KR20180087629A - Positioning robot - Google Patents
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Abstract
Description
아래의 설명은 포지셔닝 로봇에 관한 것이다.The following description relates to a positioning robot.
의료 분야, 산업 분야 등 다양한 분야에서, 로봇이 사용되어 오고 있다. 예를 들면, 의료 분야에서는, 수술 로봇 시스템의 슬레이브(Slave) 시스템의 일부로, 수술 도구(surgical instrument) 및 로봇 암(robot arm)의 위치를 자유롭고 안정적으로 위치시켜줄 수 있는 위치 조절 암(positioning arm)을 포함하는 지지 장치가 사용되고 있다. Robots have been used in various fields such as medical field and industrial field. For example, in the medical field, a positioning arm, which is part of a slave system of a surgical robot system and can position a surgical instrument and a robot arm freely and stably, Is used.
회전 2자유도가 존재하는 위치 조절 암은 일반적으로 많이 사용되며, 복강경 수술 로봇, 다빈치 시스템(Da Vinci system) 등 수술 로봇 등에서 널리 사용된다. Positioning arms with two degrees of freedom are commonly used, and are widely used in surgical robots such as laparoscopic surgery robots and da Vinci systems.
위와 같은 위치 조절 암의 자중, 또는 위치 조절 암에 로딩(loading)되는 인스트루먼트(instrument) 등의 무게는, 위치 조절 암의 조인트에 작용하여 중력 토크를 발생시킨다. 이러한 중력 토크는 위치 조절 암의 자세를 변경시킬 수 있으므로, 위치 조절 암의 자세를 일정하게 유지하기 위하여는 중력 토크를 보상해주는 카운터 밸런싱 메커니즘이 적용될 필요가 있으며, 예를 들어, 사용자가 위치 조절 암을 버티는 힘을 제공하거나 브레이크, 모터, 스프링, 카운터 매스 등이 사용될 수 있다.The weight of the position adjusting arm or the weight of the instrument loaded in the position adjusting arm acts on the joint of the position adjusting arm to generate a gravity torque. In order to keep the position of the position adjusting arm constant, it is necessary to apply a counter balancing mechanism for compensating the gravity torque. For example, when the user moves the position adjusting arm A brake, a motor, a spring, a counter mass, or the like may be used.
하지만, 브레이크를 이용하여 고정하는 방법의 경우, 브레이크를 풀고 조이는 과정이 요구되어 사용 편의성이 떨어지고 또한, 위치 조절 암의 위치를 조절하기 위하여 브레이크를 풀었을 때, 여전히 위치 조절 암의 무게를 사람이 견뎌야 하는 문제가 있었다.However, in the case of the method using the brakes, when the brakes are unfastened to adjust the position of the position adjusting arm, the weight of the position adjusting arm still needs to be adjusted by a person There was a problem to endure.
모터 등의 액추에이터를 이용한다 하더라도 과도한 부하가 걸리는 문제가 있었으며, 이를 극복하기 위하여 가격이 비싸고 부피가 커지며, 부피에 비하여 비효율적이라는 문제가 있었다.There is a problem that an excessive load is applied even if an actuator such as a motor is used. To cope with this problem, there is a problem that the price is high, the volume is large, and the efficiency is inefficient compared with the volume.
스프링의 경우, 스프링의 보상력이 위치 조절 암의 움직임에 따라서, 비선형적으로 달리지게 되므로, 정확한 보상이 쉽지 않으며, 스프링의 피로에 의해 성능의 변화가 발생하는 문제점이 있었다.In the case of the spring, the compensating force of the spring is non-linearly changed according to the movement of the position adjusting arm, so that it is difficult to accurately compensate and there is a problem that the performance is changed due to the fatigue of the spring.
또한, 카운터 매스를 다자유도 기구에 설치할 경우, 일반적으로 하나의 자유도마다 한 개의 카운터 매스가 설치되어야 했고, 이에 따라서, 추가적인 무게의 증가로 구동 토크가 증가한다는 문제점이 있었다.In addition, when the counter masses are installed in the multi-degree-of-freedom mechanism, generally one counter mass is required for one degree of freedom, and accordingly, the driving torque is increased due to an increase in the additional weight.
일 실시 예의 목적은, 포지셔닝 로봇을 제공하는 것이다.An object of one embodiment is to provide a positioning robot.
일 실시 예의 포지셔닝 로봇은, 1개의 평면 상에서 적어도 2자유도 움직임을 갖는 작용 단부를 포함하는 링크 구조; 및 상기 링크 구조 상에서 상기 작용 단부의 반대편에 위치하는 1개의 카운터 매스를 포함하고, 상기 링크 구조에 외력이 작용하지 않으면, 상기 링크 구조가 일정한 상태를 유지하는 것을 특징으로 할 수 있다.A positioning robot of an embodiment includes a link structure including an action end having at least two degrees of freedom movement on one plane; And one counter mass located on the opposite side of the action end on the link structure, and when the external force does not act on the link structure, the link structure maintains a constant state.
일 실시 예의 포지셔닝 로봇은, 상기 링크 구조가 상기 1개의 평면 상에서 회전 가능하도록 연결되는 고정 축을 구비한 베이스를 더 포함하고The positioning robot of one embodiment further includes a base having a fixed shaft to which the link structure is rotatably connected on the one plane
상기 링크 구조는, 상기 고정 축에 대하여 회전 가능한 제 1 메인 회전 암; 상기 고정 축에 대하여 회전 가능한 제 2 메인 회전 암; 상기 제 2 메인 회전 암에 회전 가능하게 연결되는 제 1 작용 암; 상기 제 1 메인 회전 암에 회전 가능하게 연결되는 제 2 작용 암; 상기 제 2 작용 암 및 상기 제 2 메인 회전 암 사이에 각각 회전 가능하게 연결되는 제 1 작용 암; 상기 제 2 메인 회전 암에 회전 가능하게 연결되는 제 1 보상 암; 및 상기 제 1 보상 암 및 상기 제 2 메인 회전 암 사이에 각각 회전 가능하게 연결되는 제 2 보상 암을 포함할 수 있다.The link structure includes: a first main rotation arm rotatable with respect to the fixed shaft; A second main rotation arm rotatable with respect to the fixed shaft; A first actuating arm rotatably connected to the second main rotating arm; A second actuating arm rotatably connected to the first main rotating arm; A first acting arm rotatably connected between the second working arm and the second main rotating arm, respectively; A first compensation arm rotatably connected to the second main rotation arm; And a second compensation arm rotatably connected between the first compensation arm and the second main rotation arm, respectively.
상기 제 1 메인 회전 암, 제 1 작용 암 및 제 2 보상 암은 서로 평행하고, 상기 제 2 메인 회전 암, 제 2 작용 암 및 제 1 보상 암은 서로평행할 수 있다.The first main rotating arm, the first working arm, and the second compensating arm may be parallel to each other, and the second main rotating arm, the second working arm, and the first compensating arm may be parallel to each other.
상기 작용 단부는 상기 제 1 작용 암 및 제 2 작용 암 중 어느 하나에 배치되고, 상기 카운터 매스는 상기 제 1 보상 암 및 제 2 보상 암 중 어느 하나에 배치될 수 있다. The action end may be disposed in either the first action arm or the second action arm, and the counter mass may be disposed in any one of the first compensation arm and the second compensation arm.
상기 작용 단부에 설치되고 사용자가 조작 가능한 핸들을 더 포함할 수 있다.And a handle provided on the working end and operable by a user.
상기 작용 단부는, 상기 제 1 작용 암의 단부에 설치되고, 상기 카운터 매스는 상기 제 1 보상 암 상에서, 상기 제 1 메인 회전 암 및 상기 제 1 보상 암의 연결부로부터 제 1 길이만큼 이격된 위치에 설치되고, 상기 카운터 매스의 질량 및 상기 제 1 길이는 하기 수학식에 따라 결정될 수 있다.Wherein the working end is provided at an end of the first working arm and the counter mass is located on the first compensating arm at a position spaced apart from the connecting portion of the first main rotating arm and the first compensating arm by a first length And the mass and the first length of the counter mass can be determined according to the following equation.
[수학식 1][Equation 1]
[수학식 2]&Quot; (2) "
(여기서, (here,
M1: 카운터 매스의 질량, M 1 : mass of the counter mass,
M2: 제 1 메인 회전 암의 질량, M 2 : mass of the first main rotating arm,
M3: 제 2 보상 암의 질량, M 3 : Mass of the second compensating arm,
M4: 제 2 메인 회전 암의 질량, M 4 : mass of the second main rotating arm,
M5: 제 2 작용 암의 질량, M 5 : mass of secondary acting arm,
M6: 제 1 작용 암의 질량, M 6 : mass of primary acting arm,
M7: 제 1 보상 암의 질량, M 7 : mass of the first compensation arm,
M8: 핸들의 질량, M 8 : Mass of handle,
l1: 고정 축 과 제 1 메인 회전 암 및 제 1 보상 암의 연결부 사이의 거리, l 1 : distance between the fixed shaft and the connecting portion of the first main rotating arm and the first compensating arm,
l2: 제 1 길이 또는 카운터 매스와 제 1 메인 회전 암 및 제 1 보상 암의 연결부 사이의 거리 l 2 : a distance between the first length or the counter masses and the connection of the first main rotating arm and the first compensating arm
l3: 고정 축 과 제 1 메인 회전 암의 무게중심 사이의 거리, l 3 : distance between the fixed axis and the center of gravity of the first main rotating arm,
l4: 제 2 보상 암의 무게중심과 제 2 보상 암 및 제 2 메인 회전 암의 연결부 사이의 거리, l 4 is the distance between the center of gravity of the second compensating arm and the connecting portion of the second compensating arm and the second main rotating arm,
l5: 고정 축과 제 2 보상 암 및 제 2 메인 회전 암의 연결부 사이의 거리, l 5 : distance between the fixed shaft and the connecting portion of the second compensating arm and the second main rotating arm,
l6: 고정 축과 제 2 메인 회전 암의 무게중심 사이의 거리, l 6 : Distance between the fixed axis and the center of gravity of the second main rotating arm,
l7: 고정 축과 제 1 메인 회전 암 및 제 2 작용 암의 연결부 사이의 거리, l 7 : distance between the fixed shaft and the connecting portion of the first main rotating arm and the second working arm,
l8: 제 2 작용 암의 무게중심과 제 1 메인 회전 암 및 제 2 작용 암의 연결부 사이의 거리, l 8 is the distance between the center of gravity of the second working arm and the connecting portion of the first main rotating arm and the second working arm,
l9: 고정 축과 제 2 메인 회전 암 및 제 1 작용 암의 연결부 사이의 거리 l 9 : Distance between the fixed shaft and the connecting portion of the second main rotating arm and the first working arm
l10: 제 1 작용 암의 무게중심과 제 2 메인 회전 암 및 제 1 작용 암의 연결부 사이의 거리. l 10 : Distance between the center of gravity of the first acting arm and the connecting portion of the second main rotating arm and the first acting arm.
l11: 제 1 보상 암의 무게중심과 제 1 메인 회전 암 및 제 1 보상 암의 연결부 사이의 거리, l 11 is the distance between the center of gravity of the first compensating arm and the connecting portion of the first main rotating arm and the first compensating arm,
l12: 핸들의 무게중심과 제 2 메인 회전 암 및 제 1 작용 암의 연결부 사이의 거리.)l 12 is the distance between the center of gravity of the handle and the connecting portion of the second main rotating arm and the first working arm.
상기 베이스는 상대 구조물에 회전 가능하게 설치되는 베이스 회전 축을 포함하고, 상기 작용 단부는 3자유도 움직임을 갖을 수 있다.The base includes a base rotation axis rotatably mounted to the mating structure, and the working end can have three degrees of freedom motion.
상기 상대 구조물에 대한 상기 베이스 회전 축의 방향은 중력 방향과 평행할 수 있다.The direction of the base rotation axis with respect to the mating structure may be parallel to the gravity direction.
상기 고정 축은,The fixed shaft
상기 제 2 작용 암과 상기 제 1 메인 회전 암의 연결부 및 상기 제 1 보상 암과 상기 제 1 메인 회전 암의 연결부 사이에 위치하고, 상기 제 1 작용 암과 상기 제 2 작용 암의 연결부는, 상기 핸들과 상기 제 1 메인 회전 암 및 상기 제 1 작용 암의 연결부 사이에 위치하고, 상기 제 1 메인 회전 암 및 제 1 보상 암의 연결부는, 상기 카운터 매스와 상기 제 1 보상 암 및 제 2 보상 암의 연결부 사이에 위치하고, 상기 제 2 보상 암 및 상기 제 2 메인 회전 암의 연결부는, 상기 제 1 메인 회전 암 및 상기 제 2 메인 회전 암의 연결부 및 상기 제 2 메인 회전 암 및 상기 제 1 작용 암의 연결부 사이에 위치할 수 있다.Wherein the connecting portion of the first working arm and the second working arm is located between the connecting portion of the second working arm and the first main rotating arm and the connecting portion of the first compensating arm and the first main rotating arm, And the connecting portion of the first main rotary arm and the first actuating arm, and the connecting portion of the first main rotary arm and the first compensating arm is located between the connecting portion of the counter mass and the first compensating arm and the second compensating arm, And the connecting portion of the second compensating arm and the second main rotating arm is located between the connecting portion of the first main rotating arm and the connecting portion of the second main rotating arm and the connecting portion of the second main rotating arm and the connecting portion As shown in FIG.
상기 고정 축으로부터 상기 제 2 메인 회전 암 및 제 1 작용 암의 연결부까지의 거리는, 상기 제 1 메인 회전 암 및 제 2 작용 암의 연결부로부터 상기 제 1 작용 암 및 제 2 작용 암의 연결부까지의 거리와 같고, 상기 제 2 메인 회전 암 및 제 2 보상 암의 연결부로부터 상기 제 1 보상 암 및 제 2 보상 암의 연결부까지의 거리는, 상기 고정 축으로부터 상기 제 1 보상 암 및 제 1 메인 회전 암의 연결부까지의 거리와 같을 수 있다.Wherein a distance from the fixed shaft to the connecting portion of the second main rotating arm and the first working arm is a distance from a connecting portion of the first main rotating arm and the second working arm to a connecting portion of the first working arm and the second working arm And the distance from the connecting portion of the second main rotating arm and the second compensating arm to the connecting portion of the first compensating arm and the second compensating arm is equal to or greater than the distance from the fixed axis to the connecting portion of the first compensating arm and the first main rotating arm The distance may be the same.
상기 제 1 메인 회전 암은, 상기 고정 축에서, 상기 고정 축을 수평으로 가로지르는 가상의 선을 기준으로 임의의 제 1 자유도 회전 각도를 가지도록 회전하고, 상기 제 2 메인 회전 암은, 상기 고정 축에서, 상기 고정 축을 수평으로 가로지르는 가상의 선을 기준으로 임의의 제 2 자유도 회전 각도를 가지도록 회전하는 회전할 수 있다.Wherein the first main rotation arm rotates so as to have an arbitrary first degree of freedom rotation angle with respect to an imaginary line horizontally traversing the fixed axis on the fixed axis, Axis, and may be rotated to rotate at an arbitrary second degree of freedom with respect to an imaginary line horizontally traversing the fixed axis.
상기 포지셔닝 로봇을 움직여서 상기 제 1 메인 회전 암을 임의의 상기 제 1 자유도 회전 각도를 가지도록 회전시키는 경우, 상기 고정 축을 기준으로 상기 제 1 및 2 메인 회전 암, 상기 제 1 및 2 작용 암, 상기 제 1 및 2 보상 암 및 상기 핸들의 자중에 의해 발생하는 중력 토크값과 상기 카운터 매스의 자중에 의해 발생하는 보상 토크값이 서로 상쇄되는 것을 특징으로 할 수 있다.When the positioning robot is moved to rotate the first main rotation arm to have any arbitrary first degree of freedom rotation angle, the first and second main rotary arms, the first and second working arms, The gravity torque value generated by the self weight of the first and second compensation arms and the handle and the compensation torque value generated by the self weight of the counter mass cancel each other out.
상기 포지셔닝 로봇을 움직여서 상기 제 2 메인 회전 암을 임의의 상기 제 2 자유도 회전 각도를 가지도록 회전시키는 경우, 상기 고정 축을 기준으로 상기 제 1 및 2 메인 회전 암, 상기 제 1 및 2 작용 암, 상기 제 1 및 2 보상 암 및 상기 핸들의 자중에 의해 발생하는 중력 토크값과 상기 카운터 매스의 자중에 의해 발생하는 보상 토크값이 서로 상쇄되는 것을 특징으로 할 수 있다.The first and second main rotary arms, the first and second actuating arms, the first and second actuating arms, the first and second actuating arms, and the first and second actuating arms, The gravity torque value generated by the self weight of the first and second compensation arms and the handle and the compensation torque value generated by the self weight of the counter mass cancel each other out.
상기 포지셔닝 로봇은, 상기 고정 축을 기준으로 상기 포지셔닝 로봇의 자중에 의한 회전 모멘트값이 항상 0일 수 있다.In the positioning robot, the rotation moment value due to the self-weight of the positioning robot may be always 0 with respect to the fixed axis.
일 실시 예에 따른 포지셔닝 암에 의하면, 하나의 카운터 매스를 사용하더라도, 평면 상의 2 자유도 움직임에 따른 중력보상을 적용할 수 있다.According to the positioning arm according to the embodiment, even if one counter mass is used, it is possible to apply gravity compensation according to two degrees of freedom movement on a plane.
일 실시 예에 따른 포지셔닝 암에 의하면, 포지셔닝 암의 크기, 형상 및 질량 조건이 변화하더라도, 설정된 부정 방정식을 통해서, 중력 보상에 적절한 카운터 매스의 질량 및 링크의 길이를 설정할 수 있다.According to the positioning arm according to the embodiment, even if the size, shape, and mass condition of the positioning arm change, it is possible to set the mass of the counter mass and the length of the link appropriate for gravity compensation through the set negative equation.
도 1은, 일 실시 예에 따른 포지셔닝 로봇의 측면도이다.
도 2는, 일 실시 예에 따른 포지셔닝 로봇의 제 1 자유도 동작을 나타내는 측면도이다.
도 3은, 일 실시 예에 따른 포지셔닝 로봇의 제 2 자유도 동작을 나타내는 측면도이다.
도 4는, 일 실시 예에 따른 포지셔닝 로봇의 구성 요소들의 각종 치수를 나타내는 도면이다.
도 5는, 일 실시 예에 따른 포지셔닝 로봇의 제 1 자유도 동작의 중력 보상 효과를 나타내는 그래프이다.
도 6은, 일 실시 예에 따른 포지셔닝 로봇의 제 2 자유도 동작의 중력 보상 효과를 나타내는 그래프이다.1 is a side view of a positioning robot according to an embodiment.
2 is a side view showing a first degree of freedom operation of a positioning robot according to one embodiment;
3 is a side view illustrating a second degree of freedom operation of the positioning robot according to one embodiment.
4 is a diagram showing various dimensions of the components of the positioning robot according to one embodiment.
FIG. 5 is a graph showing the gravity compensation effect of the first degree of freedom operation of the positioning robot according to one embodiment.
6 is a graph showing a gravity compensating effect of the second DOF motion of the positioning robot according to an embodiment.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to exemplary drawings. It should be noted that, in adding reference numerals to the constituent elements of the drawings, the same constituent elements are denoted by the same reference symbols as possible even if they are shown in different drawings. In the following description of the embodiments, detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the best of an understanding clear.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. In describing the components of the embodiment, terms such as first, second, A, B, (a), and (b) may be used. These terms are intended to distinguish the constituent elements from other constituent elements, and the terms do not limit the nature, order or order of the constituent elements. When a component is described as being "connected", "coupled", or "connected" to another component, the component may be directly connected or connected to the other component, Quot; may be "connected," "coupled," or "connected. &Quot;
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성 요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성 요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다. The components included in any one embodiment and the components including common functions will be described using the same names in other embodiments. Unless otherwise stated, the description of any one embodiment may be applied to other embodiments, and a detailed description thereof will be omitted in the overlapping scope.
도 1은, 일 실시 예에 따른 포지셔닝 로봇의 측면도이고, 도 2는, 일 실시 예에 따른 포지셔닝 로봇의 1 자유도 동작을 나타내는 측면도이고, 도 3은, 일 실시 예에 따른 포지셔닝 로봇의 2 자유도 동작을 나타내는 측면도이다.Fig. 1 is a side view of a positioning robot according to an embodiment, Fig. 2 is a side view showing one-degree-of-freedom operation of a positioning robot according to an embodiment, and Fig. 3 is a side view of a positioning robot according to an embodiment, Fig.
도 1 내지 3을 참조하면, 일 실시 예에 따른 포지셔닝 로봇(100)은, 평면상에서 적어도 2 자유도로 움직일 수 있고, 중력 보상 메커니즘이 적용된 로봇 매니퓰레이터 또는 로봇 팔일 수 있다.Referring to FIGS. 1 to 3, the
포지셔닝 로봇(100)은, 링크 구조(50), 베이스(40), 카운터 매스(C) 및 핸들(H)을 포함할 수 있다.The
링크 구조(50)는, 복수개의 링크 또는 암이 서로 회전 가능하게 연결된 것일 수 있다. 링크 구조(50)는, 예를 들어, 제 1 메인 회전 암(11), 제 2 메인 회전 암(12), 제 1 작용 암(21), 제 2 작용 암(22), 제 1 보상 암(31), 제 2 보상 암(32) 및 작용 단부를 포함할 수 있다.The
각각의 암들(11, 12, 21, 22, 31, 32)은, 양쪽 단으로 길게 확장된 형상의 링크 또는 암일 수 있고, 각각의 암들(11, 12, 21, 22, 31, 32)은 도 2 및 3 과 같이, 서로 같은 평면상에서 회전 가능하게 연결될 수 있다. 여기서, 상기 회전의 방향을 제 1 회전 방향이라고 정의하고 설명하기로 한다.Each of the
제 1 메인 회전 암(11)은, 링크 구조(50)의 동작을 구현하기 위해 회전할 수 있고, 도 1 과 같이, 제 1 메인 회전 암(11)의 양측에서 각각 제 1 보상 암(31) 및 제 2 작용 암(22)이 제 1 회전 방향으로 회전 가능하게 연결될 수 있고, 예를 들어, 제 1 메인 회전 암(11)의 양단으로 연결될 수 있다. 제 1 메인 회전 암(11)은, 양단 사이에 고정 축(41)이 배치될 수 있다.The first main
고정 축(41)은, 도 1 과 같이, 제 1 메인 회전 암(11)의 양단 사이에 회전 가능하게 설치될 수 있다. 고정 축(41)은, 상대물에 제 1 회전 방향으로 회전 가능하게 고정될 수 있다. 예를 들어, 고정 축(41)은, 후술할 베이스(40)에 구비되어 고정될 수 있다.As shown in Fig. 1, the fixed
고정 축(41)에 의하면, 제 1 메인 회전 암(11) 및 후술할 제 2 메인 회전 암(12)은 도 1 내지 3과 같이, 베이스(40)에 회전 가능하게 고정된 고정 축(41)을 기준으로 제 1 회전 방향으로 회전할 수 있다.1 to 3, the first main
제 2 메인 회전 암(12)은, 제 1 메인 회전 암(11)의 고정 축(41)에 제 1 회전 방향으로 회전 가능하게 연결될 수 있고, 제 1 작용 암(21) 및 제 2 보상 암(32)과 회전 가능하게 연결될 수 있다.The second main rotating
예를 들면, 제 2 메인 회전 암(12)은, 도 1 내지 3과 같이, 일단이, 제 1 메인 회전 암(11)의 고정 축(41)에 회전 가능하게 연결될 수 있고, 타단이 제 1 작용 암(21)에 회전 가능하게 연결될 수 있고, 양단 사이에서, 제 2 보상 암(32)이 회전 가능하게 연결될 수 있다. 1 to 3, one end of the second main
제 1 작용 암(21)은 제 2 메인 회전 암(12)과 제 1 회전 방향으로 회전 가능하게 연결될 수 있고, 제 2 작용 암(22)과 회전 가능하게 연결될 수 있다.The
예를 들어, 제 1 작용 암(21)은, 일단이 제 2 메인 회전 암(12)에 연결될 수 있고, 타단에는, 후술할 핸들(H)이 설치될 수 있고, 제 1 작용 암(21)의 양단의 사이에서 제 2 작용 암(22) 회전 가능하게 연결될 수 있다.For example, the first working
제 2 작용 암(22)은, 제 1 작용 암(21)과 제 1 메인 회전 암(11) 사이에서 제 1 회전 방향으로 회전 가능하게 연결될 수 있고, 예를 들어, 일단이 제 1 메인 회전 암(11)에 연결되고, 타단이 제 1 작용 암(21)에 연결될 수 있다.The second working
예를 들어, 제 1 작용 암(21) 및 제 2 메인 회전 암(12)의 연결부로부터 제 1 메인 회전 암(11) 및 제 2 메인 회전 암(12)의 연결부 사이의 거리는, 제 1 작용 암(21) 및 제 2 작용 암(22)의 연결부로부터 제 1 메인 회전 암(11) 및 제 2 작용 암(22)의 연결부까지의 거리와 같을 수 있다. 다시 말하면, 제 2 메인 회전 암(12)의 길이와 제 2 작용 암(22)의 길이는 같을 수 있다.For example, the distance between the connecting portions of the first working
위의 구조에 의하면, 도 2 및 3과 같이, 제 1 메인 회전 암(11)은, 고정 축(41)에 고정된 상태에서, 제 1 메인 회전 암(11) 및 제 1 작용 암(21)은 서로 평행한 상태로 움직일 수 있고, 제 2 메인 회전 암(12) 및 제 2 작용 암(22) 또한 서로 평행한 상태로 움직일 수 있기 때문에, 상기 4개의 암들(11, 12, 21, 22) 중 하나의 암만 움직이더라도 나머지 암들이 동시에 같이 움직일 수 있다.2 and 3, the first main
제 1 보상 암(31)은, 제 1 메인 회전 암(11)에 제 1 회전 방향으로 회전 가능하게 연결될 수 있고, 제 2 보상 암(32)과 제 1 회전 방향으로 회전 가능하게 연결될 수 있고, 중력 보상을 위한 카운터 매스(C)가 일측에 설치될 수도 있다.The first compensating
예를 들면, 제 1 보상 암(31)은, 도 1 내지 3과 같이, 일단이 제 2 보상 암(32)에 연결될 수 있고, 타단에는 카운터 매스(C)가 설치될 수 있고, 양단 사이에서 제 1 메인 회전 암(11)과 회전 가능하게 연결될 수 있다.For example, the first compensating
제 2 보상 암(32)은, 제 1 메인 회전 암(11)에 제 1 회전 방향으로 회전 가능하게 연결될 수 있고, 제 1 보상 암(31)과 제 1 회전 방향으로 회전 가능하게 연결될 수 있다.The
예를 들어, 제 2 보상 암(32)은, 일단이 제 2 메인 회전 암(12)에 연결될 수 있고, 타단이 제 1 보상 암(31)에 연결 될 수 있다.For example, the second compensating
예를 들어, 제 2 메인 회전 암(12) 및 제 2 보상 암(32)의 연결부로부터 제 1 보상 암(31) 및 제 2 보상 암(32)의 연결부까지의 거리는, 고정 축(41)으로부터 제 1 보상 암(31) 및 제 1 메인 회전 암(11)의 연결부까지의 거리와 같을 수 있다.For example, the distance from the connecting portion of the second main rotating
위의 구조에 의하면, 도 2 및 3과 같이, 제 1 메인 회전 암(11)은, 고정 축(41)에 고정된 상태에서, 제 1 메인 회전 암(11) 및 제 2 보상 암(32)은 서로 평행한 상태로 움직일 수 있고, 제 2 메인 회전 암(12) 및 제 1 보상 암(31) 또한 서로 평행한 상태로 움직일 수 있다.2 and 3, the first main
이에 따라, 제 1 메인 회전 암, 제 1 작용 암 및 제 2 보상 암은, 서로 평행한 상태를 유지할 수 있고, 제 2 메인 회전 암, 제 2 작용 암 및 제 1 보상 암 또한, 서로 평행한 상태를 유지할 수 있다.Accordingly, the first main rotating arm, the first working arm, and the second compensating arm can be kept parallel to each other, and the second main rotating arm, the second working arm, and the first compensating arm can also be in parallel Lt; / RTI >
상술한 링크 구조(50)에 의하면 상기 6개의 암들(11, 12, 21, 22, 31, 32) 중 하나의 암만 움직이더라도, 나머지 5개의 암이 동시에 움직일 수 있고, 제 1 회전 방향의 평면상에서 2자유도로 움직이는 것이 가능할 수 있다.According to the above-described
작용 단부는, 사용자 또는 외부 장치로부터 외력이 작용되는 지점일 수 있다. 작용 단부는, 예를 들어, 제 1 작용 암(21)의 일측에 위치할 수 있지만, 제 2 작용 암(22)의 일측에 설치되는 것도 가능함은 물론이다. 예를 들어, 작용 단부는 도 1과 같이, 제 1 작용 암(21)의 말단에 설치될 수 있고, 그 지점에, 핸들(H)이 설치될 수 있다.The working end may be the point where an external force is applied from the user or an external device. The working end may, for example, be located at one side of the first working
베이스(40)에는, 고정 축(41)이 회전 가능하게 고정될 수 있고, 이에 따라서, 제 1 메인 회전 암(11) 및 제 2 메인 회전 암(12)은 베이스(40)에 고정된 고정 축(41)에 대해서 제 1 회전 방향으로 회전할 수 있다.The first main
예를 들어, 베이스(40)는 상측으로부터 상대 구조물에 제 1 회전 방향과 다른 제 2 회전 방향으로 회전 가능하게 고정될 수 있는 베이스 회전 축(42)을 포함할 수 있다. For example, the
예를 들어, 제 2 회전 방향의 축은, 도 1과 같이, 연직 방향과 일치할 수 있고, 제 1 회전 방향의 축과 직교할 수 있다.For example, the axis of the second rotation direction may coincide with the vertical direction as shown in Fig. 1, and may be orthogonal to the axis of the first rotation direction.
베이스 회전 축(42)에 의하면, 링크 구조(50)가 평면 상에서 2 자유도로 움직이는 것과 더불어, 제 2 회전 방향, 즉, 연직 방향의 축을 기준으로 회전하는 것이 가능하기 때문에, 포지셔닝 로봇(100)은, 가용 범위 안에서 3 자유도 움직임이 가능할 수 있다.With the
핸들(H)은, 사용자가 파지하여 포지셔닝 로봇(100)을 조종하기 위한 장치일 수 있고, 추가적으로 부착된 컨트롤러일수도 있다.The handle H may be a device for grasping by a user to manipulate the
핸들(H)은 제 1 작용 암(21) 또는 제 2 작용 암(22)에 위치하는 작용 단부에 설치될 수 있으며, 예를 들어, 도 1과 같이, 작용 단부가 제 1 작용 암(21)의 말단에 위치함에 따라서, 핸들(H) 또한 제 1 작용 암(21)의 말단에 설치될 수 있다.The handle H may be provided at the operative end located in the first
카운터 매스(C)는, 포지셔닝 로봇(100)이 움직일 경우, 링크 구조(50) 및 핸들(H) 등과 같은 포지셔닝 로봇(100)의 구성 요소들의 자체의 하중에 의해서 추가로 발생하는 토크 및 에너지를 상쇄하기 위하여 링크 구조(50)에 부착되는 하나의 질량체일 수 있다.The counter mass C is capable of generating torque and energy further generated by the own load of the components of the
예를 들어, 카운터 매스(C)는, 제 1 보상 암(31) 또는 제 2 보상 암(32)의 일측에 설치될 수 있다. 본 명세서에서는, 도 1 내지 3과 같이, 카운터 매스(C)가 제 1 보상 암(31)의 말단에 설치된 것으로 정의하고 설명하기로 한다.For example, the counter mass C may be installed at one side of the first compensating
도 1을 참조하면, 카운터 매스(C)는, 제 1 메인 회전 암(11) 및 제 1 보상 암(31)의 연결부로부터 제 1 보상 암(31)을 따라서, 제 1 거리(l_2, 도 4 참조)로 이격될 수 있다. 카운터 매스(C)의 질량(M_1, 도 4 참조) 및 제 1 거리(l_2)는 포지셔닝 로봇(100)의 중력 보상을 위해서 후술할 수학식에 기초하여 선택될 수 있다.1, the counter mass C is arranged at a first distance l_2 (see Fig. 4) from the connecting portion of the first main
도 2 및 3을 참조하면서, 포지셔닝 로봇(100)의 2 자유도 운동에 대해서 설명하기로 한다.The two-degree-of-freedom motion of the
도 2를 참조하면, 포지셔닝 로봇(100)이 제 1 자유도로 움직이는 모습을 확인할 수 있다. 구체적으로, 제 2 메인 회전 암(12)이, 고정 축(41)에 대해서 연직 방향, 즉 y 축 방향에 평행한 상태에서, 제 1 메인 회전 암(11)이 고정 축(41)에 대해서 제 1 회전 방향으로 회전할 수 있다.Referring to FIG. 2, it can be seen that the
이 경우, 고정 축(41) 및 y축에 직교하는 가상의 선, 즉 x축과 제 1 메인 회전 암(11) 사이의 각도는 제 1 자유도 회전 각도(θ_1) 로 정의될 수 있다.In this case, the angle between the imaginary line orthogonal to the fixed
제 1 메인 회전 암(11)이 고정 축(41)을 기준으로 제 1 자유도 회전 각도(θ_1)로 회전함에 따라서, 제 1 작용 암(21) 및 제 2 보상 암(32)또한 제 1 메인 회전 암(11)과 평행한 상태로, y축에 대하여 제 1 자유도 회전 각도(θ_1)만큼 회전할 수 있다.The first working
도 3을 참조하면, 포지셔닝 로봇(100)이 제 2 자유도로 움직이는 모습을 확인할 수 있다. 구체적으로, 제 1 메인 회전 암(11)이, 고정 축(41)에 대해 수평 방향, 즉 x 축 방향으로 고정된 상태에서, 제 2 메인 회전 암(12)이 고정 축(41)에 대해서 제 1 방향으로 회전할 수 있다.Referring to FIG. 3, it can be seen that the
이 경우, 고정 축(41) 및 x축에 직교하는 가상의 선, 즉 y축과 제 2 메인 회전 암(12) 사이의 각도는 제 2 자유도 회전 각도(θ_2)로 정의될 수 있다.또한 제 2 메인 회전 암(12)이 고정 축(41)을 기준으로 제 2 자유도 회전 각도(θ_2)로 회전함에 따라서, 제 1 작용 암(21) 및 제 2 보상 암(32)또한 제 1 메인 회전 암(11)과 평행한 상태로, y축에 대하여 제 2 자유도 회전 각도(θ_2)만큼 회전할 수 있다.In this case, the angle between the imaginary line orthogonal to the fixed
위와 같이, 제 1 메인 회전 암(11) 및 제 2 메인 회전 암(12)이 고정 축을 기준으로, 각각 제 1 자유도 회전 각도(θ_1) 및 제 2 자유도 회전 각도(θ_2)로 회전함에 따라서, 링크 구조(50)는 x-y 평면상에서, 2자유도 운동을 수행할 수 있다.As described above, as the first
도 4는, 일 실시 예에 따른 포지셔닝 로봇의 구성 요소들의 치수를 나타내는 도면이다.Fig. 4 is a view showing dimensions of components of a positioning robot according to an embodiment. Fig.
도 4를 참조하면, 포지셔닝 로봇(100)에 중력 보상을 적용하기 위한 계산에 필요한 치수들을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 4, dimensions necessary for calculation for applying gravity compensation to the
포지셔닝 로봇(100)에, 중력 보상을 적용하기 위해서, 카운터 매스(C)가 설치될 수 있고, 구체적으로 카운터 매스(C)의 질량 및 카운터 매스(C)가 제 1 메인 회전 암(11)으로부터 제 1 보상 암(31)을 따라서 이격된 제 1 거리(l_2)를 조정하여, 포지셔닝 로봇(100)의 중력 보상을 수행할 수 있다.The counter mass C may be provided to apply the gravity compensation to the
카운터 매스(C)의 질량 및 제 1 거리(l_2)를 구하기 위해서 포지셔닝 로봇(100) 시스템에 대해서 정적 평형 상태를 만족시키는 조건에서의 오일러-라그랑주 방정식(Euler-Lagrange equation)을 사용하여 구할 수 있다.Can be obtained using the Euler-Lagrange equation under a condition satisfying the static equilibrium state with respect to the
오일러-라그랑주 방정식을 구하기 위한 포지셔닝 로봇(100) 시스템의 라그랑지언(L)은 다음의 수학식 1을 통해 구할 수 있다.The Lagrangian (L) of the positioning robot (100) system for obtaining the Euler-Lagrangian equation can be obtained by the following equation (1).
여기서,here,
L: 라그랑지언L: Lagrangian
T: 운동에너지T: kinetic energy
V: 위치에너지V: Position energy
수학식 1에 의하면, 정적 평형 상태에서의 포지셔닝 로봇(100)의 운동 에너지는 0이기 때문에, 라그랑지언은 -V일 수 있다.According to Equation (1), since the kinetic energy of the
포지셔닝 로봇(100)의 위치에너지를 구하기 위해서는, 포지셔닝 로봇(100)의 링크 구조(50), 핸들 및 카운터 메스 각각의 질량 및 무게 중심의 위치 값이 필요하며, 도 4에 도시된 고정 축(41)을 x-y 평면의 원점이라고 가정하였을 경우, 각각의 구성 요소의 무게 중심의 위치 및 y 축으로부터의 수직 위치가 도 4에 도시된다.In order to obtain the positional energy of the
도 4를 참조하면 포지셔닝 로봇(100)의 각 구성 요소들의 수직 위치의 값들은 삼각비를 이용하여 다음 수학식 2 내지 5와 같이 구할 수 있다.Referring to FIG. 4, the values of the vertical positions of the respective components of the
여기서,here,
θ_1: 제 1 자유도 회전 각도 θ_2: 제 2 자유도 회전 각도θ_1: first degree of freedom rotation angle θ_2: second degree of freedom rotation angle
h1: 카운터 매스(C)의 수직 위치h1: Vertical position of the counter mass (C)
h2: 제 1 메인 회전 암(11)의 무게 중심의 수직 위치h2: vertical position of the center of gravity of the first main rotating arm (11)
h3: 제 2 보상 암(32)의 무게 중심의 수직 위치h3: vertical position of the center of gravity of the second compensating
h4: 제 2 메인 회전 암(12)의 무게 중심의 수직 위치h4: vertical position of the center of gravity of the second main rotating arm (12)
h5: 제 2 작용 암(22)의 무게 중심의 수직 위치h5: vertical position of the center of gravity of the
h6: 제 1 작용 암(21)의 무게 중심의 수직 위치h6: vertical position of the center of gravity of the first acting
h7: 제 1 보상 암(31)의 무게 중심의 수직 위치h7: vertical position of the center of gravity of the first compensating arm (31)
h8: 핸들(H)의 무게 중심의 수직 위치h8: Vertical position of the center of gravity of the handle (H)
l_1: 고정 축(41) 과 제 1 메인 회전 암(11) 및 제 1 보상 암(31)의 연결부 사이의 거리l_1: distance between the fixed
l_2: 카운터 매스(C)와 제 1 메인 회전 암(11) 및 제 1 보상 암(31)의 연결부 사이의 거리l_2 is the distance between the counter mass C and the connecting portion of the first main
l_3: 고정 축(41) 과 제 1 메인 회전 암(11)의 무게중심 사이의 거리l_3: distance between the fixed
l_4: 제 2 보상 암(32)의 무게중심과 제 2 보상 암(32) 및 제 2 메인 회전 암(12)의 연결부 사이의 거리l_4 is the distance between the center of gravity of the second compensating
l_5: 고정 축(41)과 제 2 보상 암(32) 및 제 2 메인 회전 암(12)의 연결부 사이의 거리l_5: distance between the fixed
l_6: 고정 축(41)과 제 2 메인 회전 암(12)의 무게중심 사이의 거리l_6: distance between the center of gravity of the fixed
l_7: 고정 축(41)과 제 1 메인 회전 암(11) 및 제 2 작용 암(22)의 연결부 사이의 거리l - 7: distance between the fixed
l_8: 제 2 작용 암(22)의 무게중심과 제 1 메인 회전 암(11) 및 제 2 작용 암(22)의 연결부 사이의 거리l_8 is the distance between the center of gravity of the second working
l_9: 고정 축(41)과 제 2 메인 회전 암(12) 및 제 1 작용 암(21)의 연결부 사이의 거리l_9: Distance between the fixed
l_10: 제 1 작용 암(21)의 무게중심과 제 2 메인 회전 암(12) 및 제 1 작용 암의 연결부 사이의 거리l_10: Distance between the center of gravity of the first working
l_11: 제 1 보상 암(31)의 무게중심과 제 1 메인 회전 암(11) 및 제 1 보상 암(31)의 연결부 사이의 거리l_11 is the distance between the center of gravity of the first compensating
l_12: 핸들(H)의 무게중심과 제 2 메인 회전 암(12) 및 제 2 작용 암(22)의 연결부 사이의 거리12: distance between the center of gravity of the handle H and the connecting portion of the second main rotating
수학식 2 내지 5에서 구해진 구성 요소들의 수직 위치 값을 통해서, 포지셔닝 로봇(100)의 위치에너지는 다음 수학식 6과 같이 계산되어 정리될 수 있다.The position energy of the
여기서,here,
M_1: 카운터 매스(C)의 질량M_1: Mass of the counter mass (C)
M_2: 제 1 메인 회전 암(11)의 질량M_2: Mass of the first main rotating arm (11)
M_3: 제 2 보상 암(32)의 질량M_3: mass of the
M_4: 제 2 메인 회전 암(12)의 질량M_4: Mass of the second main rotating arm (12)
M_5: 제 2 작용 암(22)의 질량M_5: mass of the
M_6: 제 1 작용 암(21)의 질량M_6: Mass of the first acting arm (21)
M_7: 제 1 보상 암(31)의 질량M_7: Mass of
M_8: 핸들(H)의 질량M_8: Mass of handle (H)
수학식 6으로부터 구한 위치에너지를 통해서 라그랑지언(L) 값을 구할 수 있고, 라그랑지언(L)을 오일러-라그랑주 방정식에 대입하여 계산한 결과가 다음의 수학식 7에 나타난다.The Lagrangian value can be obtained through the potential energy obtained from the equation (6), and the calculation result obtained by substituting Lagrangian (L) into the Euler-Lagrange equation is shown in the following equation (7).
여기서,here,
k: 제 k 자유도 (k=1,2)k: degree of freedom k (k = 1, 2)
θ_k: 제 k 자유도 회전 각도θ_k: kth degree of freedom rotation angle
여기서, 도출된 식은 제 1 자유도에 해당하는 제 1 자유도 회전 각도(θ_1) 및 제 2 자유도에 해당하는 제 2 자유도 회전 각도(θ_1)에 따른 토크에 관한 식으로 정리될 수 있고, 각각의 제 1 자유도 회전 각도(θ_1) 및 제 2 자유도 회전 각도(θ_2)에 대한 토크의 식은 다음 수학식 8 및 9와 같이 정리될 수 있다.Here, the derived equation can be summarized by a formula relating to a torque according to a first degree of freedom rotation angle [theta] _ 1 corresponding to the first degree of freedom and a second degree of freedom rotation angle [theta] __ corresponding to the second degree of freedom, The formulas of the torques for the first degree of freedom rotation angle [theta] _ 1 and the second degree of freedom rotation angle [theta] _2 may be summarized as the following equations (8) and (9).
여기서,here,
τ_θ_1: 제 1 자유도 토크? _? 1: first degree of freedom torque
τ_θ_2: 제 2 자유도 토크τ_θ_2: second degree of freedom torque
수학식 8 및 9를 만족시킬 수 있다면, 포지셔닝 로봇(100)이 어느 각도에 있더라도 중력을 보상할 수 있다.If Equations 8 and 9 can be satisfied, the
여기서, 수학식 8 및 9를 참조하면, 제 1 자유도 토크(τ_θ_1) 및 제 2 자유도 토크(τ_θ_2)는 각각 카운터 매스(C)의 질량 값인 M_1이 속해있는 항과 나머지 항들을 구분할 수 있으며, 전자와 후자를 각각 보상 토크와 중력 토크로 정의할 수 있다.Referring to Equations (8) and (9), the first degree of freedom torque? (? _? _ 1) and the second degree of freedom torque? (? __2) can distinguish the term to which the mass value M_1 of the counter mass , The former and the latter can be defined as compensation torque and gravity torque, respectively.
여기서 중력 토크는, 카운터 매스(C)를 제외한, 포지셔닝 로봇(100)의 구성 요소들의 자체 중량에 의해 발생하는 토크일 수 있고, 보상 토크는, 카운터 매스(C)의 중량에 의해 발생하는 토크일 수 있다.Here, the gravity torque may be a torque generated by the own weight of the components of the
수학식 8 및 9에서, 각각의 식은, sin 및 cos 함수를 제외한 질량 및 거리만의 함수로 수학식 10 및 11과 같이 정리될 수 있다.In Equations (8) and (9), each equation can be summarized as Equations (10) and (11) as a function of mass and distance only, excluding sin and cos functions.
수학식 10 및 11을 연립하여 계산하면, 포지셔닝 로봇(100)의 중력 보상을 위한 카운터 매스(C)의 질량(M1) 및 카운터 매스(C)가 제 1 메인 회전 암(11) 및 제 1 보상 암(31)의 연결부로부터 이격된 거리인 제 1 거리(l_2)를 구할 수 있다.The mass M1 and the counter mass C of the counter mass C for gravity compensation of the
상기 수학식 1 내지 11에 의하면, 포지셔닝 로봇(100)의 각 구성 요소들의 질량 및 무게 중심의 위치가 임의로 설정되더라도, 하나의 카운터 매스(C)를 가지고도, 중력 보상에 필요한 적절한 위치 및 질량을 선택할 수 있음에 따라, 포지셔닝 로봇(100)의 중력 보상을 실현할 수 있다. According to the
도 5는, 일 실시 예에 따른 포지셔닝 로봇의 제 1 자유도 동작의 중력 보상의 효과를 나타내는 그래프이고, 도 6은, 일 실시 예에 따른 포지셔닝 로봇의 2 자유도 동작의 중력 보상의 효과를 나타내는 그래프이다.FIG. 5 is a graph showing the effect of gravity compensation of a first degree of freedom operation of a positioning robot according to an embodiment, and FIG. 6 is a graph showing the effect of gravity compensation of a two degrees of freedom operation of a positioning robot according to an embodiment Graph.
구체적으로 도 5는, 중력 보상이 적용된 포지셔닝 로봇(100)이 제 1 자유도 운동을 수행함에 있어서, 제 1 자유도 회전 각도(θ_1)의 크기가 달라짐에 따라, 제 1 자유도 회전 각도(θ_1)에 대한 중력 토크, 보상 토크 및 중력 토크와 보상 토크의 차이를 도시한 그래프일 수 있다.Specifically, FIG. 5 illustrates a relationship between the first degree of freedom rotation angle? _ 1 and the first degree of freedom rotation angle? _ 1 as the
도 5를 참조하면, 제 1 자유도 회전 각도(θ_1)에 대한 중력 토크 및 보상 토크의 차이가 0에 수렴하는 것을 확인할 수 있고, 이것은, 포지셔닝 로봇(100)이 제 1 자유도 동작을 수행할 경우, 포지셔닝 로봇(100)의 링크 구조(50)의 자체 중량에 의한 중력 토크가 카운터 매스(C)의 중량에 의한 보상 토크에 의해 항상 상쇄된다는 것을 의미할 수 있다.5, it can be seen that the difference between the gravity torque and the compensation torque with respect to the first degree of freedom rotation angle [theta] _ 1 converges to 0, which indicates that the
구체적으로 도 6은, 중력 보상이 적용된 포지셔닝 로봇(100)이 제 2 자유도 운동을 수행함에 있어서, 제 2 자유도 회전 각도(θ_2)의 크기가 달라짐에 따라, 제 2 자유도 회전 각도(θ_2)에 대한 중력 토크, 보상 토크 및 중력 토크와 보상 토크의 차이를 도시한 그래프일 수 있다.Specifically, FIG. 6 shows a relationship between the second degree of freedom rotation angle? _2 and the second degree of freedom rotation angle? _2 as the
도 6을 참조하면, 제 2 자유도 회전 각도(θ_2)에 대한 중력 토크 및 보상 토크의 차이가 0에 수렴하는 것을 확인할 수 있고, 이것은, 포지셔닝 로봇(100)이 제 2 자유도 동작을 수행할 경우, 포지셔닝 로봇(100)의 링크 구조(50)의 자체 중량에 의한 중력 토크가 카운터 매스(C)의 중량에 의한 보상 토크에 의해 항상 상쇄된다는 것을 의미할 수 있다.6, it can be seen that the difference between the gravity torque and the compensation torque with respect to the second degree of freedom rotation angle [theta] _2 converges to 0, which means that the
위와 같은 구조에 의하면, 포지셔닝 로봇(100)이 임의의 제 1 자유도 회전 각도(θ_1) 및 제 2 자유도 회전 각도(θ_2)를 가지도록 제 1 자유도 및 제 2 자유도 동작을 수행하더라도, 즉, 포지셔닝 로봇(100)이 어떠한 위치 및 각도에 있더라도, 포지셔닝 로봇(100)의 자체 중량에 의한 토크 및 에너지가 발생하지 않으므로, 사용자는 포지셔닝 로봇(100)을 사용함에 있어서, 큰 부하를 느끼지 않고 조종하는 것이 가능할 수 있다.According to the above structure, even if the
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성 요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성 요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.Although the preferred embodiments of the present invention have been disclosed for illustrative purposes, those skilled in the art will appreciate that various modifications, additions and substitutions are possible, without departing from the scope and spirit of the invention as disclosed in the accompanying claims. For example, it is contemplated that the techniques described may be performed in a different order than the described methods, and / or that components of the described structures, devices, and the like may be combined or combined in other ways than the described methods, Appropriate results can be achieved even if they are replaced or replaced.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시 예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments and equivalents to the claims are within the scope of the following claims.
Claims (14)
상기 링크 구조 상에서 상기 작용 단부의 반대편에 위치하는 1개의 카운터 매스를 포함하고,
상기 링크 구조에 외력이 작용하지 않으면, 상기 링크 구조가 일정한 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 포지셔닝 로봇.
A link structure including an action end having at least two degrees of freedom motion on one plane; And
And one counter mass located on the link structure opposite the action end,
And the link structure maintains a constant state when no external force acts on the link structure.
상기 포지셔닝 로봇은,
상기 링크 구조가 상기 1개의 평면 상에서 회전 가능하도록 연결되는 고정 축을 구비한 베이스를 더 포함하고
상기 링크 구조는,
상기 고정 축에 대하여 회전 가능한 제 1 메인 회전 암;
상기 고정 축에 대하여 회전 가능한 제 2 메인 회전 암;
상기 제 2 메인 회전 암에 회전 가능하게 연결되는 제 1 작용 암;
상기 제 1 메인 회전 암에 회전 가능하게 연결되는 제 2 작용 암;
상기 제 2 작용 암 및 상기 제 2 메인 회전 암 사이에 각각 회전 가능하게 연결되는 제 1 작용 암;
상기 제 2 메인 회전 암에 회전 가능하게 연결되는 제 1 보상 암; 및
상기 제 1 보상 암 및 상기 제 2 메인 회전 암 사이에 각각 회전 가능하게 연결되는 제 2 보상 암을 포함하는 포지셔닝 로봇.
The method according to claim 1,
The positioning robot includes:
The link structure further comprises a base having a fixed axis connected to be rotatable on the one plane
The link structure includes:
A first main rotation arm rotatable with respect to the fixed shaft;
A second main rotation arm rotatable with respect to the fixed shaft;
A first actuating arm rotatably connected to the second main rotating arm;
A second actuating arm rotatably connected to the first main rotating arm;
A first acting arm rotatably connected between the second working arm and the second main rotating arm, respectively;
A first compensation arm rotatably connected to the second main rotation arm; And
And a second compensation arm rotatably connected between the first compensation arm and the second main rotation arm, respectively.
상기 제 1 메인 회전 암, 제 1 작용 암 및 제 2 보상 암은 서로 평행하고,
상기 제 2 메인 회전 암, 제 2 작용 암 및 제 1 보상 암은 서로평행한 포지셔닝 로봇.
3. The method of claim 2,
Wherein the first main rotating arm, the first working arm and the second compensating arm are parallel to each other,
Wherein the second main rotating arm, the second working arm, and the first compensating arm are parallel to each other.
상기 작용 단부는 상기 제 1 작용 암 및 제 2 작용 암 중 어느 하나에 배치되고,
상기 카운터 매스는 상기 제 1 보상 암 및 제 2 보상 암 중 어느 하나에 배치되는 포지셔닝 로봇.
The method of claim 3,
The working end is disposed in either the first working arm or the second working arm,
Wherein the counter mass is disposed on any one of the first compensation arm and the second compensation arm.
상기 작용 단부에 설치되고 사용자가 조작 가능한 핸들을 더 포함하는 포지셔닝 로봇
The method of claim 3,
A positioning robot mounted on the working end and further comprising a handle operable by a user,
상기 작용 단부는, 상기 제 1 작용 암의 단부에 설치되고,
상기 카운터 매스는 상기 제 1 보상 암 상에서, 상기 제 1 메인 회전 암 및 상기 제 1 보상 암의 연결부로부터 제 1 길이만큼 이격된 위치에 설치되고,
상기 카운터 매스의 질량 및 상기 제 1 길이는 하기 수학식에 따라 결정되는 포지셔닝 로봇.
[수학식 1]
[수학식 2]
(여기서,
M1: 카운터 매스의 질량,
M2: 제 1 메인 회전 암의 질량,
M3: 제 2 보상 암의 질량,
M4: 제 2 메인 회전 암의 질량,
M5: 제 2 작용 암의 질량,
M6: 제 1 작용 암의 질량,
M7: 제 1 보상 암의 질량,
M8: 핸들의 질량,
l1: 고정 축 과 제 1 메인 회전 암 및 제 1 보상 암의 연결부 사이의 거리,
l2: 제 1 길이 또는 카운터 매스와 제 1 메인 회전 암 및 제 1 보상 암의 연결부 사이의 거리
l3: 고정 축 과 제 1 메인 회전 암의 무게중심 사이의 거리,
l4: 제 2 보상 암의 무게중심과 제 2 보상 암 및 제 2 메인 회전 암의 연결부 사이의 거리,
l5: 고정 축과 제 2 보상 암 및 제 2 메인 회전 암의 연결부 사이의 거리,
l6: 고정 축과 제 2 메인 회전 암의 무게중심 사이의 거리,
l7: 고정 축과 제 1 메인 회전 암 및 제 2 작용 암의 연결부 사이의 거리,
l8: 제 2 작용 암의 무게중심과 제 1 메인 회전 암 및 제 2 작용 암의 연결부 사이의 거리,
l9: 고정 축과 제 2 메인 회전 암 및 제 1 작용 암의 연결부 사이의 거리
l10: 제 1 작용 암의 무게중심과 제 2 메인 회전 암 및 제 1 작용 암의 연결부 사이의 거리.
l11: 제 1 보상 암의 무게중심과 제 1 메인 회전 암 및 제 1 보상 암의 연결부 사이의 거리,
l12: 핸들의 무게중심과 제 2 메인 회전 암 및 제 1 작용 암의 연결부 사이의 거리.)
6. The method of claim 5,
Wherein the action end is provided at an end of the first action arm,
Wherein the counter mass is provided on the first compensation arm at a position spaced apart from the connection portion of the first main rotation arm and the first compensation arm by a first length,
Wherein the mass of the counter mass and the first length are determined according to the following equation.
[Equation 1]
&Quot; (2) "
(here,
M 1 : mass of the counter mass,
M 2 : mass of the first main rotating arm,
M 3 : Mass of the second compensating arm,
M 4 : mass of the second main rotating arm,
M 5 : mass of secondary acting arm,
M 6 : mass of primary acting arm,
M 7 : mass of the first compensation arm,
M 8 : Mass of handle,
l 1 : distance between the fixed shaft and the connecting portion of the first main rotating arm and the first compensating arm,
l 2 : a distance between the first length or the counter masses and the connection of the first main rotating arm and the first compensating arm
l 3 : distance between the fixed axis and the center of gravity of the first main rotating arm,
l 4 is the distance between the center of gravity of the second compensating arm and the connecting portion of the second compensating arm and the second main rotating arm,
l 5 : distance between the fixed shaft and the connecting portion of the second compensating arm and the second main rotating arm,
l 6 : Distance between the fixed axis and the center of gravity of the second main rotating arm,
l 7 : distance between the fixed shaft and the connecting portion of the first main rotating arm and the second working arm,
l 8 is the distance between the center of gravity of the second working arm and the connecting portion of the first main rotating arm and the second working arm,
l 9 : Distance between the fixed shaft and the connecting portion of the second main rotating arm and the first working arm
l 10 : Distance between the center of gravity of the first acting arm and the connecting portion of the second main rotating arm and the first acting arm.
l 11 is the distance between the center of gravity of the first compensating arm and the connecting portion of the first main rotating arm and the first compensating arm,
l 12 is the distance between the center of gravity of the handle and the connecting portion of the second main rotating arm and the first working arm.
상기 베이스는 상대 구조물에 회전 가능하게 설치되는 베이스 회전 축을 포함하고,
상기 작용 단부는 3자유도 움직임을 갖는 포지셔닝 로봇.
3. The method of claim 2,
The base includes a base rotation shaft rotatably installed in the mating structure,
Said working end having a three degree of freedom motion.
상기 상대 구조물에 대한 상기 베이스 회전 축의 방향은 중력 방향과 평행한 포지셔닝 로봇.
8. The method of claim 7,
Wherein the direction of the base rotation axis with respect to the mating structure is parallel to the gravity direction.
상기 고정 축은,
상기 제 2 작용 암과 상기 제 1 메인 회전 암의 연결부 및 상기 제 1 보상 암과 상기 제 1 메인 회전 암의 연결부 사이에 위치하고,
상기 제 1 작용 암과 상기 제 2 작용 암의 연결부는,
상기 핸들과 상기 제 1 메인 회전 암 및 상기 제 1 작용 암의 연결부 사이에 위치하고,
상기 제 1 메인 회전 암 및 제 1 보상 암의 연결부는,
상기 카운터 매스와 상기 제 1 보상 암 및 제 2 보상 암의 연결부 사이에 위치하고,
상기 제 2 보상 암 및 상기 제 2 메인 회전 암의 연결부는,
상기 제 1 메인 회전 암 및 상기 제 2 메인 회전 암의 연결부 및 상기 제 2 메인 회전 암 및 상기 제 1 작용 암의 연결부 사이에 위치하는 포지셔닝 로봇.
6. The method of claim 5,
The fixed shaft
A second main arm connected to the first main arm and the first main arm,
Wherein the connecting portion of the first working arm and the second working arm is formed by a non-
And a second operating arm disposed between the handle and the connecting portion of the first main rotating arm and the first working arm,
The connecting portion of the first main rotating arm and the first compensating arm may be formed,
A second compensating arm which is located between the counter masses and the connecting portions of the first compensating arm and the second compensating arm,
And the connecting portion of the second compensating arm and the second main rotating arm,
And a connecting portion of the first main rotating arm and the second main rotating arm and a connecting portion of the second main rotating arm and the first working arm.
상기 고정 축으로부터 상기 제 2 메인 회전 암 및 제 1 작용 암의 연결부까지의 거리는,
상기 제 1 메인 회전 암 및 제 2 작용 암의 연결부로부터 상기 제 1 작용 암 및 제 2 작용 암의 연결부까지의 거리와 같고,
상기 제 2 메인 회전 암 및 제 2 보상 암의 연결부로부터 상기 제 1 보상 암 및 제 2 보상 암의 연결부까지의 거리는,
상기 고정 축으로부터 상기 제 1 보상 암 및 제 1 메인 회전 암의 연결부까지의 거리와 같은 포지셔닝 로봇.
10. The method of claim 9,
And a distance from the fixed shaft to the connection portion of the second main rotating arm and the first working arm,
Is equal to a distance from a connecting portion of the first main rotating arm and the second working arm to a connecting portion of the first working arm and the second working arm,
The distance from the connecting portion of the second main rotating arm and the second compensating arm to the connecting portion of the first compensating arm and the second compensating arm,
And a distance from the fixed shaft to the connecting portion of the first compensating arm and the first main rotating arm.
상기 제 1 메인 회전 암은,
상기 고정 축에서, 상기 고정 축을 수평으로 가로지르는 가상의 선을 기준으로 임의의 제 1 자유도 회전 각도를 가지도록 회전하고,
상기 제 2 메인 회전 암은,
상기 고정 축에서, 상기 고정 축을 수평으로 가로지르는 가상의 선을 기준으로 임의의 제 2 자유도 회전 각도를 가지도록 회전하는 포지셔닝 로봇.
6. The method of claim 5,
The first main rotation arm
Wherein the fixed shaft is rotated so as to have an arbitrary first degree of freedom rotation angle with respect to an imaginary line horizontally traversing the fixed shaft,
Wherein the second main rotation arm comprises:
And rotates on the fixed axis so as to have an arbitrary second degree of freedom rotation angle with reference to an imaginary line horizontally traversing the fixed axis.
상기 포지셔닝 로봇을 움직여서 상기 제 1 메인 회전 암을 임의의 상기 제 1 자유도 회전 각도를 가지도록 회전시키는 경우,
상기 고정 축을 기준으로 상기 제 1 및 2 메인 회전 암, 상기 제 1 및 2 작용 암, 상기 제 1 및 2 보상 암 및 상기 핸들의 자중에 의해 발생하는 중력 토크값과 상기 카운터 매스의 자중에 의해 발생하는 보상 토크값이 서로 상쇄되는 것을 특징으로 하는 포지셔닝 로봇.
12. The method of claim 11,
When the positioning robot is moved to rotate the first main rotating arm to have any of the first degrees of freedom rotation,
A gravity torque value generated by the self weight of the first and second main rotary arms, the first and second actuating arms, the first and second compensating arms, and the handle with respect to the fixed shaft is generated by the self weight of the counter mass The compensating torque values are canceled each other.
상기 포지셔닝 로봇을 움직여서 상기 제 2 메인 회전 암을 임의의 상기 제 2 자유도 회전 각도를 가지도록 회전시키는 경우,
상기 고정 축을 기준으로 상기 제 1 및 2 메인 회전 암, 상기 제 1 및 2 작용 암, 상기 제 1 및 2 보상 암 및 상기 핸들의 자중에 의해 발생하는 중력 토크값과 상기 카운터 매스의 자중에 의해 발생하는 보상 토크값이 서로 상쇄되는 것을 특징으로 하는 포지셔닝 로봇.
12. The method of claim 11,
When the positioning robot is moved to rotate the second main rotation arm to have any second degree of freedom rotation angle,
A gravity torque value generated by the self weight of the first and second main rotary arms, the first and second actuating arms, the first and second compensating arms, and the handle with respect to the fixed shaft is generated by the self weight of the counter mass The compensating torque values are canceled each other.
상기 포지셔닝 로봇은, 상기 고정 축을 기준으로 상기 포지셔닝 로봇의 자중에 의한 모멘트값이 항상 0인 포지셔닝 로봇.
The method of claim 3,
Wherein the positioning robot is such that a moment value due to the self weight of the positioning robot is always 0 on the basis of the fixed axis.
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KR20180087629A true KR20180087629A (en) | 2018-08-02 |
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