KR20160124960A - 그리퍼 제어 장치 및 그 방법 - Google Patents

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KR20160124960A
KR20160124960A KR1020150055220A KR20150055220A KR20160124960A KR 20160124960 A KR20160124960 A KR 20160124960A KR 1020150055220 A KR1020150055220 A KR 1020150055220A KR 20150055220 A KR20150055220 A KR 20150055220A KR 20160124960 A KR20160124960 A KR 20160124960A
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Abstract

본 발명은 그리퍼 제어 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 에 따르면, 지면을 기준으로 일정한 각도만큼 기울어져 형성되며 서로 대칭되는 제1 부재 및 제2 부재, 상기 지면을 기준으로 일정한 각도만큼 기울어져 상기 제1 부재 상측에 형성되는 제3 부재, 상기 제3 부재에 대칭되며 상기 제2 부재의 상측에 형성되는 제4 부재, 그리고 상기 제3 부재 및 상기 제4 부재와 결합된 제5 부재를 포함하는 그리퍼를 제어하기 위한 방법은, 상기 그리퍼의 파지에 대한 제어 신호를 입력받는 단계, 상기 그리퍼가 전후 방향으로 회전할 때 생성되는 상기 제1 내지 제4 부재와 상기 그리퍼가 파지한 원통형의 대상 물체 사이의 제1 접촉력을 연산하는 단계, 상기 그리퍼가 좌우 방향으로 회전할 때 생성되는 상기 제1 내지 제4 부재와 상기 그리퍼가 파지한 원통형의 대상 물체 사이의 제2 접촉력을 연산하는 단계, 상기 제1 접촉력과 상기 제2 접촉력을 이용하여, 상기 원통형의 대상 물체에 대한 파지력을 연산하는 단계, 상기 파지력과 기 저장된 상기 그리퍼의 형상 정보를 이용하여, 상기 그리퍼를 상기 제어 신호에 대응하여 동작시키기 위한 구동력을 연산하는 단계, 그리고 상기 파지력 및 상기 구동력을 이용하여, 상기 그리퍼를 입력된 제어 신호에 따라 구동시키는 단계를 포함한다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 그리퍼가 공간상에서 작업 대상물을 파지하고 있을 때의 자세 값을 이용하여 그리퍼에 요구되는 힘을 도출함으로써 해당 작업에서 요구되는 그리퍼의 출력을 정확히 결정할 수 있다. 그 결과 해당 작업 시 불필요한 전력의 소비를 줄여 에너지 효율을 높일 수 있으며, 외부에서 작용하는 힘에 대해 민감한 반응을 일으킬 수 있는 작업에도 유용하게 이용될 수 있다.

Description

그리퍼 제어 장치 및 그 방법{APPARATUS FOR CONTROLLING THE GRIPPER AND METHOD THEROF}
본 발명은 그리퍼 제어 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 그리퍼의 파지력과 구동력을 연산하고 이를 이용하여 그리퍼의 작동을 제어하는 그리퍼 제어 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
최근 산업 현장이나 여러 작업 환경에서, 로봇은 사람을 대신하여 널리 이용되고 있다.
로봇은 구동장치인 액추에이터(actuator), 조작 정보를 주고 받는 통신장치, 작업장치에 해당하는 머니퓰레이터(manipulator), 신호를 처리하는 제어용 컴퓨터, 엔드 이펙터(end effector)등으로 구성되며, 여기서 엔드 이펙터(end effector)는 사람의 손과 같은 역할을 하는 구성으로써 작업 대상물을 잡는 그리퍼(gripper)를 대표적인 예로 들 수 있다. 그리퍼는 산업 현장에서 요구되는 작업을 실질적으로 수행하는 구성에 해당하는바, 산업이 고도화됨에 따라 로봇에 장착되는 그리퍼의 성능에 대한 요구 또한 점점 높아지고 있다.
한편 일반 산업용 그리퍼는 다양한 작업 환경에 적용할 수 있는 범용성과 정밀성을 가지고 있으나, 공간상에서 그리퍼에 요구되는 자세에 따라 그리퍼에 요구되는 파지력이 상이하므로, 지능적인 파지력 제어가 필요한 작업에서는 활용되기 어려운 단점이 있다. 지능적인 파지력 제어를 위해서는 공간상의 모든 자세에 대하여 요구되는 파지력 정보가 요구되기 때문이다.
종래에는 3가지의 대표되는 자세에 대하여 그리퍼에 요구되는 파지력을 도출한 경우도 있으나, 그리퍼가 공간상에서 취할 수 있는 모든 자세에 대한 파지력은 제공되지 못하므로 지능형 파지에 대하여 적용하기 어려운 단점이 있다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 등록특허 제10-1294250호(2013.08.01등록)에 개시되어 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 그리퍼의 파지력과 구동력을 연산하고 이를 이용하여 그리퍼의 작동을 제어하는 그리퍼 제어 장치 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
이러한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 실시예에 따르면, 지면을 기준으로 일정한 각도만큼 기울어져 형성되며 서로 대칭되는 제1 부재 및 제2 부재, 상기 지면을 기준으로 일정한 각도만큼 기울어져 상기 제1 부재 상측에 형성되는 제3 부재, 상기 제3 부재에 대칭되며 상기 제2 부재의 상측에 형성되는 제4 부재, 그리고 상기 제3 부재 및 상기 제4 부재와 결합된 제5 부재를 포함하는 그리퍼를 제어하기 위한 방법은, 상기 그리퍼의 파지에 대한 제어 신호를 입력받는 단계, 상기 그리퍼가 전후 방향으로 회전할 때 생성되는 상기 제1 내지 제4 부재와 상기 그리퍼가 파지한 원통형의 대상 물체 사이의 제1 접촉력을 연산하는 단계, 상기 그리퍼가 좌우 방향으로 회전할 때 생성되는 상기 제1 내지 제4 부재와 상기 그리퍼가 파지한 원통형의 대상 물체 사이의 제2 접촉력을 연산하는 단계, 상기 제1 접촉력과 상기 제2 접촉력을 이용하여, 상기 원통형의 대상 물체에 대한 파지력을 연산하는 단계, 상기 파지력과 기 저장된 상기 그리퍼의 형상 정보를 이용하여, 상기 그리퍼를 상기 제어 신호에 대응하여 동작시키기 위한 구동력을 연산하는 단계, 그리고 상기 파지력 및 상기 구동력을 이용하여, 상기 그리퍼를 입력된 제어 신호에 따라 구동시키는 단계를 포함한다.
상기 제1 접촉력을 연산하는 단계는, 아래의 수학식에 통해, 상기 그리퍼가 전후 방향으로 회전할 때 발생하는 상기 제1 접촉력(FCic, FCjc)을 연산할 수 있다.
Figure pat00001
여기서, i, j는 상기 부재의 인덱스 번호이고, m은 상기 원통형의 대상 물체의 질량, gc는 상기 원통형의 대상 물체의 중심축에 대한 중력 가속도, μ는 상기 제1 내지 제4 부재와 상기 원통형의 대상 물체 사이의 마찰계수, θjawi는 상기 제1 부재 또는 상기 제2 부재에서의 상기 제1 접촉력(FCic) 벡터와 상기 그리퍼의 대칭선이 이루는 각을 의미하고, θjawj는 상기 제3 부재 또는 상기 제4 부재에서의 상기 제1 접촉력(FCjc) 벡터와 상기 그리퍼의 대칭선이 이루는 각을 의미한다.
상기 제2 접촉력을 연산하는 단계는, 아래의 수학식을 통해, 상기 그리퍼가 좌우 방향으로 회전할 때 발생하는 상기 제2 접촉력(FCir, FCjr)을 연산할 수 있다.
Figure pat00002
여기서, m은 상기 원통형의 대상 물체의 질량이고, gr은 상기 그리퍼가 전후로 기울어진 방향에 대한 중력 가속도, θci는 상기 그리퍼가 전후로 기울어진 방향에 대한 중력 벡터와 상기 제2 접촉력(FCir) 벡터가 이루는 각을 의미하고, θcj는 상기 그리퍼가 전후로 기울어진 방향에 대한 중력 벡터와 상기 제2 접촉력(FCjr) 벡터가 이루는 각을 의미한다.
상기 제2 접촉력을 연산하는 단계는, 상기 그리퍼가 전후로 기울어진 방향에 대한 중력 벡터와 상기 그리퍼의 대칭선이 이루는 각(β)이 0°보다 크고 상기 θjaw2보다 작거나 같은 경우(0°<β≤θjaw2), 아래의 수학식을 통해, 상기 제2 접촉력(FC1r, FC2r)을 연산할 수 있다.
Figure pat00003
상기 제2 접촉력을 연산하는 단계는, 상기 그리퍼가 전후로 기울어진 방향에 대한 중력 벡터와 상기 그리퍼의 대칭선이 이루는 각(β)이 상기 θjaw2보다 크고 180°에서 상기 θjaw4를 뺀 값보다 작거나 같은 경우(θjaw2<β≤180°-θjaw4), 아래의 수학식을 통해, 상기 제2 접촉력(FC2r, FC4r)을 연산할 수 있다.
Figure pat00004
상기 제2 접촉력을 연산하는 단계는, 상기 그리퍼가 전후로 기울어진 방향에 대한 중력 벡터와 상기 그리퍼의 대칭선이 이루는 각(β)이 180°에서 상기 θjaw4를 뺀 값보다 크고 180°보다 작거나 같은 경우 (180°-θjaw4<β≤180°), 아래의 수학식을 통해, 상기 제2 접촉력(FC4r, FC3r)을 연산할 수 있다.
Figure pat00005
상기 파지력을 연산하는 단계는, 아래의 수학식을 통해, 상기 그리퍼의 상기 원통형의 대상 물체에 대한 파지력(FGi)을 연산할 수 있다.
Figure pat00006
여기서, i는 상기 제1 또는 제2 부재의 인덱스 번호이고, θci는 상기 그리퍼가 전후로 기울어진 방향에 대한 중력 벡터와 상기 제2 접촉력(FCjr) 벡터가 이루는 각을 의미한다.
상기 구동력을 연산하는 단계는, 아래의 수학식을 통해, 상기 원통형의 대상 물체를 동작시키기 위한 상기 그리퍼의 구동력(FAct)을 연산할 수 있다.
Figure pat00007
여기서, a는 상기 원통형의 대상 물체와 상기 제1 부재의 접촉점으로부터 상기 제5 부재까지의 수직 거리이고, b는 상기 원통형의 대상 물체와 상기 제1 부재의 접촉점으로부터 상기 그리퍼의 대칭선까지의 수직 거리를 의미한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 지면을 기준으로 일정한 각도만큼 기울어져 형성되며 서로 대칭되는 제1 부재 및 제2 부재, 상기 지면을 기준으로 일정한 각도만큼 기울어져 상기 제1 부재 상측에 형성되는 제3 부재, 상기 제3 부재에 대칭되며 상기 제2 부재의 상측에 형성되는 제4 부재, 그리고 상기 제3 부재 및 상기 제4 부재와 결합된 제5 부재를 포함하는 그리퍼의 제어 장치는, 상기 그리퍼의 파지에 대한 제어 신호를 입력받는 입력부, 상기 그리퍼가 전후 방향으로 회전할 때 생성되는 상기 제1 내지 제4 부재와 상기 그리퍼가 파지한 원통형의 대상 물체 사이의 제1 접촉력을 연산하고, 상기 그리퍼가 좌우 방향으로 회전할 때 생성되는 상기 제1 내지 제4 부재와 상기 그리퍼가 파지한 원통형의 대상 물체 사이의 제2 접촉력을 연산하는 접촉력 연산부, 상기 제1 접촉력과 상기 제2 접촉력을 이용하여, 상기 원통형의 대상 물체에 대한 파지력을 연산하는 파지력 연산부, 상기 파지력과 기 저장된 상기 그리퍼의 형상 정보를 이용하여, 상기 그리퍼를 상기 제어 신호에 대응하여 동작시키기 위한 구동력을 연산하는 구동력 연산부, 그리고 상기 파지력 및 상기 구동력을 이용하여, 상기 그리퍼를 입력된 제어 신호에 따라 구동시키는 구동부를 포함한다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 그리퍼가 공간상에서 작업 대상물을 파지하고 있을 때의 자세 값을 이용하여 그리퍼에 요구되는 힘을 도출함으로써 해당 작업에서 요구되는 그리퍼의 출력을 정확히 결정할 수 있다. 그 결과 해당 작업 시 불필요한 전력의 소비를 줄여 에너지 효율을 높일 수 있으며, 외부에서 작용하는 힘에 대해 민감한 반응을 일으킬 수 있는 작업에도 유용하게 이용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 원통형의 대상 물체를 파지하고 있는 그리퍼의 단면을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 그리퍼 제어 장치의 구성을 나타낸 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 그리퍼 제어장치를 이용한 그리퍼 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 원통형의 대상 물체에 발생하는 중력을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제1 접촉력을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 β가 0°<β≤θjaw2 인 경우 제2 접촉력을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 β가 θjaw2<β≤180°-θjaw4인 경우 제2 접촉력을 설명하기 위한 도면이다.
도8은 본 발명의 실시예에 따른 β가 180°-θjaw4<β≤180°인 경우 제2 접촉력을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 파지력을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 그리퍼의 형상 정보를 설명하기 위한 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
먼저, 도 1을 통해 그리퍼(Gripper, 100)의 구성에 대해 살펴본다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 원통형의 대상 물체를 파지하고 있는 그리퍼의 단면을 나타낸 도면이다.
그리퍼(100)의 구성을 구체적으로 살펴보면, 그리퍼(100)는 제1 내지 제5 부재를 포함하며, 대칭선을 기준으로 제1 부재(110)는 제2 부재(120)와 좌우 대칭되고 제3 부재(130)는 제4 부재(140)와 좌우 대칭된다. 그리고 제1 부재(110)의 상단은 제3 부재(130)의 하단과 결합되고 제2 부재(120)의 상단은 제4 부재(140)의 하단과 결합된다. 또한 제1 부재(110)와 제3 부재(130) 그리고 제2 부재(120)와 제4 부재(140)의 결합은 관절 구조로 되어 있으며, 제1 부재(110)와 제2 부재(120)는 원통형의 대상 물체를 파지할 수 있도록 움직일 수 있다. 그리고 제3 부재(130)와 제4 부재(140)는 원통형의 대상 물체를 파지할 수 있도록 대칭선을 기준으로 일정한 각도만큼 기울어져 형성되어 있으며, 제5 부재(150)는 제3 부재(130) 및 제4 부재(140)의 상측에 결합되며 제3 부재(130) 및 제4 부재(140)에 대해 수직하게 형성되어 있다.
이하에서는 도 2를 통해 그리퍼 제어 장치(200)의 구성에 대해 살펴본다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 그리퍼 제어 장치의 구성을 나타낸 구성도이다.
도 2에서 나타난 바와 같이, 그리퍼 제어 장치(200)는 입력부(210), 접촉력 연산부(220), 파지력 연산부(230), 구동력 연산부(240) 및 구동부(250)를 포함한다.
구체적으로 살펴보면, 입력부(210)는 그리퍼(100)의 파지에 대한 제어 신호를 입력 받는다. 이때 제어 신호는 그리퍼(100)가 3차원 공간에서 원통형의 대상 물체를 파지하는 자세에 대한 정보를 포함한다.
다음으로, 접촉력 연산부(220) 그리퍼(100)가 파지한 원통형의 대상 물체와 그리퍼(100) 사이에 발생하는 제1 접촉력 및 제2 접촉력을 연산한다.
여기서 제1 접촉력은 원통형의 대상 물체의 중심축에 대한 중력에 의해 발생하는 힘으로써, 그리퍼(100)가 전후 방향으로 회전할 때 제1 내지 제4 부재(110, 120, 130, 140)와 그리퍼(100)가 파지한 원통형의 대상 물체 사이에 발생한다.
그리고 제2 접촉력은 그리퍼(100)가 전후로 기울어진 방향에 대한 중력에 의해 발생하는 힘으로써, 그리퍼(100)가 좌우 방향으로 회전할 때 제1 내지 제4 부재(110, 120, 130, 140)와 그리퍼(100)가 파지한 원통형의 대상 물체 사이에 발생한다.
다음으로, 파지력 연산부(230)는 제1 접촉력과 제2 접촉력을 이용하여 그리퍼(100)의 파지력을 연산한다. 파지력은 그리퍼(100)가 원통형의 대상 물체를 떨어뜨리지 않고 잡을 수 있도록 하기 위하여, 제1 부재(110) 및 제2 부재(120)를 통해 대상 물체에 가해지는 힘을 의미한다.
다음으로 구동력 연산부(240) 그리퍼(100)가 제어 신호에 따라 동작하기 위한 구동력을 연산한다. 이때 구동력 연산부(240)는 구동력을 연산하기 위해 파지력 및 그리퍼(100)의 형상 정보를 이용하며, 그리퍼(100)의 형상 정보는 구동력 연산부(240)에 기 저장되어 있다.
다음으로 구동부(250)는 그리퍼(100)를 입력된 제어 신호에 따라 구동시킨다. 이때 구동부(250)는 연산된 파지력과 구동력을 이용하여 그리퍼(100)의 출력을 제어한다.
이하에서는, 도 3 내지 도 10을 통해 그리퍼 제어 장치(200)를 이용한 그리퍼 제어 방법에 대해 살펴본다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 그리퍼 제어장치를 이용한 그리퍼 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
먼저, 입력부(210)는 그리퍼(100)의 파지에 대한 제어 신호를 입력받는다(S310). 이때 제어 신호는 3차원 공간에서 그리퍼(100)가 대상 물체를 파지하는 자세에 대한 정보를 포함하며, 입력부(210)는 입력받은 제어 신호를 접촉력 연산부(220)로 전달한다.
다음으로, 접촉력 연산부(220)는 그리퍼(100)가 전후 방향으로 회전할 때 그리퍼(100)의 제1 내지 제4 부재(110, 120, 130, 140)와 그리퍼(100)가 파지한 원통형의 대상 물체 사이에 발생하는 제1 접촉력을 연산한다(S320).
구체적으로 살펴보면, 접촉력 연산부(220)는 아래의 수학식 1을 통해 제1 접촉력을 연산한다.
Figure pat00008
여기서, i, j는 상기 부재의 인덱스 번호이고, m은 상기 원통형의 대상 물체의 질량, gc는 상기 원통형의 대상 물체의 중심축에 대한 중력 가속도, μ는 상기 제1 내지 제4 부재(110, 120, 130, 140)와 상기 원통형의 대상 물체 사이의 마찰계수, θjawi는 상기 제1 부재(110) 또는 상기 제2 부재(120)에서의 상기 제1 접촉력(FCic) 벡터와 상기 그리퍼(100)의 대칭선이 이루는 각을 의미하고, θjawj는 상기 제3 부재(130) 또는 상기 제4 부재(140)에서의 상기 제1 접촉력(FCjc) 벡터와 상기 그리퍼(100)의 대칭선이 이루는 각을 의미한다.
수학식 1에서 보이는 바와 같이, 제1 접촉력은 그리퍼(100)가 파지한 원통형의 대상 물체의 중심축에 대한 중력(mgc), 그리퍼(100)의 대칭선과 제1 접촉력 벡터가 이루는 각(θjawi , θjawj) 및 제1 내지 제4 부재(110, 120, 130, 140)와 원통형의 대상 물체 사이의 마찰 계수(μ)에 의해 달라진다. 또한 그리퍼(100)는 대칭선을 기준으로 좌우가 대칭되므로, 제1 부재(110) 및 제2 부재(120)와 원통형의 대상 물체가 가지는 제1 접촉력은 서로 동일하며(FC1c=FC2c), 제3 부재(130) 및 제4 부재(140)와 원통형의 대상 물체가 가지는 제1 접촉력도 서로 동일하다(FC1c=FC2c).
이하에서는 수학식 1에서 나타난 각 변수(mgc, θjawi , θjawj, μ)에 대해 구체적으로 살펴본다.
먼저, 도 4를 통해 그리퍼(100)가 전후 방향으로 기울어진 경우 그리퍼(100)가 파지한 원통형의 대상 물체의 중심축에 대한 중력(mgc)에 대하여 살펴본다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 원통형의 대상 물체에 발생하는 중력을 나타낸 도면이다.
도 4에서 보는 바와 같이, 원통형의 대상 물체를 파지한 그리퍼(100)를 측면에서 바라볼때, 대상 물체에 발생하는 중력은 물체의 중심으로부터 지면 방향에 대한 중력(mg), 그리퍼(100)가 기울어진 방향에 대한 중력(mgr), 원통형의 대상 물체의 중심축 방향에 대한 중력(mgc)을 포함한다. 이때 각 방향에 대한 중력 간의 관계를 수학식으로 나타내면 mgr = mgcosα 및 mgc = mgsinα가 된다. 여기서 α는 파지한 원통형의 물체에 발생하는 지면 방향에 대한 중력(mg) 벡터와 그리퍼(100)가 전후로 기울어진 방향이 이루는 각을 의미한다.
다음으로, 도 5를 통해 그리퍼(100)의 대칭선과 제1 접촉력 벡터가 이루는 각(θjawi , θjawj)에 대해 살펴본다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 제1 접촉력을 설명하기 위한 도면이다.
도 5에서 보는 바와 같이, 제1 접촉력은 제1 내지 제4 부재(110, 120, 130, 140)와 그리퍼(100)가 파지한 원통형의 대상 물체의 접촉점에 발생한다. 이때, 제1 부재(110)에서 발생하는 접촉력 벡터와 그리퍼(100)의 대칭선이 이루는 각의 크기는 θjaw1이 되고, 제3 부재(130)에서 발생하는 접촉력 벡터와 그리퍼(100)의 대칭선이 이루는 각의 크기는 θjaw3가 된다. 또한 그리퍼(100)는 대칭선을 기준으로 좌우가 대칭되는 구조를 가지므로, 제1 부재(110)에서 발생하는 접촉력 벡터와 그리퍼(100)의 대칭선이 이루는 각은 제2 부재(120)에서 발생하는 접촉력 벡터와 그리퍼(100)의 대칭선이 이루는 각과 같고(θjaw1 = θjaw2), 제3 부재(130)에서 발생하는 접촉력 벡터와 그리퍼(100)의 대칭선이 이루는 각은 제4 부재(140)에서 발생하는 접촉력 벡터와 그리퍼(100)의 대칭선이 이루는 각과 같다(θjaw3 = θjaw4).
다음으로, 마찰 계수(μ)는 제1 내지 제4 부재(110, 120, 130, 140)와 원통형의 대상 물체 사이에 의해 결정되며, 접촉력 연산부(220)에 기 저장된다.
또한, 접촉력 연산부(220)는 그리퍼(100)가 좌우 방향으로 회전할 때 그리퍼(100)의 제1 내지 제4 부재(110, 120, 130, 140)와 그리퍼(100)가 파지한 대상 물체 사이에 발생하는 제2 접촉력을 연산한다(S330).
구체적으로 살펴보면, 접촉력 연산부(220)는 아래의 수학식에 의해 제2 접촉력을 연산한다.
Figure pat00009
여기서, m은 상기 원통형의 대상 물체의 질량이고, gr은 상기 그리퍼(100)가 전후로 기울어진 방향에 대한 중력 가속도, θci는 상기 그리퍼(100)가 전후로 기울어진 방향에 대한 중력 벡터와 상기 제2 접촉력(FCir) 벡터가 이루는 각을 의미하고, θcj는 상기 그리퍼(100)가 전후로 기울어진 방향에 대한 중력 벡터와 상기 제2 접촉력(FCjr) 벡터가 이루는 각을 의미한다.
수학식 2에서 보는 바와 같이, 제2 접촉력은 그리퍼(100)가 전후로 기울어진 방향에 대한 중력(mgr), 그리퍼(100)가 전후로 기울어진 방향에 대한 중력 벡터와 제2 접촉력 벡터가 이루는 각(θci, θcj)에 따라 달라진다.
이하에서는 수학식 2에서 나타난 각 변수(mgr, θci, θcj)에 대해 구체적으로 살펴본다.
먼저, 그리퍼(100)가 전후로 기울어진 방향에 대한 중력(mgr)은 위에서 도 4를 통해 살펴본 것처럼 mgr=mgcosα와 같이 나타난다.
다음으로, 도 6 내지 도 8을 통해 그리퍼(100)가 전후로 기울어진 방향에 대한 중력 벡터와 상기 제2 접촉력 벡터가 이루는 각(θci, θcj)에 대하여 살펴본다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 β가 0°<β≤θjaw2 인 경우 제2 접촉력을 설명하기 위한 도면이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 β가 θjaw2<β≤180°-θjaw4인 경우 제2 접촉력을 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 β가 180°-θjaw4<β≤180°인 경우 제2 접촉력을 설명하기 위한 도면이다.
각(θci, θcj)을 설명하기에 앞서 도 6 내지 도 8를 통해 β에 대하여 살펴보면, β는 그리퍼(100)가 전후로 기울어진 방향에 대한 중력 벡터와 그리퍼(100)의 대칭선이 이루는 각을 의미한다. 즉 β는 그리퍼(100)가 좌우 방향으로 얼마나 회전하였는지에 따라 크기가 달라진다.
먼저, β가 0°<β≤θjaw2 인 경우 제2 접촉력은, 제1 부재(110)와 제2 부재(120)에만 발생하며, 제3 부재(130) 및 제4 부재(140)에는 그리퍼(100)가 전후로 기울어진 방향에 대한 중력의 영향이 미치지 않으므로 발생하지 않는다. 여기서 θjaw2는 제2 부재(120)에서 발생하는 제2 접촉력 벡터와 그리퍼(100)의 대칭선 이루는 각을 의미하며, θc2=θjaw2-β의 관계를 가진다.
β가 0°<β≤θjaw2 인 경우 제2 접촉력을 수학식으로 나타내면 아래와 같다.
Figure pat00010
다음으로, β가 θjaw2<β≤180°-θjaw4인 경우 제2 접촉력은, 제2 부재(120)와 제4 부재(140)에만 발생하며, 제1 부재(110) 및 제3 부재(130)에는 그리퍼(100)가 전후로 기울어진 방향에 대한 중력의 영향이 미치지 않으므로 발생하지 않는다. 여기서 θjaw4는 제4 부재(140)에서 발생하는 제2 접촉력 벡터와 그리퍼(100)의 대칭선 이루는 각을 의미하며, θc4=180°-(θjaw4+β)의 관계를 가진다.
β가 θjaw2<β≤180°-θjaw4인 경우 제2 접촉력을 수학식으로 나타내면 아래와 같다.
Figure pat00011
다음으로, β가 180°-θjaw4<β≤180°인 경우 제2 접촉력은, 제4 부재(140)와 제3 부재(130)에만 발생하며, 제1 부재(110) 및 제2 부재(120)에는 그리퍼(100)가 전후로 기울어진 방향에 대한 중력이 미치지 않으므로 발생하지 않는다.
β가 θjaw2<β≤180°-θjaw4인 경우 제2 접촉력을 수학식으로 나타내면 아래와 같다.
Figure pat00012
여기서 θc3=180°+(θjaw3-β)의 관계를 가지며, θjaw3는 제3 부재(130)에서 발생하는 제2 접촉력 벡터와 그리퍼(100)의 대칭선 이루는 각을 의미한다.
위에서 살펴본 제2 접촉력을 β 의 범위에 따라 표로 정리하면 다음과 같다.
Condition 0<β≤θjaw2 θjaw2<β≤180°-θjaw4 180°-θjaw4<β≤180°
FC1r 수학식3 0 0
FC2r 수학식3 수학식4 0
FC3r 0 0 수학식5
FC4r 0 수학식4 수학식5
다음으로, 파지력 연산부(230)는 제1 접촉력과 제2 접촉력을 이용하여 대상 물체에 대한 그리퍼(100)의 파지력을 연산한다(S340).
이하에서는 도 9 및 수학식 6을 통해 그리퍼(100)의 파지력 연산 과정에 대해 구체적으로 살펴본다. 파지력 연산부(230)는 아래의 수학식 6을 통해 그리퍼(100)의 파지력을 연산한다.
Figure pat00013
여기서, i는 상기 제1 또는 제2 부재(120)의 인덱스 번호이고, θci는 그리퍼(100)가 전후로 기울어진 방향에 대한 중력 벡터와 제2 접촉력(FCjr) 벡터가 이루는 각을 의미한다.
그리퍼(100)는 제1 부재(110)와 제2 부재(120)를 움직여 원통형의 대상 물체를 파지하므로, 수학식 6에서 보는 것처럼, 파지력은 제1 부재(110)와 제2 부재(120)에만 발생하며 제3 부재(130) 및 제4 부재(140)에는 파지력이 발생하지 않는다. 또한 파지력은 대상 물체를 파지하기 위한 힘이므로, 그리퍼(100)의 대칭선에 수직인 방향으로 제1 부재(110) 및 제2 부재(120)와 원통형의 대상 물체의 접촉점을 향해 발생한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 파지력을 설명하기 위한 도면이다.
여기서 FCi는 제 1 접촉력(FCic)과 제2 접촉력(FCir)의 합산 값을 의미한다 (FCi=FCic+FCir). 파지력(FGi)은 FCi * cos(90°-θCi)의 값을 가지며, 이를 다시 정리하면 FCi * sin(θCi)가 되고, FCi는 FCic + FCir이므로, 결과적으로 수학식 6의 결과가 도출된다.
다음으로, 구동력 연산부(240)는 그리퍼(100)의 형상 정보와 파지력을 이용하여 그리퍼(100)를 제어 신호에 대응하여 동작시키기 위한 구동력을 연산한다(S350).
이하에서는 수학식 7 및 도 10을 통해 그리퍼(100)의 구동력 연산 과정에 대하여 살펴본다. 구동력 연산부(240)는 아래의 수학식 7을 통해 그리퍼(100)의 구동력을 연산한다.
Figure pat00014
수학식 7에서 나타난 것처럼, 구동력 연산부(240)는 제1 부재(110) 및 제2 부재(120)에 발생하는 파지력과 그리퍼(100)의 형상 정보를 이용하여 그리퍼(100)의 구동력을 연산한다. 이때 그리퍼(100)의 형상 정보는 구동력 연산부(240)에 기 저장된다.
다음으로 도 10을 통해 그리퍼(100)의 형상 정보에 대해 살펴본다. 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 그리퍼의 형상 정보를 설명하기 위한 도면이다.
도 10에서 보이는 것처럼, 그리퍼(100)의 형상 정보는 변수 a와 b를 통해 나타나며, a는 상기 원통형의 대상 물체와 상기 제1 부재(110)의 접촉점으로부터 상기 제5 부재(150)까지의 수직 거리이고, b는 상기 원통형의 대상 물체와 상기 제1 부재(110)의 접촉점으로부터 상기 그리퍼(100)의 대칭선까지의 수직 거리를 의미한다. 이때 그리퍼(100)는 대칭선을 기준으로 좌우가 대칭되므로, a는 상기 원통형의 대상 물체와 상기 제2 부재(120)의 접촉점으로부터 상기 제5 부재(150)까지의 수직 거리가 될 수 있고, b는 상기 원통형의 대상 물체와 상기 제2 부재(120)의 접촉점으로부터 상기 그리퍼(100)의 대칭선까지의 수직 거리가 될 수 있다.
파지력과 구동력을 전달받은 후, 구동부(250)는 연산된 파지력과 구동력을 이용하여 입력된 제어 신호에 따라 그리퍼(100)를 구동시킨다(S360).
구동부(250)는 연산된 파지력과 구동력을 이용하여 그리퍼(100)를 구동시키는데 필요한 출력을 제어하며, 입력된 제어 신호에 따라 그리퍼(100)를 구동시킨다.
또한 구동부(250)는 파지력 및 구동력을 단계적으로 증가시키면서 연산된 파지력과 구동력에 도달하였는지를 체크하는 피드백 과정을 통하여 그리퍼(100)를 구동시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 그리퍼가 공간상에서 작업 대상물을 파지하고 있을 때의 자세 값을 이용하여 그리퍼에 요구되는 힘을 도출함으로써 해당 작업에서 요구되는 그리퍼의 출력을 정확히 결정할 수 있다. 그 결과 해당 작업 시 불필요한 전력의 소비를 줄여 에너지 효율을 높일 수 있으며, 외부에서 작용하는 힘에 대해 민감한 반응을 일으킬 수 있는 작업에도 유용하게 이용될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100 : 그리퍼 110 : 제1 부재
120 : 제2 부재 130 : 제3 부재
140 : 제4 부재 150 : 제5 부재
200 : 그리퍼 제어 장치 210 : 입력부
220 : 접촉력 연산부 230 : 파지력 연산부
240 : 구동력 연산부 250 : 구동부

Claims (16)

  1. 지면을 기준으로 일정한 각도만큼 기울어져 형성되며 서로 대칭되는 제1 부재 및 제2 부재, 상기 지면을 기준으로 일정한 각도만큼 기울어져 상기 제1 부재 상측에 형성되는 제3 부재, 상기 제3 부재에 대칭되며 상기 제2 부재의 상측에 형성되는 제4 부재, 그리고 상기 제3 부재 및 상기 제4 부재와 결합된 제5 부재를 포함하는 그리퍼를 제어하기 위한 방법에 있어서,
    상기 그리퍼의 파지에 대한 제어 신호를 입력받는 단계,
    상기 그리퍼가 전후 방향으로 회전할 때 생성되는 상기 제1 내지 제4 부재와 상기 그리퍼가 파지한 원통형의 대상 물체 사이의 제1 접촉력을 연산하는 단계,
    상기 그리퍼가 좌우 방향으로 회전할 때 생성되는 상기 제1 내지 제4 부재와 상기 그리퍼가 파지한 원통형의 대상 물체 사이의 제2 접촉력을 연산하는 단계,
    상기 제1 접촉력과 상기 제2 접촉력을 이용하여, 상기 원통형의 대상 물체에 대한 파지력을 연산하는 단계,
    상기 파지력과 기 저장된 상기 그리퍼의 형상 정보를 이용하여, 상기 그리퍼를 상기 제어 신호에 대응하여 동작시키기 위한 구동력을 연산하는 단계, 그리고
    상기 파지력 및 상기 구동력을 이용하여, 상기 그리퍼를 입력된 제어 신호에 따라 구동시키는 단계를 포함하는 그리퍼 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 접촉력을 연산하는 단계는,
    아래의 수학식에 통해, 상기 그리퍼가 전후 방향으로 회전할 때 발생하는 상기 제1 접촉력(FCic, FCjc)을 연산하는 그리퍼 제어 방법:
    Figure pat00015

    여기서, i, j는 상기 부재의 인덱스 번호이고, m은 상기 원통형의 대상 물체의 질량, gc는 상기 원통형의 대상 물체의 중심축에 대한 중력 가속도, μ는 상기 제1 내지 제4 부재와 상기 원통형의 대상 물체 사이의 마찰계수, θjawi는 상기 제1 부재 또는 상기 제2 부재에서의 상기 제1 접촉력(FCic) 벡터와 상기 그리퍼의 대칭선이 이루는 각을 의미하고, θjawj는 상기 제3 부재 또는 상기 제4 부재에서의 상기 제1 접촉력(FCjc) 벡터와 상기 그리퍼의 대칭선이 이루는 각을 의미한다.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 접촉력을 연산하는 단계는,
    아래의 수학식을 통해, 상기 그리퍼가 좌우 방향으로 회전할 때 발생하는 상기 제2 접촉력(FCir, FCjr)을 연산하는 그리퍼 제어 방법:
    Figure pat00016

    여기서, m은 상기 원통형의 대상 물체의 질량이고, gr은 상기 그리퍼가 전후로 기울어진 방향에 대한 중력 가속도, θci는 상기 그리퍼가 전후로 기울어진 방향에 대한 중력 벡터와 상기 제2 접촉력(FCir) 벡터가 이루는 각을 의미하고, θcj는 상기 그리퍼가 전후로 기울어진 방향에 대한 중력 벡터와 상기 제2 접촉력(FCjr) 벡터가 이루는 각을 의미한다.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 접촉력을 연산하는 단계는,
    상기 그리퍼가 전후로 기울어진 방향에 대한 중력 벡터와 상기 그리퍼의 대칭선이 이루는 각(β)이 0°보다 크고 상기 θjaw2보다 작거나 같은 경우(0°<β≤θjaw2), 아래의 수학식을 통해, 상기 제2 접촉력(FC1r, FC2r)을 연산하는 그리퍼 제어 방법:
    Figure pat00017
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제2 접촉력을 연산하는 단계는,
    상기 그리퍼가 전후로 기울어진 방향에 대한 중력 벡터와 상기 그리퍼의 대칭선이 이루는 각(β)이 상기 θjaw2보다 크고 180°에서 상기 θjaw4를 뺀 값보다 작거나 같은 경우(θjaw2<β≤180°-θjaw4), 아래의 수학식을 통해, 상기 제2 접촉력(FC2r, FC4r)을 연산하는 그리퍼 제어 방법:
    Figure pat00018
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제2 접촉력을 연산하는 단계는,
    상기 그리퍼가 전후로 기울어진 방향에 대한 중력 벡터와 상기 그리퍼의 대칭선이 이루는 각(β)이 180°에서 상기 θjaw4를 뺀 값보다 크고 180°보다 작거나 같은 경우 (180°-θjaw4<β≤180°), 아래의 수학식을 통해, 상기 제2 접촉력(FC4r, FC3r)을 연산하는 그리퍼 제어 방법:
    Figure pat00019
  7. 제3항에 있어서,
    상기 파지력을 연산하는 단계는,
    아래의 수학식을 통해, 상기 그리퍼의 상기 원통형의 대상 물체에 대한 파지력(FGi)을 연산하는 그리퍼 제어 방법:
    Figure pat00020

    여기서, i는 상기 제1 또는 제2 부재의 인덱스 번호이고, θci는 상기 그리퍼가 전후로 기울어진 방향에 대한 중력 벡터와 상기 제2 접촉력(FCjr) 벡터가 이루는 각을 의미한다.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 구동력을 연산하는 단계는,
    아래의 수학식을 통해, 상기 원통형의 대상 물체를 동작시키기 위한 상기 그리퍼의 구동력(FAct)을 연산하는 그리퍼 제어 방법:
    Figure pat00021

    여기서, a는 상기 원통형의 대상 물체와 상기 제1 부재의 접촉점으로부터 상기 제5 부재까지의 수직 거리이고, b는 상기 원통형의 대상 물체와 상기 제1 부재의 접촉점으로부터 상기 그리퍼의 대칭선까지의 수직 거리를 의미한다.
  9. 지면을 기준으로 일정한 각도만큼 기울어져 형성되며 서로 대칭되는 제1 부재 및 제2 부재, 상기 지면을 기준으로 일정한 각도만큼 기울어져 상기 제1 부재 상측에 형성되는 제3 부재, 상기 제3 부재에 대칭되며 상기 제2 부재의 상측에 형성되는 제4 부재, 그리고 상기 제3 부재 및 상기 제4 부재와 결합된 제5 부재를 포함하는 그리퍼의 제어 장치에 있어서,
    상기 그리퍼의 파지에 대한 제어 신호를 입력받는 입력부,
    상기 그리퍼가 전후 방향으로 회전할 때 생성되는 상기 제1 내지 제4 부재와 상기 그리퍼가 파지한 원통형의 대상 물체 사이의 제1 접촉력을 연산하고, 상기 그리퍼가 좌우 방향으로 회전할 때 생성되는 상기 제1 내지 제4 부재와 상기 그리퍼가 파지한 원통형의 대상 물체 사이의 제2 접촉력을 연산하는 접촉력 연산부,
    상기 제1 접촉력과 상기 제2 접촉력을 이용하여, 상기 원통형의 대상 물체에 대한 파지력을 연산하는 파지력 연산부,
    상기 파지력과 기 저장된 상기 그리퍼의 형상 정보를 이용하여, 상기 그리퍼를 상기 제어 신호에 대응하여 동작시키기 위한 구동력을 연산하는 구동력 연산부, 그리고
    상기 파지력 및 상기 구동력을 이용하여, 상기 그리퍼를 입력된 제어 신호에 따라 구동시키는 구동부를 포함하는 그리퍼 제어 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 접촉력 연산부는,
    아래의 수학식에 통해, 상기 그리퍼가 전후 방향으로 회전할 때 발생하는 상기 제1 접촉력(FCic, FCjc)을 연산하는 그리퍼 제어 장치:
    Figure pat00022

    여기서, i, j는 상기 부재의 인덱스 번호이고, m은 상기 원통형의 대상 물체의 질량, gc는 상기 원통형의 대상 물체의 중심축에 대한 중력 가속도, μ는 상기 제1 내지 제4 부재와 상기 원통형의 대상 물체 사이의 마찰계수, θjawi는 상기 제1 부재 또는 상기 제2 부재에서의 상기 제1 접촉력(FCic) 벡터와 상기 그리퍼의 대칭선이 이루는 각을 의미하고, θjawj는 상기 제3 부재 또는 상기 제4 부재에서의 상기 제1 접촉력(FCjc) 벡터와 상기 그리퍼의 대칭선이 이루는 각을 의미한다.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 접촉력 연산부는,
    아래의 수학식을 통해, 상기 그리퍼가 좌우 방향으로 회전할 때 발생하는 상기 제2 접촉력(FCir, FCjr)을 연산하는 그리퍼 제어 장치:
    Figure pat00023

    여기서, m은 상기 원통형의 대상 물체의 질량이고, gr은 상기 그리퍼가 전후로 기울어진 방향에 대한 중력 가속도, θci는 상기 그리퍼가 전후로 기울어진 방향에 대한 중력 벡터와 상기 제2 접촉력(FCir) 벡터가 이루는 각을 의미하고, θcj는 상기 그리퍼가 전후로 기울어진 방향에 대한 중력 벡터와 상기 제2 접촉력(FCjr) 벡터가 이루는 각을 의미한다.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 접촉력 연산부는,
    상기 그리퍼가 전후로 기울어진 방향에 대한 중력 벡터와 상기 그리퍼의 대칭선이 이루는 각(β)이 0°보다 크고 상기 θjaw2보다 작거나 같은 경우(0°<β≤θjaw2), 아래의 수학식을 통해, 상기 제2 접촉력(FC1r, FC2r)을 연산하는 그리퍼 제어 장치:
    Figure pat00024
  13. 제11항에 있어서,
    상기 접촉력 연산부는,
    상기 그리퍼가 전후로 기울어진 방향에 대한 중력 벡터와 상기 그리퍼의 대칭선이 이루는 각(β)이 상기 θjaw2보다 크고 180°에서 상기 θjaw4를 뺀 값보다 작거나 같은 경우(θjaw2<β≤180°-θjaw4), 아래의 수학식을 통해, 상기 제2 접촉력(FC2r, FC4r)을 연산하는 그리퍼 제어 장치:
    Figure pat00025
  14. 제11항에 있어서,
    상기 접촉력 연산부는,
    상기 그리퍼가 전후로 기울어진 방향에 대한 중력 벡터와 상기 그리퍼의 대칭선이 이루는 각(β)이 180°에서 상기 θjaw4를 뺀 값보다 크고 180°보다 작거나 같은 경우 (180°-θjaw4<β≤180°), 아래의 수학식을 통해, 상기 제2 접촉력(FC4r, FC3r)을 연산하는 그리퍼 제어 장치:
    Figure pat00026
  15. 제11항에 있어서,
    상기 파지력 연산부는,
    아래의 수학식을 통해, 상기 그리퍼의 상기 원통형의 대상 물체에 대한 파지력(FGi)을 연산하는 그리퍼 제어 장치:
    Figure pat00027

    여기서, i는 상기 제1 또는 제2 부재의 인덱스 번호이고, θci는 상기 그리퍼가 전후로 기울어진 방향에 대한 중력 벡터와 상기 제2 접촉력(FCjr) 벡터가 이루는 각을 의미한다.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 구동력 연산부는,
    아래의 수학식을 통해, 상기 원통형의 대상 물체를 동작시키기 위한 상기 그리퍼의 구동력(FAct)을 연산하는 그리퍼 제어 장치:
    Figure pat00028

    여기서, a는 상기 원통형의 대상 물체와 상기 제1 부재의 접촉점으로부터 상기 제5 부재까지의 수직 거리이고, b는 상기 원통형의 대상 물체와 상기 제1 부재의 접촉점으로부터 상기 그리퍼의 대칭선까지의 수직 거리를 의미한다.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2004268160A (ja) * 2003-03-05 2004-09-30 Sharp Corp ロボットハンドおよびその制御方法
JP5544946B2 (ja) * 2010-03-12 2014-07-09 株式会社Ｉｈｉ ロボットハンド

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