KR20040100442A - 파지력 제어 그리퍼 - Google Patents

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민흥기
한성종
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Abstract

본 발명은 파지력 제어 그리퍼에 관한 것으로서, 그리퍼에 의해 파지된 대상물을 가공하는 동안 대상물에 일정한 파지력을 유지하는 파지력 제어 그리퍼를 제공하는 것을 목적으로 한다. 이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 파지력 제어 그리퍼는 대상물을 파지하는 폐쇄 위치와 대상물을 파지하지 않는 개방 위치 사이를 이동하는 복수의 조와, 상기 조를 개방 및 폐쇄 위치로 이동시키는 조 구동부와, 상기 복수의 조가 대상물을 파지하는 폐쇄 위치에서 대상물과 접촉하는 상기 조 각각의 파지 위치에 장착되어 대상물과 조 사이의 파지력을 측정하는 파지력 측정기와, 상기 파지력 측정기에서 측정된 파지력을 소정 값으로 조절하도록 조 구동부를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 복수의 조는 대상물을 파지할 때 대상물을 향해 서로 평행하게 이동한다.

Description

파지력 제어 그리퍼 {GRIPPER CONTROLLING GRIPPING FORCE}
본 발명은 로봇 등의 그리퍼가 대상물을 파지한 채로 이동할 때 소정의 파지력을 계속 유지하도록 이를 제어하는 파지력 제어 그리퍼에 관한 것이다.
현대 산업사회의 발달과 더불어 소량 다품종의 생산이 증가하면서 제품의생산성 향상 및 제작비용의 감소를 위하여 자동화 공정의 요구가 증가되고 있다. 자동화 공정에서는 로봇에 의한 자동화 설비가 급속도로 증가하고 있는 추세이며 로봇을 이용하여 자동화 설비를 구축하는 과정에서 가장 중요하게 요구되는 사항은 로봇의 작업이 원활하게 하기 위해 대상물의 위치 정확성이 요구된다. 따라서 제품의 다양성과 더불어 다양한 로봇 그리퍼의 설계가 부각되고 있다. 그러나 제품의 형상 및 성질이 다양해짐에 따라 안정적으로 대상물을 파지할 로봇 그리퍼의 설계 또한 다양해지고 복잡해지게 된다.
로봇을 사용하는 자동화 공정에서, 로봇의 그리퍼가 대상물을 파지할 때, 파지력이 강한 경우 대상물에 손상이 가해지며, 반대로 파지력이 약한 경우 로봇 그리퍼의 가감속시 그리퍼가 파지하고 있는 대상물이 그리퍼 내에서 회전하게 되거나 탈락될 수 있다. 또한, 파지된 대상물을 소정의 위치에 정확하게 놓는 경우에 파지력이 약하면 정확한 위치로 이송이 되지 않기 때문에, 이는 자동화 공정 라인에서 에러가 발생하는 주요한 요인으로 작용한다. 따라서 로봇을 사용하는 자동화 공정에서 대상물의 형상에 크게 영향을 받지 않으면서 파지력을 일정하게 유지시킴으로서 안정적으로 대상물을 파지할 수 있는 로봇 그리퍼의 개발이 요구된다.
특히, 조가 핀 조인트에 대해 선회하면서 대상물을 파지하는 방식의 경우에는 대상물의 형상 및/또는 크기에 따라 파지점이 변하게 된다. 따라서, 조와 대상물이 접촉하는 파지 위치를 설정하는 것이 어렵게 되어, 그리퍼가 대상물을 파지할 때 정확한 파지력의 측정도 어렵게 된다. 더욱이, 조가 2개인 2점 파지방식인 경우는, 파지점이 상이해지기 때문에 2개의 파지력의 방향이 평형을 이루지 않으므로 대상물의 안정적인 이송이 어렵다. 즉, 대상물의 형상 및 크기에 따라서 로봇 그리퍼의 초기 위치 값이 변하기 때문에 다양한 대상물의 파지와 파지력의 측정에 어려움이 발생된다.
본 발명의 목적은 그리퍼에 의해 파지된 대상물을 가공하는 동안 대상물에 일정한 파지력을 유지하는 파지력 제어 그리퍼를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 제품을 안정적으로 파지하는 3점 고정 구조를 사용하고, 3개의 스트레인 게이지를 사용하여 능동적으로 파지력을 제어할 수 있는 파지력 제어 그리퍼를 제공하는 것이다.
도1은 본 발명에 따른 로봇 그리퍼의 사시도.
도2는 본 발명에 따른 로봇 그리퍼의 외부 프레임을 제거한 사시도.
도3a는 본 발명에 따른 로봇 그리퍼가 대상물을 파지하기 전의 개방된 초기 위치를 도시한 측면도.
도3b는 본 발명에 따른 로봇 그리퍼가 대상물을 파지하기 위한 폐쇄 위치를 도시한 측면도.
도3c는 본 발명에 따른 로봇 그리퍼가 대상물을 파지한 후 이를 다시 놓기 위한 개방 위치를 도시한 측면도.
도4는 본 발명에 따른 로봇 그리퍼의 조의 파지력 측정부에 파지력 측정기가 장착된 것을 도시한 부분 절개 사시도.
도5는 본 발명에 따른 로봇 그리퍼의 조의 파지력 측정부에 파지력 측정기가 장착된 예를 도시한, 도4의 선 V-V 방향으로 본 측단면도.
도6은 본 발명에 따른 로봇 그리퍼의 파지력 측정부에 장착된 파지력 측정기의 일 실시예를 도시한 사시도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10: 구동기
20: 랙 지지부
50: 로봇 외부 프레임
101, 102, 103: 조
111, 112, 113: 파지력 측정부
121, 122, 123, 131, 132, 133: 안내 롤러
201, 202, 203: 캠
301, 302, 303: 랙
401, 402, 403: 조 복귀 스프링
501, 502, 503: 파지력 측정기
511, 512, 513: 파지력 측정기 본체
521a, 521b, 521c, 522a, 522b, 522c, 523a, 523b, 523c: 스트레인 게이지
531, 532, 533: 지지축
541, 542, 543: 접촉부
551, 552, 553: 스프링
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 파지력 제어 그리퍼는 대상물을 파지하는 폐쇄 위치와 대상물을 파지하지 않는 개방 위치 사이를 이동하는 복수의 조와, 상기 조를 개방 및 폐쇄 위치로 이동시키는 조 구동부와, 상기 복수의 조가 대상물을 파지하는 폐쇄 위치에서 대상물과 접촉하는 상기 조 각각의 파지 위치에 장착되어 대상물과 조 사이의 파지력을 측정하는 파지력 측정기와, 상기 파지력 측정기에서 측정된 파지력을 소정 값으로 조절하도록 조 구동부를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 복수의 조는 대상물을 파지할 때 대상물을 향해 서로 평행하게 이동한다.
상기 파지력 측정기는 상기 대상물과의 접촉에 의해 탄성 변형하는 3개의 탄성 부재를 포함하고, 상기 탄성 부재의 각각에는 탄성 변형량을 측정하는 스트레인 게이지가 장착되고, 상기 탄성 부재는 대상물과 접촉하는 상기 조 각각의 파지면에 평행한 방향으로 120도씩 방사상으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 조 구동부는, 바람직하게는, 상기 조의 각각이 전후진하여 폐쇄 및 개방 위치로 이동하도록 상기 조를 안내하는 안내부와, 상기 조의 각각의 일단부와 접촉하여 조를 상기 폐쇄 및 개방 위치로 전후진시키도록 회전하는 캠과, 상기 캠과 치결합된 랙과, 상기 조의 각각의 타단부와 캠 사이의 접촉을 유지시키는 스프링과, 상기 랙을 전후진시키는 구동기를 포함하고, 상기 랙의 전후진에 따라 그와 치결합된 캠이 회전하여 캠의 회전 중심으로부터 캠과 상기 조의 접촉 부분까지의 거리가 바뀜에 따라 상기 조들이 개방 및 폐쇄 위치로 이동한다. 이때, 상기 조는 3개일 수 있다.
본 발명의 파지력 제어 그리퍼는 로봇에 장착되는 그리퍼이거나 또는 공작물 고정 지그일 수 있다.
이하 도면에서 3개의 조는 각각 도면 부호 101, 102 및 103으로 표시되며, 3자리 숫자를 포함하는 도면 부호에서 3번째 자릿수가 1인 것은 조(101), 2인 것은 조(102), 그리고 3인 것은 조(103)와 관련된 구성 요소를 나타낸다. 이하의 도면은 본 발명의 파지력 제어 그리퍼가 로봇 그리퍼에 적용된 경우에 대해 설명한다.
도1 및 도2는 본 발명의 로봇 그리퍼의 사시도로서, 특히 도2에는 탄소섬유 복합재료로 제조된 로봇의 외부 프레임(50)을 제거하여 로봇 그리퍼를 구동하는 조 구동부가 도시되어 있다. 본 발명의 로봇 그리퍼는, 도2 및 도3a를 참조하면, 3개의 조(101, 102, 103)와, 이들 조를 구동시키는 조 구동부를 포함한다. 이들조(101, 102, 103)는 조 안내부에 의해서 대상물을 파지하는 폐쇄 위치와 다시 후퇴하여 대상물을 파지하지 않는 개방 위치 사이를 평행하게 이동한다. 조 안내부로서, 조(101, 102, 103)의 각각에는 조의 중간부에 위치된 중간 안내 롤러(121, 122, 123)와 조의 대상물 파지부의 대향 단부에 위치된 단부 안내 롤러(131, 132, 133)를 포함하고, 외부 프레임(50)의 바닥부에 마련된 롤러 안내부(54)와 외부 프레임(50)의 중간에서 연장된 롤러 안내부(55)를 포함한다. 도3a에 도시된 바와 같이 중간 안내 롤러(121, 122, 123)와 단부 안내 롤러(131, 132, 133)는 각각 롤러 안내부(54)와 롤러 안내부(55)에 의해 조(101, 102, 103)가 개방 및 폐쇄 위치를 평행하게 이동하도록 안내한다. 조(101, 102, 103)의 단부 안내 롤러(131, 132, 133) 측에는 조의 이동 방향에 수직인 평면부가 마련되고, 이 평면부에는 캠(201, 202, 203)이 외부 프레임(50)에 마련된 축(211, 212, 213)을 중심으로 회전하면서, 조(101, 102, 103)를 평행하게 전후진시킨다. 이들 캠(201, 202, 203)은 랙(301, 302, 303)에 의해 회전하게 된다. 즉, 랙(301, 302, 303)은 일단부들이 랙 지지부(20)를 거쳐 구동기(10)에 의해 도3b 및 도3c에 도시된 화살표 A 또는 C의 방향으로 전후진하면서 치결합된 캠(301, 302, 303)을 회전시킨다. 한편, 캠(201, 202, 203)이 상기 조(101, 102, 103)의 평면부에 접촉을 유지하기 위하여 외부 프레임(50)의 중간에서 연장된 스프링 지지부(56)와 상기 조(101, 102, 103) 사이에는 조 복귀 스프링(401, 402, 402)이 개재되어 있다.
도3a 내지 도3c는 각각 본 발명에 따른 로봇 그리퍼가 대상물을 파지하기 전인 초기 개방 위치와, 대상물을 파지하기 위한 폐쇄 위치와, 대상물을 파지한 후이를 다시 놓기 위한 개방 위치를 도시한다. 도3a의 초기 개방 위치에서, 도3b에 도시된 바와 같이 구동기(10)가 랙 지지부(20)를 거쳐 랙(301, 302, 303)을 화살표 A 방향으로 밀면, 캠(201, 202, 203)의 작용으로 조(101, 102, 103)는 화살표 B 방향으로 평행하게 이동하여 대상물을 파지하게 된다. 이 상태에서, 구동기(10)가, 도3c에 도시된 바와 같이, 랙 지지부(20)를 거쳐 랙(301, 302, 303)을 화살표 C 방향으로 후퇴시키면, 캠(201, 202, 203)의 작용으로 조(101, 102, 103)는 화살표 D 방향으로 이동하여 파지한 대상물을 놓게 된다.
도1, 도2 및 도3a 내지 도3c에서 조(101, 102, 103)의 말단부에 도면 부호 111, 112 및 113으로 표시된 부분은 파지력 측정부로서, 조가 대상물을 파지할 때 발생하는 파지력을 측정하는 부분이다. 조(101, 102, 103)가 대상물의 파지하기 시작하면 대상물은 조의 파지력 측정부(111, 112, 113)와 접촉하여 이들 사이에 파지력이 발생한다. 파지력은 파지력 측정부(111, 112, 113) 내에 설치된 파지력 측정기(501, 502, 503)에 의해 측정된다.
도4는 파지력 측정부(111) 내에 파지력 측정기(501)가 설치된 상태로서 조(101)의 일부를 절개하여 도시한 도면이고, 도5는 측단면도이다.
도4 및 도5의 파지력 측정기(501)는 도6에 상세히 도시되어 있다. 파지력 측정기(501)는 120도의 간격으로 방사상 연장된 3개의 판스프링 형태인 탄성 부재를 갖는 파지력 측정기 본체(511)와, 이 측정기 본체(511)의 중심을 가로질러 수직으로 연장하는 지지축(531)과, 파지력 측정기 본체(511)의 탄성 부재에 각각 부착된 스트레인 게이지(521a, 521b, 521c)를 포함한다. 이러한 파지력 측정기(501)는, 도5에 도시된 바와 같이, 파지력 측정기 본체(511)의 탄성 부재의 각 단부에 형성된 관통 구멍(561a, 561b, 561c)을 통하여 파지력 측정부(111)의 수용 공동 내의 단차부에서 고정구(571a, 571b, 571c)에 의해 조(101)의 파지력 측정부(111)에 장착되고, 이 때 지지축(531)의 하단부는 상기 수용 공동 바닥의 구멍 내에 삽입된다. 대상물과 파지력 측정기(501) 사이의 접촉 신뢰성을 위하여 지지축(531)의 상단부에는 파지력 측정부(111)의 수용 공동보다 크기가 작은 원판(541)을 장착할 수도 있다. 또한, 파지력이 과도한 경우 스트레인 게이지가 부착된 파지력 측정기 본체(511)의 탄성 부재가 소성 변형되는 것을 방지하기 위하여 지지축(531)의 하부에는 스프링(551)이 끼워질 수 있다. 조(102, 103)에 설치된 파지력 측정기(502, 503)도 파지력 측정기(501)와 그 구성이 동일하며, 장착 방식도 서로 동일하다.
전술된 구성의 파지력 측정기는 파지력이 인가되는 방향을 가로지르는 방향, 특히 파지력이 인가되는 방향에 직각인 방향으로 탄성 부재가 탄성 변형하도록 구성되고, 탄성 부재에 스트레인 게이지를 부착하여 측정된 탄성 변형량으로부터 파지력을 측정한다. 이와 달리, 다른 실시예로서, 파지력 측정기는 파지력이 인가되는 방향에 평행한 방향으로 탄성 부재가 탄성 변형하도록 구성되고, 이러한 탄성 부재에 스트레인 게이지를 부착하여 측정된 탄성 변형량으로부터 파지력을 측정할 수 있다.
이상과 같이 구성된 본 발명의 파지력 제어 로봇 그리퍼는 파지력 측정기(501, 502, 503)로부터 측정된 파지력을 기초로 구동기(10)를 전후진시켜 원하는 파지력을 제어하는 (도시되지 않은) 제어기를 더 포함한다. 즉, 제어기는 구동기(10)가 랙(301, 302, 303)을 전진시켜 대상물을 파지할 때 대상물의 재질이나 형상에 따라 정해진 파지력에 도달하게 되면 랙(301, 302, 303)의 전진을 멈추게 한다. 그 다음, 파지력 측정기(501, 502, 503)로부터 매 순간 측정된 파지력의 변화에 따라 랙(301, 302, 303)을 미세하게 전후진시켜 원하는 파지력을 유지시킨다.
이상에서는 조가 3개인 3점 파지방식의 실시예로 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 다만, 일반적인 2점 파지방식은 공작물의 형상에 능동적으로 대처하기가 어렵고 대상물의 2점만을 파지하기 때문에 3점 파지방식보다 파지력이 증가하게 되어, 대상물이 연질인 경우 변형의 위험까지 발생하고 대상물의 안정적인 파지가 어렵다. 또한, 2점 파지방식은 3점 파지방식보다 불안정함으로써 대상물의 틸팅이나 회전으로 인하여 자동화 공정에서 에러를 발생시키는 주된 요인으로 작용하여, 2점 지지방식에 비교하여, 3점 지지방식이 더 바람직하다.
본 발명은 로봇 그리퍼에 적용이 될 뿐만이 아니라 정확하고 안전하게 대상물의 파지가 요구되어지는 모든 자동화 공정에 적용될 수 있다. 즉, 본 발명의 그리퍼는 조가 평행하게 대상물을 파지하기 때문에, 대상물을 파지하여 이송시키는 로봇 그리퍼뿐만 아니라, 공작기계에서와 같이 공작물을 정확하게 고정하는 장치에 적용될 수 있다. 더욱이, 공작기계에서의 공작물 고정 지그뿐만 아니라 열 변형이 발생되는 용접 공정에서 공작물 고정 기구에도 응용이 가능하다.
전술된 구성에 의해, 로봇을 사용하는 자동화 공정에서 대상물의 형상에 크게 영향을 받지 않으면서 파지력을 일정하게 유지시킴으로서 대상물을 안정적으로 파지하고 이를 이동시킬 수 있다. 이러한 파지력 제어 그리퍼를 공작기계에서와 같이 공작물을 정확하게 고정시키는 지그에 적용할 경우, 가공시 공작물과 지그 사이에 가해지는 힘의 변동을 최소화하여 공작물을 더욱 안정적으로 고정시킬 수 있다.
특히, 본 발명에서는 조들이 개방 및 폐쇄 방향에 대해 평행하게 이동하는 방식으로 대상물을 파지할 수 있기 때문에, 대상물의 형상 및/또는 크기에 따라 파지점이 변하는 문제점이 해소될 수 있다. 즉, 본 발명의 파지력 제어 그리퍼는 대상물의 형상 및/또는 크기가 변하여도 파지시 파지점이 변하지 않기 때문에 파지력을 정확하게 측정할 수 있기 때문에, 파지력을 정확하게 제어할 수 있다.

Claims (3)

  1. 대상물을 파지하는 폐쇄 위치와 대상물을 파지하지 않는 개방 위치 사이를 이동하는 복수의 조와,
    상기 조를 개방 및 폐쇄 위치로 이동시키는 조 구동부와,
    상기 복수의 조가 대상물을 파지하는 폐쇄 위치에서 대상물과 접촉하는 상기 조 각각의 파지 위치에 장착되어 대상물과 조 사이의 파지력을 측정하는 파지력 측정기와,
    상기 파지력 측정기에서 측정된 파지력을 소정 값으로 조절하도록 조 구동부를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 복수의 조는 대상물을 파지할 때 대상물을 향해 서로 평행하게 이동하는 것을 특징으로 하는 파지력 제어 그리퍼.
  2. 제1항에 있어서, 상기 파지력 측정기는 상기 대상물과의 접촉에 의해 탄성 변형하는 3개의 탄성 부재를 포함하고, 상기 탄성 부재의 각각에는 탄성 변형량을 측정하는 스트레인 게이지가 장착되고, 상기 탄성 부재는 대상물과 접촉하는 상기 조 각각의 파지면에 평행한 방향으로 120도씩 방사상으로 구성된 것을 특징으로 하는 파지력 제어 그리퍼.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 조 구동부는, 상기 조의 각각이 전후진하여 폐쇄 및 개방 위치로 이동하도록 상기 조를 안내하는 안내부와, 상기 조의 각각의 일단부와 접촉하여 조를 상기 폐쇄 및 개방 위치로 전후진시키도록 회전하는 캠과, 상기 캠과 치결합된 랙과, 상기 조의 각각의 타단부와 캠 사이의 접촉을 유지시키는 스프링과, 상기 랙을 전후진시키는 구동기를 포함하고, 상기 랙의 전후진에 따라 그와 치결합된 캠이 회전하여 캠의 회전 중심으로부터 캠과 상기 조의 접촉 부분까지의 거리가 바뀜에 따라 상기 조들이 개방 및 폐쇄 위치로 이동하는 것을 특징으로 하는 파지력 제어 그리퍼.
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