WO2021071030A1 - 센싱 디바이스 및 이를 포함한 로봇 매니퓰레이터 - Google Patents

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WO2021071030A1
WO2021071030A1 PCT/KR2020/001673 KR2020001673W WO2021071030A1 WO 2021071030 A1 WO2021071030 A1 WO 2021071030A1 KR 2020001673 W KR2020001673 W KR 2020001673W WO 2021071030 A1 WO2021071030 A1 WO 2021071030A1
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WO
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force
cover
force sensor
joint
shape
Prior art date
Application number
PCT/KR2020/001673
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English (en)
French (fr)
Inventor
김의겸
박찬훈
도현민
박동일
최태용
김휘수
박종우
김두형
경진호
Original Assignee
한국기계연구원
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Publication date
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    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J13/00—Controls for manipulators
    • B25J13/08—Controls for manipulators by means of sensing devices, e.g. viewing or touching devices
    • B25J13/085—Force or torque sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J13/00—Controls for manipulators
    • B25J13/08—Controls for manipulators by means of sensing devices, e.g. viewing or touching devices
    • B25J13/081—Touching devices, e.g. pressure-sensitive
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    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/0075—Means for protecting the manipulator from its environment or vice versa
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    • B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/02—Sensing devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/22—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring the force applied to control members, e.g. control members of vehicles, triggers

Definitions

  • the present invention relates to a sensing device and a robot manipulator including the same, and more particularly, it is possible to determine the magnitude and direction of the force applied to the entire area of the cover and the location where the force is applied using a single force sensor that measures force and torque. It relates to a sensing device and a robot manipulator including the same.
  • robot manipulators that are formed into multi-joints using joints and joint links, and tools are installed at the ends to perform predetermined processes are widely used. These robot manipulators improve work efficiency and enable work in extreme environments that are difficult for humans to work with.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a conventional sensing structure for measuring an external force applied to a robot manipulator.
  • the first is to measure the torque force applied to the joint link 120 by attaching the torque sensor 140 to the joint 130 between neighboring joint links 120. Therefore, by installing the torque sensor 140 for each joint 130, it is possible to detect a collision of the robot manipulator 10 and measure an external force applied to the robot manipulator 10 therefrom.
  • the second is a method of using the skin-like film sensor 150 covering each joint link 120.
  • the flexible skin-type film sensor 150 By attaching the flexible skin-type film sensor 150 to the surface of the joint link 120, the magnitude, position, and distribution of the force applied to the joint link 120 can be determined.
  • the skin-type film sensor 150 When the skin-type film sensor 150 is used, not only the magnitude of the force, but also the position and distribution of the force can be grasped, and thus may be considered important.
  • the skin-type film sensor since a plurality of sensor nodes are arranged over the entire area of the film sensor, there is a problem in that wiring is complicated due to a large number of sensor nodes.
  • a plurality of sensor nodes since a plurality of sensor nodes are used, it is difficult to use an expensive sensor with high measurement accuracy, and there is a problem that the reliability of the measurement value is low.
  • an object of the present invention is to solve such a conventional problem, by disposing a single force sensor measuring force and torque at one point among the front surface between the cover and the body covering the outside of the body of various structures. It is to provide a sensing device capable of detecting the magnitude, direction, and position of a force applied to an arbitrary position.
  • Another object of the present invention is to provide a robot manipulator including the sensing device.
  • the sensing device includes a cover, a force sensor, and a force information calculation unit.
  • the cover has a predetermined shape and covers the body.
  • the force sensor is disposed at a point between the body and the cover, and measures the force and torque at the point applied through the cover.
  • the force information calculation unit derives information on the force applied to the cover from data measured by the force sensor.
  • the force information calculator may derive information on the force applied to the cover by additionally using preset shape information of the cover to the data measured by the force sensor.
  • an arbitrary position of the cover may be defined by a predetermined formula based on a point at which the force sensor is disposed.
  • the force (f) and torque (q) measured by the force sensor are a geometric relationship between the applied force (p) and the position (c) of the cover to which the force is applied. locational relation).
  • the cover has a rigid material, and the shape of the cover may be any one of a planar shape, at least a partial shape of a cylindrical shape, at least a partial shape of a spherical shape, and a curved shape.
  • the body may be any one of a robot, a mobile terminal, a game terminal, a display, and a smart terminal.
  • one force sensor may be disposed for each of the one cover.
  • the robot manipulator includes a cover, a force sensor, and a force information calculation unit.
  • the cover has a predetermined shape and covers the body of the robot.
  • the force sensor is disposed at a point between the body and the cover to measure force and torque.
  • the force information calculation unit obtains force information applied to an arbitrary position of the cover from data measured by the force sensor and shape information of the cover.
  • the force sensor may be a six-axis force sensor that measures force and torque in orthogonal three-axis directions.
  • the body may be formed of a plurality of joint links.
  • the cover may be divided into a plurality to cover the joint link, and a single force sensor may be disposed on each of the divided covers.
  • the cover may be divided into a plurality in the axial circumferential direction of the joint link.
  • a contact portion may be formed in contact with the horizontal surface of the force sensor by forming a flat surface on the inner surface of the cover.
  • the force information may include at least one of a force magnitude, a force direction, and a position to which the force is applied.
  • the cover may have a rigid material, and one force sensor may be disposed for each cover.
  • a joint link forming a robot joint, a joint formed between the joint links, and an end effector formed at an end of the joint link may be further included, and the body may be the joint link.
  • a single force sensor is used to measure the force and torque and is located at one point of the front surface between the cover and the body of a structure such as a robot.
  • the sensing device according to the present invention can be manufactured by using a cover made of a rigid material that is conventionally used to protect the interior of a structure such as a robot.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a conventional sensing structure for measuring an external force applied to a robot manipulator.
  • FIG. 2 is a diagram showing an external appearance of a robot manipulator including a sensing device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing portion A of FIG. 2.
  • 4A and 4B are cross-sectional views illustrating joint link portions, respectively.
  • FIG. 5 shows a directional and positional relationship between force data measured by a force sensor positioned under the cover and a force applied to the actual cover.
  • torque sensor 150 skin type film sensor
  • FIG. 2 is a diagram showing the outer appearance of a robot manipulator including a sensing device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing part A of FIG. 2
  • FIGS. 4A and 4B are respectively These are the cross-sectional views shown.
  • the sensing device includes a cover 122, a force sensor 170, and a force information calculation unit (not shown).
  • the sensing device in the present embodiment may be provided on the external shape of various structures as well as a structure such as a robot having a predetermined body, and is not limited to the robot manipulator described below.
  • the sensing device is provided in the robot, and the robot manipulator 100 will be described as a representative example.
  • the robot manipulator 100 may include a cover 122, a force sensor 170, and a force information calculation unit (not shown).
  • the robot manipulator 100 includes a link joint 120, a joint 130, and an end effector 160, which are basic configurations of a robot manipulator in the prior art, as shown in FIG. It is characterized in that it further includes the cover 122, the force sensor 170, and a force information calculation unit (not shown) in addition to the configuration of the prior art.
  • the joint link 120 is coupled to a plurality of couplings from the base 110 forming the fixing portion to form a robot joint similar to a human joint.
  • a joint 130 is formed between the base 110 and the joint link 120 or between two adjacent joint links 120, and an actuator (not shown) is formed in the joint 130 to perform various movements. I can do it.
  • the joint link 120 rotates around the joint 130, rotates around the axis of the joint link 120, or uses a cylindrical actuator to perform a linear motion. It can be made to exercise. Accordingly, it is possible to manufacture the robot manipulator 100 having multiple degrees of freedom by various methods such as the number of joint links 120 and actuator design in the joint 130.
  • An end-effector 160 may be formed at the end of the joint link 120 located at the distal end, and various end-effectors 160 may be mounted according to the purpose of use, such as gripping, welding, and assembling of an object. have.
  • the cover 122 covers the outer peripheral surface of the joint link 120. At this time, it is preferable to form a predetermined spaced space between the joint link 120 and the cover 122, and the force sensor 170 may be disposed in the spaced space between the joint link 120 and the cover 122.
  • the cover 122 covering the outer circumferential surface of each joint link 120 may be divided into a plurality of pieces, that is, the joint link 120 using a plurality of covers 122 for a single joint link 120 It may be formed to cover the outer circumferential surface of. For example, it may be formed to cover the front surface of the joint link 120 by using a plurality of covers 122 in the axial circumferential direction of the joint link 120.
  • 4A shows that the covers 122 are disposed in the axial circumferential direction of the joint link 120 using three covers 122 at intervals of 120 degrees in the circumferential direction, and in FIG. 4B, four covers are disposed at 90 degrees in the circumferential direction.
  • cover 122 is disposed in the axial circumferential direction of the joint link 120 using the cover 122.
  • a method of covering the joint link 120 using a plurality of covers 122 for a single joint link 120 is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible.
  • the number of covers 122 is not limited to the illustrated number, and covers 122 having the same spacing and having the same shape are not necessarily used.
  • the structure divided into a very large number of covers is not a structure suitable for the technical idea of the present embodiment.
  • the covers 122 divided for a single joint link 120 are spaced apart from each other to prevent mutual interference.
  • a single force sensor 170 may be disposed between each cover 122 and the joint link 120 divided as shown in FIGS. 4A and 4B, respectively, each of the force sensors 170 It is preferable that the force sensor 170 be able to measure the force applied to the cover 122 in contact and not be affected by the force applied to the other cover 122.
  • the cover 122 includes a joint link 120 located inside the cover 122 to protect a power transmission part (not shown), an electronic circuit (not shown), a wiring (not shown), etc., as well as an outer peripheral surface It can play a role of covering it to make it look neat outwardly.
  • the cover 122 is capable of protecting the joint link 120, including wiring located inside, and has rigidity so that the force applied to an arbitrary position of the cover 122 can be well transmitted to the force sensor 170. It is preferable that the branch is formed of a material.
  • the cover 122 has a preset shape, and is characterized in that the shape of the cover 122 is not deformed or is restored to an initial preset shape even if the shape is deformed.
  • an arbitrary position of the cover 122 may be defined by a predetermined equation based on a specific reference point.
  • an arbitrary position of the cover 122 refers to a point at which the force sensor 170 is disposed.
  • it may be defined by a predetermined formula.
  • the defined formula may include various geometric functions, and may be variously defined according to the shape of the cover 122. For example, if the cover 122 has a planar shape extending in parallel in one direction, the defined equation may be a plane function defining the plane.
  • the cover 122 maintains the initial shape as it is, and the shape of the cover 122 must be able to be defined as a predetermined geometric function based on a specific defined reference point. .
  • Such an example that is, an example of a shape that the cover 122 may have, may be a planar shape, at least a portion of a cylindrical shape, at least a portion of a spherical shape, a curved shape, and the like.
  • the force sensor 170 is disposed in a single number at any one point among the entire area between the joint link 120 and the cover 122 covering the joint link 120 to measure the force and moment transmitted from the cover 122 do. That is, in this embodiment, the force sensor 170 is disposed between the upper part of the joint link 120 and the lower part of the cover 122, but the sensor is disposed with respect to the entire area of the joint link 120 like a skin-type film sensor. In addition, a single force sensor 170 is disposed at one point of the entire area between the joint link 120 and the cover 122. At this time, the force sensor 170 is preferably located in the center of the cover (122).
  • the force sensor 170 measures a force and a moment transmitted by the cover 122 made of a rigid material when a force is applied to an arbitrary position on the cover 122.
  • the force information calculation unit calculates force information including the magnitude and direction of the force applied to the actual cover 122 and the position at which the force is applied based on the force and moment values measured by the force sensor 170. .
  • the cover 122 has a force sensor by forming a plane on the inner surface of the curved cover 122 to facilitate contact with the upper horizontal surface of the force sensor 170.
  • a contact portion 123 for contacting the upper horizontal surface of 170 may be formed.
  • the force sensor 170 is preferably a force sensor 170 that measures a force and a moment together, but a three-axis or six-axis multi-axis force sensor may be used.
  • a six-axis force sensor 170 is used that measures the force (f x , f y , f z ) and torque (m x , m y , m z ) in the orthogonal xyz three-axis direction.
  • the six-axis force sensor 170 disposed between the cover 122 and the joint link 120 is applied to the force sensor 170 when a force is applied to an arbitrary position on the cover 122 due to a collision with the outside. It is possible to measure the force value in the axial direction and the torque value in the 3 axis direction.
  • the force information calculation unit may calculate the magnitude, direction, and position of the force applied to the cover 122 from force data about the force and torque measured by the force sensor 170.
  • the force information calculation unit uses the values of the force and torque measured from the force sensor 170 and the geometric shape of the cover 122 to the actual cover 122 It is possible to quickly and accurately determine the magnitude of the force applied to it, the direction of the force, or the location where the force is applied.
  • 6-axis data is measured from the 6-axis force sensor 170, and using the geometric shape of the cover 122, the magnitude and direction of the force applied to the cover 122 in the three-axis direction and the force are applied. You can figure out the location. At this time, according to the number of data measured by the force sensor 170, the number of force information about the force applied to the cover 122, which can be obtained therefrom, may also vary.
  • the force information calculation unit may be configured with a computing device such as a memory for storing data and a CPU for calculating the data.
  • the operation of the robot manipulator 100 may be controlled through a control unit (not shown) based on the force information obtained by calculating the force information calculation unit as described above. For example, when the magnitude of the force applied to the cover 122 is greater than the set reference value, the control unit controls to automatically stop the operation of the moving robot manipulator 100 or controls the robot manipulator 100 to move in a different path. I can do it.
  • a plurality of covers 122 covering the joint links 120 are separated from each other so as to be spaced apart from each other, and between the separated covers 122 and the joint links 120
  • Each of the force sensors 170 can be disposed at, and as the number of divisions increases, information on the force applied to the joint link 120 can be more accurately grasped.
  • the force information calculator obtains force information applied to the cover 122 based on the data on the force and torque measured by the force sensor 170 and the geometric shape of the cover 122 will be described. I will do it.
  • FIG. 5 shows a directional and positional relationship between force data measured by a force sensor positioned under the cover and a force applied to the actual cover.
  • the surface S of the cover 122 shown in FIG. 5 is a radius
  • the and axes are cylindrical in shape, parallel to the y-axis.
  • the force sensor 170 is Is located at the coordinates of, where to be.
  • Surface S can be expressed as Equation (1) through a zero set of quadratic form.
  • Equation (2) A is the same as Equation (2).
  • the force f measured by the force sensor 170 may be expressed as a three-axis contact force p.
  • the moment m measured by the force sensor 170 is related to the torque q, the contact position c, and the contact force p of the three axes. That is, the force (f) and torque (q) measured by the force sensor 170 are a geometric relationship between the applied force (p) and the position (c) of the cover to which the force is applied. locational relation). Therefore, the force-moment equilibrium equation is as shown in Eqs. (3) and (4).
  • Equation (7) Since q is parallel to the normal vector of S, there is a K variable as shown in Equation (7) below.
  • Equation (8) Substituting Equation (7) and Equation (3) into Equation (5), it is equal to Equation (8).
  • K can be obtained from the following equation.
  • Equation (16) is derived as follows.
  • variable c is And, It is derived by the extreme value of
  • the geometric relationship is defined due to the above result, and the external force p of the three axes and the position c when contacting the surface are expressed as data (f and m ) measured by the force sensor 170.
  • data on force information including the magnitude, direction and position of the actual force applied to the cover 122 from the geometric shape of the cover 122 and the measurement data on the force and torque measured by the force sensor 170 Can be saved.
  • the sensing device is provided in the robot manipulator 100, but as described above, the sensing device may be applied to various structures other than the robot manipulator.
  • the cover 122 is disposed to cover the body of the robot, and a body of various structures, for example, a body of various types of robots, a display such as a mobile terminal, a game terminal, a TV, etc., It can be mounted or placed in various smart terminals.
  • the various structures on which the cover 122 is mounted are structures in which the user inputs motions through a touch, as described above, force information at a location input by the user through the sensing device is easily obtained. Therefore, it is possible to obtain information related to a user's input in various structures through a sensing device having a relatively simple structure.
  • the robot manipulator 100 includes an actuator (not shown) formed in the joint 130 between the adjacent joint links 120 including the first joint 130 between the base 110 and the joint link 120.
  • a control unit (not shown) controls the motion of (see) to perform joint movement, and the end effector 160 connected to the joint link 120 at the distal end performs operations such as gripping, welding, and assembling of the object. .
  • the force sensor 170 formed at a point between the cover 122 and the joint link 120 is The force and torque transmitted from the cover 122 made of a rigid material are measured.
  • the force sensor 170 may be a six-axis force sensor 170 that measures three-axis force and torque, and the force information calculation unit (not shown) includes data measured by the six-axis force sensor 170 and a cover ( Using the geometric shape information of 122), it is possible to grasp the force information regarding the magnitude and direction of the force applied to an arbitrary point of the cover 122 and the position at which the force is applied.
  • the operation of the robot manipulator 100 may be controlled through the control unit based on the force information applied to the actual cover 122 obtained from the force information calculation unit.
  • the sensing device and the robot manipulator including the same, it is located at one point in the front of the body of a structure such as a cover and a robot, and force information applied to an arbitrary position on the cover using a single force sensor measuring force and torque It has the advantage of being able to detect.
  • the sensing device according to the present invention can be manufactured by using a cover made of a rigid material that is conventionally used to protect the interior of a structure such as a robot.

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Abstract

센싱 디바이스 및 이를 포함한 로봇 매니퓰레이터에서, 상기 센싱 디바이스는 커버, 힘센서 및 힘정보 계산부를 포함한다. 상기 커버는 기 설정된 형상을 가지며, 바디를 커버한다. 상기 힘센서는 상기 바디와 상기 커버 사이의 일 지점에 배치되어, 상기 커버를 통해 인가되는 상기 일 지점에서의 힘과 토크를 측정한다. 상기 힘정보 계산부는 상기 커버의 임의의 위치에 힘이 인가되는 경우, 상기 힘센서가 측정한 데이터로부터 상기 커버에 인가되는 힘에 관한 정보를 도출한다.

Description

센싱 디바이스 및 이를 포함한 로봇 매니퓰레이터
본 발명은 센싱 디바이스 및 이를 포함한 로봇 매니퓰레이터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 힘과 토크를 측정하는 단일의 힘센서를 이용하여 커버 전면적에 가해지는 힘의 크기와 방향 및 힘이 가해지는 위치를 파악할 수 있는 센싱 디바이스 및 이를 포함한 로봇 매니퓰레이터에 관한 것이다.
자동차 공장, 반도체 공장 등의 산업 현장에서는 조인트와 관절 링크를 이용하여 다관절로 형성되고 말단에 공구가 설치되어 소정의 공정을 수행하는 로봇 매니퓰레이터가 널리 사용되고 있다. 이러한 로봇 매니퓰레이터는 작업의 효율성을 높여주고 인간이 작업하기에 어려운 극한 환경에서도 작업이 가능하도록 하였다.
로봇 매니퓰레이터의 동작에 있어서 가장 중요한 것은 작업 과정에서의 안전이다. 따라서, 로봇 매니퓰레이터에 센서를 부착하여 로봇 매니퓰레이터에 인가되는 힘을 측정하도록 하여 이로부터 로봇 매니퓰레이터의 동작을 안전하게 제어할 수 있도록 하였다.
도 1은 로봇 매니퓰레이터에 인가되는 외력을 측정하는 종래의 센싱 구조를 설명하기 위한 도면이다.
종래에 로봇 매니퓰레이터(10)에 있어서 관절 링크(120)에 가해지는 힘을 측정하는 방법으로 크게 두 가지 방법을 사용하였다.
첫 번째는 이웃하는 관절 링크(120) 사이의 조인트(130)에 토크 센서(140)를 장착하여 관절 링크(120)에 가해지는 토크 힘을 측정하는 것이다. 따라서, 각 조인트(130)마다 토크 센서(140)를 장착하여, 이로부터 로봇 매니퓰레이터(10)의 충돌 감지 및 로봇 매니퓰레이터(10)에 인가되는 외부의 힘 측정이 가능하였다.
하지만, 이 방법의 경우 각 조인트(130)에서의 단축 토크만 측정하므로 다양한 힘 정보를 파악할 수가 없다는 문제가 있다. 또한, 조인트(130)에 형성되는 액츄에이터(미도시)에 토크 센서(140)를 직결 장착하여야 하므로 조인트 모듈의 구조가 복잡해지고 가격이 상승하는 문제가 발생한다. 또한, 시작 조인트(130a)의 토크 센서(140)에 아주 작은 오차가 발생하게 되면 끝단에서는 오차가 누적되어 아주 큰 위치 오차가 발생할 수가 있으며, 이를 해결하기 위해서는 강성이 매우 높고 센싱 정밀도도 매우 높은 고가의 토크 센서(140)를 사용해야 하는 문제가 있다.
두 번째는, 각 관절 링크(120)를 덮는 피부형 필름 센서(150)를 이용하는 방법이다. 관절 링크(120)의 표면에 유연한 피부형 필름 센서(150)를 부착하여 관절 링크(120)에 인가되는 힘의 크기, 위치, 및 분포도를 파악할 수가 있다.
이러한 피부형 필름 센서(150)를 사용하는 경우 힘의 크기 뿐만 아니라 힘의 위치와 분포도 파악할 수가 있어서 중요하게 고려될 수가 있다. 하지만, 피부형 필름 센서는 복수의 센서 노드가 필름 센서 전면적에 대하여 배열되는 형태이기 때문에, 센서 노드의 개수가 많아서 배선이 복잡해지는 문제가 있다. 또한, 복수의 센서 노드를 사용하기 때문에 측정 정확도가 높은 고가의 센서를 사용하는 것이 어려워 측정값의 신뢰도가 낮다는 문제가 있다.
관련 선행기술 문헌으로는 대한민국 공개특허 제10-2016-0146979호가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 다양한 구조체의 바디 외부를 덮는 커버와 바디 사이의 전면 중 일 지점에 힘과 토크를 측정하는 단일의 힘센서를 배치하여 커버의 임의의 위치에 가해지는 힘의 크기와 방향 및 위치를 감지할 수 있는 센싱 디바이스를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 센싱 디바이스를 포함한 로봇 매니퓰레이터를 제공함에 있다.
상기한 본 발명의 목적을 위한 일 실시예에 의한 센싱 디바이스는 커버, 힘센서 및 힘정보 계산부를 포함한다. 상기 커버는 기 설정된 형상을 가지며, 바디를 커버한다. 상기 힘센서는 상기 바디와 상기 커버 사이의 일 지점에 배치되어, 상기 커버를 통해 인가되는 상기 일 지점에서의 힘과 토크를 측정한다. 상기 힘정보 계산부는 상기 커버의 임의의 위치에 힘이 인가되는 경우, 상기 힘센서가 측정한 데이터로부터 상기 커버에 인가되는 힘에 관한 정보를 도출한다.
일 실시예에서, 상기 힘정보 계산부는, 상기 힘센서가 측정한 데이터에, 상기 커버의 기 설정된 형상 정보를 추가로 이용하여 상기 커버에 인가되는 힘에 관한 정보를 도출할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 커버는, 상기 커버의 임의의 위치가, 상기 힘센서가 배치되는 일 지점을 기준으로 소정의 수식으로 정의될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 힘센서에서 측정한 힘(f)과 토크(q)는, 상기 인가되는 힘(p) 및 상기 힘이 인가되는 상기 커버의 위치(c)와의 사이에서 기구학적 관계(geometric locational relation)를 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 커버는 강성재질을 가지며, 상기 커버의 형상은 평면 형상, 원통형의 적어도 일부 형상, 구형의 적어도 일부 형상 및 곡면 형상 중 어느 하나일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 바디는, 로봇, 모바일 단말기, 게임 단말기, 디스플레이, 스마트 단말기 중 어느 하나일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 힘센서는, 상기 하나의 커버마다 한 개가 배치될 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 위한 일 실시예에 의한 로봇 매니퓰레이터는 커버, 힘센서 및 힘정보 계산부를 포함한다. 상기 커버는 기 설정된 형상을 가지며, 로봇의 바디를 커버한다. 상기 힘센서는 상기 바디와 상기 커버 사이의 일 지점에 배치되어, 힘과 토크를 측정한다. 상기 힘정보 계산부는 상기 힘센서가 측정한 데이터 및 상기 커버의 형상 정보로부터 상기 커버의 임의의 위치에 인가되는 힘정보를 구한다.
일 실시예에서, 상기 힘센서는 직교하는 3축 방향의 힘 및 토크를 측정하는 6축 힘센서일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 바디는 복수의 관절 링크로 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 커버는 복수 개로 분할되어 상기 관절 링크를 덮고, 각각의 분할된 커버 각각에 단일의 힘센서가 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 커버는 상기 관절 링크의 축 원주 방향으로 복수 개로 분할될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 커버 내측면에 평면의 면을 형성하여 상기 힘센서의 수평면과 접촉하는 접촉부가 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 힘정보는 힘의 크기, 힘의 방향, 힘이 인가되는 위치 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 커버는 강성재질을 가지며, 상기 힘센서는 상기 하나의 커버마다 한 개가 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 로봇 관절을 형성하는 관절 링크, 상기 관절 링크 사이에 형성되는 조인트, 및 상기 관절 링크의 단부에 형성되는 엔드 이펙터를 더 포함하고, 상기 바디는 상기 관절링크일 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 센싱 디바이스 및 이를 포함하는 로봇 매니퓰레이터에 따르면 커버와 로봇 등과 같은 구조체의 바디 사이의 전면 중 일 지점에 위치하며 힘과 토크를 측정하는 단일의 힘센서를 이용하여 커버 위 임의의 위치에 가해지는 힘정보를 감지할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 커버에 가해지는 힘의 크기와 위치뿐만 아니라 힘의 방향도 감지할 수 있다는 장점도 있다.
또한, 피부형 필름 센서를 사용하는 경우와 비교하여 배선의 수가 작아서 배선 처리가 간단하다는 장점도 있다.
또한, 조인트에 토크 센서를 장착할 필요가 없어서 조인트의 구조가 간단해질 수 있다는 장점도 있다.
또한, 로봇 등과 같은 구조체의 내부를 보호하기 위해 기존에 사용되는 강성 재질의 커버를 이용하여 본 발명에 따른 센싱 디바이스를 제작할 수 있다는 장점도 있다.
도 1은 로봇 매니퓰레이터에 인가되는 외력을 측정하는 종래의 센싱 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 디바이스를 포함한 로봇 매니퓰레이터의 외형을 도시하는 도면이다.
도 3은 도 2의 A부분을 도시하는 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 관절 링크 부분을 도시한 단면도들이다.
도 5는 커버의 아래에 위치하는 힘센서가 측정한 힘 데이터와 실제 커버에 인가되는 힘 사이의 방향성 및 위치 관계를 도시한다.
* 부호의 설명
100: 로봇 매니퓰레이터 110: 베이스
120: 관절 링크 122: 커버
123: 접촉부 130: 조인트
140: 토크 센서 150: 피부형 필름 센서
160: 엔드이펙터 170: 힘센서
실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다
이하, 도면들을 참고하여 본 발명의 실시예에 따른 로봇 매니퓰레이터에 대해 설명하도록 한다. 특히, 이하의 설명에서는 로봇 매니퓰레이터에 본 발명에 따른 로봇 매니퓰레이터가 적용되는 일 실시예를 중심으로 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 디바이스를 포함한 로봇 매니퓰레이터의 외형을 도시하는 도면이고, 도 3은 도 2의 A부분을 도시하는 단면도이고, 도 4a 및 도 4b는 각각 관절 링크 부분을 도시한 단면도들이다.
도 2 내지 도 4b를 참조하면, 본 실시예에서의, 센싱 디바이스는 커버(122), 힘센서(170) 및 힘정보 계산부(미도시)를 포함한다.
한편, 본 실시예에서의 상기 센싱 디바이스는 소정의 바디(body)를 가지는 로봇과 같은 구조체는 물론, 다양한 구조체의 외형에 구비될 수 있는 것으로, 이하에서 설명되는 로봇 매니퓰레이터에 한정되지는 않는다.
다만, 이하에서는 상기 센싱 디바이스가 로봇에 구비되는 것으로, 로봇 매니퓰레이터(100)를 대표적인 예로서 설명한다.
이에 따라, 상기 로봇 매니퓰레이터(100)는 커버(122), 힘센서(170) 및 힘정보 계산부(미도시)를 포함하여 구성될 수가 있다.
이 경우, 상기 로봇 매니퓰레이터(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 종래 기술에서의 로봇 매니퓰레이터의 기본 구성인, 링크 관절(120), 조인트(130) 및 엔드 이펙터(160)의 구성을 포함하는 것으로, 상기 종래 기술의 구성에 추가하여, 상기 커버(122), 힘센서(170) 및 힘정보 계산부(미도시)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
관절 링크(120)는 고정부를 형성하는 베이스(110)로부터 복수 개 커플링 연결되어 인간의 관절과 유사하게 로봇 관절을 형성한다. 이때, 베이스(110)와 관절 링크(120) 사이 또는 이웃하는 두 개의 관절 링크(120) 사이에는 조인트(130)를 형성하게 되는데, 조인트(130)에는 액츄에이터(미도시)가 형성되어 다양한 운동을 할 수가 있다. 예를 들어, 액츄에이터의 설계에 따라서 조인트(130)를 중심으로 관절 링크(120)가 회전 운동을 하도록 하거나, 관절 링크(120)의 축을 중심으로 회전 운동을 하도록 하거나, 실린더형 액츄에이터를 이용하여 직선 운동을 하도록 제작될 수가 있다. 따라서, 관절 링크(120)의 수 및 조인트(130)에서의 액츄에이터 설계 등의 방법으로 다자유도의 로봇 매니퓰레이터(100)를 다양하게 제작할 수가 있다.
말단에 위치하는 관절 링크(120)의 단부에는 엔드이펙터(end-effector)(160)가 형성될 수가 있는데, 물체의 파지, 용접, 조립 등 사용 목적에 따라서 다양한 엔드이펙터(160)가 장착될 수가 있다.
커버(122)는 관절 링크(120)의 외주면을 덮는다. 이때, 관절 링크(120)와 커버(122) 사이에는 소정의 이격 공간을 형성하는 것이 바람직하며, 사이의 이격 공간에 힘센서(170)가 배치될 수가 있다.
이때, 각 관절 링크(120)의 외주면을 덮는 커버(122)는 복수 개로 분할 되어 형성될 수가 있는데, 즉 단일의 관절 링크(120)에 대하여 복수의 커버(122)를 이용하여 관절 링크(120)의 외주면을 덮도록 형성될 수가 있다. 예를 들어, 관절 링크(120)의 축 원주 방향으로 복수 개의 커버(122)를 이용하여 관절 링크(120)의 전면을 덮도록 형성될 수가 있다. 도 4a에서는 원주 방향 120도의 간격으로 3개의 커버(122)를 이용하여 관절 링크(120)의 축 원주 방향으로 커버(122)가 배치되는 것을 도시하고, 도 4b에서는 원주 방향 90도 간격으로 4개의 커버(122)를 이용하여 관절 링크(120)의 축 원주 방향으로 커버(122)가 배치되는 것을 도시한다. 단일의 관절 링크(120)에 대하여 복수 개의 커버(122)를 이용하여 관절 링크(120)를 덮는 방법은 전술한 실시예에 한정되지 않고, 다양하게 변형이 가능하다. 예를 들어, 커버(122)의 개수는 도시된 개수에 한정되는 것은 아니며, 반드시 같은 간격을 가지며 같은 형태의 커버(122)가 사용되어야 하는 것은 아니다. 하지만, 아주 많은 개수의 커버로 분할되는 구조는 본 실시예의 기술적 사상에 적합한 구조가 아니다.
이때, 단일의 관절 링크(120)에 대하여 분할되는 각각의 커버(122) 사이는 서로 이격되도록 하여 상호 간섭을 받지 않도록 하는 것이 바람직하다. 도 4a 및 도 4b에 도시되어 있는 것과 같이 분할되는 각 커버(122)와 관절 링크(120) 사이에는 단일의 힘센서(170)가 각각 배치될 수가 있는데, 각각의 힘센서(170)는 각각의 힘센서(170)가 접촉하고 있는 커버(122)에 가해지는 힘을 측정할 수 있도록 하고, 다른 커버(122)에 인가되는 힘에는 영향을 받지 않도록 하는 것이 바람직하다.
커버(122)는 커버(122) 내부에 위치하는 관절 링크(120)를 포함하여 동력 전달 파트(미도시), 전자 회로(미도시), 배선(미도시) 등을 보호하도록 할 뿐만 아니라, 외주면을 덮어 외관상으로 깔끔하게 보일 수 있도록 하는 역할을 할 수가 있다.
커버(122)는 내부에 위치하는 배선 등을 포함하여 관절 링크(120)를 보호할 수 있도록 하고 커버(122)의 임의의 위치에 가해지는 힘을 힘센서(170)에 잘 전달할 수 있도록 강성을 가지는 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
즉, 상기 커버(122)는 기 설정된 형상을 가지는 것으로, 한번 가지는 형상이 변형되지 않거나, 변형이 되더라도 초기의 기 설정된 형상으로 다시 회복되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 커버(122)는 상기와 같이 기 설정된 형상을 가지게 되므로, 상기 커버(122)의 임의의 위치는, 특정 기준점을 기준으로, 소정의 수식으로 정의될 수 있다.
이 경우, 상기 특정 기준점을 예를 들어, 상기 힘센서(170)가 배치되는 일 지점이라 정의하면, 결국, 상기 커버(122)의 임의의 위치는 상기 힘센서(170)가 배치되는 일 지점을 기준으로, 소정의 수식으로 정의될 수 있다.
상기 정의되는 수식은, 다양한 기하학적 함수를 포함할 수 있으며, 상기 커버(122)의 형상에 따라 다양하게 정의될 수 있다. 예를 들어, 상기 커버(122)가 일 방향으로 평행하게 연장되는 평면 형상이라면, 상기 정의되는 수식은 상기 평면을 정의하는 평면 함수일 수 있다.
이상과 같이, 상기 커버(122)는 초기의 형상을 그대로 유지하는 것으로, 상기 커버(122)가 갖는 형상은 특정 정의된 기준점을 기준으로, 임의의 위치가 소정의 기하학적 함수로 정의될 수 있어야 한다.
이러한 예, 즉 상기 커버(122)가 가질 수 있는 형상의 예로, 평면 형상, 원통형의 적어도 일부 형상, 구형의 적어도 일부 형상, 곡면 형상 등일 수 있다.
힘센서(170)는 관절 링크(120)와 관절 링크(120)를 덮는 커버(122) 사이의 전면적 중 임의의 일 지점에 단일의 개수로 배치되어 커버(122)로부터 전달되는 힘과 모멘트를 측정한다. 즉, 본 실시예에서는 관절 링크(120)의 상부 및 커버(122)의 하부 사이에 힘센서(170)가 배치되되 피부형 필름 센서와 같이 관절 링크(120)의 전면적에 대하여 센서가 배치되는 것이 아니라 관절 링크(120)와 커버(122) 사이의 전면적 중 일 지점에 단일의 힘센서(170)가 배치된다. 이때, 힘센서(170)는 커버(122)의 중앙에 위치하는 것이 바람직하다.
힘센서(170)는 커버(122) 상 임의의 위치에 힘이 인가될 때 강성 재질의 커버(122)에 의해 전달되는 힘과 모멘트를 측정한다. 후술하는 바와 같이 힘정보 계산부는 힘센서(170)가 측정한 힘과 모멘트 값을 기초로 실제 커버(122)에 인가된 힘의 크기와 방향 및 힘이 인가되는 위치를 포함하는 힘정보를 계산한다.
도 3, 도 4a 및 도 4b에 도시되어 있는 것과 같이 커버(122)에는 힘센서(170)의 상부 수평면과의 접촉을 용이하게 하도록, 곡면의 커버(122) 내측면에서 평면을 형성하여 힘센서(170)의 상부 수평면과 접촉하도록 하는 접촉부(123)가 형성될 수가 있다.
이때, 본 실시예에서 힘센서(170)는 힘과 모멘트를 함께 측정하는 힘센서(170)를 사용하는 것이 바람직한데, 3축 또는 6축의 다축 힘센서를 사용할 수가 있다. 본 실시예에서는 직교하는 xyz 3축 방향의 힘(fx, fy, fz)과 토크(mx, my, mz)를 측정하는 6축 힘센서(170)가 사용된다.
커버(122)와 관절 링크 사이(120)에 배치되는 6축의 힘센서(170)는 외부와의 충돌 등에 의해 커버(122) 상 임의의 위치에 힘이 가해질 때 힘센서(170)에 가해지는 3축 방향의 힘 값과 3축 방향의 토크 값을 측정할 수가 있다.
힘정보 계산부(미도시)는 힘센서(170)가 측정한 힘 및 토크에 관한 힘 데이터로부터 커버(122)에 가해지는 힘의 크기와 방향 및 위치를 계산할 수가 있다. 특히, 커버(122)의 기하학적 형상에 관한 정보를 파악할 수가 있다면 힘센서(170)로부터 측정되는 6축의 값과 커버(122) 표면에 가해지는 힘 사이의 관계를 기하학적으로 매칭하는 것이 가능할 수가 있다. 따라서, 커버(122)의 임의의 위치에 힘이 가해지더라도, 상기 힘정보 계산부는 힘센서(170)로부터 측정되는 힘과 토크의 값 및 커버(122)의 기하학적 형상을 이용하여 실제 커버(122)에 인가되는 힘의 크기 또는 힘의 방향 또는 힘이 인가되는 위치를 빠르고 정확하게 파악할 수가 있다.
본 실시예에서는 6축의 힘센서(170)로부터 6축의 데이터를 측정하고 커버(122)의 기하학적 형상을 이용하여, 커버(122)에 인가되는 3축 방향의 힘의 크기와 방향 및 힘이 인가되는 위치를 파악할 수가 있다. 이때, 힘센서(170)가 측정하는 데이터의 개수에 따라서 이로부터 구할 수 있는 커버(122)에 인가되는 힘에 관한 힘정보의 개수도 달라질 수가 있다.
이때, 힘정보 계산부는 데이터를 저장하는 메모리 및 데이터를 연산하는 CPU와 같은 연산 장치로 구성될 수 있다.
이와 같이 힘정보 계산부에서 연산하여 얻은 힘정보를 기초로, 제어부(미도시)를 통해 로봇 매니퓰레이터(100)의 동작을 제어할 수가 있다. 예를 들어, 커버(122)에 가해진 힘의 크기가 설정된 기준 값보다 클 경우에는 제어부는 움직이는 로봇 매니퓰레이터(100)의 동작을 자동으로 멈추도록 제어하거나 로봇 매니퓰레이터(100)가 다른 경로로 움직이도록 제어할 수가 있다.
이때, 도 4a 및 도 4b를 참조로 전술한 바와 같이 관절 링크(120)를 덮는 커버(122)를 복수 개로 이격되도록 상호 분리하도록 하고, 분리된 각각의 커버(122)와 관절 링크(120) 사이에 힘센서(170)를 각각 배치할 수가 있는데, 분할된 개수가 많아질수록 관절 링크(120)에 인가되는 힘에 관한 정보를 더욱 정확하게 파악할 수가 있다.
이하, 힘센서(170)가 측정한 힘과 토크에 관한 데이터와 커버(122)의 기하학적인 형상을 기초로 힘정보 계산부가 커버(122)에 인가되는 힘정보를 구하는 연산 과정의 일 예를 설명하기로 한다.
도 5는 커버의 아래에 위치하는 힘센서가 측정한 힘 데이터와 실제 커버에 인가되는 힘 사이의 방향성 및 위치 관계를 도시한다.
도 5에 도시된 커버(122)의 표면 S는 반경
Figure PCTKR2020001673-appb-I000001
와 축이 y축과 평행한 원통형의 모양이다. 힘센서(170)는
Figure PCTKR2020001673-appb-I000002
의 좌표에 위치해 있는데, 여기서
Figure PCTKR2020001673-appb-I000003
이다. 표면 S는 2차식의 영집합(zero set of quadratic form)을 통해 식 (1)으로 표현 될 수 있다.
Figure PCTKR2020001673-appb-I000004
여기서 A는 식 (2)와 같다.
Figure PCTKR2020001673-appb-I000005
위의 식 (2)에서 원통형 표면의 기하학적 형상을 표현하기 위해서,
Figure PCTKR2020001673-appb-I000006
는
Figure PCTKR2020001673-appb-I000007
로 극한값을 가지게 된다.
도 5에 도시되어 있는 것과 같이, 힘센서(170)에 의해 측정된 힘 f는 3축의 접촉 힘(contact force) p로 나타낼 수 있다. 또한, 힘센서(170)에 의해 측정된 모멘트 m은 토크 q, 접촉 위치 c 그리고 3축의 접촉 힘 p와 관계되어 있다. 즉, 상기 힘센서(170)에서 측정한 힘(f)과 토크(q)는, 상기 인가되는 힘(p) 및 상기 힘이 인가되는 상기 커버의 위치(c)와의 사이에서 기구학적 관계(geometric locational relation)를 갖는다. 그러므로 힘-모멘트 평형 방정식은 식 (3) 및 식 (4)와 같다.
Figure PCTKR2020001673-appb-I000008
Figure PCTKR2020001673-appb-I000009
여기서,
Figure PCTKR2020001673-appb-I000010
로, 즉 기지수의 합(sum of quantities)으로 나타내면, 모멘트 평형식 식 (4)는 아래와 같이 쓰여진다.
Figure PCTKR2020001673-appb-I000011
표면의 법선 벡터(normal vector) n는 다음과 같이 주어진다.
Figure PCTKR2020001673-appb-I000012
q는 S의 법선 벡터와 평행하므로, 아래 수식 (7)과 같은 K 변수가 존재한다.
Figure PCTKR2020001673-appb-I000013
식 (7)과 식 (3)을 식 (5)에 대입하면 식 (8)과 같다.
Figure PCTKR2020001673-appb-I000014
식 (1)부터 식 (8)로부터, 4개의 비선형 방정식과 4개의 미지수로 이루어진 계(system)는 다음과 같이 표현된다.
Figure PCTKR2020001673-appb-I000015
Figure PCTKR2020001673-appb-I000016
여기서
Figure PCTKR2020001673-appb-I000017
의 행렬
Figure PCTKR2020001673-appb-I000018
는 식 (11)과 같이 정의된다.
Figure PCTKR2020001673-appb-I000019
식 (9)와 식 (10)을 통해, 변수 c와 K를 찾을 수 있다. 그리고 다음과 같은 두 가지의 경우가 고려된다.
첫 번째로, 만약
Figure PCTKR2020001673-appb-I000020
이면, wrench-axis 방법을 통하여 힘 계에서 c를 찾을 수 있다. 이 케이스는 q=0이라는 가정하의 점 접촉의 해이다. 이 케이스에서, 변위 c는 아래의 식 (12)로 도출된다.
Figure PCTKR2020001673-appb-I000021
여기서 축은
Figure PCTKR2020001673-appb-I000022
을 통과하는 선으로, 다음과 같이 표현된다.
Figure PCTKR2020001673-appb-I000023
Figure PCTKR2020001673-appb-I000024
위의 식에서,
Figure PCTKR2020001673-appb-I000025
이고
Figure PCTKR2020001673-appb-I000026
이다. 그리고
Figure PCTKR2020001673-appb-I000027
에 의해 매개변수화 된 f는 축과 평행하다.
두 번째로,
Figure PCTKR2020001673-appb-I000028
인 경우, 이것은 표면에 모멘트 q가 가해졌다는 것이 고려된 soft contact solution에 관한 해이다. 만약
Figure PCTKR2020001673-appb-I000029
이면, 변위 c는 아래와 같다.
Figure PCTKR2020001673-appb-I000030
여기서 K는 아래의 식에서 얻을 수 있다.
Figure PCTKR2020001673-appb-I000031
위의 식에서,
Figure PCTKR2020001673-appb-I000032
이다.
식 (15)에서 양변에
Figure PCTKR2020001673-appb-I000033
로 극한을 취해주면, 원통 표면 상에 힘이 가해지는 접촉 위치를 찾을 수 있다. 그래서 D의 극한은 명확하게 식 (18)과 같이 계산된다.
Figure PCTKR2020001673-appb-I000034
유사하게,
Figure PCTKR2020001673-appb-I000035
이고,
따라서,
Figure PCTKR2020001673-appb-I000036
의 정의에 의해,
Figure PCTKR2020001673-appb-I000037
의 극한은 식 (20)과 같다.
Figure PCTKR2020001673-appb-I000038
변수 K는
Figure PCTKR2020001673-appb-I000039
일 때의 케이스에서 찾을 수 있다. 그리고
Figure PCTKR2020001673-appb-I000040
이 되기 때문에, 식 (16)은 다음과 같이 유도된다.
Figure PCTKR2020001673-appb-I000041
따라서,
Figure PCTKR2020001673-appb-I000042
이다.
마지막으로, 변수 c는
Figure PCTKR2020001673-appb-I000043
그리고,
Figure PCTKR2020001673-appb-I000044
의 극한값에 의해 다음과 같이 유도된다.
Figure PCTKR2020001673-appb-I000045
결과적으로, 위의 결과로 인해 기하학적인 관계가 정의되고, 세 축의 외력 p와 그리고 표면 위에 접촉될 때의 위치 c가 힘센서(170)가 측정한 데이터(f 와 m)로 표현된다. 이와 같이, 커버(122)의 기하학적 형상 및 힘센서(170)가 측정한 힘과 토크에 관한 측정 데이터로부터 실제 커버(122)에 가해지는 힘의 크기와 방향 및 위치를 포함하는 힘정보에 대한 데이터를 구할 수가 있다.
이상과 같이, 본 실시예를 통해, 센싱 디바이스가 로봇 매니퓰레이터(100)에 구비된 것을 설명하였으나, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 센싱 디바이스는 상기 로봇 매니퓰레이터 외의 다양한 구조체에도 적용될 수 있다.
즉, 상기 커버(122)는 상기 로봇의 바디(body)를 커버하도록 배치되는 것 외에, 다양한 구조체의 바디, 예를 들어, 다양한 종류의 로봇의 바디, 모바일 단말기, 게임 단말기, TV 등과 같은 디스플레이, 각종 스마트 단말기 등에 장착 또는 배치될 수 있다.
특히, 상기 커버(122)가 장착되는 다양한 구조체가, 사용자가 터치를 통해 동작 등을 입력하는 구조체라면, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 센싱 디바이스를 통해 사용자가 입력하는 위치에서의 힘정보를 용이하게 획득할 수 있으므로, 상대적으로 간단한 구조의 센싱 디바이스를 통해, 다양한 구조체에서의 사용자의 입력과 관련된 정보를 획득할 수 있게 된다.
이하, 본 실시예에 따른 로봇 매니퓰레이터의 동작에 관하여 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 로봇 매니퓰레이터(100)는 베이스(110)와 관절 링크(120) 사이의 첫 번째 조인트(130)를 포함하여 이웃하는 관절 링크(120) 사이의 조인트(130)에 형성된 액츄에이터(미도시)의 동작을 제어부(미도시)가 제어하여 관절 운동을 하게 되며, 말단의 관절 링크(120)에 연결되는 엔드이펙터(160)에 의해 물체의 파지, 용접, 조립 등의 동작을 수행하게 된다.
이때, 관절 링크(120)의 외주면을 덮는 커버(122)에 충돌 등을 이유로 외부의 힘이 인가되면, 커버(122)와 관절 링크(120) 사이의 일 지점에 형성되는 힘센서(170)는 강성 재질의 커버(122)로부터 전달되는 힘 및 토크를 측정하게 된다. 이때, 힘센서(170)는 3축의 힘과 토크를 측정하는 6축의 힘센서(170)일 수가 있는데, 힘정보 계산부(미도시)는 6축의 힘센서(170)가 측정한 데이터 및 커버(122)의 기하학적 형상 정보를 이용하여 커버(122)의 임의의 지점에 가해지는 힘의 크기와 방향 및 힘이 인가되는 위치에 관한 힘정보를 파악할 수가 있다.
이때, 커버(122)의 기하학적 형상에 관한 정보와 힘과 토크를 측정하는 힘센서(170)의 측정 데이터로부터 커버(122) 표면에 가해지는 힘 사이의 관계를 매칭하는 관계식을 적용하여, 힘센서(170)로부터 측정되는 데이터로부터 커버(122)에 인가되는 힘의 크기와 방향 및 위치에 관한 정보를 빠르게 구할 수가 있다.
이때, 힘정보 계산부로부터 구한 실제 커버(122)에 인가되는 힘정보를 기초로 제어부를 통해 로봇 매니퓰레이터(100)의 동작을 제어할 수가 있다.
도면을 참조로 전술한 실시예에서는 복수의 관절 링크(120)로 이루어진 로봇 매니퓰레이터에 본 실시예의 로봇 매니퓰레이터가 적용된 실시예를 중심으로 설명을 하였으나, 본 실시예의 개념은 관절 링크(120)를 포함하여 로봇의 외형을 형성하는 일반 로봇 바디에 적용되어 사용될 수가 있다.
센싱 디바이스 및 이를 포함하는 로봇 매니퓰레이터에 따르면 커버와 로봇 등과 같은 구조체의 바디 사이의 전면 중 일 지점에 위치하며 힘과 토크를 측정하는 단일의 힘센서를 이용하여 커버 위 임의의 위치에 가해지는 힘정보를 감지할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 커버에 가해지는 힘의 크기와 위치뿐만 아니라 힘의 방향도 감지할 수 있다는 장점도 있다.
또한, 피부형 필름 센서를 사용하는 경우와 비교하여 배선의 수가 작아서 배선 처리가 간단하다는 장점도 있다.
또한, 조인트에 토크 센서를 장착할 필요가 없어서 조인트의 구조가 간단해질 수 있다는 장점도 있다.
또한, 로봇 등과 같은 구조체의 내부를 보호하기 위해 기존에 사용되는 강성 재질의 커버를 이용하여 본 발명에 따른 센싱 디바이스를 제작할 수 있다는 장점도 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.

Claims (16)

  1. 기 설정된 형상을 가지며, 바디를 커버하는 커버;
    상기 바디와 상기 커버 사이의 일 지점에 배치되어, 상기 커버를 통해 인가되는 상기 일 지점에서의 힘과 토크를 측정하는 힘센서; 및
    상기 커버의 임의의 위치에 힘이 인가되는 경우, 상기 힘센서가 측정한 데이터로부터 상기 커버에 인가되는 힘에 관한 정보를 도출하는 힘정보 계산부를 포함하는 센싱 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 힘정보 계산부는,
    상기 힘센서가 측정한 데이터에, 상기 커버의 기 설정된 형상 정보를 추가로 이용하여 상기 커버에 인가되는 힘에 관한 정보를 도출하는 것을 특징으로 하는 센싱 디바이스.
  3. 제1항에 있어서, 상기 커버는,
    상기 커버의 임의의 위치가, 상기 힘센서가 배치되는 일 지점을 기준으로 소정의 수식으로 정의되는 것을 특징으로 하는 센싱 디바이스.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 힘센서에서 측정한 힘(f)과 토크(q)는, 상기 인가되는 힘(p) 및 상기 힘이 인가되는 상기 커버의 위치(c)와의 사이에서 기구학적 관계(geometric locational relation)를 갖는 것을 특징으로 하는 센싱 디바이스.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 커버는 강성재질을 가지며,
    상기 커버의 형상은 평면 형상, 원통형의 적어도 일부 형상, 구형의 적어도 일부 형상 및 곡면 형상 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 센싱 디바이스.
  6. 제1항에 있어서, 상기 바디는,
    로봇, 모바일 단말기, 게임 단말기, 디스플레이, 스마트 단말기 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 센싱 디바이스.
  7. 제1항에 있어서, 상기 힘센서는,
    상기 하나의 커버마다 한 개가 배치되는 것을 특징으로 하는 센싱 디바이스.
  8. 기 설정된 형상을 가지며, 로봇의 바디를 커버하는 커버;
    상기 바디와 상기 커버 사이의 일 지점에 배치되어, 힘과 토크를 측정하는 힘센서; 및
    상기 힘센서가 측정한 데이터 및 상기 커버의 형상 정보로부터 상기 커버의 임의의 위치에 인가되는 힘정보를 구하는 힘정보 계산부를 포함하는 로봇 매니퓰레이터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 힘센서는 직교하는 3축 방향의 힘 및 토크를 측정하는 6축 힘센서인 것을 특징으로 하는 로봇 매니퓰레이터.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 바디는 복수의 관절 링크로 형성되는 것을 특징으로 하는 로봇 매니퓰레이터.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 커버는 복수 개로 분할되어 상기 관절 링크를 덮고, 각각의 분할된 커버 각각에 단일의 힘센서가 배치되는 것을 특징으로 하는 로봇 매니퓰레이터.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 커버는 상기 관절 링크의 축 원주 방향으로 복수 개로 분할되는 것을 특징으로 하는 로봇 매니퓰레이터.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 커버 내측면에 평면의 면을 형성하여 상기 힘센서의 수평면과 접촉하는 접촉부가 형성되는 것을 특징으로 하는 로봇 매니퓰레이터.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 힘정보는 힘의 크기, 힘의 방향, 힘이 인가되는 위치 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇 매니퓰레이터.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 커버는 강성재질을 가지며,
    상기 힘센서는 상기 하나의 커버마다 한 개가 배치되는 것을 특징으로 하는 로봇 매니퓰레이터.
  16. 제8항에 있어서,
    로봇 관절을 형성하는 관절 링크;
    상기 관절 링크 사이에 형성되는 조인트; 및
    상기 관절 링크의 단부에 형성되는 엔드 이펙터를 더 포함하고,
    상기 바디는 상기 관절링크인 것을 특징으로 하는 로봇 매니퓰레이터.
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