KR102448594B1 - Joint apparatus and robot comprising the same - Google Patents

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KR102448594B1
KR102448594B1 KR1020210072483A KR20210072483A KR102448594B1 KR 102448594 B1 KR102448594 B1 KR 102448594B1 KR 1020210072483 A KR1020210072483 A KR 1020210072483A KR 20210072483 A KR20210072483 A KR 20210072483A KR 102448594 B1 KR102448594 B1 KR 102448594B1
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윤동원
최성현
김동현
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재단법인대구경북과학기술원
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Abstract

A joint apparatus according to the present embodiment comprises a first plate, a second plate, a ball joint unit, a universal joint unit, and a revolute joint unit, and comprises a plurality of links located between the first plate and the second plate and a plurality of stoppers preventing the links from yielding, wherein the plurality of links provide compliance to the joint apparatus. The joint apparatus allows assembly without damaging a robot.

Description

관절 장치 및 이를 포함하는 로봇{JOINT APPARATUS AND ROBOT COMPRISING THE SAME}JOINT APPARATUS AND ROBOT COMPRISING THE SAME

본 기술은 관절 장치 및 이를 포함하는 로봇과 관련된다.The present technology relates to a joint device and a robot comprising the same.

제조업에서 제조되는 물품들은 여러 종류의 부품들이 조립되어 제조되며, 높은 생산성을 얻기 위하여 수동 작업이 아닌 로봇 등의 자동화 장비를 이용하여 조립 및 제조된다. 나아가 최근 로봇 제어 기술이 고도화되면서 많은 생산 공정에서 로봇이 인력을 대체하고 있다. 그러나 조립 공정은 매우 작은 오차에 의해서도 실패할 수 있으며 이 경우 조립 부품과 조립을 수행하는 로봇 사이에 심각한 손상을 초래할 수 있기 때문에 자동화에 난점이 있다. Articles manufactured in the manufacturing industry are manufactured by assembling various types of parts, and are assembled and manufactured using automated equipment such as robots, not manual work, in order to obtain high productivity. Furthermore, with the recent advancement of robot control technology, robots are replacing manpower in many production processes. However, the assembly process can fail even with very small errors, which can cause serious damage between the assembly parts and the robot performing the assembly, making automation difficult.

현재 가장 단순한 조립 공정인 페그 인 홀(peg-in-hole) 작업에서 사용되는 기술은 힘/토크 센서, 비전 센서 등 조립 상태를 측정할 수 있는 외부 센서를 이용하거나, RCC(Remote Center Compliance)와 같은 수동 컴플라이언스 장치를 이용하는 것이다.Currently, the technology used in the peg-in-hole operation, which is the simplest assembly process, uses an external sensor that can measure the assembly status, such as a force/torque sensor, a vision sensor, or RCC (Remote Center Compliance). It uses the same passive compliance device.

종래 기술에서 센서는 로봇의 관절에 장착되어 조립품 간에 발생하는 접촉력을 측정하고, 로봇은 이를 통해 접촉 지점과 조립할 구멍의 위치 및 자세를 추정한다. 추정된 값을 통해 오정렬된 양을 계산하고 피드백을 이용하여 부품간의 접촉력을 일정량 이하로 유지하면서 조립을 완료할 수 있다. In the prior art, a sensor is mounted on a joint of a robot to measure a contact force generated between assemblies, and the robot estimates the position and posture of a contact point and a hole to be assembled through this. The amount of misalignment can be calculated through the estimated value and the assembly can be completed while maintaining the contact force between the parts below a certain amount using feedback.

로봇의 동작을 제어하기 위해서는 로봇 관절의 선형 변위, 회전 각도 및 힘/토크를 측정하는 것이 필요하다. 로봇 관절에 작용하는 토크를 측정하기 위해서 토크 센서가 사용된다. 하지만, 토크 센서는 가격이 비싸고, 토크 센서를 장착하기 위해서는 구조가 매우 복잡해진다.To control the robot's motion, it is necessary to measure the linear displacement, rotation angle, and force/torque of the robot's joints. A torque sensor is used to measure the torque acting on the robot joints. However, the torque sensor is expensive, and the structure becomes very complicated in order to mount the torque sensor.

본 기술로 해결하고자 하는 과제 중 하나는 로봇으로 조립을 수행할 때 관절의 물리적 특성을 측정할 수 있는 센서 및 조립 대상 제품 및 로봇의 손상 없이 조립을 수행할 수 있는 관절 장치를 제공하기 위한 것이다.One of the challenges to be solved by this technology is to provide a sensor capable of measuring the physical properties of a joint when assembling with a robot, a product to be assembled, and a joint device capable of performing assembly without damaging the robot.

본 실시예에 의한 관절 장치는: 제1 플레이트와, 제2 플레이트와, 볼 조인트 부(ball joint unit), 유니버셜 조인트 부(universal joint unit) 및 회전 조인트 부(revolute joint unit)를 포함하며, 제1 플레이트 및 제2 플레이트 사이에 위치하는 복수의 링크(link)들 및 링크의 항복을 방지하는 복수의 스토퍼(stopper) 들을 포함하며, 복수의 링크들은 관절 장치에 컴플라이언스(compliance)를 제공한다.The joint device according to this embodiment includes: a first plate, a second plate, a ball joint unit, a universal joint unit, and a revolute joint unit; A plurality of links (links) positioned between the first plate and the second plate and a plurality of stoppers (stoppers) for preventing the yielding of the links, the plurality of links provides compliance (compliance) to the articulation device.

본 실시예에 의한 로봇은: 로봇 팔; 그리퍼 및 로봇 팔과 그리퍼 사이에 연결된 관절을 포함하며, 관절은: 제1 플레이트와, 제2 플레이트와, 볼 조인트 부(ball joint unit), 유니버셜 조인트 부(universal joint unit) 및 회전 조인트 부(revolute joint unit)를 포함하며, 제1 플레이트 및 제2 플레이트 사이에 위치하는 복수의 링크(link)들 및 링크의 항복을 방지하는 복수의 스토퍼(stopper) 들을 포함하며, 복수의 링크들은 관절 장치에 컴플라이언스(compliance)를 제공한다.The robot according to this embodiment includes: a robot arm; a gripper and a joint connected between the robot arm and the gripper, the joint comprising: a first plate, a second plate, a ball joint unit, a universal joint unit, and a revolute a joint unit), and a plurality of links positioned between the first plate and the second plate and a plurality of stoppers for preventing the yielding of the link, the plurality of links being compliant to the joint device (compliance) is provided.

본 실시예의 관절 장치에 의하면 6 방향 자유도(degree of freedom)를 가지며, 종래 기술에 비하여 낮은 응력으로 더 큰 범위의 변위를 가진다는 장점이 제공된다. According to the articulation device of this embodiment, it has six degrees of freedom, and has the advantage of having a larger range of displacement with low stress compared to the prior art.

도 1은 본 실시예에 의한 관절 장치의 개요를 도시한 사시도이다.
도 2(a)는 링크의 개요를 도시한 사시도이고, 도 2(b)는 링크의 동작을 도시하는 측면도이다.
도 3(a)는 관절 장치의 평면도이고, 도 3(b)는 관절 장치의 저면도이다.
도 4는 본 실시예에 의한 관절 장치를 이용하는 로봇을 개요적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 실시예에 의한 관절 장치의 최대 변위 및 항복 응력을 모의실험한 결과를 도시한 도면이다.
1 is a perspective view showing the outline of the joint device according to the present embodiment.
Fig. 2(a) is a perspective view showing the outline of the link, and Fig. 2(b) is a side view showing the operation of the link.
Figure 3 (a) is a plan view of the joint device, Figure 3 (b) is a bottom view of the joint device.
4 is a diagram schematically illustrating a robot using the joint device according to the present embodiment.
5 is a view showing the results of simulation of the maximum displacement and yield stress of the joint device according to the present embodiment.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 실시예를 설명한다. 도 1은 본 실시예에 의한 관절 장치(10)의 개요를 도시한 사시도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 관절 장치(10)는 제1 플레이트(110)와, 제2 플레이트(120)와, 볼 조인트 부(ball joint unit), 유니버셜 조인트 부(universal joint unit) 및 회전 조인트 부(revolute joint unit)를 포함하며, 제1 플레이트 및 제2 플레이트 사이에 위치하는 복수의 링크들(links, 210)들 및 링크의 항복을 방지하는 복수의 스토퍼(stopper, 300) 들을 포함하며, 복수의 링크들은 상기 관절 장치에 컴플라이언스(compliance)를 제공한다. Hereinafter, this embodiment will be described with reference to the accompanying drawings. 1 is a perspective view showing the outline of the joint device 10 according to the present embodiment. 1, the joint device 10 according to this embodiment is a first plate 110, a second plate 120, a ball joint unit (ball joint unit), a universal joint unit (universal joint unit) and a revolute joint unit, a plurality of links 210 positioned between the first plate and the second plate, and a plurality of stoppers 300 for preventing the yielding of the links. Including, a plurality of links provide compliance (compliance) to the articulation device.

일 실시예로, 링크(210)들은 나일론 6 등의 유연성 재질로 형성될 수 있다. 관절 장치(10)는 x 축 방향의 변위(Δx), y 축 방향의 변위(Δy), z 축 방향의 변위(Δz), x 축을 중심으로 하는 회전 변위(Δθx), y 축을 중심으로 하는 회전 변위(Δθy), z 축을 중심으로 하는 회전 변위(Δθz)의 6 방향 자유도(degree of freedom)를 가진다.In one embodiment, the links 210 may be formed of a flexible material such as nylon 6. The joint device 10 includes a displacement in the x-axis direction (Δx), a displacement in the y-axis direction (Δy), a displacement in the z-axis direction (Δz), a rotational displacement about the x-axis (Δθx), and a rotation about the y-axis It has six degrees of freedom: displacement (Δθy), rotational displacement (Δθz) about the z axis.

제1 플레이트(110)와 제2 플레이트(120)에는 각각 링크(210)의 제1 연결부(218a, 도 2 참조)와 제2 연결부(218b, 도 2 참조)가 삽입되어 고정될 수 있다. 또한, 제1 플레이트(110)와 제2 플레이트(120) 중 어느 하나에는 스토퍼(300)의 일단이 고정될 수 있으며, 제1 플레이트(110)와 제2 플레이트(120) 중 다른 하나에는 스토퍼(300)의 타단이 유격 가능하도록 삽입될 수 있다(도 3 참조). 일 실시예로, 제1 플레이트(110)와 제2 플레이트(120)는 알루미늄, 스테인리스 스틸 등의 굳은(rigid) 재질로 형성될 수 있다. The first connection part 218a (refer to FIG. 2 ) and the second connection part 218b (refer to FIG. 2 ) of the link 210 may be inserted and fixed to the first plate 110 and the second plate 120, respectively. In addition, one end of the stopper 300 may be fixed to any one of the first plate 110 and the second plate 120 , and the stopper ( 300) may be inserted so that the other end is playable (see FIG. 3). In an embodiment, the first plate 110 and the second plate 120 may be formed of a rigid material such as aluminum or stainless steel.

관절 장치(10)는 스토퍼(300)를 포함한다. 도시된 실시예에서, 스토퍼(300)의 일단은 제1 플레이트(110)에 고정되고, 타단은 제2 플레이트(120)에 형성된 홀(120h, 도 3(b) 참조)에 움직일 수 있도록 삽입된다.The articulation device 10 includes a stopper 300 . In the illustrated embodiment, one end of the stopper 300 is fixed to the first plate 110 , and the other end is movably inserted into the hole 120h (see FIG. 3B ) formed in the second plate 120 ). .

도 2(a)는 링크(210)의 개요를 도시한 사시도이고, 도 2(b)는 링크(210)의 동작을 도시하는 링크(210)의 측면도이다. 도 1, 도 2(a) 및 도 2(b)를 참조하면, 링크(210)는 회전 조인트 부(revolute joint unit, 212), 유니버셜 조인트 부(universal joint unit, 214) 및 볼 조인트부(ball joint unit, 216)를 포함한다. 2 (a) is a perspective view showing the outline of the link (210), Figure 2 (b) is a side view of the link (210) showing the operation of the link (210). 1, 2 (a) and 2 (b), the link 210 is a revolute joint unit (revolute joint unit, 212), a universal joint unit (universal joint unit, 214) and a ball joint unit (ball) joint unit, 216).

일 실시예로, 링크(210)는 제1 플레이트(110, 도 1 참조)에 삽입되는 제1 연결부(218a)와 제2 플레이트(120, 도 1 참조)에 삽입되는 제2 연결부(218b)를 더 포함할 수 있다. In one embodiment, the link 210 includes a first connection part 218a inserted into the first plate 110 (see FIG. 1) and a second connection part 218b inserted into the second plate 120 (see FIG. 1). may include more.

회전 조인트 부(212)는 도 2(a) 및 도 2(b)로 예시된 것과 같이 벤딩 면(bending surface, Rs1)를 포함하며, 벤딩 면(Rs1)이 굽음으로써 회전 조인트로 기능한다. 도 2(a) 및 도 2(b)로 예시된 실시예와 같이 제1 플레이트(110)와 제2 플레이트(120) 사이에 배치된 링크(210)에 포함된 회전 조인트 부(214)에서 벤딩 면(Rs1)은 미리 일정한 각도로 오프셋되어 회전한 상태일 수 있다. 일 예로, 오프셋 없이 직선 형태로 링크(210)가 제1 플레이트(110)와 제2 플레이트(120) 사이에 배치된 경우에, 제1 플레이트(110)와 제2 플레이트(120) 사이에 압력이 가해지면 회전 조인트의 회전 방향이 시계 방향인지 반시계 방향인지 정해지지 않아 특이점(singularity)이 형성될 수 있다. 따라서, 회전 조인트 부(212)를 미리 오프셋 회전하여 특이점의 형성을 막을 수 있다. The rotary joint part 212 includes a bending surface (Rs1) as illustrated in FIGS. 2(a) and 2(b), and functions as a rotary joint by bending the bending surface (Rs1). Bending in the rotary joint part 214 included in the link 210 disposed between the first plate 110 and the second plate 120 as in the embodiment illustrated in FIGS. 2 ( a ) and 2 ( b ). The surface Rs1 may be in a rotated state by being offset by a predetermined angle in advance. For example, when the link 210 is disposed between the first plate 110 and the second plate 120 in a straight line without an offset, the pressure between the first plate 110 and the second plate 120 is When applied, it is not determined whether the rotational direction of the rotary joint is clockwise or counterclockwise, so a singularity may be formed. Accordingly, it is possible to prevent the formation of a singular point by pre-offset rotation of the rotary joint unit 212 .

유니버셜 조인트부(214)는 도시된 것과 같이 각각 서로 다른 방향으로 굽을 수 있는 제2 벤딩면(Rs2)과 제3 벤딩면(Rs3)를 포함한다. 제2 벤딩면(Rs2)과 제3 벤딩면(Rs3)이 굽음으로써 링크(210)가 서로 다른 두 방향으로 회전할 수 있도록 한다. 볼 조인트 부(216)는 링크(210)가 링크(210)의 길이축을 중심으로 회전할 수 있도록 한다. The universal joint part 214 includes a second bending surface Rs2 and a third bending surface Rs3 that can be bent in different directions, respectively, as illustrated. The second bending surface Rs2 and the third bending surface Rs3 are bent so that the link 210 can rotate in two different directions. The ball joint part 216 allows the link 210 to rotate about the longitudinal axis of the link 210 .

도 1, 도 2(a) 및 도 2(b)로 예시된 실시예에서, 링크(210)는 제2 플레이트에서 볼 조인트 부(216), 유니버셜 조인트 부(214) 및 회전 조인트 부(212) 순서로 제1 플레이트에 연결되나, 이는 단순히 예일 따름이며 링크에서 각 조인트 부가 배치되는 순서는 변형되어 실시될 수 있다. 1, 2(a) and 2(b), the link 210 is a ball joint portion 216, a universal joint portion 214 and a rotary joint portion 212 in the second plate. Although connected to the first plate in order, this is merely an example, and the order in which each joint part is arranged in the link may be modified.

예시된 실시예에서, 회전 조인트 부(212)의 벤딩면(Rs1)에는 링크에 제공되는 스트레인을 측정하는 스트레인 센서(400)가 위치한다. 후술할 바와 같이 스트레인 센서로 측정한 값을 이용하여 관절 장치(10)의 변위, 회전각 변위, 힘 및 모멘트를 얻을 수 있다. In the illustrated embodiment, the strain sensor 400 for measuring the strain provided to the link is located on the bending surface Rs1 of the rotary joint part 212 . As will be described later, it is possible to obtain the displacement, rotation angle displacement, force and moment of the joint device 10 using the values measured by the strain sensor.

도 2(a)는 스트레인 센서(400)가 회전 조인트 부(212)의 벤딩면(Rs1)에 위치하는 것을 예시한다. 그러나, 도시되지 않은 실시예에서, 스트레인 센서(400)가 링크(210)의 유니버셜 조인트 부(214)의 제2 벤딩면(Rs2), 제3 벤딩면(Rs3), 또는 회전 조인트 부(216) 중 적어도 한 곳에 위치한다.FIG. 2( a ) illustrates that the strain sensor 400 is positioned on the bending surface Rs1 of the rotary joint part 212 . However, in an embodiment not shown, the strain sensor 400 is the second bending surface Rs2, the third bending surface Rs3, or the rotary joint portion 216 of the universal joint portion 214 of the link 210 . located in at least one of

도 3(a)는 관절 장치(10)의 평면도이고, 도 3(b)는 관절 장치(10)의 저면도이다. 도 1 내지 도 3(a) 및 도 3(b)를 참조하면, 제1 플레이트(110)에 링크(210)들의 제1 연결부(218a)들이 삽입되어 연결된다. 또한, 스토퍼(300)의 일 단부(300a)는 제1 플레이트(110)에 고정된다. 제2 플레이트(120)에는 링크(210)들의 제2 연결부(218b)들이 삽입되어 연결된다. 또한, 제2 플레이트(120)에는 스토퍼(300)의 타 단부들이 이격되도록 삽입되는 홀(120h)들이 형성된다. Figure 3 (a) is a plan view of the joint device (10), Figure 3 (b) is a bottom view of the joint device (10). 1 to 3 ( a ) and 3 ( b ), the first connecting portions 218a of the links 210 are inserted and connected to the first plate 110 . In addition, one end 300a of the stopper 300 is fixed to the first plate 110 . The second connecting portions 218b of the links 210 are inserted and connected to the second plate 120 . In addition, holes 120h into which the other ends of the stopper 300 are spaced apart are formed in the second plate 120 .

그러나, 이는 단순히 실시예로, 스토퍼(300)의 일단은 제2 플레이트(120)에 고정되고, 타단은 제1 플레이트(110)에 형성된 홀에 움직일 수 있도록 삽입될 수 있다. 스토퍼(300)는 스테인리스 스틸, 알루미늄 등의 단단한(rigid)한 재질로 형성될 수 있다. However, this is merely an embodiment, and one end of the stopper 300 is fixed to the second plate 120 , and the other end may be movably inserted into the hole formed in the first plate 110 . The stopper 300 may be formed of a rigid material such as stainless steel or aluminum.

관절 장치(10)의 동작시 제1 플레이트(110)와 제2 플레이트(120)가 움직임에 따라 제1 플레이트(110)와 제2 플레이트(120)를 연결하는 링크(210)에 스트레인이 인가된다. 스토퍼(300)의 일단부(300a)는 제1 플레이트(110)에 고정되어 제1 플레이트(110)와 함께 움직이나, 스토퍼(300)의 타단부는 제2 플레이트(120)에 형성된 홀(120h) 내에서 이동할 수 있어 링크(210)에 항복 응력 이상의 응력이 제공되는 것을 방지할 수 있다. A strain is applied to the link 210 connecting the first plate 110 and the second plate 120 as the first plate 110 and the second plate 120 move during the operation of the joint device 10 . . One end 300a of the stopper 300 is fixed to the first plate 110 and moves together with the first plate 110 , but the other end of the stopper 300 has a hole 120h formed in the second plate 120 . ) can be moved within the link 210 can be prevented from being provided with a stress greater than the yield stress.

도 3(a) 및 도 3(b)로 예시된 것과 같이 링크(210)는 쌍을 이루어 배치될 수 있으며, 링크(210)의 쌍은 제1 플레이트(110), 제2 플레이트(120)의 중심에서 서로 같은 각도로 이격될 수 있다. 예시된 실시예는 세 개의 링크(210) 쌍이 형성되며, 링크(21)의 쌍들은 서로 제1 플레이트(110), 제2 플레이트(120)의 중심을 기준으로 서로 120도 씩 이격된 것을 예시한다. 다만, 이는 단순히 예일 따름이며, 네 개의 링크(210) 쌍이 서로 제1 플레이트(110), 제2 플레이트(120)의 중심을 기준으로 서로 90도 씩 이격되어 배치될 수 있다. 도시되지 않은 실시예도 마찬가지로, 네 개 이상의 링크 쌍이 배치될 수 있다. As illustrated in FIGS. 3( a ) and 3 ( b ), the links 210 may be arranged in pairs, and the pair of links 210 is the first plate 110 , the second plate 120 . They may be spaced apart from each other at the same angle from the center. The illustrated embodiment illustrates that three pairs of links 210 are formed, and the pairs of links 21 are spaced apart from each other by 120 degrees with respect to the center of the first plate 110 and the second plate 120 from each other. . However, this is merely an example, and a pair of four links 210 may be disposed to be spaced apart from each other by 90 degrees with respect to the center of the first plate 110 and the second plate 120 . Similarly to the not-shown embodiment, four or more link pairs may be disposed.

상기한 구성을 가지는 관절 장치(10)에는 스트레인 센서(400)가 배치되어 관절 장치(10)의 동작시 제공되는 스트레인을 측정할 수 있다. 도 1 내지 도 3(a) 및 도 3(b)로 예시된 실시예에서, 스트레인 센서(400)는 6개의 링크(210)에 각각 위치한다. 각 축으로 힘, 토크를 가했을 때 스트레인 센서(400)에서 측정되는 변형률은 미소 변형이므로 선형으로 가정할 수 있으며, 따라서 단일 축의 힘, 토크에 대한 각 링크의 변형률의 기울기를 이용하여 계수 행렬을 구할 수 있다. A strain sensor 400 is disposed in the joint device 10 having the above configuration to measure the strain provided during the operation of the joint device 10 . In the embodiment illustrated by FIGS. 1 to 3 ( a ) and 3 ( b ), the strain sensor 400 is located on each of the six links 210 . When force and torque are applied to each axis, the strain measured by the strain sensor 400 is a small strain, so it can be assumed to be linear. can

각 링크(210)에 위치하는 스트레인 센서(400)로부터 측정값으로부터 아래의 수학식 1과 같이 변위, 힘 및 모멘트를 얻을 수 있다. Displacement, force, and moment can be obtained as in Equation 1 below from the measured values from the strain sensor 400 located in each link 210 .

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112021064630657-pat00001
Figure 112021064630657-pat00001

수학식 1의 ①식을 참조하면, 미리 정의된 계수 행렬(A)과 각각의 링크(210)에 위치하는 스트레인 센서(400)의 측정값 행렬(S)로 연산을 수행하면 x 축 방향의 변위(Δx), y 축 방향의 변위(Δy), z 축 방향의 변위(Δz), x 축을 중심으로 하는 회전 변위(Δθx), y 축을 중심으로 하는 회전 변위(Δθy), z 축을 중심으로 하는 회전 변위(Δθz)를 얻을 수 있다. Referring to Equation ① of Equation 1, when an operation is performed with a predefined coefficient matrix (A) and a measurement value matrix (S) of the strain sensor 400 located in each link 210, displacement in the x-axis direction (Δx), displacement in the y-axis direction (Δy), displacement in the z-axis direction (Δz), rotational displacement about the x-axis (Δθx), rotational displacement about the y-axis (Δθy), rotation about the z-axis The displacement (Δθz) can be obtained.

나아가, 수학식 1의 ②식을 참조하면, 미리 정의된 계수 행렬(B)과 각각의 링크(210)에 위치하는 스트레인 센서(400)의 측정값 행렬(S)로 연산을 수행하면 관절 장치(10)에 제공되는 힘의 x 성분(Fx), 힘의 y 성분(Fy), 힘의 z 성분(Fz), 모멘트의 x 성분(Mx), 모멘트의 y 성분(My), 모멘트의 z 성분(Mz)을 얻을 수 있다. 따라서, 본 실시예에 의한 관절 장치(10)에 의하면 변위, 힘 및 모멘트를 측정할 수 있는 센서로 동작할 수 있다. Furthermore, referring to the ② expression of Equation 1, when the operation is performed with the predefined coefficient matrix (B) and the measured value matrix (S) of the strain sensor 400 located in each link 210, the joint device ( 10) the x component of the force (F x ), the y component of the force (F y ), the z component of the force (F z ), the x component of the moment (M x ), the y component of the moment (M y ), The z component of the moment (M z ) can be obtained. Therefore, according to the joint device 10 according to the present embodiment, it can operate as a sensor capable of measuring displacement, force and moment.

본 실시예에 의한 관절 장치(10)에 의하면 조립 과정에서 발생하는 반력을 측정할 수 있으며, 수동 컴플라이언스를 제공하고, 수동 컴플라이언스에 의해 발생하는 변위까지 측정하여 다양한 조립 공정에서 유연하게 대처할 수 있는 관절 장치가 제공된다. According to the joint device 10 according to the present embodiment, it is possible to measure the reaction force generated during the assembly process, to provide manual compliance, and to measure the displacement caused by the manual compliance, so that the joint can flexibly cope in various assembly processes. A device is provided.

도 4는 본 실시예에 의한 관절 장치(10)를 이용하는 로봇을 개요적으로 도시한 도면이다. 도 4를 참조하면, 로봇(1)은 제어부가 제어하여 액추에이터에 의하여 구동되는 로봇 팔(1000)과 조립 대상 물체를 파지하는 그리퍼(gripper, 3000) 및 본 실시예에 의한 관절 장치(10)를 포함할 수 있다. 4 is a diagram schematically illustrating a robot using the joint device 10 according to the present embodiment. Referring to FIG. 4 , the robot 1 is controlled by the controller and driven by the actuator, the robot arm 1000 and the gripper 3000 for holding the assembly target object, and the joint device 10 according to the present embodiment. may include

도 4로 예시된 로봇은 관절 장치(10)에 의하여 6 자유도를 가지므로 종래 기술이 제공하지 못하는 힘, 토크 센싱이 가능하면서 수동 컴플라이언스를 가진다. 따라서, 조립 대상 물품들의 오정렬이 보정할 수 있는 범위 내에 있으면 조립 공정을 신속하게 완료할 수 있으며, 오정렬이 보정할 수 없는 범위라면 힘/토크 센서를 이용한 피드백 제어를 통해 조립 공정을 수행할 수 있다. Since the robot illustrated in FIG. 4 has 6 degrees of freedom by the joint device 10, it is capable of sensing force and torque that the prior art cannot provide and has passive compliance. Therefore, if the misalignment of the items to be assembled is within a range that can be corrected, the assembly process can be quickly completed. If the misalignment is within a range that cannot be corrected, the assembly process can be performed through feedback control using a force/torque sensor. .

종래 기술의 힘/토크 센서를 이용한 작업에서는 조립이 완료될 때까지 천천히 제어를 해야 하지만, 본 실시예에 의한 관절 장치를 포함하는 센서를 사용하면 보정할 수 있는 범위까지 제어를 수행하면 충분하므로 더욱 빠르게 작업을 수행할 수 있다.In the work using the force / torque sensor of the prior art, it is necessary to control it slowly until the assembly is completed. You can get the job done quickly.

모의 imitation 실험예Experimental example

도 5는 본 실시예에 의한 관절 장치의 최대 변위 및 항복 응력을 모의실험한 결과를 도시한 도면이다. 링크를 형성한 재질로는 나일론 6를 가정하였으며, 최대 변위 및 항복 응력을 찾기 위하여 스토퍼를 제거한 상태로 모의실험을 수행하였다. 5 is a view showing the results of simulation of the maximum displacement and yield stress of the joint device according to the present embodiment. Nylon 6 was assumed as the material for forming the link, and a simulation was performed with the stopper removed to find the maximum displacement and yield stress.

도 5를 참조하면, 제1 플레이트와 제2 플레이트 사이에 2mm의 변위를 가하였을 때, 64MPa의 최대 응력이 발생하였으며, 이것은 나일론 6의 항복 응력인 87MPa 보다 낮은 값이다. 또한, 유한요소법(FEM, finite element method)으로 해석을 수행한 결과 수평 방향으로 2mm 의 변위 생성이 가능하였다. 이것은 종래 기술에서 0.4mm의 변위를 가하였을 때 251MPa의 최대 응력이 발생한 것에 비하여 큰 변위임에도 불구하고 낮은 응력이 발생하는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 5 , when a displacement of 2 mm was applied between the first plate and the second plate, a maximum stress of 64 MPa occurred, which is lower than the yield stress of nylon 6 of 87 MPa. In addition, as a result of performing the analysis by the finite element method (FEM), it was possible to generate a displacement of 2 mm in the horizontal direction. It can be confirmed that, in spite of a large displacement, low stress is generated compared to the maximum stress of 251 MPa when a displacement of 0.4 mm is applied in the prior art.

본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 실시를 위한 실시예로, 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.Although it has been described with reference to the embodiment shown in the drawings in order to help the understanding of the present invention, this is an embodiment for implementation, it is merely an example, and various modifications and equivalents from those of ordinary skill in the art It will be appreciated that other embodiments are possible. Accordingly, the true technical protection scope of the present invention should be defined by the appended claims.

10: 관절 장치 110: 제1 플레이트
120: 제2 플레이트 210: 링크
212: 회전 조인트 부 214: 유니버셜 조인트 부
216: 볼 조인트 218a: 제1 연결부
218b: 제2 연결부 300: 스토퍼
400: 스트레인 센서 1000: 로봇 팔
3000: 그리퍼 Rs1, Rs2, Rs3: 벤딩 면
10: articulation device 110: first plate
120: second plate 210: link
212: rotary joint part 214: universal joint part
216: ball joint 218a: first connection part
218b: second connection part 300: stopper
400: strain sensor 1000: robot arm
3000: gripper Rs1, Rs2, Rs3: bending face

Claims (27)

관절 장치로, 상기 관절 장치는:
제1 플레이트;
제2 플레이트
볼 조인트 부(ball joint unit), 유니버셜 조인트 부(universal joint unit) 및 회전 조인트 부(revolute joint unit)를 포함하며, 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트 사이에 위치하는 복수의 링크(link)들 및
상기 링크의 항복을 방지하는 복수의 스토퍼(stopper) 들을 포함하며,
상기 복수의 링크들은 상기 관절 장치에 컴플라이언스(compliance)를 제공하는 관절 장치.
An articulation device, the articulation device comprising:
a first plate;
second plate
A plurality of links comprising a ball joint unit, a universal joint unit and a revolute joint unit, the links positioned between the first plate and the second plate. and
It includes a plurality of stoppers (stoppers) to prevent the yield of the link,
The plurality of links is an articulation device for providing compliance (compliance) to the articulation device.
제1항에 있어서,
각각의 상기 링크는,
상기 볼 조인트 부와, 상기 유니버셜 조인트 부 및 상기 회전 조인트부가 직선 형태로 일체로 형성된 관절 장치.
According to claim 1,
Each of the above links is
The ball joint part, the universal joint part, and the joint device formed integrally with the rotary joint part in a straight line form.
제1항에 있어서,
각각의 상기 링크는,
상기 볼 조인트 부와, 상기 유니버셜 조인트 부 및 상기 회전 조인트부가 순서대로 일체로 형성되어 직선으로 형성된 관절 장치.
According to claim 1,
Each of the above links is
The ball joint part, the universal joint part, and the rotary joint part are integrally formed in order to form a straight joint device.
제2항에 있어서,
각각의 상기 링크는,
상기 볼 조인트 부 및 상기 회전 조인트 중 어느 하나가 상기 제1 플레이트에 연결되고,
상기 볼 조인트 부 및 상기 회전 조인트 중 다른 하나가 상기 제2 플레이트에 연결된 관절 장치.
3. The method of claim 2,
Each of the above links is
Any one of the ball joint part and the rotary joint is connected to the first plate,
The other of the ball joint portion and the rotary joint is a joint device connected to the second plate.
제2항에 있어서,
각각의 상기 링크는,
쌍을 이루어 배치되고,
상기 링크의 쌍은 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트의 중심을 기준으로 서로 등각도로 이격되어 배치된 관절 장치.
3. The method of claim 2,
Each of the above links is
placed in pairs,
The pair of links is a joint device arranged at an equal angle to each other based on the center of the first plate and the second plate.
제2항에 있어서,
각각의 상기 링크는,
유연성 재질로 형성되며,
상기 관절 장치에 6 자유도(6 Degree of Freedom)를 제공하는 관절 장치.
3. The method of claim 2,
Each of the above links is
It is made of flexible material,
An articulation device that provides 6 Degrees of Freedom to the articulation device.
제1항에 있어서,
상기 관절 장치는,
상기 회전 조인트 부는 일정한 각도로 오프셋 회전되어 배치된 관절 장치.
According to claim 1,
The joint device is
The joint device is arranged to be rotated offset by a certain angle of the rotary joint.
제1항에 있어서,
상기 복수의 스토퍼들 각각은,
굳은(rigid) 재질로 형성된 관절 장치.
According to claim 1,
Each of the plurality of stoppers,
A joint device formed of a rigid material.
제8항에 있어서,
상기 복수의 스토퍼들 각각은,
상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트 중 어느 하나에 고정되어 연결되고,
상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트 중 어느 다른 하나가 미리 정해진 유격 거리 내에서 움직일 수 있도록 위치하는 관절 장치.
9. The method of claim 8,
Each of the plurality of stoppers,
It is fixedly connected to any one of the first plate and the second plate,
A joint device positioned so that any other of the first plate and the second plate can move within a predetermined clearance distance.
제1항에 있어서,
상기 복수의 스토퍼들은
상호 등각으로 배열된 세 개의 스토퍼들을 포함하는 관절 장치.
According to claim 1,
The plurality of stoppers
An articulating device comprising three stoppers arranged conformally to each other.
제1항에 있어서,
상기 관절 장치는,
각각의 상기 링크에 위치하여 상기 링크의 스트레인을 측정하는 스트레인 센서를 더 포함하는 관절 장치.
According to claim 1,
The joint device is
The joint device further comprising a strain sensor positioned on each of the links to measure the strain of the link.
제11항에 있어서,
상기 관절 장치는,
상기 스트레인 센서의 측정값과 미리 정해진 계수와의 연산을 통하여 x 축 방향의 변위(Δx), y 축 방향의 변위(Δy), z 축 방향의 변위(Δz), x 축을 중심으로 하는 회전 변위(Δθx), y 축을 중심으로 하는 회전 변위(Δθy), z 축을 중심으로 하는 회전 변위(Δθz), 힘의 x 성분(Fx), 힘의 y 성분(Fy), 힘의 z 성분(Fz), 모멘트의 x 성분(Mx), 모멘트의 y 성분(My), 모멘트의 z 성분(Mz) 중 어느 하나 이상을 측정할 수 있는 센서로 기능하는 관절 장치.
12. The method of claim 11,
The joint device is
The displacement in the x-axis direction (Δx), the displacement in the y-axis direction (Δy), the displacement in the z-axis direction (Δz), and the rotational displacement ( Δθx), rotational displacement about y-axis (Δθy), rotational displacement about z-axis (Δθz), x-component of force (F x ), y-component of force (F y ), z-component of force (F z ) ), the x component of the moment (M x ), the y component of the moment (M y ), and the z component of the moment (M z ) A joint device that functions as a sensor that can measure any one or more.
로봇으로, 로봇은:
로봇 팔;
그리퍼 및
상기 로봇 팔과 상기 그리퍼 사이에 연결된 관절을 포함하며,
상기 관절은:
제1 플레이트와, 제2 플레이트와,
볼 조인트 부(ball joint unit), 유니버셜 조인트 부(universal joint unit) 및 회전 조인트 부(revolute joint unit)를 포함하며, 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트 사이에 위치하는 복수의 링크(link)들 및
상기 링크의 항복을 방지하는 복수의 스토퍼(stopper) 들을 포함하며,
상기 복수의 링크들은 상기 관절 장치에 컴플라이언스(compliance)를 제공하는 로봇.
As a robot, a robot is:
robotic arm;
gripper and
a joint connected between the robot arm and the gripper;
The joint is:
a first plate and a second plate;
A plurality of links comprising a ball joint unit, a universal joint unit and a revolute joint unit, the links positioned between the first plate and the second plate. and
It includes a plurality of stoppers (stoppers) to prevent the yield of the link,
The plurality of links is a robot that provides compliance (compliance) to the articulation device.
제13항에 있어서,
각각의 상기 링크는,
상기 볼 조인트 부와, 상기 유니버셜 조인트 부 및 상기 회전 조인트부가 일체로 형성되어 직선으로 형성된 로봇.
14. The method of claim 13,
Each of the above links is
The ball joint part, the universal joint part, and the rotary joint part are integrally formed to form a straight line.
제13항에 있어서,
각각의 상기 링크는,
상기 볼 조인트 부와, 상기 유니버셜 조인트 부 및 상기 회전 조인트부가 순서대로 일체로 형성되어 직선으로 형성된 로봇.
14. The method of claim 13,
Each of the above links is
The ball joint part, the universal joint part, and the rotary joint part are integrally formed in order to form a straight line.
제14항에 있어서,
각각의 상기 링크는,
상기 볼 조인트 부 및 상기 회전 조인트 중 어느 하나가 상기 제1 플레이트에 연결되고,
상기 볼 조인트 부 및 상기 회전 조인트 중 다른 하나가 상기 제2 플레이트에 연결된 로봇.
15. The method of claim 14,
Each of the above links is
Any one of the ball joint part and the rotary joint is connected to the first plate,
The other one of the ball joint part and the rotary joint is connected to the second plate.
제14항에 있어서,
각각의 상기 링크는,
쌍을 이루어 배치되고,
상기 링크의 쌍은 상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트의 중심을 기준으로 서로 등각도로 이격되어 배치된 로봇.
15. The method of claim 14,
Each of the above links is
placed in pairs,
The pair of links is arranged to be spaced apart from each other at an equal angle with respect to the center of the first plate and the second plate.
제14항에 있어서,
각각의 상기 링크는,
유연성 재질로 형성되며,
상기 관절 장치에 6 자유도(6 Degree of Freedom)를 제공하는 로봇.
15. The method of claim 14,
Each of the above links is
It is made of flexible material,
A robot that provides 6 Degrees of Freedom to the articulation device.
제13항에 있어서,
상기 관절 장치는,
상기 회전 조인트 부가 일정한 각도로 오프셋 회전되어 배치된 로봇.
14. The method of claim 13,
The joint device is
A robot in which the rotary joint part is rotated offset by a certain angle.
제19항에 있어서,
상기 관절 장치는,
회전 조인트부가 상기 오프셋에 따라 회전하여 위치하는 로봇.
20. The method of claim 19,
The joint device is
A robot in which the rotary joint is rotated according to the offset.
제13항에 있어서,
상기 복수의 스토퍼들 각각은,
굳은(rigid) 재질로 형성된 로봇.
14. The method of claim 13,
Each of the plurality of stoppers,
A robot made of a rigid material.
제21항에 있어서,
상기 복수의 스토퍼들 각각은,
상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트 중 어느 하나에 고정되어 연결되고,
상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트 중 어느 다른 하나가 미리 정해진 유격 거리 내에서 움직일 수 있도록 위치하는 로봇.
22. The method of claim 21,
Each of the plurality of stoppers,
It is fixedly connected to any one of the first plate and the second plate,
The robot is positioned so that any one of the first plate and the second plate can move within a predetermined clearance distance.
제13항에 있어서,
상기 복수의 스토퍼들은
상호 등각으로 배열된 세 개의 스토퍼들을 포함하는 로봇.
14. The method of claim 13,
The plurality of stoppers are
A robot comprising three stoppers arranged isometrically to each other.
제13항에 있어서,
상기 관절 장치는,
상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트 중 어느 하나에 대한 다른 하나의 x 축 변위, y 축 변위, z 축 변위, x 축 회전 각, y 축 회전각 및 z 축 회전각을 측정하는 센서를 더 포함하는 로봇.
14. The method of claim 13,
The joint device is
Further comprising a sensor for measuring an x-axis displacement, a y-axis displacement, a z-axis displacement, an x-axis rotation angle, a y-axis rotation angle, and a z-axis rotation angle with respect to any one of the first plate and the second plate robot that does.
제13항에 있어서,
상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트 중 어느 하나는 상기 그리퍼(gripper)에 연결되고,
상기 제1 플레이트 및 상기 제2 플레이트 중 다른 하나는 상기 로봇 팔에 연결된 로봇.
14. The method of claim 13,
any one of the first plate and the second plate is connected to the gripper,
the other of the first plate and the second plate is connected to the robot arm.
제13항에 있어서,
상기 관절 장치는,
각각의 상기 링크에 위치하여 상기 링크의 스트레인을 측정하는 스트레인 센서를 더 포함하는 로봇.
14. The method of claim 13,
The joint device is
The robot further comprising a strain sensor positioned on each of the links to measure the strain of the link.
제26항에 있어서,
상기 로봇은,
상기 스트레인 센서의 측정값과 미리 정해진 계수와의 연산을 통하여 x 축 방향의 변위(Δx), y 축 방향의 변위(Δy), z 축 방향의 변위(Δz), x 축을 중심으로 하는 회전 변위(Δθx), y 축을 중심으로 하는 회전 변위(Δθy), z 축을 중심으로 하는 회전 변위(Δθz), 힘의 x 성분(Fx), 힘의 y 성분(Fy), 힘의 z 성분(Fz), 모멘트의 x 성분(Mx), 모멘트의 y 성분(My), 모멘트의 z 성분(Mz) 중 어느 하나 이상을 측정할 수 있는 센서로 기능하는 로봇.


27. The method of claim 26,
The robot is
The displacement in the x-axis direction (Δx), the displacement in the y-axis direction (Δy), the displacement in the z-axis direction (Δz), and the rotational displacement ( Δθx), rotational displacement about y-axis (Δθy), rotational displacement about z-axis (Δθz), x-component of force (F x ), y-component of force (F y ), z-component of force (F z ) ), the x component of the moment (M x ), the y component of the moment (M y ), and the z component of the moment (M z ).


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* Cited by examiner, † Cited by third party
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