KR20170112263A

KR20170112263A - Rescue robot end-effector having passive compliance structure

Info

Publication number: KR20170112263A
Application number: KR1020160039087A
Authority: KR
Inventors: 이상문; 최정현; 곽정환; 홍대한; 이익호; 안진웅
Original assignee: 재단법인대구경북과학기술원
Priority date: 2016-03-31
Filing date: 2016-03-31
Publication date: 2017-10-12

Abstract

본 발명은 수동 컴플라이언스 구조물을 가지는 구난로봇용 말단장치에 관한 것으로서, 구난로봇이 부상자를 구난할 때 상해를 방지하고 효과적인 구난이 가능하도록 하는 구난로봇용 말단장치를 제공한다.
본 발명에 따르면, 수동 컴플라이언스 구조를 사용함에 따라 부상자의 구난 작업을 위해 말단장치가 신체와 바닥면 사이에 삽입 시에 형상이 변화하거나 움직일 수 있도록 구현하여, 구난 작업 시에 인체의 2차 상해를 방지하고 외부 장애물을 극복할 수 있으며 효과적인 구난 작업을 가능하게 하며 작업 효율을 높이는 이점이 있다.The present invention relates to an end-effector device for a rescue robot having a passive compliance structure, which provides an end-effector device for a rescue robot that prevents injuries and enables effective rescue when the rescue robot saves an injured person.
According to the present invention, by using the passive compliance structure, the end device can be changed or moved when inserted between the body and the floor for the recovery of the injured person, so that the second injury of the human body Avoiding external obstacles, enabling effective rescue work, and improving work efficiency.

Description

[0001] Rescue robot end-effector having passive compliance structure with passive compliance structure [

본 발명은 수동 컴플라이언스 구조물을 가지는 구난로봇용 말단장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 부상자의 구난 작업 시에 인체 상해를 방지하고 외부 장애물을 극복할 수 있는 수동 컴플라이언스 구조물을 가지는 구난로봇용 말단장치에 관한 것이다.The present invention relates to an end device for a rescue robot having a passive compliance structure, and more particularly, to an end device for a rescue robot having a passive compliance structure capable of preventing human injury and overcoming external obstacles during a rescue operation of a wounded person .

환자를 침대 혹은 지면에서 다른 장소로 들고 이송이 필요할 경우 기존에는 의사나 간호사가 직접 환자를 들고 옮긴다. 이렇게 수작업으로 환자를 이송할 경우 이송자의 척추, 근육에 부상을 초래할 수 있으며 이를 대체하기 위하여 최근에 들어 간호 보조 로봇(RoNA_Hstar Technologies, Inc.)이 개발되고 있다.If a patient needs to be transported from bed or floor to another, a physician or nurse will carry it directly. In this way, when handing the patient by hand, it can cause injuries to the spine and muscles of the transporter. To replace this, a nursing assistant robot (RoNA_Hstar Technologies, Inc.) is being developed.

사람을 들고 옮기는 간호 보조 로봇과 비슷한 형태로 테러나 전쟁 등 임무 수행 중 부상병이 발생하였을 때 이를 구난하기 위하여 기존에는 추가적인 병력이 투입되고 있으나 병력손실의 위험이 있다. 이를 대체하기 위해 최근에는 실전배치를 목적으로 구난로봇(Bear Robot_Vecna Technologies, Inc)이 개발되고 있다. It is similar to a nursing assistant robot that carries a person, but in order to rescue a wounded person in the course of a terrorist attack or a war, an additional troop has already been put in, but there is a risk of loss of troops. In order to replace it, Bear Robot_Vecna Technologies, Inc. (Bear Robot_Vecna Technologies, Inc) is being developed recently.

사람을 뜨고 이송하는 이러한 로봇의 구조는 크게 이동 플랫폼과 로봇의 팔을 구성하는 매니퓰레이터(Manipulator)와 매니퓰레이터 끝에 장착되어 다양한 작업을 구현하는 말단장치(End-Effector)로 구성되어 있다. The structure of these robots that move and move people consists largely of a manipulator that constitutes the mobile platform and the arm of the robot, and an end-effector which is mounted at the end of the manipulator to implement various tasks.

이러한 말단장치는 누워 있는 사람의 등 뒤와 지면 사이의 좀은 틈을 비집고 삽입되기 용이하도록 얇고 넓은 형태로 되어 있다. 하지만, 얇고 넓은 구조의 말단장치에 의해 삽입 시 인체 상해의 우려가 있으며 옷깃이나 지면의 장애물을 극복하고 삽입되기 어려운 구조를 가진다. Such an end-piece is thin and wide in shape to facilitate insertion of a gap between the back of the person lying on the ground and the ground. However, there is a fear of human injury when inserting by a terminal device having a thin and wide structure, and it is a structure that is difficult to overcome the obstacle of the collar or the ground and to be inserted.

본 발명의 배경이 되는 기술은 한국공개특허 제2016-0032417호(2016.03.24 공개)에 개시되어 있다.The technology of the background of the present invention is disclosed in Korean Patent Laid-Open Publication No. 2016-0032417 (published on March 23, 2016).

본 발명은 수동 컴플라이언스 구조를 적용하여 인체 상해를 방지하고 외부 장애물을 극복할 수 있는 수동 컴플라이언스 구조물을 가지는 구난로봇용 말단장치를 제공하는데 목적이 있다.An object of the present invention is to provide an end device for a rescue robot having a passive compliance structure capable of preventing a human injury and overcoming an external obstacle by applying a passive compliance structure.

본 발명은 수동 컴플라이언스 구조물을 가지는 구난로봇용 말단장치를 제공한다.The present invention provides an end device for a rescue robot having a passive compliance structure.

본 발명에 따른 수동 컴플라이언스 구조물을 가지는 구난로봇용 말단장치에 따르면, 수동 컴플라이언스 구조를 적용하여 부상자의 구난 작업 시에 인체의 상해를 방지하고 외부 장애물을 극복할 수 있으며 구난 작업 시 2차 상해를 방지하고 효과적인 구난 작업을 가능하게 하는 이점이 있다.According to the end device for a rescue robot having a passive compliance structure according to the present invention, a passive compliance structure is applied to prevent injuries to the human body during recovery of a wounded person, to overcome external obstacles, and to prevent secondary injury There is an advantage to make effective rescue work possible.

도 1은 구난용 말단장치의 비정상적인 삽입 위치를 설명하는 도면이다.
도 2는 구난용 말단장치의 비정상적인 삽입 각도를 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수동 컴플라이언스 구조물을 가지는 구난로봇용 말단장치를 도시한 도면이다.
도 4는 도 3의 말단장치에서 삽입방향의 상해방지 개념과 Pitch 방향의 비정상적인 삽입각도를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 도 3의 말단장치에서 3방향의 수동 컴플라이언스 구조물을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 수동 컴플라이언스 구조물을 가지는 구난로봇용 말단장치를 도시한 도면이다.
도 7은 도 6의 말단장치에 포함된 수동 컴플라이언스와 힘측정 모듈을 나타낸 도면이다.
도 8은 도 6의 말단장치에 포함된 3방향의 수동 컴플라이언스 구조물을 나타낸 도면이다.1 is a view for explaining an abnormal insertion position of a resilient end device.
Fig. 2 is a view for explaining an abnormal insertion angle of the resilient end device. Fig.
3 is a view showing an end device for a rescue robot having a passive compliance structure according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a view for explaining an injury prevention concept in the insertion direction and an abnormal insertion angle in the pitch direction in the end device of FIG. 3. FIG.
Figure 5 is a diagram illustrating a three-way passive compliance structure in the end device of Figure 3;
FIG. 6 is a view showing an end device for a rescue robot having a passive compliance structure according to a second embodiment of the present invention. FIG.
7 is a diagram illustrating a manual compliance and force measurement module included in the end device of FIG.
Figure 8 is a view of the three-way passive compliance structure included in the end device of Figure 6;

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention.

본 발명은 수동 컴플라이언스 구조물을 가지는 구난로봇용 말단장치에 관한 것으로서, 구난로봇이 부상자를 구난할 때 상해를 방지하고 효과적인 구난이 가능하도록 하는 구난용 말단장치를 제공한다. 또한 이를 위하여 구난작업시 부상자의 상해를 방지하고 효과적인 구난작업을 고려하여 말단장치에 요구되는 조건을 제시한다.The present invention relates to an end-effector device for a rescue robot having a passive compliance structure, which provides a rescue end device that prevents injury and enables effective rescue when a rescue robot rescues an injured person. To this end, the injured person is prevented from being injured during the rescue work, and the conditions required for the end device are presented in consideration of effective rescue operation.

효과적인 구난작업을 위하여 구난용 말단장치는 다음과 같은 기능적인 요구조건이 필요하다. 도 1은 구난용 말단장치의 비정상적인 삽입 위치를 설명하는 도면이고, 도 2는 구난용 말단장치의 비정상적인 삽입 각도를 설명하는 도면이다. For effective rescue operations, rescue end devices require the following functional requirements: Fig. 1 is a view for explaining an abnormal insertion position of a rescue end device, and Fig. 2 is a view for explaining an abnormal insertion angle of the rescue end device.

첫 번째 요구조건은 도 1과 같이 구난용 말단장치가 바닥면과 신체 사이로 진입하지 않고 신체의 특정부위(팔,옆구리, 허벅지)를 누를 때, 이를 감지하고 신체에 가하는 힘을 줄일 수 있는 구조가 필요하다. The first requirement is that the rescue end device detects the body part (arms, side, thighs) without entering between the floor and the body and reduces the force applied to the body need.

두 번째 요구조건은 도 2와 같이 구난용 말단장치가 지면과 평행하게 삽입되지 않을 시 삽입의 성공률을 높이고, 상해 방지를 위하여 말단장치가 신체와 접촉되는 각도에 따라 회전될 수 있도록 손목부에 대한 3축 수동 회전(Roll, Pitch, Yaw)이 가능한 구조가 필요하다. The second requirement is to increase the success rate of insertion when the rescue end device is not inserted parallel to the ground as shown in FIG. 2, and to prevent the injury of the wrist portion A structure capable of three-axis manual rotation (roll, pitch, yaw) is required.

이하에서는 상술한 기능적인 요구조건을 모두 만족하고 구난에 용이한 말단장치의 두 가지 실시예에 관하여 상세히 설명한다. Hereinafter, two embodiments of end devices that satisfy all of the above-mentioned functional requirements and are easy to rescue will be described in detail.

본 발명의 제1 실시예의 경우 구난로봇에 사용되는 말단장치로서 그 형상이 변화하고 상해방지와 효과적인 구난작업을 위하여, 유연체의 구조물을 가지며 힘 센서가 내장된 구성을 가진다. 본 발명의 제2 실시예의 경우 동일 목적을 위하여 수동 컴플라이언스와 힘센서가 내장된 구성을 가진다.In the first embodiment of the present invention, the distal end device used in the rescue robot has a configuration in which a shape of the distal end device is changed and a force sensor is embedded in a flexible structure for preventing injury and effective rescue operation. The second embodiment of the present invention has a configuration in which a manual compliance and a force sensor are built in for the same purpose.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 수동 컴플라이언스 구조물을 가지는 구난로봇용 말단장치를 도시한 도면이다. 도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 구난용 말단장치는, 연성의 재질로 구현된 유연제 구조물(고무 or 실리콘)을 가지며, 외력에 의해 말단 장치의 변형 정도를 측정하는 힘 센서(FSR 센서)가 내장되어 있다.3 is a view showing an end device for a rescue robot having a passive compliance structure according to a first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, the end effector according to the first embodiment of the present invention includes a softening structure (rubber or silicone) embodied in a soft material, a force sensor for measuring a degree of deformation of the end device by an external force, (FSR sensor) is built in.

도 4는 도 3의 말단장치에서 삽입방향의 상해방지 개념과 Pitch 방향의 비정상적인 삽입각도를 설명하기 위한 도면이고, 도 5는 도 3의 말단장치에서 3방향의 수동 컴플라이언스 구조물을 나타낸 도면이다.FIG. 4 is a view for explaining an injury prevention concept in an insertion direction and an abnormal insertion angle in a pitch direction in the end device of FIG. 3, and FIG. 5 is a diagram illustrating a three-way passive compliance structure in the end device of FIG.

도 4와 같이, 구난용 말단장치가 삽입방향으로 신체와 접촉시 말단장치의 구조물은 강체가 아니기 때문에 형상이 변화하면서 휘게 된다. 이때, 형상이 변하는 강성은 내부에 심 구조를 적용하여 요구되는 강성을 조절할 수 있다. 도 4에서 유연체 강성을 조절하는 심이 유연체 내부에 구비된 것을 확인할 수 있다.As shown in FIG. 4, when the rescue end device is in contact with the body in the inserting direction, the structure of the end device is not a rigid body, so that the shape is bent while being changed. At this time, the stiffness changing shape can be controlled by applying the core structure to the inside. In FIG. 4, it can be seen that a shim to control the rigidity of the flexible body is provided inside the flexible body.

이러한 구조를 사용할 경우 삽입방향의 외력뿐만 아니라 비정상적인 삽입각도에 의해 생성되는 외력이 말단장치에 작용될 때에도 말단장치가 도 5와 같이 휘어질 수 있으므로 부상자의 상해를 방지하고 효과적인 구난작업이 가능해진다.When such a structure is used, not only the external force in the insertion direction but also the external force generated by the abnormal insertion angle acts on the distal end device, the distal end device can be bent as shown in FIG. 5, thereby preventing injury to the wounded person and enabling effective rescue operation.

뿐만 아니라 말단장치 구조물 내부에 FSR센서 등의 힘 센서를 이용하여 구조물의 휨 정도나 비틀림 정도와 비례되는 힘을 측정하거나 수직방향으로 부과되는 힘을 측정할 수 있다. 이를 통하여 말단장치가 신체와 접촉되는 각도에 따라 수동회전이 가능하고 그때의 힘을 측정할 수 있는 유연체 구조물의 말단장치를 제공한다.In addition, a force sensor such as an FSR sensor can be used to measure the force proportional to the degree of bending or twisting of the structure or to measure the force applied in the vertical direction. Thereby providing a distal end device of a flexible body structure capable of manual rotation according to the angle at which the end device contacts the body and measuring the force at that time.

이와 같은 본 발명의 제1 실시예에 따른 말단 장치는 로봇의 팔이 고강성임을 고려할 때 말단장치에서 여러 방향의 하중에 대하여 수동으로 형상이 변화하는 구조를 적용함으로써 상기의 요구조건을 만족하고 효과적인 구난작업이 가능하다. 또한 강체 구조의 일반적인 말단장치와 달리, 본 발명에 제시된 유연체의 구조물을 갖고 변형되는 정도에 따른 힘을 측정할 수 있는 힘측정 센서가 내장된 말단장치를 이용하여 로봇의 조작자는 부상자의 상해 없이 안전하고 효과적인 구난작업이 가능하다.In the end device according to the first embodiment of the present invention, when the arm of the robot is considered to have high rigidity, a structure in which the shape is manually changed with respect to loads in various directions in the end device is applied, Saving work is possible. In addition, unlike a general end device of a rigid structure, a distal end device incorporating a force measuring sensor capable of measuring a force according to a degree of deformation of a flexible structure disclosed in the present invention allows a robot operator to operate the robot without injury Safe and effective rescue work is possible.

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 수동 컴플라이언스 구조물을 가지는 구난로봇용 말단장치를 도시한 도면이다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 구난용 말단장치는, 컴플라이언스 구현이 가능한 구조물(고무 or 실리콘)과 볼 조인트를 가지며, 삽입 방향 및 회전의 수동 컴플라이언스가 적용된 구조를 제공한다.FIG. 6 is a view showing an end device for a rescue robot having a passive compliance structure according to a second embodiment of the present invention. FIG. 6, a rescue end device according to a second embodiment of the present invention provides a structure having a structure (rubber or silicon) capable of compliance and a ball joint, and a manual compliance of insertion direction and rotation is applied .

도 7은 도 6의 말단장치에 포함된 수동 컴플라이언스와 힘측정 모듈을 나타낸 도면이다. 도 7과 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 구난용 말단장치는, 삽입방향의 수동 컴플라이언스가 신체와 접촉시 신체에 가하는 힘을 측정하는 삽입방향 힘측정 모듈이 존재하며 이에 따라 첫 번째 요구조건을 만족시킬 수 있다. 7 is a diagram illustrating a manual compliance and force measurement module included in the end device of FIG. 7, there is an insertion direction force measurement module for measuring a force applied to the body when the manual compliance in the insertion direction is made in contact with the body, and accordingly, the first requirement Condition can be satisfied.

도 8은 도 6의 말단장치에 포함된 3방향의 수동 컴플라이언스 구조물을 나타낸 도면이다. 도 8은 구난용 말단장치가 비정상적인 삽입각도에 의해 생성되는 외력에 의하여 수동으로 움직일 수 있는 구조를 나타낸다. Figure 8 is a view of the three-way passive compliance structure included in the end device of Figure 6; 8 shows a structure in which the resilient end device can be manually moved by an external force generated by an abnormal insertion angle.

도 8을 참조하면, 삽입방향의 수동 컴플라이언스 구조물 외에 로봇의 손목끝단과 말단장치 사이에 3방향(Roll/Pitch/Yaw)의 수동 컴플라이언스 구조물이 존재한다. 이를 통하여 말단장치가 신체와 접촉되는 각도에 따라 회전될 수 있으며 두 번째 요구조건을 만족시킬 수 있다.Referring to Figure 8, in addition to the manual compliance structure in the insertion direction, there exists a three-way (Roll / Pitch / Yaw) passive compliance structure between the wrist end and the end apparatus of the robot. This allows the end device to be rotated according to the angle of contact with the body and can satisfy the second requirement.

이와 같은 본 발명의 제2 실시예에 따른 말단 장치는 로봇의 팔이 고강성임을 고려할 때 말단장치에서 여러 방향에 대한 수동 컴플라이언스를 적용함으로써 상술한 두 가지 요구조건을 만족하고 효과적인 구난작업이 가능하다. 이와 같이 수동 컴플라이언스 구조물과 힘측정 센서가 내장된 말단장치를 이용하여 로봇의 조작자는 부상자의 상해없이 안전하고 효과적인 구난작업이 가능하다.In the end device according to the second embodiment of the present invention, when the arm of the robot is high-strength, manual compliance with various directions is applied to the end device, thereby satisfying the two requirements described above and enabling an efficient rescue operation . Using the end-effector with built-in passive compliance structure and force measurement sensor, the operator of the robot is able to perform safe and effective rescue operations without injuring the wounded person.

이상과 같은 본 발명에 따른 수동 컴플라이언스 구조물을 가지는 구난로봇용 말단장치에 따르면, 수동 컴플라이언스 구조를 적용하여 구난 작업 시에 신체에 가하는 힘을 줄일 수 있고 신체와 접촉되는 각도에 따라 변형될 수 있어 인체의 상해를 방지하고 외부 장애물을 극복할 수 있는 로봇핸드를 제공할 수 있고 부상자의 구난 작업 시 2차 상해를 방지하고 효과적인 구난 작업을 가능하게 한다.According to the end device for a rescue robot having the passive compliance structure according to the present invention, the force applied to the body during the rescue operation can be reduced by applying the passive compliance structure, and the rescue robot can be deformed according to the angle of contact with the body. The robot hand which can prevent the injury of the injured person and overcome the external obstacle can be provided. In addition, it is possible to prevent the second injury in the rescue operation of the injured person and to enable effective rescue work.

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.While the present invention has been described with reference to exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the appended claims. Accordingly, the true scope of the present invention should be determined by the technical idea of the appended claims.

Claims

End devices for rescue robots with passive compliance structures.