KR20100097311A - 주행로봇을 이용한 공작기계 무인화시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로봇에 관련되는 것으로 보다 구체적으로는 공작기계 운용을 위한 무인화시스템으로서, 동종 혹은 이종으로 구성되는 다수대의 공작기계들과; 주행바퀴를 갖추어 자율주행되며 바디에 로봇암이 구비되고 상기 바디 내부에는 마이크로프로세서 및 통신기기가 내장되어 공작기계들과의 통신으로 우선순위에 따라 지정된 공작기계로 이동되어 지정된 작업을 하게되는 주행로봇;을 포함하여 구성되어 상기 주행로봇에 의한 제품의 로딩 및 언로딩이 이루어지게 됨을 특징으로 하는 주행로봇을 이용한 공작기계 무인화시스템에 대한 것이다.

로봇, 주행로봇, 무인화시스템, 위치인식, 공작기계, 로딩, 언로딩, 로봇암

Description

주행로봇을 이용한 공작기계 무인화시스템{Unmanned system for a machine tool using a mobile robot}

본 발명은 로봇에 관련되는 것으로 보다 구체적으로는 산업용 공작기계와 연계되어 자율 주행하면서 공작기계로 가공물을 로딩하거나 가공완료된 제품을 언로딩시킬 수 있도록 구성되는 무인화시스템에 관한 기술이다.

로봇 분야는 미래의 성장동력으로 여겨지며 일본이나 미국과 같은 대다수의 국가들에서도 활발한 연구와 투자가 병행되고 있다. 물론 현재에도 산업현장이나 가정에서 다양한 로봇이 사용되고 있으며, 예를 들어 청소로봇이 시판되고 있으며 도우미로봇도 알려져 있고, 공장 자동화라인에서도 조립등의 반복적인 작업을 수행하는 고정식 로봇도 사용되고 있다.

근래에는 2족 보행이 가능한 로봇도 출시되고 있으며 제한된 공간내에서 외부명령이나 자율적 판단에 따라 주행하는 로봇도 상품화되고 있는 실정이다. 이동가능한 로봇의 구현을 위해서는 위치인식기술이 뒤따라야 하는데, 크게 비젼(vision) 기반의 위치인식시스템과 인공지표(artificial landmark) 기반의 위치인식시스템으로 대별된다.

비젼 기반의 위치인식시스템은 로봇에 탑재한 카메라의 영상정보를 분석해서 위치를 파악하는 기술이며, 인공지표 기반의 위치인식시스템은 로봇이 사용될 제한된 공간에 미리 위치값을 나타내는 표식을 두어서 위치파악이 가능하도록 하는 기술로서 대표적인 인공지표로는 적외선, 초음파, 전파(RF)가 있다.

인공지표를 이용한 대표적인 위치인식 기술로는 (주)나인티시스템의 "나인티iGS"라 명명된 기술이 있다. 상기 나인티iGS는 모바일 로봇과 같은 이동체의 위치 및 방위각을 인식하고 이를 제어하는 시스템으로서 RF 기술과 초음파 기술을 이용하여 로봇의 위치를 인식할 수 있도록 한다.

이동하는 이동체의 위치인식기술이 개발됨에 따라 자율적으로 주행하면서 인간을 대신하여 기본적인 작업이나 안내도우미의 역할을 할 수 있는 로봇의 상업화는 활발하게 이루어지고 있다. 하지만, 산업현장에서 공작기계를 운용하는 부분에 있어서는 아직까지 주행로봇을 이용한 기술이 고려되지 못하고 있는 실정이다.

이러한 이유는 고가의 공작기계를 운용함에 있어서는 정밀한 조작, 예를 들어 정확한 제품의 로딩 및 언로딩이 필요하며, 그 외 주기적인 절삭팁의 교체나 불량품에 대한 대처가 필요하므로 공작기계의 운용을 무인화하는 것은 어려운 것으로 인식되었기 때문이다. 특히 로봇이 제품을 자유자재로 집어서 공작기계의 척에 물릴 수 있도록 하기 위해서는 높은 가반하중을 가지며 자유도가 많은 로봇암이 전제가 되어야 하는데, 기존의 다관절 로봇과 같은 단순한 직렬식 링크구조의 로봇암으로서는 이러한 요구조건을 충족시킬 수가 없었다.

따라서 본 발명에서는 산업현장에서 공작기계의 무인화운용을 가능하게 하기 위해 좌우 하나씩의 로봇암을 가지며 각 로봇암은 6자유도를 갖추어 제품의 로딩과 언로딩을 안정적으로 수행할 수 있는 무인화시스템을 제공하고자 한다.

또한 전방향 바퀴를 갖는 주행부를 채택하여 이동이 자유로워 여러대의 공작기계를 담당하는 주행 로봇이 최소한의 동선을 갖도록 하여 사이클타임을 줄일 수 있도록 하는 무인화시스템을 제공하고자 한다.

제시한 바와 같은 과제 달성을 위한 본 발명은, 공작기계 운용을 위한 무인화시스템으로서, 동종 혹은 이종으로 구성되는 다수대의 공작기계들과; 주행바퀴를 갖추어 자율주행되며 바디에 로봇암이 구비되고 상기 바디 내부에는 마이크로프로세서 및 통신기기가 내장되어 공작기계들과의 통신으로 우선순위에 따라 지정된 공작기계로 이동되어 지정된 작업을 하게되는 주행로봇;을 포함하여 구성되어 상기 주행로봇에 의한 제품의 로딩 및 언로딩이 이루어지게 됨을 특징으로 하는 주행로봇을 이용한 공작기계 무인화시스템을 제안한다.

바람직하게 상기 주행로봇을 이용한 공작기계 무인화시스템은 무선통신으로 공작기계와 주행로봇간 통신이 되는 것임을 특징으로 하는 주행로봇을 이용한 공작기계 무인화시스템을 제안한다.

바람직하게 상기 주행로봇을 이용한 공작기계 무인화시스템은 통제실의 관리자 컴퓨터와 연결되어 시스템 전체의 온/오프가 이루어질 수 있고, 상기 주행로봇 에 작업명령을 하달할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 주행로봇을 이용한 공작기계 무인화시스템을 제안한다.

바람직하게 상기 주행로봇의 로봇암은 2개의 자유도를 갖는 상박부와 제1엘보, 제2엘보, 제3엘보 및 핑거로 구성되어 4개의 자유도를 갖는 하박부로 이루어지되, 상기 상박부는 로봇바디와 고정 연결되는 고정브라켓과; 일단부는 하박부와 연결되고 타단부는 상기 고정브라켓과 십자조인트로 연결되는 커넥터와; 두개가 평행을 이루도록 설치되되 일단부는 상기 고정브라켓에 결합되고 타단부는 상기 커넥터에 연결되어 고정브라켓에 대해 커넥터가 상하 또는 좌우로 움직일 수 있도록 하는 한쌍의 제1액츄에이터와; 일단부는 상기 커넥터에 연결되고 타단부는 하박부를 이루는 제1엘보와 연결되어 상박부에 대해 제1엘보가 회동되게 하는 제2액츄에이터;를 포함하고,

상기 하박부는 커넥터와 연결되어 수평축을 기준으로 상하로 회동되는 제1엘보와; 상기 제1엘보와 연결되어 수평축을 기준으로 상하로 회동되는 제2엘보와; 상기 제2엘보와 연결되어 수직축을 기준으로 좌우로 회동되는 제3엘보와; 상기 제3엘보와 연결되어 센터축을 기준으로 회전되며 물건을 집을 수 있는 핑거;로 구성되는 것을 특징으로 하는 주행로봇을 이용한 공작기계 무인화시스템을 제안한다.

바람직하게 상기 주행로봇을 이용한 공작기계 무인화시스템은 주행로봇에 위치인식모듈이 구비되는 것을 특징으로 하는 주행로봇을 이용한 공작기계 무인화시스템을 제안한다.

바람직하게 상기 주행로봇을 이용한 공작기계 무인화시스템은 상기 주행로봇 이 비주행모드인 경우 대기상태로 입고되며, 상기 주행로봇의 배터리 자동충전이 이루어지는 스테이션을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 주행로봇을 이용한 공작기계 무인화시스템을 제안한다.

바람직하게 상기 스테이션은 주행로봇의 핑거에 묻은 절삭칩이나 절삭유 등을 제거할 수 있는 핑거세척부가 구비되는 것을 특징으로 하는 주행로봇을 이용한 공작기계 무인화시스템을 제안한다.

바람직하게 상기 주행로봇을 이용한 공작기계 무인화시스템은 두 대 이상의 주행로봇이 갖추어져 어느 하나가 공작기계와 연동되어 작업 중인 경우 다른 하나는 스테이션에서 충전이 이루어질 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 주행로봇을 이용한 공작기계 무인화시스템을 제안한다.

바람직하게 상기 주행로봇을 이용한 공작기계 무인화시스템은 상기 주행로봇이 다수의 공작기계로부터 수신하는 우선순위결정 정보에 따라 진행중인 작업완료 후에 해당 공작기계쪽으로 이동하여 대기할 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 주행로봇을 이용한 공작기계 무인화시스템을 제안한다.

바람직하게 상기 주행로봇을 이용한 공작기계 무인화시스템은 주행로봇이 어느 방향으로도 방향전환을 할 수 있도록 주행바퀴로 전방향바퀴가 사용되는 것을 특징으로 하는 주행로봇을 이용한 공작기계 무인화시스템을 제안한다.

본 발명에 의한 주행로봇을 이용한 공작기계 무인화시스템은 공작기계의 무인화를 위한 기반시설을 제공하게 되는 효과가 있다. 공작기계 운용에 본 발명의 시스템이 적용되면 상당한 인건비를 줄일 수 있을 것이며 생산성을 높일 수 있게 되는 효과를 달성할 수 있다.

주행로봇을 이용한 공작기계 무인화시스템에 대한 보다 구체적인 설명을 전개하기로 하며, 본 발명의 기술적 사상에 대한 이해를 돕기 위한 수단으로 관련도면을 참조하는 것으로 한다. 본 발명에 대한 설명을 함에 있어서 알려진 공지의 기술에 대해서는 상세한 설명을 생략토록 하며 제시되는 도면들은 하나의 실시예에 해당되는 것임을 지적해둔다.

본 발명에서의 무인화시스템은 공작기계의 운용을 위한 것으로서 주행로봇을 활용하는 기술이며, 기본적인 구성요소로서 동종 혹은 이종의 다수대의 공작기계들이 구비되고 상기 공작기계들에 대한 구체적인 작업을 하는 주행로봇을 포함하게 된다. 상기 주행로봇은 자율주행하는 로봇으로서 주행바퀴를 갖추고 있으며 주행로봇의 바디에는 다관절로 이루어진 로봇암이 갖추어지고 바디 내부에는 마이크로프로세서 및 통신기기 등이 내장되어 있어 주행로봇의 움직임을 제어하고 공작기계들과 통신을 하면서 우선순위에 따라 지정된 공작기계로 상기 주행로봇이 이동되어 특정의 작업을 하게 된다. 주행로봇과 공작기계간의 통신으로 상기 주행로봇이 수행하게 되는 구체적인 작업으로는 공작기계에 가공할 제품을 로딩하거나 가공완료 후의 제품을 언로딩하는 것과 같은 것이 대표적인 것이다.

이하, 바람직한 실시예로서의 주행로봇을 이용한 공작기계 무인화시스템(이 하, 무인화시스템이라 한다)에 대한 상세한 설명을 하되, 도1은 무인화시스템의 개략적인 구성도에 해당되며, 도2는 무인화시스템에 사용되는 주행로봇의 사시도이며, 도3은 주행로봇에 의해 작업이 이루어지는 상태를 보여주는 개략적인 사시도에 해당된다.

본 발명의 무인화시스템은 크게 주요한 구성요소로 공작기계들(100), 주행로봇(200), 스테이션(300) 및 위치인식모듈(400)을 포함하여 구성되며, 이들은 상호간의 작용으로 주행로봇에 의한 반복적인 작업이 달성될 수 있도록 한다.

본 발명의 시스템을 구성함에 있어서 공작기계(100)는 필요에 따라 여러대를 둘 수 있으며, 한 종류의 공작기계만으로 여러대를 배치할 수도 있고 여러 종류의 공작기계들을 적절히 배치하여 구성시킬 수도 있다. 기계가공과 관련하여 대표적인 공작기계로는 NC, CNC, 밀링머신 등이 있으며 이러한 공작기계들을 작업장내에 분산 배치토록 한다. 이종의 공작기계들을 다수대로 구성하는 경우에는 작업공정에 따라 일정한 방향으로 순서대로 공작기계들을 배치하는 것이 바람직할 것이며, 가공이 이루어질 소재나 반제품이 적재되어 있는 적재대(10)를 바운더리 내에 두도록 한다. 한편, 최종적인 가공이 완료된 제품을 외부로 반출하기 위한 반출대(20)를 갖추도록 한다.

다수대의 공작기계들(100)이 제한된 바운더리 내에 배치되면 기계가공을 위한 소재나 반제품을 로딩하거나 언로딩하는 작업은 주행로봇(200)에 의해 이루어진다. 즉, 주행로봇(200)은 작업자를 대신하여 다수대의 공작기계(100)를 오퍼레이팅하게 되며, 기본적인 공작기계의 유지보수와 같은 작업은 작업자에 의해 이루어 지는 것으로 한다.

상기 주행로봇(200)은 이동을 위한 주행바퀴를 갖되 바람직하게는 어느 방향으로나 자유롭고 신속한 이동이 가능하도록 전방향 바퀴(210)를 갖추고 있으면서 충전배터리를 내장하여 자율주행되는 것으로 한다. 즉, 주행로봇(200)의 바닥부에 주행을 위한 전방향 바퀴(210)가 형성되며 로봇의 전체적인 외관을 이루는 바디(220)가 전방향 바퀴(210) 상부로 결합된다. 상기 바디(220) 좌우 양측에 하나씩의 로봇암(230)이 결합되는데 상기 각 로봇암(230)은 6개의 자유도를 갖도록 상박부(230a)와 하박부(230b)로 구성되는 것으로 한다. 한편, 상기 바디(220) 내부에는 마이크로프로세서가 내장되며 무선통신을 위한 송신기와 수신기가 설치되고 그 외 배터리 등이 내장된다.

전방향 바퀴는 대한민국 특허등록번호 418427호에도 개시되어 있으며, 그 외 기존에 알려진 전방향 바퀴로는 유니버설 휠 메커니즘(universal wheel mechanism), 메카눔 휠(mecanum wheel), 더블 휠(double wheel), 얼터네이트 휠(alternate wheel), 하프 휠(half wheel) 등이 있다. 따라서 본 발명의 무인화시스템에 적용되는 주행로봇의 전방향 바퀴는 이러한 공지의 기술들을 활용할 수 있는 것으로 한다.

본 발명의 무인화시스템에 사용되는 주행로봇의 전방향 바퀴(210)는 도시된 바와 같이 3개의 전방향 바퀴(210)가 사용되며, 삼각플레이트(215)의 하부측에 120도의 각도를 유지하면서 3개의 전방향 바퀴(210)가 설치되고, 각각의 전방향 바퀴는 모터(216)를 갖추어 독립적으로 구동되는 것을 한다. 삼각형태로 배치되는 3개 의 전방향 바퀴를 적절히 구동시킴에 따라 어떠한 방향으로도 자유롭게 이동이 가능하게 된다.

상기 주행로봇(200)은 공작기계(100)와 통신을 하며 스테이션(300)과도 통신을 하도록 구성되고, 특히 상기 주행로봇(200)은 작업장내에서 자신의 위치를 파악할 수 있는 위치인식모듈(400)을 가지게 된다. 여기서 위치인식모듈(400)이라 함은 알려진 위치인식기술에 기반을 두는 것으로 하며 주행로봇 자신의 현위치를 파악하고 이동할 목적지까지 최단거리로 주행할 수 있도록 제어하는 수단을 의미한다. 이미 언급한 바와 같이 주행로봇과 같은 이동체의 위치인식기술에는 여러방식이 있는 바, 제반여건을 감안하여 적합한 어느 한 방식을 선택하는 것으로 충분하다.

하나의 예로서 본 실시예에서는 인공지표(artificial landmark)를 이용하는 위치인식기술을 적용하도록 하였으며, 보다 구체적으로는 공간상의 벽이나 천장에 다수의 송신기(trasmitter)를 설치하며 주행로봇에는 수신기(receiver)를 두고 위치인식 콘트롤러에서 자동연산에 의해 주행로봇의 현 위치를 계산하게 된다. 즉, 송신기에서 보낸 초음파신호와 수신기에서 요청한 RF신호로 주행로봇의 절대좌표를 인식하게 되는데, 삼각법(Trilateration)에 의한 계산으로 정확한 주행로봇의 위치, 방위각 등을 산출하게 된다. 상기 위치인식모듈에는 기본적으로 송신기, 수신기, 위치인식 콘트롤러 등이 포함되어 있는 것이다.

작업장 내에서 주행로봇(200)의 위치가 결정되면 상기 주행로봇은 작업장내 의 임의의 지점으로 이동될 수 있고, 주행로봇(200)은 공작기계들(100)과 통신이 되고 스테이션(300) 및 통제실(500)과도 무선통신을 하면서 공작기계의 오퍼레이팅 작업을 행할 수 있다.

다수의 공작기계(100)들이 작업장 내에 설치되어 연속적 혹은 동일한 기계가공을 행하는 경우 주행로봇(200)은 각각의 공작기계(100)와의 무선통신으로 작업의 진행경과에 대한 정보를 입력받게 되며, 주행로봇(200)의 마이크로프로세서에서는 입력된 각 정보를 비교처리하여 다음번 작업이 이루어질 공작기계에 대한 우선순위를 결정하게 된다.

총 5대의 공작기계들이 운용되는 경우를 상정하여 순서대로 1번, 2번, 3번, 4번, 5번으로 번호를 부여토록 한다. 주행로봇(200)이 적재대(10)로부터 소재를 집어 최종 반출대(20)로 내려놓기까지 총2회의 기계가공이 이루어진다고 하면, 1번과 5번 공작기계에서는 동일한 제1선삭작업이 이루어지고, 2번, 3번, 4번 공작기계에서는 제2선삭작업이 이루어지는 것으로 한다.

주행로봇(200)은 각각의 공작기계(100)로부터 무선통신으로 해당 선삭작업의 완료여부, 예상가공완료시점, 정상가동여부 등에 대한 정보를 입력받게 되며, 마이크로프로세서에서 이를 비교연산하여 가장 시급한 공작기계를 선정하게 된다.

예를 들어 주행로봇(200)이 1번 공작기계에 대하여 로딩작업을 하고 있는 경우 타 공작기계들 중에서 3번 공작기계의 제2선삭작업이 가장 먼저 완료되는 것으로 연산되면 주행로봇은 1번 공작기계에 대한 로딩 작업 완료 후에 3번 공작기계로 이동하여 제2선삭작업이 완료된 제품에 대한 언로딩 작업을 하도록 구성되는 것이 다. 주행로봇은 3번 공작기계에 대한 언로딩 작업 후 반출대로 이동하여 가공 완료된 제품을 내려놓게 된다. 이 경우 3번 공작기계는 가동이 일시 중단되며, 5번 공작기계에서 제1선삭작업이 완료되는 경우 주행로봇은 5번 공작기계로 이동 한 후 제품을 언로딩시키고 3번 공작기계로 이동하여 제2선삭작업을 위한 제품 로딩 작업을 하게 된다. 이처럼 주행로봇은 공작기계들과의 무선통신으로 여러가지 정보를 바탕으로 하여 작업의 우선순위를 결정하여 자율적으로 이동될 수 있도록 한다.

보다 바람직하게는 주행로봇(200)이 각각의 공작기계(100)로부터 입력받게 되는 각종 정보를 바탕으로 작업의 우선순위를 결정하되, 상기 주행로봇(200)은 현재 진행중인 작업완료 후에는 선정된 우선순위에 따른 공작기계 쪽으로 이동하여 대기상태로 있도록 구성함이 보다 적합하다. 즉, 선정된 공작기계(100)가 가동 중일지라도 주행로봇(200)은 선정된 우선순위에 해당되는 공작기계(100)로 미리 이동하여 작업의 완료를 기다려 신속하게 제품의 로딩이나 언로딩 작업을 수행하도록 한다.

그리고 본 발명에서는 작업장 내에 스테이션(300)을 두도록 하며, 상기 스테이션(300) 역시 주행로봇(200)과 무선통신이 이루어지며 기본적으로 스테이션(300)에서는 주행로봇(200)이 비주행모드인 경우 입고되어 보관되는 장소로 활용된다. 한편, 스테이션(300)에 주행로봇(200)이 입고되면 자동적으로 배터리 충전이 이루어질 수 있는 것으로 한다. 주행로봇(200)이 작업 중에도 배터리 잔량부족이 발생되는 경우에도 상기 주행로봇(200)은 스테이션(300)으로 귀환하여 배터리 충전을 하게 된다.

보다 바람직하게는 본 발명의 시스템을 구성함에 있어서 2대 이상의 주행로봇(200)을 보유토록 하여 한대가 공작기계(100)와의 상호작용으로 작업을 하는 동안 다른 주행로봇은 스테이션(300)에서 대기상태로 입고되어 배터리 충전이 최대치까지 이루어질 수 있도록 하여 작업의 연속성이 보장될 수 있도록 함이 적합하다.

상기 주행로봇(200)에는 메모리 수단이 구비되어 있는 바 주행로봇의 전원이 켜지는 경우 활성화되는 데이터를 수록토록 하며 이러한 데이터는 작업자가 재입력하거나 변경이 가능하도록 한다. 특히 본 발명의 무인화시스템은 통제실(500)의 관리자 컴퓨터와 연결되도록 구성함이 바람직하며 관리자 컴퓨터로서 시스템 전체의 온/오프가 이루어질 수 있도록 하며 무선통신으로 주행로봇에 작업명령을 하달할 수 있도록 구성함이 바람직하다.

공작기계의 운용을 위한 주행로봇(200)은 무거운 물체를 들어올릴 수 있어야 하고 이동시에도 안정적인 파지상태를 유지해야 하고 공작기계(100)에 제품을 로딩하거나 언로딩하기 위해서는 로봇암(230)이 세밀하게 움직일 수 있어야 한다.

따라서 본 발명의 무인화시스템을 구성함에 있어서 상기 주행로봇(200)에 구비되는 로봇암(230)은 6개의 자유도를 갖는 것으로 구성하며 크게 상박부(230a)와 하박부(230b)로 이루어지도록 한다. 상박부(230a)에서는 큰 힘을 지탱할 수 있도록 하며 하박부(230b)에서는 자유로운 움직임이 달성될 수 있도록 구성한다.

첨부되는 도4는 본 발명의 무인화시스템에 적용되는 로봇암의 구성을 보여주 는 개략적인 사시도에 해당되며, 도5는 고정브라켓과 커넥터를 연결하는 십자조인트와의 결합관계를 보여주는 부분 사시도에 해당된다. 주행로봇(200)에 구비되는 로봇암(230)은 크게 상박부(230a)와 하박부(230b)의 결합으로 이루어지는데, 상박부(230a)에서는 2개의 자유도가 구현되고 하박부(230b)에서는 4개의 자유도가 구현되어 총 6개의 자유도를 갖는 로봇암(230)을 제공하게 된다. 특히 상박부(230a)는 병렬 형태로 배치되는 2개의 액츄에이터를 갖추어 폐링크를 구성하여 상하 좌우로 움직일 수 있도록 함으로써 큰 힘을 발휘할 수 있도록 한다. 상박부와 연결되는 하박부에서는 다수의 엘보와 핑거의 조합으로 보다 복잡하고 정밀한 움직임을 얻을 수 있도록 한다.

상기 상박부(230a)의 보다 구체적인 구성요소로서 고정브라켓(230a-1), 커넥터(230a-2), 제1액츄에이터(230a-3) 및 제2액츄에이터(230a-4)를 포함하며, 상기 고정브라켓(230a-1)은 로봇 바디(220)에 고정되게 연결되는 부위로서 주행로봇(200)의 전체 형상 중에서 어깨부위에 해당된다고 할 수 있다. 도시된 바와 같이 상기 고정브라켓(230a-1)은 대략 ㄷ 자형태를 이루고 있으며 커넥터(230a-2)가 상기 고정브라켓(230a-1)에 더 연결된다.

상기 커넥터(230a-2)는 상박부(230a)를 이루는 기본 골격에 해당되며 그 일단부는 후술할 하박부(230b)에 연결되며 타단부는 고정브라켓(230a-1)과 연결되되, 상기 고정브라켓(230a-1)과 커넥터(230a-2)의 연결은 십자조인트(J)로 연결되어 상기 고정브라켓(230a-1)에 대해 커넥터(230a-2)가 상하 좌우로 움직일 수 있는 구조를 이루도록 한다.

도5에 도시된 바와 같이 상기 십자조인트(J)를 통해서 고정브라켓(230a-1)에 연결된 커넥터(230a-2)는 수평축(HA) 방향에 대해 상하로 회동되며, 수직축(VA) 방향에 대해서는 좌우로 회동되어 2개의 자유도를 갖추게 된다. 상기 커넥터(230a-2)의 회동을 위한 구동원으로서 제1액츄에이터(230a-3)가 구비되며 상기 제1액츄에이터(230a-3)는 2개가 한 쌍을 이루어 평행하게 설치되고 신축될 수 있는 것이다. 바람직하게는 내부에 모터가 내장되어 모터의 구동에 따라 길이가 늘어나거나 줄어들도록 동작되는 것이다. 보다 구체적으로 상기 제1액츄에이터(230a-3) 각각의 일단부는 상기 고정브라켓(230a-1)의 상부에서 결합되는 것으로 하며 타단부는 상기 커넥터(230a-2)에 연결되는 것으로 한다. 상기 제1액츄에이터(230a-3)와 고정브라켓(230a-1) 및 커넥터(230a-2)와의 연결점은 회동이 가능하도록 핀(P)으로 구속시키도록 함이 적합하다.

한편, 한 쌍을 이루는 2개의 제1액츄에이터(230a-3)는 각각 독립적으로 동작되며 2개가 동시에 동일한 방향으로 그 길이가 늘어나거나 줄어드는 경우에는 수평축(HA)을 기준으로 하여 커넥터(230a-2)가 상하로 움직이게 된다. 한 쌍의 제1액츄에이터(230a-3) 중 어느 하나의 길이는 늘어나고 다른 하나는 그 길이가 줄어드는 경우에는 수직축(VA)을 기준으로 하여 상기 커넥터(230a-2)는 좌우 방향으로 움직이게 된다. 상술한 바와 같은 방식으로 상박부(230a)에서 2개의 자유도가 구현될 수 있으며 2개가 한 쌍을 이루는 제1액츄에이터(230a-3) 각각이 고루 하중을 분담하게 되어 로봇암(230)의 가반하중을 높일 수 있고 인간의 팔 동작과 유사하게 로봇암을 구성하여 작업영역을 확대시킬 수 있게 된다.

상기 커넥터(230a-2)의 하부에 제2액츄에이터(230a-4)가 더 설치되며 상기 제2액츄에이터(230a-4)는 하나로 이루어지고 그 일단부는 커넥터(230a-2)에 연결되고 타단부는 하박부(230b)를 구성하게 되는 제1엘보(230b-1)와 연결되어 상기 제1엘보(230b-1)가 커넥터(230a-2)에 대해 회동될 수 있도록 기능하게 된다. 즉, 상기 제2액츄에이터(230a-4)에 의해서 커넥터(230a-2)와 제1엘보(230b-1) 사이에서 또 하나의 자유도가 얻어지게 되는 것이다.

다음으로 로봇암을 이루는 하박부(230b)에 대해 설명하는 것으로 하며, 크게 제1엘보(230b-1), 제2엘보(230b-2), 제3엘보(230b-3) 및 핑거(230b-4)로 구성된다. 상술한 상박부(230a)에서 2개의 자유도가 얻어지며, 하박부(230b)에서는 4개의 자유도가 얻어질 수 있도록 구성되어 총 6개의 자유도를 갖는 로봇암(230)의 제공이 가능하다.

하박부(230b)는 보다 정밀하고 세밀한 동작으로 공작기계(100)에 가공대상물을 로딩시키거나 가공완료된 제품을 언로딩시키게 되는 바, 상박부(230a)보다 많은 자유도가 필요하게 된다.

먼저 제1엘보(230b-1)는 커넥터(230a-2)와 연결되는 부분으로서 수평축(HA)을 기준으로 상하로 회동 동작되는 부위이며, 언급한 제2액츄에이터(230a-)의 구동에 따라 상기 제1엘보(230b-1)는 움직이게 된다. 상기 제2액츄에이터(230a-4)의 일단부가 제1엘보(230b-1) 하부측에서 연결되며 제2액츄에이터(230a-4)의 길이가 길어지게 동작되면 상기 제1엘보(230b-1)는 최대 90도 각도까지 상방으로 회동이 이루어지게 된다.

상기 제1엘보(230b-1)의 말단부에 제2엘보(230b-2)가 회동되게 연결되며 제2엘보(230b-2) 역시 수평축(HA)을 기준으로 상하로 움직일 수 있도록 한다. 바람직하게 상기 제2엘보(230b-2)는 제1엘보(230b-1)와 연결되는 수평축(HA)을 기준으로 100°~ -100°범위에서 상하로 회동될 수 있도록 하고 상기 제2엘보(230b-2)의 회동을 위한 구동원으로는 모터를 이용하는 것으로 한다. 특히 상기 제2엘보(230b-2)와 제1엘보(230b-1)의 연결부위는 직선링크구조가 되도록 하며, 보다 구체적으로는 제1엘보(230b-1) 말단부를 ㄷ 자형으로 함몰된 형태로 하여 제2엘보(230b-2)를 삽입시켜서 직선화시킬 수 있도록 구성한다.

다음으로 상기 제2엘보(230b-2)와 연결되어 좌우로 회동되는 제3엘보(230b-3)가 구비되며 상기 제3엘보(230b-3)와 제2엘보(230b-2)는 수직축(VA)을 기준으로 회동될 수 있게 연결된다. 상기 제3엘보(230b-3)는 수직축(VA)을 기준으로 좌우로 90°~ - 90°범위에서 회동이 이루어질 수 있는 것으로 함이 바람직하다.

상기 제3엘보(230b-3) 단부에 핑거(230b-4)가 설치되며 상기 핑거(230b-4)는 센터축(CA)을 기준으로 하여 회전될 수 있으며 또한 물건을 집을 수 있도록 구성된다. 즉, 핑거(230b-4)에 의해서 가공대상물이 집어지게 되며 집어진 가공대상물은 공작기계(100)의 척과 같은 곳에 물릴 수 있도록 적합한 포지션에 오도록 회전된다.

이상 설명한 바와 같은 구성요소 및 이들간의 결합관계를 갖는 로봇암(230)은 크게 보면 상박부(230a)와 하박부(230b)의 결합으로 이루어지고 상박부(230a)에 서는 2개의 자유도가 얻어지고 하박부(230b)에서는 4개의 자유도가 구현될 수 있는 것이다. 특히 상박부(230a)는 가반하중을 증대시키기 위해 한 쌍을 이루는 두개의 제1액츄에이터(230a-3)를 평행하게 배치하여 폐링크를 이루도록 하고 각각의 제1액츄에이터(230a-3)는 독립적으로 구동되어 고정브라켓(230a-1)에 대하여 상하방향 혹은 좌우방향으로 회동이 가능하도록 구성된다.

2개의 제1액츄에이터(230a-3)가 폐링크를 이루어 십자조인트(J)로 고정브라켓(230a-1)과 연결되어 상박부(230a)의 기본골격을 만드는 커넥터(230a-2)를 제한된 범위에서 자유롭게 움직일 수 있도록 한다. 예를 들어 2개의 제1액츄에이터(230a-3) 길이가 최대로 길게 신축되었을 때를 원위치로 했을 때 상기 커넥터(230a-2)는 수평축(HA)을 기준으로 하여 상하방향으로 최대 25°까지 움직일 수 있도록 하고, 수직축(VA)에 대해서 커넥터(230a-2)가 20°~ -20°까지 움직일 수 있도록 하면 상박부(230a)는 상하 25°와 좌우 40°범위내에서는 자유롭게 적합한 공간에 위치될 수 있게 된다.

폐링크 구조를 이루는 상박부(230a)에 대하여 하박부(230b)가 연결되는데 상기 하박부(230b)는 직렬형태로 제1엘보(230b-1), 제2엘보(230b-2), 제3엘보(230b-3) 및 핑거(230b-4)가 연속적으로 연결되어 4개의 자유도를 추가적으로 확보할 수 있게 된다. 즉, 본 발명의 로봇암(230)은 폐링크 타입의 상박부(230a)와 직렬형태의 하박부(230b)가 연결되어 6개의 자유도를 갖게 되는 것이다.

한편, 본 발명의 로봇암(230)을 구성함에 있어서 각 관절부의 동작을 위해 다수의 모터를 이용하는데, 이외 모터의 회전운동을 전달받을 수 있도록 기어나 감 아걸기 전동수단 등의 알려진 동력전달수단을 적절히 활용하는 것으로 충분하다.

상술한 바와 같이 본 발명의 무인화시스템에 적용되는 주행로봇(200)은 두개의 로봇암(230)을 갖추고 있고 각 로봇암(230)의 하박부(230b)에는 핑거(230b-4)가 형성된다. 상기 핑거(230b-4)는 제품을 집게 되는 부위로서 가공전 혹은 가공후 제품과의 직접적인 접촉이 이루어지는 부위가 된다. 일반적으로 선삭가공이 이루어지는 제품의 경우 공작기계(100)에 로딩하기 위해 핑거(230b-4)가 제품을 집게되면 제품 표면에 묻어있던 각종 이물질로 인해 핑거(230b-4) 부위가 손상될 수 있으며, 또한 가공 후에 제품의 표면에 윤활유나 절삭칩이 묻게 되는 경우에도 핑거(230b-4)에 이러한 이물질이 붙게 된다. 핑거에 부착된 이물질은 제품의 표면에 손상을 줄 수 있는 바, 이를 방지키 위해 주기적으로 주행로봇의 로봇암 핑거(230b-4)를 세척해 줄 필요성이 있다.

이를 위해 본 발명의 무인화시스템에서는 상기 스테이션(300)에 핑거세척부(310)를 더 두는 것으로 구성토록 한다. 즉, 스테이션(300)에 로봇암(230)의 핑거(230b-4) 부분이 삽입될 수 있는 공간을 두고서 고압의 에어와 같은 것으로 분사시켜서 핑거(230b-4)에 부착된 이물질을 제거할 수 있도록 하는 것이다. 주행로봇(200)이 주기적으로 스테이션(300)으로 귀환되게 하여 핑거세척부(310)에서 핑거(230b-4) 부분에 대한 세척이 이루어질 수 있도록 하면 제품의 표면 손상을 최소화시킬 수 있을 것이다.

더 나아가 본 발명에 따른 무인화시스템은 주행로봇(200)에 2개의 로봇 암(230)이 구비되므로 양쪽 로봇암 중 어느 하나는 제품의 로딩시에만 사용되는 것으로 하고 다른 하나는 제품의 언로딩시에만 사용하는 것으로 함이 바람직하다. 이렇게 2개의 로봇암의 용도를 구분하여 사용하게 되면 제품의 표면 손상을 더욱 확실히 예방할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 무인화시스템은 다수대의 공작기계 운용을 주행로봇을 주체로 하여 자동화시킬 수 있으므로 인력난이 심각한 공작기계 작업자를 대신하여 산업현장에 널리 적용될 수 있을 것으로 기대되는 기술이다.

도1은 무인화시스템의 개략적인 구성도.

도2는 무인화시스템에 사용되는 주행로봇의 사시도.

도3은 주행로봇에 의해 작업이 이루어지는 상태를 보여주는 개략적인 사시도.

도4는 본 발명의 무인화시스템에 적용되는 로봇암의 구성을 보여주는 개략적인 사시도.

도5는 고정브라켓과 커넥터를 연결하는 십자조인트와의 결합관계를 보여주는 부분 사시도.

<도면에 사용된 주요부호에 대한 설명>

100 : 공작기계 200 : 주행로봇

210 : 전방향 바퀴 215 : 삼각플레이트

220 : 바디 230 : 로봇암

230a: 상박부 230b: 하박부

230a-1: 고정브라켓 230a-2: 커넥터

230a-3: 제1액츄에이터 230a-4:제2액츄에이터

230b-1: 제1엘보 230b-2: 제2엘보

230b-3: 제3엘보 230b-4: 핑거

300 : 스테이션 310 : 핑거세척부

400 : 위치인식모듈 500 : 통제실

10 : 적재대 20 : 반출대

J : 십자조인트 HA : 수평축

VA : 수직축 CA : 센터축

P : 핀

Claims (10)

1. 공작기계 운용을 위한 무인화시스템으로서,

   동종 혹은 이종으로 구성되는 다수대의 공작기계들과;

   주행바퀴를 갖추어 자율주행되며 바디에 로봇암이 구비되고 상기 바디 내부에는 마이크로프로세서 및 통신기기가 내장되어 공작기계들과의 통신으로 우선순위에 따라 지정된 공작기계로 이동되어 지정된 작업을 하게 되는 주행로봇;을 포함하여 구성되어 상기 주행로봇에 의한 제품의 로딩 및 언로딩이 이루어지게 됨을 특징으로 하는 주행로봇을 이용한 공작기계 무인화시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 주행로봇을 이용한 공작기계 무인화시스템은,

   무선통신으로 공작기계와 주행로봇간 통신이 되는 것임을 특징으로 하는 주행로봇을 이용한 공작기계 무인화시스템.
3. 제1항에 있어서,

   상기 주행로봇을 이용한 공작기계 무인화시스템은,

   통제실의 관리자 컴퓨터와 연결되어 시스템 전체의 온/오프가 이루어질 수 있고, 상기 주행로봇에 작업명령을 하달할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 주행로봇을 이용한 공작기계 무인화시스템.
4. 제1항에 있어서,

   상기 주행로봇의 로봇암은 2개의 자유도를 갖는 상박부와 제1엘보, 제2엘보, 제3엘보 및 핑거로 구성되어 4개의 자유도를 갖는 하박부로 이루어지되,

   상기 상박부는,

   로봇바디와 고정 연결되는 고정브라켓과;

   일단부는 하박부와 연결되고 타단부는 상기 고정브라켓과 십자조인트로 연결되는 커넥터와;

   두개가 평행을 이루도록 설치되되 일단부는 상기 고정브라켓에 결합되고 타단부는 상기 커넥터에 연결되어 고정브라켓에 대해 커넥터가 상하 또는 좌우로 움직일 수 있도록 하는 한쌍의 제1액츄에이터와;

   일단부는 상기 커넥터에 연결되고 타단부는 하박부를 이루는 제1엘보와 연결되어 상박부에 대해 제1엘보가 회동되게 하는 제2액츄에이터;를 포함하고,

   상기 하박부는,

   커넥터와 연결되어 수평축을 기준으로 상하로 회동되는 제1엘보와;

   상기 제1엘보와 연결되어 수평축을 기준으로 상하로 회동되는 제2엘보와;

   상기 제2엘보와 연결되어 수직축을 기준으로 좌우로 회동되는 제3엘보와;

   상기 제3엘보와 연결되어 센터축을 기준으로 회전되며 물건을 집을 수 있는 핑거;로 구성되는 것을 특징으로 하는 주행로봇을 이용한 공작기계 무인화시스템.
5. 제1항에 있어서,

   상기 주행로봇을 이용한 공작기계 무인화시스템은,

   주행로봇에 위치인식모듈이 구비되는 것을 특징으로 하는 주행로봇을 이용한 공작기계 무인화시스템.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,

   상기 주행로봇을 이용한 공작기계 무인화시스템은,

   상기 주행로봇이 비주행모드인 경우 대기상태로 입고되며, 상기 주행로봇의 배터리 자동충전이 이루어지는 스테이션을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 주행로봇을 이용한 공작기계 무인화시스템.
7. 제6항에 있어서,

   상기 스테이션은,

   주행로봇의 핑거에 묻은 절삭칩이나 절삭유 등을 제거할 수 있는 핑거세척부가 구비되는 것을 특징으로 하는 주행로봇을 이용한 공작기계 무인화시스템.
8. 제6항에 있어서,

   상기 주행로봇을 이용한 공작기계 무인화시스템은,

   두 대 이상의 주행로봇이 갖추어져 어느 하나가 공작기계와 연동되어 작업 중인 경우 다른 하나는 스테이션에서 충전이 이루어질 수 있도록 구성됨을 특징으 로 하는 주행로봇을 이용한 공작기계 무인화시스템.
9. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,

   상기 주행로봇을 이용한 공작기계 무인화시스템은,

   상기 주행로봇이 다수의 공작기계로부터 수신하는 우선순위결정 정보에 따라 진행중인 작업완료 후에 해당 공작기계쪽으로 이동하여 대기할 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 주행로봇을 이용한 공작기계 무인화시스템.
10. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,

    상기 주행로봇을 이용한 공작기계 무인화시스템은,

    주행로봇이 어느 방향으로도 방향전환을 할 수 있도록 주행바퀴로 전방향바퀴가 사용되는 것을 특징으로 하는 주행로봇을 이용한 공작기계 무인화시스템.

Images