Development of a Compliance Compensator Capable of Measuring Six-axis Force/torque and Displacement for Robotic Assembly

Abstract

Assembly automation constitutes a significant portion of modern manufacturing processes, yet it remains technically challenging due to tiny positional errors between parts, diverse geometries, and unavoidable contact. Passive compliance devices have been widely used to compensate for alignment errors and absorb reaction forces during insertion. However, their mechanical operating range is fixed, and the lack of sensing capability limits their applicability. On the other hand, six-axis force/torque sensors are useful for estimating the assembly state by measuring reaction forces during the process, but they lack mechanical compliance, resulting in slower operation and vulnerability to impacts. In this thesis, we propose a compliance compensator capable of measuring six-axis force/torque and displacement that integrates the strengths of both approaches. The proposed compliance compensator uses polymer-based flexible materials to provide mechanical compliance while simultaneously offering force/torque and displacement information essential for precision assembly. Additionally, to compensate for the creep phenomenon caused by the viscoelastic properties of polymer materials, we introduce a viscoelastic model-based creep compensation algorithm, which significantly improves the sensing accuracy, response time, and hysteresis performance. The proposed compliance compensator was validated through experiments using a commercial force/torque sensor, a manipulator, and a precision linear stage. It was successfully applied to a precision robotic assembly process, achieving the insertion of components with a clearance of 40 μm.|조립 자동화는 제조공정에서 많은 부분을 차지하지만, 부품 간의 미세한 위치 오차, 다양한 형상, 불가피한 접촉 등으로 인해 여전히 기술적으로 어려운 과제이다. 수동 순응 장치는 삽입 중 정렬 오차를 보정하고 조립 반력을 흡수하는 용도로 널리 사용되어 왔다. 그러나 기계적 동작 범위가 고정되어 있으며 센싱 기능이 없어 적용 범위가 제한된다. 반면 6축 힘/토크 센서는 조립 과정에서 발생하는 반력을 측정할 수 있어 조립 상태 추정이 가능하지만 기계적 순응성이 부족하여 작업 속도가 느리고 충격에 취약하다는 단점이 있다. 본 연구에서는 이러한 두 기술의 장점을 통합한 6축 힘/토크 및 변위 측정이 가능한 컴플라이언스 보상기를 제안한다. 제안하는 컴플라이언스 보상기는 고분자 기반의 유연 재료를 활용하여 기계적 순응성을 제공하는 동시에, 조립 공정 중에 발생하는 힘/토크 및 변위 정보를 제공한다. 또한 고분자 재료의 점탄성 특성에 따른 크리프 현상을 보정하기 위해 점탄성 모델 기반의 크립 보상 알고리즘을 도입하였으며 이를 통해 센싱 정확도, 응답 속도, 이력 오차를 크게 향상시켰다. 제안하는 보상기는 상용 힘/토크 센서, 매니퓰레이터, 고정밀 리니어 스테이지를 활용한 실험을 통해 성능이 검증되었으며, 정밀 로봇 조립 공정에 적용되어 40 μm의 유격을 갖는 조립품 삽입을 성공적으로 구현하였다.