KR20160144424A

KR20160144424A - 매니퓰레이터와 입력 툴을 이용하여 대상물을 핸들링하는 방법

Info

Publication number: KR20160144424A
Application number: KR1020167031027A
Authority: KR
Inventors: 마틴 샤우트; 리차드 로버츠
Original assignee: 에이비비 곰텍 게엠베하
Priority date: 2014-04-07
Filing date: 2015-04-07
Publication date: 2016-12-16
Also published as: JP6570540B2; US20170129106A1; DE102014004919A1; CN106458476B; EP3129841A1; WO2015154870A1; KR102400668B1; US10300602B2; DE102014004919B4; CN106458476A; JP2017514707A

Abstract

본 발명은 매니퓰레이터(5)와 입력 툴(7)을 이용하여 대상물(1)을 핸들링하는 방법에 관한 것으로, 내부 좌표계(K')를 갖는 입력 툴(7)이 대상물(1)과 기계적으로 연결되고, 매니퓰레이터의 제어부(6)는 외부 좌표계를 가지고, 먼저 내부 좌표계(K')가 외부 좌표계(K)로 보정되고, 외부 좌표계에 대해 기지 방향(r)으로의 매니퓰레이터의 시험 움직임이 개시되고, 내부 좌표계(K')에 대한 결과 방향(r')이 입력 툴(7)에 의해 결정되고, 내부 좌표계(K')의 결과 방향(r')을 외부 좌표계(K)의 기지 방향(r)으로 변환하는 좌표 변환(T)이 결정된다. 대상물(1)을 사용자가 원하는 방향으로 이동시키기 위하여, 사용자가 입력 둘(7)에서 입력한 내부 좌표계(K')의 내부 방향(d')이 검출되고, 내부 방향은 원하는 움직임을 나타낸다, 외부 좌표계(K)에서 외부 방향(d)을 구하기 위하여 이전에 결정된 좌표 변환(T)이 검출된 내부 방향(d')에 적용되고, 따라서 매니퓰레이터와 대상물(1)이 외부 방향(d)으로 작동한다.

Description

매니퓰레이터와 입력 툴을 이용하여 대상물을 핸들링하는 방법{METHOD FOR HANDLING AN OBJECT BY MEANS OF A MANIPULATOR AND BY MEANS OF AN INPUT TOOL}

본 발명은 대상물, 특히 무겁고 부피가 크거나 또는 다른 이유로 다루기 힘든 대상물, 예를 들면 창고, 생산 공장(production plant) 또는 이와 유사한 대상물을 핸들링하는 방법 및 수단에 관한 것이다.

CN 102 581 852 A에는 매니퓰레이터(manipulator)에 홀드(hold)되어 이동될 대상물에 입력 툴(input tool)이 부착되어, 상기 입력 툴 위의 조작 레버를 당기거나 밀어 대상물의 이동을 제어하는 대상물 핸들링 방법이 개시되어 있다. 그러나, 조작 레버를 당기거나 미는 방향이 이러한 방식으로 제어되는 대상물의 이동방향과 대응되도록 입력 툴이 장착된다면, 상기 대상물의 이동에 대한 직관적인 제어는 단지 이 입력 툴로만 가능하게 된다.

DE 38 83 109 T2에는, 큐브 형상의 바디(body)와 큐브의 여섯 면 중의 한 면으로부터 돌출된 조이스틱(joystick)을 갖는 입력 툴을 구비하는 대상물 핸들링 시스템이 개시되어 있다. 상기 입력 툴은 지지체(support) 상에서 큐브의 다른 다섯 면에도 임의로 배치될 수 있으며, 큐브의 어떠한 면이 아래로 향하는지를 식별할 수 있는 배향 센서(orientation sensor)가 배치되어 있다. 사용자가 조이스틱을 사용하여 입력한 입력을 구현할 때, 제어부는 큐브의 다섯 면 중 어떤 면이 바닥에 있는지를 고려한다. 조이스틱이 위쪽, z 방향을 가리키는 것으로 입력 툴이 설정되어 있는 경우, 조이스틱의 구동은 x-y 평면에서 핸들링되는 개체의 이동으로 병진 이동되고, 조이스틱이 상, 하로 굴절될 수 있도록 입력 툴이 측면 상에 있는 경우, z 방향에서의 대상물의 이동 또한 이러한 굴절(deflection)을 통해 제어된다. z-축을 중심으로 한 입력 툴의 회전이 감지되지 않으므로, 사용자에 의한 입력 툴의 수평 방향으로의 구동 방향과 응답하여 제어부에 의해 개시된 대상물의 이동 방향이 임의적일 수 있으므로, 직관적인 조작성이 확보되지 않는다.

DE 10 2009 041 946 A1에는 매니퓰레이터에 대한 제어와 프로그램 명령이 결합된 입력을 위한 입력 장치가 개시되어 있다. 상기 입력 장치는 제어 명령을 입력하기 위하여 베이스에 대해 다수의 축을 따라 이동가능한 수동 제어 레버(manual control lever)와 프로그램 명령을 입력하기 위한 다중 축 핑거(multiple-axis finger) 입력 장치를 포함한다.

EP 1 738 881 B1은 사용자에 의해 조작되는 컨트롤 스위치를 갖는 입력 장치를 포함하는 로봇 제어 시스템(robotic control system)을 개시하고 있다. 상기 입력 장치는 로봇을 제어하기 위해 위치 및 자세를 검출하는 자유도-6(6-degrees-of-freedom)의 자기 센서(magnetic sensor)를 갖는다.

US 5 345 540 A는 출발 지점으로부터 하나 이상의 모듈(module)로 매니퓰레이터를 이동시키기 위하여 매니퓰레이터를 프로그래밍하는 방법을 개시하고 있다.

본 발명의 목적은 대상물의 이동에 대한 편안하고 직관적인 제어가 항상 확보될 수 있는 대상물의 핸들링 방법을 제공하는 것이다.

이러한 문제점은 다음 단계를 포함하는 방법을 통해 해결된다:

a) 그 방향이 입력 툴에 대한 내부 좌표계 내에 들어가도록 대상물을 매니퓰레이터 및 입력 툴과 기계적으로 연결하는 단계;

d) 외부 좌표계에서 기지 방향(known direction)에 기초하여 제어부가 상기 매니퓰레이터의 테스트 이동을 개시하는 단계;

e) 내부 좌표계 내에서 상기 매니퓰레이터의 테스트 이동에 따른 상기 입력 툴의 이동 방향을 결정하는 단계;

f) 내부 좌표계에서의 결과 이동(resulting movement)의 방향을 외부 좌표계의 기지 방향으로 변환하는 좌표 변환을 결정하는 단계;

g) 내부 좌표계 내에서, 사용자가 상기 입력 툴을 이용하여 입력한 내부 방향을 검출하는 단계;

h) 외부 방향을 구하기 위해, 상기 검출된 내부 방향에 상기 좌표 변환을 적용하는 단계; 및

i) 상기 외부 방향에 기초하여 상기 매니퓰레이터의 이동을 제어하는 단계.

상기 입력 툴은 매니퓰레이터 및 대상물과 어떠한 원하는 방향으로도 연결될 수 있으므로, 외부 및 내부 좌표계 사이의 관계가 초기에는 알 수 없다. 그러나, 외부 좌표계에서의 테스트 이동의 방향을 이미 알고 내부 좌표계에서 측정될 수 있으므로, 내부 및 외부 좌표계 사이의 관계도 결정될 수 있고, 사용자에 의한 입력에 응답하여 상기 제어부에 의해 개시된 이동의 방향이 입력된 방향과 대응되도록, 사용자에 의해 입력된 방향은 외부 좌표계로 변환될 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 대상물 핸들링 시스템의 직관적인 작업성이 보장된다.

상기 입력 툴이 매니퓰레이터와 그것에 의해 핸들링되는 대상물과 연결되어 있기 때문에, 입력 툴의 방향의 변화들은, 상기 변화들이 대상물의 방향의 변화와 관련되어 있고, 매니퓰레이터의 제어부에 의해 순차적으로 시작된다면, 여전히 가능하다. DE 38 83 109 T2에 개시된 입력 툴과 다르게, 상기 제어부가 입력 툴에 입력된 사용자 입력에 기초하여 대상물을 이동시킬 때, 상기한 방향의 변화들은 입력의 방향과 대상물의 결과 움직임의 방향 사이의 대응이 공간에서의 입력 툴의 방향에서의 변화인 경우에 유지될 수 있도록 좌표변환의 업데이트를 통해 상기 제어부에 의해 고려될 수 있다.

상기 테스트 이동은 평행 이동(즉, 병진 이동)(translation)일 수 있다. 그 이동의 방향을 검출하기 위하여, 상기 입력 툴은 테스트 이동의 초기에 입력 툴에 작용하는 가속도의 방향이나 테스트 이동 말기의 감속의 방향을 검출할 수 있는 수단으로 가속도 센서(acceleration sensor)를 장착할 수 있다.

바람직한 대안에 따르면, 상기 테스트 이동은 회전이고, 기지 방향은 이 회전 축의 방향이다. 회전 전, 후에 입력 툴의 내부 좌표계 내에서의 중력 가속도의 방향을 검출함으로써, 상기 회전도 가속도 센서로 검출될 수 있다. 상기 회전 축의 방향은, 예를 들면, 검출된 두 중력 가속도 벡터들의 백터 곱을 통해 어려움 없이 계산될 수 있다.

상기 방향이 내부 좌표계 내에서 가능한 한 정확하게 결정되도록 하기 위해서, 상기 기지 방향은 수평방향인 것이 바람직하다.

상기 입력 툴이, 중립 위치로부터 베이스(base)에 대해 이동 가능한 헤드(head)와 대상물을 연결하기 위한 베이스를 포함하는 경우, 헤드의 이동 방향은 사용자에 의해 입력된 내부 방향으로서 검출될 수 있다.

상기 헤드가 베이스에 대해 이동 가능하기를 필요로 하지 않는 다른 실시예에 따르면, 상기 입력 툴의 헤드와 베이스에 작용하는 힘(force) 또는 토크(torque)의 방향이 입력된 내부 방향으로서 검출될 수 있다.

상기 테스트 이동의 기지 방향은 미리 결정될 수 있고, 상기 방법이 수행될 때마다 동일할 수 있다. 이는 상기 방법이 대상물 핸들링 시스템이 개시될 때마다 수행되거나, 또는 이어서 입력 툴이 대상물 및 매니퓰레이터와 연결되고 입력 툴이 부착된 방향에 대해 아무런 정보를 얻을 수 없는 경우에 특히 실용적이다. 다르게는, 이 방법이 수행될 때마다 같을 필요는 없지만, 그럼에도 불구하고 미리 결정된 좌표 변환에 기초하여 계산될 수 있고 따라서 잘 알려진 상기 테스트 이동에 대한 방향을 구하기 위해, 단계 a)와 단계 d) 사이에 다음의 단계들을 수행할 수도 있다.

b) 사용자가 상기 입력 툴을 사용하여 입력한 내부 방향을 검출하는 단계;

c) 상기 검출된 내부 방향에 미리 결정된 좌표 변환을 적용하는 단계.

편의상, 상기 미리 결정된 좌표 변환은 특히 이 방법의 이전 반복에서 결정된 좌표 변환일 수 있다. 이는 적어도 상기 테스트 이동의 방향이 사용자가 그의 입력으로 대상물을 가이드하기를 원하는 방향과 주로 대응되도록 하는 확률을 증가시켜 사용자가 그에 의해 원치않는 방향으로의 대상물의 움직임을 통해 자극되는 것을 방지하게 된다.

또한, 이러한 부가되는 단계들은, 특히, 대상물 핸들링 시스템이 작동하는 과정 중에 인가된 좌표 변환이 입력 툴의 방향과 매치되는지를 계속해서 확인하고, 필요하다면 좌표 변환을 조정하는 것을 가능하게 한다.

편의상, 예를 들어, 입력 툴의 이동이 매니퓰레이터의 이동에 의하지 않은 것으로 검출되거나, 또는 매니퓰레이터의 이동에 대해 입력 툴의 이동이 검출되지 않는 경우. 입력 툴과 핸들링될 대상물 사이의 물리적 연결의 부족으로 인한 불량(fault)이 검출될 수 있다.

본 발명의 요지는 핸들링될 대상물이 일시적으로 부착될 수 있는 매니퓰레이터와, 상기 대상물에 부착될 수 있는 입력 툴, 그리고 사용자가 상기 입력 툴을 이용하여 입력한 입력에 기초하여 상기 매니퓰레이터를 제어하는 제어부를 갖는 대상물 핸들링 시스템으로서, 상기 입력 툴은 공간 상에서 상기 입력 툴의 방향을 감지하기 위한 배향 센서를 구비하며, 상기 배향 센서의 검출 결과를 제어부에 전달하도록 설정된다.

상기 입력 툴은 대상물에의 부착을 위한 베이스와, 사용자에 의해 조작되도록 디자인된 헤드(head)를 포함할 수 있으며, 이에 따라 상기 헤드와 베이스는, 편의상, 입력 툴의 내부 좌표계에 관해, 방향을 입력하기 위하여 사용자가 헤드에 인가한 적어도 하나의 벡터 제어 파라미터를 검출하도록 설정된 입력 센서를 통해, 물리적으로 연결된다.

상기 배향 센서는 입력 기기의 기준 방향과 지구의 자기장 또는 중력 가속도의 방향과 같은 외부의 바람직한 방향 사이의 각도를 측정할 수 있는 어떠한 타입의 센서도 될 수 있다. 특히, 상기 배향 센서는 가속도 센서일 수 있고, 그 검출 결과는 적어도 입력 툴의 내부 좌표계에 대해 상기 입력 툴에 작용하는 가속도의 방향을, 가능하면 양(amount)까지도, 정량적으로 특정한다. 이 가속도 센서의 해상도가 좋을수록, 좌표 변환의 적절하고 정확한 결정을 위하여 필요한 테스트 이동의 진폭이 작게 된다. 테스트 이동 동안 상기 대상물이 외부 장애물과 충돌하는 것을 방지하기 위하여, 테스트 이동의 진폭이 작은 것이 요구된다. 따라서, 상기 가속도 센서의 각도 분해능(angular resolution)은, 편의상, 수 도(a few degrees) 내외의 범위 내에 있어야 한다.

상기 대상물 상에 입력 툴이 놓일 가능성을 제한하기 위하여, 상기 입력 툴과 제어부에는, 편의상, 상호 통신을 위한 무선 인터페이스들이 장착되어야 한다.

상기 매니퓰레이터는 관절 부재를 구비하는 로봇팔의 앤드 이펙터(end effector)일 수 있으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 예를 들면, 오버 헤드 크레인(overhead crane) 또는 크레인 트롤리(crane trolley)에 의해 이동될 수 있는 매니퓰레이터에 적용될 수 있다.

본 발명의 다른 요지는 상기한 대상물 핸들링 시스템을 위한 입력 툴이다. 그러한 입력 툴은, 편의상, 상기 입력 툴을 둘러싼 환경의 영역에서 이물질의 존재에 응답하는 스위치를 포함할 수 있다. 이러한 스위치의 상태는 입력 툴이 핸들링될 대상물에 부착되었는지 아닌지를 나타내는 표시이다. 스위치는 상기 대상물과 접촉을 통해 기계적으로 작동되거나, 또는 비접촉(contact-free) 방식으로 작동할 수 있다. 비접촉 스위치는, 특히, 대상물을 구성하는 재질과 무관하게 대상물을 검출할 수 있기 때문에 유도 스위치(inductive switch)를 포함하는 것이 바람직하다.

편의상, 상기 스위치는 상기 입력 툴의 베이스 상에 배치되고, 상기 스위치가 모니터링하는 주위 환경의 영역은 상기 헤드로부터 멀리 대향하는 상기 베이스의 일 측에 위치한다.

상기 스위치에 의해, 입력 툴은 상기 배향 센서 및/또는 입력 센서의 검출 결과들이 출력되지 않는 유휴 상태(idle state)와, 검출 결과들이 출력되는 활성 상태 사이에서 스위칭될 수 있다. 한편으로는, 그러한 스위칭은 상기 입력 툴이 대상물 상에 장착되지 않은 동안의 검출 결과가 상기 제어부에 공급될 가능성을 줄이고, 다른 한편으로는, 입력 툴의 에너지 소모를 최소화할 수 있게 하는데, 특히 입력 툴이 배터리 또는 누산기(accumulator)와 같은 내부 소스로부터 동작 에너지를 끌어내는 경우에 특히 유리하다.

본 발명의 또 다른 요지는 컴퓨터가 상기한 방법을 수행하도록 하는 프로그램 코드 수단을 갖는 컴퓨터 프로그램 제품이다.

본 발명의 특징 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 들어 보다 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 대상물 핸들링 시스템을 도시한 도면;
도 2는 대상물 핸들링 시스템의 입력 툴을 통한 단면을 도시한 도면;
도 3은 제1 실시예에 따른 도 1의 제어부의 작업 방법을 나타낸 흐름도;
도 4는 작업 방법의 제2 실시예를 나타낸 도면;
도 5는 도 3 또는 도 4로부터 개량된 방법을 도시한 도면.

도 1은 대상물(1)을 핸들링하기 위한 대상물 핸들링 시스템을 도시한 도면이다. 여기서, 대상물(1)은 도식적으로 정육면체(cube)로 표현되었지만, 그 형태와 물성은 원칙적으로 한정되지 않음은 명백하다. 로봇팔(robot arm)(2)은 여기서 외부 좌표계라고 하는 좌표계 내의 위치에 고정되어 있는 베이스(3)와, 상기 베이스(3)와 대상물(1)을 홀딩하고 있는 앤드 이펙터(5) 사이에 체인(chain)을 형성하면서 다른 부재, 베이스(3) 또는 앤드 이펙터(5)와 관절 방식으로 서로 연결된 복수의 부재들(4)을 포함한다. 제어부(6), 통상 마이크로 컴퓨터는 상기 부재들(4)과 앤드 이펙터(5)의 움직임을 좌표계 K - 여기서는 외부 좌표계라 칭함 - 내에서 로봇팔(2)의 베이스(3)가 부동인 x, y, z축으로 제어하기 위하여 로봇팔(2)과 연결된다. 표기를 단순화하기 위하여, 이하에서는 중력 벡터가 음의 z-축 방향을 가리키는 것으로 가정한다.

입력 툴(7)은 대상물(1)에 일시적으로 부착된다. 입력 툴(7)은 베이스(8)를 포함하되, 이 경우. 상기 베이스는 평평한 원통 형상이며, 하나의 단부 면(end face)이 상기 대상물(1)에 대면하면서 부착되고, 타 단부 면은 사용자에 의해 조작되는 헤드(9)를 구비한다. 본 실시예에서, 상기 헤드(9)는 베이스(8)보다 약간 작은 직경의 평평한 원통 형상일 수 있다.

도 2는 상기 입력 툴(7)을 통한 개략적인 단면을 나타낸다. 임시 부착을 위한 수단은 상기 대상물(1)과 대면하는 단부 면(10) 상에 구비되는데, 이 경우 예를 들면, 상기 입력 툴(7)이 접착되도록 하기 위해 대상물(1)의 일 측에 대해 가압될 필요가 있고, 더러워지거나 더 이상 접착력이 충분하지 않으면 대체될 수 있는 양면 접착 테이프(11)의 스트립일 수 있다.

핸들링될 상기 대상물(1)의 특성에 따라, 다른 임시 접착 수단도 사용될 수 있다. 예를 들어 핸들링될 대상물이 목조 쉬핑 상자(wooden shiiping crate)인 경우, 접착 테이프(11) 스트립 대신에, 상기 단부 면(10)은 목조 표면을 뚫은 복수의 대못(spike)들을 구비하여 사용자에 의해 상자에 대해 가압되는 경우 상기 입력 툴(7)에 대한 지지를 제공할 수 있다. 핸들링될 대상물들이 컨테이너(container)이거나, 또는 강자성 물질(ferroelectric material)로 이루어진 일반적인 대상물인 경우, 임시 부착을 위한 가능한 수단은 영구 자석 또는 전자석(electromagnetic)을 포함한다. 핸들링될 대상물들이 팔레트 케이지(pallet cage)인 경우, 입력 툴을 와이어(wire)로 팔레트 케이지의 벽에 매달기 위해 상기 단부 면(10)에 고리(hook)들이 부착될 수 있다. 그외 더 많은 변형들을 고려할 수 있다.

도 2에 도시된 제어부(6)의 헤드(9)는 사용자에 의해 상기 헤드(9)에 인가되는 벡터 제어 파라미터에 의해 검출될 수 있는 수단에 의해 센서(12)를 통해 베이스(8)와 연결된다. 상기 연결(connection)의 디자인에 따라, 헤드(9)는 베이스(8)(예를 들면 조이스틱)에 대해 더 또는 덜 움직일 수 있거나, 또는 전체적으로 못 움직일 수 있다(예를 들면 압력 센서).

센서(12)에 의해 검출된 제어 파라미터는 특히 힘 또는 토크일 수 있다. 직관적으로, 사용자가 헤드(9)에 인가하는 인장력 또는 누르는 힘은 사용자가 대상물(1)을 평행 이동시키고자 하는 방향으로 향하거나, 사용자에 의해 인가된 토크는 대상물(1)을 회전시키고자 하는 주위의 축(axis) 방향으로 향해진다. 구조 타입에 따라, 상기 센서(12)는 힘, 토크 또는 둘 다에 민감할 수 있다. 각각의 감지된 제어 파라미터에 대해, 관련 제어 파라미터의 서로 직교하는 세 개의 요소 중 하나를 감지하도록 설계된 세 개의 센서 요소(14)를 보유하는 것이 바람직하다. 이 센서 요소들(14)은 예를 들면 광전 센서(optoelectric sensors; PSD), 압전 소자(piezo element) 또는 헤드(9)와 베이스(8)를 연결하는 로드(rod)(13) 상에 배치된 변형 게이지(strain gauge)일 수 있다. 세 개의 센서 요소들(14)이 민감한 세 공간 방향은 제어부(6)에 대해 편의상 내부 좌표계 x', y', z'의 축들을 형성하여, 세 개의 센서 요소(14)에 의해 제공된 측정 값 트리오가 내부 좌표계 x', y', z'에 대한 직교 좌표(Cartesian representation)에서 제어 파라미터의 벡터로서 해석될 수 있다. 단순화를 위하여, 상기 내부 좌표계의 축 x'는 로드(13)의 길이 방향으로 연장되고, 축 y'는 로드에 대해서 도 2의 횡단면으로 가로지르고, 축 z'는 단면에 대해 수직으로 연장된다고 가정한다.

베이스(8)도 벡터적 가속도(vetorial acceleration)를 측정하는 가속도 센서(15)를 포함한다. 상기 센서(12)와 같이, 가속도 센서(15)도 각각 세 개의 직교 공간 방향에서의 가속도에 민감한 세 개의 센서 요소들을 포함할 수 있고, 편의상 이 공간 방향들은 내부 좌표계 x', y', z'의 축 방향이 되어야 한다.

무선 인터페이스(radio interface)(16)는 제어부(6)의 상보(complementary) 무선 인터페이스(17)에 검출 결과를 전송하기 위해 센서들(12, 15)과 연결된다. 교체 가능한 배터리 또는 베이스(8)에 장착된 누산기(18)는 무선 인터페이스(16) 및 센서들(12, 15)에 동작 에너지를 공급하는 역할을 한다.

도 2에 나타낸 실시예에 있어서, 스위치(19)는 한편으로는 누산기(18)와 센서들(12, 15) 사이에, 그리고 다른 한 편으로는 상기 대상물(1)과 접촉하여 작동할 수 있는 단부 면(10)으로 돌출된 버튼(20)을 갖는 무선 인터페이스(16) 사이에 제공된다. 버튼(20)이 눌러지면 스위치(19)는 닫힌다. 입력 툴(7)이 대상물(1) 위에 장착되고 버튼(20)이 위로 올려지면 센서들(12, 15)과 무선 인터페이스(16)에 에너지가 공급되고, 이 상태에서 제어부(6)로 검출 결과를 제공한다. 입력 툴(7)이 대상물(1)로부터 제거되고 버튼(20)이 해제되면, 스위치(19)가 개방되고, 검출 결과는 제공되지 않고 에너지도 소비되지 않는다.

입력 틀(7)이 대상물(1) 상에 부착되었는지를 검출하기 위하여, 예를 들면, 근방에서의 유전 상수(dielectric constant)의 변화에 기초하여 대상물(1)의 접근을 검출하는 용량성 근접 스위치(capcacitive proximity switch)와 같은 다른 타입의 스위치(19)도 구비될 수 있다. 대상물(1)이 강자성이고 상기 입력 툴(7)의 임시 부착 수단이 영구 자석을 포함하는 경우, 상기 스위치(19)는 상기 영구 자석이 대상물(1)에 접근함에 따른 자속(magnetic flux)의 변화에 반응하는 영구 자석을 감싼 코일에 의해 형성될 수 있다.

도 3은 제1 실시예에 따른 제어부(6)의 동작 방법의 흐름도를 나타낸다. 활성화 단계(S1)는 제어부(6)가 스위칭 온(on)되거나 입력 툴(7)이 대상물(1)에 부착된 후 입력 툴로부터 데이터를 받기 시작하는 단계로 이루어질 수 있다.

입력 툴(7)은 대상물(1)과의 부착에 반응하여가속도 센서(15)에 의해 검출된 내부 좌표계에 대한 중력 가속도 벡터의 세 요소를 제어부(6)로 전송하고, 이들은 단계 S2에서 제어부(6)에 입력되어 벡터

로 저장된다.

단계 S3에서, 제어부(6)는 테스트 이동에서의 축을 중심으로 대상물(1)을 회전시키기 위하여 로봇팔(2)을 작동한다. 이 축의 방향은 제어부(6)에 공지되고 그 축에 평행한 벡터

로서 외부 좌표계에 명시될 수 있다(이하에서는, 상기 벡터 및 상기 벡터에 의해 지정된 축 사이에 구별이 없이 심볼

은 양 자 모두에 대해 사용된다).

상기 동작 방법은 축

이 수평이 되도록 선택될 경우 특히 간단하다. 표기를 단순화하기 위하여, 상기 테스트 이동이 외부 좌표계 K의 x-축을 중심으로 하는 회전이라고, 즉

이 x-방향의 벡터라고 가정할 수 있다.

이 회전은 입력 툴(7)의 내부 좌표계 내에서 중력 가속도 방향의 변화를 가져오는데, 단계 S4에서 변화된 중력 가속도 벡터는 제어부(6)에 다시 입력되어 벡터

으로 저장된다. 상기 회전 축의 방향은 내부 좌표계에서 다음과 같이 나타내고, 단계 S5에서 계산된다.

벡터

와

는 회전 중에 일어나는 모든 중력 가속도 벡터들이 존재하고 벡터 곱

이 수직한 내부 좌표계 내의 하나의 평면을 이룬다. 축

이 수평하지 않으면, 중력 가속도 벡터들이 회전 축을 중심으로 뿔(cone)을 한정하는 대신에, 다른 시간에 측정된 중력 가속도 벡터들의 벡터 곱이 축의 방향과 대응되지 않는 다른 방향을 가져, 이 경우, 상기 식은 적용하지 않는다. 회전의 초기, 중기, 그리고 말기에 측정된 중력 가속도 벡터들

,

, 그리고

는 모두 동일한 양을 가지나, 그들의 차이점은 회전축에 수직이라는 것이다. 이 경우 내부 좌표계 내에서의 회전축의 방향은 다음 식에 의해 얻을 수 있다.

따라서, 회전 말기에, 내부 좌표계 K' 내에서 정량화된 가속도 벡터

는 외부 좌표계 K에서 z-유닛 벡터에 대응하고,

는 x-유닛 벡터에 대응하며,

는 y-유닛 벡터에 대응한다.

다음 단계 S6에서, 제어부(6)는 내부 좌표계 K'를 외부 좌표계 K로 변환하는 좌표 변환 (회전 매트릭스) T1을 결정한다. 회전 매트릭스는 K'의 단위 벡터의 요소들로 이루어진다. 즉, 상기 벡터들이 내부 좌표계 K' 내에서 직교 좌표에서 아래의 요소들을 갖는 경우,

좌표 변환을 위한 회전 매트릭스는 다음 식으로 얻어진다.

제어부(6)는 이제 헤드(9) 상으로 밀거나 당기는 힘 또는 토크를 가하는 것과 같이 사용자에 의해 입력된 입력들을 바르게 처리하기 위한 단계에 있다. 이를 위해, 단계 S7에서, 제어부는 내부 좌표계 내에서 센서(12)에 의해 검출된 벡터적 제어 파라미터

를 수신하고, 단계 S8에서, 좌표 변환 T를 적용하여 이것으로부터 외부 좌표계 내에서 해당 입력

을 계산하고, 그 후 단계 S9에서 해당하는 방향

로의 이동(movement)을 작동시킨다.

사용자에 의해 입력된 제어 파라미터

가 힘인 경우, 단계 S9에서, 제어부(6)는 변환된 힘

의 방향으로 대상물(1)의 평행 이동을 개시한다. 상기 제어 파라미터가 토크인 경우, 제어부는 방향

로 향하는 축을 중심으로 대상물(1)의 회전을 개시한다. 센서(12)가 힘과 토크를 동시에 등록(register)할 수 있도록 설계된 경우, 제어부(6)에 의해 개시된 대상물(1)의 이동은 토크의 방향에 의해 규정된 축을 중심으로 한 회전과, 힘의 방향으로의 이동의 중첩(superposition)일 수 있다.

단계 S9에서 상기 대상물(1)의 이동이 순수한 평행 이동인 경우, 좌표 변환 T1에 아무 영향을 미치지 않는다. 단계 S9에서 개시된 움직임이 회전인 경우, 이동하는 동안 언제든 내부 좌표계에서 검출된 제어 파라미터

가 외부 좌표계로의 정확한 변환을 보장하고, 이동의 다른 제어에 고려될 수 있도록 하기 위하여, 좌표 변환 T도 회전을 대표하는 좌표 변환 R을 곱하여 업데이트(update)될 수 있다:

.

도 4는 제어부의 동작 방법의 다른 실시예를 도시한다. 단계 S1, S2는 도 3을 참고하여 설명한 것과 동일하므로 다시 설명하지 않는다. 단계 S3에서 수행된 테스트 이동은 이 경우에는 회전이 아니라 평행 이동이다. 이 테스트 이동은 기본적으로 어떠한 방향으로도 일어날 수 있지만, 수평적 요소만 후속 평가와 관련이 있다. 따라서, 상기 테스트 이동은 중력 가속도에 직교하도록, 즉 수평 방향으로 향하도록 하는 것이 바람직하다. 상기 평행 이동의 초기에, 대상물(1)은 가속되고, 그 중 적어도 외부 좌표계에서의 벡터

의 방향은 기지되어 있다. 표기를 단순화하기 위해, 이 경우 상기 테스트 이동은 x축 방향으로 일어난다고 가정하고, 즉, 이 벡터

의 방향이 외부 좌표계의 x축에 대응한다고 할 수 있다.

가속 단계에서, 상기 센서(15)에 작용하는 가속도는 다시 측정되고, 단계 S4에서, 제어부(6)에

로 저장된다. 내부 좌표계에서의 가속도

의 방향은 단계 S5에서

과

의 차로 계산된다.

만약, 테스트 이동의 끝을 향해, 상기 대상물(1)이 테스트 이동의 방향과 반대인 -

로 가속되는 경우, 가속도 센서(15)에 의해 검출되는 전체적인 결과 가속도도는, 원한다면, 차

-

로부터 내부 좌표계 내에서 가속도의 방향을 순차적으로 계산하기 위하여 검출되고

로 저장될 수 있다.

벡터

와

와 함께, 내부 좌표계의 표현에서 외부 좌표계 K의 z- 및 x-단위 벡터들은 알려져 있다. y-단위 벡터는

로 유도된다. 좌표계 K'를 외부 좌표계로 변환하는 좌표 뱐환 T의 결정은 도 3에 나타낸 방법과 동일한 방법으로 이루어진다. 단계 S7과 S8 또한 동일하다.

대상물(1)의 회전의 경우에 필요한 좌표 변환 T의 업데이팅(updating)은, 대상물(1)에 대해 다수의 회전이 연속적으로 수행되는 경우, 제어부(6)에 의해 대상물(1)이 움직이는 방향 또는 회전하는 축이 사용자에 의해 입력 툴(7)에 가해진 힘의 방향 또는 가해진 토크의 방향과 정확하게 대응하지 않는 결과와 함께 에러를 유발할 수 있다.

그러한 편차를 방지하기 위하여, 도 3 및 도 4에 따른 방법에서는, 하나의 움직임이 완료된 후 중력 가속도가 내부 좌표계 K'에서 측정되고 외부 좌표계 K로 변환되는 단계 S10이 제공될 수 있다. 그리하여 얻어진 벡터의 방향이 음의 z-방향과 확연히 다른 경우, 좌표 변환 T는 정확하지 않고, 테스트 이동을 반복하여 좌표 변환 T를 다시 유도하기 위하여 단계 S3으로 점프한다. 방향이 대응되는 경우, 다음 사용자 입력을 처리하기 위하여 곧바로 단계 S7로 돌아간다.

변환 결과의 x-요소 및 y-요소에만 영향을 미치는 좌표 변환 T에서의 에러, 즉 제어 파라미터

의 순수하게 수평 방향의 벡터와 제어부(6)에 의해 유래된 움직임(이동) 방향

사이의 편차는 상술한 단계 S10에서 알려지지 않은 채로 남는다.

이러한 편차는 도 5에 따른 방법으로 검출 및 해결될 수 있다. 이 방법의 단계 S1 내지 S9는 도 3 또는 도 4와 동일하다. 도 5에 따른 방법의 단계 S10'에서, 제어부는 단계 S9에서 개시된 대상물(1)의 움직임이 평행 이동인지 또는 회전인지를 확인한다.

상기 움직임이

방향의 평행 이동인 경우에, 도 4의 단계 S5를 참조하여 설명한 바와 같이, 단계 S11에서 제어부는 이전에 센서(15)에 의해 측정된 가속도 값과 단계 S9의 움직임 동안 측정된 값의 차이, 또는 가속도 단계에서 측정된 값과 움직임의 감속 단계에서 측정된 값의 차이를 형성함으로써, 상기 평행 이동의 결과이며 중력 가속도를 고려하여 수정된 가속도

를 계산한다. 이 차이의 방향은 상기 센서(12)에 의해 검출된 입력의 방향

과 대응하여야 한다.

단계 S12에서 이러한 방향들이 충분한 정확도로 대응되는 경우, 사용자에 의한 다음 입력을 처리하기 위하여 단계 S7로 곧바로 돌아가고, 편차가 큰 경우 좌표 변환 T는 단계 S13에서 수정된다. 그러한 수정은 이전에 사용된 변환 T를 거절하는 단계와, 외부 좌표계에서 기지 방향

와 단계 S11에서 측정된 내부 좌표계에서의 결과 가속도

에 기초하여, 다음을 적용하여 업데이트된 변환 T*_n+1을 결정하는 단계를 포함할 수 있다:

.

그러나, 가중된 T_n과 T*_n+1의 총합 또한 예를 들면 업데이트된 변환 T_n ₊ ₁으로 사용될 수 있다. T*_n+1이 명료하게 결정되도록 하기 위해, 단계 S6을 참조하여 상술한 과정과 유사하게, 내부 좌표계 K'에서 중력 가속도

에 대한 현재의 측정 값은 사용될 수 있어야 하고, 이는 예를 들면 단계 S9에서 대상물의 이동의 시작 바로 직전에 단계 S8'에서 측정될 수 있다.

대응하는 방식으로, 방향

에서의 움직임이 회전인 경우에, 회전이 끝난 후 중력 가속도 벡터

이 다시 측정되고(S14), 상기 내부 좌표계에서의 회전 축의 방향

이 계산되고(S15), 과도한 편차의 경우 단계 S17에서 수정하기 위하여 입력 툴(7)에 입력된 입력의 방향

과 일치하는지 확인된다(S16).

선택적으로, 단계 S12 또는 S16에서 큰 편차가 결정된 경우, 좌표 변환의 수정으로 해결될 수 없는 에러가 있는지 확인될 수 있다. 그러한 에러, 예를 들면, 입력 툴(7)이 대상물(1)을 떨어뜨리거나 해당 대상물에서 제거된 경우, 입력 툴(7)과 제어부(6) 사이의 통신이 중단되거나 입력 툴(7)이 고장난 경우가 발생한다. 그러한 감지된 에러에 응답하여, 상기 과정은 중단될 것이며, 에러 상태는 사용자에게 디스플레이될 것이다.

입력 툴(7)이 대상물(1)에 부착되었는지는 센서(15)에 의해 검출된 가속도와 제어부(6)로부터의 제어 명령에 따른 앤드 이펙터(5)의 작동에 대한 가속도 값의 비교를 통해 확인할 수 있다. 이를 위해 제어부(6)는 중력 가속도를 고려하여 수정된 측정 가속도와, 제어 명령으로부터 계산된 가속도 사이의 편차를 결정한다. 편차가 특정 문턱 값(threshold value)을 초과한 경우, 이로부터 상기 입력 툴(7)이 더이상 대상물(1)에 견고하게 연결되지 않은 것으로 결론 내릴 수 있다.

입력 툴(7)이 대상물(1)로부터 제거되거나 입력 툴(7)이 대상물(1)을 떨어뜨린 경우에, 상기 대상물(1)의 움직임의 경우 입력 툴이 더 이상 대상물과 함께 이동하지 않는다. 따라서, 입력 툴(7)의 센서(15)는 대상물(1)의 이동에 기인한 어떠한 가속도도 검출하지 않을 것이다. 다시 말해, 센서(15)에 의해 검출된, 중력 가속도를 고려하여 수정된 값들은, 앤드 이펙터(5) 또는 대상물(1)이 이동되는 경우에도 값 제로(zero)를 추정하고 이 값을 유지한다. 제어부(6)가 입력 툴(7)로부터 중력 가속도를 고려하여 수정된, 제로(zero)의 측정 값을 수신하거나, 또는 앤드 이펙터(5) 또는 대상물(1)이 동시에 이동한 경우 제어부(6)는 이를 에러로 해석할 수 있다.

입력 툴(7)과 제어부(6) 사이의 통신은 입력 툴(7)이 제어부(6)로 연속적인 테스트 신호를 계속해서 전송하는 것으로 모니터링될 수 있다. 제어부(6)로 아무런 테스트 신호가 수신되지 않는 경우 통신이 중단된 것으로 인식될 수 있다.

결함 센서(15)에 기인한 입력 툴(7)의 고장은 중력 가속도 g로 인한 가속도 신호를 검사함으로써 알 수 있다. 가속도 벡터 g 또는 g'의 양이 대략 9.81 (m/s²)을 벗어나거나, 내부 좌표계에서 검출된 가속도 벡터 g'의 방향이 (로봇이 정지된 상태) 중력 장에 기초하여 예상되는 방향과 다른 경우, 이는 입력 툴(7)의 고장으로 해석될 수 있다. 테스트 루틴(test routine)은 제어부(6)에 의해 수행될 수 있다.

1: 대상물 2: 로봇팔
3: 베이스 4: 부재
5: 앤드 이펙터 6: 제어부
7: 입력 툴 8: 베이스
9: 헤드 10: 단부 면
11: 접착 테이프 스트립 12: 센서
13: 로드 14: 센서 요소
15: 센서 16: 무선 인터페이스
17: 무선 인터페이스 18: 누산기
19: 스위치 20: 버튼

Claims

대상물을 핸들링하는 방법으로서,
a) 핸들링될 대상물(1)을 매니퓰레이터(manipulator)(5)와 기계적으로 연결하는 단계;
b) 입력 툴(7)에 관한 내부 좌표계(K') 내에서 방향(
)을 입력할 수 있는 수단에 의해, 상기 내부 좌표계(K')와 외부 좌표계(K) 사이의 관계가 알려지지 않은 임의의 원하는 방향으로, 상기 핸들링될 대상물(1)과 상기 입력 툴(7)을 기계적으로 연결하는 단계;
e) 상기 외부 좌표계(K)에서 기지 방향(known direction)(
)에 기초하여 제어부(6)가 상기 매니퓰레이터(5)의 테스트 이동을 개시하는 단계(S3);
f) 상기 내부 좌표계(K')에서, 상기 매니퓰레이터(5)의 상기 테스트 이동에 기인한 상기 입력 툴(7)의 이동의 방향(
)을 결정하는 단계(S5);
g) 상기 테스트 이동의 상기 기지 방향(
)과 결과 이동의 방향(
) 에 기초하여, 상기 내부 좌표계(K')에서의 결과 이동의 방향(
)을 상기 외부 좌표계(K)의 기지 방향(
)으로 변환하는 좌표 변환(T)을 결정하는 단계(S6, S13);
h) 상기 내부 좌표계(K') 내에서, 상기 입력 툴(7)을 이용하여 사용자가 입력한 내부 방향(
)을 검출하는 단계(S7);
i) 외부 방향(
)을 얻기 위하여, 검출된 상기 내부 방향(
)에 상기 좌표 변환(T)을 적용하는 단계(S8); 및
j) 상기 외부 방향(
)에 기초하여 상기 매니퓰레이터(5)의 움직임을 제어하는 단계(S9)를 포함하는, 대상물을 핸들링하는 방법.
제1항에 있어서, 단계 i)에서 개시된 상기 매니퓰레이터(5)의 이동이 회전을 포함하는 경우, 상기 좌표 변환(T)이 업데이트(update)되는, 대상물을 핸들링하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 테스트 이동은 회전이고, 상기 기지 방향(
)은 회전 축의 방향인, 대상물을 핸들링하는 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기지 방향(
)은 수평 방향인, 대상물을 핸들링하는 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 힘 또는 토크의 방향이 상기 입력 툴(7)의 헤드(9)와 베이스(base)(8) 사이에 작용하거나, 또는 상기 헤드가 상기 베이스에 대해 중립 위치에서 벗어나도록 움직일 수 있는 경우, 상기 헤드의 이동의 방향은 상기 입력된 내부 방향(
)으로서 검출되는, 대상물을 핸들링하는 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 a)와 단계 d) 사이에,
c) 사용자가 상기 입력 툴을 사용하여 입력한 내부 방향(
)을 검출하는 단계(S7); 및
d) 상기 기지 방향(
)을 얻기 위하여 상기 내부 방향(
)에 미리 결정된 좌표 변환(Tn)을 적용하는 단계(S8)를 수행하는, 대상물을 핸들링하는 방법.
제6항에 있어서, 상기 미리 결정된 좌표 변환(Tn)은 이전 반복처리에서 결정된 좌표 변환인, 대상물을 핸들링하는 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입력 툴(7)의 이동이 상기 매니퓰레이터(5)의 이동에 의한 것이 아닌 것으로 검출되거나, 상기 매니퓰레이터(5)의 이동에 응답하여 상기 입력 툴(7)의 이동이 검출되지 않는 경우에 폴트(fault)가 검출되는, 대상물을 핸들링하는 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하기에 적합한 대상물 핸들링 시스템.
제9항에 있어서, 상기 입력 툴(7)은 상기 대상물(1)에의 부착을 위한 베이스(8)와 사용자에 의해 조작되도록 디자인된 헤드(9)를 포함하고, 상기 헤드(9)와 베이스(8)는 상기 입력 툴의 내부 좌표계에 대해 사용자에 의해 상기 헤드(9)에 인가된 적어도 하나의 벡터 제어 파라미터(
)를 검출하도록 설정된 입력 센서(12)를 통해 물리적으로 연결된, 대상물 핸들링 시스템.
제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 배향 센서(16)는 가속도 센서이고, 그 검출 결과(
,
,
)는 적어도 입력 툴(7)의 내부 좌표계(x', y', z')에 관해 입력 툴에 작용하는 가속도의 방향을 정량적으로 지정하는, 대상물 핸들링 시스템.
제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입력 툴(7)과 제어부(6)에는 상호 통신을 위한 무선 인터페이스들(16, 17)이 장착된, 대상물 핸들링 시스템.
제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 매니퓰레이터는 관절 부재(4)를 구비하는 로봇팔(2)의 앤드 이펙터(end effector)(5)인, 대상물 핸들링 시스템.
입력 툴의 주위 환경 영역에서 이물질의 존재에 응답하는 스위치(19)를 포함하는, 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 대상물 핸들링 시스템의 입력 툴.
제14항에 있어서, 상기 스위치(19)는 상기 입력 툴(7)의 베이스(8) 상에 배치되고, 상기 주위 환경 영역은 상기 헤드(9)로부터 멀리 대향하는 상기 베이스(8)의 일 측(10)에 위치하는, 입력 툴.
제14항 또는 제15항에 있어서, 상기 스위치(19)에 의해, 상기 배향 센서(16) 및/또는 입력 센서(12)의 검출 결과들이 출력되지 않는 유휴 상태와 상기 검출 결과들이 출력되는 활성 상태 사이에서 스위칭되는, 입력 툴.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 방법을 수행하게 하는 프로그램 코드 수단을 갖는 컴퓨터 프로그램 제품.