KR20000063254A - 3차원 공간상에서 2 자유도 제어를 위한 병렬기구 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3차원 공간상에서 위치 및 자세를 제어하는 병렬기구 구조에 관한 것으로서, 본 발명에서는 일반 병렬기구의 6 자유도가 아닌 특정 자유도를 구속하기 위한 방법을 제시한다.

본 발명의 특징은 베이스 부분(고정)과 플랫폼(회전) 사이에 중앙 축이 설치되고, 이 중앙축에 의해 특정 자유도를 고정, 구속하는 방법이다.

특히, 본 발명은 simulator나 전용 장치에 사용하여 특정 자유도를 구속함으로서 전체 6 자유도를 구속할 필요가 없는 강성이 높은 구조를 제시한다.

본 발명에서 구속하는 자유도를 보면 x 방향, y 방향, z 방향, z축을 기준 축으로 하는 회전(이하 Roll)은 고정하고, x 축을 기준 축으로 하는 회전(이하 Yaw), y 축을 기준으로 하는 회전(이하 Pitch)을 구속한다.

Description

3차원 공간상에서 2 자유도 제어를 위한 병렬기구 구조{.}

본 발명은 3차원 상에서 위치 및 자세를 제어하는 병렬기구 구조에 관한 것으로, 3차원 상에서 위치 및 자세를 제어하는 병렬 기구 구조는 목적 및 대상 물체에 따라 공작 기계나 물체의 조립, 운반, 그리고 simulator등과 같은 작업을 수행하는 로봇 매뉴플레이터를 위하여 연구되어 왔다.

일반적인 다관절 직렬구조의 로봇의 특징은 관절 구동으로 작업공간이 넓고 해석 및 구동이 쉽다는 장점이 있는 반면, 외팔보 기구로 끝단의 부하가 부과될 경우 모멘트가 증가하며 강성이 낮아 고유 주파수가 낮다는 단점을 가지고 있다. 이를 해결하기 위해 변형을 감안한 제어, 폐 루프를 적용한 평행기구, 병렬기구 (도1a, b)를 적용하여 연구되어 오고 있다. 특히 병렬기구의 구조에서는 그립퍼를 여러개의 링크가 지지하므로 강성이 높으며, 고유 주파수가 높아 대역폭(band width)이 넓다는 장점을 가지고 있다. 그러나 링크의 간섭으로 작업공간이 작으며, 구속조건이 많이 포함되므로 기구학 해석이 난해하다는 단점도 가지고 있다. 이를 해결하기 위해 여러 종류의 병렬기구가 제안되고 있다.

도 1은 종래의 병렬기구 구조들로서 1a는 Prof. Callion가 구상한 prototype의 병렬기구이고 1b는 pierrot의 Haxa 로봇이다. 이 병렬기구들은 베이스(1)와 플렛폼(2)이 복수개의 링크들로 병렬 연결된 것을 그 특징으로 한다. 상기에서 말한 장점뿐만 아니라 이동부의 관성 질량을 감소시킬 수 있어서 기계의 속도 및 가속도를 증가시킬 수 있고 각 링크의 오차가 플렛폼(2)에 평균적으로 반영됨으로써 링크오차가 누적되는 직렬기구에 비해 기계의 정확도가 향상된다. 일반적으로 도 1에 도시된 구조를 gough-stewart 구조라고 부른다. 이 구조는 motor(4)에 의해 구동되는데 6개의 motor(4)가 움직여서 능동 조인트인 actuator(3)를 구동하여 피동 조인트(5)들을 움직인다.

이 병렬기구는 큰 강성을 요구하는 공작 기계나 기계 가공, 그리고 가상 현실을 실현하기 위한 simulator등에 사용된다.

그러나 이런 병렬 구조도 복잡한 시스템의 구조와 해석, 그리고 링크의 간섭, 고가의 장비들로 인해 범용 장비로서의 실용화 단계에서 문제가 발생하고 있다.

본 발명의 목적은 simulator에 관한 것으로 상기한 바와 같은 종래 기술에 의한 병렬 기구 구조의 문제점을 해결하기 위한 것이다. 본 발명에서는 종래 기술에 비하여 간단한 구조와 그것으로 인한 해석의 용이성, 간단한 링크의 조작 및 링크의 수를 제한등, 가격적인 면에서 그리고 기술적인 면에서 향상된 병렬기구 구조를 제안하는 것이다.

특히 simulator에서는 병렬기구의 문제점인 작업공간 및 회전각의 제한에 대해 영향을 거의 받지 않으므로 제작 및 시장성에서 우의를 점칠 수 있을 것이다.

도 1의 a는 종래의 병렬구조를 설명하기 위한 구조도.

도 1의 b는 종래의 또 다른 병렬구조의 구조도.

도 2의 a는 본 발명의 구조를 설명하기 위한 단면도.

도 2의 b는 본 발명의 구조를 설명하기 위한 측면도.

도 2의 c는 본 발명의 구조를 설명하기 위한 정면도.

도 3는 본 발명에 사용되는 actuator 구조도.

도 4은 본 발명에 사용되는 중앙축을 설명하기 위한 구조도.

도 5은 Yaw 값에 의한 플렛폼의 회전을 설명하기 위한 구조도.

도 6은 Pitch 값에 의한 플렛폼의 회전을 설명하기 위한 구조도.

도 7은 Yaw, Pitch 값에 의한 동시적인 플렛폼의 회전을 설명하기 위한 구조

도 8는 본 발명 기구의 자유도 및 기구해석을 위한 구조도

본 발명에 의한 병렬기구 구조에서 링크의 연결 수단으로서, 1축 회전을 위한 핀(Revolute, 이하에서 R이라고 함) 관절, 1축 직선 이송을 위한 병진 (Prismetic, 이하에서 P라고 함) 관절을 사용한다.

이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2에서 보면 베이스(1)와 플렛폼(2)은 3개의 actuator(능동 조인트, 9)에 의해 구동되고 simulator에서 플렛폼의 중심점(8)에 중앙축(7)을 놓아서 위치를 고정시키고 universal 조인트(6)를 설치한다. 베이스 쪽에는 중앙축을 고정시킨다. 각 actuator 및 중앙축의 상당 부분에 universal joint(피동 조인트, 6)를 부착한다.

도 3에서 각 actuator는 R-R-P-R-R-R(6, 9, 10, 6) 관절로 이루어져 6 자유도를 가지며 각 링크 쌍의 P 관절이 능동 조인트(9)가 된다.

actuator의 운동을 간단히 보면 액추에이터의 전체 자유도는 공간운동을 하기 위해서 6 자유도로 설계되었다. 양단에 유니버설 조인트(6)가 4 자유도로 운동하고, P 조인트(9)와 회전 조인트(10)가 각각 1 자유도로 운동한다. 양단의 유니버설 조인트(6)에서 각각의 회전 축은 서로 90˚로 엇갈리게 되어 있고, 모두 피동 조인트이다. 능동 조인트는 P 조인트(9) 하나뿐이고, 모터(4)가 회전하게 되면 timming belt(11)로 연결되어 있는 ball screw(12)가 회전함으로써 액추에이터(3)의 길이를 조절한다.

도 4에서 중앙축은 베이스 쪽에는 고정(13)되어 있고, 플렛폼에는 universal 조인트와 R 조인트로 인해 3 자유도를 가진다. 이 중앙 축의 모든 조인트가 피동 조인트이다. 이 중앙축으로 인해 x, y, z는 고정이 된다. 상기의 병렬기구를 이용한 simulator 종류는 2 자유도 만을 구동하기 때문에 중앙축이 없을 경우에는 actuator의 개수가 증가하게 된다.

도 5는 본 발명의 제 1 실시 예로서 Yaw 값을 회전값으로 하여 구동하는 것으로서 두 개의 actuator의 길이는 증가시키고 한 개의 actuator는 감소시켜 회전각을 생성하게 된다. 14, 15는 이때의 방위를 나타내는 것이다.

도 6은 본 발명의 제 2 실시 예로서 Pitch 값을 회전 값으로 하여 구동하는 것으로서 한 개의 actuator는 증가시키고 한 개는 감소시키며 나머지 한 개는 증가 또는 감소를 시키지 않는다. 14, 15는 이때의 방위를 나타내는 것이다.

도 7은 본 발명의 제 3 실시 예로서 Yaw와 Pitch 값을 동시에 구동시킴으로서 기구학적 해석 방법을 이용하여 actuator의 값을 변화시킨다. 14, 15는 이때의 방위를 나타내는 것이다.

도 8은 본 발명 기구의 자유도 및 기구해석을 위한 구조도로서 자유도 계산식은 다음과 같다.

자유도 = λ(n-j-1) +

λ : mechanism이 구동할 수 있는 공간의 자유도

n : link의 수

j : 조인트의 수

f(j) : j라는 조인트가 가지고 있는 자유도

본 발명품에서 λ(mechanism의 자유도)는 6 자유도 이고, n(link 수)는 8개(베이스(1), 플렛폼(2), actuator 3개(3), 스크류 3개(12)) 이다.

j(joint 수)는 10개(universal 조인트 7개(6), actuator 3개(3)) 이며, 각 조인트의 자유도를 보면 16, 17, 18, 19는 각각 3 자유도를 가지고, 20, 21, 22는 각각 2 자유도를 가진다. 23, 24, 25는 P 조인트로서 각각 1개의 자유도를 가진다.

이 값으로 자유도를 계산하면 mechanism의 자유도 = 6(8-10-1) + 4 * 3 + 3 * 2 + 3 = -18 + 21 = 3. 즉, mechanism이 3 자유도를 가지므로 23, 24, 25를 구속함으로 이 mechanism을 구속시킬 수 있다.

또한 역 기구학을 풀면 17의 위치 및 자세값이 주어질 때 각 actuator의 값을 생성해 내면 되는데 이것을 수학식으로 보면,

20에서 16까지의 vector(이후으로 표현)는과, 그리고으로 계산될 수 있다. 즉,이 된다. 나머지 actuator도 표현하면 ,,이 된다. 이때의의 크기를 구하면 각 actuator의 길이를 구할 수 있고 이 길이 생성은 motor의 회전 값으로 생성할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 종래 기술에 비해 저가의 가격(3개의 actuator만 사용)과 종래 병렬 기구의 문제점으로 대두되는 크기 문제를 해결할 수 있고 간단한 구조를 이용한 해석 및 구동, 그러면서도 강성이 높은 구조로 되어 있어 전체 6 자유도가 필요 없는 simulator에 적용될 수 있을 것이다.

Claims (3)

1. 3차원의 위치 및 자세 제어를 위한 기구 구조에 있어서,

   베이스에 고정된 중앙축을 이용한 병렬 구조.
2. 제 1항에 있어서

   중앙축의 조인트를 중심으로 Yaw, Pitch를 구속하는 병렬 구조
3. 제 2항에 있어서

   자세를 구속하되 중앙축의 위치는 고정시키는 병렬 구조