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KR-20260061047-A - GRIPPER DEVICE FOR CONNECTOR FASTENING AND OPERATING METHOD THEREOF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 커넥터 체결용 그리퍼 장치는, 암 커넥터와 수 커넥터로 이루어진 커넥터의 체결 작업을 수행하기 위한 인간 영감형 그리퍼 장치로서, 상기 암 커넥터와 상기 수 커넥터 중 어느 하나를 상기 암 커넥터와 상기 수 커넥터 중 다른 하나에 체결 방향으로 삽입함과 아울러 상기 암 커넥터와 상기 수 커넥터 중 어느 하나를 미리 설정된 각도로 회전 진동시키면서 상기 암 커넥터와 상기 수 커넥터를 체결할 수 있다.

Inventors

  • 강윤
  • 박준민
  • 정주노

Assignees

  • 고려대학교 세종산학협력단

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20251024
Priority Date
20241025

Claims (14)

  1. 암 커넥터와 수 커넥터로 이루어진 커넥터의 체결 작업을 수행하기 위한 인간 영감형 그리퍼 장치로서, 상기 암 커넥터와 상기 수 커넥터 중 어느 하나를 상기 암 커넥터와 상기 수 커넥터 중 다른 하나에 체결 방향으로 삽입함과 아울러 상기 암 커넥터와 상기 수 커넥터 중 어느 하나를 미리 설정된 각도로 회전 진동시키면서 상기 암 커넥터와 상기 수 커넥터를 체결하는 것을 특징으로 하는 커넥터 체결용 그리퍼 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 암 커넥터와 상기 수 커넥터 중 어느 하나를 파지하여 회전시키도록 형성된 그리퍼; 및 상기 그리퍼와 연결되고, 상기 암 커넥터와 상기 수 커넥터 중 어느 하나를 이동시키도록 상기 그리퍼를 동작시키는 매니퓰레이터; 를 포함하는 커넥터 체결용 그리퍼 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 매니퓰레이터는, 상기 커넥터의 체결시 상기 암 커넥터와 상기 수 커넥터 중 어느 하나를 상기 체결 방향으로 상기 암 커넥터와 상기 수 커넥터 중 다른 하나에 삽입하도록 상기 그리퍼를 이동시키고, 상기 그리퍼는, 상기 암 커넥터와 상기 수 커넥터의 삽입시 상기 암 커넥터와 상기 수 커넥터 중 어느 하나를 미리 설정된 회전 범위에서 반복적으로 회전시키는 것을 특징으로 하는 커넥터 체결용 그리퍼 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 매니퓰레이터는 상기 그리퍼를 상기 체결 방향에 따라 설정 체결력으로 직선 이동시키고, 상기 그리퍼는 상기 암 커넥터와 상기 수 커넥터 중 어느 하나를 상기 체결 방향에 대해 비틀린 자세를 갖을 수 있도록 상기 암 커넥터와 상기 수 커넥터 중 어느 하나를 설정 회전 각도와 설정 진동 주기로 회전 진동시키는 것을 특징으로 하는 커넥터 체결용 그리퍼 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 매니퓰레이터의 체결력, 상기 그리퍼의 회전 각도, 및 상기 그리퍼의 진동 주기 중 적어도 하나를 조절하여 상기 커넥터의 체결 작업을 제어하는 제어부; 를 더 포함하는 커넥터 체결용 그리퍼 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 수 커넥터는 두 개의 커넥터 핀을 포함하고, 상기 암 커넥터는 상기 두 개의 커넥터 핀에 삽입 방식으로 결합되는 두 개의 커넥터 홈을 포함하며, 상기 제어부는, 상기 매니퓰레이터의 체결력 및 상기 그리퍼의 회전 모멘트를 조절함으로써 상기 커넥터 핀과 상기 커넥터 홈 사이에 작용되는 반작용력 및 상기 암 커넥터와 상기 수 커넥터의 체결력을 감소시키는 것을 특징으로 하는 커넥터 체결용 그리퍼 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 그리퍼와 상기 매니퓰레이터의 작동을 아래의 정역학 모델의 수학식에 따라 제어하는 것을 특징으로 하는 커넥터 체결용 그리퍼 장치. (여기서, Fz 는 상기 암 커넥터와 상기 수 커넥터의 실제 체결력(즉, 체결 방향의 삽입력), f 1 과 f 2 는 상기 커넥터 핀들과 상기 커넥터 홈들 사이에서 각각 발생되는 반작용력, Mx 는 상기 그리퍼의 회전 모멘트(즉, 회전 및 체결력 조합의 체결 전략 동작으로 인한 모멘트), r 은 두 개의 커넥터 핀 사이의 거리 절반, d 는 상기 그리퍼의 회전 중심점에서 상기 그리퍼에 파지된 커넥터의 단부 사이의 거리, Fy 는 상기 매니퓰레이터의 체결력(즉, Y축 방향의 유효 힘))
  8. 제7항에 있어서, 상기 반작용력은 아래의 수학식과 같이 정의되고, (여기서, 는 추가적인 추가 체결력, 즉 상기 추가 체결력은 상기 매니퓰레이터의 체결력 및 상기 그리퍼의 회전 모멘트를 조합해서 발생되는 체결력) 상기 제어부는, 상기 추가 체결력( F eq )을 조절함으로써, 상기 두 개의 수 커넥터 중 어느 하나를 상기 두 개의 암 커넥터 중 어느 하나에 삽입 체결하고, 상기 두 개의 수 커넥터 중 다른 하나를 상기 두 개의 암 커넥터 중 다른 하나에 삽입하지 않는 상태로 유지하는 것을 특징으로 하는 커넥터 체결용 그리퍼 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 두 개의 커넥터 핀이 상기 두 개의 커넥터 홈에 삽입되는 과정에서 발생되는 f 1 과 f 2 중 어느 하나를 증가시키고 다른 하나를 감소시키도록 상기 그리퍼의 회전 모멘트를 사인(sin)와 코사인(cos) 중 적어도 어느 하나의 파형으로 제공하는 것을 특징으로 하는 커넥터 체결용 그리퍼 장치.
  10. 제2항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 그리퍼는, 상기 매니퓰레이터의 일단부에 연결되는 그리퍼 몸체; 상기 그리퍼 몸체에 연결되고, 상기 암 커넥터와 상기 수 커넥터 중 어느 하나를 파지하는 복수개의 그리퍼 핑거; 및 상기 그리퍼 핑거들과 상기 그리퍼 몸체의 연결부에 각각 배치되고, 상기 암 커넥터와 상기 수 커넥터 중 어느 하나를 회전시키도록 상기 그리퍼 핑거들을 회전시키는 서보 액추에이터; 를 포함하는 커넥터 체결용 그리퍼 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 그리퍼 핑거들은, 상기 서보 액추에이터들에 의해 서로 다른 방향으로 회전하여 상기 암 커넥터와 상기 수 커넥터 중 어느 하나를 파지하고, 상기 서보 액추에이터들에 의해 동일 방향으로 회전하여 상기 암 커넥터와 상기 수 커넥터 중 어느 하나를 설정 회전 각도와 설정 진동 주기로 회전 진동시키는 것을 특징으로 하는 커넥터 체결용 그리퍼 장치.
  12. 제2항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 그리퍼는, 상기 매니퓰레이터의 일단부에 연결되는 그리퍼 몸체; 상기 그리퍼 몸체에 이동 가능하게 연결되고, 상기 암 커넥터와 상기 수 커넥터 중 어느 하나의 양측에 밀착되는 한 쌍의 그리퍼 디스크; 및 상기 한 쌍의 그리퍼 디스크과 상기 그리퍼 몸체의 연결부에 각각 배치되고, 상기 암 커넥터와 상기 수 커넥터 중 어느 하나를 회전시키도록 상기 한 쌍의 그리퍼 디스크를 회전시키는 스텝 모터; 를 포함하는 커넥터 체결용 그리퍼 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 그리퍼 핑거들은, 상기 암 커넥터와 상기 수 커넥터 중 어느 하나의 양측에 밀착하여 파지하고, 상기 서보 모터들에 의해 동일 방향으로 회전하여 상기 암 커넥터와 상기 수 커넥터 중 어느 하나를 설정 회전 각도와 설정 진동 주기로 회전 진동시키는 것을 특징으로 하는 커넥터 체결용 그리퍼 장치.
  14. 그리퍼의 그리퍼 핑거들을 작동시켜 암 커넥터와 수 커넥터 중 어느 하나를 파지하는 단계; 매니퓰레이터를 이용하여 상기 암 커넥터와 상기 수 커넥터 중 어느 하나를 다른 하나로 상기 그리퍼를 이동시키는 단계; 상기 매니퓰레이터가 상기 그리퍼를 체결 방향으로 이동시켜 상기 암 커넥터와 상기 수 커넥터 중 어느 하나를 다른 하나에 설정 체결력으로 삽입하는 단계; 상기 암 커넥터와 상기 수 커넥터가 삽입되면 상기 그리퍼가 상기 암 커넥터와 상기 수 커넥터 중 어느 하나를 설정 회전 각도와 설정 진동 주기로 회전 진동시키는 단계; 및 상기 암 커넥터와 상기 수 커넥터의 반작용력에 따라 상기 매니퓰레이터의 체결력, 상기 그리퍼의 회전 각도 및 상기 그리퍼의 진동 주기 중 적어도 하나를 조절하면서 상기 암 커넥터와 상기 수 커넥터를 체결하는 단계; 를 포함하는 커넥터 체결용 그리퍼 장치의 작동 방법.

Description

커넥터 체결용 그리퍼 장치 및 그것의 작동 방법 {GRIPPER DEVICE FOR CONNECTOR FASTENING AND OPERATING METHOD THEREOF} 본 발명은 인간 영감형 그리퍼에 해당하는 커넥터 체결용 그리퍼 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 산업 자동화 분야 및 로봇 공학 분야 등에서 로봇이 커넥터의 체결 작업을 효율적이고 안정적으로 수행할 수 있는 커넥터 체결용 그리퍼 장치 및 그것의 작동 방법에 관한 것이다. 일반적으로, 최근 로봇 자동화 공정 기술이 고도화됨에 따라 전자 제품을 생산하는 과정에 사용되는 로봇 자동화 시스템의 발전도 요구되고 있다. 예컨대, TV, PC, 스마트폰 등의 생산 과정에서는, FPC(Flexible Printed Circuit), FFC(Flat Flexible Cable), 플라스틱으로 하우징(housing)된 사각 커넥터 등과 같은 여러 종류의 커넥터를 체결하기 위한 체결 전략이 필요하다. 이러한 자동화 공정 과정은 자동차 생산 과정과 유사하게 다자유도 로봇 팔인 매니퓰레이터(manipulator)를 통해 체결이 이루어지고 있다. 하지만, 인간이 아닌 로봇이 체결 작업을 수행하기 때문에 커넥터의 체결 과정에서 아래와 같은 문제점이 있다. 예컨대, 로봇은 반복 오차(repeatability error)의 존재에 따라 암 커넥터와 수 커넥터 간에 비정렬의 삽입 오차가 존재한다. 이와 같은 로봇의 정렬 오차가 존재하는 상태에서 커넥터의 체결 작업을 수행하면, 커넥터의 재밍(jamming)이나 웨지(wedging) 현상으로 인해서 매니퓰레이터과 커넥터에 손상이 발생할 위험이 있다. 일반적으로, 로봇은 선형 힘을 크게 줄 수 없기 때문에 체결 반력을 크게 요구하는 커넥터의 체결 작업은 어려운 실정이고, 로봇이 체결에 필요한 힘을 충분히 낼 수 있더라도 커넥터의 체결 과정에서 마찰력이 다르기 때문에 마찰력이 줄어드는 구간에서 과도한 힘에 의해 커넥터의 손상이 발생할 가능성이 있다. 또한, FFC와 FPC 등과 같이 유연한 재질의 커넥터는, 체결력을 강하게 줄 수 없으며, 좌굴(buckling) 등의 현상으로 인해서 커넥터의 손상이 발생할 가능성도 있다. 도 1은 인간의 손을 사용하여 커넥터를 체결하는 작업 상태가 개략적으로 도시된 도면이다. 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 커넥터 체결용 그리퍼 장치의 주요부가 개략적으로 도시된 도면이다. 도 3은 도 2에 도시된 커넥터 체결용 그리퍼 장치가 커넥터를 체결하는 상태를 나타낸 도면이다. 도 4는 도 2에 도시된 커넥터 체결용 그리퍼 장치에 의한 커넥터의 체결 과정을 순차적으로 나타낸 도면이다. 도 5는 도 2에 도시된 커넥터 체결용 그리퍼 장치의 일예를 나타낸 도면이다. 도 6과 도 7은 도 5에 도시된 그리퍼의 구조 및 작동상태를 각각 나타낸 도면이다. 도 8은 도 2에 도시된 커넥터 체결용 그리퍼 장치의 다른 예를 나타낸 도면이다. 도 9과 도 10은 도 8에 도시된 그리퍼의 구조 및 작동상태를 각각 나타낸 도면이다. 도 11은 도 8 내지 도 10에 도시된 커넥터 체결용 그리퍼 장치를 이용하여 암 커넥터의 회전 각도에 따른 커넥터의 체결 거리와 해체 거리를 나타낸 그래프이다. 도 12와 도 13은 도 8 내지 도 10에 도시된 커넥터 체결용 그리퍼 장치를 이용하여 커넥터의 체결 작업과 해체 작업에서 소요되는 체결력과 시간을 나타낸 그래프이다. 이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다. 도 1은 인간의 손을 사용하여 커넥터(10)를 체결하는 작업 상태가 개략적으로 도시된 도면이다. 도 1을 참조하면, 일반적으로 인간이 커넥터 등과 같은 물체를 수작업의 삽입 방식으로 체결 작업과 해체 작업을 수행할 수 있다. 이때, 통상의 인간은 커넥터의 체결 작업과 해체 작업을 수행할 경우, 작은 허용 공차로 인해 마찰 반력이 느껴질 때 물체를 반복적으로 비틀면서 삽입 체결하거나 해체하는 동작으로 대응하고 있다. 구체적으로 설명하면, 수 커넥터(30)를 암 커넥터(20)에 수작업으로 밀어 넣거나 당겨서 빼내는 커넥터(10)의 체결 작업을 수행하는 경우, 커넥터(10)의 제조시 작은 허용 공차로 인해 마찰 반력이 발생될 수 있고, 그로 인해서 큰 체결력이 요구될 수 있을 뿐만 아니라 재밍 현상이나 웨지 현상이 발생될 수 있다. 특히, 커넥터(10)의 체결 작업시 수 커넥터(30)와 암 커넥터(20) 사이의 마찰 감소 구간에서 과속으로 삽입되는 충격으로 파손될 위험도 있다. 따라서, 통상의 인간은 암 커넥터(20)를 반복적으로 피칭(repetitive pitching)하면서 수 커넥터(30)에 밀어 넣을 수 있고, 이렇게 암 커넥터(20)가 반복적으로 비틀리는 과정에서 암 커넥터(20)와 수 커넥터(30)의 체결 반력을 감소시키기 때문에 작은 체결력으로도 쉽게 체결할 수 있다. 그에 따라서, 본 발명의 커넥터 체결용 그리퍼 장치(100)는, 인간의 체결 작업과 유사하게 그리퍼(110)를 이용하여 암 커넥터(20)를 움켜 쥐고, 그 상태에서 허용공차로 인한 마찰 반력을 느끼는 경우에 반복적인 회전 및 체결력의 조합으로 체결 전략을 수행할 수 있다. 따라서, 커넥터 체결용 그리퍼 장치(100)가 인간의 수작업과 유사하게 인간의 체결 동작을 모사하여 커넥터(10)의 체결 작업을 수행하면, 재밍 현상과 웨지 현상을 극복할 수 있으며, 체결 구간별 마찰 감소 구간에서 과속에 의한 충격을 방지할 수 있고, 큰 체결력이 요구되는 커넥터를 더 적은 체결력으로 체결 가능할 수 있다. 상기와 같은 커넥터 체결용 그리퍼 장치(100)의 상세 구성 및 작동 방법에 대한 구체적인 설명은 아래에서 더 자세하게 설명한다. 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 커넥터 체결용 그리퍼 장치(100)의 주요부가 개략적으로 도시된 도면이고, 도 3은 커넥터 체결용 그리퍼 장치(100)가 커넥터(10)를 체결하는 상태를 나타낸 도면이며, 도 4는 도 2에 도시된 커넥터 체결용 그리퍼 장치(100)에 의한 커넥터(10)의 체결 과정을 순차적으로 나타낸 도면이다. 도 5는 도 2에 도시된 커넥터 체결용 그리퍼 장치(100)의 일예를 나타낸 도면이고, 도 6과 도 7은 도 5에 도시된 그리퍼(110)의 구조 및 작동상태를 각각 나타낸 도면이다. 도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 커넥터 체결용 그리퍼 장치(100)는 암 커넥터(20)와 수 커넥터(30)로 이루어진 커넥터(10)의 체결 작업을 수행하기 위한 인간 영감형 그리퍼 장치에 해당될 수 있다. 즉, 암 커넥터(20)와 수 커넥터(30) 중 어느 하나를 암 커넥터(20)와 수 커넥터(30) 중 다른 하나에 체결 방향(A)으로 삽입 체결할 수 있고, 암 커넥터(20)와 수 커넥터(30)의 삽입 체결되는 과정에서 미리 설정된 각도 범위로 회전 진동시킬 수 있다. 따라서, 본 실시예의 커넥터 체결용 그리퍼 장치(100)는, 커넥터(10)의 체결 작업시 인간의 손 동작을 모사함으로써, 암 커넥터(20)와 수 커넥터(30) 중 어느 하나를 파지한 상태에서 암 커넥터(20)와 수 커넥터(30) 중 다른 하나에 삽입 체결하되, 암 커넥터(20)와 수 커넥터(30) 중 어느 하나를 회전시키면서 암 커넥터(20)와 수 커넥터(30) 중 다른 하나에 더 원활하게 체결할 수 있다. 이에 따라서, 커넥터(10)의 체결 불량을 방지하면서 커넥터(10)를 쉽게 체결할 수 있고, 커넥터(10)의 체결력을 감소시킴과 아울러 커넥터(10)의 체결 신뢰성을 높일 수 있다. 예를 들면, 본 실시예의 커넥터 체결용 그리퍼 장치(100)는 그리퍼(110), 매니퓰레이터(120), 및 제어부(130)를 포함할 수 있다. 본 실시예의 커넥터 체결용 그리퍼 장치(100)는, 커넥터(10)의 체결 작업시 인간의 손 동작을 모사하여 인간의 회전 및 체결력의 조합 체결 전략을 수행할 수 있다. 이를 통해서, 커넥터 체결용 그리퍼 장치(100)는, 커넥터(10)의 체결시 발생하는 마찰력과 정렬 오차를 효과적으로 극복할 수 있고, 인간 작업자와 유사한 수준으로 커넥터(10)의 정밀한 체결 작업을 수행할 수 있다. 예를 들면, 본 실시예의 커넥터 체결용 그리퍼 장치(100)에서는, 매니퓰레이터(120)가 암 커넥터(20)를 설정 체결력으로 수 커넥터(30)에 밀어 넣을 수 있고, 그와 동시에 그리퍼(110)가 암 커넥터(20)를 강하게 파지한 상태에서 수 커넥터(30)에 삽입되는 암 커넥터(20)를 회전시키는 동작을 수행하여 재밍(jamming) 현상 및 웨지(wedging) 현상을 방지할 수 있다. 또한, 본 실시예의 커넥터 체결용 그리퍼 장치(100)는, 정역학적 해석을 기반으로 하여 회전 및 체결력의 조합 체결 전략을 수행할 수 있다. 이런 정역학적 해석은 인간의 회전 및 체결력의 조합 체결 전략에 따른 동작의 근본적인 원리를 정역학적으로 설명한 것이다. 따라서, 본 실시예의 커넥터 체결용 그리퍼 장치(100)는, 정역학적 모델을 기반으로 하여 암 커넥터(20)의 회전 각도, 암 커넥터(20)의 진동 주기, 매니퓰레이터(120)의 체결력 등을 조절함으로써 커넥터(10)의 종류와 체결 환경 등에 따라 최적의 체결 조건으로 체결 작업을 수행할 수 있다. 한편, 본 실시예의 커넥터(10)는 암 커넥터(20) 및 수 커넥터(30)를 포함할 수 있다. 여기서, 암 커넥터(20)는, 박스 형상의 플라스틱 재질로 형성된 암 커넥터 하우징(22), 및 암 커넥터 하우징(22)에 형성된 복수개의 커넥터 홀(24)을 포함할 수 있다. 그리고, 수 커넥터(30)는, 암 커넥터 하우징(22)과 삽입 방식으로 결합되도록 중공 박스 형상의 플라스틱 재질로 형성된 수 커넥터 하우징(32), 및 수 커넥터 하우징(32)과 암 커넥터 하우징(22)의 결합시 커넥터 홀(24)들에 삽입 체결되는 복수개의 커넥터 핀(34)을 포함할 수 있다. 참고로, 커넥터 홀(24)의 내측면에는 전극 단자가 배치될 수 있고, 커넥터 핀(34)의 외측면에는 커넥터 홀(24)의 내부에