KR19990028177A - Parallel mechanism structure for controlling position and posture in three dimensions - Google Patents
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Abstract
본 발명은 3차원상에서 위치 및 자세 제어를 위한 병렬 기구 구조에 관한 것으로서, '헥사'형 병렬 기구 구조를 기본으로 하고, 종래의 '헥사'형 병렬 기구 구조에서의 회전 관절의 구동 관절을 대체하기 위하여 중간 플랫폼과 제3링크를 추가하여 병진 관절을 구동하므로서 기구의 강성을 보충한 6자유도 병렬 기구 구조를 제공한다.The present invention relates to a parallel mechanism structure for position and attitude control in three dimensions, based on the 'hexa' parallel mechanism structure, to replace the drive joint of the rotating joint in the conventional 'hexa' parallel mechanism structure In order to drive the translational joint by adding an intermediate platform and a third link to provide a six degree of freedom parallel instrument structure to supplement the rigidity of the instrument.
Description
본 발명은 3차원상에서 위치 및 자세를 제어하는 병렬 기구 구조에 관한 것이다. 3차원상에서 위치 및 자세를 제어하는 기구 구조는 가공 대상물체를 가공하는 공작 기계나 물체의 조립, 운반 등과 같은 작업을 수행하는 로봇 매뉴플레이터를 위하여 연구되어 왔다.The present invention relates to a parallel mechanism structure for controlling position and posture in three dimensions. The mechanism structure for controlling the position and posture in three dimensions has been studied for the robot manipulator which performs the work such as the machine tool for processing the object to be processed or the assembly and transportation of the object.
공작 기계는 금속을 가공하는 장치로서, 금속 재료를 절삭(Cutting) 또는 연삭(Grinding)하여 원하는 모양, 치수 및 표면을 가지는 제품을 얻는데 사용되는 것으로서, 기계 본체와 공구의 두 부분으로 구성되어 동력에 의하여 기계를 운전하고 절삭 공구에 의하여 금속 재료를 가공하게 된다. 이러한 공작 기계는 통상적으로 공구를 교환할 수 있도록 되고 이러한 공작 기계를 '머시닝센터'라고도 한다.A machine tool is a device for processing metal, which is used to cut or grind metal material to obtain a product having a desired shape, dimension, and surface. It is composed of two parts, a machine body and a tool. The machine is operated and the metal material is processed by the cutting tool. Such machine tools are typically capable of changing tools and are also called machining centers.
원하는 형상 및 모양의 제품을 가공하기 위하여 공작 기계 중 공구 부분의 3차원 위치 및 자세 제어가 필수적이다. 본 명세서에서는 공작 기계의 경우를 예를 들어서, 기구학적 구조로서의 3차원상에서 위치 및 자세 제어를 위한 병렬 기구 구조를 설명한다.Three-dimensional position and attitude control of the tool part of the machine tool is essential for processing products of the desired shape and shape. In the present specification, a case of a machine tool will be described, for example, a parallel mechanism structure for position and attitude control in three dimensions as a kinematic structure will be described.
예전의 공작 기계에서는 공구 부분의 3차원 위치 및 자세 제어를 위하여 기구학적 구조로서 직렬 기구 구조를 채택하여 왔다. 도1은 종래의 직렬 기구 구조를 설명하기 위한 구조도이다. 도1에서 보이는 바와 같이, 종래의 직렬 기구 구조는 베이스(11)에서 주축(12)까지의 각 축이 직각인 외팔보 구조이다. 이와 같은 직렬 기구는 작업 공간이 넓고, 이를 움직이기 위한 운영 소프트웨어 및 제어부가 간단한 장점이 있다. 그러나, 근래에는 도1에 도시된 직렬 기구 구조에 대비되는 병렬 기구 구조에 관한 연구가 활발하게 진행되어 왔다.Previous machine tools have adopted a serial instrument structure as a kinematic structure for the three-dimensional position and attitude control of the tool part. 1 is a structural diagram for explaining a conventional serial mechanism structure. As shown in Fig. 1, the conventional serial mechanism structure is a cantilever structure in which each axis from the base 11 to the main axis 12 is perpendicular. Such a serial apparatus has a large work space, and the operating software and the control unit for moving it have the advantage of being simple. However, in recent years, research has been actively conducted on the parallel mechanism structure compared to the serial mechanism structure shown in FIG.
도2는 종래의 병렬 기구 구조로서, 헥사 포드형 구조를 설명하기 위한 구조도이다. 도2에서 도시된 바와 같이, 병렬 기구 구조는 베이스(21)와 주축(22)이 복수개의 링크들로 병렬 연결된 것을 그 특징으로 한다. 도1에 도시된 직렬 기구 구조에 비하여 병렬 기구 구조가 가지는 장점들은 다음과 같다. 첫째, 이동부의 관성 질량을 감소시킬 수 있어서 기계의 속도 및 가속도를 증가시킬 수 있다. 둘째, 주축과 베이스가 복수개의 링크들로 연결되어 있고, 각 링크들은 굽힘력 대신에 인장력과 압축력만을 받음으로써 기계의 강성을 높일 수 있다. 셋째, 각 링크의 오차가 주축에 평균적으로 반영됨으로써 링크 오차가 누적되는 직렬 기구에 비하여 기계의 정확도가 향상된다. 넷째, 직렬 기구 구조를 도입한 공작 기계가 대부분 3축 직각 좌표 기계인데 반하여, 병렬 기구 구조는 기본적으로 6자유도 운동이 가능한 구조로서 완전한 형태의 5면 6축 동시 가공이 가능하다. 한편, 병렬 기구 구조는 직렬 기구 구조에 비하여 작업 공간이 협소하고 운영 소프트웨어 및 제어부가 복잡해지는 단점이 있다.Fig. 2 is a structural diagram for explaining a hexa pod structure as a conventional parallel mechanism structure. As shown in Fig. 2, the parallel mechanism structure is characterized in that the base 21 and the main shaft 22 are connected in parallel by a plurality of links. Advantages of the parallel mechanism structure compared to the serial mechanism structure shown in FIG. 1 are as follows. First, the inertial mass of the moving part can be reduced, thereby increasing the speed and acceleration of the machine. Second, the main shaft and the base are connected by a plurality of links, each of which can increase the rigidity of the machine by receiving only tensile and compressive forces instead of bending forces. Third, the error of each link is reflected on the main axis on the average to improve the accuracy of the machine compared to the serial mechanism in which the link error is accumulated. Fourth, while most machine tools adopting a serial mechanism structure are three-axis Cartesian coordinate machines, the parallel mechanism structure is basically a structure capable of six degrees of freedom movement and is capable of simultaneous five-side six-axis simultaneous machining. On the other hand, the parallel mechanism structure has a disadvantage in that the working space is narrower and the operating software and the control unit are complicated compared to the serial mechanism structure.
도2에 도시된 구조도에서는 주축(21)과 베이스(22)를 여섯 개의 링크들이 연결하고 있고 이를 신축함으로써 6자유도의 운동을 구현하는 병렬 기구 구조이다. 도2에 도시된 구조를 '스튜어트 플랫폼' 구조라고 한다. 미국의 Giddings & Lewis사는 스튜어트 플랫폼을 이용한 병렬 기구 공작 기계를 제작하였다. 이 공작 기계는 6자유도 운동을 할 수 있으나 작업 영역이 매우 작고 특히 주축은 15°까지의 경사만이 가능하고 선회 운동이 불가능한 단점이 있었다.In the structural diagram shown in FIG. 2, six links are connected to the main shaft 21 and the base 22, and a parallel mechanism structure that implements six degrees of freedom by stretching them. The structure shown in FIG. 2 is referred to as a 'stuart platform' structure. Giddings & Lewis of the United States built a parallel instrument machine tool using the Stuart platform. This machine tool has six degrees of freedom of movement, but the working area is very small, especially the main axis can be tilted up to 15 °, and the pivoting movement is impossible.
상기한 '스튜어트 플랫폼' 구조를 개선하기 위하여 도3에 도시된 바와 같은 6자유도 병렬 기구 구조가 고안되었다.In order to improve the structure of the 'stuart platform', a six degree of freedom parallel mechanism structure as shown in FIG. 3 has been devised.
도3에 도시된 6자유도 병렬 기구는 통상적으로 '헥사(Hexa)'로 알려져 있다. 도3에 도시된 바와 같이, 헥사는 베이스 플랫폼(32)과 작업 플랫폼(31)이 6개의 링크로 연결되는데, 각 링크는 작업 플랫폼(31)으로부터 3축회전관절-1축회전관절-3축회전관절인 S-R-S(Spherical-Revolute-Spherical) 형태의 관절로 구성되어 있다. 또한 각 링크는 고정된 길이의 2개의 링크로 구성되어 있고, 베이스 플랫폼(32)과 연결된 하부 링크의 1축회전관절(R)에 액츄에이터가 부착되어 기구를 구동시킨다. 헥사는 도2에 도시된 '스튜어트 플랫폼'에 비하여 속도 및 가속도가 크고 작업 공간이 넓다는 장점이 있으나, 기구 강성이 떨어지는 단점이 있다.The six degree of freedom parallel mechanism shown in FIG. 3 is commonly known as 'Hexa'. As shown in Fig. 3, the hexa is connected to the base platform 32 and the work platform 31 by six links, and each link is a three-axis rotary joint-one-axis rotary joint-3axis from the working platform 31. It is composed of spherical-revolute-spherical (SRS) type joints. In addition, each link is composed of two links of fixed length, the actuator is attached to the axial rotation joint (R) of the lower link connected to the base platform 32 to drive the mechanism. Hexa has the advantage of greater speed and acceleration and a larger work space than the 'Stuart Platform' shown in FIG. 2, but has the disadvantage of poor mechanical rigidity.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 6자유도 병렬 기구 구조인 헥사의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 '헥사'형 병렬 기구 구조가 가지는 장점인 속도 및 가속도가 크고, 특히 작업 공간이 넓은 특징을 유지하면서 기구의 강성을 증가시킨 6자유도 병렬 기구 구조를 제공하는데 있다.The present invention is to solve the problem of hexa, which is a conventional six degree of freedom parallel mechanism structure as described above, the object of the present invention is that the speed and acceleration of the advantages of the 'hexa' parallel mechanism structure is large, in particular the work space It is to provide a six degree of freedom parallel mechanism structure which increases the rigidity of the mechanism while maintaining this wide characteristic.
도1은 종래의 직렬 기구 구조를 설명하기 위한 구조도,1 is a structural diagram for explaining a conventional serial mechanism structure;
도2는 종래의 병렬 기구 구조로서, '스튜어트 플랫폼' 구조를 설명하기 위한 구조도,Figure 2 is a conventional parallel mechanism structure, a structural diagram for explaining the 'stuart platform' structure,
도3은 종래 기술에 위한 '헥사'형 6자유도 병렬 기구 구조의 구조도,3 is a structural diagram of a 'hexa' type six degree of freedom parallel mechanism structure according to the prior art,
도4는 본 발명의 제1실시예에 의한 병렬 기구 구조의 구조도,4 is a structural diagram of a parallel mechanism structure according to a first embodiment of the present invention;
도5은 도4에 도시된 병렬 기구 구조의 작업 영역을 도시한 것,Fig. 5 shows the working area of the parallel mechanism structure shown in Fig. 4,
도6는 본 발명의 제2실시예에 의한 병렬 기구 구조의 구조도,6 is a structural diagram of a parallel mechanism structure according to a second embodiment of the present invention;
도7는 도6에 도시된 병렬 기구 구조의 작업 영역을 도시한 것.Fig. 7 shows the working area of the parallel mechanism structure shown in Fig. 6;
본 발명에 의한 병렬 기구 구조에서 링크의 연결 수단으로서, 3축 회전을 위한 볼(Sperical, 이하에서, 'S'라고 함) 관절, 1축 회전을 위한 핀(Revolute, 이하에서 'R'이라고 함) 관절, 1축 직선 이송을 위한 병진(Prismatic, 이하에서 'P'라고 함)을 사용한다.In the parallel mechanism structure according to the present invention, as a linking means, a ball joint for three-axis rotation (hereinafter referred to as 'S') joint and a pin for one-axis rotation (revolute referred to as 'R' below) ) Uses translation (Prismatic, hereinafter referred to as 'P') for joint, single axis linear transfer.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 작업 플랫폼으로부터 S-S-R 관절로 구성된 링크쌍 6쌍에 의하여 연결된 중간 플랫폼 및 상기 각 링크쌍 중 S-R 관절인 하부 링크로부터 R-P-R 관절로 구성된 가변 링크 6개에 의하여 연결된 베이스 플랫폼을 포함하여, 상기 가변 링크의 길이를 변화시키도록 구동하여 상기 작업 플랫폼의 6자유도를 구현하는 것임을 특징으로 하는 병렬 기구 구조를 제공한다.In order to achieve the object as described above, the present invention provides an intermediate platform connected by six pairs of link pairs composed of SSR joints and six variable links composed of RPR joints from lower links, which are SR joints of the respective link pairs. Including a base platform connected by the drive, to drive to change the length of the variable link provides a parallel mechanism structure characterized in that to implement six degrees of freedom of the working platform.
본 발명에서는 또한, 작업 플랫폼으로부터 S-S-R 관절로 구성된 링크쌍 6쌍에 의하여 연결된 중간 플랫폼 및 상기 각 링크쌍 중 S-R 관절인 하부 링크로부터 R-R-P 관절로 구성된 수평 이송 링크 6개에 의하여 연결된 베이스 플랫폼을 포함하여, 상기 수평 이송 링크의 베이스 플랫폼 쪽 끝이 가 상기 베이스 플랫폼 상에서 수평 이송하도록 구동하여 상기 작업 플랫폼의 6자유도를 구현하는 것임을 특징으로 하는 병렬 기구 구조를 제공한다.The present invention also includes an intermediate platform connected by six pairs of link pairs composed of SSR joints from a working platform, and a base platform connected by six horizontal transport links composed of RRP joints from lower links, which are SR joints of the respective link pairs. And a base platform side end of the horizontal transfer link is driven to horizontally feed on the base platform to implement six degrees of freedom of the work platform.
이하에서 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도4는 본 발명의 제1실시예에 의한 병렬 기구 구조의 구조도이고, 특히 도4b는 작업 플랫폼이 최대 경사 자세에 있는 경우를 보여준다.Fig. 4 is a structural diagram of a parallel mechanism structure according to the first embodiment of the present invention, and in particular Fig. 4b shows a case where the working platform is in the maximum inclined position.
도4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 의한 병렬 기구 구조는 도3에 도시된 '헥사'형 6자유도 병렬 기구 구조를 기본으로 한다. 본 발명의 제1실시예에 의한 병렬 기구 구조는 '헥사'형의 기본 구조에서 보이는 바와 같이, 작업 플랫폼(41)과 베이스 플랫폼(42)이 6개의 링크로 연결되어 있는 구조이다. 그러나, 본 발명에서는 작업 플랫폼(41)과 베이스 플랫폼(42) 사이에 중간 플랫폼(43)을 더 포함한다. 도4에 도시된 본 발명의 제1실시예에 의한 병렬 기구 구조를 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.As shown in FIG. 4, the parallel mechanism structure according to the first embodiment of the present invention is based on the 'hexa' type six degree of freedom parallel mechanism structure shown in FIG. The parallel mechanism structure according to the first embodiment of the present invention is a structure in which the work platform 41 and the base platform 42 are connected by six links, as shown in the basic structure of the 'hexa' type. However, the present invention further includes an intermediate platform 43 between the work platform 41 and the base platform 42. The parallel mechanism structure according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 4 will be described in more detail as follows.
중간 플랫폼(43)이 작업 플랫폼(41)으로부터 S-S-R 관절로 구성된 링크쌍 6쌍에 의하여 연결되어 있고, 베이스 플랫폼(42)은 상기 각 링크쌍 중 S-R 관절인 하부 링크로부터 R-P-R 관절로 구성된 가변 링크 6개에 의하여 중간 플랫폼(43)에 연결되어 있다. 구동은 상기 P관절을 구동하여 가변 링크의 길이를 변화시키도록 함으로써, 상기 작업 플랫폼(41)의 6자유도를 구현한다.The intermediate platform 43 is connected by six pairs of link pairs composed of SSR joints from the working platform 41, and the base platform 42 is a variable link 6 composed of RPR joints from the lower link, which is an SR joint of each link pair. It is connected to the intermediate platform 43 by a dog. The drive implements six degrees of freedom of the work platform 41 by driving the P-joint to vary the length of the variable link.
본 발명의 제1실시예에 의한 구조가 도3에 도시된 '헥사'형 6자유도 병렬 기구 구조와 다른 점은 작업 플랫폼(41)과 베이스 플랫폼(42) 사이에 중간 플랫폼(43)이 있고, 중간 플랫폼(43)과 베이스 플랫폼(42)을 연결하는 링크는 길이가 가변되는 가변 링크인 점이다. 이로 인하여, 회전 관절을 구동 관절로서 사용하는 종래의 '헥사' 구조에 비하여, 본 발명의 제1실시예에서는 병진관절을 구동하므로 기구의 강성을 증가시킬 수 있다.The structure according to the first embodiment of the present invention differs from the 'hexa' type six degree of freedom parallel mechanism structure shown in FIG. 3, and there is an intermediate platform 43 between the working platform 41 and the base platform 42. The link connecting the intermediate platform 43 and the base platform 42 is a variable link having a variable length. As a result, compared with the conventional 'hexa' structure using the rotary joint as the driving joint, in the first embodiment of the present invention, since the translational joint is driven, the rigidity of the mechanism can be increased.
도5은 도4에 도시된 병렬 기구 구조의 작업 영역을 도시한 것이다. 도5에 도시된 작업 영역은 일정한 각도 만큼의 경사를 유지한 채 도달 가능한 공구의 끝단의 위치를 작업 영역으로 정의할 때, 도5a는 0°경사시 작업 영역을 도5b는 주축이 30°경사진 경우 작업 영역을 도시한 것이다.Fig. 5 shows the working area of the parallel mechanism structure shown in Fig. 4; The working area shown in Fig. 5 defines the working area where the end of the tool can be reached while maintaining the inclination of a certain angle, and Fig. 5a shows the working area at 0 ° inclination. The picture shows the work area.
도6는 본 발명의 제2실시예에 의한 병렬 기구 구조의 구조도이다.6 is a structural diagram of a parallel mechanism structure according to a second embodiment of the present invention.
본 발명의 제2실시예에 의한 병렬 기구 구조도 역시 도3에 도시된 '헥사'형 6자유도 병렬 기구 구조를 기본으로 한다.The parallel mechanism structure according to the second embodiment of the present invention is also based on the 'hexa' type six degree of freedom parallel mechanism structure shown in FIG.
중간 플랫폼(63)이 작업 플랫폼(61)으로부터 S-S-R 관절로 구성된 링크쌍 6개에 의하여 연결되어 있고, 베이스 플랫폼(62)은 상기 각 링크쌍 중 S-R 관절인 하부 링크로부터 R-R-P 관절로 구성된 수평 이송 링크 6개에 의하여 연결되어 있다. 구동은 상기 수평 이송 링크의 P관절을 구동하여, 상기 수평 이송 링크의 베이스 플랫폼(62) 쪽 끝이 상기 베이스 플랫폼(62) 상에서 수평 이송하도록 구동하여 상기 작업 플랫폼의 6자유도를 구현한다.The intermediate platform 63 is connected by six link pairs composed of SSR joints from the working platform 61, and the base platform 62 is a horizontal transport link composed of RRP joints from the lower link, which is an SR joint of each link pair. It is connected by six. The drive drives the P-joint of the horizontal transfer link to drive the end of the base platform 62 of the horizontal transfer link horizontally on the base platform 62 to implement six degrees of freedom of the work platform.
본 발명의 제2실시예에 의한 구조가 도3에 도시된 '헥사'형 6자유도 병렬 기구 구조와 다른 점은 작업 플랫폼(61)과 베이스 플랫폼(62) 사이에 중간 플랫폼(63)이 있고, 중간 플랫폼(63)과 베이스 플랫폼(62)을 연결하는 링크는 수평 이송 링크로서, 수평 이송 링크의 베이스 플랫폼(62) 쪽의 한 끝이 베이스 플랫폼(62)의 수평면 상을 움직이는 점이다. 이로 인하여 본 발명의 제2실시예에 의한 구조에서도 역시, 베이스 플랫폼과 연결된 하부 링크의 회전 관절에 액츄에이터가 부착되어 회전 관절을 구동 관절로서 사용하는 종래의 '헥사' 구조에 비하여, 병진 관절을 구동하므로 기구의 강성을 증가시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 제2실시예에 의한 병렬 기구 구조는 구동부의 이송량이 적으므로 작업 상판의 움직임을 크게 할 수 있어서 고속을 필요로 하는 로봇에 적합하다.The structure according to the second embodiment of the present invention differs from the 'hexa' type six degree of freedom parallel mechanism structure shown in FIG. 3, and there is an intermediate platform 63 between the working platform 61 and the base platform 62. The link connecting the intermediate platform 63 and the base platform 62 is a horizontal transport link, where one end of the base platform 62 side of the horizontal transport link moves on the horizontal plane of the base platform 62. Thus, in the structure according to the second embodiment of the present invention, the actuator is also attached to the rotary joint of the lower link connected with the base platform, and the translation joint is driven as compared to the conventional 'hexa' structure using the rotary joint as the driving joint. Therefore, the rigidity of the apparatus can be increased. In addition, the parallel mechanism structure according to the second embodiment of the present invention is suitable for robots that require high speed because the movement of the work top plate can be increased because the feed amount of the drive portion is small.
도7는 도6에 도시된 병렬 기구 구조의 작업 영역을 도시한 것이다. 도7a는 0°경사시 작업 영역을 나타내고, 도7b는 30°기울어진 상태에서의 작업 영역을 나타낸다. 여기에서 작업 영역은 링크의 길이, 상판과 베이스의 반지름 등의 기구학적 변수들에 의하여 결정되는 것으로 역기구학식의 해가 존재하는 범위를 표시한 것이다.FIG. 7 shows the working area of the parallel mechanism structure shown in FIG. FIG. 7A shows the work area at 0 ° tilt, and FIG. 7B shows the work area at 30 ° tilted. The work area here is determined by kinematic variables such as the length of the link, the radius of the top plate and the base, and indicates the extent to which the inverse kinematic solution exists.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 '헥사'형 병렬 기구 구조를 기본으로 하고, 종래의 '헥사'형 병렬 기구 구조에서의 회전 관절의 구동 관절을 대체하기 위하여 중간 플랫폼과 제3링크를 추가하여 병진 관절을 구동하므로서 기구의 강성을 보충한 6자유도 병렬 기구 구조를 제공한다.As described above, the present invention is based on the 'hexa' type parallel mechanism structure, and by adding an intermediate platform and a third link to replace the drive joint of the rotating joint in the conventional 'hexa' type parallel mechanism structure A six degree of freedom parallel instrument structure is provided that complements the rigidity of the instrument by driving the translational joint.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| G15R | Request for early opening | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20120216 Year of fee payment: 13 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20121005 Year of fee payment: 14 |
|
| LAPS | Lapse due to unpaid annual fee |