KR101836499B1 - 햅틱형 로봇 핸들시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상대적으로 낮은 가격으로 시스템을 구성하여 착용자의 인가 힘을 계산할 수 있음은 물론 착용자의 편리성을 고려한 것으로, 핸들과 그리퍼로 구성된 기구부를 포함한 햅틱형 로봇 핸들시스템에 있어서, 상기 핸들은, 착용자가 손으로 잡기 위한 핸들부와, 그 핸들부의 일측에 상기 그리퍼와 핸들부를 연결시키도록 마련되는 핸들지지대로 구성되고, 상기 핸들지지대에는 압력센서가 부착되는 햅틱형 로봇 핸들시스템이 소개된다.

Description

햅틱형 로봇 핸들시스템{Robot handle system of haptic type}

본 발명은 종래의 시스템에 비해 상대적으로 낮은 가격으로 시스템을 구성할 수 있음은 물론 핸들을 회전가능하게 설치하여 착용자의 편리성을 높이도록 한 햅틱형 로봇 핸들시스템에 관한 것이다.

햅틱 장치는, 엔드이펙터가 외란(disturbance)에 쉽게 흔들리지 않도록 역구동성(back drivability)이 낮도록 설계하는 일반적인 로봇과 다른 설계기준을 갖는다. 즉, 햅틱 장치의 신체 접촉 부분을 사용자가 아무런 저항 없이 쉽게 움직일 수 있도록 설계하여야 하며, 상황에 따라 사용자에게 큰 힘을 제공하여 느낌을 전달할 수 있어야 한다. 이처럼 힘의 전달이 없을 때 마치 아무것도 착용하지 않은 것처럼 자유롭게 움직일 수 있으며, 힘의 전달이 있을 때 분명한 느낌을 전달할 수 있는 장치를 "투명하다"라고 표현한다. 따라서, 투명한 햅틱 장치를 제작하기 위해서는 일반적인 로봇과 달리 그 설계 스펙이 훨씬 까다롭고 제어방법에 있어서도 훨씬 높은 수준의 기술을 요한다.

햅틱 장치는 크게 이동형(portabled) 장치와 고정형(non-portable) 장치로 분류된다. 초기의 햅틱 장치는 주로 고정형 장치의 개발이 주류를 이루었으며, 고정형 장치는 설계상의 제약이 적으므로 투명한 장치의 개발이 용이하여 다양한 결과들이 보고되었다.

상기한 햅틱 장치는 사용자와 접촉하는 신체부위에 따라 햅틱 시뮬레이터, 햅틱 암마스터, 햅틱 조이스틱(햅틱 핸드 제어기), 햅틱 핸드마스터, 햅틱 택틀 장치(haptic tactile device) 등으로 분류할 수 있다.

사용자가 장치에 탑승하도록 하여 전신에 운동감을 전달하는 장치를 시뮬레이터라 하고, 사용자의 팔에 착용하여 팔의 움직임을 입력하고 힘을 반영하는 장치를 햅틱 암마스터라 하고, 사용자의 손으로 손잡이를 잡고 손의 위치를 입력하고 힘을 반영하는 장치를 햅틱 조이스틱이라 하고, 사용자의 손에 장갑형태의 장치를 착용하고 손가락의 움직임을 입력하고 형상감 및 부피감을 반영하는 장치를 햅틱 핸드마스터라 하고, 사용자의 피부와 접촉하여 진동이나 온도감, 재질감 등의 촉감을 재현하는 장치를 햅틱 택틀 장치라 한다. 특히 햅틱 조이스틱은 사용자의 손과 접촉하여 손의 위치를 반영하고 힘을 전달하는 장치로서, 그 사용성이 우수하고 적용할 수 있는 분야가 다양하여 가장 많이 개발되고 있으며, 로봇 핸들시스템에도 적용되어 이용되고 있다.

중량물의 무게를 측정하거나 중량물을 들어올려 이동시키는 로봇의 경우, 착용자가 핸들을 잡은 채 작업을 하게 되는데, 이때 중량물의 정확한 무게를 모르는 경우에는 중량물의 무게를 계산하기 위해 착용자가 인가하는 힘과 중량물에 의한 외력(중량물 무게)을 분리하게 된다.

이를 위해, 로봇 핸들시스템을 이루는 기구부의 핸들과 그리퍼에는 힘/토크센서를 부착하여 기구부에 작용하는 토크를 계산하여 중량물의 무게를 계산하였다.

상기 힘/토크센서의 경우, 정확한 측정이 가능하여 중량물의 무게를 정확하게 계산할 수 있으나, 높은 가격으로 인해 비용상승을 야기시키는 문제점이 있었고, 기존의 핸들은 그리퍼에 회전되지 않은 채 고정식으로 결합되어 있어 착용자가 중량물을 이동시키는 경우에 그 위치에 따라 손목 꺽임 등의 발생으로 작업에 불편함이 있었다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 힘/토크센서를 부착한 종래의 시스템에 비해 상대적으로 낮은 가격으로 시스템을 구성하여 착용자의 인가 힘을 계산할 수 있고, 회전식 핸들을 마련함으로써 손목 꺽임 방지 등 착용자의 편리성을 고려한 햅틱형 로봇 핸들시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 햅틱형 로봇 핸들시스템은 핸들과 그리퍼로 구성된 기구부를 포함한 햅틱형 로봇 핸들시스템에 있어서, 상기 핸들은, 착용자가 손으로 잡기 위한 핸들부와, 그 핸들부의 일측에 상기 그리퍼와 핸들부를 연결시키도록 마련되는 핸들지지대로 구성되고, 상기 핸들지지대에는 압력센서가 부착되는 것을 특징으로 한다.

상기 핸들지지대는 육면체로 형성되고, 상기 압력센서는 FSR(Force Sensing Resistor) 센서이며, X축, Y축, Z축의 힘을 측정하도록 상기 핸들지지대의 세 면에 부착되도록 할 수 있다.

상기 압력센서는 X축, Y축, Z축에 수직이 되도록 부착될 수 있다.

상기 핸들부와 핸들지지대의 사이에는 핸들부를 회전가능하게 마련하도록 베어링이 설치되고, 그 베어링과 핸들부의 사이에는 브레이크장치가 설치될 수 있다.

상기 핸들부의 일측에는 브레이크장치의 온/오프 동작을 위한 작동스위치가 설치될 수 있고, 상기 베어링의 일면에는 착용자가 핸들부를 회전시키는 경우 회전각도를 측정하여 인가되는 힘을 계산하도록 엔코더가 설치될 수 있다.

상술한 바와 같은 구성으로 이루어진 햅틱형 로봇 핸들시스템에 따르면, 그리퍼와 착용자의 핸들에 각각 센서를 부착하여 중량물에 의한 외력과 착용자의 인가 힘을 계산할 수 있고, 또한 압력센서의 설치로 인해 힘/토크센서에 비해 상대적으로 낮은 가격으로 착용자의 인가 힘을 계산할 수 있으며, 착용자가 핸들부를 잡고 움직이는 경우에 손목의 위치에 따른 꺽임 등의 불편함을 해소할 수 있어 편리하게 이용할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 햅틱형 로봇 핸들시스템의 구조를 보인 구성도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 햅틱형 로봇 핸들시스템에서 핸들의 단면을 보인 상태도.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 햅틱형 로봇 핸들시스템에 대하여 살펴본다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 햅틱형 로봇 핸들시스템의 구조를 보인 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 햅틱형 로봇 핸들시스템에서 핸들의 단면을 보인 상태도로서, 본 발명에 따른 햅틱형 로봇 핸들시스템은 핸들(100)과 그리퍼(200)로 구성된 기구부와, 그 기구부가 장착된 몸체(300)를 포함하고 있다.

상기 그리퍼(200)에는 힘/토크센서(210)가 장착되어 있어 그리퍼에 전달되는 힘을 센싱할 수 있고, 상기 핸들(100)에는 착용자로부터 인가되는 힘을 계산하도록 후술되는 압력센서(150)가 장착되어 있다.

상기 핸들(100)은 그리퍼(200)에 대해 직각 또는 직각에 근접한 각을 갖도록 연결 설치되는 것으로, 착용자가 손으로 잡기 위한 일정 길이의 핸들부(110)와, 그 핸들부(110)의 일측에 상기 그리퍼(200)와 핸들부(110)를 연결시키도록 마련되는 핸들지지대(120)로 구성된다.

상기 핸들부(110)는 단면이 원형으로 착용자가 손으로 잡을 수 있을 정도의 직경으로 형성되면 되고, 상기 핸들지지대(120)는 육면체로 형성되고 착용자의 인가 힘을 계산하기 위해 압력센서(150)로서 FSR(Force Sensing Resistor)센서가 부착된다.

이때, 상기 핸들부(110)는 상기 핸들지지대에 틈이 발생하지 않도록 결합되어 착용자의 인가 함이 정확하게 압력센서에 의해 측정되도록 하고, 상기 압력센서는 X축, Y축, Z축의 힘을 측정하도록 상기 핸들지지대의 세 면에 부착되도록 하되, X축, Y축, Z축에 수직이 되도록 부착한다.

한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 핸들부(110)와 핸들지지대(120)의 사이에는 핸들부를 핸들지지대에 대해 회전가능하게 마련하도록 베어링(130)이 설치된다. 이때 상기 베어링(130)과 핸들부(110)의 사이에는 브레이크장치(140)가 설치될 수 있고, 상기 핸들부(110)의 일측에는 브레이크장치의 온/오프 동작을 위한 작동스위치(145)가 설치된다.

상기 작동스위치(145)는 통상의 온/오프 스위치나 버튼식으로 구비할 수도 있고, 상기 브레이크장치를 전동식으로 설계한 경우에는 작동스위치와 전선연결하며, 상기 브레이크장치를 기계식으로 설계한 경우에는 작동스위치와 브레이크장치를 구동축 등으로 직접 또는 다수의 기어나 관절을 이용하여 연결시키도록 하면 된다.

상기 브레이크장치(140)는 전기식 또는 기계식으로 구성하여 작동되게 할 수 있고, 평상시에는 브레이크 온동작되어 핸들부(110)가 핸들지지대(120)에 회전되지 않은 채 고정된 상태로 구비할 수 있으며, 핸들부(110)를 수동으로 회전시키고자 하는 경우에 작동스위치(145)를 온동작시켜 잠금상태의 브레이크를 잠금해제시키도록 함으로써 핸들부를 수동으로 회전시킬 수 있다.

이때, 착용자가 핸들부를 수동으로 회전시키는 경우 그 회전속도를 일정 속도 이하로 줄이도록 상기 베어링의 외측에는 댐퍼(135)가 구비될 수 있다.

또한, 상기 베어링(130)의 일면에는 착용자가 핸들부(110)를 회전시키는 경우에 그 핸들부의 회전각도를 측정하여 인가되는 힘을 계산하도록 엔코더(160)가 설치될 수 있다. 상기 엔코더(160)는 착용자가 핸들부를 회전시켰을 경우에 센서 좌표계를 기준으로 회전한 각도를 측정하여 착용자 인가 힘의 방향을 센서 좌표계를 기준으로 하여 계산하게 된다.

상기와 같은 본 발명의 햅틱형 로봇 핸들시스템은 중량물을 들어올려 이동시키거나 또는 다른 작업과정에서 중량물의 무게를 정확하게 알지 못하더라도 압력센서에 의해 착용자로부터 인가되는 힘을 측정하여 중량물의 무게를 계산할 수 있게 되고, 중량물의 이동과정에서 손목의 위치에 따라 꺽임 등이 발생되는 경우에는 작동스위치를 온동작시켜 잠금상태의 브레이크장치를 잠금해제시킨 후 핸들부를 수동으로 회전시키도록 하여 중량물을 원활히 이동시키도록 할 수 있다.

물론, 핸들부의 회전시에는 엔코더를 통해 핸들부의 회전각도를 측정하여 착용자의 인가 힘의 방향을 계산할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 햅틱형 로봇 핸들시스템은 종래에 사용되는 힘/토크센서에 비해 상대적으로 낮은 가격의 압력센서를 이용하여 착용자의 인가 힘을 계산하여 중량물의 무게를 계산할 수 있고, 중량물의 이동시 착용자의 손목 위치에 따라 핸들부를 회전시키도록 하여 손목 꺽임 등 불편사항을 해소하여 편리하게 사용할 수 있게 된다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

100: 핸들 110: 핸들부
120: 핸들지지대 130: 베어링
135: 댐퍼 140: 브레이크장치
145: 작동스위치 150: 압력센서
160: 엔코더 200: 그리퍼
210: 힘/토크센서 300: 몸체

Claims (7)

1. 핸들과 그리퍼로 구성된 기구부를 포함한 햅틱형 로봇 핸들시스템에 있어서,
   상기 핸들은, 착용자가 손으로 잡기 위한 핸들부와, 그 핸들부의 일측에 상기 그리퍼와 핸들부를 연결시키도록 마련되는 핸들지지대로 구성되고,
   상기 핸들지지대에는 압력센서가 부착되고, 상기 핸들부와 핸들지지대의 사이에는 핸들부를 회전가능하게 마련하도록 베어링이 설치되며, 상기 베어링과 핸들부의 사이에는 브레이크장치가 설치되는 것을 특징으로 하는 햅틱형 로봇 핸들시스템.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 압력센서는 FSR(Force Sensing Resistor) 센서인 것을 특징으로 하는 햅틱형 로봇 핸들시스템.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 핸들지지대는 육면체로 형성되고, 상기 압력센서는 X축, Y축, Z축의 힘을 측정하도록 상기 핸들지지대의 세 면에 부착되는 것을 특징으로 하는 햅틱형 로봇 핸들시스템.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 압력센서는 X축, Y축, Z축에 수직이 되도록 부착되는 것을 특징으로 하는 햅틱형 로봇 핸들시스템.
5. 삭제
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 핸들부의 일측에는 브레이크장치의 온/오프 동작을 위한 작동스위치가 설치되는 것을 특징으로 하는 햅틱형 로봇 핸들시스템.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 베어링의 일면에는 착용자가 핸들부를 회전시키는 경우 회전각도를 측정하여 인가되는 힘을 계산하도록 엔코더가 설치되는 것을 특징으로 하는 햅틱형 로봇 핸들시스템.

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