KR20070102564A - 동적 밸런싱 수단을 포함하는 5개의 바 메커니즘과 5개의바 메커니즘을 동적으로 밸런싱하기 위한 방법 - Google Patents

동적 밸런싱 수단을 포함하는 5개의 바 메커니즘과 5개의바 메커니즘을 동적으로 밸런싱하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 동적 반력 및/또는 반모멘트를 보상하기 위하여 밸런싱 메커니즘(53, 54, 63-66, 86), 2개의 독립 액추에이터(4, 5, 23, 24, 43, 81) 및 로드 메커니즘(1, 20, 40, 50, 60, 80)을 포함하여, 대상물들을 조종하기 위한, 더 구체적으로 전자 부품들을 조종하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 장치를 이용하여 대상물들을 조종하기 위한, 더 구체적으로 전자 부품들을 조종하기 위한 방법에 관한 것이다.
마스터 로드, 밸런싱 메커니즘, 하중 보상, 모멘트 보상, 액추에이터

Description

동적 밸런싱 수단을 포함하는 5개의 바 메커니즘과 5개의 바 메커니즘을 동적으로 밸런싱하기 위한 방법{FIVE-BAR MECHANISM WITH DYNAMIC BALANCING MEANS AND METHOD FOR DYNAMICALLY BALANCING A FIVE-BAR MECHANISM}
본 발명은 대상물들을 조종하기 위한, 더 구체적으로 전자 부품들을 조종하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 장치를 이용하여 대상물들을 조종하기 위한, 더 구체적으로 전자 부품들을 조종하기 위한 방법에 관한 것이다.
대상물들을 조종하기 위하여, 더 구체적으로 전자 부품들을 집고 변위시키며 및 장착(setting down)하기 위하여, 다양한 타입의 조종기(manipulator)가 사용된다. 실례들은 90°각도의 가이드를 따라 변위 가능한 캐리지(carriage)와 로봇 암(robot arm)이다. 상기 조종기들은 고정확성의 위치지정 기능을 수행할 수 있으나 상기 조종기들이 작동할 수 있는 가속도(acceleration)가 제한되는 결점을 가진다. 고정확성을 포함한 기능이 요구되면, 조종기와 기계 파트가 서로 조립되는 가속도와 연결된 반력과 반모멘트의 결과로서 원하지 않는 운동을 방지하기 위하여 무거운 프레임으로 제공되어야만 한다. 전자 부품들이 제조되고 및/또는 처리되는 산업에서 생산 속도를 증가시키기 위하여, 현재의 조종기는 상기 공정의 추가적인 최적화에 상당히 제한된다.
본 발명의 목적은 대상물들을 조종하기 위한, 더 구체적으로 전자 부품들을 조종하기 위한 장치와 방법을 제공하는 데 있으며, 이로 인해 종래 기술의 결점들 없이 또는 적어도 거의 없도록 고속에서 작동될 수 있다.
상기 목적을 위하여 본 발명은 대상물들을 조종하기 위한, 더 구체적으로 전자 부품들을 조종하기 위한 장치를 제공하며, 상기 장치는 로드 메커니즘, 2개의 액추에이터 및 밸런싱 메커니즘을 포함하고, 상기 로드 메커니즘은 각각의 마스터 로드 상에 피벗 연결된 종속 로드를 포함한 2개 이상의 마스터 로드로 제공되며, 상기 종속 로드들은 상기 마스터 로드들로부터 이격된 거리에서 상호적으로 연결되고, 상기 2개의 액추에이터들은 각각의 마스터 로드 상에 연결되고 서로 독립적으로 작동될 수 있으며, 상기 밸런싱 메커니즘은 상기 로드 메커니즘의 운동 동안 동적 하중들을 보상하기 위함이다. 로드 메커니즘은 또한 로드 조립체로서 언급될 수 있다. 종속 로드들에 의해 형성된 위치는 메커니즘의 1 이상의 자유도를 가진 각각의 마스터 로드를 작동시킴으로써 완전히 제어된다. 액추에이터(드라이브 메커니즘으로도 언급될 수 있는)는 단일 자유도의 운동만을 제공해야 하고 더욱이 고정된 월드에 연결된 간단한 방식으로 구현될 수 있다. 따라서 상기 장치의 동적 질량(dynamic mass)은 매우 제한되도록 유지될 수 있으며, 액추에이터는 상기 동적 질량의 일부분을 형성할 필요가 없다. 작은 동적 질량은 프레임에서 진동을 유발할 수 있는 하중들을 감소시킨다. 특히 반도체와 같은 전자 부품들의 변위에서, 변위하기 위한 제품의 질량은 또한 극한적으로 작으며 이로 인해 로드 메커니즘의 관성에 대해 밸런싱 메커니즘을 조절할 수 있다. 명백하게 상기 분야에서 조종기의 하중을 지탱할 수 있는 용량은 매우 낮게 유지되며 따라서 (매우) 높은 가속도로 작동하는 것이 가능하다. 본 조종기는 매우 비싼 측정 장치 없이도 상기 목적을 충족시킬 수 있다. 하중 보상을 위한 밸런싱 메커니즘은 또한 구동 수단(drive means)에 의해 인접하게(구동 수단이 파트를 형성하는 고정된 월드) 가해지는 실질적인 반력을 방지한다. 이는 고정된 월드에 대해 프레임의 고정과 조종기의 프레임이 진동을 생성시키지 않고 상대적으로 용이하게 구현될 수 있음을 뜻한다.
동적 하중들의 보상을 위한 밸런싱 메커니즘은 로드 메커니즘과 조립된 카운터-바디(평형추)를 포함하는 하중 밸런싱(force balancing)으로 제공될 수 있다. 상기 구성은 매우 단순하고 복잡한 제어가 필요 없기 때문에 조종기와 그에 연결된 카운터-바디들(또는 선택적으로 단일 카운터-바디)의 기계적 결합은 목표 보상 밸런싱 하중을 훌륭히 발생시키도록 제공된다. 또한 로드 메커니즘을 독립적으로 변위시키고 보상 드라이브에 의해 작동되는 하나 이상의 바디를 포함하기 위하여 하중 보상을 위한 밸런싱 메커니즘이 가능하다. 상기 밸런싱 메커니즘은 일반적으로 전자 제어에 의해 제어될 것이다. 더욱이 동적 질량의 일부분을 형성하기 위하여 밸런싱 메커니즘을 추가할 필요가 없기 때문에 로드 조립체의 현저한 경량화 구조가 가능하다. 물론 전자적으로 제어된 밸런싱 메커니즘을 로드 메커니즘과 연결된 카운터-바디들로 제공된 하중 보상과 조합할 가능성도 존재함을 유의해야 한다. 최종적으로 하중의 동적 보상은 모든 방향(3 자유도를 포함하여)에서 수행될 수 있으나, 또한 제한된 방향에서 즉 3 자유도 미만에서 오직 실현될 수 있는 하중의 보상을 위해 선택될 가능성도 존재한다. 하중의 상기 제한된 보상을 이용하여, 최대 분단 반력은 적어도 부분적으로 보상될 수 있으며 반면 또 다른 반력 또는 그 외의 다른 반력은 보상되지 않는다.
실제로 종속 로드들은 처리 소자를 운반할 것이다. 상기 처리 소자는 예를 들어 기계적으로 또는 유압식으로 제어될 수 있는 그리퍼(gripper)를 포함한 헤드, 카메라, 다양한 타입의 공구, 별개의 처리 소자들과 함께 작동하기 위한 결합 파트 등등으로 구성된다. 종속 로드는 서로 직접 연결될 수 있거나 또는 결합 파트와 같은 또 다른 소자를 거쳐 연결된다.
2개의 마스터 로드 상에 연결된 액추에이터들은 예를 들어 2개의 독립적으로 작동되는 서보모터에 의해 회전 드라이브 운동을 발생시킬 수 있다. 콤팩트한 조립체를 위해 회전하는 액추에이터의 회전축을 동축으로 배열할 수 있으며 즉 상기 회전축들이 상호적으로 일렬로 배치될 수 있다. 다른 한편으로, 마스터 로드가 상호 운동할 수 있도록(예컨대 요동하거나(oscillating) 또는 단속적인(intermittent) 방식과 같이) 2개의 마스터 로드 상에 연결된 액추에이터들이 선형 드라이브 운동을 발생하는 것 또한 가능하다. 예를 들어 선형 액추에이터는 서로 평행하게, 예컨대 선형 모터의 평행한 배열 형태로 배치될 수 있다. 대안으로, 마스터 로드는 한 측부 상에서 회전식으로 구동되고 회전 운동을 선형 운동으로 변환하는 드라이브 로드에 의해 연결되도록 형상화하는(envisage) 것도 가능하다. 특정 타입의 드라이브가 (전체 유효 공간, 에너지 소모량, 필요 정확성 등과 같은) 조건들 하에서 기초되어 선택하는 것도 가능하다. 최종적으로, 마스터 로드 중 하나가 회전식으로 구동되며 또 다른 마스터 로드가 선형 운동을 수행하도록 구동되는 것도 가능함을 유의해야 한다.
추가적으로, 상기 장치가 로드 조립체의 변위에 의해 발생된 반모멘트(토크)의 모멘트 보상(토크 보상)을 위한 밸랜싱 메커니즘을 포함할 때 또 다른 장점이 제공된다. 상기 추가적인 밸런싱 메커니즘을 이용하여, 조종기는 심지어 더 큰 범위로 동적 균형을 제공할 수 있어 이로 인해 반력과 반모멘트의 합력을 완전히(적어도 이상적으로는) 제공할 수 있으며, 상기 조종기는 (적어도 이상적으로는) 그 근처에 어떠한 것과도 접촉하지 않을 것이다. 따라서 하중 보상을 위한 밸런싱 메커니즘의 장점에 대해 상기 기술된 장점은 또한 끝부분 합 모멘트(ending resultant moment)에 대해 제공될 수 있다. 동적 모멘트 보상에 대해, 모멘트 보상은 모든 방향에서(3 자유도를 포함하여) 구현될 수 있으며, 오직 제한된 방향 즉 3 자유도 미만에서도 모멘트 보상을 구현하기 위하여 선택될 수 있음을 유의해야 한다. 상기 제한된 모멘트 보상을 이용하여, 최대 분단 모멘트(most disruptive moment)는 적어도 부분적으로 보상되며, 반면 또 다른 모멘트 또는 그 외의 다른 모멘트들은 보상되지 않는다.
모멘트 보상을 위한 밸런싱 메커니즘은 하나 이상의 카운터-로테이팅 바디가 로드 메커니즘과 조립되도록 구현될 수 있다. 반대로, 모멘트 보상을 위한 밸런싱 메커니즘이 로드 메커니즘을 독립적으로 변위시키며 보상 드라이브에 의해 작동되는 하나 이상의 바디를 포함하는 것 또한 가능하다. 위에서 기술한 바와 같이, 상기 제 2 변형물은 전자 제어를 필요로 하지만 그럼에도 불구하고 상기 바디는 로드 메커니즘으로부터 이격된 거리에 배치될 수 있다. 전자 제어의 장점은 로드 조립체의 경량 구조와 전체 관성의 제한을 야기하는 데 있다.
추가적인(시너지의) 장점들은 모멘트 보상을 위한 밸런싱 메커니즘이 하중 보상을 위한 밸런싱 메커니즘과 조립될 때 구현될 수 있다.
본 발명은 또한 청구항들 중 어느 한 항에 따른 장치를 이용하여 대상물들을 조종하기 위한, 더 구체적으로 전자 부품들을 조종하기 위한 방법을 제공하며, 다음과 같은 처리 단계를 포함한다.
-로드 메커니즘의 마스터 로드 상에 연결된 2개의 액추에이터들을 독립적으로 제어하는 단계,
-하나 이상의 밸런싱 메커니즘에 의해 로드 메커니즘의 변위의 결과로 발생된 반력을 적어도 부분적으로 보상하는 단계.
상기 방법의 장점을 위하여, 본 발명에 따른 장치에 일치하는 밸런싱 메커니즘에 대해 상기 언급한 장점들이 참고된다.
상기 방법에서, 밸런싱 메커니즘의 작동부는 로드 조립체에 기계적으로 결합되거나 또는 상기 밸런싱 메커니즘의 작동부는 전자적으로 제어되는 것이 가능하다. 전자 제어는 로드 메커니즘 상에 연결된 액추에이터들을 제어하고 및/또는 상기 목적을 위해 배열된 센서들에 기초하는 것이 가능하다.
본 발명은 하기 도면들에 도시된 비제한적인 실례의 실시예들에 기초로 추가적으로 설명될 것이다.
도 1A은 본 발명에 따른 장치의 부품으로서 로드 조립체를 도식적으로 도시한 도면.
도 1B는 본 발명에 따른 장치의 부품으로서 로드 조립체의 대안의 실시예의 변형물을 도식적으로 도시한 도면.
도 1C는 본 발명에 따른 장치의 부품으로서 로드 조립체의 제 2 실시예의 변형물을 도식적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따라서 하중 보상을 위한 밸런싱 메커니즘으로 제공된 조종 장치를 도식적으로 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따라서 하중 보상을 위한 밸런싱 메커니즘과 모멘트 보상을 위한 밸런싱 메커니즘으로 제공된 조종 장치의 대안의 실시예의 변형물을 도식적으로 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 따라서 전자적으로 제어된 밸런싱 메커니즘으로 제공된 조종 장치의 제 2 대안의 실시예의 변형물을 도식적으로 도시한 도면.
도 1A는 서보모터(4, 5)에 의해 회전할 수 있는 2개의 마스터 로드(master rod, 2, 3)를 포함하는 로드 메커니즘(1)을 도시한다(화살표(R1, R2) 참조). 상기 서보모터(4, 5)는 모터 지지부(6, 7)를 거쳐 고정된 월드(world)에 연결된다. 각각의 마스터 로드(2, 3) 상에서 각각의 종속 로드(slave rod, 8, 9)에 연결된다. 마스터 로드(2)와 종속 로드(3)는 힌지(10)를 거쳐 자유로이 피벗 운동 가능하도록 상호적으로 연결된다. 이와 유사하게, 마스터 로드(3)와 종속 로드(9)는 힌지(11)를 거쳐 자유로이 피벗 운동 가능하도록 상호적으로 연결된다. 종속 로드(8, 9)에 의해 운반된 헤드(12)의 위치는 서보모터(4, 5)의 제어된 구동에 의해 완전히 제어될 수 있다.
도 1B는 2개의 마스터 로드(21, 22)를 포함한 로드 메커니즘(20)을 도시하며, 상기 로드 메커니즘은 선형 드라이브(23, 24)에 의해 오직 종방향으로 변위 가능하다(화살표(L1, L2) 참조). 상기 선형 드라이브(23, 24)들은 지지부(25, 26)를 거쳐 고정된 월드에 연결된다. 마스터 로드(21, 22)는 힌지(27, 28)를 거쳐 종속 로드(29, 30)에 연결된다. 상기 종속 로드(29, 30)는 헤드(31)를 운반하며, 상기 헤드의 위치는 선형 드라이브(23, 24)를 작동시킴으로써 결정된다.
도 1C는 도 1에 도시된 바와 같이 로드 메커니즘(1)과 상당히 유사한 로드 메커니즘(40)을 도시한다. 마스터 로드(41, 42)는 2개의 개별적인 모터들에 의해 구동되며, 이 중 오직 한 모터(43)만이 도시된다. 이는 도시된 도면에서 오직 상측 모터(43)만이 가시화되도록 상기 모터들은 상호적으로 일렬로 정렬되는 결과이다. 추가적인 기술을 위하여 상기 로드 메커니즘(40)의 도면부호는 도 1A에 관한 기술 에 제공된다.
도 2는 본 발명에 따른 조종 장치(manipulation device, 50)를 도시적으로 나타낸다. 상기 장치(50)는 2개의 마스터 로드(51, 52)로 제공되며, 상기 마스터 로드(51, 52)는 하중 보상(force compensation)을 위한 밸런싱 메커니즘(balancing mechanism)을 형성하는 평형추(weight, 53, 54)들로 제공된다. 도 1A 내지 도 1C의 도면부호가 상기 조종 장치(50)의 추가적인 기술을 위하여 제공된다.
도 3은 본 발명에 따라서 마스터 로드(61, 62)를 포함한 조종 장치(60)를 도식적으로 도시하며, 상기 마스터 로드(61, 62)는 하중 보상을 위한 밸런싱 메커니즘을 형성하는 평형추(63, 64)들로 제공된다. 하지만 조종 장치(60)는 또한 모멘트 보상(moment compensation)을 위한 밸런싱 메커니즘으로 제공된다. 모멘트 보상을 위한 상기 밸런싱 메커니즘은 2개의 회전식 평형추(65, 66)에 의해 형성되며, 로드 메커니즘(60)이 회전할 때, 상기 평형추(65, 66)들은 2개의 작동 휠(activating wheel, 67, 68)에 의해 반대 방향으로 회전되며, 상기 작동 휠들은 마스터 로드(61, 62)에 연결되고 정지 위치에서 링(69)의 내측부 상에 연결된다. 따라서 어떠한(또는 실질적으로 어떠한) 합력(resultant force)들도 상기 메커니즘(60)의 운동 결과로서 지지부(70)에 의해 고정된 월드 상에 가해지지 않도록, 상기 로드 메커니즘은 완전히 동적인 방식으로 보상될 수 있다.
최종으로, 도 4는 도 1C에 도시된 로드 조립체에 상응하는 로드 조립체(80)를 도시한다. 하지만 드라이브(81)는 이제 신호선(signal line, 82, 83)을 거쳐 중앙 제어 유닛(84)에 연결된다. 상기 중앙 제어 유닛(84)은 목표 보상력과 모멘트를 계산한 뒤 출력 신호선(85)에 의해 개별 보상 유닛(86)을 제어한다. 상기 보상 유닛(86)은 로드 조립체(80)가 연결된 월드와 같이 동일한 고정 월드(87)에 연결된다. 따라서 상기 로드 조립체(80)와 보상 유닛(86)에 의해 가해진 힘들의 합이 0(또는 매우 작은 값)이 되도록 구현하는 것이 가능하다. 오직 제한된 자유도를 가진 즉 6 자유도 미만의 보상 수단을 구현하도록 선택될 수 있음에도 불구하고, 보상 유닛(86)은 완전한 보상 수단(3개의 방향에서 병진운동할 수 있고 3개의 방향에서 회전운동할 수 있는 즉 6 자유도를 가진 질량을 포함하여)으로 제공될 수 있다. 상기 제한된 보상 수단을 사용함으로써 최대 분단 반력(most disruptive reactive force) 및/또는 반모멘트(reactive moment)는 보상될 수 있으며, 반면 상대적으로 적은 파괴적 반력 및/또는 반모멘트는 보상되지 않는다. 6 자유도 미만의 보상 수단은 6 자유도를 가진 완전한 보상 수단보다 상대적으로 간단하고 저렴하다.

Claims (16)

  1. 대상물(object)들을 조종하기 위한, 더 구체적으로 전자 부품들을 조종하기 위한 장치에 있어서, 상기 장치는
    -각각의 마스터 로드 상에 피벗 연결된 종속 로드를 가진 2개 이상의 마스터 로드로 제공된 로드 메커니즘을 포함하며, 상기 종속 로드들은 상기 마스터 로드들로부터 이격된 거리에 상호 연결되고,
    -각각의 마스터 로드 상에 연결된 2개의 액추에이터를 포함하며, 상기 액추에이터들은 서로에 대해 독립적으로 작동될 수 있고 및
    -로드 메커니즘의 운동 동안 동적인 보상 하중들을 위한 밸런싱 메커니즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 하중 보상을 위한 밸런싱 메커니즘은 로드 메커니즘과 함께 조립된 카운터-바디(counter-body)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 하중 보상을 위한 밸런싱 메커니즘은 로드 메커니즘과 독립적으로 변위가능하며 보상 드라이브에 의해 작동되는 하나 이상의 바디를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 전 항들 어느 한 항에 있어서, 종속 로드는 처리 소자(processing element) 를 운반하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 전 항들 중 어느 한 항에 있어서, 2개의 마스터 로드 상에 연결된 액추에이터들은 회전 드라이브 운동을 발생시키는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 회전하는 액추에이터들의 회전축은 평행하게, 바람직하게는 동축으로 배열되는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 항들 중 어느 한 항에 있어서, 2개의 마스터 로드 상에 연결된 액추에이터들은 선형 드라이브 운동을 발생시키는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 선형 액추에이터들은 서로 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 전 항들 중 어느 한 항에 있어서, 로드 조립체의 변위에 의해 발생된 모멘트의 모멘트 보상을 위한 밸런싱 메커니즘을 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 모멘트 보상을 위한 밸런싱 메커니즘은 로드 메커니즘으로 조립된 하나 이상의 카운터-로테이팅 바디(counter-rotating body)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 모멘트 보상을 위한 밸런싱 메커니즘은 로드 메커니즘과 독립적으로 변위가능하고 보상 드라이브에 의해 작동되는 하나 이상의 바디를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항에 있어서, 모멘트 보상을 위한 밸런싱 메커니즘은 하중 보상을 위한 밸런싱 메커니즘으로 조립되는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 전 항들 중 어느 한 항에 따른 장치를 이용하여, 대상물들을 조종하기 위한, 더 구체적으로 전자 부품들을 조종하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은
    -로드 메커니즘의 마스터 로드 상에 연결된 2개의 액추에이터들을 독립적으로 제어하는 단계를 포함하고 및
    -하나 이상의 밸런싱 메커니즘에 의해 로드 메커니즘의 변위의 결과로 발생된 반력을 적어도 부분적으로 보상하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 밸런싱 메커니즘의 작동부(operation)는 로드 조립체에 기계적으로 결합되는(coupled) 것을 특징으로 하는 방법
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서, 밸런싱 메커니즘의 작동부는 전기적으로 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 13 항 내지 제 15 항들 중 어느 한 항에 있어서, 밸런싱 메커니즘의 작동부는 로드 조립체에 기계적으로 부분 결합되고 전기적으로 부분 제어되는 것을 특징으로 하는 방법.
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