KR20140002840A - 물리적 다접촉 상호작용을 위한 링크 메커니즘 - Google Patents

물리적 다접촉 상호작용을 위한 링크 메커니즘 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따르면 제1몸체와 관절 연결되는 제2몸체 및 상기 제2몸체에 관절 연결되는 제3몸체를 포함하는 사람의 지(limb)와 결합되며, 복수의 링크암 및 상기 링크암들이 상기 사람의 동작에 순응하여 운동 가능하게 연결하는 복수의 연결부를 구비하고, 상기 제2몸체 및 상기 제3몸체에 상기 링크 구조체를 고정시키는 상단 고정부 및 하단 고정부를 포함하고, 상기 복수의 링크암의 전부 또는 일부가 상기 제2몸체 및 상기 제3몸체와 함께 상기 상단 고정부 및 하단 고정부를 포함하는 폐루프를 형성하도록 서로 연결되고, 상기 복수의 연결부에는 힘을 발생시키는 엑츄에이터가 구비되며, 상기 엑츄에이터를 선택적으로 구동하여 상기 상단 고정부 및 상기 하단 고정부에 선택적으로 힘을 가할 수 있는 링크 구조체가 제공된다.

Description

물리적 다접촉 상호작용을 위한 링크 메커니즘{Likage mechnism for Physical Multi-Contact Interaction}
본 발명은 링크 구조체에 관한 것으로서, 물리적으로 연결된 원격지의 로봇 또는 가상환경의 임의 대상에 가해지는 접촉 정보를 사용자에게 정밀하게 피드백해줄 수 있는 링크 구조체에 관한 것이다.
사람과 원격지의 로봇 또는 가상환경의 임의 대상을 물리적으로 연결하여 사람의 동작을 상기 로봇 또는 대상이 모방하고, 상기 로봇 또는 대상에 가해지는 외력 등의 자극을 사람에게 다시 피드백해주는 시스템이 연구되고 있다.
종래 기술에 따르면 팔 부착형 기구를 이용하여 로봇 원격조종시스템 등이 제시되어 있으나, 이러한 로봇에 가해지는 외력 등을 사람에게 다시 피드백해주는 방법 등은 제시하고 있지 못하다.
또한, 로봇에 가해지는 외력 등을 사람에게 피드백해주는 방법으로 사람의 손끝과 같은 말단에 힘을 전달하는 방식이 알려져 있으나, 이러한 방식은 다관절 구조로 이루어진 로봇의 팔의 어느 부위에 외력이 가해졌는지 알 수 없어 원격지의 로봇의 정확한 상태를 파악하는데 한계가 있었다.
대한민국 특허공개 제10-1999-0066026호 공보
본 발명은 위와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 사람과 여러 부분에서 기구학적으로 구속되어 함께 움직이며 연결 부위에 임의의 힘을 발생시켜 원격지 또는 가상환경에 있는 대상의 접촉 상태를 파악할 수 있도록 하는 링크 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면 제1몸체와 관절 연결되는 제2몸체 및 상기 제2몸체에 관절 연결되는 제3몸체를 포함하는 사람의 지(limb)와 결합되며, 복수의 링크암 및 상기 링크암들이 상기 사람의 동작에 순응하여 운동 가능하게 연결하는 복수의 연결부를 구비하고, 상기 제2몸체 및 상기 제3몸체에 상기 링크 구조체를 고정시키는 상단 고정부 및 하단 고정부를 포함하고, 상기 복수의 링크암의 전부 또는 일부가 상기 제2몸체 및 상기 제3몸체와 함께 상기 상단 고정부 및 하단 고정부를 포함하는 폐루프를 형성하도록 서로 연결되고, 상기 복수의 연결부에는 힘을 발생시키는 엑츄에이터가 구비되며, 상기 엑츄에이터를 선택적으로 구동하여 상기 상단 고정부 및 상기 하단 고정부에 선택적으로 힘을 가할 수 있는 링크 구조체가 제공된다.
또한, 상기 링크 구조체는 제1로봇몸체와 관절 연결되는 제2로봇몸체 및 제2로봇몸체와 관절 연결되는 제3로봇몸체를 포함하는 로봇의 지를 원격 제어하기 위한 링크 구조체이고, 상기 제2로봇몸체에 외력이 가해지면, 상기 상단 고정부에 힘을 가하고, 상기 제3로봇몸체에 외력이 가해지면, 상기 하단 고정부에 힘이 가하도록 제어될 수도 있다.
또한, 상기 상단 고정부에 연결되는 링크암과, 상기 하단 고정부에 연결되는 링크암이 서로 연결되어 상기 폐루프를 형성하도록 할 수도 있다.
또한, 상기 상단 고정부에 연결되는 링크암과, 상기 하단 고정부에 연결되는 링크암이 다른 링크암을 경유하여 연결되어 상기 폐루프를 형성하도록 할 수도 있다.
또한, 상기 상단 고정부에 연결되는 링크암과, 상기 하단 고정부에 연결되는 링크암이 상기 링크 구조체를 지지면에 고정하는 연결부에 연결되는 링크암들을 통해 연결되어, 상기 상단 고정부, 상기 하단 고정부 및 상기 링크 구조체를 지지 부재에 고정하는 연결부를 포함하는 폐루프가 형성되도록 할 수도 있다.
또한, 상기 복수의 연결부에는, 연결부의 변위를 측정하는 변위 측정 센서가 구비될 수도 있다.
또한, 상기 복수의 연결부는, 두 링크암이 힌지 운동 가능하도록 연결하는 힌지형 연결부이고, 상기 엑츄에이터는 상기 힌지형 연결부를 회전 구동시켜 토크를 발생시키는 토크 엑츄에이터일 수도 있다.
또한, 상기 복수의 연결부는, 두 링크암이 직선 운동 가능하도록 하나의 링크암에 형성된 실린더 내부에 다른 링크암이 삽입되는 실린더형 연결부이고, 상기 엑츄에이터는 상기 실린더 내부에 삽입된 링크암의 움직임을 구속하는 길이 엑츄에이터일 수도 있다.
또한, 상기 복수의 연결부는, 두 링크암이 힌지 운동 가능하도록 연결하는 힌지형 연결부 및 두 링크암이 직선 운동 가능하도록 하나의 링크암에 형성된 실린더 내부에 다른 링크암이 삽입되는 실린더형 연결부의 조합으로 구성되고, 상기 엑츄에이터는 상기 힌지형 연결부를 회전 구동시켜 토크를 발생시키는 토크 엑츄에이터 또는 상기 실린더 내부에 삽입된 링크암의 움직임을 구속하는 길이 엑츄에이터일 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 링크 구조체가 사람의 팔에 결합된 모습을 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 링크 구조체를 이용해 로봇 팔을 구동시키는 모습을 도시한 것이다.
도 3a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 링크 구조체를 도시한 것이다.
도 3b는 도 3a의 링크 구조체를 이용해 로봇 팔을 구동시키는 모습을 도시한 것이다.
도 4a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 링크 구조체를 도시한 것이다.
도 4b는 도 4a의 링크 구조체를 이용해 로봇 팔을 구동시키는 모습을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 링크 구조체를 도시한 것이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 링크 구조체들을 도시한 것이다.
도 7a 내지 도 7f는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 링크 구조체들을 도시한 것이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 링크 구조체를 사용자가 착용한 모습을 개략적으로 도시한 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용은 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 링크 구조체(200)가 사용자의 팔(100)에 결합된 모습을 도시한 것이다.
도 1에서는 사람이 가지는 여러 지(limb) 중 하나인 팔이 도시되었지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1에서 팔(100)은 어깨 관절(111)과 관절 연결되는 상완(101)과, 팔꿈치 관절(112)에 의해 상기 상완(101)과 관절 연결되는 전완(102)을 포함하는 2 링크 구조로 간략화하여 도시하였다.
이하에서는, 편의상 어깨를 제1몸체, 상완(101)을 제2몸체, 전완(102)을 제3몸체라고 칭하고, 어깨 관절(111)은 상단 관절, 팔꿈치 관절(112)은 하단 관절이라고 칭한다.
여기서 "상단"은 사람의 몸통 쪽에 가까운 위치를 말하고, "하단"은 사람의 몸통 쪽에서 먼 위치를 말한다.
한편, 본 실시예에 따르면, 어깨를 제1몸체, 상완(101)을 제2몸체, 전완(102)을 제3몸체라고 칭하고, 어깨 관절(111)은 상단 관절, 팔꿈치 관절(112)은 하단 관절이라고 칭하지만, 이러한 명칭은 반드시 해당 부위를 한정하는 것은 아니다. 예를 들어, 상완을 제1몸체라고 한다면, 전완이 제2몸체가 되고, 손이 제3몸체가 된다. 또한, 상단 관절은 팔꿈치 관절이 되고, 하단 관절은 손목 관절이 될 것이다.
또한, 본 실시예에 따른 링크 구조체는 사람의 다리에도 연결될 수 있으며, 상기 제1몸체 등의 용어는 위 내용을 참조하여 다리의 각 부분에 대응시킬 수 있을 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 링크 구조체(200)는 복수의 링크암(201, 202, 203, 204) 및 두 링크암을 서로 연결하는 연결부(211, 212, 220, 231)들을 포함한다.
한편, 링크 구조체(200)는 제2몸체(101) 및 제3몸체(102)에 상단 고정부(231) 및 하단 고정부(232)를 포함한다. 본 실시예에서는 상단 고정부(231)가 두 링크암(202, 203)을 연결하는 연결부 역할도 한다.
도 1에서 굵은 점으로 표시된 상기 관절, 상기 연결부들 및 고정부들은 모두 힌지 운동할 수 있는 부분으로서, 당업자라면 외력이 가해지지 않는 한 상기 링크암들은 힌지 결합구조에 의해 사람의 동작에 순응하여 운동 가능하다는 것을 이해할 것이다.
링크암은 제1 내지 제4링크암(201, 202, 203, 204)으로 네 개가 구비된다. 이 중 제3링크암(203)과 제4링크암(204)는 각각 상단 고정부(231)와 하단 고정부(232)에 조인트 연결되며, 제2연결부(212)에서 서로 조인트 연결된다.
즉, 제3링크암(203)과 제4링크암(204)은 제2몸체(101) 및 제3몸체(102)와 함께 상기 상단 고정부(231) 및 하단 고정부(232)를 포함하는 폐루프(10)를 형성하도록 연결된다. 한편, 제1링크암(201)과 제2링크암(202)은 제2몸체(101)와 함께 연결부(231, 211, 220) 및 어깨 관절(111)을 연결하는 폐루프를 형성하도록 연결된다. 따라서, 본 실시예에 따른 링크구조체는 두 개의 폐루프가 병렬로 연결되도록 사용자 팔에 부착된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 링크 구조체(200)를 이용해 로봇 팔(300)을 구동시키는 모습을 도시한 것이다.
링크 구조체(200)는 도 1에 도시된 사람의 팔과 실질적으로 동일한 구조를 가지는 로봇 팔(300)을 구동시키기 위해 사용된다. 구체적으로, 로봇 팔(300)은 제1로봇몸체(도 2에서 관절부(311) 아래쪽 부분)와 관절 연결되는 제2로봇몸체(301) 및 제2로봇몸체(301)와 관절 연결되는 제3로봇몸체(302)를 포함하는 로봇의 지(limb)이다.
연결부(211), 연결부(212) 및 연결부(231)에는 해당 연결부의 변위를 측정하기 위한 변위 측정 센서(미도시)가 구비된다. 본 실시예에서는 상기 변위 측정 센서로서 해당 연결부의 회전 변위를 측정하는 회전 변위 측정 센서가 이용된다.
각 연결부(211, 212, 231)의 회전 변위가 측정되면, 팔(100)과 고정된 링크 구조체(200)의 기구학적 관계에 의해서 팔의 관절부(111, 112)의 회전 변위를 계산할 수 있다.
팔의 관절부(111, 112) 각각의 회전 변위는 로봇에게 전달되고, 로봇 팔에 장착된 구동기에 의해 로봇 팔의 관절부(311, 312) 각각을 동일한 회전각으로 회전시킴으로써 사람 팔의 동작을 그대로 모방하여 로봇 팔이 동작하게 된다.
본 실시예에 따르면, 링크 구조체(200)의 연결부(211, 212, 220, 231)에는 토크를 발생시키는 토크 엑츄에이터(A1, A2, A3, A4)가 구비되며, 상기 엑츄에이터들을 적절히 선택 구동하여 상단 고정부(231) 및 하단 고정부(232)에 선택적으로 힘을 가할 수 있다.
로봇 팔(300)에는 제2로봇몸체(301)과 제3로봇몸체(302)에는 해당 로봇몸체에 가해지는 힘을 측정하기 위한 힘 센서(미도시)가 구비되어 있다. 도 2에서 로봇 팔(300)의 제2로봇몸체(301)의 임의의 일 지점(b)에서 외력(Fb)이 가해지면 제2로봇몸체(301)에 구비된 힘 센서가 이를 측정하여 링크 구조체(200)의 제어기(미도시)에 외력(Fb)의 크기 및 외력(Fb)이 제2로봇몸체(301)에 가해진 힘이라는 정보를 보낸다. 또한, 제3로봇몸체(302)의 임의의 일 지점(a)에서 외력(Fa)이 가해지면 제3로봇몸체(302)에 구비된 힘 센서가 이를 측정하여 링크 구조체(200)의 제어기(미도시)에 외력(Fa)의 크기 및 외력(Fa)이 제3로봇몸체(302)에 가해진 힘이라는 정보를 보낸다.
본 실시예에 따른 링크 구조체(200)는 로봇 팔(300)의 제2로봇몸체(301)에 가해지는 외력(Fb)은 상단 고정부(231)에 가해지는 힘(F1)으로 재현하고, 로봇 팔(300)의 제3로봇몸체(302)에 가해지는 외력(Fa)은 하단 고정부(232)에 가해지는 힘(F2)으로 재현한다.
구체적으로 설명하면, 링크 구조체(200)의 연결부들의 토크(τ)와 힘(F) 간의 정역학 관계는 하기 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001

링크 구조체(200)의 연결부의 자유도와 외력의 자유도는 각각 4이므로, 자코비안(JT)의 차원은 4×4가 된다. 즉, 임의의 외력에 대하여 각 관절의 토크가 일대일 대응 관계를 갖게 되어 모든 외력에 대하여 표현 가능하게 된다.
도 2에 도시된 실시예에서, 링크 구조체(200)의 기구학적 관계에 의해 상기 [수학식 1]을 각 연결부에 대한 토크와 두 고정부(231, 232)에 대한 힘으로 풀어 나태내면 하기 [수학식 2]와 같이 표현 가능하다.
[수학식 2]
Figure pat00002

위 식에서 F1x와 F1y는 각각 F1의 x성분과 y성분을 나타내고, F2x와 F2y는 각각 F2의 x성분과 y성분을 나타낸다. 본 실시예에서는 로봇 팔(300)과 사람 팔(100)이 2차원 동작 메커니즘으로 모델링하였기 때문에 상기 수학식에서 힘의 x성분과 y성분만을 표시하였지만, 로봇 팔(300)과 사람 팔(100)이 3차원 동작 메커니즘으로 모델링하는 경우 z 성분이 추가하여 상기 [수학식 2]를 확장 적용하는 것은 당업자에게 자명할 것이다.
[수학식 2]에서 문자 J로 표시된 항목은 연결부와 고정부간의 속도관계를 나타내는 자코비안이며, 이러한 자코비안들은 도 2와 같이 모델링된 링크 구조체(200)의 기구학적 구조로부터 구할 수 있음은 당업자라면 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 실시예에 따르면, 상기 [수학식 2]를 각 연결부의 엑츄이터(A1, A2, A3, A4)가 가할 토크를 계산하는데 이용한다.
먼저, 로봇 팔(300)의 제2로봇몸체(301)에만 외력(Fb)이 가해진 것이 힘 센서에 의해 측정되면, 링크 구조체(200)의 제어기(미도시)는 그 정보를 제공받고 외력(Fb)을 기설정된 비율로 스케일링하여 힘(F1)을 계산한다. 이때, 힘(F1)은 x성분(F1x)과 y성분(F1y)으로 각각 계산된다.
이 경우, 상기 [수학식 2]에서 F2 성분은 0이 되므로, 토크(τ3)과 토크(τ4)는 0이 되고, 토크(τ1)과 토크(τ2)가 산출된다.
따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 링크 구조체(200)의 제어기는 엑츄에티어(A1)를 구동하여 토크(τ1)를 출력하고, 엑츄에이터(A2)를 구동하여 토크(τ2)를 출력한다. 반면, 엑츄에이터(A3)와 엑츄에이터(A4)는 구동시키지 않는다.
이에 의하여, 사람 팔(100)에는 상단 고정부(231)에만 힘(F1)이 가해지게 되고, 하단 고정부(231)에는 아무런 힘이 가해지지 않는다. 따라서, 상단 고정부(231)에만 힘이 가해지면 역감을 사용자가 느끼게 되면 사용자는 원격 조정하고 있는 로봇 팔(300)의 제2로봇몸체(301)의 어느 지점에 힘이 가해졌다는 것을 알 수 있게 된다.
다음으로, 로봇 팔(100)의 제3로봇몸체(302)에 외력(Fa)가 가해진 것이 측정되면, 링크 구조체(200)의 제어기(미도시)는 그 정보를 제공받고 외력(Fa)을 기설정된 비율로 스케일링하여 힘(F2)을 계산한다. 이때, 힘(F2)은 x성분(F2x)과 y성분(F2y)으로 각각 계산된다.
이 경우, 상기 [수학식 2]에서 F1 성분은 0이 되지만, 토크(τ1)과 토크(τ2)는 0이 되지는 않고, 토크(τ1) 내지 토크(τ4)가 모두 산출되는 것을 알 수 있다.
따라서, 링크 구조체(200)의 제어기는 엑츄에티어(A1)를 구동하여 구해진 토크(τ1)를 출력하고, 엑츄에이터(A2)를 구동하여 구해진 토크(τ2)를 출력하며, 엑츄에이터(A3)를 구동하여 구해진 토크(τ3)를 출력하고, 엑츄에이터(A4)를 구동하여 구해진 토크(τ4)를 출력한다.
이에 의하여, 사람 팔(100)에는 하단 고정부(232)에 힘(F2)가 가해지게 되고, 상단 고정부(231)에는 아무런 힘이 가해지지 않을 수 있다. 따라서, 사용자가 이러한 역감을 느끼게 되면 사용자는 원격 조정하고 있는 로봇 팔(300)의 제3로봇몸체(302)의 어느 지점에 힘이 가해졌다는 것을 알 수 있게 된다.
마지막으로, 로봇 팔(100)의 제2로봇몸체(301)와 제3로봇몸체(302)에 각각 외력(Fb)와 외력(Fa)가 동시에 가해진 것이 측정되면, 링크 구조체(200)의 제어기(미도시)는 그 정보를 제공받고 외력(Fb)을 기설정된 비율로 스케일링하여 힘(F1)을 계산하고, 외력(Fa)을 기설정된 비율로 스케일링하여 힘(F2)을 계산한다. 이때, 힘들은 그 x성분과 y성분으로 각각 계산된다.
이 경우, 상기 [수학식 2]에 의해 토크(τ1) 내지 토크(τ4)가 모두 산출된다.
따라서, 링크 구조체(200)의 제어기는 엑츄에티어(A1)를 구동하여 구해진 토크(τ1)를 출력하고, 엑츄에이터(A2)를 구동하여 구해진 토크(τ2)를 출력하며, 엑츄에이터(A3)를 구동하여 구해진 토크(τ3)를 출력하고, 엑츄에이터(A4)를 구동하여 구해진 토크(τ4)를 출력한다.
이에 의하여, 사람 팔(100)에는 상단 고정부(231)에 힘(F1)이 가해지고 하단 고정부(232)에 힘(F2)가 가해지는 역감이 전달된다. 사용자가 이러한 역감을 느끼게 되면 사용자는 원격 조정하고 있는 로봇 팔(300)의 제2로봇몸체(301)와 제3로봇몸체(302)의 어느 지점에 동시에 힘이 가해졌다는 것을 알 수 있게 된다.
상기와 같은 작용은 링크 구조체(200)의 링크 구성을 다양하게 변화시키면서도 실시 가능하다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 링크 구조체(200)를 도시한 것이다.
도 3a를 참조하면 본 실시예에 따른 링크 구조체(200)는 상단 고정부(231)에 연결되는 링크암(202)과, 하단 고정부(232)에 연결되는 링크암(204)이 다른 링크암(203)을 경유하여 연결되어 폐루프(10)를 형성한다. 한편, 제1링크암(201)과 제2링크암(202)은 제2몸체(101)와 함께 연결부(231, 211, 220) 및 어깨 관절(111)을 연결하는 폐루프를 형성하도록 연결된다. 따라서, 본 실시예에 따른 링크구조체는 두 개의 폐루프가 병렬로 연결된 형태로 사용자에게 부착된다.
연결부(220)와 연결부(212)에는 각각 하나의 엑츄에이터(A1, A4)가 구비되고, 연결부(211)에는 두 개의 독립 구동하는 엑츄에이터(A2, A3)가 함께 구비된다. 본 실시예에서는 상단 고정부(231)에 엑츄에이터가 구비되지 않는다.
본 실시예에 따르면, 하기 [수학식 3]을 각 연결부의 엑츄이터(A1, A2, A3, A4)가 가할 토크를 계산하는데 이용한다.
[수학식 3]
Figure pat00003

도 3b를 참조하면 로봇 팔(100)의 제2로봇몸체(301)에만 외력(Fb)이 가해진 것이 힘 센서에 의해 측정되면, 링크 구조체(200)의 제어기(미도시)는 그 정보를 제공받고 외력(Fb)을 기설정된 비율로 스케일링하여 힘(F1)을 계산한다. 이때, 힘(F1)은 x성분(F1x)과 y성분(F1y)으로 각각 계산된다. 상기 [수학식 3]의 관계에 의해 링크 구조체(200)의 제어기(미도시)는 엑츄에티어(A1)를 구동하여 계산된 토크(τ1)를 출력하고, 엑츄에이터(A2)를 구동하여 계산된 토크(τ2)를 출력한다. 반면, 엑츄에이터(A3)와 엑츄에이터(A4)는 구동시키지 않는다.
이에 의하여, 사람 팔(100)에는 상단 고정부(231)에만 힘(F1)이 가해지게 되고, 하단 고정부(231)에는 아무런 힘이 가해지지 않는다. 따라서, 상단 고정부(231)에만 힘이 가해지면 역감을 사용자가 느끼게 되면 사용자는 원격 조정하고 있는 로봇 팔(300)의 제2로봇몸체(301)의 어느 지점에 힘이 가해졌다는 것을 알 수 있게 된다.
한편, 로봇 팔(100)의 제3로봇몸체(302)에 외력(Fa)이 가해진 것이 측정되면, 링크 구조체(200)의 제어기(미도시)는 그 정보를 제공받고 외력(Fa)을 기설정된 비율로 스케일링하여 힘(F2)을 계산한다. 이때, 힘(F2)은 x성분(F2x)과 y성분(F2y)으로 각각 계산된다.
이 경우, 상기 [수학식 2]에서 F1 성분은 0이 되어 토크(τ2)는 0이 되며, 토크(τ1), 토크(τ3) 및 토크(τ4)가 산출된다.
따라서, 링크 구조체(200)의 제어기는 엑츄에티어(A1)를 구동하여 구해진 토크(τ1)를 출력하고, 엑츄에이터(A3)를 구동하여 구해진 토크(τ3)를 출력하며, 엑츄에이터(A4)를 구동하여 구해진 토크(τ4)를 출력한다. 엑츄에이터(A2)는 구동시키지 않는다.
이에 의하여, 사람 팔(100)에는 하단 고정부(232)에 힘(F2)가 가해지게 되고, 상단 고정부(231)에는 아무런 힘이 가해지지 않을 수 있다. 따라서, 사용자가 이러한 역감을 느끼게 되면 사용자는 원격 조정하고 있는 로봇 팔(300)의 제3로봇몸체(302)의 어느 지점에 힘이 가해졌다는 것을 알 수 있게 된다.
마지막으로, 로봇 팔(100)의 제2로봇몸체(301)와 제3로봇몸체(302)에 각각 외력(Fb)와 외력(Fa)가 동시에 가해진 것이 측정되면, 링크 구조체(200)의 제어기(미도시)는 힘(F1)과 힘(F2)을 계산한다. 이때, 상기 힘들은 그 x성분과 y성분으로 각각 계산된다.
이 경우, 상기 [수학식 3]에 의해 토크(τ1) 내지 토크(τ4)가 모두 산출된다. 따라서, 링크 구조체(200)의 제어기는 엑츄에티어(A1)를 구동하여 구해진 토크(τ1)를 출력하고, 엑츄에이터(A2)를 구동하여 구해진 토크(τ2)를 출력하며, 엑츄에이터(A3)를 구동하여 구해진 토크(τ3)를 출력하고, 엑츄에이터(A4)를 구동하여 구해진 토크(τ4)를 출력한다.
이에 의하여, 사람 팔(100)에는 상단 고정부(231)에 힘(F1)이 가해지고 하단 고정부(232)에 힘(F2)가 가해지는 역감이 전달된다. 사용자가 이러한 역감을 느끼게 되면 사용자는 원격 조정하고 있는 로봇 팔(300)의 제2로봇몸체(301)와 제3로봇몸체(302)의 어느 지점에 동시에 힘이 가해졌다는 것을 알 수 있게 된다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 링크 구조체(200)를 도시한 것이다.
도 4a를 참조하면 본 실시예에 따른 링크 구조체(200)는 상단 고정부(231)에 연결되는 링크암(202)과, 하단 고정부(232)에 연결되는 링크암(204)이 링크 구조체(200)를 지지 부재에 고정하는 연결부(220)에 연결되는 링크암들(201, 203)을 통해 연결되어, 상단 고정부(231), 하단 고정부(232) 및 연결부(220)을 포함하는 폐루프(10)가 형성된다. 한편, 제1링크암(201)과 제2링크암(202)은 제2몸체(101)와 함께 연결부(231, 211, 220) 및 어깨 관절(111)을 연결하는 폐루프를 형성하도록 연결된다. 따라서, 본 실시예에 따른 링크구조체는 두 개의 폐루프가 병렬로 연결된 형태로 사용자에게 부착된다.
연결부(211)와 연결부(212)에는 각각 하나의 엑츄에이터(A2, A4)가 구비되고, 연결부(220)에는 두 개의 독립 구동하는 엑츄에이터(A1, A3)가 구비된다. 본 실시예에서는 상단 고정부(231)에 엑츄에이터가 구비되지 않는다.
본 실시예에 따르면, 하기 [수학식 4]을 각 연결부의 엑츄이터(A1, A2, A3, A4)가 가할 토크를 계산하는데 이용한다.
[수학식 4]
Figure pat00004

도 4b를 참조하면 로봇 팔(300)의 제2로봇몸체(301)에만 외력(Fb)이 가해진 것이 힘 센서에 의해 측정되면, 링크 구조체(200)의 제어기(미도시)는 그 정보를 제공받아 힘(F1)을 계산한다. 이때, 힘(F1)은 x성분(F1x)과 y성분(F1y)으로 각각 계산된다. 상기 [수학식 4]의 관계에 의해 링크 구조체(200)의 제어기는 엑츄에티어(A1)를 구동하여 계산된 토크(τ1)를 출력하고, 엑츄에이터(A2)를 구동하여 계산된 토크(τ2)를 출력한다. 반면, 엑츄에이터(A3)와 엑츄에이터(A4)는 구동시키지 않는다.
이에 의하여, 사람 팔(100)에는 상단 고정부(231)에만 힘(F1)이 가해지게 되고, 하단 고정부(231)에는 아무런 힘이 가해지지 않는다. 따라서, 상단 고정부(231)에만 힘이 가해지면 역감을 사용자가 느끼게 되면 사용자는 원격 조정하고 있는 로봇 팔(300)의 제2로봇몸체(301)의 어느 지점에 힘이 가해졌다는 것을 알 수 있게 된다.
한편, 로봇 팔(300)의 제3로봇몸체(302)에 외력(Fa)이 가해진 것이 측정되면, 링크 구조체(200)의 제어기(미도시)는 힘(F2)을 계산한다. 이때, 힘(F2)은 x성분(F2x)과 y성분(F2y)으로 각각 계산된다.
이 경우, 상기 [수학식 4]에서 F1 성분은 0이 되어 토크(τ1)와 토크(τ2)는 0이 되며, 토크(τ3)와 토크(τ4)가 산출된다.
따라서, 링크 구조체(200)의 제어기는 엑츄에티어(A3)를 구동하여 구해진 토크(τ3)를 출력하고, 엑츄에이터(A4)를 구동하여 구해진 토크(τ4)를 출력한다. 엑츄에이터(A1)과 엑츄에이터(A2)는 구동시키지 않는다.
이에 의하여, 사람 팔(100)에는 하단 고정부(232)에 힘(F2)가 가해지게 되고, 상단 고정부(231)에는 아무런 힘이 가해지지 않을 수 있다. 따라서, 사용자가 이러한 역감을 느끼게 되면 사용자는 원격 조정하고 있는 로봇 팔(300)의 제3로봇몸체(302)의 어느 지점에 힘이 가해졌다는 것을 알 수 있게 된다.
마지막으로, 로봇 팔(100)의 제2로봇몸체(301)와 제3로봇몸체(302)에 각각 외력(Fb)와 외력(Fa)가 동시에 가해진 것이 측정되면, 링크 구조체(200)의 제어기(미도시)는 힘(F1)과 힘(F2)을 계산한다. 이때, 상기 힘들은 그 x성분과 y성분으로 각각 계산된다.
이 경우, 상기 [수학식 4]에 의해 토크(τ1) 내지 토크(τ4)가 모두 산출된다. 따라서, 링크 구조체(200)의 제어기는 엑츄에티어(A1)를 구동하여 구해진 토크(τ1)를 출력하고, 엑츄에이터(A2)를 구동하여 구해진 토크(τ2)를 출력하며, 엑츄에이터(A3)를 구동하여 구해진 토크(τ3)를 출력하고, 엑츄에이터(A4)를 구동하여 구해진 토크(τ4)를 출력한다.
이에 의하여, 사람 팔(100)에는 상단 고정부(231)에 힘(F1)이 가해지고 하단 고정부(232)에 힘(F2)가 가해지는 역감이 전달된다. 사용자가 이러한 역감을 느끼게 되면 사용자는 원격 조정하고 있는 로봇 팔(300)의 제2로봇몸체(301)와 제3로봇몸체(302)의 어느 지점에 동시에 힘이 가해졌다는 것을 알 수 있게 된다.
한편, 위의 실시예들에서는 각 링크암들이 서로 힌지 연결되고, 엑츄에이터로서 토크 엑츄에이터가 이용되는 것으로 설명되었으나 반드시 이에 한정되지 않는다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 링크 구조체(200)를 도시한 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따르면, 복수의 연결부(251, 252, 253, 254)는, 그에 의해 연결되는 두 링크암이 수평 또는 수직한 관계로 직선 운동 가능하도록 하는 연결부로서, 하나의 링크암에 형성된 실린더 내부에 다른 링크암이 삽입되는 실린더형 연결부이다. 이에 대응하여 연결부에 구비되는 엑츄에이터는 상기 실린더 내부에 삽입된 링크암의 움직임을 구속하는 길이 엑츄에이터이다.
도 5에서 사용자가 팔꿈치 관절(112)의 각도는 유지하고, 어깨 관절(111)을 오른쪽으로 움직이면, "T"자 형태의 링크암(243)의 수직방향 링크는 링크암(242)의 실린더 내부에서 오른쪽으로 움직인다. 이와 동시에, 링크암(242)은 링크암(241)의 실린더 내부에서 아래쪽으로 움직인다. 이러한 구성에 의해 외력이 가해지지 않는한 링크암들은 이러한 실린더형 연결부에 의해 사람의 동작에 순응하여 운동 가능하다는 것이 이해될 것이다.
다시 도 2를 참고하고, 도 5를 참고하여 사용자에게 역감을 제공하는 본 실시예의 동작을 설명한다.
먼저, 로봇 팔(100)의 제2로봇몸체(301)에만 외력(Fb)이 가해진 것이 힘 센서에 의해 측정되면, 링크 구조체(200)의 제어기(미도시)는 그 정보를 제공받고 외력(Fb)을 기설정된 비율로 스케일링하여 힘(F1)을 계산한다. 이때, 힘(F1)은 x성분(F1x)과 y성분(F1y)으로 각각 계산된다.
링크 구조체(200)의 제어기는 엑츄에이터(A1)를 구동하여 링크암(242)을 수직으로 밀어줌으로써 x성분 힘(F1x)에 상당하는 수직력을 출력한다. 또한, 엑츄에이터(A2)를 구동하여 링크암(243)을 수평으로 밀어줌으로써 y성분 힘(F1y)에 상당하는 수평력을 출력한다. 이때, 엑츄에이터(A3)와 엑츄에이터(A4)는 구동시키지 않는다.
이에 의하여, 사람 팔(100)에는 상단 고정부(231)에 힘(F1)이 가해지는 역감이 전달되고, 하단 고정부(231)에는 아무런 힘이 가해지지 않는다. 따라서, 상단 고정부(231)에만 힘이 가해지면 역감을 사용자가 느끼게 되면 사용자는 원격 조정하고 있는 로봇 팔(300)의 제2로봇몸체(301)의 어느 지점에 힘이 가해졌다는 것을 알 수 있게 된다.
다음으로, 로봇 팔(100)의 제3로봇몸체(302)에 외력(Fa)가 가해진 것이 측정되면, 링크 구조체(200)의 제어기(미도시)는 그 정보를 제공받고 외력(Fa)을 기설정된 비율로 스케일링하여 힘(F2)을 계산한다. 이때, 힘(F2)은 x성분(F2x)과 y성분(F2y)으로 각각 계산된다.
링크 구조체(200)의 제어기는 엑츄에이터(A1)와 엑츄에이터(A3)를 구동하여 링크암(242)과 링크암(244)을 수직으로 밀어줌으로써 x성분 힘(F1x)에 상당하는 수직력을 출력한다. 이때, 엑츄에이터(A1)와 엑츄에이터(A3)가 각각 가하는 힘의 크기는 링크 구조체(200)의 기구학적 모델에 의해 적절히 조정된다.
또한, 엑츄에이터(A2) 및 엑츄에이터(A4)를 구동하여 링크암(243)과 링크암(245)을 수평으로 밀어줌으로써 y성분 힘(F1y)에 상당하는 수평력을 출력한다. 이때, 엑츄에이터(A2)와 엑츄에이터(A4)가 각각 가하는 힘의 크기는 링크 구조체(200)의 기구학적 모델에 의해 적절히 조정된다.
이에 의하여, 사람 팔(100)에는 하단 고정부(232)에 힘(F2)가 가해지게 되고, 상단 고정부(231)에는 아무런 힘이 가해지지 않을 수 있다. 따라서, 사용자가 이러한 역감을 느끼게 되면 사용자는 원격 조정하고 있는 로봇 팔(300)의 제3로봇몸체(302)의 어느 지점에 힘이 가해졌다는 것을 알 수 있게 된다.
마지막으로, 로봇 팔(100)의 제2로봇몸체(301)와 제3로봇몸체(302)에 각각 외력(Fb)와 외력(Fa)가 동시에 가해진 것이 측정되면, 링크 구조체(200)의 제어기(미도시)는 그 정보를 제공받고 외력(Fb)을 기설정된 비율로 스케일링하여 힘(F1)을 계산하고, 외력(Fa)을 기설정된 비율로 스케일링하여 힘(F2)을 계산한다. 이때, 힘들은 그 x성분과 y성분으로 각각 계산된다.
링크 구조체(200)의 제어기는 엑츄에이터(A1)와 엑츄에이터(A3)를 구동하여 링크암(242)과 링크암(244)을 수직으로 밀어줌으로써 x성분 힘(F1x)에 상당하는 수직력을 출력한다. 이때, 엑츄에이터(A1)와 엑츄에이터(A3)가 각각 가하는 힘의 크기는 링크 구조체(200)의 기구학적 모델에 의해 적절히 조정된다.
또한, 엑츄에이터(A2) 및 엑츄에이터(A4)를 구동하여 링크암(243)과 링크암(245)을 수평으로 밀어줌으로써 y성분 힘(F1y)에 상당하는 수평력을 출력한다. 이때, 엑츄에이터(A2)와 엑츄에이터(A4)가 각각 가하는 힘의 크기는 링크 구조체(200)의 기구학적 모델에 의해 적절히 조정된다.
이에 의하여, 사람 팔(100)에는 상단 고정부(231)에 힘(F1)이 가해지고 하단 고정부(232)에 힘(F2)가 가해지는 역감이 전달된다. 사용자가 이러한 역감을 느끼게 되면 사용자는 원격 조정하고 있는 로봇 팔(300)의 제2로봇몸체(301)와 제3로봇몸체(302)의 어느 지점에 동시에 힘이 가해졌다는 것을 알 수 있게 된다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 링크 구조체(200)들을 도시한 것이다.
도 6a에 도시된 실시예에 따르면, 링크 구조체(200)는 상단 고정부(231)에 연결되는 링크암과, 하단 고정부(232)에 연결되는 링크암이 다른 링크암을 경유하여 연결되어 폐루프(10)를 형성한다는 점에서 도 3의 링크 구조체(200)의 구성에 대응되는 구성이다.
당업자라면, 본 실시예에서 사용자에게 역감을 제공하는 방법과 원리는 앞서 설명한 실시예를 통해 명확하게 이해할 수 있을 것이므로, 구체적인 설명은 생략한다.
도 6b에 도시된 실시예에 따르면, 링크 구조체(200)는 상단 고정부(231)에 연결되는 링크암과, 하단 고정부(232)에 연결되는 링크암이 링크 구조체(200)를 지지 부재에 고정하는 연결부(220)에 연결되는 링크암들을 통해 연결되어, 상단 고정부(231), 하단 고정부(232) 및 연결부(220)을 포함하는 폐루프(10)가 형성된다는 점에서 도 4의 링크 구조체(200)의 구성에 대응되는 구성이다.
당업자라면, 본 실시예에서 사용자에게 역감을 제공하는 방법과 원리는 앞서 설명한 실시예를 통해 명확하게 이해할 수 있을 것이므로, 구체적인 설명은 생략한다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 링크 구조체(200)의 복수의 연결부가 힌지형 연결부(도 1 참조) 및 실린더형 연결부(도 5 참조)의 조합으로 구성되고, 엑츄에이터는 각 연결부의 형태에 대응하여 토크 엑츄에이터 또는 길이 엑츄에이터가 구비되도록 구성될 수도 있다.
도 7a 내지 도 7f는 상술한 실시예들을 도시한 것이다.
도 7a 및 도 7d에 도시된 링크 구조체(200)는 도 1에 도시된 링크 구조체(200)에 대응하는 구성이고, 도 7b 및 도 7e에 도시된 링크 구조체(200)는 도 3에 도시된 링크 구조체(200)에 대응하는 구성이며, 도 7c 및 도 7f에 도시된 링크 구조체(200)는 도 4에 도시된 링크 구조체(200)에 대응하는 구성임이 이해될 것이다.
당업자라면, 상술한 토크 엑츄에이터 및 길이 엑츄에이터의 동작에 따른 역감 제공 메커니즘을 바탕으로, 도 7a 내지 도 7f에 도시된 링크 구조체(200)의 동작을 이해할 수 있을 것이므로, 각 구성의 동작에 대한 설명은 생략한다.
도 7a 내지 도 7f에 도시된 구성 외에도, 본 발명의 기술적 사상을 이용하면서 링크 구조체의 복수의 연결부가 힌지형 연결부 및 실린더형 연결부의 조합으로 구성되고, 엑츄에이터는 각 연결부의 형태에 대응하여 토크 엑츄에이터 또는 길이 엑츄에이터가 구비되도록 다른 더 많은 조합이 있을 수 있음이 이해되어야 할 것이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 링크 구조체(200)를 사람이 착용한 모습을 개략적으로 도시한 것이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 사용자는 전원 공급장치가 구비된 배낭 형태의 지지 부재(221)을 등에 진 상태에서, 지지 부재(221)에 연결된 링크 구조체(200)를 팔이나 다리(100)에 장착할 수 있다. 이러한 실시예에 따르면 사용자가 로봇과 함께 이동하며 로봇을 제어할 수 있게 된다.
도 8에서 지지 부재(221)의 뒤쪽으로 길게 연장된 링크 구조는 지지 부재(221)의 무게가 무거운 경우 지지 부재(221)의 무게를 받쳐 주기 위한 구성으로서, 본 발명에 따른 링크 구조체(200)와는 다른 구성이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 사용자는 의자 등에 앉아서 팔에 연결된 링크 구조체(200)를 이용해 로봇의 팔을 조정할 수 있다. 이때 지지 부재(221)는 벽 등과 같은 구조물이 되고, 지지 부재(221)에 연결부(220)가 형성된다.
상기에서는 본 발명의 실시예들에 따른 링크 구조체(200)를 이용해 로봇을 조정하는 것을 설명하였으나, 이러한 용도에 한정되지 않는다. 예를 들어, 본 실시예에 따른 링크 구조체(200)는 가상 환경에 제공되는 다양한 캐릭터를 동작시키는데 이용될 수 있으며, 캐릭터에 가해지는 외력 등을 사용자가 직접 느낄 수 있도록 함으로써 보다 현실적인 가상 환경을 제공하는데 이용될 수 있을 것이다.

Claims (9)

  1. 제1몸체와 관절 연결되는 제2몸체 및 상기 제2몸체에 관절 연결되는 제3몸체를 포함하는 사람의 지(limb)와 결합되며,
    복수의 링크암 및 상기 링크암들이 상기 사람의 동작에 순응하여 운동 가능하게 연결하는 복수의 연결부를 구비하고,
    상기 제2몸체 및 상기 제3몸체에 상기 링크 구조체를 고정시키는 상단 고정부 및 하단 고정부를 포함하고,
    상기 복수의 링크암의 전부 또는 일부가 상기 제2몸체 및 상기 제3몸체와 함께 상기 상단 고정부 및 하단 고정부를 포함하는 폐루프를 형성하도록 서로 연결되고,
    상기 복수의 연결부에는 힘을 발생시키는 엑츄에이터가 구비되며,
    상기 엑츄에이터를 선택적으로 구동하여 상기 상단 고정부 및 상기 하단 고정부에 선택적으로 힘을 가할 수 있는 것을 특징으로 하는 링크 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 링크 구조체는 제1로봇몸체와 관절 연결되는 제2로봇몸체 및 제2로봇몸체와 관절 연결되는 제3로봇몸체를 포함하는 로봇의 지를 원격 제어하기 위한 링크 구조체이고,
    상기 제2로봇몸체에 외력이 가해지면, 상기 상단 고정부에 힘을 가하고,
    상기 제3로봇몸체에 외력이 가해지면, 상기 하단 고정부에 힘이 가하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 링크 구조체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 상단 고정부에 연결되는 링크암과, 상기 하단 고정부에 연결되는 링크암이 서로 연결되어 상기 폐루프를 형성하는 것을 특징으로 하는 링크 구조체.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 상단 고정부에 연결되는 링크암과, 상기 하단 고정부에 연결되는 링크암이 다른 링크암을 경유하여 연결되어 상기 폐루프를 형성하는 것을 특징으로 하는 링크 구조체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 상단 고정부에 연결되는 링크암과, 상기 하단 고정부에 연결되는 링크암이 상기 링크 구조체를 지지면에 고정하는 연결부에 연결되는 링크암들을 통해 연결되어,
    상기 상단 고정부, 상기 하단 고정부 및 상기 링크 구조체를 지지 부재에 고정하는 연결부를 포함하는 폐루프가 형성되는 것을 특징으로 하는 링크 구조체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 연결부에는, 연결부의 변위를 측정하는 변위 측정 센서가 구비되는 것을 특징으로 하는 링크 구조체.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 연결부는, 두 링크암이 힌지 운동 가능하도록 연결하는 힌지형 연결부이고,
    상기 엑츄에이터는 상기 힌지형 연결부를 회전 구동시켜 토크를 발생시키는 토크 엑츄에이터인 것을 특징으로 하는 링크 구조체.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 연결부는, 두 링크암이 직선 운동 가능하도록 하나의 링크암에 형성된 실린더 내부에 다른 링크암이 삽입되는 실린더형 연결부이고,
    상기 엑츄에이터는 상기 실린더 내부에 삽입된 링크암의 움직임을 구속하는 길이 엑츄에이터인 것을 특징으로 하는 링크 구조체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 연결부는, 두 링크암이 힌지 운동 가능하도록 연결하는 힌지형 연결부 및 두 링크암이 직선 운동 가능하도록 하나의 링크암에 형성된 실린더 내부에 다른 링크암이 삽입되는 실린더형 연결부의 조합으로 구성되고,
    상기 엑츄에이터는 상기 힌지형 연결부를 회전 구동시켜 토크를 발생시키는 토크 엑츄에이터 또는 상기 실린더 내부에 삽입된 링크암의 움직임을 구속하는 길이 엑츄에이터인 것을 특징으로 하는 링크 구조체.
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