KR20150137818A - 나사 체결력 및 나사 체결 오류 확인이 가능한 전동 드라이버 로봇용 작업 툴 장치 - Google Patents

나사 체결력 및 나사 체결 오류 확인이 가능한 전동 드라이버 로봇용 작업 툴 장치 Download PDF

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Abstract

전동 드라이버 로봇용 작업 툴 장치가 제공된다. 이 장치는 구동부로부터 파지력을 전달받는 조 베이스(jaw base)와, 상기 조 베이스와 결합되어, 상기 조 베이스를 통해 상기 구동부로부터 전달받은 파지력에 따라 전동 드라이버를 파지하는 그리퍼 조(gripper jaw) 및 상기 조 베이스(jaw base)와 상기 그리퍼 조(gripper jaw) 사이에 배치되어, 상기 전동 드라이버에 의한 나사 체결 시에 상기 그리퍼 조(gripper jaw)에 전달되는 반력 토크를 센싱하는 센서를 포함한다.

Description

나사 체결력 및 나사 체결 오류 확인이 가능한 전동 드라이버 로봇용 작업 툴 장치{End of Arm Tool for determination of Screw Clamping force and Clamping task fail-success of Electric Driver}
본 발명은 로봇용 엔드-이펙터(End-Effector) 분야로서, 상세하게는 전동 드라이버를 사용하여 나사를 체결하는 전동 드라이버 로봇용 작업 툴 장치에 관한 발명이다.
반복 작업이 요구되는 생산 라인의 작업자를 대신하기 위하여 산업용 로봇이 널리 활용 되고 있다.
이러한 산업용 로봇은 팔을 구성하는 매니퓰레이터(Manipulator)와 이 매니퓰레이터 끝에 장착되어 사람의 손 동작을 묘사하기 위한 다양한 작업을 수행하는 엔드-이펙터(End-Effector)로 구성되어 있다.
엔드-이펙터는 용접(Welding)과 같은 극한 환경의 작업이나, 픽 앤 플레이스(Pick and Place)와 같은 반복 작업, 볼팅(Bolting)과 같은 정밀도가 요구되는 작업에도 활용 할 수 있다.
현재, 엔드-이펙터(End-Effector)의 기술에는, 사람 손 형상 및 동작을 재현하는 로봇 손(DLR Hand, Robonaut Hand, Shadow Hand)과 이 로봇 손의 단점을 극복하면서 특정 작업에 최적화 된 전용 그리퍼(Barret, RobotiQ, Schunk Gripper) 등이 있다.
특히, 로봇 손의 경우, 사람의 손과 같이 여러 작업을 수행하며 다양한 작업 환경에 적응할 수 있는 범용성과 정밀성을 가지고 있으나, 기구 구조 및 제어의 관점에서 볼 때 고가이면서 구현하기 어려운 단점이 있다.
한편, 이러한 전용 작업툴을 사용한 볼팅 작업은 푸쉬스타트형 전동 드라이버를 파지하여 전용 드라이버를 일정 시간 동안 나사(Screw)를 눌러 체결하는 방식이다. 이때, 나사가 제대로 체결이 되는지 확인이 필요하며, 기존에는 볼팅 작업도중 작업자의 육안으로 나사의 체결 성공을 확인했다. 그러나, 육안으로 나사의 체결 성공을 확인하는 것은 정확하지 않다.
따라서, 본 발명의 목적은 전동드라이버를 사용하여 나사를 체결하는 과정에서 체결 작업의 성공확인을 고가의 장비 없이, 정확하게 판단할 수 있는 나사 체결력 및 나사 체결 오류 확인이 가능한 전동 드라이버 로봇용 작업 툴을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 전동 드라이버 로봇용 작업 툴 장치는, 구동부로부터 파지력을 전달받는 조 베이스(jaw base)와, 상기 조 베이스와 결합되어, 상기 조 베이스를 통해 상기 구동부로부터 전달받은 파지력에 따라 전동 드라이버를 파지하는 그리퍼 조(gripper jaw) 및 상기 조 베이스(jaw base)와 상기 그리퍼 조(gripper jaw) 사이에 배치되어, 상기 전동 드라이버에 의한 나사 체결 시에 상기 그리퍼 조(gripper jaw)에 전달되는 반력 토크를 센싱하는 센서를 포함한다.
본 발명의 다른 일면에 따른 전동 드라이버 로봇용 작업 툴 장치는, 구동부로부터 파지력을 전달받는 2개의 조 베이스(jaw base)와, 상기 2개의 조 베이스와 각각 결합되어, 상기 구동부로부터 전달받은 파지력에 따라 전동 드라이버를 파지하는 2개의 그리퍼 조(gripper jaw) 및 상기 전동 드라이버에 의한 나사 체결 시에 상기 그리퍼 조(gripper jaw)에 전달되는 반력 토크를 센싱하기 위해, 상기 2개의 조 베이스들 중 어느 하나의 조 베이스와 상기 어느 하나의 조 베이스와 결합되는 하나의 그리퍼 조 사이에 배치되어, 상기 파지력에 수직한 방향으로 작용하는 힘을 센싱하는 센서를 포함한다.
본 발명에 따르면, 작업자의 도움 없이 볼팅 작업 시, 나사 체결 확인에 용이한 전동 드라이버 로봇용 작업 툴에 적용되는 그리퍼를 구현함으로써, 체결 확인에 있어 고가의 F/T 센서를 사용하지 않고 일반 저가 로드 셀로도 나사 체결을 확인할 수 있고, 로봇을 활용한 기존의 볼팅 작업 시 나사 체결 확인 및 작업의 성공 유무를 작업자의 육안으로 판단하는 종래와는 달리, 나사 체결 작업 시 나사 체결 토크를 측정하여 체결확인은 물론 체결 오류를 확인할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동 드라이버 로봇용 작업 툴 장치를 보여주는 도면으로서, (A)는 상기 작업 툴 장치를 측면에서 바라본 측면도(side view)이고, (B)는 상기 작업 툴 장치를 위에서 바라본 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따라 나사 체결 시 반력 토크로 인한 그리퍼 조에 작용하는 힘 성분을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 그리퍼 조와 조 베이스 간의 디커플된 구조를 보여주는 도면이다.
도 4는 나사 체결 전, 전동 드라이버와 나사간의 정렬이 되지 않은 상태를 도식적으로 보여주는 도면이다.
도 5는 나사 체결 후, 나사가 잘못된 방향으로 체결된 상태를 도식적으로 보여주는 도면이다.
본 발명의 이 점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 발명에서는 작업자의 도움 없이 나사 체결을 확인을 할 수 있는 전동 드라이버 로봇용 작업 툴 장치가 제공된다.
이 전동 드라이버 로봇용 작업 툴 장치는 나사 체결 직전의 반력 토크를 측정하여 나사가 체결되었는지 확인하는 방식이다. 특히, 측정 방법에 있어 고가의 F/T(Force/Torque) 센서를 사용하지 않고, 본 발명에서 제안하는 기구적인 구조에 따라 탑재된 로드 셀을 사용하여 반력 토크를 측정함에 특징이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 전동 드라이버 로봇용 작업 툴 장치의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동 드라이버 로봇용 작업 툴 장치를 보여주는 도면으로서, 도 1의 (A)는 상기 작업 툴 장치를 측면에서 바라본 측면도(side view)이고, (B)는 상기 작업 툴 장치를 위에서 바라본 평면도(top view)이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동 드라이버 로봇용 작업 툴 장치는 구동부(110), 조 베이스(jaw base)(120), 그리퍼 조(gripper jaw)(130) 및 센서(125)를 포함한다.
구동부(110)는 전동 드라이버(10)의 몸체(20)를 파지하기 위한 파지력을 생성한다.
조 베이스(120)는 상기 구동부(110)로부터 파지력을 전달받아서, 이를 그리퍼 조(130)에 전달한다. 일 실시 예에 따른 조 베이스(120)는 제1 조 베이스(122)와 제2 조 베이스(124)를 포함한다. 상기 파지력에 따라 제1 조 베이스(122)와 제2 조 베이스(124)는 서로 마주하는 방향(이하, 파지력 방향)으로 이동한다. 이하에서는, 파지력 방향을 X축 방향으로 가정한다.
그리퍼 조(130)는 상기 조 베이스(120)와 기구적으로 결합(Mechanically Decoupled)되어, 상기 구동부(110)로부터 상기 조 베이스(120)를 통해 전달받은 파지력에 따라 전동 드라이버(10)의 몸체(20)를 파지한다. 이를 위해, 그리퍼 조(130)는 제1 그리퍼 조(132) 및 제2 그리퍼 조(134)를 포함한다. 제1 및 제2 그리퍼 조(132, 134)는 각각 제1 및 제2 조 베이스(122, 124)를 통해 X축 방향의 파지력을 전달받아서, 전동 드라이어(10)의 몸체(20)를 파지한다. 특히, 일 실시 예에 따른 제2 그리퍼 조(134)는 본 발명에서 제안하는 기구적 결합 구조에 따라 상기 파지력 방향인 X축 방향에 수직한 방향인 Y축 방향으로 이동 가능하게 구성된다.
센서(125)는 상기 기구적 결합 구조에 따라 상기 제2 조 베이스(124)와 제2 그리퍼 조(134) 사이에 배치되어, 상기 전동 드라이버(10)에 의해 나사(30)가 작업 대상체(40)에 체결하는 과정에서 상기 그리퍼 조(gripper jaw)에 전달되는 반력 토크를 센싱한다. 일례로, 센서(125)는 로드 셀(load cell)일 수 있다.
여기서, 상기 그리퍼 조(gripper jaw)에 전달되는 반력 토크는 상기 파지력 방향인 X축 방향에 수직한 방향인 Y축 방향으로 분해할 수 있다.
따라서, 센서(125)는, 이러한 Y축 방향의 힘을 측정하기 위해, 제2 조 베이스(124)와 제2 그리퍼 조(134) 사이에 배치되는 기구적 결합 구조를 갖는다.
이러한 센서(125)의 배치 구조를 통해 반력 토크를 센싱할 수 있음은 상기 반력 토크가 그리퍼 조(130)에 작용하는 힘 성분 분석을 통해 이해 될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동 드라이버에 의한 나사 체결 과정에서 발생한 반력 토크로 인해 그리퍼 조에 작용하는 힘 성분을 보여주기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 나사 체결 시, 나사면의 저항력으로 인하여 전동 드라이버(10)에 반력 토크가 작용하고, 그리퍼 조(130)가 전동 드라이버(10)의 몸체(20)를 파지함에 따라, 전동 드라이버(10)의 몸체(20) 직경만큼 그리퍼 조(130)에 반력(f1, f2)이 작용한다.
이 반력(f1, f2)은 도 2에 도시된 바와 같이, 파지력 방향인 X 에 수직 방향인 Y로 분해 할 수 있다.
따라서, 로드 셀과 같은 센서(125)의 측정위치를 파지력에 중첩을 피하고 서로 상쇄되는 효과를 피하기 위하여 파지력의 수직한 방향인 Y축 방향으로 설계한다. 이때, 강체(Rigid)인 조 베이스(124)에서 로드 셀을 사용하여 Y 방향의 힘을 측정하기 위하여서는 기구적으로 디커플(Mechanically Decouple)된 구조가 필요하다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 그리퍼 조와 조 베이스 간의 기구적으로 디커플된 구조를 보여주는 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 그리퍼 조(130)의 파지력에 수직한 Y축 방향의 힘을 측정하기 위해, 그리퍼 조(134)가 파지력의 수직 방향으로 직선 운동 가능하게 조 베이스(124)에 기구적으로 디커플되도록 구성된다.
이를 위해, 제2 그리퍼 조(134)에는, 파지력의 수직방향 즉, Y축 방향으로 형성된 2개의 가이드 홈(134-1, 134-2)들이 형성되고, 이 가이드 홈들(134-1, 134-2)의 내측벽에는 가이드 레일(134-1A, 134-2B)이 각각 형성된다.
상기 제2 그리퍼 조(134)와 기구적으로 결합하는 제2 조 베이스(124)에는 상기 2개의 가이드 홈들(134-1, 134-2)의 내측벽에 형성된 가이드 레일(134-1A, 134-2B)에 결합하는 2개의 가이드 돌기들(124-1, 124-2)이 형성된다.
따라서, 나사 체결 시, 나사면의 저항력으로 인하여 전동 드라이버(10)에 반력 토크가 작용하면, 전동 드라이버(10)의 몸체(20)를 파지고 하고 있는 제2 그리퍼 조(134)에 반력이 작용하게 된다.
이러한 반력에 의해, 제2 그리퍼 조(134)는 상기 2개의 가이드 돌기들(124-1, 124-2)의 연장 방향 즉, Y축 방향을 따라 직선 운동하게 된다. 이때, 제2 그리퍼 조와 제2 조 베이스 사이(또는 2개의 가이드 돌기들(124-1, 124-2) 사이)에 배치된 로드 셀(125)이 상기 Y축 방향으로 직선 운동하는 제2 그리퍼 조의 Y축 방향의 힘을 측정한다.
즉, 측정되는 원리에 있어서, 제2 그리퍼 조(134)에 전달되는 반력 토크 성분 중 X 축 방향의 힘 성분은 가이드 돌기들(124-1, 124-2)상을 직선 운동 가능하게 결합된 제2 조 베이스(124)와 제2 그리퍼 조(134) 간의 기구적 결합 구조로 인해 X 축 방향의 힘은 로드 셀(125)에 의해 검출되지 않는다.
반면, 제2 그리퍼 조(134)는 제2 조 베이스(124)의 가이드 돌기들(124-1, 124-2) 상을 자유롭게 움직일 수 있으므로, 제2 그리퍼 조(134)에 전달되는 반력 토크 성분 중 Y축 방향의 힘 성분은 로드 셀(125)에 의해 검출될 수 있다.
검출된 Y축 방향의 힘 성분은 나사 체결력의 성공 여부를 가늠하는 설정 기준 값(또는 설정 토크)과의 비교를 통해 나사 체결력은 물론 나사 체결의 성공 여부를 확인할 수 있게 된다.
여기서, 로드 셀(125)의 초기 접점과 제2 그리퍼 조(134)의 백래쉬(Backlasg)를 위하여 제2 그리퍼 조(134)는 제2 조 베이스(124) 사이에는 스트로크(stroke)가 형성된다. 일례로, 스트로크는 1mm로 제한될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에서 제안하는 그리퍼 조와 조 베이스 간의 기구적 결합 구조에 따라 배치된 로드 셀(125)의 배치 구조를 통해 그리퍼 조(134)에 전달되는 반력 토크로부터 나사의 체결력은 물론 나사 체결 성공 여부를 확인할 수 있게 된다.
뿐만 아니라 도 4 에 도시된 바와 같이, 나사 체결 작업 전에 전동 드라이버와 나사간의 정렬이 되지 않은 경우와 도 5에 도시된 바와 같이 나사 체결작업 후 나사가 잘못된 방향으로 체결된 경우에 나사 머리와 전동 드라이버 비트 사이의 틈으로 인하여 전동드라이버가 헛돌게 된다. 이 경우, 로드 셀에 의해 기준값(또는 설정 토크)보다 적은 토크가 검출되어 나사 체결작업 실패를 판단할 수 있다. 이를 이용하면 조립작업 시 작업자가 체결 확인 작업을 하는 번거로움을 덜 수 있으며 즉각적인 오류 대응으로 산업현장에 활용이 가능하다.
이상, 본 발명은 기구적으로 디커플 된 구조를 전동드라이버 전용 그리퍼에 적용함으로써 볼팅 작업 시 나사의 체결 확인에 용이한 그리퍼를 구현하였다. 또한 본 발명은 체결 확인에 있어 고가의 F/T 센서를 사용하지 않고 일반 저가 로드 셀로도 나사 체결 확인이 가능한 그리퍼를 구현하였다.
결과적으로, 로봇을 활용한 기존의 볼팅 작업 시 나사 체결 확인 및 작업의 성공 유무를 작업자의 육안으로 판단하는 종래와는 달리, 본 발명에서는 나사 체결 작업 시 나사 체결 토크를 측정하여 체결확인은 물론 체결 오류를 확인할 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 일 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한다. 예컨대, 조 베이스에 대한 그리퍼 조의 직선 운동은 도 3에 도시된 구조에 한정되지 않고, LM 가이드, 스라이드 팩, 리니어 부쉬등 다양한 운동 메커니즘을 활용하여 대체될 수 있다.
또한, 본 실시 예에서는, 그리퍼 조에 작용하는 반력 토크를 측정하기 위해, 로드 셀을 예시하고 있으나, 본 발명에서 제안하는 센서의 설치 위치를 적용한다면, 광을 이용한 거리 센서를 통해서도 그리퍼 조에 작용하는 반력 토크를 측정할 수 있음은 당업자에게 자명하게 이해될 수 있다. 따라서, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해해서는 안 될 것이다.

Claims (10)

  1. 구동부로부터 파지력을 전달받는 조 베이스(jaw base);
    상기 조 베이스와 결합되어, 상기 조 베이스를 통해 상기 구동부로부터 전달받은 파지력에 따라 전동 드라이버를 파지하는 그리퍼 조(gripper jaw); 및
    상기 조 베이스(jaw base)와 상기 그리퍼 조(gripper jaw) 사이에 배치되어, 상기 전동 드라이버에 의한 나사 체결 시에 상기 그리퍼 조(gripper jaw)에 전달되는 반력 토크를 센싱하는 센서
    를 포함하는 전동 드라이버 로봇용 작업 툴.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 센서는,
    상기 반력 토크에 따라 상기 파지력에 수직방향으로 형성되는 힘 성분을 측정하는 것인 전동 드라이버 로봇용 작업 툴.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 그리퍼 조(gripper jaw)는,
    상기 파지력에 수직방향으로 형성되는 2개의 가이드 홈과,
    상기 2개의 가이드 홈의 내측벽에 각각 형성된 가이드 레일을 갖는 것인 전동 드라이버 로봇용 작업 툴.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 조 베이스(jaw base)는,
    상기 2개의 가이드 홈에 각각 삽입되는 2개의 가이드 돌기를 가지며,
    상기 그리퍼 조(gripper jaw)는
    상기 파지력에 따라 상기 가이드 돌기 상을 직선 운동하는 것인 전동 드라이버 로봇용 작업 툴.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 센서는,
    상기 2개의 가이드 돌기 사이에 배치되는 것인 전동 드라이버 로봇용 작업 툴.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 그리퍼 조는,
    상기 파지력에 수직한 방향으로 직선 운동하도록 LM(A ballscrew-Linear Motion) 가이드, 슬라이드 팩(slide pack) 및 리니어 부쉬(linear bush) 중 어느 하나의 구조로 상기 조 베이스와 결합되는 것인 전동 드라이버 로봇용 작업 툴.
  7. 구동부로부터 파지력을 전달받는 2개의 조 베이스(jaw base);
    상기 2개의 조 베이스와 각각 결합되어, 상기 구동부로부터 전달받은 파지력에 따라 전동 드라이버를 파지하는 2개의 그리퍼 조(gripper jaw); 및
    상기 전동 드라이버에 의한 나사 체결 시에 상기 그리퍼 조(gripper jaw)에 전달되는 반력 토크를 센싱하기 위해, 상기 2개의 조 베이스들 중 어느 하나의 조 베이스와 상기 어느 하나의 조 베이스와 결합되는 하나의 그리퍼 조 사이에 배치되어, 상기 파지력에 수직한 방향으로 작용하는 힘을 센싱하는 센서
    를 포함하는 전동 드라이버 로봇용 작업 툴.
  8. 제7항에 있어서, 상기 어느 하나의 조 베이스는,
    상기 파지력에 수직한 방향으로 연장되는 2개의 가이드 돌기를 가지며,
    상기 어느 하나의 조 베이스와 결합하는 하나의 그리퍼 조는,
    2개의 가이드 돌기와 결합하는 2개의 가이드 홈을 가지며,
    상기 하나의 그리퍼 조는,
    상기 전달되는 반력 토크에 따라 상기 2개의 가이드 돌기 상을 직선 운동하는 것인 전동 드라이버 로봇용 작업 툴.
  9. 제8항에 있어서, 상기 센서는,
    상기 하나의 그리퍼 조의 직선 운동에 따라 발생하는 힘을 센싱하는 것인 전동 드라이버 로봇용 작업 툴.
  10. 제8항에 있어서, 상기 센서는 상기 2개의 가이드 돌기 사이에 배치되는 것인
    전동 드라이버 로봇용 작업 툴.
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