KR100237553B1

KR100237553B1 - 3차원상에서 위치 및 자세를 제어하기 위한 병렬기구 구조

Info

Publication number: KR100237553B1
Application number: KR1019970058254A
Authority: KR
Inventors: 김종원; 배옥관; 유선중; 김진욱; 박창범; 조한상; 이기하; 박종우; 황재철; 이규영
Original assignee: 김종원; 박종우
Priority date: 1997-11-05
Filing date: 1997-11-05
Publication date: 2000-04-01
Anticipated expiration: 2017-11-05
Also published as: KR19990038502A

Abstract

본 발명은 3차원상에서 위치 및 자세를 제어하는 병렬 기구 구조에 관한 것으로서, 본 발명에서는 주축에 3개의 링크들을 연결시키고, 상기 주축에 연결된 각 링크는 수직 방향 및 수평 방향으로 2가지 방향으로 구동되어 주축이 6자유도 운동을 하는 것임을 특징으로 하는 병렬 기구 구조를 제시한다. 본 발명에서는 상기와 같은 6자유도 병렬 기구의 다양한 실시예들을 제시하고, 특히, 주축의 90°경사 및 선회가 가능한 구조로서 작업 공간 전 범위에서 5면 5축 동시 가공을 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 선삭과 연마 공정을 포함하는 복합 가공을 수행할 수 있는 병렬 기구 구조를 제시한다.

Description

3차원상에서 위치 및 자세를 제어하기 위한 병렬 기구 구조

본 발명은 3차원상에서 위치 및 자세를 제어하는 병렬 기구 구조에 관한 것이다. 3차원상에서 위치 및 자세를 제어하는 기구 구조는 가공 대상물체를 가공하는 공작 기계나 물체의 조립, 운반 등과 같은 작업을 수행하는 로봇 매뉴플레이터를 위하여 연구되어 왔다.

공작 기계는 금속을 가공하는 장치로서, 금속 재료를 절삭(Cutting) 또는 연삭(Grinding)하여 원하는 모양, 치수 및 표면을 가지는 제품을 얻는데 사용되는 것으로서, 기계 본체와 공구의 두 부분으로 구성되어 동력에 의하여 기계를 운전하고 절삭 공구에 의하여 금속 재료를 가공하게 된다. 이러한 공작 기계는 통상적으로 공구를 교환할 수 있도록 되고 이러한 공작 기계를 '머시닝센터'라고도 한다.

원하는 형상 및 모양의 제품을 가공하기 위하여 공작 기계 중 공구 부분의 3차원 위치 및 자세 제어가 필수적이다. 본 명세서에서는 공작 기계의 경우를 예를 들어서, 기구학적 구조로서의 3차원상에서 위치 및 자세 제어를 위한 신규한 병렬 기구 구조를 설명한다.

예전의 공작 기계에서는 공구 부분의 3차원 위치 및 자세 제어를 위하여 기구학적 구조로서 직렬 기구 구조를 채택하여 왔다. 도1은 종래의 직렬 기구 구조를 설명하기 위한 구조도이다. 도1에서 보이는 바와 같이, 종래의 직렬 기구 구조는 베이스(11)에서 주축(12)까지의 각 축이 직각인 외팔보 구조이다. 이와 같은 직렬 기구는 작업 공간이 넓고, 이를 움직이기 위한 운영 소프트웨어 및 제어부가 간단한 장점이 있다. 그러나, 근래에는 도1에 도시된 직렬 기구 구조에 대비되는 병렬 기구 구조에 관한 연구가 활발하게 진행되어 왔다.

도2는 종래의 병렬 기구 구조로서, 헥사 포드형 구조를 설명하기 위한 구조도이다. 도2에서 도시된 바와 같이, 병렬 기구 구조는 베이스(21)와 주축(22)이 복수개의 링크들로 병렬 연결된 것을 그 특징으로 한다. 도1에 도시된 직렬 기구 구조에 비하여 병렬 기구 구조가 가지는 장점들은 다음과 같다. 첫째, 이동부의 관성 질량을 감소시킬 수 있어서 기계의 속도 및 가속도를 증가시킬 수 있다. 둘째, 주축(22)과 베이스(21)가 복수개의 링크들로 연결되어 있고, 각 링크들은 굽힘력 대신에 인장력과 압축력만을 받음으로써 기계의 강성을 높일 수 있다. 셋째, 각 링크의 오차가 주축(22)에 평균적으로 반영됨으로써 링크 오차가 누적되는 직렬 기구에 비하여 기계의 정확도가 향상된다. 넷째, 직렬 기구 구조를 도입한 공작 기계가 대부분 3축 직각 좌표 기계인데 반하여, 병렬 기구 구조는 기본적으로 6자유도 운동이 가능한 구조로서 완전한 형태의 5면 5축 동시 가공이 가능하다. 한편, 병렬 기구 구조는 직렬 기구 구조에 비하여 작업 공간이 협소하고 운영 소프트웨어 및 제어부가 복잡해지는 단점이 있다.

도2에 도시된 구조도에서는 주축(22)과 베이스(21)를 여섯 개의 링크들이 연결하고 있고 이를 신축함으로써 6자유도의 운동을 구현하는 병렬 기구 구조이다. 도2에 도시된 구조를 '스튜어트 플랫폼' 구조라고 한다. 미국의 Giddings & Lewis사는 스튜어트 플랫폼을 이용한 병렬 기구 공작 기계를 제작하였다. 이 공작 기계는 6자유도 운동을 할 수 있으나 작업 영역이 매우 작고 특히 주축은 15°까지의 경사만이 가능하고 선회 운동이 불가능한 단점이 있었다. 미국의 Ingersoll사는 NIST와 공동으로 '옥타헤드럴 헥사포드'를 개발하였는데, 이 공작 기계는 '스튜어트 플랫폼'을 뒤집어 놓은 구조로서, 주축은 30°의 경사가 가능하고 추가로 작업대를 15°경사시켜 전체적으로 45°의 경사를 얻을 수 있도록 되어 있다.

현재의 대표적인 CNC 공작 기계인 머시닝센터는 주축의 위치에 따라서 크게 수평형과 수직형으로 나뉘고, 각각 소재의 수직, 수평의 한 면만을 가공할 수 있다. 5축 머시닝센터의 경우 5면 5축 동시 가공을 수행할 수 있지만, 실재로 소재에 대한 주축의 경사 각도는 크게 제한을 받고 있어서, 전 작업 공간에서의 5면 5축 동시 가공은 불가능한 실정이다. 특히 선삭 작업이 필요한 소재의 경우, 종래의 머시닝센터에서의 가공이 불가능하고 별도의 선반에서의 작업이 필요하다. 최근에 개발되고 있는 병렬 기구 공작 기계는 주축의 6 자유도 운동을 가능케 하고 있어서 5면 5축 동시 가공 및 선삭 가공을 포함하는 복합 가공을 단일의 기계에서 수행할 수 있는 가능성이 있다. 그러나, 도2에 도시된 스튜어트 플랫폼을 응용하여 제작된 종래의 병렬 기구 공작 기계는 그 작업 공간이 매우 협소하고, 특히 주축의 경사 각도가 최고 45°이하로 제한되어 있다. 이러한 한계는, 첫째로, 주축에 연결된 여섯 개의 링크들이 서로 간섭을 일으키기 때문이며, 둘째, 주축과 링크를 연결하고 있는 볼조인트의 회전각이 제한되어 있기 때문이다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술에 의한 병렬 구조 구조의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명에서는 종래 기술에 비하여 주축의 경사 각도가 확장된 여러 가지 구조의 6자유도 병렬 기구 구조를 제안하는 것에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 특히 전 작업 공간에서 주축 경사가 90°까지 가능하고, 이 자세에서 주축이 소재 주위를 선회할 수 있는 신규한 형태의 6자유도 병렬 기구 구조를 제공하는 것이다.

도1은 종래의 직렬 기구 구조를 설명하기 위한 구조도,

도2는 종래의 병렬 기구 구조로서, 헥사 포드형 구조를 설명하기 위한 구조도,

도3는 본 발명의 제1실시예에 의한 병렬 기구 구조를 설명하기 위한 구조도,

도4은 본 발명의 제2실시예에 의한 병렬 기구 구조를 설명하기 위한 구조도,

도5은 본 발명의 제3실시예에 의한 병렬 기구 구조를 설명하기 위한 구조도,

도6는 본 발명의 제1실시예에 의한 병렬 기구 구조에서 주축이 90°경사 상태에서 선회하는 경우 주축과 연결된 링크의 평면도,

도7는 본 발명의 제3실시예에 의한 병렬 기구 구조에서 주축이 90°경사 상태에서 선회하는 경우 주축과 연결된 링크의 평면도.

본 발명에 의한 병렬 기구 구조에서 링크의 연결 수단으로서, 3축 회전을 위한 볼(Sperical, 이하에서, 'S'라고 함) 관절, 1축 회전을 위한 핀(Revolute, 이하에서 'R'이라고 함) 관절, 1축 직선 이송을 위한 병진(Prismatic, 이하에서 'P'라고 함)을 사용하고, 특히, 본 발명에서는 특징적으로 상기 P 관절의 이송 경로가 원호로 변형된 원호 이송(이하에서 'P''이라고 함) 관절을 사용한다.

상기한 바와 같은 본 발명의 문제점들을 해결하기 위하여, 본 발명은 주축에 3개의 링크들을 연결시키고, 상기 주축에 연결된 각 링크는 수직 방향 및 수평 방향으로 2가지 방향으로 구동되어 주축이 6자유도 운동을 하는 것임을 특징으로 하는 병렬 기구 구조를 제공한다.

상기한 본 발명에 의한 병렬 기구 구조를 더욱 구체화한 것으로서, 상기 세 개의 링크는 주축의 수직 평면상에서 서로 직각으로 교차하는 수직, 수평의 링크쌍으로 구성되며, 각 링크쌍은 주축으로부터 차례대로, S-R-P-P 관절로 이루어고, 각 링크 쌍의 마지막 2개의 P관절이 구동 관절로서, 전체적으로 6개의 구동 관절이 주축의 6자유도 운동을 실현하는 것임을 특징으로 하는 병렬 기구 구조를 제시한다.

또한, 상기한 본 발명에 의한 병렬 기구 구조를 더욱 구체화한 것으로서, 상기 세 개의 링크는 원형 구조의 일호를 형성하며 최대 120°이송 범위를 가지는 수평 링크와 상기 수평 링크와 직교하는 원형 구조이고 최대 180°이송 범위를 가지는 수직 링크의 링크쌍으로 구성되며, 각 링크쌍은 주축으로부터 S-R-P'-P' 관절로 이루어지고, 각 링크 쌍의 마지막 두 개의 P'관절들이 구동 관절로서, 전체적으로 6개의 구동 관절이 주축의 6자유도를 실현하는 것임을 특징으로 하는 병렬 기구 구조를 제시한다.

또한, 상기한 본 발명에 의한 병렬 기구 구조를 더욱 구체화한 것으로서, 상기 세 개의 링크는 각각의 직선형 수직 링크를 따라서 수직 이송하는 링크이고, 상기 세 개의 직선형 수직 링크들이 360°전체를 이송할 수 있는 원형의 수평 링크를 더 포함하여, 각 링크는 주축으로부터 S-R-P-P' 관절로 이루어지고, 상기 P 관절과 P' 관절을 구동하여 6개의 구동 관절에 의하여, 주축의 6자유도를 실현하는 것임을 특징으로 하는 병렬 기구 구조를 제시한다.

상기한 병렬 기구 구조에서, 작업 영역의 제한을 최소화하기 위하여, 상기 3개의 수직 링크들을 모두 한 방향으로 배치하지 않는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명에서는 상기 세 개의 직선형 수직 링크들을, 상기 수평 링크를 기준으로 1개는 수평 링크의 아래쪽으로, 2개는 수평 링크의 위쪽으로 향하도록 배치하는 것임을 특징으로 하는 병렬 기구 구조를 제시한다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 의한 병렬 기구 구조의 실시예들을 상세하게 설명한다.

도3는 본 발명의 제1실시예에 의한 병렬 기구 구조를 설명하기 위한 구조도로서, 특히 도3b는 주축이 최대 경사 자세에 있는 경우를 보여준다.

도3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 의한 병렬 기구 구조는 주축(52)으로부터 차례대로, S-R-P-P 관절로 이루어진 3쌍의 기구로 구성되어 있다. 각 링크쌍은 수직, 수평의 2개의 링크로 구성되어 있고, 수직, 수평 링크가 수직 평면상에서 서로 직각으로 교차하도록 되어 있다. 각 링크 쌍에서 마지막 2개의 P관절이 구동 관절로서, 전체적으로 6개의 구동 관절이 주축의 6자유도 운동을 실현한다. 즉, 각 쌍의 2개의 선형 구동 관절에 의하여 수평과 수직 방향의 가이드를 이송하며 최종적으로 주축의 위치와 자세를 결정시키는 구조이다.

본 발명의 제1실시예에 의한 구조의 수직 링크는 항상 수직면 상에서 이송하므로 가이드부를 설치하여 강성을 크게할 수 있는 구조이다. 또한, 실제 기계의 제작을 고려할 때, 기존의 공작 기계에서 사용되던 x-y 테이블 형태의 2자유도 이송계를 그대로 사용할 수 있는 잇점이 있다. 본 발명의 제1실시예에 의한 구조에서 작업 공간이 삼각형의 수평 링크 구조에 한정되어 작아진다. 본 발명의 제1실시예에 의한 구조에서 주축의 최대 경사각은 60°이다. 도3b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 의한 병렬 구조에서 주축이 최대 경사 자세에 있는 경우, 주축 경사 각도는 볼 조인트의 회전 한계에 의하여 제한된다.

도4은 본 발명의 제2실시예에 의한 병렬 기구 구조를 설명하기 위한 구조도로서, 특히 도4b는 주축이 최대 경사 자세에 있는 경우를 보여준다.

도4에 도시된 본 발명의 제3실시예에 의한 병렬 기구 구조는 도3에 도시된 본 발명의 제1실시예에 의한 병렬 기구 구조에서 직선 형태의 수직 및 수평 링크를 원형으로 변경한 구조이다. 본 발명의 제2실시예에 의한 병렬 기구 구조는 주축(62)으로부터 차례대로 S-R-P'-P' 관절로 이루어진 3쌍의 구조로 구성되어 있다. 여기서, P' 관절은 1축 직선 이송을 위한 병진 관절인 P 관절에서, 이송 경로를 원호로 한 것으로 본 발명에 의한 병렬 기구 구조에서 특징적인 것이다. 상기 각 링크 쌍에서 마지막 두 개의 P' 관절들이 구동 관절로서 전체적으로 6개의 구동 관절들이 주축의 6자유도 운동을 실현한다. 즉, 각 쌍의 2개의 구동 관절이 수평과 수직 방향의 원형 링크들을 이송하면서 스핀들의 위치와 자세를 결정하는 구조이다.

수평으로 위치한 3개의 원형 링크들은 각각 최대 120°까지의 이송 범위를 가지며 전체적으로 원형 베이스 구조를 형성한다. 제1실시예에서의 3개의 수직 링크 역시 원형의 구조로 구성되며 각각 최대 180°까지의 이송 범위를 가진다. 본 발명의 제2실시예에 의한 병렬 기구 구조의 특징은 작업 공간이 원형의 형상으로 얻어진다는 점이다. 이러한 특징은 원형의 링크 구조를 사용함에 의하여 가능한 것인데, 상기한 제1실시예에서 제시된 구조가 삼각형의 작업 공간을 갖는 것과 비교된다. 본 발명의 제1실시예에서와 같이 삼각형의 작업 공간을 가지는 경우, 실제 공작물을 가공할 때 사용할 수 있는 작업 공간은 삼각형 작업 공간의 내접원 또는 내접 사각형이 되므로, 기구의 실질적인 작업 공간이 줄어든다. 이에 반하여, 본 발명의 제2실시예에서와같이 원형의 작업 공간을 가지는 경우, 전체 작업 공간을 가공에 이용할 수 있는 장점이 있다.

도4b에서 보이는 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에서 주축의 최대 경사 각도는 약 60°정도이다. 그러나, 만약 3개의 원형 수평 링크들의 이송각이 120°가 아니고, 360°회전이 가능하다면 주축의 최대 경사 각도가 90°이상도 가능하다.

도5은 본 발명의 제3실시예에 의한 병렬 기구 구조를 설명하기 위한 구조도로서, 특히 도5b는 주축이 최대 경사 자세에 있는 경우를 보여준다.

도5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 의한 병렬 기구 구조는 주축(72)에 연결된 세 개의 링크(73,74,75)가 각각의 직선형 수직 링크(83,84,85)를 따라서 수직 이송하는 링크이고, 상기 세 개의 직선형 수직 링크들(83,84,85)이 360°전체를 이송할 수 있는 원형의 수평 링크(76)를 더 포함하여, 각 링크는 주축(72)으로부터 S-R-P-P' 관절로 이루어지고, 상기 P 관절과 P' 관절을 구동하여 6개의 구동 관절에 의하여, 주축의 6자유도를 실현하는 것임을 특징으로 한다.

상기한 병렬 기구 구조에서, 상기 직선형 수직 링크들(83,84,85)중 하나(85)는 수평 링크(76)를 기준으로 아래쪽으로 배치되고, 나머지 2개(83,84)는 수평 링크(76)를 기준으로 위쪽으로 배치되어 있다. 본 발명의 제3실시예에서 3개의 직선형 수직 링크들(83,84,85)을 모두 한 방향으로 배치하지 않은 것은 볼 조인트에 의한 작업 영역의 제한을 최소화하기 위한 것이다. 본 발명의 제3실시예에 의한 병렬 기구 구조는 전체적으로 직선형 수직 링크들(83,84,85)의 수평 링크(76)상의 수평 이송에 3개, 주축에 연결된 세 개의 링크(73,74,75)의 직선형 수직 링크(83,84,85) 상의 각각의 수직 이송에 3개의 액츄에이터가 작동하여 임의의 위치 및 자세를 가질 수 있는 6자유도 운동을 할 수 있다.

또한, 본 발명의 제3실시예에 의한 병렬 기구 구조에서는 주축의 90°경사 운동이 가능하다. 종래 기술에 의한 '스튜어트 플랫폼'에서는 주축의 90°경사 운동이 불가능한데, 이는 주로 볼조인트의 회전 각도에 한계가 있기 때문이다. 볼 조인트의 회전 각도는 한 방향으로 최대 60°정도이다. 종래의 병렬 기구 구조에서 주축이 90°경사 자세에서 선회 운동을 하는 경우 주축과 연결된 링크는 200°이상의 각도 변화를 보이게 된다. 따라서 볼 조인트가 한 방향으로 100°이상 회전할 수 있어야 주축이 90°경사 상태의 선회 운동이 가능해진다는 어려움이 있다.

도6는 본 발명의 제1실시예에 의한 병렬 기구 구조에서 주축이 90°경사 상태에서 선회하는 경우 주축과 연결된 링크의 평면도이다. 도6에서 보이는 바와 같이, 주축과 연결된 링크들은 각각 삼각형의 한 변에서만 이송할 수 있으므로, 제1위치에서 제2위치로 주축이 선회할 때 링크가 공작물을 가로지르게 되어 볼조인트의 각도 변화가 커지는 단점이 있다. 이러한 단점은 주축과 연결된 링크가 소재 공작물 주위를 360°회전할 수 없는 경우 공통적으로 나타나는 현상으로서, 종래의 '스튜어트 플랫폼' 구조나, 본 발명의 제2실시예에 의한 병렬 기구 구조에서도 나타난다. 본 발명의 제3실시예에 의한 병렬 기구 구조는 이러한 단점을 개선하기 위하여, 수평 링크를 360°이송 가능한 원형으로 구현하였다.

도7는 본 발명의 제3실시예에 의한 병렬 기구 구조에서 주축이 90°경사 상태에서 선회하는 경우 주축과 연결된 링크의 평면도이다. 도7에서 보이는 바와 같이, 주축이 제1위치에서 제2위치로 선회하더라고 제1링크, 제2링크, 제3링크는 그 상대적인 위치를 유지하며 링크주위를 이송하게 되므로 볼조인트의 각도 변화가 없게 된다. 정리하면, 본 발명에 의한 제3실시예에 의한 병렬 기구 구조는 주축의 90°경사는 물론, 선회도 가능한 6자유도 병렬 기구로서, 작업 공간의 전 범위에서 5면 5축 동시 가공이 가능하고 선삭 및 연마 공정이 가능하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 종래 기술에 비하여 주축의 경사 각도가 확장된 여러 가지 구조의 6자유도 병렬 기구 구조를 제안하였다. 본 발명에 의한 병렬 기구 구조는 작업 공간이 넓을 뿐만 아니라, 주축의 90°경사 및 선회가 가능한 구조를 제공한다. 따라서, 작업 공간 전 범위에서 5면 5축 동시 가공을 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 선삭 및 연마 공정을 포함하는 복합 가공을 수행할 수 있어서, 차세대 공작 기계의 기본 구조로서 사용될 수 있다.

Claims

3차원상의 위치 및 자세 제어를 위한 기구 구조에 있어서,

상기 기구의 주축에 3개의 링크들을 연결시키고, 상기 주축에 연결된 각 링크는 수직 방향 및 수평 방향으로 2가지 방향으로 구동되어 주축이 6자유도 운동을 하는 것임을 특징으로 하는 병렬 기구 구조.
제1항에 있어서,

주축에 연결된 상기 세 개의 링크는 주축의 수직 평면상에서 서로 직각으로 교차하는 수직, 수평의 링크쌍으로 구성되며, 각 링크쌍은 주축으로부터 차례대로, 3축회전관절-1축회전관절-1축병진이송관절-1축직선이송관절인 S-R-P-P 관절로 이루어고, 각 링크 쌍의 마지막 2개의 P관절이 구동 관절로서, 전체적으로 6개의 구동 관절이 주축의 6자유도 운동을 실현하는 것임을 특징으로 하는 병렬 기구 구조.
제1항에 있어서,

주축에 연결된 상기 세 개의 링크는 원형 구조의 일호를 형성하며 최대 120°이송 범위를 가지는 수평 링크와 상기 수평 링크와 직교하는 원형 구조이고 최대 180°이송 범위를 가지는 수직 링크의 링크쌍으로 구성되며, 각 링크쌍은 주축으로부터 3축회전관절-1축회전관절-원호이송관절-원호이송관절인 S-R-P'-P' 관절로 이루어지고, 각 링크 쌍의 마지막 두 개의 P'관절들이 구동 관절로서, 전체적으로 6개의 구동 관절이 주축의 6자유도를 실현하는 것임을 특징으로 하는 병렬 기구 구조.
제1항에 있어서,

주축에 연결된 상기 세 개의 링크는 각각의 직선형 수직 링크를 따라서 수직 이송하는 링크이고, 상기 세 개의 직선형 수직 링크들이 360°전체를 이송할 수 있는 원형의 수평 링크를 더 포함하여, 각 링크는 주축으로부터 3축회전관절-1축회전관절-1축직선이송관절-원호이송관절인 S-R-P-P' 관절로 이루어지고, 상기 P 관절과 P' 관절을 구동하여 6개의 구동 관절에 의하여, 주축의 6자유도를 실현하는 것임을 특징으로 하는 병렬 기구 구조.
제4항에 있어서, 상기 세 개의 직선형 수직 링크들은, 상기 수평 링크를 기준으로 1개는 수평 링크의 아래쪽으로, 2개는 수평 링크의 위쪽으로 향하도록 배치되는 것임을 특징으로 하는 병렬 기구 구조.