KR20010090901A - 6 Degree of Freedom Parallel Haptic Device - Google Patents

6 Degree of Freedom Parallel Haptic Device

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KR20010090901A
KR20010090901A KR1020000018381A KR20000018381A KR20010090901A KR 20010090901 A KR20010090901 A KR 20010090901A KR 1020000018381 A KR1020000018381 A KR 1020000018381A KR 20000018381 A KR20000018381 A KR 20000018381A KR 20010090901 A KR20010090901 A KR 20010090901A
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Abstract

PURPOSE: A 6-degree of freedom parallel haptic instrument is provided to offer a practical interface by using plural degree of freedom more than those of the currently used haptic instrument and to offer a parallel haptic instrument no having a load caused by a self-weight by a light and wide working space and the optimum designing method for the instrument. CONSTITUTION: Three bridges are located having 120-degree intervals and comprised by five links(L1¯L5), respectively, are provided. Three upper contacting points(4) exist on the upper plate away from the radius Rt based on the upper plate coordinate system and comprises globe-shaped joints being connected to a link L2 with the upper plate. Three lower contacting points(3) exist between two links(L4, L5) and comprises globe-shaped joints. Three lower operating devices(1) are located having 120-degree intervals in the vertical direction based on the reference coordinate system and are connected with a link L3. Three upper operating devices(2) are located having 120-degree intervals in the horizontal direction from the reference coordinate system in the above direction of the lower operating devices(1) and are connected with a link L1.

Description

6 자유도 병렬형 햅틱 기구{6 Degree of Freedom Parallel Haptic Device}6 Degree of Freedom Parallel Haptic Device

본 발명은 손 내지 촉각을 통하여 사용자에게 현실감을 제공하는 햅틱(haptic) 기구에 대한 것으로서 특히 햅틱 기구의 기구학적 최적 설계 및 구동용량 결정 방법에 관한 것이다. 가상 현실 기술은 원격조정, 모의실험 등에 사용되어 왔으며 최근 정보통신 기술등의 발달 및 시장수요의 변화로 인하여 점차 적용범위가 확대되고 있다. 사용자가 가상 현실 시스템을 이용히는 경우 이러한 시스템에의 인터페이스가 문제가 된다. 인터페이스란 인간이 어떠한 도구에 접촉할 때 양쪽이 공유하는 영역 또는 경계를 뜻하는 것으로서 지금까지 컴퓨터와의 대표적인 인터페이스로는 마우스 또는 키보드가 있다. 최근 가상 현실에 대한 연구가 활발해지면서 사용자에게 촉각을 비롯한 오감을 통해 현실감을 제공하는 햅틱 인터페이스에 대한 필요성이 증대되고 있다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a haptic instrument that provides a user with a sense of reality through hands or tactile senses, and more particularly, to a method for determining kinematic optimum design and driving capacity of a haptic instrument. Virtual reality technology has been used for remote control, simulation, etc., and the scope of application is gradually expanded due to the recent development of information and communication technology and changes in market demand. If a user uses a virtual reality system, the interface to such a system becomes a problem. An interface refers to an area or boundary that both sides share when a human touches a tool. A representative interface with a computer has been a mouse or a keyboard. Recently, as the research on virtual reality is active, the necessity for a haptic interface that provides a sense of reality through the five senses, including the sense of touch, is increasing.

종래에 알려진 햅틱 인터페이스에 대한 연구에는 MIT 대학에서 개발해 수술용 등에 제한적으로 쓰이고 있는 PHANToM이나 카네기 멜론 대학에서 개발한 MagLev Wrist, 워싱톤 대학에서 개발한 펜형의 햅틱 기구 등이 있다. 위와 같은 기존의 연구는 움짐임의 방향이 세가지에 국한되는 3자유도 이하의 자유도를 갖는 기구에 관한 연구가 많았다. 그러나 기존의 3 자유도 기구는 각 다리가 하나의 체인으로 형성되며 두 개의 구동기에 의하여 움직이게 되는데, 각 다리를 구동시키기 위해 하나의 구동기는 지면에 고정되고 다른 한 구동기는 지면이 아닌 움직이는 링크에 부탁되어 구동되므로 구동기의 자체 중량이 시스템 자체 중량에 포함되어 전체 시스템의 자체 중량을 증가 시키는 단점이 있었다. 따라서, 기존의 병렬형 기구를 햅틱용으로 사용하고자 할 때 구동기 자체 중량으로 인해 사용자가 구동해야 되는 시스템 자체 중량의 부담이 크므로 장시간 사용시 피로가 증대되며, 투명한 힘 반영 성능 및 유효 힘 반영 크기가 저하되는 단점이 있었다. 기존에 3자유도 이상의 병렬형 기구가 존재하지만 이 기구는 하위 구동기가 상위 구동기와 동일한 방향으로 위치하는 구조로 인하여 특이 형상이 되므로 결과적으로 작업공간이 균일하지 못한 단점이 있었다.Previously known researches on haptic interfaces include PHANToM, developed at MIT University and limited use for surgery, MagLev Wrist developed at Carnegie Mellon University, and pen-type haptic devices developed at University of Washington. Previous studies such as the above had many studies on mechanisms having a degree of freedom of less than three degrees of freedom in which the direction of movement is limited to three. However, in the conventional three degree of freedom mechanism, each leg is formed by one chain and is moved by two drivers. In order to drive each leg, one driver is fixed to the ground and the other driver is connected to a moving link rather than the ground. Since it is driven, the weight of the driver is included in the weight of the system itself, which increases the weight of the entire system. Therefore, when the conventional parallel mechanism is to be used for haptic, the burden of the weight of the system that the user must drive due to the weight of the driver itself increases, so that fatigue is increased when using it for a long time. There was a disadvantage of deterioration. Conventional parallel mechanisms with more than three degrees of freedom exist, but this mechanism has a disadvantage that the working space is not uniform as a result of the unique shape due to the structure in which the lower driver is located in the same direction as the upper driver.

본 발명에서는 기존의 햅틱 기구에 비해 보다 많은 자유도를 활용하여 실제적인 인터페이스를 제공할 수 있으며, 가볍고 넓은 작업공간을 지니고 자체 중량으로 인한 부담이 없는 병렬형 햅틱 기구 및 이러한 기구의 최적 설계 방법 및 구동용량 결정에 대한 방법을 제안하고자 한다.In the present invention, a practical interface can be provided using more degrees of freedom than conventional haptic instruments, and a parallel haptic mechanism having a light and large work space and no burden due to its own weight, and an optimal design method and driving thereof We propose a method for dose determination.

도 1은 본 발명에서 제안하는 6 자유도 병렬형 햅틱 기구의 전체 사시도,1 is an overall perspective view of a six degrees of freedom parallel haptic mechanism proposed in the present invention;

도 2는 본 발명에서 제안하는 6 자유도 병렬형 햅틱기구의 주요 부분에 대한 확대도,Figure 2 is an enlarged view of the main part of the six degrees of freedom parallel haptic mechanism proposed in the present invention,

도 3은 본 발명에서 제안하는 6 자유도 병렬형 햅틱 기구의 단면도.Figure 3 is a cross-sectional view of the six degrees of freedom parallel haptic mechanism proposed in the present invention.

*도면의 주요부분에 대한 설명** Description of the main parts of the drawings *

1: 하위 구동기 2: 상위 구동기1: lower driver 2: upper driver

3: 하위 접촉점(구형 관절) 4: 상위 접촉점(구형 관절)3: lower contact point (spherical joint) 4: upper contact point (spherical joint)

5: 원통형 관절 6: 상판5: cylindrical joint 6: top plate

7: 상위 체인 8: 하위 체인7: parent chain 8: child chain

L1~L5: 링크L1-L5: Link

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서 제안하는 병렬형 햅틱 기구는 120도 간격으로 존재하며 각각 5개의 링크(L1~L5)로 구성된 세 개의 다리; 상판에 상판 좌표계를 중심으로 하여 반경 Rt의 거리에 존재하고 상판과 링크 L2를 연결하는 구형 관절로 된 세 개의 상위 접촉점(4); 두개의 링크(L4,L5) 사이에 존재하며 구형 관절로 된 세 개의 하위 접촉점(3); 지면에 기준 좌표계를 중심으로 하여 수직 방향으로 120도 간격으로 존재하며 링크 L3와 연결되는 세 개의 하위 구동기(1); 상기 하위 구동기 위로 기준 좌표계로부터 수평방향으로 120도의 간격으로 존재하며 L1과 연결되는 세 개의 상위 구동기(2)를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the object as described above, the parallel haptic mechanism proposed by the present invention is present at intervals of 120 degrees, three legs each consisting of five links (L1 ~ L5); Three upper contact points 4 of spherical joints on the upper plate which are at a distance of radius Rt around the upper plate coordinate system and which connect the upper plate and the link L2; Three lower contact points 3 between the two links L 4 , L 5 and of spherical joints; Three sub-drivers (1) present on the ground at 120-degree intervals in a vertical direction about the reference coordinate system and connected to the link L3; It characterized in that it comprises three upper drivers (2) which are present at intervals of 120 degrees in the horizontal direction from the reference coordinate system over the lower driver and connected to L1.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 의한 6 자유도 병렬형 햅틱 기구의 구조 및 기구학적 분석에 대해 자세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, it will be described in detail the structure and kinematic analysis of the six degrees of freedom parallel haptic mechanism according to the present invention.

도1은 본 발명에서 제안하는 병렬형 햅틱 기구의 전체 사시도에 대한 도면이고, 도2는 상기 햅틱 기구의 주요 부분에 대한 확대도이며, 도3은 상기 햅틱 기구의 단면도이다.1 is a view of the overall perspective view of a parallel haptic device proposed in the present invention, Figure 2 is an enlarged view of the main part of the haptic device, Figure 3 is a cross-sectional view of the haptic device.

도1에 도시된 바와 같이 6 자유도 병렬형 햅틱 기구는 상판(6)과 지면의 구동기(1,2) 그리고 이를 연결하는 세 개의 다리로 구성된다. 상판에는 구형관절 형태의 세 개의 상위 접촉점이 상판 좌표계를 중심으로 120도 간격으로 존재한다. 지면에는 세 쌍의 구동기들이 중심의 기준 좌표계를 기준으로 120도의 세 방향으로 위치한다. 모든 구동기들을 지면에 부착시킨 이유는 자체 중량으로 인한 부담을 없애기 위해서이다. 기준 좌표계의 원점으로부터 수평방향으로 위치한 상위 구동기(2)까지의 거리를 RB1, 수직방향으로 위치한 하위 구동기(1)까지의 수평거리를 RB2, 하위 구동기(1)까지의 수직 거리를 HB로 정의한다. 도 2에서 알 수 있듯이, 세 개의 다리는 각각 상위 접촉점과 상위 구동기(2)를 연결하며 링크 1과 링크 2를 연결하는 경로로 구성되는 상위 체인(7)과, 구형관절 형태의 하위 접촉점(m D, m=1,2,3)과 하위 구동기(1)를 연결하며 링크3->링크4->링크5->링크1을 따르는 경로로 구성되는 하위 체인(8)으로 이루어져 있다. 기존의 병렬형 햅틱 기구와는 달리 모든 구동기를 지면에 부착시킨 관계로, 각 다리에 하위 체인을 연결하는 메커니즘을 택하였다. 3개의 상위 구동기와 3개의 하위 구동기에서 시스템 구동력을 부여하며 이들을 제외한 나머지 관절들은 수동적으로 움직인다. 수동 관절들 중 원통형 관절은 한 방향으로 회전하며, 구형 관절은 3방향으로 회전이 가능하다. 두 개의 체인은 하위 접촉점에 구속되어 구동되고, 상위 체인에 부착된 상위 구동기의 회전운동은 해당 체인의 상위 접촉점의 상하운동에 기여하며, 하위체인에 부착된 하위구동기의 회전운동은 해당 체인의 상위 접촉점의 좌우이동에 기여하여 상기 세 개의 다리의 협조에 의해 상판의 위치와 움직임이 결정된다.As shown in Fig. 1, the six degrees of freedom parallel haptic mechanism is composed of a top plate 6, a ground driver (1, 2) and three legs connecting them. The upper plate has three upper contact points in the form of a spherical joint at 120 degree intervals from the upper plate coordinate system. Three pairs of actuators are located on the ground in three directions of 120 degrees with respect to the center reference coordinate system. The reason why all the drivers are attached to the ground is to eliminate the burden of their own weight. The distance from the origin of the reference coordinate system to the upper driver 2 located in the horizontal direction is defined as RB1, the horizontal distance from the lower driver 1 located in the vertical direction is defined as RB2 and the vertical distance to the lower driver 1 is defined as HB. . As can be seen in Figure 2, the three legs connect the upper contact point and the upper driver 2, respectively, the upper chain 7 consisting of a path connecting the link 1 and link 2, and the lower contact point ( m ) of the spherical joint type D , m = 1, 2, 3) and the lower driver (1) and consists of a lower chain (8) consisting of a path along Link3->Link4->Link5-> Link1. Unlike the conventional parallel haptic mechanism, all the actuators are attached to the ground, so the mechanism that connects the lower chain to each leg is selected. Three upper and three lower actuators give the system driving force, with the exception of the joints. Among the passive joints, the cylindrical joint rotates in one direction, and the spherical joint can rotate in three directions. The two chains are driven by being constrained to the lower contact point, and the rotational movement of the upper actuator attached to the upper chain contributes to the vertical movement of the upper contact point of the chain, and the rotational movement of the lower actuator attached to the lower chain is upper The position and movement of the top plate are determined by the cooperation of the three legs by contributing to the left and right movement of the contact point.

이하에서는 상기 햅틱 기구를 기구학적으로 분석하여 햅틱 기구의 자코비안을 알아내고 이를 토대로 상기 기구의 여러가지 성능 지수를 분석하는 방법을 설명하고자 한다.Hereinafter, a method of analyzing the haptic mechanism kinematically to find the Jacobian of the haptic mechanism and to analyze various performance indices of the device based on the same.

자코비안을 구하기 위해서는 구동관절의 속도()와 상판의 출력속도()의 관계를 밝혀야 한다. 이를 구하기 위해서는 상판의 위치벡터와 상위 접촉점의 위치벡터를 우선 구해야 한다. 하판의 기준 좌표계에 대한 상판 좌표계의 위치벡터는 다음 수학식 1로 정의한다.To get Jacobian, the speed of the joint ) And top plate output speed ( ) Should be identified. In order to find this, the position vector of the top plate and the position vector of the upper contact point must be obtained first. The position vector of the upper plate coordinate system with respect to the lower reference frame is defined by the following equation.

[수학식 1][Equation 1]

앞의 세항은 상판의 위치, 뒤의 세항은 상판의 방위각을 의미한다.The first term means the position of the top plate and the latter term means the azimuth of the top plate.

상위 접촉점의 위치벡터를로 정의할 때번째 상위 접촉점의 위치벡터는로 표시하며 이는 수학식2와 같이 정의한다.The position vector of the upper contact When defined as The position vector of the first upper contact point is It is expressed as Equation (2).

[수학식 2][Equation 2]

수학식 2는 상판의 위치벡터와 상판 중심부터 상위 접촉점까지의 위치벡터를 사용하여 다음 수학식3과 같이 다시 쓸 수 있다.Equation 2 is the position vector of the top plate and the position vector from the center of the top plate to the upper contact point Can be rewritten as in Equation 3 below.

[수학식 3][Equation 3]

여기서이며,은 기준 좌표계에 대한 상판 좌표계의 회전행렬을 나타내고,는 상판 좌표계에 대한번째 상위 접촉점의 위치벡터이다.here Is, Represents the rotation matrix of the upper plate coordinate system with respect to the reference coordinate system, For the tops coordinate system Position vector of the first upper contact point.

상위 접촉점과 상판의 속도와의 관계를 알아보기 위해서 수학식 3을 미분하면 다음 수학식 4와 같다.In order to determine the relationship between the upper contact point and the speed of the upper plate, the derivative of Equation 3 is as follows.

[수학식 4][Equation 4]

여기서이다.here to be.

수학식 4는 행렬형태로 수학식 5와 같이 쓸 수 있다.Equation 4 may be written as Equation 5 in a matrix form.

[수학식 5][Equation 5]

여기서는 수학식 6과 같다.here Is the same as Equation 6.

[수학식 6][Equation 6]

수학식 5로부터 출력 속도벡터와 상위 접촉점의 속도벡터와의 관계는 수학식 7과 같이 표현됨을 알 수 있으며Output velocity vector from equation (5) Velocity vector of the contact point It can be seen that the relationship with the equation (7)

[수학식 7][Equation 7]

여기서는 수학식 8과 같이 정의된다.here Is defined as in Equation 8.

[수학식 8][Equation 8]

각 다리의 상위체인에 대한 일차 기구학은 다음 수학식 9로 정의된다.The first kinematics for the upper chain of each leg is defined by the following equation (9).

[수학식 9][Equation 9]

여기서는 m번째 다리의 상위 체인을 구성하는 관절들의 속도벡터이다.here Is the velocity vector of the joints forming the upper chain of the mth leg.

전술한 바와 같이 각 다리는 상위체인과 하위체인이 하위접촉점에 구속되어 폐쇄체인을 형성하므로D점에서는 하위체인과 상위체인이 동일한 속도와 위치를 가지게 된다. 따라서 수학식 9로부터 수학식 10을 알아낼 수 있다.As described above, each leg has a lower contact point between the upper chain and the lower chain. Since it is constrained to form a closed chain, at D point, the lower chain and the upper chain have the same speed and position. Therefore, equation (10) can be found from equation (9).

[수학식 10][Equation 10]

하위 체인의 형태가 비특이 형상일 때 수학식 10을 역변환 관계를 이용하여 다시 정리하면 상위체인의 관절벡터와 하위체인의 관절벡터 사이의 1차관계가 수학식 11과 같이 얻어진다.When the lower chain has a non-specific shape, Equation 10 is rearranged using an inverse transformation relationship to obtain a linear relationship between the joint vector of the upper chain and the joint vector of the lower chain as shown in Equation 11.

[수학식 11][Equation 11]

수학식 11로부터 각 다리의 구동관절과 상위체인을 구성하는 관절 ()들간의 속도관계는 수학식 12와 같이 주어진다.Drive joint of each leg from equation (11) And joints that make up the parent chain ( Velocity relation between the two is given by Equation (12).

[수학식 12][Equation 12]

여기서는 수학식 13과 같이 정의된다.here Is defined as in Equation 13.

[수학식 13][Equation 13]

수학식 9의 역변환을 수학식 12에 대입하면 구동관절과 상위 접촉점의 속도관계는 수학식 14와 같이 정의될 수 있다.Substituting the inverse of Equation 9 into Equation 12, the velocity relationship between the driving joint and the upper contact point may be defined as shown in Equation 14.

[수학식 14][Equation 14]

이를 다시 수학식 7에 대입하면 구동관절과 출력벡터사이의 속도관계를 나타내는 수학식 15를 얻을 수 있다.Substituting this back into Equation 7 gives Equation 15 representing the speed relationship between the drive joint and the output vector.

[수학식 15][Equation 15]

시스템이 비특이 형상일 때 수학식 15는 역변화을 통해 수학식 16과 같이 표현되며 이는 햅틱 시스템의 자코비안이다.When the system is a non-specific shape, Equation 15 is expressed as Equation 16 through inverse change, which is a Jacobian of the haptic system.

[수학식 16][Equation 16]

수학식 16에 의해 얻어진 햅틱 시스템의 자코비안은 기구학적 성능지수를 계산하는 근간이 된다. 이하에서는 본 발명에서 제안하는 햅틱 기구의 설계에 고려되는 성능지수인 작업공간, 최대 힘 전달비, 등방성 지수를 살펴보기로 한다.The Jacobian of the haptic system obtained by Equation 16 is the basis for calculating the kinematic performance index. Hereinafter, a work space, a maximum force transmission ratio, and an isotropic index, which are considered in the design of the haptic mechanism proposed by the present invention, will be described.

작업공간은 말단장치가 도달 가능하고 그 지점에서 모든 방향으로 임의의 방위각을 지닐 수 있는 공간을 말하는 것으로서 이는 수학식 17로 정의되며 방위각의 범위는 수학식 18이다.The working space refers to the space where the end device is reachable and can have any azimuth in all directions at that point, which is defined by Equation 17 and the range of the azimuth is Equation 18.

[수학식 17][Equation 17]

[수학식 18]Equation 18

등방성 지수는 햅틱 기구의 말단 장치가 작업공간에서 모든 방향으로 얼마나 균일한 속도분포를 가질 수 있느냐에 관한 것으로 값이 클수록 균일한 속도분포를 가지게 되며 이는 수학식 19와 같이 시스템 자코비안의 최대 최소 특이값의 비로 정의된다.The isotropic index is about how uniform the velocity distribution can be in all directions in the work space of the end device of the haptic instrument. The larger the value is, the more uniform the velocity distribution becomes. It is defined as the ratio of.

[수학식 19][Equation 19]

다만 자코비안은 직선 속도와 회전 속도를 나타내는 항이 동시에 포함되 있으므로 통합적으로 비교하기 위해서는 이를 동일한 차원으로 변환시켜야 한다. 이를 위해 본 발명에서는 기준좌표계로부터 주 작업공간의 중심까지의 거리를 의미하는 공칭길이를 사용하여 자코비안을 무차원화하는 비례 자코비안 []을 사용한다. 비례 자코비안은 수학식 20과 같이 정의된다.However, Jacobian has both terms for linear and rotational speeds, so they must be converted to the same dimension in order to be integrated. To this end, in the present invention, the proportional Jacobian [Dimensional Jacobian] using the nominal length means the distance from the reference coordinate system to the center of the main work space [ ]. Proportional Jacobian is defined as in Equation 20.

[수학식 20][Equation 20]

따라서 비례등방성지수는 수학식 21과 같이 정의되며, 전 작업공간에 걸친 전역 비례 등방성 지수는 수학식 22와 같이 정의된다.Therefore, the proportional isotropy index is defined as Equation 21, and the global proportional isotropy index is defined as in Equation 22.

[수학식 21][Equation 21]

[수학식 22][Equation 22]

최대 힘 전달비는 햅틱 기구의 말단에서 단위 출력의 힘을 내기 위한 최대의 관절입력 토크를 의미하며 다음 수학식 23과 같이 정의된다.The maximum force transmission ratio means the maximum joint input torque for exerting the unit output force at the end of the haptic mechanism and is defined as in Equation 23 below.

[수학식 23][Equation 23]

전 작업공간에 걸쳐 분포된 전역 최대 힘 전달비는 수학식 24와 같이 정의된다.The global maximum force transmission ratio distributed over the entire workspace is defined as in Equation (24).

[수학식 24][Equation 24]

일정한 힘을 지지 하기 위해서 구동력이 적으면 적을수록 효율적인 것이므로 최대 힘 전달비는 작게 설계하는 것이 좋다.In order to support a constant force, the smaller the driving force is, the more efficient it is.

주어진 조건하에서 햅틱기구를 최적화시켜 설계하기 위해서는 전술한 다양한 성능지수들을 종합적으로 고려하여야 한다. 본 발명에서는 복합 전역 설계지수라는 개념을 도입하여 햅틱 기구 설계시 최적설계의 해를 얻을 수 있는 방법을 제시하고자 한다. 각 성능지수들을 종합적으로 고려하기 위해서는 각기 단위가 다른 성능 지수들을 무차원화하는 작업이 필요한데, 본 발명에서는 무차원화하는 방법으로 다양한 차원의 지수들을 0과 1사이의 값으로 변화시키는 퍼지이론을 사용한다. 이에 따르면 작업공간, 전역비례 등 방성 지수, 전역 최대 힘 전달비는 각각 수학식 25, 26, 27과 같이 재정의된다.In order to optimize the design of the haptic mechanism under given conditions, the various performance indices described above should be taken into consideration. In the present invention, by introducing the concept of a composite global design index to propose a method that can obtain the solution of the optimal design when designing haptic mechanisms. In order to consider each performance index comprehensively, it is necessary to dimensionize different performance indices of different units. In the present invention, a fuzzy theory of changing the indices of various dimensions to a value between 0 and 1 is used as a dimensionless method. . According to this, the anisotropy index and the global maximum force transmission ratio such as the work space and the global proportion are redefined as Equations 25, 26 and 27, respectively.

[수학식 25][Equation 25]

[수학식 26][Equation 26]

[수학식 27][Equation 27]

이상의 설계지수를 통합적으로 고려하는 복합 전역 설계지수는 다음 수학식 28과 같이 구한다.The complex global design index considering the above design index is calculated as shown in Equation 28 below.

[수학식 28][Equation 28]

복합 전역 설계지수의 값이 최대일 때의 설계인자가 최적설계의 해가 된다. 이때의 설계인자에는 상판의 반경 Rt, 각 다리를 구성하는 링크의 길이 l1, l2, l3, l4, l5, 두 번째 구동기(1)까지의 수평거리 RB2 및 수직거리 HB 등이 있다. 사용자는 햅틱 기구 설계시 주어진 동작 환경등을 고려하여 상기 설계인자를 변형해가면서 수학식 28을 이용해 최적의 설계를 할 수 있게 된다.The design factor when the value of the composite global design index is the maximum is the solution of the optimal design. At this time, the design factors include the radius Rt of the top plate, the length of the links constituting each leg l 1 , l 2 , l 3 , l 4 , l 5 , the horizontal distance RB2 to the second driver 1, the vertical distance HB, and the like. have. When the user designs the haptic device, the user can perform the optimal design using Equation 28 while modifying the design factor in consideration of a given operating environment.

본 발명에서는 설계된 메커니즘의 특성을 이용하여 구동장치의 최적용량을 결정하는 방법을 제시한다. 말단장치에 가하여지는 일정한 힘의 크기게 의하여 각 구동장치에 부과되는 최대의 부하를 그 구동장치의 최적용량으로 정한다. 요구되어지는 최대 하중용량이일 때, 다음 구속조건하에서 각 구동장치에 걸리는 최대 구동력을 구한다. 구속조건은 수학식 29와 같이 설정한다.The present invention proposes a method for determining the optimum capacity of a drive system using the characteristics of the designed mechanism. The maximum load imposed on each drive is determined as the optimum capacity of that drive by the amount of force applied to the end device. Maximum load capacity required , The maximum driving force on each drive under the following constraints: Obtain The constraint is set as in Equation 29.

[수학식 29][Equation 29]

여기서,는 i번째 관절의 변위이며,는 전체 관절의 개수이다. 이 때 말단장치에 걸리는 하중은 수학식 30과 같이 나타낼 수 있다.here, Is the displacement of the i joint Is the total number of joints. At this time, the load on the end device can be expressed as shown in Equation 30.

[수학식 30]Equation 30

n번째 구동장치에 걸리는 부하는와 중력에 의한 부하에 의해 결정되므로 최적의 구동용량은 수학식 31과 같이 구하여진다.load on the nth drive And gravity-induced load Since the optimum driving capacity is determined by Equation 31,

[수학식 31]Equation 31

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에서 제안하는 6 자유도 병렬형 햅틱기구에 의하면 많은 자유도를 활용하여 보다 실제적인 인터페이스를 제공할 수 있으며, 모든 구동기가 지면에 부착되어 구동기 자체의 중량으로 인한 부담이 없으므로 기구의 중량이 가벼우며 작업공간이 넓어지게 된다. 또한 사용자는 다양한 성능지수들을 종합적으로 고려한 시스템 최적설계 방법을 통해 작업 환경을 고려해 최적의 시스템을 설계할 수 있으며 이러한 시스템 특성을 반영한 구동기 선정을 통해 작업 효율을 극대화할 수 있다.As described above, according to the six degrees of freedom parallel haptic mechanism proposed in the present invention, a more practical interface can be provided by utilizing many degrees of freedom, and all the drivers are attached to the ground, so there is no burden due to the weight of the drivers themselves. The weight of the instrument is light and the working space is increased. In addition, the user can design the optimal system considering the working environment through the system optimization design method considering the various performance indices, and maximize the work efficiency by selecting the actuator reflecting these system characteristics.

Claims (3)

병렬형 햅틱 기구에 있어서, 120도 간격으로 존재하며 5개의 링크(L1~L5)로 구성된 세 개의 다리; 상판에 상판 좌표계를 중심으로 하여 반경 Rt의 거리에 존재하고 상판과 링크 L2를 연결하는 구형 관절로 된 세 개의 상위 접촉점(4); 두개의 링크(L4,L5) 사이에 존재하며 구형 관절로 된 세 개의 하위 접촉점(3); 지면에 기준 좌표계를 중심으로 하여 수직 방향으로 120도 간격으로 존재하며 링크 L3와 연결되는 세 개의 하위 구동기(1); 상기 하위 구동기 위로 기준 좌표계로부터 수평방향으로 120도의 간격으로 존재하며 L1과 연결되는 세 개의 상위 구동기(2) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 6 자유도 병렬형 햅틱기구.Claims [1] A parallel haptic device comprising: three legs which are disposed at 120 degree intervals and consist of five links L1 to L5; Three upper contact points 4 of spherical joints on the upper plate which are at a distance of radius Rt around the upper plate coordinate system and which connect the upper plate and the link L2; Three lower contact points 3 between the two links L 4 , L 5 and of spherical joints; Three sub-drivers (1) present on the ground at 120-degree intervals in a vertical direction about the reference coordinate system and connected to the link L3; And six upper actuators (2) which are spaced 120 degrees horizontally from the reference coordinate system above the lower driver and connected to L1. 제 1항에 있어서, 상기 6개의 상, 하위 구동기(1,2)들은 자체 중량으로 인한 부담을 없애기 위해 지면에 부착되는 것을 특징으로 하는 6 자유도 병렬형 햅틱 기구.6. A six degree of freedom parallel haptic device according to claim 1, characterized in that the six upper and lower drivers (1,2) are attached to the ground to eliminate the burden of their own weight. 제 1항에 있어서, 상기 6 자유도 병렬형 햅틱 기구를 설계하는 경우, 상기 기구의 작업공간, 등방성, 최대 힘 전달비를 동시에 고려한 전역 복합식 최적설계방식을 사용하여 설계인자들의 값을 정하는 것을 특징으로 하는 6 자유도 병렬형 햅틱 기구.The method of claim 1, wherein when designing the six degrees of freedom parallel haptic device, design factors are determined using a global hybrid optimal design method that simultaneously considers the workspace, isotropy, and maximum force transmission ratio of the device. 6 degrees of freedom parallel haptic mechanism.
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