KR20030085779A - 가변형 플랫폼을 갖는 병렬기구 - Google Patents

Abstract

가변형 플랫폼을 갖는 병렬기구는 다수의 자유도를 갖는 운동을 구현하는 플랫폼(상판), 플랫폼의 외형을 가변시키는 가변장치, 기구 전체를 지지하는 베이스(하판), 그리고 플랫폼과 베이스를 연결하는 복수 개의 직선 구동장치로 구성되어 있으며, 가변장치는 플랫폼-구동장치 연결부 위치를 조절하여 전체적으로 병렬기구의 외형을 가변할 수 있다.

Description

가변형 플랫폼을 갖는 병렬기구 {Parallel Manipulator with Resizable Platform}

본 발명은 병렬기구의 일부분으로 기구의 성능에 영향을 미치는 플랫폼의 제원이 가변될 수 있는 가변형 플랫폼을 갖는 병렬기구에 관한 것이다.

본 발명에서 병렬기구는 로봇 머니퓰레이터의 말단장치(end-effector)에 해당하는 플랫폼과 바닥에 고정되는 베이스가 직선 구동장치를 포함하는 다수의 링크에 의해서 폐루프 구조를 이루면서 서로 연결된 기구를 칭한다. 기존에는 구동장치를 포함한 링크들이 연속적으로 연결되어 최종의 말단장치가 다수의 자유도를 구사하는 직렬 형태의 기구들이 주로 사용되었다. 이 때, 다수의 자유도는 3차원 공간상에서 3축 방향의 직선운동을 나타내는 3개의 위치(position) 자유도와 3축에 대한 회전운동을 나타내는 3개의 자세(orientation) 자유도를 의미한다. 링크들이 직렬로 연결되어 있는 직렬기구에서는 최종의 말단장치가 운동할 수 있는 작업공간이 넓은 반면에, 링크 및 관절에서의 휨 현상에 따른 구조적인 변형이 발생하기 쉬우므로 정확도 문제가 발생할 수 있으며, 구조상 취급할 수 있는 가반중량이 기구 자체의 중량에 비해서 매우 작다.

이러한 문제점을 개선하기 위하여 상기한 병렬기구가 제안되었다. 병렬기구의 대표적인 예로서, 비행기나 자동차의 시뮬레이터 등에 사용되는 [도 1]과 같은 형태를 갖는 스튜어트 플랫폼(Stewart platform) 기구가 있다. 대부분 병렬기구는 고정된 베이스와 운동판에 해당하는 플랫폼을 [도 3]의 (a)와 같은 직선형 구동장치 또는 [도 3]의 (b)과 같은 회전형 구동장치를 이용하여 병렬로 연결한 구조를 가지며, 플랫폼과 베이스의 거리를 변화시켜서 최종적으로 플랫폼의 위치와 자세를 결정하게 된다.

병렬기구는 스튜어트 플랫폼의 형태를 기본으로 하여 여러 변형된 형태로 개발되어 왔다. 기본형인 스튜어트 플랫폼의 플랫폼의 형상을 [도 2]의 (a) 및 (b)와 같이 용도에 따라서 변화시키거나, [도 2]의 (c) 및 (d)와 같이 플랫폼과 링크와의 연결부의 위치를 다양하게 변화시키거나, [도 3]의 (a)와 (b)와 같이 구동장치의 구동 방식을 변화시킨 다양한 경우가 있다.

병렬기구의 제원은 직접적으로 그 기구의 성능을 좌우할 수 있는데, 현재 스튜어트 플랫폼으로 대변되는 병렬기구는 그 구조가 고정되어 있으므로, 일단 사용 목적에 적합하게 설계되어 제작되면 기구의 제원을 변경하는 것이 불가능하다. 특히, 병렬기구의 용도가 변경될 필요가 있는 경우에 적절하게 대처할 수 없게 된다. 따라서 일단 기구가 제작된 다음에도 기구의 사용 목적에 따라서 기구의 동작 중에서도 기구의 제원 변경이 어느 정도 가능한 병렬기구는 여러 측면에서 바람직할 수 있다.

본 발명은 상기의 설명과 같이 종래의 고정형 병렬기구가 일단 제작된 후에는 그 기구학적 제원이 고정되어 버린다는 문제점을 개선하기 위하여 창안된 것으로, 병렬기구의 기구학적 성능에 주로 영향을 미치는 플랫폼-구동장치 연결부의 위치를 가변할 수 있는 장치를 독립적으로 설치하여, 병렬기구가 작업 대상이 요구하는 기구학적 성능에 부합하도록 플랫폼-구동장치 연결부를 실시간으로 가변하거나 작업 전에 가변하고, 이를 통하여 병렬기구의 적용 영역을 확대하는 데 그 목적이 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 안된다.

도 1은 종래 기술에 따른 일반적 형태를 갖는 병렬기구의 개략도.

도 2는 종래 기술에 따른 일반적 형태의 병렬기구의 고정형 플랫폼의 여러 개략도.

도 3은 종래 기술에 따른 고정형 플랫폼의 구동장치의 예를 나타내는 개략도.

도 4는 종래 기술에 따른 고정형 플랫폼을 갖는 병렬기구 실시 예를 나타내는 개략도.

도 5는 본 발명에 따른 가변형 플랫폼용 가변장치의 동작 원리를 나타내는 개략도.

도 6은 가변장치의 구체적인 기구 움직임을 나타내는 개략도.

도 7은 본 발명에 따른 가변장치의 구조를 나타낸 개략도.

도 8은 본 발명에 따른 가변형 플랫폼을 갖는 병렬기구의 동작 상태를 나타내는 개략도.

도 9는 본 발명에 따른 변형된 가변형 플랫폼용 가변 장치의 구조를 나타낸 개략도.

도 10는 본 발명에 따른 가변형 플랫폼을 갖는 병렬기구의 기하학적 구조를 기술하기 위한 개략도.

도 11은 본 발명에 따른 가변형 플랫폼의 가변장치가 최소 가변반경에서 최대 가변반경까지 변화할 때, 선속도 전달행렬의 최소 특이값의 변화를 나타내는 그래프.

도 12은 본 발명에 따른 가변형 플랫폼의 가변장치가 최소 가변반경에서 최대 가변반경까지 변화할 때, 각속도 전달행렬의 최소 특이값의 변화를 나타내는 그래프.

도 13는 본 발명에 따른 가변형 플랫폼의 가변장치가 최소 가변반경에서 최대 가변반경까지 변화할 때, 힘 전달행렬의 최소 특이값의 변화를 나타내는 그래프.

도 14은 본 발명에 따른 가변형 플랫폼의 가변장치가 최소 가변반경에서 최대 가변반경까지 변화할 때, 모멘트 전달행렬의 최소 특이값의 변화를 나타내는 그래프.

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10. 플랫폼 (상판)

11. 베이스 (하판)

12. 플랫폼-구동장치 연결용 구조인트(spherical joint)

13. 직선 구동장치

14. 플랫폼-구동장치 연결부

15. 구동휠

16. 직선레일

17. 직선가이드

18. 이동카트

19. 연결봉

20. 연결봉과 구동휠의 연결부

21. 구동모터측 풀리

22. 웜기어측 풀리

23. 타이밍벨트

24. 구동모터

25. 구동모터 축

26. 웜기어

27. 웜기어 축

28. 웜기어 축받이

29. 웜휠

30. 구동모터 엔코더

31. 구동휠 축

32. 가변장치 상태 검출용 센서

33. 볼스크류

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 가변형 플랫폼을 갖는 병렬기구는 종래의 병렬기구 부분과 별도의 가변장치로 구성되어 있다. 가변장치는 플랫폼-구동장치 연결부의 위치를 연속적으로 가변시킬 수 있는 수단을 보유하고 있는데, 크게 가변기구부, 이를 구동하기 위한 액추에이터 및 액추에이터를 제어하기 위한 제어부로 구성되어 있다. 여기서, 가변장치를 구동하기 위한 액추에이터는 전기모터이거나, 유압에 의해서 구동되는 유압모터, 공압에 의해서 구동되는 공압모터 등 주어진 에너지를 운동 에너지로 변환할 수 있는 모든 수단을 의미한다. 또한, 플랫폼-구동장치 연결부의 위치를 작업 중에 실시간으로 변경할 필요가 없다면, 가변장치로 액추에이터 및 이를 위한 제어부가 없이 단순한 수동형 가변기구부를 설치하여도 무방하다.

이 때, 가변장치의 가변량을 피드백 제어하기 위해 가변장치의 가변량을 측정하기 위한 센서와 가변장치를 구동하는 액추에이터의 상태를 피드백 제어하기 위하여 이를 측정하기 위한 센서가 설치되는 것이 바람직하다. 그리고 동작 초기에 가변장치의 상태를 검출할 수 있는 별도의 가변장치 상태 검출용 센서가 필요하다.

이하 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구 범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

[도 4]는 본 발명에 따른 가변형 병렬기구의 외관을 나타내며, [도 5]는 실시 예를 나타낸 것이다. [도 5]에서 보는 바와 같이 플랫폼(10) 중앙에 회전할 수 있는 구동휠(15)이 설치되어 있다. 플랫폼(10) 상에 방사선 형상으로 직선레일(16)이 배치되어 있으며, 그 직선레일(16)과 이동카트(18)를 직선가이드(17)가 연결하고 있다. 즉, 이동카트(18)는 직선가이드를 따라서 방사선 궤적을 따라서 자유롭게 이동할 수 있으며, 가장 가까운 거리 또는 가장 먼 거리를 가변장치 상태 검출 센서(32)를 이용하여 검출할 수 있는데, [도 5]에서는 가장 가까운 거리를 검출하는 예를 보여주고 있다. 그리고 구동휠(15)과 플랫폼과 구동장치의 연결 위치(14)가부착된 이동카트(18)는 3개의 연결봉(19)을 이용하여 서로 연결되어 있다. 그러므로 구동휠(15)이 회전함에 따라서 3개의 이동카트(18)는 동시에 연결봉(19)을 따라서 방사선 궤적을 따라서 이동하는데, 이 때 각 카트의 이동량은 동일하다. [도 5]의 (a)는 이동카트(18)가 플랫폼의 중앙에서 가장 멀리 위치하는 형상을 나타내고, [도 5]의 (b)는 이동카트가 플랫폼의 중앙에 가장 근접해 있는 형상을 나타낸다.

이동카트(18)의 위치 조정은 다음과 같은 방식으로 수행한다. 초기에 전원을 공급한 후에, 가변장치의 액추에이터를 플랫폼-구동장치 연결부가 플랫폼의 중앙을 향하도록 동작시킨다. 그러면 이동카트가 이동하다가 중앙에 가장 가까운 한계에 도달하게 되면 가변장치 상태 검출용 센서(32)가 신호를 검출하게 되는데, 이 때의 가변장치 구동모터의 엔코더 위치를 기록한다. 플랫폼-구동장치 연결부가 방사선 궤적에 움직일 수 있는 행정의 크기는 미리 결정되어 있으므로 구동모터 엔코더 신호로부터 연결부의 위치를 정확히 알 수 있다.

플랫폼-구동장치 연결부의 위치는 다음과 같이 계산한다. [도 6]에서 이동카트가 최대로 외측에 존재할 때, 구동휠(15)의 회전각 θ를 0도로 설정한다. 구동휠(15)이 θ만큼 회전함에 따라서, 이에 해당하는 이동카트(14)의 위치는 다음의 [수학식 1]로 기술할 수 있다.

이 때,l _c 는 연결봉(19)의 길이,r _d 는 구동휠(15)의 반지름, θ는 구동휠(15)의 회전각을 각각 나타낸다. 이 식으로부터 구동휠의 회전각으로부터 플랫폼-구동장치 연결부의 위치를 산출할 수 있다.

[도 7]은 구동휠(15)의 구체적인 동작을 설명하고 있다. 구동휠(15)과 웜휠(29)은 일체형으로 서로 고정되어 있다. 웜휠(29)의 좌우에 각각 구동모터(24)와 웜기어(27)가 배치되어 있다. 웜기어(27)는 웜기어 축(26)을 통해서 웜기어 축받이(28)에 의해서 지지되어 있다. 구동모터(24)와 웜기어 축(26)의 말단에는 각각 구동모터측 풀리(21)인 구동풀리와 웜기어측 풀리(22)인 피동풀리가 설치되어 있으며, 2개의 풀리는 타이밍벨트(23)에 의해서 서로 연결되어 미끄럼 없이 토크를 전달한다. 구동모터(24)의 회전 상태는 모터에 부착된 엔코더(30)에 의해서 검출된다. 타이밍벨트(23)를 통해서 전달된 토크는 웜기어를 회전시켜서 최종적으로 웜휠(29)을 구동하게 된다. 이 때, 웜휠(29)와 구동휠(15)은 일체로 되어 있기 때문에 구동모터(24)의 토크는 그대로 구동휠(15)로 전달된다.

가변장치의 액추에이터와 구동휠 사이의 동력전달에 있어서 동력전달 방향의 역방향 구동이 기구적으로 불가능한 웜기어와 동일한 전달요소 또는 유사한 동작이 가능한 전달요소를 사용하여 액추에이터로부터 가변장치의 구동은 가능하지만, 병렬기구에 작용하는 외부로부터의 힘과 모멘트에 의한 가변장치 동작은 기구적으로 불가능한 구조를 갖도록 하는 것이 바람직하다.

[도 8]은 본 발명에 의거하여 구현한 예를 나타내고 있다. 이 때, [도8]의 (a)는 플랫폼-구동장치 연결부가 가장 외측에 위치하는 가변장치의 최대반경 상태를 나타내며, [도 8]의 (b)는 플랫폼-구동장치 연결부가 가장 내측에 위치하는 가변장치의 최소반경 상태를 나타내고 있다.

한편, 본 발명에서 제안하는 가변장치는 [도 9]와 같은 형태로도 구성될 수 있다. [도 5-8]에서 제안된 가변장치에서는 세 개의 이동카트(18)가 항상 동일한 양만큼 이동하게 되지만, [도 9]의 가변장치에서는 각 이동카트마다 개별적인 구동모터(24)가 설치되어 있어서 플랫폼-구동장치 연결부의 위치가 독립적으로 가변될 수 있다. 이 경우에도 이동카트(18)는 직선가이드(17)를 따라서 방사선 궤적을 따라서 자유롭게 이동할 수 있으며, 각 구동모터마다 개별적인 제어부가 필요하게 되면, 각 이동카트 위치의 초기화를 위하여 가변장치 상태 검출용 센서(32)를 각 이동카트마다 개별적으로 설치하여야 한다.

[도 10]는 [도 5-8]에서 제안된 가변장치의 효과를 기술하기 위하여 가변형 병렬기구의 각 부분을 수학적인 벡터로 표시한 개략도이다. 플랫폼의 중앙에 설정된 P는 기준점을 의미하며, 플랫폼에 부착된 이동좌표계 {B}의 원점이기도 하다. 이 때, 기준점 P에서 플랫폼-구동장치 연결부(12)까지 위치벡터는r ^B b _i 로 표시하는데, 여기서r은 기준점 P에서 플랫폼-구동장치 연결부까지의 거리를 나타내며, ^B b _i 는 이동좌표계 {B}에 대하여 기술한 단위벡터를 나타낸다. 베이스(11)에 부착된 고정좌표계 {A}의 원점에서 베이스-구동장치 연결부(32)까지는 고정좌표계{A}를 기준으로 벡터a _i 로 표시한다. 그리고 베이스-구동장치 연결부(32)에서 플랫폼-구동장치 연결부(12)까지의 위치벡터를 S _i =d _i s _i 로 표시하는데, 여기서d _i 는i번째 구동장치의 길이이며,s _i 는 구동장치 방향으로의 단위벡터이다. 이 때, 병렬기구의 속도/각속도 및 힘/모멘트 전달의 척도인 자코비안 행렬J는 다음의 [수학식 2]로 기술할 수 있다.

[수학식 2]에서 사용된 bi는 이동좌표계 {B}를 기준한 Bbi를 기준좌표계 {A}를 기준한 벡터로 변환한 것이다.

[수학식 2]로 기술된 자코비안 행렬은 병렬기구에서 플랫폼의 속도벡터와 구동장치의 속도벡터 사이에는 다음의 [수학식 3]과 같은 관계가 성립된다.

이 때,는 플랫폼의 선속도/각속도 벡터를 나타내며,는 각 구동장치의 속도로 구성되는 속도벡터를 나타낸다.

자코비안 행렬 J는 플랫폼의 속도와 구동장치의 속도 간의 전달이득의 역할을 가짐을 알 수 있다. 본 발명에서 제안하는 장치를 사용하여 플랫폼의 속도와 구동장치의 속도 간의 전달이득은 조절될 수 있다. 반면에, 기존의 고정형 병렬기구에서는 해당 자코비안 행렬이 고정되어 있으므로 플랫폼 속도와 구동장치의 속도 간의 전달이득은 조절될 수 없다. 또한, 선속도/각속도 전달 특성뿐만 아니라, 힘/모멘트 전달 특성도 가변할 수 있다. [수학식 3]의 속도 전달이득 관계를 살펴 보기 위하여 자코비안 행렬을 선속도 부분과 각속도 부분으로 다음의 [수학식 4]와 같이 분리하여 고려하여 보자.

행렬 형태로 구성된 전달이득에서 크기를 판단하기 위하여 행렬의 특이값을 고려하는데, 이 때 각각 행렬J _v ,J _ω 의 최소 특이값(σ _min)을 기준으로 전달이득을 표시하도록 한다. [도 11]은 선속도 전달이득에 해당하는J _v 의 최소 특이값 변화를나타내고 있으며, [도 12]은 선속도 전달이득에 해당하는J _ω 의 최소 특이값 변화를 나타내고 있다. 이 때, [도 11]과 [도 12]의 횡축에서r은 가변장치의 가변반경을 나타내며,r _min및r _max은 가변장치가 가질 수 있는 최소 및 최대의 가변반경을 나타낸다. [도 11]과 [도 12]의 결과는 가변장치의 가변반경이 가변됨에 따라서 선속도 및 각속도 전달이득이 가변될 수 있음을 나타내고 있다.

다음의 [수학식 5]는 힘/모멘트 전달이득 관계를 나타내고 있다.

이 때,F는 플랫폼에 작용하는 힘과 모멘트로 구성된 벡터를 나타내고,τ는 각 구동장치에서 발행하는 힘으로 구성된 벡터를 나타낸다. 앞에서 기술한 속도 전달이득 해석과 유사하게 다음의 [수학식 6]과 같이 힘 전달 부분과 모멘트 전달 부분을 분리하여 고려할 수 있다.

힘/모멘트 전달이득 크기를 판단하기 위하여 선속도/각속도 전달이득과 동일하게 해당 행렬J _f ,J _m 의 최소 특이값을 기준으로 전달이득을 표시하도록 한다. [도 13]는 힘 전달이득에 해당하는J _f 의 최소 특이값 변화를 나타내고 있으며, [도 14]은 모멘트 전달이득에 해당하는J _m 의 최소 특이값 변화를 나타내고 있다. [도 13]와 [도 14]의 결과는 가변장치의 가변반경이 가변됨에 따라서 힘 및 모멘트 전달이득이 가변될 수 있음을 나타내고 있다.

본 발명에 따른 가변형 플랫폼을 갖는 병렬기구는 종래의 고정형 병렬기구와 동일한 형상을 지닐 수도 있으며, 또한 본 발명의 핵심인 가변장치에 의하여 플랫폼이나 베이스의 구조가 가변되어 선속도/각속도 전달 및 힘/모멘트 전달 특성을 가변시킬 수 있어서 필요한 작업의 특성에 적합하도록 기구가 대응할 수 있다.

Claims (4)

1. 병렬기구의 지지부인 베이스;

   병렬기구의 운동부인 플랫폼;

   상기 베이스와 플랫폼 사이에 연결되어 직선운동으로 플랫폼을 구동하는 다수의 구동장치;

   상기 구동장치와 플랫폼을 연결하는 플랫폼-구동장치 연결부로 구성된 병렬기구에 있어서,

   플랫폼-구동장치 연결부(연결부 전체 또는 개별)의 위치 이동을 위한 가변부가 설치되어,

   가변부의 동작에 의해서 병렬기구의 외형을 가변시키는 것을 특징으로 하는 가변형 플랫폼을 갖는병렬기구.
2. 1항에 있어서,

   가변부가

   플랫폼 중앙에 설치되어 수동 또는 액츄에이터에 의해서 회전하는 구동휠;

   플랫폼 상에 방사선 형상으로 배치된 직선레일과 직선가이드;

   상기 직선가이드에 장착되어 직선레일상에서 이동하는 이동카트;

   상기 구동휠과 플랫폼-구동장치 연결부가 부착된 이동카트를 연결하는 연결봉으로 구성되어,

   구동휠이 회전함에 따라서 이동카트는 연결봉에 의해 방사선 궤적을 따라서 동일한 거리만큼 이동하여 병렬기구의 외형이 대칭적으로 가변되는 것을 특징으로 하는 가변형 플랫폼을 갖는 병렬기구.
3. 1항에 있어서,

   가변부가

   플랫폼 상에 방사선 형상으로 배치된 직선레일과 직선가이드;

   상기 직선가이드에 장착되어 직선레일상에서 이동하는 이동카트;

   플랫폼-구동장치 연결부가 부착된 이동카트가 직선레일상에서 이동할 수 있도록 하는 수동장치 또는 액츄에이터가 부착된 개별적인 이동장치로 구성되어,

   개별적인 가변장치에 의해서 이동카트가 방사선 궤적을 따라서 서로 다른 거리만큼 이동하여 병렬기구의 외형이 비대칭적으로 가변되는 것을 특징으로 하는 가변형 플랫폼을 갖는 병렬기구.
4. 2항 및 3항에 있어서,

   가변부의 액추에이터와 구동휠 사이의 동력전달 또는 액추에이터와 이동카트 사이의 동력전달에 있어서 동력전달 방향의 역방향 구동이 기구적으로 불가능한 웜기어 또는 이와 유사한 동작이 가능한 전달요소를 사용하여 액추에이터로부터 가변장치의 구동은 가능하지만, 병렬기구에 작용하는 외부로부터의 힘과 모멘트에 의한 가변장치 동작은 기구적으로 불가능한 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 가변형 플랫폼을 갖는 병렬기구.