KR100386821B1 - 텐던구동구조를 이용한 구동장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 텐던구동구조를 이용한 구동장치에 있어서, 구동축과 종동축이 서로 평행하지 않은 경우 구동축과 종동축의 두 풀리 사이에 케이블의 방향을 종동축과 평행하도록 유도할 수 있는 풀리를 두며, 더욱이 구동축과 종동축의 두 풀리 사이에 지름이 회전각에 대한 함수로 정해지는 비대칭풀리 및 비대칭풀리와 일체되는 소형의 원형풀리를 더 둠으로써 구동축과 종동축간에 비대칭적 회전관계가 이루어질 수 있도록 한다.

상술한 바와 같은 본 발명의 텐던구동구조를 이용한 구동장치는 구동 기구부의 경량화를 가능하게 하고, 복잡하고 협소한 구조에 용이하게 적용될 수 있으며, 동력전달 과정에서 발생하는 백래시를 감소하여 카메라 제어의 오차를 감소시킬 수 있다. 더욱이, 구동축의 일정한 회전각에 대해 종동축의 위치에 따라 종동축이 움직이는 각도를 달리할 수 있는 비선형 회전관계를 구현하여 구동축의 최소 제어오차가 일정하다 하더라도 스테레오 카메라를 이용한 심도추출에서 발생하는 물체의 위치에 따른 심도정보의 민감도를 줄일 수 있는 효과가 있다.

Description

텐던구동구조를 이용한 구동장치{Driven mechanism using Tendon-driven mechanism}

본 발명은 스테레오 카메라의 이접운동 제어를 가능하게 하는 구동장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 대상물체의 심도를 측정하기 위해 카메라의 이접운동을 제어하는 데 있어서 텐던구조를 이용하여 동력전달과정의 백래시를 감소시키고 구동축과 종동축 사이의 비선형 회전관계를 구현하여 회전축이 평행하지 않아도 동력전달이 가능한 동력전달장치에 관한 것이다.

종래의 카메라 구동장치들에는 동력전달과정에서 발생하는 백래시를 줄이기 위해 카메라를 모터축에 직접 부착하는 방법이 사용되거나 기어를 이용하여 동력을 전달하는 방법이 사용되고 있다. 그러나, 카메라를 모터에 직접 부착하는 방법의경우 카메라 구동장치의 경량화가 중요한 요소로 작용되는 경우에는 카메라를 고정하여 구동할 수 있을 만큼 큰 모터를 적용하기 곤란하므로 좋은 방법이라 할 수 없으며, 기어를 이용하는 경우에는 백래시를 제거하기 힘들게 된다.

모터의 회전과 카메라의 회전각 사이에 비선형적인 관계를 구현하기 위한 방법으로 링크구조를 사용하는 방법도 사용되고 있다. 이러한 링크구조를 이용하는 경우에는 모터와 카메라사이에 비 선형적인 회전관계를 구현할 수 있으나, 사용자가 원하는 임의의 회전관계를 구현하는 데 그 한계가 있다.

또한, 기어나 벨트 등 기존의 동력 전달 방식과는 달리 풀리와 케이블을 이용하여 동력을 전달하는 텐던구동(Tendon-driven)구조에 관한 발명도 발표되고 있다. 도 1a는 이러한 텐던구동구조의 기본 구조를 나타내는 도면이며, 도 1b는 텐던구동구조에 사용되는 풀리의 사시도이다.

텐던구동구조는 한 쌍의 케이블(13, 14)을 이용하여 동력을 전달하는 방식으로, 동력을 발생시키는 모터(12:구동축)와 모터(12)로부터 동력을 얻어 위치가 변화하는 카메라(10)에 각각 풀리(15, 16)를 고정시키고 풀리(15, 16)에 한 쌍의 케이블(13, 14)을 고정하여 동력을 전달하는 방법이다.

모터(12)가 시계방향으로 회전하면 오른쪽의 케이블(13)은 카메라(10)쪽의 풀리(16)에서 풀려져 모터(12)쪽의 풀리(15)에 감기게 되며, 왼쪽의 케이블(14)은 모터(12)쪽의 풀리(15)에서 풀려서 카메라(10)쪽의 풀리(16)에 감기게 된다. 모터(12)가 반시계방향으로 회전하는 경우에는 이와 반대로 케이블(13, 14)이 감기고 풀리게 된다. 이와 같이 구동축인 모터의 회전으로 케이블(13, 14)이 풀리(15,16)에 감기면서 발생하는 장력으로 종동축인 카메라(10)를 회전시키는 방식이 텐던구동구조이다.

이때, 카메라(10)의 전체 회전범위가 360。 이하이므로 케이블(13, 14)은 1회만 감으면 되고, 풀리(15, 16)에 홈(18)을 만들어 풀리(15, 16)와 접촉하는 케이블(13, 14)을 유도할 수 있도록 되어 있다. 이와 같이, 케이블(13, 14)을 동력전달의 매개로 사용하는 방법은 동력전달 과정에서 발생하는 백래시를 현격히 감소시킬 수 있어 제어오차를 현격히 줄일 수 있다.

그러나, 이러한 텐던구동구조를 사용하는 경우 동력을 전달하는 구동축과 동력을 전달받는 종동축이 평행하지 않는 경우에 동력을 전달할 수 없어 공간활용도가 떨어지게 된다.

종래의 기술에는 텐던구동구조를 카메라 구동장치에 적용한 예는 없으며, 더욱이 구동축과 종동축 사이의 회전각에 대한 비선형 관계를 구현하는 예는 찾아볼 수 없다.

따라서, 본 발명의 목적은 구동축과 종동축 사이의 동력전달과정에 발생하는 백래시를 줄여 제어오차를 감소시키고, 구동축인 모터의 배치상의 자유로움을 확보하여 복잡한 구조에도 적용이 가능하며, 구동축의 일정한 회전량에 대해 종동축이 회전하는 각도를 종동축의 이접각에 따라 달리할 수 있는 비선형 회전관계를 구현하여 종동축의 이접운동 제어로부터 물체의 심도를 추출하는데 있어서 물체가 멀리 떨어져 있을 때 발생하는 심도정보의 민감도를 줄일 수 있는 구동장치를 제공하는데 있다.

도 1a은 텐던구동 구조의 기본 구성을 보여주는 구성도.

도 1b는 텐던구동구조에 사용되는 풀리의 형상을 나타내는 사시도.

도 2a는 본 발명에서 구동축이 평행하지 않는 경우 케이블 유도장치 사용을 설명하기 위한 구성도.

도 2b는 본 발명에서 케이블의 방향을 바꾸기 위한 유도장치의 형상을 나타내는 사시도.

도 3은 스테레오 카메라를 이용한 심도 추출을 설명하기 위한 도면.

도 4a는 비선형 회전관계를 위한 풀리의 단면 형상을 나타낸 도면.

도 4b는 비선형 회전관계를 구현하기 위해 볼 스플라인의 적용을 나타내기 위한 도면.

도 4c는 비대칭형 풀리와 볼 스플라인을 이용하여 비선형 회전관계를 구현하는 도면.

도 4d는 볼 스플라인의 단면 형상을 나타내는 도면.

도 5는 비선형 회전관계를 카메라 구동장치에 적용한 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 카메라 12 : 모터

13, 14 : 케이블 15 : 구동축(모터)측 풀리

16 : 종동축(카메라)측 풀리 18 : 풀리의 홈

20 : 케이블 유도장치 21 : 케이블 유도장치의 홈

30 : 물체 40 : 비대칭으로 가공된 풀리

43, 50 : 원형풀리 44 : 케이블의 접점

45 : 볼 스플라인 θ : 카메라의 이접각

l : 카메라간 거리 d : 물체의 심도

r(φ) : 비대칭풀리의 반지름 φ: 비대칭풀리의 회전각

위와 같은 목적을 달성하기 위한 텐던구동구조를 이용한 구동장치는 구동축(Driving Shaft)과 종동축(Driven Shaft)에 각각 고정되는 풀리, 풀리에 감겨 동력을 전달하는 케이블 및 구동축과 종동축이 평행하지 않은 경우 케이블의 방향을 종동축의 위치로 유도하는 케이블 유도장치를 포함한다. 또한, 본 발명의 구동장치는 구동축과 종동축간의 비선형 회전관계를 갖기 위한 비대칭풀리와 원형풀리를 더 포함한다. 이때, 비선형 회전관계는 구동축이 일정한 속도로 회전하더라도 종동축은 임의의 속도로 회전이 가능함을 의미한다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 2a는 동력을 발생시키는 모터의 회전축(주동축)과 동력을 전달받은 카메라의 회전축(종동축)이 서로 평행하지 않는 경우에 있어서 회전방향을 바꾸기 위해 케이블 유도장치의 적용을 설명하기 위한 도면이며, 도 2b는 도 2a에 사용된 케이블 유도장치의 형상을 설명하기 위한 도면이다. 도 2a에는 도 1a의 구동장치에서와 달리 모터(12)측의 풀리(15)와 카메라(10)측의 풀리(16)가 서로 평행하지 않다.

본 발명에서는 케이블을 동력전달매개로 사용하므로 작은 풀리(20)를 사용하여 케이블(13, 14)의 방향을 카메라(10)측 풀리(16)와 평행하도록 유도하여 동력전달 방향을 변경할 수 있다. 도 2a에서는 각 케이블(13, 14)에 1개의 풀리(20)를 사용하는 실시예를 보여주고 있으나 모터(12)의 설치위치에 따라 그 수를 달리 하여 여러번 방향을 바꿀 수 있다.

이렇게 동력전달을 위해 케이블을 이용하고, 케이블에 의한 동력전달 방향을 풀리(20)를 사용하여 사용자가 원하는 방향으로 변환시킬 수 있도록 하여, 구동장치의 무게를 감소시키고 구동장치가 차지하게 되는 공간도 적어져 이와같은 구동장치가 사용되는 전체시스템의 경량 및 소형화를 용이하게 실현할 수 있다.

이때, 케이블(13, 14)의 방향을 유도하기 위해 사용되는 풀리(20)는 도 2b에서와 같이 작은 원형모양이며 원주 둘레에 하나의 홈(21)이 있어 이 홈(21)에 케이블(13 또는 14)이 접촉된다.

도 3은 스테레오 카메라를 이용하여 물체의 심도를 추출하는 방법을 나타내는 도면이다.

스테레오 카메라(10)의 이접운동 제어를 통해 물체(30)의 심도(d)를 측정하고자 하는 경우, 물체(30)가 멀리 떨어져 있으면 카메라(10)의 제어각의 작은 오차가 심도정보(d)에 큰 영향을 미치게 된다. 두 카메라(10)의 이접각(θ)이 항상 같은 각도로 제어되는 경우 물체(30)의 심도정보(d)는 수학식 1에서와 같이 두 카메라(10)간의 거리(l)와 이접각(θ)으로 표현된다.

두 카메라(10)간 거리(l)가 일정한 경우 심도정보(d)는 이접각(θ)의 함수이며, 더 정확하게는 이접각(θ)의 탄젠트 함수이다. 따라서, 물체(30)가 멀리 떨어져 있는 경우에는 이접각(θ)이 커지게 되고 심도정보(d)에 대한 민감도 즉, 이접각(θ)대한 심도정보(d)의 변환율도 증가하게 된다.

수학식 2는 이러한 심도정보(d)의 민감도를 보여준다.

이접각(θ)이 0도에서 90도 범위 사이에서는 이접각(θ)이 증가할수록 이접각(θ)의 변화량에 대한 심도정보(d)의 변화량이 증가하여 이접각(θ) 제어의 부정확성에 따른 심도정보(d)의 오차는 물체가 멀리 떨어져 있을수록 증가한다는 것을 수학식 2로부터 확인할 수 있다.

일정한 제어오차를 갖는 모터(12)를 사용하여 이와 같은 이접각(θ) 변화에 따른 심도정보(d)의 오차 변화를 줄이거나 없애기 위해서는 모터(12)의 일정한 회전각에 대해 카메라(10)의 움직이는 각도가 카메라(10)의 위치에 따라 달라지도록 구현하면 된다. 즉, 모터(12)의 제어오차가 일정하다 하더라도 이접각(θ) 제어오차를 이접각(θ)에 따라 달리함으로써 심도정보(d)의 오차를 물체(30)가 떨어진 거리와 상관없이 일정하게 유지할 수 있다.

상술한 바와 같이 모터(12)의 일정한 회전각에 대해 카메라(10)가 회전하는 각도를 카메라(10)의 이접각(θ)에 따라 달리하여 심도정보(d)의 민감도를 줄이기 위해 모터(12)와 카메라(10)간 즉, 주동축과 종동축간 비선형 회전관계를 구현한다.

도 4a는 텐던구동구조에서 케이블로 연결된 한쌍의 풀리(15, 16) 중 어느 하나를 단면 형상이 원형이 아닌 비대칭 구조가 되도록 가공한 비대칭풀리(40)의 단면을 나타낸다.

케이블(13, 14)과 풀리(15, 16)를 이용하여 동력을 전달하는 경우 두 풀리(15, 16)사이의 회전양의 관계는 풀리(15, 16)의 반지름의 비와 관계된다. 따라서 한쪽의 풀리(15 또는 16)의 단면의 형상이 비대칭인 경우 비대칭풀리(40)의 회전각(φ)에 따라 케이블(13, 14)이 접촉하는 지점의 반지름 길이(r(φ))가 달라지므로 회전량의 비가 달라져 두 풀리(15 또는 16과 40)간 비선형 구동구조를 구현할 수 있게된다.

모터(12)에 부착된 풀리(15)의 반지름이 R로 일정하고 동력을 전달받는 풀리(40)의 반지름(r(φ))이 회전각(φ)에 따라 변화하는 경우 이들 사이의 회전관계는 케이블(13, 14)이 접촉하고 있는 지점의 풀리 반지름(r(φ))의 함수로 나타난다. 따라서 회전각(φ)에 따른 반지름(r)의 변화를 목적에 맞게 변화시킴으로써 사용자가 원하는 비선형 회전관계를 얻을 수 있게된다.

그러나 원형풀리와 비대칭풀리를 사용하여 비선형 회전관계를 구현하는데에는 다소의 문제가 발생한다. 도 4b는 이러한 문제점을 설명하기 위한 도면이다.

원형풀리(43)가 회전하여 비대칭풀리(40)를 구동하는 경우 비대칭풀리(40)의 회전각(φ)에 따라 비대칭풀리(40)의 반지름(r(φ))이 달라지므로 케이블(13)이 풀리(40, 43)에 접해있는 접점(44)의 위치가 변하게 된다. 물론, 이 접점(44)의 위치는 예측이 가능하나, 비대칭풀리(40)의 가공시 회전각(φ)에 따른 두 풀리(40,43)의 회전비 즉, 구동축과 종동축의 회전비 관계와 접점(44)의 위치변화를 함께 고려하여 계산하는데는 무리가 있다. 따라서 이 접점(44)의 위치를 항상 일정하게 고정시킬 필요가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 비대칭풀리(40)의 회전에 맞게 풀리(43)의 위치가 바뀌어야 한다.

본 발명에서는 도 4c에서와 같이 볼 스플라인(45)을 구동축에 적용하여 케이블(13)의 장력에 의해 원형풀리(43)의 위치가 변화하여 비대칭풀리(40)상의 케이블(13)의 접점(44)이 일정하게 유지될 수 있도록 한다. 도 4d는 볼 스플라인의 단면 형상을 나타내는 도면이다. 더욱이, 비대칭풀리(40)는 정방향 회전과 역방향 회전이 모두 가능하도록 각 케이블(13, 14)에 대응하여 두개가 서로 대칭되게 가공되어 부착된다.

본 발명의 비선형 회전관계를 이용한 구동장치를 스테레오 카메라의 구동장치에 적용함에 있어, 모터(12)쪽에 원형풀리(43)를 적용하고 카메라(10)쪽에 비대칭풀리(40)를 적용한다. 이때, 심도정보(d) 추출을 위한 카메라(10)의 이접각(θ) 제어범위가 0 ∼ 90도 범위내로 한정되므로, 비대칭풀리(40)의 반지름 변화도 0 ∼ 90도 사이에서 구현되어야 한다. 이와 같이 비대칭풀리(43)를 제작하는데 있어서 반지름의 변화가 좁은 범위 범위내에서 구현하여야 하는 적용에서는 풀리(43)의 반지름 변화가 급격하게 이루어져야 하므로 실제 구현의 측면에서 효과적인 결과를 얻기 힘들게 된다.

따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 도 5에서와 같이 카메라(10)와 모터(12)에 모두 원형풀리(15, 16)를 적용하고, 두 풀리(15, 16)사이에비대칭풀리(40)와 원형풀리(50)를 두어 카메라(10)와 비대칭풀리(40)의 회전 사이에 감속이 이루어지도록 한다. 이러한 원리를 보다 상세하게 설명하면, 예컨대 원형풀리(50)의 반지름이 카메라(10)쪽의 풀리(16)의 반지름보다 4배 작게 되는 경우, 카메라(10)를 0 ∼ 90도 회전시키기 위해 원형풀리(50)는 이것의 4배인 0 ∼ 360도 회전이 이루어져야 한다. 즉, 카메라(10)를 0 ∼ 90도 회전시키기 위해 원형풀리(50)와 일체된 비대칭풀리(40)가 0 ∼ 360도 범위에서 회전이 이루어지면 되므로 풀리(40)의 반지름 변화가 급격하게 이루어지지 않아도 된다.

이로써, 모터(12)와 카메라(10)사이 즉, 구동축과 종동축간의 효과적인 비대칭 회전관계를 얻을 수 있게된다.

본 발명의 이접운동을 제어하기 위한 구동장치는 스테레오 카메라에 사용되는 것을 주 목적으로 하고 있으나 이러한 구동장치는 스테레오 카메라 뿐만아니라 일정한 회전각을 갖는 구동축의 동력을 사용자가 원하는 임의의 회전각을 갖도록 종동축에 전달할 수 있는 모든 분야에 응용이 가능하다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 텐던구동구조를 이용한 구동장치는 구동 기구부의 경량화를 가능하게 하고, 복잡하고 협소한 구조에 용이하게 적용될 수 있으며, 동력전달 과정에서 발생하는 백래시를 감소하여 카메라 제어의 오차를 감소시킬 수 있다. 더욱이, 구동축의 일정한 회전각에 대해 종동축의 위치에 따라 종동축이 움직이는 각도를 달리할 수 있는 비선형 회전관계를 구현하여 구동축의 최소 제어오차가 일정하다 하더라도 스테레오 카메라를 이용한 심도추출에서 발생하는물체의 위치에 따른 심도정보의 민감도를 줄일 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 모터의 회전을 이용하여 동력을 전달하는 구동장치에 있어서,

   구동축(Driving Shaft)과 종동축(Driven Shaft)에 각각 고정되는 풀리;

   상기 풀리에 감겨 동력을 전달하는 케이블; 및

   상기 구동축과 상기 종동축이 평행하지 않은 경우, 상기 케이블의 방향을 종동축의 위치로 유도하는 케이블 유도장치를 포함하는 텐던구동구조를 이용한 구동장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 풀리 및 케이블 유도장치는 상기 케이블이 일정하게 감길 수 있도록 하는 홈을 갖는 것을 특징으로 하는 텐던구동구조를 이용한 구동장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 풀리 중 어느 하나는 상기 구동축의 일정한 회전속도에 따라 상기 종동축의 회전속도를 임의로 변경시키기 위해 풀리의 지름을 회전각에 대한 함수로 하는 비대칭풀리인 것을 특징으로 하는 텐던구동구조를 이용한 구동장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 구동축의 일정한 회전속도에 따라 상기 종동축의 회전속도를 임의로 변경시키기 위해 상기 구동축 풀리와 상기 종동축 풀리사이에 풀리의 지름을 회전각에 대한 함수로 하는 비대칭풀리를 적어도 하나 더 포함하는 것을 특징으로 하는 텐던구동구조를 이용한 구동장치.
5. 제 3항 또는 제 4항에 있어서, 상기 구동축 풀리에는 상기 구동축 풀리 및 상기 종동축 풀리가 회전함에 따라 상기 구동축 풀리 및 상기 종동축 풀리에서의 접점을 일정하게 유지하기 위한 볼스플라인이 적용되는 것을 특징으로 하는 텐던구동구조를 이용한 구동장치.
6. 제 3항 또는 제 4항에 있어서, 상기 비대칭풀리는 정방향 회전과 역방향 회전이 가능하도록 두 개의 상기 비대칭풀리가 서로 대칭되게 겹쳐져 배치되는 것을 특징으로 하는 텐던구동구조를 이용한 구동장치.
7. 제 4항에 있어서, 상기 종동축 풀리의 감속에 의해 상기 비대칭풀리의 반지름 변화를 완만하게 하기 위해 상기 비대칭풀리와 겹쳐 배치되는 원형풀리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 텐던구동구조를 이용한 구동장치.