KR20030068727A - 작업용 로봇, 작업용 로봇을 위한 액츄에이터 및 그제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 작업용 로봇에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이동하는 작업대상의 작업위치에 툴을 위치시켜 요구되는 작업을 수행할 수 있는 작업용 로봇에 관한 것으로, 1 이상의 자유도를 가지고 작업대상의 이동형태에 따라서 함께 이동하는 로봇 몸체부와, 상기 로봇 몸체부의 자유단에 장착되며, 작업을 위한 툴의 장착을 위한 툴장착부가 작업대상에 의한 미세 변위에 수동적으로 반응하는 수동형 조인트에 의하여 연결 설치되며, 상기 툴을 작업하기 위한 위치로 위치시키는 액츄에이터와, 상기 로봇 몸체부, 액츄에이터 및 툴을 제어하기 위한 제어장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 작업용 로봇을 제공한다.

Description

작업용 로봇, 작업용 로봇을 위한 액츄에이터 및 그 제어방법{WORKING ROBOT, ACTUATOR THEREFOR AND CONTROL METHOD THEREFOR}

본 발명은 작업용 로봇에 관한 것으로서, 이동하는 작업대상의 작업위치에 툴을 위치시켜 요구되는 작업을 수행할 수 있는 작업용 로봇에 관한 것이다.

산업용 로봇은 로봇의 한 종류로서 인간을 대신하여 작업현장에서 노동을 행하는 기계를 말하는 데, 이상온도(異常溫度)·습도·소음 등으로 작업환경이 열악한 현장과 원자력 발전소나 탄광의 채탄작업과 같은 위험한 곳에서의 작업을 인간을 대신하여 수행 할 수 있다.

산업용 로봇은 현재 반도체 소자 제조 공정이나 무인자동화시스템 등 다양한 분야에서 적용되고 있다. 특히, 자동차 제조 공정 등에 있어서도 산업용 로봇을 이용하여 생산성을 높이고 있는데, 켄베이어(conveyor) 등에 의하여 작업대상을 이동시키면서 산업용 로봇은 이동하는 작업대상에 필요한 작업을 수행하게 된다.

상기와 같이 이동하는 작업대상에 필요한 작업을 수행하는 데 있어서, 산업용 로봇은 원활한 작업수행을 위하여 컨베이어와의 동기, 비젼(vision) 감지 및 추종(tracking) 기능이 있다. 그러나 상기와 같은 기능은 시스템의 안정성을 높이기 위하여 낮은 동작 주파수에서 사용되는데 고출력의 로봇일 경우에는 작업대상의 추종시 많은 토크를 요구하며 자체 질량 또는 질량 관성모멘트에 의하여 그 동작성능이 떨어지게 된다. 따라서, 이러한 기능은 높은 주파수, 즉 빠른 변화를 가지는 현장 상황에는 빠르게 대응할 수 없으며, 주로 변동 주파수가 낮은 정속이동하는 작업대상에만 국한되어 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 로봇의 가동 주파수를 높이기 위하여 여유 자유도을 가지는 로봇이 현재 연구되고 있는데, 포드(Ford)사에서 개발한 1+6 로봇은 기존의 6자유도 로봇을 1자유도의 선형 운동장치에 부착하여 이동하는 작업대상에 대한 조립 등의 작업을 실험하였으나 추가되는 1자유도의 기구가 로봇을 1자유도 선형 운동장치에 부착하여 이동물체에 대한 조립작업을 실험하였으나 추가되는 1자유도의 선형운동장치가 로봇을 컨베이어 등에 맞춰 이동하여야 하기 때문에 많은 동력을 필요로 하게 되며 시스템의 응답성능이 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 불규칙한 속도로 이동하는 작업대상에 대한 자동 조립 등과 같은 작업이 가능하며 높은 주파수를 가지는 변화에 빠르게 대응할 수 있으며, 종래의 산업용 로봇의 제어시스템에 대한 별도의 수정없이 제어가능한 작업용 로봇을 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 작업용 로봇의 개념도를 나타낸 것이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 작업용 로봇 중 액츄에이터 및 툴을 보여주는 개략도를 나타낸 것이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 작업용 로봇의 제어 흐름도를 나타낸 것이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 작업용 로봇의 제어를 의한 블럭선도를 나타낸 것이다.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***

10 : 로봇 몸체부20 : 액츄에이터

30 : 툴40 : 제어장치

50 : 작업대상60 : 수동형 조인트

본 발명은 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명에 따른 작업용 로봇은 1 이상의 자유도를 가지고 이동하는 로봇 몸체부와, 상기 로봇 몸체부의 자유단에 장착되며, 작업을 위한 툴장착부가 설치되어 툴이 장착되며, 1 자유도를 가지고 작업하기 위한 위치로 상기 툴을 위치시키는 액츄에이터와 및 상기 로봇 몸체부, 액츄에이터 및 툴을 제어하기 위한 제어장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 작업용 로봇을 제공한다.

또한, 본 발명은 작업용 로봇의 자유단에 장착되는 프레임과, 상기 프레임에 설치되고 작업을 위한 툴의 장착을 위한 툴장착부와, 상기 툴장착부가 장착되어 상기 툴장착부를 선형이동시키기 위한 선형구동장치 및 제어장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터를 제공한다.

또한, 본 발명은 로봇의 몸체를 작업대상의 이동속도에 동기시켜 속도제어하고, 작업위치에 툴을 위치시키기 위하여 상기 몸체의 자유단에 액츄에이터를 장착하고 상기 액츄에이터에 툴을 장착하여 상기 툴의 위치를 위치제어하는 작업용 로봇의 제어방법을 제공한다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 작업용 로봇에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 작업용 로봇의 개념도를 나타낸 것이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 작업용 로봇 중 액츄에이터 및 툴을 보여주는 개략도를 나타낸 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 작업용 로봇은 도 1에 도시된 바와 같이, 6 자유도를 가지고 이동하는 로봇 몸체부(10)와, 상기 로봇 몸체부(10)의 자유단(10a)에 장착되며, 작업을 위한 툴장착부(21)가 설치되어 툴(30)이 장착되며, 시스템의 응답속도를 높이기 위해 작업대상(50)의 변위 형태와 방향에 일치하도록 구성되어 상기 툴(30)을 작업대상(50)의 작업 위치에 위치시키는 액츄에이터(20)와 및 상기 로봇 몸체부(10), 액츄에이터(20) 및 툴(30)을 제어하기 위한 제어장치(40)를 포함하는것을 특징으로 한다.

상기 로봇 몸체부(10)는 종래의 산업용 로봇이 사용될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 따른 작업용 로봇의 로봇몸체부(10)는 도 1에 도시된 바와 같이, 작업대상(50)을 이송하는 컨베이어와 같은 방향으로 직선운동을 하는 경우를 나타낸다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 로봇 몸체부(10)은 6자유도를 가지는 것으로 설명하고 있으나 6 이하의 자유도를 가지는 것도 가능하다. 그리고, 상기 로봇 몸체부(10)의 이동속도는 작업대상(50)의 이동속도와 제어장치(40)에 의하여 동기 제어된다.

상기 액츄에이터(20)는 로봇의 작업속도를 최대로 하고 로봇의 응답속도를 높이기 위하여 작업대상(50)의 이동 변위의 형태(회전운동 또는 선형운동 등)와 방향에 일치하도록 상기 로봇 몸체부(10)에 부착되는데, 도 2에 도시된 바와 같이, 작업용 로봇의 자유단(10a)에 장착되는 프레임(22)과, 상기 프레임(22)에 설치되고 작업을 위한 툴(30)의 장착을 위한 툴장착부(21)와, 상기 툴장착부(21)가 장착되어 상기 툴장착부(21)를 선형이동시키기 위한 선형구동장치(23)를 포함하여 구성된다. 또한, 상기 액츄에이터(20)의 자유도는 1 이상의 자유도를 가지고 작동할 수 있다.

상기 선형구동장치(23)는 상기 프레임(22)에 설치된 가이드(24)를 따라서 선형이동을 하게 된다. 여기서, 상기 액츄에이터(20)는 상기 툴장착부(21)를 선형이동시킴으로써 상기 툴(30)을 선형이동하게 되어 있으나 로봇에 요구되는 작업에 따라서는 작업을 위한 툴(30)을 회전시키기 위하여 회전이동할 수도 있다. 즉, 필요에 따라서는 상기 선형이동장치 대신에 회전장치 등이 장착될 수 있다.

상기 툴장착부(21)는 상기 툴(30)이 작업대상(50)과의 접촉에 의하여 발생하는 미세 변위에 수동적으로 반응하는 수동형 조인트(60)에 의하여 상기 선형구동장치(23)에 연결 장착되는데, 상기 수동형 조인트(60)는 상기 툴(30)이 상기 작업대상(50)과의 접촉시 충격흡수를 위한 완충 및 상기 툴의 위치 복원을 위한 탄성부재인 스프링(61)과 댐핑부재인 댐퍼(62)를 포함하여 상기 미세 변위에 반응하게 된다. 상기와 같은 수동조인트(60) 연결에 의하여 작업용 로봇은 툴(30)이 작업대상(50)에 접촉하여 발생하는 충격을 완화시킬 뿐만 아니라 미세변위에 적절하게 반응할 수 있게 된다. 또한, 수동형조인트(60)에서는 그 변위를 측정하여 수동형 조인트(60)에 작용하는 힘 또는 토크를 통하여 툴(30)의 위치를 측정할 수도 있다.

상기 제어장치(40)는 상기 로봇 몸체부(10)의 제어와 함께, 툴(30) 및 액츄에이터(20)를 제어하게 된다. 특히, 종래의 로봇의 자유단에 본 발명에 따르는 구성을 가지는 액츄에이터(20)가 장착되는 경우에는 상기 액츄에이터(20)를 제어하기 위하여 상기 제어장치(40)를 새로 구성하거나, 별도의 외부제어장치(41)를 사용하여 제어할 수 있다. 별도의 외부제어장치(41)를 사용하는 경우에 있어서는 종래의 산업용 로봇을 그대로 사용할 수 있는 커다란 이점이 있다.

한편, 상기 작업용 로봇이 작업대상(50)에 대하여 요구되는 작업을 수행할 때, 보다 효율적으로 제어하기 위하여는 상기 작업용 로봇의 속도, 위치 등, 특히 작업을 위한 툴(30)의 위치를 감지하기 위한 위치감지센서가 필요하게 된다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 작업용 로봇은 툴(30)의 작업위치를 감지하기 위한 위치감지센서로서 카메라(42) 및 힘/토크 센서(43)를 추가적으로 포함할 수 있다. 여기서 카메라(42) 및 힘/토크 센서(43)을 사용하는 이유는 툴(30)이 작업대상(50)에 근접하게 되면서 카메라(42)로는 작업대상(50)을 확인하기 어려우며 상대운동에 대한 위험성 때문에 더욱 빠른 제어가 필요하기 때문이다. 따라서, 상기 툴(30)이 작업대상(50)에 일정거리에 근접하였을 때에는 위치감지센서로서 카메라(42)에서 힘/토크 센서(43)를 사용하게 된다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 작동에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 작업용 로봇의 제어 흐름도를 나타낸 것이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 작업용 로봇의 제어를 의한 블럭선도를 나타낸 것이다.

자동차의 생산라인과 같이 작업대상(50)은 컨베이어 등에 의하여 일정한 속도로 이동하게 된다. 각각의 작업구간에 배치된 작업용 로봇은 작업대상(50)의 이동속도에 맞추어 요구되는 작업, 예를 들면 타이어 부착 등을 수행하게 된다.

본 발명의 실시예에 따른 작업용 로봇의 제어는 다음 수학식 1로 표현되는 이원화된 제어 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.

여기서는 로봇 몸체부(50)의 자유도와 액츄에이터(20)의 자유도를 더한 개수의 요소를 가지는 요구 조인트 속도, 즉 모든 구동 가능한 조인트의 속도 목표 값이며,는 툴을 목표 위치로 옮기기 위한 추종 작업시 필요한 각 조인트의 요구 속도이며,는 정해진 작업을 위하여 미리 설정된 조인트의 속도이다. 다시 말하면, 작업용 로봇의 제어는 이동하는 작업대상을 추종하는 제어와, 상기 툴을 작업위치에 위치시키기 위한 제어로 이원화된다.

미리 설정된 작업을 위한 로봇의 작업 흐름은 도 3에 도시된 바와 같은 제어흐름도에 따라서 작업을 수행하게 되며, 본 발명의 실시예에 따른 작업용 로봇은 상기와 같은 작업 흐름을 가지고 대상체의 추종에러를 실시간으로 보상하여 정해진 작업을 완수하게 된다. 따라서 작업용 로봇의 미세 변위에 대한 응답 속도를 높일 수 있게 된다.

본 발명의 실시예에 따른 작업용 로봇은 초기상태에서 작업개시 신호에 따라 작동을 시작하게 된다. 작업개시 신호에 따라서 제어장치(40)의 제어에 의하여 초기 위치에 있는 6자유도를 가지며 이동하는 로봇 몸체부(10)의 이동속도를 작업대상(50)의 이동속도에 동기되어 이동하게 된다. 그리고 상기 로봇의 몸체부(10)의 자유단(10a)에 장착된 엑츄에이터(20)는 작업대상(50)의 작업위치에 요구되는 작업을 위한 툴(30)을 작업대상(50)의 작업위치로 이동시키게 된다.

이때, 툴(30)의 위치는 카메라(42)에 의하여 감지되는데, 작업대상(50)에 근접하게 되면서, 작업대상(50)을 확인하기 어려우므로 툴(30)과 작업대상(50)과의 거리가 미리 정해진 값 이하로 될 때에는 상기 툴(30)의 위치를 감지하기 위한 위치감지센서로서 카메라(42)에서 힘/토크 센서(43)로 변환하게 된다. 상기 힘/토크 센서(43)는 작업대상(50)과의 접촉에 의하여 발생하는 힘 또는 토크 값으로 툴(30)의 위치를 측정하게 된다. 상기 위치감지센서들로부터 감지된 툴(30)의 위치는 로봇 몸체부(10)에 대한 속도 제어와 함께 엑츄에이터(20)의 위치 제어에 사용된다.

그리고, 툴(30)이 작업대상(50)과 접촉하면서 작업을 수행하는 경우에 외부 환경 등의 변화에 의하여 미세 변위가 발생할 수 있는데, 이러한 미세 변위는 수동형조인트(60)에 의하여 미세변위 발생 감지 및 충격을 완화시키게 된다.

한편, 상기와 같은 구성을 가지는 작업용 로봇의 제어에 있어서는 로봇 몸체부(10)의 제어를 위한 제어장치(40)와 함께, 상기 엑츄에이터(20)의 제어를 위한 외부제어장치(41)를 사용하여 작업용 로봇 및 그에 장착된 엑츄에이터(20)를 제어하게 된다. 특히, 본 발명에서 제시한 구성을 가지는 엑츄에이터(20)를 종래의 산업용 로봇에 장착시키는 경우에는 상기 엑츄에이터(20)를 제어하기 위하여 산업용 로봇을 제어하기 위한 제어장치를 재구성하지 아니하고 별도의 외부제어장치(41)를 사용하거나 대부분의 산업용 로봇의 제어장치에서 제공하는 외부축으로 연결하여 제어할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 작업용 로봇의 제어를 위한 제어흐름도 및 블럭선도는 도 3과 4에 도시하였다. 본 발명에 따른 작업용 로봇의 추종 제어에 있어서, 도 3 및 4에 도시된 바와 같이, 작업대상(50)의 이동속도와 로봇 본체부(10)의 이동속도를 동기 제어하고, 작업대상(50)의 작업 위치로 툴(30)의 위치는 엑츄에이터(20)를 이용하여 툴(30)의 위치를 위치제어하게 된다.

본 발명에 따른 작업용 로봇은 자동조립 시스템에 있어서 조립라인에 배치되어 이동하는 작업대상에 대한 자동 조립 작업 등을 수행 할 수 있으며, 특히 높은 주파수를 가지고 변화하는 미세 변위를 가지는 현장 상황에 민감하게 반응할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 엑츄에이터를 이용하여 대대적인 변경 또는 교체없이 종래의 산업용 로봇을 사용하여 이동하는 작업대상에 대한 자동 조립 작업 등을 수행 할 수 있어 비용 절감의 효과가 크다.

Claims (20)

1. 작업대상을 추종하는 로봇 몸체부와;

   작업대상의 변위 형태와 방향에 따라서 상기 로봇 몸체부의 자유단에 장착되고, 작업을 위한 툴의 장착을 위한 툴장착부가 설치되며, 상기 툴을 작업하기 위한 위치로 위치시키는 액츄에이터와;

   상기 로봇 몸체부, 액츄에이터 및 툴을 제어하기 위한 제어장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 작업용 로봇.
2. 제 1항에 있어서, 상기 액츄에이터는 상기 로봇 몸체부의 자유단에 장착되는 프레임과;

   상기 프레임에 설치되고 상기 툴장착부가 장착되어 상기 툴장착부를 이동시키기 위한 구동장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 작업용 로봇.
3. 제 2항에 있어서, 상기 액츄에이터는 상기 구동장치 자체의 이동을 위한 가이드가 상기 프레임에 설치되는 것을 특징으로 하는 작업용 로봇.
4. 제 1항에 있어서, 상기 툴의 작업위치를 제어하기 위하여 상기 툴의 작업위치를 감지하기 위한 위치감지수단을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 작업용 로봇.
5. 제 4항에 있어서, 상기 위치감지수단은 카메라에 의하여 상기 툴의 위치가 감지되며, 작업대상과의 일정거리이하에서는 상기 수동형 조인트에 의해 감지되는 외부부하에 의하여 상기 툴의 위치를 감지하는 것을 특징으로 하는 작업용 로봇.
6. 제 1항에 있어서, 상기 로봇 몸체부는 작업대상의 이동속도에 동기되어 속도 제어되며, 상기 액츄에이터는 상기 툴을 위치시키기 위하여 위치 제어되는 것을 특징으로 하는 작업용 로봇.
7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 툴장착부는 작업대상에 의한 미세 변위에 수동적으로 반응하는 수동형 조인트에 의하여 연결 설치되는 것을 특징으로 하는 작업용 로봇.
8. 제 7항에 있어서, 상기 수동형 조인트는 상기 툴이 상기 작업대상과의 접촉시 충격흡수를 위한 완충 및 상기 툴의 위치 복원을 위한 탄성부재와 댐핑부재를 포함하여 상기 미세 변위에 반응하는 것을 특징으로 하는 작업용 로봇.
9. 제 8항에 있어서, 상기 수동형 조인트는 상기 구동장치에 고정설치되고, 상기 툴장착부가 이동가능하도록 형성된 가이드부를 가지는 프레임과; 및

   상기 툴장착부의 완충 및 위치 복원을 위한 탄성부재 및 댐핑부재를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 작업용 로봇.
10. 작업대상을 추종하는 작업용 로봇의 자유단에 장착되는 프레임과;

    작업대상의 변위 형태와 방향에 따라서 상기 프레임에 설치되고, 작업을 위한 툴의 장착을 위한 툴장착부와;

    상기 툴장착부가 장착되어 상기 툴장착부를 이동시키기 위한 구동장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 작업용 로봇을 위한 액츄에이터.
11. 제 10항에 있어서, 상기 액츄에이터는 상기 구동장치 자체의 이동을 위한 가이드가 상기 프레임에 설치되는 것을 특징으로 하는 작업용 로봇을 위한 액츄에이터.
12. 제10항에 있어서, 상기 툴장착부는 작업대상에 의한 미세 변위에 수동적으로 반응하는 수동형 조인트에 의하여 연결 설치되는 것을 특징으로 하는 작업용 로봇을 위한 액츄에이터.
13. 제 12항에 있어서, 상기 수동형 조인트는 상기 툴이 상기 작업대상과의 접촉시 충격흡수를 위한 완충 및 상기 툴의 위치 복원을 위한 탄성부재와 댐핑부재를 포함하여 상기 미세 변위에 반응하는 것을 특징으로 하는 작업용 로봇을 위한 액츄에이터.
14. 제 12항에 있어서, 상기 수동형 조인트는 상기 구동장치에 고정설치되고, 상기 툴장착부가 이동가능하도록 형성된 가이드부를 가지는 프레임과; 및

    상기 툴장착부의 완충 및 위치 복원을 위한 탄성부재 및 댐핑부재를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 작업용 로봇을 위한 액츄에이터.
15. 제 10항에 있어서, 상기 툴의 작업위치를 제어하기 위하여 상기 툴의 작업위치를 감지하기 위한 위치감지수단을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 작업용 로봇을 위한 액츄에이터.
16. 제 15항에 있어서, 상기 위치감지수단은 카메라에 의하여 상기 툴의 위치가 감지되며, 작업대상과의 일정거리이하에서는 상기 수동형 조인트에 의해 감지되는 외부부하에 의하여 상기 툴의 위치를 감지하는 것을 특징으로 하는 작업용 로봇을 위한 액츄에이터.
17. 로봇의 몸체를 작업대상의 이동속도에 동기시켜 속도제어하고, 작업위치에 툴을 위치시키기 위하여 상기 몸체의 자유단에 액츄에이터를 장착하고 상기 액츄에이터에 툴을 장착하여 상기 툴의 위치를 위치제어하는 작업용 로봇의 제어방법.
18. 제 17항에 있어서, 상기 툴의 위치는 카메라에 의하여 감지하며, 상기 툴이상기 작업대상에 일정거리에 접근하였을 때에는 상기 작업대상에 의하여 상기 툴에 가해지는 미세 변위에 의하여 상기 툴의 위치를 감지하여 상기 툴의 위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 작업용 로봇의 제어방법.
19. 제 17항에 있어서, 상기 툴이 상기 작업대상과의 접촉에 의하여 발생하는 미세변위에 대하여 상기 툴의 위치가 따라서 변하는 것을 특징으로 하는 작업용 로봇의 제어방법.
20. 제 17항에 있어서, 상기 툴이 상기 작업대상과의 접촉시 충격을 흡수하기 위한 완충 및 상기 툴의 위치복원을 위하여 탄성부재 및 댐핑부재를 사용하는 것을 특징으로 하는 작업용 로봇의 제어방법.