 툴이 장착되는 제 2 플레이트;
   상기 제 1 플레이트와 상기 제 2 플레이트 사이에 회동 가능하게 연결되는 복수의 링크; 및
   각각의 상기 링크를 구동시켜 상기 제 2 플레이트를 구동시키는 구동부를 포함하는 로봇용 툴 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 툴은 전동 드라이버, 전동 그리퍼, 마그네틱 그리퍼, 공압 그리퍼, 석션기 중 어느 하나를 포함하는 전동 또는 공압에 의해 동작하는 로봇말단장치인 로봇용 툴 시스템.
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 구동부는 링크에 연결되는 모터 및 상기 모터를 제어하는 서보 드라이버를 포함하는 로봇용 툴 시스템.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 모터의 입출력 제어 신호를 기초로 외력을 추정하는 외력 추정부를 포함하는 로봇용 툴 시스템.
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 모터의 입출력 제어 신호를 기초로 상기 능동 툴 결합부의 강성을 조절하는 강성 조절부를 포함하는 로봇용 툴 시스템.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 제어부와 상기 능동 툴 결합부는 이더캣(EtherCAT)으로 실시간 통신을 수행하는 로봇용 툴 시스템.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 제어부는 외부 장치와 연결하는 외부 장치 입출력 인터페이스를 포함하는 로봇용 툴 시스템.
9. 삭제
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 능동 툴 결합부에 탈부착이 가능하며, 로봇의 작업을 직접 교시하는 로봇 교시부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 로봇 교시부로부터 교시 신호를 수신하여 직접 교시를 위한 알고리즘을 생성하는 직접 교시 알고리즘 생성부를 포함하는 로봇용 툴 시스템.

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