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KR101682358B1 - 가변 수동 강성 그리퍼 - Google Patents

가변 수동 강성 그리퍼 Download PDF

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KR101682358B1
KR101682358B1 KR1020160039952A KR20160039952A KR101682358B1 KR 101682358 B1 KR101682358 B1 KR 101682358B1 KR 1020160039952 A KR1020160039952 A KR 1020160039952A KR 20160039952 A KR20160039952 A KR 20160039952A KR 101682358 B1 KR101682358 B1 KR 101682358B1
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KR
South Korea
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gripper
balloon
stiffness
variable
rigidity
Prior art date
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Active
Application number
KR1020160039952A
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Inventor
김휘수
박찬훈
박동일
도현민
최태용
윤동원
경진호
손영수
Original Assignee
한국기계연구원
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Publication date
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Priority to PCT/KR2017/003111 priority patent/WO2017171303A1/ko
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Abstract

본 발명은 조립 시에 그리퍼가 변형될 수 있도록 하는 강성을 제공하는 가변 강성장치의 강성을 변경할 수 있도록 형성되어, 작업물의 위치오차 및 가공공차에 적절하게 대처할 수 있고 조립 교시가 용이하며 조립 속도 및 조립 품질을 향상시킬 수 있는 가변 수동 강성 그리퍼에 관한 것이다.

Description

가변 수동 강성 그리퍼 {Variable passive compliance gripper}
본 발명은 로봇 등의 자동화기기에 의한 조립 작업 환경에서, 조립 대상 물체 간에 발생할 수 있는 위치오차 및 가공공차 등을 극복하여 작업 상황에 맞도록 제어할 수 있도록 함으로써, 조립 자동화에 의해 원활하게 조립을 수행할 수 있는 가변 수동 강성 그리퍼에 관한 것이다.
생산 공정의 많은 부분들이 로봇에 의해 자동화 되고 있으나, 조립작업은 그 난이도가 높아서 로봇에 의한 자동화가 어렵다. 즉, 실제 조립대상 부품들이 도면의 기하학적 정보와 정확히 일치하고, 이들 조립대상 부품들이 작업테이블의 정확한 위치에 고정되고, 로봇의 그리퍼의 정확한 위치에 또 다른 부품이 정확히 파지된 경우라면, 로봇이 고도로 정확한 위치와 자세로 제어되도록 함으로써 이 두 개의 부품의 조립작업이 자동화 될 수 있다. 그러나 현실은 조립 대상 부품들은 도면의 사이즈와 차이가 있고 고정되는 위치에 오차가 있으므로 로봇의 위치제어 만으로는 조립을 구현하는데 어려움이 있었다.
이와 같이 로봇의 위치제어 만으로는 조립작업을 정확히 수행하기 어려우므로 조립작업에서 발생하는 반력을 측정하여 제어하는 힘제어 기반의 다양한 조립로봇에 대한 연구가 수행되고 있다.
그러나 힘제어 기반의 조립방식에서는 로봇의 말단에 힘센서를 장착하여 조립시에 작용하는 조립반력을 측정하고 이에 따라 로봇 전체의 움직임을 제어하여 조립반력을 적절히 제어함으로써 조립작업을 수행하였다. 이러한 방식에서는 매우 고가인 6자유도의 힘-모멘트 센서가 필요하고, 로봇 전체가 움직여서 조립을 수행하기 때문에 관성이 커서(그리퍼의 관성보다는 로봇 전체의 관성이 크다) 조립작업에 불리하다. 또한 능동 힘제어 방식이 사용되므로 조립 작업 중에 예기치 않은 상황이 발생하면 제어알고리즘의 발산의 가능성이 있어 안전 측면에서도 단점이 있다. 또한 조립작업을 최초로 교시할 때는 조립에 필요한 정확한 위치에 로봇이 위치하도록 로봇을 운전하기 어렵기 때문에 조립작업의 교시가 매우 어렵다는 문제가 있다.
이러한 로봇의 능동힘제어 방식의 조립제어 방법의 문제를 해결하기 위하여 로봇의 말단에 추가적인 수동 컴플라이언스 장치(RCC-Remote Center Compliance)가 개발되어 활용되고 있다. 이러한 수동컴플라이언스장치 혹은 수동강성장치는 로봇의 위치가 작업대상물의 위치와 오차가 있는 경우에도 조립에 필요한 컴플라이언스가 그리퍼 측에서 확보되어 있기 때문에, 조립 과정 중에 발생하는 그리퍼와 작업대상물의 조립반력이 과도하게 발생하지 않으면서 조립이 된다는 큰 장점이 있다.
그런데 조립 작업 조건에 따라 컴플라이언스가 커야하는 경우가 있고 작아야 하는 경우가 있으나, 종래에는 컴플라이언스를 변경하여 조절할 수 없었다. 즉, 조립 시에 조립되는 부품들의 간의 위치 오차나 가공공차가 작은 경우에는 강성을 크게 하여 컴플라이언스를 작게 하여도 원활하게 조립될 수 있으며, 위치 오차나 가공공차가 큰 경우에는 강성을 작게 하여 컴플라이언스를 크게 함으로써 그리퍼가 쉽게 변형될 수 있도록 해야 원활한 조립이 이루어질 수 있다.
이에 따라 조립 작업의 조건에 따라 그리퍼가 변형될 수 있도록 하는 강성을 변경 및 조절할 수 있는 가변 수동 강성 그리퍼의 개발이 요구된다.
JP 1994-005828 U (1994.01.25.)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 조립 환경에 수동강성 제공을 통한 유연성을 부여하여 원활한 조립작업이 가능하도록 하며, 조립 과정에서 필요에 따라 강성을 적절하게 변화시켜 다양한 조립 상황에 효과적으로 대응함으로써, 기존 대비 조립 속도 및 조립의 품질을 향상시킬 수 있는 가변 수동 강성 그리퍼를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 가변 수동 강성 그리퍼는, 일측이 고정된 상태에서 타측의 변형이 가능하도록 양측 사이에 강성을 형성시키며, 형성된 강성을 조절할 수 있는 가변 수동 강성부; 상기 가변 수동 강성부에 설치되어, 강성을 변경할 수 있는 가변 강성장치; 및 상기 가변 수동 강성부의 타측에 형성되며, 부품을 파지하는 그리퍼부가 장착될 수 있는 그리퍼 장착부; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 그리퍼 장착부에 장착되는 그리퍼부를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가변 강성장치가 연결되는 그리퍼 제어기를 더 포함하며, 상기 그리퍼 제어기는 가변 강성장치의 강성을 조절할 수 있는 강성 조절부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명의 가변 수동 강성 그리퍼는, 상부 구조체, 상기 상부 구조체의 하측에 이격되어 배치되는 하부 구조체, 및 상기 상부 구조체와 하부 구조체에 양단이 연결되며 신축 가능하게 형성되는 다수의 레그를 포함하는 가변 수동 강성부; 상기 상부 구조체와 하부 구조체 사이에 배치되며, 공압의 조절이 가능하게 형성되는 탄성재질의 벌룬; 및 상기 하부 구조체에 형성되며, 부품을 파지하는 그리퍼부가 장착될 수 있는 그리퍼 장착부; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 그리퍼 장착부에 장착되는 그리퍼부를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 벌룬이 연결되는 그리퍼 제어기를 더 포함하며, 상기 그리퍼 제어기는 벌룬의 강성을 조절할 수 있는 강성 조절부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 하부 구조체는 6자유도를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 레그들은 선형으로 신축 가능하도록 형성되며, 상기 레그들은 양단이 상부 구조체 또는 하부 구조체에 3자유도를 제공할 수 있는 조인트로 결합되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 상부 구조체의 하면 및 하부 구조체의 상면에는 각각 안치홈이 형성되어, 상기 안치홈들에 벌룬의 상측과 하측이 삽입되어 밀착되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 상부 구조체에는 압축공기가 주입 및 배출될 수 있는 입출구 유로가 형성되어, 상기 입출구 유로에 벌룬이 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 가변 수동 강성 그리퍼는, 조립 시에 작업물의 위치 오차 및 가공공차에 적절하게 대처할 수 있는 가변 수동 강성을 제공할 수 있어, 각 조립 환경에 적절한 강성을 제공하여 수직방향 및 수평방향 등 다양한 조립에 적용할 수 있으며, 조립 속도 및 조립 품질을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 고가의 힘제어 기반 로봇을 필요로 하는 기존의 조립 시스템과는 달리, 위치제어 기반 로봇 등 다양한 로봇에 대한 적용성이 높고, 별도의 복잡한 힘제어 알고리듬 없이 쉽고 빠른 조립 시스템 구성이 가능한 장점이 있다.
도 1 및 도 2는 외력으로 인하여 가변 수동 강성을 갖는 그리퍼가 변형되는 상태를 나타낸 개념도.
도 3은 본 발명의 가변 수동 강성 그리퍼가 로봇의 암에 장착된 상태를 나타낸 사시도.
도 4 및 도 5는 본 발명의 세부 실시예에 따른 가변 수동 강성 그리퍼를 나타낸 조립사시도 및 분해사시도.
도 6은 본 발명에 따른 스튜어트 플랫폼을 나타낸 분해사시도.
도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 스튜어트 플랫폼 및 벌룬이 조립된 상태를 나타낸 사시도 및 정면도.
도 9는 본 발명에 따른 레그의 선형 신축에 따른 변위를 나타낸 개략도.
도 10 및 도 11은 본 발명의 가변 수동 강성 그리퍼가 변형되면서 제1부품이 제2부품의 삽입홀에 삽입되어 조립되는 상태를 나타낸 정면도.
도 12 내지 도 15는 본 발명에 따른 상부 구조체가 고정된 상태에서 하부 구조체가 변형되는 상태를 나타낸 사시도 및 정면도.
이하, 상기한 바와 같은 본 발명의 가변 수동 강성 그리퍼를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
우선, 본 발명의 가변 수동 강성 그리퍼(1000)는 도 3과 같이 로봇(2000)의 암(2100) 단부에 결합될 수 있으며, 일례로 조립할 부품을 그리퍼부(300)를 이용해 잡고 원하는 위치로 이동하여 조립하고자 하는 대상이 되는 부품에 삽입하여 조립되도록 하는데 사용될 수 있다.
[실시예]
도 1 및 도 2는 외력으로 인하여 가변 수동 강성을 갖는 그리퍼가 변형되는 상태를 나타낸 개념도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 가변 수동 강성 그리퍼(1000)는, 일측이 고정된 상태에서 타측의 변형이 가능하도록 양측 사이에 강성을 형성시키며, 형성된 강성을 조절할 수 있는 가변 수동 강성부(100); 상기 가변 수동 강성부(100)에 설치되어, 강성을 변경할 수 있는 가변 강성장치(200); 및 상기 가변 수동 강성부(100)의 타측에 형성되며, 부품을 파지하는 그리퍼부(300)가 장착될 수 있는 그리퍼 장착부(122); 를 포함하여 이루어질 수 있으며, 상기 그리퍼 장착부(122)에 장착되는 그리퍼부(300)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
가변 수동 강성부(100)는 강성의 변경이 가능하도록 형성되는 가변 강성장치(200)의 강성을 조절할 수 있도록 형성되며, 변경되는 가변 강성장치(200)의 강성에 따라 가변 수동 강성부(100)가 변형되기 쉬워지거나 변형되기 어려워지도록 할 수 있다. 그리고 가변 수동 강성부(100)는 가변 강성장치(200)의 강성을 조절할 수 있는 다양한 형태로 구성될 수 있다. 또한, 가변 수동 강성부(100)는 일측이 로봇의 암(2100)에 결합될 수 있으며, 가변 수동 강성부(100)의 일측이 로봇의 암(2100)에 결합되어 고정된 상태에서 타측은 변형이 가능하도록 형성될 수 있다. 이때, 가변 수동 강성부(100)의 타측은 2자유도 이상의 변형이 가능하도록 형성될 수 있다. 그리고 가변 수동 강성부(100)는 외력이 작용하면 2자유도 이상의 방향으로 변형될 수 있도록 컴플라이언스를 갖으며, 외력이 제거되면 탄성에 의해 원래의 위치로 복원될 수 있는 수동 강성을 갖도록 형성될 수 있다. 여기에서, 수동 강성이란 외력이 작용하면 고정된 일측을 기준으로 하여 타측의 변형이 가능하도록 형성되고, 작용하던 외력이 제거되면 탄성에 의해 원래의 위치로 복원될 수 있는 것을 의미한다. 그리고 2자유도 이상이라 함은 일례로 수평방향인 x축 및 y축 방향으로 변형될 수 있는 자유도가 될 수 있으며, 여기에 z축 방향, θX 방향, θY, 방향, θZ 방향 등이 추가될 수 있다. 또한, 컴플라이언스란 휨과 변형력의 비로 표시하는 물질 상수로써, 고정되는 일측에 대하여 움직일 수 있는 타측이 외력에 의해 변형(이동 또는 회전)되기 쉬운 정도를 나타내는 양이 될 수 있다. 그리고 가변 수동 강성부(100)는 일측(상측)과 타측(하측)이 강성을 갖는 가변 강성장치(200)로 연결되어 컴플라이언스를 가질 수 있다.
가변 강성장치(200)는 가변 수동 강성부(100)의 일측과 타측 사이에 개재될 수 있으며, 가변 수동 강성부(100)의 일측에 가변 강성장치(200)의 상측이 결합되고 가변 수동 강성부(100)의 타측에 가변 강성장치(200)의 하측이 결합될 수도 있다. 또한, 가변 강성장치(200)는 강성을 갖으며, 갖고 있는 강성의 변경이 가능하도록 형성될 수 있으며, 일례로 스프링 등의 탄성체와 이 탄성체의 강성을 변경시킬 수 있는 수단으로 구성될 수 있다.
그리하여 가변 강성장치(200)의 강성이 커지면 가변 수동 강성 그리퍼의 컴플라이언스는 작아지고 반대로 강성이 작아지면 컴플라이언스는 커지게 된다. 이에 따라 조립 시에 조립되는 부품들의 간의 위치 오차나 가공공차가 작은 경우에는 가변 강성장치(200)의 강성을 크게 하여도 원활하게 조립될 수 있으며, 위치 오차나 가공공차가 큰 경우에는 가변 강성장치(200)의 강성을 작게 변경하면 가변 수동 강성부(100)가 쉽게 변형될 수 있어 원활하게 조립이 될 수 있다.
그리퍼 장착부(122)는 수동 강성부(100)의 타측에 형성되며, 그리퍼 장착부(122)에 그리퍼부(300)가 장착될 수 있다. 이때, 그리퍼 장착부(122)는 부품을 파지하는 그리퍼부(300)가 장착되어 견고하게 고정될 수 있도록 다양한 형태로 형성될 수 있으며, 그리퍼 장착부(122)는 홈 형태나 체결수단 등으로 체결되어 결합되는 형태 등으로 형성될 수도 있다.
또한, 상기 그리퍼 장착부(122)에 장착되는 그리퍼부(300)를 더 포함하여 이루어질 수 있으며, 그리퍼부(300)를 이용해 조립하고자 하는 부품을 파지할 수 있다. 이때, 그리퍼부(300)는 일례로 핑거 형태로 형성될 수 있으며, 파지하고자 하는 부품의 형상 및 조립되는 대상이 되는 부품의 구조에 맞도록 다양하게 형성될 수 있다.
그리하여 가변 강성장치(200)의 강성이 커지면 가변 수동 강성 그리퍼(100)의 컴플라이언스는 작아지고 반대로 강성이 작아지면 컴플라이언스는 커지게 된다. 이에 따라 조립 시에 조립되는 부품들의 간의 위치 오차나 가공공차가 작은 경우에는 가변 강성장치(200)의 강성을 크게 하여도 원활하게 조립될 수 있으며, 위치 오차나 가공공차가 큰 경우에는 가변 강성장치(200)의 강성을 작게 변경하면 가변 수동 강성부(100)가 쉽게 변형될 수 있어 원활하게 조립이 될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 가변 수동 강성 그리퍼는, 조립 시에 작업물의 위치 오차 및 가공공차에 적절하게 대처할 수 있는 가변 수동 강성을 제공할 수 있어, 각 조립 환경에 적절한 강성을 제공하여 수직방향 및 수평방향 등 다양한 조립에 적용할 수 있으며, 조립 속도 및 조립 품질을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 가변 강성장치가 연결되는 그리퍼 제어기(400)를 더 포함하며, 상기 그리퍼 제어기(400)는 가변 강성장치(200)의 강성을 조절할 수 있는 강성 조절부(420)를 포함하여 이루어질 수 있다.
즉, 도시된 바와 같이 가변 강성장치(200)는 그리퍼 제어기(400)에 연결되어, 그리퍼 제어기(400)의 강성 조절부(420)에 의해 가변 강성장치(200)의 강성이 조절될 수 있다. 이때, 부품이 원활하게 삽입될 수 없거나 삽입되기 매우 어려운 정도의 조립 오차가 있는 경우에는 강성 조절부(420)를 통해 가변 강성장치(200)의 강성이 작아지도록(컴플라이언스가 커지도록) 조절할 수 있다. 또는 조립 시 그리퍼부(300)의 변위가 작거나 거의 없는 경우에는 가변 강성장치(200)의 강성이 큰 상태에서도 조립이 원활하게 이루어질 수 있으므로, 이때에는 가변 강성장치(200)의 강성이 커지도록(컴플라이언스가 작아지도록) 조절하여 그리퍼부(300) 하단의 진동을 줄일 수 있다.
그리하여 고가의 힘제어 기반 로봇을 필요로 하는 기존의 조립 시스템과는 달리, 위치제어 기반 로봇 등 다양한 로봇에 대한 적용성이 높고, 별도의 복잡한 힘제어 알고리듬 없이 쉽고 빠른 조립 시스템 구성이 가능한 장점이 있다.
[세부 실시예]
이하에서 본 발명의 가변 수동 강성 그리퍼의 세부적인 구성을 이용한 실시예에 대해 설명하기로 한다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 세부 실시예에 따른 가변 수동 강성 그리퍼를 나타낸 조립사시도 및 분해사시도이고, 도 6은 본 발명에 따른 스튜어트 플랫폼을 나타낸 분해사시도이며, 도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 스튜어트 플랫폼 및 벌룬이 조립된 상태를 나타낸 사시도 및 정면도이다.
도시된 바와 같이 본 발명의 가변 수동 강성 그리퍼(1000)는, 상부 구조체(110), 상기 상부 구조체(110)의 하측에 이격되어 배치되는 하부 구조체(120), 및 상기 상부 구조체(110)와 하부 구조체(120)에 양단이 연결되며 신축 가능하게 형성되는 다수의 레그(130)를 포함하는 가변 수동 강성부(100); 상기 상부 구조체(110)와 하부 구조체(120) 사이에 배치되며, 공압의 조절이 가능하게 형성되는 탄성재질의 벌룬(200); 및 상기 하부 구조체(120)에 형성되며, 부품을 파지하는 그리퍼부(300)가 장착될 수 있는 그리퍼 장착부(122); 를 포함하여 이루어질 수 있다. 또한, 상기 그리퍼 장착부(122)에 장착되는 그리퍼부(300)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
먼저, 가변 수동 강성부(100)는 일례로 스튜어트 플랫폼이 될 수 있으며, 가변 강성장치(200)는 강성을 변경할 수 있도록 공압의 조절이 가능하게 형성되는 탄성재질의 벌룬이 될 수 있다. 그리고 이하에서는 가변 수동 강성부를 스튜어트 플랫폼(100) 및 가변 강성장치를 벌룬(200)으로 표시하기로 한다. 또한, 상기 스튜어트 플랫폼(100)의 하부 구조체(120)에 결합되며 부품을 파지할 수 있는 그리퍼부(300)를 포함한 구성에 대해 설명한다.
우선, 스튜어트 플랫폼(100)은 크게 상부 구조체(110), 하부 구조체(120) 및 다수의 레그(130)로 구성될 수 있다. 상부 구조체(110)는 원판 형태로 형성될 수 있으며, 상부 구조체(110)는 상면이 로봇(2000)의 암(2100) 단부에 결합될 수 있다. 그리고 상부 구조체(110)는 상면에 암나사산으로 형성된 다수의 결합공이 형성되어 체결수단으로 암(2100)의 단부에 견고하게 결합되어 고정될 수 있다. 하부 구조체(120) 역시 원판 형태로 형성될 수 있으며, 하부 구조체(120)의 하면에는 그리퍼 장착부(122)가 형성되어 조립하고자 하는 부품을 잡기위한 그리퍼부(300)가 그리퍼 장착부(122)에 결합되어 고정될 수 있다. 레그(130)는 상부 구조체(110)와 하부 구조체(120)를 연결하는 부분으로, 레그(130)의 상단이 상부 구조체(110)의 하면에 연결되고 하단이 하부 구조체(120)의 상면에 연결될 수 있다. 그리고 레그(130)들은 신축 가능하게 형성되어, 상부 구조체(110)가 고정된 상태에서 하부 구조체(120)가 자유롭게 이동 및 회전이 가능하도록 형성될 수 있다. 또한, 레그(130)는 상부 구조체(110)와 하부 구조체(120)의 사이에 배치되되, 상부 구조체(110) 및 하부 구조체(120)의 테두리 부분에 인접한 내측에 배치될 수 있다. 즉, 상부 구조체(110) 및 하부 구조체(120)의 직경 범위 내에 레그(130)들이 배치되되, 직경 범위 내에서 중심쪽이 아닌 바깥쪽에 배치될 수 있다. 그리고 레그(130)들은 일례로 6개로 형성되어 이웃하는 레그(130)들끼리 서로 반대방향으로 경사지게 배치될 수 있다. 즉, 이웃하는 2개의 레그(130)는 서로 상단끼리 인접하도록 상부 구조체(110)에 연결되고 하단끼리 서로 인접하도록 하부 구조체(120)에 연결된 형태로 배치될 수 있다. 그리하여 상부 구조체(110), 하부 구조체(120) 및 다수의 레그(130)들에 의해 스튜어트 플랫폼(100) 구조가 형성될 수 있다.
벌룬(200)은 탄성재질의 구형 풍선이 될 수 있으며, 압축공기가 내부로 공급되거나 배출되어 벌룬 내부의 공압을 조절할 수 있도록 형성될 수 있다. 이때, 벌룬(200)은 압축공기가 공급되거나 배출됨에 따라 팽창하거나 수축되어 부피가 변경될 수 있으며, 압축공기 공급되면 벌룬 내부의 압력이 높아지고 압축공기가 배출되면 벌룬 내부의 압력이 낮아질 수 있다. 그리고 벌룬(200)은 상기 스튜어트 플랫폼(100)의 내부에 배치될 수 있다. 즉, 스튜어트 플랫폼(100) 구조를 형성하는 상부 구조체(110)와 하부 구조체(120)의 사이에 벌룬(200)이 배치되어 벌룬(200)의 상측과 하측이 밀착될 수 있으며, 다수의 레그(130)들에 의해 둘러싸인 형태로 배치될 수 있다. 이때, 벌룬(200)은 레그(130)들과 이격되게 배치되어 벌룬(200)이 팽창되었을 때에도 벌룬(200)이 레그(130)들과 접촉되지 않도록 형성되는 것이 바람직하다.
그리퍼부(300)는 조립하고자 하는 부품을 파지할 수 있는 부분으로, 하부 구조체(120)의 하면에 결합되는 핑거 블록(310) 및 상기 핑거 블록(310)에 결합되어 부품을 잡을 수 있도록 형성되는 한 쌍의 핑거(320)를 포함하여 이루어질 수 있다. 이때, 핑거(320)는 벌어지거나 오므라들어 부품을 잡거나 놓을 수 있는 구조로 형성될 수 있으며, 일례로 도시된 바와 같이 핑거(320)들이 핑거 블록(310)을 따라 슬라이딩 될 수 있는 구조로 결합될 수 있다. 그리고 핑거 블록(310)에는 상기 한 쌍의 핑거(320)를 벌리거나 오므릴 수 있도록 액추에이터가 설치되거나 다양한 구조로 핑거(320)가 작동되도록 구성될 수 있다.
그리하여 일례로 도 10 및 도 11과 같이 조립 대상물의 구멍에 부품을 삽입하여 조립되도록 하는 경우, 핑거(320)로 삽입하고자 하는 제1부품(10)을 잡고 고정된 제2부품(20)의 삽입홀(21)이 있는 위치로 이동하여 삽입홀(21)에 제1부품(10)을 삽입하게 되면, 제1부품(10)과 삽입홀(21)간에 위치 오차가 있거나 중심축이 일치하지 않고 틀어져 있거나 삽입되는 방향 등에 오차가 있는 경우에 그리퍼부(300) 및 하부 구조체(120)가 함께 수평면 방향으로 이동되면서 삽입되거나 도시된 바와 같이 상부 구조체(110)에 대해 하부 구조체(120)가 각도 α만큼 꺾여 수직방향 축을 기준으로 그리퍼부(300)가 꺾인 상태로 삽입되거나 수직방향 축을 중심으로 비틀어지면서 삽입될 수 있다. 이때, 스튜어트 플랫폼(100)의 내측에 배치되어 상부 구조체(110)와 하부 구조체(120)의 사이에 밀착된 벌룬(200)의 내부 압력에 따라 그리퍼부(300)의 강성이 좌우되므로, 벌룬(200)의 압력을 높여 강성을 크게하면 컴플라이언스(compliance)가 낮아져 작은 위치 오차가 있는 경우에만 부품이 삽입되어 조립이 이루어질 수 있으며, 반대로 벌룬(200)의 압력을 낮추어 강성을 작게하면 컴플라이언스가 높아져 위치 오차가 큰 경우에도 그리퍼부의 위치나 방향이 변경되면서 부품이 삽입이 용이하게 이루어질 수 있다. 여기에서 컴플라이언스란 휨과 변형력의 비로 표시하는 물질 상수로써, 고정되는 상부 구조체(110)에 대하여 움직일 수 있는 하부 구조체(120)가 외력에 의해 변형(이동 또는 회전)되기 쉬운 정도를 나타내는 양이 될 수 있다.
이에 따라 본 발명의 가변 수동 강성 그리퍼(1000)는 벌룬(200)의 공압을 조절함으로써 그리퍼의 강성이 조절될 수 있으므로, 조립 오차가 큰 부품들을 조립하는 조립 로봇이나 조립 오차가 작은 부품들을 조립하는 조립 로봇들에 다양하게 장착하여 사용할 수 있으며, 수직방향 및 수평방향 등 다양한 조립에도 적용할 수 있는 장점이 있다. 또한, 조립 오차가 큰 경우에도 조립이 용이하게 이루어질 수 있으므로, 사용자의 육안으로 위치를 맞추기 어려운 경우에도 사용자로 하여금 안전하고 쉬운 조립 교시가 가능한 장점이 있다.
또한, 상기 벌룬(200)이 연결되는 그리퍼 제어기(400)를 더 포함하며, 상기 그리퍼 제어기(400)는 벌룬(200)의 강성을 조절할 수 있는 강성 조절부(420)를 포함하여 이루어질 수 있다.
즉, 도시된 바와 같이 벌룬(200)은 그리퍼 제어기(400)에 연결되어, 그리퍼 제어기(400)의 강성 조절부(420)에 의해 벌룬(200)의 내부 압력이 조절될 수 있다. 이때, 부품이 원활하게 삽입될 수 없거나 삽입되기 매우 어려운 정도의 조립 오차가 있는 경우에는 강성 조절부(420)를 통해 벌룬(200)의 내부에 채워져 있는 압축공기를 외부로 배출하여 내부 압력이 낮아지도록 함으로써 강성이 작아지도록(컴플라이언스가 커지도록) 조절할 수 있다. 또는 조립 시 그리퍼부(300)의 변위가 작거나 거의 없는 경우에는 벌룬(200)의 강성이 큰 상태에서도 조립이 원활하게 이루어질 수 있으므로, 이때에는 벌룬(200)의 내부로 압축공기를 주입하여 내부 압력이 높아지도록 함으로써 강성이 커지도록(컴플라이언스가 작아지도록) 조절하여 그리퍼부(300) 하단의 진동을 줄일 수 있다.
또한, 상기 하부 구조체(120)는 6자유도를 갖도록 형성될 수 있다.
즉, 도 12 내지 도 15와 같이 하부 구조체(120)를 포함한 그리퍼부(300)가 3차원 축방향인 X, Y, Z축 방향으로의 이동 및 3차원 축을 중심으로 한 회전방향인 θX, θY, θZ 방향으로의 회전이 가능하도록 스튜어트 플랫폼(100)이 형성될 수 있다. 그리하여 부품의 조립 시 조립 오차 등에 의해 그리퍼부가 축방향으로 이동되어 위치가 보정되면서 조립되거나 축을 중심으로 회전되어 조립되는 각도가 보정되면서 조립될 수 있다.
또한, 상기 레그(130)들은 선형으로 신축 가능하도록 형성되며, 상기 레그(130)들은 양단이 상부 구조체(110) 또는 하부 구조체(120)에 3자유도를 제공할 수 있는 조인트로 결합될 수 있다.
즉, 레그(130)들은 선형 액추에이터와 같이 선형으로 길이가 줄어들거나 늘어날 수 있는 구조로 형성될 수 있으며, 일례로 유압 또는 공압 실린더와 같이 특정한 스트로크 범위 내에서 선형으로 신축이 가능한 구조로 형성되어 도 9와 같이 신축에 따른 변위(δ)가 발생하도록 형성될 수 있다. 그리고 레그(130)에는 탄성수단이 포함되어 외력에 의해 선형 신축된 후 외력이 제거되면 탄성에 의해 원래의 길이로 복귀되도록 형성될 수도 있다. 또한, 레그(130)는 외력에 의해 선형으로 길이 변화가 용이한 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 그리고 일례로 레그(130)들은 양단에 구형의 볼이 결합된 형태로 형성되어, 볼이 상부 구조체(110) 또는 하부 구조체(120)에 삽입된 상태로 결합되어, 볼이 이탈되지 않으면서 자유롭게 회전될 수 있는 볼 조인트(131)로 결합될 수 있다. 이때, 볼 조인트(131) 이외에도 결합된 상태에서 이탈되지 않으면서 자유롭게 휘어질 수 있는 탄성체로 결합되거나 다양한 형태로 결합될 수 있다. 여기에서 벌룬(200)의 탄성에 의해 상부 구조체(110)와 하부 구조체(120)의 사이가 벌어지려고 하는 힘이 작용하므로, 외부에서 외력이 작용하지 않은 상태에서 레그(130)들은 각각 최대로 길이가 늘어난 상태이며 상부 구조체(110)와 하부 구조체(120)가 나란한 상태가 될 수 있다.
또한, 상기 상부 구조체(110)의 하면 및 하부 구조체(120)의 상면에는 각각 안치홈(111, 121)이 형성되어, 상기 안치홈(111, 121)들에 벌룬(200)의 상측과 하측이 삽입되어 밀착될 있다.
즉, 도 6 내지 도 8과 같이 안치홈(111, 121)들에 벌룬(200)의 상측과 하측이 삽입되어 밀착되도록 함으로써, 스튜어트 플랫폼(100)이 벌룬(200)의 탄성에 의해 외력이 가해지지 않은 원래의 상태로 복원되기 용이할 수 있다. 그리고 벌룬(200)의 위치가 고정될 수 있으므로 스튜어트 플랫폼(100)의 구조 변화나 벌룬(200)의 공압 변화에 따른 부피 화가 발생하더라도 레그(130)들과 벌룬(200)이 접촉되지 않을 수 있어, 스튜어트 플랫폼(100)의 보다 자유로운 변형이 가능할 수 있다.
또한, 상기 상부 구조체(110)에는 압축공기가 주입 및 배출될 수 있는 입출구 유로(112)가 형성되어, 상기 입출구 유로(112)에 벌룬(200)이 연결될 수 있다.
즉, 도시된 바와 같이 벌룬(200)에 압축공기가 공급되거나 벌룬(200)으로부터 공기가 배출될 수 있도록 입출구 유로(112)가 연결될 수 있다. 일례로, 입출구 유로(112)는 벌룬(200)에 연결되도록 파이프로 형성되어 연결되도록 결합될 수 있으며, 벌룬(200)과 입출구 유로는 분리형 또는 일체형으로 형성될 수 있다. 그리고 상부 구조체(110)에는 입출구 유로(112)가 배치될 수 있도록 홈이 형성될 수 있다. 또는 상부 구조체(110) 자체에 홀 형태로 입출구 유로(112)가 형성되어 벌룬(200)이 입출구 유로(112)에 연결되도록 결합될 수 있다. 또한, 입출구 유로(112)에는 단부에 공압 호스 등의 연결을 위한 원터치 피팅 또는 퀵 커플링 등이 결합될 수 있다. 그리고 도 3에서는 벌룬(200)에 압축공기가 공급되거나 배출될 수 있는 구멍 등이 도시되지 않았으나, 벌룬(200)에는 입출구 유로(112)와 연결되기 위한 구멍 또는 튜브 등이 형성될 수 있다. 여기에서 수동 강성부인 스튜어트 플랫폼(100)의 상부 구조체(110)에 형성 또는 결합되어 가변 강성장치(200)에 연결된 입출구 유로(112)를 포함하여 가변 수동 강성부가 될 수 있다. 즉, 입출구 유로(112)를 통해 가변 강성장치(200)의 탄성을 조절할 수 있도록 형성되는 수동 강성부가 가변 수동 강성부의 일례가 될 수 있다.
또한, 상기 레그(130)들은 각각 선형 신축에 따른 변위를 측정할 수 있는 변위측정수단(132)을 포함하여 이루어질 수 있다. 즉, 레그(130)들은 변화되는 길이를 측정할 수 있도록 각각 변위측정수단(132)을 포함하여 이루어질 수 있으며, 변위측정수단(132)은 레그(130)의 내부에 삽입된 상태로 설치되거나 레그(130)의 외부에 설치되거나 변위측정수단(132) 자체가 레그(130)로 형성될 수도 있다. 그리고 변위측정수단(132)은 LVDT(linear variable differential transformer), 엔코더(encoder) 및 포텐셔미터(potentiometer) 등으로 형성되어 레그(130)의 신축에 따른 길이변화를 측정할 수도 있다.
이때, 그리퍼 제어기(400)는 상부 구조체(110)의 상측에 배치될 수 있으며, 상부 구조체(110)는 내부가 중공되고 상측이 개방된 용기 형태로 형성되어 상부 구조체(110)의 내측에 그리퍼 제어기(400)가 위치하도록 할 수 있다. 또는, 그리퍼 제어기(400)는 별도로 설치되어 변위측정수단(132)이나 벌룬(200)에 연결될 수 있으며, 그리퍼 제어기(400)가 로봇 제어기(2200)와 함께 일체로 형성될 수도 있으며, 이외에도 다양하게 형성될 수 있다.
그리고 레그(130)들의 외측을 둘러싸도록 상부 구조체(110)와 하부 구조체(120)의 둘레면에 유연한 재질의 커버(140)가 결합될 수 있다. 이때, 커버(140)는 메쉬나 탄성재질의 막 등 다양하게 형성될 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
1000 : 가변 수동 강성 그리퍼
100 : 가변 수동 강성부
110 : 상부 구조체 111 : 안치홈
112 : 입출구 유로
120 : 하부 구조체 121 : 안치홈
122 : 그리퍼 장착부
130 : 레그 131 : 볼 조인트
132 : 변위측정수단
140 : 커버
200 : 가변 강성장치
300 : 그리퍼부
310 : 핑거 블록 320 : 핑거
400 : 그리퍼 제어기 420 : 강성 조절부
2000 : 로봇 2100 : 암
2200 : 로봇 제어기
10 : 제1부품 20 : 제2부품
21 : 삽입홀

Claims (10)

  1. 일측이 고정된 상태에서 타측의 변형이 가능하도록 양측 사이에 강성을 형성시키며, 형성된 강성을 조절할 수 있는 가변 수동 강성부;
    상기 가변 수동 강성부의 일측과 타측 사이에 설치되어, 강성을 변경할 수 있도록 공압의 조절이 가능하게 형성되는 탄성재질의 벌룬; 및
    상기 가변 수동 강성부의 타측에 형성되며, 부품을 파지하는 그리퍼부가 장착될 수 있는 그리퍼 장착부; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가변 수동 강성 그리퍼.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 그리퍼 장착부에 장착되는 그리퍼부를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가변 수동 강성 그리퍼.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 벌룬이 연결되는 그리퍼 제어기를 더 포함하며,
    상기 그리퍼 제어기는 벌룬의 강성을 조절할 수 있는 강성 조절부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가변 수동 강성 그리퍼.
  4. 상부 구조체, 상기 상부 구조체의 하측에 이격되어 배치되는 하부 구조체, 및 상기 상부 구조체와 하부 구조체에 양단이 연결되며 신축 가능하게 형성되는 다수의 레그를 포함하는 가변 수동 강성부;
    상기 상부 구조체와 하부 구조체 사이에 배치되며, 공압의 조절이 가능하게 형성되는 탄성재질의 벌룬; 및
    상기 하부 구조체에 형성되며, 부품을 파지하는 그리퍼부가 장착될 수 있는 그리퍼 장착부; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가변 수동 강성 그리퍼.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 그리퍼 장착부에 장착되는 그리퍼부를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가변 수동 강성 그리퍼.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 벌룬이 연결되는 그리퍼 제어기를 더 포함하며,
    상기 그리퍼 제어기는 벌룬의 강성을 조절할 수 있는 강성 조절부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가변 수동 강성 그리퍼.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 하부 구조체는 6자유도를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 가변 수동 강성 그리퍼.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 레그들은 선형으로 신축 가능하도록 형성되며, 상기 레그들은 양단이 상부 구조체 또는 하부 구조체에 3자유도를 제공할 수 있는 조인트로 결합되는 것을 특징으로 하는 가변 수동 강성 그리퍼.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 상부 구조체의 하면 및 하부 구조체의 상면에는 각각 안치홈이 형성되어, 상기 안치홈들에 벌룬의 상측과 하측이 삽입되어 밀착되는 것을 특징으로 하는 가변 수동 강성 그리퍼.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 상부 구조체에는 압축공기가 주입 및 배출될 수 있는 입출구 유로가 형성되어, 상기 입출구 유로에 벌룬이 연결되는 것을 특징으로 하는 가변 수동 강성 그리퍼.
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