KR20170022492A

KR20170022492A - 병렬로봇형 정밀위치 제어장치

Info

Publication number: KR20170022492A
Application number: KR1020150117559A
Authority: KR
Inventors: 정영훈
Original assignee: 정영훈
Priority date: 2015-08-20
Filing date: 2015-08-20
Publication date: 2017-03-02
Also published as: KR101770178B1

Abstract

본 발명은 지면이나 본체프레임에 상에 고정되는 베이스부(6)를 구비하고, 상기 베이스부(6)의 상부에는 적어도 세 개 이상의 제1 리니어모션부(10)를 동일 원주 상에 등각으로 배열되게 고정결합하고 상기 각각의 제1 리니어모션부(10) 상부에는 제2 리니어모션부(20)를 결합하되,
상기 제1 및 제2 리니어모션부(10)(20)는 각각 하부 고정판체(12)(22)과 상부 슬라이드판체(14)(24)으로 구성되며, 서로 간의 상하로 위치되는 제1 리니어모션부(10)와 제2 리니어모션부(20)의 상부 슬라이드판체(14)(24) 간의 직선움직임이 서로 직교되도록 결합하며,
각 제1 리니어모션부(10)에는 슬라이드판체(14)를 선형으로 이송시키는 구동부(50)를 결합구성하고, 각 제2 리니어모션부(20)의 슬라이드판체(24) 상부에는 회전체(30)를 결합구성하며,
회전체(30)의 상부에는 물체를 올리기 위한 무빙플랫폼(40)를 결합하되 하나의 무빙플랫폼(40)으로 상기 회전체(30)들에 모두 연결되게 결합하여,
제어부에 의한 각각의 제1 리니어모션부(10)의 구동부(50) 작동으로 제1 리니어모션부(10)의 상부 슬라이드판체(14)들의 직선 변위를 발생시키면 그 이동된 변위를 기준으로 제2 리니어모션부(20)들의 상부 슬라이드판체(24)의 연계적 직선 변위발생과 회전체(30)들의 연계적 회전으로 무빙플랫폼(40) 상에 올려지는 물체의 위치를 정밀하게 제어할 수 있도록 한 것이다.

Description

병렬로봇형 정밀위치 제어장치{PARALLEL ROBOT TYPE PRECISE POSITIONING CONTROL APPARATUS}

본 발명은 위치를 정밀하게 제어할 수 있는 장치에 관한 것이다.

산업 현장에서는 다양한 로봇을 이용하여 많은 부분에서 작업의 자동화가 이루어져 있다. 원활한 작업의 자동화를 위해서는 로봇의 움직임을 정밀하게 제어할 수 있어야 한다는 것이 기본적인 조건이 되며, 작업 내용이나 환경에 따른 여러 조건들을 충족시킬 수 있도록 로봇이 설계되어 사용되고 있다.

현재는 직렬로봇의 단점을 보완한 여러 형태의 병렬로봇이 많이 개발되어 있는바, 병렬로봇(PARALLEL ROBOT)이란 로봇 머니퓰레이터의 말단장치에 해당하는 플랫폼과 바닥에 고정되는 베이스가 직선 구동장치를 포함하는 다 수의 링크에 의해서 폐루프 구조를 이루면서 서로 연결된 로봇을 말한다.

병렬로봇은 대부분 다 수의 링크를 조합하여 물체를 이동시키는 구성이고 물체를 회전시키기 위해서는 별도의 회전체가 필요하며, 작동하기 위한 제어가 복잡한 메커니즘으로 이루어진다.

그리고 첨단기술분야나 의료 분야 등 여러 분야에서 점점 더 높은 정밀도가 요구되고 있으며, 산업 현장에서 보다 정밀하게 위치를 제어할 수 있는 제어장치가 지속적으로 요구되고 있다.

국내 등록특허 제10-1421351호“병렬로봇”

따라서 본 발명은 구조가 간단하면서도 보다 정밀한 변위제어가 가능한 병렬로봇형 정밀위치 제어장치를 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 지면이나 본체프레임에 상에 고정되는 베이스부(6)를 구비하고, 상기 베이스부(6)의 상부에는 적어도 세 개 이상의 제1 리니어모션부(10)를 동일 원주 상에 등각으로 배열되게 고정결합하고 상기 각각의 제1 리니어모션부(10) 상부에는 제2 리니어모션부(20)를 결합하되,

상기 제1 및 제2 리니어모션부(10)(20)는 각각 하부 고정판체(12)(22)과 상부 슬라이드판체(14)(24)으로 구성되며, 서로 간의 상하로 위치되는 제1 리니어모션부(10)와 제2 리니어모션부(20)의 상부 슬라이드판체(14)(24) 간의 직선움직임이 서로 직교되도록 결합하며,

각 제1 리니어모션부(10)에는 슬라이드판체(14)를 선형으로 이송시키는 구동부(50)를 결합구성하고, 각 제2 리니어모션부(20)의 슬라이드판체(24) 상부에는 회전체(30)를 결합구성하며,

회전체(30)의 상부에는 물체를 올리기 위한 무빙플랫폼(40)를 결합하되 하나의 무빙플랫폼(40)으로 상기 회전체(30)들에 모두 연결되게 결합하여,

제어부에 의한 각각의 제1 리니어모션부(10)의 구동부(50) 작동으로 제1 리니어모션부(10)의 상부 슬라이드판체(14)들의 직선 변위를 발생시키면 그 이동된 변위를 기준으로 제2 리니어모션부(20)들의 상부 슬라이드판체(24)의 연계적 직선 변위발생과 회전체(30)들의 연계적 회전으로 무빙플랫폼(40) 상에 올려지는 물체의 위치를 정밀하게 제어할 수 있도록 함을 특징으로 한다.

본 발명은 구동부의 구동으로 직선 운동하는 제1 리니어모션부를 구비하고 제1 리니어 모션부의 상부에는 제2 리니어모션부를 결합하되 서로 직교로 선형이동하도록 하고, 제2 리니어모션부의 상부에 회전체를 결합하며 이러한 상하로 적층배열된 상태의 구성을 다시 동일 평면상의 베이스에 등각으로 3개 이상 배열구성하며, 이러한 상하로 적층배열된 상태의 구성을 다시 동일 평면상의 베이스(6)에 등각으로 3개 이상 배열구성하며, 그에 따라 배열된 회전체(30)들에 모두 연결되게 무빙플랫폼(40)을 결합함으로써 무빙플랫폼(40) 상에 올려지는 물체를 x축 및 y축 방향으로의 이동과 θ각으로 회전이 제어되도록 함으로써 구조가 간단하면서도 보다 정밀한 변위제어가 가능한 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 의한 병렬로봇형 정밀위치 제어장치의 사진도,
도 2는 도 1에서 최상단의 무빙플랫폼을 제거한 상태의 사진 구성도,
도 3은 도 1의 주요부 측면 구성도,
도 4 및 도 5는 제1 리니어모션부의 구성도 및 분해 사진도,
도 6은 본 발명의 실시 예에 의한 병렬로봇형의 작동을 설명하기 위한 도면.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 병렬로봇형 정밀위치 제어장치(2)는 지면이나 본체프레임에 상에 고정되는 베이스부(6)를 구비한다.

상기 베이스부(6)의 상부에는 세 개의 제1 리니어모션부(10)를 결합하되 배치를 함에 있어서 동일 원주 상에 등각을 이루도록 배열되게 고정결합한다.

즉 본 발명의 실시 예에서 제1 리니어모션부(10)의 갯 수는 3개이므로 120°의 각을 이루도록 배치하게 되며, 상기 각 제1 리니어모션부(10)는 모두 동일한 구성을 가진다.

도 3 내지 도 4를 함께 참고하면, 제1 리니어모션부(10)는 하부 고정판체(12)와 상부 슬라이드판체(14)로 구성되어 상부 슬라이드판체(14)는 하부 고정판체(12) 상부에서 선형이동된다. 이때 하부 고정판체(12)와 상부 슬라이드판체(14) 간에는 LM가이드 등과 같은 가이드(G)로 서로 결합되게 설치하여 안정적으로 선형이동되게 한다.

특히 제1 리니어모션부(10)에는 상부 슬라이드판체(14)의 직선(선형) 변위를 발생시키기 위한 구동부(50)를 구성하는바 정밀한 위치제어를 위하여 바람직하게 리니어모터(51)로 구현할 수 있다. 그리고 리니어모터(51) 대신에 볼스크류와 서보모터에 의한 직선운동 혹은 피에조(Piezo)리니어모터에 의한 직선운동 등으로 구현할 수도 있다.

각각의 제1 리니어모션부(10)에 구성되는 구동부(50)는 제어부(미도시)에 의하여 상부 슬라이드판체(14)의 직선 변위의 크기 즉 이동시키는 거리를 개별적으로 제어하게 되며, 그 이동되는 거리는 3개의 슬라이드판체(14)가 각기 다를 수 있다.

구동부(50)를 구성함에 있어서 바람직하게 리니어모터(51)는 쓰는 이유는 슬라이드판체(14)가 하부 고정판체(12)와 직접적인 접촉이 없어 마찰에 의한 손실이 없으며, 전기적인 신호에 의해 그 이동거리를 측정함으로써 움직이는 거리를 보다 정밀하게 제어할 수 있기 때문이다.

이는 위치 제어의 오차범위가 나노급으로 최소화시킬 수 있는바 0.01mm의 이동리의 오차가 발생하더라고 정밀 기계에서는 큰 오차가 될 수 있으므로 이를 방지하게 된다.

제1 리니어모션부(10)에 설치되는 리니어모터(51)는 마그넷유닛(53)과 코일유닛(55)으로 구성되는바, 마그넷유닛(53)은 상부 슬라이드판체(14)의 하부에 “ㄷ”자형의 고정구(53a)를 매개로 두 개의 자석(53b)을 상하로 이격되게 고정결합하여 구성한다.

그리고 코일유닛(55)은 하부 고정판체(14)에 고정하되 코일유닛(55)이 상기 마그넷유닛(53)을 구성하는 상하로 이격된 두 개의 자석(53b) 사이에 위치하도록 하되 자석(53b)과 코일유닛(55) 간에 접촉이 없이 이격되게 결합하여 이동시 마찰에 의 한 오차를 배제시킬 수 있도록 한다.

코일유닛(55)은 코일이 감겨있는 부분에 대하여 에폭시 몰딩처리한 것으로서 몰딩처리하는 이유는 코일이 밖으로 노출되어 있으면 작동중 숏트(에러) 발생될 수 있기 때문에 이를 예방한다.

본 발명에서 제1 리니어모션부(10)의 상부 슬라이드판체(14)의 무게 중심을 가이드(G)의 높이(GH)에 근접하도록 구성하는데 그 이유는 상부 슬라이드판체(14)의 무게의 중심이 가이드(G)를 기준으로 상하로 치우치게 되면 슬라이드 이동시 무게의 의하여 상하로 요동할 수 있게 되며 이는 정밀한 제어에 장애요인이 되므로 이를 방지하게 위함이다.

이를 위해서 리니어모터(51)를 제1 리니어모션부(10)에 결합함에 있어서 도 3을 참고하면, 리니어모터(51)를 구성하는 마그넷유닛(53)은 상부 슬라이드판체(14)의 하부에 결합함에 있어서 가이드(G)의 높이(GH) 보다 아래에 위치되게 결합한다.

마그넷유닛(53)을 구성하는 ‘ㄷ’자형의 고정구(53a)는 스테인레스 재질로 구성할 수 있는데 이는 알루미늄 재질로 구성할 수 있는 상부 슬라이드판체(14)의 무게보다 훨씬 무게가 무거운바, 마그넷유닛(53)이 하부에 결합된 상부 슬라이판체(14)의 무게 중심은 가이드(G)가 위치하는 높이(GH)보다 아래에 위치하게 된다.

그리고 상부 슬라이드판체(14) 상부에는 제2 리니어모션부(20), 회전체(40) 및 무빙플랫폼(40)이 차례로 적층결합됨에 따라 무게가 가중되어 가이드(G)의 높이(GH)를 기준으로 상부로 이동하게 되므로 적층결합 완료된 상태에서 슬라이드판체(14)의 무게중심이 가이드(G)의 높이(GH)에 근접하도록 하는 것이다.

제1 리니어모션부(10)의 슬라이드판체(14)의 이동거리를 정밀하게 제어하기 위해서 리니어 엔코더(60)를 구성한다.

상기 리니어 엔코더(60)는 하부 고정판체(12)의 상부에는 헤드(62)를 결합하고, 상부 슬라이드판체(14)의 하부에는 헤드(62)와 대응되는 위치에 스케일(눈금자)(64)을 결합하여 구현할 수 있다.

스케일(64)은 열팽창계수가 적은 니켈 합금을 사용하는 것이 바람직한바 이는 기계에서 발생하는 열이 스케일(64)에 영향을 주어 팽창하게 되면 정밀한 움직인 거리의 측정에 오차가 발생할 수 있기 때문이다.

다음으로 각각의 제1 리니어모션부(10) 상부에는 제2 리니어모션부(20)를 결합한다.

상기 각 제2 리니어모션부(20)도 모두 동일한 구성을 가지는 것으로서 제1 리니어모션부(10)와 마찬가지로 하부 고정판체(22)과 상부 슬라이드판체(24)으로 구성되어 상부 슬라이드판체(24)는 하부 고정판체(22) 상부에서 선형 이동되며, 하부 고정판체(22)과 상부 슬라이드판체(24) 간에는 가이드(G)로 서로 결합되게 설치하여 안정적으로 선형이동되게 한다.

이때 제2 리니어모션부(20)를 제1 리니어모션부(10) 상부에 결합함에 있어서, 상부 슬라이드판체(14)(24) 간의 직선움직임이 서로 직교되도록 결합한다.

여기서 제2 리니어모션부(20)에는 상부 슬라이드판체(24)를 선형으로 이동시키기 위한 별도의 구동부를 구성하지 않는바, 그 이유는 후술하기로 한다.

다음으로 각 제2 리니어모션부(20)의 슬라이드판체(24) 상부에는 회전체(30)를 구성하고, 회전체(30)의 상부에는 무빙플랫폼(40)을 결합하되 하나의 무빙플랫폼(40)이 상기 3개의 회전체(30)들에 모두 연결되게 결합한다.

무빙플랫폼(40)은 정밀하게 위치되어야 할 물체를 올려놓기 위한 선반에 해당하는 구성요소이다.

상기 구성의 본 발명 병렬로봇형 정밀위치 제어장치(2)는 궁극적으로 무빙플랫폼(40) 상에 올려진 물체의 정밀한 위치제어에 있는 것으로서 그 작동과정 설명하면 다음과 같다.

먼저 무빙플랫폼(40)이 3개의 회전체(30)들에 모두 연결됨에 따라 무빙플랫폼(30)의 정밀한 변위 제어는 최초 3개의 제1 리니어모션부(10)의 슬라이드판체(14)의 변위 발생으로부터 이루어지는 것으로서 제1 리니어모션부(10)의 3개의 모터가 동시에 작동함에 따라 상부 슬라이드판체(14)들의 변위발생에 의해 이루어지게 된다.

그와 동시에 제1 리니어모션부(10)의 슬라이드판체(14) 상부에 결합된 3개의 제2 리니어모션부(20)의 슬라이드판체(24) 간의 변위 발생으로 이어지고 그 상부에 결합된 3개의 회전체(30) 간의 회전에 의한 유기적 연동으로 이어지게 되며 결국에는 회전체에 결합된 무빙플랫폼(40)에 올려진 물체는 (x, y, θ) 값으로 정밀하게 좌표이동하게 된다.

도 6을 참고하여 보다 자세히 설명하면,

무빙플랫폼(60) 상에 올려진 물체를 원하는 최종 좌표(x, y, θ)가 정해지면 그 최초 좌표에서 최종 좌표로 이동시키기 위한 (M1,M2, M3)의 이동 거리를 계산하게 되며, 그 계산에 의하여 제어부는 물체가 최종 좌표(x, y, θ)를 향해 갈 수 있도록 하기 위해 제어부는 각각의 제1 리니어모션부(10)의 상부 슬라이드판체(14)가 움직여야 할 변위를 아래의 계산식에 의하여 계산하고 그 계산결과에 따라 각각의 제1 리니어모션부(10)의 구동부(50)를 구동시키게 된다.

(x, y, θ) = f(M1, M2, M3)

상기와 같이 변위제어는 3개의 모터의 구동으로 x축과 y축 및 θ(회전)이 이루어짐으로써 x축과 y축의 변위발생시 생기는 생길 수 있는 오차에 대하여 θ(회전)으로 오차의 보정이 이루어져 정밀한 위치제어가 가능하다.

한편, 베이스판(6)과 무빙플랫폼(40)의 중심부에는 투광홀(6a)(40a)을 형성할 수 있다. 투광홀(6a)(40a)은 무빙플랫폼(40) 상부에 생물체나 광물 등의 표본인 프레파라트를 올려 현미경으로 정밀 분석하고자 할 때 정밀한 위치의 제어가 필요하거나 또는 레이져를 이용하는 의료장비나 레이져를 이용한 물체의 정밀가공에 활용될 수 있다.

상기와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 병렬로봇형 정밀위치 제어장치(2)는 구동부(50)의 구동으로 직선 운동하는 제1 리니어모션부(10)를 구비하고 제1 리니어 모션부의 상부에는 제2 리니어모션부(20)를 결합하되 서로 직교로 선형이동하도록 하고, 제2 리니어모션부(20)의 상부에 회전체(30)를 결합하며 이러한 상하로 적층배열된 상태의 구성을 다시 동일 평면상의 베이스(6)에 등각으로 3개 이상 배열구성하며, 그에 따라 배열된 회전체(30)들에 모두 연결되게 무빙플랫폼(40)을 결합함으로써 무빙플랫폼(40) 상에 올려지는 물체를 x축 및 y축 방향으로의 이동과 θ각으로 회전이 제어되도록 함으로써 구조가 간단하면서도 보다 정밀한 변위제어가 가능하게 된다.

상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시할 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위 및 그 특허청구범위와 균등한 것에 의해 정해 져야 한다.

본 발명은 초정밀 위치제어분야에 이용될 수 있다.

(2)--병렬로봇형 정밀위치 제어장치
(6)--베이스부 (10)--제1 리니어모션부
(12)--하부 고정판체 (14)--상부 슬라이드 판체
(20)--제2 리니어모션부 (22)-- 하부 고정판체
(24)--상부 슬라이드판체 (30)--회전체
(40)--무빙플랫폼 (50)--구동부
(51)--리니어 모터 (53)--마그넷유닛
(53a)--고정구 (53b)--자석
(55)--코일유닛 (60)--리니어 엔코더
(62)--헤드 (64)--스케일
(G)--가이드

Claims

지면이나 본체프레임에 상에 고정되는 베이스부(6)를 구비하고, 상기 베이스부(6)의 상부에는 적어도 세 개 이상의 제1 리니어모션부(10)를 동일 원주 상에 등각으로 배열되게 고정결합하고 상기 각각의 제1 리니어모션부(10) 상부에는 제2 리니어모션부(20)를 결합하되,
상기 제1 및 제2 리니어모션부(10)(20)는 각각 하부 고정판체(12)(22)과 상부 슬라이드판체(14)(24)으로 구성되며, 서로 간의 상하로 위치되는 제1 리니어모션부(10)와 제2 리니어모션부(20)의 상부 슬라이드판체(14)(24) 간의 직선움직임이 서로 직교되도록 결합하며,
각 제1 리니어모션부(10)에는 슬라이드판체(14)를 선형으로 이송시키는 구동부(50)를 결합구성하고, 각 제2 리니어모션부(20)의 슬라이드판체(24) 상부에는 회전체(30)를 결합구성하며,
회전체(30)의 상부에는 물체를 올리기 위한 무빙플랫폼(40)를 결합하되 하나의 무빙플랫폼(40)으로 상기 회전체(30)들에 모두 연결되게 결합하여,
제어부에 의한 각각의 제1 리니어모션부(10)의 구동부(50) 작동으로 제1 리니어모션부(10)의 상부 슬라이드판체(14)들의 직선 변위를 발생시키면 그 이동된 변위를 기준으로 제2 리니어모션부(20)들의 상부 슬라이드판체(24)의 연계적 직선 변위발생과 회전체(30)들의 연계적 회전으로 무빙플랫폼(40) 상에 올려지는 물체의 위치를 정밀하게 제어할 수 있도록 함을 특징으로 하는 병렬로봇형 정밀위치 제어장치.
제1항에 있어서,
각 제1 리니어모션부(10)의 구동부(50)는 리니어모터에 의한 직선구동, 볼스크류와 서보모터에 의한 직선운동, 피에조 리니어모터에 의한 직선구동 중 어느 하나로 구동되게 구성함을 특징으로 하는 병렬로봇형 정밀위치 제어장치.
제1항에 있어서,
제1 리니어모션부(10)의 상부 슬라이드판체(14)의 무게중심이 가이드(G)를 기준으로 하부에 위치되게 하며, 상부 슬라이드판체(14) 상부에 제2 리니어모션부(20), 회전체(40) 및 무빙플랫폼(40)이 차례로 적층결합됨에 따라 무게가 가중되어 가이드(G)의 높이(GH)를 기준으로 상부로 이동하게 하여 적층결합 완료된 상태에서 슬라이드판체(14)의 무게중심이 가이드(G)의 높이(GH)에 근접하도록 구성함을 특징으로 하는 병렬로봇형 정밀위치 제어장치.
제3항에 있어서,
제1 리니어모션부(10)에 설치되는 구동부(50)는 마그넷유닛(53)과 코일유닛(55)으로 구성되는 리니어모터(51)로 구현하되, 상기 마그넷유닛(53)은 상부 슬라이드판체(14)의 하부에 “ㄷ”자형의 고정구(53a)를 매개로 두 개의 자석(53b)을 상하로 이격되게 고정결합하여 구성하고,
상기 코일유닛(55)은 하부 고정판체(14)에 고정하되 코일유닛(55)이 상기 마그넷유닛(53)을 구성하는 상하로 이격된 두 개의 자석(53b) 사이에 위치하도록 하되 자석(53b)과 코일유닛(55) 간에 접촉이 없이 이격되게 결합하여 이동시 마찰에 의 한 오차를 배제시킬 수 있도록 하며,
상부 슬라이드판체(14)의 하부에 결합되는 마그넷유닛(53)은 가이드(G)의 높이(GH) 보다 아래에 위치되게 결합하여 마그넷유닛(53)이 하부에 결합된 상부 슬라이판체(14)의 무게 중심은 가이드(G)가 위치하는 높이(GH)보다 아래에 위치하도록 함을 특징으로 하는 병렬로봇형 정밀위치 제어장치.
제1항에 있어서,
각 제1 리니어모션부(10)의 하부 고정판체(12)에는 헤드(62)를 결합하고, 상부 슬라이드판체(14)의 하부에는 헤드(62)와 대응되는 위치에 스케일(눈금자)(64)을 결합하여 구성되는 리니어 엔코더(60)를 설치하여 슬라이드판체(14)의 이동거리를 정밀하게 제어하도록 함을 특징으로 하는 병렬로봇형 정밀위치 제어장치.
제1항에 있어서,
베이스판(6)과 상부 무빙플랫폼(40)의 중심부에는 투광홀(6a)(40a)을 형성하여 구성됨을 특징으로 하는 병렬로봇형 정밀위치 제어장치.