KR101070239B1 - 모멘트 평형 기구 및 이를 이용한 수술용 로봇의 암 구조 - Google Patents

모멘트 평형 기구 및 이를 이용한 수술용 로봇의 암 구조 Download PDF

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Abstract

모멘트 평형 기구 및 이를 이용한 수술용 로봇의 암 구조가 개시된다. 기준부에 대해 소정의 중심점을 중심으로 회전하는 회동부를 포함하는 패러랠 링크(parallel link)에 있어서, 회동부에 작용하는 하중에 의해 중심점에 작용하는 모멘트(moment)가 평형이 되도록 하는 기구로서, 기준부에 소정의 경로를 따라 천공되는 플레이트 캠(plate cam)과, 회동부가 회전함에 따라, 플레이트 캠에 의해 제공되는 이동 경로를 따라 이동하는 캠 팔로워(cam-follower)와, 회동부에 결합되며, 하중에 의한 모멘트와 상쇄되는 모멘트가 발생하도록 캠 팔로워에 장력을 인가하는 탄성체를 포함하되, 플레이트 캠의 경로는, 기준부에 대해 회동부의 회전한 각도에 대한 함수관계에 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 모멘트 평형 기구는, 장력을 인가하는 탄성체 및 캠 구조를 채용함으로써, 회동부의 하중에 의해 발생하는 회전 모멘트를 상쇄시켜, 회동부를 회전시킴에 있어서 어느 방향으로든 균일한 힘이 가해지도록 할 수 있으며, 이를 수술용 로봇의 암 구조에 적용하여 중력의 영향을 받지 않고 동일한 힘으로 로봇 암을 움직일 수 있다.

Description

모멘트 평형 기구 및 이를 이용한 수술용 로봇의 암 구조{Moment equilibrium mechanism and arm structure of surgical robot using the same}
본 발명은 모멘트 평형 기구 및 이를 이용한 수술용 로봇의 암 구조에 관한 것이다.
의학적으로 수술이란 피부나 점막, 기타 조직을 의료 기계를 사용하여 자르거나 째거나 조작을 가하여 병을 고치는 것을 말한다. 특히, 수술부위의 피부를 절개하여 열고 그 내부에 있는 기관 등을 치료, 성형하거나 제거하는 개복 수술 등은 출혈, 부작용, 환자의 고통, 흉터 등의 문제로 인하여 최근에는 로봇(robot)을 사용한 수술이 대안으로서 각광받고 있다.
이러한 수술용 로봇에는 의사의 조작에 의해 움직이는 로봇 암(arm)이 구비되며, 로봇 암의 선단부에는 수술 부위에 삽입되어 수술에 필요한 조작을 하는 인스트루먼트(instrument)가 장착된다.
수술용 로봇의 암은 소정 지점을 중심을 중심으로 회동하는 암 부재로 이루어지는데, 종래의 암 구조는 암 자체의 자중에 의해 암이 중력 방향으로 회동하려는 힘, 즉 암에 작용하는 하중에 의해 회동 중심점에 회전 모멘트(moment)가 발생하게 된다. 이러한 모멘트에 의해, 로봇 암을 움직임에 있어서 방향에 따라 로봇 암이 움직이는 정도가 다르게 되어, 예를 들어 중력 반대 방향으로는 로봇 암이 제대로 움직이지 않거나, 중력 방향으로는 가해진 힘 이상으로 너무 많이 움직이거나, 힘을 가하지 않았는데도 중력 방향으로 로봇 암이 움직이는 등의 문제가 발생할 수 있다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
본 발명은, 하중에 의해 발생하는 회전 모멘트를 상쇄시켜, 어느 방향으로든 균일한 힘을 가하여 회동시킬 수 있는 모멘트 평형 기구 및 이러한 모멘트 평형 기구가 적용된 수술용 로봇의 암 구조를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 기준부에 대해 소정의 중심점을 중심으로 회전하는 회동부를 포함하는 패러랠 링크(parallel link)에 있어서, 회동부에 작용하는 하중에 의해 중심점에 작용하는 모멘트(moment)가 평형이 되도록 하는 기구로서, 기준부에 소정의 경로를 따라 천공되는 플레이트 캠(plate cam)과, 회동부가 회전함에 따라, 플레이트 캠에 의해 제공되는 이동 경로를 따라 이동하는 캠 팔로워(cam-follower)와, 회동부에 결합되며, 하중에 의한 모멘트와 상쇄되는 모멘트가 발생하도록 캠 팔로워에 장력을 인가하는 탄성체를 포함하되, 플레이트 캠의 경로는, 기준부에 대해 회동부의 회전한 각도에 대한 함수관계에 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 모멘트 평형 기구가 제공된다.
캠 팔로워는 장력이 가해지는 방향으로 이동 가능하도록 회동부에 설치될 수 있으며, 이 경우, 플레이트 캠은 회동부가 회전함에 따라 캠 팔로워가 장력이 가해지는 방향으로 이동되는 거리를 구속하는 역할을 할 수 있다.
또한, 장력이 가해지는 방향으로 이동 가능하도록 회동부에 결합되는 리니어 가이드(linear guide)를 더 포함하고, 탄성체의 일단부는 리니어 가이드에 결합되며, 캠 팔로워는 리니어 가이드 상의 소정 높이에 설치되어, 탄성체로부터의 장력이 리니어 가이드를 통해 캠 팔로워에 인가될 수 있다. 캠 팔로워와 탄성체 사이에 위치하도록 회동부에 설치되는 지지부를 더 포함하며, 탄성체의 타단부는 지지부에 지지될 수 있다. 이 경우, 탄성체의 일단부는 텐션부재를 개재하여 리니어 가이드에 결합되며, 탄성체가 인장 또는 압축 변형됨에 따라 텐션부재를 통해 리니어 가이드에 장력이 가해질 수 있다.
한편, 탄성체의 탄성계수(K)는 하기 수학식에 의해 산출될 수 있다.
Figure 112010010903503-pat00001
여기서, mg는 회동부에 작용하는 하중, L은 중심점에서 회동부의 무게벡터까지의 수직거리, s는 탄성체의 초기 인장력 발생을 위한 변위값(θ=0일 때, s=|sf-s0|, 여기서 sf는 탄성체의 자유 길이, s0는 탄성체의 초기 셋팅된 길이), h는 회동부 내에서 탄성체의 장력 방향에 수직한 방향으로 캠 팔로워가 설치된 높이일 수 있다.
또한, 함수관계는 하기 수학식으로 표현될 수 있다.
Figure 112010010903503-pat00002
여기서, r은 중심점에서 캠 팔로워까지의 거리, h는 회동부 내에서 탄성체의 장력 방향에 수직한 방향으로 설치된 캠 팔로워의 높이, φ는 중심점을 중심으로 캠 팔로워가 회전한 각도일 수 있다.
이 경우, 탄성체는 인장 변형되면서 장력을 인가하며, φ는 하기 수학식에 의해 산출될 수 있다.
여기서, A는 장력이 가해지는 방향의 축 상에서 중심점으로부터 탄성체가 지지된 지점까지의 거리, B는 장력이 가해지는 방향의 축 상에서 캠 팔로워와 탄성체 사이의 거리, sf는 탄성체의 자유 길이, s0는 탄성체의 초기 인장력으로 세팅된 길이(θ=0일 때), s1은 탄성체의 나중 길이(회동부가 θ만큼 회전했을 경우 모멘트 평형을 이루기 위해 변형되는 길이), s는 탄성체의 초기 인장력 발생을 위한 변위값(θ=0일 때, s=s0-sf), θ는 기준부에 대해 회동부가 회전한 각도일 수 있다.
또는, 탄성체는 압축 변형되면서 장력을 인가하며, φ는 하기 수학식에 의해 산출될 수 있다.
Figure 112010010903503-pat00004
여기서, A는 장력이 가해지는 방향의 축 상에서 중심점으로부터 탄성체가 지지된 지점까지의 거리, B는 장력이 가해지는 방향의 축 상에서 캠 팔로워와 탄성체 사이의 거리, sf는 탄성체의 자유 길이, s0는 탄성체의 초기 인장력으로 세팅된 길이(θ=0일 때), s1은 탄성체의 나중 길이(회동부가 θ만큼 회전했을 경우 모멘트 평형을 이루기 위해 변형되는 길이), s는 탄성체의 초기 인장력 발생을 위한 변위값(θ=0일 때, s=sf-s0), θ는 기준부에 대해 회동부가 회전한 각도일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 측면에 따르면, 전술한 모멘트 평형 기구가 적용된 수술용 로봇의 암 구조로서, 기준부는 패러랠 링크를 구성하는 제1 링크부재이고, 회동부는 패러랠 링크를 구성하도록 제1 링크부재에 힌지 결합되는 제2 링크부재이며, 캠 팔로워 및 탄성체는 제2 링크부재 내에 수용되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 암 구조가 제공된다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 잇점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 장력을 인가하는 탄성체 및 캠 구조를 채용함으로써, 회동부의 하중에 의해 발생하는 회전 모멘트를 상쇄시켜, 회동부를 회전시킴에 있어서 어느 방향으로든 균일한 힘이 가해지도록 할 수 있으며, 이를 수술용 로봇의 암 구조에 적용하여 중력의 영향을 받지 않고 동일한 힘으로 로봇 암을 움직일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 모멘트 평형 기구를 나타낸 개념도.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 모멘트 평형 기구에서 탄성계수 산출을 위한 개념도.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 모멘트 평형 기구에서 플레이트 캠의 형상의 도출을 위한 개념도.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 플레이트 캠의 형상을 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 수술용 로봇의 암 구조를 나타낸 사시도.
도 10은 도 9의 A-A'에 대한 단면을 나타낸 사시도.
도 11은 도 9의 A-A'에 대한 단면도.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 모멘트 평형 기구를 나타낸 개념도이다. 도 1을 참조하면, 기준부(10), 플레이트 캠(12), 회동부(20), 캠 팔로워(22), 리니어 가이드(24), 지지부(26), 텐션부재(28), 탄성체(30)가 도시되어 있다.
기준부에 대해 소정의 중심점을 중심으로 회전하는 회동부를 포함하는 패러랠 링크 등의 작동 기구(機構)에 있어서, 회동부에 중력 등의 하중이 작용함에 따라 중심점에 회전 모멘트(이하, '정모멘트'라 할 수 있음)가 발생하게 되는데, 본 실시예는 이러한 회전 모멘트를 상쇄시킬 수 있는 모멘트(이하, '부모멘트'라 할 수 있음)를 발생시켜 모멘트 평형이 이루어지도록 함으로써, 회동부가 어느 방향으로든 균일한 힘으로 회전할 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.
이를 위해 본 실시예에 따른 모멘트 평형 기구는, 회동부(20)가 회전한 각도에 상관없이 부모멘트의 크기가 정모멘트의 크기와 같아 모멘트 평형을 이룰 수 있도록 캠 구조를 채용한 것을 특징으로 한다. 즉, 기준부(10)에는 플레이트 캠(12)을 천공하고, 플레이트 캠(12)에 의해 그 이동 경로가 구속되는 캠 팔로워(22)를 회동부(20)에 구비시킴으로써, 회동부(20)가 기준부(10)에 대해 회전한 각도에 상관없이 모멘트 평형이 이루어지도록 할 수 있다.
캠 팔로워(22)에는 탄성체(30)(의 일단부)가 결합되고, 탄성체(30)에 의해 캠 팔로워(22)에 장력이 인가되며, 탄성체(30)의 타단부는 회동부(20)에 고정될 수 있다. 탄성체(30)에 의한 인장력에 의해 캠 팔로워(22)는 잡아 당겨지게 되는데, 회동부(20)가 기준부(10)에 대해 회전함에 따라 캠 팔로워(22)가 플레이트 캠(12)에 구속되어, 캠 팔로워(22)가 잡아 당겨지는 거리가 달라지게 된다.
이처럼, 캠 팔로워(22)가 장력이 가해진 방향으로 이동되는 거리가 달라지면, 그에 따라 탄성체(30)의 변위도 달라지게 되며, 이에 따라 탄성체(30)의 장력에 의해 생성되는 발생되는 부모멘트의 크기가 달라지게 된다.
회동부(20)가 기준부(10)에 대해 회전함에 따라 정모멘트의 크기가 달라지는데, 전술한 바와 같이 캠 구조에 의해 부모멘트의 크기 또한 달라지게 되므로, 부모멘트가 정모멘트와 상쇄되는 결과를 가져올 수 있다.
부모멘트가 정모멘트와 상쇄되도록 하기 위해서는, 캠 팔로워(22)의 이동을 구속하는 플레이트 캠(12)의 경로의 형상이 적절하게 설계되어야 하는데, 회동부(20)에 작용하는 모멘트의 크기는 회동부(20)가 기준부(10)에 대해 회동한 각도(이하, 'θ'라 할 수 있음)에 따라 달라지므로, 플레이트 캠(12)의 경로의 형상을 θ에 대한 함수관계에 따라 형성할 수 있다. θ에 대한 함수관계의 구체적인 수식에 대해서는 후술한다.
한편, 본 실시예에 따른 캠 팔로워(22)는 장력이 가해지는 방향으로 이동할 수 있도록 회동부(20)에 설치되며, 기준부(10)에 대해 회동부(20)가 회전함에 따라 캠 팔로워(22)가 장력이 가해지는 방향으로 이동하는 길이는 플레이트 캠(12)에 의해 구속된다. 이를 위해, 본 실시예에 따른 탄성체(30)를 캠 팔로워(22)에 직접 연결하는 대신, 탄성체(30)의 일단부를 리니어 가이드(24)에 결합하고, 리니어 가이드(24) 상의 소정 높이에 의해 캠 팔로워(22)를 설치하여 장력이 전달되도록 할 수 있다.
리니어 가이드(24)는 장력을 가해지는 방향으로 이동 가능하도록 회동부(20)에 설치되는 구성요소로서, 탄성체(30)의 일단부가 리니어 가이드(24)의 일측에 결합되어 탄성체(30)로부터의 장력이 리니어 가이드(24)에 가해지며, 캠 팔로워(22)를 리니어 가이드(24) 상의 소정 높이(예를 들면 리니어 가이드(24)에 탄성체(30)가 결합된 높이)에 형성함으로써 리니어 가이드(24)에 가해진 장력이 캠 팔로워(22)에 전달될 수 있다.
캠 팔로워(22)는 별도의 부재로 제작하여 리니어 가이드(24)에 결합될 수도 있고, 리니어 가이드(24)와 일체로 제작될 수도 있다.
본 실시예에 따른 탄성체(30)는 캠 팔로워(22)에 장력을 인가하여 부모멘트가 발생하도록 하는 구성요소로서, 그 일단부는 전술한 바와 같이 리니어 가이드(24)에 결합될 수 있고, 타단부는 회동부(20)에 고정될 수 있다. 탄성체(30)의 타단부는 회동부(20)의 적절한 위치에 고정될 수 있으며, 회동부(20) 내에 별도로 설치되는 지지부(26)에 고정될 수도 있다.
탄성체(30)는, 캠 팔로워(22)에 면한 쪽을 캠 팔로워(22)에 결합하고 그 반대쪽을 회동부(20)에 고정시킬 수 있는데, 이 경우 탄성체(30)가 인장 변형되면서 장력이 가해지게 된다. 탄성체(30)가 인장 변형될 경우 탄성 한계치 이상으로 변형되면 탄성계수 값이 변하여 탄성력이 달라지게 되므로 모멘트 평형 기구가 제대로 작동하지 않을 수도 있다.
이에 대해, 본 실시예에 따른 탄성체(30)는 캠 팔로워(22)에 면한 쪽을 회동부(20)에 고정시키고 그 반대쪽을 캠 팔로워(22)에 결합함으로써, 탄성체(30)의 압축 변형에 의해 장력이 가해지도록 할 수 있다.
즉, 도 1에 도시된 것처럼, 캠 팔로워(22)와 탄성체(30) 사이에 지지부(26)를 설치하여 탄성체(30)의 타단부가 지지부(26)에 고정되도록 하고, 탄성체(30)의 일단부에는 와이어(wire), 로드(rod), 스트링(string), 링크(link) 등 장력을 받는 텐션부재(28)를 연결하며, 텐션부재(28)의 말단이 리니어 가이드(24)에 결합되도록 할 수 있다. 이로써, 텐션부재(28)를 통해 전달되는 탄성체(30)와 리니어 가이드(24)(및 캠 팔로워(22)) 간의 장력이 탄성체(30)를 압축 변형시키게 되고, 역으로 탄성체(30)의 압축 변형에 의해 장력이 텐션부재(28)를 통해 리니어 가이드(24)(및 캠 팔로워(22))에 가해지게 된다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 모멘트 평형 기구에서 탄성계수 산출을 위한 개념도이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 기준부(10), 플레이트 캠(12), 회동부(20), 캠 팔로워(22), 리니어 가이드(24), 지지부(26), 탄성체(30)가 도시되어 있다.
본 실시예에 따른 모멘트 평형 기구는 탄성체(30)에 의해 인가되는 장력으로부터 부모멘트가 생성되는 구조로 이루어지는데, 생성되는 부모멘트가 정모멘트를 상쇄시킬 수 있도록 적절한 값의 탄성계수를 갖는 탄성체(30)를 선정하는 것이 좋다. 이하, 본 실시예에 따른 탄성체(30)의 탄성계수(K)를 산출하는 과정에 대해 상세히 설명한다. 도 2 및 도 3에서는 탄성계수 산출 과정을 설명하기 위해 탄성체(30)와 리니어 가이드(24) 및 지지부(26)와의 결합 관계를 도식적으로 표현하였다.
도 2 및 도 3에 도시된 것처럼, 캠 구조(플레이트 캠(12) 및 캠 팔로워(22))를 이용하여 r의 길이를 변화시키고 이를 통해 탄성체(30), 예를 들면 스프링의 변위를 변화시킴으로써 모멘트 평형을 이루는 기구를 설계할 수 있다.
도 2 및 도 3에서, 회동부(20)에 작용하는 하중을 mg, 중심점에서 회동부(20)의 무게벡터까지의 수직거리를 L, 탄성체의 자유 길이를 sf, 탄성체의 초기 셋팅된 길이를 s0, 탄성체(30)의 초기 인장력 발생을 위한 변위값(θ=0일 때)을 s(=sf-s0), 모멘트 방향에 수직한 거리, 즉 회동부(20) 내에서 탄성체의 장력 방향에 수직한 방향으로 캠 팔로워(22)가 설치된 높이를 h, 회동부(20)가 기준부(10)에 대해 회동한 각도를 θ라고 하면, 도 2에서와 같이 θ=0일 때 모멘트 평형 조건에 의해 하기 수학식 1이 성립한다.
Figure 112010010903503-pat00005
도 3에서와 같이 회동부(20)가 회전하여 θ가 변하게 되면, 무게벡터까지의 수직거리 L'는 하기 수학식 2와 같다.
Figure 112010010903503-pat00006
회동부(20)가 회전하여 θ값이 변할 때 모멘트 평형 조건인 수학식 1의 좌우변을 같게 유지하려면 좌변에 단순히 cosθ를 곱해주면 된다. 따라서, θ값이 변하더라도 패러랠 링크가 모멘트 평형을 이루는 하기 수학식 3을 만족하는 s'를 도입할 수 있다.
Figure 112010010903503-pat00007
s'의 도입은 플레이트 캠(12)의 곡선의 형상을 변경함으로써 구성이 가능하며, 이 때 s'=s·cosθ를 만족한다. 이에 따라 상기 수학식 3은 하기 수학식 4와 같이 정리될 수 있다.
Figure 112010010903503-pat00008
수학식 4로부터 θ에 무관하게 일정한 K값을 구할 수 있다. 즉, 수학식 4를 K에 대해 정리하면, 하기 수학식 5와 같다.
Figure 112010010903503-pat00009
수학식 5에서, 캠 팔로워(22)는 리니어 가이드(24) 상의 정해진 높이에 부착되므로 h는 일정한 값을 가지고, 나머지 mg, L, s 또한 모두 기구 설계시 결정되는 설계값이므로, 이를 입력하여 탄성체(30)의 K값을 산출할 수 있다. 이와 같이 산출된 K값을 가지는 탄성체(30)를 선정함으로써, 탄성체(30)에 생성되는 부모멘트가 정모멘트를 상쇄시켜 모멘트 평형을 이룰 수 있다.
도 3에서, 탄성체(30)의 자유 길이를 sf, 탄성체(30)의 초기 인장력으로 세팅된 길이를 s0(θ=0일 때), 탄성체(30)의 나중 길이(회동부(20)가 θ만큼 회전했을 경우 모멘트 평형을 이루기 위해 변형되는 길이)를 s1이라 하면, s는 탄성체(30)의 초기 인장력 발생을 위한 변위값(θ=0일 때)이므로, s=sf-s0이고, θ의 변화에 따른 변위값 s'=sf-s1=s·cosθ이다. 따라서 θ의 변화에 따라 탄성체(30)가 s0-s1만큼 변위하며 평형상태를 이루게 되며, 바꿔 말하면 탄성체(30)가 s0-s1만큼 변위하도록 플레이트 캠(12)의 형상을 구성함으로써 모멘트 평형을 이룰 수 있다. 도 3은 압축스프링의 예이므로 s0-s1=-s·(1-cosθ)와 같이 표현되며, 인장스프링의 경우는 s0-s1=s·(1-cosθ)와 같다. 이하, 플레이트 캠(12)의 형상을 도출하는 과정에 대해 상세히 설명한다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 모멘트 평형 기구에서 플레이트 캠의 형상의 도출을 위한 개념도이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 플레이트 캠의 형상을 나타낸 도면이다. 도 4 내지 도 8을 참조하면, 기준부(10), 플레이트 캠(12), 회동부(20), 캠 팔로워(22), 리니어 가이드(24), 지지부(26), 탄성체(30)가 도시되어 있다.
본 실시예에 따른 모멘트 평형 기구는, 회동부(20)가 기준부(10)에 대해 회동한 각도(θ)에 따라 회동부(20)에 작용하는 모멘트의 크기가 달라지는데, θ에 상관없이 항상 모멘트 평형이 이루어질 수 있도록, 전술한 바와 같이 플레이트 캠(12)의 형상을 θ에 대한 함수관계에 따라 형성하는 것이 좋다. 이하, 본 실시예에 따른 플레이트 캠(12)의 경로의 형상을 도출하는 과정에 대해 상세히 설명한다. 도 4 내지 도 7은 플레이트 캠(12)의 경로를 도출하는 과정을 설명하기 위해 탄성체(30)와 리니어 가이드(24) 및 지지부(26)와의 결합 관계를 도식적으로 표현한 것으로, 도 4 및 도 5는 인장 스프링이 탄성체로 사용된 경우를, 도 6 및 도 7은 압축 스프링이 탄성체로 사용된 경우를 예시한 것이다.
도 4 및 도 5와 같이 인장 스프링이 사용된 경우, 장력이 가해지는 방향의 축(도 5의 'w' 참조) 상에서, 중심점으로부터 탄성체(30)가 지지된 지점까지의 거리를 A, 중심점으로부터 캠 팔로워(22)가 위치한 지점까지의 거리를 x(=r·cosφ), 탄성체(30)의 자유 길이를 sf, 탄성체(30)의 초기 인장력으로 세팅된 길이를 s0(θ=0일 때), 탄성체(30)의 나중 길이(회동부(20)가 θ만큼 회전했을 경우 모멘트 평형을 이루기 위해 변형되는 길이)를 s1, 탄성체(30)의 초기 인장력 발생을 위한 변위값(θ=0일 때)을 s, 캠 팔로워(22)와 탄성체 고정부 사이의 거리(상수 구간)를 B라 하면, A, B는 θ와 무관하게 일정하고, 하기 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112010010903503-pat00010
전술한 바와 같이, s0-s1=s·(1-cosθ) 만큼 변위하도록 플레이트 캠(12)의 형상을 구성하면 모든 θ에 대하여 모멘트 평형식을 만족시킬 수 있으므로, 상기 수학식 6은 하기 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112010010903503-pat00011
이를 x(=r·cosφ)에 대해 정리하면, 하기 수학식 8과 같다.
Figure 112010010903503-pat00012
회동부(20) 내에서 캠 팔로워(22)가 탄성체의 장력 방향에 수직한 방향으로 설치된 높이를 h, 중심점을 중심으로 캠 팔로워(22)가 회전한 각도를 φ라 하면 tanφ = h/x이며, x(=r·cosφ)에 상기 수학식 8을 대입하면, φ를 하기 수학식 9와 같이 구할 수 있다.
Figure 112010010903503-pat00013
수학식 9에서, A, B, s, s0, h는 모두 상수로 주어지므로 θ의 변화에 따른 φ값을 구할 수 있다. 플레이트 캠(12)의 형상을 결정하는 요소는 r, 즉 중심점에서 캠 팔로워(22)까지의 거리이며, 도 4에서 sinφ = h/r이므로, r은 하기 수학식 10과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112010010903503-pat00014
φ를 구한 후, φ를 수학식 10에 대입하여 r값을 구함으로써, 본 실시예에 따른 플레이트 캠(12)의 형상을 얻을 수 있다.
한편, 도 6 및 도 7과 같이 압축 스프링이 사용된 경우에도, 탄성체(30)의 자유 길이를 sf, 탄성체(30)의 초기 인장력으로 세팅된 길이를 s0(θ=0일 때), 탄성체(30)의 나중 길이(회동부(20)가 θ만큼 회전했을 경우 모멘트 평형을 이루기 위해 변형되는 길이)를 s1, 탄성체(30)의 초기 인장력 발생을 위한 변위값(θ=0일 때)을 s, 캠 팔로워(22)와 탄성체 고정부 사이의 거리(상수 구간)를 B라 하면, A, B는 θ와 무관하게 일정하고, 하기 수학식 11과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112010010903503-pat00015
전술한 바와 같이, s0-s1=-s·(1-cosθ) 만큼 변위하도록 플레이트 캠(12)의 형상을 구성하면 모든 θ에 대하여 모멘트 평형식을 만족시킬 수 있으므로, 상기 수학식 11은 하기 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112010010903503-pat00016
이를 x(=r·cosφ)에 대해 정리하면, 하기 수학식 13과 같다.
Figure 112010010903503-pat00017
tanφ = h/x이므로, x(=r·cosφ)에 상기 수학식 13을 대입하면, φ를 하기 수학식 14와 같이 구할 수 있다.
Figure 112010010903503-pat00018
이로부터 φ를 구하고 φ를 수학식 10에 대입하여 r값을 구함으로써, 본 실시예에 따른 플레이트 캠(12)의 형상을 얻을 수 있음은 전술한 바와 같다.
도 8에는 전술한 수학식으로부터 도출된 플레이트 캠(12)의 형상의 일 실시예가 도시되어 있다. 도 8에서 볼 수 있듯이, 본 실시예에 따른 캠(12)의 형상은, 회동 중심점(도 8의 'C' 참조)에 대한 원호의 형상(도 8의 'arc' 참조)과 동일하지 않은, θ에 대한 함수관계로부터 도출된 곡선 형상으로 형성됨을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 수술용 로봇의 암 구조를 나타낸 사시도이고, 도 10은 도 9의 A-A'에 대한 단면을 나타낸 사시도이고, 도 11은 도 9의 A-A'에 대한 단면도이다. 도 9 내지 도 11을 참조하면, 플레이트 캠(12), 캠 팔로워(22), 리니어 가이드(24), 지지부(26), 텐션부재(28), 탄성체(30), 로봇 암 구조(42), 링크부재(44a, 44b, 44c, 44d)가 도시되어 있다.
본 실시예에 따른 모멘트 평형 기구는 수술용 로봇의 암 구조(42)에 적용될 수 있다. 즉, 도 9와 같은 수술용 로봇의 암 구조(42)에 있어서, 로봇 암의 일부에 패러랠 링크를 적용할 경우, 패러랠 링크를 구성하는 링크부재(44a)를 기준부(10)로 하고, 기준부(10)인 링크부재(44a)에 힌지 결합되는 링크부재(44b)를 회동부(20)로 함으로써, 로봇 암이 모멘트 평형을 이루도록 할 수 있다.
이 경우, 플레이트 캠(12)은 기준부(10)인 링크부재(44a)에 천공되고, 캠 팔로워(22), 리니어 가이드(24), 지지부(26), 텐션부재(28) 및 탄성체(30)의 결합체는 회동부(20)인 링크부재(44b) 내에 수용되도록 설치될 수 있다.
이처럼, 수술용 로봇 암 구조에 모멘트 평형 기구를 적용함으로써, 로봇 암이 자중에 의해 중력 방향으로 처지지 않고, 어느 방향으로든 동일한 힘으로 움직일 수 있게 된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 기준부 12 : 플레이트 캠
20 : 회동부 22 : 캠 팔로워
24 : 리니어 가이드 26 : 지지부
28 : 텐션부재 30 : 탄성체
42 : 로봇 암 구조 44a, 44b, 44c, 44d : 링크부재

Claims (11)

  1. 기준부와, 소정의 중심점에서 상기 기준부에 힌지 결합되며 상기 중심점을 중심으로 회전하는 회동부를 포함하는 패러랠 링크(parallel link)에 있어서, 상기 회동부에 작용하는 하중에 의해 상기 중심점에 작용하는 모멘트(moment)가 평형이 되도록 하는 기구로서,
    상기 기준부에 소정 형상의 경로를 따라 천공되는 플레이트 캠(plate cam)과;
    상기 회동부에 구비되며, 상기 회동부의 회전에 따라 이동하되, 상기 플레이트 캠에 의해 그 이동 경로가 구속되는 캠 팔로워(cam-follower)와;
    일단부는 상기 캠 팔로워에 결합되고 타단부는 상기 회동부의 소정 지점에 고정되어, 상기 하중에 의한 모멘트와 상쇄되는 모멘트가 발생하도록 상기 캠 팔로워에 장력을 인가하는 탄성체를 포함하되,
    상기 플레이트 캠의 경로의 형상은, 상기 기준부를 기준으로 상기 회동부가 회전한 각도에 대한 함수관계에 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 모멘트 평형 기구.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 장력이 가해지는 방향으로 이동 가능하도록 상기 회동부에 결합되는 리니어 가이드(linear guide)를 더 포함하고,
    상기 캠 팔로워는 상기 리니어 가이드 상의 소정 높이에 설치됨으로써 상기 장력이 가해지는 방향으로 이동 가능하게 되며,
    상기 탄성체의 일단부는 상기 리니어 가이드에 연결되어,
    상기 탄성체의 일단부는 상기 리니어 가이드를 개재하여 상기 캠 팔로워에 결합되는 것을 특징으로 하는 모멘트 평형 기구.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 플레이트 캠은, 상기 회동부가 회전함에 따라 상기 캠 팔로워가 상기 장력이 가해지는 방향으로 이동되는 거리를 구속하는 것을 특징으로 하는 모멘트 평형 기구.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 탄성체로부터의 장력은 상기 리니어 가이드를 통해 상기 캠 팔로워에 인가되는 것을 특징으로 하는 모멘트 평형 기구.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 캠 팔로워와 상기 탄성체 사이에 위치하도록 상기 회동부에 설치되는 지지부를 더 포함하며, 상기 탄성체의 타단부는 상기 지지부에 지지되는 것을 특징으로 하는 모멘트 평형 기구.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 탄성체의 일단부는 텐션부재를 개재하여 상기 리니어 가이드에 결합되며, 상기 탄성체가 압축 변형됨에 따라 상기 텐션부재를 통해 상기 리니어 가이드에 장력이 가해지는 것을 특징으로 하는 모멘트 평형 기구.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 탄성체의 탄성계수(K)는 하기 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 모멘트 평형 기구.
    Figure 112010010903503-pat00019

    여기서, 상기 mg는 상기 회동부에 작용하는 하중, 상기 L은 상기 중심점에서 상기 회동부의 무게벡터까지의 수직거리, 상기 s는 상기 탄성체의 초기 인장력 발생을 위한 변위값(θ=0일 때), 상기 h는 상기 회동부 내에서 상기 탄성체의 장력 방향에 수직한 방향으로 상기 캠 팔로워가 설치된 높이임.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 함수관계는 하기 수학식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 모멘트 평형 기구.
    Figure 112010010903503-pat00020

    여기서, 상기 r은 상기 중심점에서 상기 캠 팔로워까지의 거리, 상기 h는 상기 회동부 내에서 탄성체의 장력 방향에 수직한 방향으로 설치된 상기 캠 팔로워의 높이, 상기 φ는 상기 중심점을 중심으로 상기 캠 팔로워가 회전한 각도임.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 탄성체는 인장 변형되면서 장력을 인가하며, 상기 φ는 하기 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 모멘트 평형 기구.
    Figure 112010010903503-pat00021

    여기서, 상기 A는 중심점으로부터 상기 탄성체가 지지된 지점까지의 거리, 상기 B는 장력이 가해지는 방향의 축 상에서 상기 캠 팔로워와 상기 탄성체 사이의 거리, 상기 s0는 상기 탄성체의 초기 인장력으로 세팅된 길이(θ=0일 때), 상기 s는 상기 탄성체의 초기 인장력 발생을 위한 변위값(θ=0일 때), 상기 θ는 상기 기준부에 대해 상기 회동부가 회전한 각도임.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 탄성체는 압축 변형되면서 장력을 인가하며, 상기 φ는 하기 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 모멘트 평형 기구.
    Figure 112010010903503-pat00022

    여기서, 상기 A는 중심점으로부터 상기 탄성체가 지지된 지점까지의 거리, 상기 B는 장력이 가해지는 방향의 축 상에서 상기 캠 팔로워와 상기 탄성체 사이의 거리, 상기 s0는 상기 탄성체의 초기 인장력으로 세팅된 길이(θ=0일 때), 상기 s는 상기 탄성체의 초기 인장력 발생을 위한 변위값(θ=0일 때), 상기 θ는 상기 기준부에 대해 상기 회동부가 회전한 각도임.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 모멘트 평형 기구가 적용된 수술용 로봇의 암 구조로서,
    상기 기준부는 패러랠 링크를 구성하는 제1 링크부재이고,
    상기 회동부는 패러랠 링크를 구성하도록 상기 제1 링크부재에 힌지 결합되는 제2 링크부재이며,
    상기 캠 팔로워 및 상기 탄성체는 상기 제2 링크부재 내에 수용되는 것을 특징으로 하는 수술용 로봇의 암 구조.
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