KR101012998B1

KR101012998B1 - 생체모방형 로봇 눈 어셈블리

Info

Publication number: KR101012998B1
Application number: KR1020080076860A
Authority: KR
Inventors: 이연정; 손형민; 최종문
Original assignee: 경북대학교 산학협력단
Priority date: 2008-08-06
Filing date: 2008-08-06
Publication date: 2011-02-10
Also published as: KR20100018194A

Abstract

본 발명은 생체모방형 로봇 눈 어셈블리에 관한 것으로, 렌즈(10); 상기 렌즈(10)의 가장자리부를 잡아주는 그립퍼(20); 상기 렌즈(10) 외측에 링형상으로 설치되어 정위치 회전되는 회전링(30); 내측부가 상기 그립퍼(20)에 힌지결합되고, 외측부가 상기 회전링(30)에 힌지결합되어, 중간부의 고정축(43)을 중심으로 회동되며 상기 회전링(30)의 회전방향 및 변위에 따라 상기 그립퍼(20)를 상기 렌즈(10)의 내외측으로 이동조정시키는 링크(40); 및 상기 회전링(30)을 일측 또는 타측으로 회전조정시키는 링회전조정부(50);를 포함하여 구성되어, 곡률조정이 가능한 고분자 탄성소재의 렌즈와 형상기억합금 엑츄에이터를 적용하여 사람 눈의 수정체 및 모양근과 동일한 메커니즘으로 초점거리를 조절 가능한 로봇 눈 시스템을 제공하면서도, 단일의 렌즈를 적용하여 보다 경량 및 소형으로 구현가능하고 내구성 및 내충격성이 우수한 생체모방형 로봇 눈 어셈블리에 관한 것이다.

로봇 눈, 초점조절, 형상기억합금, 렌즈

Description

생체모방형 로봇 눈 어셈블리{biomimetic robot-eye assembly}

본 발명은 생체모방형 로봇 눈 어셈블리에 관한 것으로, 보다 상세하게는 모양근을 이완 또는 수축함으로써 수정체의 곡률을 변화시키는 사람 눈의 초점조절 매커니즘과 동일한 메커니즘으로 초점조절이 가능하도록 하는 생체모방형 로봇 눈 어셈블리에 관한 것이다.

초점 조절기능을 가지는 렌즈시스템은 카메라와 그 외 다양한 영상 응용분야를 포함한 광학계에 광범위하게 적용되고 있으나, 일반적으로 초점을 조절하기 위해 정렬된 여러 개의 렌즈를 사용하고 있어 앞뒤로 부피가 커지며 무거운 단점을 가지고 있으며, 근래에 초점조절 가능한 렌즈로서 electro-wetting렌즈를 포함하여 다양한 액체렌즈가 개발되고 있으나 이들은 중력과 외부충격에 약하다는 문제점이 있었다.

상술한 바와 같은 목적 달성을 위한 본 발명은, 단일의 렌즈를 적용하여 보다 경량 및 소형으로 구현가능하면서도 내구성 및 내충격성이 우수한 생체모방형 로봇 눈 어셈블리를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 바와 같은 목적 달성을 위한 본 발명은, 렌즈(10); 상기 렌즈(10)의 가장자리부를 잡아주는 그립퍼(20); 상기 렌즈(10) 외측에 링형상으로 설치되어 정위치 회전되는 회전링(30); 내측부가 상기 그립퍼(20)에 힌지결합되고, 외측부가 상기 회전링(30)에 힌지결합되어, 중간부의 고정축(43)을 중심으로 회동되며 상기 회전링(30)의 회전방향 및 변위에 따라 상기 그립퍼(20)를 상기 렌즈(10)의 내외측으로 이동조정시키는 링크(40); 및 상기 회전링(30)을 일측 또는 타측으로 회전조정시키는 링회전조정부(50);를 포함하여 구성되는 생체모방형 로봇 눈 어셈블리를 기술적 요지로 한다.

여기서, 상기 렌즈(10)는 고분자 탄성소재로 이루어진다.

또한, 상기 링회전조정부(50)는, 상기 회전링(30)의 양방향 회전에 필요한 구동력을 제공하는 SMA 액츄에이터(미도시); 및 상기 회전링(30)이 상기 SMA 액츄에이터에 연동되도록 상기 회전링(30)에 일부가 구속된 상태로 상기 SMA 액츄에이터의 구동에 따라 일측 또는 타측으로 당겨지는 SMA 와이어(51);를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 링회전조정부(50)는, 상기 SMA 와이어(51)의 연장경로상에 설치되며, 상기 SMA 와이어(51)의 직선 연장경로에 대해 인접 또는 이격되는 방향으로 접속구를 이동시키며 상기 SMA 와이어(51)의 장력을 조정하는 장력조절부(53);를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 SMA 와이어(51)는, 상기 회전링(30) 외측에 정간격을 두고 설치된 다수의 롤러(55)의 외측면에 접속되어 원형에 유사한 다각형을 이루며 감겨지는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 링회전조정부(50)는, 상기 회전링(30)의 외면부에 형성된 다수의 피동기어치(57); 및 상기 회전링(30)이 감속 회전되도록 상기 회전링(30) 보다 적은 갯수의 기어치를 구비하여 상기 회전링(30)의 피동기어치(57)에 치합되게 설치되는 구동기어(59);를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 그립퍼(20)와 링크(40)는, 상기 렌즈(10)를 중심으로 동심원을 유지하도록 설치된 다수가 구비되는 것이 바람직하다.

그리고, 초점 조절 후에 별도의 구동력 없이 상기 회전링(30)이 정지된 상태로 유지가능하도록 상기 회전링(30)과 상기 회전링(30)이 설치되는 렌즈커버(60) 사이에 설치되는 마찰패드(미도시);를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명은, 곡률조정이 가능한 고분자 탄성소재의 렌즈와 형상기억합금 엑츄에이터를 적용하여 사람 눈의 수정체 및 모양근과 동일한 메커니즘으로 초점거리를 조절 가능한 로봇 눈 시스템을 제공하며, 초점 조절 후에 는 추가의 구동력 없이도 마찰패드로 셀프락을 구현가능하다는 효과가 있다.

또한, 단일의 렌즈로서 초점거리가 조절 가능하여, 기존의 광학시스템이 초점을 조절하기 위해 정렬된 여러 개의 렌즈를 사용함으로써 앞뒤로 부피가 커지며 무거운 단점을 가지던 것을 해결할 수 있다는 다른 효과가 있다.

그리고, 렌즈가 고유의 탄성을 가지고 형태를 유지하고 있어, 기존의 액체렌즈에 비해 중력과 충격과 같은 외부의 영향에 대해 내구성을 현격히 향상시킬 수 있다는 다른 효과가 있다.

이에 따라, 로봇 비젼시스템이 적용되는 로봇기술분야, 모바일 단말기의 카메라 렌즈, CCTV 렌즈, 일반 카메라 렌즈를 구비한 광학분야 전반에 걸쳐 렌즈의 초점조절기능을 구현함에 있어서, 장치의 소형화와 우수한 내구성 및 내충격성 확보에 실질적으로 기여하는 새로운 개념의 단일 초점조절 시스템을 제공한다는 다른 효과가 있다.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명을 다음의 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1, 2는 각각 본 발명에 따른 생체모방형 로봇 눈 어셈블리의 제1실시예가 근거리 초점조정, 장거리 초점조정을 위해 조정된 상태를 도시한 요부배면도이고, 도 3은 회전링의 회전변위에 따른 링크의 회동을 보이고자 도시한 요부투시배면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 생체모방형 로봇 눈 어셈블리의 제1실시예의 조립과정을 도시한 요부사시도이고, 도 5, 6은 각각 본 발명에 따른 생체모방형 로봇 눈 어셈블리의 제2실시예가 근거리 초점조정, 장거리 초점조정을 위해 조정된 상태를 도시한 요부배면도이다.

본 발명에 따른 생체모방형 로봇 눈 어셈블리는, 크게 렌즈(10), 그립퍼(20), 회전링(30), 링크(40), 링회전조정부(50)로 이루어지는바, 렌즈(10)의 가장자리부에 상기 그립퍼(20)의 단부가 결합되어 고정되고, 상기 회전링(30)의 정방향 또는 역방향 회전조정에 의해 상기 그립퍼(20)가 상기 렌즈(10)의 중심에 대해 내측 또는 외측으로 이동조정되도록 상기 링크(40)의 내, 외측 양단부가 각각 상기 그립퍼(20)와 회전링(30)에 힌지결합되며, 상기 링회전조정부(50)가 상기 회전링(30)을 양방향으로 회전조정하게 설치된 구조를 가진다.

사람의 눈은 가까운 곳을 볼 때는 근거리에 맞추어 초점이 가까이로 이동하도록 수정체를 둘러싸고 있는 모양체의 근육수축이 일어나면서 수정체가 두꺼워지고, 먼 곳을 볼 때는 반대로 장거리에 맞추어 초점이 멀리 이동하도록 모양체의 근육이완이 일어나면서 수정체가 얇아지게 되는데, 본 발명에서 상기 렌즈(10)는, 이러한 메카니즘을 구현하는 사람의 눈의 수정체에 해당되는 구성요소로, 신축변형에 따른 곡률변화가 가능하도록 신축성이 우수한 고분자 탄성소재로 이루어지는 것이 바람직하다.

이러한 렌즈(10)는 비구면 또는 구면으로 이루어지는 렌즈면과, 그 외측테두리부터 연장되는 플랜지면을 포함하는바, 상기 렌즈(10)의 플랜지면인 가장자리부를 잡아주는 그립퍼(20)가 외력에 의해서 상기 렌즈(10)의 중심에 대해 내측 또는 외측으로 이동하면, 상기 렌즈(10)가 방사방향으로 신축되면서 상기 렌즈의 렌즈면에 대한 곡률을 변화시키면서 초점거리를 조절하게 된다.

상기 회전링(30)은, 상기 렌즈(10) 외측에 링형상으로 설치되어 정위치 회전하게 되며, 상기 링크(40)는, 내측부가 상기 그립퍼(20)에 힌지결합되고, 외측부가 상기 회전링(30)에 힌지결합되며, 중간부가 고정축(43)에 회동가능하게 축결합되어, 상기 회전링(30)의 회전방향 및 변위에 따라 상기 고정축(43)을 중심으로 회동되며 상기 그립퍼(20)를 상기 렌즈(10)의 내측 또는 외측으로 이동조정시키게 된다.

상기 그립퍼(20)는, 상기 렌즈(10)의 정면 또는 배면형상이 동심원을 유지하면서 전, 후면부의 곡률조정이 정밀하게 이루어질 수 있도록 상기 렌즈(10)의 가장자리부 전반에 다수가 고르게 설치되는 것이 바람직하다.

상기 링크(40) 또한 각각의 상기 그립퍼(20)가 상기 렌즈(10)의 중심에 대해 동심원을 유지하면서 동시에 정밀하게 이동될 수 있도록 상기 그립퍼(20)마다 개별적으로 연결되어 방사형으로 설치되는 것이 바람직하다.

상기와 같은 조립구조를 구현함에 있어서는, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 렌즈커버(60)의 일측면에 돌출형성된 지지부재에 상기 회전링(30)을 회전가능하게 끼우고, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 상기 그립퍼(20)가 내측단부에 힌지조립된 링크(40)의 외측단부에 형성된 홈부를 상기 회전링(30)에 형성된 원주부에 끼운 후, 도 4의 (c), (d)에 도시된 바와 같이 상기 고정축(43)을 상기 링크(40)의 중간부를 관통하여 상기 렌즈커버(60)에 고정시킴으로써 구현가능하다.

상기 링회전조정부(50)는, 상기 회전링(30)을 일측 또는 타측으로 회전조정가능하도록 구비되는 구성요소로, 본 발명의 제1실시예에서 상기 링회전조정부(50)는, 상기 회전링(30)의 양방향 회전에 필요한 구동력을 제공하는 SMA(형상기억합금, Shape Memory Alloy) 액츄에이터(미도시)와, 상기 회전링(30)이 상기 SMA 액츄에이터에 연동되도록 상기 회전링(30)에 일부가 구속된 상태로 상기 SMA 액츄에이터의 구동에 따라 일측 또는 타측으로 당겨지는 SMA 와이어(51)를 구비한 구조를 가진다.

본 발명의 제1실시예에서, 상기 링회전조정부의 SMA 와이어(51)는, 도 1, 2에 도시된 바와 같이, 상기 회전링(30) 외측에 정간격을 두고 설치된 다수의 세라믹 롤러(55)의 외측면에 연속되게 접속되어 원형에 유사한 다각형을 이루며 감겨진 상태로, 상기 SMA 액츄에이터에 의해 신축조정되며 상기 회전링(30)을 일측 또는 타측으로 회전시키는 회전력을 상기 회전링(30)에 전달하게 된다.

본 발명의 제1실시예에서, 상기 링회전조정부(50)는, 상기 SMA 와이어(51)의 반복적인 사용으로 인해 발생하는 장력변화를 조절가능하도록 상기 SMA 와이어(51)의 연장경로상에 장력조절부(53)를 구비한 구조를 가지며, 상기 장력조절부(53)는 상기 SMA 와이어(51)의 직선 연장경로에 대해 인접 또는 이격되는 방향으로 접속구를 이동시키며 상기 SMA 와이어(51)의 장력을 조정하게 되며, 상기 SMA 와이어(51)에 항시 가압접속된 상태를 유지하는 상기 다수의 롤러(55) 중 일부를 상기 접속구로써 이용하고 있다.

도 1, 3의 (a)에 도시된 바와 같이 상기 SMA 와이어(51)가 상기 롤러(55)를 따라 감겨진 상태에서 일측으로 당겨지면 상기 회전링(30)이 회전하게 되며, 이 회전에 의해 상기 회전링(30)과 고정축(43)에 결속된 상기 링크(40)는 동심원을 유지하며 회동하게 되고, 상기 링크(40)의 내측단부에 결속되어 있는 상기 그립퍼(20)는 상기 렌즈(10)를 외측으로 당기면서 도 2, 3의 (b)에 도시된 바와 같은 상태가 된다.

반대로, 도 2, 3의 (b)에 도시된 바와 같은 상태에서 상기 SMA 와이어(51)가 타측으로 당겨지면 도 1, 3의 (a)에 도시된 바와 같은 상태로 조정되며, 상기와 같이 상기 렌즈(10)가 외측으로 당겨지거나 내측으로 밀리면 상기 렌즈(10)의 곡률이 변하고 곡률변화에 따른 초점거리 조절이 이루어진다.

상기와 같은 작동에 따라 초점조절이 이루어진 후에는 별도의 구동력이 지속적으로 작용하지 않아도 상기 회전링(30)이 정지된 상태로 유지가능하도록, 상기 회전링(30)과 렌즈커버(60) 사이에 마찰패드(미도시)를 설치하면, 초점 조절된 이후에는 상기 SMA 엑츄에이터의 구동없이도 상기 마찰패드에 의해 셀프락이 가능하다.

본 발명의 제1실시예에서 상기 링회전조정부(50)는, 도 5, 6에 도시된 바와 같이, 상기 회전링(30)의 외면부에 형성된 다수의 피동기어치(57)와, 상기 회전링(30)을 감속회전시키도록 상기 회전링(30) 보다 적은 갯수의 기어치를 구비하여 상기 회전링(30)의 피동기어치(57)에 치합되게 설치되는 구동기어(59)를 구비함으로써, 상기 구동기어(59)의 일측 또는 타측으로의 회전조정에 의해 상기 회전링(30)의 정밀한 양방향 조정이 가능하도록 한다.

본 발명에 따른 생체모방형 로봇 눈 어셈블리에 의하면, 곡률조정이 가능한 고분자 탄성소재의 상기 렌즈(10)와 형상기억합금 소재 조정용 SMA 엑츄에이터를 적용하여 사람 눈의 수정체 및 모양근과 동일한 메커니즘으로 초점거리를 조절 가능한 로봇 눈 시스템을 제공하며, 초점 조절 후에는 추가의 구동력 없이도 마찰패드를 이용해 셀프락을 구현가능하다.

또한, 단일의 렌즈로서 초점거리가 조절 가능하여, 기존의 광학시스템이 초점을 조절하기 위해 정렬된 여러 개의 렌즈를 사용함으로써 앞뒤로 부피가 커지며 무거운 단점을 가지던 것을 해결할 수 있으며, 렌즈가 고유의 탄성을 가지고 형태를 유지하고 있어, 기존의 액체렌즈에 비해 중력과 충격과 같은 외부의 영향에 대해 내구성을 현격히 향상시킬 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 작동원리 및 효과를 구현하게 되는 새로운 개념의 단일 초점조절 시스템을 제공함으로써, 로봇 비젼시스템이 적용되는 로봇기술분야, 모바일 단말기의 카메라 렌즈, CCTV 렌즈, 일반 카메라 렌즈를 구비한 광학분야 전반에 걸쳐 렌즈의 초점조절기능을 구현함에 있어서, 장치의 소형화와 우수한 내구성 및 내충격성 확보에 실질적으로 기여하게 될 것이다.

도 1 - 본 발명에 따른 생체모방형 로봇 눈 어셈블리의 제1실시예가 근거리 초점조정을 위해 조정된 상태를 도시한 요부배면도

도 2 - 본 발명에 따른 생체모방형 로봇 눈 어셈블리의 제1실시예가 장거리 초점조정을 위해 조정된 상태를 도시한 요부배면도

도 3 - 회전링의 회전변위에 따른 링크의 회동을 보이고자 도시한 요부투시배면도

도 4 - 본 발명에 따른 생체모방형 로봇 눈 어셈블리의 제1실시예의 조립과정을 도시한 요부사시도

도 5 - 본 발명에 따른 생체모방형 로봇 눈 어셈블리의 제2실시예가 근거리 초점조정을 위해 조정된 상태를 도시한 요부배면도

도 6 - 본 발명에 따른 생체모방형 로봇 눈 어셈블리의 제2실시예가 장거리 초점조정을 위해 조정된 상태를 도시한 요부배면도

<도면에 사용된 주요 부호에 대한 설명>

10 : 렌즈 20 : 그립퍼

30 : 회전링 40 : 링크

43 : 고정축 50 : 링회전조정부

51 : SMA 와이어 53 : 장력조절부

55 : 롤러 57 : 피동기어치

59 : 구동기어 60 : 렌즈커버

Claims

렌즈(10);

상기 렌즈(10)의 가장자리부를 잡아주는 그립퍼(20);

링형상으로 구비되어 상기 렌즈(10)의 외측에 배치되고, 양방향 회전이 가능하도록 렌즈커버(60)의 일측면에 결합되는 회전링(30);

내측부가 상기 그립퍼(20)에 힌지결합되고, 외측부가 상기 회전링(30)에 힌지결합되어, 중간부의 고정축(43)을 중심으로 회동되며 상기 회전링(30)의 회전방향 및 변위에 따라 상기 그립퍼(20)를 상기 렌즈(10)의 내외측으로 이동조정시키는 링크(40); 및

상기 회전링(30)을 일측 또는 타측으로 회전시키는 링회전조정부(50);를 포함하고,

상기 링회전조정부(50)는, 상기 회전링(30)의 양방향 회전에 필요한 구동력을 제공하는 SMA 액츄에이터; 및

상기 회전링(30)이 상기 SMA 액츄에이터에 연동되도록 상기 회전링(30)에 일부가 구속된 상태로 상기 SMA 액츄에이터의 구동에 따라 일측 또는 타측으로 당겨지는 SMA 와이어(51);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 생체모방형 로봇 눈 어셈블리.
렌즈(10);

상기 렌즈(10)의 가장자리부를 잡아주는 그립퍼(20);

링형상으로 구비되어 상기 렌즈(10)의 외측에 배치되고, 양방향 회전이 가능하도록 렌즈커버(60)의 일측면에 결합되는 회전링(30);

내측부가 상기 그립퍼(20)에 힌지결합되고, 외측부가 상기 회전링(30)에 힌지결합되어, 중간부의 고정축(43)을 중심으로 회동되며 상기 회전링(30)의 회전방향 및 변위에 따라 상기 그립퍼(20)를 상기 렌즈(10)의 내외측으로 이동조정시키는 링크(40); 및

상기 회전링(30)을 일측 또는 타측으로 회전시키는 링회전조정부(50);를 포함하고,

상기 링회전조정부(50)는, 상기 회전링(30)의 외면부에 형성된 다수의 피동기어치(57); 및 상기 회전링(30)이 감속 회전되도록 상기 회전링(30) 보다 적은 갯수의 기어치를 구비하여 상기 회전링(30)의 피동기어치(57)에 치합되게 설치되는 구동기어(59);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 생체모방형 로봇 눈 어셈블리.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 렌즈(10)는 고분자 탄성소재로 이루어짐을 특징으로 하는 생체모방형 로봇 눈 어셈블리.
제1항에 있어서, 상기 링회전조정부(50)는,

상기 SMA 와이어(51)의 연장경로상에 설치되며, 상기 SMA 와이어(51)의 직선 연장경로에 대해 인접 또는 이격되는 방향으로 접속구를 이동시키며 상기 SMA 와이어(51)의 장력을 조정하는 장력조절부(53);

를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 생체모방형 로봇 눈 어셈블리.
제1항에 있어서, 상기 SMA 와이어(51)는,

상기 회전링(30) 외측에 정간격을 두고 설치된 다수의 롤러(55)의 외측면에 접속되어 원형에 유사한 다각형을 이루며 감겨지는 것을 특징으로 하는 생체모방형 로봇 눈 어셈블리.
제1항에 있어서, 상기 그립퍼(20)와 링크(40)는,

상기 렌즈(10)를 중심으로 동심원을 유지하도록 설치된 다수가 구비되는 것을 특징으로 하는 생체모방형 로봇 눈 어셈블리.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 회전링(30)과 상기 회전링(30)이 설치되는 렌즈커버(60) 사이에는 상기 회전링(30)이 정지된 상태로 유지가능하도록 마찰패드가 추가적으로 구비되는 것을 특징으로 하는 생체모방형 로봇 눈 어셈블리.
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