KR20160089298A - 여유구동형 기구 형성 방법 및 구동기 힘 분배 시스템 - Google Patents

여유구동형 기구 형성 방법 및 구동기 힘 분배 시스템 Download PDF

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KR20160089298A
KR20160089298A KR1020160076863A KR20160076863A KR20160089298A KR 20160089298 A KR20160089298 A KR 20160089298A KR 1020160076863 A KR1020160076863 A KR 1020160076863A KR 20160076863 A KR20160076863 A KR 20160076863A KR 20160089298 A KR20160089298 A KR 20160089298A
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정재일
이기욱
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서울대학교산학협력단
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Abstract

본 발명에 따른 여유구동형 기구는, 지지대; 일 단이 상기 지지대와 제1 회전 관절을 통해 연결되는 제1 링크; 상기 제1 링크의 타단과 제2 회전 관절을 통해 연결되는 제2 링크; 상기 지지대 및 상기 제2 링크와 연결되는 적어도 하나 이상의 보조 링크; 및 복수의 회전 구동기;를 포함하며, 상기 보조 링크는 제3 링크, 및 제4 링크를 포함하고, 상기 제3 링크의 일 단은 상기 지지대와 제3 회전 관절을 통해 연결되고, 상기 제4 링크의 일 단은 상기 제2 링크와 제4 회전 관절을 통해 연결되며, 상기 제3 링크의 타단과 상기 제4 링크의 타단은 제5 회전 관절을 통해 연결되고, 상기 회전 구동기는 상기 제1 내지 제5 회전 관절 중 선택된 3개이상의 회전 관절에 배치되어서, 상기 제1 내지 제4 링크 중 하나 이상의 링크를 선회시키도록 구성된다.

Description

여유구동형 기구 형성 방법 및 구동기 힘 분배 시스템 {METHOD FOR FORMING REDUNDANT PARALLEL MECHANISM AND SYSTEM FOR DISTRIBUTION OF ACTUATION FORCE}
본 발명은 여유구동형 기구 및 여유구동형 기구 형성 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 여유구동형 기구는, 지지대; 일 단이 상기 지지대와 제1 회전 관절을 통해 연결되는 제1 링크; 상기 제1 링크의 타단과 제2 회전 관절을 통해 연결되는 제2 링크; 상기 지지대 및 상기 제2 링크와 연결되는 적어도 하나 이상의 보조 링크; 및 복수의 회전 구동기;를 포함하는 병렬 기구를 포함하며, 상기 보조 링크는 제3 링크, 및 제4 링크를 포함하고, 상기 제3 링크의 일 단은 상기 지지대와 제3 회전 관절을 통해 연결되고, 상기 제4 링크의 일 단은 상기 제2 링크와 제4 회전 관절을 통해 연결되며, 상기 제3 링크의 타단과 상기 제4 링크의 타단은 제5 회전 관절을 통해 연결되고, 상기 회전 구동기는 상기 제1 내지 제5 회전 관절 중 선택된 3개 이상의 회전 관절에 배치되어서, 상기 제1 내지 제4 링크 중 하나 이상의 링크를 선회시키도록 구성된다.
1960 년대 Stewart 와 gough 가 헥사포드(hexapod) 형태의 병렬 기구(parallel mechanism)를 고안한 이후, 다양한 형태의 병렬 기구가 개발되어 왔다. 이러한 병렬 기구는 산업, 기술 분야의 다양한 분야에서 활용되고 있으며 현재에 있어서도 꾸준히 연구 개발이 진행되고 있다.
이러한 병렬 기구 연구 개발의 일환으로, 소위 여유구동형 기구에 관한 연구가 진행되고 있다. 이러한 여유구동형 기구의 경우, 작업 영역을 확대할 수 있는 장점을 가지나, 복잡한 구조 및 추가적인 구동 장치의 설치로 인해 초기 제작 비용이 증가할 수 있다. 따라서, 제작 및 도입 초기 단계에서 비 여유구동형 병렬 기구에 비해 불리한 점이 있으나, 운용에 따라서 소모되는 에너지가 절감되고 유리한 작업 환경을 도모할 수 있으므로, 사용 기간이 누적됨에 따라 더욱 유리한 효과가 달성될 수 있다.
따라서, 상기와 같은 불리점을 극복할 수 있도록 적절한 구조를 갖는 여유구동형 기구에 관한 개발 및 도입이 필요한 실정이다.
공개번호 2003-0085779
본 발명의 목적은, 지지대; 일 단이 상기 지지대와 제1 회전 관절을 통해 연결되는 제1 링크; 상기 제1 링크의 타단과 제2 회전 관절을 통해 연결되는 제2 링크; 상기 지지대 및 상기 제2 링크와 연결되는 적어도 하나 이상의 보조 링크; 및 복수의 회전 구동기;를 포함하며, 상기 보조 링크는 제3 링크, 및 제4 링크를 포함하고, 상기 제3 링크의 일 단은 상기 지지대와 제3 회전 관절을 통해 연결되고, 상기 제4 링크의 일 단은 상기 제2 링크와 제4 회전 관절을 통해 연결되며, 상기 제3 링크의 타단과 상기 제4 링크의 타단은 제5 회전 관절을 통해 연결되고, 상기 회전 구동기는 상기 제1 내지 제5 회전 관절 중 일부에 선택적으로 배치되며, 상기 제1 내지 제4 링크 중 하나 이상의 링크를 선회시키도록 구성되는 여유구동형 기구를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 여유구동형 기구는, 지지대;
일 단이 상기 지지대와 제1 회전 관절을 통해 연결되는 제1 링크;
상기 제1 링크의 타단과 제2 회전 관절을 통해 연결되는 제2 링크;
상기 지지대 및 상기 제2 링크와 연결되는 적어도 하나 이상의 보조 링크;
복수의 회전 구동기; 및
각 회전 구동기에 인가되는 에너지를 제어하는 제어 장치;를 포함하는 병렬 기구를 포함하며,
상기 보조 링크는 제3 링크, 및 제4 링크를 포함하고,
상기 제3 링크의 일 단은 상기 지지대와 제3 회전 관절을 통해 연결되고,
상기 제4 링크의 일 단은 상기 제2 링크와 제4 회전 관절을 통해 연결되며,
상기 제3 링크의 타단과 상기 제4 링크의 타단은 제5 회전 관절을 통해 연결되고,
상기 회전 구동기는 상기 제1 내지 제5 회전 관절 중 선택된 3개 이상의 회전 관절에 배치되어서, 상기 제1 내지 제4 링크 중 하나 이상의 링크를 선회시키고,
상기 회전 구동기가 배치되는 상기 회전 관절의 수는,
상기 병렬 기구가 구현하는 자유도보다 많으며,
상기 제어 장치는,
목적물의 정해진 운동 경로 내에서 여유구동형 기구에 인가되는 에너지량이 최소가 되도록 각 회전 구동기에 에너지를 분배하되,
상기 제어 장치는,
하기 식 1 내지 3 중 어느 하나의 값이 최소가 되도록 각 회전 구동기에 에너지를 분배한다.
Figure pat00001
(식1)
Figure pat00002
(식2)
Figure pat00003
(식 3)
본 발명의 일 실시예에 따른 여유구동형 기구는, 지지대;
일 단이 상기 지지대와 제1 회전 관절을 통해 연결되는 제1 링크;
상기 제1 링크의 타단과 제2 회전 관절을 통해 연결되는 제2 링크;
상기 지지대 및 상기 제2 링크와 연결되는 적어도 하나 이상의 메인 보조 링크;
복수의 회전 구동기; 및
제어 장치;를 포함하는 병렬 기구를 포함하며,
상기 메인 보조 링크는 일 단은 상기 지지대와 제3 회전 관절을 통해 연결되고, 타단은 상기 제2 링크와 제4 회전 관절을 통해 연결되며,
상기 회전 구동기는 상기 제1 내지 제4 회전 관절 중 선택된 하나 이상의 회전 관절에 배치되어서, 상기 제1 내지 제4 링크 중 하나 이상의 링크를 선회시키며,
상기 메인 보조 링크는 직선 구동기를 포함하여 길이가 조절되게 구성되고,
상기 제어 장치는 목적물의 정해진 운동 경로 내에서 여유구동형 기구에 인가되는 에너지량이 최소가 되도록 각 직선 구동기에 에너지를 분배하되, 하기 식 1-1 내지 1-3 중 어느 하나의 값이 최소가 되도록 상기 직선 구동기에 에너지를 분배하는 여유구동형 기구.
Figure pat00004
(식 1-1)
Figure pat00005
(식 1-2)
Figure pat00006
(식 1-3)
본 발명의 일 실시예에 따른 여유구동형 기구는, 지지대;
일 단이 상기 지지대와 제1 회전 관절을 통해 연결되는 제1 링크;
상기 제1 링크의 타단과 제2 회전 관절을 통해 연결되는 제2 링크;
상기 지지대 및 상기 제2 링크와 연결되는 적어도 하나 이상의 보조 링크;
서브 보조 링크;
복수의 회전 구동기; 및
제어 장치;를 포함하는 병렬 기구를 포함하며,
상기 보조 링크는 제3 링크, 및 제4 링크를 포함하고,
상기 제3 링크의 일 단은 상기 지지대와 제3 회전 관절을 통해 연결되고,
상기 제4 링크의 일 단은 상기 제2 링크와 제4 회전 관절을 통해 연결되며,
상기 제3 링크의 타단과 상기 제4 링크의 타단은 제5 회전 관절을 통해 연결되고,
상기 회전 구동기는 상기 제1 내지 제5 회전 관절 중 선택된 하나 이상의 회전 관절에 배치되어서, 상기 제1 내지 제5 링크 중 하나 이상의 링크를 선회시키며,
상기 서브 보조 링크는,
일단이 상기 지지대의 일 부분에 연결되고 타단은 상기 제1 링크의 일 부분에 연결되되 회전 관절을 통해 연결되는 제1 서브 보조 링크, 및
일단이 상기 제1 링크의 일 부분에 연결되고 타단은 상기 제2 링크의 일 부분에 연결되되 회전 관절을 통해 연결되는 제2 서브 보조 링크 중 적어도 어느 하나를 포함하며,
상기 제1 서브 보조 링크 및 상기 제2 서브 보조 링크는 직선 구동기를 포함하여 길이가 조절되게 구성되며,
상기 제어 장치는 목적물의 정해진 운동 경로 내에서 여유구동형 기구에 인가되는 에너지량이 최소가 되도록 각 직선 구동기에 에너지를 분배하되, 하기 식 1-1 내지 1-3 중 어느 하나의 값이 최소가 되도록 각각의 직선 구동기에 에너지를 분배한다.
Figure pat00007
(식 1-1)
Figure pat00008
(식 1-2)
Figure pat00009
(식 1-3)
본 발명의 일 실시예에 따른 여유구동형 기구 형성 방법은,
지지대, 제1 링크, 및 제2 링크가 회전 관절을 통해 연결되는 직렬 기구 메커니즘을 형성하는 단계;
상기 지지대와 상기 제2 링크 사이에 하나 이상의 보조 링크를 배치하되, 상기 보조 링크는 복수의 링크부로 구성되고 각각의 링크부의 연결 지점에 회전 관절을 배치하여 병렬 기구를 형성하는 단계;
상기 각각의 회전 관절 중 일부의 회전 관절에 선택적으로 회전 구동기를 배치하되 상기 회전 구동기가 배치되는 회전 관절의 수는 상기 병렬 기구가 구현하는 자유도의 수보다 많도록 하는 단계; 및
상기 각각의 회전 구동기에 인가되는 에너지를 제어하는 제어 장치를 이용하여 특정 작업경로에서 상기 복수의 회전 구동기의 일의 총합이 최소가 되도록 상기 회전 구동기에 에너지를 분배하는 에너지 분배 단계;를 포함하되,
상기 에너지 분배 단계는,
하기 식 1 내지 3 중 어느 하나의 값이 최소가 되도록 각각의 회전 구동기에 에너지를 분배한다.
Figure pat00010
(식 1)
Figure pat00011
(식 2)
Figure pat00012
(식 3)
본 발명의 일 실시예에 따른 여유구동형 기구 형성 방법은,
지지대, 제1 링크, 및 제2 링크가 회전 관절을 통해 연결되는 직렬 기구 메커니즘을 형성하는 단계;
양단이 각각 상기 지지대 및 상기 제2 링크의 일 부분과 회전 관절을 통해 연결되되 직선 구동기를 포함하여 길이가 조절되는 메인 보조 링크를 배치하는 단계;
상기 각각의 회전 관절 중 일부의 회전 관절에 선택적으로 회전 구동기를 배치하되 상기 회전 구동기가 배치되는 회전 관절의 수는 상기 병렬 기구가 구현하는 자유도의 수보다 많도록 하는 단계; 및
상기 각각의 직선 구동기에 인가되는 에너지를 제어하는 제어 장치를 이용하여 특정 작업경로에서 상기 복수의 직선 구동기의 일의 총합이 최소가 되도록 상기 회전 구동기에 에너지를 분배하는 에너지 분배 단계;를 포함하되,
상기 에너지 분배 단계는,
하기 식 1-1 내지 3-1 중 어느 하나의 값이 최소가 되도록 각각의 직선 구동기에 에너지를 분배한다.
Figure pat00013
(식 1-1)
Figure pat00014
(식 2-1)
Figure pat00015
(식 3-1)
본 발명의 일 실시예에 따른 여유구동형 기구 형성 방법은, 지지대, 제1 링크, 및 제2 링크가 회전 관절을 통해 연결되는 직렬 기구 메커니즘을 형성하는 단계;
상기 지지대와 상기 제2 링크 사이에 하나 이상의 보조 링크를 배치하되, 상기 보조 링크는 복수의 링크부로 구성되고 각각의 링크부의 연결 지점에 회전 관절을 배치하여 병렬 기구를 형성하는 단계;
양단이 각각 상기 지지대 및 상기 제2 링크의 일 부분과 회전 관절을 통해 연결되는 메인 보조 링크를 배치하는 단계;
양단이 각각 상기 지지대 및 제1 링크의 일 부분과 회전 관절을 통해 연결되되 직선 구동기를 포함하여 길이가 조절되는 제1 서브 보조 링크, 및 양단이 각각 제1 링크와 제2 링크의 일 부분과 회전 관절을 통해 연결되되 직선 구동기를 포함하여 길이가 조절되는 제2 서브 보조 링크 중 적어도 하나를 배치하는 단계;
상기 각각의 회전 관절 중 일부의 회전 관절에 선택적으로 회전 구동기를 배치하되 상기 회전 구동기가 배치되는 회전 관절의 수는 상기 병렬 기구가 구현하는 자유도의 수보다 많도록 하는 단계; 및
상기 각각의 직선 구동기에 인가되는 에너지를 제어하는 제어 장치를 이용하여 특정 작업경로에서 상기 복수의 직선 구동기의 일의 총합이 최소가 되도록 상기 회전 구동기에 에너지를 분배하는 에너지 분배 단계;를 포함하되,
상기 에너지 분배 단계는,
하기 식 1-1 내지 3-1 중 어느 하나의 값이 최소가 되도록 각각의 직선 구동기에 에너지를 분배한다.
Figure pat00016
(식 1-1)
Figure pat00017
(식 2-1)
Figure pat00018
(식 3-1)
본 발명에 따른 여유구동형 기구는, 회전 구동기가 배치되는 회전 관절의 수가 상기 여유구동형 기구가 구현하는 자유도보다 많은 구성을 가짐에 따라서, 여유구동이 달성될 수 있다. 이에 따라서, 동일한 작업을 수행할 경우에도 작은 에너지로 작업 수행이 가능하여 에너지 활용 효율이 최적화될 수 있다.
즉, 본 발명의 실시 형태와 같은 여유구동형 기구는, 선택적으로 회전 구동기를 구동시켜 최적의 경로 및 에너지 효율을 선택하여 목적물의 이동이 가능해질 수 있으므로, 에너지 효율이 개선될 수 있다.
또한, 수개의 회전 관절을 복합적으로 구동하여 작업을 수행하는 것이 가능함에 따라서 회전 관절 및 회전 구동기에 인가되는 부하가 분산될 수 있고, 따라서 일부의 회전 관절 및 회전 구동기에 과도한 부하가 인가되어 기구의 손상으로 이어지는 사고가 방지될 수 있다.
아울러, 각각의 회전 구동기에 가해지는 힘을 적절히 조합하여 분배함에 따라서 정해진 작업 경로 내에서 최소의 에너지가 소모되도록 할 수 있다. 즉, 일의 충돌을 줄일 수 있도록 각각의 회전 구동기에 인가되는 토크를 조합할 수 있으며, 이로 인해 소모되는 에너지의 절감이 가능해진다.
아울러, 본 발명에 따른 여유구동형 기구는 각각의 회전 구동기에 전류 및 그에 따른 토크를 분배하는 제어 장치를 구비함에 따라서, 최적의 성능이 달성되도록 할 수 있다.
즉, 제어 장치는 다양한 에너지 분배 알고리즘을 가짐에 따라서, 각각의 다양한 케이스에 따라서 최소의 에너지 소모 및 최적의 에너지 효율이 달성되며 그외 최적의 작동 성능을 달성할 수 있는 알고리즘을 적용하여 각각의 회전 구동기에 힘을 분배할 수 있다. 여유구동형 기구의 작동 과정에서 다양한 적용 상황에 따라서 적절한 알고리즘을 적용하여, 단순히 전체 사용 전력이 최소가 되는 것을 달성하는 것에 한정하지 않고, 최적의 에너지 효율을 달성할 뿐만 아니라 및 기타 작동 성능이 최적화될 수 있는 알고리즘을 적용하여 최적의 기능을 발휘하도록 할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 여유구동형 기구를 나타낸 개념도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 여유구동형 기구를 나타낸 개념도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 여유구동형 기구를 나타낸 개념도이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 여유구동형 기구를 나타낸 개념도이다.
도 5 는 직렬 기구의 일 예를 나타낸 구조도이다.
도 6 은 도 5 에 따른 직렬 기구의 각각의 회전 구동기에 인가되는 힘 및 각각의 회전 구동기의 각속도를 나타낸 그래프이다.
도 7 은 여유구동형 기구의 일 예를 나타낸 구조도이다.
도 8 은 도 7 에 따른 여유구동형 기구의 각각의 회전 구동기에 인가되는 힘 및 각각의 회전 구동기의 각속도를 나타낸 그래프이다.
도 9 는 본 발명의 일 실시예에 따른 여유구동형 기구를 나타낸 개념도이다.
도 10 은 본 발명의 일 실시예에 따른 여유구동형 기구를 나타낸 개념도이다.
도 11 은 본 발명의 일 실시예에 따른 여유구동형 기구를 나타낸 개념도이다.
도 12 는 본 발명의 일 실시예에 따른 여유구동형 기구를 나타낸 개념도이다.
도 13 은 본 발명의 일 실시예에 따른 여유구동형 기구를 나타낸 개념도이다.
도 14 는 본 발명의 일 실시예에 따른 여유구동형 기구를 나타낸 개념도이다.
도 15 는 본 발명의 일 실시예에 따른 여유구동형 기구를 나타낸 개념도이다.
도 16 은 본 발명의 일 실시예에 따른 여유구동형 기구를 에너지 사용 형태를 나타낸 개념도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.
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.
공간적으로 상대적인 용어인 “하부", "상부", “측부” 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 부재 또는 구성 요소들과 다른 부재 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작 시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 부재를 뒤집을 경우, 다른 부재의 “상부"로 기술된 부재는 다른 부재의 "하부”에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "상부"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 부재는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다" 및/또는 "포함하는”은 언급된 부재 외의 하나 이상의 다른 부재의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
도면에서 각부의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었다. 또한 각 구성요소의 크기와 면적은 실제크기나 면적을 전적으로 반영하는 것은 아니다.
또한, 실시예에서 본 발명의 구조를 설명하는 과정에서 언급하는 방향은 도면에 기재된 것을 기준으로 한다. 명세서에서 본 발명을 이루는 구조에 대한 설명에서, 방향에 대한 기준점과 위치관계를 명확히 언급하지 않은 경우, 관련 도면을 참조하도록 한다.
본 발명에서, 여유구동형 기구(1)라 함은 단순한 기구 구조물 외에 상기 여유구동형 기구에 포함된 회전 구동기에 힘의 분배가 이루어지는 시스템을 포함하는 여유구동형 기구 시스템으로 이해될 수 있다.
도 1 내지 도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 여유구동형 기구(1)를 나타낸 개념도이다.
도 1 을 참조하면, 본 발명에 따른 여유구동형 기구(1)는, 지지대(10); 일 단이 상기 지지대(10)와 제1 회전 관절(210)을 통해 연결되는 제1 링크(20); 상기 제1 링크(20)의 타단과 제2 회전 관절(220)을 통해 연결되는 제2 링크(30); 상기 지지대(10) 및 상기 제2 링크(30)와 연결되는 적어도 하나 이상의 보조 링크(100); 및 복수의 회전 구동기(미도시);를 포함하며, 상기 보조 링크(100)는 제3 링크(40), 및 제4 링크(50)를 포함하고, 상기 제3 링크(40)의 일 단은 상기 지지대(10)와 제3 회전 관절(230)을 통해 연결되고, 상기 제4 링크(50)의 일 단은 상기 제2 링크(30)와 제4 회전 관절(240)을 통해 연결되며, 상기 제3 링크(40)의 타단과 상기 제4 링크(50)의 타단은 제5 회전 관절(250)을 통해 연결되고, 상기 회전 구동기는 상기 제1 내지 제5 회전 관절(250) 중 일부에 선택적으로 배치되며, 상기 제1 내지 제4 링크(50) 중 하나 이상의 링크를 선회시키도록 구성된다.
지지대(10)는 제1 링크(20) 및 제3 링크(40)가 연결되도록 구성되며, 기계 장치의 일 부분일 수 있다. 예컨대, 상기 지지대(10)는 소정의 아암(arm)의 일부분이거나, 또는 소정의 매니퓰레이터(manipulator)의 일 부분으로 구성될 수 있다.
제1 링크(20)의 일 단은 제1 회전 관절(210)을 통해 지지대(10)에 연결되며, 제2 링크(30)의 타단은 제2 회전 관절(220)을 통해 제2 링크(30)에 연결된다.
상기 각각의 링크는 소정의 아암(arm)과 같은 구성을 가지며, 소정의 길이를 가질 수 있다. 상기 각각의 회전 관절은 각각의 링크가 서로 연결되되, 서로에 대해서 회전하도록 연결되는 관절 부위로서, 그 형태는 한정하지 아니한다.
상기와 같은 연결 구조에 따라서, 지지대(10)와 제1 링크(20), 및 제2 링크(30)는 순차적으로 회전 관절을 통해 직렬 연결되어 소정의 직렬 기구 메커니즘을 구성할 수 있다.
상기 지지대(10)와 제2 링크(30) 사이에는 하나 이상의 보조 링크(100)가 연결된다. 이때, 보조 링크(100)는 적어도 제3 링크(40), 및 제4 링크(50)를 포함하고, 상기 제3 링크(40)의 일 단은 상기 지지대(10)와 제3 회전 관절(230)을 통해 연결되고, 상기 제4 링크(50)의 일 단은 상기 제2 링크(30)와 제4 회전 관절(240)을 통해 연결되며, 상기 제3 링크(40)의 타단과 상기 제4 링크(50)의 타단은 제5 회전 관절(250)을 통해 연결될 수 있다.
한편, 상기한 보조 링크(100)의 구성은 상술한 바와 같이 한정하지 아니하며, 보조 링크(100)가 수개의 링크 및 상기 링크 사이에 배치되는 회전 관절로 구성되는 실시 형태도 가능하다. 또한, 보조 링크(100)의 수에는 한정이 없으므로, 지지대(10)와 제2 링크(30) 사이에 하나의 보조 링크(100)가 연결되는 경우 외에, 복수의 보조 링크(100)가 연결되는 실시 형태도 가능하다. 예컨대, 도 2 에 도시된 바와 같이, 제1 보조 링크(100) 및 제2 보조 링크(110)로 구성된 2 개의 보조 링크가 연결될 수 있고, 이에 한정하지 아니한다.
한편, 상기와 같은 제1 내지 제4 와 같은 명칭은 그 순서를 특정한 것이 아니며, 소정의 구성 요소를 단지 지칭하여 구분하기 위한 것이므로, 혼용하거나 변용이 가능하다.
아울러, 도 1 내지 도 4 에서는 제2 링크에 목적물(W)이 연결된 형태로 도시되었으나, 이에 한정하지 아니하며 목적물(W)은 임의의 연결 형태 및 위치를 가질 수 있다.
상기와 같은 구성에 따라서, 지지대(10)와 제2 링크(30) 사이에 수개의 링크로 구성된 보조 링크(100)가 연결됨에 따라서 상기 지지대(10), 및 제1 내지 제4 링크(20, 30, 40, 50)는 병렬 기구 메커니즘을 구성할 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이, 지지대(10), 및 제1 내지 제4 링크(20, 30, 40, 50)가 서로 회전 관절을 통해 연결되어 구성되는 여유구동형 기구(1)의 경우, 하기 [관계식 1] 과 같은 Kutzbach-Gruebler 의 법칙에 따라서 자유도가 결정될 수 있다.
m = 3(n-1) - 2f
(여기서, m : 링크의 자유도, n : 고정 링크를 포함한 링크의 개수,
f : 회전 관절의 개수)
[관계식 1]
상기 [관계식 1] 에서, 고정 링크는 고정(ground)되어 있어서 병진운동 및 회전운동을 할 수 없는 링크로서, 실시예에 의하면 지지대(10)에 해당할 수 있다. 따라서, 실시예의 경우, 링크의 개수 n = 5 이며, 회전 관절의 개수 f = 5 가 된다. 따라서, 실시예와 같이 오각형 형상의 5 절 링크로 구성된 여유구동형 기구(1)의 경우, 자유도 m 은 2 가 된다. 즉, 실시예에 따른 여유구동형 기구(1)의 자유도는 2 가 된다.
상기 각각의 회전 관절에는 회전 구동기(미도시)가 배치될 수 있다. 이때, 상기 회전 구동기는 상기 제1 내지 제5 회전 관절(210, 220, 230, 240, 250) 중 일부에 선택적으로 배치되며, 상기 제1 내지 제4 링크(50) 중 하나 이상의 링크를 선회시킬 수 있다. 일 예로, 상기 회전 구동기는 링크의 회전 운동을 달성하는 소정의 모터일 수 있으며, 이에 한정하지 아니한다.
상기 회전 구동기가 배치되는 상기 회전 관절의 수는 기구가 구현하는 자유도보다 많도록 구성된다. 즉, 실시예에 따른 병렬 기구는 2 의 자유도를 가지므로, 상기 회전 구동기가 배치되는 회전 관절의 수는 3개 이상일 수 있다. 상술한 바와 같이, 회전 구동기가 배치되는 회전 관절로서, 제1 내지 제5 회전 관절(210, 220, 230, 240, 250) 중에서 3 개 이상의 회전 관절이 선택될 수 있다.
재술컨대, 상기와 같은 실시 형태는, 도 3 에 도시된 바와 같이, 폐 다각형(P)의 각 변을 형성하도록 배치되는 링크(L), 및 상기 링크(L) 사이에 배치되고 상기 링크(L)를 연결하여 상기 폐 다각형(P)의 각 꼭지점을 형성하도록 구성되는 복수의 회전 관절(R)로 구성되는 여유구동형 기구(1)로서, 상기 복수의 회전 관절(R) 중 일부에 선택적으로 배치되며 상기 링크(L)에 연결되어 상기 링크(L)의 선회를 유도하는 회전 구동기를 포함하되, 상기 회전 구동기가 배치되는 상기 회전 관절(R)의 수는 상기 병렬 기구가 구현하는 자유도보다 많게 구성되는 병렬 기구로서, 여유구동형 기구로 정의될 수 있다.
여기서, 다각형(P)이라 함은 서로 이웃하는 변 사이의 사이각이 둔각으로서, 일반적인 사각형, 오각형 외의 불규칙한 형태의 도형도 포함한다. 즉, 예컨대, 다각형 중 오각형을 예로 들면, 본 발명에서 오각형이라 함은 5 개 변 및 5 개의 사이각으로 이루어진 모든 도형을 포함하는 개념이다. 또한, 상기 다각형(P)의 각각의 변을 구성하는 링크(L)의 형태는 직선인 경우에 한정하지 아니하며, 소정의 변형이 있는 형태 또한 가능하다.
다각형(P)의 형태는 사각형, 또는 오각형일 수 있으나, 이에 한정하지 아니한다. 즉, 예컨대 도 1 또는 도 3 에 도시된 바와 같이 지지대(10) 상에 위치한 제1 회전 관절(210), 및 제3 회전 관절(230)이 서로 상이한 위치에 위치할 경우 상기 다각형(P)은 오각형을 형성할 수 있으나, 상기 제1 회전 관절(210) 및 제3 회전 관절(230)이 수평방향으로 중첩된 위치에 놓일 경우 상기 다각형(P)은 사각형을 형성할 수 있다.
여기서, 상기 지지대(10)를 하나의 고정된 링크(L)로 볼 때, 실시예에 따른 여유구동형 기구(1)는 폐 다각형(P) 형태로 배치되는 5 개의 링크(L) 및 상기 링크(L) 사이에 배치되는 회전 관절(R)로 구성되며, 상기 회전 관절(R)에 회전 구동기가 배치되는 구성을 가질 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이, 지지대(10)와 제2 링크(30)를 연결하는 보조 링크(100)는 하나 뿐이 아니라, 복수일 수 있으므로, 상기 폐 다각형(P) 형상을 구성하는 여유구동형 기구(1)는 하나뿐만이 아니라 복수일 수 있다. 즉, 도 3 에 도시된 바와 같이, 기구 전체에 있어서, 폐 다각형(P) 형태의 기구는 전체 기구의 일 부분을 구성할 수 있고, 폐 다각형(P)이 복합된 형태도 가능하다.
달리 설명하면, 도 4 에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 여유구동형 기구(1)는, 서로 회전 관절을 통해 연결되는 지지대(10), 제1 링크(20), 및 제2 링크(30)를 포함하는 제1 직렬 기구 메커니즘(A); 및 일 단이 서로 회전 관절을 통해 연결되는 제3 링크(40), 및 제4 링크(50)를 포함하는 하나 이상의 제2 직렬 기구 메커니즘(B);을 포함하며, 상기 제3 링크(40)의 타단과 상기 제4 링크(50)의 타단은 각각 상기 지지대(10) 및 상기 제2 링크(30)에 회전 관절을 통해 연결되어 상기 제1 직렬 기구 메커니즘(A)과 상기 하나 이상의 제2 직렬 기구 메커니즘(B)이 병렬 연결되는 여유구동형 기구(1)로서, 상기 복수의 회전 관절 중 일부에 선택적으로 배치되는 회전 구동기를 포함하되, 상기 회전 구동기가 배치되는 상기 회전 관절의 수는 상기 여유구동형 기구(1)가 구현하는 자유도의 수보다 많은 여유구동형 기구(1)로 설명될 수 있다.
상기와 같은 설명을 참조하면, 실시예에 따른 여유구동형 기구(1)는, 수개의 링크 및 회전 관절을 포함하는 직렬 기구 메커니즘이 서로 병렬 연결되어 구성된 여유구동형 기구(1)로서, 각각의 연결 지점에는 회전 관절이 구비되고, 상기 회전 관절에는 회전 구동기가 구비되되, 상기 회전 구동기가 배치되는 회전 관절의 수는 여유구동형 기구(1)가 구현하는 자유도의 수보다 많은 구성을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 여유구동형 기구(1)는, 회전 구동기가 배치되는 회전 관절의 수가 상기 여유구동형 기구(1)가 구현하는 자유도보다 많은 구성을 가짐에 따라서, 여유구동이 달성될 수 있다. 이에 따라서, 동일한 작업을 수행할 경우에도 작은 에너지로 작업 수행이 가능하여 에너지 활용 효율이 최적화될 수 있다.
즉, 단지 지지대(10)와 제1 링크(20), 및 제2 링크(30)가 회전 관절을 통해 직렬 연결되며 상기 회전 관절에 각각 회전 구동기가 배치되는 직렬 기구의 경우, 소정의 목적물을 이동시키는 데 그 자유도에 있어서 제약을 받는다. 즉, 각각의 회전 구동기에 일률적으로 소정의 에너지가 인가되어야 하며, 아울러 부하가 일률적으로 인가됨에 따라서 기구의 신뢰성 및 안전성에도 제약이 상존한다.
반면에, 본 발명의 실시 형태와 같은 여유구동형 기구(1)의 경우, 선택적으로 회전 구동기를 구동시켜 최적의 경로 및 에너지 효율을 선택하여 목적물의 이동이 가능해질 수 있으므로, 에너지 효율이 개선될 수 있다. 또한, 수개의 회전 관절을 복합적으로 구동하여 작업을 수행하는 것이 가능함에 따라서 회전 관절 및 회전 구동기에 인가되는 부하가 분산될 수 있고, 따라서 일부의 회전 관절 및 회전 구동기에 과도한 부하가 인가되어 기구의 손상으로 이어지는 사고가 방지될 수 있다. 아울러, 회전 구동기의 복합적인 구동을 통해 더욱 미세하고 정밀한 작업 수행이 가능해질 수 있으며, 여유구동형 기구(1)의 구성에 따라서 기구의 작업 수행 반경이 감소하여 작업 수행에 필요한 공간이 줄어들고 공간 활용 효율이 개선될 수 있다.
상술하면, 본 발명에 따른 여유구동형 기구는 상기 회전 구동기에 분배되는 힘의 크기를 적절하게 분배함에 따라서, 정해진 작업 경로 내에서 필요한 에너지의 양을 절감할 수 있다.
*예컨대 도 5 에 도시된 바와 같이, 2 자유도를 갖는 직렬 기구로서 2 개의 회전 구동기를 가질 경우, 각 회전 구동기에 분배되는 힘 및 각속도는 유일하게 결정됨에 따라서 정해진 작업 경로 내에서 소모되는 에너지의 양 또한 정해지게 된다.
이때, 각각의 회전 구동기는 정해진 작업 경로 내에서 positive work 외에 negative work 를 하는 경우가 발생하며, 이러한 positive work 와 negative work 사이의 충돌로 불필요한 에너지가 발생할 수 있다.
예컨대, 도 5 에 도시된 바와 같은 직렬 기구를 구동하여 물체를 소정의 경로 내에서 이동시킬 경우, 도 6 에 도시된 바와 같이 각속도 및 각각의 회전 구동기에 분배되는 힘은 정해진 값을 갖게 된다. 도 5 에서는 직렬 기구의 구조를 나타내며, 도 6 에서는 직렬 기구에 구비된 각각의 회전 구동기에 인가되는 힘 및 각속도를 나타낸다. 여기서, τ1 ,τ2 는 각각 제1 및 제2 회전 구동기에 인가된 힘을, ω1, ω2 는 각각 제1 및 제2 회전 구동기의 각속도를 나타낸다.
도 5 에 도시된 직렬 기구를 예로 들면, 각각의 회전 구동기에 인가된 힘과 각속도를 시간으로 적분하여 절대값을 취한 일의 총량은 140 J 인 반면에, 물체가 받은 총 일의 양은 100 J 일 수 있다. 이때, 물체가 받은 총 일의 양과 회전 구동기가 한 일의 총량의 차이인 40J 에 해당하는 에너지가 필요 이상으로 소모되게 된다.
그러나, 본 발명에 따라서 도 7 에 도시된 바와 같이, 여유구동형 기구를 구성하고, 여유구동형 기구의 자유도보다 많은 수의 회전 구동기를 회전 관절에 배치할 경우, 정해진 작업 경로 내에서도 각각의 회전 구동기에 대해 적절한 힘의 분배가 이루어질 수 있다. 도 7 에서는 여유구동형 기구의 구조를 나타내며, 도 8 에서는 여유구동형 기구에 구비된 각각의 회전 구동기에 인가되는 힘 및 각속도를 나타낸다. 여기서, τ1 ,τ2 ,τ3 은 각각 제1 내지 제3 회전 구동기에 인가된 힘을, ω1, ω2 , ω3 은 각각 제1 내지 제3 회전 구동기의 각속도를 나타낸다.
예컨대, 도 7 에 도시된 바와 같은 여유구동형 기구를 통해 도 8 에 도시된 바와 같이 힘을 분배할 경우, 비록 각각의 회전 구동기의 각속도는 정해진 값을 가지나, 각각의 회전 구동기에 가해지는 힘을 적절히 조합하여 분배함에 따라서 정해진 작업 경로 내에서 최소의 에너지가 소모되도록 할 수 있다. 바람직하게는, 물체가 받은 일의 양과 각각의 회전 구동기가 한 일의 총량이 일치할 수 있으나, 이에 한정하지 아니한다.
즉, 본 발명에 따른 여유구동형 기구는 여유구동형 기구가 구현하는 자유도의 수보다 많은 회전 구동기를 가짐에 따라서 일의 충돌을 줄일 수 있도록 각각의 회전 구동기에 인가되는 토크를 조합할 수 있으며, 이로 인해 정해진 작업 경로 내에서 소모되는 에너지의 절감이 가능해진다.
도 9 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 여유구동형 기구(1)를 나타낸 도면이다.
도 9 를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 여유구동형 기구(1)는, 지지대(310); 일 단이 상기 지지대(310)와 제1 회전 관절(410)을 통해 연결되는 제1 링크(320); 상기 제1 링크(320)의 타단과 제2 회전 관절(420)을 통해 연결되는 제2 링크(330); 상기 지지대(310) 및 상기 제2 링크(330)의 일 부분과 양단이 연결되는 적어도 하나 이상의 메인 보조 링크(510); 및 복수의 회전 구동기를 포함하며, 상기 회전 구동기는 상기 제1 회전 관절(410) 및 제2 회전 관절(420) 중 하나 이상의 회전 관절에 배치되어 상기 제1 링크(320) 및 제2 링크(330) 중 하나 이상의 링크를 선회시키고, 상기 메인 보조 링크(510)는 일 단은 상기 지지대(310)와 제3 회전 관절(430)을 통해 연결되고, 일 단은 상기 제2 링크(330)와 제4 회전 관절(440)을 통해 연결되며, 직선 구동기를 포함하여 길이가 조절되게 구성된다.
따라서, 본 실시 형태에서 지지대(310), 제1 링크(320), 제2 링크(330), 제1 회전 관절(410), 및 제2 회전 관절(420)에 관한 사항은 상기 설명한 바와 같으며, 소정의 직렬 기구 메커니즘(300)을 구성할 수 있다.
다만, 상이한 점은 본 실시 형태에서 상기 메인 보조 링크(510)는 직선 구동기를 가져서 길이가 조절되게 구성되는 점이다.
메인 보조 링크(510)는 직선 구동기를 포함하며, 상기 직선 구동기는 예컨대 피스톤을 포함한 실린더와 같이 구성될 수 있다. 이러한 피스톤의 변위에 따라서 보조 링크의 길이가 조절될 수 있다. 보조 링크의 일 단은 지지대(310)에 연결되고 타단은 상기 제2 링크(330)의 일 부분에 연결됨에 따라서 상기 메인 보조 링크(510)의 길이 변화는 상기 제2 링크(330)를 변위시키며, 이는 제2 링크(330) 및 제2 링크(330)와 연결된 제1 링크(320)의 선회를 야기한다.
이러한 구성에 따라서, 본 실시 형태에 따른 여유구동형 기구(1)는 직렬 기구 메커니즘에 대해 병렬로 연결되며 보조 링크를 포함하며, 메인 보조 링크(510)는 직선 구동기를 포함하여 길이 조절을 통해 상기 제2 링크(330) 및 제1 링크(320)를 선회시킴에 따라서 여유구동형 기구(1) 메커니즘을 달성할 수 있다.
상기와 같은 구조를 가짐에 따라서, 본 실시예에 따른 여유구동형 기구(1)는 여유구동을 달성할 수 있다. 이에 따라서, 동일한 작업을 수행할 경우에도 작은 에너지로 작업 수행이 가능하여 에너지 활용 효율이 최적화될 수 있다.
즉, 회전 구동기와 직선 구동기를 선택적으로 구동시켜 최적의 경로 및 에너지 효율을 선택하여 목적물의 이동을 달성할 수 있다. 또한, 정해진 경로 내에서 최적의 에너지 효율을 고려하며 목적물을 이동시킬 수 있다. 여유구동형 기구(1)에 관한 상세한 효과는 상술한 바와 상통한다.
한편, 실시 형태에 따라서 수개의 보조 링크를 포함할 수 있다.
즉, 상기와 같이 상기 지지대(310) 및 상기 제2 링크(330)의 일 부분과 양단이 연결되는 보조 링크를 메인 보조 링크(510)라고 할 경우, 도 10 에 도시된 바와 같이 지지대(310) 및 상기 제1 링크(320)의 일 부분과 양단이 연결되는 보조 링크를 제1 서브 보조 링크(520)라고 할 수 있고, 도 11 에 도시된 바와 같이 제1 링크(320)의 일 부분과 제2 링크(330)의 일 부분을 연결하는 보조 링크를 제2 서브 보조 링크(530)라고 할 수 있다. 이때, 도 12 에 도시된 바와 같이 메인 보조 링크(510)와 제1 서브 보조 링크(520), 및 제2 서브 보조 링크(530)가 동시에 구비되는 것도 가능하며, 이에 한정하지 않는다.
상기와 같이 메인 보조 링크(510), 제1 서브 보조 링크(520), 및 제2 서브 보조 링크(530)는 보조 링크군(500)을 구성한다.
상기 제1 서브 보조 링크(520)와 제2 서브 보조 링크(530)는 상기 메인 보조 링크(510)와 마찬가지로 직선 구동기를 구비하여 길이가 조절되며, 일 예로 피스톤 및 실린더를 포함할 수 있다.
상기 메인 보조 링크(510)에 더하여 제1 보조 링크 및/또는 제2 보조 링크가 더 구비됨에 따라서, 여유구동에 따른 에너지 효율 제고가 더욱 용이하게 달성될 수 있다.
물론, 상기와 같은 메인 링크 및 보조 링크의 구성 외에 추가적인 링크 및 그에 구비되는 회전 구동기와 직선 구동기가 더 구비될 수 있으며, 이에 한정하지 않는다.
도 13 내지 도 15 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 여유구동형 기구(1)를 나타낸 도면이다.
도 13 내지 도 15 를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 여유구동형 기구(1)는, 지지대(10); 일 단이 상기 지지대(10)와 제1 회전 관절(210)을 통해 연결되는 제1 링크(20); 상기 제1 링크(20)의 타단과 제2 회전 관절(220)을 통해 연결되는 제2 링크(30); 상기 지지대(10) 및 상기 제2 링크(30)의 일 부분과 양단이 연결되는 적어도 하나 이상의 보조 링크; 및 복수의 회전 구동기를 포함하며, 상기 보조 링크는 제3 링크(40), 및 제4 링크(50)를 포함하고, 상기 제3 링크(40)의 일 단은 상기 지지대(10)와 제3 회전 관절(230)을 통해 연결되고, 상기 제4 링크(50)의 일 단은 상기 제2 링크(30)와 제4 회전 관절(240)을 통해 연결되며, 상기 제3 링크(40)의 타단과 상기 제4 링크(50)의 타단은 제5 회전 관절(50)을 통해 연결되고, 상기 회전 구동기는 상기 제1 내지 제5 회전 관절(50) 중 선택된 하나 이상의 회전 관절에 배치되어서, 상기 제1 내지 제4 링크(20, 30, 40, 50) 중 하나 이상의 링크를 선회시키며, 지지대(10)와 상기 제1 링크(20) 사이, 및 상기 제1 링크(20)와 상기 제2 링크(30) 사이 중 적어도 하나에는 서브 보조 링크(600)가 구비되며, 상기 서브 보조 링크(600)는 직선 구동기를 포함하여 길이가 조절되게 구성된다.
본 실시 형태는 상술한 실시 형태와 마찬가지로, 상기 지지대(10) 및 상기 제2 링크(30)의 일 부분과 양단이 연결되는 적어도 하나 이상의 메인 보조 링크(510)를 구비하며, 상기 메인 보조 링크(510)는 서로 회전 관절을 통해 연결되는 제3 링크(40) 및 제4 링크(50)를 구비한다.
상이한 점은, 도 13 내지 도 15 에 도시된 바와 같이, 지지대(10)와 상기 제1 링크(20) 사이, 및 상기 제1 링크(20)와 상기 제2 링크(30) 사이 중 적어도 하나에는 서브 보조 링크(600)가 구비되며, 상기 서브 보조 링크(600)는 직선 구동기를 포함하여 길이가 조절되게 구성된다.
서브 보조 링크는 지지대(10)와 상기 제1 링크(20) 사이에 연결되는 제1 서브 보조 링크(620)와, 상기 제1 링크(20)와 상기 제2 링크(30) 사이에 연결되는 제2 서브 보조 링크(630)를 포함하며, 상기 제1 서브 보조 링크(620)와 제2 서브 보조 링크(630)는 어느 하나가 구비되거나, 또는 양자가 함께 구비될 수 있다.
본 실시 형태에 따라서, 여유구동에 따른 에너지 효율 제고가 더욱 용이하게 달성될 수 있다. 물론, 상기와 같은 메인 링크 및 보조 링크의 구성 외에 추가적인 링크 및 그에 구비되는 회전 구동기와 직선 구동기가 더 구비될 수 있으며, 이에 한정하지 않는다.
상술한 바와 같은 여유구동형 기구(1)의 경우에도, 상기 [관계식 1] 과 같은 Kutzbach-Gruebler 의 법칙에 따라서 자유도가 결정될 수 있다.
m = 3(n-1) -2f
(여기서, m : 링크의 자유도, n : 고정 링크를 포함한 링크의 개수,
f : 회전 관절의 개수)
[관계식 1]
마찬가지로, 상기 회전 구동기가 배치되는 상기 회전 관절의 수는 상기 여유구동형 기구(1)가 구현하는 자유도보다 많게 구성되는 여유구동형 기구(1)로서, 여유구동형 기구로 정의될 수 있다.
도 16 은 본 발명의 일 실시예에 따른 여유구동형 기구의 에너지 소비 형태를 나타낸 도면이다.
바람직하게는, 본 발명에 다른 여유구동형 기구는 각 회전 구동기 및 직선 구동기에 인가되는 에너지를 제어하는 제어 장치;를 더 포함하며, 상기 제어 장치를 통해 본 발명에 따른 여유구동형 기구의 에너지 소비가 최적화될 수 있다.
상기 제어 장치는 각각의 회전 구동기, 또는 직선 구동기에 에너지를 분배하되, 정해진 경로 내에서 여유구동형 기구에 인가되는 에너지의 총량이 최소가 되도록 각 회전 구동기에 에너지를 분배한다.
이때, 상기 회전 구동기 및 직선 구동기에 분배되는 에너지는 예컨대 전류를 통한 전기 에너지일 수 있으나, 이에 한정하지 아니하며 예컨대 유압, 공압 에너지 등이 활용될 수 있다. 후술하는 바에서는 대표적으로 전류 및 전기 에너지를 예로 설명하였으나, 이에 한정하지 아니함은 물론이다.
여유구동형 기구 전체에 인가된 전체 전기 에너지는 여유구동형 기구의 구동을 위해 인가된 에너지 총량으로서, 소정의 전원에 의해 인가된 전력량으로 나타낼 수 있고, 이는 본 발명에 따른 여유구동형 기구의 각부의 에너지 소모량으로 나타낼 수 있다.
여유구동형 기구에 인가된 에너지는 각 구동부의 기계 에너지를 생성하는 과정에서 손실되는 손실 전기 에너지와, 각 구동부의 기계 에너지를 목적물의 역학적 에너지 증가에 사용되는 알짜 에너지로 변환하는 과정에서 손실되는 손실 기계 에너지와, 실질적으로 목적물의 역학적 에너지 증가에 기여하는 알짜 에너지로 분류된다. 이러한 알짜 에너지는 예컨대 회전 구동기로 사용되는 각각의 서보 모터의 기계적 출력 및 직선 구동기로 사용되는 각각의 실린더의 기계적 출력으로 표시되며, 회전 구동기의 경우
Figure pat00019
로 표시되고, 직선 구동기의 경우
Figure pat00020
로 표시될 수 있다. 이때,
Figure pat00021
는 회전 구동기의 힘이고
Figure pat00022
는 회전 구동기의 이동속도를 나타낸다. 이때,
Figure pat00023
는 직선 구동기의 힘이고
Figure pat00024
는 직선 구동기의 이동속도를 나타낸다. 아울러, + 는 양의 값만을 나타내는 것을 의미한다.
다음으로, 손실 에너지는 각각의 회전 구동기 및 직선 구동기에서 발생하는 코일 손실(coil loss), 구동기를 제어하는 데 사용되는 드라이버에서 발생하는 컨덕션 손실(conduction loss), 및 스위치에서 발생하는 스위칭 손실(switching loss)로 나뉠 수 있다.
상기 코일 손실은 회전 구동기로 사용되는 서보 모터 내부에 흐르는 전류에 의해서 발생하는 열 손실, 또는 직선 구동기에서 발생하는 열 손실로서, 이는 RS I2 의 식으로 나타날 수 있다. 여기서, RS 는 회전 구동기 또는 직선 구동기의 저항을 나타낸다.
컨덕션 손실은 회전 구동기 및 직선 구동기를 제어하는 데 사용되는 서보 드라이버 내부에 존재하는 IGBT 회로 내의 반도체에 전류가 흐를 때 발생하는 손실로서, 이는 cTAI + dTAI2 의 식으로 표현될 수 있다. 여기서, cTA , dTA 는 컨덕션 손실 모델의 계수이다.
스위칭 손실은 서보 드라이버 내부에 존재하는 IGBT회로내의 반도체를 포함한 회로에서 스위치를 on & off 시 발생하는 손실이며, 이는 KIGBTI의 식으로 표현이 가능하다. 여기서, KIGBT 는 스위칭 손실 모델의 계수이다.
이에 따라서, 손실 에너지는 상술한 코일 손실, 컨덕션 손실, 및 스위칭 손실의 합으로 나타날 수 있다. 여기서, c1 , c2 는 상기 코일 손실 모델, 컨덕션 손실 모델, 스위칭 손실 모델의 계수를 통해 도출된 소정의 상수이다.
RsSI2 + cTAI + dTAI2 + kIGBTI = c1I2 + c2I
상기 식에서, 전류는 토크 및 힘에 비례하는 바, 상기 식은 하기와 같이 대체될 수 있다. 하기 식에서 I가 |τ| 또는 |f| 로 대체되는 이유는 전류는 항상 양의 값이며 토크 및 힘의 크기에 비례하기 때문이다. 여기서, k1, k2 는 상기 c1 , c2 를 통해 도출된 상수이며, τ는 위에서 설명한 바와 같이 회전 구동기의 토크값이고, f 는 직선 구동기의 힘이다.
c1I2 + c2I = k1τ2 + k2|τ|
c1I2 + c2I = k1f2 + k2|f|
상기한 바와 같이, 여유구동형 기구에 인가된 총 에너지는 전기 에너지로서, 이는 기계적 에너지와 손실 에너지의 합과 같으므로, 이를 식으로 나타내면 하기 관계식 2 및 2-1 과 같다. 아울러, 아래에서 각각의 항을 이루는 문자들의 설명은 위에서 설명한 바와 같다.
∑(손실 전기 에너지 + 기계적 에너지) =
Figure pat00025
(관계식 2)
Figure pat00026
(관계식 2-1)
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 여유구동형 기구에 구비된 제어 장치는, 각각의 회전 구동기 및 직선 구동기에 전류를 분배하되, 정해진 경로 내에서 여유구동형 기구에 인가되는 전기 에너지의 총량이 최소가 되도록 각 회전 구동기에 전류를 분배한다.
즉, 상기 관계식 1, 1-1 에 따라서, 정해진 경로 내에서 상기 손실 전기 에너지와 각 구동기의 기계 에너지의 총 합의 값이 최소가 되도록 각각의 회전 구동기 및 직선 구동기에 분배되는 전류, 및 그에 따른 토크를 결정한다. 이에 따라서, 하기 식 1 및 식 1-1 의 값이 최소가 되도록 각각의 토크를 결정한다. 여기서, 식 1 및 식 1-1 은 위에서 설명한 관계식과 같다.
Figure pat00027
(식 1)
Figure pat00028
(식 1-1)
상기 식에서, n 은 구동기의 수를 의미한다. 즉, 상기 제어 장치는 본 발명에 따른 여유구동형 기구의 에너지 효율이 최적화되도록 소정의 경로 등과 같은 조건 하에서 여유구동형 기구에 인가되는 전력량 총량이 최소화되도록 각각의 회전 구동기에 대해서 힘을 분배할 수 있다.
한편, 상기 제어 장치는 다른 형태로 본 발명에 따른 여유구동형 기구의 에너지 효율이 최적화되도록 하는 알고리즘을 가질 수 있다.
즉, 상기 식에서 가장 후단의 항은 회전 구동기의 기계적 출력량으로서, 제어 장치는 상기 기계적 출력량을 제외한 전체 손실 전력이 최소가 되도록 하는 알고리즘을 가질 수 있다.
이에 따르면, 상기 제어 장치는 하기 식에 따라 하기 식 2 및 식 2-1 의 값이 최소가 되도록 각각의 회전 구동기 및 직선 구동기에 대해 힘을 분배할 수 있다.
Figure pat00029
(식 2)
Figure pat00030
(식 2-1)
한편, 다른 예로, 상기 제어 장치는 각각의 회전 구동기 및 직선 구동기의 기계적 출력의 합이 최소가 되도록 각각의 구동기에 대해 힘을 분배하는 알고리즘을 가질 수 있으며, 이때, 상기 제어 장치는 하기 식 3 및 식 3-1 의 값이 최소가 되도록 각각의 회전 구동기 및 직선 구동기에 힘을 분배할 수 있다.
Figure pat00031
(식 3)
Figure pat00032
(식 3-1)
한편, 다른 예로, 상기 제어 장치는 각각의 회전 구동기 및 직선 구동기의 힘의 제곱의 합이 최소가 되도록 각각의 회전 구동기에 분배되는 힘의 제곱의 합이 최소가 되도록 하는 알고리즘을 가질 수 있다. 이때, 상기 제어 장치는 하기 식 4 및 식 4-1 의 값이 최소가 되도록 각각의 회전 구동기 및 직선 구동기에 힘을 분배할 수 있다.
Figure pat00033
(식 4)
Figure pat00034
(식 4-1)
한편, 다른 예로 상기 제어 장치는 하기 식 5, 6, 5-1, 6-1 의 값이 최소가 되도록 각각의 회전 구동기 및 직선 구동기에 힘을 분배할 수 있다.
Figure pat00035
(식 5)
Figure pat00036
(식 6)
Figure pat00037
(식 5-1)
Figure pat00038
(식 6-1)
상술한 바와 같이, 회전 구동기의 경우, 식 1, 식 2, 식 3, 식 4, 식 5, 및 식 6 이 적용되며, 직선 구동기의 경우 식 1-1, 2-1, 3-1, 4-1, 5-1, 6-1 이 적용된다. 즉, 회전 구동기의 경우에 대해서 직선 구동기 일때는 τ가 f로,
Figure pat00039
은
Figure pat00040
으로 변경이 된다. 여기서 f 는 직선 구동기의 힘이고,
Figure pat00041
는 직선 구동기의 이동속도를 나타낸다.
한편, 이때, 직선 구동기에 대한 전류 분배 알고리즘과 회전 구동기에 대한 전류 분배 알고리즘은 서로 하나의 여유구동형 기구에 동시에 적용될 수 있다.
즉, 회전 구동기와 직선 구동기를 함께 구비하며, 회전 구동기에 대해서는 식 1, 식 2, 식 3, 식 4, 식 5, 식 6 이 적용되며, 직선 구동기의 경우 식 1-1, 2-1, 3-1, 4-1, 5-1, 6-1 이 각각 적용되는 여유구동형 기구가 구현될 수 있다.
한편, 각각의 식을 부분적으로 복합적으로 적용하여 상기 제어 장치가 각각의 회전 구동기 및 직선 구동기에 힘을 분배할 수 있다. 예컨대, 회전 구동기의 토크 분배의 경우, 하기 식 7 또는 식 8 이 최소가 되도록 상기 회전 구동기에 힘을 분배할 수 있다.
Figure pat00042
(식 7)
Figure pat00043
(식 8)
아울러, 직선 구동기의 힘 분배의 경우 하기 식 7-1 및 6-1 중 어느 하나의 식의 값이 최소가 되도록 상기 직선 구동기에 힘을 분배할 수 있다.
Figure pat00044
(식 7-1)
Figure pat00045
(식 8-1)
상기와 같이, 본 발명에 따른 여유구동형 기구는 각각의 회전 구동기 및 직선 구동기에 전류 및 그에 따른 토크를 분배하는 제어 장치를 구비함에 따라서, 정해진 경로 내에서 최소의 에너지 소모가 이루어지도록 할 수 있다.
즉, 다양한 에너지 분배 알고리즘을 가짐에 따라서, 각각의 다양한 케이스에 따라서 최소의 에너지 소모 및 최적의 에너지 효율이 달성되며 그외 최적의 작동 성능을 달성할 수 있는 알고리즘을 적용하여 각각의 회전 구동기에 힘을 분배할 수 있다. 즉, 여유구동형 기구의 작동 과정에서 다양한 적용 상황에 따라서 적절한 알고리즘을 적용하여, 단순히 전체 사용 전력이 최소가 되는 것을 달성하는 것에 한정하지 않고, 최적의 에너지 효율을 달성할 뿐만 아니라 및 기타 작동 성능이 최적화될 수 있는 알고리즘을 적용하여 최적의 기능을 발휘하도록 할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 여유구동형 기구의 에너지 분배 알고리즘은, 상술한 실시예에 따른 구조를 갖는 여유구동형 기구 외에 모든 형태의 여유구동형 기구에 적용될 수 있다. 즉, 기구의 자유도 보다 구동기의 수가 많은 모든 형태의 여유구동형 기구에 대해서 상기와 같은 에너지 분배 알고리즘이 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 여유구동형 기구 형성 방법을 설명하면, 하기와 같다. 하기의 형성 방법의 각 단계는 순차적으로 이루어지는 데 한정하지 아니하며, 그 순서는 임의일 수 있다. 한편, 각각의 구성 요소에 관한 설명은 상기 여유구동형 기구(1)에 관한 실시 형태에서 설명한 바와 같으므로, 동일한 사항에 대해서는 재 설명을 생략한다.
본 발명에 따른 여유구동형 기구 형성 방법은, 지지대(10), 제1 링크(20), 및 제2 링크(30)가 회전 관절을 통해 연결되는 직렬 기구 메커니즘을 형성하는 단계; 상기 지지대(10)와 상기 제2 링크(30) 사이에 하나 이상의 보조 링크(100)를 배치하되, 상기 보조 링크(100)는 복수의 링크부로 구성되고 각각의 링크부의 연결 지점에 회전 관절을 배치하여 여유구동형 기구 메커니즘을 형성하는 단계; 및 상기 각각의 회전 관절 중 일부의 회전 관절에 선택적으로 회전 구동기를 배치하는 단계; 를 포함하되, 상기 회전 구동기가 배치되는 회전 관절의 수는 상기 여유구동형 기구가 구현하는 자유도의 수보다 많게 구성될 수 있다. 또한, 상기 회전 구동기의 힘이 분배되는 단계;를 포함하되, 특정 작업경로에서 상기 복수의 회전 구동기의 일의 총합이 최소가 되도록 상기 회전 구동기의 힘이 분배될 수 있다.
달리 설명하면, 본 발명에 따른 여유구동형 기구 형성 방법은, 서로 회전 관절을 통해 연결되는 지지대(10), 제1 링크(20), 및 제2 링크(30)를 포함하는 제1 직렬 기구 메커니즘(A)을 형성하는 단계; 일 단이 서로 회전 관절을 통해 연결되는 제3 링크(40), 및 제4 링크(50)를 포함하는 하나 이상의 제2 직렬 기구 메커니즘(B)을 형성하는 단계; 상기 제3 링크(40)의 타단과 상기 제4 링크(50)의 타단을 각각 상기 지지대(10) 및 상기 제2 링크(30)에 회전 관절을 통해 연결하여 상기 제1 직렬 기구 메커니즘(A)에 대해서 상기 하나 이상의 제2 직렬 기구 메커니즘(B)을 병렬 연결하여 여유구동형 기구(1)를 형성하는 단계; 상기 복수의 회전 관절 중 일부에 회전 구동기를 선택적으로 배치하는 단계; 및 상기 회전 구동기의 힘이 분배되는 단계;를 포함하되, 상기 회전 구동기가 배치되는 상기 회전 관절의 수는 상기 여유구동형 기구가 구현하는 자유도의 수보다 많으며, 특정 작업경로에서 상기 복수의 회전 구동기의 일의 총합이 최소가 되도록 상기 회전 구동기의 힘이 분배될 수 있다.
상기 복수의 회전 관절 중 일부에 회전 구동기를 선택적으로 배치하는 단계; 를 포함하되, 상기 회전 구동기가 배치되는 상기 회전 관절의 수는 상기 여유구동형 기구가 구현하는 자유도의 수보다 많게 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 여유구동형 기구 형성 방법에 의하면, 상기 여유구동형 기구는 각 회전 구동기에 인가되는 전류를 제어하는 제어 장치를 구비하며, 상기 제어 장치가 상기 각각의 회전 구동기에 전류를 분배하는 전류 분배단계;를 포함하되, 상기 전류 분배 단계는, 목적물의 정해진 경로 내에서 여유구동형 기구에 인가되는 에너지가 최소가 되도록 제어하는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 여유구동형 기구 형성 방법에 의하면, 상기 제어 장치는 상기 식 1 내지 식 8 중 어느 하나 및/ 또는 식 1-1 내지 8-1 중 어느 하나의 값이 최소가 되도록 각각의 회전 구동기에 전류를 인가한다. 상기 식 1 내지 8 및 식 1-1 내지 8-1 은 위에서 설명한 바와 같으므로, 생략한다.
이상에서는 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
1: 여유구동형 기구 10: 지지대
20: 제1 링크 30: 제2 링크
40: 제3 링크 50: 제4 링크
100: 보조 링크 110: 제1 보조 링크
120: 제2 보조 링크 210: 제1 회전 관절
220: 제2 회전 관절 230: 제3 회전 관절
240: 제4 회전 관절 250: 제5 회전 관절

Claims (6)

  1. 지지대;
    일 단이 상기 지지대와 제1 회전 관절을 통해 연결되는 제1 링크;
    상기 제1 링크의 타단과 제2 회전 관절을 통해 연결되는 제2 링크;
    상기 지지대 및 상기 제2 링크와 연결되는 적어도 하나 이상의 보조 링크;
    복수의 회전 구동기; 및
    각 회전 구동기에 인가되는 에너지를 제어하는 제어 장치;를 포함하는 병렬 기구를 포함하며,
    상기 보조 링크는 제3 링크, 및 제4 링크를 포함하고,
    상기 제3 링크의 일 단은 상기 지지대와 제3 회전 관절을 통해 연결되고,
    상기 제4 링크의 일 단은 상기 제2 링크와 제4 회전 관절을 통해 연결되며,
    상기 제3 링크의 타단과 상기 제4 링크의 타단은 제5 회전 관절을 통해 연결되고,
    상기 회전 구동기는 상기 제1 내지 제5 회전 관절 중 선택된 3개 이상의 회전 관절에 배치되어서, 상기 제1 내지 제4 링크 중 하나 이상의 링크를 선회시키고,
    상기 회전 구동기가 배치되는 상기 회전 관절의 수는,
    상기 병렬 기구가 구현하는 자유도보다 많으며,
    상기 제어 장치는,
    목적물의 정해진 운동 경로 내에서 여유구동형 기구에 인가되는 에너지량이 최소가 되도록 각 회전 구동기에 에너지를 분배하되,
    상기 제어 장치는,
    하기 식 1 내지 3 중 어느 하나의 값이 최소가 되도록 각 회전 구동기에 에너지를 분배하는 여유구동형 기구.
    Figure pat00046
    (식1)
    Figure pat00047
    (식2)
    Figure pat00048
    (식 3)
    (
    Figure pat00049
    : i 번째 회전 구동기의 토크,
    Figure pat00050
    : i 번째 회전 구동기의 이동속도,
    Figure pat00051
    : i 번째 회전 구동기의 제1 손실 모델 상수,
    Figure pat00052
    : i 번째 회전 구동기의 제2 손실 모델 상수, n : 회전 구동기의 개수)
  2. 지지대;
    일 단이 상기 지지대와 제1 회전 관절을 통해 연결되는 제1 링크;
    상기 제1 링크의 타단과 제2 회전 관절을 통해 연결되는 제2 링크;
    상기 지지대 및 상기 제2 링크와 연결되는 적어도 하나 이상의 메인 보조 링크;
    복수의 회전 구동기; 및
    제어 장치;를 포함하는 병렬 기구를 포함하며,
    상기 메인 보조 링크는 일 단은 상기 지지대와 제3 회전 관절을 통해 연결되고, 타단은 상기 제2 링크와 제4 회전 관절을 통해 연결되며,
    상기 회전 구동기는 상기 제1 내지 제4 회전 관절 중 선택된 하나 이상의 회전 관절에 배치되어서, 상기 제1 내지 제4 링크 중 하나 이상의 링크를 선회시키며,
    상기 메인 보조 링크는 직선 구동기를 포함하여 길이가 조절되게 구성되고,
    상기 제어 장치는 목적물의 정해진 운동 경로 내에서 여유구동형 기구에 인가되는 에너지량이 최소가 되도록 각 직선 구동기에 에너지를 분배하되, 하기 식 1-1 내지 1-3 중 어느 하나의 값이 최소가 되도록 상기 직선 구동기에 에너지를 분배하는 여유구동형 기구.
    Figure pat00053
    (식 1-1)
    Figure pat00054
    (식 1-2)
    Figure pat00055
    (식 1-3)
    (
    Figure pat00056
    : i 번째 직선 구동기의 힘,
    Figure pat00057
    : i 번째 직선 구동기의 이동속도,
    Figure pat00058
    : i 번째 직선 구동기의 제1 손실 모델 상수,
    Figure pat00059
    : i 번째 직선 구동기의 제2 손실 모델 상수, n : 직선 구동기의 개수)
  3. 지지대;
    일 단이 상기 지지대와 제1 회전 관절을 통해 연결되는 제1 링크;
    상기 제1 링크의 타단과 제2 회전 관절을 통해 연결되는 제2 링크;
    상기 지지대 및 상기 제2 링크와 연결되는 적어도 하나 이상의 보조 링크;
    서브 보조 링크;
    복수의 회전 구동기; 및
    제어 장치;를 포함하는 병렬 기구를 포함하며,
    상기 보조 링크는 제3 링크, 및 제4 링크를 포함하고,
    상기 제3 링크의 일 단은 상기 지지대와 제3 회전 관절을 통해 연결되고,
    상기 제4 링크의 일 단은 상기 제2 링크와 제4 회전 관절을 통해 연결되며,
    상기 제3 링크의 타단과 상기 제4 링크의 타단은 제5 회전 관절을 통해 연결되고,
    상기 회전 구동기는 상기 제1 내지 제5 회전 관절 중 선택된 하나 이상의 회전 관절에 배치되어서, 상기 제1 내지 제5 링크 중 하나 이상의 링크를 선회시키며,
    상기 서브 보조 링크는,
    일단이 상기 지지대의 일 부분에 연결되고 타단은 상기 제1 링크의 일 부분에 연결되되 회전 관절을 통해 연결되는 제1 서브 보조 링크, 및
    일단이 상기 제1 링크의 일 부분에 연결되고 타단은 상기 제2 링크의 일 부분에 연결되되 회전 관절을 통해 연결되는 제2 서브 보조 링크 중 적어도 어느 하나를 포함하며,
    상기 제1 서브 보조 링크 및 상기 제2 서브 보조 링크는 직선 구동기를 포함하여 길이가 조절되게 구성되며,
    상기 제어 장치는 목적물의 정해진 운동 경로 내에서 여유구동형 기구에 인가되는 에너지량이 최소가 되도록 각 직선 구동기에 에너지를 분배하되, 하기 식 1-1 내지 1-3 중 어느 하나의 값이 최소가 되도록 각각의 직선 구동기에 에너지를 분배하는 여유구동형 기구.
    Figure pat00060
    (식 1-1)
    Figure pat00061
    (식 1-2)
    Figure pat00062
    (식 1-3)
    (
    Figure pat00063
    : i 번째 직선 구동기의 힘,
    Figure pat00064
    : i 번째 직선 구동기의 이동속도,
    Figure pat00065
    : i 번째 직선 구동기의 제1 손실 모델 상수,
    Figure pat00066
    : i 번째 직선 구동기의 제2 손실 모델 상수, n : 직선 구동기의 개수)
  4. 지지대, 제1 링크, 및 제2 링크가 회전 관절을 통해 연결되는 직렬 기구 메커니즘을 형성하는 단계;
    상기 지지대와 상기 제2 링크 사이에 하나 이상의 보조 링크를 배치하되, 상기 보조 링크는 복수의 링크부로 구성되고 각각의 링크부의 연결 지점에 회전 관절을 배치하여 병렬 기구를 형성하는 단계;
    상기 각각의 회전 관절 중 일부의 회전 관절에 선택적으로 회전 구동기를 배치하되 상기 회전 구동기가 배치되는 회전 관절의 수는 상기 병렬 기구가 구현하는 자유도의 수보다 많도록 하는 단계; 및
    상기 각각의 회전 구동기에 인가되는 에너지를 제어하는 제어 장치를 이용하여 특정 작업경로에서 상기 복수의 회전 구동기의 일의 총합이 최소가 되도록 상기 회전 구동기에 에너지를 분배하는 에너지 분배 단계;를 포함하되,
    상기 에너지 분배 단계는,
    하기 식 1 내지 3 중 어느 하나의 값이 최소가 되도록 각각의 회전 구동기에 에너지를 분배하는 여유구동형 기구 형성 방법.
    Figure pat00067
    (식 1)
    Figure pat00068
    (식 2)
    Figure pat00069
    (식 3)
    (
    Figure pat00070
    : i 번째 회전 구동기의 토크,
    Figure pat00071
    : i 번째 회전 구동기의 이동속도,
    Figure pat00072
    : i 번째 회전 구동기의 제1 손실 모델 상수,
    Figure pat00073
    : i 번째 회전 구동기의 제2 손실 모델 상수)
  5. 지지대, 제1 링크, 및 제2 링크가 회전 관절을 통해 연결되는 직렬 기구 메커니즘을 형성하는 단계;
    양단이 각각 상기 지지대 및 상기 제2 링크의 일 부분과 회전 관절을 통해 연결되되 직선 구동기를 포함하여 길이가 조절되는 메인 보조 링크를 배치하는 단계;
    상기 각각의 회전 관절 중 일부의 회전 관절에 선택적으로 회전 구동기를 배치하되 상기 회전 구동기가 배치되는 회전 관절의 수는 상기 병렬 기구가 구현하는 자유도의 수보다 많도록 하는 단계; 및
    상기 각각의 직선 구동기에 인가되는 에너지를 제어하는 제어 장치를 이용하여 특정 작업경로에서 상기 복수의 직선 구동기의 일의 총합이 최소가 되도록 상기 회전 구동기에 에너지를 분배하는 에너지 분배 단계;를 포함하되,
    상기 에너지 분배 단계는,
    하기 식 1-1 내지 3-1 중 어느 하나의 값이 최소가 되도록 각각의 직선 구동기에 에너지를 분배하는 여유구동형 기구 형성 방법.
    Figure pat00074
    (식 1-1)
    Figure pat00075
    (식 2-1)
    Figure pat00076
    (식 3-1)
    (
    Figure pat00077
    : i 번째 직선 구동기의 힘,
    Figure pat00078
    : i 번째 직선 구동기의 이동속도,
    Figure pat00079
    : i 번째 직선 구동기의 제1 손실 모델 상수,
    Figure pat00080
    : i 번째 직선 구동기의 제2 손실 모델 상수, n : 직선 구동기의 개수)
  6. 지지대, 제1 링크, 및 제2 링크가 회전 관절을 통해 연결되는 직렬 기구 메커니즘을 형성하는 단계;
    상기 지지대와 상기 제2 링크 사이에 하나 이상의 보조 링크를 배치하되, 상기 보조 링크는 복수의 링크부로 구성되고 각각의 링크부의 연결 지점에 회전 관절을 배치하여 병렬 기구를 형성하는 단계;
    양단이 각각 상기 지지대 및 상기 제2 링크의 일 부분과 회전 관절을 통해 연결되는 메인 보조 링크를 배치하는 단계;
    양단이 각각 상기 지지대 및 제1 링크의 일 부분과 회전 관절을 통해 연결되되 직선 구동기를 포함하여 길이가 조절되는 제1 서브 보조 링크, 및 양단이 각각 제1 링크와 제2 링크의 일 부분과 회전 관절을 통해 연결되되 직선 구동기를 포함하여 길이가 조절되는 제2 서브 보조 링크 중 적어도 하나를 배치하는 단계;
    상기 각각의 회전 관절 중 일부의 회전 관절에 선택적으로 회전 구동기를 배치하되 상기 회전 구동기가 배치되는 회전 관절의 수는 상기 병렬 기구가 구현하는 자유도의 수보다 많도록 하는 단계; 및
    상기 각각의 직선 구동기에 인가되는 에너지를 제어하는 제어 장치를 이용하여 특정 작업경로에서 상기 복수의 직선 구동기의 일의 총합이 최소가 되도록 상기 회전 구동기에 에너지를 분배하는 에너지 분배 단계;를 포함하되,
    상기 에너지 분배 단계는,
    하기 식 1-1 내지 3-1 중 어느 하나의 값이 최소가 되도록 각각의 직선 구동기에 에너지를 분배하는 여유구동형 기구 형성 방법.
    Figure pat00081
    (식 1-1)
    Figure pat00082
    (식 2-1)
    Figure pat00083
    (식 3-1)
    (
    Figure pat00084
    : i 번째 직선 구동기의 힘, : i 번째 직선 구동기의 이동속도,
    Figure pat00086
    : i 번째 직선 구동기의 제1 손실 모델 상수,
    Figure pat00087
    : i 번째 직선 구동기의 제2 손실 모델 상수, n : 직선 구동기의 개수)
KR1020160076863A 2013-04-19 2016-06-20 여유구동형 기구 형성 방법 및 구동기 힘 분배 시스템 KR101711128B1 (ko)

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