KR20020003591A - 3차원상의 위치 및 자세 제어를 위한 병렬 기구 구조 - Google Patents

3차원상의 위치 및 자세 제어를 위한 병렬 기구 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 3차원상의 위치 및 자세 제어를 위한 병렬 기구 구조에 관한 것으로서, 본 발명은, 기구의 주축에 3개의 링크들을 연결시키고, 주축에 연결된 상기 3개의 링크들이 각각 수직 방향 및 수평 방향의 두 방향으로 구동되어 주축이 6자유도 운동을 하도록 하는 3차원상의 위치 및 자세 제어를 위한 병렬 기구 구조에 있어서, 상기 세 개의 링크들은, 원호형 수직 가이드를 따라서 이송하도록 구동되는 제1링크, 각각의 직선형 수직 가이드를 따라서 이송하도록 구동되는 제2링크 및 제3링크 두 개의 링크들로 구성되고, 상기 원호형 수직 가이드와 상기 두 개의 직선형 수직 가이드가 수평 이송할 수 있는 원호형 수평 가이드를 포함하는 것임을 특징으로 한다. 본 발명에 의한 3차원상의 위치 및 자세 제어를 위한 병렬 기구 구조에 의하면, 종래의 모션 시뮬레이터에서 주축이 20∼30°까지만 경사지는 것임에 반하여, 본 발명에서 제안된 병렬 기구 구조가 모션 시뮬레이터에 응용되었을 때에는 주축이 ±360°이상 무한 회전 가능한 효과가 있다. 또한, 본 발명에 의한 병렬 기구 구조는 비행기, 자동자 시뮬레이터 등의 모션 시뮬레이터 뿐만 아니라, 공작 기계, 놀이 기구 등에 응용될 수 있다.

Description

3차원상의 위치 및 자세 제어를 위한 병렬 기구 구조{Parallel Mechanism Structure for Controlling of 3-Dimensional Position and Orientation}
본 발명은 3차원상의 위치 및 자세 제어를 위한 병렬 기구 구조에 관한 것이다. 3차원상의 위치 및 자세 제어를 위한 기구 구조는 가공 대상 물체를 가공하는 공작 기계, 물체의 조립, 운반 등과 같은 작업을 수행하는 로봇 메뉴플레이터를 위하여 연구되어 왔다.
예컨대, 공작 기계는 재료를 원하는 형상 및 모양을 가지도록 가공하는 장치로서, 기계 본체와 공구로 구성되어 동력에 의하여 기계를 운전하고, 절삭 공구에 의하여 재료를 가공하게 되는데, 이러한 공작 기계에서 가공 재료에 대한 공구의 3차원상의 위치 및 자세 제어가 필수적이다.
병렬 기구 구조가 알려지기 이전에 있었던 직렬 기구 구조를 먼저 설명한다. 도1은 종래의 직렬 기구 구조를 설명하는 구조도이다. 도1에서 보이는 바와 같이, 종래의 직렬 기구 구조는, 베이스(11)에서 주축(12)까지의 각 축이 직각인 외팔보 구조이다. 이러한 직렬 기구 구조는 작업 공간이 넓고, 이를 제어하기 위한 소프트웨어 및 제어 장치가 간단한 장점이 있다. 그러나, 도1에 도시된 바와 같은 직렬 기구 구조에 비하여, 베이스와 주축이 복수개의 링크들로 연결되는 병렬 기구 구조의 다음과 같은 장점으로 인하여 병렬 기구 구조에 대한 연구가 활발하게 진행되어 왔다.
직렬 기구 구조에 비하여 병렬 기구 구조가 가지는 장점으로는 다음과 같은 것들을 들 수 있다. 첫째, 이동부의 관성 질량을 감소시킬 수 있어서 이동부의 속도 및 가속도를 증가시킬 수 있으며, 둘째, 주축과 베이스가 복수개의 링크들로 연결되어 있고, 각 링크들은 굽힘력 대신에 인장력과 압축력만을 받음으로써 기계의 강성을 높일 수 있다. 셋째, 병렬 기구 구조의 각 링크의 오차가 주축에 평균적으로 반영됨으로써 링크의 오차가 누적되는 직렬 기구 구조에 비하여 정확도가 향상된다. 넷째, 직렬 기구 구조를 도입한 공작 기계가 대부분 3축 직각 좌표 기계인것임에 반하여, 병렬 기구 구조는 기본적으로 6자유도 운동이 가능한 구조로 완전한 형태의 5면 5축 동시 가공이 가능하다.
도2는 종래의 병렬 기구 구조로서 헥사 포드형 구조를 설명하는 구조도이다. 도2에 도시된 바와 같이, 헥사 포드형 병렬 기구 구조는, 주축(22)과 베이스(21)를 여섯 개의 링크들이 연결하고 있고 이를 신축함으로써 6자유도 운동을 구현하는 구조이다. 도2에 도시된 헥사 포드형 구조를 '스튜어트 플랫폼' 구조라고 한다. 미국의 Giddings & Lewis사는 '스튜어트 플랫폼' 구조를 도입한 병렬 기구 공작 기계를 제작한 바 있다. 이 공작 기계는 6자유도 운동을 할 수 있으나, 작업 영역이 매우 협소하고, 특히 주축이 15°까지의 경사만이 가능하고 선회 운동이 불가능한 단점이 있다.
미국의 Ingersoll사는 NIST와 공동으로 '옥타헤드럴 헥사 포드'를 개발하였는데, 이 구조는 '스튜어트 플랫폼' 구조를 뒤집어놓은 것으로서, 작업 공간이 협소하고, 주축은 30°의 경사가 가능하고 추가로 작업대를 15°경사시켜서 전체적으로 45°까지의 경사를 얻을 수 있는 것에 지나지 않는다. 이러한 한계는 주축에 연결된 여섯개의 링크들이 서로 간섭을 일으키고, 주축과 링크를 연결하고 있는 볼조인트의 회전각이 제한되어 있기 때문이다.
주축의 경사각을 90°까지 확장시킨 병렬 기구 구조로서, 본 출원인에 의한 특허 등록 제237553호가 공지되어 있다. 도3은 종래의 병렬 기구 구조로서 주축이 90°경사 가능한 경우의 구조도로서, 도3a는 주축의 경사각이 0°인 경우이고, 도3b는 주축의 경사각이 90°인 경우이다.
도3에서 도시된 경우는 주축(72)에 연결된 세 개의 링크들(73,74,75)이 각각의 직선형 수직 가이드(83,84,85)를 따라서 수직 이송하고, 이러한 세 개의 수직 가이드들(83,84,85)이 360°수평 이송할 수 있는 원형의 수평 가이드(76)를 따라서 이송한다. 세 개의 링크들(73,74,75) 각각은 주축(72)으로부터 S-R-P 관절로 이루어지고, 수직 가이드들(83,84,85)은 원형의 수평 가이드(76)와 P' 관절로 연결된다. 상기 P 관절과 P' 관절을 구동하여 6개의 구동 관절에 의하여, 주축(72)의 6자유도를 실현한다.
여기서, 'S'는 3축 회전을 위한 볼 관절(Sperical Joint)이고, 'R'은 1축 회전을 위한 핀 관절(Revolute Joint)이고, 'P'는 1축 직선 이송을 위한 병진 관절(Prismatic Joint)이고, 'P''은 병진 관절의 이송 경로가 직선이 아닌 원호인 경우를 각각 지칭한다.
도3에 도시된 병렬 기구 구조에서 직선형 수직 가이드들(83,84,85) 중 어느 하나(도3의 경우, 85)는 수평 가이드(76)를 기준으로 아래쪽으로 배치되고, 나머지 두 개(83,84)는 수평 가이드(76)를 기준으로 위쪽으로 배치되어 있다. 이와 같이 세 개의 수평 가이드들(83,84,85)을 모두 같은 방향으로 배치하지 않은 것은 작업 영역의 제한을 최소화하여 작업 영역을 확보하기 위한 것이다.
도3에 도시된 병렬 기구 구조에서는, 직선형 수직 가이드(83,84,85)를 수평 가이드(76) 상에서 수평 이송시키기 위하여 3개의 액츄에이터, 주축에 연결된 세 개의 링크들(73,74,75)의 직선형 수직 가이드(83,84,85) 상의 각각의 수직 이송을 위한 3개의 액츄에이터로 전체적으로 6개의 액츄에이터로 6자유도 운동을구현한다. 도3에 도시된 병렬 기구 구조에 의하면, 도3b에 도시된 바와 같이 주축의 경사각이 90°까지 가능하게 되고, 이로 인하여 저면을 제외한 5면 가공이 가능하다.
그러나, 주축의 경사각이 90°까지인 경우에도 소재의 저면 가공은 불가능하므로, 주축의 경사각을 확장하는 것이 요구된다.
또한, 이와 같은 병렬 기구 구조는 주축의 경사각의 한계 때문에 실제 움직임을 모사하기 위한 모션 시뮬레이터로서 한계가 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 도3에 도시된 병렬 기구 구조에서 주축의 경사각을 확장하여, 제안된 병렬 기구 구조가 공작 기계에 응용되었을 때에 소재의 저면 가공이 가능하도록 할 뿐만 아니라, 모션 시뮬레이터에 적용하는 경우, 주축의 경사각이 ±360°회전 가능한 병렬 기구 구조를 제공하고자 한다.
도1은 종래의 직렬 기구 구조를 설명하는 구조도,
도2는 종래의 병렬 기구 구조로서 헥사 포드형 구조를 설명하는 구조도,
도3은 종래의 병렬 기구 구조로서 주축이 90° 가능한 경우의 구조도로서, 도3a는 주축의 경사각이 0° 경우이고, 도3b는 주축의 경사각이 90° 경우임,
도4는 주축이 360° 가능한 본 발명에 의한 병렬 기구 구조의 구조도로서, 주축의 경사각이 도4a는 0°, 도4b는 90°, 도4c는 180°, 도4d는 270° 경우를 도시한 것,
도5는 본 발명에 의한 병렬 기구 구조를 채용하여 제작된 모션 시뮬레이터의 가상도.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 3차원상의 위치 및 자세 제어를 위한 병렬 기구 구조는, 기구의 주축에 3개의 링크들을 연결시키고, 주축에 연결된 상기 3개의 링크들이 각각 수직 방향 및 수평 방향의 두 방향으로 구동되어 주축이 6자유도 운동을 하도록 하는 병렬 기구 구조에 있어서, 상기 세 개의 링크들은, 원호형 수직 가이드를 따라서 이송하도록 구동되는 제1링크와, 각각의 직선형 수직 가이드를 따라서 이송하도록 구동되는 제2링크 및 제3링크의 두 개의 링크들로 구성되고, 상기 원호형 수직 가이드와 상기 두 개의 직선형 수직가이드가 수평 이송할 수 있는 원호형 수평 가이드를 포함하는 것임을 특징으로 한다.
상기한 본 발명에 의한 병렬 기구 구조에서, 상기 제1링크는 주축으로부터 3축회전관절-1축회전관절-1축원호이송관절(S-R-P')로 구성되고, 상기 제2링크 및 제3링크는 주축으로부터 3축회전관절-1축회전관절-1축직선이송관절(S-R-P)로 구성되고, 상기 원호형 수직 가이드와 두 개의 직선형 수직 가이드는 1축원호이송관절(P')에 의하여 상기 원호형 수평 가이드와 연결되는 것임을 특징으로 한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 의한 3차원상의 위치 및 자세를 제어를 위한 병렬 기구 구조를 상세하게 설명한다.
도4는 본 발명에 의한 병렬 기구 구조의 구조도로서, 도4a는 주축의 경사각이 0°, 도4b는 90°, 도4c는 270°, 도4d는 270°인 경우를 도시한 것이다.
본 발명에 의한 병렬 기구 구조는, 기구의 주축에 3개의 링크들을 연결시키고, 이러한 3개의 링크들을 각각 수직 방향 및 수평 방향의 두 방향으로 구동하여 세 개의 링크들이 연결된 주축이 6자유도 운동을 하도록 하는 것을 기본으로 한다.
본 발명에서는 여기에, 상기 3개의 링크들 중 어느 하나(201)는 원호형 수직 가이드(101)를 따라서 이송하도록 구동하고, 나머지 둘(202,203)은 각각 직선형 수직 가이드(102,103)를 따라서 이송하도록 구동한다. 또한, 상기 원호형 수직 가이드(101)와 직선형 수직 가이드들(102,103)은 각각 원호형 수평 가이드(104)를 따라서 이송하도록 구동한다.
이를 위하여, 원호형 수직 가이드(101)를 따라서 이송하는 제1링크(201)는 주축으로부터, 3축회전관절-1축회전관절-1축원호이송관절(S-R-P')로 구성되고, 직선형 수직 가이드(102,103)를 따라서 각각 이송되는 제2링크(202) 및 제3링크(203)는 주축으로부터 3축회전관절-1축회전관절-1축직선이송관절(S-R-P)로 구성된다.
또한, 상기 원호형 수직 가이드(101)와 두 개의 직선형 수직 가이드들(102,103)는 1축원호이송관절(P')에 의하여 상기 원호형 수평 가이드(104)와 연결되어 원호형 수평 가이드(104) 상을 360° 이송한다.
본 발명에 의한 병렬 기구 구조에서 구동 관절은 제1링크(201)의 1축원호이송관절(P')로서, 제1링크(201)가 원호형 수직 가이드(101) 상을 수직 원호 이송하는 것을 구동하고, 제2링크(202) 및 제3링크(203)의 1축직선이송관절(P)을 구동하여, 제2링크(202) 및 제3링크(203)가 각각의 직선형 수직 가이드(102,103)를 수직 직선 이송하는 것을 구동한다. 또한, 원호형 수직 가이드(101)와 두 개의 직선형 수직 가이드들(102,103)의 1축원호이송관절(P')이 구동 관절로서 원호형 수직 가이드(101)와 두 개의 직선형 수직 가이드들(102,103) 각각이 원호형 수평 가이드(104) 상을 수평 이송하는 것을 구동한다. 따라서 전체적으로 6개의 액츄에이터가 필요하게 되며, 6개의 구동 관절로 주축의 6자유도 운동을 구현한다.
도4에 도시된 본 발명에 의한 병렬 기구 구조는 도3에 도시된 종래의 병렬 기구 구조에서 수평 가이드(76)를 기준으로 아래쪽으로 배치된 수직 가이드(85)를 원호형으로 변경한 것이다.
본 발명에 의한 병렬 기구 구조에 의하면, 주축의 경사각이 90°보다 훨씬확장되어 ±360° 이상 무한 회전이 가능하다. 도4c 및 도4d는 180°, 270° 경사의 경우를 도시한 것이다.
도5는 본 발명에 의한 병렬 기구 구조를 채용한 모션 시뮬레이터의 가상도이다. 본 발명에 의한 병렬 기구 구조를 모션 시뮬레이터에 도입하는 경우, ±360°이상 무한 회전이 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 3차원상의 위치 및 자세 제어를 위한 병렬 기구 구조에 의하면, 주축의 경사각이 90°까지 가능한, 병렬 기구 구조에서 주축의 경사각을 확장하여, 제안된 병렬 기구 구조가 공작 기계에 응용되었을 때에 소재의 저면 가공이 가능하게 하는 효과가 있다. 또한, 본 발명에 의한 병렬 기구 구조는 공작 기계 뿐만 아니라, 비행기 시뮬레이터 또는 놀이 기구 등에도 응용될 수 있다.

Claims (3)

  1. 기구의 주축에 3개의 링크들을 연결시키고, 주축에 연결된 상기 3개의 링크들이 각각 수직 방향 및 수평 방향의 두 방향으로 구동되어 주축이 6자유도 운동을 하도록 하는 3차원상의 위치 및 자세 제어를 위한 병렬 기구 구조에 있어서,
    상기 세 개의 링크들은, 원호형 수직 가이드를 따라서 이송하도록 구동되는 제1링크와, 각각의 직선형 수직 가이드를 따라서 이송하도록 구동되는 제2링크 및 제3링크의 두 개의 링크들로 구성되고, 상기 원호형 수직 가이드와 상기 두 개의 직선형 수직 가이드가 수평 이송할 수 있는 원호형 수평 가이드를 포함하는 것임을 특징으로 하는 3차원상의 위치 및 자세 제어를 위한 병렬 기구 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1링크는 주축으로부터 3축회전관절-1축회전관절-1축원호이송관절(S-R-P')로 구성되고, 상기 제2링크 및 제3링크는 주축으로부터 3축회전관절-1축회전관절-1축직선이송관절(S-R-P)로 구성되고, 상기 원호형 수직 가이드와 두 개의 직선형 수직 가이드는 1축원호이송관절(P')에 의하여 상기 원호형 수평 가이드와 연결되는 것임을 특징으로 하는 3차원상의 위치 및 자세 제어를 위한 병렬 기구 구조.
  3. 제2항에 있어서,
    제1링크의 1축원호이송관절(P'), 제2링크 및 제3링크의 1축직선이송관절(P), 원호형 수직 가이드와 두 개의 직선형 수직 가이드들의 1축원호이송관절(P')을 각각 구동하여 주축의 6자유도 운동을 구현하는 것임을 특징으로 하는 3차원상의 위치 및 자세 제어를 위한 병렬 기구 구조.
KR1020000034096A 2000-06-21 2000-06-21 3차원상의 위치 및 자세 제어를 위한 병렬 기구 구조 KR100355174B1 (ko)

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