KR101038925B1

KR101038925B1 - 회전 3자유도를 가지는 발판입력장치

Info

Publication number: KR101038925B1
Application number: KR1020090021232A
Authority: KR
Inventors: 조영호; 백두진; 임혜원; 김영우
Original assignee: 국립암센터
Priority date: 2009-03-12
Filing date: 2009-03-12
Publication date: 2011-06-03
Also published as: EP2228705A2; JP5185216B2; US20100230259A1; EP2228705A3; KR20100102920A; US8319125B2; CN101833353B; JP2010214085A; CN101833353A; EP2228705B1

Abstract

본 발명은 회전 3자유도를 가지는 발판입력장치에 관한 것으로서, 베이스 플레이트와, 베이스 플레이트의 중심부에 설치되는 회전중심부와, 회전중심부에 접지플레이트를 매개로 하여 연결 설치되며 조작자의 발 움직임에 따라 회전중심부를 중심으로 구동부재의 3자유도 구동이 가능하도록 조작하는 발판플레이트와, 발판플레이트의 하면에 설치된 접지플레이트에 교대로 접지되도록 베이스 플레이트상에 마주하여 설치되는 한 쌍의 피치(pitch)스위치와, 접지플레이트에 교대로 접지되도록 한 쌍의 피치(pitch)스위치로부터 직각 방향으로 설치되는 한 쌍의 롤(roll)스위치와, 접지플레이트의 하면에 돌출 설치된 요(yaw)스위치접지부의 회전에 의해 교대로 접지되도록 베이스 플레이트 상에 간격 이격되어 설치되는 한 쌍의 요(yaw)스위치를 포함한다.

따라서 본 발명에 의하면, 발판입력장치의 3자유도 실현이 한 점의 회전 중심에서 이루어지도록 함으로써, 단순한 구조로 소형화가 가능하고, 구동부재의 병진 운동이 발판의 회전을 통하여 이루어짐으로 하여 조작자의 발 움직임을 최소화할 수 있는 효과를 가진다.

피치(pitch), 롤(roll), 요(yaw), 병진, 발판, 회전, 3자유도, 발

Description

회전 3자유도를 가지는 발판입력장치{FOOT PEDAL APPARATUS HAVING ROTATIONAL THREE DEGREE FREEDOM}

본 발명은 회전 3자유도를 가지는 발판입력장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기계식, 압력 작동식 또는 전기식 장치의 발판 조작장치에 있어, 병진 운동이 포함된 구동부재의 3자유도 즉, 회전(roll)+회전(pitch)+병진(z) 및 병진(x)+병진(y)+회전(yaw) 운동이 손을 사용하는 조작에서는 간단한 구조이나 발을 사용해야하는 조작에서는 손에 비해 상대적으로 조작자의 불편이 가중되는 병진운동에 대해 조작자의 최소한의 발 움직임으로 작동 가능한 발판입력장치에 관한 것이다.

풋 스위치(foot switch)를 이용하여 온(on) 또는 오프(off)시키거나 작업 속도를 풋 스위치를 이용해 조절할 수 있는 장치들은 이미 많이 개발되어 사용되어 지고 있다. 이는 손을 다른 작업에 사용해야 하거나 또는 안전상의 이유로 인해 손과 발을 동시에 이용해야 할 경우에 이러한 풋 스위치 작동 방식은 긴요하게 사용될 수 있다.

예를 들어 현대 수술, 특히 복강경 수술이나 안과 수술 도중 외과 의사는 다양한 기기의 여러 기능을 수행시키기 위하여 풋 스위치를 이용하여 보조 기능을 수행하게 된다.

종래 기술의 풋 스위치로는 미국 특허 제6,132,313호와, 다른 미국 특허 제5,787,760호에 공개되어 있다.

그러나, 이러한 특허들은 회전 2자유도(pitch, yaw)와 전, 후진 이동을 이루기 위하여 구조가 매우 복잡하고 부피가 커지는 단점이 있었다. 특히 미국 특허 제6,132,313호에서는 피치와 요의 회전 중심이 일치하지 않아 각각의 피벗 요소가 필요하며, 전 후진 운동의 조작 범위를 위한 별도의 공간이 필요하였다. 또한, 미국 특허 제5,787,760호에서도 정밀한 운동 제어를 위해서 리니어 가이드가 필요하며 역시 전, 후진 운동의 조작 범위를 위한 별도의 공간이 필요하다.

따라서 구조적으로나 부피에 있어 보다 개선되고 용이하게 3자유도를 실현할 수 있는 발판입력장치의 개발이 계속적으로 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로, 그 목적은 3자유도가 한 점의 회전 중심에서 이루어질 수 있는 단순 조합 구조로 이루어짐으로써, 소형화가 가능하고, 구동부재의 병진 운동이 발판의 회전을 통하여 이루어짐으로 하여 최소한의 발 움직임으로도 조작이 가능하도록 한 회전 3자유도를 가지는 발판입력장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 베이스 플레이트와, 베이스 플레이트의 중심부에 설치되는 회전중심부와, 회전중심부에 접지플레이트를 매개로 하여 연결 설치되며 조작자의 발 움직임에 따라 회전중심부를 중심으로 구동부재가 회전 3자유도(roll, pitch, yaw), 병진 3자유도(x(좌우), y(전후). z(상하)), 병진 2자유도와 회전 1자유도 조합(x, y, yaw) 및 회전 2자유도와 병진 1자유도 조합(roll, pitch, z)의 이동이 되도록 조작하는 발판플레이트와, 발판플레이트의 하면에 설치된 접지플레이트에 교대로 접지되도록 베이스 플레이트상에 마주하여 설치되는 한 쌍의 피치스위치와, 접지플레이트에 교대로 접지되도록 한 쌍의 피치스위치로부터 직각 방향으로 설치되는 한 쌍의 롤스위치와, 접지플레이트의 하면에 돌출 설치된 요스위치접지부의 회전에 의해 교대로 접지되도록 베이스 플레이트 상에 간격 이격되어 설치되는 한 쌍의 요스위치를 포함하는 발판입력장치를 제공한다.

그리고 발판플레이트의 하면에 접지플레이트가 밀착 설치되어 발판플레이트와 접지플레이트가 연동될 수 있다.

회전중심부는, 베이스 플레이트의 중심에 설치되는 볼구름레이스와, 볼구름레이스의 내측에 구름 접촉으로 회동 및 회전 가능하도록 결합되는 볼조인트로 구성될 수 있으며, 다른 방법으로 유니버셜 조인트와 스러스트 베어링을 조합하여 구 성될 수 있다.

그리고 발판플레이트의 피치 및 롤의 이동 후 원위치로 복귀가 이루어지도록 베이스 플레이트의 테두리에 근접하는 내주면을 따라 지지부가 설치되고, 지지부를 따라 하나 이상의 복귀스프링부가 설치될 수 있다.

또한, 발판플레이트의 요 이동 후 복귀가 이루어지도록 베이스 플레이트의 테두리에 근접하는 내주면을 따라 지지부가 설치되고, 지지부를 따라 하나 이상의 인장스프링이 방사형으로 접지플레이트에 연결 설치될 수 있다.

또, 한 쌍의 피치스위치와, 한 쌍의 롤스위치와, 한 쌍의 요스위치는 전기적으로 접속된 접지편이 있는 스위치로 이루어질 수 있다.

더욱이 구동부재는 회전 3자유도(roll, pitch, yaw), 병진 3자유도(x(좌우), y(전후). z(상하)), 병진 2자유도와 회전 1자유도 조합(x, y, yaw) 및 회전 2자유도와 병진 1자유도 조합(roll, pitch, z)의 형태를 가지는 기구이면 모두 가능하며, 일예로 복강경 수술 및 로봇 수술에 사용되는 복강경을 조작하기 위한 매니퓰레이터일 수 있다. 이 복강경 매니퓰레이터는 회전(roll)+회전(pitch)+병진(z) 조합의 3자유도를 가진다.

본 발명의 회전 3자유도를 가지는 발판입력장치에 의하면, 3자유도의 회전 중심이 한 점에서 이루어지도록 함으로써, 단순한 구조로 소형화가 가능하고, 구동부재의 병진 운동이 발판의 회전을 통하여 이루어짐으로 하여 조작자의 발 움직임 을 최소화할 수 있는 효과를 가진다.

이하 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 더욱 상세히 설명하기로 하지만, 이는 예시에 불과한 것이며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발판입력장치의 분리 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발판입력장치에서 요 운동을 설명하기 위한 평면도이고, 도 3 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발판입력장치에서 피치 및 롤 운동을 설명하기 위한 측단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 실시형태의 회전 3자유도를 가지는 발판입력장치(100)는, 크게 베이스 플레이트(110)와, 롤, 피치 및 요 운동의 중심이 되는 회전중심부(120)와, 베이스 플레이트(110)상에 설치되어 구동부재(1)를 전기적 신호에 의하여 이동시키게 되는 피치스위치(140), 롤스위치(150), 요스위치(160)와 그리고 발 조작에 의해 이들 스위치(140)(150)(160)를 교대로 접지시키는 발판플레이트(130)로 구성된다.

여기서 베이스 플레이트(110)는, 원형 또는 다각형 형태로 하는 판상으로 편평한 바닥면을 가지고서 바닥에 위치된다. 재질은 금속재 또는 합성수지재일 수 있으며, 바닥면에는 바닥과의 밀착력 증대를 위하여 고무재 등이 설치될 수 있다.

이러한 베이스 플레이트(110)의 중심부에 회전중심부(120)가 설치될 수 있다. 회전중심부(120)는 롤, 피치 및 요 운동이 한 곳의 중심 위치에서 이루어지도록 하는 곳으로서, 베이스 플레이트(110)의 중심에 오목한 홈을 가지는 볼구름레이스(122)가 설치되며, 이 볼구름레이스(122)의 오목한 내측으로 볼부분이 결합되어 구름 접촉에 의하여 회동 및 회전이 가능하도록 볼조인트(124)가 설치될 수 있다.

한편, 회전중심부(120)는, 다른 일예로 도시되지는 않았지만 베이스 플레이트(110)의 중심에 2자유도 회전(roll, pitch) 운동이 이루어지도록 설치되는 유니버셜 조인트와, 유니버셜 조인트의 외측에 결합되어 1자유도 회전(yaw) 운동을 위한 스러스트 베어링으로 구성될 수 도 있다.

볼조인트(124)의 상단에 원판 형태의 접지플레이트(132)가 설치되고, 접지플레이트(132)의 상면에 회전중심부(120)를 중심으로 같이 연동될 수 있는 발판플레이트(130)가 밀착 설치된다.

접지플레이트(132)의 직경은 하기에서 설명하는 피치스위치(140), 롤스위치(150), 요스위치(160)들과 접지를 이룰 수 있는 적정 크기를 가지며, 발판플레이트(130)는 조작자의 발이 닿아 실질적인 조작이 이루어지는 것으로서, 베이스 플레이트(110)와 같은 면적과 형태를 가질 수 있다.

그리고 발판플레이트(110)와 접지플레이트(132)는 나사 등과 같은 체결수단을 통해 결합이 이루어질 수 있으며, 발판플레이트(110)의 상면으로는 피치, 롤, 요 운동을 안내하기 위한 화살표 등의 표시가 새겨질 수 있다.

한편, 베이스 플레이트(110) 상에는 도 1 내지 도 2의 도면상 대략 12시와 6 시 방향으로 마주하는 한 쌍의 피치스위치(140)가 설치되며, 이 피치스위치(140)에는 접지플레이트(132)에 교대로 접지되도록 전기적으로 접속되는 접지편(151)이 중심을 향하여 설치되는 스위치일 수 있다.

피치스위치(140)는 구동부재(1)가 정지 또는 이동중인 상태에서 전후 병진 이동 또는 피치 운동을 하도록 하는 전기적 장치이며, 여기서 구동부재(1)는 복강경 매니퓰레이터를 일예로 들었으나, 회전 3자유도(roll, pitch, yaw), 병진 3자유도(x(좌우), y(전후). z(상하)), 병진 2자유도와 회전 1자유도 조합(x, y, yaw) 및 병진 1자유도와 회전 2자유도 조합(roll, pitch, z)의 형태를 가지는 기구이면 적용 가능하며, 미도시 되었지만 롤, 피치 및 요 운동의 전기적 신호를 제어하기 위한 제어부와 실린더 등의 구동부가 마련될 수 있다.

또한, 피치스위치(140)로부터 직교 방향으로 즉, 도면상 대략 3시와 9시 방향으로 마주하는 한 쌍의 롤스위치(150)가 설치되며, 이 롤스위치(150)에는 접지플레이트(132)에 교대로 접지되도록 전기적으로 접속되는 접지편(151)이 중심을 향하여 설치되는 스위치일 수 있다.

롤스위치(150)는 구동부재(1)가 정지 또는 이동중인 상태에서 좌우 병진 이동 또는 롤 운동을 하도록 하는 전기적 장치이다.

그리고 다시 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 12시 방향의 피치스위치(140)와 근접하여 일정 거리 이격된 대략 1시와 11시 방향에 요스위치(160)가 설치될 수 있다.

요스위치(160)는 측벽에 마주하는 방향으로 전기적인 접지편(161)이 설치되 며, 이들 접지편(161)은 접지편(161)의 사이에 위치되어 접지편(161)에 교대로 접촉이 이루어지도록 접지플레이트(132)의 하면에 하방으로 수직하게 돌출된 요스위치접지부(134)에 의해 접지된다.

즉, 접지플레이트(132)가 수평 상태에서 요 운동을 하면 요스위치접지부(134)가 한 쌍의 요스위치(160)에 교대로 접지하여 구동부재(1)가 상하 병진 이동 또는 요 운동이 이루어질 수 있다.

그리고 베이스 플레이트(110)의 테두리에 근접하는 내주면을 따라서는 일정 높이의 지지부(112)가 상방으로 돌출 형성되며, 이 지지부(112)를 따라 적어도 하나이상의 복귀스프링부(114)가 설치될 수 있다.

복귀스프링부(114)는 대략 45ㅀ각도 마다 한 개씩 설치될 수 있으며, 내부로 삽입되는 스프링의 압축과 팽창에 의하여 발판플레이트(130)의 피치 및 롤 운동 후 원위치로 복귀가 이루어지도록 하는 것일 수 있다.

또한, 발판플레이트(130)와 접지플레이트(132)가 요 운동을 위하여 수평 회전 이동 후 복귀를 돕기 위하여 접지플레이트(132)와 지지부(112)의 사이에 인장스프링(116)이 방사형으로 설치되며, 이 인장스프링(116)은 적정 간격 이격되는 대략 90ㅀ각도 마다 한 개씩 설치될 수 있다.

덧붙여, 지지부(112)에는 구동부재(1)와의 커넥터 결합을 위한 공간이 마련될 수 있다.

이와 같은 구조로 이루어진 회전 3자유도를 가지는 발판입력장치의 작용은 다음과 같이 이루어진다.

도 2 내지 도 4를 참고하여 설명하면, 예컨대 복강경 수술과 로봇을 이용하는 수술에서 수술용 기구를 양손으로 잡고 있는 상태에서 복강경의 조작을 발판입력장치(100)를 이용하여 의사가 발로 조작하게 된다.

먼저, 조작자가 발을 올려놓기 전에는 도 3에서와 같이 발판플레이트(130)가 지지부(112)의 복귀스프링부(114)에 지지되어 수평 상태를 이루게 되며, 이때, 접지플레이트(132)는 한 쌍의 피치스위치(140)와 한 쌍의 롤스위치(150)의 각각의 접지편(141)(151)에 맞닿아 있는 상태로 전기적 신호는 오프(off)되어 있다.

다음과 같은 상태에서 도시된 바와 같이 회전(roll)+회전(pitch)+병진(z) 조합의 3자유도 복강경 매니퓰레이터를 예로 든 구동부재(1)의 구동이 요구되면, 조작자는 발을 발판플레이트(130)에 올려놓게 되고, 구동부재(1)를 조작하게 된다.

구동부재(1)가 상하의 직선 병진 운동이 요구되면, 조작자는 발판플레이트(130)를 수평 상태에서 회전중심부(120)의 볼조인트(124)를 중심으로 하여 좌측 또는 우측으로 회전이 이루어지게 되고, 발판플레이트(130)의 회전에 따라 접지플레이트(132)에 설치된 요스위치접지부(134)가 한 쌍의 요스위치(160) 중 어느 하나의 접지편(161)을 가압하여 온(on)작동 시키게 된다. 그리고 회전된 발판플레이트(130)는 접지플레이트(132)와 지지부(112)에 설치된 인장스프링(116)에 의하여 원위치로 복귀가 이루어질 수 있다.

또한, 구동부재(1)가 병진 운동 중 또는 정지 상태에서 피치 이동이 요구되면, 조작자는 발판플레이트(130)를 수평 상태에서 볼조인트(124)를 중심으로 앞, 뒤로 기울어지도록 동작시키게 되며, 이 동작에 따라 접지플레이트(132)가 한 쌍의 피치스위치(140)에 교대로 접지편(141)을 가압하여 온(on)작동 시키게 된다. 이때, 가압이 이루어지는 피치스위치(140)측의 복귀스프링부(114)는 압축되었다가 압력이 해제되면 복귀되어 발판플레이트(130)를 수평상태로 유지할 수 있게 한다.

마찬가지로, 구동부재(1)가 병진 운동 중 또는 정지 상태에서 롤 이동이 요구되면, 조작자는 발판플레이트(130)를 수평 상태에서 볼조인트(124)를 중심으로 좌, 우로 기울어지도록 동작시키게 되며, 이 동작에 따라 접지플레이트(132)가 한 쌍의 롤스위치(150)를 교대로 접지편(151)을 가압하여 온(on)작동 시키게 된다. 역시, 가압이 이루어지는 롤스위치(150)측의 복귀스프링부(114)는 압축되었다가 압력이 해제되면 복귀되어 발판플레이트(130)를 수평상태로 유지할 수 있게 한다.

다음과 같은 구동부재(1)의 병진 및 피치, 롤 작동은 위에서 설명한 것과 같이 조작자의 발판플레이트(130)의 이동에 의해 반복하여 연속적으로 이루어지게 된다.

여기서 회전 2자유도와 병진 1자유도 조합(roll, pitch, z(상하)) 형태의 구동을 설명하였으나, 이 외에 회전 3자유도(roll, pitch, yaw)와, 병진 3자유도(x(좌우), y(전후). z(상하)), 그리고 병진 2자유도와 회전 1자유도 조합(x, y, yaw) 및 회전 2자유도와 병진 1자유도 조합(roll, pitch, z)의 구동 모두 회전중심부(120)를 중심으로 하는 발판플레이트(130)의 회전 3자유도 조작으로 이루어질 수 있다.

그러므로 발판입력장치의 3자유도의 실현이 한 점의 회전 중심에서 이루어지도록 함으로써, 구조가 단순하여 소형화가 가능하고, 구동부재의 병진 운동이 발판 의 회전을 통하여 이루어짐으로 하여 조작자의 발 움직임을 최소화할 수 있다.

이상 본 발명에 따른 회전 3자유도를 가지는 발판입력장치의 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 각 구성요소의 재질, 크기 등을 적용 분야에 따라 용이하게 변경할 수 있으며, 개시된 실시형태들을 조합/치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발판입력장치의 분리 사시도이고,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발판입력장치에서 요 운동을 설명하기 위한 평면도이고,

도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 발판입력장치에서 피치 및 롤 운동을 설명하기 위한 측단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 구동부재 100 : 발판입력장치

110 : 베이스 플레이트 112 : 지지부

114 : 복귀스프링부 116 : 인장스프링

120 : 회전중심부 122 : 볼구름레이스

124 : 볼조인트 130 : 발판 플레이트

132 : 접지 플레이트 134 : 요(yaw)스위치접지부

140 : 피치(pitch)스위치 141, 151, 161 : 접지편

150 : 롤(roll)스위치 160 : 요(yaw)스위치

Claims

베이스 플레이트와,

상기 베이스 플레이트의 중심부에 설치되는 회전중심부와,

상기 회전중심부에 접지플레이트를 매개로 하여 연결 설치되며 조작자의 발 움직임에 따라 상기 회전중심부를 중심으로 구동부재가 회전 3자유도(roll, pitch, yaw), 병진 3자유도(x(좌우), y(전후). z(상하)), 병진 2자유도와 회전 1자유도 조합(x, y, yaw) 및 회전 2자유도와 병진 1자유도 조합(roll, pitch, z)의 이동이 되도록 조작하는 발판플레이트와,

상기 발판플레이트의 하면에 설치된 상기 접지플레이트에 교대로 접지되도록 상기 베이스 플레이트상에 마주하여 설치되는 한 쌍의 피치스위치와,

상기 접지플레이트에 교대로 접지되도록 상기 한 쌍의 피치스위치로부터 직각 방향으로 설치되는 한 쌍의 롤스위치와,

상기 접지플레이트의 하면에 돌출 설치된 요스위치접지부의 회전에 의해 교대로 접지되도록 상기 베이스 플레이트 상에 간격 이격되어 설치되는 한 쌍의 요스위치

를 포함하는 발판입력장치.
제 1 항에 있어서,

상기 발판플레이트의 하면에 상기 접지플레이트가 밀착 설치되어 상기 발판 플레이트와 상기 접지플레이트가 연동되는 발판입력장치.
제 1 항에 있어서,

상기 회전중심부는,

상기 베이스 플레이트의 중심에 설치되는 볼구름레이스와,

상기 볼구름레이스의 내측에 구름 접촉으로 회동 및 회전 가능하도록 결합되는 볼조인트로 구성되는 발판입력장치.
제 1 항에 있어서,

상기 회전중심부는,

상기 베이스 플레이트의 중심에 2자유도 회전(roll, pitch) 운동이 이루어지도록 설치되는 유니버셜 조인트와,

상기 유니버셜 조인트의 외측에 결합되어 1자유도 회전(yaw) 운동을 위한 스러스트 베어링으로 구성되는 발판입력장치.
제 1 항에 있어서,

상기 발판플레이트의 피치 및 롤의 운동 후 원위치로 복귀가 이루어지도록 상기 베이스 플레이트의 테두리에 근접하는 내주면을 따라 지지부가 설치되고, 상기 지지부를 따라 하나 이상의 복귀스프링부가 설치되는 발판입력장치.
제 1 항에 있어서,

상기 발판플레이트의 요 운동 후 복귀가 이루어지도록 상기 베이스 플레이트의 테두리에 근접하는 내주면을 따라 지지부가 설치되고, 상기 지지부를 따라 하나이상의 인장스프링이 방사형으로 상기 접지플레이트에 연결 설치되는 발판입력장치.
제 1 항에 있어서,

상기 한 쌍의 피치스위치와, 상기 한 쌍의 롤스위치와, 상기 한 쌍의 요스위치는 전기적으로 접속된 접지편이 있는 스위치로 이루어진 발판입력장치.
제 1 항에 있어서,

상기 구동부재는 복강경 수술 및 로봇 수술에 사용되는 복강경을 조작하기 위한 회전(roll)+회전(pitch)+병진(z(상하)) 조합의 3자유도를 갖는 매니퓰레이터인 발판입력장치.